FR2825854A1 - Oscillateur multi-frequences a resonateur dielectrique - Google Patents
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Abstract
L'invention propose un oscillateur à résonateur diélectrique DR, notamment pour dispositifs de transmission, dont la fréquence d'oscillation peut prendre plusieurs valeurs. L'oscillateur utilise deux conducteurs interférents 30 et 31 commutés pour former ou non un plan métallique à proximité du résonateur diélectrique DR afin de faire varier la fréquence de l'oscillateur tout en utilisant un unique résonateur. Les conducteurs interférents 30 et 31 sont situés dans la cavité CAV à proximité du résonateur DR et des moyens de commutation établissent ou non un contact électrique entre lesdits conducteurs interférents 30 et 31.
Description
dRelon assistd es1 un sys1Ame Ale[o-hydrauIque de type EHPS.
Oscillateur multi-fréquences à résonateur diélectrique L'invention se rapporte à un oscillateur multi-fréquences à résonateur diélectrique, et plus particulièrement aux oscillateurs fonctionnant dans les hyperfréquences. Les oscillateurs hyperfréquences sont utilisés dans les systèmes de transmission et plus particulièrement à proximité de l'antenne afin d'effectuer une transposition de fréquence entre une bande de fréquences intermédiaires et une bande de fréquences de transmission. La transposition de fréquence est due à l'utilisation de deux unités l'une située généralement à l'intérieur d'un bâtiment alors que l'autre se situe à l'extérieur, près de l'antenne. La liaison entre les unités intérieure et extérieure se faisant à l'aide d'un conducteur électrique, par exemple un câble coaxial qui entrane de fortes pertes dans les fréquences de transmission utilisées (par exemple
supérieure à 10 GHz.
Les systèmes de communication utilisent des fréquences de transmission de plus en plus élevées et des bandes de fréquences de plus en plus larges. Une simple transposition de fréquence a pour effet d'utiliser une bande aussi large en fréquences intermédiaires qu'en fréquence de transmission. Or l'utilisation d'une largeur de bande de fréquence intermédiaire supérieure au GHz pose des problèmes de réalisation. En effet, les pertes dans le câble coaxial qui relie les unités intérieure et extérieure varient de manière non négligeable sur la largeur de bande intermédiaire. Par ailleurs, il est coûteux de réaliser un synthétiseur de fréquence qui permette d'assurer l'agilité nécessaire en fréquence pour
balayer des bandes de fréquences intermédiaires très larges.
Pour obtenir une bande de fréquence intermédiaire moins large que la bande de transmission, il est possible de segmenter la bande de transmission avant de la transposer. Une telle segmentation peut se faire en utilisant plusieurs oscillateurs commutés dans l'unité extérieure. Suivant l'oscillateur sélectionné, la bande de fréquences intermédiaires reçoit seulement une partie de la bande de transmission, ladite partie
correspondant à la fréquence sélectionnce.
Les oscillateurs à résonateur diélectrique sont couramment utilisés dans les unités extérieures de système de transmission. Les résonateurs diélectriques sont généralement mis en _uvre dans une boucle
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de contre-réaction, par exemple comme montré sur l'une des figure 1A ou 1 B. Le couplage entre le résonateur diélectrique DR et le circuit électrique se fait par la mise à proximité d'un résonateur diélectrique DR et d'un conducteur CL du circuit électrique, le conducteur étant par exemple une ligne micro-ruban. Le positionnement du résonateur diélectrique va avoir une incidence directe sur le taux de couplage, la puissance de sortie de
l'oscillateur, la stabilité en fréquence et également la fréquence d'oscillateur.
La fréquence d'oscillation d'un oscillateur à résonateur diélectrique dépend de ses dimensions et des propriétés électromagnétiques de son environnement. Pour ma'^triser ces facteurs, le résonateur est placé dans une cavité blindée traversoe par le conducteur. La figure 2 illustre un tel mode de réalisation dans lequel une ligne micro-ruban CL traverse une cavité blindée CAV à l'intérieure de laquelle se situe un résonateur DR diélectrique. Le résonateur DR est maintenu dans la cavité CAV par des espaceurs non représentés Pour plus de détails sur la réalisation d'oscillateurs à résonateur diélectrique, I'homme du métier peut se reporter au livre intitulé Dielectric Resonators 2nd edition, de Darko Kajfez et Pierre
Guillon, publié en 1998 par Noble Publishing Corporation.
Une solution connue pour obtenir plusieurs fréquences avec des oscillateurs à résonateur diélectrique est de juxtaposer plusieurs oscillateurs et de commuter leur sorties. La multiplication des oscillateurs entrane une
augmentation de la taille des circuits placés dans l'unité extérieure.
L' invention a pour but de réd u ire la taille des u n ités extérieures utilisant plusieurs fréquences de transposition. Pour cela, I'invention propose un oscillateur à résonateur diélectrique dont la fréquence d'oscillation peut prendre plusieurs valeurs. Le dispositif de l'invention utilise des conducteurs interférents commutés à proximité du résonateur diélectrique afin de faire varier la fréquence de l'oscillateur tout en utilisant un unique résonateur, les conducteurs interférents se comportant soit comme deux conducteur séparé,
soit comme un plan métallique.
L'invention est un circuit oscillateur comprenant un résonateur diélectrique situé à proximité d'un conducteur de couplage assurant le couplage avec le reste d u circuit oscillateur, led it résonateu r et ledit conducteur de couplage étant situé dans une cavité. Le circuit oscillateur comporte au moins une paire de conducteurs interférents situés dans la
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cavité à proximité du résonateur. Des moyens de commutation établissent
ou non un contact électrique entre les conducteurs interférents.
L' invention sera mieux comprise, et d'autres particu larités et
avantages appara^tront à la lecture de la description qui va suivre, la
description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels:
les figures 1 a et 1 b représente des schémas d'oscillateurs à résonateur diélectrique, la figure 2 représente le montage d'un résonateur selon l'état de
la technique.
Ies figures 3 à 5 détaillent le montage d'un résonateur diélectrique suivant différentes vues et aspects selon l'invention, la figure 6 représente une amélioration du montage des figures 3 à 5,
la figure 7 représente une variante de l'invention.
Comme indiqué précédemment, les figures 1A et 1 B représentent des circuits oscillateurs à résonateur diélectrique. Ces circuits électriques d'oscillateur sont utilisables avec l'invention ainsi que d'autres circuits connus dans lesquels la fréquence de l'oscillateur n'est déterminée que par
le résonateur DR et son environnement.
La figure 3 représente en perspective le montage du résonateur diélectrique DR à proximité de la ligne conductrice CL du circuit oscillateur de l'une des figure 1A ou 1B. La figure 4 montre une vue latérale de ce
montage.
Une cavité blindée CAV entoure le résonateur DR afin de l'isoler des perturbations électromagnétiques extérieures. La cavité CAV est par exemple constituée d'un capot métallique reliée à la masse. Un substrat 10 ferme la cavité blindée CAV. Le substrat 10 comporte sur la face située à I'intérieur de la cavité CAV le conducteur CL, par exemple réalisé à l'aide d'une ligne micro-ruban. Sur la face du substrat 10 située à l'extérieure de la cavité, un plan de masse assure l'étanchéité électromagnétique. Des orifices placés de part et d'autre de la cavité CAV autorisent le passage du conducteur CL. Le substrat 10 se prolonge au delà de la cavité et supporte
le reste du circuit oscillateur.
Un deuxième substrat 20 est maintenu, par exemple par collage, à l'intérieur de la cavité CAV. Le résonateur DR est collé sur une face du
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deuxième substrat 20. Le positionnement du résonateur DR sur le deuxième substrat 20 et le positionnement du deuxième substrat 20 dans la cavité CAV se fait pour assurer le couplage entre le résonateur DR et le conducteur
CL selon une technique connue.
Le deuxième substrat 20 comporte, sur la face opposée au résonateur deux conducteurs interférents 30 et 31. Les conducteurs
interférents 30 et 31 sont par exemple réalisé à l'aide de lignes imprimées.
Afin d'éviter un couplage parasite entre les conducteurs interférents 30 et 31 et le conducteur CL, les conducteurs interférents 30 et 31 sont préférentiellement orientés selon des plans perpendiculaires au conducteur CL. Les lignes de champ magnétique du résonateur DR, au niveau du deuxième substrat 20, sont préférentiellement perpendiculaires audit substrat. La figure 5 représente l'aspect fonctionnel de l'invention. Les conducteurs interférents 30 et 31 sont placés au dessus du résonateur DR de manière symétrique. La longueur des conducteurs interférents est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de la fréquence la plus basse que l'on désire obtenir, la longueur d'onde prenant en compte le milieu de propagation de l'onde qui est le substrat dans l'exemple décrit. Il convient que le résonateur DR soit centré par rapport aux conducteurs interférents 30 et 31. Les conducteurs interférents 30 et 31 sont placés de part et d'autre du résonateur DR afin de ne pas recouvrir la majeure partie de la surface du résonateur DR. Par ailleurs, la réunion des conducteurs interférents 30 et 31 définit une surface d'une taille supérieure à la surface
du résonateur DR.
Le conducteur interférent 30 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une impédance d'adaptation Z1. Le conducteur interférent 31 est relié à une ligne de commande par l'intermédiaire d'une impédance d'adaptation Z2. Les impédances d'adaptation Z1 et Z2 se comportent comme des filtres passe-bas qui sont équivalents à des courts circuit en basse fréquence et à des circuits ouverts dans les gammes de fréquence de l'oscillateur réalisé. Les conducteurs interférents 30 et 31 sont reliés entre eux, de préférence en leur milieu, par l'intermédiaire d'une diode 33, par exemple de type PIN. La ligne de commande peut prendre deux états correspondant à un premier et un deuxième états de commande. Les impédances Z1 et Z2, la diode 33 et la ligne de commande forme un circuit
de commutation qui est placé sur le deuxième substrat 20.
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Dans un premier état de commande, la ligne de commande est à un potentiel tel que la diode 33 est bloquée. Dans ce premier état de commande, les conducteurs interférents 30 et 31 sont électriquement indépendant. Le champ magnétique se propage à travers le deuxième substrat jusqu'à la surface supérieure de la cavité. Le couplage du champ magnétique développé par le résonateur DR est alors maximal entre les conducteurs interférents 30 et 31. La fréquence d'oscillation correspond à une fréquence basse de fonctionnement dont la valeur dépend de la longueur et de la largeur des conducteurs interférents, de l'espace entre les
conducteurs interférents et de la taille de la cavité.
Dans un deuxième état de commande, la ligne de commande est
à une tension positive suffisante pour que la diode 33 devienne conductrice.
La diode 33 est passante et les conducteurs interférents 30 et 31 sont électriquement relié. Les deux conducteurs interférents 30 et 31 se comporte alors comme un plan métallique interférent de largeur L. Le plan métallique interférent bloque le champ magnétique du résonateur DR à une distance quasi-nulle correspondant à l'épaisseur du substrat. La fréquence d'oscillation correspond à la fréquence maximale du résonateur DR. Le potentiel entre les conducteurs interférents 30 et 31 correspond à la tension de seuil de la diode 33, cependant aux fréquences d'oscillation les variations
de potentiel sont les mêmes sur les deux conducteurs interférents.
A titre d'exemple, le couplage d'un résonateur diélectrique de fréquence nominale 9,9 GHz avec des conducteurs interférents réalisée à l'aide de lignes micro-ruban de longueur 9,1 mm, de largeur 3,5 mm et espacées entre elles d'une distance de 2,5 mm permet d'obtenir une
fréquence basse de 9 GHz et une fréquence haute de 10,9 GHz.
Pour obtenir des fréquences différentes avec un même résonateur, il est possible d'éloigner le plan dans lequel se situe les conducteurs interférents pour diminuer la fréquence supérieure. Il est également possible de dimensionner différemment les conducteurs
interférents pour jouer sur la fréquence basse.
Afin de rébuire les contraintes de conception et de dimensionnement du dispositif de l'invention, on peut avoir recours à des vis de réglage. La figure 6 montre un positionnement possible de vis permettant d'ajuster les fréquences supérieure et inférieure. Une première vis 40 traverse la cavité CAV sur la partie supérieure dans l'axe magnétique du résonateur DR. Une deuxième vis 41 traverse la cavité sur une paroi latérale
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perpendiculairement à l'axe magnétique du résonateur DR, le résonateur DR se trouvant dans l'axe de la vis. Les première et deuxième vis permettent d'assurer un ajustement indépendant de la fréquence haute et de la
fréquence basse.
Dans le deuxième état de commande, les conducteurs interférents et 31 forment un plan métallique au-dessus du résonateur DR. La première vis 40 est inopérante. La fréquence haute peut être ajustée à l'aide
de la deuxième vis 41.
Dans le premier état de commande, les conducteurs interférents 30 et 31 laissent passer le champ magnétique jusqu'au sommet de la cavité qui forme un plan métallique apparent. L'enfoncement plus ou moins important de la première vis vient perturber le champ magnétique, ce qui
permet d'ajuster la fréquence basse.
L'invention permet également de réaliser un oscillateur commuté pouvant fournir plus de deux fréquences. La figure 7 montre une variante de réalisation dans laquelle un troisième substrat 40 est placé au-dessus du deuxième substrat 20. Le troisième substrat 40 comporte deux conducteurs interférents 41 et 42 et un circuit de commutation analogue à celui montré figure 5. Les conducteurs interférents 41 et 42 sont parallèles aux conducteurs interférents 30 et 31. Le conducteur 41, placé au-dessus du conducteur interférent 30 est relié à la masse. Suivant les différents états des commandes des circuits de commutation, on a trois possibilités de fonctionnement. Selon un premier état, les conducteurs interférents 30 et 31 forment un premier plan métallique qui correspond à une fréquence de
fonctionnement élevoe. Cet état est indépendant des conducteurs 41 et 42.
Selon un deuxième état, les conducteurs 30 et 31 ne sont pas électriquement reliés et les conducteurs 41 et 42 forment un plan métallique à une distance différente du résonateur DR. Cet état correspond à une
fréquence intermédiaire de fonctionnement.
Selon un troisième état, les conducteurs 30, 31, 41 et 42 sont rend us indépendants. Cet état correspond à une fréq uence de
fonctionnement basse.
L'ajout d'autres substrats supportant d'autres conducteurs interférents permet d'obtenir d'autres fréquences de fonctionnement. Pour n
substrats, on obtient n+1 fréquences de fonctionnement.
D'autres variantes de réalisation sont possibles.
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Les modes de réalisation précédents décrivent un substrat 20 qui supporte, d'une part le résonateur DR et, d'autre part, les conducteurs 30 et 31 réalisés à l'aide de lignes imprimées en cuivre. C'est une solution simple et efficace. Il est toutefois possible de fixer le résonateur à l'aide d'espaceurs autre que le substrat. Il est également possible d'avoir recours à des conducteurs autre que des lignes imprimoes maintenues dans la cavité par des moyens quelconques. De même, il n'est pas nécessaire que les conducteurs 30 et 31 soit placés dans un plan perpendiculaire aux lignes de champ magnétiques sortant du résonateur DR. La commutation de deux conducteurs linéaires créant un plan métallique ou non permet d'avoir deux fréquences de fonctionnement différentes. Le mode de réalisation proposé
se trouve être la solution la plus simple à mettre en _uvre.
De même, la figure 5 représente les conducteurs interférents avec le circuit de commutation. Ce circuit est à adapter en fonction de la diode et des tension de commande que l'on désire utiliser. Le comportement basse fréquence des impédance peut être équivalent à une résistance de polarisation servant à limiter le courant. Egalement, on a choisi de connecter Z1 à la masse, ce qui permet de bloquer la diode avec une tension de commande proche de zéro volt. Il va de soit que d'autres choix sont possibles. Plus généralement, tout autre type de circuit de commutation est utilisable dès lors qu'il permette de relier électriquement les deux
conducteurs interférents au moins pour les hautes fréquences.
Dans le mode de réalisation décrit, la cavité CAV est fermée par le substrat 10 qui est doublé d'un plan de masse et qui supporte le conducteur CL. En variante, il est possible d'utiliser une cavité métallique
fermoe qui est simplement traversoe par un fil conducteur.
Dans la présente description, la cavité est de forme rectangulaire.
Il va de soit que d'autre formes de cavités peuvent être utilisoes, et
notamment des cavités cylindriques.
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Claims (8)
1. Circuit oscillateur comprenant un résonateur diélectrique (DR) situé à proximité d'un conducteur de couplage (CL) assurant le couplage avec le reste d u circuit oscillateur, led it résonateu r (DR) et led it conducteur de couplage (CL) étant situé dans une cavité (CAV), caractérisé en ce qu'il comporte - au moins une paire de conducteurs interférents (30, 31) situés dans la cavité (CAV) à proximité du résonateur (DR), des moyens de commutation (33, Z1, Z2, Commande) pour établir ou non un contact électrique entre les
conducteurs interférents (30, 31).
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commutation (33, Z1, Z2, Commande) comportent une diode
(33) placce entre les conducteurs interférents (30, 31).
3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de contact entre la diode (33) et chaque conducteur interférent (30, 31)
est situé au milieu de chaque conducteur interférent (30, 31).
4. Circuit selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé
en ce que la longueur des conducteurs interférents (30, 31) est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de la fréquence la plus basse que
peut fournir le circuit oscillateur.
5. Circuit selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comporte un substrat (20) ayant deux faces opposées, le résonateur (DR) étant collé sur l'une des faces, et les conducteurs interférents (30, 31) étant réalisés sur l'autre face à l'aide de
lignes imprimées.
6. Circuit selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que le conducteur de couplage (CL) et les conducteurs interférents (30, 31) sont rectilignes, et en ce que les conducteurs
interférents (30, 31) sont perpendiculaires au conducteur de couplage (CL) .
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7. Circuit selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comports une deuxième paire de conducteurs interférents (41, 42) situés dans la cavité (CAV) et des deuxième moyens de commutation pour pouvoir commuter la deuxième paire de conducteurs
interférents (41, 42).
8. Circuit selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que les conducteurs interférents (30, 31) sont placés dans un plan perpendiculaire au champ magnétique sortant du résonateur
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