Brevet FR2459582A1 — publié le 19810109

L'invention concerne un oscillateur stabilisé pour ondes radioélectriques dans le domaine des hyperfréquences, L'oscillateur de linvention présente une structure générale qui rappelle celle des amplificateurs paramétriques. Il permet i'obtention d'une onde haute fréquence stabilisée sur une fréquence f'. Les amplificateurs paramètriques comprennent trois parties essentielles, correspondant à trois fréquences fs' fp et fo0 qui coopèrent entre elles comme il va être rappelé. Une première source de fréquence fs est assistée par une seconde source à la fréquence de pompe fp,placée en paral- lèle avec elle aux bornes d'une capacité non linéaire,ou paramètrique, dont la valeur C (V) varie avec la tension appliquée à ses bornes.. la capacité C (V) se comporte comme une résistance négative pour le signal de fréquence- fs, qui se trouve amplifié, en même temps qu'apparaît, dans une troisième dérivation, aux bornes de la capacité, un signal à la fréquence fo,égale à la différence des deux fré- quences fp et fs; on a fo = fp - fs p T fp - s ?O. L a fréquence fpou fréquence de pompe,est en général très supérieure à la fréquence fs du signal,et le niveau de puissance à dette fréquence f très supérieur à celui du p signal sur f La source à la fréquence de pompe fp modifie l'impédance à la fréquence f etpermet i'ampli- fication sur cette fréquence. La fréquence f est elle-m5me très supérieure à la o fréquence f s la même diz.position est utilisée danLs l'invention dans un autre but, celui de stabiliser une fréquence d'oscillation. 0 La fréquence stabilisée dans le dispositif de l'invention est la eréquence f. On ne reviendra pau sdtage ici sur la tli.oAe hé.- amplifieteuirs tara ique.... .....le on. pourra se repor- ter à l'ouvrage de W.H. louisell - Coupled Mode and Parametric Electronics - Wiley and Sons - N.Y 1960. On fera simplement remarquer que dans le cas de l'invention, cette disposition permet d'employer à la stabilisation de la fréquence fo des éléments résonnantt à une fréquence f. sensi- blement plus faible et capables,de ce fait,d'un meilleur coefficient de qualité. la fréquence fo est obtenue par trans- position, ou conversion, de fréquence,avec un rapport bruit/ signal très voisin de celui qu'on obtiendrait à une fréquence stabilisée directement par le circuit à fort coefficient de qualité. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent - Figure 1: le schéma d'un amplificateur paramétrique, tel que connu de l'art. - Figure 2: le schéma d'un oscillateur stabilisé de l'invention. - Figure 3: Un autre schéma relatif au même oscillateur. - Figures 4 et 5: Deux variantes de réalisation à l'état solide de l'oscillateur de la figure 3. Lia figure 1, donne le schéma d'un amplificateur para- mètrique, connu de l'art. Une source appelée pompe fournit une tension de grande amplitude de fréquence f aux bornes de la capacité C (V),dont la valeur dépend de la tension qui est appliquée entre ses armatures. Un signal incident, à la fréquence f., est fourni par un générateur V5 monté à l'entrée de l'une des voies, 1 d'un circulateur A, dont les deux autres voies débouchent l'une, repère 2, sur la capacité C (V) précédente, et l'autre, repère 3, sur une résistance de charge Rs. En fonctionnement, l'onde à la fréquence fs emprunte la voie 2 vers la capacité C (V), flèche coudée inférieure; elle est amplifiée par réflexion vers la voie 3 qu'elle emprunte au retour, flèche coudée supérieure, vers la résistance de charge R S. En même temps,dans une troisième dérivation,est engendré un signal à la fréquence f reliée aux fréquences précédentes f et f com- o p s me déjà indiqué. La fréquence f est couramment dans un amplifi- cateur paramètrique de plusieurs fois à plusieurs dizaines de fois, la fréquence fs; le gain en puissance est couramment de l'ordre de 10 à 15 décibels. Sur la figure R, R et Rp désignent,respectivement,la résistance de perte série de la capacité C (V) et des dériva- tions aux fréquences f et fp;les rectangles représentent des filtres passe-bandes aux différentes fréquences. Dans un amplificateur parambtrique, la puissance dispo- nible sur la fréquence f reste inutilisée. le même dispositif peut servir à engendrer della puis- sance haute fréquence utilisée sur la fréquence fo. Pour cela, certaines conditions d'impédance doivent 8tre réalisées. En supposant que Zc (fp) représente l'impédance de la capacité non linéaire C (V) à la fréquence de pompe fp compte tenu des impédances des deux autres dérivations, et jXp + Rp l'impédance de la branche de fréquence fp, on doit avoir Zc (fp) + Rp + jXp = 0. (I) De même, si Zc (fs) désigne l'impédance de la capacité C (V) à la fréquence fs, pour qu'une oscillation s'établisse à la fréquence fs, on doit avoir entre l'impédance Zs de la branche à la fréquence fs et l'impédance Zc (fs) précédente la relation: Zs + Zc (fs) = o. (II) Si ces deux conditions sont satisfaites, une puissance est disponible sur la fréquence fo, créée par combinaison des fréquences fs et fp, qui peut être extraite dans une charge d'utilisation appartenant à un circuit résonant, monté dans la branche à la fréquence f et accordé sur cette fréquence; Z représente l'impédance de cette charge. o Dans l'oscillateur de l'invention, ces conditions sont réalisées. En outre, le générateur de la fréquence de pompe f p est un élément dipôle à résistance négative. Le schéma en est donné sur la figure 2, ou l'on re- trouve, avec les mêmes notations, les dérivations de la figure précédente,à cela près que les éléments de la dérivation de pompe sont affectés ici de l'indice D au lieu de l'indice p, comme ils le seront dans la suite,pour rappeler que le généra- teur de pompe est un dipôle D à résistance négative -RD; on a - R = R. On voit sur ce schéma, d'une part, le circuit résonant p d'impédance ZO dont il a été question plus haut, aux bornes duquel est recueillie la puissance engendrée sur la fréquence fo, et d'autre part, dans la dérivation fs, un second circuit résonant. Ce circuit est le circuit à grande surtension, sur la fréquence f, dont il a été question plus haut. Les circuits résonar-- portent les références CO et C. Il apparaît ainsi que, dans l'oscillateur de l'invention, le dipôle à résistance négative se trouve intégré au dispo- sitif et ses conditions de fonctionnement déterminées par l'en- semble des paramètres des trois dérivations; le gain notamment, dans la branche f,,est suffisamment-élevé pour assurer l'oscil- lation du système. Ces conditions d'oscillation font l'objet de la figure 3, dans laquelle sont précisées les impédances (Z),les courants (I) et les puissances (P) dans chacune des branches refermées sur la capacité. La flèche qui accompagne chaque impédance,dirigée vers la capacité C (V) indique la valeur de cette impédance telle qu'elle est vue par la capacité C (V). Les signes dont sont affectés les puissances indiquent s'il y a consommation de puissance ou génération dans-le circuit correspondant. On voit sur cette figure que,dans l'oscillateur de l'inventionil y a génération de puissance dans les deux déri- vations aux fréquences f0 et f.. Cela signifie que le système permet d'engendrer une puissance haute fréquence aussi bien dans l'une que dans l'autre des dérivations autres que la dérivation à la fréquence de-pompe. Cependant c'est celle sur la fréquence fo, la plus élevée, qui est recherchée dans l'invention; comme on l'a dit, la stabilisation sur cette fréquence est possible par le moyen d'un circuit à plus basse fréquence, et de meilleure qualité,- à savoir celui de la branche f S On notera d'ailleurs que c'est sur la branche f que le bruit est le plus faible. Deux exemples de séries de valeurs de fréquences réali- âables avec le dispositif de l'invention sont: (1) fs = 10 GHz fD = 45 GHz fo =35GHz (2) fs =D0 MHz f = 6 GHz fo = 5,7 GHz, s Do la première avec un résonateur diélectrique, la seconde avec un résonateur à ondes élastiques de surface sur f. On voit que la S fréquence f peut être de l'ordre de 20 fois la fréquence f o S lia puissance PDfournie à la capacité C (V) par la source de pompe,se partage entre les deux autres dérivations suivant la relation: _ =, fs D fo dans le cas d'une capacité C (V)-sans pertes (R = o avec les nota- tions précédentes). On voit, sur cette expression, que la plus grande partie de la puissance fournie par la source de pompe est recueillie sur la fréquence fo. Cette relation se trouve modifiée dans le cas réel avec pertes. Dans ce cas, dès que la puissance de la source de pompe dépasse la valeur nécessaire pour que l'oscillation apparaisse sur les fréquences f et f, la dérivation de pompe est équivalente -à un circuit dont le coefficient de qualité, ou surtension, est du même ordre que celui du circuit à basse fréquence fS, quel que soit le rapport fD' c'est-à-dire même pour des fréquences de pom] Ds très éloignées de la fréquence f les conditions à respecter pour obtenir le niveau néces- saire dans le circuit de pompe,c'est-à-dire les conditions de charge du dipôle à résistance négative, sont analogues à celles à réaliserpour un dip8le monté sur une branche unique, avec une fréquence unique de fonctionnement. L'oscillateur de l'invention trouve une de ses applications dans les installationsde réception radioélectrique, radar:notam- ment, comme source locale. On a raisonné dans ce qui précède sur une capacité non linéaire ou paramétrique C (V). Les mêmes résultats peuvent être obtenus de façon plus générale avec une réactance non linéaire. On notera enfin, que, à fréquence fa donnée,-la fré-. quence f0 peut être accordée par variation de la réactance XD -du dipo8le à résistance négative de pompe (Xp dans l'équation (I)), sans aucune modification corrélative du coefficient de qualité du circuit à fréquence fs. Le dispositif de l'invention est susceptible de réalisa- tions à partir de composants à l'état solide. Deux exemples on sont donnés ci-dessous. Le circuit résonant à haute surtension à la fréquence f est alors un résonateur diélectrique, la s source de pompe une diode Gunn ou à avalanche. Quant à l'élé- ment non linéaire, il consiste,dans le cas d'une capacité-,en une diode à l'état solide à capacité variable, consistant en une diode polarisée en inverse par une tension continue réglable qui fixe l'étendue de sa zone désertée. Les trois dérivations f,f et fD sont constituées de trois tronçons de guide d'ondes des types utilisés dans la technique des micro-ondes. Dans l'exemple de-,réalisation de la figure 4, le réso- nateur diélectrique est désigné par la lettre r, la diode à capacité variable par la lettre V et la diode à résistance négative par la lettre à, diode Gunn dans l'exemple. Le montage des éléments dans les tronçons de guide d'ondes à lieu suivant la pratique connue en cette matière. Les guides d'ondes,à section'rectangulaire, sont représentés en coupe par le plan médian parallèle à leurs petits cotés. F1 et F2 désigne respectivement un filtre coupe-bande et un filtre passebande; le rectangle hachuré est un court-circuit qui ferme le guide horizontal à l'une de ses extrêmités,dont l'autre débite sur l'impédance de charge non représentée, Z0 à la fréquence fo, dans les conditions d'adaptation habituelles. le guide est à la coupure pour la fréquence fD dans sa partie à droite de F2. Dans une variante à la disposition précédente repré- sentée sur la figure 5, la diode,à avalanche, joue à la fois le rôle de source à la fréquence de pompe et d'inductance paramètrique. Dans ce cas,la diode à capacité variable V sert simplement à l'accord électronique en fréquence. Elle peut être supprimée; on lui a conservé la même repère V. Les résonateurs r sont des cylindres, en l'un des maté- riaux utilisés habituellement à cette fin. Les sources de tension, dont le montage dans le dispo- sitif relève de l'art connu, n'ont pas été représentées sur les dessins. REVENDICATIONS 1. Oscillateur pour hyperfréquences stabilisé,à conversion de fréquence, pour la production d'une onde sur la fréquence fo, composé de trois branches montées en parallèle sur une réactance non linéaire, dont la valeur dépend de la tension appliquée à ses bornes, caractérisé en ce que l'une des bran- ches comporte un circuit résonant à la fréquence fs, la deuxième un circuit résonant à la fréquence f et la troisième un dipôle à résistance négative fournissant une onde de pompe sur la fréquence fp, sensiblement supérieure à la fréquence fs précédente, et telle que fo = fp - fs 2. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la réactance non linéaire est constituée par la capacité d'une diode à l'état solide polarisée en inverse par une tension réglableet en ce que le dipôle consiste également en une diode à l'état solide, à résistance - négative. 3. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que ces deux diodes sont distinctes. 4. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la revendi- cation 2, caractérisé en ce que ces deux diodes sont confondues en une seule. 5. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que les deux diodes sont montées dans le plan médian d'un tronçon de guide d'ondes à section rectan- gulaire, parallèle à ses petits côtés, ce tronçon étant fermé, à l'une de ses extrémités, sur un court-circuit et à l'autre, sur la charge dans laquelle est recueillie l'onde à la fréquence f, ce tronçon formant un T avec un autre tronçon de guide d' ondes rectangulaire, auquel il est raccordé par son grand c8té et dans lequel est placé le circuit résonant à la fréquence fs 6. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la reven- dication 5, caractérisé en ce que le circuit résonant sur la fréquence f est un résonateur diélectrique. s 7. Oscillateur pour hyperfréquences suivant la reven- dication 4, caractérisé en ce que la diode à résistance négative et à réactance non linéaire est montée dans le plan médian d'un tronçon de guide d'ondes à section rectangulaire parallèle à ses petits cotés, ce tronçon étant fermé, à l'une de ses extré- mités, sur un court-circuit et à l'autre, sur la charge dans laquelle est recueillie l'onde à la fréquence fo, ce tronçon formant un T avec un autre tronçon de guide d'ondes rectangulaire, auquel il est raccordé par son grand côté et dans lequel est placé le circuit résonant à la fréquence f5.