Brevet FR2582156A1 — publié le 19861121

OSCILLATEUR HYPERFREQUENCES FONCTIONNANT EN BANDE MILLIMETRIQUE La présente invention concerne un oscillateur en guide d'ondes, dont l'élément actif est un dispositif semiconducteur à résistance négative, tel qu'une diode Gunn ou Impatt. Cet oscillateur est destiné à fonctionner dans les fréquences dites millimétriques, c'est- à-dire dans la bande 30-300 GHz. Il est stabilisé par un résonateur diélectrique, couplé au guide d'ondes de telle façon que la cavité obtenue fonctionne en monomode. L'oscillateur selon l'invention est particulièrement stable en température, et peu bruyant. La réalisation de sources de puissance en bande millimétrique -c'est-àdire dont la longueur d'ondes est comprise entre 1 cm et I mm- ayant une bonne stabilité en fréquence et de bonnes caractéristiques de bruit ne peut être envisagée que sous la forme d'une source stable à diode Gunn ou Impatt. Les caractéristiques de stabilité et de bruit de la source de puissance sont celles de ]'oscillateur synchronisateur. C'est donc un objet de l'invention que de proposer un oscillateur stable et peu bruyant. On connait des oscillateurs extrêmement stables et peu bruyants, mais à de plus basses fréquences - bandes X, 6,2-10,9 GHz, et Ku 17,2-33GHz- que celle concernée par l'oscillateur de l'invention: 94 GHz. Ces oscillateurs sont réalisés sur un substrat plan, supportant des lignes de propagation de type microbandes (microstrip Fines), auxquelles sont couplés un ou plusieurs réso- nateurs diélectriques, qui se présentent comme des sphères, des cylindres ou des parallélépipèdes de rutile ou de grenat d'yttrium par exemple. Le coefficient de température du résonateur diélectrique peut être optimisé pour minimiser les variations de fréquence avec la variation de température. Par ailleurs, le coefficient de sur- tension Qext est élevé, ce qui contribuera à améliorer le bruit de l'oscillateur. 82156 Un oscillateur millimétrique stabilisé à 50 GHz par résonateur diélectrique a été décrit dans J'article "50 GHz IC Components Using Alumina Substrates" publié dans IEEE Trans. on Microwaves Theory and Techniques, vol. MTT 31, N 2, Fév. 83, pages 121 à 128. Mais le résonateur diélectrique est couplé à une ligne microbande. 1D semble que 50 GHz constitue une limite supérieure pour les oscillateurs plans sur substrats d'alumine, stabilisés par un réso- nateur diélectrique, et aucune publication ne décrit un oscillateur à résonateur fonctionnant au delà de 50 GHz. Les oscillateurs fonctionnant à de plus hautes fréquences sont jusqu'à présent réalisés en guide d'ondes, tel que celui qui est très schématiquement représenté en figure 1. Un guide d'ondes I comporte un double Té 2 et 3, ces deux pièces étant en face à face. Le Té 2 permet de positionner dans le guide d'ondes une diode 4, montée et encapsulée sur une embase 6; un disque métallique résonant 5 sert d'adaptateur d'impédance: le diamètre de ce disque métallique est égal à >/4. A travers le Té 3 passe une antenne 7 qui, s'appuyant sur la diode 4 par l'intermédiaire du disque 5, lui apporte une tension de polarisation. L'antenne 7 est maintenue et isolée au moyen d'une ou plusieurs charges absorbantes 8. Cet oscillateur est réglé en fréquence au moyen d'un piston 9, qui peut être déplacé dans le guide d'ondes, et qui fait court-circuit pour les ondes. L'oscillateur selon l'invention a une cavité dont le fonctionnement est monomode. On utilise le double couplage de la diode et du guide, et du résonateur et du guide pour réaliser un oscillateur stable en fréquence et en température, peu bruyant et de plus compact. De façon plus précise, l'oscillateur selon l'invention est un oscillateur hyperfréquences, fonctionnant en bande millimétrique, comportant un guide d'ondes fermé à une première extrémité par un iris et par une impédance de charge utile et à une deuxième extrémité par une impédance de charge annexe, et comportant également un élément semiconducteur à résistance négative électri- 821 6 quement polarisé au moyen d'une antenne qui couple l'élément semiconducteur au guide d'ondes, cet oscillateur étant caractérisé en ce que la cavité résonante, dans le guide d'ondes, est délimitée par l'iris et par un résonateur diélectrique, placé dans le guide d'ondes, entre l'antenne de couplage de l'élément semiconducteur et la charge annexe. L'invention sera mieux comprise par la description plus détail- lée qui en suit, faisant apparaître les avantages de cet oscillateur, et s'appuyant sur les figures jointes en annexe qui représentent: - figure 1: schéma simplifié d'un oscillateur connu en guide d'ondes, avec cavité radiale dite "à cap", exposée précédemment, - figure 2: schéma électrique de l'oscillateur selon l'invention, - figure 3: vue en coupe de la cavité résonante de l'oscillateur selon l'invention. De façon à faciliter la description de l'invention, les mêmes indices de repère désignent les mêmes objets sur la figure 1 de l'art connu et sur la figure 3 représentant un oscillateur selon l'invention, dans la mesure o ces dits objets sont communs à l'art antérieur et à l'invention. La figure 2 représente le schéma électrique de l'oscillateur à résonateur diélectrique. L'élément actif de cet oscillateur est une diode Gunn ou une diode Impatt, réalisée en matériaux du groupe 1I1-V tels que par exemple GaAs ou InP, ou d'autres alliages ternaires ou quaternaires: elle a une impédance Zd ramenée dans le plan de couplage du guide d'ondes; Cette diode est introduite dans un guide d'onde, la cavité résonante étant définie par un iris (non représenté) du côté de la charge utile Zc et par un résonateur diélectrique, représenté par son schéma équivalent RLC en parallèle. Derrière le résonateur diélectrique se trouve une charge absorbante annexe Za Le résonateur diélectrique placé dans le guide d'ondes et de position réglable -ce qui fait varier la distance L résonateur-diode- est positionné de telle façon qu'à la fréquence de résonance il soit équivalent à une charge de coefficient de réflexion élevé; il réfléchit un maximum de puissance. La charge annexe Za, située 82156 dans le guide d'ondes du même c8té que le résonateur par rapport à la diode, permet de s'assurer qu'en plus, en dehors de la résonance, les conditions d'oscillations ne sont pas remplies. Enfin, 'iris, situé entre la diode et la charge utile Zc, peut être réalisé de différentes façons connues de l'homme de l'art: 'iris modifie l'impédance de sortie du guide d'ondes pour extraire le maximum de puissance, et il modifie la susceptance ramenée sur l'élément actif pour que la fréquence d'oscillation coTncide avec la fréquence propre du résona- teur diélectrique. Ainsi, pour cet oscillateur en bande millimétrique stabilisé par résonateur diélectrique, on utilise le couplage du résonateur utilisé en mode fondamental, avec le guide d'onde, et en outre le couplage magnétique de la diode au guide d'ondes. Un oscillateur en guide d'ondes peut être couplé soit sur le mode fondamental, soit sur un mode supérieur, selon le réglage effectué. Dans le cas présent, le résonateur est placé dans le guide d'ondes de telle sorte que son couplage avec le guide d'ondes corresponde au mode voulu, c'est-à- dire le mode fondamental. Un tel système est équivalent à celui obtenu avec une cavité résonante métallique, mais J'oscillateur selon l'invention a l'avantage de fonctionner en monomode, tandis qu'un système à cavité réso- nante métallique, comportant donc un court-circuit à la place du système résonateur diélectrique plus charge annexe, fonctionne en multimode. De plus, le coefficient de surtension Qext est plus élevé que celui obtenu conventionnellement avec une cavité à "cap" ce qui se traduit par une amélioration du bruit B. La figure 3 représente une vue en coupe de la cavité résonante de l'oscillateur selon l'invention. Cette figure est simplifiée, et elle se limite à la seule région du système qui est proche de la diode et du résonateur, parce qu'en fait le guide d'onde et les charges utiles Z et annexe Z ont des dimensions qui ne sont pas compatibles avec c a cette figure, du moins à la même échelle. L'exposé de cette figure permettra de mieux préciser par la suite quelques caractéristiques de l'oscillateur selon l'invention. 8 2 1 5 6 Un guide d'ondes 1 est formé entre deux blocs métalliques 10 et 11, en cuivre doré par exemple, l'un des deux blocs comportant une rainure usinée pour former le guide 1. Dans le bloc 10 est foré un orifice cylindrique 2 formant un Té avec le guide d'ondes 1, et dans Je bloc 11 est foré un autre orifice cylindrique 3 formant un Té avec le guide, les deux orifices 2 et 3 étant alignés face à face, sur le même axe. L'élément actif, c'est-à-dire la diode 4, montée et encapsulée sur une embase 6 puis vissée sur un dissipateur 16 est positionnée dans le bloc 10 à l'extrêmité d'une tige coaxiale 7, qui amène sur la diode la tension de polarisation. La diode 4 étant séparée de l'axe du guide d'ondes I par une bague de transition 12, la tige métallique 7 sert d'antenne et se couple au champ magnétique du guide d'ondes. L'autre extrémité de cette antenne 7 comporte une charge absor- bante 8. Un résonateur diélectrique 13 est placé dans le guide d'ondes 1, entre le conducteur central ou antenne 7 et une charge annexe symbolisée par Za Un iris 14, introduit dans le guide d'ondes I entre le conduc- teur central 7 et la charge utile Zc, optimise la puissance de sortie et modifie la susceptance ramenée sur l'élément actif, pour que sa fréquence d'oscillation coîncide avec la fréquence de résonance propre du résonateur diélectrique. La diode 4 est bien entendu une diode capable d'osciller en hyperfréquences, au moins à 94 GHz dans le cas d'application envisagé, mais jusque 300 GHz de façon plus générale. C'est soit une diode Gunn en GaAs -ou autres matériaux assimilés tels que GaAIAs- qui fonctionne en mode harmonique en bande millimé- trique, soit une diode Gunn en InP, qui fonctionne en mode fonda- mental. Mais quel que soit le mode d'oscillation de la diode, le fonctionnement de la cavitée délimitée par le résonateur diélec- trique et l'iris est monomode. Le résonateur diélectrique 13 est constitué par une sphère, un cylindre ou un parallélépipède d'un matériau diélectrique connu pour cet usage, tel que par exemple l'alumine A1203, le titanate de baryum TiO4Ba ou le titanate de zirconium et d'étain (Zr, Sn)TiO4. Le résonateur, de dimensions plus petites que celles du guide d'ondes 1, est maintenu sur l'axe du guide au moyen d'une matière 15 ne présentant pas de pertes hyperfréquences. A titre d'exemple non limitatif, à 94 GHz et pour un guide d'ondes ayant 2,54 mm d'épaisseur interne, un résonateur cylindrique 13 a un diamètre égal à 0,53 mm et une longueur comprise entre 0,29 et 0,32 mm. Le résonateur est centré sur l'axe longitudinal du guide d'ondes 1. En effet, il ne doit pas être trop proche d'une paroi du guide d'ondes, sinon son coefficient de qualité se dégrade, ce qui signifie que la fréquence d'oscillation change et n'est plus accordée sur une fréquence précise, mais correspond plutôt à un spectre de fréquences. Le résonateur diélectrique 13 est en outre plus proche de la diode, ou plus précisément de l'antenne 7, que ne l'est le court- circuit 9 dans un oscillateur selon l'art connu. Il s'ensuit que la dérive de fréquence en fonction de la température est plus faible que celle obtenue avec un oscillateur à cavité métallique déter- minée par un court-circuit. En outre, cette dérive de fréquence, due en partie à la dilatation du guide d'ondes qui fait varier la longueur L résonateur-antenne, peut être compensée par le choix, pour le résonateur 13, d'un matériau diélectrique dont le coefficient de température annule ou au moins s'oppose à l'effet de dilatation du guide d'ondes. Le titanate de zirconium et d'étain peut par exemple avoir un coefficient de température positif de 3 ppm/ C, ce qui permet une bonne stabilité de fréquence dans un intervalle de 60 C. L'oscillateur hyperfréquence à résistance négative selon l'invention est utilisé dans les systèmes hyperfréquences nécessitant une certaine puissance obtenue à partir d'une pluralité de sources synchronisées par un oscillateur stable et n'ayant que peu de bruit. Il est en outre très compact. Il est appliqué dans des systèmes tels que 82156 les radars, les faisceaux hertziens, les télécommunications spatiales ou par fibres optiques. B2156 REVENDICATIONS 1. Oscillateur hyperfréquences, fonctionnant en bande milli- métrique, comportant un guide d'ondes (1) fermé à une première extrémité par un iris (14) et par une impédance de charge utile (Zc) et à une deuxième extrémité par une impédance de charge annexe (Za), et comportant également un élément semiconducteur (4) à résistance négative, électriquement polarisé au moyen d'une antenne (7) qui couple l'élément semiconducteur (4) au guide d'ondes (1), cet oscillateur étant caractérisé en ce que la cavité résonante, dans le guide d'ondes (1), est délimitée par l'iris (14) et par un résonateur diélectrique (13), placé dans Je guide d'ondes (1), entre l'antenne (7) de couplage de l'élément semiconducteur (4) et la charge annexe (Za). - 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur (4) à résistance négative est une diode hyperfréquences, de type Gunn ou de type Impatt. 3. Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résonateur diélectrique (13) est placé dans le guide d'ondes (1) à une distance (L) de J'antenne (7) telle qu'à Ja fréquence de résonance il soit équivalent à une charge de coefficient de réflexion élevé. 4. OscilJateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le guide d'ondes (1) est doublement couplé, avec la diode (4) et avec le résonateur (13). 5. Oscillateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que Je couplage du résonateur (13) avec le guide d'ondes (1) utilise le mode fondamental du résonateur (13). 6. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur diélectrique (13) est en forme de sphère, de cylindre ou de parallélépipède. 82156 ou de parallélépipède. 7. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur diélectrique (13) est maintenu en place, sur l'axe du guide d'ondes (1), au moyen d'une matière (15) ne présentant pas de pertes par absorption en hyperfréquences. 8. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur diélectrique (13) est constitué d'un matériau tel que J'alumine, le titanate de baryum, Je titanate de zirconium et d'étain, ayant un coefficient de surtension élevé. 9. Oscillateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau du résonateur diélectrique (13) est choisi de façon à compenser la dérive de fréquence avec la température 10. Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'iris (14) modifie la susceptance ramenée sur la diode (4) pour que la fréquence d'oscillation coîncide avec la fréquence de résonance propre du résonateur diélectrique (13). 11. Oscillateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la cavité est délimitée par le résonateur (13) et par l'iris (14). 12. Oscillateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité ainsi délimitée a un fonctionnement monomode par opposi- tion à une cavité métallique dont le fonctionnement est multimode.