Brevet FR2699346A1 — publié le 19940617

OSCILLATEUR MULTIFREQUENCE A SEMI-CONDUCTEUR ET CAVITE RESONANTE La présente invention concerne les oscillateurs hyperfréquence à semi-conducteur et cavité résonante fonctionnant dans un domaine typique de fréquence de 1 à 20 GHz. Un oscillateur hyperfréquence à cavité résonante peut servir d'oscillateur local dans un radar Doppler pour à la fois engendrer le signal qui sera amplifié et rayonné après passage dans un circuit de mise en forme et démoduler le signal reçu afin d'en extraire l'information Doppler. II présente en effet, grâce au coefficient de surtension élevé de sa cavité résonante une excellente stabilité à court terme sur une durée de quelques millisecondes nécessaire au retour d'un écho et à l'extraction de l'information Doppler qu'il renferme. Cependant, ces oscillateurs à semi-conducteur et cavité résonante sont monofréquence et on leur préfère dans la pratique courante, pour équiper des radars Doppler, des oscillateurs hyperfréquence à semi-conducteur, à quartz et à synthèse de fréquence qui ont l'avantage de pouvoir fonctionner sur plusieurs fréquences fondamentales distinctes. En effet, cela autorise pour les radars Doppler des changements de fréquence de fonctionnement qui peuvent tre mis à profit pour éliminer des ambiguïtés dans l'information Doppler, éviter un brouillage ou rendre possible les fonctionnements simultanés de plusieurs radars Doppler dans un mme voisinage. Les oscillateurs à semi-conducteur, à quartz et à synthèse de fréquence ont l'inconvénient d'tre complexes donc coûteux. En outre ils sont moyennement stables à court terme (bien qu'ils le soient à long terme) du fait de la présence en leur sein de circuits multiplieurs de fréquence. Enfin, leur signal n'est pas réellement monochromatique et présente des raies parasites en relation harmonique avec les oscillateurs basse ou moyenne fréquence utilisés dans le processus de synthèse. L'atténuation de ces raies parasites est faite par des filtres qui augmentent encore la complexité et le prix du synthétiseur. La présente invention a pour but un oscillateur hyperfréquence à semi-conducteur et cavité résonante qui soit multifréquence c'est-à-dire qui présente un petit nombre de fréquences d'accord possibles facilement interchangeables de manière à pouvoir tre utilisé dans un radar Doppler, au mme titre qu'un oscillateur hyperfréquence à quartz à synthèse de fréquence, mais sans présenter de phénomènes de raies parasites. Elle a pour objet un oscillateur multifréquence à cavité résonante excitable selon des modes propres de résonance ayant des fréquences propres distinctes comportant un premier moyen de couplage avec la cavité permettant de prélever un signal dans cette dernière, un deuxième moyen de couplage avec la cavité permettant d'injecter dans cette dernière un signal d'entretien des oscillations et un circuit amplificateur électronique à semi-conducteur intercalé entre les deux moyens de couplage pour engendrer un signal d'entretien des oscillations dans la cavité. Cet oscillateur est remarquable en ce que le circuit amplificateur électronique comporte un circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage renfermant plusieurs voies parallèles accordées chacune sur une fréquence propre distincte de la cavité et activables une à une pour maintenir la fréquence du signal d'entretien des oscillations au voisinage d'une fréquence propre déterminée et sélectionner dans la cavité le mode propre de résonance correspondant. Avantageusement, le circuit amplificateur électronique comporte en outre un amplificateur à large bande qui est intercalé entre le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage et le deuxième moyen de couplage avec la cavité, et qui amplifie indistinctement les fréquences correspondant aux fréquences propres sur lesquelles sont accordées les différentes voies parallèles du circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage. Le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage comporte, de manière préférentielle : -un premier distributeur qui est connecté en entrée au premier moyen de couplage et qui répartit le signal prélevé dans la cavité par le premier moyen de couplage entre plusieurs voies parallèles, -des filtres passe-bande disposés en parallèle sur chacune des voies issues du premier distributeur et accordés chacun sur une fréquence propre distincte de résonance de la cavité, -des déphaseurs placés à la suite des filtres passe-bande de manière à donner aux signaux délivrés par ces derniers la phase convenable pour entretenir les oscillations dans la cavité, -un premier groupe de commutateurs à état passant ou bloqué, qui sont placés à la suite des déphaseurs sur les voies parallèles de sortie du premier distributeur et dont un seul à la fois est rendu passant à l'aide d'un circuit de commande, et -un deuxième distributeur qui regroupe sur une voie unique connectée à l'entrée de l'amplificateur à large bande les signaux de sortie du premier groupe de commutateurs. Avantageusement, le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage peut comporter un deuxième groupe de commutateurs à l'état passant ou bloqué intercalés sur les voies parallèles de sortie du premier distributeur devant les filtres passebande et commandés en synchronisme avec le premier groupe de commutateurs par le mme circuit de commande. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel : -des figures 1,2 et 3 illustrent la répartition, dans une section transversale, des lignes de champ électrique pour des modes propres de résonance transverses électriques d'une cavité cylindrique ; -une figure 4 illustre le schéma électrique d'un oscillateur multifréquence à cavité selon l'invention ; -une figure 5 détaille le schéma électrique d'un circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage apparaissant dans le schéma de la figure précédente ; et -une figure 6 représente en perspective le corps métallique de l'oscillateur dont le schéma électrique est montré à la figure 5. L'oscillateur qui va tre décrit fonctionne directement en hyperfréquence. II résulte de l'association d'un résonateur à fort coefficient de surtension formé d'une cavité à air résonant à diverses fréquences dites fréquences propres correspondant à différents modes propres de résonance et d'un circuit électronique amplificateur qui entretient les oscillations dans la cavité et qui est accordable à volonté, par commutation, sur une parmi plusieurs fréquences propres de la cavité à air. La cavité à air est de forme cylindrique. Elle est réalisée en métal ou alliage conducteur du genre laiton, ou en alliage léger à base d'aluminium. Son intérieur est poli et peut recevoir un traitement de surface du type argenture ou dorure de manière à diminuer la résistivité présentée par ses parois aux courants de surface et à améliorer le coefficient de surtension. Comme cela est bien connu, une telle cavité constituée d'une section de guide d'ondes circulaire présente de nombreuses fréquences propres correspondant à des modes propres de résonance qui se définissent chacun par une disposition transversale caractéristique des lignes de champ électrique ou magnétique et qui répondent à des appellations TE mnp lorsque le champ électrique est transversal et TH mnp lorsque le champ magnétique est transversal. Dans ces appellations, les indices m, n et p sont des entiers. L'indice m indique la périodicité spatiale, en périodes complètes, d'une configuration purement transversale, lorsque l'on effectue un tour complet suivant la circonférence d'une section droite. L'indice n est le nombre de demi-périodes de cette mme configuration pour un déplacement le long d'un rayon. L'indice p est le nombre de demi-périodes des champs suivant l'axe de la cavité. Pour préciser les idées, on suppose que cette cavité est prévue pour fonctionner en bande X (9 à 13 GHz), qu'elle a un diamètre de 35 mm et une longueur de 75,4 mm et que l'on exploite, parmi ses différents modes de résonance le mode TE 114 à la fréquence propre de 9,4 GHz, le mode TE 214 à la fréquence propre de 11,4 GHz et le mode TE014 à la fréquence propre de 13,1 GHz. On choisit un indice p égal à quatre correspondant à deux longueurs d'ondes guidées dans la longueur de la cavité de manière à avoir un coefficient de surtension à vide important supérieur à 15.000. Le mode TE 114 fait partie de la famille des modes TE 11 p qui sont des modes transverses électriques ayant, dans une section transverse de la cavité, une nappe de lignes de champ électriques plus ou moins parallèles, orientées verticalement et représentées en traits continus dans la figure 1. Le mode TE 214 fait partie de la famille des modes TE 21 p qui sont des modes transverses électriques ayant, dans une section transverse de la cavité, des lignes de champ électriques qui décrivent des quarts de cercles dans quatre secteurs symétriques par rapport à deux diamètres orthogonaux et qui sont représentées en traits continus à la figure 2. Le mode TE 014 fait partie de la famille des modes TE 01 p qui sont des modes transverses électriques ayant, dans une section transverse de la cavité une nappe de lignes de champ électrique qui décrivent des cercles concentriques et qui sont représentées en traits continus à la figure 3. Ces trois modes propres de résonance qui ont la particularité d'avoir tous deux longueurs d'ondes guidées dans la longueur de la cavité, puisque leur indice p vaut quatre, sont excitables à l'aide de deux moyens de couplage disposés en des points identiques de la paroi latérale de la cavité correspondant à des ventres du champ électrique. Pour davantage de détails sur les modes propres de résonance d'une cavité cylindrique et les fréquences propres associées on peut se reporter au livre de Léo Thourel intitulé : "Calcul et conception des dispositifs en ondes centimétriques et millimétriques"paru dans la collection La Chevche éditions Cepadues. La cavité cylindrique 1 est supposée, comme représenté à la figure 4 avoir une paroi latérale 2 mitoyenne du logement 3 entièrement blindé du circuit électronique amplificateur accordable assurant l'entretien des oscillations selon l'une des trois fréquences propres sélectionnées de la cavité. Cette paroi latérale mitoyenne 2 est percée à la hauteur de deux ventres de résonance du champ électrique présent dans la cavité dans les modes propres TE m n 4, de deux orifices 4,5 traversés par des antennes-plongeurs 6,7 constituant deux moyens de couplage, I'un 4,6 pour prélever dans la cavité un signal hyperfréquence destiné à tre amplifié et l'autre 5,7 pour injecter dans la cavité le signal hyperfréquence amplifié avec un déphasage adéquat pour entretenir l'oscillation. Le circuit électronique accordable raccordé aux antennes plongeurs 6 et 7 d'entretien des oscillations dans la cavité comporte essentiellement un amplificateur à large bande 10 précédé d'un circuit de sélection de fréquence et de réglage du déphasage 20. L'amplificateur à large bande 10 est alimenté en courant continu au travers d'un filtre régulateur 11 grâce à une prise multicontact 12 traversant la paroi du logement 3. II délivre par l'intermédiaire d'un coupleur hyperfréquence 13 le signal de sortie de l'oscillateur qui est disponible sur une prise coaxiale 14 de la paroi du logement 3 et le signal d'excitation de l'antenne plongeur 7 entretenant l'oscillation dans la cavité 1. Sa bande passante est large, de l'ordre de 9 à 13,5 GHz à-3 dB pour amplifier indifféremment les fréquences propres de 9,4 GHz ; 11,5 GHz et 13,1 GHz des trois modes propres TE 114, TE 214 et TE 014 dans lesquels on compte faire résonner la cavité. Son gain est de l'ordre de 30 à 40 dB pour permettre l'amorçage et l'entretien des oscillations. II est réalisé par exemple à l'aide d'un module hyperfréquence comportant un ou plusieurs transistors haute fréquence du type Ga As FET (transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium) montés sur un ensemble de circuits microrubans. Le signal de sortie de l'oscillateur qui est prélevé en sortie de l'amplificateur à large bande 10 au moyen du coupleur hyperfréquence 13 peut tre amplifié et isolé au moyen d'un étage amplificateur optionnel 15 ou simplement isolé par un isolateur à ferrite. Le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage 20 intercalé entre l'antenne plongeur 6 d'extraction de signal de la cavité 1 et l'entrée de l'amplificateur à large bande 10 présente trois voies parallèles. Celles-ci sont accordées chacune sur l'une des fréquences propres 9,4 GHz ; 11,5 GHz et 13,1 GHz des modes de résonance TE 114, TE 214 et TE 014 que l'on veut exciter dans la cavité 1 et activées une à une au moyen d'un circuit électrique de commande 16 répondant à un signal binaire de sélection appliqué à son entrée par l'intermédiaire d'une prise multicontact 17 traversant la paroi du logement 3. Le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage 20 est détaillé à la figure 5. II comporte en entrée un premier distributeur hyperfréquence 21 qui répartit sur trois voies parallèles le signal prélevé dans la cavité 1 par l'antenne plongeur 6 du premier moyen de couplage. Trois filtres passe-bande 22,23,24 sont placés en parallèle sur chacune des trois voies issues du distributeur hyperfréquence 21. Ces filtres passe-bande 22,23,24 sont accordés chacun sur l'une des fréquences propres 9,4 GHz ; 11,5 GHz ou 13,1 GHz des modes de résonance TE 114, TE 214 et TE 014 retenus pour le fonctionnement de la cavité 1 et présentent une bande passante à-3 dB de l'ordre de 100 à 400 MHz. Trois déphaseurs fixes 25,26,27 sont placés à la suite des filtres passe-bande 22,23,24. Ces déphaseurs fixes 25,26, 27 sont ajustés en laboratoire pour donner au signal délivré globalement par le circuit électronique amplificateur associé à la cavité 1 un déphasage adéquat pour entretenir les oscillations. Un premier groupe de trois commutateurs 28,29,30 à l'état bloqué ou passant sont disposés à la suite des déphaseurs fixes 25,26,27. Ceux-ci sont rendus passant un par un au moyen d'un circuit de sélection d'alimentation 31 piloté par le circuit électrique de commande 16. Enfin, un deuxième distributeur hyperfréquence 32 regroupe sur une voie unique à destination de l'entrée de, I'amplificateur à large bande 10 les sorties du premier groupe de trois commutateurs 28,29,30. Avantageusement, comme cela est représenté sur la figure 5, le premier groupe de trois commutateurs 28,29,30 est doublé par un deuxième groupe de trois autres commutateurs 33, 34,35 qui sont intercalés sur les voies parallèles de sortie du premier distributeur hyperfréquence 21 devant les trois filtres passebande 22,23,24 et qui sont commandés en synchronisme avec le premier groupe de commutateurs 28,29,30 par le circuit de sélection d'alimentation 31. Les distributeurs hyperfréquences 21,32 sont réalisés selon la technique habituelle aux hyperfréquences des lignes à ruban couplée par proximité. Les commutateurs 28,29,30,33,34,35 sont des circuits hyperfréquences passifs à diodes ou actifs à transistors qui sont normalement bloqués ou rendus passants par l'absence ou la présence d'une tension de polarisation. Les filtres passe-bande 22,23,24 sont des filtres microstrip réalisés selon la technique habituelle en hyperfréquence des lignes couplées. Les déphaseurs 25,26,27 sont également réalisés à partir d'éléments de lignes. L'oscillation est assurée par une réaction de forte amplitude imposée par le circuit amplificateur, avec une phase appropriée, entre les antennes plongeurs 6 et 7 pénétrant dans la cavité. Elle est déclenchée par le bruit de l'amplificateur et se stabilise dans la zone de saturation de l'amplificateur à la fréquence propre du mode résonant de la cavité située dans la bande passante de la voie active du circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage. Le fonctionnement correct de l'oscillateur est assuré par le réglage de l'enfoncement des antennes plongeurs 6 et 7 dans la cavité 1. II est possible d'obtenir à sa sortie une puissance typique de un à plusieurs watts. La figure 6 illustre la disposition mécanique de l'oscillateur. Elle montre plus précisément le corps métallique 50 de l'oscillateur de forme parallélépipédique percé d'une cavité cylindrique 51 et creusé latéralement d'un logement 52 pour le circuit électronique d'entretien des oscillations au fond duquel on distingue les orifices 53,54 par où les antennes-plongeurs pénètrent dans la cavité cylindrique. Des couvercles non représentés viennent fermer les extrémités de la cavité cylindrique 51 et le logement 52. L'oscillateur qui vient d'tre décrit met en oeuvre une sélection de modes de résonance de la cavité présentant la mme valeur de longueur d'onde guidée et autorisant par conséquent l'usage d'un unique coupleur à antenne plongeur pour prélever le signal hyperfréquence dans la cavité dans les différents modes ainsi que l'usage d'un unique coupleur à antenne plongeur pour injecter le signal hyperfréquence dans la cavité pour entretenir son excitation. II est bien entendu possible de faire une sélection parmi des modes de résonance n'ayant pas la mme longueur d'onde guidée en disposant de plusieurs coupleurs à antenne plongeur aussi bien pour le prélèvement que pour l'injection d'un signal hyperfréquence dans la cavité, les coupleurs à antenne plongeur étant alors spécialisés en fonction du mode de résonance recherché et disposés à chaque fois dans un ventre du champ électrique du mode de résonance concerné. Dans ce cas, les entrées des différentes voies du circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage ne partent pas d'un répartiteur commun mais de coupleurs à antenne plongeur répartis sur la paroi de la cavité. De mme, l'excitation de la cavité se fait par différents coupleurs à antenne plongeur répartis sur la paroi de cette dernière et excités par l'amplificateur à large bande par l'intermédiaire de commutateurs hyperfréquences disposés sur les voies de sortie d'un répartiteur. REVENDICATIONS 1. Oscillateur multifréquence à cavité résonante excitable selon des modes propres de résonance ayant des fréquences propres distinctes, comportant un premier moyen de couplage (4,6) avec la cavité (1) permettant de prélever un signal dans cette dernière (1), un deuxième moyen de couplage (5,7) avec la cavité (1) permettant d'injecter dans cette dernière (1) un signal d'entretien des oscillations et un circuit amplificateur électronique à semi-conducteur intercalé entre les deux moyens de couplage pour engendrer un signal d'entretien des oscillations, caractérisé en ce que ledit amplificateur électronique comporte un circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage (20) comportant plusieurs voies parallèles accordées chacune sur une fréquence propre distincte de la cavité et activables une à une pour maintenir la fréquence du signal d'entretien des oscillations au voisinage d'une fréquence propre déterminée et sélectionner dans la cavité le mode propre de résonance correspondant. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit amplificateur électronique comporte en outre un amplificateur à large bande (10) qui est intercalé entre le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage (20) et le deuxième moyen de couplage (5,7) avec la cavité et qui amplifie indistinctement les fréquences correspondant aux fréquences propres sur lesquelles sont accordées les différentes voies parallèles du circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage (20). 3. Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage comporte : -un premier distributeur (21) qui est connecté en entrée au premier moyen de couplage (4,6) avec la cavité (1) et qui répartit le signal prélevé dans la cavité (1) par le premier moyen de couplage (4,6), entre plusieurs voies parallèles, -des filtres passe-bande (22,23,24) disposés en parallèle sur chacune des voies issues du premier distributeur (21) et accordés chacun sur une fréquence propre distincte de résonance de la cavité (1), -des déphaseurs (25,26,27) placés à la suite des filtres passe-bande (22,23,24) de manière à donner aux signaux délivrés par ces derniers une phase convenable pour entretenir les oscillations dans la cavité (1), -un premier groupe de commutateurs (28,29,30) à l'état passant ou bloqué, qui sont placés à la suite des déphaseurs (25, 26,27) sur les voies parallèles de sortie du premier distributeur (51) et dont un seul à la fois est rendu passant à l'aide d'un circuit de commande (31,16), et -un deuxième distributeur (32) qui regroupe sur une sortie unique les sorties des commutateurs (28, 29,30) du premier groupe. 4. Oscillateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage (20) comporte en outre un deuxième groupe de commutateurs (33,34,35) à l'état passant ou bloqué, qui sont intercalés sur les voies parallèles de sortie du premier distributeur (21) devant les filtres passe-bande (22,23,24) et qui sont commandés en synchronisme avec le premier groupe de commutateurs (28,29,30) par le mme circuit de commande (31, 16). 5. Oscillateur à cavité cylindrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de sélection de fréquence et de réglage de déphasage (20) comporte trois voies parallèles accordées sur les fréquences propres correspondant aux modes de résonance TE 114, TE 214 et TE 014 de la cavité cylindrique (1). 6. Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur à large bande (10) est constitué d'un module hyperfréquence comportant des transistors à effet de champ à l'arséniure de gallium montés sur un ensemble de circuits microrubans. 7. Oscillateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier groupe de commutateurs (28,29,30) sont constitués de diodes ou de transistors bloqués ou rendus passants par l'absence ou la présence d'une tension de polarisation.