Brevet FR2542525A1 — publié le 19840914

GENERATEUR A FREQUENCE MICROONDE MODULABLE EN FREQUENCE L'invention se rapporte à la technique des circuits microondes, et elle concerne un générateur à frequence microonde modulable en fréquence avec une déviation de fréquence importante. Dans les équipements de télecommunication et les équipements de détection radar, il se pose Je problème de réaliser, sous une forme compacte, un générateur à fréquence microonde modulable en fréquence, dont les caractéristiques de modulation soient d'une haute qualite. Notamment: la caractéristique de transfert, selon laquelle la déviation de fréquence du signal microonde en fonction du niveau du signal de modulation doit être linéaire sur une large plage de déviation en fréquence, et le gain de transfert doit être sensiblement constant sur toute la plage des températures de fonctionnement de l'équipement. De plus, la dérive de la fréquence centrale, ou fréquence porteuse, du signal microonde doit être minimisée. Pour atteindre ce but, selon rinvention, un générateur à fréquence microonde comprend un autooscillateur à faible surtension incluant un élément varactor destiné à varier électroniquement la fréquence d'accord de l'élément résonnant, et un circuit de boucle connecté entre la sortie de l'autooscillateur et l'élément varactor, ce circuit de boucle comportant, connectés en série ; un élément microonde de référence, sensible à la fréquence instantanée du signal de sortie de l'autooscillateur et un amplificateur d'erreur, à faible bruit, ayant une seconde entrée pour recevoir un signal de modulation et la sortie de cet amplificateur d'erreur étant connectée à l'une des extrémités de l'élément varactor. D'autres caractéristiques apparattront dans la description détaillée qui va suivre d'une forme de réalisation de l'invention faite en regard de dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente sous la forme d'un schéma synoptique simplifié le générateur microonde de l'invention. - la figure 2 représente sous la forme d'un schéma synoptique, une forme de réalisation du générateur microonde. - la figure 3 représente la caractéristique de transfert fréquence-tension de l'élément microonde de référence. - la figure 4 représente, sous la forme d'un schéma électrique, une forme de réalisation du générateur microonde. La figure 1 représente, selon l'invention, sous la forme d'un schéma synoptique simplifié, un générateur à fréquence microonde modulable en fréquence. Ce générateur comprend les éléments suivants: un autooscillateur 1 à onde continue, qui génère un signal So à fréquence microonde, dans cet autooscillateur est indu un moyen permettant de varier electroniquement la fréquence instantanée du signal de sortie So, et un circuit de boucle qui est connecté entre la sortie de l'oscillateur 1 et l'entrée de commande en fréquence de cet osållateut ; ce circuit de boucle comprend, connectés en série, un élément microonde 2 de référence, sensible à la fréquence instantanée du signal de sortie de l'oscillateur et un amplificateur d'erreur 3 ayant une seconde entrée qui reçoit un signal de modulation Vm fourni par une source 4 de signaux de modulation. La figure 2 représente, sous la forme d'un schéma synoptique, une forme de réalisation du générateur microonde modulable en fréquence. Ce générateur comprend: un autooscillateur 10 à faible surtension, constitué par un élément à résistance négative et un élément capacitif Il variable électroniquement, ces éléments étant couplés à une ligne microbande résonante réalisée sur un substrat diélectrique, comme connu en soi ; cet oscillateur 10 est couplé à une ligne- de transmission 12 par l'intermédiaire d'un isolateur unidirectionnel 13 afin de réduire le glissement de-fréquence éventuel introduit par les variations d'impédance de la charge connectée à la ligne de transmission 12. Le circuit de boucle comprend un coupleur directif 14, lequel est inséré dans la ligne de transmission 12 afin de prélever une fraction du signal microonde de sortie de l'oscillateur.Ce signal microonde Si est appliqué à l'entrée de élément microonde 2 de référence et cet elément microonde fournit un signal de sortie Ve dont l'amplitude est proportionnelle à récart de fréquence entre la fréquence du signal d'entrée Si et une fréquence nominale Fn, ou fréquence d'accord de l'élément, pour laquelle l'amplitude du signal d'erreur Ve a une valeur nulle. Enfin le signal d'erreur Ve est appliqué à l'amplificateur de signal 3 qui comporte une seconde entrée pour recevoir le signal de modulation Vm, et le signal dé sortie Vc de cet amplificateur est fourni à l'entrée de commande en fréquence de l'oscillateur 10. L'élément microonde de référence 2 comprend un diviseur de puissance 20, ayant deux branches de sortie qui - sont connectées respectivement à une première ligne de transmission 21 de longueur électrique L1 et à une seconde ligne de transmission 22 de longueur électrique L2, supérieure à la valeur L1 ; ces deux lignes de transmission, du type microbande, sont connectées respectivement aux entrées d'un démodulateur équilibré microonde 23 pour fournir le signal d'erreur Vc. Si l'on considère maintenant, le fonctionnement de l'élément de référence microonde 2, on a les relations suivantes: L1 iv 02 = 21lF; LV2 dans lesquelles: Fi est la fréquence instantanée du signal microonde d'entrée - L1 et L2 les longueures électriques respectives des lignes de transmission 21 et 22 reliant les branches de sortie du diviseur de puissance 20 aux voies d'entrée du démodulateur équilibré 23. - v la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans ces lignes de transmission. La tension Ve du signal délivré par l'élément microonde de référence est donnée par la relation suivante: Ve = Si. cos ##2 01 ) et les fréquences d'accord Fn, par définition, correspondent aux valeurs pour lesquels la tension Ve est nulle, c'est à dire lorsque la condition suivante: (#2 - #1) = (2N+ l)ll/2 est satisfaite. Ces fréquences d'accord Fn se subdivisent en deux groupes: - fréquences d'accord à pente négative: 4N + 1 v Fn = . 4 (L2 - Li) - fréquences d'accord à pente positive: Fn = 4N +3 v n '(L2-L1) En faite, si l'on ne préjuge pas du sens de branchement des détecteurs du démodulateur équilibré, on peut aussi bien avoir une pente positive comme représentée sur la courbe de la figure 3, à laquelle correspond une fréquence d'accord Fn La tension Ve du signal de sortie du démodulateur équilibré est donnée par la relation suivante: c'est à dire: Ve = Si. sin~ avec ## = 2#.#F = 2#(Fo-Fi)# Si la grandeur du déphasage ~ est faible, c'est à dire notablement inférieure à 1 radian, l'amplitude du signal d'erreur Ve est fournie par la relation approximative:: Vue = Kd.flF dans laquelle Kd est le coefficient de gain de l'élément microonde de référence 2 et t F l'écart de fréquence entre une fréquence d'accord F n et la fréquence instantanée F. du signal microonde d'entrée La figure 3 représente, la caractéristique de transfert de l'élément microonde de référence 2, autour de la fréquence d'accord Fn qui est choisie égale à la fréquence centrale nominale ou fréquence porteuse Fo de l'oscillateur microonde 10. La figure 4 représente, à titre illustratif, sous la forme d'un schéma électrique, une forme de réalisation d'un générateur à fréquence microonde conforme à l'invention. La puissance de sortie nominale du signal microonde SO est de l'ordre de 108mu, la fréquence centrale de fonctionnement 10 GHz et la déviation maximale de fréquence 2tF d'environ 250 MHz. L'oscillateur 10 à fréquence variable est un oscillateur à faible surtension qui est constitué par une diode GUNN et un élément varactor 11 qui sont couplés à une ligne résonante microbande. Le facteur de gain Kv de l'élément varactor est égâl à 30 MHz/volt et le facteur de couplage du coupleur directif 14 est de l'ordre de 13dB. L'élément microonde de référence 2 est réalisé sur un substrat diélectrique 24 sur lequel sont disposés des éléments microondes non diepersifs: le diviseur de puissance 20, constitué par un diviseur en anneau, les lignes de transmission microbandes 21 et 22 de longueurs inégales, la ligne de transmission 22 comportant, à cet effet, des méandres, afin que le retard différentiel de transmission de ces deux lignes soit de Pordre de 0,6 nanoseconde, et le démodulateur microonde équilibré 23 est constitué par un mélangeur en anneau dans les branches de sortie duquel sont connectées deux diodes 25 et 26 montées en inversée. Le facteur de gain Kd d'un tel élément microonde de référence est d'environ 2,5mV/MHz. L'amplificateur de signal 3 du circuit de boucle est constitué par deux amplificateurs intégrés 30 et 31, à faible bruit, qui sont connectés en cascade. Ces deux amplificateurs 3a et 31 comportent respectivement des réseaux électriques passe-bas 32 et 33 afin que la fréquence de coupure du circuit de boucle soit sensiblement égale à la largeur de bande du signal de modulation Vm La seconde entrée de l'amplificateur 30 est connectée à un diviseur de tension consq titué par les éléments résistifs R 34, R 35 et R 36, ce dernier élément étant connecté à la source de signal de modulation qui délivre le signal de modulation Vm et l'élément résistif R 35 est une résistance sensible à la température.En effet, lorsque la tempéra- ture ambiante varie autour de la température nominale de fonctionne ment, le niveau de puissance du signal microonde de sortie So du générateur fluctue, il s'ensuit que le coefficient de gain Kv de l'élément microonde de référence dérive en conséquence, la fonction de l'élément résistif R 35 est de compenser cette dérive. La stabilité de-la fréquence nominale d'accord de l'élément microonde de référence, peut être obtenue par construction, notanmerf par un choix judicieux des éléments de façon que le rapport L'invention n'est pas limitée dans ses caractéristiques aux valeurs numériques données exdusivement à titre indicatif, dans le cas d'un exemple de réalisation ; notamment: les facteurs de gain des éléments du circuit de boucle et la déviation maximale de fréquence peuvent être modifiés en fonction d'applications spécifiques. D'autre part, le générateur microonde peut être directement couplé à une antenne, ou par l'intermédiaire d'un amplificateur microonde de puissance, ou encore indirectement par un dispositif de duplexage émission-réception. Un générateur microonde, selon l'invention, trouve son application dans les équipements radar à modulation de fréquence de ronde porteuse, tels que les radioaltimètres, les détecteurs d'obstades etc..; dans ce type d'application le signal de modulation est un signal périodique, généralement, de forme triangulaire. L'invention trouve également son application dans les équipements de télécom- munication, de télémesure, de télécommande et d'une façon générale dans les équipements de transmission à fréquence microonde dans lesquels l'excursion de fréquence est importante. R E V E N D I C A T I O N S 1. Générateur à fréquence microonde modulable en fréquence, comprenant un autooscillateur à faible surtension incluant un élé- ment varactor, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de boucle connecté entre la sortie de l'autooscîllateur et l'elément varactor, ce circuit de boucle comportant, connectés en série : un coupleur directif (14), un élément microonde de référence (2) sensible a la fréquence instantanée du signal de l'autooscillateur, et un amplificateur d'erreur à faible bruit (3) ayant une seconde entrée pour recevoir un signal de modulation (Vm), et la sortie de cet amplificateur étant connectée à l'une des extrémités de l'élément varactor. 2. Générateur selon la revendication I, opérant sur une fréquence porteuse Fof caractérisé en ce que l'élément microonde de référence (2) comprend les composants microondes suivants: un diviseur de puissance (20) ayant deux branches de sortie et un démodulateur équilibré (23) dont les voies d'entrée sont connectées respectivement aux branches de sortie du diviseur de puissance (20) par des lignes de transmission non dispersives (21,22) ayant des longeurs électriques L1 et L2 telles que la différence de ces longueurs ait une valeur déterminée égale à KIF0. 3. Générateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une (22) des lignes de transmission non dispersives reliant le diviseur de puissance (20) et le démodulateur équilibré (23) est constituée par une ligne de transmission microbande incluant des méandres. 4. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les composants microondes de élément microonde de référence (2) sont des composants microbandes réalisés sur un substrat diélectrique (24) tel qu'un substrat céramique. 5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde entrée de l'amplificateur d'erreur à faible bruit (3) est connectée à une source (4) de signaux de modulation par l'inter- médiaire d'un diviseur de tension résistif (R.34 - R.36) dont l'un des éléments résistifs est une résistance sensible à la température.