Brevet FR2582877A1 — publié le 19861205

OSCILLATEUR HYPERFREQUENCE DE PUISSANCE, MODULE LINEAIREMENT SUR UNE GRANDE PLAGE DE FREQUENCE. L'invention concerne un oscillateur hyperfré- quence de puissance modulé linéairement sur une grande plage de fréquence autour d'une fréquence centrale au moyen de deux diodes à capacité variable en fonction d'une tension de com- mande et dont les cathodes sont reliées entre elles à travers un élément de ligne sur lequel est appliquée ladite tension de commande, ledit oscillateur comportant un transistor dont les impédances d'adaptation sur ses électrodes d'entrée et de sor- tie sont réalisées par des lignes calculées de façon à assurer un gain maximum à la fréquence centrale. L'oscillateur de l'invention fournit une puis- sance de sortie de 600 mW à une fréquence de travail de l'or- dre de 4 GHz et trouve une application dans des équipements tels que les sources de radioaltimètres ou de fusées de proxi- mité pour lesquelles une extrême précision de la linéarité de la caractéristique fréquence-tension de commande est exigée. Une telle linéarité est définie comme le rapport de la pente maximale de la caractéristique à la pente minimale dans la plage de variation de fréquence imposée (par exemple 200 MHz autour de 4 GHz). Une autre définition de la linéarité par l'écart de fréquence par rapport à une variation linéaire théorique est plus avantageuse mais ne rend pas compte des brusques va- riations importantes de pente qui s'avèrent inadmissibles dans les applications précitées. Le calcul a montré que pour une variation quasi sinusoYdale autour de la loi idéale, la linéarité donnée par la première définition est au moins 41W fois plus exigeante que celle fournie par la seconde, cette dernière définition étant celle que l'on rencontre le plus fréquemment dans la littérature. - 2 - Des oscillateurs hyperfréquence du genre men- tionné dans le préambule sont connus par exemple du brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 310 809 qui décrit un dispositif à résistance négative réalisé à partir d'un transistor bipolaire et dont la variation de fréquence est commandée par des varac- tors places en parallèle dans le circuit de wobulation. Des oscillateurs de ce type, d'un usage courant dans le domaine des hyperfréquences, fournissent une puissance de sortie rela- tivement faible qui est ici de 10 mW à 8,5 GHz. Par ailleurs la linéarité obtenue sur la modulation de fréquence basée uni- quement sur les caractéristiques hyperabruptes des varactors ne satisfait pas aux conditions d'extrême précision définies ci-dessus. Le but de l'invention est de réaliser à partir d'un transistor hyperfréquence à fort gain, un oscillateur du type à amplificateur bouclé fournissant une puissance éle- vée et présentant une extrême linéarité de la caractéristique de modulation de fréquence en fonction de la tension appli- quée. L'oscillateur de l'invention est remarquable en ce que l'oscillation à la fréquence de travail est obtenue pour un mode de fonctionnement stable du transistor dans ladite plage de fréquence au moyen d'un réseau de rebouclage adaptant son entrée à sa sortie, lesdites diodes à capacité variable étant intercalées en série entre trois éléments de ligne dans un circuit de wobulation monté en parallèle sur ledit réseau de rebouclage, ledit &liment de ligne reliant les cathodes en- tre elles constituant l'un desdits trois éléments, les deux autres éléments dont une extrémité est reliée à une anode de diode étant connectés respectivement par l'autre extrémité à un point du réseau de rebouclage et à la masse, lesdits élé- ments de ligne du circuit de wobulation étant déterminés pour optimiser la linéarité de la modulation de fréquence en fonc- tion de ladite tension de commande. - 3 - Des transistors hyperfréquence à fort gain sont actuellement disponibles. L'utilisation dans 1'oscillateur de l'invention d'un transistor hyperfréquence à effet de champ ayant un gain de l'ordre de 10 dB rend possible ledit rebou- clage à partir d'un coupleur constitué de deux lignes relati- vement fines situées à proximité l'une de l'autre en sortie de l'oscillateur. Une faible partie de la puissance de sortie est ainsi prélevée par rayonnement et renvoyée sur l'entrge à tra- vers un réseau comportant la ligne équivalente au coupleur et respectant la condition d'oscillation. Des transistors ayant des valeurs de gain plus faibles de l'ordre de 3 dB nécessite- raient des coupleurs dont les dimensions seraient prohibiti- ves. La description suivante en regard des dessins an- nexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente le schéma de principe de l'oscillateur hyperfréquence conforme à l'invention. La figure 2 illustre le fonctionnement du circuit de wobulation disposé en parallèle sur le réseau de reboucla- ge. La figure 3 montre la vue d'ensemble d'une réali- sation de l'oscillateur en technologie "micro-strip". La figure 4 donne les variations de la fréquence de l'oscillateur et de la puissance qu'il fournit en fonction de la tension de commande. Les éléments correspondants sur les figures 1, 2 et 3 seront désignés par les mêmes signes de référence. L'oscillateur hyperfréquence de l'invention dont le schéma est représenté sur la figure 1 est obtenu à partir d'un amplificateur bouclé comportant un transistor à effet de champ T monté en source commune S relise directement à la mas- se. L'adaptation à 50. de l'impédance d'entr4e de ce. transistor est constituée par: -4 - - la mise en série entre la masse et la grille G du transis- tor de la résistance R4, des lignes Lg, L7, Lll, L12, L14, du condensateur C2, des lignes L15, L16, L17, L19, L27, du condensateur C1, des lignes L28 et L30; - le montage en série du condensateur C4 et de la ligne L8 en- tre le point commun aux lignes L7 et L9 et la masse; - les lignes ouvertes à une extrémité (appelles stubs dans la littérature anglo- américaine) L13, (L'17, L"17), L18, L'27 et L2g disposées respectivement aux interconnexions des li- gnes L12 et L14, L16 et L17, L17 et Lg19, L9lg et L27, L28 et L30. De même, l'adaptation à 504 de l'impédance de sortie est constituée par la mise en série entre ladite sortie et la masse de la ligne L6, du condensateur C5, de la ligne L5, du condensateur C3, des lignes L4 et L1. Les caractéristiques de l'amplificateur ainsi constitué sont les suivantes: - Facteur de Linvill inférieur à l'unité (la condition de sta- bilité est donc remplie). - Gain maximum Gm entre grille et drain de l'ordre de 10 dB. - Puissance de sortie maximum approchant 1 watt. Les longueurs des lignes et des stubs ainsi que les capacités des condensateurs du circuit d'amplification sont définies de telle façon que: - les impédances synthétisées de source ZS entre grille et masse et de charge ZL entre drain et masse assurent un gain maximum de l'amplificateur à la fréquence centrale. - les modules des coefficients de réflexion d'entrée 1 ' z1 - za Z2 - Z0 et de sortie r2 = soient élevés Z1 + Z0 Z2 + Z0 (proches de l'unité) et sensiblement indépendants de la fré- quence dans la bande de fréquence utile (Zl et Z2 étant res- pectivement les impédances d'entrée et de sortie et Z0 = ). - 5 - - la phase du coefficient de réflexion il varie de façon mono- tone en fonction de la fréquence dans la bande de fréquence utile. - le déphasage entre les tensions d'entrée et de sortie soit égal à 2 k1r à la fréquence centrale et varie également de façon monotone en fonction de la fréquence. Les impédances d'adaptation d'entrée et de sortie comportent respectivement les lignes Lll et L5 de même lon- gueur et relativement fines. La mise à proximité de ces deux lignes constitue un coupleur directif qui assure le rebouclage de l'amplificateur sur lui-même. Le réseau de rebouclage ainsi constitué adapte la sortie du transistor à son entrée et ramè- ne en un point quelconque la ligne équivalente au coupleur respectant la condition d'oscillation. Du point de vue adaptation (influence sur le modu- le et sur la phase d'un coefficient de réflexion) et du point de vue déphasage en tension entre ses bornes d'entrée et de sortie couplées, le coupleur directif de faible couplage ( 10 dB) de longueur 1 et d'impédance caractéristique ZC se comporte comme une ligne de longueur 1 + 3et d'impédance ca- ractéristique ZC, X étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de l'oscillation. La polarisation du drain est assurée par une sour- ce de tension continue V dont la borne négative est à la masse et la borne positive est reliée au point d'interconnexion des lignes L1 et L4 à travers une résistance R2 et une ligne L2, celle-ci étant munie d'un stub L3. La polarisation de la grille est assurée de la même manière par une source de tension continue VG dont la borne positive est à la masse et dont la borne négative est reliée à la gril- le à travers une résistance R1 et une ligne L31, celle-ci étant munie d'un stub L32. Le circuit de wobulation disposé en parallèle sur le réseau de rebouclage est constitué de deux diodes à capaci- té variable ou varicaps D1 et D2 intercalées en série entre -6- les éléments de ligne L24, L21 et L20. L'élément central L21 relie entre elles les cathodes des diodes et reçoit sur son extrémité reliée à D1, à travers une résistance R3 et une li- gne L22 munie d'un stub L23, un signal de tension de commande variable en dents de scie. Les éléments de ligne L20 et L24 dont une extrémité est reliée à une anode de diode ont leurs autres extrémités reliées respectivement à l'interconnexion des lignes Lg19, L27, L'27, du circuit d'adaptation d'entrée et, à la masse. Les lignes et stubs L24 et L25 d'une part, L26 et L25 d'autre part constituent respectivement les rappels de masse des anodes des varicaps D1 et D2. La position de ce circuit de wobulation sur l'aba- que de Smith et la longueur des trois éléments de ligne sont déterminées conformément à l'invention pour obtenir la linéa- rité de la fréquence en fonction de la tension de commande. On va maintenant examiner les différentes façons de réaliser le circuit de wobulation dans le but d'aboutir à la meilleure linéarité possible et expliquer sommairement le processus d'optimisation de ladite linéarité à partir du cir- cuit donné ci-dessus. A deux fréquences différentes mais voisines, le réseau d'adaptation n'a pas la même influence sur l'impédance de sortie: si l'on part d'un même point de l'abaque de Smith, il introduit entre les deux coefficients de réflexion une dif- férence de phase àq(P) et une différence de module alPrl. Cette dernière est négligeable, les modules des coefficients de ré- flexion d'entrée et de sortie étant du même ordre de grandeur et variant peu avec la fréquence. Le circuit de wobulation a pour r8le de compenser le "(P) apporté par le réseau d'adap- tation et de faire varier le déphasage en tension t(V) ce qui permet de faire varier la fréquence d'oscillation. Les coefficients de réflexion des impédances d'en- trée et de sortie du transistor adapté varient peu avec la fréquence. On enregistre une différence de phase de l'ordre de -7- 4 pour le coefficient de réflexion d'entrée comme pour celui de sortie. La taille du transistor, la présence de la ligne équivalente au coupleur (pour laquelle seule la longueur a une influence différente suivant la fréquence) imposent une lon- gueur de ligne dispersive de l'ordre de A à la fréquence cen- trale. Cette dernière étant de 4 GHz, le déphasage correspon- dant à une modulation de 200 MHz sera: 2 x 360 x 0 = 36 . (le coefficient 2 tient compte de la périodicité de 1800 sur l'abaque de Smith). Au total la variation de phase A?(P) à compenser a l'aide du circuit de wobulation est donc de-l'ordre de 40 . On remarque par ailleurs qu'une variation d'impé- dance réduite Az d'une varicap a un maximum d'influence sur AY(P) dans la zone de court-circuit de l'abaque de Smith. Si l'impédance de la varicap est de 50 A à 4 GHz et si une modulation de 200 MHz autour de cette fréquence in- troduit une variation d'impédance de 20 n, la différence d'im- pédance réduite z = z = jO,4 entraîne une différence de z phase du coefficient de réflexion de 40e. Il semble donc tout indiqué de réaliser simplement la compensation de phase du ré- seau de rebouclage au moyen d'une seule varicap montre en sg- rie dans ce réseau. L'adaptation entrée-sortie ayant Eté réalisée en disposant des stubs sur les lignes nécessaires au rebouclage de manière à modifier le moins possible la variation du module du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence, on peut alors ne s'intéresser qu'à la variation de phase AV(P) de ce coefficient qui est linéaire. Il en est de même de la va- riation de la partie imaginaire de l'impédance réduite AIm(z). Dans la zone o l'on souhaite placer la varicap, on veut donc compenser les variations linéaires en fonction de la fréquence de f(p) et Im(z) apportées par le réseau de re- bouclage au moyen d'une variation linéaire en sens inverse de ?v(P) et Imv(z) de la varicap. Cela implique que la cacacté- -8- ristique v() en fonction de Imv(z) est linéaire. Si on se place effectivement dans une zone linéaire de cette caracté- ristique obtenue expérimentalement, la variation de l'impédan- ce de la varicap en fonction de la fréquence devrait être éga- lement linéaire. Or la variation expérimentale montre qu'elle ne l'est pas et accuse une non-linéarité importante de l'ordre de 40 %. L'examen de cette variation d'impédance avec la ten- sion révèle de plus que la pente de wobulation est élevée: MHz pour 12,4 V. On peut essayer de compenser cette non-linéarité en plaçant la varicap en un autre point de l'abaque de Smith o le déphasage du coefficient de réflexion ne varie plus li- néairement avec la partie imaginaire de l'impédance réduite. Dans ce cas la linéarité se trouve améliorée mais la variation de phase apportée par la varicap diminue: il faudra augmenter la pente de wobulation qui était déjà élevée. L'expérience a montré qu'il faudrait à peu près la doubler. Le moyen de pallier cet inconvénient consiste à placer la varicap en parallèle sur le réseau de rebouclage. C'est en amenant la variation d'admittance Ay de la varicap à agir dans la région de circuit ouvert (en impé- dance) qu'on obtiendra une variation maximale de la phase du coefficient de réflexion et une variation minimale de son mo- dule ainsi qu'on peut le vérifier en se référant à l'abaque de Smith. La position du circuit de wobulation parallèle est ain- si bien définie dans le circuit de rebouclage. Comme dans le cas précédent o la varicap était en série dans le réseau de rebouclage, on veut compenser une va- riation linéaire en fonction de la fréquence du A(p) apporté par le réseau d'adaptation par une variation linéaire en sens inverse du àfv(P) apporté par la varicap. Le circuit parallèle associé à la varicap doit donc amener la variation d'admittan- ce Ayv de celle-ci à agir dans une zone o la non-linéarité de la courbe de variation de la phase du coefficient de réflexion en fonction de la partie imaginaire de l'admittance réduite -9- compense la non-linéarité de la courbe de variation de cette dernière en fonction de la fréquence. Dans un premier temps, avec un stub court-circuité de longueur 11, on amène la varicap dans une position telle que sa variation d'impédance donne une variation de phase longueur 12 on s'arrange pour obtenir une variation pratique- ment linéaire de l'admittance ramenée. Ce circuit comportant une varicap en série entre deux éléments de ligne permet de linéariser la courbe admit- tance ramenée en parallèle en fonction de la fréquence et, contrairement au cas o la varicap est placée en série dans le réseau de rebouclage, la linéarisation n'entraîne pas une di- minution de la pente de cette courbe, au contraire. Il présen- te toutefois deux inconvénients: - la pente de la courbe admittance ramenée en parallèle en fonction de la fréquence étant augmentée, il faut pour réa- liser l'adaptation entrée-sortie du transistor, allonger le rebouclage ce qui augmente l'encombrement. - La valeur ponctuelle de l'impédance ramenée en parallèle est trop sensible aux longueurs 11 et 12 ce qui peut changer complètement l'adaptation. Une solution consiste à augmenter la pente de wo- bulation. Mais d'une part celle-ci est déjà &levée, d'autre part la non-linéarité à compenser serait plus grande. Une autre solution consiste à ajouter une deuxième varicap dans le circuit de wobulation parallèle. Le principe de fonctionnement de ce circuit est illustré sur la figure 2. La figure 2a est une représentation simplifiée de l'oscillateur de la figure 1 avec l'amplifica- teur hyperfréquence A rebouclé sur lui-même et comportant le transistor T avec ses impédances d'adaptation d'entrée et de sortie constituées de lignes L et de stubs L', et le circuit de wobulation w conforme à l'invention monté entre un point du réseau de rebouclage et la masse. La figure 2b montre les va- - 10 - riations successives de la phase du coefficient de réflexion tr) portées sur l'abaque de Smith. A l'aide de la ligne court-circuitée L24 de lon- gueur 11, on amine la première varicap D1 à donner une varia- tion de phase maximale à9l(r). La ligne L21 de longueur 12 permet à la deuxième varicap D2 de fournir également une va- riation de phase à2(P) maximale. La troisième ligne L20 de longueur 13 ramène la variation de phase enàMR et l'impé- dance du circuit de wobulation dans une zone telle que la va- riation dy de l'admittance totale est quasiment linéaire en fonction de la fréquence. L'utilisation de deux varicaps n'augmente pas la non-linéarité à compenser mais augmente la variation de phase utile. La pente de la courbe de variation de l'admittance ramenée en parallèle en fonction de la fréquence est plus fai- ble que dans le cas à une seule varicap et la valeur ponctuel- le de y est moins sensible aux longueurs 11, 12 et 13. Pour simplifier le raisonnement on ne s'est inté- ressé qu'aux longueurs 11, 12 et 13 des lignes du circuit de modulation parallèle. Les impédances de ces lignes jouent éga- lement un r8le dans l'efficacité de la wobulation. Une étude plus approfondie permet de remarquer que l'impédance de la première ligne de longueur 11 devra être la plus forte possi- ble pour limiter la dispersion néfaste qu'elle entraîne, sa longueur étant ajustée en conséquence. Les lignes de longueur 12 et 13 auront quant à elles une impédance plus forte pour conserver au maximum la variation de phase favorable apportée par les varicaps. Tel qu'il se présente, le circuit de modulation présente une admittance moyenne différente de zéro. Si l'on souhaite placer la vobulation en un point du rebouclage proche du point de circuit ouvert pour conserver la linéarisation, il faut ajouter en ce point un stub qui centre la variation d'admittance autour de zéro. - il - Etant donnée la puissance qui circule dans l'os- cillateur, les varicaps ne peuvent être utilisées trop près d'une tension de polarisation nulle sous peine de détection: il faut tenir compte de la tension HF aux bornes des varicaps. Pour pouvoir les utiliser à des tensions de pola- risation faibles c'est-à-dire là o elles sont le plus effica- ces, il est préférable de placer le circuit de wobulation en- tre la sortie couplée du coupleur et l'entrée du transistor, plut8t qu'entre la sortie du transistor et le coupleur. D'autre part la première varicap subit une tension HF plus élevée que la seconde. Aussi si l'on souhaite utiliser les varicaps au mieux de leurs performances, on peut décaler les deux dents de scie du signal de commande des varicaps d'une valeur de tension constante. * En conclusion, la mise en parallèle du circuit de modulation se révèle plus efficace que la mise en s9rie, aussi bien du point de vue bande de wobulation que du point de vue linéarité. La figure 3 montre un exemple de réalisation de l'oscillateur. Chaque ligne du schéma de la figure 1 représentée en traits hachurés dans un sens ou dans l'autre est réalisée à l'aide d'une couche conductrice de longueur et de largeur bien définies déposées par sérigraphie sur une face d'une plaquette isolante. L'autre face en communication avec la précédente par l'intermédiaire de trous percés dans la plaquette est recou- verte d'une couche conductrice uniforme qui constitue le plan de masse. Cette technologie est connue sous l'appellation de "strip-line" ou "microstrip" dans la littérature anglo-amgri- caine. Les lignes et stubs tels que L9, L12, L30, L1, L4, L6, L'17, L"17 appartenant aux circuits d'adaptation d'entrée et de sortie du transistor ont une largeur relativement élevée par rapport à des lignes telles que L2, L22, L26 et L31 qui ont une longueur de R/4 et présentent une forte impédance pour - 12 - assurer les amenées de courant au circuit ou les mises à la masse. Les lignes Lll et L5 du coupleur sont formées d'élé- ments de même longueur, de largeur faible par rapport à ladite longueur et suffisamment rapprochés. Les plages du circuit réunies à la masse sont hachurées dans les deux sens. Les com- posants basse fréquence tels que les résistances d'alimenta- tion RI, R2 et R3 sont rapportées par soudures. Le transistor à effet de champ T est un transistor AsGa à fort gain ( --10 dB) ayant une puissance de sortie pro- che du watt. L'encombrement de l'oscillateur est de mn x 40 mn. La figure 4a représente une caractéristique expg- rimentale de variation de la fréquence de sortie en fonction de la tension de commande des varicaps. Autour d'une fréquence centrale de 4,35 GHz obte- nue pour une tension de commande des varicaps de 8,5 V, l'exa- men de cette caractéristique met en évidence une bande de fré- quence de 210 MHz wobulée linéairement à moins de 4 % et une autre bande de fréquence de 290 MHz wobulie linéairement à moins de 10 %, la linéarité étant évaluée selon sa définition la plus sévère comme le rapport des pentes maximale et minimale de la caractéristique dans la bande de fréquence considérée. La simulation sur ordinateur prévoit une bande ma- ximale de 400 MHz wobulée linéairement à moins de 10 %. En pratique 200 à 250 MHz semble être la limite raisonnable que l'on puisse atteindre, compte tenu de l'imprécision du calcul des adaptations du transistor et de la puissance de sortie dé- sirée, avec un circuit comportant deux varicaps. Il est certain qu'en utilisant un nombre de vari- caps plus élevé et un transistor de faible puissance de sortie on pourra obtenir un oscillateur plus performant. La figure 4b donnant la variation expérimentale de la puissance de sortie de l'oscillateur en fonction de la même tension de commande montre que la valeur moyenne de cette puissance est de l'ordre de 600 mW. - 13 - REVENDICATIONS: 1. - Oscillateur hyperfréquence de puissance, modulé linéairement sur une grande plage de fréquence autour d'une fréquence centrale au moyen de deux diodes à capacité variable en fonction d'une tension de commande et dont les cathodes sont reliées entre elles à travers un élément de ligne sur le- quel est appliqué ladite tension de commande, ledit oscilla- teur comportant un transistor dont les impédances d'adaptation sur ses électrodes d'entrée et de sortie sont réalisées par des lignes calculées de façon à assurer un gain maximum à la fréquence centrale, caractérisé en ce que ledit transistor ayant un gain élevé et une forte puissance de sortie, l'oscil- lation est obtenue pour un mode de fonctionnement stable du transistor dans ladite plage de fréquence, au moyen d'un ré- seau de rebouclage adaptant son entrée à sa sortie, lesdites diodes à capacité variable étant intercalées en série entre trois éléments de ligne dans un circuit de wobulation monté en parallèle sur ledit réseau de rebouclage, ledit élément de li- gne reliant les cathodes entre elles constituant l'un des trois éléments, les deux autres éléments dont une extrémité est reliée à une anode de diode étant connectés respectivement par l'autre extrémité à un point du réseau de rebouclage et à la masse, lesdits éléments de ligne du circuit de wobulation étant déterminés pour optimiser la linéarité de la modulation de fréquence en fonction de ladite tension de commande. - 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rebouclage est assuré à partir d'un coupleur constitué de deux lignes situées à proximité l'une de l'autre à la sortie de l'oscillateur dont une faible partie de la puissance est ainsi prélevée par rayonnement et renvoyée sur l'entrée à travers ledit réseau de rebouclage comportant la ligneÉquivalente au coupleur et respectant la condition d'os- cillation. - 14 - 3. Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit transistor à gain élevé et à forte puissance de sortie est un transistor à effet de champ dont la source est à la masse et dont la grille et le drain sont res- pectivement lesdites électrodes d'entrée et de sortie.