Brevet FR2558996A1 — publié le 19850802

Multiplicateur de fréquence, pour ondes millimétriques L'invention concerne un multiplicateur de fréquence tel que ceux utilisés pour les télécommunications par ondes millimétriques pour réali- ser une source de signal hyperfréquence de très grande stabilité. La réalisation des faisceaux hertziens en ondes millimétriques nécessite des sources hyperfréquences verrouillées en phase, modulables en fréquence, capables de délivrer quelques dizaines de milliwatts, et qui puissent fonctionner correctement dans la gamme de température de - 30 à + 70 Celsius. Il est connu de réaliser de telles sources à des fréquences de l'ordre 4 GHz, par contre il n'est pas possible de réaliser de telles sources à une fréquence de l'ordre de 40 GHz au moyen d'un oscillateur fonctionnant directement à cette fréquence. C'est pourquoi une technique connue consiste, par exemple, à combiner un multiplicateur de fréquence par 10 à une source de signal à 4 GHz, verrouillée en phase, pour obtenir un signal à 40 GHz verrouillé en phase. Ce procédé permet d'obtenir une stabilité en fréquence bien meilleure que celle d'un oscillateur à diode GUNN par exemple, fonctionnant directement à la fréquence de 40 GHz. Il est connu de réaliser un multiplicateur par 10 recevant un signal incident de fréquence 4 GHz et fournissant un signal de sortie de fréquence 40 GHz, au moyen d'une diode à semi-conducteur de type IMPATT VARISELF par exemple, en appliquant le signal incident à la diode par l'intermédiaire d'un filtre passe-bas et adaptateur d'impédance évitant la remontée des fréquences harmoniques vers la source du signal incident; en recueillant la dixième harmonique générée par la diode au moyen d'une cavité accordée fixe contenant la diode, celle-ci ayant une position réglable dans cette cavité afin d'obtenir le fonctionnement donnant le meilleur rendement. Le filtre passe-bas adaptateur d'impé- dance comporte en général un transformateur dont le réglage, très délicat, doit être ajusté sur chaque exemplaire de multiplicateur. Le rendement obtenu avec les dispositifs connus comportant une diode IMPATT est de l'ordre de 5% dans cet exemple, et de I ou 2% avec une diode de type SNAP OFF. L'objet de l'invention est de remédier à ce 2;558996 faible rendement, tout en réduisant au minimum le nombre des réglages à faire sur le multiplicateur. Selon l'invention, un multiplicateur de fréquence, pour ondes millimétriques, comportant: - une entrée coaxiale pour recevoir un signal incident dont la fréquence est à multiplier; - un guide d'onde rectangulaire, dont une extrémité constitue une sortie du multiplicateur; - une diode à semi-conducteur, placée dans le guide d'onde - une cavité située dans une paroi du guide, à l'endroit o est placée la diode, cette cavité étant accordée sur la fréquence harmonique souhaitée est caractérisé en ce qu'il comporte en outre - au moins un piston de court-circuit fermant au moins partielle- ment une extrémité du guide, l'autre extrémité du guide constituant la sortie du multiplicateur - un porte-diode sur lequel est fixée la diode par une première borne, et qui est immobile en rotation et mobile en translation le long d'un axe parallèle au petit côté du guide et situé dans le plan de symétrie de celui-ci; - un filtre passe-bas et adaptateur d'impédance, mobile en trans- lation le long du même axe que le porte-diode, ayant une sortie en contact avec une seconde borne de la diode, et dont la bande passante est au moins égale à la fréquence du signal incident; - un dispositif élastique reliant l'entrée coaxiale à une entrée du filtre quelle que soit la position de la diode; - un piston de réglage de la cavité, de section circulaire centrée sur le porte-diode, coulissant le long de celui-ci, et immobile en rotation. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails apparaîtront à P'aide de la description ci-dessous et des figures l'accompagnant: - la figure I représente une vue en coupe d'un exemple de réalisation du multiplicateur selon l'invention; - les figures 2 à 6 représentent des vues de diverses parties de cet exemple. La figure 1 représente un exemple de réalisation o le signal incident, dans la fréquence est 4 GHz, est appliqué au multiplicateur par une entrée coaxiale constituée d'une prise coaxiale I ayant une embase fixée sur le corps 2 du multiplicateur par quatre vis non représentées. Sous cette embase, le corps 2 comprend un trou cylindrique 5 se prolongeant par un cône 6 jusqu'à un trou cylindrique 7 de diamètre inférieur au diamètre du trou 5. Les trous 5, 6 et 7 ont un même axe de symétrie de révolution. Le conducteur de l'âme de la prise coaxiale 1 dépasse de l'embase de cette prise et est soudée dans un trou, non représenté sur la figure 1, percé dans une première extrémité d'un dispositif élastique 4. Cette première extrémité est centrée dans le trou 5 par une pièce en téflon 3. Une seconde extrémité du dispositif élastique 4 comporte un trou fileté dans lequel est vissée une tige filetée 8 constituant l'entrée d'un filtre passe-bas et adaptateur d'impédance cons- titué d'une pièce métallique 8 à 14 et d'un tube de téflon 60 qui l'entoure avec un ajustage serré. Le dispositif élastique 4 relie électriquement l'âme de la prise coaxiale 1 à ce filtre en ayant une impédance de 50 ohms uniforme, et en exerçant en permanence une pression sur ce filtre qui est libre de se déplacer longitudinalement dans le trou 7. La pièce métallique du filtre est composée d'une série de cylin- dres taillés dans un même morceau de métal et ayant trois valeurs de diamètre distinctes. En partant de la premier extrémité, cette pièce métallique comporte la tige filetée 8 mentionnée précédemment, un premier cylindre 9 de diamètre égal à celui de la seconde extrémité du dispositif élastique 4, un second cylindre 10 de diamètre égal au diamètre intérieur du tube 60, un troisième cylindre 11 de diamètre très inférieur au diamètre intérieur du tube 60, un quatrième cylindre 12 de diamètre égal au diamètre intérieur du tube 60, un cinquième cylindre 13 de diamètre très inférieur au diamètre intérieur du tube 60 et un sixième cylindre 14 de diamètre égal au diamètre intérieur du tube 60 et qui constitue la seconde extrémité et la sortie du filtre. Le diamètre extérieur du tube 60 est légèrement inférieur au diamètre du trou 7 pour permettre un coulissement de l'ensemble du filtre dans le trou 7. Le trou conique 6 a pour fonction de réaliser une transition progressive entre le diamètre du trou 5 correspondant aux dimensions de 4 2558996 la prise coaxiale 1 et le diamètre du trou 7 correspondant au diamètre du filtre, qui est légèrement inférieur au grand côté du guide. La force exercée par le dispositif élastique 4 pousse le filtre de telle façon que son extrémité 14 appuie sur une première borne d'une diode 16 située dans l'axe de symétrie du filtre et du dispositif élastique 4. Une deuxième borne de la diode 16 est serrée à l'extrémité d'un porte- diode 17 ayant une forme cylindrique à section circulaire dont l'axe de symétrie est dans le prolongement de l'axe de symétrie du dispositif 4 et du filtre. La diode 16 est située à l'intérieur d'un guide d'onde dont l'axe est perpendiculaire à l'axe de symétrie du dispositif 4, du filtre, et du porte-diode 17. Ce guide d'onde comprend une première et une seconde partie, 37 et 15, situées de part et d'autre de la diode 16 et celle-ci est située dans le plan médian du guide d'onde. La première partie 37 du guide d'onde est partiellement fermée par une pièce de métal comportant un premier cylindre 30 de diamètre inférieur à la largeur du guide d'onde, un second cylindre 38 de diamètre inférieur au diamètre du cylindre 30, un troisième cylindre 32 identique au cylindre 30 et relié à celui-ci par le second cylindre 38. Le cylindre 32 est solidaire d'une vis auto-serrante constituée d'une tête de vis 35, d'un premier cylindre fileté 34, et d'un second cylindre fileté 33, reliés par une tige cylindrique 36. Les cylindres 34, 33, 32, 38, 30 et la tige 36 ont un axe de symétrie commun. La tige 36 comporte deux coupures partielles perpendiculaires à l'axe de symétrie et qui donnent à cette tige 36 une certaine élasticité longitudinale. Lors de sa mise en place cette tige 36 est comprimée pour qu'elle exerce une force tendant à écarter les cylindres filetés 33 et 34 pour immobiliser ceux-ci dans un trou fileté 48. Ce dernier est réalisé dans le prolongement de la portion de guide 37 et a une section circulaire de diamètre égal à la largeur du guide, afin de permettre l'introduction des cylindres 30 et 32. Ce trou fileté 48 débouche sur une face plane 39 perpendiculaire à l'axe de symétrie commun à ce trou fileté 48 et au guide d'onde 37, 15. La figure 2 représente une vue de la face plane 39 avec le trou fileté 48 et la première portion 37 du guide d'onde représenté en pointillés. La tête de vis 35 ne dépasse pas à l'extérieur du trou fileté 48, 2558996 pour permettre de fixer sur la face plane 36 un dissipateur de chaleur. Les cylindres filetés 33 et 34, et la tige 36, constituent un dispositif de réglage de la position des cylindres 30 et 32 ne possédant pas de jeu et ne nécessitant pas de contre-écrou pour l'immobiliser, ce qui simplifie beau- coup le réglage. Les cylindres 30 et 32 constituent, du point de vue des ondes hyperfréquences, des courts-circuits mobiles. Le réglage de leur position permet de régler au mieux la transition entre le guide d'onde 37, et la ligne coaxiale alimentant la diode 16, constituée par le dispositif élastique 4 et le filtre 8 à 14 et 60. Ce filtre passe-bas et adaptateur a pour fonctions, d'une part, d'éviter la remontée de signaux harmoniques vers la source à 4 GHz et, d'autre part d'adapter l'impédance de la ligne coaxiale venant de la source à l'impédance de la diode 16. Dans cet exemple le filtre réalise une adaptation 50 ohms-8 ohms, et il a une bande passante légèrement supérieure à 4 GHz. Ce type de filtre est connu et sa réalisation est à la portée de l'homme de l'art. Il présente l'avantage d'être réalisable en série sans nécessiter un réglage sur chaque exemplaire. Autour du porte-diode 17 est ménagée une cavité cylindrique 31, à section circulaire de diamètre légèrement supérieur au grand côté du guide 15-37, creusée dans le corps 2, ayant pour axe de symétrie l'axe de symétrie du support-diode 17, et qui est fermée par un court-circuit mobile 18 solidaire d'un cylindre métallique 19 coulissant le long du porte- diode 17. Le porte-diode 17 et le cylindre 19 sont immobilisés en rotation par une vis goupille 24 qui les traverse et qui est fixe. Le cylindre 19 porte un filetage qui est vissé dans le filetage d'une roue moletée 21, permettant de régler la position du court-circuit 18. La roue 21 est libre en rotation autour de l'axe de symétrie du portediode 17 et du cylindre 19 mais est immobilisée en translation. Elle porte sur ces deux flancs des garnitures 20 en téflon qui assurent un frottement doux sur deux surfaces d'appuis, dont l'une est usinée sur le corps 2 et l'autre dans une pièce 61 constituant une cage contenant la roue 21 et qui est fixée au corps 2 par quatre vis non représentées. La vis- goupille 24 possède une tête filetée, qui est vissée dans un trou fileté de cette pièce 61. 6 2558996 La figure 3 représente deux vues plus détaillées du court-circuit 18 et du cylindre 19. Le court-circuit 18 comprend deux couronnes formées de segments souples. Une couronne extérieure assure le contact sur la paroi constituée par le corps 2 du multiplicateur et une couronne intérieure assure le contact avec la paroi constituée par le porte-diode 17. Le cylindre 19 est fileté sur toute sa surface mais il comporte deux trous 23 diamétralement opposés, allongés le long d'une génératrice, et dont la largeur est égale exactement au diamètre de la vis-goupille 24. La longueur de trous 23 est très supérieure à ce diamètre, elle permet donc une translation du cylindre 19 le long de son axe. Par contre, sa largeur étant égale au diamètre de la vis-goupille 24, le cylindre 19 est immobi- lisé en rotation. En agissant sur la roue moletée 21 un opérateur peut déplacer le court-circuit 18 pour régler la résonnance de la cavité 31 sur une fréquence harmonique déterminée, par exemple sur la fréquence 40 GHz. L'absence de rotation du court-circuit 18 permet des réglages stables et répétables. Sur la figure 1, le porte-diode 17 est solidaire en translation, mais pas en rotation, d'un bouton moleté 26 fixé à l'extrémité opposée à celle o est fixée la diode 16. A cette extrémité le porte-diode 17 comporte un trou fileté situé sur son axe de symétrie et dans lequel est vissée une vis 27. Le bouton 26 est serré contre le porte-diode 17 par une rondelle élastique 28 placée entre lui et la vis 27. La rondelle élastique 28 permet de maintenir le bouton 26 libre en rotation autour de la tige de la vis 27 tout en entrainant le porte-diode 17 en translation quand le bouton 26 est déplacé. La vis 27 comporte un épaulement 29 sur sa tige afin de pouvoir la rendre solidaire du porte-diode 17 en la serrant dans le trou fileté du porte-diode 17. Le bouton 26 est vissé dans un filetage 25 effectué sur une partie cylindrique de la pièce 61, avec pour axe de symétrie l'axe du porte-diode 17. La figure 4 montre une vue plus détaillée du porte-diode 17. Sa première extrémité comporte un trou cylindrique 57 muni de quatre fentes 58, plus profondes que le trou 57 et constituant une pince pour maintenir la seconde borne de la diode 16. L'autre extrémité est munie d'un trou fileté 30 pour recevoir la partie filetée de la tige de la vis 27. Un trou oblon 22 traverse le porte-diode 17 perpendiculairement à son axe 7 '2558996 de symétrie. Il a une largeur exactement égale au diamètre de la vis- goupille 24, pour empêcher toute rotation du porte-diode 17, et il a une longueur, correspondant à une génératrice, très supérieure au diamètre de la vis-goupille 24 et permettant une certaine course de réglage pour la position de la diode 16 dans le guide d'onde. Les figures 5 et 6 représentent les pièces constituant le dispositif élastique 4. Il comprend deux parties principales et un ressort 49 qui ont un axe de symétrie de révolution commun. La figure 5 montre une coupe d'une première partie qui constitue l'extérieur du dispositif 4. La figure 6 montre une vue non coupée d'une seconde partie qui constitue l'intérieur du dispositif 4. Sur la figure 5 la première partie est constituée d'une première entretoise 40, d'une pièce intermédiaire 41, d'un soufflet 42, d'une pièce intermédiaire 43, et d'une seconde entretoise 47, soudées les unes aux autres dans cet ordre, par des soudures à l'étain. L'entretoise 40 comporte un trou fileté percé selon son axe de symétrie. La seconde entretoise 47 comporte deux trous, 44 et 46, de diamètres différents et percés selon son axe de symétrie. Le trou le plus grand, 44, est percé du côté o l'entretoise 47 est soudée à la pièce intermédiaire 43 et son diamètre correspond au diamètre du ressort 49 qui est un ressort à boudin placé dans ce trou 44. Le trou de diamètre le plus faible, 46, est percé à l'autre extrémité, de l'entretoise 47. Il comporte un filetage sur une partie de sa longueur, permettant de fixer la tige filetée 9 du filtre passe-bas et adaptateur. Ce trou 46 débouche dans le précédent, 44, en formant un épaulement 45 sur lequel s'appuie le ressort 49. Le soufflet 42 est constitué d'un alliage métallique très souple. Il est vendu dans le commerce avec les pièces intermédiaires 41 et 43 qui constituent ses extrémités, sous la référence TOMBAC SK6307 par la Société SERVO METER (U.S.A). Après le soudage à l'étain de l'entretoise 40 sur la pièce intermédiaire 41 et de l'entretoise 47 sur la pièce intermé- diaire 43, l'ensemble est recouvert d'une couche d'or, comme d'ailleurs l'ensemble des pièces métalliques du multiplicateur, excepté le ressort 49. Sur la figure 6, la seconde partie du dispositif élastique 4 est constituée de quatre cylindres de diamètre différents taillés dans une même pièce de métal. Un premier cylindre 51 est percé d'un trou borgne, 8 2558996 non fileté, selon son axe de symétrie et dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre du conducteur de l'âme de la prise coaxiale 1. Ce conducteur est soudé dans ce trou par une soudure à l'étain. Le diamètre extérieur du cylindre 51 est égal au diamètre du trou de la pièce de centrage 3 en téflon. Un second cylindre, 52, fileté, a un diamètre correspondant à celui du trou fileté de l'entretoise 40 car la première partie du dispositif 4 est vissée sur ce cylindre 52. La longueur du cylindre 52 est égale à la longueur de l'entretoise 40. Un troisième cylindre, 53, a une surface lisse de diamètre égal au diamètre des trous traversant les pièces intermé- diaires 41 et 43 et une longueur supérieure à la longueur maximale du soufflet 42. Les pièces intermédiaires 41 et 43 peuvent glisser sur ce cylindre 53 avec un frottement doux, le soufflet 42 peut donc varier de longueur tout en étant maintenu parfaitement symétrique autour de son axe de symétrie de révolution. Un quatrième cylindre, 55, a un diamètre égal au diamètre du trou 44 dans l'entretoise 46 pour coulisser avec un frottement doux dans ce trou 44. Ce cylindre 55 contribue à maintenir la rectitude de l'ensemble de la première partie du dispositif élastique 4. Ce cylindre 55 traverse le ressort à boudin 49 qui s'appuie sur l'épaulement 54 formé par le cylindre 53. Le ressort 49 s'appuyant sur cet épaulement 54 et sur l'épaulement 45, il tend à éloigner les extrémités 51 et 47 du dispositif élastique 4. Ce dispositif élastique 4 conserve une parfaite rectitude quelque soit sa longueur, c'est-à-dire quelque soit le réglage de la position de la diode 16, pour éviter des variations de l'impédance de transmission le long de ce dispositif, il permet donc d'éviter des pertes de rendement du multiplicateur. La diode 16 nécessite un dispositif de polarisation, non représenté sur les figures, qui est très classique et dont la réalisation est à la portée de l'homme de l'art. Dans le cas d'une diode IMPATT un générateur de courant continu alimente la diode 16 grâce à un T de polarisation branché entre la prise 1 et la source du signal incident à 4 GHz. Le T de polarisation comprend un filtre passe-bas permettant d'injecter un courant continu en dérivation sur l'entrée du multiplicateur. 9 255$58996 L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit et représenté. Il est à la portée de l'homme de l'art d'utiliser un autre type de diode, notamment une diode de type SNAP OFF, ou d'utiliser un court- circuit avec contacts à la place des cylindres 30 et 32 fermant partielle- ment la partie 37 du guide d'onde. Le multiplicateur selon l'invention présente un rendement de 10% pour une multiplication par 10 à 40 GHz avec une diode IMPATT, et de 5% avec une diode SNAP OFF, ce qui est très supérieur au rendement des dispositifs multiplicateurs de l'art antérieur. Son rendement est meilleur notamment parce que le réglage de la cavité 31 permet un accord optimal de celle-ci. Son filtre passe-bas et adaptateur d'impédance ne nécessitant pas de réglage, les réglages sont donc plus simples que dans les dispositifs de l'art antérieur. Il est possible, par exemple, de couvrir la bande de fréquence de 30 à 45 GHz en utilisant un signal incident de fréquence comprise entre 3,6 et 4,2 GHz, verrouillé en phase, et en utilisant les rangs de multiplication 7, 8, 9, 10, et 11, sélectionnés en réglant la cavité 31. Naturellement il est à la portée de l'homme de l'art d'adapter la réalisation pour couvrir une gamme de fréquence différente. Le multiplicateur selon l'invention peut être appliqué notamment comme source d'ondes millimétriques pour des émetteurs de faisceaux hertziens. 2558996 REVENDICATIONS 1. Multiplicateur de fréquence, pour ondes millimétriques, com- portant: - une entrée coaxiale (1) pour recevoir un signal incident dont la fréquence est à multiplier; - un guide d'onde rectangulaire (15, 37), dont une extrémité (15) constitue une sortie du multiplicateur; - une diode à semi-conducteur (16), placée dans le guide d'onde (15, 37); - une cavité (31) située dans une paroi du guide (15, 37), à l'endroit o est placée la diode (16), cette cavité (31) étant accordée sur la fréquence harmonique souhaitée; caractérisé en ce qu'il comporte en outre: - au moins un piston de court-circuit (30, 32) fermant au moins partiellement une extrémité (37) du guide, l'autre extrémité (15) du guide constituant la sortie du multiplicateur; - un porte-diode (17) sur lequel est fixée la diode (16) par une première borne, et qui est immobile en rotation et mobile en translation le long d'un axe parallèle au petit côté du guide (15, 37) et situé dans le plan de symétrie de celui-ci; - un filtre passe-bas et adaptateur d'impédance (8 à 14 et 60), mobile en translation le long du même axe que le porte-diode (17), ayant une sortie (14) en contact avec une seconde borne de la diode (16), et dont la bande passante est au moins égale à la fréquence du signal incident; - un dispositif élastique (4) reliant l'entrée coaxiale (1) à une entrée du filtre (8 à 14) quelle que soit la position de la diode (16) ; - un piston (18) de réglage de la cavité (31), de section circulaire centrée sur le porte-diode (17), coulissant le long de celui-ci, et immobile en rotation. 2. Multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-diode (17) a une forme cylindrique à section circulaire. 3. Multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le porte-diode (17) est solidaire en translation et libre en rotation par rapport à un bouton de réglage (26) vissable sur un pas de vis fixe (25); en il 2558996- ce qu'il comporte un trou (22) traversé par une goupille (24) fixe et perpendiculaire à l'axe de symétrie du porte-diode (17), ce trou (22) ayant une section de largeur égale au diamètre de la goupille (24) pour immobiliser le porte-diode (17) en rotation, et une longueur supérieure à ce diamètre pour permettre la translation du porte-diode (17). 4. Multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (18) de réglage de la cavité (31) est solidaire d'un cylindre (19) à section circulaire, comportant un filetage extérieur vissé dans une roue moletée (21) libre en rotation et immobile en translation, et comportant un trou (23) traversé par une goupille (24), ce trou ayant une section de la largeur égale au diamètre de la goupille (24) pour emp&cher une rotation du cylindre (19), et de longueur supérieure à ce diamètre pour permettre la translation du cylindre (19). 5. Multiplicateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif élastique (4) reliant l'entrée coaxiale (1) à l'entrée du filtre (8 à 14) comporte une première et seconde partie ayant un axe de symétrie de révolution confondu avec l'axe de translation de la diode (16) , la première partie (40 à 47) coulissant à l'extérieur de la seconde (50 à 55), une première extrémité (40) de la première partie (40 à 47) étant solidaire de l'âme de l'entrée coaxiale (1), une seconde extrémité (47) étant solidaire de l'entrée du filtre (8 à 14), et un soufflet (42) cylindrique et conducteur étant prévu entre ces deux extrémités (40 et 47) pour les relier électri- quement quelle que soit la distance entre les deux extrémités (40 et 47); la seconde partie (50 à 55) étant rigide, solidaire de l'âme de l'entrée coaxiale (1) et comportant des parties cylindriques (53, 55) pour guider en translation le soufflet (42) et la seconde extrémité (47) de la première partie (40 à 47) afin de les maintenir parfaitement dans leur axe de symétrie; et en ce que le dispositif élastique (4) comporte en outre: un ressort à boudin (49) placé à l'intérieur de la seconde extrémité (47) de la première partie (40 à 47) long de son axe de symétrie, s'appuyant sur un épaulement de cette seconde extrémité (47) et sur un épaulement (54) de la première partie et exerçant une pression tendant à écarter les deux extrémités (40 et 47) de la première partie et à déplacer le filtre (8 à 14 et 60) en translation, afin de maintenir la sortie (14) du filtre (8 à 14 et -12 2558996 ) en contact avec la seconde borne de la diode (16) quelle que soit la position de la diode (16).