Brevet FR2750816A1 — publié le 19980109

SOURCE A RÉSONATEUR DIÉLECTRIQUE EN MODE DE GALERIE La présente invention concerne les sources de micro-ondes destinées à fournir un signal de sortie à haute pureté spec- trale, à une fréquence dépassant 10 GHz, du type comprenant un transistor amplificateur capable de fonctionner en hyperfréquences ou ondes millimétriques et un circuit de sélection de fréquence ayant un résonateur diélectrique couplant l'entrée à la sortie du transistor, utilisant un montage couramment dénommé oscillateur à réaction parallèle, qui a l'intérêt d'une stabilité élevée. De telles sources trouvent une application dans de nombreux domaines, et notamment pour fournir la fréquence d'hétérodynage à un mélangeur de circuit de réception ou d'émission; à titre d'exemple d'application, on peut citer les systèmes de détection de composants atmosphériques à partir de satellites. Dans de nombreuses applications, et notamment sur satellite, la source doit avoir un encombrement et une consommation faibles et fournir une fréquence de sortie stable et de haute pureté. De plus, les applications spatia- les exigent une fiabilité et une durée de vie élevées. On a notamment utilisé dans ce but des oscillateurs à diode Gunn, qui ont l'inconvénient de dissiper beaucoup d'énergie et d'être peu fiables. On a proposé également d'utiliser des oscillateurs du type ci- dessus défini, comportant un résonateur diélectrique en mode Te qui a l'avantage d'une consommation moindre et d'une stabilité élevée. Mais de tels résonateurs ont un diamètre très faible en micro-ondes, qui est par exemple de 2 millimètres à 24 GHz, et un facteur de qualité faible. L'invention vise notamment à fournir une source de micro- ondes du type ci-dessus défini répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique. Dans ce but on propose une source dont le résonateur diélectrique est du type fonctionnant en mode galerie, ou "whispering gallery mode" en terminologie anglo-saxonne. L'emploi d'un transistor associé au résonateur a au surplus l'intérêt d'un rendement (rapport entre la puissance de sortie et la consommation) élevé et d'une puissance dissipée réduite. Les modes de résonance appropriés pour un tel fonctionne- ment sont essentiellement les modes En,0 0 et Hn,0,0 o n est l'ordre azimutal correspondant à l'aspect du champ. Il sera généralement préférable d'utiliser le mode En,0,0, désigné en anglais par WGEn, 0,0, qui a l'avantage d'un champ magnétique plus confiné et d'un meilleur facteur de qualité. Un avantage essentiel de ce mode de résonance est de corres- pondre à un diamètre plus élevé, et donc à une fabrication plus facile, que dans le cas du mode TE 01 6 pour une même fréquence. Le confinement radial d'énergie à la périphérie du résonateur, délimitant une zone centrale inactive ou "caustique", se traduit par un coefficient de qualité élevé. Le résonateur diélectrique peut être couplé au circuit par le champ magnétique, dont la répartition est compatible avec des liaisons à une ligne micro-bande. En l'absence de charge, le facteur de qualité augmente avec l'ordre azimutal n. En contrepartie, le couplage aux lignes est plus difficile, à cause du confinement électro- magnétique qui augmente avec l'ordre azimutal. Souvent un compromis satisfaisant sera constitué par une valeur de n comprise entre 5 et 10, ce qui correspond par exemple à un résonateur diélectrique de 10 mm de diamètre environ pour la bande des 24 GHz. Un avantage supplémentaire du mode galerie est le fait qu'on peut donner au résonateur une hauteur faible, qui facilite l'intégration. Pour une même fréquence, plusieurs hauteurs correspondant à des valeurs différentes de n sont possibles. L'accord fin de la fréquence peut être réalisé à l'aide d'un disque métallique ajustable au-dessus du résona- teur, mais au prix d'un accroissement d'encombrement en hauteur. Pour la plage de fréquence allant de 1 GHz à 90 GHz, le transistor oscillateur sera généralement un transistor à effet de champ MESFET à l'arséniure de gallium ou un transis- tor HEMT en AlGaAs. Le choix sera fait en fonction du paramè- tre que l'on veut favoriser. Suivant la fréquence, un transistor MESFET ou HEMT sera préférable dans le cas o on recherche une puissance de sortie importante. Un transistor HEMT sera également préférable lorsqu'on recherche un très faible niveau de bruit. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exem- ple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un oscillateur selon un mode particulier de réalisation; - la figure 2 est un schéma destiné à montrer l'existence d'une caustique dans les modes de galerie; et - la figure 3 montre la variation de la fréquence de résonance en fonction de la hauteur d'une cavité fonctionnant en mode galerie, pour plusieurs ordres et en mode électrique. L'oscillateur montré schématiquement en figure 1 comprend un transistor à effet de champ amplificateur 10 monté en source commune et un résonateur diélectrique 12 couplé simultanément à deux lignes en micro-bande 14 et 16 apparte- nant à des circuits d'adaptation. La sortie hyper-fréquence de l'oscillateur est reliée à la masse par une résistance de charge 20. Un circuit de polarisation de grille 22 est relié à la grille G du transistor 10 par un circuit d'adaptation d'impédance 24. Le drain D du transistor 10 est couplé au résonateur 12 à travers un circuit d'adaptation d'impédance de sortie comportant un réseau 26 et la ligne 14. Un circuit de polarisation de drain 28 est relié à ce dernier, à travers le réseau 26, alors que la source S est à la masse, ce qui est favorable au comportement thermique de l'oscillateur donc autorise une puissance de sortie plus importante pour un transistor et une fiabilité donnés. On voit que le résonateur diélectrique 12 est couplé simultanément aux deux lignes 14 et 16, constituant ainsi un oscillateur à réaction parallèle. La structure en réaction parallèle du drain D vers la grille G est rendue possible grâce au couplage à deux lignes et au sens de circulation dans le résonnateur, propre au mode de galerie. Il ne serait pas possible d'atteindre un résultat comparable avec un résonnateur utilisant un mode du type TE01 8, o la résis- tance 29 serait remplacée par un circuit ouvert destiné à rendre stationnaires les ondes, cela avec un risque d'oscil- lation indésirable à d'autres fréquences. Le fonctionnement de principe d'un résonateur en mode galerie est indiqué en figure 2 sous forme optique, dans le cas particulier o n=3. L'énergie est confinée, dans le sens radial, à l'extérieur d'une zone cylindrique délimitée par un cercle 30 généralement dénommé caustique. Le rayon de ce cercle est plus ou moins grand suivant l'ordre azimutal n de la résonance. L'énergie est également confinée dans le sens axial. Ce confinement permet d'obtenir des facteurs de surtension élevés, du fait que l'énergie rayonnée est plus faible. Comme on l'a indiqué plus haut, il est possible de choisir l'ordre azimutal n par ajustage de la hauteur du résonateur. La figure 3 montre schématiquement la variation de la fréquence de résonance en fonction de la hauteur, pour diverses valeurs de n, dans le cas particulier d'un résona- teur ayant un rayon de 5 mm et pour une constante diélectri- que de 30. A titre d'exemple, on peut donner les caractéristiques suivantes qui sont celles d'un oscillateur fonctionnant à une fréquence de 19,625 GHz et fournissant une puissance de sortie de 17 dBm. Le résonateur est en un matériau ayant une constante diélectrique e = 30, avec une hauteur de 1,62 mm, pour n = 5. L'oscillateur était monté sur un substrat en alumine. Les tensions de polarisation étaient comprise entre - 1 et - 2 V entre porte et source et inférieure à 7 V entre source et drain. Les lignes en micro-bande avaient une impédance caractéristique de 50 0 et étaient fermées sur une résistance de 50 O. L'ensemble des composants (transistor, résistances en couche mince, lignes en micro-bande et résona- teur) était monté à plat sur le substrat en alumine. De façon plus générale, l'utilisation d'un résonateur en mode galerie, constitué par un cylindre de matériau diélec- trique de faible épaisseur, permet de réaliser un oscillateur stable de faible épaisseur. Le résonateur se comporte comme un coupleur directif dont le coefficient de couplage avec la boucle de réaction est ajustable par un choix approprié des distances d1 et d2. Par un choix approprié du diélectrique qui constitue le résonateur, il est possible de rechercher le meilleur compromis possible entre le facteur de qualité ou de surtension et la constante diélectrique. Enfin, l'oscillateur peut être suivi d'un multiplicateur de fré- quence pour arriver à des ondes millimétriques ou même submillimétriques. Dans un mode de réalisation facilitant le réglage de l'oscillateur, les lignes 14 et 16 ne sont pas parallèles, mais présentent un angle faible, ne dépassant pas 10 . Dans ce cas le réglage de la source peut s'effectuer suivant la séquence suivante. Dans une première étape, on règle l'amplification par recherche d'un gain suffisant à la fréquence de fonctionne- ment requise. Pour cela, on enlève le résonnateur 12 et on ajuste les couplages de l'amplificateur, en comparant une entrée sur la ligne 16 et une sortie de la ligne 14. Dans une seconde étape, on règle la source en déplaçant le résonateur dans le sens longitudinal par rapport aux lignes 14 et 16, ce qui modifie la phase de réaction, et on ajuste les amplitudes de couplage par déplacement orthogo- nalement à la direction des lignes, pour modifier d1 et d2. Une lègère divergence entre les deux lignes a l'intérêt de fournir un degré de liberté supplémentaire pour le réglage. REVENDICATIONS 1. Source de micro-ondes comprenant un transistor amplificateur (10) capable de fonctionner en hyper-fréquences ou ondes millimétriques et un circuit de sélection de fré- quence ayant un résonateur diélectrique (12) couplant l'entrée à la sortie du transistor, utilisant une réaction parallèle, caractérisée en ce que le résonateur diélectrique (12) est du type fonctionnant en mode galerie. 2. Source selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur est dimensionné de façon à fonctionner avec un ordre azimutal n compris entre 5 et 10. 3. Source selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur comporte un transistor à effet de champ MESFET à l'arséniure de gallium ou un transistor HEMT en AlGaAs. 4. Source selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la boucle de réaction comporte deux lignes en micro-bande (16,14) couplées par champ magnétique au résona- teur (12) placé entre elles. 5. Source selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux lignes font un angle compris entre 0 et 10 . 6. Source selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le résonateur est déplaçable parallèlement aux lignes et orthogonalement à elles pour ajuster la source. 7. Procédé de réglage d'une source suivant la revendica- tion 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que, dans une première étape, on règle le gain par ajustage du couplage de l'ampli- ficateur en l'absence du résonateur, et en ce que, au cours d'une seconde étape, on insère le résonateur et on règle sa position pour ajuster la phase de réaction et les degrés de couplage.