Brevet FR2566965A1 — publié le 19860103

OSCILLATEUR REGLABLE HYPERFREOUENCE A FAIBLE BRUIT. La présente invention concerne des résonateurs gyromagnétiques hyperfréguence et, en particulier, un oscillateur réglable a résonateur du type a grenat d'yttrium et de fer (YIG). qui fonctionne également comme filtre passe-bande de sortie. Dans le domaine des hyperfréquences, on connaît bien les résonateurs gyromagnétiques pour leur utilisation comme filtres ou comme oscillateurs. Ces résonateurs emploient des sphères monocristallines fortement polies de grenat d'yttrium et de fer (YIG) de grenat de gallium, d'yttrium et de fer (GaYIG), de ferrite de lithium ou de ferrite de baryum. Placées dans un champ magnétique % C engendré par un courant continu, comme l'entrefer dun électroaimant, avec un couplage convenable, ces sphères se comportent comme des cavités hyperfréquence réglables. résonnant a une fréquence directement proportionnelle a la densité de flux ambiante. qui, a son tour, est proportionnelle au courant qui passe dans les électroaimants. Ceci permet de régler la fréquence de résonance. Dans un filtre passe-bande YIG. une sphère YIG est placée dans un champ magnétique HDC engendré par un courant continu au centre des deux boucles conductrices dont les axes sont perpendiculaires l'un å l'autre et au champ HDC Une boucle véhicule un courant constituant un signal d'entrée a fréquence radio (RF) et l'autre boucle fournit le signal de sortie.Lorsque le champ HDC est nul, et en raison du fait que les boucles sont perpendiculaires l'une a l'autre. les boucles d'entrée et de sortie sont isolées l'une de l'autre. Lorsque l'on applique le champ HDC, l'isolation entre le signal d'entrée et le signal de sortie est encore élevée. sauf à la fréquence de résonance ferromagnétique". à laquelle le signal d'entrée est fortement couplé avec le mode résonnant ferromagnétique fondamental de la sphère. Ce mode résonnant. qui présente deux composantes du champ électromagnétique RF dans des plans orthogonaux, va également réaliser un fort couplage avec la boucle de sortie, donnant une faible perte d'insertion (c'est-å-dire la perte de puissance due à l'insertion d'un composant donné dans un circuit donné) entre les signaux d'entrée et de sortie. Cette structure forme un filtre passe-bande dont la bande passante est centrée sur la fréquence de résonance ferromagnétique, que l'on peut régler en faisant varier l'intensité qui passe dans les électroaimants produisant le champ HDC On peut également. utiliser un résonateur YIG comme élément de stabilisation de fréquence dans un oscillateur hyperfréquence.Typiquement, un circuit actif à résistance négative est couplé au résonateur YIG de manière que les conditions de phase et d'amplitude pour l'oscillation ne soient satisfaites qu'a une fréquence proche de la fréquence de résonance ferromagnétique. En se reportant à la Figure 1, un oscillateur YIG typique de modèle antérieur 1 comporte un circuit actif 2 à résistance négative qui fournit la puissance d'entrée, couplé a un résonateur YIG 3 a simple boucle qui commande la fréquence d'oscillation. On peut réaliser la résistance négative 2 sous la forme d'un transistor bipolaire ou à effet de champ ou une diode Gunn. Le résonateur peut être modelisé comme un circuit RLC à montage parallèle. Si la résistance du résonateur 3 est supérieure à la résistance négative du circuit actif 2, et si les parties imaginaires des deux impédances sont égales et opposées. le circuit 1 va commencer à osciller.L'énergie RF, fournie sous forme de bruit provenant de la partie active 2 du circuit, est sélectivement réfléchie par le résonateur 3 de sorte qu'il s'opère une oscillation centrée sur la fréquence de résonance de la sphère YIG. L'amplitude de cette oscillation augmentera jusqu'au niveau ou les valeurs absolues de la résistance du résonateur et de la résistance négative sont égales. Une partie de ce signal oscillant RF est couplée à un point de sortie 4. normalement à partir d'un point situé entre le circuit actif et le résonateur ou bien à partir de l'intérieur du circuit actif, au moyen d'un couplage capacitif ou inductif 5. Les résonateurs YIG possèdent un facteur de qualité "Q" (rapport de l'énergie stockée à l'énergie dissipée par cycle dans un composant), sans charge, de valeur élevée, de l'ordre de 1.000 à 2 Gigahertz jusqu'à 8.000 à 18 Gigahertz, augmentant avec la fréquence. La valeur élevée de leur facteur Qr leur pureté spectrale, leur linéarité et leur large possibilité de réglage font que les résonateurs YIG conviennent comme éléments de stabilisation de fréquence dans les oscillateurs hyperfréquence réglables.Toutefois, dans les oscillateurs conventionnels réglables à résonateur YIG et à circuit actif à résistance négative, le- fait de réaliser un couplage capacitif ou inductif de l'énergie de sortie provenant du circuit actif présente l'inconvénient que, sur une large plage de fréquences, le signal RF comporte les instabilités aléatoires de phase, c'est-à-dire un bruit de phase provenant des composants actifs de la résistance négative L'effet de filtrage du couplage est très faible et le bruit de phase provenant du circuit actif est encore présent à la sortie de l'oscillateur à des fréquences éloignées de la fréquence porteuse. Certains oscillateurs de modèle antérieur, en particulier des oscillateurs a résonateur diélectrique, ont employé des filtres passe-bande entre l'élément actif et la sortie de l'oscillateur.Il reste à montrer comment il est possible, de façon simple, de filtrer le signal de sortie d'un oscillateur YIG pour réduire le bruit de phase en dehors de la bande passante du filtre. C'est donc un objet de cette invention d'offrir un oscillateur réglable YIG présentant des caractéristiques améliorées de bruit de phase. L'invention atteint cette amélioration en utilisant un résonateur du type YIG å la fois comme élément de stabilisation de l'oscillateur et comme filtre passe-bande. Un oscillateur conventionnel du type YIG à simple boucle et a circuit actif à résistance négative est modifié par addition d'une seconde boucle perpendiculaire å la première. Cette seconde boucle est couplée au résonateur YIG et fournit le signal de sortie de l'oscillateur. L'énergie est couplée. magnétiquement, directement a partir du résonateur, tandis que le bruit en provenance du circuit actif est isolé.Ceci abaisse le niveau de bruit en dehors de la bande passante du filtre de plusieurs décibels en dessous. du niveau de bruit d'un oscillateur conventionnel a circuit actif a résistance négative, pour parvenir a peu près au niveau de bruit d'une résistance passive. D'autres emplois et avantages seront mieux compris en se reportant aux dessins joints, ou - la Figure 1 est un schéma d'un oscillateur YIG conventionnel utilisant un circuit actif a résistance négative et un résonateur YIG a simple boucle ; et - la Figure 2 est un schéma d'un oscillateur selon l'invention, utilisant un résonateur YIG a double boucle. L'invention consiste en un oscillateur 10 à résistance négative. Figure 2, qui élimine une partie du bruit rencontré en dehors de la bande passante du filtre en tirant avantage de la caractéristique propre du filtre passe-bande que constitue un résonateur YIG. Bien que la conception conventionnelle d'un oscillateur YIG ait utilisé une boucle pour réaliser le couplage de l'énergie a la fois a l'entrée et a la sortie du résonateur, ceci n'est pas obligatoire. Stant donné que le mode résonnant fondamental d'une sphère YIG présente deux champs magnétiques RF orthogonaux associés, on peut utiliser deux boucles orthogonales. assurant chacune le couplage avec l'une des composantes respectives du champ RF.Dans cette invention, un résonateur 20 YIG a double boucle agit , å la fois comme élément stabilisateur commandant la fréquence de l'oscillateur et comme filtre de sortie, réduisant les apports de bruit de phase provenant du circuit actif 30 qui fournit la puissance d'entrée RF. La sphère 25 du résonateur est placée dans l'entrefer d'un électroaimant, non représenté, composé d'un pôle supérieur et d'un pôle inférieur. Un courant continu contrôlé qui passe dans l'électroaimant crée un champ magnétique HDC parallèle aux plans des boucles 35 et 40, donnant a la sphère une fréquence de résonance directement proportionnelle a l'intensité du champ HDC. De cette façon. une première boucle 35 peut réaliser le couplage énergétique entre le circuit actif et le résonateur YIG et une seconde boucle orthogonale 40 peut réaliser le couplage énergétique entre la sphère 25 et le circuit de sortie 45. En combinant le résonateur et le circuit actif, il faut respecter les caractéristiques particulières des ondes haute fréquence.La sphère YIG a typiquement un diamètre de 1/2 mm å 1 mm, selon la puissance qui doit passer dans le résonateur. De préférence la distance entre le résonateur et le circuit actif est inférieure au quart d'une longueur d'onde, Pour un signal de 10 gigahertz, la longueur d'onde est d'environ 30 mm, de sorte que le circuit actif et le résonateur doivent se trouver a moins d'environ 7 mm l'un de l'autre. Le fait d'utiliser pour un oscillateur 10 la structure å double boucle orthogonale et de prélever le signal de sortie sur la seconde boucle 40 améliore la caractéristique de bruit de phase. Le bruit de phase en dehors de la fréquence d'oscillation est diminué car le signal de sortie est isolé des composants actifs 30 qui sont å l'origine de ce bruit. Le bruit de phase en dehors de la bande passante du filtre approchera celui dû aux composants passifs, l'effet du bruit causé par le circuit actif en dehors de la bande de fréquence étant pratiquement éliminé. L'homme de l'art saura modifier l'invention sans s'écarter de son esprit ou de son objet; Il est; par exemple, encore possible de coupler une sortie auxiliaire et la première boucle de la façon conventionnelle, bien que les signaux de sortie conventionnels aient des caractéristiques de bruit de phase plus mauvaises qu'un signal de sortie obtenu sur la seconde boucle. Le fait de prévoir deux sorties isolées présente certains avantages, par exemple dans les systèmes a verrouillage de phase. REVENDICATIONS 1 - Oscillateur 10 du type utilisant un résonateur ferromagnétique 20 et une première boucle conductrice 35 couplée à un circuit actif à résistance négative 30, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une seconde boucle conductrice 40 disposée perpendiculairement å la première boucle et en ce que le résonateur induit, dans la seconde boucle 40, à sa fréquence de résonance, un signal que l'on peut appliquer au circuit d'utilisation de 1' oscillateur 2 - Oscillateur hyperfréquence réglable 10 formé par la combinaison d'un circuit actif 30 à résistance négative et d'un filtre passe-bande constitué d'un résonateur ferromagnétique a double boucle. 3 - Procédé d'utilisation d'un filtre passe-bande constitué d'un résonateur ferromagnétique a double boucle dans un oscillateur hyperfréquence å la fois comme élément stabilisateur de fréquence et comme filtre de sortie.