Brevet FR2474786A2 — publié le 19810731

FR 2474786 A2 19810731 FR 8001896 A 19800129 La présente invention qui est une addition au brevet principal n0 79/06745 déposé le 16 mars 1979, concerne les dispositifs discriminateurs de fréquence, plus particulièrement utilisés dans les oscillateurs des équipements hyperfréquences. Les oscillateurs de faible puissance utilisés dans le domaine des hyperfréquences et nécessitant une bonne stabilité en fréquence sont souvent du type à quartz. Ils comportent alors au moins un étage délivrant un signal à une fréquence correspondant au quartz choisi suivi d'un multiplicateur de fréquence permettant d'obtenir des fréquences de l'ordre de lO GHz. La sortie de ce multiplicateur de fréquence est souvent reliée à un amplificateur permettant d'obtenir la puissance désirée. Toutefois ces oscillateurs présentent deux inconvénients qui peuvent s'avérer gênants dans certains équipements ; d'une part la fréquence est fixe et d'autre part le bruit de phase propre à l'oscillateur à quartz de base remonte proportionnellement au rang de la multiplication de fréquence, ce qui est gênant pour des fréquences très élevées. On peut utiliser également des oscillateurs à circuit résonnant comparables à ceux utilisés dans les équipements radioélectriques fonctionnant en moyenne et haute fréquence. Dans le domaine des hyperfréquences, ils peuvent etre réalisés par exemple à l'aide de cavités ou de résonateurs à lignes sur substrat, en technique "micro-strip" ou "triplaque" et d'éléments actifs comme les diodes de type "gunn" ou "avalanche". Les oscillateurs ne présentent cependant pas une stabilité en fréquence et phase suffisante pour les équipements modernes. Suivant l'art antérieur on réalise cette stabilité en fréquence de ces oscillateurs a lignes et éléments actifs du type, par exemple, des diodes "gunn" ou "avalanche", par une boucle de verrouillage de fréquence utilisant une ligne à retard acoustique. On obtient alors des oscillateurs appelés oscillateurs à compression de bruit. Ces lignes acoustiques sont de coût élevé et limitées actuellement aux fréquences de la bande X, gamme dans laquelle les oscillateurs à quartz ont de meilleures performances de bruit de fréquence et de phase. De plus elles sont limitées fortement en puissance, et présentent des pertes pouvant aller jusqu'à 30 ou 40 dB, et introduisent un retard # important créant des ambiguités sur la fréquence de référence égales à . Cette ambiguité peut etre alors tous les 2 MHz si # = 0,5 sec. Le dispositif selon l'invention a pour objet un discriminateur de fréquence permettant le verrouillage en phase des oscillateurs, auxquel#s il est asso ci. L'un des avantages d'un tel discriminateur est de supprimer l'utilisation des lignes acoustiques li mitant les oscillateurs à des fréquences de 10 GHz. Le dispositif discriminateur de fréquence selon l'In#ention comporte au moins, un premier moyen de couplage connecté à la sortie du circuit oscillant autel il est associé, délivrant sur ses deux sorties une onde d'amplitude A correspondant à la moitié de la puissance délivrée par l'oscillateur, un second moyen de couplage connecté au premier par une liaison directe et une liaison introduisant un retard Z par rapport à la liaison directe, ce second moyen de couplage ayant l'une de ses deux sorties délivrant un signal # représentant la somme des signaux qui sont appliqués à ses entrées et la seconde sortie délivrant un signal différence des signaux appliqués à ses entrées, un troisième moyen de couplage connecté en sortie du second moyen et recevant par ailleurs un signal issu d'un quatrième coupleur monté sur la liai son directe ou sur la liaison introduisant un retard Z, la ou les sorties de ce troisième moyen de couplage étant reliées à un circuit de détection. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaitront dans la description qui suit, donnée à l'aide des figures qui représentent - la figure 1, le bloc diagramme général d'un oscillateur à discriminateur de fréquence ; - la figure 2, un schéma d'un discriminateur de fréquence utilisant une ligne acoustique, montée dans l'oscillateur de la figure 1 - la figure 3, un schéma vectoriel illustrant les opérations faites par le dispositif selon l'invention - la figure 4, un schéma détaillé du dispositif selon l'invention ; - la figure 5, un exemple non limitatif de réalisation du dispositif selon l'invention. Un oscillateur à boucle de verrouillage en fréquence co.nt#nandée par un circuit discriminateur de fréquence est représenté par le bloc diagramme de la figure 1. Il comporte un circuit oscillateur proprement dit 1, dont la sortie est connectée à l'entrée d'un discriminateur de fréquence 2. Celui-ci délivre sur une sortie S l'onde stabilisée en fréquence et sur la seconde un signal, dont l'amplitude varie avec l'écart par rapport à la fréquence d'accord, appliqué à l'entrée d'un amplificateur 3 ; la sortie de celui-ci est connectée à la commande en fréquence du circuit oscillateur 1. Le fonctionnement d'un tel oscillateur à boucle de verrouillage est le suivant, donné à l'aide de la figure 2. Le discriminateur 2 reçoit le signal de sortie de l'oscillateur 1. Il compare la fréquence f de celui-ci avec une fréquence de référence fO déterminée par une ligne à retard 4 présentant un retard Z . Un signal dont l'amplitude est fonction de l'écart de fréquence f - f0 permet de faire varier la fréquence f de l'oscillateur 1, en agissant par exemple sur la tension d'une diode varaçtor. La figure 2 montre un schéma du discriminateur de fréquence utilisé dans le type d'oscillateur de la figure 1. Il comporte un coupleur 40 délivrant le signal utile de sortie à une borne S, un coupleur 5 permettant de diviser l'onde incidente en deux ondes d'inégale puissance et donc d'amplitude différente. Ce coupleur 5 est connecté à deux lignes de transmission 4 et 16. La ligne la plus courte 16, est une ligne transmettant directement l'onde électromagnétique issue du coupleur 5 à la première entrée d'un second coupleur 6. La seconde ligne 4, est une ligne acoustique comprenant à son entrée un transducteur émetteur, transformant l'onde électromagnétique en onde ultrasonore, et à sa sortie un transducteur récapteur retransformant l'onde ultrasonore en onde électromagnétique qui est appliquée à la seconde entrée du coupleur 6. La vitesse des ondes sonores dans un milieu quelconque, étant beaucoup plus faible que la vitesse des ondes électromagnétiques dans une ligne de transmission, les ondes issues de la ligne de transmission 4 sont en retard d'un temps t de valeur importante par rapport à celles issues de la ligne de transmission 16. Le signal issu du coupleur 6 est transformé en un signal dont l'amplitude croit avec l'écart de fréquence f - f par un circuit détecteur 7. Dans cet exemple f est déterminé par une coincidence de phase des deux ondes aux entrées du coupleur 6, donc par la relation fO = kl où k est un nombre entier positif. Les lignes acoustiques introduisent un retard important du fait de la grande différence de vitesse, celui-ci atteint couramment des valeurs de l'ordre de 0,5 p sec. Cette grande valeur de t provoque donc une ambiguité sur la fréquence f qui dans l'exemple précédent se répète tous les 2 MHz.Le signal sortant du détecteur 7, a pour amplitude A sin t où T = 2 Tr (f - fO) ) ; cette expression en général peut s'écrire A t car l'angle reste suffisamment petit du fait de la valeur du produit t (f - fO). Si le retard t est diminué, de façon à ce que les fréquences ambiguës soient plus espacées, le produit A diminue, ce qui entraîne une diminution du gain de boucle. De plus le détecteur, par exemple constitué de diodes "Schottky", est toujours limité en puissance ce qui entraîne par conséquent une limitation sur A également, accentuant le manque de sensibilité de la boucle, fonction de l'amplitude du signal à l'en trée de l'amplificateur 3. Les inconvénients des dispositifs suivant l'art antérieur dépendent donc fortement de l'utilisation d'une ligne acoustique et de la puissance limitée que l'on peut appliquer à L'entrée du détecteur 7. Le dispositif selon l'invention tend à supprimer ces inconvénients. La ligne acoustique de retard est remplacée par une ligne de transmission électromagné tique qui introduit toutefois un retard t petit, pou- vant être par exemple de 5 n sec, beaucoup plus petit que celui introduit par la ligne acoustique. L'avan tage cependant de la ligne électromagnétique est d'éviter les pertes et les limitations en puissance inhérentes aux lignes acoustiques. L'introduction de cette ligne électromagnétique entraîne également un élargissement de l'espacement entre les fréquences ambiguës mais une diminution du déphasage T entre les lignes 4 et 16 et donc du signal A t à la sortie du coupleur 6.Cette modification semblerait ne présenter aucun intérêt car elle tend à faire diminuer encore plus la sensibilité au niveau du détecteur 7. Suivant l'invention on pallie cet inconvénient et la figure 3 montre le procédé utilisé pour ce faire. Si l'on appelle A' et A" les amplitudes, a priori légèrement différentes, des signaux apparaissant sur les lignes 4 et 16, l'amplitude du signal à la sortie du détecteur 7 est donné par si S le déphasage introduit par les lignes 4 et 16 est petit, ce qui a été énoncé précédemment.Cette expression peut s'écrire en introduisant un nombre N ?3sntlf quelconque e' le signifie qu'augmenter l'amplitude des signaux issus de l'oscillateur 1 est équivalent à augmenter la phase #. Ainsi le remplacement de la ligne accoustique que par une ligne électromagnétique permet cette forte augmentation de la puissance au niveau du coupleur 6 et donc de l'amplitude A' par un facteur 5' mais ceci pourrait entraîner la destruction du détecteur 7.On est conduit à introduire un autre coupleur 12 qui élabore le signal # d'amplitude moyenne égale à cette sortie du coupleur 12 est appliquée sur le coupleur 6 ainsi que le signal prélevé sur l'oscillateur ou sur ane liaison connectée au coupleur 12. C'est à la sortie de ce coupleur 6 qu'est connecté le détecteur 7. Dans ce nouveau montage on réalise ainsi une série d'opération équivalentes à une multiplication de phase, ce qui bien sûr augmente la sensibilité du discriminateur. Ces opérations ne sont pas dangereuses pour le détecteur 7 car à l'entrée du coupleur 6 la puissance est beaucoup moins forte qu'à l'entrée du coupleur 12 selon l'art antérieur et donc a fortiori la puissance à sa sortie est suffisamment faible pour éviter la destruction du détecteur 7. La figure 4 donne un schéma détaillé du dispositif suivant l'invention réalisant ces opérations. Ce dispositif comporte, outre le circuit oscillateur l, le circuit détecteur 7 et l'amplificateur 3, un amplificateur 14 recevant la sortie de l'oscillateur 1, et dont la sortie est connectée à un coupleur 5. Ce coupleur 5 est connecté à une ligne à retard 4 et à une ligne 16 de meme type que la ligne 4 mais plus courte, dans laquelle sont insérés en série un circuit de déphasage 8 à commande extérieure 50 et un atténuateur 9. Ces deux lignes 4 et 16 sont connectées Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant : le signal à la fréquence f issue de l1oscil- lateur 1 est amplifié par l'amplificateur 14. Le coupleur 5 répartit la puissance également dans les deux lignes 4 et 16. La ligne 4 étant plus longue, introduit un retard t par rapport à la ligne 16 ce retard peut être réglé en utilisant le circuit 8 de déphasage qui modifie la fréquence d'accord de l'oscillateur 1. L'atténuateur 9 permet de ramener à une même amplitude les deux signaux délivrés par les lignes 4 et 16, au coupleur 12. La voie 2 de ce coupleur 12 délivre alors une onde dont l'amplitude ne dépend, aux pertes des lignes 4 et 16 près, que de l'oscillateur 1 et de l'amplificateur 14.La voie délivre un signal dont l'amplitude est faible quand la boucle est accrochée du fait de la différence vectorielle des deux ondes. Le circuit limiteur 10 limite la transmission d'énergie dans la voie b~ afin que les circuits situés en aval, comme le circuit détecteur 7, ne soient pas détruits ; une puissance importante peut en effet éventuellement se trouver sur# t durant la phase d'accrochage de la boucle en fréquence car alors le signal # peut être très im portant du fait de l'écart à l'instant de démarrage. L'amplificateur 11 à faible bruit permet d'obte signal plus important rendant négligeable les bvai,s propres du détecteur 7 et de l'amplificateur 3. On obtient donc sur les entrées du coupleur 12 des--- signaux d'amplitude comparable à ceux que l'on avait sur le coupleur 6 dans les réalisations de l'art antérieur comme celle montrée sur la figure 2. Un tel dispositif permet donc de disposer d'une puissance importante à la sortie du coupleur 15 et de n'en utiliser qu'une petite partie pour effectuer la détection et ainsi d'éviter la destruction des cir cuits 7 de détection. De plus si A' est l'amplitude des signaux issus des lignes 4 et 16 (A' étant peu différent de A") et Y leur différence de phase, on obtient à l'entrée du coupleur 6, un signal d'amplitude G'A' T où G' est le gain de l'amplificateur 11. L'amplitude du signal issu du coupleur 15 appliqué à l'entrée du coupleur 12 doit être notablement supérieur à G'A' q par exemple à 10 dB au-dessus. G'A' t est calculé de façon à être le plus grand possible dans la limite acceptable par le détecteur 7. La sortie du coupleur 6 délivre ainsi un signal fonction de ff d'amplitude assez importante tout en restant compatible avec l'admissibilité du détecteur 7. L'amplificateur 11 situé dans la ligne issue de la voie A du coupleur 12 a pour effet de réduire le bruit de la boucle de verrouillage en fréquence. En effet le bruit a essentiellement pour origine l'ensemble détecteur 7, amplificateur 3, donc si une partie du gain de l'amplificateur 3 est faite par l'amplificateur 11, conçu pour être à plus faible bruit que l'amplificateur 3, le bruit total de la boucle diminue car il est bien connu que le bruit ne dépend dans une chaîne d'amplification, que du premier étage dans la mesure où le gain du premier étage est suffisant. Un exemple de réalisation non limitatif du dispositif selon l'invention est montré sur la figure 5 qui ne comprend que les éléments strictement nécessaires au dispositif selon l'invention réalisés sur substrat en technique "micro-strip" ou "triplaque". Il reprend les éléments de la figure 4, excepté les amplificateurs ll et 14, le limiteur 10, le circuit de-déphasage 8 et l'atténuateur 9. Le détecteur 7 comporte deux diodes, par exemple du type "Schottky" connectées aux sorties du capteur 6 et à deux filtres passe-bas 20 et 23 permettant un lissage du signal détecté. Un filtre passe-bas 13 assure le retour de masse du détecteur 7. Le coupleur 15 comporte deux tronçons de ligne suffisamment proche pour établir un couplage faible et l'un de ces tronçons, celui qui est relié au coupleur 6, à sa seconde extrémité terminée par une résistance 24 évitant des réflexions d'ondes. De même le coupleur 5 est choisi à quatre entrées, dont une sur charge adaptée, de façon à éviter les réflexions d'ondes dans les lignes 4 et 16. Les coupleurs 5, 6 et 12 sont des coupleurs# -hybrides à 4 entrées ou sorties dont la forme, caractéristique de la réalisation sur substrat en "micro-strip" ou "triplaque" est bien connue. Le temps t de retard entre les lignes 4 et 16 est donc selon l'invention très court, de l'ordre par exemple de 5 n sec. Ceci correspond à une ambiguité de fréquence de 200 MHz. Cet intervalle beaucoup plus large que dans l'art antérieur, permettant en outre un rayage à large bande en fréquence de l'oscillater par variation de la fréquence d'accord du dis cr##nateur par exemple à l'aide d'un déphaseur, est êgale.-#nt un avantage du dispositif selon l'invention. De plus, le coût total de réalisation baisse considérablement du fait de la non utilisation de i-ne acoustique. Le dispositif selon l'invention peut également etre réalisé en guide d'onde. La puissance peut alors être plus élevée et les capteurs 5, 6 et 12 sont par exemple des "Tés magiques". Le coupleur 15 décrit aux figures 4 et 5 peut être intercalé entre la sortie de l'oscillateur 1 et l'entrée du capteur 5. Dans un autre mode de réalisation de l'invention non représenté sur les figures, le capteur 15 est in tercalé entre les deux coupleurs 5 et 12 sur l'une des deux lignes de transmission 4 ou 16. Selon un mode préférentiel mais non limitatif, le coupleur 15 est alors placé au milieu de la ligne de transmission 4 qui introduit un retard t prédéterminé, ou au milieu de la ligne de transmission directe 16. En fait, il est possible de placer ce coupleur 15 à un endroit quelconque de l'une de ces lignes de transmission 4 ou 16. Cette disposition particulière pour le coupleur 15 permet de repousser la première ambiguité en fréquence suffisamment pour que la boucle de fréquence du fonctionnement satisfaisant de ce discriminateur soit presque doublée par rapport à celle correspondant à une position du coupleur 15 en dehors des lignes de transmission 4 ou 16. On a ainsi décrit un discriminateur de fréquence dont la limite en fréquence et en puissance d'entrée est beaucoup plus élevée et permettant du fait de l'augmentation de cette puissance une meilleure pré- cision sur les écarts de phase et donc de fréquence par rapport à la fréquence de référence déterminée par les temps t des lignes à retards 4 et 16. R E V E N D I C A T I O N S 1. Discriminateur de fréquence, plus particulièrement utilisé dans les oscillateurs des équipements hyperfréquences selon la revendication 1 du brevet principal déposé le 16 mars 1979 sous le numéro 79/06745, caractérisé en ce que le coupleur (15) est situé sur l'une des deux lignes de transmission (4 ou 16) 2. Discriminateur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur (15) est situé au milieu de la ligne de transmission (4) qui introduit un retard 1 prédétermine. 3. Discriminateur de fréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur (15) est situé au milieu de la ligne de transmission directe (16).