Brevet FR2299763A1 — publié le 19760827

L'invention concerne des amplificateurs de puissance pour hyperfréquences. Dans les émetteurs de systèmes radar, il est souvent préférable d'utiliser un oscillateur stable de faible puissance suivi d'une chaine d'amplificateurs de puissance, à un tube oscillateur de puissance seul. Cette solution apporte une plus grande stabilité de la fréquence émise ; elle permet surtout d'obtenir une émission cohérente avec tous les avantages qui en découlent. Une caractéristique essentielle demandée à ces amplificateurs est une importante largeur de bande de fonctionnement ou bande dc f,ynChrO- nisation pour éviter les interférences entre plusieurs radars opérant dans le même voisinage et pour obtenir un certain degré d'immunité aux contre-mesures. La largeur de bande ne doit pas être obtenue par des réglages en cours d'exploitation. Une autre caractéristique importante est un gain élevé, svec une grande puissance de sortie. Un but de llinventionest la réalisation d'un {-lmplificateur présentant les caractéristiques précitées Suivant une caractéristique de l'invention, l?amplificateur de puissance comporte une cavité résonnante coaxiale dans laquellc est disposée un élément semi-conducteur à résistance négative. une ligne de transmission destinée à recevoir le signal à amplifier et à délivrer le signal amplifié, des moyens de couplage entre la cavité et la ligne de transmission, et des moyens de polarisation de l'e'lé- ment semi-conducteur ; les moyens de couplage comportent une self dont la valeur est telle que toute oscillation libre dans la cavité est impossible et une vis métallique placée à un quart de longueur d'onde de ladite self dans la ligne de transmission. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures qui représentent - la figure 1, un exemple d'amplificateur en structure coaxiale ; - la figure 2, un graphique donnant la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée suivant diverses valeurs de couplage - la figure 3, une version perfectionnée de l'amplificateur, et - la figure 4, un exemple d'application de l'invention à un radar-Doppler. La figure 1 représente, à titre d'exemple, un amplificateur suivant l'invention opérant en bande J, en structure coaxiale, et représenté en coupe longitudinale. La structure de l'amplificateur est similaire à celle d'un oscillateur à cavité. La cavité cylindrique 1 est taillée dans un bloc métallique 2 qui est refermé à ses extrémités par des pièces terminales 3 et 4 qui supportent les prises de raccordement 5 et 6 aux circuits exterieurs. La prise 5 est la prise coaxiale d'entrée et sortie des signaux hyperfréquence. La prise 6 est la prise d'alimentation en courant continu destiné à la polarisation de l'élément actif semiconducteur 7. L'élément semi-conducteur 7 est de préférence une diode du type GUNN. Pour obtenir une largeur de bande de fonctionnement suffisante, l'amplificateur doit présenter un très faible coefficient de surtension. tes diodes GUNN ayant des impédances également faibles, la structure résonnante coaxiale est la plus-appropriée. La diode 7 est disposée dans l'axe de la cavité, à une extrémité de celle-ci, coincée entre le dispositif d'alimentation électrique 8 et l'extrémité 9 du conducteur interne 10 de la ligne de transmission de sortie. te conducteur externe de la ligne de transmission est formé par la pièce métallique terminale 3, et se prolonge jusqu'à la prise de raccordement 5. La cavité 1 est couplée à la ligne de transmission par une self 11 qui relie les conducteurs 10 et 3 et permet le retour du courant de polarisation de la diode par l'intermédiaire du bloc métallique 2. La longueur et l'impédance caractéristique de la cavité sont réduites au maximum pour diminuer la valeur du coefficient de surtension. La longueur de la cavité est sensiblement égale à X/2, > étant la longueur d'onde moyenne de fonctionnement, et son impédance caractéristique est de 25 Q . te dispositif d'alimentation 8 est constitué de façon à ramener dans le plan n a n un court-circuit à la fréquence de fonctionnement. Une ligne radiale 13 est disposée perpendiculairement au conducteur 14 à une distance égale à /4 du plan n a" et forme un piège. La prise coaxiale 6 sert à polariser l'élément actif, le signal d'alimentation pouvant être uné impulsion ou une tension continue. Le signal d'alimentation est transmis par le conducteur 14 à la cathode de la diode GUNS 7. te courant qui traverse la diode revient à la prise 6 par l'intermédiaire du conducteur 10, laself 11 et le bloc métallique 2. Un diélectrique 15 bon-conducteur thermique est disposé dans la ligne radio s 13 dans le but d'assurer un transfert thermique effi- cace entre l'élément actif et la masse du dispositif. Le diélectrique est, par exemple, de l'oxyde de béryllium. L'isolement électrique entre le conducteur 14 et le corps 2 est assuré par un diélectrique 16 qui est du polytétrafluoréthylène, par exemple. Une vis diélectrique, à effet capacitif, sert à modifier la longueur électrique de la cavité et permet le réglage de la fréquence centrale de fonctionnement. Une vis métallique 19, placée dans la ligne de transmission d'entrée et sortie, à A /4 de la self 11 permet l'ajustement du couplage entre la cavité 1 et la ligne de transmission. La vis 19 permet le réglage manuel et progressif de la puissance de sortie, le couplage nominal préalable étant fait par la détermination de valeur de la self 11. La self 11 est constituée par des rayons métalliques reliant électriquement le conducteur 10 et le corps 2. La valeur de celle-ci dépend du nombre de rayons ainsi que du rapport largeur/longueur de chacun d'eux. te fonctionnement de l'amplificateur se rapproche de celui d'un oscillateur. Avec un couplage inférieur ou égal à la valeur optimale (valeur permettant d'obtenir la puissance maximale de 1' oscillateur) la cavité entretiendrait une oscillation permanente. Un signal pilote appliqué à la prise 5 effectuerait la mise en phase de l'oscillation produite. La bande de synchronisation du signal pilote serait maxi- male au couplage optimal mais resterait cependant trop faible. La bande de synchronisation est d'autant plus grande que le coefficient de surtension de la cavité est petit. Dans l'amplificateur suivant l'invention, le coefficient de surtension est rendu plus faible que celui de l'oscillateur accordé, soit de tordre de 20 par exemple pour obtenir une bande de synchronisation de 200 mégahertz autour d'une fréquence centrale de 15 gigahertzs, pour une puissance de sortie de 5 watts. Le coefficient de couplage est trop grand pour qu'une oscillation puisse s'entretenir, mais un effet amplificateur se produit. Le signal de sortie reproduit le signal d'entrée avec un gain en puissance de l'ordre de 10. La cavité 1 est surcouplée et n'oscille pas tant que le signal d'entrée n'a pas atteint un niveau suffisant. Le couplage est effectué principalement par la self 11. Celle-ci est donc déterminée pour que le couplage soit plus grand que celui qui serait nécessaire pour réaliser un oscillateur. 1l ne doit toutefois pas être trop grand ce qui entrainerait une diminution du gain de l'amplificateur. La figure 2 est un graphique représentant, en ordonnée, la puissance de sortie PS en fonction de la puissance d 'entrée PE. La ligne A correspond à un dispositif dont la cavité est couplée à l'optimum et qui fonctionne donc en oscillateur. La puissance de sortie PS est alors maximale, quelle que soit la puissance d'entrée. Par contre, la bande de synchronisation est très étroite. La courbe B correspond à un dispositif dont la ligne de sortie est fortement surcouplé à la cavité et qui fonctionne donc en amplificateur mais à faible gain et avec une bande de synchronisation large. ta courbe C correspond à l'amplificateur suivant l'invention. Le gain est grand et la puissance de sortie délivrée est proche de la puissance maximale d'un dispositif oscillateur. De plus la bande de synchronisation n'est que légèrement plus petite que celle d'un amplificateur selon le mode B. La figure 3 représente une version perfectionnée de l'amplificateur suivant l'invention. tes éléments principaux représentés à la figure 1 n'ont pas changé et portent les mimes repères pour faciliter la comparaison. La diode est repérée par le chiffre 7. La cavité 1 est couplée à la ligne d'utilisation 10 par la self il constituée -par des rayons qui relient les conducteurs intérieurs 10 et extérieurs 2 de la ligne de transmission. t'ensemble de la ligne radiale 13 et de la section coaxiale 8, de longueur électrique 'X/4, forme un piège qui vise à ramener dans le plan "a" un court-circuit à la fréquence de fonctionnement. L'extrémité 9 du conducteur central de la cavité est terminée par un disque capacitif 20 qui crée une résonnante parallèle de la diode 7. Cette modification du circuit équivalent de la diode entrain la réduction de la longueur de la cavité à une longueur proche de En conséquence les pertes apportées par la cavité et le coefficient de surtension diminuent. Ce dernier est encore abaissé en augmentant l'impédance caractéristique de la cavité qui devient égale à 50R. La cavité ainsi définie peut produire des puissances de sortie proches de celles délivrées par des structures résonnantes à grand coefficient de surtension. te réglage de la fréquence de l'oscillateur s'effectue par le jeu de la vis 18 à effet capacitif. te réglage est stable grâce à un système de rattrappage de jeu du filet. L'utilisation d'un piston diélectrique réduit la perte de puissance par rapport à une vis métallique et élimine les modes de fonctionnement parasites. Be réglage de la puissance maximale de l'amplificateur s'effectue avec la vis métallique 19. Un transformateur élévateur 22 quart d'onde constitue un élément d'adaptation qui permet essentiellement de réduire les pertes de couplage en diminuant le nombre de rayons. Le piège constitué par les lignes 13 et 8 permet d'alimenter la diode avec un découplage de la cavité important. La rondelle en oxyde de béryllium 15 est soudée sur la tige qui supporte la diode 7 pour faciliter l'écoulement calorifique. Le piège est amélioré par l'adjonction d'une pièce métallique creuse cylindrique 23 montée sur le conducteur interne 14 de la ligne coaxiale d'alimentation. Le cylindre est fermé du côté de la prise 6 et ouvert du côté de la diode. I1 établit un circuit ouvert au voisinage de la ligne radiale. Une rondelle élastique 24 maintient en pression la rondelle 15 en oxyde de béryllium, tout en permettant un bon contact électrique avec la pièce 4. Le piège fait disparattre les réactions de l'adaptation hyperfréquence côté alimentation sur la puissance de sortie de 'amplificateur. La figure 4 montre un exemple d'application d'un amplificateur suivant l'invention à un système radar Doppler. La fréquence d'émission est produite par un oscillateur stable 30 et un changement de fréquence de la valeur de la fréquence intermédiaire, effectué par un oscillateur 31 et un transposeur 32. te signal d' émission est amplifié par un amplificateur 33 suivant l'invention par l'intermédiaire d'un circulateur 34. te signal amplifié retourne au circulateur et est transmis à un autre circulateur 35 et une antenne 36. L'énergie de fonctionnement (polarisation de l'élément semiconducteur) de l'amplificateur est fournie par un modulateur 37 commandé par la synchronisation du radar (non repré sentée; A la réception, les signaux sont aiguillés par le circulateur 55 vers un mélangeur 38 qui reçoit également le signal produit par l'oscillateur 30 et délivre des signaux de réception en fréquence intermédiaire. Bien entendu, pour simplifier, un seul amplificateur a été représenté. Mais pour produire des puissances importantes, il sera nécessaire de prévoir plusieurs amplificateurs associés chacun avec un circulateur, tous les circulateurs étant connectés en série. L'invention s'applique non seulement aux équipements radars, mais aussi aux balises répondeuses des systèmes d'aide à la navigation et aux équipements de télécommunication. RE VE NI) i C AT TONS 1. Amplificateur de puissance pour hyperfréquences comportant une cavité résonnante coaxiale dans laquelle est disposée un élément semiconducteur à résistance négative, une ligne de transmission destinée à recevoir un signal à amplifier et à délivrer le signal amplifié correspondant, des moyens de couplage entre la cavité et la ligne de transmission et des moyens d'alimentation de l'élément semiconducteur, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent, d'une part, une self (i i) dont la valeur est telle que toute oscillation libre dans la cavité (1) est impossible et, d'autre part, une vis métallique (19) placée à un quart de longueur d'onde de ladite self (11) dans la ligne de transmission. 2. Amplificateur suivant la revendication 1, caractérisé encre que ladite self (11) est constituée par des rayons métalliques reliant électriquement les conducteurs interne (10) et externe (2) de la ligne de transmission et ayant un rapport largeur/longueur déterminé. 3. Amplificateur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lrélément semiconducteur est une diode GUK. 4. Amplificateur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une capacité (20) est placée dans la cavité résonnante (i) entre l'extrémité du conducteur central (9) et l'élément semiconducteur (7). 5. Amplificateur suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un transformateur quart d'onde élévateur (22) est ajouté dans la ligne de transmission. 6. Amplificateur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation de l'élément semiconducteur comportent une ligne d'alimentation coaxiale (14) et un piège constitué par un tronçon de ligne radiale (13) situé à un quart de longueur d'onde de l'extrémité de la cavité (plan "a") et une pièce métallique creuse cylindrique (23) montée sur le conducteur interne (14) de la ligne d'alimentation, le cylindre étant ouvert du côté de la diode et fermé de l'autre c8té. 7. Système de transmission radioélectrique, caractérisé en ce qutil comporte un amplificateur de puissance suivant l'une des revendications 1 à 7. ligne d'alimentation, le cylindre étant ouvert du côté de la diode et fermé de l'autre c8té. 8. Système de transmission radioélectrique, caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur de puissance suivant l'une des revendications 1 à 7