Brevet FR2533776A1 — publié le 19840330

Générateur hyperfréquence étalon à faible bruit La présente invention concerne un générateur hyperfréquence étant ion à faible bruit et notamment un générateur à ondes déoimétriques comportant un résonateur à quartz disposé dans le circuit d'un transistor oscillateur, ledit générateur étant d'une grande stabilité de fréquence et d'une grande pureté spectrale. On sait que la stabilité de fréquence à moyen et court termes d'un oscillateur à quartz est conditionnée par la présence de bruits aléatoires. Ceux-ci peuvent entre 9 soit le bruit thermique ou bruit blanc qui apparat dans les éléments résistifs du circuit, soit le bruit de scintillation généré dans les éléments actifs de ltoscilla- teur et qui comprend le bruit additif et le bruit paramétrique. Le bruit additif stajoute au signal de ltoscillateur et donne naissance5 soit à des fluctuations de phase, soit à des fluctuation de fréquence. Il donne également naissance à un bruit d'amplitude. Le bruit paramé~ trique provient des éléments qui déterminent la fréquence d'oscil lation tels les éléments capacitifs du montage. Les générateurs ultra-stables classiques en ondes-decimetriques produisent des signaux obtenus à partir d'un oscillateur à quartz de fréquences basses (généralement autour de 5 Még#ahertz). Une multiplication de fréquence est nécessaire pour travailler entre 1100 Mégahertz et 4000 Mégahertz. Cependant cette multiplication de fréquence entratne une multiplication de tous les bruits parasites dans un même facteur, et sachant que la puissance de bruit est proportionnelle au carré de l'amplitude9 c'est donc par le carré du facteur de multiplication qu'est augmentée la puissance des parasites en sortie du générateur. Le niveau de bruit est d'autant plus important que la source d'alimentation en tension de l'oscillateur est éloignée de celui-ci et que les amplificateurs de sortie sont alimentés par la même source. Le générateur selon la présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient. flans celui-oi en effet le rapport signal sur bruit est plus grand que dans le cas d'une réalisation obtenue à partir des générateurs classiques à multiplication de fréquence et utilisant des connexions longues entre la source d'alimentation et l'oscillateur ainsi qu'avec les amplificateurs de sortie. La présente invention a pour objet un générateur hyperfréquence étalon à faible bruit disposé dans un boîtier métallique unique, caractérisé en ce qu'il comporte dans eelui-cig un oscillateur à quartz fonctionnant sur un harmonique de quartz, une alimentation stabilisée, alimentant ledit oscillateur seulement et un amplificateur séparateur dont le rôle est de découpler ledit oscillateur des organes d'utilisation disposés à la sortie du générateur. Selon une particularité de l'invention chacune des plus grandes dimensions dudit boîtier est inférieure au tiers de la longueur d'onde minimale de fonctionnement des signaux dudit générateur et inférieure au quinzième de la longueur d'onde maximale de fonctionnement des signaux dudit générateur. Selon une autre particularité de l'invention, les composants actifs, le quartz et les condensateurs sont des éléments discrets rapportés, dits localisés et les liaisons, les résistances et certaines inductances sont obtenues par technique lithographique dite "couches minces", tous les composants actifs et passifs étant disposés sur un meme substrat. Selon une autre particularité de l'invention ledit oscillateur à quartz est apte à fonctionner sur une des harmoniques de la fréquence de la fréquence fondamentale du quartz par construction de quartz, cette harmonique étant de plus privilégiée par un circuit résonant série à inductance-capacité dont la fréquence de résonance est sensiblement celle de l'harmonique du quartz, ledit circuit résonant en série avec le quartz étant disposés aux bornes de l'émetteur et du collecteur du transistor oscillateur, lesdites bornes étant réunies par une capacité, la base étant à la masse et le point commun audit circuit résonant et au quartz étant relié a la masse par une régis tance. Selon une autre particularité de l'invention ledit amplificateur séparateur est constitué d'un transistor amplificateur hyperfréquence, dont la base est alimentée par les signaux hyperfréquence au travers de filtres passe-haut et passe-bas en provenance d'une bande disposée à proximité de l'inductance dudit circuit résonant série, le couplage inductif réalisé étant un couplage lâche, dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est polarisé en courant au moyen de circuits constitués principalement d'un transistor BF et d'une diode de compensation de température, ledit collecteur du transistor ampli ficateur hyperfréquence étant relié en outre à la prise de sortie du générateur au travers d'un condensateur de découplage. Selon une autre particularité de l'invention ladite alimentation stabilisée alimente à travers des filtres en une tension positive stabilisée, le collecteur dudit oscillateur RIS à quartz et en une tension négative stabilisée l'émetteur du même oscillateur les tensions positives et négatives stabilisées étant produites à partir de tensions positives et négatives extérieures au moyen de deux amplificateurs opérationnels et d'une diode ZENER de référence. Un exemple de mise en oeuvre de la présente invention, donné à titre purement illustratif et nullement limitatif, va entre décrit en référence à la figure unique que représente un schéma de principe d'exemple du générateur hyperfréquence avec ses trois constituants intégrés sur une même puce. Comme on le voit sur la figure les trois constituants du générateur sont une alimentation stabilisée 1, un oscillateur à quartz 2 et un amplificateur séparateur 3. Les constituants 1, 2, 3 sont disposés dans un même plan tel que celui de la figure et enfermés dans un boîtier 4 métallique, par exemple, en or, dont les dimensions ne dépassent pas 5x5x0,7 centimètres. Le bottier 4 est entièrement clos et ne possède que les orifices 5 (tension Vc de commande de fréquence, par exemplé, entre 0 et 10 volts) ; 6 (tension positive +V par exemple +15 volts ; 7 (tension négative -V par exemple -15 volts) et 8 (sortie des signaux VHF ou UHF). Les orifices 5, 6, 7 comportent des filtres intégrés tels que 9 dont l'enveloppe est encastrée dans le bottier 4 et qui servent à empêcher que les signaux hyperfréquence ne rayonnent à l'extérieur du boîtier 4 par les connexions d'alimentation. L'orifice 8 reçoit un connecteur normalisé hyperfréquence d'impédance 50 ohms et sert de sortie aux signaux VHF ou UHF. La fréquence des signaux de ltoscillateur 2 à quartz peut être comprise entre 400 MHZ et 2 GHZ ou plus selon le modèle du quartz, sa taille et son harmonique employés ainsi que par les circuits résonants inductance-capacité réglés sensiblement sur la même fréquence. Selon l'exemple préférentiel, il est avantageux d'utiliser un quartz, Y1, de type UHF de la Compagnie d'Electronique et de Piézoélectricité (CEPE) dont la fréquence fondamentale est de 200 MHZ. Ce résonateur à ondes de volume taillé en coupe BT est prévu pour fonctionner en mode partiel 5 soit 1 GHZ environ lorsqu'il est monté en résonance série. Le transistor oscillateur Q1, bipolaire, faible bruit du type NPN, à base commune est un transistor amplificateur hyperfréquence à fréquence de transition fT supérieure à 3 GHZ dont le montage est tel que le déphasage est nul entre émetteur et collecteur et le gain en courant important. Aux bornes de la base et de l'émetteur sont disposés d'une part, un condensateur C6 de faible capacité et d'autre part, deux circuits résonants série, l'un constitué par le quartz Y1 de très grand coefficient de surtension (par exemple 20000) et l'autre par un circuit résonant série à inductance L2 et condensateurs C9, C10 et une diode VARACTOR CR2 dont l'ensemble est accordé sur la fréquence de 1 GHZ environ afin de favoriser la fréquence harmonique 5 du quartz Y1 tout en se- protégeant de la fréquence fondamentale à 200 MHZ ainsi que l'harmonique 3 à 600 MHZ dont les amplitudes pourraient piloter le quartz.Le coefficient de surtension du circuit résonant à inductance-capacité est beaucoup plus faible que celui du quartz. le point commun 10 du circuit résonant inductance-capacité et celui de l'une des lamelles du quartz est relié à la masse au travers de la résistance R9. L'ensemble de l'oscillateur s'assimile à un montage du type CLAPP. Des condensateurs C7-et C8 servent à bloquer la composante du courant continu en provenance des sources d'alimentation. L'oscillateur 2 fonctionne à la fréquence correspondante à la réactance nulle du dipole con#stitué par le quartz Y1 et le circuit résonant série L2, C9, C10 et CR2 ce qui traduit une condition de phase nulle dans la boucle entre émetteur et collecteur du transistor Q1.Ainsi l'annulation de réactance se produit à une fréquence voisine de la fréquence du résonateur à quartz permettant ainsi l"'accrochage" du dispositif. L'alimentation du transistor Q1 par une source +V3 pouvant être de 10 volts s'effectue d'une part par son collecteur à travers un filtre passe-bas L1 Cil, par exemple en "L" servant à bloquer les oscillations UHF susceptibles de se propager vers l'alimentation exté-- rieure. Le transistor Q1 est alimenté en outre par une source -V3 pouvant être de -10 volts. La polarisation en courant du transistor Qî -est assurée par les résistances R7, R8 avantageusement réalisées en technologie couche mince sur le substrat porte-circuit comme il sera décrit plus loin. La technologie et la conception utilisées garantissent un bruit minimal pour la polarisation. La cellule en "L#, R8, C5 permet de bloquer les oscillations UHF vers l'alimentation négative. L'oscillateur 2 peut avoir une fréquence réglable en de faibles proportions à partir de la fréquence centrale qui est de 1,60750 gigahertz à titre d'exemple, dans les limites de 1,060600 à 12060900 gigahertz Ceci est obtenu par une commande en tension continue Vc comprise, par exemple, entre 0 et 10 volts (orifice 5) et faisant varier la capacité de la diode VARACTOR, CR2 entre 3 picofarads et 5 picofarads. En parallèle sur la diode VARACTOR CR2 est disposé un condensateur C10 permettant d'augmenter la valeur de la capacité série dans le circuit résonant série. La résistance R9 permet de polariser la tension de commande Vc qui comporte sur son parcours un filtre passe-bas L3, L11, permettant de bloquer les fréquences UHF vers la commande extérieure de fréquence. L'alimentation stabilisée 1 est intégrée dans l'ensemble du dis positif. De plus les alimentations nécessaires a la fonction oscillateur à quartz sont séparées de celles utilisées par l'étage séparateur puisque l'alimentation régulée +V3, -V3 est particulière à ltoscilla- teur. Il en découle que l'alimentation permet de délivrer des tensions avec de très faibles niveaux de bruit. L'alimentation stabilisée 1 comporte deux amplificateurs opéra tionnels li et 12 branchés de telle sorte qu'ils fournissent respectivement une tension positive V3 et une tension négative -V3. Les amplificateurs opérationnels HA909, par exemple, fabriqués par HARRIS ayant pour caractéristique un bruit faible reçoivent des tension +Vî et -V2 pouvant etre de 15 volts en provenance des orifices 6 et-7. Une diole de référence ZENESS 1 fournit une tension très stable. Des résistances R1, R2, R3, R4, RS et R6 sont réalisées par évaporation sous vide selon le procédé décrit plus loin pour garantir le minimum de bruit. L'amplificateur séparateur 3 prélève une partie des signaux de l'oscillateur, présents dans l'inductance L2 au moyen d'un couplage inductif "lâche" réalisé grâce à la proximité d'une boucle L4 et une résistance d'entrée R10 d'entrée de l'amplificateur séparateur 3. Cette boucle L4 peut etre réalisée simplement eomme une bande conduc- trice dIsposée à proximité de l'inductance 2 laquelle présente, par exemple des spires en spirale. Ainsi l'amplificateur séparateur 3 n'utilise pas de liaison directe par conduction avec la sortie de l'oscillateur 2 ce qui permet d'éviter de modifier la fréquence de l'oscillateur 2 par des circuits disposés à la sortie 8 de l'amplifi- cateur sdéparateur 3. L'amplificateur séparateur 3 comporte une impédance d'entrée et de sortie de 50 ohms à la fréquence désirée obtenue par les réseaux d'adaptation. Coté entrée, le réseau d'adaptation est constitué par une cellule de 50 ohms par exemple comme celle en T constituée par des condensateurs L12, L13, et une inductance L8. Coté sortie 8 terminée par un connecteur UHF, il peut être utilisé une cellule par exemple en avec des condensateurs C17, C16 et l'inductance L6. Un transistor Q3 hyperfréquence monté en émetteur à la masse est un transistor amplificateur à faible bruit. La polarisation du transitor Q3 est assurée par une source de courant ayant pour but de stabiliser le point de fonctionnement du transistor Q3 hyperfréquence. Cette source de courant est constituée par exemple par le transistor basse fréquence Q2 isole par des inductances de choc bloquant les signaux UHF vers la source de courant et qui sont l'inductance de choc L7 côté collecteur du Q2 et l'inductance de choc L5 côté émetteur de Q2. La polarisatIon de la source de courant est réalisée avec les résistances R11 et R12 et la diode de compensation en température CR3 dans le but d'éviter la dérive du fonctionnement en basse fréquence. La tension +V1 alimentant l'amplificateur séparateur 3 provient directement par conducteur disposé dans l'espace à partir de l'orifice 6 relié à la tension extérieure-+V. Ainsi, malgré la présence dans un seul boîtier 4 de l'amplifi- cateur séparateur 3 et de l'oscillateur 2 il ne peut exister que le minimum d'interaction entre les étages. De plus la charge d'utilisation coté sortie 8 de l'amplificateur 3 ne perturbe pas la stabilité de l'oscillateur 2. La réalisation de l'invention a pu être mise en oeuvre grâce aux techniques hybrides dites "couches minces" en intégrant tous les composants précédemment cités dans un boîtier métallique unique. La technologie développée peut se résumer en deux couches minces, respectivement résistive (nickel-chrome) et conductrice (or). Ces couches sont déposées sur un substrat isolant (verre ou céramique) par évaporation sous vide. Par photogravure sélective de ces couches il est possible d'obtenir des résistances qui sont ajustées au laser, si nécessaire, ou dès connexions ou encore certaines inductances. Les éléments actifs, type semi conducteurs, ou passifs, type condensateur ou quartz, sont alors rapportés sur le circuit puis placés dans un boîtier métallique hermétique. Il a été réalisé ainsi un générateur étalon à ondes décimé- triques de bonne stabilité et de très#haute pureté spectrale, par exemple de l'ordre de -16#0 décibels à 25 kilohertz de la porteuse à 1 gigahertz. Les applications sont du domaine des télécommunications. REVENDICATIONS 1/ Générateur hyperfréquence étalon à faible bruit disposé dans un boltier métallique unique (4), caractérisé en ce qu'il comporte dans celui-ci, un oscillateur à quartz (2) fonctionnant sur un harmonique du quartz (Y1) , une alimentation stabilisée, alimentant ledit oscil -lateur (2) seulement et un amplificateur séparateur (3) dont le rôle est de découpler ledit oscillateur (2) des organes d'utilisation disposés à la sortie du générateur. 2/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacune des plus grandes dimensions dudit boîtier (4) est inférieure au tiers de la longueur d'onde minimale de fonctionnement des signaux dudit générateur et inférieure au quinzième de la longueur d'onde maximale de fonctionnement des signaux dudit générateur. 3/ Générateur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chacune des dimensions les plus grandes dudit boîtier (4) est sensiblement égale au sixième de la longueur d'onde de fonctionnement normal des signaux dudit générateur. 4/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les composants actifs (Ql-, Q2, Q3, CR1, CR2, CR3), le quartz (Y1) et les condensateurs sont des éléments discrets rapportés, dits localisés et que les liaisons, les résistances et certaines inductances sont obtenues par technique lithographique dite "couches minces", tous les composants actifs et passifs étant disposés sur un même substrat. 5/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit oscillateur à quartz est apte à fonctionner sur une des harmoniques de la fréquence de la fréquence fondamentale du quartz (Y1) par construction de quartz, cette harmonique étant de plus privilégiée par un circuit résonant série à inductance-capacité dont la fréquence de résonance est sensiblement celle de l'harmonique du quartz (Y1), ledit circuit résonant en série avec le quartz (Y1) étant disposés aux bornes de l'émetteur et du collecteur du transistor (Q1) oscillateur, lesdites bornes étant réunies par une capacité (C6), la base étant à la masse et le point commun (10) audit circuit résonant et au quartz étant relié à la masse par une résistance (R9). 6/ Générateur selon la revendicationi 5, caractérisé par le fait que la fréquence de l'oscillateur à quartz (Y1) est réglable dans de faibles proportions au moyen d'une diode (CR2) à tension variable VARACTOR disposé dans ledit circuit résonant série à inductance capacité. 7/ Générateur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la fréquence centrale est de 1,060750 gigahertz et qu'elle est réglable dans les limites i 150 kilohertz. 8/ Générateur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit amplificateur séparateur (3) est constitué d'un transistor amplificateur hyperfréquence (Q3), dont la base est alimentée par les signaux hyperfréquence au travers de filtres passe haut (C4,' C12) et passe-bas (lob, C13) en provenance d'une bande disposée à proximité de l'inductance (L4) dudit circuit résonant série, le couplage inductif réalisé étant un couplage lâche, dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est polarisé en courant au moyen de circuits constitués principalement d'un transistor BF (Q2) et d'une diode (CR3) de compensation de tempéPatureS ledit collecteur du transistor (Q3) amplificateur hyperfréquence étant relié en outre à la prise de sortie (8) du générateur au travers d'un condensateur de découplage (C17) 9/ Générateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite alimentation (1) stabilisée alimente à travers des filtres en une tension positive (+V3) stabilisée, le collecteur dudit oscillateur NPN (Q1) à quartz et en une tension négative (-V3) stabilisée leémet teur du même oscillateur (Q1) les tensions positives et négatives stabilisées étant produites à partir de tensions positive (+V1) et négative (-V2) extérieures au moyen de deux amplificateurs opérationnels (11, 12) et d'une diode (CR1) ZENER de référence.