Brevet FR2096524A1 — publié le 19720218

la présente invention est relative aux oscillateurs à ligne à ruban. Des oscillateurs à effet global ont été jusqu'à présent accordés de façon continue dans une bande de fréquences, de façon analo-5 gique, au moyen de résonateurs à grenat au Fer-Ytrium ou de varactors On se référera, par exemple à un article intitulé "YIG—Tuned Gun Ef-fect Oscillâtors" publié dans la revue Proceedings of the IEEE (let-ters), Vol. 55, page 1621, Septembre 1967 et à un article intitulé "Varactor-Tuned Integrated G-unn Oscillators" divulgé à la conférence 10 Internationale des Circuits à l'Etat Solide de Philadelphie, Pensyl-vanie, Etats-Unis d'Amérique en 1968. les oscillateurs à effet Gunn sont également connus dans la technique antérieure. Un tel oscillateur est décrit au brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3.416.099 publié le 10 Décembre 1968. 15 On sait également d'après la technique antérieure que les cir cuits résonnants peuvent être accordés numériquement par échelons de fréquence quantifiés, en commutant une ou plusieurs diodes connectées au résonateur pour appliquer une réactance plus ou moins importante au circuit résonateur. De tels circuits réconnants a accord 20 numérique sont décrits dans un bulletin intitulé "Micronotes", Vol.2, N° 9 de Mars 1965 publié par Microwave Associates, Inc. of Burlington, Massachusetts, Etats-Unis d'Amérique. L'invention vise principalement à créer un oscillateur à ligne à ruban accordable perfectionné. 25 Elle a donc pour objet un oscillateur à micro-ondes à ligne à ruban à effet global caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour accorder la fréquence de l'oscillateur par échelons de fréquence discret et comportant un condensateur d'accord et une diode connectés en série et en parallèle aux bornes de la ligne à ruban et des moyens 30 pour commuter la diode à un état conducteur en vue de commuter le condensateur d'accord aux bornes de la ligne à ruban afin de décaler la fréquence de l'oscillateur d'une première à une seconde valeur par un échelon de fréquence discret. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le condensa-35 teur d'accord et la diode sont connectés aux bornes de la ligne à ruban en un point voisin d'un maximum de tension micro-onde pour le mode résonnant fondamental du résonateur à ligne à ruban. 71 23347 2 - 2096524 Suivant une autre caractéristique de l'invention, le.résonateur à ligne à ruban comprend une plaque de matériaux diélectriques comportant une première et une seconde couches métalliques fixées sur ses faces opposées en regard l'une de l'autre, généralement connue 5 sous le nom de "microstrip", ladite plaque comportant une ouverture à une extrémité pour recevoir le dispositif semi-conducteur à effet global. Suivant encore une autre caractéristique de l'invention, le condensateur d'accord est formé d'une feuille de matériau diélectri-10 que disposé de façon à recouvrir l'un des conducteurs de la ligne à ruban, une languette conductrice étant disposée au-dessus de la feuille en matériau diélectrique pour définir le condensateur d'accord. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence 15 aux dessins annexés et dans lesquels: la Fig. 1 est un schéma électrique simplifié d'un oscillateur à micro-ondes suivant l'invention; la Fig. 2 est une vue en perspective, avec arrachement partiel et en partie schématique, représentant un oscillateur à micro-ondes 20 suivant l'invention; la Fig. 3 est un diagramme du spectre d'énergie de crête montrant les caractéristiques d'accord de l'oscillateur à micro-ondes de la Fig. 2; la Fig. 4 est un diagramme représentant l'excellente caractéris-25 tique de stabilité en fréquence de l'oscillateur fonctionnant à une température ambiante comprise entre -54°C et 73°0. En se référant à la Fig. 1, on a représenté un circuit équivalent simplifié de l'oscillateur à ligne à ruban à micro-ondes 1 suivant l'invention. Le circuit oscillateur 1 comporte une diode à 30 effet Gunn 2 connectée aux bornes de l'extrémité à basse impédance d'un résonateur 3 quart d'onde à ïïgieà rifcan représenté schénafcijueiHt par une inductance 4 et un condensateur 5 montés en parallèle. Le résonateur à ligne à ruban 3 présente une charge capacitive à son extrémité à haute impédance, sous forme de condensateurs 6 et 7 con-35 nectés en parallèle sur le résonateur 3 par l'intermédiaire de diodes p-i-n A et B, respectivement. Les condensateurs 6 et 7 peuvent être connectés et déconnectés sélectivement en modifiant la tension de polarisation des diodes 71 23347 3 2096524 p-i-n A et B appliquée par l'intermédiaire des conducteurs inductifs de polarisation 8 et 9, respectivement. l'accord numérique résulte des décalages par échelons de la capacité de dérivation connectée en dérivation sur le résonateur 3-5 Une charge de sortie 13 est connectée aux bornes du résonateur 3 pour prélever l'énergie de sortie à micro-ondes de l'oscillateur 1. les caractéristiques d'accord numérique de l'oscillateur 1 sont plus clairement visibles à la Fig. 3• Plus particulièrement, lorsque les deux diodes A et B sont polarisées par l'intermédiaire des con-10 ducteurs 8 et 9 de manière à obtenir un état non conducteur ou bloqué, l'oscillateur est alors accordé sur sa fréquence de résonance la plus élevée qui est représentée comme étant égale à 2044 MHz à la Fig. 3. Une énergie de crête d'environ 21 watt est obtenue à cette fréquence. En polarisant la diode A de manière qu'elle soit con-15 ductrice et la diode B de manière qu'elle soit bloquée, la fréquence de l'oscillateur est réglée à 2018 MHz avec une énergie de sortie de crête d'environ 22 watt, lorsque la diode A est polarisée de manière à être bloquée et la diode B est polarisée de manière à être conductrice, l'oscillateur délivre une énergie de sortie de crête 20 d'environ 24 watt à une fréquence de 1990 MHz. lorsque les deux diodes A et B.sont polarisées de façon à être conductrices l'oscillateur délivre une énergie de sortie de crête de l'ordre de 24 watt à une fréquence de 1968 MHz. En se référant maintenant à la Fig. 2, on a représenté le mode 25 de réalisation concrète de l'oscillateur à micro-ondes(1 )de la Figl le résonateur 3 à ligne à ruban comprend une plaque diélectrique 11 par exemple en céramique à l'alumine à 99,5 $ de pureté, ayant une couche conductrice 12 A formant plan de masse liée à la face inférieure de la plaque en céramique et une couche conductrice 12 B en 30 forme de ruban liée à la face supérieure de la plaque 11 en regard de la couche 12 formant plan de masse. Dans un exemple particulier^ les couches conductrices 12 A et 12 B sont formées par métallisation de la céramique 11 qui présente O un fini de 0,25 Y1- avec environ 100 A de chrome recouvert de 0,75/■*• 35 d'or. Dans un exemple type, la plaque de céramique 11 présente une épaisseur de 0,63 mm, le conducteur à ruban 12 B ayant une longueur de 17,5 mm et une largeur de 9,5 mm. 71 23347 4 2096524 La diode 2 à effet Gunn est montée dans un orifice 14 de la plaque en céramique 11 à l'extrémité à "basse impédance du résonateur à ligne à ruban 3. La diode à effet G-unn 2 est soudée à une borne en cuivre 15 disposée dans le trou 14 et connectée à la couche conduc-5 trice 12 formant substrat. Une languette métallique 16 interconnecte le ruban conducteur supérieur 12 B avec la diode à effet G-unn 2. Dans un exemple particulier, la diode à effet Gunn est constituée par une pastille carrée de 1,27 mm de côté en arséniure de gallium de type n obtenu par croissance à partir d'une solution. La couche 10 active de 40 d'épaisseur de la diode est obtenue par croissance sur un substrat en arséniure de gallium dopé à l'étain qui est utilisé comme la cathode et elle comporte un contact pour l'anode dopé au tellure et obtenu par une nouvelle croissance. La concentration en porteurs du matériau actif présente une variation à peu près li-15 néaire de 3-10^ porteurs par centimètre cube sur la cathode à 9.10^ au voisinage de l'anode. Des contacts métalliques sont alliés aux deux surfaces de la pastille d'arséniure de gallium. La tension de seuil pour la diode à effet Gunn est de 13,3 V. Une ligne à ruban de sortie 17 est connectée au résonateur 3, 20 à faible distance de son extrémité en circuit ouvert, par l'intermédiaire d'un condensateur en pastille 18 de 300 pf servant de condensateur de blocage pour bloquer la tension de polarisation de la diode à effet Gunn par rapport à la charge. Une ligne coaxiale 19 de 50 ohm est connectée à la ligne à ruban pour coupler l'énergie 25 de sortie à micro-ondes de l'oscillateur à micro-ondes 1 à la charge 13- Les condensateurs. 6 et 7 sont connectés, à l'extrémité à impédance élevée du résonateur 3, en parallèle avec le résonateur à la masse par l'intermédiaire de diodes p-i-n A et B respectivement. Les 30 condensateurs 6 et 7 comportent chacun une languette conductrice (21,22) constituée d'une feuille de cuivre, recouvrant l'extrémité à haute impédance du ruban conducteur 12 I^du résonateur 3 et isolées par rapport à celui-ci au moyen d'une feuille 23 en Kylar de 25,4 jiA d'épaisseur. Les pastilles des diodes p-i-n A et B sont liées direc-35 tement à une couche métallique 24 qui est connectée à la couche 12 de plan de masse. Les autres conducteurs des diodes A et B sont connectés aux languettes 21 et 22, respectivement. COPY 71 23347 5 2096524 La polarisation est appliquée à la diode de Gunn 2 et aux diodes p-i-n A et B à travers des'bobines d'arrêt pour haute fréquence formées par de courtes longueurs de fil 25, 8 et 9 respectivement qui passent à travers des condensateurs de découplage à haute fré-5 quence 28, 29 et 31, respectivement. Suivant une variante, les conducteurs 25, 8 et 9 peuvent constituer des tronçons d'arrêt formés de conducteurs métallisés à la surface de la plaque 11. la commutation des tensions de polarisation pour les diodes p-i-n A et B est obtenue à partir d'un program-10 me de commutation 32 pour polariser de diodes p-i-n dans un état conducteur ou non en fonction de la fréquence de sortie désirée de l'oscillateur à micro-onde 1. Le potentiel impulsionnel continu de polarisation de Gunn est appliqué à la diode à effet Gunn par l'intermédiaire du conducteur 15 25 à partir d'une source de potentiel continu impulsionnel convenable de tension de crête de 50 volts par exemple, non représentée, ces 50 volts comprenant à peu près 3,8 fois la tension de seuil, pour obtenir une efficacité de conversion d'à peu près 3 à 3,5 pour cent. 20 Dans tin exemple particulier, avec une tension continue de pola risation de 50 volts, la diode de Gunn absorbe un courant de crête de 13,7 ampères. Des longueurs d'impulsions types sont de 0,2 microsecondes avec line fréquence de répétition d'impulsions de 50 KHz pour produire une énergie de sortie moyenne de 200 milliwatts environ. 25 Le circuit oscillateur 1, décrit jusqu'ici est monté dans une enceinte conductrice 33» par exemple en aluminium pour empêcher le rayonnement parasite et pour servir de dissipateur de chaleur pour la diode de Gunn 2. La c.onduction électrique est obtenue par le conducteur de plan de masse" 12 par l'intermédiaire d'un contact avec 30 la paroi de fond de l'enceinte 33- Les condensateurs de découplage 28, 29 et 31 ainsi que la ligne coaxiale de sortie 19, traversent la paroi de l'enceinte conductrice 33- Le circuit oscillateur à ligne à ruban 1 est particulièrement avantageux du fait de ses faibles dimensions, de sa très bonne sta-35 bilité en fréquence lors des variations de la température ambiante, de ses facultés d'adaptation à un circuit dans lequel on utilise plusieurs dispositifs actifs et du faible prix de revient auquel il peut être fabriqué. L'utilisation des diodes p-i-n pour commuter COPY 71 23347 6 2096524 les réactances capacitives dans le circuit de résonance 3 pour mofi-fier la fréquence de fonctionnement de l'oscillation par échelons de fréquence discrets présente l'avantage de ne pas être soumise à des limitations du niveau de signal que l'on rencontre dans les tech-5 niques d'accord au moyen de grenats au Fer-Ytrium ou de varactors. 71 23347 2096524 REVENDICATIONS 1 - Circuit oscillateur à micro-ondes comportant une ligne de transmission à ruban ayant une longueur propre à la rendre résonnante au voisinage de l'extrémité à haute fréquence de la bande de fréquences de fonctionnement du circuit oscillateur, un moyen 5 semi-conducteur à micro-ondes à effet global à résistance négative connectée en parallèle avec ladite ligne à ruban mise en résonance, au voisinage d'un zéro de tension à micro-ondes dudit résonateur à ligne à ruban par le mode fondamental de résonance dudit résonateur afin d'adapter la faible impédance du dispositif à effet glo-10 bal à la faible impédance dudit résonateur près dudit point de zéro de la tension à micro-ondes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un condensateur d'accord et au moins une diode connectée en série et un shunt aux bornes de ladite ligne à ruban et des moyens pour appliquer une tension de polarisation aux bornes des-15 dites diodes pour les commuter à un état conducteur par l'énergie à micro-ondes afin de commuter lesdits condensateurs d'accord,aux bornes dudit résonateur en vue d'accorder ledit résonateur et la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur entre une première fréquence et une seconde fréquence suivant un échelon de fréquence 20 discret dans la bande de fréquence de fonctionnement de l'oscillateur. 2 - Circuit oscillateur suivant la revendication 1,caractérisé en ce que la connexion parallèle de la diode et du condensateur est réalisée près d'un point de tension maximale micro- 25 onde du résonateur pour le mode fondamental de résonance de celui-ci. 3 - Circuit oscillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un autre condensateur d'accord et une autre diode connectée en série et en parallèle aux bornes dudit 30 résonateur à ligne à ruban et des moyens pour appliquer une tension de polarisation aux bornes de ladite autre diode,indépendante de la teo*!on de polarisation éventuellement appliquée aux bernes de la première diode pour la commuter à un état conducteur afin de ' commuter le second condensateur d'accord aux bornes dudit résona-35 teur en vue d'accorder ledit résonateur et l'oscillateur à partir d'une fréquence sur une seconde suivant un échelon de fréquence discret dans la bande de fréquence de fonctionnement dans laquelle l'oscillateur peut-être accordé. 4 - Circuit-oscillateur suivant la revendication-l-, -earac~— 40 térisé en ce que la résonateur à ligne à ruban comprend une plaque 71 23347 8. 2096524 de matériaux djélectrjque , des première et seconde couches métalliques fixées aux faces opposées de ladite plaque, en regard l'une de l'autre, ladite première couche métallique étant plus large et plus longue que ladite seconde couche afin de définir un élément 5 de plan de masse pour ladite ligne à ruban. 5 - Circuit.oscillateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque en matériau diélectrique est en céramique à l'alumine. * 6 - Circuit oscillateur suivant la revendication 4,caracté-10 risé en ce que la plaque en matériau diélectrique présente une ouverture à une extrémité de ladite seconde couche métallique, ledit dispositif semi-conducteur à effet global étant monté dans l'ouverture de ladite plaque diélectrique. 7 - Circuit oscillateur suivant la revendication 4, carac-15 térisé en ce que lesdits condensateurs d'accord comprennent une feuille de matériau diélectrique disposé de façon à recouvrir ladite seconde couche métallique et une languette conductrice disposée au-dessus de ladite feuille diélectrique pour définir lesdits condensateurs d'accord par la capacité entre ladite languette et ladite 20 seconde couche métallique. 8 - Circuit oscillateur suivant la revendication 7» caractérisé en ce que ladite languette est diposée de manière à recouvrir la partie d'extrémité de ladite seconde couche conductrice qui se trouve à l'extrémité opposée de celle-ci par rapport aux dis- 25 positif semi-conducteur à effet global. 9 - Circuit oscillateur suivant la revendication l,cara-térisé en ce que le dispositif semi-conducteur à résistance négative à effet global est une diode à effet Gunn.