Brevet FR2315178A1 — publié le 19770114

La présente invention concerne un oscillateur hyperfréquence à haute stabilité. Des oscillateurs de ce genre, connus sous le nom de "stalo" abrévation de leur définition en anglais " stabilized oscillator" appartiennent à l'état de la technique. Trois types dloscillateurs à haute stabilité sont connus. Un premier type de tels oscillateurs est celui stabilisé par une cavité cy que à fort coefficient de surtention fonctionnant à la réfle sinon. La cavité de stabilisation est placée derrière l'osci#ateur, d'où son fonctionnement dit à la réflexion ou à réaction et elle présente l'avantage de ne gaspiller que peu de puissance. Cependant un inconvénient du système global réside dans un phénomène d'hystérésis qui, S'il n'y est pas remédié, risque de faire démarrer, à la mise sous tension, l'oscillateur sur un mode parasite non stabilisé.Dans ce cas, la puissance de sortie du système n'est pratiquement pas modifiée de sorte que l'utilisateur peut ignorer que l'oscillateur stabilisé a décroché. = Un deuxième type d'oscillateur stabilisé est celui stabilisé par une cavité cylindrique à fort coefficient de surtension fonctionnant a la transmission et placée devant l'oscillateur proprement dit. L'avantage de ce type d'oscillateur stabilisé est que pouvant être équipé d'une commande automatique de fréquence, il démarre en mode stabilisé et si, par accident, il décroche, c'est-à-dire oscille sur une autre fréquence que celle prévue, la puissance de sortie devient #ulle-indiquant par là son fonctionnement défectueux. Bon inconvénient est qu'il gaspille une grande partie de sa puissance dans la cavité stabilisatrice. Oet oscillateur en fait, est donc peu puissant. Ces deux types présentent un autre inconvénient qu'ils ont en commun, la difficulté de se prêter à un réglage unique permettant en une seule manoeuvre de régler la fréquence et la stabilité. En effet de par leur construction, le piston d'accord de la cavité oscillatrice et celui de la cavité stabilisatrice, outre qu'ils ont des courses différentes, sont situés dans des plans perpendiculaires. Un troisième type d'oscillateurs à haute stabilité a été développé comportant une boucle avec un discriminateur de phase. On considère un oscillateur accordable par un varactor sur une faible plage de fréquence, dont une partie du signal de sortie alimente un discriminateur de fréquence à cavité à forte surtension à la transmission. Toute différence entre la fréquence de l'oscillateur et la fréquence d'accord de la cavité à forte surtension se traduit par ure tension d'erreur. Celle-ci est amplifiée et est utilisée pour polariser de façon convenable le varactor pour que les deux fréquences soient alignées et que l'oscillateur soit ainsi stabilisé. Cependant Si cet oscillateur à haute stabilité présente de bonnes performances électriques, il est encombrant et relativement coûteux, étant composé de nombreux éléments. Il souffre également de l'inconvénient déjà signalé pour les deux types précédents, de ne pouvoir être doté facilement d'une commande unique. Pour faire varier la fréquence il faut faire varier la position de deux pistons, le piston d'accord de l'oscillateur et celui de la cavité à forte surtension du discriminateur hyperfréquence, qui ont des courses différentes et sont éloignés l'un de l'autre. Un objet de la présente invention est un oscillateur hyperfré quence à haute stabilité d'un autre# type que ceux définis ci-dessus et qui ne présentent pas les inconvénients qui ont été signalés. Suivant une caractéristique de l'invention, l'oscillåteur hyper fréquence à haute stabilité comporte une seule cavité oscillatrice à grande surtension dans laquelle se développe une onde de grande puissance générée par un dispositif pouvant comporter plusieurs diodes montées dans des lignes coaxiales couplées à la cavité par des iris dont les dimensions sont inversement proportionnelles à la surtension désirée, le réglage de la fréquence de fonctionnement étant réalisé par une action mécanique dans la cavité oscillatrice L'invention sera mieux comprise dans la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à l'aide des figures qui représentent:: - la figure 1, un schéma équivalent d'un oscillateur-suivant l'invention - la figure 2, une vue cavalière d'un oscillateur à deux diodes - la figure 3, une vue de dessus de l'oscillateur de la figure 2; - la figure 4, une vue de dessus d'une variante de l'oscillateur de la figure 3 - les figures 5a et 5b, respectivement des vues de dessus et de face d'un oscillateur à cavité cylindrique à trois couples de diodes - et les figures 6a, 6b, 6c respectivement des vues de dessus, de côté jet de face d'une variante d'un oscillateur à cavité cylindrique. On a vu dans l'introduction, les inconvénients présentés par les oscillateurs à haute stabilité constituant l'art antérieur et la dif- faculté qu'il y avait de réunir les commandes de fréquence et de surtension en une commande unique permettant de régler 1' oscillateur à l'aide d'une seule manoeuvre. On a constaté que la stabilité d'un oscillateur est une fonction flirte du coefficient de surtension en charge de l'oscillateur et que l'augmentation de ce coefficient conduit à une amélioration de la stabilité, au prix toutefois d'une perte de puissance. Suivant l'invention alors,on part d'un oscillateur capable de délivrer unt puissance relativement importante, par exemple de l'ordre de 300 milliwatts actuellement et présentant de plus un fort coeffi di-ent de surtension en charge, coefficient que l'on augmente encore pour aboutir dans ces conditions à un oscillateur à haute stabilité -mais #livrant-une puissance plus faible, par exemple de l'ordre de 150 mIlIiïatts. Pour ce faire, on agit sur les conditions mêmes de couplage de la source à la cavité oscillatrice et également sur les modes de fonctionnement. On notera que des oscillateurs à stabilité faible, cependant capables de délivrer une forte puissance existent et dans le cadre de l'invention, on utilise de tels oscillateurs à grande puissance comportant au moins deux éléments semiconducteurs oscillateurs. L'inté rét d Tun oscillateur de ce type est que son rapport signal sur bruit et donc sa stabilité initiale est meilleure que pour un oscillateur à un seul élément. En effet dans ce cas, les signaux utiles délivrés par chaque élément s'additionnent tandis que les tensions de bruit 81 additionnent quadratiquement. D'une façon générale la stabilité d'un oscillateur étant directement fonction de la surtension en charge, si donc on veut améliorer la stabilité de l'oscillateur considéré, il faut en augmenter le coefficient de surtension en charge ; celui-ci peut être défini à l'aide d'une formule déterminée à partir de la figure 1 représentant le schéma équivalent d'un oscillateur à deux diodes suivant l'invention. On y trouve schématisés une première ligne coaxiale 1 avec une conductance de charge Go, repérée 2 en bout de la ligne ; une diode 3, un transformateur quart d'onde 4 et un iris 5, couplant cet ensemble coaxial 1 à une cavité 6. Celle-ci présente une certaine conductance Gc représentant les pertes, L sa self et C sa capacité. Cette cavité est couplée par un iris de sortie 7, qui est circulaire, à une charge d'utilisation 8 présentant une conductance GL. La cavité guide 6 est également couplée par un iris 9 à une deuxième ligne coaxiale 10 comprenant une diode 11, un transformateur quart d'onde 12 et une charge adaptée 13 présentant une conductance Go. On a également indiqué en 14 une conductance G'L ramenée par la charge d'utilisation 8 à travers l'iris de sortie 7. On peut alors écrire le coefficient de surtension en charge de l'oscillateur soit QL :OL où dB caractéristique de la cavité guide 6, représente la variation df de la susceptance en fonction de la fréquence, G'L représente comme on l'a vu la charge GL ramenée à travers l'iris de sortie 7 et GD la susceptance ramenée dans la cavité par le circuit coaxial associé à une diode. On déduit aisément de cette expression, que pour augmenter le coefficient de surtension en charge, et partant la stabilité de l'oscillateur, il faut augmenter ddBf et/ou corrélativement diminuer le dénominateur de l'expression soit Gc + G'L + GD. Pour augmenter dd3, il suffit d'augmenter la longueur de la cavité oscillatrice 6, ce qui conduit à faire fonctionner cette cavité en mode supérieur du type TE 10n avec n > 1 ce qui est possible. Cependant l'augmentation de longueur de la cavité est limitée car Si la fonction dBf, variation de la susceptance en fonction de la fré df quence augmente, les pertes dans la cavité augmentent également et au-delà d'un certain mode, l'augmentation du coefficient de surtension en charge de la cavité ne se fera plus sentir. On notera alors que lorsque le coefficient n devient égal ou supérieur à 3, il devient nécessaire d'utiliser plusieurs plongeurs en céramique, dans les #g, 3#g, #g plans situés à 4 4 (2n - 1) 4 du fond de la cavité pour obtenir la variation de fréquence souhaitée en l'occurrence et à titre d'exemple 5400- 5900 BS . Dans ces conditions la mécanique devient compliquée et la commande unique simple, caractéristique de l'invention devient plus difficile à réaliser. Pour une cavité oscillatrice en guide rectangulaire optimal de fonctionnement peut être le mode TE 102 pour lequel le coefficient de surtension en charge est augmenté dans une proportion satisfaisante et, pour lequel également, un seul plongeur céramique est prévu pour le réglage de la fréquence de fonctionnement. De plus il est évidemment possible d'agir sur l'expression G c Gc + GD. En particulier, les pertes dans la cavité représentées par Gc peuvent être diminuées en faisant un traitement de surface. n est possible également de diminuer la conductance OD et la conductance G'L. Pour ce faire, et disposant par hypothèse au départ d'une puissance excédentaire par rapport à ce qui serait nécessaire, il est possible de diminuer le couplage de la ou des lignes coaxiales à la cavité guide 6 et le couplage de-la cavité guide à la charge d'utilisation en diminuant respectivement les dimensions des iris 5, 9 et 7. On augmente de la sorte le coefficient de surtension en charge de la cavité, donc la stabilité de l'oscillateur. La figure 2 représente une vue éclatée d'une réalisation d'un oscillateur stabilisé suivant l'invention, comportant une cavité oscillatrice rectangulaire fonctionnant en mode TE 101. On y remarque, présentés de façon schématique, les différents éléments déjà mentionnés sur la figure 1 représentant un schéma équivalent. La diode 3 est montée dans une ligne coaxiale 1 située à environ 1/4 de longueur d'onde du fond de la cavité ; elle comporte à une extrémité une charge adaptée 2 connectée au secondaire d'un transformateur quart d'onde 4 c'est à-cette extrémité qu'est appliquée la tension de polarisation de la diode. Cet ensemble est couplé par un iris circulaire 5 à la cavité rectangulaire 6 qui reçoit de la sorte la puissance créée par la diode.De l'autre côté de cette cavité, se trouve un deuxième ensemble coaxial 10,diode 11,transformateur quart d'onde 12 et charge 13, semblable au premier décrit et couplé à la cavité oscillatrice 6 par un iris circulaire 9 visible sur la figure. La paroi terminale 15 de la cavité comporte un iris de sortie 7 vers l'utilisation 8 non représentée sur la figure. tes dimensions de la cavité ont été choisies telles que seul le mode TE 101 est créé lorsque les deux diodes débitent dans la cavité. On notera que la présence d'un transformateur quart d'onde dans les lignes à une distance déterminée de la diode a une influence heureuse sur la bande passante de l'oscillateur. En 16 on a figuré le plongeur de réglage de la fréquence de l'oscillateur qui est situé à environ une distance de l'ordre du quart de la longueur d'onde du fond de la cavité guide. La figure 3 représente une vue de dessus de ltoscillateur stabilisé de la figure 2 où l'on remarque de façon plus nette comment sont placés les différents éléments les uns par rapport aux autres. On y a également représenté les lignes de champ magnétique H du mode TE 101 sur lequel il fonctionne. La figure 4 représente vue de dessus d'un oscillateur suivant l'invention, comportant deux ensembles coaxiaux comme ceux des figures précédentes, mais fonctionnant sur le mode TE 102 dont les lignes de champ magnétique H sont représentées. On notera que l'implantation des diodes dans la cavité est différente de celle visible sur la figure 3. Comme cela a été dit, le fonctionnement sur le mode TE 102 a été obtenu en augmentant les dimensions de la cavité pour augmenter le dE coefficient df auquel le coefficient de surtension en charge est proportionnel. La variation de fréquence de l'oscillateur stabilisé de la figure 4 se fait en agissant sur le piston 16 situé à un quart de longueur d'onde environ du fond de la cavité. On a figuré en 14 un autre piston situé dans le plan des diodes et qui assure un réglage fin de la fréquence. La réalisation d'un oscillateur conformément à la figure 4 présente un coefficient de surtension, donc une stabilité supérieure à celle de la réalisation de la figure 3. On a expliqué dans le début de la description, comment on pouvait améliorer la stabilité de l'oscillateur, en augmentant la longueur de la cavité rectangulaire oscillatrice, qui entrainait le fonctionnement de ltoscillateur sur un mode supérieur TE 10n, où n est plus grand que 1. On a mentionné toutefois que si en théorie ce fonctionnement était possible et augmentait encore#la stabilité de l1oscillateur, but recherché par 11 invention, il entrainait certaines contraintes méca- niques qui tendent à en diminuer les avantages. Dans ce qui précède on a supposé que la cavité oscillatrice était rectangulaire. Il est possible d'utiliser des cavités cylindriques fonctionnant en des modes semblables à ceux créés dans les cavités rectangulaires. Ces modes sont du type TE lin. On bénéficie toutefois avec les cavités cylindriques du fait qu'elles présentent des coefficients de surtension à vide plus grands que ceux des cavités rectangulaires, ce qui contribue à augmenter la stabilité de ltoscil- lateur ainsi créé. la figure 5a représente une vue schématique de dessus d'un oscillateur à cavité cylindrique, suivant l'invention, fonctionnant sur le mode TE 113 et la figure 5b représente la vue de face de ce même oscillateur. Cette cavité cylindrique 17 a une certaine longueur qui permet de placer 3 couples de diodes 1-10, 18-19, 20-21 avec leurs lignes coa xiales semblables à celles déjà décrites. L'iris de couplage vers la sortie est repéré par 7 et la charge utile 8#est représentée ici par un guide rectangulaire. La paroi de fond 22 peut être rendue mobile pour permettre de faire varier la fréquence de l'oscillateur dans sa bande. Cette variation de fréquence peut également etre obtenue en disposant des plongeurs.Toutefois étant donné la longueur de la cavité pour développer le mode TE 113, la présence de trois dispositifs à diode pour fournir la puissance, et le fait que la bande passante est relativement grande, il est préférable de disposer de plusieurs plongeurs, un seul ne pouvant avoir un déplacement suffisant pour que la fréquence soit réglée correctement. Mais alors pour une puissance donnée et une très grande stabilité, l'oscillateur à cavité cylindrique tout comme celui à cavité rectan#tdaire souffre d'une limitation. Sur la figure 5a, on a représenté l'allure des lignes de champ magnétiques H dans la cavité Suivant l'invention, pour remédier aux limitations évoquées cidessus, on utilise des cavités oscillatrices cylindriques fonctionnant dans des modes différents de ceux désignés ci-dessus Ces modes sont les modes TE 01n dont les lignes de champ magnétiques sont radiales comme montré sur la figure 6 correspondante qui représente un oscillateur à haute stabilité à cavité cylindrique fonctionnant en mode TE 011 et qui comporte plusieurs diodes. De fait, étant donné la forme des lignes de champ magnétique, on peut disposer un grand nombre de diodes dans une même section droite, ce nombre n'étant limité que par des raisons mécaniques. La figure 6a représente ainsi un vue schématique de dessus d'un oscillateur à haute stabilité à plusieurs diodes, la figure 6b une vue schématique de côté de l'oscillateur de la figure 6a et la figure 6c une vue schématique de face de ce même oscillateur à haute stabilité. Sur la figure 6a, on a représenté une section droite de la cavité cylindrique 6 fonctionnant en mode TE 011 c'est-à-dire dont les lignes de champ magnétique H sont radiales. Sur la section droite on a représenté trois ensembles de lignes coaxiales 1, 10, 18, avec les diodes 3, 11, 23, les transformateurs quart d'onde 4, 12, 25 et les charges adaptées 2, 13, 27. Ces ensembles sont couplés à la cavité cylindrique 6 respectivement par les iris circulaires 5, 9, 29. L'iris de couplage de sortie du système est représenté par 7 et l'utilisation est un guide d'onde rectangulaire 8. Sur la vue de côté 6b, on notera principalement la paroi 31 du fond de la cavité cylindrique dont le déplacement fait varier la fréquence dans des conditions déjà expliquées. On notera à propos de l'oscillateur des figures 6a à 6c que le nombre de diodes à coupler pouvant être grand, sa puissance est accrue, sa stabilité également puisque, son coefficient de surtension en charge est augmenté. De plus sa bande de fonctionnement n'est pas diminuée. Il présente également l'avantage de n'avoir qu'un seul réglage, sans donc présenter les limitations des oscillateurs des variantes précédentes qui, fonctionnant pour développer une très grande puissance et une très grande stabilité, sur des modes supérieurs, au lieu du mode principal perdaient l'avantage de la commande unique. On a ainsi décrit des oscillateurs à très haute stabilité, à grande puissance, à commande unique de réglage, à large bande et une seule cavité oscillatrice, dont l'utilisation est parfaitement adaptée aux équipements de détection électromagnétique ou radars et plus particulièrement aux radars dans les bandes C, L et X. RE VE NI) I C A T IONS 1. Oscillateur hyperfréquence à haute stabilité comportant une cavité oscillatrice et une cavité de stabilisation à fort coefficient de surtension, caractérisé en ce que la cavité oscillatrice et de stabilisation est unique, couplée par des iris à au moins deux sources constituées par des diodes oscillatrices et par un autre iris à une utilisation, les dimensions des iris variant en sens inverse des valeurs de surtension de la cavité et donc de la stabilité, le réglage de la fréquence se faisant à l'aide d'un seul moyen mécanique. 2. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication l, caractérisé en ce que chaque diode oscillatrice est montée dans une ligne coaxiale comprenant un transformateur quart d'onde dont le secondaire est couplé à la cavité et une charge adapté. 3. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité oscillatrice et de stabilisation est rectangulaire avec des dimensions telles que l'onde qui s'y développe oscille sur un mode TE IOn où n est supérieur à 1 et croit avec la surtension. 4. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le mode optimal de fonctionnement de la cavité est le mode TE 102. 5. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité oscillatrice et de stabilisation est cylindrique à fort coefficient de surtension à vide et de dimensions telles que l'onde qui s'y développe oscille sur un mode TE 11n où n est supérieur à~1 et croit avec la surtension. 6. Oscillateur à haute-stabilité suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le mode optimal de fonctionnement de la cavité est le mode TE 112. 7. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité oscillatrice et de stabilisation-est cylindrique à fort coefficient de surtension à vide dans laquelle l'onde qui s'y développe oscille sur le mode TE 011. 8. Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre élevé de diodes oscillatrices réparties le long d'une section droite de la cavité et couplées à ladite cavité par des iris à laquelle elles délivrent une onde de très forte puissance. 9.- Oscillateur à haute stabilité suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la commande de fréquence dudit oscillateur se fait par déplacement d'un piston dans la cavité oscillatrice et de stabilisation à partir de la paroi de fond de la cavité. 10. Oscillateur hyperfréquence#à haute stabilité, forte puissance et large band de fonctionnement en fréquence répondant aux caractéristiques des revendications 1 à 9.