Brevet FR2553240A1 — publié le 19850412

La présente invention concerne de façon générale des oscillateurs à diode Gunn, et elle porte en particulier sur des oscillateurs à diode Gunn qu'on peut accorder au moyen d'une diode à capacité variable Les diodes Gunn accordées par une diode à capacité variable sont des composants importants qu'on utilise en tant qu'oscillateurs locaux dans des récepteurs et en tant qu'étages d'attaque et de puissance dans des émetteurs L'accord par diode à capacité variable procure fondamentalement un moyen pour faire 10 varier la fréquence de l'oscillateur en fonction de la valeur d'un signal de polarisation cortinuequi est appliqué à la diode à capacité variable La combinaison d'une diode Gur N et d'une diode à capacité variable fonctionne à la manière d'un oscillateur commandé par tension, qu'on peut 15 utiliser dans une boucle de verrouillage de phase pour assurer le verrouillage sur un signal porteur reçu, ou qu'on peut utiliser pour accorder un cscillateur sur une ganme de fréquences étendue Dans la plupart des systèmes de télécommunications 20 fonctionnant à des fréquences extrnéren'il;: 'esi Ad façon caractéristique dans la région des ondes millimétriques, on désire minimiser le poids, la taille et le coût des composants La plupart des oscillateurs commandés par tension à diode Gunn fonctionnant en ondes mi Jl iméjtriques sont limités 25 à des configurations employant des guirs d'ondes, qui sont pa.r nature difficiles à fabriquer de ?a çon économique et avec des tailles réduides On a par c:xcmlp e obtenu des puis sances oe sortie de 100 à 150 m W en utilisant des techniquer de guides dodes es à des fréquences de la bande Q ( 33 à "O 5 (, (;H'z. Cependant, l'utilisation dans le même but de circuits intégrés fonctionnant en ondes millimétriques, r'a pas particulièrement été couronnée de succès Les dispositifs à -uircuitb intégrés fonctionnant en ondes millimétriques sont 35 bien entendu plus petits, plus légers et, lorsqu'ils sont fabriqués en quantités relativement grandes, moins coûteux que leurs homologues en guide d'ondes Cependant, les oscillateurs à circuit intégré fonctionnant en ondes millimétriques ont utilisé dans le passé des configurations de type micro-bande, dans lesquelles une bande conductrice est formée sur un substrat diélectrique De tels dispositifs sont sujets à des pertes excessives dans le circuit Les puissances de sortie caractéristiques qui ont été obtenues pour les fréquences de la bande Q sont inférieures à 50 m W A titre d'exemple, une configuration du type micro-bande fournissant 40 m W est décrite par David Rubin dans "Varactor-Tuned MillimeterWave MIC Oscillator," IEEE Trans on Microwave Theory & Tech, Vol MTT-24, nov 1976, pages 866-67. On voit d'après ce qui précède qu'il existe un 15 besoin d'amélioration dans le domaine des dispositifs à oscillateur à circuit intégré pour l'utilisation dans la région des ondes millimétriques L'invention satisfait ce besoin. L'invention consiste en un oscillateur commandé 20 par tension utilisant un circuit intégré fonctionnant en ondes millimétriques, avec une puissance de sortie relativement élevée aux fréquences des ondes millimétriques Fondamentalement, et en termes généraux, l'oscillateur de l'invention comprend un circuit de connexion pour diode Gunn fabri25 qué sous la forme d'une ligne en bande suspendue, et comprenant un substrat isolant, une région de contact pour une diode Gunn sur une première face du substrat, un circuit d'entrée de polarisation continue connecté à la région de contact et comportant une structure de filtre passe-bas, et 30 un circuit de sortie qui est connecté à la région de contact et qui comprend une section d'adaptation d'impédance. L'oscillateur comprend également une diode Gunn montée en liaison avec la région de contact, une région de contact pour une diode à capacité variable sur la seconde face du substrat, en position opposée à la région de contact pour la diode Gunn, et une diode à capacité variable montée pratiquement en alignement avec la diode Gunn, en contact avec la région de contact pour la diode à capacité variable. La combinaison d'un circuit à diode Gunn sous forme de ligne en bande suspendue, et d'un circuit d'adaptation d'impédance à plusieurs sections dans le circuit de sortie,conduit à une augmentation notable de la puissance de sortie par rapport à des structures de circuit intégré antérieures utilisant une configuration du type micro-bande En outre, il 10 apparaît que l'alignement de la diode à capacité variable et de la diode Gunn à proximité immédiate l'-une de l'autre procure un meilleur couplage entre les deux et conduit à de meilleures caractéristiques de fonctionnement Un autre avantage important de la configuration à ligne en bande suspendue 15 consiste en ce qu'on peut effectuer commodément des réglages dans le dispositif, sans aucune opération de soudage Après réglage, comme par exemple par l'ajustage de parties du circuit, on peut commodément assembler à nouveau le dispositif en faisant en sorte que la diode Gunn et la diode à capacité 20 variable reprennent de tanon s Fie leurs positions et lcurs relations antérieures Plus précisément, le substrat est suspendu à l'intérieur d'un passage dans un bloc de métal qui forme un pla. de masse pour le dispositif Le substrat est maintenu en position près du milieu du passage, qui comporte une section de sortie par laquelle l'énergie de sortie est émise, et une section d'entrée de polarisation, oiiéen-ée approximativement perpendiculairement à la cection de sortie La diode Gunn et la diode à capacité variable sont alignées selon un axe qui 30 est orthogonal aux axes de la section de sortie et de la section d'entrée de polarisation du passage. La diode Gunn est maintenue en position par des moyens de montage qui comprennent un contact de masse connectant une borne de la diode-Gunn au plan de masse, tandis 35 que l'autre borne est maintenue en contact avec la région de contact pour la diode Gunn sur le substrat Une sonde de contact à ressort établit un contact avec une borne de la diode à capacité variable et applique l'autre borne-contre la région de contact pour la capacité variable sur le substrat. Conformément à un autre aspect de l'invention, le dispositif comprend également des moyens de court-circuit coulissants qui sont montés en alignement avec le circuit de sortie Les moyens de court-circuit coulissants comprennent une section de passage colinéaire avec la section de passage i O de sortie, et un bloc de terminaison mobile connecté à la masse Le réglage axial de ce bloc permet de réaliser l'accord de fréquence du dispositif sur une plage limitée mais relativement large. On notera à la lecture de ce qui précède que l'in15 vention représente un progrès important dans le domaine des oscillateurs commandéspar tension à circuit intégré fonctionnant en ondes millimétriques En particulier, le dispo sitif oscillateur de l'invention a de meilleures caractéristiques de puissance de sortie et de performances que ses 20 homologues en structure micro:bande, et il est plus petit, plus léger et moins coûteux que les dispositifs en guide d'ondes remplissant la même fonction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description 25 détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation, et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure i est une vue en perspective d'un dispositif oscillateur commandé par tension partiellement assem blé, construit conformément à l'invention; la figure 2 est une vue en perspective agrandie et éclatée du dispositif de la figure 1; la figure 3 est une coupe agrandie faite pratiquement selon la ligne 3-3 de la figure 1 et montrant la disposition d'une diode Gunn et d'une diode à capacité variable, en relation avec un circuit à ligne en bande suspendue; la figure 4 est une coupe faite pratiquement selon la ligne 4-4 de la figure 3 et montrant une vue en plan du circuit à ligne en bande suspendue; la figure 5 est une vue partielle agrandie de la 5 partie de la figure 3 qui est désignée par la référence 5, et la figure 6 est une coupe faite pratiquement selon la ligne 6-6 de la figure 5. Comme les dessins le montrent dans un but d'illus10 tration, l'invention porte sur des oscillateurs commandés par tension, en particulier pour l'utilisation dans la région du spectre qui correspond aux longueurs d'ondes millimétriques. Dans le passé, les configurations de dispositifs employant des circuits intégrés à ondes millimétriques ont été incapa15 bles d'atteindre la puissance de sortie des dispositifs à guides d'ondes et ont souffert d'autres inconvénients impor tants. Conformément à l'invention, un oscillateur commandé par tension utilise un circuit à ligne en bande suspendueet 20 il comprend une combinaison originale de diodes Gunn et à capacité variable L'oscillateur de l'invention fournit une puissance de sortie relativement élevée, comparable à celle de dispositifs à guides d'ondes, mais sa taille, son poids et son coût sont notablement plus faibles. Comme le montrent les figures 1 et 2, le dispositif de l'invention est iogé à l'intérieur d'un bloc de métal dont les deux moitiés séparables sont désignées par les références numériques 10 a et l Ob, et comportent des faces respectives 12 a et 12 b qui sont appliquées l'une contre 30 l'autre dans un état assemblé Chaque moitié de bloc comporte un canal transversal 14 a et 14 b qui s'étend sur la largeur des faces 12 a et 12 b, et ces canaux forment ensemble un passage de sortie 14 lorsque les moitiés du bloc sont assemblées Des canaux respectifs 16 a et 16 b partent du milieu des canaux transversaux 14 a et 14 b et sont orientés perpendi- culairement à ces derniers Les canaux 16 a et 16 b s'étendent jusqu'à un bord de chaque moitié de bloc Il existe encore une autre paire de canaux 18 a et 18 b qui partent de chacun des canaux 16 a et 16 b en étant dirigés perpendiculairement à 5 ces derniers, et qui traversent les faces 12 a et 12 b du bloc, depuis les canaux 16 a et 16 b jusqu'à un bord de chaque moitié de bloc. Dans la moitié de bloc O l Oa, les canaux 16 a et 18 a comportent une paroi en retrait ou une lèvre 20 a, qui appa10 raît le mieux sur la figure 6, s'étendant le long de chaque bord de chaque canal Un substrat 22 en matière isolante et ayant une forme générale en L est placé sur la lèvre 20 a Le substrat 22 peut être en n'importe quelle matière appropriée, comme le Duroid 588 d', et son épaisseur d'environ 0,25 mm est 15 égale ou légèrement supérieure à la profondeur de la lèvre a Ainsi, lorsque les moitiés de bloc 10 a et l Ob sont assemblées, le substrat 22 est suspendu au milieu des passages 16 et 18 formés par les canaux 16 a, 16 b et 18 a, 18 b. Ceci apparaît le mieux sur la figure 6. Comme la figure 5 le montre le mieux, une diode Gunn 24 et une diode à capacité variable 26 sont disposées sur des faces opposées du substrat 22, à l'intersection des passages 16 et 18 dans le bloc 10 La diode Gunn 24 se trouve sur la moitié "a" du bloc 10 et la diode à capacité variable 25 26 se trouve sur la moitié "b", en étant pratiquement alignée avec la diode Gunn La diode Gunn 24 peut être n'importe quelle diode Gunn appropriée montée en boîtier, comme le dispositif portant la référence MA 49838, fabriqué par Microwave Associates La diode à capacité variable 26 peut par exemple 30 être le dispositif portant la référence 46600 fabriqué par Microwave Associates ou par Alpha Industries Corporation. Le substrat 22 porte des motifs de circuit métallisés qui sont imprimés sur ses deux faces Sur la face du substrat 22 qui se trouve du côté de la diode Gunn 24, se trouve un motif de circuit définissant des connexions de cir- cuit avec la diode Gunn et formant une ligne en bande suspendue pour la sortie du dispositif La configuration de circuit comprend une région de contact 30 pour la diode Gunn et un circuit de sortie 32 qui s'étend le long du passage 16 vers le passage de sortie 14 Le circuit de sortie 32 est connecté à la région de contact 30 pour la diode Gunn et il comprend un transformateur d'adaptation d'impédance à plusieurs sections, 34, destiné à adapter l'impédance relativement faible (environ 8 ohms) de la diode Gunn à l'impédance-de la ligne 10 de sortie (environ 50 ohms) Le circuit de sortie 32 se termine par une sonde symétrique 37 qui est placée dans le pissage de sortie 14 et par l'intermédiaire de laquelle est transmise l'énergie de sortie du dispositif La sonde de terminaison 37 ne fait pas partie de l'invention, du fait que 15 l'énergie de sortie peut également être transmise vers un autre composant situé sur le même substrat. Un circuit de polarisation d'entrée 36 est imprimé sur le même c 8 té du substrat 22 que le circuit de sortie 32 et il s'étend le long du passage 18 du dispositif Le cir20 cuit de polarisation d'entrée 36 est égalemerit connecté à,la région de contact 30 de la diode Gunn et il comprend un ensemble de sections de largeur accrue, désignées par la référence 38, pour fonctionner en filtre passe-bas destiné à empêcher que l'énergie radiofréquence ne rayonne dans le chemin d'entrée de polarisation Des bandes de bords métallisées 40 sont également imprimées sur le substrat 22 Ces bandes viennent en contact avec la moitié de bloc 1 Oa au niveau de la lèvre 20 a et font partie du plan de masse du dispositif. Une tension de polarisation positive est appliquée à la diode Gunn 24 au moyen du circuit d'entrée de-polarisation 36 qui est connecté, à une borne électrique 41 sur le bloc 10 Une connexion de masse pour la diode Gunn 24 est établie au moyen d'une vis de support 42 qui traverse la 35 moitié de bloc 10 a. Surla face opposée du substrat 22, une région de contact 44 pour la diode à capacité variable est imprimée en position adjacente à la diode à capacité variable 26 et est connectée à une bande de bord 40 b sur le substrat 22 La région de contact 44 est en contact avec une borne de ladiode à capacité variable 26 et elle établit une connexion avec le plan de masse du dispositif Une tension de polarisation négative est appliquée à l'autre borne de la diode à capacité variable 26 par l'intermédiaire d'une sonde de contact à ressort 46, qu'on peut régler en faisant tourner une vis isolée 48 dans la moitié de bloc l Ob. La théorie du fonctionnement des oscillateurs à diode Gunn à commande par diode à capacité variable est bien connue et ne constitue pas le sujet de l'invention. Fondamentalement, la diode Gunn 24 présente une résistance négative dans certaines conditions, et lorsque cette diode est adaptée de façon appropriée à une impedance de charge, une oscillation se produit On peut commander dans une certaine mesure la fréquence d'oscillation en ajustant la taille et la forme de la région de contact 30 pour la diode Gunn et du transformateur d'adaptation d'impédance 34 La diode à capacité variable 26 est fona talement une capacité variable connectée en parallèle sur la diode Gunn 24. Lorsqu'on change la tension de polarisation de la diode à 25 capacité variable, sa capacité change et la fréquence d'oscillation de la diode Gunn varie de façon correspondante. Dans le mode de réalisation de l'invention qui est présenté à titre d'exemple, une variation de la tension de 30 polarisation de la diode à capacité variable sur une plage d'environ vingt volts donne une plage d'accord d'environ 300 M Hz pour une fréquence de sortie nominale d'environ G Hz Il est important de noter que la puissance de sortie du dispositif est relativement constante à environ 100 m W sur 35 la plage d'accord de fréquence On a trouvé que lorsque la diode à capacité variable est déconnectée, la puissance desortie du dispositif est relativement constante à environ 150 m W pour des fréquences réglées sur une plage de 33 à 41,5 G Hz: Une autre caractéristique de l'invention consiste dans son aptitude à réaliser un accord fin sans qu'il soit nécessaire d'ajuster la configuration géométrique des régions de contact On obtient cette fonction au moyen d'un dispositif de court-circuit coulissant 50 (figure 3) qui 10 est installé dans le passage 16 du côté opposé au circuit de sortie 32 par rapport aux diodes 24 et 26 Le dispositif de court-circuit coulissant 50, qui se présente sous la forme d'une terminaison métallique du passage 16, est mobile le long d'un axe qui coïncide avec celui de la ligne en bande 15 suspendue 32 du circuit de sortie Le réglage de la position du dispositif coulissant 50 procure une plage d'accord d'environ 1,2 G Hz Ceci permet de réaliser l'accord final du dispositif sans avoir à recourir à des techniques d'ajustage par approximations successives. Ce qui précède permet de ^O: i 'invention représente un progrès important dans le domaine des oscillateurs à diode Gunn L'invention procure en particulier un oscillateur ayant une puissance de sortie plus élevée que des dispositifs comparables utilisant des techniques de cir25 cuits intégrés, tout en ayant une taille et un poids inférieurs à ceux de dispositifs à guides d'ondes utii Jsés dans le même but Le dispositif offre l'ava tage supplémientaire de comporter un dispositif de courtciruuit réglable pour l'accord sur une plage étendue En outre, la configuration 30 de circuit intégré permet d'intégrer aisément le dispositif avec d'autres composants qui peuvent être formés sur le même substrat On notera également que, bien qu'on-ait décrit en détail à titre d'exemple un mode de réalisation particulier de l'invention, on peut y apporter diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention Par exem- ple, le substrat 22 peut prendre la forme d'une couche plus étendue comprenant d'autres composants d'un sous-système récepteur ou émetteur L'invention n'est donc limitée que par les revendications annexées REVENDICATIONS 1 Oscillateur commandé par tension ayant une puissance de sortie élevée à des fréquences correspondant à des longueurs d'ondes millimétriques, cet oscillateur emplo5 yant des techniques de circuits intégrés, caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit à diode Gunn fabriqué sous la forme d'une ligne en bande suspendue et comprenant un substrat isolant ( 22), une région de contact ( 30) pour une diode Gunn sur une première face du substrat, un circuit d'entrée de polarisation continue ( 36) connecté à la région de contact ( 30) et comprenant une structure de filtre passe- bas ( 38), et un circuit de sortie ( 32) connecté à la région de contact ( 30) et comprenant une section d'adaptation d'impédance ( 34); une diode Gunn ( 24) montée de façon 15 à 8 tre connectée électriquement à la région de contact ( 30); une région de contact ( 44) pour une diode à capacité variable sur la seconde face du substrat, à l'opposé de la région de contact ( 30) pour la diode Gunn; et une diode à capacité variable ( 26) montée pratiquement ' alignement avec la diode Gunn ( 24), en contact avec la région de contact ( 44) pour la capacité variable. 2 Oscillateur commandé par tension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de court-circuit réglables ( 50) qui sont alignés 25 avec le circuit de sortie ( 32) et qui permettent de régler la fréquence de l'oscillateur. 3 Oscillateur commandé par tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section d'adaptation d'impédance ( 34) comporte des sections multiples pour 30 réaliser une adaptation d'impédance entre la diode Gunn ( 24) et l'impédance de la ligne en bande du circuit de sortie ( 32). 4 Oscillateur commandé par tension ayant une puissance de sortie élevée à des fréquences correspondant à 35 des longueurs d'ondes millimétriques, caractérisé en ce qu'il comprend: un bloc conducteur ( 10 a, lob) faisant fonction de plan de masse de dispositif; un premier passage ( 16) formé dans le bloc ( 10 a, lob); un second passage ( 18) formé dans le bloc ( 10 a, lob) et rencontrant le premier passage ( 16); un circuit à ligne en bande suspendu dans les premier et second passages ( 16, 18) et comprenant un substrat isolant ( 22) fixé dans les premier et second passages ( 16, 18), une région de contact ( 30) pour une diode Gunn sur une première face du substrat ( 22) à l'intersection des premier et second passages ( 16, 18), un circuit d'entrée de polarisation continue ( 36) connecté à la région de contact ( 30), s'étendant le-long du second passage ( 18) et comprenant une structure de filtre passe-bas ( 38), et un circuit de sortie ( 32) qui est connecté à la région-de contact ( 30), qui s'étend le long du premier passage ( 16) et qui comprend une section d'adaptation d'impédance ( 34); une diode Gunn ( 24) montée de façon à être connectée électriquement à la région de contact ( 30); des moyens ( 42) destinés à supporter la diode Gunn ( 24) et à connecter l'une de ses bornes au bloc ( 10 a, 20 l Ob); une région de contact ( 44) pour une diode à capacité variable, connectée au bloc ( 10 a, lob) et située sur la seconde face du substrat ( 22), à l'opposé de la région de contact ( 30) pour la diode Gunn; une diode à capacité variable ( 26) montée pratiquement en alignement avec la diode Gunn ( 24) avec l'une de ses bornes en contact avec la région de contact ( 44) pour la diode à capacité variable; et des moyens ( 46, 48) destinés à fixer en position la diode à capacité variable et à établir un contact avec son autre borne pour appliquer une tension de polarisation. 5 Oscillateur commandé par tension selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en Outre un dispositif de court-circuit coulissant ( 50) se présentant sous la forme d'un-piston métallique ajusté de façon coulissante dans le premierpassage ( 16)-du côté opposé au circuit35 de sortie ( 32) par-rapport au second passage ( 18), ce dispo- sitif permettant de régler la fréquence d'oscillation en faisant coulisser le piston ( 50). 6 Oscillateur commandé par tension selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section d'adapta5 tion d'impédance ( 34) comprend des sections multiples pour réaliser une adaptation d'impédance entre la diode Gunn ( 24) et la ligne en bande du circuit de sortie ( 32). 7 Oscillateur commandé par tension procurant de meilleures performances de puissance de sortie sans avoir 10 une taille ou un coût excessifs caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier de support ( 1 la, lob) connecté à la masse; un substrat ( 22) se pr 8 tant au montage à l'intérieur du bottier; un circuit à diode Gunn formé sur une première face du substrat ( 22) et comprenant une région de 15 contact ( 30) pour une diode Gunn, un circuit d'entrée de polarisation ( 36) et un circuit de sortie ( 32); des moyens ( 20 a) destinés au montage du substrat ( 22) dans le bottier de support ( 10 a, lob), pour fixer le circuit à diode Gunn dans une configuration en ligne en bande suspendue, dans une paire de passages ( 16, 18) formés csauf le boîtier ( 10 a, lob), cette région de contact ( 30) se trouvant à l'intersection des passages ( 16, 18); une diode Gunn ( 24) montée en contact avec la région de contact ( 30); une diode à capacité variable ( 26) montée pratiquement en alignement avec la diode Gunn ( 24), en position adjacente à une seconde face du substrat ( 22); une région de contact ( 44) pour une diode à capacité variable, qui est reliée à la masse et se trouve sur la seconde face du substrat ( 22); et des moyens ( 46) pour appliquer une tension de polarisation à la diode à 30 capacité variable ( 26). 8 Oscillateur commandé par tension selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 50) permettant de régler la fréquence d'oscillation en réglant la longueur effective du passage ( 16) dans 35 lequel est suspendu le circuit de sortie ( 32)