Brevet FR2050434A1 — publié le 19710402

La présente invention concerne an circuit oscillateur pour microondes employant la connexion en série d'un élément de condensateur massé et d'un dispositif semiconducteur capable de présenter une résistance négative. La capacité du condensateur résonne en i 5 série avec son inductance propre pour former l'élément principal de détermination de la fréquence d'un circuit à résonance, dont l'accord dans une large bande est réalisé au moyen d'un circuit de résonateur relativement simple et par suite peu coûteux. Jusqu'ici, les dispositifs semiconducteurs à résistance 10 négative ont été employés aux fréquences de microondes avec des circuits réconnants du type à constantes réparties» De manière typique, de tels circuits résonnants comprennent une section de ligne coaxiale dimensionnée pour présenter une longueur d'un nombre entier de quarts d'.onde, afin de réaliser un circuit résonnant à 15 constantes réparties. Le dispositif semiconducteur à résistance négative tel qu'une diode à effet GUNN, qu'une diode à avalanche, qu*une diode tunnel ou analogue, était connecté en série ou en parallèle avec le conducteur central du résonateur coaxialo La structure résonnante qui détermine la fréquence de fonctionnement 20 de l'oscillateur était accordable dans une bande relativement large au moyen d'un élément d'accord pouvant être déplacé par translation le long de l'axe, tel qu'une paroi terminale utilisant un contact de court-circuit ou un anneau diélectrique. Des circuits pour microondes à constantes réparties typiques de l'art antérieur sont 25 par exemple ceux décrits dans la revue américaine "PROCEEDING-S OF THE I.E.E.E. " de Janvier 1965» page 80 et dans la revue américaine "ELECTRONICS LETTERS" de Décembre 1966, Vol. 8, N° 12, pages 467-468. La difficulté qui se présente avec -ces circuits oscillateurs de l'art antérieur réside en ce qu'ils sont relativement complexes 30 et, par suite, relativement coûteux à fabriquer. De plus, il est désirable de réduire les dimensions du circuit oscillateur. Le principal objet de l'invention est de fournir un circuit oscillateur amélioré pour microondes, avec dispositif semiconducteur à résistance négative; un tel élément possède une inductance 35 propre massée qui se trouve en série avec la capacité du condensateur à la fréquence de fonctionnement de microondes de l'oscillateur, ce qui a pour résultat de réduire dans de fortes proportions l'encombrement et la complexité du circuit oscillateur. Une autre caractéristique de la présente invention est la même 40 que la précédente, mais le condensateur est variable et comporte au 70 20389 2 2050434 moins line paire de conducteurs électriques disposés coaxialement et encîievêtrés • Une autre caractéristique de l'invention est la même qu'une ou les deux des précédentes, maià l'on prévoit en plus un boîtier 5 conducteur disposé de manière à enfermer le condensateur et le dispositif à résistance négative, avec des moyens de passage à travers une paroi du boîtier pour le couplage de 1'énergie fournie par l'oscillateur à. un circuit de charge convenable» Une autre caractéristique de la présente invention est la 10 même qu'une ou plusieurs des précédentes, le dispositif semiconducteur à résistance négative étant un dispositif à effet GUNN» D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après» faite en relation avec les dessins annexés, dans lesquels : 15 - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un oscillateur à microondes ayant les caractéristiques de la présente invention ; - la. Fig. 2 est tin schéma simplifié du circuit de l'oscillateur de la Fig. 1 ; - la Fig. 3 est une vue agrandie en coupe d'une portion de la 20 structure de la Fig. 1 délimitée par la ligne 3-3 ; et - la Fig. 4 est un graphique de la puissance de sortie exprimée en milliwatts en régime continu en fonction de la fréquence exprimée en gigahertz, pour un oscillateur typique selon la présente invention» 25 Se référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci un circuit oscillateur à microondes 1 possédant les caractéristiques de la présente invention. Le circuit oscillateur pour microondes 1 comprend, connectés en série, un condensateur d'appoint 2, de type classique et un dispositif semiconducteur à résistance négative 3 30 tel qu'une diode à effet GUNN, une diode à avalanche, etc... Un boîtier conducteur k renferme le condensateur 2 et la diode 3 connectés en série. Une source de potentiel de polarisation continu 5» fournissant 10 à 20 volts pour une diode à effet GUNN, est reliée par la connexion 6 à une borne 7 disposée entre le 35 condensateur et le dispositif à résistance négative 3» Le boîtier k fonctionne au potentiel de la terre. Une tige conductrice électriquement et thermiquement 8 est vissée dans un trou percé dans la paroi terminale 11 du boîtier kt cette tige 8 se présentant en face du dispositif semiconductevir 3 de kO façon qu'une des bornes de celui-ci ait un bon contact électrique 70 20389 3 2050434 et thermique avec le boîtier k par l'intermédiaire de la tige d'écoulement de chaleur 8, faite par exemple de cuivre allié à du tellure. Un condensateur de dérivation 12 est connecté entre la connexion 6 et le boîtier k pour alimenter cette connexion à tra- v 5 vers une ouverture 13 prévue dans le boîtier et en même temps pour dériver vers celui-ci toute énergie en microondes qui n'est pas supprimée par l'inductance de cette connexion 6# Une boucle de couplage de sortie 14 est disposée à 1'intérieur du boîtier k et est connectée à une section de ligne coaxiale 15 10 pour le couplage de l'énergie en microondes du circuit oscillateur à une charge convenable (non représentée sur le dessin) • Le boîtier k est de préférence revêtu sur ses parois intérieures d'une matière à haute conductivité électrique telle que de l'argent ou du cuivre. Des matières convenables pour les parois du boîtier k sont par 15 exemple l'invar, le cuivre ou l'aluminium; l'invar convient particulièrement bien pour un tel emploi, car il a un très faible coefficient de dilatation thermique, ce qui réduit au minimum les effets de désaccord causés par l'expansion ou la contraction thermique du boîtier 4. Ces effets de désaccord sont généralement petits, étant 20 donné que le principal élément déterminant la fréquence du circuit est la condensateur 2, avec son inductance propre. Un autre léger effet de désaccord est créé par les inductances et capacités associées à la matière semiconductrice, aux connexions et au boîtier de la diode 3 formant bloc avec celle-ci. 25 La source de polarisation 5 est représentée comne une source de potentiel continu, telle qu'elle est employée pour le fonctionnement en régime continu de l'oscillateur. Dans certaines applications, il est désirable de produire une puissance de sortie modulée par impulsions. Dans ce cas, la source de potentiel de polarisation 30 5 doit être une source de potentiel pjilsatoire, par exemple de 30 ou kO volts pour une diode à effet GUNN, avec un rapport de temps de travail à temps de repos réduisant l'énergie perdue dans la diode sous forme de chaleur à environ 10 watts. Se référant maintenant à la Fig. 2, on voit sur celle-ci le. 35 circuit équivalent, à éléments massés, de l'oscillateur à microcndes 1 de la Fig. 1. Ce circuit comprend la connexion en série du condensateur 2 et de son inductance propre L . tous deux connectés S en série avec le dispositif semiconducteur à résistance négative 3* Le boîtier k forme une connexion conductrice entre le condensateur kO 2 et la diode 3 et présente une réactance inductive faible en 70 20389 4 2050434 comparaison, avec la réactance capacitive du condensateur 2 et de la réactance induetive propre de celui-ci, ces deux derniers éléments étant ceux qui déterminent principalement la fréquence de résonance du circuit résonnant série. 5 La réactance capacitive du condensateur 2 est réglée de manière à réaliser l'accord du circuit résonnant série comprenant ce condensateur 2 sur la fréquence de fonctionnement désirée pour l'oscillateur 1. Une résistance de charge R est couplée magnéti-quement au circuit résonnant série par la boucle de couplage 14. 10 Le potentiel de polarisation fourni par la source de polarisation 5# appliqué au dispositif à résistance négative 3» polarise ce dispositif dans sa région de résistance négative, de façon que le circuit entre en oscillation entretenue près de la fréquence de résonance série propre du condensateur 2* Un filtre passe-bas est formé par 15 l'inductance série de la connexion de polarisation 6 et la capacité du condensateur de dérivation 12, afin d'éviter la diffusion de l'énergie en microondes du circuit résonnant vers la source de polarisation 5* Se référant maintenant à la Fig. 3» le condensateur d'appoint 20 2 est représenté sur celle-ci en plus grand détail. Ce condensateur est d'un type courant dans le commerce, avec des dimensions "micro-miniaturisées''. Un exemple typique d'un tel condensateur 2, destiné à être employé dans un circuit fonctionnant à une fréquence centrale de 5 gigahertz, est le modèle dit *JMC 4702*, qui définit 25 un condensateur d* appoint micro miniaturisé ayant une gamme de capacités de 0,35 à 3»5 picofarads, avec un facteur de qualité Q à 250 mégahertz supérieur à 2000 et un coefficient de température compris entre zéro et +50 millionnièmes par degré Celsius* La longueur de cet appareil à l'intérieur du boîtier 4 est de 7 mm, 30 avec un diamètre maximum de 3»5 nuu Le condensateur d'appoint 2 comprend une vis centrale 21, avec une paire d'éléments cylindriques conducteurs 22 et 23 disposés coaxialement entre eux et par rapport à la vis 21. Les éléments cylindriques 22 et 23 sont fixés à l'extrémité inférieure de la vis 35 21 pour former l'une des armatures du condensateur 2. Ces éléments cylindriques 22 et 23 sont enchevêtrés axialement avec une seconde paire d'éléments conducteurs cylindriques 24 et 25 portés par un disque conducteur 26» Le disque 26 et les éléments cylindriques 24 et 25, coaxialement disposés avec lui et s'étendant sur une même 40 longueur, forment la seconde armature du condensateur 2. Un corps 70 20389 5 2050434 cylindrique isolant 27» fait par exemple d'alumine, entoure les éléments enchevêtrés du condensateur et est en contact, à une extrémité, avec le disque 26, et à l'autre avec le manchon conducteur fileté intérieurement 28. Les filetages intérieurs du manchon 5 28 épousent les filetages extérieurs de la vis 21, de façon qu'en faisant tourner cette vis, la surface mutuellement en regard des éléments cylindriques enchevêtrés 22 à 25 varie et fasse varier la capacité du condensateur 2. Le manchon 28 est fileté extérieurement pour se raccorder aux filetages intérieurs d'un trou percé 10 dans la paroi supérieure du boîtier 4. Un écrou 29 est vissé sur le filetage extérieur du manchon 28, afin de verrouiller le condensateur 2 en position vis-à-vis de la paroi terminale du boîtier 4. Se référant maintenant à la Fig. 4, celle-ci représente un graphique donnant, la puissance de sortie en régime continu en 15 milliwatts, en fonction de la fréquence en gigahertz, ce qui illustre les performances de sortie de 1'oscillateur en microondes 1 de la Fig. 1, employant une diode à effet GUNN 3 utilisée selon le mode à temps de transit. Comme on le voit sur la Fig. 4, la puissance de sortie de cette diode particulière à l'arséniure de gallium peut 20 être réglée dans la bande relativement large de 4,5 à 5»7 gigahertz, sans réduction appréciable de cette puissance de sortie. Des puissances de sortie de pointe sensiblement plus élevées ont été obtenues en utilisant le fonctionnement par impulsions, avec un facteur de cycle de service (rapport du temps de travail au temps de repos) 25 d'environ dix pour cent. Par exemple, une puissance de pointe de 20 watts à 4,3 gigahertz a été obtenue. Les oscillateurs 1 de la présente invention peuvent fonctionner dans la gamme de fréquence de 2 à 8 gigahertz. Le principal avantage de l'oscillateur à microondes qui com-30 prend les caractéristiques de la présente invention est que l'élément de circuit qui détermine principalement la fréquence est le condensateur d'appoint 2, article de type courant dans le conmerce et peu coûteux. Par suite, l'encombrement et la complexité du circuit oscillateur à microondes sont sensiblement réduits. L'emploi 35 du condensateur massé 2-réduit donc fortement les dimensions du circuit. Par exemple, un circuit oscillateur de l'art antérieur, décrit dans l'article susmentionné de "ELECTRONICS LETrERS1*, aurait une longueur d'approximativement dix centimètres, tandis que le circuit oscillateur 1 de la présente invention n'a qu'une longueur 40 équivalente d'environ 12,5 millimètres. 70 20389 6 2050434 Etant donné que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la construction ci-dessus 70 20389 7 2050434 REVENDICATIONS 1 - Circuit oscillateur pour microondes, comprenant des mcgreos d« former un circuit résonnant accordé à la résonance à une fréquence de microondes, un dispositif semiconducteur connecté en circuit; avec ledit circuit résonnant et capable de présenter une résistance néga— 5 tive audit circuit résonnant lorsqu'un certain potentiel de polarisation est appliqué audit dispositif pour produire de l'énergie oscillatoire en microondes à la fréquence de résonance dudit circuit résonnant, et des moyens d'extraire dudit circuit résonnant de l'énergie en microondes, caractérisé en ce que ledit circuit résonnant 10 comprend un condensateur ayant une capacité et une inductance propre, lesdites capacité et inductance propre formant les principaux éléments de détermination de fréquence dudit circuit résonnant en série avec ladite inductance propre et correspondant sensiblement à la fréquence de fonctionnement en microondes dudit oscillateur* 15 2 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit condensateur est un condensateur variable ayant au moins une paire de conducteurs cylindriques enchevêtrés,et disposés coaxialement* 3 - Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits conducteurs cylindriques enchevêtrés sont déplaçables par 20 translation axiale l'un relativement à l'autre, afin de faire varier la capacité du condensateur. 4 - Circuit selon la revendication 1» caractérisé en ce que ledit dispositif semiconducteur à résistance négative est connecté en série avec ledit condensateur et ladite inductance propre dudit 25 condensateur* 5 - Circuit selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier conducteur contenant ledit condensateur et ledit dispositif semiconducteur à résistance négative. 6 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il 30 comprend une connexion reliée à une borne du circuit disposé entre ledit condensateur et ledit dispositif semiconducteur, afin d'appliquer ledit potentiel de polarisation aux bornes dudit dispositif semiconducteur . 7 - Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que 35 ledit dispositif semiconducteur à résistance négative est une diode à effet d'ensemble* 8 - Circuit selon la revendication 7» caractérisé en ce que ladite diode à effet d'ensemble est une diode à effet GUNN*