sommaire - rosselcedric.free.frrosselcedric.free.fr/rapport_projet/oscillateur6ghz.pdf ·...

Résonateur à diélectrique résonant 6GHz IUP GEII MASTER 2

Olivier TEISSERENC & Julien FERRIOL 1

Sommaire

Introduction_________________________________________________ p 2

Les différents types d’oscillateurs_______________________________ p 3

Procédure de conception_______________________________________ p 4

Phase1 : Choix du résonateur diélectrique (DRO) _______________ p 5

Phase2 : Choix du transistor________________________________ p 6

Phase3 : Calcul du schéma équivalent du DRO_________________ p 7

Phase4 : La simulation____________________________________ p 10

Phase5 : La réalisation du circuit____________________________ p 15

Phase6 : Tests___________________________________________ p 16

Conclusion___________________________________________________ p 16

Annexes

Datasheet du résonateur diélectrique_________________________ p17

Datasheet du transistor ATF36077___________________________ p20



Introduction

Notre projet a été inscrit dans la réalisation d’un RADAR de mesure de distance pour aider

l’abordage d’un bateau dans un port. Il existait déjà un système de télémétrie LASER qui était

inopérant lors d’intempéries (brouillard, pluie).

Le type du RADAR utilisé est à impulsion, c'est-à-dire que l’on envoie une onde qui est

réfléchie sur un objet puis récupérée par l’émetteur. On connaît la distance en mesurant le

temps d’aller/retour de l’onde.

Le schéma ci-dessous représente de manière simplifiée le principe de la mesure :

Comme c’est un système RADAR, il a besoin de plusieurs sous éléments nécessaire à son

fonctionnement.

Notre partie du projet consistait à créer l’oscillateur qui est à l’origine du signal émis. Cet

oscillateur doit émettre un signal à 6GHz et rester stable à cette fréquence pour assurer le bon

fonctionnement du dispositif.



Les différents types d’oscillateurs

Nous avons effectué une étude sur les différents types de résonateurs existants :

-Résonateur à quartz : ce genre de résonateur est très stable car ils ont un pic de résonance

très pointu. De plus la réalisation d’un résonateur a quartz est très facile. Mais, il ne peut pas

monter sur une gamme de fréquence élevée. Au-delà de 200MHz, ils ne sont plus utilisables.

-Les résonateurs de type Hartley, Colpitts, Clapp constitués d’un élément actif, d’un FET et

d’un réseau de réaction sont généralement utilisés pour des fréquences inférieur au GigaHertz

et pour des applications à bas coût. En revanche, pour des fréquences plus élevées, leurs

calculs sont compliqués. De plus, ils dérivent en température.

- Les résonateurs à diélectrique. Ils ont un facteur de qualité très important, ils sont compact,

léger et donc facilement intégrable dans un circuit. De plus ces résonateurs sont réalisés en

céramique qui est un matériau qui possède une grande stabilité en température. C’est pour ces

différentes raisons que les oscillateurs à diélectrique résonnant sont de plus en plus répandus

en micro ondes.

Ci-dessus des diélectriques utilisés par l’oscillateur

Suite à notre étude, nous avons décidé de réaliser notre oscillateur avec un montage a

diélectrique résonnant. Maintenant que nous connaissons le type de résonateur, nous allons

établir la procédure de conception.



Procédure de conception

Nous avons trouvé sur Internet un site qui proposait une méthode pour la conception d’un

DRO (Dielectric Resonnant Oscillator).

Topologie du DRO .

Ci-dessous les différentes étapes a suivre pour la réalisation d’un oscillateur a diélectrique

résonnant :

Phase 1

Phase 2

Phase 3

Phase 4

Phase 5

Phase 6

Choix du résonateur

diélectrique

Choix du transistor

Calcul de son schéma

équivalent

Simulation sous microwave

office

Réalisation du circuit

Test



PHASE 1:Choix du résonateur diélectrique

En 1939, Richtmyer a montré que des objets diélectriques non métallisés pouvaient faire

office de résonateur à cavité, appelés depuis résonateurs diélectriques. L’idée est de remplacer

l’air de la cavité métallique par un matériau à très forte constante diélectrique afin de réduire

son poids et ses dimensions. Toutefois, il a fallu attendre les années 60 pour voir l’avènement

de matériau stables en température possédant des constantes diélectriques εr supérieures à 40.

Le résonateur se présente comme une sorte de pastille cylindrique constituée d'un matériau

diélectrique à très fort εr donc capable de concentrer les lignes de champs électriques, et ainsi

d'emmagasiner de l'énergie à sa fréquence de résonance.

Les fréquences d’utilisation vont d’environ de 1 à 40 GHz. La limitation en fréquence basse

est imposée par les dimensions du résonateur alors que pour la fréquence haute, ce sont les

pertes diélectriques du matériau qui deviennent trop fortes et entraînent une réduction du

coefficient de qualité (Le résonateur diélectrique est généralement monté dans un boîtier

métallique).

Sur Internet, nous avons trouvé un fournisseur de composants hyperfréquences qui proposait

des résonateurs : Murata.

Nous avons étudié son catalogue de diélectrique et nous avons fait notre choix selon les

critères suivant :

- Que notre fréquence de résonance correspond à celle du DRO.

- Qu’il ait une forme cylindrique simple pour plus de stabilité en fréquence et un

coût moins cher.

- Qu’il ait un facteur Q correct mais pas trop élevé pour avoir un coût acceptable par

rapport à l’application.

Pour cela, nous avons choisi le résonateur diélectrique DRD910403U00B00T.

Les caractéristiques du résonateur sont :

- Facteur de qualité : 8333 à 6Ghz

- Constante diélectrique : εr =38

- Plage de résonance : 5.87 à 6.38 GHz

- Dimensions : diamètre 9.09 et épaisseur 4.03 mm

- Dérive en température : 0 ppm/°C

Voir fiche constructeur en annexe



PHASE 2 : Choix du transistor

Le choix du transistor nous a été imposé car il est utilisé par le laboratoire hyperfréquence et

nous permettait de ne pas avoir de problème d’approvisionnement. Le transistor utilisé est le

ATF36077 de chez Agilent. Il peut fonctionner de 2 à 18 GHz et est à faible bruit.

A 6GHz, son bruit est de 0,4dB et son gain est de 17dB.

Ci-dessous, le boîtier et le brochage du transistor :

Voir fiche constructeur en annexe



PHASE 3 : Calcul du schéma équivalent du DRO

Principe de fonctionnement de l’oscillateur

Nous avons un montage de transistor instable. Cette instabilité est provoquée par les éléments

qui l’entourent c’est-à-dire l’élément de réaction et la ligne de couplage au diélectrique

résonant (RD). Les longueurs des lignes déterminent l’instabilité autour de 6GHz.

L’utilisation du diélectrique résonant impose l’instabilité exactement à 6GHz (le diélectrique

couplé à la ligne est équivalent à un circuit RLC).

L’adaptation en sortie permet l’adaptation du circuit sur 50Ω: on a le maximum de puissance

à 6GHz.

Par exemple dans la configuration ci-dessous, les impédances Z1, Z2, Z3 servent à maximiser

le coefficient de réflexion S22′ dans le plan AA’ :

On doit donc vérifier la relation classique d'oscillation en régime de démarrage : S22′≥Γch. La

longueur θ devra donc être choisie de façon à satisfaire cette condition tout en respectant la

condition de stabilité.

On illustre cela sur la figure ci-dessous dans le cas où θ vaut 2π (λ/4 en longueur) :

La condition d'oscillation sera vérifiée pour la fréquence fosc tel que : Xrés_AA’=-Xactif



Pour que le résonateur ait une influence sur un circuit électrique, il faut le coupler à ce

dernier. La façon la plus simple consiste à l'approcher suffisamment d'une ligne micro ruban

de telle façon que les lignes de champs magnétiques du mode fondamental TE10 du

résonateur soit de même configuration que celle du mode quasi TEM de la ligne micro ruban.

Circuit équivalent résonateur :



Dans le système évoqué, on excite une ligne 50 Ohm par un générateur d’impédance 50 Ohm.

On place sur cette ligne le résonateur à une certaine distance d1 de la ligne, que l’on ferme à

son extrémité par une charge 50 Ohm. Le couplage (transfert d'énergie) est bien entendu

fonction de la distance entre le résonateur et la ligne. Il est représenté par le coefficient de

couplage ou le rapport de transformation N=N2/N1 avec la relation k=1/N. La cavité agit

comme une cavité à réaction qui renvoie l'énergie à la fréquence de résonance. Le système est

donc équivalent à un circuit ouvert dans le plan de référence P donnant un maximum de

tension dans ce plan.

Calculs des eléments du circuit équivalent du résonateur:

La valeur de R et le facteur de couplage N nous on été conseillée :

R=350Ω

N= 2

On sait que le facteur de qualité Q=8333 à 6GHz

Comme:LC

10 =ω et

L

RQ

0ω

=

On a donc : Q

RL

0ω

= et 2

0

1

ωLC =

Application numérique : L= 1.114pH et C= 631.62pF



PHASE 4 : La simulation

La simulation a été réalisée sous Microwave office.

Nous avons procédé à la simulation en plusieurs étapes :

• Simulation du circuit équivalent du DRO

• Dessin de l’oscillateur sans la polarisation du transistor

• Ajout de la polarisation

• Dessin de l’empreinte

Simulation circuit équivalent DRO

Nous avons repris les valeurs de L et C que nous avons calculé précédemment pour dessiner

le circuit équivalent du DRO sous Microwave.

Schéma électrique :

Simulation :

Nous avons fait une simulation du

coefficient de réflexion en sortie en

fonction de la fréquence.

On constate que la fréquence de

résonance est bien à 6GHz.

Circuit équivalent du

résonateur

Couplage du résonateur a

la ligne 50Ω

Substrat utilisé



Dessin de l’oscillateur sans la polarisation du transistor

En ayant pris connaissance de la topologie du DRO, nous avons dessiné le schéma ci dessous.

Nous avons du retirer le couplage du diélectrique avec la ligne à cause de problèmes de

simulation. Ce n’est pas un souci car ceci n’influe pas sur la fréquence de résonance du

diélectrique.

Afin de trouver la meilleure configuration de longueur de lignes pour avoir la fréquence de

résonance à 6GHz, nous avons utilisé un outil d’optimisation qui permet de faire varier les

longueurs de ligne (MLIN). Nous avons imposé à cet outil des contraintes en gain et en

fréquence : Gain supérieur a 15dB entre 5.95GHz et 6.05 GHz.

Schéma électrique :

Simulation :

Nous avons réussi à obtenir

un pic de résonance sans

harmoniques proche. Nous

avons donc là un oscillateur

stable.

Adaptation en sortie Diélectrique

résonnant

Lignes Contre réaction

Substrat

Transistor



Ajout de la polarisation

Après avoir testé le principe de fonctionnement de cet oscillateur, nous avons fait un schéma

électrique beaucoup plus réaliste qui tiens compte de la polarisation et des effets du substrat.

1 : Mise à la masse

Pour une simulation plus réaliste, nous avons utilisé trois via car un

seul ne suffit pas pour obtenir une mise à la masse correcte. Un via

est une traversé du diélectrique du circuit vers le plan de masse.

2 : Transistor

C’est un transistor FET qui permet l’amplification du signal. On a

du réduire les lignes 50Ω pour les adapter à la taille des pattes du

FET.

1 : Mise à la masse

4 : Polarisation

3 : Fixation du

transistor

2 : Transistor

4 : Polarisation

5 : Adaptation



3 : Fixation du transistor

Dans le boîtier du transistor, les pattes 3 et 4 sont reliées. Afin

d’éviter une désadaptation sur la patte 4, nous avons dessiné un

bout de ligne pour l’accorder. Comme nous avions des soucis avec

l’empreinte du transistor nous avons mis ce bout de ligne sur la

ligne qui part de la patte 3.

4 : Polarisation

La polarisation est découpée en deux parties :

La partie supérieure :

Le but de cette partie est de filtrer le 6GHz pour éviter qu’il ne

remonte dans l’alimentation. Ceci est réalisé par l’association

d’une ligne microstrip et d’un stub radial. La capacité C1 sert

quand a elle de capacité de découplage et la résistance R2 à

régler la polarisation du transistor.

La partie inférieure :

Elle est découpée en deux parties :

A gauche la capacité C4 joue le rôle d’un court circuit à 6 GHz

donc une mise à la masse directe, et d’un circuit ouvert en continu.

Ceci permet de régler la polarisation, à droite, à l’aide de la

résistance R3

5 : Adaptation

L’adaptation permet de faire passer le maximum de

puissance en sortie.



Simulation :

Nous pouvons voir sur le graphique ci-dessous les règles d’optimisation sur le coefficient de

réflexion en sortie représenté par les traits hachurés :

- Inférieur à 10dB entre 0 et 5.6GHz, et entre 6.4GHz et 15GHz.

- Supérieur à 25dB ente 5.95GHz et 6.05GHz.

L’optimisation joue sur toutes les longueurs de lignes dont nous disposons dans le circuit

excepté la partie supérieure de la polarisation.

Après optimisation, les harmoniques sont faibles par rapport à la fréquence de résonance, qui

est elle-même assez élevée pour ne pas avoir de saut de fréquence.

Au vu de ces résultats, nous avons décidé que ce circuit était réalisable et nous sommes passé

à l’étape de l’empreinte.



PHASE 5 : La réalisation du circuit

La réalisation du circuit s’est faite au laboratoire de l’université.

Avec le schéma Microwave dont nous disposions à la fin de notre simulation, nous avons pu

établir une empreinte afin de graver les pistes de notre circuit.

Ci-dessous l’empreinte de l’oscillateur :

Cette empreinte une fois donnée à la graveuse dessine les contours du circuit en enlevant la

couche de cuivre. On dépose ensuite une couche de verni sur les pistes et on passe le tout au

bain de perchlorure afin d’éliminer le cuivre superflu.

Ci-dessous la machine à graver :

Poste de commande

Mèches

Fraiseuse

Circuit



PHASE 6 : Tests

Une fois le circuit soudé nous avons pu vérifier que le transistor est polarisé correctement (test

de la tension Vds et du courant Id).

Comme nous n’avions pas le résonateur diélectrique, nous n’avons pas pu effectuer les tests

finaux. Cependant nous avons tout de même testé le circuit sans celui-ci. Nous avons a lors pu

constater une légère résonance autour de 6.5GHz, ce qui nous fait penser que le transistor est

déjà instable, et une fois le résonateur mis en place, l’oscillateur fonctionnera correctement.

Conclusion

A notre grand regret nous n’avons pu implanter le résonateur sur le circuit car celui-ci n’a pas

été disponible a temps.

Il reste donc à déterminer expérimentalement l’emplacement du résonateur (distance à la ligne

et éventuellement sa hauteur par rapport au substrat) et regarder la puissance délivrée en

sortie. On pourra également tester la dérive en température.

Ce projet nous a permis de réaliser l’importance de chaque détail d’une étude, d’utiliser les

outils informatiques à une fin pratique mais aussi de voir l’organisation humaine nécessaire à

la réalisation d’un projet industriel..



ANNEXES

Datasheet du résonateur diélectrique. Le document complet est disponible à l’adresse

suivante :

http://www.murata.com/catalog/o95e9.pdf



Datasheet du transistor ATF36077. On peut retrouver le fichier PDF sur le site de Agilent :

http://literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-8726E.pdf

sommaire - rosselcedric.free.frrosselcedric.free.fr/rapport_projet/oscillateur6ghz.pdf ·...

Documents