Brevet FR2499784A1 — publié le 19820813

"OSCILLATEUR HYPBRFREQUENCE ACCORDE PAR UN GRENAT A LINEARITE LEVER SUR UNE LARGE BANDE" La présente invention concerne un oscillateur hyperfréquence & large bande d'utilisation dont la fréquence est accordée par une petite bille de grenat d'yttrium et de fer disposée dans un chais magnétique réglable, réalisé prince. paleaent sous la forte d'un circuit en nicrobandes gravé sur un substrat en cérasique diélectrique et colportant notaient, d'une part, un composant actif polarisé dans une zone à in- pédance différentielle négative et, d'autre part, un circuit d'adaptation deimpédance aménagé entre le composant actif et une borne de sortie de l'oscillateur hyperfréquence, borne de sortie destinée & alimenter une charge d'ispédance 4 déterainée, ledit circuit d'adaptation étant constitué succes sivesent, à partir du composant actif, d'un premier transformateur du type "quart d'onde", d'impédance caractéristique Z1, à unepremière extrémité duquel est soudé le composant actif & impédance différentielle négative, tandis qu'à une deuxième extréaité le prenier transformateur est suivi d'un deuxième transfornateur également du type "quart d'onde", d'iapédance caractéristique Z2, prolongé par une ligne dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur 3, mesurée à l'ex trie lité de la ligne située du côté du deuxième transfornateur, jusqu' la valeur i4 de l'iipédance de charge. La demande de brevet français n0 2 447 111 décrit un oscillateur hyperfréquence de ce genre dans lequel le composant actif & impédance différentielle négative est une diode Gunn. Cet oscillateur comporte également1 disposé entre la diode Gunn et la charge de sortie, un circuit d'adaptation d'impédance constitué par deux transformateurs "quart d'onde" et par une ligne d'impédance continbpent variable.Afin de réaliser l'adaptation d'impédance nécessaire & la production d'une puissance hyperfréquence la plus élevée possible sur une large bande d'utilisation, les impé- dances caractéristiques des deux transformateurs et de la ligne sont choisies telles que, les transformateurs étant "quart d'onde t des fréquences situées dans la partie médiane de la bande d'utilisation, la partie réelle de l'impédance du circuit d'adaptation, vue de la diode Gunn, soit sensiblement égale, sur toute la bande d'utilisation, & la valeur absolue de la résistance négative de la diode Gunn.Cependant le dimensionnement du circuit d'adaptation de cet oscillateur connu ne tient pas compte de la grande dispersion en fréquence de la partie imaginaire de l'impédance du circuit présenté la ladiode Gunn, ce qui entre une dispersion de phase importante conduisant b un oscillateur dont la fréquence n'est pas une fonction linéaire, sur toute la bande d'utilisation, du champ magnétique appliqué & la bille du grenat ; aux fréquences extrênres de la bande, notaient, la fréquence deos- cillation s'écarte notablement de la fréquence propre de la bille. Le but de la présente invention est de réaliser un oscillateur hyperfréquence t large bande d'utilisation, supérieure & l'octave et b linéarité améliorée i l'intérieur de cette bande, en se basant sur l'idée que l'on pourrait limiter la dispersion de la partie imaginaire de l'impédance du circuit d'adaptation tout en assurant une adaptation satisfaisante sur toute la bande d'utilisation, entre la partie réelle de l'impédance du composant actif et celle du circuit d'adaptation. En effet, selon la présente invention, un oscillateur hyperfréquence à large bande d'utilisation, dont la fréquence est accordée par une petite bille de grenat d'yttrium et de fer disposée dans un champ magnétique réglable, réalisé principalement sous la forme d'un circuit en microbandes gravé sur un substrat en céramique diélectrique et comportant notamment, d'une part, un composant actif polarisé dans une zone à impédance différentielle négative et, d'autre part, un circuit d'adaptation d'impédance aménagé entre le composant actif et une borne de sortie de l'oscillateur hyperfréquence, borne de sortie destinée b alimenter une charge d'impédance 54 déterminée, ledit circuit d'adaptation étant constitué successivement, s partir du composant actif, d'un premier transformateur du type "quart d'onde", d' impédance caractéristique SI, & une première extrémité duquel est soudé le composant actif à impédance différentielle négative, tandis qu' & ne deuxième extrémité le premier transformateur est suivi d'un deuxième transformateur également du type "quart d'onde", d'impédance caractéristique 2, prolongé par une ligne dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur 3, mesurée à l'extréiité de la ligne située du côté du deuxième transformateur, jusqu' & a valeur 24 de l'i-pé- dance de charge, est remarquable en ce que les longueurs respectives li et 12 du premier et du deuxième transformateurs d'une part, et les impédances SI, 2, 3, d'autre part, sont choisies telles que le premier et le deuxième transformateurs sont respectivement "quart d'onde" & des fréquences Fol et Fo2, voisines, et appartenant à une bande de fréquences élargie, contenant ladite bande d'utilisation et dont les limites Fmin et Fiax sont sensiblement égales respectivement à 0,5 fois et 2 fois la moyenne Fo des fréquences Fol et Fo2, l'impédance du circuit d'adaptation prenant une valeur réelle Ro pour une fréquence située au voisinage de Fo et telles que, dans ladite bande de fréquences élargie, il existe, d'une part, une première fréquence F1 inférieure à Fol et Fo2, et, d'autre part, une deuxième fréquence F2, supérieure à Fol et Fo2, pour lesquelles l'impédance du circuit d'adap tation prend une m8me valeur complexe, la partie réelle de cette valeur complexe étant inférieure à Ro, de sorte que, en parcourant successivement toutes les fréquences de la bande élargie, le point figuratif de l'impédance complexe R + jX du circuit d'adaptation décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. Il est entendu que, dans la suite, les expressions "voisines" et "au voisinage de" devront être prises au sens large, c'est- & dire incluant l'égalité. En d'autres termes, l'invention permet de limiter la dispersion de phase en "repliant" les variations, avec la fréquence, de la partie imaGinaire de l'impédance du circuit d'adaptation. Cette disposition conduit & une amé- lioration sensible de la linéarité champ magnétique-fiéquence de l1'oscillateur hyperfréquence selon l'invention, sans que la puissance fournie n'en soit affectée dans la mesure où le fait d'obtenir un diagramme d'impédance en forme de boucle reste compatible avec 1'adaptation des parties oh tiques des impédances du composant actif et du circuit d'adaptation. Par ailleurs, la Demanderesse a montré que, contrairement à une idée généralement admise, il n'y a pas d'inconvénient k réaliser un diagramme d'impédance en forme de boucle ; en particulier, il ntapparaft aucune instabilité, du moins tant que les fréquences Fi et F2 sont suffisamment éloignées l'une de l'autre. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, il est prévu qu'aux fréquences Fi et F2, la valeur de la partie imaginaire de l'impédance du circuit d'adaptation est au plus égale au quart de la valeur de la partie réelle. De la sorte la boucle décrite sur le diagramme d'impédance est alors sen siblement symétrique par rapport à l'axe réel (R). D'autre part, la Demanderesse aétablie que dans un mode de réalisation particulier de l'invention pour lequel les impédances 1, 2, i3, sont telles que 51 (Z32)2 Un autre moyen d'améliorer encore la linéarité globale de l'oscillateur hyperfréquence selon l'invention consiste A rendre le circuit d'adaptation non linéaire en fréquence, afin de compenser les non-linéarités intrinsèques b l'ensemble de la bille de grenat et du composant actif.Comme il est expliqué plus loin, ce but est atteint en modifiant la répartition de fréquences sur la boucle décrite sur le diagramme d'impédance de sorte que la distance curviligne séparant sur ladite boucle deux points figuratifs correspondant b un écart de fréquence donné est plus grande dans la partie basse fréquence de la bande d'utilisation que dans la partie médiane de ladite bande et plus grande dans ladite partie médiane que dans la partie haute fréquence de la bande d'utilisation. Il est A noter, par ailleurs, qu'un avantage, entre autres, de l'invention est que l'oscillateur hyperfréquence reste linéaire dans toute la bande d'utilisation quelque soit la température, ce qui permet de compenser définitivement la dérive de fréquence en orientant convenablement une fois pour toutes la bille de grenat dans le champ magnétique. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés b titre d'exemple non limitatif, permettra de bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma de principe d'un oscillateur hyperfréquence selon 11 invention. La figure 2 représente un circuit d'adaptation d'un oscillateur hyperfréquence selon l'invention. La figure 3 est un diagramme de Smith typique d'un circuit d'adaptation du genre de celui montré b la figure 2. La figure 4 est le diagramme de Smith relatif b un premier exemple de réalisation d'un circuit d'adaptation conforme b l'invention. La figure 5 est un graphe donnant le défaut de linéarité en fonction de la fréquence. La figure 6 est le diagramme de Smith relatif b un deu xiême exemple de réalisation d'un circuit d'adaptation selon l'invention. La figure 1 représente un oscillateur hyperfréquence a large bande d'utilisation dont la fréquence est accordée par une petite bille 11 de grenat d'yttrium et de fer dispo dans un champ magnétique réglable H, lequel champ magnétique est créé par un lectro-aimant 12. Cet oscillateur est réalisé principalement sous la forme d'un circuit 13 qui, bien que représenté sur la figure 1 t partir d'éléments discrets afin d'en faciliter la compréhension, est constitué par des micro bandes gravées sur un substrat en céramique diélectrique.Ce circuit 13 comporte notamment, d'une part, un composant actif 14 polarisé dans une zone impédance différentielle négative qui, dans le mode de réalisation montré la lafigure 1, est un diode Gunn, et, d'autre part, un circuit d'adaptation d'impédance 15 aménagé entre le composant actif 14 et une borne 16 de sortie de l'oscillateur par l'intermédiaire d'un condensateur de liaison 17.La borne 16 de sortie est destiné & alimenter une charge 18 d'impédance déterminée 54. L'oscillateur hyperfrssquence de la figure i dispose égale ment d'un circuit d'alimentation 19 dont une borne 20 est reliée & la masse 21 par l'intermédiaire d'un condensateur 24, tandis qu'une autre borne 22 est reliée par une connexion 23 w un point intermédiaire du circuit de couplage 15. Un mode de réalisation particulièrement avantageux d'un circuit d'alimentation, s'inspirant des principes développés dans le présent mémoire,fait l'objet d'une demande de brevet français n0 81 -ô2512 déposée par la Demanderesse simultanément avec la présente demande et ayant pour titre "FILTRE HYPERFREQUENCE A LARGE BANDE D'ATTENUATION ET SYSTEME HYPERFREQUENCE COMPORTANT CE FILTRE". Comme on le voit la figure 2, le circuit d'adaptation 15 est constitué successivement, à partir de la diode Gunn 14, d'un premier transformateur 31 de type "quart d'onde", d'impédance caractéristique SX t & ne premier extrémité 32 duquel est soudée la diode Gunn 14 tandis qu' & ne deuxième extrémité 33, ce premier transformateur 31 est suivi d'un deuxième transformateur 34 également de type "quart d'onde", d'impédance caractéristique 2. Le transformateur 34 est prolongé par une ligne 35 dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur s3, mesurée d ltextrémité 36 de la ligne située du côté du deuxième transformateur 34, jusqu' la valeur s4 de l'impédance de sortie que l'on prendra égale A 50n par exemple. Conformément à l'invention, les longueurs respectives il et 12 du premier et du deuxième transformateur 31,34, d'une part et les impédances g 2, s3, d'autre part, sont choisies telles que le premier et le deuxième transformateur sont respectivement "quart d'onde" à des fréquences Fol et Fo2, voisines et appartenant b une bande de fréquences élargie, contenant ladite bande d'utilisation, et dont les limi-~ tes Fmin et Furax sont sensiblement égales respectivement à 0,5 fois et 2 fois la moyenne Fo des fréquences Fol et Fo2, l'impédance caractéristique du circuit d'adaptation prenant une valeur réelle Ro pour une fréquence située au voisinage de Fo et telles que, dans ladite bande de fréquence élargie, il existe, d'une part, une première fréquence Fl, inférieure b Fol et Fo2, pour lesquelles l'impédance du circuit d'adaptation 15 prend une même valeur complexe, la partie réelle de cette valeur complexe étant inférieure & Ro, de sorte que, comme le montre la figure 3, en parcourant successivement toutes les fréquences de la bande élargie, le point figuratif de l'impédance complexe R + jX du circuit d'adaptation décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma, diagramme qui dans le cas de la figure 3 est une abaque de Smith dans laquelle les résistances R et les réactances X sont normalisées à 50~. La réalisation d'un diagramme d'impédance en forme de boucle permet de limiter les variations avec la fréquence de la partie imaginaire de l'impédance du circuit d'adaptation et donc d'améliorer la linéarité de l'oscillateur hyperfréquence selon l'invention. L'impédance R + jX du circuit d'adaptation est donnée par la relation avec g1 = tg 2n 101F et 92 = tg 2n lo2F C C C étant la vitesse de la lumière et loi et 102 les longueurs dans le vide des transformateurs "quart d'onde" 31 et 34 de la figure 2, les longueurs réelles 11 et 12 sont reliées & loi et 102 par la permétivité électrique de la céramique diélectrique.Ainsi, en obligeant le point figuratif de l'im- pédance R + jX b passer par un certain nombre de points particuliers et notamment & décrire une boucle, il est possible, grace & la formule t1) et par des essais successifs, de déterminer un jeu de valeurs pour-les paramètres loi, 102, Si, 52, 53, tout en veillant cependant & ce que la largeur 11 du premier transformateur 31 ne soit pas trop grande afin d'éviter des résonances transverses parasites. Dans ce travail, on peut être guidé par les résultats simples auxquels conduit le cas particulier où les deux transformateurs "quart d'onde" sont accordés sur la meme fréquence C Fo. On a alors l01 = 102 = C et, en posant 4Fo g = tg la formule (1) s'écrit La partie imaginaire X s'annule pour F=Fo (g=##), la partie g réelle valantalors Ro =3 8l 2 X s'annule également pour Z2 soit encore avec F avec 1 et P Lorsque 1 M #estpositif, on peut définir deux fréquences F1 et F2 données par et F2 = 2 Fo - F1 pour lesquelles la partie imaginaire est simultanément nulle, la partie réelle R prenant une même valeur Ro ~ . Le point figuratif correspondant à cette impédance est i donc un point double. Finalement, la condition d'existence d'une boucle se résume à l'inégalité 1 O 0 (3) Un calcul élémentaire montre que lorsque 1 et ##1, soit 1 ( 2 483, l'inégalité (3) est vérifiée si et seulement si t > ss, c'est-à-dire > (4). Lorsque ces conditions sont satisfaites, l'impédance correspondant aux fréquences F1 et F2 est réelle et vaut Ro B soit une valeur inférieure à celle prise pour la fré queSce Fo. I1 est à noter que l'inégalité (4), bien bien qu'établie dans le cas où les transformateurs sont "quart d'onde" à une même fréquence, reste encore sensiblement valable tant que les fréquences d'accord Fol et Fo2 restent voisines. A titre d'exemple, la Demanderesse a réalisé un oscil lateur hyperfréquence, fonctionnant dans la bande d'utilisation 7,5 - 15 GHz et dont le composant actif est une diode Gunn. Le circuit d'adaptation de cet oscillateur a été calculé dans la bande élargie 6 - 25 GHz t l'aide d'un programme d'optimisation sur calculateur, de façon t minimi- ser la dispersion de la partie imaginaire de l'impédance caractéristique du circuit d'adaptation tout en assurant une adaptation d'impédance satisfaisante entre la diode Gunn et le circuit d'adaptation.Les valeurs des paramètres caractéristiques du circuit d'adaptation telles qu'elles résultent du calcul sont 1 = 11 Q lol = 6 mi (Fol = 12,5 GHz) 2 = 23,5L 1o2 t 6,3 mi (Fo2 = 11,9 GHz) 53 = 46 n Ces valeurs conduisent t Fo = 12,2 GHz F1 = 8,3 GHz F2 = 15,4 GHz Ro = iofl La figure 4 donne le diagramme de Smith de ce circuit d'adaptation, diagramme sur lequel on a représenté en trait plus épais la portion de boucle correspondant t la bande d'utilisation. Des expériences effectuées par la Demanderesse sur l'oscillateur équipé du circuit d'adaptation décrit ci-dessus ont montré que les défauts de linéarité n'excédaient pas f 10 MHz sur pratiquement toute la bande d'utilisation et permet- taient de compenser les variations thermiques rendant ainsi l'oscillateur indépendant de la température sur une plage de variation de température de 1500 C. A titre de comparaison un oscillateur de l'art antérieur accusait des défauts de linéarité de l'ordre de + 50 MHz et une dérive en température pouvant atteindre 50 MHz dans une plage de variation de 1250 C. Comme on peut le remarquer sur la figure 4, aux fréquences F1 et Fa la valeur ( naire de l'impédance caractéristique du circuit d'adaptation est inférieure au quart de la valeur (5Q) de la partie réelle. Dans le but d'obtenir une linéarité champ magnétique- fréquence encore meilleure, la Demanderesse a mis en oeuvre un moyen qui consiste à rendre non linéaire la réponse en fréquence du circuit d'adaptation. En effet, comme le montre la figure 5, la bille de grenat et la diode Gunn sont responsables d'un défaut de linéarité F représenté par la courbe en trait continue de la figure 5 et défini par la différence entre la fréquence en sortie de ltoscillateur et la fréquence propre de la bille de grenat.Ce défaut de linéarité, dû aux variations de la réactance du circuit résonant (bille de grenat, boucle de couplage) lorsque la fréquence deoscillation s'écarte de la fréquence propre du résonateur, ne peut être compensé qu'en imposant au circuit d'adaptation un comportement non linéaire de signe opposé, ainsi que le montre la courbe en trait interrompu de la figure 5.Ce résultat est obtenu en modifiant la dispersion avec la fréquence de la partie imaginaire de l'impédance du circuit d'adaptation, ce qui se traduit par le fait que la distance curviligne séparant sur ladite boucle deux points figuratifs correspondant & un écart de fréquence donné est plus grande dans la partie basse fréquence de la bande d'utilisation que dans la partie médiane de ladite bandent plus grande dans ladite partie médiane que dans la partie haute fréquence de la bande d'utilisation. La figure 6 montre les variations de l'impédance d'un circuit d'adaptation destiné b un oscillateur hyperfréquence dont la bande d'utilisation 7,5 - 15 GHz est repré- sentée en trait plus épais. Les paramètres de ce circuit ont été calculés dans la bande élargie 7,5 - 30 GHz de façon à compenser la non linéarité de la bille de grenat et de la diode Gunn.Les valeurs obtenues pour les paramètres de ce circuit sont Z1 = 13# loi = 5 Irm (Fol = 15 GHz) s2 = 43fil lo2 = 5 mm (Fo2 = 15 GHz) 23 = 100 Q Ces valeurs conduisent à Fo = 15 OH: F1 = 11,8 GHz F2 = 18,2 GHz Ro = 9,lQ.On a porté sur la boucle de la figure 6 les points figuratifs correspondant b des fréquences égales à un nombre entier de gigahertzs. Comme le montre la figure 6, la distance curviligne séparant sur la boucle deux points consécutifs diminue lorsque la bande d'utilisation est parcourue dans le sens des fréquences croissantes. La Demanderesse a effectué des expériences qui ont révélé que l'oscillateur équipé de ce circuit de couplage présentait des défauts de linéarité pratiquemment indépendant de la température sur une gamme de 1500 C et n'excédant pas - 5 MHz sur la plus grande partie de la gamme d'utilisation. L'invention ne saurait autre limitée & un oscillateur hyperfréquence utilisant une diode Gunn comme composant actif, elle peut également Qtre mise en oeuvre i l'aide d'au. tres types de composants actifs, tel que par exemple un transistor & effet de champ. REVENDICATIONS 1. Oscillateur hyperfréquence à large bande d'utilisation dont la fréquence est accordée par une petite bille (11) de grenat d'yttrium et de fer disposée dans un champ magnétique réglable, réalisé principalement sous la forme d'un circuit (19) en microbandes gravé sur un substrat en céramique diélectrique et comportant notamment, d'une part, un composant actif (14) polarisé dans une zone à impédance différentielle négative et, d'autre part, un circuit d'adaptation d'impédance (15) aménagé entre le composant actif (14) et une borne (16) de sortie de l'oscillateur hyperfréquence, borne de sortie destinée b alimenter une charge (18) d'impédance 24 déterminée, ledit circuit d'adaptation (15) étant constitué successivement, à partir du composant actif (14) d'un premier transformateur (31) du type "quart d'onde" d'impédance caractéristique SI, à une première extrémité (32) duquel est soudé le composant actif (14) àimpédance différentielle négative, tandis qu'à une deuxième extrémité (33) le premier transformateur (31) est suivi d'un deuxième transformateur (34) également du type "quart d'onde, deim- pédance caractéristique 22, prolongé par une ligne (35) dont l'impédance varie progressivement depuis une valeur Z3, mesurée à l'extrémité (36) de la ligne (35) située du crêté du deuxième transfoxxateur (34) jusqu' la valeur 24 de l'impédance de charge, caractérisé en ce que les longueurs respectives li et 12 du premier et du deuxième transformateur (31,34) d'une part, et les impédances z 2, 3, d'autre part, sont choisies telles que le premier et le deuxième transformateur9 sont respectivement "quart d'onde" à des fréquences Fol et Fo2, voisines et appartenant b une bande de fréquences élargie, contenant ladite bande d'utilisation, et dont les limites Fmin et Fmax sont sensiblement égales respectivement à 0,5 fois et 2 fois la moyenne Fo des fréquences Fol et Fo2, l'impédance du circuit d'adaptation (15) prenant une valeur réelle Ro pour une fréquence située au voisinage de Fo, et telles que, dans ladite bande de fréquences élargie, il existe, d'une part, une première fréquence Ft, inférieure à Fol et Fo2, et, d'autre part, une deuxième fréquence F2, supérieure b Fol et Fo2, pour lesquelles l'impédance du circuit d'adaptation prend une même valeur complexe, la partie réelle de cette valeur complexe étant inférieure àRo, de sorte que, en parcourant successivement toutes les fréquences de la bande élargie, le point figuratif de l'impédance complexe R + jX du circuit d'adaptation décrive dans un diagramme (R,X) une boucle en forme de gamma. 2. Oscillateur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que, aux fréquences F1 et F2, la valeur de la partie imaginaire de l'impédance du circuit d'adaptation (15) est au plus égale au quart de la valeur de la partie réelle. 3. Oscillateur hyperfréquence selon la revendication 2 et pour lequel les impédances caractéristiques Z 2, i3, sont telles que # 4. Oscillateur hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications I t 3, caractérisé en ce que la distance curviligne séparant sur ladite bande deux points figuratifs correspondant à un écart de fréquence donné est plus grande dans la partie basse fréquence de la bande d'utilisation que dans la partie médiane de ladite bande, et plus grande dans ladite partie médiane que dans la partie haute fréquence de la bande d'utilisation.