Brevet FR2356312A1 — publié le 19780120

L'invention concerne les oscillateurs electroniquest notamment en hyperfréquence, susceptibles d'être accordes par un réglage mécanique ou électronique, manuel ou automatique, dans une large bande de fréquences, par exemple dans une bande de plusieurs centaines de mégahertz d quelques gigahertz, tout en présentant un coefficient de surtension.dit "externe" d'une valeur élevée, se traduisant par un spectre étroit, par exemple de l'ordre de 200KHz (bande définie à - 30 dB). On sait réaliser de tels oscillateurs å spectre étroit et å large bande d'accord en insérant dans un dipôle d'accord une bille parfaitement polie taillée dans un monocristal de grenat d'yttrium. I1 s'agit d'un matériau ferrimagnetique présentant une résonance pour une fréquence dont la valeur est étroitement fixée par la valeur d'un champ magnetique réglable agissant sur le grenat d'yttrium. Dans un tel circuit, la bande de fréquences, où ltoscil- lation est possible, est limitée généralement par l'élément å résistance négative, par exemple un composant semicónducteur tel qutune diode à avalanche ou un transistor. En effet, l'élément dont il s'agit présente une-résistance négative dans une bande de freences plus ou moins large.Les oscillateurs de ce type pre- sentent l'inconvénient d'exiger un équipement compliqué et onéreux pour creer le champ magnétique, et de présenter en outre une vitesse d'accord relativement lente pour certaines applications (par exemple radars à "agilité de fréquence"). L'invention remédie à ces inconvénients. 'oscillateur selon l'invention, susceptible d'être accordé dans une bande de fréquences prédéterminee, est du type comportant un dipôle oscillateur à résistance négative et un dipôle d'accord capak e de résonner sur une fréqúence quelconque de ladite bande de fréquences. I1 est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un quadripôle capable de transmettre sans pertes d'insertion une énergie électrique alternative S une fréquence comprise dans ladite bande de fréquences, ledit quadripôle étant déterminé de telle sorte que lorsqu'on connecte à ses bornes d'entrée une impédance d partie réelle négative, l'inpéndance mesurée & ses bor- nes de sortie soit sensiblement égale à une résistance pure nega- tive de même valeur dans ladite bande de fréquences et d une reac- tance pure positive ou négative lorsqu'on est en dehors de ladite bande de Srequences. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparaltront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels : Les figures 1 et 2 sont des schémas explicatifs relatifs au principe de l'invention , La figure 3 est un schéma équivalent d'un exemple d'oscillateur classique ; La figure 4 est un schéma équivalent d'un exemple d'oscillateur conforme R l'invention La figure 5 est un diagramme d'impédance , Les figures 6 à 9 représentent schématiquement des variantes de l'invention. Le principe de l'invention est basé sur les considérations qui suivent. On se place dans le cas, assez général en hyperfré- quence, où l'on utilise, comme diple oscillateur, un composant présentant, dans une eertaine banode de fréquences, une résistance négative, Ce composant, qui est par exemple une diode GUNN ou une diode d avalanche, ou un transistor (unipolaire ou bipolaire) pré- sente aussi, inévitablement, une certaine réactance ou une certaine capacitance, qui stexprime en termes imaginaires positifs ou nega- ifs dans l'expression de son impéndance. Le diple d'aecord qui est nécessairement insert dans ltos- cillateur pour favoriser l'une des fréquences possibles d'oscillation du composant, comporte un élément réglable qui est soit une inductance variable L, soit une capacité variable C, celle-ci étant par exemple du type dénommé en terminologie anglaise par le vocable de "varactor". Dans ce qui SUit on appelle X la somme algébrique des réactances (comptées positivement) et des capacitances (comptées nea- tivement), provenant : - du dipôle oscillateur : résistance négative, induetanees et capacités parasites - du dipôle d'accord supposé du type résonnant série". Figure l, on a représenté le schéma équivalent d'un oscillateur. Il se réduit à trois éléments en série (cas du circuit ésonnant "série") : - une résistance négative - R apparaissant dans un composant - une résistance positive Ro de la charge 2 - la réactance X définie plus haut. Comme on le sait, pour qu'il y ait oscillation,il faut que lton ait ; - R 4 Ro = O X -= O On a une oscillation sur une fréquence bien définie,-ctest d dire ltémission d'un spectre étroit de fréquences si la-pente de la courbe 21 (figure 2) de variation de X avec la fréquence est très grande au point d'intersection avec l'axe des abscisses (X = O) Lorsque le circuit de ltoscillateur presente des réactances autres que celles du dipôle d'accord (par exemple varactor et induJctance) on montre que : - d'une part la bande d'accord est moins large que celle que lton obtiendrait en l'absence de ces réactances ; - d'autre part la pente au point dtintersection de la eourbe 21 avec l'axe des abscisses augmente. On sait en effet que la bande d'accord est fixée par la diS- ferenee entre la fréquence maximale et la fréquence minimale de fonctionnement de l'oseillateur. Si l'on se place dans le cas où les réactances et les capacitances situées en dehors du circuit d'accord sont négligeables on a la relation : 1 ( 1 ) X = Lw - Cw La condition d'oscillation (X = O) se traduit donc par :. LC#2 = l (2) et la fréquence d'accord est donnée par Inéquation : On suppose, dans ce qui suit, que la bande d'accord ntest pas limitée par le composant d résistance négative, mais bien par les capacités minimale et maximale Cmin et CmaX) du varactor. Si lton pose alors : et si lton appelle fmax et fmin les fréquences extrêmes d'oscilla- tion correspondant aux valeurs extremes de capacité du varactor, on a la relation :: Dans la pratique, cette bande d'accord est un maximum maximorum" fixé par la valeur du paramètre &gamma; caractérisant un type de varac tor déterminé. Dans le cas où les réactances parasites ne sont pas négligeables, il existe bien un moyen d'élargir le spectre de fréquences en diminuant le coefficient de surtension du circuit, mais cela conduit malheureusement S une courbe 22 de moindre--pente que la courbe 21. Il en résulte des inconvénienks notamment l'au- gmentation du bruit dans le spectre dtemission. Au contraire, dans le cas de l'invention, on élimine itomple- tement l'influence des réactances et capacitances situées de façon indésirable du eté de l'élément oscillant et éventuellement du côté de la charge. On insère d eet effet, dans le circuit de l'oscillateur, un ou deux filtres passe-bande. De cette manière on n'augmente pas la largeur de bande telle qu'elle est définie par la relation (5), mais on se rapporche le plus possible de celle-ci l'accord du circuit est alors donné par la seule résonance du dipôle d'accord (par exemple du type résonnant série). Le coefficient de surtension du circuit équivalent est alors # =L# R où L peut être choisi aussi grand que possible ce qui fixe les valeurs de capacité variable à utiliser pour obtenir la bande d'accord désirée. Figure 3 on a représenté un exemple d'oscillateur hyperfré quence du type à dipôle résonnant "série", comportant un genera- teur de fréquences 31, un dipôle d'accord 32 et une charge Ro. L'élément essentiel du générateur est une diode 10 à effet Gunn dont on n'a pas représenté l'alimentation en courant continu, ni les découplages correspondants. On stest borne @ figurer son sché ma équivalent comprenant une résistance négative : Rg = - R et une capacite Cg. Outre cet élément, le générateur comporte une réactance parasite Xp provenant par exemple du boîtier de la dio de et des connexions de raccordement électrique. Le dipôle d'accord comprend une inductance fixe L et un va actor représenté par une capacité variable avec la tension : Cv. Figure 4, on a représenté ltoscillateur précédent, modifié conformement d l'invention. Un filtre passe-bande 40 est inséré entre le générateur 31 et le dipôle32. Il se présente comme un quadripôle dont les entrees 401 et 402 sont connectées aux sorties 311 et 312 du générateur 31 et dont les sorties 403 et 404 sont raccordées respectivement à l' entrée 32t du dipôle 32 et l t en- trée 211 de la charge purement reelle Ro, la sortie 322 du dipôle 2 étant connectée à la sortie 212 de la charge Ro.Le quadripôle 40 est un filtre passe-bande calculé pour présenter aux bornes 403 et 404 une impédance : Z2 = R2 + i X2 lorsqu'il est bouclé en ses bornes 401 et 4Q2 sur 1'impedanee Z1 du générateur 31. On a représente figure 5 en fonction de la fré quence f portee en abscisse les parties reelles et imaginaires R2 et X2 de l'impéndance vue aux bornes 403 et 404 du quadripôle en supposant que les bornes 401 et 402 soient raccordées non pas au générateur 31 mais d une impédance à partie réelle-po5itive R.On sait construire des quadriples répondant aux caractéristi- ques représentées par les courbes 51(R2) et 52(X2) : ees courbes se rapprochent de celles du filtre passe-bande ideal dans lequel on aurait : R2 = R et X2 = O (approximativement) lorsque F varie de f1 à 2 (bande passante correspondant å la bande d'accord) et, en outre, R2 = O lorsque f est en dehors de la bande passante. Lorsqu'on branche un quadripôle de ce type aux bornes du générateur 31 comportant l'élément Rg = - R, on aura dans la bande passante R2 = - R' (résistance pouvant différer ou non de R) et en dehors de la bande passante la partie imaginaire sera une réactance variable avec la fréquence. Le coefficient de surtension du circuit équivalent est celui du dipôle L, Cv. On voit facilement, par le calcul et par ltexpérience, que le fonctionnement d'un tel oscillateur est conforme á celui de l'oscillateur qui est représenté symboliquement figure 1. Tout se passe, en effet, comme si, aug bornes 403 et 404 (figure 4) on branchait une résistance négative dont le module est donne appro ximativement par ltordonnée de la courbe 51 figure 5, pour chacune des fréquences et notamment dans la bande passante (f1, 2). En dehors de cette bande, toùt se passe comme si lton avait une im pédance à partie ruelle sensiblement nulle (courbe-51) et à partie imaginaire X2 (courbe 52) non négligeable. Si dans la bande passante, X2 ntest pas négigeable, on construit alors un deuxième quadripôle ayant des caractéristiques de filtre coupe-bande dans la bande (f1, f2) 40 mais présentant, des valeurs opposées de X2, c'est à dire une courbe 52 symétrique, par rapport à l'axe des abscisses, de celle de la figure 5 et une courbe 51 présentant des ordonnées négligeables dans la bande coupée f1, f2). Figure 6, on a représenté un oscillateur comportant le quadripôle coupe-bande, figuré avec le repère 41, ce quadripôle étant branche en série avec le quadripôle 40 et bouclé sur une résistance positive R+. Le fonctionnement de ltoscillateur, dans le eas de la figure 6 s'explique de façon analogue à celui de la figure 4. Tout se passe, dans la bande de fréquences utile, comme si on trouvait en série avec l'inductance L et le varactor Cv une resistance négative - R' remenée aux bornes 61, 62, dans la bande (f1, 2) et une résistance positive R en dehors de la bande (f1, 2)* Figure 7, on a représenté un type de structure possible pour le quadripôle 40, comprenant successivement une inductance série L1, un circuit "bouchon" (L2, C2) en parallèle, un dipôle résDn- nant série (L3, C3) et un deuxième circuit "bouchon" (L4, C4). Figure 8, on a représente un type d'oseillateur comportant un dipôle d'accord (L, Cv) du type résonnant parallèle. Le quadripôle 40 est de stucture analogue ou meme éventuellement identique à celle de la figure 7. Figure 9, on a représenté une variante de l'invention, dans laquelle on a représenté une impédance de charge-ZO et un quadri ple 90 qui présente une structure symétriqué de celle du quadripôle hO branché aux bornes du générateur de ltoscillateur. Le quadripôle 90 est déterminé de telle sorte que, dans la bande d'accord, il présente à ses bornes d'entrée 91 et 92 une impéndance qui est une résistance pure. L'invention est applicable, dans ses différentes variantes au cas d'un dipôle d'accord résonnant en parallèle. En particulier, dans le cas de la figure 6, où l'on a deux quadripôles en série, le dipôle (L, Cv) serait remplacé par un dipôle du type résonnant parallèle branché aux bornes de la charge d'utilisaion.Le fonctionnement s'expliquerait de façon analogue à celui du circuit de la-figure 6 en considerant les admittances au lieu de considérer les impédances, On pourrait aussi, dans le cas de la figure 6, remplacer le quadripôle 41, en série, par un quadripôle branché en parallèle calculé pour compenser les susceptances au lieu des réactances, Parmi les avantages non encore signalés de l'inventiqn, on peut mentisnner :: 1) - Le fait que la fréquence d'accord est donné principale- ment par la résonance du dipôle d'accord, le coefficient de surtension global de l'oscillateur etant principalement déterminé par la pente de la courbe de réactance en fonction de la fréquence au voisinage du point de réactance nulle (voir figure 2). 2) - Le fait que le coefficient de surtension de ltoscilla- teur, dans le cas où le dipôle d'accord comporte un varactor, est déterminé principalement par la valeur et la qualité d-e l'induc- tance du dipôle d'accord. 3) - Le fait que le coefficient de surtension peut être choisi indépendamment de la bande d'aeeord couverte. REYENDICATIONS 1. Oscillateur électronique à spectre étroit, susceptible d'être accordé dans une bande de fréquences prédéterminée, du type comportant un dipôle oscillateur à résistance négative, un dipôle de charge ut lisatrice et un dipôle d'accord capable de résonner sur une fréquence quelconque de ladite bande de frequen- ces, caVacterise en ce qu'il comporte au moins un quadripôle capable de transmettre sans pertes d'insertion une énergie electriqU alternative dont la fréquence est comprise dans ladite bande de fréquences, ledit quadripôle étant détermine de telle sorte que lorsqu'on connecte à ses bornes d'entrée, une impédance à partie réelle ou négative, l'impédanee mesuree à ses bornes de sortie soit sensiblement égale d une résistance pure négative de meme valeur dans ladite bande de fréquences et à une réaetånce pure positive ou négative lorsqu'on est en dehors de ladite bande de fréquences. 2. Oscillateur suivant la revendication 1, caracterise en ce que ledit quadriple unique, a ses bornes d'entrée connectées au dipôle oscillateur a résistance négative, et que lton trouve en série aux bornes de sortie dudit quadripôle succesivement le dipôle d'accord, du type résonnant série, et le dipôle de charge utilisatrice. 3. Oscillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit quadripôle, unique, a ses bornes d'entrée connectées au dipôle oscillateur d résistance négative, et que lton trouve en parallèle aux bornes de sortie dudit quadripôle, le dipôle d'accord, du type résonnant parallèle, et le dipôle de charge utili- satrice. 4. Oscillateur suivant la revendication 1, caracterise en ce qu'il comporte un premier quadripôle dont les bornes d'entrée sont connectées au dipôle oscillateur à résistance négative, et un deuxième quadripôle dont les bornes d'entrée sont connectées à une résistance positive, les bornes de sortie du deuxième quadripôle éntant connectées en série avec les bornes de sortie du premier, le deuxième quadripôle éntant calculé pour compenser la réactance du premier dans la bande de fréquences prédéterminée. 5. Oscillateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, outre un premier quadripôle connecte aux bornes du dipôle oscillateur à résistance négative, un deuxième quadripôle aux bornes du dipôle de charge utilisatriee, le dipôle d'ac cord étant inséré entre lesdits premier et deuxiéme quadripôles.