Brevet FR2116268A1 — publié le 19720713

La présente invention concene des dispositils oscillateurs à hyperfréquence dont 11 élément actif est une diode auto-oscilatrice et dont l'élément passif est une cavité résonnante comportant un piston dont la position est déterminée par une tige de règlage e longueur ajustable disposée entre ledit piston et un élément fixe ou sen fixe occupant une position transversale déterminée. Un sait que 'évolution de 13 technique des semiconducteurs a mis à la dispositIon des techniciens des hyperfréquences un certain nombre de dispositifs semiconducteurs de la famille des diodes présentant, pour des raisons diverses, une caractéristide à distance négative pour un point de fonctionnement convenablement choisi et aptes à coopérer, en tant qu'éléments actifs, avec des circuits dont la fréquence de résonance est située dans la gamme des hyperfréquences. Parmi ces dispositifs il est possible de citer, à titre d'exemples, les diodes à effet tunnel, généralement appelées "diodes tunnel", les diodes à avalanche par impact et à temps de transit, ou diodes IMPATT, dont les diodes Qe Read constituent un modèle particulier, et les diodes à effet Gunn. On sait également que la fréquence d'oscillation d'oscillateurs à hyperfréqunce composés d'une diode auto-oscillatrice (ou autorelaxatrice) et d'une cavité résonnante varie avec la température de la cavité résonnante du fait de deux mécanismes complémentaires dont les conséquences sont généralement auditives : la dilatation de la cavité résonnante at l'influence e la température de la cavité sur la température de fonctionnement de la diode auto-oscillatrice, couplée thermiquement avec la cavité résonnante.L'augmentation des imei3sions de la cavité résonnan- te, résultant de la dilatation de ses éléments constitutifs, en trane un abaissement de la fréquen@e d'oscillation, énéralerent accru par l'influence de l'élévation de la température sur les caractéristiques de la coco auto-oscillatrice. L'influence de la température ambiante sur la fr@quence propre de résonance d'ne cavité hyperfréquence est connue depuis longtemps et il est possible de citer, s3r exemple, les parties 6-24. Temperature Effects (page 383) et 6.25. External Temperature Compensatiorw (page 3c6) du chapitre 6. Prequency Heasurements du livre "Technique of Microwave Measurements" de Carol G. Montgomery (Mac G@AW-HILL BOOK COML@ANT - 1947) traitant es effets de la température ambiante et des moyens de compenser ces effets. Le principe de la compensation de la dérive de la fréquence propre de résonance d'une cavité à hyperfréquence est, en lui mêl;e, très simple : il consiste à introduire, dans la structure de ls cavité ou de ses annexes, des pièces faites de métaux ayant des coefficients de dilatation différents de façon à ce que le mouvement relatif d'une des pièces par rapport aux autres, en fonction des variations de la température ambiante, vienne exactement cl'penser La variation de la fréquence de résonance qui se serait produite sans la mise en oeuvre de cette disposition. Si une compensation rigoureuse de la variation de la fréquence propre de résonance est, en-principe, facile à obtenir, il n'en n"cst pas de merle en pratique pour des raisons qui tieri- nent principalement aux incertitudes quant aux valeurs exactes des coefficients de dilatation des pièces utilisées : en effet, le coefficient de dilatation d'une pièce déterminée dépend à la fois de la composition exacte du métal ou de l'alliage dont elle est constituée et du passé mécanique et thermique de la pièce, résultant de son usinage et Le "lthistoire" du produit métallurgique semi-ouvré à partir duquel la pièce a été fabri ouée. Cn observe donc, en pratique, une dispersion assez grande et assez erratique dans les résultats d'une compensation de température bien précalculée en principe. Lorsqu'il s'agit d'un oscillateur complet et non plus seu liement de a cavité résonnante, on observe des variations diffreintes de la fréquence d'oscillation selon la diode auto-oscillatrice utilisée en coopération avec une cavité résonnante donnée, et l'on se trouve en présence d'un problème qu'il n'est pas possible de résoudre par la seule mise en oeuvre des dispositioz connues.Les moyens de couplage de l'oscillateur hyperfréquence avec les cIrcuits utilisant le signal à hyperfréquence généré par ledit oscillateur exercent en général une certaine influence sur sa fréquence propre Q oscillation et tendent à abaisser cette fréquence lorsque la température s'élève ; il est important de pouvoir compenser cette interaction qui ne peut prati quement par être calculée. Le but de l'invention et de permettre le dosage de la compensation des effets des variations de la température ambiante sur la cavité résonnate elle-njme, sur la diode auto-oscillatrice qui y est associée et sur les moyens de couplage, de fa çon à obtenir une compensation exacte malgré les incertitudes présentes quant aux valeurs exactes des coefficients de dilatation des piècesitilisées et au comportement propre de la diode auto-oscillatrice. L'invention est basée sur la considération qu'en faisant intervenir d'une façon ajustable les longueurs relatives de deux pièces de coefficients ce dilatation différents, on obtient un effet de règlage du coefficient de dilatation apparent en résultant. Selon l'invention, les dispositifs oscillateurs à hyperfréquence dont l'élément actif est une diode auto-oscillatrice et dont l'élément passif est une cavité résonnante comportant un piston dont la position est déterminée par une tige de règlage de longueur utile ajustable disposée entre ledit piston et un élément fixe ou semi-fixe occupant une position transversale déterminée sont notamment remarquables en ce que la tige de règlage de longueur utile ajustable est constituée de deux parties distinctes faites de matériaux ayant des coefficients de dilatation différents, dont les longueurs utiles partielles sont règlabes dans le cadre d'une longueur utile totale donnée. Par la mise en oeuvre de la disposition objet de l'invention, il est possible d'ajuster d'une manière très simple et sans discontinuités le coefficient de dilatation résultant de la tige de règlage de la position au piston et, de ce fait, assurer audit piston un mouvement relatif approprié dans la cavité résonnante, en fonction des variations de la température am- biante, de façon à compenser les effets de ladite température sur la cavité résonnante et sur la diode auto-oscillatrice, une compensation rigoureuse pouvant etre obtenue avec utilisation de composants dont les coefficients de dilatation effectifs diffèrent notablement de leur coefficient de dilatation nominal. rar un règlage soigné de la compensation, effectué par interpolation ou par approximations successives, il est possible d'arriver à une compensation parfaite pour une fréquence d'oscillation déterminée ; si l'on s'éloigne ensuite de cette fréquence d'oscillation par un reglage volontairement différent de la fréquence propre de résonance de la cavité, la compensation de température reste satisfaisante mais n'est plus aussi rigoureuse qu'elle l'était pour la fréquence d'oscillation pour laquelle le règlage de la compensation avait été effectué. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre comment l'invention peut etre réalisée. La figure unique jointe est constituée par une vue en élévation et en coupe partielle d'un dispositif oscillateur selon l'invention destiné, dans le cas de l'exemple représenté, à fonctionner à une fréquence moyenne de 12,2 GHz environ. La partie active du dispositif oscillateur représenté est constituée par une diode à effet Gunn t montée au voisinage du centre d'une bride épaisse 2 comportant une ouverture rectangulaire 3 aux dimensions habituelles des guides d'ondes rectangulaires utilisés pour travailler aux fréquences de la bande de fréquences appelée bande X et allant d'environ 9 GHz à environ 13 Gliz, dimensions qui sont d'environ 2,3 cm x 1,0 cm, la "largeur du guide, égale à 2,3 cm environ, étant parallèle au plan de coupe. La partie passive de l'oscillateur comprend une cavité résonnante 4 dont le corps 5 est constitué par une pièce métallique ayant un profil rectangulaire de guide d'ondes de bande X, munie d'une bride d'assemblage 6. L'oscillateur représenté est couplé avec un montage récepteur par un élément de guide d'ondes 7 muni d'une bride 8 ; des dispositifs accessoires non représentés, disposés dans le gaude d'ondes 7, ont une certaine influence sur la fréquence d'oscillation de l'oscillateur et cette influence tend à abaisser la fréquence d'oscillation lorsque la température ambiante devient plus élevée. La cavité résonnante de l'oscillateur est en partie constituée par l'ouverture rectangulaire 3 de la pièce 2 et en majeure partie par la cavité 4 délimitée par la face avant 9 d'un piston métallique rectangulaire 10 dont la périphérie est avantageusement munie d'une couche de polytétrafluoroéthylène 1. La distance électrique entre l'axe de la bride porte-diode 2 et la face 9 du piston 10 est sensiblement égale n### -Cr étant la longueur d'onde de l'oscillation dans le guide à par tir duquel la cavité est réalisée et - n un nombre entier égal ou supérieur à 1. Dans le cas d'une oscillation à une fréquence de 12,2 Gliz, la longueur d'onde #a dans l'air est 2,46 cm. Lorsque le guide utilisé a une largeur" de 2,5 om, la longueur d'onde de coupure c du guide lors d'une propagation selon le iode @@ est écale à 4, cm et la longueur d'onde dans le guide, donnée par la formule est égale à environ 2,9 cm. La distance de 1 l'axe de la bride porte-diode 2 à la face 9 peut donc notamment, dans le cas d'oscillation à 12,2 GHz, être égale à environ '\,4 cm, à environ 2,9 cm ou à environ 4,3 ou. Le piston 10 est maintenu en position par une tige 12 comportant une partie filetée 13 et par une douille 14 colportant une partie interne taraudée 15 à son extrémité droite et une partie externe filetée 16 occupant la partie centrale de la douille 14 et s'étendant jusqu'à son extrémité gauche. La partie filetée 13 de la tige 12 est vissez as la partie taraudée 15 de la douille 14 et les pas et sens d'hélices des parties filetées 13 et 16 sont identiques. La position de la douille 14 dans le sens axial est définie par une partie filetée 1,, appartenant a une pièce de commande de règlage 18, et constituant un écrou rotatif dont la position axiale est fise. La douille de commande de règlage 18 est munie d'une collerette circulaire plate 19 tourillonnant sans jeu dans un embrèvement C as lequel elle est maintenue élastiquement par mie rondelle souple 21 occupant une partie de la périphérie de la collerette 19 et ménageant un espace approprié à une patte de blocage a rondelle 21 est maintenue par une pluralité de vis telles que la vis 23 et la patte de blocage 22 est maintenue en place et serrée par une vis 24. l'embrèvement 20 est us dans une paroi épaisse 5 constituant le fond du Corps . La surface extérieur de la couille 18 peut entre moletée pour donner une prise suffisante aux doigts pour effectuer les règlages ou un bouton moleté de grand diamè- tre peut être ponté sur la douille 18. La partie filetée de la douille 18 est avantageusment conformée en écrou élastique à rat- tapage de jeu.L'extrémité gauche de la douille 14 est munie d'une fente 26 permettant de faire tourner cette douille sur elen utilisant un tournevis particulier constitué par une douille cylindrique creuse unie de deux ergots diamétralement opposs. La tie 1c est prolongée, au-delà de la partie filetée 13, par une partie lisse 27 et par une partie filetée cE sur laquelle est vissé un écrou cylindrique 29 muni d'une fente de manoeuvre 30. L'écrou 29 assure le blocage de 13 douille 14 sur la ti 12 par l'intermédiaire d'une rondelle élastique 31. Il est avantageux de donner à la partie filetée 28 le même pas et le meme sens de filetage que ceux de la partie 13, sans que cette disposition ait un caractère obligatoire. n supposant que l'on part d'une position relative quelconque des deux pièces que constituent la tige 12 et la douille 14, il est possible de préciser comme suit le mode d'emploi de l'oscillateur représenté sur la figure unique jointe. Un mode de résonnance déterminé de la cavité ayant été choisi, par exemple en #ou en 5 #/2, et une tension d'alimentation de grandeur convenable étant appliquée sur la diode auto-oscillatrice, la fréquence d'oscillation est ajustée à la température ambiante du moment par rotation de la douille 18. L'ensemble constitué par la tige 12 et par la douille 24, bloquées l'une sur l'autre par l'écrou 29, est immobilisé en rotation par le piston rectangulaire 10 et se déplace axialement lorsque lion visse ou que l'on dévisse la partie 17, formant écrou, sur la partie filetée 16.Lorsque ce règlage est effectué, on bloque la collerette 1c par serrage de la vis 24. porte ensuite l'oscillateur dans une étuve chauffée à une température de, par exemple, 7000 et lorsque la fréquence d'oscillation est stabilisée, on esure sa variation, résultat de l'ensemble des effets notés précédement. 'n fonction du sens et de la grandeur de la variation observée, on dévisse ou l'on revisse la douille 14 sur la tige 12 après avoir débloqué l'crou Z, , et l'on bloque ensuite de nouveau la douille 14 sur la tige 12. On procède à une nouvelle vérification de la stabilité de l'oscillateur et, éventuellement, à une correction de l'ajustage de la compensation effectué après le premier essai. En fonction du nombre de tours dont l'on a vissé ou dévissé la douille 14 sur la tige 12 et de la réduction de la dérive de la fréquence de l'oscillateur qui en est résultée, il est facile de procéder à une retouche très précise si le premier ajustage n'a pas donné un résultat pleinement satisfaisant. Pour la construction d'un oscillateur selon l'invention, il demeure intéressant d'utiliser pour fabriquer les pièces 2 et 5 un métal à coefficient de dilatation de valeur modérée, par exemple un acier doux ou mi-dur de coefficient de dilatation voisin de 120.10 t par degré Celsius ; afin d'assurer une bonne conductibilité électrique à haute fréquence à ces pièces, il est avantageux d'en dorer les parties concernées par la circulation des courants à hyperfréquence. Une des deux pièces constituées par la tige 12, avantageusement faite du mssme métal que le piston 10, et par la douille 14 est fabriquée en un métal à coefficient de dilatation modéré, et l'autre en un métal à coefficient de dilatation élevé. Dans le cas de l'exemple représenté, la tige 12 et le piston 10 sont en acier mi-dur et la douille 14 est en laiton (66C / Ou - 34t;; Zn) de coefficient de dilatation égal à environ 190.10. La douille 14 pourrait également etre usinée dans un alliage d'aluminium tel que l'alliage AU4 G, connu sous la désignation commerciale "Duralumin", de coefficient de dilatation égal à environ 230.10-7 ou l'alliage AG5, connu sous l'appellation commerciale "Duralinox H5", de coefficient de dilatation egal à environ 220.10 par degré Oelsius. On a vu précédemment que, pour que la dilatation de la cavité résonnate sous l'effet d'une élévation de la température ambiante ne se traduise pas par un abaissement de la fréquence d'oscillation, la distance -séparant l'axe de la pièce 2 à la face 9 du piston 10 devait demeurer invariable ; pour que la fréquence d'oscillation dweure effectivement stable, il faut même que cette distance diminue avec la température, mais cette partie complémentaire de compensation ne peut pas être évaluée à priori. Pour procéder à une première estimation, sur la base d'une longueur invariable de la cavité résonnante, de la longueur utile minimale de la douille 14 et lorsque le métal LL la tige 12 et du piston 10 est de la meme nature ou a le même coefficient de dilatation que le métal du corps 5, on peut tenir un raisonnement très simple en notant comme suit les longueurs ou distances partielles des différents éléments et les coefficients de dilatation correspondants - À : longueur efficace de la pièce 14 - coefficient de dilata tion > 1 - B : longueur efficace du piston 10 et de la tige 12 - coeffi eient de dilatation &alpha;2 - C : longueur ae corps 5 comprise entre le piston 10 et le support de diode 2 - coefficient de dilatation &alpha;2 - D : demi-longueur du support 2 - coefficient de dilatation 3. Lorsque l'on considère les longueurs énumérées ci-dessus, les dilatations correspondant d'une part à la longueur B du piston 10 et de la tige 12 et, d'autre part, à la longueur correspondante du corps 5, se compensent et la longueur (C+D) demeure contante lorsque l'on a h (a1 a2) = Caa + Da3 Dour compenser l'influence de la température sur les carac tér stiques de la diode auto-oscillatrice et sur le guide d'ondes 7, il faut dimensionner la douille 14 d'une manière telle que sa longueur efficace puisse entre ajustée à une valeur sensiblement plus grande que la valeur minimale définie ci-aessus. Il est bien évident que la pièce faite en un métal de même coefficient de dilatation, relativement bas, que le métal du corps 5 peut ttre la douille 14, et que les éléments à coefficient de dilatation élevé sont alors le piston 10 et la tige 12. En conservant les memes notations que précédemment pour les longueurs efficaces, a1 étant le coefficient de dilatation du métal des pièces 5 et 14, a2 étant le coefficient de dilatation des pièces 10 et 12 et a étant le coefficient de dilatation de la pièce 2, la longueur (C+D) est alors constante lorsque B (a2 - 1) = Va1 + D3 Dans un cas comme dans l'autre, la rotation de la douille 14, permet de faire varier dans un sens ou dans l'autre la longueur efficace définissant le dégré de compensatIon, longueur À dans un cas, longueur B dans l'autre cas, en conservant cons tante la longueur (A+B) :: pour une marne fréquence nominale d'os- cillation on peut ainsi ajuster le degré de compensation de l'os- cilla teur. Le métal du piston 10 peut être différent du métal de la tige 12, donc de coefficient de dilatation autre ; à cet instant, la loei,eur B est à décomposer ex; deux parties élémentaires, concernant respectivement le piston 10 et la tige 12, affectées chacune d'un coefficient de dilatation approprié. Selon une disposition counue, llépaisseur du du piston 10 peut etre proportionnemllement plus grande que celle représentée sur la figure jointe et la périphérie dudit piston peut autre profilée de façon à constituer un piège en quart d'onde vis-à-vis de ltoscil- la tion à hyperfréquence. Les surfaces externe et interne dr corps de cavité 5 et des pièces coopérant avec ledit corps peuvent autre noircies, au moins partiellament, de façon à faciliter l'établissement d'un bon équilibre de température entre les différents éléments des dispositifs oscillateurs selon l'invention. L'exemple représenté sur la figure unique jointe est relatif à une cavité résonnante à profil rectangulaire résonnant selon le mode TE01n ; la section du corps de la cavité résonnante peut être de forme circulaire et accompagnée d'un mode de vibration dans le volume résorlnant du type TEmllp ou TM mnp Une conséquence mécanique de l'utilisation d'une cavité et d'un piston de formes circulaires est l'adjonction d'éléments destinés à maintenir angulairement le piston 10 ; ces éléments peuvent être constitués, par exemple, par deux tiges cylindriques montées à l'arrière du piston 10, diamétralement opposées, venant pénétrer dans deux trous borgnes aménagés dans le fond 25 du corps 5, fond 25 dont on augmente l'épaisseur d'une valeur appropriée en vue de la mise en oeuvre de cette disposition. D'autres dispositions à la portée de l'homme de l'art peuvent également être utilisées sans sortir pour cela du cadre de l'in Invention. - REVENDICATIONS 1. - Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence dont lëlément actif est une diode auto-oscillatrice et dont l'élément passif est une cavité résonnante comportant un piston dont la position est déterminée par une tige de règlage de longueur ajustable disposée entre ledit piston et un élément fixe ou semi-fixe occupant une position transversale déterminée, caractérisés en ce que la tige de règlage de longueur utile ajustable est constituée de deux parties distinctes faites de matériaux ayant des coefficients de dilatation différents, dont les longueurs utiles partielles sont règlables dans le cadre d'une longueur utile totale donnée. 2.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisés en ce que les deux parties distinctes de la tige de règlage sont respectivement constituées par une tige comportant au moins un filetage extérieur de pas et de sens déterminés et par une douille comportant un filetage intérieur Qe memes pas, sens et diamètre que le filetage de la tige précitée, ainsi qu'un filetage extérieur de memes pas et sens que les filetages précités. 3.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon lten- semble des revendications 1 et 2, caractérisésen ce que la tige citée sous 2 comporte un second filetage extérieur situé dans la partie de la tige opposée au piston de règlage de la longueur de la cavité résonnante. 4.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que la cavité résonnante est de section polygonale. 5.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisés en ce que la cavité résous nantie est de section circulaire. 6.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3 et selon la revendication 5, caractérisés en ce que le piston circulaire déterminant la longueur utile de la cavité résonnante est muni de moyens lui assurant une sition angulaire invariable.