Brevet FR2132168A1 — publié le 19721117

Les sources d'hyperfréquences à semi-conducteurs pouvant être accordées électroniquement sur des gammes de plusieurs octaves sont actuellement en train de remplacer les dispositifs plus classiques comme l'oscillateur à onde inverse(ou 5 de retour), à cause de leurs dimensions inférieures, de leur poids inférieur, et de leur consommation d'énergie inférieure. Comme oscillateur à semi-conducteurs prometteur, il y a lieu de citer un dispositif à résistance négative, couplé par une ligne de transmission ou une boucle d'accord, à une sphère de grenat 10 yttrium-fer. On effectue l'accord en modifiant la fréquence de résonance du grenat yttrium-fer au moyen d'un champ magnétique d'intensité variable. Comme dispositif à résistance négative de ce type, il y a lieu de citer un dispositif à arséniure de gallium à effet d'accumulation. Une forme typique d'oscillateur à 15 arséniure de gallium à accord par grenat yttrium-fer est décrit dans une publication intitulée "The YIG-tuned Gunn Oscillator, Its Potentials and Problems" (l'oscillateur Gunn accordé par grenat yttrium-fer, ses possibilités et ses problèmes), due à Masahiro Omori, dans le Recueil d'articles techniques du Con-20 grès International sur les Hyperfréquences IEEE G-MTTT de 1.969 International Microwave Symposium Digest of Technical Papers. Ce type connu d'oscillateur à accord par grenat yttrium-fer comporte lins boucle de couplage de sortie orthogonale à la boucle d'accord pour transmettre la puissance de sortie de l'oscilla-25 teur pour hyperfréquences au circuit d'utilisation. Comme il est indiqué dans cette publication, cette forme de filtre à grenat yttrium-fer du couplage de sortie présente certains problèmes, dont le plus sérieux est ce que l'on appelle la caractéristique d'accord non-réciproque due à l'oscillation erronée du circuit. 30 La fréquence d'oscillation du circuit-déterminée par le dispositif à arséniure de gallium et la boucle de couplage à grenat yttrium-fer, mais non par le champ magnétique - est très peu chargée. A cause de cet état très peu chargé, l'oscillation a fortement tendance à passer brusquement sur le mode d'oscilla-35 tion non-désiré. En outre, des oscillations erronées sans rapport avec la fréquence de résonance du circuit ou la fréquence de résonance du grenat yttrium-fer, sont accrues par cette caractéristique de charge légère. 72 10990 2 2132168 En choisissant soigneusement des dispositifs à arséniure de gallium présentant une résistance négative juste sur la gamme de fréquences correcte, on peut minimiser les problèmes précités. Ces opérations de sélection augmentent le prix de re-5 vient. Selon l'invention, on propose ion nouvel oscillateur à semi-conducteurs accordé par grenat yttrium-fer, dans lequel la diode à semi-conducteurs est fortement chargée sur une large gamme de fréquences, ce qui entrave fortement la tendance à pas-10 ser brusquement à un mode d'oscillation erroné. " Fondamentalement, l'oscillateur pour hyperfréquences selon l'invention comprend line diode à semi-conducteurs présentant des caractéristiques de résistance négative, par exemple une diode Gunn ou une diode Impatt, couplée-à une source ri® +en-15 sion de polarisation appropriée, ladite diode étant en série avec le circuit de couplage, par exemple la ligne de transmission ou la boucle de couplage, du résonateur à grenat yttrium-fer, le circuit de couplage étant à son tour monté en série avec la sortie de l'oscillateur aboutissant au circuit d'utilisation. 20 Selon un mode d'exécution préféré, un réseau de transformation-d'impédance est monté en série entre le circuit de couplage à grenat yttrium-fer et la sortie. Selon un premier mode d'exécution de l'oscillateur, la tènsion de polarisation est transmise à la diode par une ligne 25 de transmission quart-d'onde et un condensateur de découplage radiofréquence associé ; selon un second mode d'exécution, on utilise une bobine d'arrêt au lieu de la ligne quart-d'onde. Lorsque l'oscillateur est relié à une charge à taux d'ondes stationnaires élevé au-dessus et/ou au-dessous la la 30 gamme d'accord de l'oscillateur, comme c'est le cas lorsqu'on alimente le circuit d'utilisation par un circulateur à ferrites, on monte un réseau d'atténuation sélective en série entre le réseau d'adaptation d'impédances et le circulateur. Selon un mode d'exécution de l'invention, cet atténuateur sélectif comprend 35 une ligne de transmission d'une longueur égale à une demi-longueur d'onde et deux circuits en dérivation comprenant chacun une résistance et un adaptateur quart-d'onde raccourci. 72 10990 3 2132168 La description détaillée qui va suivre, et les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemplesnon limitatifs, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur les dessins annexés : 5 - la figure 1 est un diagramme schématique d'un oscillateur pour hyperfréquences à semi-conducteurs accordé par grenat yttrium-fer, selon un premier mode d'exécution de l'invention, - la figure 1A est un diagramme fonctionnel d'un 10 modèle simplifié de l'oscillateur représenté sur la figure 1, - la figure 2 est une vue en plan d'un oscillateur à semi-conducteurs réalisé selon le schéma de la figure 1, - la figure 3 est un diagramme schématique d'un oscillateur pour hyperfréquences selon un second mode d'exécution 15 de l'invention, - la figure 4 est un diagramme schématique d'un oscillateur pour hyperfréquence réalisé selon un troisième mode d'exécution de l'invention, comprenant, un réseau d'atténuation sélective, et, 20 - la figure 5 est une vue en plan d'une partie d'une structure d'oscillateur du type représenté sur la figure En se référant à présent à la figure 1, le dispositif à semi-conducteurs à résistance négative 1, qui peut être 25 un dispositif à arsénuire de gallium à effet d'accumulation ou une diode Impatt, est monté en série avec le circuit de couplage 12 d'un résonateur à grenat yttrium-fer comprenant la sphère de grenat yttrium-fer 13. La connexion avec le dispositif à semiconducteurs peut être assurée par un fil conducteur de petit 30 diamètre (par exemple de 0,025 mm) ou par un ruban ou un grillage mince (par exemple de section droite de 0,025 mm x 0,125mm) de faible longueur (par exemple, inférieure à 2,5 mm) que l'on peut ajuster pour que le fonctionnement de l'oscillateur soit optimum. Le circuit de couplage 12 peut être une ligne de trans-35 mission voisine de la sphère ou une boucle de couplage entourant partiellement ou complètement la sphère. La structure du résonateur à grenat yttrium-fer comprend des moyens magnétiques (non représentés) pour engendrer un champ magnétique destiné au 72 10990 4 2132168 résonateur à grenat yttrium-fer, dont l'intensité peut être modifiée au moyen d'une tension électrique de commande pour accorder ledit résonateur, donc l'oscillateur, sur sa bande de fréquences de fonctionnement, par exemple 8 à 12 GHz, de façon bien connue. 5 Une source de tension de polarisation 14 est re liée à ce circuit en série par line ligne de transmission 15 d'une longueur d'un quart d'onde au centre de la bande de l'oscillateur et un condensateur de découplage radiofréquence 16. Un réseau de transformation d'impédance 17 est mon-10 té entre la boucle de couplage du grenat yttrium-fer 12 et la borne de sortie 18 aboutissant au dispositif d'utilisatioh. Un condensateur d'arrêt de courant continu 19 permet de bloquer la tension de polarisation provenant de la charge. Pour mettre en évidence les caractéristiques de 15 charge de ce montage, on se référera au modèle d'oscillateur très simplifié de la figure 1A. L'impédance électrique, comprenant la résistance de charge modifiée par le réseau,de transformation d'impédance, la structure résonnante à grenat yttrium-fer, les éléments parasites, et la réactance du dispositif à 20 semi-conducteurs, est représentée par le branchement en parallèle d'une résistance R et d'une réactance X. La résistance négative du dispositif à semi-conducteurs est représentée par -Rd. Ces trois éléments sont des fonctions de la fréquence et de l'amplitude. Pour obtenir une oscillation, X = 0 et Rd = R. Une valeur 25 élevée de R implique une charge faible. Selon un mode d'exécution de l'invention, dans lequel le dispositif actif est un dispositif à arséniure de gallium à effet d'accumulation, R est compris entre 100 et 150 ohms sur la large gamme de fréquences de 4 à 15 GHz, sauf au voisinage 30 de la fréquence de résonance du grenat yttrium-fer. A la fréquence d'oscillation déterminée par la résonance du grenat yttrium-fer, la charge varie de 200 à 100 ohms sur la bande de fonctionnement de 8 à 12 GHz. Cette caractéristique de charge favorise le fonctionnement dans le mode accordé sur la fréquence 35 du grenat yttrium-fer désiré et a tendance à empêcher l'oscillation suivant des modes erronés. 72 10990 5 2132168 Une structure mettant en oeuvre le montage de la figure 1 est représentée en plan sur la figure 2 ; elle comprend une diode Gunn 11 montée sur une plaque de refroidissement 21 fixée par une vis 22 à la base 23. La diode 11 est reliée électriquement à une borne 24 de la boucle de couplage du grenat yttrium-fer 12 montée sur un substrat de quartz25, monté lui-même sur la base 23. La sphère de grenat yttrium-fer 13 se trouve sous la boucle de couplage 12 et elle est fixée à l'extrémité d'une tige de support isolante 26 montée sur la base 23, en alignement avec le substrat 25 et perpendiculairement à la plaque de refroidissement 21 et à la diode 11. L'autre borne 27 de la boucle de couplage 12 est reliée électriquement à une eatrémité d'une ligne de transmission quart-d'onde 15 qui se trouve à la surface d'un substrat de quartz 28 monté sur la base 23. L'autre extrémité de la ligne de transmission 15 est reliée électriquement à un condensateur de découplage radiofréquence 16 relié à ion organe de traversée 29 aboutissant à la source de tension de polarisation du dispositif. La borne 27 de la boucle de couplage 12 est également reliée à l'une des extrémités d'un réseau de transformation d'impédances 17 comprenant une ligne de transmission en forme de bande très mince constituée par une pellicule de dorure déposée à la surface du substrat de quartz 25. L'autre extrémité du circuit de transformation d'impédances 17 est reliée à une borne d'un condensateur de blocage de courant continu 19 dont l'autre borne est reliée à un organe de traversée radiofréquence 29' aboutissant à la borne de sortie de l'oscillateur. Si l'on se réfère à présent à la figure 3, cette figure représente schématiquement un autre mode d'exécution de l'invention. Dans ce montage, on utilise une bobine d'arrêt radiofréquence 31 pour transmettre la tension de polarisation à la diode à semi-conducteurs, au lieu de la ligne de transmission quart-d'onde. Dans les cas où l'oscillateur est relié à une charge présentant un taux d'ondes stationnaires élevé au-dessus et/ ou au-dessous de la bande.de fonctionnement-, il est désirable 72 10990 6 2132168 d'utiliser un réseau d'atténuation sélective entre l'oscillateur et la charge. Un circulateur à ferrite présente une charge ayant ce type de caractéristique de taux d'ondes stationnaires. Le réseau d'atténuation sélective est conçu pour produire une faible 5 atténuation dans la bande de fonctionnement et une forte atténuation de chaque côté de la bande. Le taux d'ondes stationnaires en dehors de la bande élevé est ainsi réduit et les oscillations de tension erronées sont éliminées. La figure 4 représente un type d'atténuateur sélectif utilisé pour relier le circuit de 10 transformation d'impédance 17 au circulateur de sortie 32. L'atténuateur comprend une ligne de transmission 33 d'une longueur égale à une demi-onde à une fréquence F et deux circuits en dérivation comprehant chacun une résistance 34 et un adaptateur raccourci 35 qui a une longueur d'un quart d'onde à 15 la fréquence F. L'atténuation minimale a lieu à la fréquence F ; la fréquence F doit être typiquement choisie à la valeur où la puissance de sortie est la plus critique. Le plus souvent, c'est l'extrémité supérieure de la bande de fonctionnement. La figure 5 représente un micro-circuit convenant 20 pour effectuer l'atténuation ; dans cette figure, on n'a représenté que le substrat 25 du dispositif de la figure 2. Le montage transformateur d'impédances 17 est relié à une ligne de transmission de micro-circuit 33 dont les deux extrémités sont reliées aux deux circuits en dérivation 34, 35. 25 72 10990 7 2132168 REVENDICATIONS 1 - Oscillateur pour hyperfréquences accordable fournissant une puissance hyperfréquence à l'une de ses "bornes de sortie, comprenant un dispositif à semi-conducteurs présentant des caractéristiques de résistance négative sur une bande 5 d1hyperfréquences désirée, un circuit de polarisation relié audit circuit à semi-conducteurs lui fournissant une tension de polarisation, et un appareil d'accord permettant d'accorder ledit dispositif à semi-conducteurs, ledit appareil d'accord comprenant une sphère à grenat yttrium-fer placée pour fonctionner dan^ùn 10 champ magnétique et présentant une caractéristique de résonance ferrimagnétique pouvant être accordée sur ladite bande d'hyper-fréquences désirée par variation de l'intensité dudit champ magnétique, ledit oscillateur étant caractérisé en ce que l'appareil d'accord comprend également un circuit de couplage en série 15 entre le' dispositif à semi-conducteurs et la borne de sortie de 1'oscillateur pour assurer une interaction entre ledit dispositif à semi-conducteurs et ladite sphère de grenat yttrium-fer. 2 - Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit transformateur d'impédances 20 monté entre le circuit de couplage et la borne de sortie de l'oscillateur. 3 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le circuit de couplage comprend une boucle de couplage reliée à ladite sphère de grenat yttrium-fer. 25 4 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de couplage comprend une ligne de transmission reliée à la sphère de grenat yttrium-fer. 5 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le circuit de polarisation comprend un 30 appareil appliquant une tension continue au dispositif à semiconducteurs et arrêtant le passage du courant alternatif vers la source de cette tension continue. 6 - Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de polarisation comprend une ligne de 35 transmission dont la longueur est sensiblement égale à un quart d'onde au centre de la bande d'hyperfréquences désirée, et un condensateur de découplage. 1 72 10990 8 2132168 7 - Oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de polarisation comprend une bobine d'arrêt radiofréquence et un condensateur de découplage. 8 - Oscillateur selon la revendication 2, caracté-5 risé en ce qu'il comprend un circuit atténuateur monté entre le circuit transformateur d'impédance et la sortie dudit oscillateur. 9 - Oscillateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit isolateur relié à sa sor- 10 tie. 10 - Oscillateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit atténuateur comprend une ligne de transmission et deux montages en dérivation comprenant chacun une résistance et un atténuateur raccourci. 15 11 - Oscillateur selon la revendication 10, caracté risé en ce que la ligne de transmission a une longueur sensiblement égale à une demie longueur d'onde à une fréquence choisie, et en ce que chacun des atténuateurs raccourcis a une longueur d'un quart de longueur d'onde à la fréquence choisie. 20 12 - Oscillateur selon la revendication 11, caracté risé en ce que chacun des atténuateurs raccourcis a une longueur, sensiblement égale à un quart de longueur d'onde à l'extrémité supérieure de la bande d'hyperfréquences choisie, et en ce que ladite ligne de transmission a une longueur égale à une demie 25 longueur d'onde à l'extrémité supérieure de ladite bande d'hyperfréquences choisie.