Brevet FR2529725A1 — publié le 19840106

OSCILLATEUR A FAIBLE BRUIT, FONCTIONNANT DANS LA GAMME DES HYPERFREQUENCES La présente invention concerne un oscillateur à faible bruit, fonc- tionnant dans la gamme des hyperfréquences, et organisé autour d'une pluralité de transistors stabilisés par un unique résonateur diélectrique. L'invention concerne le domaine dans lequel des transistors fonc- tionnent en coopération avec des microbandes et des résonateurs diélectriques: elle est applicable aux fréquences relativement basses, telles que 1 ou 2 G Hz, avec des transistors bipolaires, mais elle trouve plus parti- culièrement son intérêt avec les transistors à effet de champ, et à des fréquences plus élevées, telles que 11 à 14 G Hz par exemple. L'utilisation de résonateurs diélectriques, c'est-à-dire de pastilles en matériau diélectrique de valeur élevée, pour stabiliser des oscillateurs à transistors, est bien connue, ainsi que l'intérêt d'une telle stabilisation De tels dispositifs permettent des stabilités en températures contrôlées par le choix des caractéristiques du matériau du résonateur, et les caractéristiques de bruit près de l'onde porteuse sont particulièrement faibles, en raison des faibles pertes diélectriques des matériaux utilisés à cet effet Ce type de stabilisation d'un oscillateur permet d'obtenir une fréquence pure par génération directe, sans passer par une chaîne de multiplication de fré- quences. Cependant, dans certaines applications, il est nécessaire de disposer d'une source dont la puissance, à la fréquence considérée, est supérieure à la puissance disponible par un seul transistor; dahs ces mêmes applications il est souvent nécessaire que la puissance soit très stable et que l'oscillateur ne présente qu'un faible bruit parasite autour de la fréquence générée. Une première solution connue consiste à monter en parallèle une pluralité d'oscillateurs comportant chacun, au moins, un transistor et un stabilisateur par résonateur diélectrique Mais dans ce cas il est quasiment impossible d'obtenir des résonateurs qui aient tous le même bruit et qui soient tous identiquement couplés avec l'oscillateur C'est donc une raison pour laquelle un circuit permettant de coupler plusieurs oscillateurs à un même résonateur présente de l'intérêt, de fa-on à coupler la puissance émise sans additionner pour autant le bruit Mais si le niveau de puissance n'est pas l'objectif principal recherché, l'accroissement du nombre d'élé- ments actifs couplés à un même résonateur présente de l'intérêt en ce qui concerne le bruit de l'oscillateur près de la porteuse La première raison est liée à un accroissement du coefficient Qext' rapport entre l'énergie emma- gasinée par périodes dans le résonateur et la puissance fournie à la charge utile A puissance de sortie donnée, il est possible de coupler davantage d'énergie dans l'unique résonateur Une seconde raison réside en ce que les signaux hyperfréquences issus des différents transistors s'additionnent en phase, alors que les bruits s'ajoutent de façon non corrélée, c'est-à-dire que le rapport signal sur bruit du dispositif devient meilleur. L'oscillateur à faible bruit selon l'invention réunit une pluralité de pastilles de transistors montées dans un même boitier, et groupées autour d'un substrat isolant, ce substrat isolant portant les microbandes associées aux pastilles de transistors Sur la partie centrale de ce substrat isolant se trouve l'unique résonateur diélectrique, et les microbandes sont dessinées en partie perpendiculaires et en partie parallèles au champ magné- tique du résonateur, de telle sorte que seule la longueur de chacune des microbandes qui est perpendiculaire au champ du résonateur est couplée avec lui, les parties parallèles n'étant pas influencées. De façon plus précise, l'invention concerne un oscillateur à faible bruit, fonctionnant dans la gamme des hyperfréquences, comportant une pluralité de transistors stabilisés par résonateur diélectrique couplé à une ligne microbande accordée, caractérisé en ce que la pluralité de transistor est groupée à la périphérie d'une plaque de substrat isolant qui supporte un unique résonateur diélectrique, centré sur le substrat isolant et de dimen- sions inférieures à celui-ci, et en ce que chaque transistor est relié à au moins une ligne microbande supportée par le substrat, ladite ligne ayant une configuration brisée en U, telle que les deux portions extrêmes de la ligne microbande sont parallèles aux lignes de champ du résonateur et que la portion centrale, recouverte par le résonateur et perpendiculaire à ses lignes de champ, est couplée. L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui suit d'un exemple de réalisation, celle-ci s'appuyant sur les figures annexées qui représentent: figure 1: schéma électrique d'un transistor stabilisé par résonateur diélectrique, selon l'art connu figure 2: variante du schéma précédent figure 3: vue en plan d'un oscillateur selon l'invention, de configu- ration circulaire figure 4: vue en coupe de l'oscillateur de la figure 3 selon Pinvention figure 5: vue de détails montrant l'effet d'une cale d'épaisseur dans un oscillateur selon llinvention figure 6: variante de Poscillateur de la figure 3, à sorties de type microruban coplanaire. figure 7: vue en plan d'un oscillateur de configuration rectangulaire. La figure I représente le schéma électrique d'un transistor stabilisé IS par résonateur diélectrique, dans une configuration donnant des résultats particulièrement intéressants Ce schéma est connu Le transistor repré- senté est du type à effet de champ mais comme il a été dit, l'invention est applicable également aux transistors bipolaires pour des fréquences plus basses. Le transistor à effet de champ 1 dont la source, la grille et le drain sont repérés respectivement par S, G et D, est monté en drain commun, ce qui le rend potentiellement instable, et lui permet donc d'osciller dans une gamme de fréquences relativement importante La grille G est reliée à une ligne microbande 2, à laquelle est couplé un résonateur diélectrique 3 A sa fréquence de résonance, le résonateur diélectrique 3 introduit dans la ligne de grille une impédance très élevée dans le plan de couplage et les conditions d'oscillations peuvent ainsi apparaître pour des positionnements convenables du résonateur 3 le long de la ligne microbande. L'oscillateur est alimenté à partir d'une tension négative V sur sa grille par une liaison directe 4 et sur sa source à travers une résistance RO. L'impédance représentée sur la borne d'alimentation schématise le fait que l'alimentation est d'impédance élevée Dans une version voisine, la tension négative peut être appliquée uniquement sur la source S, la liaison élec- trique 4 sur la grille étant supprimée, la grille G se fixant à un potentiel convenable par auto-polarisation. Par ailleurs, une résistance R 2 et un condensateur C 2 symbolisent la liaison entre la microbande 2 de grille et la masse électrique. La figure 2 représente une variante du schéma précédent, les mêmes repères étant conservés pour désigner les mêmes objets de façon à faciliter la comparaison. La variante consiste en ce que le drain D, au lieu d'être réuni à la masse du système, est relié à une deuxième ligne microbande 5 couplée au même résonateur diélectrique 3 que la première ligne microbande 2 de grille G Ainsi à la fréquence de résonance, et si sa position par rapport au drain est convenablement ajustée, le résonateur diélectrique 3 ramène un court-circuit sélectif au niveau du drain, réalisant les mêmes conditions d'oscillation que dans le schéma de la figure 1, mais de façon plus sélective. Ainsi, l'oscillateur est mieux stabilisé De la même façon, une résistance RI et une capacité Cl schématisent la liaison entre la seconde microbande 5 de drain et la masse du dispositif. Dans les deux cas de figures l et 2, le signal de sortie de l'oscillateur est prélevé sur la source, à la borne repérée O. Comme cela a déjà été dit, il est toujours possible de grouper une pluralité de tels oscillateurs élémentaires pour obtenir un oscillateur dont la puissance de sortie sur la borne O commune soit plus importante Cependant les résonateurs diélectriques étant des rondelles de matériaux diélectriques dont la constante diélectrique E est élevée, supérieure ou égale à 30 par exemple, il est difficile voire impossible de réaliser de telles rondelles dont les caractéristiques soient strictement identiques aux fréquences consi- dérées, c'est-à-dire dans la bande de Il à 14 G Hz Ainsi, Paddition de plusieurs oscillateurs locaux possédant chacun son résonateur diélectrique permet d'augmenter la puissance de sortie, mais au prix d'un bruit parasite important. C'est ce qu'évite l'oscillateur de puissance à faible bruit selon l'in- vention, dont le schéma d'implantation est représenté sur la figure)3, dans une première configuration circulaire. Cette figure représente un oscillateur à faible bruit groupant une pluralité de transistors à effet de champ montés selon le schéma de principe de la figure 2, c'est-à-dire que grille et drain sont tous deux réunis à des lignes microbandes Elle représente quatre transistors, mais ni cette préci- sion ni la représentation qui en est donnée ne limitent en quoi que se soit la portée de l'invention qui s'applique de façon plus générale un oscillateur regroupant une pluralité de transistors. Les pastilles 6 de transistors sont regroupées autour d'un substrat diélectrique 7, en alumine par exemple, de forme ronde Il est particu- lièrement avantageux que ce substrat diélectrique 7 comporte des enco- ches 8 dans lesquelles viennent se placer les pastilles 6 des transistors à effet de champ car cette disposition facilite le raccordement entre les plots de connexions des pastilles de transistors et les microbandes, déposés sur la face supérieure du substrat diélectrique Ces raccordements se font par des fils métalliques thermo-soudés. Des microbandes accordées en fréquence et adaptées en impédance, sont déposées par des méthodes de couches minces ou de couches épaisses à la surface du substrat diélectrique 7 Mais ces microbandes sont, s'il est nécessaire de les coupler au résonateur, en forme de U, et elles comportent alors deux sections radiales, et une section concentrique au substrat diélectrique 7 Trois microbandes sont ainsi réalisées pour chaque transistor à effet de champ: la microbande 9 est dans le cas représenté sur la figure 3 réunie par un fil métallique à la grille d'un transistor 6; elle est en forme de U et seule sa portion centrale 10, concentrique au disque est couplée avec le résonateur De la même façon, la microbande 11 est réunie par un fil métallique au plot de drain du même transistor 6 et seule sa portion centrale 12 est couplée au résonateur Enfin, la microbande 13, réunie au plot de source du transistor, est entièrement radiale: elle n'est donc pas couplée au résonateur et sert de sortie par le coaxial central 14 Le cercle 15, représenté en pointillés schématise la trace sur le plan du substrat diélectrique, du résonateur diélectrique qui est posé sur Pensemble. Dans son fondement, cette disposition avec des portions de micro- bandes radiales et des portions de ces mêmes microbandes concentriques par rapport au substrat diélectrique et, simultanément, par rapport au réson- nateur diélectrique 15, est liée au fait que seul se couplent au champ magnétique du résonateur les portions de lignes qui sont circulaires c'est-à- dire celles qui ont été décrites comme étant concentriques par rapport au résonateur Toutes les portions radiales ne se couplent pas et la propagation s'y comporte comme si le résonateur était absent On localise ainsi les zones de couplage aux distances convenables par rapport aux transistors, généra- lement de l'ordre de X 14, A étant la longeur d'onde de propagation sur la ligne mnicrobande: cette longeur X 14 est donc celle qui va depuis le plot de connexion c'un transistor,la grille par exemple, jusqu'au milieu de la portion de ligne couplée au résonateur. Dans la représentation adoptée pour la figure 3, c'est-à-dire grille et drain étant couplés au même résonateur diélectrique, le diamètre du substrat diélectrique est calculé pour que, le diamètre du résonateur diélectrique 15 étant donné et la longueur totale x /2 des microbandes étant également donnée par la fréquence de travail, les zones de cou- plage 10 et 12, représentées hachurées sur cette figure, soient à une distance du centre inférieure au rayon du résonateur 15, de façon à optimiser le couplage entre le champ magnétique du résonateur 15 et les zones de couplage 10 et 12 des microbandes Ce détail sera exposé à l'occasion de la figure 5 Par ailleurs, le résonateur est placé dans des conditions de résonance qui optimisent le rendement de i'oscillateur, et il fonctionne selon un mode qui est connu de l'homme de l'art sous l'appel- lation TE 01 Par ailleurs, dans le cas de figure ici représentée et qui correspond à la figure 2, on a adopté la solution avantageuse qui consiste à alimenter le drain par une tension positive, plutôt que de mettre la source sous une tension négative: il est connu que les alimentations positives sont plus facilement disponibles que les alimentations négatives La grille est reliée électriquement à la masse pour le continu, et la source est autopolarisée grâce à la résistance RO. Une variante de l'oscillateur selon l'invention permet d'obtenir faci- lement un schéma conforme au schéma de principe de la figure 1 Si par exemple on ne désire pas que le drain soit couplé à l'unique résonateur par une ligne microbande, la ligne de sortie 11 ne comporte pas de section radiale et va directement sur le bord du substrat diélectrique pour mise à la masse, ou dans le cas présent pour alimentation par une tension positive. 252 P 725 La figure 4, en montrant une vue en coupe de l'oscillateur selon l'invention, permettra de mieux en comprendre la structure. Cet oscillateur est réalisé sur une embase métallique 16, qui sert également de fond de boitier d'encapsulation, le boitier étant refermé par un couvercle schématisé par une ligne pointillée 18, le problème de l'encap- sulation entre un fond de boitier 16 et un couvercle 18 sortant du domaine de l'invention, et étant à la portée de l'homme de l'art qui choisira, selon les besoins, une encapsulation céramique ou métallique Le fond de boitier métallique 16 sert de plan de masse pour le dispositif hyperfréquences encapsulé, et dans le cas présent il est percé en son centre d'un orifice 17 à travers lequel passe le câble coaxial de sortie 14 Sur ce fond de boitier est disposé le substrat diélectrique 7, et, selon le plan de coupe choisi, on voit deux pastilles de transistors 6 La face supérieure, c'est-à-dire la face libre du substrat diélectrique 7, supporte les lignes microbandes, en particulier la ligne microbande 9 de grille d'un transistor 6 et sa zone de couplage 10 Le résonateur diélectrique 15 est posé par dessus l'ensemble des lignes micro- bandes, et centré par rapport au substrat et par rapport au coaxial de sortie. Mais il est supporté par une cale d'épaisseur 19, d'épaisseur inférieure ou égale à 0,5 mm, qui est en matériau diélectrique à faible coef- ficient ú S 9, cette cale étant destinée à optimiser le couplage et le rende- ment de l'oscillateur Pour ce faire, elle est réglable en épaisseur, c'est-à- dire qu'en fait elle est usinée ou rodée jusqu'à obtenir une épaisseur qui donne un couplage optimum pour l'oscillateur. La figure 5 montre un détail agrandi du couplage entre un élément de microbande 10 et le résonateur 15 Le champ magnétique it issu du réso- nateur est optimum dans la microbande accordée 10 en présence de la cale d'épaisseur 19 qui amène ainsi un écart "e" entre la face inférieure du résonateur 15 et la face supérieure de la ligne microbande L'oscillateur à faible bruit selon linvention fonctionnerait également sans la cale d'é- paisseur 19, mais il serait moins bien accordé et optimisé. La figure 6 représente une variante de l'oscillateur selon l'invention tel qu'il a été représenté en figure 3 L'oscillateur de la figure 3 comportait une sortie centrale au boitier, par l'intermédiaire d'un coaxial: l'oscillateur de la figure 6 comporte une sortie coplanaire, par l'intermédiaire d'une micro- bande 20 portée par le substrat diélectrique 7 dans le même plan que les autres microbandes du dispositif. Il est bien entendu que la représentation de la figure 6 peut tout aussi bien être tirée directement de la représentation de la figure 3 en resserrant entre eux, dans la mesure du possible, les transistors et leurs microbandes supportées par le substrat diélectrique 7 et en faisant passer la ligne de sortie 20 entre deux microbandes de grille et de drain des transistors de Poscillateur - La figure 7 représente une vue en plan d'un oscillateur selon l'inven- tion, dans une configuration linéraire, rectangulaire mais qui peut tout aussi bien être carrée. Le fonctionnement d'un tel dispositif est identique à celui qui a été décrit en s'appuyant sur une configuration circulaire, mais, dans certains cas, il peut être avantageux de disposer d'une telle configuration linéaire et d'un boitier rectangulaire. Bien qu'elle soit simplifiée, cette figure montre que les transistors 6 sont regroupés autour d'un subbstrat 7 rectangulaire, dans des encoches 8. L'unique résonateur diélectrique 15, rectangulaire, est représenté par sa trace en pointillé Les microbandes 9, 11, 13, ne sont plus radiales ou concentriques, mais perpendiculaires ou parallèles au bord du résonateur. Une sortie 20 coplanaire -en microbande est représentée sur cette figure 7, mais une sortie centrale par câble coaxial appartient au domaine de l'invention. La structure rectangulaire de la figure 7 se prête particulièrement bien à l'intégration de l'oscillateur sur une plaquette monolithique, le substrat isolant 7 étant alors une plaquette de matériau semiconducteur rendu isolant par dopage. L'oscillateur est dans ce cas composé hormis son boitier d'un résonateur unique et d'une plaquette monolithique, isolante,sur la périphérie. de laquelle sont réalisés les transistors, par des méthodes connues diffu- sion, implantation etc et à la surface de laquelle sont déposées les lignes microbandes adaptées La sortie est dans ce cas préférentiellement réalisée par microbande coplanaire. Une telle disposition monolithique est intéressante aux fréquences élevées, vers 30 G Hz, car les dimensions des lignes microbandes sont alors telles qu'elles rendent le dispositif compatible avec la découpe d'une pla- quette de quelques millimètres de côté environ 2 mm - A ces fréquences, l'association de plusieurs transistors à effet de champ se justifie d'autant plus que leur puissance est faible. A titre d'exemple, un oscillateur selon l'invention fournit 100 mil- liwatts à Il G Hz. En outre, le fait de changer de type de transistors ou d'adapter les matériaux tels qu'ils ont été décrits dans le texte présent appartient au domaine de l'invention, qui consiste essentiellement à coupler une pluralité de transistors sur un seul et unique résonateur diélectrique, et qui est précisée par les revendications ci-après. i O REVENDICATIONS 1 Oscillateur à faible bruit, fonctionnant dans la gamme des hyperfré- quences, comportant une pluralité de transistors stabilisés par résonateur diélectrique couplé à une ligne microbande adaptée caractérisé en ce que la pluralité de transistors ( 6) est groupée à la périphérie d'une plaque de substrat isolant ( 7) qui supporte un unique r Esoiateur diélectrique ( 15), centré sur le substrat isolant ( 7) et de dimensions inférieures à celui-ci, et en ce que chaque transistor ( 6) est relié à au moins une ligne microbande ( 9) supportée par le substrat ( 7), ladite ligne ayant une configuration brisée en U, telle que les deux portions extrêmes de la ligne microbande sont parallèles aux lignes de champ du résonateur ( 15) et que la portion cen- trale ( 10), recouverte par le résonateur ( 15) et perpendiculaire à ses lignes de champ magnétique, est couplée. 2 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors ( 6) sont des transistors à effet de champ, stabilisés sur leur électrode de grille (G) par une ligne microbande ( 9 + 10) couplée à l'unique résonateur ( 15). 3 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 2, caractérisé en ce que les transistors ( 6) sont en outre stabilisés sur leur électrode de drain (D) par une ligne microbande ( 11 + 12) couplée à l'unique résonateur ( 15). 4 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la substrat ( 7) étant circulaire, le résonateur ( 15) est également circulaire, les portions extrêmes des lignes microbandes ( 9, 11) sont radiales, et les portions ( 10, 12) des lignes, couplées à l'unique résonateur ( 15), sont disposées en un cercle de diamètre inférieur au diamètre du résonateur. 5 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat isolant ( 7) étant rectangulaire, le résonateur ( 15) est égale- ment rectangulaire, les portions extrêmes des lignes microbandes ( 9, 11) sont perpendiculaires aux bords du substrat ( 7) et les portions ( 10, 12) des lignes, couplées à l'unique résonateur ( 15), sont parallèles aux bords du substrat ( 7) et du résonateur ( 15). 6 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat isolant ( 7), plan, comporte sur sa périphérie des encoches ( 8) dans lesquelles sont positionnées les pastilles des transistors ( 6) et en ce que les lignes microbandes ( 9, 11), partant des bords de ces encoches ( 8), sont coplanaires aux transistors ( 6). 7 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'oscillateur, prélevé sur la source (S) de chacun des transistors ( 6) par l'intermédiaire d'une ligne ( 13), est délivrée au centre du substrat ( 7) par une ligne coaxiale ( 14), perpendiculaire au plan du substrat ( 7). 8 Oscillateur à faible bruit selon la revendication 6, caractérisé en ce que le signal de sortie de l'oscillateur, prélevé sur la source (S) de chacun des transistors ( 6) par l'intermédiaire d'une ligne ( 13), est délivré sur le bord du substrat ( 7) par une ligne ( 20) adaptée en impédance et coplanaire au plan du substrat ( 7) et des lignes microbandes ( 9, 11, 13). 9 Oscillateur à faible bruit selon l'une quelconque des revendi- cations I à 8, caractérisé en ce qu'une cale ( 19), en matériau diélectrique à faible constante ( c résonateur ( 15) et les portions couplées ( 10, 12) des lignes, en vue d'opti- miser le couplage ligne/résonateur et d'améliorer le rendement de l'oscil- lateur. Oscillateur à faible bruit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les transistors ( 6), les lignes microbandes ( 9, 11, 13, 20) et le substrat isolant ( 7) sont monolithiques, les transistors ( 6) étant réalisés dans une plaquette de matériau semiconducteur rendu isolant par dopage, et les lignes microbandes ( 9, 11, 13, 20) étant déposées sur cette plaquette. 11 Oscillateur à faible bruit selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est monté dans un boitier d'encapsu- lation dont le fond métallique ( 16) sert de plan de masse aux lignes microbandes.