FR2541536A1 - Generateur d'ondes millimetriques a regulation electronique de frequence - Google Patents

Abstract

LE GENERATEUR COMPREND UNE CAVITE RESONANTE 1 ALIMENTEE PAR UN ELEMENT ELECTRONIQUE ACTIF A RESISTANCE NEGATIVE 2 PLACE A L'INTERIEUR DE LA CAVITE ET ACCORDABLE A L'AIDE D'UN BARREAU DIELECTRIQUE 3. UNE DIODE 4 A CAPACITE VARIABLE EST COUPLEE A L'INTERIEUR DE LA CAVITE A L'ELEMENT ELECTRONIQUE ACTIF A RESISTANCE NEGATIVE 2 ET UN CAPTEUR 5 DE LA TEMPERATURE DE LA CAVITE APPLIQUE UN SIGNAL ELECTRIQUE AUX BORNES DE LA DIODE A CAPACITE VARIABLE 4 POUR MODIFIER LA VALEUR DE LA CAPACITE DE LA DIODE EN FONCTION DE LA TEMPERATURE DE MANIERE A COMPENSER LA DERIVE EN FREQUENCE DU GENERATEUR EN FONCTION DES VARIATIONS DE TEMPERATURE DE LA CAVITE. APPLICATION : EMETTEUR D'ONDES MILLIMETRIQUES POUR FAISCEAUX HERTZIENS.

Description

Générateur d'ondes millimétriques à régulation
électronique de fréquence
La présente invention concerne les générateurs d'ondes millimétriques du type comprenant une cavité résonante alimentée par un élément électronique à résistance négative placé à l'intérieur de la cavité modulable par varactorp et accordable par un barreau diélectrique
Elle s'applique plus particulièrement à l'emploi de tels générateurs comme émetteur d'ondes millimétriques pour faisceaux hertziens.

On sait que les générateurs d'ondes hyperfréquences constitués par une cavité résonante sont très sensibles aux variations de température.

Les variations de température entrainent en effet, des variations de volume de la cavité et des caractéristiques des éléments qui la composent. Comme la fréquence d'accord de la cavité dépend des dimensions géométriques données à celle-ci, les variations de température entrainent des variations de la fréquence d'accord. Ces variations de fréquence sont d'autant plus importantes que les volumes des cavités sont petits et que les ondes produites ont des fréquences élevées. Pour une cavité en laiton travaillant par exemple à une fréquence de 30 GHz, on peut relever en effet des dérives en fréquence de l'ordre de d Mnz par degré centigrade. Ces dérives sont naturellement indésirables, dans la plupart des applications.

Plusieurs solutions connues permettent de résoudre ce problème.

Une première solution consiste à effectuer une stabilisation thermique de la cavité à l'aide d'un caloduc. Ce dispositif présente cependant lsinconvé- nient d'être encombrant, de nécessiter une résistance chauffante et de consommer une énergie non négligeable. Une deuxième solution consiste à asservir la fréquence de résonance de la cavité sur une fréquence de référence fournie par exemple par un oscillateur à quartz.Cette solution a pour avantage de garantir une grande stabilité de fréquence, mais a rinconvénient d'entre relativement conteuse. Une troisième solution consiste à utiliser pour construire la cavité des matériaux très stables en température en Invar ou au titanate de baryum, mais cette solution reste encore relativement coûteuse et présente des inconvénients pour accorder la fréquence de la cavité ou moduler celle-ci par un signal extérieur.

Enfin d'autres solutions sont également connues qui visent à compenser les variations de fréquence dues à la température en modifiant corrélativement les dimensions géométriques des cavités, mais ces solutions ont également l'inconvénient d'être délicates à mettre en oeuvre et d'être difficilement reproductibles dans les fabrications en grande série.

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients.

A cet effet, l'invention a pour objet, un générateur d'ondes millimétriques, du type comprenant, une cavité résonante qui est alimentée par un élément électronique à résistance négative placé à l'intérieur de la cavité et qui est accordable à l'aide d'un barreau diélectrique caractérisé en ce qu'il comprend, une diode à capacité variable couplée à l'intérieur de la cavité à l'élément électronique actif à résistance négative, permettant une modulation en fréquence directe, ainsi qu'un capteur de la température de la cavité pour appliquer un signal électrique aux bornes de la diode à capacité variable et modifier la valeur de la capacité de la diode en fonction de la température, de façon à compenser la dérive en fréquence du générateur en fonction de la variation de la température de la cavité.

Cette disposition a principalement pour avantages de permettre des réalisations très simples, ayant un encombrement notablement réduit par rapport aux dispositifs antérieurs, d'être facilement reproductible et d'être très peu onéreuse. Ces avantages résultent du fait que la fréquence de la cavité peut être ajustée facilement, grâce à la diode à capacité variable qui est fixée à l'intérieur de la cavité et dont la commande peut être très facilement assurée, à l'aide d'un signal électrique dont la grandeur est rendue dépendante de la température de la cavité.

L'utilisation d'une diode à capacité variable a également pour avantage, qu'elle permet une modulation en fréquence directe de la fréquence de travail de la cavité par modulation en amplitude de la tension de polarisation de la diode à capacité variable.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront également à l'aide de la description qui va suivre faite au regard des dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels:
- La figure 1 représente un schéma de principe de la stabilisation en température d'une cavité selon l'invention.

- La figure 2 est une vue en perspective de la réalisation mécanique de la cavité selon l'invention.

- La figure 3 est une vue en coupe du dispositif mécanique représenté à la figure 2.

- La figure 4 est un schéma du dispositif électronique de commande de la diode à capacité variable.

- La figure 5 est un graphique représentant les variations de la tension fournie par le capteur, en fonction de la température.

- La figure 6 est un graphique représentant les variations de fréquence de la cavité en fonction de la tension appliquée aux bornes de la diode à capacité variable.

- La figure 7 est une représentation des variations de la fréquence d'accord de la cavité, obtenues en l'absence de compensation et lorsqu'il y a compensation, par le dispositif de l'invention.

Le générateur d'ondes millimétriques selon l'invention représenté à la figure 1 comprend une cavité résonante 1 alimentée par un élément électronique actif à résistance négative 2 placé à l'intérieur de la cavité, constitué par une diode à avalanche, type IMPATT, une diode "Gunn" ou tout autre moyen équivalent. La cavité est accordée sur sa fréquence d'accord au moyen d'un barreau diélectrique, de préférence en quartz ou tout matériau équivalent, susceptible de modifier la constante dlélectri que du milieu diélectrique enfermé à l'intérieur de la cavité. Une diode à capacité variable 4 du type "varactor"ou tout autre moyen équivalent est couplée à la diode à résistance négative 2 pour permettre la modulation en fréquence et la modification de la fréquence d'accord de la cavité. Un capteur de température 5, constitué par un élément semi-conducteur à diode, transistor ou tout autre moyen équivalent, est fixé sur l'enveloppe de la cavité et délivre un signal de commande de la diode à capacité variable 4 au travers d'un dispositif de commande 6. L'élément électroni- que à résistance négative 2 est polarisé au moyen d'une source d'alimentation 7 qui délivre, par exemple, une tension continue d'alimentation stable aux bornes de l'élément à résistance négative 2 pour déterminer avec précision le point de fonctionnement de ce dernier, et permettre l'entretien des oscillations à l'intérieur de la cavité 1. L'onde générée à l'intérieur de la cavité 1 est transmise à l'extérieur par l'intermédiaire d'une ou plusieurs fentes formant d'un iris 8.Le dispositif de commande 6 peut également être commandé sur son entrée 9 par un signal modulé pour appliquer un signal d'amplitude variable aux bornes de la diode à capacité variable 4.

Un mode particulier de réalisation de l'invention est maintenant décrit conjointement à l'aide des représentations des figures 2 et 3 où la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III de la figure 2. La cavité I du générateur d'ondes électromagnétiques hyperfréquences est représentée en perspectives sur la figure 2 et est formée par un guide d'onde 10 constitué par un milieu diélectrique 11 enfermé à l'intérieur d'une enveloppe métallique 12. Le guide d'onde 10 est fermé à une extrémité par une plaque 13 formant à la fois plan de court-circuit 14 pour le guide d'onde 10 et radiateur thermique pour l'évacuation des calories produites par l'alimentation en courant continu de l'élément actif à résistance négative 2.Une plaque 15 est placée à l'extrémité opposée du guide d'onde 10 et comprend l'iris 8 qui a été schématisé à la figure 1, pour réaliser le couplage et l'adaptation d'impédance avec les dispositifs extérieurs non représentés susceptibles d'être alimentés par le générateur hyperfré- quence.

Le milieu diélectrique 11 a, dans l'exemple représenté, une section rectangulaire dans la direction parallèle au plan de cour tcirc uit 14, et est délimité entre le plan de court-circuit 14 et la plaque 15 par les faces intérieures de la cavité désignées respectivement par 16, 17, 18 et 19. Les faces adjacentes 16, 17, 18 et 19 sont perpendiculaires entre elles.

Le barreau diélectrique 3 a son axe longitudinal parallèle au plan de court-circuit 14 et aux faces planes intérieures 16 et 18 de la cavité.

L'extrémité du barreau qui ne pénètre pas dans la cavité, est solidaire d'un élément de réglage 20 engagée à l'intérieur d'un trou taraudé 21.

La diode à capacité variable 4 comprend, un boîtièr, noyé dans l'enveloppe 12 de la cavité, comportant une partie filetée 22, une collerette 23 et une borne active 24. La partie filetée 22 s'engage dans un trou taraudé 25 dont l'axe longitudinal est perpendiculaire à la direction du plan formé par la face 16. La collerette 23 repose à l'intérieur d'un lamage 26, de sorte que, la borne active 24 ressort en saillie de la face 16 intérieure de la cavité. La borne active 24 est placée en contact avec l'extrémité de la tige d'alimentation cylindrique 27 qui est engagée dans un trou cylindrique 28, d'axe longitudinal confondu avec l'axe longitudinal du trou 25 et dont l'extrémité inférieure débouche par la face intérieure 18 de la cavité.L'extrémité supérieure de la tige 27 est reliée à une borne d'alimentation 29, par un fil d'alimentation 30, pour polariser la diode 4 au niveau de potentiel existant entre la borne 29 et l'enveloppe 12 de la cavité. L'extrémité inférieure de la tige d'alimentation 27 comprend plusieurs épaulements 30, 31 et 32 de longueurs respectives, égales approximativement au quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance de la cavité et espacés entre eux d'une longueur équivalente, de manière à former un filtre hyperfréquence qui empêche la puissance hyperfréquence de remonter vers l'extrémité supérieure de la tige d'alimentation. Une gaine thermodurcissable 33 entoure les épaulements 30, 31 et 32 du filtre pour isoler la tige d'alimentation de l'enveloppe métallique 12 de la cavité.L'isolement de la tige 27 est complété dans sa partie supérieure par un bouchon d'isolement 34 vissé dans la partie supérieure du trou 28 et entourant entièrement l'extrémité supérieure de la #tige 27. Le bouchon 34 sera de préférence fabriqué dans un matériau en disaral C ou tout autre matériau équivalent, constituant un absorbant pour les hyperfréquences et un isolant pour le courant continu d'alimentation transporté par la tige 27. Un ressort helicoldal 35 entoure une partie diextrémité de la tige 27 et est comprimé entre l'extrémité du bouchon isolant 34 et l'épaulement 32 pour maintenir la tige d'alimentation 27 contre la borne active 24 de la diode 4.

De façon équivalente la diode 2 comporte une partie filetée 36, une collerette 37 et une borne active 38. La partie filetée 36 s'engage dans un trou taraudé 39 dont l'axe longitudinal est perpendiculaire à la direction du plan formé par la face 16 inférieure de la cavité. La collerette 37 repose à l'intérieur d'un lamage 40 pratiqué sur la face 16 interne de la cavité. Comme précédemment la borne active 38 est en saillie à la surface de la face 16 de la cavité et est en contact avec l'extrémité d'une tige d'alimentation cylindrique 41 engagée dans un trou cylindrique 42, d'axe longitudinal confondu avec l'axe longitudinal du trou 39 et débouchant dans sa partie inférieure par la face interne 18 de la cavité.L'extrémité supérieure de la tige 41 est reliée à une borne d'alimentation 43, par le fil d'alimentation 44, pour polariser la diode à résistance négative 2 au niveau du potentiel existant entre la borne 43 et l'enveloppe 12 de la cavité. L'extrémité inférieure de la tige d'alimentation 41 comprend plusieurs épaulements 45, 46 et 47 séparés entre eux et de longueurs égales au quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance de la cavité, pour former un filtre hyperfréquence et empêcher la puissance hyperfréquence engendrée à l'intérieur de la cavité de remonter le long de la tige d'alimentation 41. Les parties d'épaulements 45, 46 et 47 sont entourées par une gaine isolante thermodurcissable ou tout autre moyen équivalent 48 pour isoler le courant continu d'alimentation de la diode 2 de l'enveloppe 12.L'extrémité supérieure de la tige 41 est entourée par un bouchon isolant 49 vissé à l'intérieur de l'enveloppe 12 et constitué par un matériau isolant pour le courant continu d'alimentation de la diode 2 et absorbant de la puissance résiduelle hyperfréquence rayonnée par le filtre placé dans la partie inférieure de la tige 41. Comme précédemment, un ressort hélicoldal 50 entoure la tige d'alimentation 41 dans sa partie supérieure et est comprimé entre une extrémité du bouchon 48 et l'épaulement 47 de la tige, de façon à maintenir appuyée l'extrémité inférieure de la tige 41 contre la borne active 38 de la diode 2.

Le capteur en température 5 est collé à l'intérieur de l'enveloppe 12 par un cordon 51 de colle à fort pourcentage d'argent du type de celui commercialisé sous la référence H20E par la Société EPOTECNY. Les sorties 52, 53 et 54 du capteur 5 sont connectées directement aux entrées du dispositif de commande 6 représenté à la figure 4. Sur cette figure, le transistor 5 est monté en diode pour constituer un capteur thermique linéaire fournissant une différence de potentiel entre collecteurs et émetteurs proportionnelle à la température du boîtier du transistor 5. Le montage en diode est réalisé en reliant ensemble le collecteur et la base du transistor 5.La liaison du transistor 5 au dispositif de commande 6, représentée à la figure 4, est effectuée en reliant le point commun au collecteur et à la base du transistor 5, à la masse d'alimentation générale du dispositif de commande 6 et en reliantl'émetteur du transistor 5 à l'entrée correspondante du dispositif de commande 6. Le capteur 6 comprend, un premier étage amplificateur 55, un deuxième étage adaptateur 56 ainsi qu'un troisième étage 57 de réglage du gain du capteur 6 et de réglage du point de fonctionnement de la diode à capacité variable 4.

L'étage 55 comprend deux transistors 58 et 59. Le transistor 58 est un transistor NPN monté en diode pour compenser les dérives en température du transistor 5. La base et le collecteur du transistor 58 sont reliés ensemble à la borne d'alimentation, de tension continue +VCC, du dispositif de commande 6 au travers d'une résistance 60. Le transistor 59 est monté en amplificateur de tension, son collecteur est relié à la borne +VCC d'alimentation du dispositif de commande 6 au travers d'une résistance 61 et son émetteur est relié à la masse M d'alimentation générale du dispositif de commande 6 au travers d'une résistance 62. La base du transistor 59 est reliée directement au collecteur du transistor 58 et est #reliée également à la masse d'alimentation du capteur 6 au travers du condensateur polarisé 63.Selon ce montage le gain en tension du transistor 59 est défini par le rapport des résistances 61 et 62. L'étage adaptateur 56 est constitué par un amplificateur différentiel monté en suiveur de tension, l'entrée marquée "-" étant reliée à la sortie de l'amplificateur et l'entrée - marquée "+" étant reliée au collecteur du transistor 59. Le troisième étage amplificateur 57 est constitué également par un amplificateur différentiel monté en gain de tension, l'entrée marquée "-" étant reliée, d'une part, à la sortie de l'ampliflcateur 57 au travers d'une résistance réglable 64 et d'autre part, à la masse générale d'alimentation du capteur 6 au travers d'une résistance 65.L'entrée marquée "+" de l'amplificateur 57 est reliée à la sortie de l'adaptateur 56 au travers d'une résistance 66 et est reliée également au curseur d'un potentiomètre réglable 67 dont une extrémité est à la masse, au travers d'une résistance 68. Le gain de l'étage formé par l'amplificateur 57 est égal, dans ce mode de réalisation, au rapport des valeurs des résistances 64 et 65 et le potentiomètre 67 permet, lorsqu'il est alimenté par une tension continue de référence, de régler le niveau de sortie au moyen de l'amplificateur 57. La sortie de l'amplificateur 57 est reliée à une extrémité de la diode à capacité variable 4 au travers des résistances 69 et 70 montées en série.Les condensateurs 71 et 72 ont une extrémité connectée au point de liaison commun aux résistances 69 et 70 et leur autre extrémité est reliée à la masse M d'alimentation générale du dispositif 6. Les condensateurs 71 et 72 associés à la résistance 69 forment un filtre qui élimine les ondulations parasites qui peuvent apparaître à la sortie de l'amplificateur 57.

Le point de liaison commun à la diode à capacité variable 4 et à la résistance 70 est relié à la borne 9 du dispositif de commande 6 par l'intermédiaire d'un condensateur 73 pour appliquer le signal de modulation modulé en amplitude directement sur la diode à capacité variable 5.

Les figures 5, 6 et 7 permettent d'illustrer les caractéristiques des divers constituants du dispositif de commande représenté à la figure 4. Le graphique représente à la figure 5 montre l'évolution de la tension de sortie de l'étage adaptateur 56 en fonction de la température. On peut constater sur la figure 5 que cette variation est linéaire et varie d'à peu près 4,5V à une dizaine de volts pour des variations de température correspondantes de - 300 à + 700 centigrade. On peut constater également sur la figure 6 qui représente des variations de la fréquence d'accord de la cavité en fonction de la tension appliquée aux bornes de la diode à capacité variable 4, que cette variation est à peu près linéaire pour des tensions appliquées aux bornes de la capacité variant entre 10 et 30 V. Sur la figure 7, les courbes désignées par A et B représentent respectivement les variations de la fréquence de la cavité dans le cas, courbe A, où les variations de température sont compensées à l'aide du circuit de compensation représenté à la figure 4 et dans le cas, courbe B, où le circuit de compensation n'est pas utilisé. Dans le cas de la courbe A on peut constater que la fréquence de la cavité reste stable pour des variations de température importantes de - 300 C à 700 C et que dans le cas de la courbe B la fréquence d'accord de la cavité varie suivant une loi presque linéaire en fonction de la température, ce qui facilite grandement, dans ce dernier cas, la réalisation du dispositif de régulation en fréquence de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Générateur d'ondes millimétriques à régulation électronique de fréquence du type comprenant une cavité résonante (I, 11, 12) alimentée par un élément électronique actif à résistance négative (2) placé à l'intérieur de la cavité (11) et accordable à l'aide d'un barreau diélectrique (3) caractérisé en ce qu'il comprend, une diode (4) à capacité variable couplée à l'intérieur de la cavité à l'élément électronique actif à résistance négative (2), ainsi qu'un capteur (5) de la température de la cavité pour appliquer un signal électrique aux bornes de la diode à capacité variable (4) et modifier la valeur de capacité de la diode en fonction de la température, de façon à compenser la dérive en fréquence du générateur en fonction de la variation de la température de la cavité.

2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (12) est un guide d'onde fermé à une extrémité par un plan de court-circuit (13) et comportant à l'extrémité opposée un iris (8, 15) de couplage pour transférer à l'extérieur de la cavité l'onde électromagnétique produite à l'intérieur de la cavité.

3. Générateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le plan de court-circuit (13) est constitué par une plaque formant radiateur thermique pour la cavité.

4. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le barreau diélectrique (3) a son axe longitudinal parallèle au plan de court circuit (13) du guide d'onde formant la cavité.

5. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la diode (4) à capacité variable et l'élément électronique actif à résistance négative ont un boitier noyé à l'intérieur du corps (12) de la cavité de façon à ne faire apparattre que les bornes actives (24, 3B) de la diode et de l'élément électronique à résistance négative en saillie sur la surface interne (16) de la cavité.

6. Générateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'alimentation en énergie électrique de la diode ou de l'élément électronique à résistance négative est effectuée au travers du filtre hyperfréquence formé par une tige (27, 41) comportant plusieurs épaulements espacés et de longueurs égales au quart de la longueur d'onde de la fréquence de résonance de la cavité, noyé dans le corps (12) de la cavité, dont une première extrémité est placée en contact avec la borne active en saillie sur la surface interne (16) de la cavité et dont la deuxième extrémité reçoit le potentiel d'alimentation.

7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tiges (27, 41) ont des directions à peu près parallèles et perpendiculaires à la direction longitudinale du barreau diélectrique (3).

8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la deuxième extrémité d'une tige (27, 41) est maintenue isolée du corps de la cavité par un bouchon isolant (34, 49) l'entourant partiellement, fixé sur le corps (12) de la cavité et en ce que la première extrémité de la tige (27, 41) est maintenue en contact avec l'élément actif de la diode (4) ou de l'élément électronique à résistance négative (2) par un ressort (35, 50) entourant la tige et comprimé entre un épaulement (32, 47J de la tige (27, 41) et une extrémité du bouchon (34, 49).

9. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le capteur (5) de la température de la cavité est un transistor monté en diode.

10. Générateur selon l'une quelconque des revendications I à 9, caractérisé en ce que le capteur en température est relié à la diode à capacité variable (4) par l'intermédiaire d'un dispositif de commande (6) pour amplifier le signal fourni par le capteur en température.

Il. Générateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de commande (6) comprend des moyens de réglage (67) pour régler le point de fonctionnement de la diode à capacité variable (4).

12. Générateur selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de commande (6) comprend des moyens (73) pour moduler en amplitude le signal électrique appliqué aux bornes de la diode à capacité variable (4).