Brevet FR2102125A1 — publié le 19720407

la présente invention concerne un générateur à haute fréquence, à mode unique, comprenant un résonateur à cavité, une ligne de transmission de sortie couplée au résonateur à cavité et un oscillateur comprenant un tronçon de ligne de 5 transmission ,ayant un élément de résistance négative à l'une de ses extrémités et à l'autre une terminaison adaptée, la ligne de transmission étant couplée au résonateur à cavité en un point situé entre l'élément à résistance négative et la terminaison adaptée. 10 II est probable que la source de micro-ondes d'état solide dont on peut attendre le plus est la diode à avalanche, à résistance négative connue sous le nom de diode IMPATT (abréviation de Impact Ionization Avalanche and Transit Time, c'est-à-dire "diode à avalanche à ionisation par impact ét à 15 temps de transit). Diverses formes de ces dispositifs sont déorites par exemple dans le brevet de Read No. 2.899.652(E.U.A) dans l'article "The IMPATT Diode - A Solid Sate Microwave Generator" Bell Laboratories Record , de K.D. Smith, vol. 45, mai 1967, page 144 ; dans l'article "Microwave Si Avalanche 20 Diode With Nearly Abrupt Type Junction" de T. Misawa, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-14, septembre 1967, page 580 ; et dans le brevet deB Etats-ïïnis d'Amérique de B.C. De Loach ,Jr et autres, Ko. 3.270.293» Comme avec tous les dispositifs générateurs d'hyperfréquences d'état solide, 25 la conception de la diode IMPATT impose un compromis entre puissance et fréquence ; lorsque la fréquence augmente, les possibilités de puissance diminuent. On a donc voulu combiner les sorties de plusieurs de tels dispositifs. Voir par exemple les brevets des Etats-Unis d'Amérique de Josenhans et autres, 30 No. 3.460.055 et de Schloaser, iJo. 3.516.008. La principale difficulté rencontrée dans la combinaison des sorties de plusieurs dispositifs à résistance négative, tels que les diodes IMPATT, provient de la grande largeur de bande de fréquences sur laquelle la résistanoe négative peut 35 être obtenue. Si l'on relie plusieurs de ces diodes à un résonateur commun, elles sont capables d'entretenir des oscillations à un certain nombre de fréquences et, par conséquent, 71 29009 2 2102125 elles tendent à fonctionner dans des modes oscillatoires parasites. Oe phénomène est en rapport avec la notion de mode. Les différentes solutions proposées pour résoudre le problème du mode exigent ordinairement des structures très complexes. Par 5 exemple, on peut utiliser un résonateur séparé avec chaque diode pour donner un signal de sortie à bande étroite ; on peut utiliser des circuits qui décaleront les fréquences des modes parasites ; des dispositifs atténuateurs pourront être placés en des points stratégiques du circuit résonant. 10 Le brevet des Etats-Unis d'Amérique accordé à E.T. Harkless, No. 3.534.293 montre un oscillateur utilisant une / diode IMPATT couplée à un résonateur par le montage de la diode à une extrémité d'un câble coaxial extérieur qui est terminé à l'autre extrémité par une impédance adaptée. Une partie médiane 15 du câble est couplée au résonateur qui est couplé à son tour à une ligne de transmission de sortie. Bien que cet agencement empêche la formation de modes, la puissance de sortie dont on dispose est limitée. La présente invention résout ces problèmes en prévoyant 20 que les lignes de transmission de plusieurs de tels oscillateurs soient couplées au résonateur à cavité en des points répartis le long du résonateur et distants les uns des autres d'un nombre entier 'de demi-longueurs d'ondes. Suivant une particularité de l'invention, un conducteur 25 de ligne de transmission de l'oscillateur passe à travers le résonateur à cavité en un point où le champ magnétique est approximativement maximal. Suivant une autre particularité de l'invention, le résonateur à cavité est une cavité rectangulaire que l'on fait 30 travailler dans le mode résonant dit TEq^, le générateur utilisant 2n oscillateurs, n désignant un entier» Les conducteurs des lignes le transmission s'étendent à travers le résonateur à cavité près de la paroi du résonateur à cavité, chaque conducteur étant situé à peu près à une demi-longueur d'onde du con-36 ducteur voisin le plus proche. Suivant une autre particularité de l'invention, le résonateur à cavité est une cavité rectangulaire que l'on fait 71 29009 3 2102125 travailler dans le mode résonant TEgg^, le générateur utilisant 3n oscillateurs.Les conducteurs de ligne de transmission de n des 3n oscillateurs sont situés le long de l'axe central de la cavité, chaque conducteur étant séparé du conducteur voi-5 sin le plus proche par une demi-longueur d'onde, n désignant un entier . Suivant une autre particularité, la ligne de transmission de l'oscillateur est un tronçon de ligne coaxiale. Suivant une autre particularité, la ligne de transmis-10 sion de l'oscillateur est un tronçon de ligne en bande. Suivant une autre particularité de l'invention, l'élément à résistance négative de l'oscillateur est une diode IMPATT. Les câbles coaxiaux sont de préférence couplés aux côtés 15 opposés du résonateur, à des demi-longueurs d'ondes successives. On a trouvé qu'une bonne stabilité en fréquence peut être obtenue avec 20 à 30 diodes pour autant que l'impédance positive vue par chaque diode soit égale à l'impédance négative de cette diode. Lorsque cette condition est satisfaite,comme on le dé-20 crira plus complètement dans la suite, la conception d'une ouverture de couplage entre le câble coaxial et le résonateur n'est pas sujette à des conditions critiques. En fait, pour la simplicité de la construction, on préfère que chaque câble coaxial sout couplé au résonateur en étendant simplement le conduc-25 teur intérieur du câble entre les parois du dessus et du fond à l'intérieur de la cavité du résonateur. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la considération de la description suivante, associée aux dessins sur lesquels : 30 - La figure 1 est une représentation schématique, d'un circuit d'oscillâteur combiné, suivant la technique antérieure} - la figure 2 est une autre représentation schématique d'un circuit d'oscillateur combiné suivant la technique antérieure ; 35 - la figure 3 est un dessin schématique d'un circuit d'oscillateur suivant la présente invention; - la figure 4 est une vue prise suivant les lignes 4-4 de la figure 3; 71 29009 4. 2102125 - la figure 5 est une vue en perspective de la construction de l'oscillateur des figures 3 et 4 ; et - la figure 6 est une représentation schématique d'une construction suivant une autre forme de réalisation de l'in- 5 vention. L'idée de combiner les puissances de sortie de plusieurs oscillateurs en les couplant' à un résonateur unique n'est pas nouvelle. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 2.177.272, accordé à Zottu montre un certain nombre d'oscillateurs à 10 triodes, couplés à un résonateur coaxial qui est à son tour connecté à une charge. Plus récemment, on a vendu dans le commerce des systèmes répéteurs pour micro-fréquences, d'état solide, utilisant de tels combinateurs de puissance.Ce type de dispositifs est représenté à la figure 1 et il comprend quatre 15 oscillateurs à transistors couplés à un résonateur coaxial. Bien que le circuit de la figure 1 puisse fonctionner, on rencontre des problèmes si l'on essaie d'utiliser le même schéma pour combiner les signaux de sortie de plusieurs oscillateurs à diodes à résistance négative, tels que des oscillateurs 20 à diodes IMPATT. En plus du mode voulu d'oscillation pour lequel les courants à fréquence radioélectrique traversant tous les dispositifs sont en phase, comme indiqué par les tracés des flèches en trait plein de la figure 2, divers modes d'oscillation indésirables deviennent possibles et se présentent iné-25 vitablement. Par exemple, l'oscillateur combiné peut osciller dans un mode pour lequel les courants à fréquence radioélectrique qui tràversent deux des diodes sont déphasés par rapport à ceux qui traversent les deux autres diodes, comme l'indiquent les flèches en tirets de la figure 2. Dans le cas de N diodes 30 montées symétriquement par rapport à des cavités, il y a au moins N-1 modes indésirables d'oscillations qui ont tous essentiellement la même probabilité d'apparition. Pour aggraver encore la situation, une faible variation du point de fonctionnement du dispositif, ou une faible variation de l'état de 35 charge ou même de la température ambiante, peuvent faire que l'oscillateur combiné change de façon répétée de mode oscillatoire ,montrant une instabilité fâcheuse en fréquence et en 71 29009 5 2102125 puissance de sortie. C'est le problème posé par les modes, dont il a été question précédemment. La raison pour laquelle le combinateur de puissances d'oscillateurs à transistors de la figure 1 fonctionne, alors que le 5 circuit de la figure 2 ne fonctionne pas, est que la gamme des fréquences actives sur laquelle ohaque transistor pris isolément peut osciller, est étroite, étant déterminée par le circuit de réaction qui l'entoure. Par conséquent, les fréquences de tous les modes indésirables peuvent être placées en 10 dehors de la gamme de fréquences actives de la largeur de bande du transistor. Au contraire, des dispositifs à résistance négative, tels que des diodes IMPATT, ont une résistance négative qui s'étend sur une gamme de fréquences plus large ,souvent plus large qu'une octave. Au surplus, la fréquence de fonc-15 tionnement des diodes IMPATT est typiquement plus élevée que celle des transistors, de sorte que la longueur électrique, mesurée en longueurs d'ondes, du résonateur à combinaison à chaque diode individuelle, est plus longue» En conséquence, il est difficile de reporter les fréquences des modes indésira-20 bles à des valeurs extérieures à la gamme des fréquences d'activité des diodes. Une solution consiste à attacher un résonateur de stabilisation E à ohaque diode, comme montré par le tracé en pointillés de la figure 2. Il faudrait, bien entendu, utiliser autant de 25 circuits résonants qu'il y a de diodes, en plus du résonateur à combinaison de puissances.Suivant l'invention, cette exigence est évitée dans une forme de réalisation structurellement simple, représentée aux figures 3, 4 et 5. Comme montré à la figure 3, les sorties de plusieurs 30 diodes à résistanoe négative 20 sont couplées par des câbles coaxiaux 21 à un résonateur de combinaison commun 22. Pour la brièveté et la clarté, on n'a pas représenté la source de polarisation habituelle des diodes. Chacun des câbles coaxiaux comprend un conducteur intérieur 23 qui s'étend le long d'une 35 paroi latérale du résonateur 22, comme montré à la figure 4. A l'extrémité de chaque câble coaxial, à l'opposé de la diode, se trouve une impédance dissipatrice adaptée 25 , c'est-à-dire que 71 29009 6 2102125 1*impédance de cet élément d'impédance dissipatrice 25 est égale à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission du câble coaxial dans lequel elle est incluse.Comme montré à la. figure 4, les conducteurs 23 sont situés symétriquement des 5 côtés opposés du résonateur 22, en étant séparés d'une demi-longueur d'onde à la fréquence de résonance du résonateur. Le résonateur 22 est couplé à un guide d'onde de sortie 26 qui transmet l'énergie oscillatoire engendrée à une charge appropriée. 10 Chaque diode 20 est naturellement construite pour engen drer des oscillations fondamentales à la fréquence de résonance 7 du résonateur 22. Lé production de modes indésirables dans la cavité est empêchée en raison de la tendance des composantes de fréquences indésirables d'être dissipées par les impédances 15 de dissipation 25 et parce que chaque diode est adaptée en impédance au circuit qu'elle voit respectivement. L'impédance de circuit vue par chaque diode est rendue sensiblement égale à moins l'impédanoe de cette diode en introduisant un transformateur 27 dans chaque conducteur intérieur près de la diode«Des 20 procédés pour déterminer l'impédanoe de la diode, l'impédance du circuit et pour la construction convenable de chaque transformateur, ne font appel qu'aux connaissances ordinaires des spécialistes et on ne s'y appesantira pas. Aussi bien le guide d'ondes de sortie 26 que le résona-25 teur 22 peuvent être de forme rectangulaire et sont construits pour entretenir de l'énergie oscillante.Plus spécifiquement, le résonatèur 22 oscille dans le mode de résonateur où n est égal au nombre de paires de diodes dont les sorties sont combinées suivant la forme de réalisation représentée. Avec 30 cette construction et avec la séparation , montrée à la figure 4, chaque conducteur intérieur 23 est situé en un point de champ élecfrique sensiblement nul et de champ magnétique maximal. Le placement précis des conducteurs intérieurs en ces points n'est pas essentiel pour l'opération de combinaison, mais cela 35 facilite l'ajustement du circuit.Par exemple, il peut être possible de placer deux conducteurs 23 proches l'un de l'autre, de part et d'autre d'un point de champ magnétique maximal, pour 71 29009 7 2102125 augmenter le nombre des diodes en combinaison. On remarquera qu'il n'y a pas une ouverture de couplage unique entre chaque câble coaxial et le résonateur de combinaison 22 ; bien plutôt, des rainures semi-cylindriques sont décou-5 pées dans les parois opposées du résonateur pour définir des portions de conducteur extérieur du câble, chaque portion de conducteur intérieur correspondant étant entièrement exposée, tandis qu'elle s'étend à travers le résonateur. On a trouvé qu'un fonctionnement correct de diodes IMPATT avec un tel cou-10 plage au résonateur n'exige qu'une adaptation d'impédance convenable au circuit extérieur, plutôt qu'une forme particulière de couplage. Une adaptation fine d'impédance de chaque diode prise individuellement est réalisée après que chaque diode ait été montée en la déplaçant sur une monture mobile, comme le 15 montrent les flèches de la figure 3. C'est-à-dire que l'on déplace axialement chaque diode individuellement jusqu'à ce que son signal de sortie par le guide d'ondes 26 soit rendu aussi grand que possible à la fréquence f voulue. Lorsque cela a été réalisé, on produit l'adaptation d'impédance fine de toutes 20 les diodes en faisant tourner le guide d'ondes rectangulaire 26 sur un joint universel 28 par rapport au résonateur à cavité 22. L'orientation en rotation du guide d'ondes de sortie par rapport au résonateur est évidente sur le vue en perspective d'une version expérimen+ Le dispositif expérimental de combinaison de puissance , représenté aix figures 3 à 5, a été construit ayec succès et 35 comprenait douze diodes IMPATT à groupement en V. On a obtenu 10,5 watts de puissance d'onde de sortie ininterrompue, à 9,1 gigahertz,dans les dispositions conservatrices recommandées par 71 29009 8 2102125 les ingénieurs en vue de la longévité des diodes. On n'a observé aucune oscillation parasite pendant l'ajustement du circuit et pendant son fonctionnement, l'ajustement était simple et le spectre du signal de sortie était propre. Des mesures effectuées 5 sur le circuit ont montré que l'on pouvait coupler environ 32 diodes au résonateur cambinateur 22 sans prévoir de moyens supplémentaires de suppression de modes. On pourrait même utiliser plus de diodes encore en changeant le facteur de qualité Q du résonateur, en introduisant un suppresseur de modes, tel qu'une 10 pellicule résistante mince dans la cavité ou en utilisant une paire de câbles coaxiaux situés symétriquement autour de chaque point de champ magnétiaue maximal. Une autre possibilité d'augmentation du nombre des diodes consiste à utiliser un résonateur qui fonctionne dans le 15 mode TEQgn » comme montré à la figure 6. la coupe schématique de la figure 6 correspond à la coupe de la figure 3. Cependant, comme le mode TEQ2n présente un zéro du champ électrique E et un maximum du champ magnétique H au centre du résonateur ainsi qu'à ses côtés opposés, on peut faire passer un conducteur in-20 térieur par le centre du résonateur, comme le montre la figure 6. Ceci permet bien entendu d'utiliser trois diodes à chacune des positions successives espacées d'une demi-longueur d'onde. les spécialistes pourront imaginer des variantes; par exemple,on pourrait utiliser des lignes de transmission en ban-25 de à la place des câbles coaxiaux des figures 3 et 4- et on pourra les coupler à un résonateur pour lignes en bande, le couplage se fera, dans ce cas, aux endroits de champ électrique maximal , ainsi qu'il est bien connu dans la technique, pour avoir un bon couplage électrique. 71 29009 9 2102125 REYEHDIOATIOMS 1.- Générateur à haute fréquence , à mode unique, comprenant un résonateur à cavité, une ligne de transmission de sortie couplée au résonateur à cavité et un oscillateur compre-5 nant un tronçon de ligne de transmission ayant à l'une de ses extrémités un élément à résistance négative et à l'autre extrémité une terminaison adaptée, où. la ligne de transmission est couplée au résonateur à cavité en un endroit situé entre l'élément à résistance négative et la terminaison adaptée, carac-10 térisé en ce que les lignes de transmission (21,23) de plusieurà de ces oscillateurs (20, 21, 23, 25, 27) sont couplés au résonateur à cavité (22) en des points répartis le long du résonateur (22) et séparés les uns des autres d'un nombre entier de demi-longueurs d'ondes. 15 2.- Générateur à haute fréquence suivant la revendica tion 1, caractérisé en ce qu'un conducteur de ligne de transmission (23) de l'oscillateur s'étend à travers le résonateur à cavité (22) en un point où le champ magnétique est à peu près maximal. 20 3.- Générateur à haute fréquence suivant la revendica tion 2, caractérisé en ce que le résonateur à cavité (22) est une cavité rectangulaire (22) travaillant dans le mode de résonance TEQ1n, en ce que le générateur utilise 2n oscillateurs (20, 21, 23, 25, 27) , n étant un entier , et en ce que les 25 conducteurs de ligne de transmission (23) s'étendent à travers le résonateur à cavité (22) près de la paroi du résonateur à cavité, chaque oonducteur (23) étant situé à une distance d'environ une demi-longueur d'onde du conducteur (2 3) immédiatement suivant. 30 4.- Générateur à haute fréquence suivant une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le résonateur à cavité (22) est une cavité rectangulaire (22) travaillant dans le mode de résonance TBo2n' en 06 q-ue le S^nérateur utilise 3n oscillateurs (20,21,23,25,27) ,les conducteurs de ligne 35 de transmission (23) de n des 3n oscillateurs étant placés le long de l'axe central de la cavité (22), chaque conducteur (23) étant séparé du conducteur (23) immédiatement suivant d'une 71 29009 to 2102125 demi-longueur d'onde, n étant un entier. 5.- Générateur à haute fréquence suivant une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la ligne de transmission (21) de l'oscillateur (20,21,23,25,27) est un tronçon d'une ligne coaxiale.(21). 6.- Générateur à haute fréquence suivant une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la ligne de transmission (21) de l'oscillateur (20,21,23,25,27) est un tronçon d'une ligne en bande. 7.- Générateur à haute fréquence suivant une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 6, caractérisé en ce que l'élément à résistance négative (20) de l'oscillateur (20,21, 23,25,27) est une diode dite diode IMPATT(abréviation de Impact Ionization Avalanche and Transit Time, c'est-à-dire diode à avalanche à ionisation par impact et à temps de transit).