Brevet FR2671242A1 — publié le 19920703

Oscillateur à très faible bruit de phase La présente invention concerne un oscillateur à très faible bruit de phase. Elle s'applique principalement mais non exclusivement à la réalisation d'oscillateurs pour les sources de fréquences synthétisées. Les oscillateurs sont habituellement réalisés aux moyens d'un résonateur formé par exemple par une inductance et une capacité, couplé à un amplificateur associé ou non à un élément non linéaire. L'amplificateur excite le résonateur pour lui fournir l'énergie nécessaire à sa mise en oscillation sur sa fréquence de résonance une partie de l'énergie emmagasinée dans le résonateur étant prélevée de celui-ci pour être appliquée à l'entrée de l'amplificateur afin d'entretenir les oscillations. Le dispositif ainsi réalisé oscille lorsque la puissance du signal fournie par la sortie de l'amplificateur est supérieure à la somme de la puissance réinjectée à l'entrée de l'amplificateur et de la puissance perdue par effet JOULE dans le résonateur. Comme le gain de l'amplificateur ne peut augmenter indéfiniment par la saturation naturelle de l'amplificateur l'élément non linéaire nécessaire au fonctionnement de l'oscillateur est généralement constitué par l'amplificateur lui-même. Des modes de réalisation classiques d'oscillateurs sont décrits dans l'article de - D. B. LEESON "Simple Model of Feedback Oscffiator Noise Spectrum" Proc. IEEE Vol. 54 Feb. 1966 ou encore dans le livre - W. P. ROBINS ayant pour titre "Phase Noise in Signal Sources" pp 47-74 et publié DANS IEE TELECOMMUNICATIONS SERIES 9 par Peter PEREGRINUS Ltd, London, UF C 1982 et un dispositif permettant de réaliser un oscillateur ayant moins de bruit que les oscillateurs classiques décrits précédemment est également décrit dans la Demande de brevet européen 0182664 ayant pour titre "Low Noise Oscffiator". Ce dernier dispositif met en oeuvre principalement un filtre passe bas qui élimine les composantes basses fréquences de l'oscfflation, mais pour certaines réalisations réclamant des oscillateurs à grande pureté spectrale la réduction du bruit reste insuffisante du fait qu'un bruit constant de phase est toujours présent. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un oscillateur à très faible bruit de phase du type comprenant un amplificateur couplé entrée sur sortie par un résonateur caractérisé en ce que le résonateur comporte un ensemble de circuits résonants couplés et un organe de couplage pour coupler l'un des circuits résonants à une charge extérieure. L'invention a pour principal avantage qu'elle permet, en prélevant l'énergie utilisable directement sur un seul résonateur de l'ensemble des résonateurs, d'atténuer le bruit basse fréquence et d'éliminer le bruit constant de phase. 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 le schéma synoptique d'un oscillateur suivant l'art connu - la figure 2 un graphe de répartition de la densité spectrale du bruit de phase en fonction de la fréquence d'oscillation suivant l'art antérieur - la figure 3 un schéma synoptique d'un oscillateur selon l'invention; - la figure 4 un graphe de représentation de la densité spectrale du bruit de phase de ltoscillateur selon l'invention - la figure 5 un mode de réalisation d'un oscillateur selon l'invention. L'oscillateur selon l'art antérieur qui est représenté par le schéma synoptique de la figure 1, comporte un amplificateur 1 couplé entre une entrée et sa sortie par l'intermédiaire d'un résonateur 2 formé par une inductance L et un condensateur C. L'énergie utile en sortie de l'amplificateur 1 est disponible sur une résistance de charge R alimentée entre les bornes 3, 3' de sortie de l'amplificateur. Une fraction de l'énergie développée aux bornes du résonateur est appliquée sur les entrées 4, 4' de l'amplificateur 1. Ainsi réalisé l'amplificateur 1 qui comporte un ou plusieurs transistors agit comme un amplificateur linéaire maintenant le gain de boucle égal à l'unité et il agit aussi comme un limiteur qui stabilise le niveau du signal fourni par l'amplificateur sur ses niveaux de saturation. Une forme générale du spectre de fréquence obtenue avec un tel oscillateur est représentée par la courbe amplitude/fréquence de la figure 2 sur laquelle la densité spectrale du bruit en fonction de la fréquence se caractérise par quatre pentes distinctes, marquées fo,f#1 12 f 3 Le domaine f0 où la pente est nulle correspond au plancher de bruit de l'oscillrteur figuré par un bruit blanc de phase.Le domaine f#1 où la pente varie de 10 dB par décade correspond à un bruit aléatoire de phase ; le domaine f 2 où la pente varie de 20 dB par décade correspond à un bruit blanc de fréquence, et le domaine f -3 où la pente varie de 30 dB par décade est un bruit aléatoire de fréquence Cette courbe est la représentation graphique de la relation connue de la densité spectrale du bruit de phase des oscillateurs. Cette relation est de la forme où F est le facteur de bruit de l'amplificateur à son niveau de fonctionnement Pin est la puissance de signal réinjectée à l'entrée de l'amplificateur; f Oc est la fréquence de scintillation pour laquelle le bruit basse fréquence est égal au bruit thermique fo est la fréquence centrale de ltoscillateur; f est la fréquence de Fourier Q est le coefficient de qualité du résonateur kT est le produit de la constante de Boltzman K et de la Température T en d0 Kelvin. Dans la formule (1) le coefficient de qualité du résonateur est donnée par la relation fo (2) Bw à 3db ou encore par la relation fo Delta ~ Q . (3) 2 Delta f dans lesquelles fo est la fréquence d'accord du résonateur Bw est la bande passante à 3 dB Delta PI est la pente de la phase par rapport à la fréquence Sur le schéma synoptique de la figure 3 qui comporte des éléments homologues à ceux de la figure 1 représentés avec les mêmes références, l'osciliateur selon l'invention qui est représenté diffère de celui de la figure 1 par le mode de branchement de la résistance de charge R et par le mode de réalisation du résonateur qui comporte un ensemble de circuits LC passifs en série ou en parallèle accordés et couplés entre eux de façon à rendre maximale la pente de la phase autour de la fréquence centrale fo et former ainsi un filtre qui s'oppose aux modes d'oscillations indésirables de la boucle constituée par l'amplificateur 1 et le résonateur 2. La résistance R est alimentée par l'intermédiaire d'un organe de couplage 5 formé sur la figure 3 par un enroulement, couplé à l'un des circuits résonant du filtre composant le résonateur 2 mais qui pourrait aussi bien être réalisé au moyen d'un dispositif capacitif. La densité spectrale du bruit qui est obtenue avec un tel oscillateur est représentée à la figure 4 où il apparaît en la comparant à la courbe de la densité spectrale de la figure 2 que le bruit constant de phase en f0 et le bruit aléatoire de phase en f -1 sont éliminés. De façon plus précise, ce résultat est atteint seulement si l'atténuation du filtre n'a pas de plancher correspondant à une valeur constante de l'atténuation. Cependant, une telle valeur asymptotique de l'atténuation peut être évitée, si le couplage entre les résonateurs est du type magnétique. Un mode de réalisation d'un oscillateur correspondant au schéma de la figure 3 est montré à la figure 5. Celui-ci comporte outre les éléments homologues à ceux de la figure 3 qui sont représentés avec les mêmes références, un amplificateur 6 et un enroulement 7 utilisés en séparateur pour prélever l'énergie utile fourni par l'enroulement 5 et l'appliquer aux bornes de la résistance extérieure R. Dans ce cas un bruit propre de l'amplificateur 6 en f et ~ 1 réapparaît mais comme il s'agit d'un amplificateur, son bruit de phase peut dans ce cas être beaucoup plus facile à optimiser. Pour faciliter l'accord de ltoscillateur sur une fréquence quelconque à l'intérieur d'une bande de fréquence déterminée par une tension ajustable, il suffit de remplacer les condensateurs d'accord des résonateurs par des diodes à capacité variable commandées par une tension. Il est conseillé dans ce cas, de choisir un type de diode de qualité suffisante et d'augmenter encore cette dernière par l'insertation d'un condensateur fixe en série avec la diode à capacité variable commandée par une tension. REVENDICATIONS 1. Oscillateur à très faible bruit de phase du type comprenant un amplificateur (1) couplé entre l'entrée et sa sortie par un résonateur (2) caractérisé en ce que le résonateur (2) est formé par un assemblage de circuits résonants couplés et comporte un organe de couplage (5) de l'un des circuits résonants à une charge extérieure. 2. Oscillateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que les circuits résonants du filtre sont des circuits résonants parallèles . 3. Oscillateurs selon la revendication 7 caractérisé en ce que les circuits résonants du filtre sont des circuits résonants série. 4. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'organe de couplage (5) est formé par enroulement couplé à un circuit résonant. 5. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les condensateurs des résonateurs sont formés par des diodes à capacité variable commandées en tension.