Brevet FR2001306A1 — publié le 19690926

La présente invention concerne un nouveau type de limiteur à semi-conducteur à l'état solide pour microondes (ondes à ultrahaute fréquence), capable de supporter une puissance à haute fréquence relativement élevée. On sait que jusqu'à présent ont été utilisés des limiteurs à l'état solide pour microondes employant des diodes "varactor" (diodes à capacité variable) connectées dans un circuit résonnant disposé en dérivation sur une ligne de transmission ou un guide creux, afin de limiter l'écoulement de l'énergie à ultra-haute fréquence transmise par cette ligne ou ce guide. De tels dispositifs comprenaient aussi des éléments à contact ponctuel couplés aux champs à haute fréquence de la ligne de transmission au moyen d'une boucle de couplage inductif.Le signal à haute fréquence prélevé par cette boucle était redressé dans 11 élément à contact ponctuel pour fournir un signal de commande de polarisation en courant continu que l'on appliquait à la diode varactor pour désaccorder le circuit résonnant à haute fréquence contenant cette diode et limiter ainsi la puissance transmise par la ligne de transmission à un récepteur. L'un des problèmes présentés par les limiteurs à l'état solide de l'art antérieur était que la diode à contact ponctuel utilisée pour prélever la puissance arrivante et en dériver le signal de commande de polarisation ne pouvait supporter qu'une puissance assez faible, en sorte que, quand une puissance "de fuite" relativement grande passait dans le limiteur à l'état solide, cette puissance de fuite dérivée par la boucle de couplage inductif et appliquée à la diode à contact ponctuel pour-obtenir le signal de polarisation dépassait fréquemment la valeur admissible, ce qui entraînait la destruction par brûlage de la diode.Plus particulièrement, on a constaté que, si l'énergie contenue dans la pointe correspondant au flanc avant de la puissance de fuite à haute fréquence dérivée d'une impulsion excédait 5 ergs, la durée de vie utile de la diode à contact ponctuel était fortement réduite, ce qui entraînait une réduction correspondante de la durée de vie du limiteur. I1 existait donc un besoin pour un limiteur pour microondes employant une diode de polarisation pouvant supporter une puissance accrue. L'objet principal de la présente invention est de fournir un limiteur à ltétat solide amélioré pour microondes4 L'une des caractéristiques de la présente invention est qu'elle prévoit, dans un limiteur à l'état solide pour microondes, un circuit de polarisation comprenant une diode à couche d'arrêt superficielle, afin de redresser une portion prélevée de la puissance à haute fréquence arrivant au limiteur pour en dériver un signal de commande de polarisation pour polariser la diode varactor limitant la puissance, grâce à quoi la capacité de supporter une puissance donnée et la durée de vie utile du limiteur à l'état solide sont augmentées. Une autre caractéristique de la présente invention est identique à la précédentej avec la particularité que la diode à couche d'arrêt superficielle est montée dans un circuit résonnant accordé à la fréquence de la puissance qui doit être transmise par le limiteur, ce circuit comprenant une sonde capacitive pénétrant dans la ligne de transmission pour microondes pour prélever la puissance à haute fréquence correspondante arrivant au dispositif limiteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description donnée ci-après en relation avec les dessins ci-annexés, dans lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale et partie en élévation montrant l'appareil limiteur à l'état solide de la présente invention - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale de la structure de la Fig. 1, prise le long des lignes 2-2 dans la direction des flèches;; - la Fig0 3 est le schéma d'un circuit électrique équivalent au limiteur à l'état solide des Figs. 1 et 2, lorsqu'il fonctionne à faible puissance - la Fig. 4 est un graphique montrant la valeur de la perte d'indes tion en décibels en fonction de la fréquence, pour le limiteur à l'état solide des Figs. 1 et 2 - la Fig. 5 montre un circuit équivalent à la portion formée par la diode varactor du limiteur à l'état solide des Figs. 1 et 2, pour le cas d'un signal à niveau élevé ; et - la Fig. 6 est un graphique montrant la puissance en milliwatts, en fonction du temps, dans le cas d'une impulsion dérivée typique de fuite de puissance en microondes transmise d'un tube TR (tube commutateur émission-réception) au limiteur et montrant l'action limitatrice du limiteur à l'état solide des Figso 1 et 2. Se référant maintenant aux Figs. 1 et 2, on voit sur celles-ci un limiteur à l'état solide pour microondes 1 présentant les caractéristiques de la présente invention0 Le limiteur 1 comprend une borne d'entrée 2 à l'une de ses extrémités et une borne de sortie 3 à son autre extrémité, pour son raccordement à une paire de guides d'ondes rectangulaires 4 et 5, respectivement. Le limiteur 1 est connecté en circuit de manière typique entre la sortie d'un tube TR et l'entrée d'un récepteur pour microondes. Le but du limiteur est d'empêcher les pointes d'énergie à haute fréquence en microondes de passer de la sortie du tube TR à l'entrée du récepteur et de réduire le niveau de puissance des impulsions en microondes transmises à ce récepteur.De telles impulsions de fuite et les pointes correspondantes d'énergie à haute fréquence en microondes pourraient détruire en les brûlant des composants sensibles à l'intérieur du récepteur. Le limiteur pour microondes 1 comprend une courte d'onde rectangulaire creux 6 avec une diode varactor 7 connectée en shunt en travers du guide d'onde 6, sensiblement au milieu de la longueur de celui-ci. La diode varactor 7 est montée entre l'extrémité d'une tige conductrice inductive 8 et un conducteur central isolé 9 appartenant au circuit de polarisation en courant continu qui sera décrit plus complètement ci-après. L'inductance de la tige 8 et la capacité du varactor 7 forment un élément shunt résonnant connecté en travers du guide 6. Cet élément shunt est accordé à la résonance près du centre de la bande passante du limiteur 1. L'impédance caractéristique du guide d'onde 6 est sensiblement plus basse que l'impédance caractéristique des sections adjacentes de guides d'ondes 4 et 5, afin de former une paire de sections de transformation et d'adaptation d'impédance il et 12 pour adapter l'impédance relativement basse de la diode varactor 7 à l'impédance des guides d'ondes 4 et 5 au centre de la bande passante du limiteur lo Le circuit équivalent à ce limiteur 1 est représenté sur la Fige 3. Dans un exemple typique les guides d'ondes 4 et 5 ont une impédance caractéristique d'environ 377 ohms, tandis que l'impédance caractéristique des sections de guides d'ondes i1 et 12 est d1ap- proximativement 190 ohms et que l'impédance du varactor 7 est d'approximativement 36 ohms0 Le circuit de polarisation en courant continu de la diode varactor 7 comprend une longueur 15 de ligne coaxiale 13 comprenant une impédance d'arrêt en demi-onde 14 formée par une longueur de ligne coaxiale en quart d'onde avec charge céramique 15 et une longueur radiale en quart d'onde 16 présentant un court-circuit pour les microondes à l'extrémité de la longueur de ligne coaxiale 13 qui est adjacente à la diode 7, en sorte que l'une des bornes de cette diode 7 est essentiellement connectée, en ce qui concerne les hautes fréquences, au conducteur extérieur de la longueur de ligne coaxiale 13 qui à son tour est fixé par vissage dans la paroi large supérieure de la section de guide d'ondes 6. Un condensateur de dérivation en haute fréquence en forme de disque 17 est formé par un élément métallique annulaire 18 connecté conductivement au moyen d'un contact glissant au conducteur central 9 et faiblement espacé au moyen d'une feuille mince de matière diélectrique 19 du conducteur extérieur de la longueur de ligne coaxiale 13, afin de dériver l'énergie à haute fréquence qui tend à se propager sur la longueur de ligne coaxiale 13 au-delà de l'impédance d'arrêt b haute fréquence 14. Une tige conductrice 21 est en contact avec le conducteur central 9 et traverse radialement vers l'extérieur la longueur de ligne coaxiale 13 par l'intermédiaire d'un manchon isolant 22, afin de réaliser une borne de polarisation en courant continu 23. La connexion en série des résistances 24 et 25 forme un réseau diviser de potentiel pour diviser un potentiel négatif, par exemple - 24 volts, appliqué à la borne 26. Une polarisation continue convenable, par exemple d'une valeur de - 0,5 à - 1 volt, est dérivée d'une prise centrale du réseau diviseur de potentiel et est appliquée par la connexion 27 à la borne de polarisation continue 23 et, de là,à l'une des bornes de la diode varactor 7 par l'intermédiaire de la tige 21 et du conducteur central 9.L'autre borne de la diode varactor 7 est connectée au potentiel du sol à travers la tige 8 et le bottier de guide d'ondes 28. Le conducteur central 9 peut se déplacer axialement relativement au conducteur extérieur de la longueur de ligne coaxiale 13 afin d'ajuster la fréquence de résonance du circuit shunt formé par la tige 8, la diode 7 et la ligne coaxiale 13. La polarisation initiale continue appliquée à la diode 7, comme il a été dit ci-dessus, est choisie de façon que le circuit équivalent au limiteur 1 apparaisse essentiellement sous la forme de la Fig. 3. Plus spécifiquement, le circuit de la diode varactor présente au guide d'onde une capacité shunt qui est essentiellement la même que les capacités shunt créées par les sections de transfwQ mation, en sorte que le limiteur est adapté à l'impédance d'entrée Z du récepteur et à l'impédance caractéristique des guides d'ondes o 4 et 50 Le limiteur 1 présente alors la caractéristique de perte d'insertion en fonction de la fréquence montrée sur la Fig. 4, où f0 est la fréquence centrale de la bande passante du limiteur, choisie de manière à correspondre à la fréquence de l'énergie en microondes à transmettre à travers ce limiteur au récepteur relié à 5. Se référant à nouveau aux Figs. 1 et 2, le limiteur 1 comprend un circuit de captation 29 pour préleve une partie de l'énergie en microondes arrivant à la diode varactor 7 et pour convertir le signal ainsi prélevé en un signal de commande de polarisation en courant continu que l'on superpose au signal de polarisation en courant continu dérivé du réseau diviseur de tension, afin de régler l'effet de limitation du limiteur 1. Le circuit de captation de polarisation 29 comprend une sonde capacitive 31 qui pénètre dans le guide d'onde 6 et forme un prolongement du conducteur central de la longueur de ligne coaxiale 32. Un circuit résonnant est formé par l'inductance 33 et la capacité de la diode à couche d'arrêt superficielle 34 (diode de Schottky)o Ce circuit résonnant est accordé à la fréquence centrale de l'énergie en microondes qui doit être transmise par le limiteur 1 au récepteur. L'une des bornes de la diode de Schottky 34 est connectée à la sonde de tension 31, et son autre borne est connectée au sol, à travers un condensateur de dérivation 36 et un condensateur de couplage 37, par la résistance 25, grtce à quoi le potentiel transitoire de polarisation développé aux bornes de 25 se superpose à la polarisation fixe appliquée à la diode varactor 7. L'une des bornes de l'inductance 33 est connectée à la sonde 31 et l'autre borne de l'inductance 33 est connectée au sol par une connexion 38.La connexion 38 passe dans un trou prévu dans le condensateur de dérivation 36o Une matière de remplissage isolante telle qu'un caoutchouc de silicone vulcanisable à la température ambiante est injectée dans le trou prévu dans le bottier 28, qui contient le circuit 29 de prélèvement de puissance, afin d'isoler de ce bottier mis à la terre 28 les divers composants. La diode à couche d'arrêt superficielle 34 démodule l'énergie en microondes prélevée par la sonde 31 ; les composants de la tension transitoire de démodulation à fréquences relativement élevées créées aux bornes de la résistance 25, correspondant aux composantes de Fourier des pointes de flanc avant et à la fréquence fondamentale des impulsions en microondes de puissance de fuite, sont appliquées à la diode varactor 7 pour modifier la réactance capacitive de celle-ci et pour produire une désadaptation dans la structure en forme de tige 8 formant shunt résonnant.Il en résulte que la puissance incidente à haute fréquence démodulée produit une réflexion transitoire sur cette structure en forme de tige 8, créant par là un accroissement transitoire de la perte d'insertion pour limiter la puissance en microondes s'écoulant à travers le limiteur 7 vers le récepteur. Le circuit équivalent à la structure résonnante en forme de tige 8 et à la diode varactor est montré sur la Fig. 5. L'effet de limitation résultant'est montré sur la Fig. 6. Plus spécifiquement, en ce qui concerne la Figo 6, on voit que le flanc avant de l'énergie de l'impulsion en microondes, dont l'enveloppe est représentée par les lignes continues de-la Fig. 6, comprend une pointe 45 de puissance en microondes. Cette pointe 45 est démodulée dans le circuit de prélèvement 29, et le signal de commande de polarisation résultant est appliqué à la diode varactor 7 pour limiter la puissance de cette pointe, comme on le voit par les lignes pointillées de la Fig. 6.Des impulsions de radar typiques ont des durées relativement courtes, par exemple de l'ordre de grandeur des microns condes, de sorte qu'en plus de la démodulation des composantes de Fourier associées à la pointe du flanc avant de énergie d:entrée en microondes, la fréquence de répétition des impulsions ou composante fondamentale de Fourier est aussi démodulée pour limiter la puissance en microondes pendant toute la durée de l'impulsion. Les limiteurs à l'état solide pour microondes sont spécifiés de manière typique selon la quantité maximum d'énergie qu'ils peuvent supporter lors de la pointe du flanc avant de l'impulsion en microondes. L' énergie dans cette pointe de flanc avant est celle qui est indiquée de manière générale par ia portion hachurée de l'impulsion sur la Fig. 6. De plus le limiteur est spécifié en fonction de la puissance maximum contenue dans la région plate de l'impulsion0 L'avantage d'utiliser une diode à couche d'arr & superficielle 34 pour démoduler l'énergie en microondes captée par le circuit de prélèvement 29 est que cette diode à couche d'arrêt superficielle 34 peut supporter des pointes d'énergie 45 beaucoup plus fortes que celles qui seraient admissibles avec les dispositifs classiques, tels que les diodes à contact ponctuel utilisées jusqu'ici Plus spécifiquement la diode à couche d'arrêt superficielle peut tolérer des pointes d'entrée dont l'énergie est comprise entre 15 et 20 ergs, tandis que les diodes à contact ponctuel de l'art antérieur n'admettent que des pointes d'entrée ne dépassant pas 5 ergs. Ainsi la diode à couche d'arrêt superficielle 34 permet d'obtenir des limiteurs dont la capacité de supporter une puissance donnée est plus élevée, en même temps que leur durée de vie est plus longue, que ce qui était précédemment obtenu avec les limiteurs emnloyant des diodes à contact ponctuel pour la démodu- lation de la puissance incidente. Etant donné que de nombreux changements pourraient être apportés à la construction ci-dessus décrite et que de nombreuses réalisations apparemment différentes de l'invention pourraient être faites sans sortir du cadre de celle-ci, il doit être bien entendu que toute la matière contenue dans la description ci-dessus donnee ou représentée sur les dessins annexés ne doit être interprétée qu'à titre d'illustration et non dans une intention de limitation. REVENDICATIONS 1. Appareil limiteur à l'état solide pour microondes, comprenant un élément de ligne de transmission pour microondes et des moyens de limitation de puissance à l'état solide connectés à ladite ligne de transmission pour limiter le flux de puissance à travers celle-ci; lesdits moyens limiteurs comprenant une capacité variable avec la tension pour commander l'effet de limitation produit par lesdits moyens de limitation; des moyens de prélèvement agissant sur la puissance en microondes arrivant par ladite ligne de transmission pour faire agir la puissance prélevée sur lesdits moyens de limitation; des moyens de redressement connectés auxdits moyens de prélèvement de puissance pour-dériver de la puissance prélevée un signal transitoire de commande; et des moyens d'appliquer ledit signal transitoire de commande à ladite capacité variable avec la tension pour commander l'effet de limitation de puissance desdits moyens de limitations; ledit appareil étant caractérisé en ce que lesdits moyens de redressement comprennent une diode du type à couche d'arrêt superficielle. 2. Appareil selon 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement comprennent un circuit résonnant accordé à la résonance à une fréquence de la puissance en microondes devant filtre transmise à travers ledit appareil. 3. Appareil selon 1, caractérisé en ce que ladite capacité variable avec la tension est formée par une diode varactor. 4. Appareil selon 3, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission est une structure de guide creux en shunt sur laquelle est connecté un circuit résonnant accordé à la fréquence de la puissance en microondes qui doit être transmise par ledit appareil limiteur; et en ce que ladite capacité variable avec la tension forme un élément d'accord dudit circuit résonnant, ledit signal transitoire de commande servant à faire varier la valeur de ladite capacité pour créer un désaccord transitoire de la fréquence de résonance dudit circuit résonnant écartant cette fréquence de la fréquence de la puissance en microondes à transmettre par l'appareil limiteur, afin d'augmenter l'effet de limitation desdits moyens de limitation à l'état solide à cette dernière fréquence. 5. Appareil selon 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement comprennent une sonde capacitive pénétrant dans ladite ligne de transmission pour prélever une portion de la puissance en microondes arrivant auxdits moyens de limitation.