Brevet FR2213619A1 — publié le 19740802

L'invention se rapporte aux dispositifs à semiconducteur6 comportant plus d'un élément à l'état solide, celui-ci présentant une résistance différentielle négative . Un tel élément, comme par exemple la diode à effet GUNN ou la diode de READ à régimed'avalanche, peut être employée pour la génération et l1amplifica- tion des ondes électromagnétiques de très haute fréquence, de l'ordre de quelques gigahertz (bandes C et X notamment). Un élément à l'état solide ne d#épasse généralement pas 1 Watt de puissance utile. En effet l'échauffement est important particulièrement pour les diodes #t##, car le rendement est faible, généralement inférieur à 10$ Eg outre 11 échauffement produit une baisse du rendement. Cependant l'évacuation de la chaleur est rendue difficile par l'exiguité du dispositif semiconducteur proprement dit et par la mauvaise conductibilité thermique du matériau à partir duquel il est fabriqué. Lorsque l'on désire obtenir une puissance relativement importante (de plusieurs watts) on doit groups plusieurs éléments. Or ces groupements posent des problèmes-thermiques- encore plus difficiles, du fait que l'on doit rapprocher les éléments si l'on désire éviter la production d'oscillations parasites. En effet, la distance mutuelle des éléments doit être négligeable devant la longueur d'onde, ce qui, dans le cas de la propagation dans l'air des hyperfréquences;donne une distance de l'ordre du millimètre. La présente invention a pour otjet un système oscillateur ou amplificateur, formé par un groupement d'éléments à l'état solide, exempt de ces inconvénients. Il permet non seulement l'obtention d'une puissance totale importante mais encore des facilités de réglage de l'accord en fréquence et, en outre, la constitution d'amplificateurs bien adaptés à la transmission des fréquences sur une voie de télécommunications. Selon l'invention, 2n éléments soiat disposés autour#d'un "puits de chaleur" (pratiquement un cylindre de matériau bon conducteur thermique). les ondes de fréquence F engendrées par les sources sont transmises vers l'extérieur du puits de chaleur par des tronçons de lignes de transmission du type micro strip à substrat magnétique disposés comme les rayons d'une roue dont le puits de chaleur serait le moyeu. Ces tronçons se raccordent à une ligne périphérique où l'on recueille l'énergie hyper- fréquence".Des moyens d'alimentation en courant continu sont appliqués aux sources par-dzs tronçons de lignes de transmission, L'invention et ses avantages seront mieux-compris au moyen de la description qui suit et des dessins annexés parmi lesquels: La figure t est un schéma de principe d'un groupement d'éléments à l'étant solide conforme à l'invention La figure 2 représente, en coupe schématique, une réalisation particulière de l'invention les figures 3,4,5 et 6 sont des #ariantes mineures du principe de l'invention La figure 7 représente en perspective un dispositif non réciproque de type connu La figure 8 est un schéma de principe dfune variante de ltinvention utilisant le dispositif de la figure 7. La figure 9 est une coupe schématique d'une réalisation concrète de l'invention. On a r#eprésenté, figure 1, à titre d'exemple illustrant le principe de l'invention, dix diodes à effet GUIS, repérées D1 s D2 .... D10, soudées à un cylindre P bon conducteur de la chaleur , les diodes étant situées dans un m#me plan et régulièrement réparties autour de la paroi, du côté extérieur de celle-ci. On a adopté un mode dereprésentation unifilaire, en conséquence les lignes de transmission représentées par un simple trait possèdent, en réalité, deux conducteurs, l'un de ceux-ci pouvant d'ailleurs être la masse. De chaque diode Dn part une ligne radiale IR (n étant un entier variant de 1 à 10) n à l'origine de laquelle elle est branchée par ses deux pâles. Ces lignes radiales se raccordent en des points 1,2 , ... n ..10 (représentant chacun deux bornes de raccordement) à une ligne périphérique T1 de forme circulaire, bouclée sur elie-même. Ce système de lignes est destiné à être le siège d'ondes stationnaires de fréquence F , de l'ordre du gigahertz, cette fréquence étant susceptible d'être engendrée par les diodes à effet GUNN lorsqu'on leur applique une tension continue prédéterminée. On suppose d'abord ces diodes rigoureusement identiques. Dans le cas de la figure 1, on a dimensionné le système de lignes de telle sorte que chaque tronçon radial IR1, LR, .. IR10 soit de l'ordre d'une demi-longueur d'onde ( # ) pour une fré 2 quence F susceptible d'être engendrée par l'une des diodes GUXN alimentée sous une tension continue prédéterminéek Les points de raccordement 1, 2 ... 10 des tronçons radiaux à la ligne T1 sont placés à des intervalles égaux à une demi-longueur d'onde. Dans ces conditions, entre deux diodes consécutives existe un "chemin" électrique de 3 A/2. Entre deux diodes quelconques existe un chemin électrique qui est un nombre pair ou impair de A/2. Un mode possible d'oscillation des diodes, dans le schéma de la figure 1 est donc le suivant : toutes les diodes oscillent sur la fréquence de résonance de la ligne T1 . On observera que les diodes raccordées aux points 1, 3... -9 (impairs) sont en phase et que les diodes raccordées aux points 2,4.. 10 (pairs) sont également en phase entre elles mais- en opposition de phase par rapport aux diodes précédentes ou de rang "impair". L'alimentation sous tension continue, dans le cas de diodes identiques, est assurée par une paire de bornes A à travers une inductance de choc (non représentée) arrêtant la très haute fréquence. Cette inductance peut toutefois être supprimée dans le cas où le branchement est réalisé en un noeud de tension sur la ligne T1 2 en effet celle-ci est le siège d'un régime d'ondes stationnaires présentant des noeuds et des ventres de tension et d'intensité qui occupent des positions fixes. La sortie vers l'utilisation peut se faire très simplement par branchement direct sur les bornes 1 (sortie S) dans le cas où la résistance en courant continu de la charge d'utilisation est assez élevée pour ne pas gêner l'alimentation en courant continu des diodes à effet GUNN. Dans le cas contraire on utilisera - soit, par exemple, le type de sortie S2, représenté figure 3 avec condensateur de dé couplage 30 - soit encore le type de sortie Sg, représenté figure 4 * avec une ligne 40 couplée à la ligne périphérique T1 Quel que soit le mode de branchement de la sortie, on devra respecter la condition bien connue d'adaptation des impédances côté source et côté charge pour obtenir l'énergie maximale du côté utilisation.Cette condition peut entraîner par exemple l'utilisation de transformateurs d'adaptation de type "ligne quart d'onde" à impédance caractéristique différente de celle de la ligne à adapter. On en verra un exemple dans. une variante du système de lignes de l'invention. L'exemple représenté figure 1 présente un inconvénient. En effet le groupement de diodes est dirnensionné pour une fréquence F prédéterminée. Lorsqu'on s'écarte de cette fréquence, ce qui est possible en faisant varier la tension continue d'alimentationt le groupement de diodes fournit encore de lténergie hyperfréquence, mais avec-un rendement moindre en raison du fait que les tronçons de lignes ne sont plus accordés avec la nouvelle longueur d'onde. On a représenté figure 2 un mode de réalisation permettantd'éviter cet inconvénient. les différents tançons de ligne sont réalisés de la façon suivante. Un support 20 en forme de disque annulaire est disposé autour des-diodes D1 , D2 ... Dito. il est constitué par un matériau magnétique, par exemple un ferrite présentant de faibles pertes en hyperfréquences et dont la perméabilité est variable en fonction de la valeur d'un champ magnétique appliqué au matériau et suivant l'axe de l'ensemble. Ce champ est produit par une bobine B entourant 1V ensemble du dispositif et d'axe confondu avec l'axe. ZZ du puits P. Un tel matériau magnétique, pour les fréquences de quelques gigahertz est constitué par exemple par un ferrite du type grenat d'yttrium mono cristallin ou polycristallin, notamment en bande XX En bande C on emploiera par exemple un ferrite à structure spinelle de manganèse de magnésium et d'aluminium. Aux environs de 1 GHz on aura recours à des ferrites à structure grenat. Le tronçon de ligne LR3 représenté en coupe figure 2 est du type microstrip (substrat comportant un conducteur sur chaque face principale : dépot métallique constituant un plan de masse sur une face et sur la face opposée, ruban conducteur) ; en effet à ces fréquences, les matériaux magnétiques employés se comportent comme des diélectriques. Sur une face du disque 20, par exemple la-face inférieure, on a déposé une couche métallique 22, constituant le conducteur de masse des différents tronçons de ligne. Cette masse est reliée par une connexion à la borne inférieure de chaque diode, soit, pour ce qui peut être vu figure 2, par la connexion 24 à la diode D3 . Sur la face opposée du disque 20 on a déposé un ruban conducteur 21, relié par une connexion 23-à la borne supérieure de D Dans le mode de réalisation de la figure 2, le substrat en ferrite fournit un milieu de propagation aux ondes parcourant les lignes microstrip ; ceci est vrai même-en cas d'ondes stationnaires puisque l'on sait que celles-ci résultent de la combinaison une uneonde progressive et d'une onde se propageant en sens inverse.Or, la vitesse de propagation, et par suite la longueur d'onde est liée aux constantes fondamentales du milieu transmissif, notamment à la perméabilité magnétique. On met à profit cette dépendance, dans le cas de la figure 2, pour ajuster la longueur d'onde et par conséquent la fréquence de résonance F en agissant sur le champ magnétique, grâce à la bobine 3, dont l"excîtation est réglable, à l'aide d'un système non représenté. Une disparité des diodes D1, D2, ... #i# pourrait donner lieu à une difficulté, dans le cas où celles-ci devraient être alimentées dans des conditions différentes pour osciîîerà la fréquence F. On tournera cette difficulté en adoptant le système représenté figure 5. La borne A d'alimentation est remplacée par un anneau conducteur 50 de grosse section, donc de faible résistance ohmique, une seconde borne, non représentée étant constituée par la masse. les lignes radiales BR1, IR2 .. etc. ne sont plus connectées à la ligne T1 mais couplees à celle-ci par des tronçons 511, 521 ... et raccordées à l'anneau 50 par des résistances 512, 522 etc. de valeurs adaptées aux piffé rentes diodes. Dans la configuration géométrique de la figure 1, on remarque que les tronçons radiaux doivent obligatoirement mesurer la meme longueur que les arcs de cercle 1-2 , 2-3 etc #'On peut s'affranchir de cette condition en adoptant des tronçons non circulaires. On a représenté fi#gure 6 une solution comportant 16 diodes, des tronçons 610, 620 etc. plus longs que les arcs de cercle qui joindraient normalement les extrémités des lignes radiales et, en outre, des lignes radiales 611, 612, etc. mesurant chacune un quart de longueur d'onde. Cette variante donne de la souplesse. En outre, elle permet d'adapter des diodes d'impédance. z5 à une charge d'utilisation.d'lmpédance Zu en utilisant des lignes "quart d'onde" d'impédance caractéristique ZO . On sait que l'on doit avoir, selon la formule des transformateurs quart d'onde Dans la structure des figures 1 à 6, la ligne T1 est le siège d'ondes stationnaires. il est intéressant de modifier cette structure pour disposer d'une ligne qui soit le siège d'ondes progressives. il est nécessaire pour cela de couper cette ligne et de la boucler sur des impédances d'entrée et de sortie égales à son impédance caractéristique. Mais il faut, en outre, favoriser les ondes se propageant par exemple dans le sens dextrogyre et amortir les ondes se propageant en sens inverse. Or, on sait obtenir de tels effets directifs en utilisant des dispositifs à matériau gyromagnétique, appelés "dispositifs non réciproques" et dans certaines applications (guides) " isolateurs à déplacement de champ On a représenté, figure 7, un dispositif non réciproque de type connu dans lequel on retrouve; les éléments de la ligne microstrip, à savoir - un substrat 70, dont on n'a représenté qu'un tronçon - un plan de masse 72 - un ruban conducteur 71 qui ici. présente la particularité d'être élargi sur une longueur t . En outre, sur la partie élargie du ruban 71, on a collé une lamo d'absorbant 73. il s'agit d'un corps conducteur de résistivité convenable. On obtient une bonne absorption avec le carton graphité ou l'alliage nickel-chrome. le fonctionnement du dispositif est le suivant. On applique un champ magnétique H perpendiculairement aux faces métallisées du substrat 70 . On montre par la théorie des modesde propagation en milieu gyromagnétique plongé dans un champ magnétique, que la répartition du champ électrique n'est pas symétrique dans le substrat de la ligne microstrip et que cette répartition change avec le sens de propagation des ondes. l'expérience confirme qu'une onde de haute fréquence (par exemple 4 à 13 GHz pour une ligne microstrip - à grenat d'yttrium) est affaiblie ou non suivant son sens de propagation lorsqu'il existe un champ magnétique de sens prédéterminé, de direction H (voir figure 7) de l'ordre de 1000 à 2000 oersteds.Cet affaiblissement peut atteindre 15 à 20 décibels. le champ H peut être créé soit par des aimants permanents soit par un électro-aimrnt. le dispositif de la figure 7 peut être utilisé dans le système à 10 diodes de la figure 1 de la façon suivante (figure 8) qui constitue une variante importante de l'invention: On supprime la diode D10 , la ligne BR10 et la portion de ligne périphérique entre les points 1 et 9 qui deviennent les entrées/sorties du système. À cet effet, on devra brancher en chacun de ces points une impédance ou une ligne de transmission adaptée c'est à dire que l'on doit trouver en ces points une impédance égale à l'impédance caractéristique de la ligne périphérique. Dans la pratique on sait construire des lignes microstrip qui, dans le domaine de fréquences envisagé, ont une impédance d'environ 50 ohms.Dans la réalisation dont le schéma de principe est donné figure 8 on utilise les éléments constitutifs du dispositif de la- figure 2, notamment le disque de ferrite 20, servant de substrat à la ligne micr & trip et la bobine B destinée à pro- duirè un champ magnétique réglable. Enfin dans le cas de la figure 8 chacune des portions restantes de la ligne périphérique est remplacée par un dispositif analogue à celui de la figure 7. En cohséquence, selon le sens du champ magnétique H produit par la bobine B (non représentée figure 8) les ondes se propageant dans un sens sont affaiblies ce qui favorise l'établissement d'un régime d'ondes progressives, allant par exemple du point 1 (E) devenant l'entrée du système, au point 9 (S) qui devient la sortie du système. L'intérêt principal de la variante de la figure 8 réside dans son utilisation possible comme amplificateur d'ondes "hyperfréquence". Dans ce cas, les diodes D1 à D9 étant alimentées à une tension continue de l'ordre de celle qui est nécs- saire pour les faire osciller à la fréquence F à amplifier, le source d'ondes à la fréquence F est branchée à l'entrée 1 (E) et, si lu champ magnétique H est appliqué dans le sens convena ble, l'onde se propagera da 1 (E) vers 9 (S).Sur le# parcours, on trouve les résistances négatives des diodes GUNN et il en résulte un accroissement par paliers de l'énergie haute fréquence, lorsqu'on se déplace sur la ligne périphérique en allant de E vers S. La gamme des fréquences F capables d'être amplifiées par le dispositif de la figure 8 est limitée d'une part par le domaine d'efficacité du dispositif de la figure 7 et d'autre part par les longueurs d'onde extrêmes que l'on peut obtenir par l'action du champ magnétique sur la perméabilité du ferrite. il est évident que c'est cette dernière cause de limitation qui interviendra dans la pratique, car on sait que le domaine d'effet cacité du dispositif de la figure 7 est très large, par exemple de 4 à 12 SHz. On a représenté , figure 9, un empilage de structures conformes à l'invention, structures représentées en coupe comme en figure 2. Dans le cas de la figure 9, les structures construites sur les disques de ferrite 20, 30,- 60 sont soudées à des anneaux P2 à Pg, eux-mêmes soudés entre eux et formant ensemble un cylindre analogue au puits de chaleur P de la figure 2. Mais ici on a-ajouté un dispositif de refroidissement comportant une arrivée centrale 90 pour un liquide de refroidissement et un retour périphérique 91 dont la paroi externe est constituée par les anneaux P1 à P6 . Une pièce d'extrémité 92 arrête la circulation du c8té opposé aux tubulures 90 et 91. l'ensemble est placé au centre d'un boîtier 100 comportant un disque 102 supportant à sa périphérie une bobine B dtexcitation du champ magnétique et un couvercle 101 au centre duquel s'insère la pièce 92 du dispositif de refroidissement. L'invention est applicable aux appareils nécessitant une puissance "hyperfréquence" de l'ordre de quelques watts à quels ques dizaines de watts. Elle s'applique en particulier aux oscillateurs et amplificateurs pour installations de eâbles her#tziens ainsi qu'aux radars DOPPLBR utilisant des sources de fréquence à l'état solide. REVENDICATIONS 1. Dispositif oscillateur et amplificateur à l'état solide comportant une pluralité d'éléments semiconducteurs possèdant cha cun au moins une première et une seconde électrodes, et des moyens d'alimentation connectés en parallèle sur lesdites premières électrodes pour leur donner un potentiel prédéterminé par #rapport aux secondes électrodes, caractérisé en ce que lesdites premières électrodes sont connectées à une même ligne de transmission par l'intermédiaire de tronçons de raccordement, les points de raccordement successifs desdits tronçons à ladite ligne étant régulièrement espacés d'une même distance, des moyens magnétiques étant prévus pour faire varier la longueur électrique desdits tronçons et de ladite distance, de façon à obtenir, pour un potentiel prédéterminé, l'accord du circuit formé par ladite ligne et lesdits tronçons sur la fréquence désirée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu de propagation de ladite ligne et desdits tronçons est un matériau magnétique, des moyens de création d'un champ magnétique variable permettant de faire varier la perméabilité magnétique dudit matériau. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission et lesdits tronçons comportent un plan de masse relié auxdites secondes électrodes, un substrat constitué par ledit matériau magnétique contre lequel est appliqué ledit plan de masse et des rubans conducteurs déposés sur ledit substrat du côté opposé audit plan de masse et reliés éleetriquement auxdites premières électrodes, des moyens d'évacuation calorifiques étant reliés thermiquement auxdits éléments semiconducteurs. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat constitue un disque percé en son centre pour permettre le logement desdits éléments semiconducteurs et desdits moyens d'évacuation calorifiques. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les portions de lignes de transmission situées entre deux points de raccordement desdits tronçons sont munies de dispositifs non réciproques permettant d'affaiblir les ondes dans un sens de transmissinon 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce quelesdits éléments semiconducteurs sont des diodes à effet GUy. 7. Dispositif selon la revendication 1#, caractérisé en ce que lesdits éléments semiconducteurs sont des diodes à avalanche. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation comportent des moyens d'ajustement du potentiel sur chaque élément semiconducteur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ajustement sont constitués par des résistances. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tronçons mesurent une longueur électrique de l'ordre de la demi-longueùr d'onde. 11. Dispositif selon la revendication i,. caractérisé en ce que lesdits tronçons mesurent une longueur électrique de ltordre du quart de la longueur d'onde. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission est fermée sur elle-meme et mesure un nombre entier de longueurs d'onde. 13. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite ligne de transmission est adaptée à ses deux e-xtrémités par raccordement avec une impédance égale à son impédance caractér;#s- tique à la fréquence désirée. 14. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit dispositif non réciproque comporte une portion de ligne microstrip dont le ruban porte sur un bord une certaine quantité d'absorbant et, en outre,- des moyens créant un champ magnétique distincts ou non des moyens prévus pour faire varier la longueur électrique des tr#onçons. 15. Appareil comportant une pluralité de dispositifs oscillateurs ou amplificateurs selon la revendication 1, caractérisé an ce qu'il comporte en outre un dispositif commun de refroidissement. 16. Système de cables hertziens caractérisé en ce qu 'il comporte un dispositif selon la revendication 1. 17. Système de RADAR caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon la revendication 1