Brevet FR2377120A1 — publié le 19780804

L'invention concerne le domaine des structures actives :qyper- fréquence. Elle a plus particulièrement pour objet l'association de composants actifs hyperfréquence tels aue des diodes à avalanche ou à effet Gunn avec des circuits résonnants, permettant d'audit tionner la puissance fournie par ces composants en vue de réaliser des amplificateurs ou des oscillateurs. On sait qu'il est difficile de monter plusieurs composants de ce type en vue d'additionner leur puissance en hyperfréquence sans provoquer des pertes de puissance, sous la forme d'harmoniques ou de modes de fonctionnement parasites à des fréquences autres que la fréquence désirée. Différents systèmes sont connus qui tentent de résoudre ce problème. Parmi ces systèmes, on peut citer - le montage de deux diodes hyperfréquence en opposition en travers d'un guide d'onde, débitant en opposition de phase, le fonctionnement en phase étant interdit par l'admittance interne du circuit de polarisation des diodes ; ce système est décrit dans la demande du brevet français# numéro 75-35650 au nom de HOMSON-CS? - le couplage de diodes hyperfréquence à une cavité cylindrique résonnant au mode TM 010, les diodes vibrant en phase et les autres modes de résonance étant interdits par des charges absorbantes placées en parallèle sur le circuit de polarisation de chaque diode un tel système est décrit dans la revue américaine IEEE Transaction on Nicrowave Theory and Techniques, Juillet 1976, pages 483 à 485. La présente invention a pour objet une structure hyperfréquence active à rendement amélioré, constituée par l'association d'un circuit résonnant comportant 2N résonateurs avec 2N composants actifs hyperfréquence du ~type ~diode à avalanche ou diode à effet GTJNN et, ce, préférentiellement de telle sorte-que deux composants adjacents soient déphasés de n D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, et des dessins annexés qui représentent - la figure I, le schéma général de la structure selon l'invention - la figure 2, un premier mode de réalisation de la structure selon l'invention - la figure 3, une variante de réalisation de la structure selon l'invention ; - - la figure 4, une variante de réalisation de la structure selon l'invention, permettant de multiplier les élémençs actifs ; - la figure 5, une variante de réalisation de la structure selon l'invention, comportant une cavité coaxiale - les figures 6 et 7, respectivement, autres modes de réalisation de la structure selon l'invention - la figure 8, un détail de réalisation de cette structure. Sur ces différentes figures, d'une part les memes références se rapportent aux mêmes éléments et, d'autre part, les cotes et dimensions relatives des différents éléments n'ont pas été respectées pour des raisons de clarté. Sur le schéma de la figure I, on a représenté un circuit résonnant I, par exemple de type anode de magnétron à ailettes, vu en coupe transversale, comportant 2N cavités résonnantes 2 séparées par des ailettes 3. les cavités 2 peuvent aussi être séparées par des ensembles de barreaux, montés en parallèle, remplaçant les ailettes 3. la structure comporte encore un conducteu central 5, la parcourant longitudinalement, et des composants actifs 4 en nombre pair 2N (ici, 2N = 8), connectés dans le meme sens entre ce conducteur 5 assurant leur polarisation et chacune des ailettes 3. Dans l'exemple illustré sur la figure, ces composants t sont des diodes à avalanche fonctionnant en bande I (autour de 10 C-#z). Plus généra- lement peut être utilisé tout type de dipole actif présentant une résistance négative en hyperfréquence et notamment, outre les diodes à à avalanche, les diodes à effet Gwnn. La structure comporte encore une sortie 8 pour l'énergie hyperfréquence. Dans un des modes de fonctionnement possibles de cette structure, qui est le mode de fonctionnement préféré, lorsquton considère deux diodes 4 adjacentes, on constate qu'elles sont en parallèle du point de vue du courant continu de polarisation, mais en série (et en opposition) du point de vue du courant haute fréquence le calcul montre que cette disposition particulière, et dans le cas où toutes les diodes 4 sont identiques, a pour effet que, d'une part, le courant haute fréquence dirigé vers le circuit résonnant 1 ne comporte que des harmoniques impairs et que, d'autre part, les harmoniques pairs de ce courant sont détournés du côté de la polarisation continue (conducteur 5).La conséquence du premier point est que les diodes tendent donc spontanément à osciller en opposition de phase. le second point signifie sue lorsqu-'on considère l'-ensemble des-- 2N diodes 4, le courant HF créé par une diode se retrouve uniquement dans les deux diodes adjacentes et le courant HF dans le conducteur central 5 de pola- risation est nul : le découplage de la source de polarisation avec le circuit haute fréquence n'est donc pas critique. Avec le sens adopté sur le schéma pour les diodes 4, et dans le cas où il s'agit de diodes du type à avalanche le potentiel de polarisation amené par le conducteur 5 doit être positif, le circuit résonnant I étant au potentiel de référence (masse). En régime permanent, le mode de fonctionnement désiré pour omette structure est celui qui est décrit ci-dessus, où le déphasage entre deux diodes 4 adjacentes est égal à s . Cemode est analogue au mode de résonance X des magnétrons où le déphasage entre le potentiel d'une ailette 3 par rapport à celui de la suivante est aussi égal à n . Or la structure schématisée sur la figure t est susceptible également d'osciller sur tous les autres modes tels que 2NPI=2pn,c'est-à-dire tels que que le déphasage entre deux diodes-adjacents soit N s , avec i ( p N Une solution pour interdire ces modes parasites est représentée figure 2. Sur cette figure, on retrouve le circuit haute fréquence I avec ses-ailettes 3 et ses cavités 2, ainsi que les diodes 4 connectées aux ailettes 3 et au conducteur de polarisation 5. Toutefois, dans ce mode de réalisation, cette dernière- connexion ne s'effectue pas directement :en effet, les diodes 4 sont reliées deux par deux par une connexion 6 présentant une certaine admittance, chacune des connexions 6 étant reliée séparément et par l'intermé- diaire d'une résistance 10 et une inductance il au conducteur 5 de polarisation. les connexions 6 sont en outre cornectees en série du point de vue de la haute fréquence par des liaisons 7 comportant des capacités de découplage connectées entre les resistances 10 et les inductances 11. Dans un tel arrangement, pour tous les modes, autres que le mode n , où un courant haute fréquence circule entre deux diodes adjacentes, l'admittance de la connexion 6 se trouve placëè en série entre es diodes et interdit l'oscillation. Une autre solution pour interdire les modes parasites est partiellement schématisée sur la figure 5 : il s'agit d'un circuit résonnant I du type anode de magnétron, muni d'élments 9 appelés "straps", éléments qui peuvent être plus ou moins résistifs et quiréunissent de deux en deux des ailettes 3 non adjacentes, selon une technique classique dans le domaine des magnétrons. Pour simplifier la figure, les éléments actifs et leur connexions n'ont pas été représentés : ils sont identiques au schéma de la figure 1. Dans ce dispositif, c'est l'admittance des strass qui interdit les oscillations susceptibles de se produire selon un autre mode que le mode n Il est à noter qu'il existe différents modes de réalisation de ces straps et que celui qui est représenté sur la figure Da dit "strapping" en échelon, l'est uniquement à titre d'exemple. La figure 4 représente une variante de la structure selon l'invention permettant de multiplier les éléments actifs. A cet effet, on superpose plusieurs diodes 4 sur la hauteur d'une ailette 5 pour former un réseau actif à deux dimensions, les diodes étant montées selon le schéma de la figure 2, c'est-à-dire réunies deux à deux par une connexion 6. La figure 5 représente une variante de réalisation de la structure selon l'invention, comportant une cavité coaxiale qui sert d'intermédiaire pour réaliser le couplage de la structure selon l'invention à une charge. Sur cette figure, on a représenté le circuit hyperfréquence 1, avec ses cavités 2 et ses ailettes 3, et les éle-#ents actIfs 4 reliés au conducteur central 5 de polarisation par exemple selon le schéma de la figure 2. le circuit hyperfréquence t est placé dans une cavité coaxiale 21, résonnant au mode TE 011 et comportant une sore 13. te circuit t est couplé à la cavité 11 par des ouvertures 12 ratiquee dans la partie périphérique des cavités 2 et, ce, toutes les deux cavités. L'avantage que présente cette configuration par rapport aux précédentes est que la sortie hyperfréquence n'est pas couplée à une seule cavité comme précédemment, ce qui introduit une diss##étrie susceptible de perturber le fonctionnement du système :elle est ici couplée à N cavités, symétriquement réparties. La figure 6 représente un autre mode de réalisation de la structure selon l'invention, dérivée du magnétron dit à cathode inversée. Cette structure comporte une cavité cylindrique 15 à l'intérieur de laquelle est placé un circuit résonnant 14 analogue au circuit 1 des figures précédentes, c'est-à-dire comportant des ailettes 30 et des cavités 20. les ailettes 30 supportent les diodes 4 qui sont alimentées par des connexions 17, traversant la paroi 15 (ouverture 16), et sont en contact avec cette paroi 15 du point de vue de la haute fréquence (connexion capacitive 18). les autres éléments de la structure, et notamment ceux qui visent à l'élimination des modes parasites, sont analogues à ceux qui sont décrits précédemment. Dans le mode de réalisation représenté, c'est l'élément central t4 qui constitue la masse, l'alimentation continue étant réalisée à travers la paroi 15. Il est bien entendu possible, de façon analogue à ce qui est décrit sur les figures précédentes, de réaliser l'alimentation en continu par l'élément t4 et de mettre la paroi 15 à la masse, à condition d'inverser le sens dé connexion es diodes. Par ailleurs, le circuit résonnant hyperft#écuece utilisé dans l'invention doit comprendre 2E résonateurs, mais ceux-cl peuvent être réalisés de f çor quelconque :la figure 7 i#-lustre autre mode de réalisation de la structure selon l'invention ipr,9 lequel le circuit résonnant n'est plus du type anode de magnétron. Ce circuit résonnant porte la référence globale 22. T- est par exemple circulaire et constitué par un disque 32 portant 2-4 ailettes 23 perpendiculaires au disque 32, disposées radialement et délimitant entre elles SI cavités résonnantes 29.Sur chaque ailette 23 est connectée une diode 4, reliée - d'une part à un couvercle 25, recouvrant disque 32 et ailettes 23, du point de vue du courant hyperfréquence c'est-à-dire Xar l'intermédiaire d'une capacité 18 - d'autre part à la polarisation (extérieure) par une connexion 17 traversant le couvercle 25 par une ouverture 26. le dispositif comporte encore une cavité cylindrique 27, placée sous le disque 32. Cette cavité 27 fonctionne sur le r#-.oue T1T 010 elle est couplée au circuit résonnant 22 par l'intermédiaire d'ou- vertures 24 pratiquées dans le disque 32, toutes les deux cavités (29). La cavité 27 comporte une sortie 28 nour l'énergie byperfré- quence. le fonctionnement d'une telle structure est analogue à celui des précédentes, et notamment à celui de la figure 5, la cavité cylindrique 27 servant de la même manière que la cavité coaxiale 21 (figure 5) d'intermédiaire pour réaliser le couplage de la structure à une charge. De meme encore que dans les modes de réalisation précédents, les modes de fonctionnement parasites peuvent être éliminés par des straps. la figure 8 représente un détail de réalisation de la structure selon l'invention, concernant la mise en place de chacune des diodes 4. Cette figure est une vue en coupe partielle dans le même plan que celui de la figure t, sur laquelle on a représenté une portion d'ailette 3 percée d'une cheminée 31 ; dans la cheminée 31 est introduite une pièce 40 servant de support à la diode 4. les moyens de positionnement et de fixation de la pièce 40 dans la cheminée 31 sont classiques (vissage par exemple). Une connexion t9 réunit l'autre extrémité de la diode 4 à la polarisation, c'est-à-dire vers la connexion 6 de la figure 2 ou la connexion t7 de la figure 6. Dans une variante de réalisation, non représentée, le support de la diode peut être constitué simplement par l'ailette 3-ellemême. Il est ainsi possible de réaliser, avec une structure telle que celle qui vient d'être décrite, l'anociation d'un grand nombre d'éléments actifs afin de constituer des sources ou des amplificateurs (à réflexion) débitant une puissance de beaucoup supérieure à ce qu'on sait obtenir avec un seul élément actif à l'état- solide, l'ensemble réalisé étant compact et ne dégradant pas le rendement de chacun des éléments actifs utilisés. RBV#E?-tD-ICAT IONS 1. Structure hyperfréquence active, comportant un circuit résonnant et des composants hyperfréquence actifs, caractérisée par le fait que ledit circuit résonnant comporte SE résonateurs, N étant un entier, et que lesdits composants sont au nombre de 2N et connectés audit circuit résonnant de façon à pouvoir fonctionner deux à deux en opposition de phase, ladite structure comportant de plus des moyens de polarisation desdits composants. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chacun desdits -composants est une diode semi-conductrice capable de présenter une résistance négative en haute fréquence. 3. Structure selon~l'#~ne des revendications pr-cédentes, caractérisée par le fait que lesdits composants sont sensiblement identiques. 4. Structure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit circuit résonnant est du type anode de magnétron à ailettes, comportant 2N cavités séparées tar des ailettes, et que lesdits composants sont connectés directement auxdites ailettes et reliés entre eux par l'intermédiaire de moyens de liaison, d'une part pour ce qui est du courant électrique haute fréquence et d'autre part pour ce qui est de leur POlariSaviOn, lesdits moyens de polarisation comportant un conducteur passant sensiblement suivant l'axe dudit circuit résonnant. 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée par le fait que lesdits moyens de liaison comportent une première série de connexions reliant les composants adjacents deux par deux, chacune desdites connexions présentant une admittance interdisant les oscillations de ladite structure sur un mode autre que celui où deux composants adjacents sont déphasés de n ; lesdites connexions de la première série étant reliées séparément par une seconde série de connexions audit conducteur de polarisation ; lesdites connexions de la seconde série étant reliées entre elles par l'intermédiaire de capacités. 6. Structure selon la revendication 4, caractérisée par le fait que celles desdites ailettes qui sont séparées par une ailette sont réunies deux par deux par des conducteurs, ou straps, présentant une admittance interdisant les oscillations de ladite structure sur un mode autre que celui où deux composants adjacents sont déphasés de n 7. Structure selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée par le fait que ledit circuit résonnant est placé dans une cavité coaxiale comportant une sortie hyperfréquence et que circuit résonnant et cavités sont couplés entre eux par des ouvertures ménagées dans une desdites cavités sur deux. 8. Structure selon l'une des revendications t à 7, caractérisée par le fait que sont placées sur chacune desdites ailettes une pluralité de composants montés en parallèle. 9. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, carac'é- risée par le fait que ledit circuit résonnant, comportant des cavités séparées par des ailettes, de section sensiblement circulaire, est placé dans une cavité cylindrique, lesdits composants étant connectés entre ledit circuit et ladite cavité cylindrique. 10. Structure selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la-polarisation desdits composants est assurée par l'in termediaire dudit circuit résonnant. 11. Structure selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la polarisation desdits composants est assurée à travers des ouvertures pratiquées dans ladite cavité cylindrique. 12. Structure selon l'une des revendications t à 3, caractérisée par le fait que ledit circuit résonnant est constitué par 2N cavités résonnantes, séparées par 2N ailettes, placées circulairement dans un même plan, et que lesdits composants sont connectés directement auxdites ailettes et reliés entre eux par l'intermédiaire de moyens de liaison, d'une part pour ce qui est du courant électrique haute fréquence et d'autre part pour ce qui est de leur polarisation. 13. Structure selon la revendication t2. caractérisée tar le fait que ledit circuit résonnant est couplé à une cavité résonnante cylindrique assurant la sortie de l'énergie hyperfrêquence, ledit couplage étant réalisé entre une sur deux desdites cavités du circuit résonnant et ladite cavité cylindrique. 14. Oscillateur hyperfréquence, caractérisé par le fait qu'il comporte une structure selon l'une des revendications précédentes. 15. Amplificateur hyperfréquence, caractérisé par le fait qu'il comporte une structure selon l'une des revendications précé- dentes.