FR2595518A1

FR2595518A1 - Oscillator with low noise in the region of its oscillation frequency

Info

Publication number: FR2595518A1
Application number: FR8603288A
Authority: FR
Inventors: Narguise Mamodaly; Dominique Reffet; Alain Bert; Juan Obregon
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1986-03-07
Filing date: 1986-03-07
Publication date: 1987-09-11

Abstract

The invention relates to an oscillator with low frequency modulation noise around its carrier frequency. In an oscillator operating by saturation of the current of an amplifier, the low-frequency noise inherent in the semiconductor amplifying device is converted into frequency modulation noise around the carrier. To reduce this FM noise, the oscillator according to the invention includes an amplifier 7 operating in the linear regime, and a negative feed-back loop in which a limiter 8 operates in the non-linear regime. The limiter 8 is linear and comprises two Schottky diodes 16, 17 mounted head-to-tail. A microband filter 11 and dielectric resonator 12, with high quality factor Q reduces the thermal noise of the amplifying transistor 7. Application to microwave frequency oscillators within the band from 1 to 60 GHz.

Description

OSCILLATEUR A FAIBLE BRUIT AUX
ENVIRONS DE SA FREQUENCE D'OSCILLATION
La présente invention concerne un oscillateur hyperfréquence à faible bruit aux environs de la fréquence centrale, dite porteuse.LOW NOISE OSCILLATOR
APPROXIMATELY OF ITS OSCILLATION FREQUENCY
The present invention relates to a low noise microwave oscillator around the center frequency, called the carrier frequency.

Dans l'oscillateur selon l'invention, dont rélément actif est un transistor, la fonction d'amplification et la fonction de limitation, dans la boucle de contre-réaction, sont séparées, ce qui évite la conversion du bruit thermique et basse fréquence, inhérent à tout dispositif semiconducteur, en bruit à modulation de fréquence, dit bruit FM, autour de la porteuse.In the oscillator according to the invention, whose active element is a transistor, the amplification function and the limitation function, in the feedback loop, are separated, which avoids the conversion of thermal and low frequency noise, inherent in any semiconductor device, in frequency-modulated noise, known as FM noise, around the carrier.

Le développement des sytèmes de télécommunications néces site des sources performantes, et entre autres des oscillateurs de bon rendement, de bonne stabilité et de grande pureté spectrale. Il existe de nombreux types d'oscillateurs à l'état solide, dont les éléments actifs sont soit des diodes, soit des transistors, chaque type ayant ses propres avantages. En ce qui concerne les oscillateurs à transistors, les transistors à effet de champ, dont l'évolution des performances est actuellement rapide, peuvent être utilisés jusqu'à des fréquences très élevées (40 GHz). La stabilité en fréquence est une question de circuit de polarisation et de comportement en fréquence.Les transistors à effet de champ étant des quadripôles, ou dispositifs à 3 portes, offrent une grande lattitude pour optimiser le circuit de contre-réaction associé, afin que toute perturbation électrique influe peu sur la fréquence. La variation de la fréquence en fonction de la température peut être corrigée par le choix d'un coefficient de température approprié du résonateur diélectrique -si l'oscillateur est accordé par résonateur diélectrique- afin d'améliorer la stabilité en température. La pureté spectrale, c'est-à-dire la présence d'un bruit FM près de la porteuse, reste la çaracté- ristique pour laquelle les performances sont insuffisantes. The development of telecommunications systems requires high-performance sources, and among others oscillators of good performance, good stability and high spectral purity. There are many types of solid state oscillators, the active elements of which are either diodes or transistors, each type having its own advantages. With regard to transistor oscillators, field effect transistors, whose performance is currently changing rapidly, can be used up to very high frequencies (40 GHz). Frequency stability is a matter of bias circuit and frequency behavior. Field effect transistors being quadrupoles, or 3-door devices, provide great lattitude to optimize the associated feedback circuit, so that any electrical disturbance has little influence on frequency. The variation of the frequency as a function of the temperature can be corrected by the choice of an appropriate temperature coefficient of the dielectric resonator - if the oscillator is tuned by dielectric resonator - in order to improve the temperature stability. Spectral purity, that is to say the presence of FM noise near the carrier, remains the characteristic for which the performances are insufficient.

C'est un objet de l'invention que de proposer un circuit qui permet d'améliorer ces performances, soit de diminuer le bruit FM près de la porteuse, en réduisant la conversion du bruit basse fréquence et le bruit thermique. It is an object of the invention to propose a circuit which makes it possible to improve these performances, namely to reduce the FM noise near the carrier, by reducing the conversion of the low frequency noise and the thermal noise.

La base d'un oscillateur hyperfréquence consiste à placer dans un circuit micr#ondes un élément qui amplifie et un élément qui sature le courant. Généralement, ces deux fonctions sont réalisées, en micr#ondes, par le même élément, c'est-à-dire un transistor à effet de champ qui, convenablement alimenté, amplifie le courant mais aussi se sature lui-même. Or, il a été établi que dans les dispositifs où le transistor à effet de champ est utilisé en régime non-linéaire, le bruit basse fréquence inhérent au transistor est directement converti en bruit FM autour de la porteuse. The basis of a microwave oscillator consists in placing in an microwave circuit an element which amplifies and an element which saturates the current. Generally, these two functions are carried out, in micr #waves, by the same element, that is to say a field effect transistor which, suitably supplied, amplifies the current but also saturates itself. However, it has been established that in devices where the field effect transistor is used in a non-linear regime, the low frequency noise inherent in the transistor is directly converted into FM noise around the carrier.

Selon l'invention, la conversion du bruit BF en bruit FM autour de la porteuse est très nettement diminuée en faisant travailler le transistor en régime linéaire, et en séparant les deux fonctions d'amplification et de limitation. According to the invention, the conversion of LF noise into FM noise around the carrier is very significantly reduced by making the transistor work in linear mode, and by separating the two amplification and limitation functions.

De plus, le limiteur introduit dans la boucle de contre-réaction est un limiteur symétrique à diodes ou à transistors bipolaires ; c'est lui l'élément non-linéaire. Il est suivi d'un atténuateur et d'un filtre à résonateur diélectrique. In addition, the limiter introduced into the feedback loop is a symmetrical limiter with diodes or with bipolar transistors; it is the non-linear element. It is followed by an attenuator and a dielectric resonator filter.

De façon plus précise, l'invention consiste en un oscillateur à faible bruit aux environs de sa fréquence d'oscillation, dite porteuse, fonctionnant par limitation à saturation du courant issu d'un amplificateur, et comportant un dispositif semiconducteur d'amplification, dont la sortie fournit un signal à fréquence pure à une charge d'utilisation, et un circuit de contre-réaction monté en dérivation sur la sortie du dispositif d'amplification et rebouclé sur son entrée, cet oscillateur étant caractérisé en ce que, en vue d'empêcher la conversion du bruit basse fréquence inhérent au dispositif semiconducteur en bruit de modulation de fréquence autour de la porteuse, les fonctions d'amplification et de limitation du signal issu de l'amplificateur sont séparées, la fonction de limitation étant remplie par un limiteur, monté dans la boucle de contre-réaction. More specifically, the invention consists of a low noise oscillator at around its oscillation frequency, called the carrier frequency, operating by limiting the saturation of the current from an amplifier, and comprising a semiconductor amplification device, of which the output provides a pure frequency signal to a load of use, and a feedback circuit mounted in bypass on the output of the amplification device and looped back on its input, this oscillator being characterized in that, in view of '' prevent the conversion of low frequency noise inherent in the semiconductor device into frequency modulation noise around the carrier, the amplification and limitation functions of the signal from the amplifier are separated, the limitation function being fulfilled by a limiter , mounted in the feedback loop.

L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée qui en est faite maintenant, en liaison avec les figures jointes en annexes, qui représentent:
- figure 1: schéma de base du fonctionnement d'un oscillateur,
- figure 2: courbe des caractéristiques l-V d'un transistor à effet de champ,
- figure 3 : schéma électrique d'un oscillateur selon l'invention,
- figure 4: limiteur symétrique et non- linéaire utilisé dans l'oscillateur selon l'invention,
- figure 5: courbes de caractéristiques de la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée, pour un transistor et pour un limiteur, montés selon le schéma de la figure 3,
- figure 6: exemple de réalisation d'un filtre déphaseur pour l'oscillateur selon l'invention.The invention will be better understood from the more detailed description which is made of it now, in conjunction with the appended figures, which represent:
- Figure 1: basic diagram of the operation of an oscillator,
FIG. 2: curve of the characteristics IV of a field effect transistor,
FIG. 3: electrical diagram of an oscillator according to the invention,
FIG. 4: symmetrical and non-linear limiter used in the oscillator according to the invention,
FIG. 5: characteristic curves of the output power as a function of the input power, for a transistor and for a limiter, mounted according to the diagram in FIG. 3,
- Figure 6: embodiment of a phase shift filter for the oscillator according to the invention.

- figure 7 : autre exemple de limiteur symétrique et non linéaire, à transistor bipolaire, utilisé dans l'oscillateur selon l'invention. - Figure 7: another example of symmetrical and non-linear limiter, bipolar transistor, used in the oscillator according to the invention.

La figure 1 représente le schéma de base du fonctionnement d'un oscillateur. Pour un oscillateur selon l'art connu, un dispositif actif tel qu'un transistor à effet de champ 1 est contre-réactionné par un circuit 2, branché entre la sortie et l'entrée du dispositif actif 1, au moyen d'un coupleur 3. La sortie de cet oscillateur débite dans une charge 4. Figure 1 shows the basic diagram of the operation of an oscillator. For an oscillator according to the prior art, an active device such as a field effect transistor 1 is feedbacked by a circuit 2, connected between the output and the input of the active device 1, by means of a coupler 3. The output of this oscillator flows into a load 4.

Dans ce circuit, le dispositif actif 1 a deux fonctions: il agit comme amplificateur linéaire, maintenant le gain de boucle égal à l'unité, et il agit comme limiteur, stabilisant le niveau d'oscillation par sa propre non-linéarité. En effet, dans ce fonctionnement selon l'art connu, le transistor est simultanément un amplificateur linéaire et un limiteur non-linéaire, car il fonctionne en un point tel que 5 sur la partie saturée, non-linéaire, de la courbe de caractéristiques courant-tension I-V d'un transistor, représentée en figure 2. Tandis que le dispositif actif 1 est non-linéaire, le circuit de contreréaction 2 est linéaire, et procure la sélectivité désirée qui contribue à une bonne relation de phase dans la boucle de contreréaction. In this circuit, the active device 1 has two functions: it acts as a linear amplifier, maintaining the loop gain equal to unity, and it acts as a limiter, stabilizing the oscillation level by its own non-linearity. Indeed, in this operation according to the known art, the transistor is simultaneously a linear amplifier and a non-linear limiter, because it operates at a point such as 5 on the saturated, non-linear part of the current characteristic curve -Voltage IV of a transistor, shown in Figure 2. While the active device 1 is non-linear, the feedback circuit 2 is linear, and provides the desired selectivity which contributes to a good phase relationship in the feedback loop .

Puisque le transistor opère dans la partie non-linéaire (au point S) de ses caractéristiques, le bruit basse fréquence BF qui lui est inhérent est directement converti en bruit à modulation de fréquence FM à proximité de la fréquence centrale, dite porteuse, de l'oscillateur. Since the transistor operates in the non-linear part (at point S) of its characteristics, the low frequency noise LF which is inherent to it is directly converted into noise with FM frequency modulation near the central frequency, called the carrier frequency, of the 'oscillator.

La réduction du bruit FM dans un oscillateur hyperfréquence est essentiellement obtenue par une réduction du mélange nonlinéaire entre les sources de bruit et la porteuse. The reduction of FM noise in a microwave oscillator is essentially obtained by a reduction in the nonlinear mixing between the noise sources and the carrier.

Etant donné que le transistor est un dispositif à 3 portes, il offre de nombreuses possibilités pour choisir un circuit de contreréaction tel qu'une perturbation électrique n'induit qu'une variation de fréquence minimale. Since the transistor is a 3-door device, it offers many possibilities for choosing a feedback circuit such that an electrical disturbance induces only a minimum frequency variation.

D'une part, la contribution du bruit thermique peut être réduite par l'emploi d'un résonateur diélectrique comme élément d'accord, ou filtre, dans la boucle de contre-réaction. On the one hand, the contribution of thermal noise can be reduced by the use of a dielectric resonator as a tuning element, or filter, in the feedback loop.

D'autre part, la contribution du bruit en fréquence peut être diminuée:
- soit en choisissant un transistor ayant un faible niveau de bruit en fréquence,
- soit en réduisant le bruit de base par un circuit basse fréquence approprié,
- soit en supprimant dans la charge de sortie le bruit FM au moyen d'une configuration différentielle, mais il est difficile de sélectionner deux transistors ayant les mêmes non-linéarités.On the other hand, the contribution of noise in frequency can be reduced:
- either by choosing a transistor having a low noise level in frequency,
- either by reducing the basic noise by an appropriate low frequency circuit,
- either by suppressing FM noise in the output load by means of a differential configuration, but it is difficult to select two transistors having the same non-linearities.

La configuration d'oscillateur selon l'invention permet d'éviter ces inconvénients, et allie une bonne reproductibilité et des performances électriques améliorées, bien que le dispositif actif utilisé soit un transistor du commerce dont les caractéristiques de bruit sont normales, parce que cet oscillateur est moins dépendant du bruit de base du dispositif actif -qui peut comprendre plus d'un transistor dans sa partie amplificatrice-. The oscillator configuration according to the invention makes it possible to avoid these drawbacks, and combines good reproducibility and improved electrical performance, although the active device used is a commercially available transistor whose noise characteristics are normal, because this oscillator is less dependent on the basic noise of the active device - which can include more than one transistor in its amplifying part -.

Pour obtenir ce résultat, et pour améliorer -c'est-à-dire réduire- le bruit FM, l'invention prévoit de séparer:
- la fonction d'amplification, qui peut être réalisée avec au moins un transistor à effet de champ normal, dans la bande hyperfréquence,
- et la fonction de limitation, qui peut être réalisée de telle façon qu'elle ne convertit plus le bruit BF en bruit FM autour de la porteuse.To obtain this result, and to improve - that is to say reduce - FM noise, the invention plans to separate:
the amplification function, which can be performed with at least one normal field effect transistor, in the microwave band,
- and the limitation function, which can be implemented in such a way that it no longer converts LF noise into FM noise around the carrier.

En d'autres termes, si l'on reprend les figures 1 et 2, tandis que dans l'art connu le dispositif actif était non-linéaire et le circuit de contre-réaction était linéaire, avec un transistor fonctionnant dans la partie non-linéaire (point 5) de sa caractéristique I-V, au contraire selon l'invention le dispositif actif est linéaire et le circuit de contre-réaction est non-linéaire, le transistor fonctionnant dans la partie linéaire (telle que le point 6) de sa caractéristique l-V. In other words, if we take Figures 1 and 2, while in the known art the active device was non-linear and the feedback circuit was linear, with a transistor operating in the non- linear (point 5) of its characteristic IV, on the contrary according to the invention the active device is linear and the feedback circuit is non-linear, the transistor operating in the linear part (such as point 6) of its characteristic IV.

Puisque le transistor fonctionne en régime linéaire, il n'y a plus transposition du bruit BF en bruit FM autour de la porteuse.Since the transistor operates in linear mode, there is no longer any transposition of LF noise into FM noise around the carrier.

Les règles de conception d'un oscillateur à faible bruit stable, basé sur cette notion de séparation des fonctions d'amplification et de limination, sont donc les suivantes:
- le (ou les) transistor (s) doit opérer dans la région linéaire de sa caractéristique I-V,
- le limiteur utilisé dans le circuit de contre-réaction doit être aussi idéal que possible, et sa contribution à la génération de bruit
BF négligeable: ce peut être un limiteur symétrique à deux diodes, dont la caractéristique l-V est symétrique, ce qui réduit la conversion du bruit BF du limiteur, ou un limiteur à transistor bipolaire,
- la pente de phase du circuit de contre-réaction, à proximité de la fréquence d'oscillation, ou porteuse, doit être élevée, de façon à réduire la contribution du bruit thermique.Ceci est-obtenu avec un résonateur diélectrique à coefficient de surtension Q élevé à sa fréquence de résonance, ce qui constitue également un filtre en s'opposant aux modes d'oscillations indésirables dans la boucle. The design rules for a stable low noise oscillator, based on this notion of separation of amplification and elimination functions, are therefore as follows:
- the transistor (s) must operate in the linear region of its characteristic IV,
- the limiter used in the feedback circuit must be as ideal as possible, and its contribution to the generation of noise
Negligible LF: it can be a symmetrical limiter with two diodes, whose IV characteristic is symmetrical, which reduces the conversion of LF noise from the limiter, or a bipolar transistor limiter,
- the phase slope of the feedback circuit, near the oscillation or carrier frequency, must be high, so as to reduce the contribution of thermal noise. This is obtained with a dielectric resonator with overvoltage coefficient Q raised to its resonant frequency, which also constitutes a filter by opposing the undesirable oscillation modes in the loop.

Le schéma électrique d'un oscillateur faible bruit selon l'invention est donné en figure 3. The electrical diagram of a low noise oscillator according to the invention is given in FIG. 3.

Il comporte un amplificateur 7 fonctionnant en régime linéaire. Le schéma détaillé de cet amplificateur n'est pas donné, car il peut être réalisé de plusieurs façons connues. Avec un seul ou avec deux transistors à effet de champ, ou, si la fréquence d'oscillation le permet, avec un ou deux transistors bipolaires, mais en hyperfréquence il est rare qu'on utilise plus de deux transistors dans un amplificateur, en raison des temps de réponse et de l'appariement des transistors. De même, puisque le transistor est un dispositif 3 portes, la porte qui le fait osciller peut être indifféremment la source, la grille ou le drain. It includes an amplifier 7 operating in linear mode. The detailed diagram of this amplifier is not given, because it can be produced in several known ways. With only one or with two field effect transistors, or, if the oscillation frequency allows, with one or two bipolar transistors, but in microwave it is rare that more than two transistors are used in an amplifier, due response times and matching of transistors. Likewise, since the transistor is a 3-door device, the door which causes it to oscillate can be either the source, the gate or the drain.

La boucle de contre-réaction prélève une partie du signal de sortie -qui est appliqué sur la charge 4- au moyen d'un coupleur 3. The feedback loop takes part of the output signal -which is applied to the load 4- by means of a coupler 3.

Cette fraction de signal est d'abord limitée par un limiteur 8, symétrique et non-linéaire, dont le schéma est donné en figure 4.This fraction of signal is first limited by a limiter 8, symmetrical and non-linear, the diagram of which is given in FIG. 4.

Eventuellement, un atténuateur 9 peut être introduit dans la boucle de contre-réaction.Optionally, an attenuator 9 can be introduced into the feedback loop.

Un circulateur 10, qui suit l'atténuateur 9, permet de mettre en communication l'entrée de l'amplificateur 7 -ce qui ferme la boucle de contre-réaction- avec un filtre à forte pente constitué par une microbrande 11 et un résonateur diélectrique 12. A circulator 10, which follows the attenuator 9, allows the input of the amplifier 7 - which closes the feedback loop - to be communicated with a steep filter consisting of a microstrip 11 and a dielectric resonator 12.

La microbande 11 est couplée par une première extrémité au circulateur 10, et chargée à une seconde extrémité par une résistance 13, mise à la masse. Le résonateur diélectrique 12 est constitué par un petit cylindre du céramique, stable en température, à faibles pertes, haute permittivité et fort coefficient de surtension: un matériau tel que Zrî#xSnxTio4, avec 0,254 x C 0,34 et une permittivité comprise entre 35 et 40, convient parfaitement à ce type de filtre. Les dimensions de résonateur sont déterminées, entre autres, par la fréquence de résonance. Ce filtre constitue un circuit à coefficient de surtension Q très élevé. The microstrip 11 is coupled by a first end to the circulator 10, and charged at a second end by a resistor 13, grounded. The dielectric resonator 12 consists of a small ceramic cylinder, stable in temperature, with low losses, high permittivity and high overvoltage coefficient: a material such as Zrî # xSnxTio4, with 0.254 x C 0.34 and a permittivity between 35 and 40, is perfectly suitable for this type of filter. Resonator dimensions are determined, among other things, by the resonant frequency. This filter constitutes a circuit with a very high overvoltage coefficient Q.

Deux flèches sont superposées, sur la figure 3, au résonateur 12. Elles symbolisent les réglages possibles de la position du résonateur par rapport à la microbande:
- si le résonateur est déplacé selon un axe perpendiculaire à la microbande, ce déplacement influe sur le coefficient de couplage, et donc sur le coefficient de surtension Q,
- si le résonateur est déplacé selon un axe parallèle à la microbande, ce déplacement permet de régler la phase.Two arrows are superimposed, in FIG. 3, on the resonator 12. They symbolize the possible adjustments of the position of the resonator relative to the microstrip:
if the resonator is displaced along an axis perpendicular to the microstrip, this displacement influences the coupling coefficient, and therefore the overvoltage coefficient Q,
- if the resonator is moved along an axis parallel to the microstrip, this movement makes it possible to adjust the phase.

Ce circuit présente un coefficient de réflexion élevé à sa fréquence de résonance-Q = 950 à 10,48 GMz-et une pente de phase élevée autour de cette même fréquence. Il est équivalent à une charge accordée aux autres fréquences, ce qui empêche les modes d'oscillations parasites. This circuit has a high reflection coefficient at its resonance frequency-Q = 950 to 10.48 GMz-and a high phase slope around this same frequency. It is equivalent to a load granted to the other frequencies, which prevents the parasitic oscillation modes.

Le limiteur non-linéaire 8 est détaillé sur la figure 4. Entre une entrée 14 et une sortie 15, il est constitué par deux diodes 16 et 17, montées tête-bêche entre elles, et connectées d'une part à la masse, d'autre part, chacune, à l'un des pQints communs entre trois microbandes 18, 19 et 20 montées en série entre l'entrée et la sortie. Les diodes sont des diodes Schottky à faible seuil ~ elles sont appairées et montées avec des micro-poutres de connexions (beam lead). Ce limiteur est symétrique, entrée et sortie peuvent être interverties. The nonlinear limiter 8 is detailed in FIG. 4. Between an input 14 and an output 15, it consists of two diodes 16 and 17, mounted head to tail, and connected on the one hand to ground, d 'on the other hand, each, to one of the common pQints between three microstrips 18, 19 and 20 connected in series between the input and the output. The diodes are Schottky diodes with low threshold ~ they are paired and mounted with micro-beams of connections (beam lead). This limiter is symmetrical, input and output can be reversed.

Pour s'assurer que l'amplificateur 7 travaille dans sa région linéaire et que le limiteur 8 travaille dans sa région non-linéaire, la puissance de sortie en fonction de la puissance d'entrée doit être analysée pour chaque dispositif. To ensure that the amplifier 7 works in its linear region and that the limiter 8 works in its non-linear region, the output power as a function of the input power must be analyzed for each device.

Considérons sur la figure 3 les points 21 situé à l'entrée de l'amplificateur 7 et 22 situé à l'entrée du limiteur 8. Au point 21, la puissance mesurée est à la fois la puissance d'entrée de l'amplificateur 7 et la puissance de sortie du limiteur 8 compte tenu de l'atténuateur 9. Au point 22, la puissance mesurée est à la fois la puissance d'entrée du limiteur 8 et la puissance de sortie de l'amplificateur 7, compte tenu de l'atténuation apportée par le coupleur 3. Consider in Figure 3 the points 21 located at the input of the amplifier 7 and 22 located at the input of the limiter 8. At point 21, the power measured is both the input power of the amplifier 7 and the output power of the limiter 8 taking into account the attenuator 9. In point 22, the power measured is both the input power of the limiter 8 and the output power of the amplifier 7, taking into account the attenuation provided by the coupler 3.

Les courbes de la figure 5 représentent les variations des puissances de sortie en fonction des puissances d'entrée pour l'amplificateur et pour le limiteur, indépendamment l'un de l'autre, la puissance au point 25 étant portée en abscisses et la puissance au point 22 portée en ordonnées. The curves in FIG. 5 represent the variations of the output powers as a function of the input powers for the amplifier and for the limiter, independently of each other, the power at point 25 being plotted on the abscissa and the power at point 22 on the ordinate.

Les courbes Limi, présentant une saturation en abscisses, correspondent à la puissance transmise à travers le limiteur, du point 22 vers le point 21, sans atténuation (Limi) et avec deux valeurs d'atténuation (Attl et Att2). Elles incluent les pertes dans le filtre à résonateur diélectrique. The Limi curves, with saturation on the abscissa, correspond to the power transmitted through the limiter, from point 22 to point 21, without attenuation (Limi) and with two attenuation values (Attl and Att2). They include losses in the dielectric resonator filter.

Les courbes G, présentant une saturation en ordonnées, correspondent à l'oscillation du système de la figure 3, sans limiteur remplacé par une longueur de ligne équivalente. Ce sont les caractéristiques en l-V d'un transistor, sans atténuation (G) et avec deux valeurs d'atténuation (Attl et Att2). La saturation est due dans ce cas aux noklinéarités du transistor. La fréquence d'oscillation est finement accordée sur la fréquence de résonance du résonateur diélectrique pour obtenir la meilleure pente de phase de la boucle de contre-réaction. De plus, la tension de grille du transistor à effet de champ est optimisée pour obtenir le moindre bruit FM, sans limiteur. The curves G, having a saturation on the ordinate, correspond to the oscillation of the system of FIG. 3, without limiter replaced by an equivalent line length. These are the l-V characteristics of a transistor, without attenuation (G) and with two attenuation values (Attl and Att2). The saturation is due in this case to the noklinearities of the transistor. The oscillation frequency is finely tuned to the resonant frequency of the dielectric resonator to obtain the best phase slope of the feedback loop. In addition, the gate voltage of the field effect transistor is optimized to obtain the least FM noise, without limiter.

L'oscillation du système est possible en de nombreux points d'intersection des courbes G et Limi, tels que les points A, B, C, D,
E. Mais seuls les points tels que A, se situant à l'intersection d'une partie linéaire de la courbe G du transistor et d'une partie nonlinéaire, saturée, de la courbe Limi du limiteur remplit les conditions de fonctionnement à faible bruit selon l'invention.The oscillation of the system is possible at many points of intersection of the G and Limi curves, such as points A, B, C, D,
E. But only the points such as A, located at the intersection of a linear part of the curve G of the transistor and a nonlinear, saturated part, of the Limi curve of the limiter fulfills the low noise operating conditions according to the invention.

Les conditions de linéarité du transistor et de non-linéarité du limiteur étant déterminées et connues, la ligne de longueur équivalente au limiteur est remplacée par le limiteur symétrique, et la valeur du coupleur de sortie 3 modifiée pour obtenir la même puissance de sortie. Finalement, un réglage fin de la phase permet d'obtenir la même fréquence d'oscillation qu'avant le remplacement de la ligne équivalente par be limiteur. The conditions of linearity of the transistor and non-linearity of the limiter being determined and known, the line of length equivalent to the limiter is replaced by the symmetrical limiter, and the value of the output coupler 3 modified to obtain the same output power. Finally, fine adjustment of the phase makes it possible to obtain the same oscillation frequency as before replacing the equivalent line with the limiter.

Le circulateur 10 peut être choisi parmi différents types de circulateurs connus. Mais si la fréquence d'oscillation du système pose des problèmes d'adaptation de circulateur, celui dont le schéma est donné en figure 6 convient aux très hautes fréquences (10 GHz et plus). The circulator 10 can be chosen from different types of known circulators. But if the oscillation frequency of the system poses problems of adaptation of the circulator, the one whose diagram is given in FIG. 6 is suitable for very high frequencies (10 GHz and more).

Il comporte un coupleur 3 constitué de deux microbandes de couplage à un filtre à deux microbandes. Une première microbande du coupleur est réunie par une extrémité 24 à l'atténuateur 9 de la boucle de contre-réaction, et par une autre extrémité 25 à une première microbande 26 du filtre. Une seconde microbande du coupleur est réunie par une extrémité 28 à l'entrée de l'amplificateur 7, et par une autre extrémité 29 à une seconde microbande 30 du filtre. Les deux microbandes 26 et 30 du filtre sont parallèles entre elles et respectivement chargées par des résistances 27 et 31 mises à la masse. Un résonateur diélectrique 32 est placé entre les deux microbandes du filtre. It comprises a coupler 3 consisting of two microstrips for coupling to a filter with two microstrips. A first microstrip of the coupler is joined by one end 24 to the attenuator 9 of the feedback loop, and by another end 25 to a first microstrip 26 of the filter. A second microstrip of the coupler is joined by one end 28 to the input of the amplifier 7, and by another end 29 to a second microstrip 30 of the filter. The two microstrips 26 and 30 of the filter are mutually parallel and respectively charged by resistors 27 and 31 grounded. A dielectric resonator 32 is placed between the two microstrips of the filter.

Dans ce cas, le réglage de la phase du filtre s'effectue comme précédemment en déplaçant le résonateur diélectrique 32 selon un axe parallèle aux deux microbandes 26 et 30. Mais le réglage du couplage, ou du coefficient de surtension Q, s'effectue en rapprochant ou en éloignant les deux microbandes 26 et 30, ce qui est aisé si les microbandes sont réalisées sur de petits substrats céramiques. In this case, the adjustment of the filter phase is carried out as previously by moving the dielectric resonator 32 along an axis parallel to the two microstrips 26 and 30. But the adjustment of the coupling, or of the overvoltage coefficient Q, is carried out in bringing the two microstrips 26 and 30 closer or further apart, which is easy if the microstrips are produced on small ceramic substrates.

La figure 7 représente un autre exemple de limiteur nonlinéaire et symétrique utilisé dans ltoscillateur selon l'invention. Ce limiteur, dont l'entrée est en 14 et la sortie en 15, est constitué par au moins un transistor bipolaire 33, à très grand gain, commandé par sa base. Le transistor 33 étant un quadrupole, les adaptations d'entrée 34 et de sortie 35 comportent des circuits de résistances, selfs et capacités nécessaires pour faire fonctionner ce transistor dans la partie non-linéaire et saturée de sa courbe de caractéristique I-V, donc dans la région du point 5 en figure 2. Ce montage est intéressant par son rendement proche de l'unité, car il ne consomme pas une part importante de la puissance émise par l'amplificateur 7.En effet, on sait que la puissance disponible PL dans une charge L en sortie d'un transistor (33) est proportionnelle à la puissance à saturation #sat et inversement proportionnelle au gain G:

FIG. 7 represents another example of a nonlinear and symmetrical limiter used in the oscillator according to the invention. This limiter, the input of which is at 14 and the output at 15, consists of at least one bipolar transistor 33, with very large gain, controlled by its base. The transistor 33 being a quadrupole, the input 34 and output 35 adaptations include resistance circuits, inductors and capacities necessary to make this transistor work in the non-linear and saturated part of its characteristic curve IV, therefore in the region of point 5 in FIG. 2. This arrangement is interesting for its efficiency close to unity, since it does not consume a significant part of the power emitted by the amplifier 7. Indeed, we know that the available power PL in a load L at the output of a transistor (33) is proportional to the power at saturation #sat and inversely proportional to the gain G:

Avec un gain G infini, ou très grand, la puissance à saturation Psat est voisine de la puissance dans la charge PL, et l'énergie consommée dans la boucle de contre-réaction est moindre, ce qui est important en hyperfréquences: la puissance de sortie de l'oscillateur est pratiquement la puissance de l'amplificateur 7. En outre, ce limiteur a peu de bruit FM. With an infinite or very large gain G, the saturated power Psat is close to the power in the PL load, and the energy consumed in the feedback loop is less, which is important in microwave frequencies: the power of output from the oscillator is practically the power of amplifier 7. In addition, this limiter has little FM noise.

Dans des réalisations de l'oscillateur selon l'invention, mettant en oeuvre un transistor à effet de champ de 0,5 micron de longueur de grille, et oscillant autour d'une porteuse à 10,479 GHz, cette configuration dans laquelle les fonctions d'amplification et de limitation sont séparées a donné une atténuation du bruit FM égale à -98 dBc/Hz à 10 kHz de la porteuse, ce qui représente une amélio ration de 15 dB du bruit FM, par rapport à l'art connu, bien que le transistor soit d'un modèle courant. In embodiments of the oscillator according to the invention, using a field effect transistor of 0.5 micron gate length, and oscillating around a carrier at 10.479 GHz, this configuration in which the functions of amplification and limitation are separated gave an FM noise attenuation equal to -98 dBc / Hz at 10 kHz of the carrier, which represents a 15 dB improvement in FM noise, compared to the known art, although the transistor is of a current model.

L'adaptation de ce circuit à des fréquences plus élevées, 20 à 60 GHz, permet de réaliser des sources stables à très faible bruit
FM.The adaptation of this circuit to higher frequencies, 20 to 60 GHz, makes it possible to produce stable sources with very low noise
FM.

Bien que l'invention ait été mise au point pour les circuits hyperfréquences -1 à 60 GHz-, elle est applicable de façon plus générale -après adaptation du filtre et des coupleurs- à tous les oscillateurs à plus faible fréquence utilisant des transistors autres qu'à effet de champ, tels que les bipolaires. Although the invention was developed for microwave circuits -1 to 60 GHz, it is applicable more generally - after adaptation of the filter and couplers - to all lower frequency oscillators using transistors other than 'field effect, such as bipolar.

Elle est réalisable soit sous forme hybride, soit sous forme intégrée monolithique sur silicium et/ou GaAs, avec transistors à effet de champ ou bipolaires. En effet, on sait maintenant réaliser des plaquettes qui allient le silicium et l'arséniure de gallium, qui rendent possibles les circuits intégrés à transistors à effet de champ et bipolaires. It can be produced either in hybrid form or in integrated monolithic form on silicon and / or GaAs, with field effect or bipolar transistors. In fact, we now know how to produce wafers which combine silicon and gallium arsenide, which make possible integrated circuits with field effect and bipolar transistors.

Claims

1. Low-noise oscillator around its oscillation frequency, called the carrier, operating by limiting the saturation of the current from an amplifier, and comprising a semiconductor amplification device (7), the output of which provides a signal at pure frequency at a load of use (4), and a feedback circuit (8, 9, 10, 11) mounted in bypass on the output of the amplification device (7) and looped back on its input, this oscillator being characterized in that, in order to prevent conversion of the low frequency noise inherent in the semiconductor device into frequency modulation noise around the carrier, the functions of amplification and limitation of the signal from the amplifier (7) are separated, the limitation function being fulfilled by a limiter (8), mounted in the feedback loop.

2. Low noise oscillator according to claim 1, characterized in that the semiconductor amplification device (7) operates in linear mode, outside the saturation region of its current-voltage characteristic curve, and in that the limiter ( 8) is a device operating in a non-linear regime, in the saturation region of its output power characteristic curve as a function of the power applied to its input.

3. Low noise oscillator according to claim 2, characterized in that it comprises:

- a linear amplification semiconductor device (7),

- a non-linear feedback loop, comprising, connected in series, a coupler (3) taking part of the signal at the output of the amplifier (7), a non-linear limiter (8), an attenuator ( 9) and a phase shift filter, with a high overvoltage coefficient, formed by a circulator (10) and a filter (11 + 12), the circulator (10) returning the filtered signal to the input of the amplifier (7).

4. Low noise oscillator according to claim 2, characterized in that the limiter (8) is symmetrical and comprises 3 microstrips (18, 19, 20) connected in series between the input (14) and the output (15) of the limiter, a first Schottky diode (16) connected between the ground and the point common to the first (18) and the second (19) microstrips, and a second Schottky diode (17) connected between the ground and the point common to the second (19) and third (20) microstrips, the two diodes (16, 17) being further mounted head to tail.

5. Low noise oscillator according to claim 2, characterized in that the limiter (8) is symmetrical and comprises a bipolar transistor (33) operating in non-linear mode, with very large gain, of which the access electrodes are connected at the input (14) and output (15) terminals of the limiter through adapters (34, 35) and whose control electrode is grounded.

6. Low noise oscillator according to claim 3, characterized in that the filter is a dielectric resonator filter, comprising a microstrip (11) of which a first end is connected to the circulator (10) and a second end is connected to a resistor load (13) grounded, and a dielectric resonator (12), the position of which relative to the microbe and (11) adjusts the Q factor and the filter phase.

7. Low noise oscillator according to claim 3, characterized in that the phase shift filter comprises:

- an interdigitated coupler (23) with microstrips, the input channel (24) of which is coupled to the attenuator (9) and the isolated channel (28) of which is coupled to the input of the amplifier (7),

- a dielectric resonator filter, comprising two micro bands (26, 30) parallel to each other and connected to a grounded load resistor (27, 31), a dielectric resonator (32) whose position between the microstrips (26 , 30) makes it possible to adjust the overvoltage coefficient Q and the phase of the filter, the microstrips (26, 30) being respectively connected one (26) to the direct channel (25) of the coupler # eur (23) and the other (30) to the coupled channel (29) of said coupler (23).

8. Low noise oscillator according to claim 1, characterized in that the semiconductor amplification device (7) comprises at least one field effect transistor.

9. Low noise oscillator according to claim 1, characterized in that the semiconductor amplification device (7) comprises at least one bipolar transistor.

10. Low noise oscillator according to claim 1, characterized in that it is produced according to a monolithic technology, in integrated circuit.

11. Low noise oscillator according to claim 1, characterized in that it is a microwave oscillator (band 1 at 60 GHz).