Brevet FR2030303A1 — publié le 19701113

i 2030303 La présente invention concerne les oscillateurs à diode shockley pour forte puissance et plus particulièrement des oscillateurs d'encombrement réduit dont l'accord est simple et dont le rendement est sensiblement supérieur à celui des dispositifs analogues actuellement 5 connus. Un oscillateur à tubœ à vide pour bande L puisée dont la sortie est de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de watts a un rendement global de l'ordre de 40%. Un article intitulé "High Power, High Efficiency Silicon Avalanche Diodes at Ultra High Frequencies", par 10 H. J. Prager, K. K. N. Chang et S, Weisbrod, publié aux pages 586 et 587 du numéro d'avril 1967 de "Proceedings of the Institute of Electrical and Electronics Engineers" décrit un oscillateur à l'état solide fonctionnant dans.cette gamme de fréquences et de puissancesmais dont le rendement maximal n'est que de l'ordre de 25%. 15 L'oscillateur décrit dans l'article précité comprend une structure coaxiale formant une cavité dans laquelle est montée une diode shockley au silicium. Un premier dispositif d'accord coulissant est couplé à l'un des côtés de la cavité et une longueur de guide coaxiale couple l'autre côté de la cavité à une sortie vers une charge externe. L'oscil-20 lateur décrit dans cet article comprend en outre deux dispositifs d'accord coulissants montés à une certaine distance l'un de l'autre et respectivement couplés au guidé coaxial en des points prédéterminés de sa longueur. La fréquence d'oscillation, la puissance de sortie et le rendement de cet oscillateur dépendent des positions du premier dispositif d'accord et de 25 chacun des deux plongeurs d'accord. Le rendement de l'oscillateur décrit atteint au mieux 25%, ce qui est très inférieur au rendement global de 40% d'un oscillateur à tubes à vide sur la même gamme de fréquences. De plus, la structure coaxiale de l'oscillateur décrit dans cet article est relativement encom-30 brante car lœ deux plongeurs coulissants séparés équipés de leur tige d'accord mesurent près d'un mètre de long. En outre, l'accord de la structure coaxiale de l'oscillateur à l'état solide est particulièrement difficile car les accords de chaque plongeur et du premier dispositif d'accord réagissent fortement les uns sur les autres lorsque l'on cherche 35 à régler la fréquence et la puissance de fonctionnement de l'oscillateur. 69 37926 2 2030303 L'oscillateur à diode shockley de l'invention est par contre de forme ramassée, son accord est relativement simple et il est capable de délivrer de fortes puissances de sortie avec un rendement élevé. Pour ceci, il comprend une structure coaxiale composée d'une 5 première section coaxiale ayant une certaine impédance caractéristique et dont une extrémité est court-circuitée, une seconde section coaxiale ayant une seconde impédance caractéristique et dont une extrémité est connectée en série à la seconde extrémité de la première section coaxiale et enfin une troisième section coaxiale ayant une troisième impédance 10 caractéristique et dont l'une des extrémités est en série avec l'autre extrémité de la seconde section, son autre extrémité étant reliée à la sortie de l'oscillateur. La seconde impédance caractéristique doit être sensiblement plus importante que la première ou la troisième impédance caractéristique. La structure coaxiale comprend également un élément à 15 capacité concentrée couplé entre la seconde section coaxiale et un premier point donné entre ses deux extrémités, et une section supplémentaire comportant une cavité dans laquelle est montée une diode couplée à la première section en un second point donné entre ses.extrémités. La section supplémentaire peut être reliée à une source 20 d'excitation de l'oscillateur. L'oscillateur oscille donc à une fréquence et à un niveau de puissance déterminés par une première longueur séparant l'extrémité en court-circuit de la première section du ^second point • donné, une seconde longueur séparant le second point donné du premier point donné,et la valeur de la capacité concentrée.- Ces différents para-25 mètres peuvent facilement être modifiés pour accorder l'oscillateur : la première longueur en rendant mobile le court-circuit, la seconde longueur, en utilisant une ligne extensible et la capacité concentrée peut être rendue variable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 30 seront mieux compris à l'aide de la description détaillée qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels : ' - la figure 1 est une coupe schématique d'une forme préférée de l'oscillateur selon l'invention; - la figure 2 est un graphique de la fréquence d'oscil-35 lation du dispositif de la figure 1 en fonction des inverses des deux paramètres de longueur indiqués sur la figure 1. 69 37926 3 2030303 Un oscillateur 10 à diode shockley est représenté sur la figure 1 sous la forme d'une structure coaxiale formée de deux guides coaxiaux télescopiques 12 et 14. Le guide coaxial 12 comporte un conducteur intérieur 16 avec lequel coopère une section de conducteur extérieur 5 18. Le guide coaxial 14 comporte un conducteur intérieur en trois parties, à savoir les éléments 20, 22 et 24, et une section de conducteur extérieur 26 coopérant avec le conducteur intérieur. Les conducteurs extérieurs 18 et 26 peuvent avoir, par exemple, un diamètre de 13 mm. Le conducteur intérieur 16 et les parties 20 et 24 peuvent avoir un diamètre relativement 10 gros, par exemple 3 mm, alors que la partie amincie 22 a un diamètre relativement plus réduit, par exemple de 1 mm. Les diamètres exacts |de ces conducteurs ne sont pas déterminants. Un court-circuit mobile 28 met en court-circuit électrique un point du conducteur intérieur 16 avec le conducteur extérieur 18 du 15 guide coaxial 12. Le guide coaxial 14 contient une capacité concentrée 30, variable entre 1 et 10 picofarads, qui relie un point donné de la partie 22 du conducteur intérieur à un point du conducteur extérieur 26. L'autre extrémité du guide coaxial 14 alimente la charge de sortie de l'oscillateur. 20 La division de la structure coaxiale en deux parties \ télescopiques 12 et 14 permet d'allonger à volonté la ligne coaxiale. Du point de vue fonctionnel, les guides coaxiaux 12 et 14 constituent ensemble trois sections coaxiales en série. La première de ces sections comprend la partie du conducteur intérieur 16 située à la droite (sur la 25 figure) du court-circuit mobile 28 et la partie 20 du conducteur central du guide 14, ainsi que les conducteurs extérieurs coopérant 18 et 26. La seconde section comprend la partie 22 de conducteur intérieur et la partie coopérante du conducteur extérieur 26. La troisième section comprend le conducteur intérieur 24 et la partie coopérante du conducteur 30 extérieur 26. Un autre guide coaxial 32, raccordé en T au guide coaxial 12,comporte une cavité 34 dans laquelle est montée une diode shockley 36. Le guide 32 est constitué par un conducteur intérieur 38 et un conducteur extérieur 40. La diode 36 est connectée, comme représenté, entre le con-35 ducteur intérieur 38 et un point donné du conducteur intérieur 16 de la première des trois sections de guide coaxiale en série. La longueur séparant le court-circuit mobile 28 du point de connexion de la diode 36 au conducteur intérieur 16 est appelée L^. 69 37926 4 2030303 La longueur séparant le point de connexion de la diode 36 au conducteur intérieur 16 et le point donné de connexion de la capacité concentrée 30 au conducteur intérieur 22 est appelée On voit que la longueur L^ peut être ajustée en déplaçant le court-circuit mobile 28 et 5 que la longueur L2 peut être ajustée indépendamment en déplaçant la partie coaxiale télescopique 14 par rapport à la partie coaxiale 12, c'est-à-dire en allongeant ou en raccourcissant la structure coaxiale décrite précédemment . La capacité concentrée 30 est5de plus,variable indépen-10 damment. L'extrémité du guide 32 qui est éloignée de la diode 36 est couplée à un circuit de production d'impulsions servant de source d'excitation pour l'oscillateur. L'oscillateur peut par exemple fournir des impulsions dont la durée est de l'ordre de la microseconde et dont le facteur de forme est voisin de 1%. A l'intérieur du guide 32 est 15 disposé un manchon de matière diélectrique 42s par exemple une matière plastique connue sous le nom de "Teflon", qui sert de dérivation hyper-fréquence pour éviter que les oscillations produites par l'oscillateur soient renvoyées vers le circuit producteur d'impulsions. L'accord de l'oscillateur se fait en ajustant les valeurs 20 des longueurs respectives L^ et L^. La figure 2 indique la fréquence d'oscillation du dispositif décrit en fonction de l'inverse de chacune des distances L^ et LLa capacité concentrée variable 30 sert de réglage d'appoint pour obtenir un rendement maximal de l'oscillateur. L'impédance caractéristique de la seconde section de guide 25 coaxial, c'est-à-dire celle qui contient le conducteur intérieur 22, est sensiblement plus élevée que les impédances caractéristiques de la première section qui contient le conducteur intérieur 16 et la partie de conducteur intérieur 20, et de la troisième section qui comprend le conducteur intérieur 24. La seconde section coaxiale et sa capacité concentrée 30 cons-30 tituent donc un filtre passe-bas qui permet au circuit de se comporter comme une cavité non chargée aux fréquences harmoniques, y compris la fréquence correspondant au temps de transit de la diode. La capacité 30 sert également à adapter la diode à la charge présentée à la fréquence fondamentale à haute puissance qui est de préférence dans la bande L. 35 Ainsi, l'oscillateur entretient des oscillations à la fréquence correspondante au mode de temps de transit, bien que cette fréquence ne puisse être appliquée à la charge du fait de la présence du filtre passe-bas 69 37926 5 2030303 formé par l'impédance caractéristique relativement élevée de la seconde section coaxiale constituée par le conducteur intérieur 22 et la capacité concentrée 30. Dans une forme de réalisation pratique de l'oscillateur 5 de l'invention, la puissance peut atteindre 180 watts avec un rendement de 40% pour des diodes shockley dont la diamètre est compris entre 0,46 et 0,58 mm. Les diodes au silicium utilisées dans ce cas sont à structure "mesa" et les jonctions sont formées par diffusion de bore dans des couches épitaxiales N-sur-N+. La tension de pointe ou de basculement 10 de telles diodes est comprise entre 120 et 150 wolts. La fréquence d'oscillation est accordable entre environ 1,0 et 1,6 GHz avec une variation de la puissance de sortie inférieure à 1 dB. Un tel oscillateur a pour avantage un accord simple et reproductible, ainsi qu'un encombrement réduit comparé aux oscillateurs dont le réglage se fait par l'interaction 15 de plusieurs plongeurs ou pièces d'adaptation. Bien que dans la forme décrite, l'oscillateur de l'invention soit à structure coaxiale, il va de soi que le principe reste valabla pour n'umporte quel type de ligne de transmission, par exemple des lignes à ruban sur diélectrique et plan de masse type "microstrip". 69 37926 6 2030303 REVENDICATIONS 1. Oscillateur à diode shockley,caractérisé en ce qu'il comprend une structure de ligne de transmission formée d'une première section ayant une première impédance caractéristique et dont l'une des extrémités est en court-circuit, d'une seconde section ayant une seconde 5 impédance caractéristique et dont l'une des extrémités est reliée à la seconde extrémité de ladite première section, d'une troisième section ayant une troisième impédance caractéristique et dont l'une des extrémités est reliée à la seconde extrémité de ladite section, l'autre extrémité de la troisième section étant reliée à la sortie de l'oscillateur, la 10 seconde impédance caractéristique étant sensiblement supérieure à la première et à la troisième impédance caractéristique, un élément réactif étant monté en travers de la seconde- section en un premier point donné situé entre ces extrémités, et d'une section supplémentaire comportant une cavité dans laquelle est logée ladite diode qui est couplée à la 15 première section en un second point donné situé entre ces extrémités, ladite section supplémentaire étant reliée à une source d'excitation de l'oscillateur, de manière qu'il ftscille à une fréquence et une puissance déterminées par une première longueur mesurée entre l'extrémité en court-circuit de la première section et ledit second point donné, 20 une seconde longueur mesurée entre ledit second point donné et ledit premier point donné et la réactance dudit élément réactif. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde longueurs sont toutes deux ajustables et en ce que ladite réactance est variable. 25 3. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et troisième impédances caractéristiques sont sensiblement égales. 4. Oscillateur sdon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les diamètres des conducteurs extérieurs 30 des trois sections de guide sont égaux, le diamètre du conducteur intérieur de la seconde section étant sensiblement rétréci par rapport au diamètre des conducteurs intérieurs des première et troisième sections. 69 37926 7 2030303 5. Oscillateur selon la revendication 4S caractérisé en ce que les diamètres des conducteurs intérieurs des première et troisième sections sont égaux. 6. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes3 caractérisé en ce que toutes les sections de la structure sont du type coaxial. 7. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications précédentes3 caractérisé en ce que l'élément réactif est une capacité concentrée.