Brevet FR2259451A1 — publié le 19750822

La présente invention concerne des dispositifs oscillateurs à hyperfréquence mettant en oeuvre - une cavité résonnante dont la forme interne est, en principal, celle d'un cylindre plat fermé dont la hauteur est sensiblement inférieure au diamètre, - au moins un dispositif semiconducteur auto-oscillateur pourvu de deux éléments de connexion, et appelé généralement diode de ce fait, - un moyen capacitif d'ajustage de la fréquence dtoscillation cons titué par une diode semiconductrice à effet de capacité variable du genre de celles qui sont connues sous l'appellation commerciale VARIGAP" ou VARACTOR, par exemple, et comportant par ailleurs des moyens de prélèvement du signal à hyperfréquence résultant de l'oscillation ainsi, qu'éventuellement, des moyens mécaniques d'ajustage de la fréquence de l'oscillateur pouvant conjuguer leur action avec celle de la diode semiconductrice à effet de capacité variable. On connait déjà, par exemple par le brevet français 2 038 491, des oscillateurs à hyperfréquence mettant en oeuvre une cavité résonnante, fermée ou ouverte, en forme de cylindre plat et un assez grand nombre de diodes semiconductrices auto-oscillatrices disposées dans la cavité précitée et réparties régulièrement selon au moins une circonférence dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre intérieur de la cavité résonnante. Dans le cas du brevet cité, cette disposition a notamment pour but de permettre la mise en oeuvre d'un grand-nombre de diodes semiconductrices autooscillatrices, fonctionnant en parallèle, dans une cavité donnée et de réaliser ainsi un oscillateur de puissance très compact. Une telle disposition est intéressante dans le cas d'un dispositif de puissance fonctionnant à une fréquence fixe ajustée mécaniquement à la valeur désirée, mais elle ne fournit pas un signal ayant une pureté spectrale élevée et ne se prete pas à un fonctionnement à fréquence variable ou règlable électroniquement. Par ailleurs on a constaté que, dans des oscillateurs utilisant une cavité résonnante constituée par un tronçon de guide d'ondes rectangulaire, résonnant par exemple selon le mode -TE011, le coefficient de surtension de la cavité en présence de la diode auto-oscillatrice est peu élevé, qu'il y a facilement naissance de modes d'oscillation parasites et que le dosage précis du degré de couplage de la diode semiconductrice auto-oscillatrice (des diodes semiconductrices auto-oscillatrices) avec la cavité résonnante était d'un ajustage malaisé. L'invention a pour but, entre autres, de remédier à ces inconvénients et de permettre la réalisation d'oscillateurs de faible puissance dont la fréquence peut être réglée électroniquement et dont le signal est d'une bonne pureté spectrale. L'invention est basée sur la considération que les qualités intrinsèques d'acuité de résonance d'une cavité cylindrique en forme de cylindre plat, apte à résonner selon le mode Tao10 (Eo10) à l'exclusion des autres modes, doivent être d'autant mieux conservées que les éléments semiconducteurs actifs et passifs à relativement basse impédance associés à la cavité sont disposés de manière à ne pas perturber notablement ni l'architecture de la cavité, ni une certaine forme d'équilibre des constantes réparties de la cavité utilisée. Selon l'invention les dispositifs oscillateurs à hyperfréquence décrits dans le préambule sont notamment remarquables en ce que des encoches.d'insertion de la diode semiconductrice auto-oscillatrice (des diodes semiconductrices auto-oscillatrices) et de la diode semiconductrice å effet de capacité variable, encoches dont l'axe longitudinal est parallèle à l'axe longitudinal de la cavité résonnante, sont ménagées dans la paroi latérale interne du cylin dry plat définissant en principal la forme d'ensemble de la cavité résonnante, les axes longitudinaux des différentes diodes mises en oeuvre, ainsi que de leurs pièces de maintien et de raccordement électrique, étant parallèles à l'axe longitudinal du cylindre inscrit dans la cavité résonnante et la distance de l'axe de chaque diode semiconductrice à l'axe longitudinal de la cavité n'étant pas très différente du rayon du cylindre inscrit précité. Les diodes semiconductrices auto-oscillatrices sont des diodes présentant, pour des raisons diverses spécifiques à chaque famille de ces diodes, une caractéristique à résistance négative pour un point de fonctionnement convenablement choisi et qui sont aptes à coopérer, en tant qu'éléments actifs, avec des circuits dont la fréquence de résonance est située dans la gamme des hyperfréquences. Parmi les diodes semiconductrices auto-oscillatrices on peut notamment citer les diodes dites "à effet Gunn" et les diodes à avalanche qui comportent elles-mômes plusieurs variantes de structure et de modes de-fonctionnement, parmi lesquels on peut citer les diodes fonctionnant en avalanche par impact et à temps de transit (diodes IMPATT et mode IMPATT) et les diodes à avalanche-à plas piegé /.et a transit declenche (mode TRAPATT). La structure et le mode de fonctionnement des dispositifs# os- oscillateurs à hyperfréquence selon l'invention ne sont pas liés à l'utilisation d'un genre particulier de diodes semiconductrices auto-oscillatrices. Par rapport au volume "principal" de la cavité résonnante mise en oeuvre dans les dispositifs selon l'invention les diodes semiconductrices utilisées, qu'elles soient semiconductrices ou à effet de capacité variable, occupent des positions que l'on peut qualifier de "marginales" et apportent ainsi des perturbations minimales au mécanisme de résonance de ladite cavité. Le degré de couplage des diodes auto-oscillatrices avec la cavité résonnante est déterminé d'une façon dominante par la position radiale des diodes auto-oscillatrices et, à un degré moindre, par le profil des encoches d'insertion ménagées dans la paroi interne de la cavité. Il est généralement avantageux que le profil des encoches soit constitué par une surface cylindrique dont l'axe coïncide sensiblement avec l'axe de la diode semiconductrice qui y est insérée, axe commun à la diode semiconductrice elle-m#me et à ses pièces de maintien et d'alimentation. Les cavités cylindriques utilisées sont dimensionnées de façon à résonner selon le mode TMo1o - (Eoîo) dans de bonnes conditions de pureté, ce qui impose que-le rapport 2R/h soit notablement plus grand que la valeur limite 0,9675 pour éviter la résonance selon le mode TE111 - (H111). On a notamment obtenu de bons résultats avec une valeur du rapport 2R/h égale à environ 2, R étant le rayon du cylindre déjà cité et h la hauteurvinterne de la cavité. On pense que le mécanisme du couplage entre les diodes semiconductrices auto-oscillatrices et la cavité résonnante est dû, pour ce mode d'oscillation, à l'interaction entre le champ magnétique transversal de l'onde TMQ1o dont les lignes de force sont circulaires et horizontales et le champ magnétique à hyperfréquence résultant du passage, dans chaque "pilier" comportant une diode auto-oscillatrice, d'une composante de courant alternatif à hyper fréquence, les lignes de force de ce champ magnétique étant également circulaires et horizontales, mais l'invention ne repose pas sur cette explication qui ne constitue qu'une hypothèse de travail. On sait par ailleurs que la fréquence propre de résonance d'une cavité cylindrique plate résonnant selon le mode TMn1n est donnée par la formule simplifiée dans laquelle a1 est la première racine, égale à 2,4048, de la fonction de Bessel Jga = 0 C est la vitesse d'une onde électromagnétique dans le milieu emplissant la cavité, l'air par exemple, R le rayon de la cavité. La formule ci-dessus permet de prévoir avec une approximation suffisante le diamètre à donner à l'alésage principal de la cavité en fonction de la fréquence maximale demandée à l'oscillateur. Lorsque deux diodes semiconductrices auto-oscillatrices sont mises en oeuvre, la modification des conditions d'alimentation d'une de ces diodes seulement suffit pour assurer l'arret et le redémarrage de l'oscillation à hyperfréquence avec une dérive minimale de la fréquence de l'oscillation générée. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de bien comprendre ce qutest l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est une vue en élévation et en coupe partielle, selon la ligne de coupe I-I de la figure 2, d'un exemple de réalisation d'un dispositif oscillateur à hyperfréquence selon l'invention. La figure 2 est une vue par dessus et en coupe selon la ligne de coupe Il-Il de la figure 1, du dispositif représenté sur la figure 1. La figure 3 est une vue en élévation et en coupe partielle, selon la ligne de coupe III-III de la figure 4, d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif oscillateur à hyperfréquence selon l'invention. La figure 4 est une vue par dessus et en coupe selon la ligne de coupe IV de la figure 3, du dispositif représenté sur la figure 3. La figure 5 est une vue en élévation et en coupe, selon la lign#e de coupe V-V de la figure 6 d'un autre exemple de réali- sation d'un dispositif oscillateur selon l'invention, destiné à être couplé avec un guide d'ondes rectangulaire. La figure 6 est une vue par dessus et en coupe, selon la ligne de coupe VI-VI de la figure 5, du dispositif représenté sur la figure 5. Le dispositif oscillateur à hyperfréquence représenté sur les figures 1 et 2 met en oeuvre une diode semiconductrice auto-os cîllatrice 11 et une diode semiconductrice à effet de capacité variable 12. Les diodes ll et 12 sont disposées à l'intérieur d'une cavité résonnante 13 résultant de l'assemblage d'une pla tine inférieure 14 et d'un corps de cavité 15 qui sont en contact électrique étroit au niveau du pourtour de la cavité 13. Les mo yens d'assemblage des pièces 14 et 15, constitués par exemple par des trous taraudés aménagés dans le corps de cavité 15 et par des vis coopérant avec ces trous taraudés, n'ont pas été repré sentés.Un piston métallique 16 dont la position peut être ajus tée avec précision est en contact avec la masse du corps 15 et fait légèrement saillie dans la cavité 13 ; le piston 16 cons titue un moyen mécanique d'ajustage de la fréquence de résonance de la cavité 13. Les moyens de prélèvement du signal à hyperfré quence sont constitués par une petite tige conductrice 17 suppor tée par une bague isolante 18 ; la tige 17 est disposée selon l'axe longitudinal de la cavité 13 et la partie supérieure de ladite tige pénètre dans ladite cavité sur une faible partie de sa longueur. La diode semiconductrice auto-oscillatrice 11 est maintenue mécaniquement et alimentée électriquement de façon connue selon un mode de montage dit "en pilier" dont la diode est l'élément médian : la diode lu est immobilisée entre un support métallique isolé 19 et un piston 22 qui est à la masse de la cavité. Le sup port 19 est maintenu par une bague isolante 20 dans la pla tine 14 sur laquelle il repose par l'intermédiaire d'une mince rondelle de mica et il est prolongé vers l'extérieur par une tige de connexion 21. La tension d'alimentation de la diode 11 est appliquée entre la masse de la cavité et la tige de connexion 21. La diode à effet de capacité variable 12 est montée dans la cavité 13 d'une manière pratiquement identique à celle de la diode auto-socillatrice 11 entre un support métallique isolé 23 et un piston 24 qui est à la masse de la cavité. Le support métallique isolé 23 est prolongé vers l'extérieur par une tige de connexion 25. La tension de polarisation de la diode 12 est appliquée entre la masse de la cavité et la tige de connexion 25. La figure 2 permet de se rendre bien compte de la disposition des diodes 11 et 12 dans la cavité 13 : la partie dominante de la structure de la cavité 13 est déterminée par les arcs de cercle 26 dont le centre détermine la position de l'axe longitudinal de ladite cavité. La diode autoroscillatrice 11 et ses pièces de maintien sont disposées selon l'axe d'une encoche 27 qui est sensiblement semi-cylindrique. La diode semiconductrice à effet de capacité variable 12 et ses pièces de maintien sont disposées selon l'axe d'une encoche 28 qui est également sensiblement semicylindrique. Les deux encoches 27 et 28 sont situées, pour des raisons de symétrie, aux extrémités d'un même diamètre dans la cavité 13. Le dispositif oscillateur à hyperfréquence représenté sur les figures 3 et 4 met en oeuvre deux diodes semiconductrices autooscillatrices 31 et 32 et une diode semiconductrice à effet de capacité variable 33, disposées à l'intérieur d'une cavité résonnante 34 résultant de l'assemblage d'une platine inférieure 35 et d'un corps de cavité 36. La cavité résonnante 34 est munie d'un piston d'accord mécanique 37 et d'un moyen de prélèvement du signal à. hyperfréquence constitué par la tige centrale isolée 38 faisant légèrement saillie à l'intérieur de la cavité 34. Ainsi que pour le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 les moyens d'assemblage des pièces 35 et 36 n'ont pas été représentés sur les figures 3 et 4. Les diodes semiconductrices 31, 32 et 33 sont respectivement disposées dans des encoches 39, 40 et 41 réparties régulièrement à 120 degrés l'une de l'autre à la périphérie interne de la cavité 34. Les encoches 39, 40 et 41 sont sensiblement semi-cylindriques et la distance séparant le centre de chaque encoche de l'axe longitudinal de la cavité 34 n'est pas- très différente de la longueur du rayon des arcs de cercle 42 déterminant la partie dominante de la structure de la cavité 34. Les pièces de maintien et d'alimen tation des trois diodes semiconductrices mises en oeuvre sont identiques à celles utilisées dans le dispositif représenté sur les figures I et 2. Le dispositif oscillateur à hyperfréquence représenté sur les figures 5 et 6 met en oeuvre une diode semiconductrice auto-oscillatrice 51 et une diode semiconductrice à effet de capacité vaviable 52, disposées à l'intérieur d'une cavité résonnante 53 résultant de l'assemblage d'un corps de cavité 54 et d'une plaque de fermeture 55. Ainsi que pour les dispositifs déjà décrits, les moyens d'assemblage des pièces 54 et 55 n'ont pas été représentés sur les figures 5 et 6. Le corps de cavité 54 est muni d'une partie débordante 56 constituée par une bride destinée à permettre l'assemblage du dispositif décrit avec un guide d'ondes rectangulaire pourvu d'une bride de caractéristiques identiques. Dans l'exemple représenté une amorce de guide d'ondes rectangulaire 57 est usinée dans une partie de l'épaiâseur de la bride 56 et le couplage entre la cavité cylindrique 53 et l'amorce de guide d'ondes rectangulaire 57 est procuré par un iris circulaire 58 aménagé dans une partie amincie appropriée de la. paroi de la cavité 53. Le dispositif représenté sur les figures 5 et 6 n'est pas muni d'un dispositif mécanique d'ajustage de la fréquence de ré sonance de la cavité 53, mais peut être modifié de façon à comporter un piston tel que le piston 16 visible sur la figure 1. Les diodes semiconductrices 51 et 52 sont montées dans la cavité 53 d'une manière identique à celle montrée sur la figure 1 pour les diodes semiconductrices 11 et 12. Les diodes semiconductrices 51 et 52 sont respectivement disposées dans deux encoches 59 et 60 disposées, pour des raisons de symétrie, à 120 degrés de part et d'autre de l'axe de l'iris 58. Les encoches 59 et 60 sont sensiblement semi-cylindriques et la distance entre ltaxe de chacune de ces encoches et l'axe lon gitudinal de la cavité 53 n'est pas très différente de la longueur du rayon des arcs de cercle 61 déterminant la partie dominante de la structure de la cavité 53 Les pièces-de maintien d'alimentation des deux diodes semicon ductrices utilisées sont identiques à celles utilisées dans le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 (montage dit "en pilier") Les pièces métalliques des dispositifs représentés sur les dessins joints sont avantageusement revêtues par électrolyse d'une pellicule d'or, au moins dans les parties intéressées par la circulation et le passage de courants à hyperfréquence. - REVENDICAtIONS 1.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence mettant en oeuvre: -une cavité résonnante dont la forme interne est, en principal, celle d'un cylindre plat fermé dont la hauteur est sensiblement inférieure au diamètre, - au moins un dispositif semiconducteur auto-oscillateur pourvu de deux éléments de connexion, et appelé généralement "diode de ce fait, -un moyen capacitif d'ajustage de la fréquence d'oscillation cons titué par une diode semiconductrice à effet de capacité variable du genre de celles qui sont connues sous 1 tappellation commerciale ttyARICAP n ou TPARACTOR, par exemple, et comportant par ailleurs des moyens de prélèvement du signal à hyperfréquence résultant de l'oscillation ainsi, qu'éventuellement, des moyens mécaniques d'ajustage de la fréquence de l'oscillateur pouvant conjuguer leur action avec celle de la diode semiconductrice à effet de capacité variable, caractérisés en ce que des encoches d'insertion de la diode semiconductrice auto--oscillatrice (des diodes sem#iconduc- trices auto-oscillatrices) et de la diode semiconductrice à effet de capacité variable, encoches dont l'axe longitudinal est parallèle à 11 axe longitudinal de la cavité résonnante, sont ménagées dans la paroi latérale interne du cylindre plat définissant en principal la forme d'ensemble de la cavité résonnante, les axes longitudinaux des différentes diodes mises en Oeuvre, ainsi que leurs pièces de maintien et de raccordement électrique, étant parallèles à l'axe longitudinal du cylindre inscrit dans la cavité résonnante et la distance de l'axe de chaque diode semiconductrice à l'axe longitudinal de la cavité n'étant pas très différente du rayon du eylindre inserit précité. 2.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisés en ce que les encoches d'insertion des diodes sont des encoches dont la surface interne est une portion de cylindre. 3.- Dispositifs oscillateurs à hyperfréquence selon l'ensemble des revendicati-ons- 1 et 2, caractérisés en ce que l'axe de la portion de cylindre constituant la surface interne d'une au moins des encoches est sensiblement confondu avec l'axe de la diode semiconductrice qui y est insérée et du "pilier" dont ladite diode semiconductrice constitue l'élément médian.