Brevet FR2458175A1 — publié le 19801226

L'invention concerne un oscillateur stabilisé à ltétat solide, capable de fonctionner à plusieurs fréquences, dans le domaine des hyperfréquences notamment. Elle concerne aussi l'un des modes de réalisation d'un tel oscilateur. I1 ntest pas possible en général de réaliser un oscillateur capable de fonctionner sur une large bande de fréquence (10% par exemple) d'une part, et bénéficiant de très bonnes caractéristiques de bruit d'autre part. En effet, une bande large est associée à une faible surtension du circuit résonant, tandis que les performances en bruit sont d'autant meilleures que la surtension est élevée. Pour lever cette contradiction, on utilise généralement une batterrie d'oscillateurs à fréquence fixe possédant de bonnes caractéristiques de bruit,que lton commute sur la charge à alimenter de façon séquentielle, ou pseudo-aléatoire dans le cas des oscillateurs agiles. Dans ltétat actuel de la technique, cette commutation entre les diverses sources et la charge s'effectue notamment à l'aide de diodes PIN qui, selon leur polarisation, se comportent comme des courts-circuits ou des circuits ouverts, ctest-à-dire comme des interrupteurs. Une telle disposition présente ltinconvénient que certaines portions des lignes de liaison des différentes diodes PIN restent couplées à ltoscillateur même lorsque les interrupteurs sont ouverts. Ces portions exercent une influence sur le fonctionnement de l'oscillateur en circuit, et compliquent fortement la réalisation d'un tel ensemble. De plus, d'une part la consommation des diodes PIS n'est pas négligeable et,d'autre part,leur temps de recouvrement limite la vitesse de commutation d'un oscillateur à l'autre. L'invention a pour objet un oscillateur quiévite notam ment ces inconvénients. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent : - Ligures 1, 2 et 3 : des vues schématiques d'oscillateur multifréquences de l'art antérieur - Figure 4 : un abaque concernant ltoscillateur de la figure 3 - Figures 5 et 6 : des schémas relatifs à un exemple d'oscillateur multifréquences de l'invention - Figures 7, 8, 9 : un abaque analogue à celui de la figure 4, pour l'oscillateur de l'invention, suivant la figure 6 - Ligure 10 : un mode de réalisation de l'oscillateur de la figure 6. La figure 1 représente schématiquement un oscillateur multifréquence de l'art antérieur comprenant n éléments oscil lateurs 1 2 n oscillant sur les fréquences 12 2...f 2 "1 2 n reliés à la charge ZL et munis chacun d'un $interrupteur (sans repères). La figure 2 montre plus en détail le méme oscillateur limité à deux éléments 1 et O2. Bes repères P1 et P2 désignent deux diodes PIN utilisées comme interrup 1 2 seurs associés aux éléments O1 et O2 ; l'interrupteur P1 est ouvert lorsque l'interrupteur P2 est fermé et l'inversement. B1 et B2 désignent les tronçons de ligne raccordant le point de jonction J aux interrupteurs P1 et P2 respectivement,et ZL la valeur de l'impédance de charge apparaissant au point J (on admet comme négligeable le tronçon de ligne reliant la charge ZL à J). La condition à remplir pour l'oscillation est qu'en un point quelconque de la ligne reliant l'oscillateur à sa charge ZL (le point j sur la figure 1), Zosc désignant l'impédance ramenée de l'oscillateur en ce même point, la relation com plese ci-des ous soit vérifiée : ZL + Zosc = 0 Dans cette équation, la relation entre les parties imaginaires définit la fréquence de fonctionnement de ltoscil- rateur. Dans l'exemple considéré, l'interrupteur P1 étant ouvert, la ligne ouverte B1 en trait épais, se trouve en paral- I lèle sur la charge pour lwoscillateur 02,et influe donc sur la fréquence de ce dernier.En conséquence, pour déterminer la fréquence de chaque oscillateur, il faut tenir compte du circuit ouvert de l'autre,qui se trouve en parallèle sur la charge . Selon une autre disposition de l'art-antérieur, schématisée sur la figure 3, un élément oscillateur D, en série avec une capacité variable V, alimente la charge ZL. Un circuit résonant R0, de stabilisation, est couplé par mutuelle inductance à la ligne de transmission L adaptée, reliant l'élément D a la charge ZL ; on a Zc = ZL, Zc représentant l'impédance caractéristique de la ligne de transmission en question, 50 ohms par exemple. L'élément oscillateur D est une diode à résistance négative, de type Gunn ou à avalanche, dtimpédance ZD, tandis que la capacité variable V consiste,par exemple,en une diobe à l'état solide à capacité C variable.Une telle diode, connue-de l'art, est une diode à barrière de surface ou du type Schottky, polarisée en inverse, dont l'étandue de la zone désertée est réglée par la tension de polarisation qui lui est appliquée. Un telle diode, permet de grandes variations de capacité.-Il s'avère néanmoins que ces variations sont insuf fisantes pour permettre des variations de la fréquence d'oscillation couvrant la plage des fréquences de fonction- nement requises dans certaines applications. Ce point est précisé à l'aide de la figure 4. Cette figure est un abaque de Smith sur lequel est représentée l'impédance de la diode i résistance négative (-ZD) supposée l'impédante de la fréquence et fonction uniquement du niveau HF. On a représenté de plus, l'impédance du circuit en fonction de la fréquence pour deux valeurs de la capacité variable CV = C0 et CV = C1 respectivement.Dans le cas CV = C0 la condition d'oscillation est remplie, et le point de fonctionnement est le point A dgls l'autre cas,au contraire, c'està-dire pour Cv = a1 le cercle de résonance dû au circuit oscillant couplé R0 est déplacé par la variation de capacité de L'élément V,comme le montre le dessin, et la condition d'oscillation n'est pas réalisée. Ce montage est d'utilisation courante dans les oscillateurs à large accord électronique avec des circuits oscillants faiblement surtendus la variation de la capacité de l'élément V déplace le cercle de résonance qui, dans ltexemple considéré reste tangeant au cercle de partie réelle égale à 1, (en trait interrompu),ce qui assure l'intersection avec la droite dtim- pédance de diode (-ZD), et la variation désiré de la fré- quence d'oscillation. Il est généralement difficile, cependant,de déplacer suffisamment ce cercle pour interdire l'oscillation sur une fréquence f1, dés que celle-ci s'écarte de plus d'une certaine quantité de la fréquence f0, par la variation C1-C0 de la capacité V qui, bien qutimportante, ne dépasse guère généralement quelques dixièmes-de picofårads. La figure 5, sans être le schéma complet d'un oscillateurs multifréquences de l'invention, donne la modification principale apportée par l'invetion aux oscillateurs de l'art antérieur, tels que ceux dont la structure fait l'objet de la figure 3, pour augmenter leurs possibilités en fréquences. La capacité variable est accordée par une self-induc- tance Lv avec laquelle elle forme un circuit oscillant 1, résonnant à la fréquence f0 pour une valeur de la capacité V égale à C0 (CV = C0), intermédiaire entre deux valeurs maximale et minimale de cette capacité, respectivement C1 et C2. L'ensemble est couplé au circuit comprenant la diode D par l'intermédiaire d'un circuit résonant 2 accordé à la même fréquence f0 et composé des éléments LT1, Lt2 et CT. L'impédance Z ramené en série avec~la diode à résistance négative D dans la ligne de transmission X est dans ces conditions : Formule dans laquelle M1 et M2 sont les coefficientes de mutuelle conductance entre les circuits 1 et 2 d'une part et entre le circuit 2 et la ligne de transmission X, d'autre part, et ou #0 etuo désignent respectivement les pulsations correspondant aux fréquences f0 et f ; on a # = 2#f. Il ressort de cette formule qu'en agissant sur ces couplages il est possible d'assurer l'oscillation sur la fréquence f0 pour CV = C0 et l'interdire pour CV = C1 ou CV = C2 La figure 6 représente un exemple de ltoscillateur de l'invention, conforme au schéma de la figure 5 précédente, comportant trois circuits résonants distincts à forte surtension, accordés respectivement sur les fréquentes f0, f1 et f2. B'oscillateur peut être calé sur l'une de ces fréquences à ltexclusion des deux autres, comme le montre les diagrammes des figures 7, 8 et 9 analogues à celui de la figure 4 considéré précedement à propos de l'art antérieur selon la figure ). Il est possible, par déplacement des cercles correspondants, d'atteindre les points de fonctionnement a1 a2 a3 sur les fréquences f0, f1 et f2 respectivement. L'oscillateur de l'invention constitue ainsi une source multifréquences d'ondes radioélectriques, à commande par diode à capacité variable. Dans ltexemple de la figure 6, il s'agit d'une source tri-fréquences,mais il va sans dire que sont également comprises dans l'invention les variantes comprenant un plus grand nombre de circuits résonants. On remarquera qu'avec un oscillateur comme celui de la figure 6, dans lequel ,on aurait retiré le circuit R0, deux états seraient seuls possibles, correspondant aux fréquences f1 et f2 pour les veleurs C1 et C2 de la capacité CV de la diode V et que pour CV = C0, cet oscillateur ne peut osciller ni sur f1 ni sur f2. B'oscillateur de l'invention constitue donc notamment wne source à trois états dont d-eux seulement donnent une oscillation. Cet oscillateur est particulièrement facile d commander, par basculement de la tension de polarisation de la diode à capacité variable V entre trois valeurs. C'est un oscillateur bi-fréence à trois états. Enfin, en associant plusieurs de ces oscillateursbi- fréquence à la meme charge,ZL dans ce qui--précède,il Ust possible de disposer d'une source multifréquence, à fréquence ajustable sur une série de paires de valeurs, par simple basculement de la tension de polarisation des diodes à capacité variable de chaque oscillateur entre troisvaleurs pré-déterminées. On obtient aisement de cette manière dix fréquences entre 9 et 10 gigahertz. L'ensemble de ces oscillateurs se comporte comme un systhétiseur qui ne comprendrait pas de multiplicateur de fréquence. Bes oscillateurs de l'invention trouvent une de leurs applications dans la réception radar, comme oscillateurs locaux, dans tous les cas ou une certaine agilité de fréquence est requise notamment. La figure 10 montre un exemple de réalisation de 1TOBCi1 lateur de l'invention dans la technique micro-bandes, dans laquelle les lignes de transmission sont réalisées par des dépôts conducteurs linéaires exécutés sur l'une des faces d'un substrat isolant, en silice, alumine..., dont la face opposée est entièrement recouverte d'un autre dépôt conducteur ou est en contact avec une plaque de métal. La figure est une vue en plan du substrat plat 100. On retrouve sur cette figure la diode D à résistance négative et la diode à capacité variable V, composants discrets par esemple,rapportés sur le substrat, dans les conditions connues de la technique, aus deux extrémités de la ligne de transmission U, ainsi que la charge ZL. Les repères U1 et U2 désignent deux tronçons de lignes coouplées quart d'onde à la fréquence f0 (# = 2 # f0) et S1 un tronçon de ligne de longueur inférieure à #/4, connecté à l'un des conducteursrde la ligne, U1, permettant d'accorder la diode à capacité variable à la fréquence f0 pour CV = C0. Cette doide est montée l'un de ses électrodes à la masse elle en est découplée par la capacité r distante le #/4 du côté de la polarisation P. Dans la vue de la figure 4 10, pour la compréhension, on a représenté les masses, bien que celles-ci soient prises généralement sur la plaque conduc trice recouvrant la face du substrat opposée i celle visible sur la figure. Les circuits résonants R0 R1 et R2 consistent, dans l'exemple, en des résonateurs diélectriques en forme de cyLindres, tels que connu de la technique des microondes ils sont posés sur le substrat à des distances de la diode D h qui sont des multiples de 4, dans le voisinage de la ligne de transmission U et de l'autre coté des tronçons U1 et U2 ils opèrent entransmission. Bes mutuelles M1 et M2 de la figure 5 sont respectivement celles des tronçons de ligne couplées Ilgnes couplées quart d'ondes U1 et U2 la self-inductance de la même figure est celle du tronçon S1. R E V E N D I C A T I O N S 1. Oscillateur multifréquences stabilisé i l'état solide comprenant une diode à résistance négative reliée à une charge par une ligne de transmission, des moyens produiSant dans cette ligne un effet de capacité variable,laquelle capacité détermine la fréquence de fonctionnement de ltoscillateur, et des moyens stabilisant le fonctionnement sur cette fréquence, caractérisé en ce que lsseffet de capacité variable est produit par une diode à ltétat solide dont la capacité varie avec la tension de polarisation inverse qui lui est appliquée, accordée par une self-inductance formant avec elle un circuit résonnant à une fréquence donnée f0, couplé à la ligne de transsission par un autre circuit résonnant d la même fréquence f0, et caractérise, en outre, en ce que les moyens de stabilisation consistent en autant de circuits résonants couplés à la ligne de transmission accordés, l'un sur la fréquence f0, et les autres, chacun, sur l'une des fréquences de fonctionnement de ltoscillateur autour le cette fréquence f0. 2. Oscill-ateur multifréquences stabilisé à ltétat solide suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat plat isolant rendu Conducteur de ltélect-ricité sur une de ses facesconstituant la masse, et dont l'autre face comporte des dépôts linéaires conducteurs de ltélectricité consistant 8 en ::- a) - un tronçon de lignes couplées quart d'onde à la fréquence~fO, à l'entrée duquel est connectée l'une des électrodes de la diode à résistance négative,dont l'autre électrode est reliée à la masse b) - un tronçon de conducteur adapté à la charge, reliant la sortie du tronçon précédentà cette charge c) - un second tronçon de lignes couplées quart d'onde à la fréquence f0 dont l'entrée est connéctée au premier tronçon (a) et dont la sortie est reliée à l'une des électrodes de la diode à capacité variable, dont l'autre électrode-est reliée à la masse, par l'inermédiaire d'un tronçon~de ligne formant avee-eette dernière un circuit résonant série à la fréquence f0, les résonateurs diélectriques aux fréquences f0 f1 f2 étant posés sur cette autre face du substrat dans le voisinage du tronçon de conducteur (b).