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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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 :
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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..
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ANNEXES
Datasheet du résonateur diélectrique. Le document complet est disponible à l’adresse
suivante :
http://www.murata.com/catalog/o95e9.pdf
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Datasheet du transistor ATF36077. On peut retrouver le fichier PDF sur le site de Agilent :
http://literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-8726E.pdf