Brevet FR2605816A1 — publié le 19880429

Oscillateur hyperfréquence à transistor, accordable par tension et générateur hyperfréquence à large bande comportant de tels oscillateurs La présente invention concerne un oscillateur hyperfréquence à transistor accordable par tension et un géné- rateur hyperfréquence à large bande comportant de tels oscillateurs. Elle s'applique à la réalisation des oscillateurs hyperfréquences accordables par tension, fonctionnant dans les gammes de fréquences comprises par exemple entre 500 et 2000 MHz dans lesquels, la fréquence d'accord varie de manière continue en fonction d'une tension continue de polarisation appliquée au moins sur une diode à capacité variable d'un résonateur. Elle trouve également son application à la réalisa- tion de synthétiseurs de fréquence. Les méthodes de conception de tels oscillateurs sont bien connues et leurs descriptions peuvent être trouvées par exemple dans le livre intitulé "Design of amplifiers and oscillators by the Sparameters methods" de G. VENDELIN publié chez JOHN WILLEY. Cependant, l'application de ces méthodes rencontre au plan pratique de nombreuses difficultés qui sont dues le plus souvent à une méconnaissance au moment de la conception des circuits des oscillateurs de certains paramètres physiques inhé- rents au câblage et à la disposition des composants des oscillateurs sur les circuits imprimés. Ces paramètres incontrôlés sont la cause d'apparition en cours de fonctionnement de raies de fréquences parasites ou encore de variations brutales du niveau du signal utile. Ces défauts apparaissent souvent lorsque les conditions de fonctionnement sont les plus critiques, notamment, à la mise sous tension, pour les températures extrêmes de fonctionnement ou encore, par exemple, lorsque les diodes à capacité variable ne sont pas polarisées. D'autre part, des défauts de linéarité de la caractéristique fréquence-tension apparaissent lorsque pour les tensions de commande élevées la capacité de la diode à capacité variable est faible relativement aux capacités parasites du circuit inductif du résonateur. Dans ees conditions le rapport des pentes fréquences-tensions à chaque extrémité de la gamme des fréquences de fonctionnement de l'oscillateur ne peut plus être maintenu dans la norme acceptable (inférieure à 2) et les performances en bruit de phase et en temps d'acquisition des synthétiseurs utilisant ce type d'oscillateur s'en trouvent affectées. Cette mauvaise tenue des performances se concrétise au plan industriel par des difficultés de reproduction. Elle en- traîne également des difficultés d'assemblage lorsque dans cer- taines applications il faut, pour élargir la bande des fréquen- ces, coupler plusieurs oscillateurs ensemble pour fractionner la bande en plusieurs sous-gammes affectées chacune à un oscilla- teur. En plus les problèmes de couplage entre oscillateurs ren- dent plus compliqué ce dernier type de réalisation. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet, un oscillateur hyperfréquence à transistor accordable par tension du type comprenant: - une plaque support en matériau diélectrique comportant une première face métallisée au moins en partie pour former le circuit de masse fixant la référence des potentiels de l'oscillateur et possédant une deuxième face parallèle à la première face sur laquelle sont disposés les composants de l'oscillateur, - un résonateur, - un circuit électronique actif formé par au moins un transistor monté en collecteur commun, couplé par sa base au résonateur pour permettre l'entretien des oscillations dans le résonateur, le transistor comprenant au moins une sortie d'émetteur reliée par l'intermédiaire d'au moins un condensateur au potentiel de masse caractérisé en ce que l'électrode de col- lecteur du transistor est reliée à la partie métallisée de la première face par un trou métallisé reliant la première face à la deuxième face et en ce que chaque condensateur est formé, par une première plaque métallique déposée sur la deuxième face de la plaque support, une deuxième plaque métallique formée par la première face métallisée de la plaque support et par un diélectrique disposé entre les deux plaques formé par le diélectrique de la plaque support. L'invention a également pour objet, un générateur hyperfréquence à large bande comportant un tel oscillateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: - la figure 1 un schéma de principe d'un oscillateur selon l'invention, - la figure 2 une vue en coupe partielle d'une plaque support sur laquelle reposent les composants de l'oscillateur de la figure 1, - la figure 3 une vue de dessus du plan d'implantation des composants de l'oscillateur sur la plaque support, - la figure 4 un schéma d'un résonateur pouvant être utilisé pour la mise en oeuvre de l'oscillateur de la figure 1, - la figure 5 un principe de couplage de plusieurs oscil- lateurs selon l'invention permettant la réalisation de généra- teurs hyperfréquences à large bande. L'oscillateur commandé en tension selon l'invention qui est représenté par le schéma de principe simplifié de la figure 1, comprend un circuit électronique actif 1 et un résonateur 2. Une source variable 3 commande la fréquence d'accord du résonateur 2. Le circuit électronique actif 1 entretient les oscilla- tions engendrées dans le résonateur 2. Il est composé par un transistor 4, dont le collecteur est relié par une liaison con- ductrice 5 à un circuit de masse M et dont l'émetteur est polarisé au moyen d'une résistance 6 et d'une inductance ou self de choc 7 reliées en série entre l'émetteur et une borne d'alimentation du circuit de l'oscillateur. La borne d'alimenta- tion est portée à un potentiel d'alimentation -U par rapport au potentiel du circuit de masse M. La base du transistor 4 est polarisée à l'aide d'un pont de polarisation formé par deux résistances 8 et 9, reliées en série entre la borne d'alimentation de potentiel -U et le circuit de masse M. Un condensateur 10 est relié en série entre la base du transistor 4 et le circuit d'accord 2. L'émetteur du transistor 4 comprend deux sorties distinctes 11 et 12 reliées respectivement au circuit de masse M au travers de deux condensateurs 13 et 14. Les condensateurs 13 et 14 constituent avec les capacités collecteur-base et collecteur-émetteur du transistor 4, respectivement désignés par les abréviations Ccb et Cce sur la figure 1, le circuit de réaction de l'oscillateur. Ainsi réalisé l'oscillateur fonctionne suivant le prin- cipe des oscillateurs à résistance négative. L'élimination des fréquences parasites et des variations indésirables de l'amplitude du signal délivré par l'oscillateur est obtenue selon l'invention, par le choix approprié des va- leurs des composants, une implantation précise de ceux-ci et par la réduction des inductances indésirables engendrées notamment par la liaison 5 et les condensateurs 13 et 14. Un exemple de réalisation d'un oscillateur permettant de satisfaire toutes ces exigences, est montré aux figures 2 et 3 qui représentent un mode d'assemblage de ses composants sur une plaque support en matériau diélectrique 15. Sur ces figures, les éléments homologues à ceux déjà représentés à la figure 1 sont repérés avec les mêmes références. Une première face de la plaque support 15 est recouverte par une couche métallique 16, figurant le circuit de masse M de l'oscillateur. Les sorties 11 et 12 de l'émetteur du transistor 4 sont soudées à deux couches ou plaques métalliques 17 et 18 gravées sur la deuxième face de la plaque support parallèlement à la première face pour former avec le circuit de masse 16 et le diélectrique de la plaque support 15 les condensateurs 13 et 14. Le diélectrique peut éventuellement être constitué par du polytétrafluoréthylène encore dénommé PTFE et commercialisé sous la marque de fabrique TEFLON. L'avantage du téflon est qu'il possède de très faibles pertes aux hautes fréquences. Toujours suivant le mode de réalisation de la figure 2 la connexion du collecteur 5 au circuit de masse 16 est obtenue par un trou métallisé 19, percé dans l'épaisseur de la plaque support 15. Les dimensions des surfaces des deux couches conductrices 16 et 17 déterminent avec les caractéristiques du diélectrique de la plaque support 15, la valeur des condensa- teurs 13 et 14. De préférence, les couches 16 et 17 sont placées le plus près possible du boîtier du transistor 4. Le résonateur 2 qui est représenté à la figure 4 est équivalent à un circuit résonnant de type série dont l'inductance L est fixe et dont la capacité d'accord C est v variable. La capacité variable C est constituée par v l'association de quatre diodes à capacité variable 20, 21, 22 et 23 du type connu par exemple sous la référence BB621 et commercialisées par la société SIEMENS, reliées en série à quatre inductances 24, 25, 26 et 27. Le réglage de la fréquence d'accord du résonateur est obtenu en faisant varier les tensions appliquées aux bornes des diodes 20 à 23, au travers de résistances 28, 29, 30 et 31 au moyen de générateurs de tension continue variable 32 et 33. Les résistances 28, 29, 30 et 31 présentent aux fréquences de fonctionnement du résonateur des Impédances élevées. La résistance 28 est reliée par une extrémité aux anodes des diodes 21 et 22 au travers des inductances 25 et 26 respectivement et par son autre extrémité au pôle négatif du générateur 33. Egalement la résistance 29 est reliée par une première extrémité au pôle négatif du générateur 33 et par une deuxième extrémité à l'anode de la diode 23 au travers de l'inductance 27. Pour des raisons pratiques de réalisation, le générateur 33 peut être placée à l'extérieur du circuit imprimé 15. Eventuellement ce générateur pourra délivrer par exemple, des tensions continues variables par bonds pour réaliser un préposItionnement du résonateur. Le circuit de la figure 4 comprend également deux autres résistances 30 et 31 reliées respectivement par une de leurs extrémités aux cathodes des diodes 20 et 21 et aux cathodes des diodes 22 et 23, et par leurs autres extrémités à un générateur de tension continue variable 32. Comme précédemment le générateur 32 peut être placé à l'extérieur du circuit imprimé 15. Ce type de commande dite "commande en flottant" de l'élément variable d'un résonateur accordable est connu. L'énergie réactive se développe entre le point commun à l'inductance 27 et la résistance 29, et le circuit de masse M. Le retour à la masse des courants haute fréquence s'effectue au moyen d'un condensateur 34 en un point situé le plus près possible du collecteur du transistor 4. Ainsi le résonateur occupe une surface minimale ce qui contribue à réduire le risque de couplage indésirable. Un condensateur 35 découple le générateur 32. Contrairement aux réalisations connues o l'inductance d'accord du résonateur comprend un seul élément et o il existe toujours une capacité parasite entre les bornes de l'inductance d'accord et entre chaque point de cette inductance et le circuit de métallisation M, l'inductance d'accord est sur la figure 4 composée de quatre inductances 24 à 27 reliées en série au travers des diodes 20 à 23. Chaque inductance est réalisée sur la plaque support par une connexion conductrice déposée sur la deuxième face, la partie en regard sur la première face n'étant pas métallisée comme cela est représenté sur la figure 3. En découpant ainsi l'inductance en 4 inductances de valeurs L/4 on augmente dans le rapport 2 la fréquence propre de l'accord parallèle indésirable et d'autre part, on diminue la capacité parasite consécutive à la réduction de la surface de chaque tronçon d'inductance. Plus généralement avec un découpage de l'inductance en N inductances de valeurs L/N on pourra obtenir selon d'autres réalisations une augmentation dans le rapport Ni de la fréquence propre de l'accord parallèle indésirable. De ce fait, l'écart entre l'accord parallèle indésirable et l'accord série utile est augmenté; et par suite, l'influence de l'impédance capacitive parasite est diminuée ce qui améliore la linéarité de la courbe fréquence-tension de l'oscillateur, et le rapport de leurs pentes extrêmes fréquences-tensions. A titre d'exemple, un rapport de 1,27 correspondant à des valeurs de pentes extrêmes égales à 33 MHz/volt et 42 MHz/volt peut être obtenu, alors que sans les précautions précitées le rapport obtenu n'est que de 4,5 pour des valeurs extrêmes de pentes égales à 10 MHz/volt et 45 MHz/volt. Un autre avantage procuré par ces résultats et que l'on peut sans utiliser de réseau correcteur à l'entrée de commande en fréquence du résonateur, obtenir une constance suffisante de la fonction de transfert de la boucle d'asservissement de phase des synthétiseurs de fréquence dont l'oscillateur selon l'invention est un des éléments. L'intérêt est que l'on obtient une constance des performances des synthétiseurs conçus suivant ce principe, qui se concrétise par une stabilité du temps d'acquisition en saut de fréquence entre deux fréquences et par des variations peu importantes de la densité spectrale du bruit de phase. Un schéma de principe permettant de coupler deux oscilla- teurs 36a et 36b selon l'invention sur une plaque support pour obtenir un générateur hyperfréquence à large bande est représenté à la figure 5. Suivant ce mode de réalisation les tensions de commande des deux résonateurs 2a et 2b sont appliquées en permanence par un générateur de tension exté- rieur, non représenté. Un commutateur extérieur également non représenté applique la tension d'alimentation -U soit à l'oscillateur 36 soit à l'oscillateur 36b. Une résistance de charge 37 est implantée à peu près à égale distance des circuits émetteurs 6 7 d'une part, et 6 et 7 d'autre part, des transistors 4 et 4b de chacun des oscillateurs. De ce fait l'indice que présente le couplage entre la résistance de charge 37 et les émetteurs des transistors 4 de chacun des oscillateurs est sensiblement le même; l'énergie prélevée est alors identique quelque soit l'oscillateur alimenté. En fait, l'un des transistors 4a ou 4b lorsqu'il n'est pas alimenté, se comporte a 4b lorsqu'il n'est pas alimenté, se comnporte comme une impédance élevée et l'énergie prélevée par les éléments actifs non alimentés est faible. Un écran électrostatique 38 constitué par exemple par une ligne métallisée déposée sur la deuxième face de la plaque support et de la façon représentée à la figure 3 élimine le couplage résiduel entre les deux oscillateurs dont les circuits sont imbriqués autour de la charge 37.Un amplificateur 39 en circuit intégré du type par exemple de celui désigné sous la référence CGY31 commercialisé par la société SIEMENS, suivi d'un répartiteur 40 A deux voies délivre, deux signaux haute fréquence. Cet amplificateur dont le gain inverse est élevé permet d'isoler chaque oscillateur des variations du taux d'onde stationnaire de l'une quelconque des charges de sortie. Naturellement ce principe peut encore s'appliquer au couplage de plus de deux oscillateurs sur une même plaque support. REVENDICATIONS 1. Oscillateur hyperfréquence A transistor, accordable par tension, du type comprenant: - une plaque support en matériau diélectrlque (15) comportant une première face, métallisée au moins en partie pour former le circuit de masse (16) fixant la référence des potentiels de l'oscillateur et possédant une deuxième face parallèle à la première face sur laquelle sont disposés les composants de l'oscillateur, - un résonateur (2), - un circuit électronique actif (1) formé par au moins un transistor (4) monté en collecteur commun, couplé par sa base au résonateur (2) pour permettre l'entretien des oscillations dans le résonateur, le transistor (4) comprenant au moins une sortie d'émetteur reliée par l'intermédiaire d'au moins un condensateur (13, 14) au potentiel de masse caractérisé en ce que l'électrode de collecteur du transistor est reliée à la partie métallisée (16) de la première face par un trou métallisé (19) reliant la première face à la deuxième face, et en ce que, chaque condensateur (13, 14) est formé par une première plaque métallique (17, 18) déposée sur la deuxième face de la plaque support, une deuxième plaque métallique formée par la première face métallisée (16) de la plaque support, et par un diélectrique disposé entre les deux plaques formé par le diélectrique (15) de la plaque support. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur comprend un circuit résonnant composé par une pluralité d'inductances (24, 25, 26, 27) et une pluralité de diodes (20, 21, 22, 23) à capacité variable reliées en série. 3. Oscillateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émetteur du transistor (4) comprend deux sorties reliées respectivement au circuit de masse (16) par l'intermédiaire d'un condensateur (13, 14). 4. Osciliateur selon les revendications 1 à 3, caractéri- sé en ce que le matériau diélectrique de la plaque support (15) est du polytétrafluoréthylène. 5. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les inductances (24, 25, 26, 27) sont réalisées sur la plaque support par des connexions conduc- trices déposées sur la deuxième face la plaque support, les parties en regard sur le première face de ces connexions n'étant pas métallisées. 6. Générateur hyperfréquence à large bande, caractérisé en ce qu'il comprend un pluralité d'oscillateurs (36a Y 36b) selon l'une quelconque des revendications i à 5, montés en série sur une même plaque support (15) fonctionnant chacun dans une sous-gamme de la bande de fréquence du générateur. 7. Générateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au cours de fonctionnement sur une fréquence déterminée seul l'oscillateur pouvant délivrer cette fréquence est alimenté. 8. Générateur selon les revendications 6 et 7, caractéri- sé en ce que les oscillateurs (36a, 36b alimentent alternativement une même charge commune (37). 9. Générateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un écran électrostatique (38) formé par une bande métallique déposée sur la deuxième face de la plaque support pour éliminer les couplages résiduels entre oscillateurs. 10. Utilisation du générateur selon les revendications 6 A 9 à la réalisation de synthétiseurs de fréquence.