EP1579565A1 - Oscillateur hyperfrequences a tres haute stabilite - Google Patents

Oscillateur hyperfrequences a tres haute stabilite

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Publication number
EP1579565A1
EP1579565A1 EP03799573A EP03799573A EP1579565A1 EP 1579565 A1 EP1579565 A1 EP 1579565A1 EP 03799573 A EP03799573 A EP 03799573A EP 03799573 A EP03799573 A EP 03799573A EP 1579565 A1 EP1579565 A1 EP 1579565A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
enclosure
cavity
amplifier
oscillator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03799573A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Claude THALES Intellectual Property MAGE
Bruno THALES Intellectual Property MARCILHAC
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1579565A1 publication Critical patent/EP1579565A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/10—Dielectric resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/18—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B5/1864—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a dielectric resonator

Definitions

  • the present invention relates to a very high stability microwave oscillator.
  • Signal generation for radar, telecommunications, frequency reference applications (such as atomic clocks Cs, Rb, etc.) as well as the evolution of digital systems require very high stability oscillators with increasing phase noise. weaker.
  • An oscillator consists of two main elements: a resonator and an active or amplifier element.
  • the phase noise of the oscillators is determined by the low frequency noise, the high frequency noise and the non-linearities of the active element, the overvoltage factor Q of the resonator and the coupling circuit between the oscillator and the active element.
  • phase noise of the oscillators corresponds in the time domain to the jitter of the clocks which determines the ultimate precision of all the digital signal processing systems and, first of all, of the analog / digital encoders.
  • the evolution of analog and digital systems, in particular the increase in speed and dynamics of analog / digital converters, requires a reduction in the phase noise of the oscillators and the time jitter of the clocks.
  • reference oscillators are based on volume wave or surface wave acoustic resonators. These resonators are limited, for the most efficient of them, to frequencies of around 1000 MHz (in FBAR technology: “Film Bulk Acoustic Wave”). In addition to their technological limitations (thickness of the resonators), the acoustic resonators respect a fundamental physical law, according to which the product Q * f of the maximum overvoltage Q by the operating frequency f is a characteristic of the material used. This product can be evaluated by the theory of acoustic losses (enharmonic interactions of phonons). Typically, this product is around 10 THz. The overvoltage of FBAR type resonators is then limited to around 10 4 for an operating frequency of 1000 GHz.
  • Electromagnetic resonators allow working directly at frequencies of several Ghz, but their quality factor is limited. For example, for conventional dielectric resonators, a product Q * f of 200 THz is obtained, and for sapphire gallery mode resonators, at room temperature, a product Q * f of 2500 THz. The values of phase noise are then close to those of multiplied acoustic sources: typically -120 dBc / Hz is obtained at a few kHz from the carrier for the best oscillators.
  • the limit of the current oscillators corresponds to a measurement resolution of the analog / digital encoders of 8 coding bits at a frequency of approximately 1 GHz, which results in a phase jitter less than 0.3 ps.
  • the systems currently contemplated would require coders at least 2 GHz with 10-bit resolution, with phase noise below -150 dBc / Hz at a modulation frequency of 1 kHz.
  • Such performances can only be obtained with very high overvoltage resonators (Q> 10 6 at 10 GHz for example) associated with oscillator structures making it possible to preserve the intrinsic qualities of the resonators.
  • the only known solution to increase the quality factor Q comprises oscillators based on cooled electromagnetic resonators.
  • the present invention relates to a microwave oscillator with very high reference stability, of the resonator type, this resonator having only insignificant sensitivity to thermal vibrations and fluctuations.
  • the oscillator according to the invention comprises a one-piece dielectric resonator in the form of a straight trunk of a cylinder hollowed out at mid-height along cords of its cross section, so as to leave a central core and two lateral cheeks, the holes being at symmetry of order N, with
  • N> 4 at least the plane faces of the cylinder being covered with a superconductive material, the resonator being placed in a cryogenic enclosure and being connected to an amplifier by optimized couplings, the tuning of the resonator being effected by magnetic field and loop phase.
  • FIGS. 1 to 3 are perspective views of three different embodiments of an oscillator resonator according to the invention.
  • - Figures 4 and 5 are simplified diagrams of structures of resonator microwave oscillators which can be used by the invention
  • - Figure 6 is a simplified diagram of a triple enclosure cryogenic system used by the invention.
  • One of the essential elements of a microwave oscillator being its resonator, and the stability of this resonator being affected by mechanical deformations, the invention provides for making it differently from the usual embodiment.
  • the usual structure of a known resonator generally comprises a cavity in the form of a cylinder trunk closed at its two ends by flat walls of lanthanum aluminate coated on one face with a monocrystalline superconductive material, for example in Y ⁇ Ba 2 Cu 3 O 7 containing the resonator proper with its sapphire support and centering base and two coupling ports to the cavity.
  • a monocrystalline superconductive material for example in Y ⁇ Ba 2 Cu 3 O 7 containing the resonator proper with its sapphire support and centering base and two coupling ports to the cavity.
  • the invention proposes to produce a monolithic dielectric resonator, generally in the form of a cylinder trunk, suitably hollowed out, with a deposit direct superconductive layers on the two flat faces of the cavity, before their machining.
  • the electric field being concentrated on the central core, the degradation of the quality factor by the currents induced in the rest of the structure of the resonator is minimized.
  • the material constituting the resonator is advantageously monocrystalline sapphire.
  • the body 1 of the resonator is in the form of a diabolo with symmetry of revolution about its axis.
  • This body basically has two cheeks 2, 3 in the form of discs connected together by a central core 4 formed integrally with them.
  • a superconductive film is deposited on the flat faces 5, 6 of the cheeks 2, 3.
  • the structure 7 represented in FIG. 2 is formed from a dielectric block 8 in the form of a straight trunk of a solid cylinder in which four holes 9 are made, the axes of which are situated in a plane perpendicular to the axis of the cylinder, mid -distance between the flat faces of the cylinder trunk.
  • the axes of these holes follow a symmetry of order 4 with respect to the axis of the cylinder, so as to leave a large part of the cylindrical wall and a central core.
  • a superconductive film 8a, 8b is deposited on the flat faces of the structure 7.
  • the structure 10 shown in FIG. 3 is formed, like that of FIG. 2, from a dielectric block 11 in the form of a straight trunk of a solid cylinder in which five holes 12 are made, the axes of which are situated in a plane perpendicular to the axis of the cylinder, midway between the flat faces of the cylinder trunk.
  • the axes of these holes follow a symmetry of order 5 with respect to the axis of the cylinder, so as to leave a large part of the cylindrical wall and a central core.
  • This structure is generally preferred to that of FIG. 2.
  • a superconductive film 11a, 11b is deposited on the planar faces of the structure 10.
  • FIGS. 1 to 3 make it possible to very greatly attenuate the phase noise between 1 and 10 kHz, frequencies for which there is a coincidence between the acoustic wavelengths and the dimensions of the resonator cavity.
  • the values predicted by Leeson's theory (according to which the quality factors of a cavity with superconductive layers can be estimated by the point of ascent of the colored noise above the thermal noise floor) then become accessible.
  • the materials constituting these structures must have low dielectric losses and must be compatible with the deposition of the superconductive layers.
  • - Z ⁇ is a Bessel function of second kind, of order i
  • the change in volume can be calculated from the Young's modulus and the Poisson's ratio. In the general case, there is no analytical solution, because:
  • the resonant frequency is a function of the diameter D of the central core, the height h and the permittivity ⁇ .
  • the frequency fluctuations df related to the dimensions of the resonator cavity are given by:
  • the structure of the oscillator is optimized by tending to fulfill the following requirements:
  • the overvoltage factor (or: quality factor) in charge of the cavity would be substantially equal to half of the empty overvoltage factor.
  • the electrical loop comprising the cavity, the amplifier and their connection connections must have a minimum length
  • the electrical length is then 2 ⁇ , namely ⁇ due to the amplifier, ⁇ / 2 due to the input coupling of the cavity and ⁇ / 2 due to its output coupling.
  • the amplifier must be integrated in the cooled enclosure of the cavity, as specified above.
  • the amplifier is preferably in SiGe technology and cooled to very low temperature (critical temperature of the superconductive layers of the cavity). He then presents a very low noise (varying like the inverse of the working frequency).
  • the coupling circuit between amplifier and cavity should include a varactor phase adjustment device. - Slaving of the total phase of the oscillation loop to obtain an operation at an optimal point for which the derivative of the phase with respect to the frequency is maximum.
  • the output of the oscillator signal is preferably done on a third port of the cavity, as described below with reference to Figure 5.
  • This characteristic guarantees a noise floor at -180 dBm / hz by taking a signal filtered by the resonator itself.
  • This solution is advantageous as soon as the empty quality factor of the cavity exceeds 10 6 . It is then possible to load the cavity while keeping a high value for the quality factor under load.
  • the coupling of this output port can be chosen such that the quality factor under load remains clearly greater than 1/3 of the quality factor when empty.
  • FIG. 4 shows a first possibility of producing an oscillator with a cooled cavity.
  • the cavity 13 with superconductive layers is cooled to a very low temperature, for example 77K, in an enclosure
  • the amplifier device 16 conventionally comprises an amplifier circuit 17 followed by a coupler 18 and an isolator 19, and it comprises two tunable phase shifters 20, 21 connecting the elements 17 to 19 to the cables
  • This embodiment requires relatively long connecting cables (they introduce a phase shift of 2k ⁇ , with k much greater than 1).
  • the cables have a high temperature gradient. With one end at 72 K and the other at 300 K, these cables can generate noise, and the stability of the oscillator is not excellent.
  • the invention proposes to use the structure of FIG. 5.
  • the cavity 22 and the amplifier 23 are arranged in the same enclosure 24 cooled, to 77 K for example.
  • the amplifier is connected to two coupling sockets 25, 26 of the cavity by very short, which means that the phase shift of 2k ⁇ between the input and the output of the cavity is low, k being minimal.
  • the signal output 27 is made by means of a third coupling socket 28.
  • the amplifier 23 may have a specific topology suitable for its mounting in the enclosure 24, as close as possible to the cavity, and it is easy to adapt the impedances of the cavity and the amplifier.
  • This structure does not include tunable phase shifters, fine adjustment of the phase shift is less easy to achieve than in the case of the structure of Figure 4.
  • the preferred structure of the invention is that of Figure 5 because of its many advantages compared to that of Figure 4.
  • the invention uses a triple enclosure 29 as shown diagrammatically in FIG. 6.
  • This triple enclosure comprises, from the outside to the inside, a first vacuum enclosure 30, of the Dewar vase type, having a role of thermal insulation, containing a second enclosure 31 under low pressure (1 Bar, at ambient temperature, for example) filled with a liquefiable gas or solidifiable at temperature operating (for example nitrogen or argon), this second enclosure containing the third enclosure 32, which is a sealed case containing helium or neon at very low temperature (for example 73K) and which contains the oscillator 33 of the invention.
  • a first vacuum enclosure 30, of the Dewar vase type having a role of thermal insulation, containing a second enclosure 31 under low pressure (1 Bar, at ambient temperature, for example) filled with a liquefiable gas or solidifiable at temperature operating (for example nitrogen or argon), this second enclosure containing the third enclosure 32, which is a sealed case containing helium or neon at very low temperature (for example 73K) and which contains the oscill
  • the residual pressure of the gas is controlled to ensure precise control of the temperature of the enclosure 32 by evaporation and sublimation of the gas, which condenses into a liquid or solid layer on the external surface of the housing 32.
  • gas contained in the enclosure 32 must remain in the gas phase at the temperature prevailing in this enclosure, in order to ensure temperature uniformity throughout this enclosure and to avoid any condensation on the constituents of the oscillator (condensation would result in circuit losses and frequency shift).
  • the cooling in the enclosure 32 is ensured with a minimum of vibrations, advantageously by pulsed tube and circulation of the gas (helium or neon gas).
  • a thermal bridge is formed between the enclosure 32 and the oscillator using a flexible metallic braid, for example made of copper.
  • the oscillator is suspended inside the housing 32 by a suspension system transmitting the minimum possible vibration.
  • This system suspension comprises for example, in a manner known per se, suspension cables with springs and anti-resonant weights.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)

Abstract

L'oscillateur de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur diélectrique monobloc en forme de tronc droit de cylindre évidé à mi-hauteur selon des cordes de sa section droite, de façon à laisser subsister un noyau central et deux joues latérales, les perçages étant à symétrie d'ordre N, avec N ≥ 4 , au moins les faces planes du cylindre étant recouvertes d'un matériau supraconducteur, le résonateur étant disposé dans une enceinte cryogénique et étant relié à un amplificateur par des couplages optimisés, l'accord du résonateur se faisant par champ magnétique et boucle de phase.

Description

OSCILLATEUR HYPERFREQUENCES A TRES HAUTE STABILITE
La présente invention se rapporte à un oscillateur hyperfréquences à très haute stabilité. La génération de signal pour les applications radar, télécommunications, références de fréquence (telles que les horloges atomiques Cs, Rb ,..) ainsi que l'évolution des systèmes numériques requièrent des oscillateurs à très haute stabilité présentant un bruit de phase de plus en plus faible. Un oscillateur est constitué de deux éléments principaux : un résonateur et un élément actif ou amplificateur. Le bruit de phase des oscillateurs est déterminé à la fois par le bruit basse fréquence, le bruit haute fréquence et les non linéarités de l'élément actif, le facteur de surtension Q du résonateur et le circuit de couplage entre oscillateur et élément actif. Le bruit de phase des oscillateurs, exprimé dans le domaine fréquentiel, correspond dans le domaine temporel à la gigue des horloges qui détermine la précision ultime de tous les systèmes de traitement numérique du signal et, en premier lieu, des codeurs analogique/ numérique. L'évolution des systèmes analogiques et numériques, en particulier l'accroissement de la vitesse et de la dynamique des convertisseurs analogique/ numérique passe par une diminution du bruit de phase des oscillateurs et de la gigue temporelle des horloges.
Actuellement, les oscillateurs de référence sont basés sur des résonateurs acoustiques à ondes de volume ou à ondes de surface. Ces résonateurs sont limités, pour les plus performants d'entre eux, à des fréquences d'environ 1000 MHz (en technologie FBAR : « Film Bulk Acoustic Wave »). Outre leurs limitations technologiques (épaisseur des résonateurs), les résonateurs acoustiques respectent une loi physique fondamentale, selon laquelle le produit Q*f de la surtension maximale Q par la fréquence f de fonctionnement est une caractéristique du matériau utilisé. Ce produit peut être évalué par la théorie des pertes acoustiques (interactions enharmoniques des phonons). Typiquement, ce produit est d'environ 10 THz. La surtension des résonateurs de type FBAR est alors limitée à environ 104 pour une fréquence de fonctionnement de 1000 GHz.
Dans la pratique, il est nécessaire de générer des signaux à des fréquences très supérieures à 1 GHz. Il faut donc recourir à des dispositifs multiplicateurs de fréquence. Une telle opération dégrade le bruit de phase d'au moins 20 Log N pour un facteur de multiplication N, ce qui résulte d'une loi mathématique incontournable.
Pour atteindre les performances de stabilité requises par les synthétiseurs de fréquences du futur, il faut utiliser des résonateurs fonctionnant à des fréquences supérieures (afin d'éliminer le bruit dû à la multiplication) avec des facteurs de surtension supérieurs.
Les résonateurs électromagnétiques (cavités métalliques, résonateurs diélectriques,...) permettent de travailler directement à des fréquences de plusieurs Ghz, mais leur facteur de qualité est limité . On obtient par exemple pour les résonateurs diélectriques classiques un produit Q*f de 200 THz, et pour les résonateurs à mode de galerie en saphir, à température ambiante, un produit Q*f de 2500 THz. Les valeurs des bruits de phase sont alors proches de celles des sources acoustiques multipliées : on obtient typiquement -120 dBc/Hz à quelques kHz de la porteuse pour les meilleurs oscillateurs.
La limite des oscillateurs actuels correspond à une résolution de mesure des codeurs analogique/ numérique de 8 bits de codage à une fréquence d'environ 1 GHz, ce qui entraîne une gigue de phase inférieure à 0,3 ps. Les systèmes envisagés actuellement nécessiteraient des codeurs à au moins 2 GHz à résolution de 10 bits, avec un bruit de phase inférieur à -150 dBc/Hz à une fréquence de modulation de 1 khz. De telles performances ne peuvent être obtenues qu'avec des résonateurs à très forte surtension (Q>106 à 10 GHz par exemple) associés à des structures d'oscillateurs permettant de préserver les qualités intrinsèques des résonateurs. Actuellement, la seule solution connue pour augmenter le facteur de qualité Q comporte des oscillateurs à base de résonateurs électromagnétiques refroidis. L'association de résonateurs diélectriques refroidis et de couches supraconductrices permet de gagner deux ordres de grandeur sur les facteurs de qualité, soit, en théorie, un gain de 20 à 40 dBc/Hz pour le bruit de phase des oscillateurs. Cependant, dans la pratique, cette amélioration est occultée par la sensibilité des résonateurs aux vibrations et aux fluctuations thermiques.
La présente invention a pour objet un oscillateur hyperfréquences à très haute stabilité de référence, du type à résonateur, ce résonateur ne présentant qu'une sensibilité insignifiante aux vibrations et fluctuations thermiques.
L'oscillateur conforme à l'invention comporte un résonateur diélectrique monobloc en forme de tronc droit de cylindre évidé à mi -hauteur selon des cordes de sa section droite, de façon à laisser subsister un noyau central et deux joues latérales, les perçages étant à symétrie d'ordre N, avec
N > 4 , au moins les faces planes du cylindre étant recouvertes d'un matériau supraconducteur, le résonateur étant disposé dans une enceinte cryogénique et étant relié à un amplificateur par des couplages optimisés, l'accord du résonateur se faisant par champ magnétique et boucle de phase.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel :
- les figures 1 à 3 sont des vues en perspective de trois modes de réalisation différents d'un résonateur d'oscillateur conforme à l'invention,
- les figures 4 et 5 sont des schémas simplifiés de structures d'oscillateurs hyperfréquences à résonateur pouvant être utilisées par l'invention, et - la figure 6 est un schéma simplifié d'un système cryogénique à triple enceinte utilisé par l'invention. L'un des éléments essentiel d'un oscillateur hyperfréquences étant son résonateur, et la stabilité de ce résonateur étant affectée par des déformations mécaniques, l'invention prévoit de le réaliser de façon différente de la réalisatiion habituelle. La structure habituelle d'un résonateur connu comporte généralement une cavité en forme de tronc de cylindre fermé à ses deux extrémités par des parois planes en aluminate de lanthane revêtues sur une face d'un matériau supraconducteur monocristallin, par exemple en YιBa2Cu3O7 contenant le résonateur proprement dit avec son pied de maintien et de centrage en saphir et deux accès de couplage à la cavité. A cet effet, afin de minimiser la sensibilité des résonateurs aux déformations mécaniques, l'invention propose des solutions à plusieurs effets indésirables qui sont les suivants, dans les cas des résonateurs connus :
- Les variations de hauteur de la cavité du résonateur que l'invention minimise grâce à une structure de résonateur monobloc (monolithique) ,
- Les fluctuations de distance (à l'échelle du nanomètre) entre les couches supraconductrices déposées sur un substrat monocristallin formant les surfaces planes de la cavité, fluctuations qui sont également fortement diminuées grâce à la structure monobloc, - La variation de la constante diélectrique sous l'effet de la déformation du résonateur.
La solution idéale serait de pouvoir déposer le matériau supraconducteur sur toutes les faces de la cavité du résonateur. Mais, comme il est impossible d'épitaxier un film supraconducteur de qualité à haute température critique sur des surfaces courbes, l'invention propose de réaliser un résonateur diélectrique monolithique, de forme générale en tronc de cylindre, évidé de façon appropriée, avec un dépôt direct des couches supraconductrices sur les deux faces planes de la cavité, avant leur usinage.
Le champ électrique étant concentré sur le noyau central, la dégradation du facteur de qualité par les courants induits dans le reste de la structure du résonateur est minimisée. Le matériau constituant le résonateur est avantageusement du saphir monocristallin.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, représenté en figure 1 , le corps 1 du résonateur est en forme de diabolo à symétrie de révolution autour de son axe. Ce corps comporte essentiellement deux joues 2, 3 en forme de disques reliées entre elles par un noyau central 4 formé intégralement avec elles. On dépose sur les faces planes 5, 6 des joues 2, 3 un film supraconducteur.
La structure 7 représentée en figure 2 est formée à partir d'un bloc diélectrique 8 en forme de tronc droit de cylindre plein dans lequel on pratique quatre trous 9 dont les axes sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre, à mi-distance entre les faces planes du tronc de cylindre. Les axes de ces trous suivent une symétrie d'ordre 4 par rapport à l'axe du cylindre, de façon à laisser subsister une grande partie de la paroi cylindrique et un noyau central . Comme dans le cas de la structure précédente, on dépose sur les faces planes de la structure 7 un film supraconducteur 8a, 8b.
La structure 10 représentée en figure 3 est formée, comme celle de la figure 2, à partir d'un bloc diélectrique 11 en forme de tronc droit de cylindre plein dans lequel on pratique cinq trous 12 dont les axes sont situés dans un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre, à mi-distance entre les faces planes du tronc de cylindre. Les axes de ces trous suivent une symétrie d'ordre 5 par rapport à l'axe du cylindre, de façon à laisser subsister une grande partie de la paroi cylindrique et un noyau central. Cette structure est généralement préférée à celle de la figure 2. Comme dans le cas des structures précédentes, on dépose sur les faces planes de la structure 10 un film supraconducteur 11a, 11b.
Les structures des figures 1 à 3 permettent d'atténuer très fortement le bruit de phase entre 1 et 10 kHz, fréquences pour lesquelles il y a coïncidence entre les longueurs d'onde acoustiques et les dimensions de la cavité du résonateur. Les valeurs prévues par la théorie de Leeson ( selon laquelle les facteurs de qualité d'une cavité à couches supraconductrices peuvent être estimés par le point de remontée du bruit coloré au-dessus du plancher de bruit thermique) deviennent alors accessibles. Bien entendu, les matériaux constituant ces structures doivent présenter de faibles pertes diélectriques et doivent être compatibles avec le dépôt des couches supraconductrices.
Ensuite, une approche théorique permet de déterminer les formes appropriées de résonateurs, pour chaque valeur de constante diélectrique du matériau constituant le résonateur proprement dit , formes pour lesquelles le phénomène de compensation survient, c'est-à-dire le rapport diamètre/hauteur de la cavité pour lequel la variation de fréquence induite par un léger changement de la hauteur est égale et opposée à celle induite par le changement de diamètre résultant des équations de la mécanique. En première approximation, la fréquence de résonance de la cavité peut être calculée dans la configuration décrite par Hakki & Coleman (voir : D. Maystre & al, IEEE MTT - 31, pp 844 à 848, Oct. 1983) par la relation : . π- Jo ( / ji (km r) = kro Z0 (kror) / Z 1 (kror) dans laquelle : - jι est une fonction de Bessel de première espèce, d'ordre i
- Zι est une fonction de Bessel de deuxième espèce, d'ordre i
- Ko2 = kz 2 + kro2 kε = kz + kre = ε ko
- ko = 2τcf/c - kz = π/h
- r = rayon du moyeu central
- h = hauteur du résonateur
- f = fréquence de résonance r et h sont liés par le module d'Young et par le coefficient de Poisson. Pour parfaire la compensation, il convient de prendre en compte la variation de la constante diélectrique ε sous l'effet des déformations mécaniques.
En première approximation, la dépendance de la constante ε vis-àvis du volume V peut être déduite de l'équation de Clausius Mosotti : ( ε - 1 ) / ( ε + 2 ) = N αV avec N = nombre de molécules par unité de volume α = polarisabilite d'une molécule
La variation de volume peut être calculée à partir du module de Young et du coefficient de Poisson. Dans le cas général, il n'existe pas de solution analytique, car :
- la fréquence doit être déterminée, au cas par cas, par résolution numérique des équations de Maxwell,
- r et h sont liés par les équations de Navier Stockes entre contraintes σij et déformations e.j via le tenseur d'élasticité CIJ . - la variation du tenseur de permittivité εij doit être calculée en fonction des déformations mécaniques eij .
La fréquence de résonance est une fonction du diamètre D du noyau central , de la hauteur h et de la permittivité ε . Les fluctuations df de fréquence liées aux dimensions de la cavité du résonateur sont données par :
Df = (df/3D)* dD + (af/3h)*dh Il existe des valeurs des paramètres (ε, D, h) telles que l'on a df=0 au premier ordre pour une structure libre. Le choix des valeurs adéquates de ces paramètres permet de s'affranchir des déformations du résonateur et d'obtenir un bruit de phase proche de celui annoncé par la théorie de Leeson.
Selon une deuxième caractéristique importante de l'invention, on optimise la structure de l'oscillateur en tendant à remplir les exigences suivantes :
- Couplage adapté entre la sortie de l'amplificateur de l'oscillateur et l'entrée de la cavité. Pour un coefficient de couplage de 1 , le facteur de surtension ( ou : facteur de qualité) en charge de la cavité serait sensiblement égal à la moitié du facteur de surtension à vide.
- Couplage adapté entre la sortie de la cavité et l'entrée de l'amplificateur. Le coefficient de couplage correspondant est alors égal à l'inverse du gain de l'amplificateur.
- La boucle électrique comportant la cavité, l'amplificateur et leurs connexions de liaison doit avoir une longueur minimale
(la cavité et l'amplificateur sont refroidis dans la même enceinte, comme décrit ci-dessous en référence à la figure 5). La longueur électrique est alors de 2π, à savoir π dû à l'amplificateur, π/2 dû au couplage d'entrée de la cavité et π/2 dû à son couplage de sortie.
- L'amplificateur doit être intégré dans l'enceinte refroidie de la cavité, comme précisé ci-dessus.
- L'amplificateur est, de préférence en technologie SiGe et refroidi à très basse température (température critique des couches supraconductrices de la cavité). Il présente alors un très faible bruit (variant comme l'inverse de la fréquence de travail).
- Le circuit de couplage entre amplificateur et cavité devrait inclure un dispositif de réglage de phase par varactor. - Asservissement de la phase totale de la boucle d'oscillation pour obtenir un fonctionnement en un point optimal pour lequel la dérivée de la phase par rapport à la fréquence est maximale.
- La sortie du signal de l'oscillateur se fait, de préférence, sur un troisième port de la cavité, comme décrit ci-dessous en référence à la figure 5. Cette caractéristique garantit un plancher de bruit à -180 dBm/hz en prélevant un signal filtré par le résonateur lui-même. Cette solution est avantageuse dès que le facteur de qualité à vide de la cavité dépasse 106 . Il est alors possible de charger la cavité tout en gardant une valeur élevée pour le facteur de qualité en charge.
Typiquement, on peut choisir le couplage de ce port de sortie tel que le facteur de qualité en charge reste nettement supérieur à 1/3 du facteur de qualité à vide.
On a représenté en figure 4 une première possibilité de réalisation d'un oscillateur à cavité refroidie. La cavité 13 à couches supraconductrices est refroidie à très basse température, par exemple 77K, dans une enceinte
14. Elle est reliée par des câbles 15 ayant une impédance de 50 Ohms à un dispositif amplificateur 16 qui est à température ambiante (de l'ordre de 300 K). Le dispositif amplificateur 16 comporte de façon classique un circuit amplificateur 17 suivi d'un coupleur 18 et d'un isolateur 19, et il comporte deux déphaseurs accordables 20, 21 reliant les éléments 17 à 19 aux câbles
15. Ce mode de réalisation nécessite des câbles de liaison relativement longs (ils introduisent un déphasage de 2kπ , avec k très supérieur à 1). Les câbles ont un gradient de température élevé. Une de leurs extrémités étant à 72 K et l'autre à 300 K, ces câbles peuvent générer du bruit, et la stabilité de l'oscillateur n'est pas excellente.
Pour ces raisons, l'invention propose d'utiliser la structure de la figure 5. Dans cette structure, la cavité 22 et l'amplificateur 23 sont disposés dans la même enceinte 24 refroidie, à 77 K par exemple. L'amplificateur est relié à deux prises de couplage 25, 26 de la cavité par des liaisons très courtes, ce qui fait que le déphasage de 2kπ entre l'entrée et la sortie de la cavité est faible, k étant minimal. Il est à noter que la sortie 27 de signal se fait grâce à une troisième prise de couplage 28. L'amplificateur 23 peut avoir une topologie spécifique appropriée à son montage dans l'enceinte 24, au plus près de la cavité, et il est facile d'adapter les impédances de la cavité et de l'amplificateur. Cette structure ne comportant pas de déphaseurs accordables, le réglage fin du déphasage est moins facile à réaliser que dans le cas de la structure de la figure 4. Néanmoins, la structure préférée de l'invention est celle de la figure 5 du fait de ses nombreux avantages par rapport à celle de la figure 4.
Pour assurer à l'oscillateur un refroidissement efficace et stable, avec un minimum de vibrations, l'invention met en oeuvre une triple enceinte 29 telle que schématisée en figure 6. Cette triple enceinte comporte, de l'extérieur vers l'intérieur, une première enceinte sous vide 30, du type vase de Dewar, ayant un rôle d'isolation thermique, renfermant une deuxième enceinte 31 sous basse pression (1 Bar, à température ambiante, par exemple) remplie d'un gaz liquéfiable ou solidifiable à la température de fonctionnement (par exemple de l'azote ou de l'argon), cette deuxième enceinte renfermant la troisième enceinte 32, qui est un boitier étanche contenant de l'hélium ou du néon à très basse température (par exemple 73K) et qui renferme l'oscillateur 33 de l'invention.
Dans la deuxième enceinte, on asservit la pression résiduelle du gaz pour assurer un contrôle précis de la température de l'enceinte 32 par évaporation et sublimation du gaz, qui se condense en une couche liquide ou solide à la surface externe du boitier 32. Le gaz contenu dans l'enceinte 32 doit rester en phase gazeuse à la température qui règne dans cette enceinte, afin d'assurer l'homogénéité en température dans toute cette enceinte et d'éviter toute condensation sur les constituants de l'oscillateur (une condensation induirait des pertes dans les circuits et un décalage de fréquence). Le refroidissement dans l'enceinte 32 est assuré avec un minimum de vibrations, avantageusement par tube puisé et circulation du gaz (hélium ou néon gazeux). On forme un pont thermique entre l'enceinte 32 et l'oscillateur à l'aide d'une tresse métallique souple, par exemple en cuivre. L'oscillateur est suspendu à l'intérieur du boitier 32 par un système de suspension lui transmettant le minimum possible de vibrations. Ce système de suspension comporte par exemple, de façon connue en soi, des câbles de suspension avec des ressorts et des masselottes anti-résonantes.

Claims

REVENDICATIONS
Oscillateur hyperfréquences à très haute stabilité, caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur diélectrique monobloc (1 , 7,
10) en forme de tronc droit de cylindre évidé à mi-hauteur selon des cordes de sa section droite, de façon à laisser subsister un noyau central et deux joues latérales, les perçages étant à symétrie d'ordre N, avec N ≥ 4 , au moins les faces planes du cylindre étant recouvertes d'un matériau supraconducteur (5-
6, 8a-8b, 11a-11b), le résonateur étant disposé dans une enceinte cryogénique (32) et étant relié à un amplificateur par des couplages optimisés, l'accord du résonateur se faisant par champ magnétique et boucle de phase.
2. Oscillateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le résonateur est disposé dans une triple enceinte comportant une première enceinte (30) à isolation sous vide, une deuxième enceinte (31) emplie d'un gaz liquéfiable ou solidifiable à la température de fonctionnement du résonateur, et une troisième enceinte (32) emplie d'un gaz restant gazeux à ladite température de fonctionnement.
3. Oscillateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur (23) est disposé dans la même enceinte cryogénique que le résonateur.
4. Oscillateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, la cavité comportant deux prises de couplage (25, 26) permettant de la relier à l'amplificateur, la sortie de signal se fait sur une troisième prise de couplage de la cavité (28).
5. Oscillateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur est en saphir monocristallin.
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