Brevet FR2490426A1 — publié le 19820319

L'invention concerne les oscillateurs à transistors en très haute fréquence (au dessus du GHz). On connait des oscillateurs à diode Gunn fonctionnant dans la bande de 3 à 10 GHz avec une très grande stabilité obtenue grâce à l'utilisation d'un résonateur diélectrique à très faible coefficient de température, couplé à la diode Gunn. Leur puissance est toutefois limitée à quelques dizaines de milliwatts. On connait d'autre part des oscillateurs à transistors fonctionnant dans la même bande de fréquences, avec une stabilité du même ordre obtenue grâce à l'utilisation du même type de résonateur. Leur puissance peut atteindre et dépasser le watt. Toutefois leur bruit en haute fréquence est beaucoup plus important que dans le cas des oscillateurs à diode Gunn. L'invention vise à réduire cet inconvénient, tout en bénéficiant de la puissance importante de ce dernier type d'oscillateurs, lequel peut aussi bien comporter un transistor à effet de champ qu'un transistor bipolaire. L'oscillateur selon l'invention, du type conçu pour fonctionner sur une fréquence prédéterminée, comporte un élément actif dont la grille, dans le cas d'un transistor à effet de champ, et la base, dans le cas d'un transistor bipolaire, est reliée à une ligne microbande d'impédance caractéristique donnée, de longueur électrique au moins égale au quart de la longueur d'onde, couplée au voisinage d'un point prédéterminé de cette ligne à un résonateur diélectrique accordé sur ladite fréquence, cette ligne étant connectée à son extrémité située du côté opposé au transistor, par l'inter- médiaire d'une résistance ohmique égale au module de l'impédance caracté- ristique de ladite ligne, à un circuit résonnant ramenant une impédance réactive infinie au niveau de ladite résistance à ladite fréquence. Ce circuit résonnant peut être constitué par exemple par une ligne demi-onde (à la fréquence considérée) en circuit ouvert. L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques apparai- tront, au moyen de la description qui suit, et des dessins qui l'accompagnent, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma électrique d'un oscillateur selon l'invention. la figure 2 représente en perspective cavalière la partie de l'oscilla- teur montée sur ligne de type microbande. les figures 3 et 4 sont des diagrammes explicatifs. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un oscillateur équipé d'un transistor figuré suivant le symbole des transistors à effet de champ,qui peut être soit un transistor à effet de champ, soit un transistor bipolaire. Ce transistor peut être nu ou en boitier. On a désigné par un repère l l'électrode de ce transistor qui est à la masse du boitier et qui peut être suivant le cas, la source d'uni transistor à effet de champ, le collecteur d'un bipolaire de type "n p n" ou l'émetteur d'un bipolaire de type "p n p". L'électrode 2 du transistor est la grille ou la base, selon le cas. L'électrode 3 est la troisième électrode du transistor. Sur la même figure, le transistor est alimenté à travers une inductance 4 par une tension continue - V. De cette façon, la puissance dissipée par l'oscillateur est produite du côté de l'électrode 1. Comme il est plus facile d'obtenir par construction- une faible résistance thermique du côté de la masse de l'oscillateur, cette disposition permet d'améliorer la tenue en puissance. En outre l'électrode 2 est reliée à une extrémité d'un conducteur 5 constituant un premier élément de ligne microbande de longueur LI, élément qui est relié à travers une résistance R du type discret, à un conducteur 6 de longueur L2, qui constitue un deuxième élément de ligne microbande. Un résonateur diélectrique 8 est placé au voisinage de l'élément 5. Il est constitué par un tronçon cylindrique 8 en céramique à forte constante diélectrique relative (35 à 40), à faibles pertes et à faible coefficient de dilatation en fonction de la température, de formulé générale: Zrx Snlx Ti 04 dans laquelle x est compris entre 0,2 et 0,4. Un plan diamétral du cylindre 8, perpendiculaire à l'élément 5 et de trace AA sur le plan de figure, divise l'élément 5 en deux parties de longueur L' du côté du transistor, l'autre partie étant égale au quart de la longueur d'onde dans le diélectrique de la ligne microbande. Enfin un troisième élément 7 de ligne microbande est branché à l'électrode par l'une de ses extrémités, l'autre étant reliée à la masse à travers la charge de l'oscillateur représentée par une résistance ohmique 9. Pour obtenir un fonctionnement très stable à une fréquence F, avec le bruit minimal autour de cette fréquence, on prend les dispositions ciaprès: ) On dimensionne le cylindre 8 dans le matériau indiqué plus haut de telle sorte qu'il- résonne à la fréquence F; par exemple diamètre de 7, 8 mm et hauteur de 3,9 mm dans le cas de F = 8 GHz. 2 ) On réalise l'élément 6 de ligne microbande pour avoir: L2= X/2 la longueur d'onde correspondant à la fréquence F se propageant dans le diélectrique de la ligne microbande. ) Soit ZAA l'impédance (vue en AA du côté opposé au transistor) du circuit comprenant la ligne 6, la résistance R et le tronçon quart d'onde de la ligne S, couplé au résonateur 8. Si Z désigne l'impédance caractéristique de la ligne 5 et e le coefficient de couplage du résonateur 8 à cette ligne, on a: ZAA = e ZO à la fréquence F de résonance du résonateur 8. Elle correspond sensiblement à un circuit ouvert pour un grand coefficient de couplage. Par contre dès qu'on s'éloigne de la résonance, ZAA correspond sensiblement à un court- circuit, en raison du grand coefficient de surtension du résonateur. Partant des paramètres S du transistor, on règle la longueur L' en sorte que le module du coefficient de réflexion (S'22) calculé à la sortie du transistor, sur l'électrode 3, l'entrée 2 du transistor étant chargée par une ligne en circuit ouvert de longueur L', soit maximale. 4 ) On ajuste la distance entre le résonateur 8 et la ligne 5, c'est à dire le coefficient de couplage en sorte que la résistance négative présentée par le transistor sur sa sortie 3 soit supérieure en valeur absolue à la partie réelle de la charge 9 vue à travers la ligne d'adaptation 7. 1 5 ) La présence de la résistance R, chargée par la ligne demi-onde 6, permet d'amortir l'oscillateur en dehors de la fréquence doscillation ce qui produit une réduction très importante du bruit dit "de fréquence". Sur la figure 2, o les- mêmes repères désignent des éléments identi- ques ou analogues, on a représenté une réalisation de l'invention. Un substrat 21 en silice, présente la forme d'un parallélépipède rectangle à deux grandes faces planes rectangulaires de forme très allongée,l Pépaisseur du substrat étant de 0,5 à 0,8 mm. La face inférieure est revêtue d'une couche métallique constituant un plan de masse. Sur la face supérieure ont été déposées des bandes ou dépôts conducteurs 5, 6 et 7 représentant les éléments de ligne microbande de la figure 1. Leur largeur est calculée de manière à donner à la ligne une impédance caractéristique de 50 ohms (1 à 1,7 mm dans l'exemple choisi). En outre, le substrat comporte une ouverture 23 pratiquée dans la silice jusqu'à démasquer le plan de masse, et partiel- lement remplie éventuellement par un dépôt de cuivre, o l'on a monté le transistor T dont l'électrode 1 (non vue) est soudée à la masse. La résistance R est par exemple un parallélépipède rectangle de silicium convenablement dope pour que l'on ait entre les points de connexion de cette résistance une - valeur ohmique de 50 ohms. La figure 3 donne un exemple des résultats obtenus avec un transistor à effet de champ de référence commerciale MSC 88004 pour lequel la longueur L' optimale est de 0,236 A. On a porté en abscisses la tension V en volts, et en ordonnées suivant trois échelles distinctes, la puissance P en mW, la fréquence F en kHz et le rendement en %. La puissance haute fréquence P est de l'ordre de 400 mW pour: V = 9 volts. La fréquence varie très peu malgré les apparences, dues à une échelle très dilatée, lorsque V varie de 3 à 9 volts. Aux environs de 7 volts, le coefficient de variation de la fréquence d'oscillation est de 50 kHz/volt. Le rendement est maximal entré 7 et 9 volts. La figure 4 donne le niveau de bruit -P' exprimé en dB/kHz en échelle inversée, en fonction de la largeur de bande. en kHz (F) pour trois oscillateurs: - un oscillateur selon l'invention (courbe 41) avec F = 8 GHz et P = 200 mW. - un oscillateur analogue (courbe 42) avec F = 8 GHz mais P = 400 mW - un oscillateur à diode Gunn (courbe 43) avec F = 9 GHz et P = 20 mW. On voit que le bruit est du même ordre dans le cas de l'invention que dans le cas de l'oscillateur à diode Gunn, mais avec une puissance 10 à 20 fois plus grande dans le cas de l'invention. REVENDICATIONS 1. Oscillateur à transistor du type à effet de champ conçu pour fonctionner sur une fréquence prédéterminée, comportant un élément actif dont la grille est reliée à une ligne microbande d'impédance caractéristique donnée, de longueur électrique au moins égale au quart de la longueur d'onde, couplée au voisinage d'un point prédéterminé de cette ligne à un résonateur diélectrique accordé sur ladite fréquence, cette ligne étant connectée à son extrémité située du côté opposé au transistor, par l'inter- médiaire d'une résistance ohmique égale au module de l'impédance caracté- ristique de ladite ligne, à un circuit résonnant ramenant une impédance réactive infinie au niveau de ladite résistance à ladite fréquence. 2. Oscillateur à transistor du type bipolaire, conçu pour fonctionner sur une fréquence prédéterminée, comportant un élément actif dont la base est reliée à une ligne microbande d'impédance caractéristique donnée, de longueur électrique au moins égale au quart de la longueur d'onde, couplée au voisinage d'un point prédéterminé de cette ligne à un résonateur diélectrique accordé sur ladite fréquence, cette ligne étant connectée à son extrémité située du côté opposé au transistor, par l'intermédiaire d'une résistance ohmique égale au module de l'impédance caractéristique de ladite ligne, à un circuit résonnant ramenant une impédance réactive infinie au niveau de ladite résistance à ladite fréquence. 3. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caracté- risé en ce que la résistance -ohmique située entre la première et la deuxième lignes microbandes est égale au module de l'impédance caractéristique et en ce que ledit circuit résonnant est une ligne demionde à la fréquence considérée terminée en circuit ouvert. 4. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le résonateur est réalisé en matériau céramique de formule: Zrx Snl-x Ti 04 o x est compris entre 0,2 et 0,4. 5. Oscillateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les lignes microbandes sont réalisées sur un substrat en silice. 6. Oscillateur selon, l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur de la première ligne microbande est déterminée de manière à rendre maximale l'impédance, vue côté résistance au point le plus proche du résonateur.