Sommaire du chapitre 3

Chapitre 3 .
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Sommaire du chapitre 3
1. Oscillateurs microondes .............................................................................................. 109
1.1. Caractéristiques des oscillateurs .......................................................................... 109
1.2. Les étapes de conception d'un oscillateur microonde ............................................ 110
2. Analyse linéaire des oscillateurs avec le formalisme des paramètres S ......................... 111
2.1. Etude de la stabilité du transistor ......................................................................... 112
2.2. Cercles de stabilité................................................................................................ 112
2.3. Choix de l'impédance de charge ............................................................................ 113
2.4. Condition d'oscillation .......................................................................................... 114
2.1. Choix du résonateur ............................................................................................. 114
3. Approche linéaire avec la résistance négative ............................................................... 116
3.1. Conditions d'oscillation ......................................................................................... 116
3.2. Lieu d'impédances ................................................................................................ 117
3.3. La puissance de sortie .......................................................................................... 118
4. Le bruit de phase dans les oscillateurs ........................................................................ 119
4.1. Bruit des transistors ............................................................................................. 120
4.2. Modèle du bruit des oscillateurs ........................................................................... 121
4.2.1. Densité spectrale de puissance ...................................................................... 121
4.2.1. Modèle de Leeson ........................................................................................... 122
4.3. Influence du bruit sur les impédances .................................................................. 123
4.4. Oscillateurs à faible bruit ..................................................................................... 124
5. La stabilité des oscillateurs ......................................................................................... 125
5.1. Analyse avec le courant ........................................................................................ 125
5.2. Condition de stabilité ............................................................................................ 126
6. Etat de l'art des oscillateurs commandés par voie optique ........................................... 126
6.1. Oscillateurs à diode .............................................................................................. 127
6.2. Oscillateurs à transistor ....................................................................................... 127
7. Oscillateurs commandés optiquement ......................................................................... 129
7.1. Discussion sur l’intégration du PCM ..................................................................... 130
7.1.1. Avec l'impédance de charge ............................................................................ 130
7.1.2. Avec le résonateur ......................................................................................... 131
7.1.3. Avec l'impédance active .................................................................................. 131
7.1.4. Choix de la configuration ............................................................................... 133
7.2. Etapes de la conception des circuits ..................................................................... 133
7.2.1. Choix du transistor ........................................................................................ 134
7.2.2. Insertion du PCM dans ADS .......................................................................... 134
7.2.3. Variation de l'impédance active ...................................................................... 135
7.2.4. Méthode de conception .................................................................................. 136
7.3. Oscillateur fonctionnant en On/Off ...................................................................... 138

Chapitre 3 .
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7.3.1. Conditions d'oscillation .................................................................................. 138
7.3.2. Polarisation du transistor .............................................................................. 139
7.3.3. Etude de la stabilité du transistor .................................................................. 140
7.3.4. Impédance active ........................................................................................... 141
7.3.5. Résonateur .................................................................................................... 142
7.4. Oscillateur accordable en fréquence ...................................................................... 143
7.4.1. Méthode de simulation ................................................................................... 143
7.4.2. Conditions d'oscillation .................................................................................. 144
7.4.3. Impédance active ........................................................................................... 144
8. Simulation électrique des oscillateurs .......................................................................... 147
8.1. Simulation par équilibrage harmonique ................................................................ 147
8.2. Résultats de simulation ........................................................................................ 149
8.2.1. OSMOSE1 ..................................................................................................... 149
8.2.2. OSMOSE2 ..................................................................................................... 151
8.1. Simulation du bruit .............................................................................................. 152
9. Layaout des circuits .................................................................................................... 152
10. Conclusion ................................................................................................................ 153
Références……………………………………………………………………………………………………153

Chapitre 3 .
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OSCILLATEUR MICROONDE A CONTRÔLE OPTIQUE
Principe et Méthode de conception
Les oscillateurs microondes sont un élément essentiel dans tous les systèmes électroniques
que ce soit les radars, les systèmes de communication ou même de navigation. Due à
l'avancée technologique rapide, il y a un besoin important d'améliorer les performances des
oscillateurs. L'effort s'est focalisé sur la conception des oscillateurs à faible bruit, de
dimensions réduites, à bas coût, stabile et fiable.
Dans cette perspective, le contrôle optique direct des oscillateurs a été entrepris à la fin des
années 70. quelques années après les premiers travaux sur la photocommutation des
signaux continus et radiofréquence. L'injection optique sur ces oscillateurs a été effectuée
dans la région active de leurs composants non-linéaires. Un autre moyen du contrôle
optique consiste à éclairer un photocommutateur idéalement localisé dans un circuit
oscillant. Afin de démontrer ce principe, deux oscillateurs ont été conçu répondant, le
premier oscillateur permet de délivrer un signal de fréquence 4.9 GHz seulement sous
éclairement. Pour le second oscillateur, sa fréquence est accordable en fonction de la
puissance du signal optique.
Nous présenterons d'abord les étapes de conception d'oscillateurs microondes en détaillant
deux approches complémentaires de l'analyse linéaire à savoir : le formalisme des
paramètres S et l'approche de la résistance négative. Après un survol des différents types
d'oscillateurs commandés optiquement, nous présenterons leurs étapes de conception qui
débutent par le choix de l'intégration du photocommutateur dans une architecture
d'oscillateur. La méthodologie de conception et les résultats de simulation seront ensuite
présentés.

Chapitre 3 .
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1. Oscillateurs microondes
Les oscillateurs microondes peuvent être réalisés avec plusieurs architectures. Comme ils
sont à très faible bruit de phase et un bon rendement DC-RF, les oscillateurs à transistor
bipolaire sont préférés mais seulement pour des fréquences inférieures ou proches de 10
GHz. Bien que leurs niveaux de bruit de phase soient largement supérieurs à ceux des
oscillateurs à transistors bipolaires, les oscillateurs à transistors à effet de champ (MESFET,
HEMT, etc.) peuvent fonctionner à des très hautes fréquences (jusqu'à dans le domaine des
ondes millimétriques). Des solutions existent pour diminuer le bruit de phase de ces
oscillateurs à transistor FET à un niveau acceptable en faisant appel à des résonateurs
diélectriques à très fort coefficient de qualité pour une fréquence d'oscillation fixe ou des
diodes varactor pour les oscillateurs contrôlés par tension. Les oscillateurs à diodes IMPATT
ou Gunn sont capables de fonctionner à des fréquences supérieures à 100 GHz, mais ces
oscillateurs offrent souvent un niveau de bruit de phase élevé et un mauvais rendement DC-
RF.
Il existe plusieurs méthodes d'étude des oscillateurs microondes, parmi elles
le formalisme des paramètres S [1];
la méthode de la résistance négative petit-signal à partir du modèle du transistor [2];
la méthode de la résonance série ou parallèle [3];
l'approche faible bruit [4];
l'approche analytique grand-signal [5];
l'analyse non-linéaire [6].
Bien qu'un oscillateur soit un dispositif grand-signal non-linéaire, une étude petit-signal
linéaire est suffisante pour obtenir les conditions d'oscillation et établir le point de
fonctionnement avec une précision suffisante. Afin que l'oscillateur délivre une puissance de
sortie maximale, Van der Pol [7] et Gewartowsky [8] ont établi des modèles simples en
fonction des paramètres petit-signal que nous détaillerons dans la suite. Les quatre
premières méthodes énumérées ci-dessus sont basées sur ce principe. Dans le cas où la
fréquence d'oscillation et la puissance de sortie doivent être déterminées avec une grande
précision, les deux dernières méthodes sont plus adaptées.
1.1. Caractéristiques des oscillateurs
Les oscillateurs sont caractérisés par les paramètres suivants
la fréquence d'oscillation f0 et son accordabilité en fréquence ∆f qui est l'aptitude
d'un oscillateur à changer sa fréquence sous l'action d'une action extérieure
déterministe;

Chapitre 3 .
110
la puissance délivrée et le rendement η qui représente le rapport entre la puissance
RF délivré et la puissance DC fournie à l'oscillateur;
le facteur de surtension associé Q;
la stabilité de l'oscillation : aptitude à délivrer un signal à une fréquence et
amplitude fixes quelle que soit l'amplitude d'une excitation aléatoire interne ou
externe;
la pureté spectrale du signal de sortie : bruit de modulation de fréquence (MF) ou de
phase (MP), bruit de modulation d'amplitude (MA) et distorsion d'harmonique
représentée par le rapport entre les amplitudes de tous les harmoniques de la
fréquence d'oscillation fondamentale et l'amplitude du fondamental;
la synchronisation de l'oscillateur : aptitude d'un oscillateur à délivrer un signal de
fréquence égale à celle d'un signal d'un autre oscillateur couplé avec lui.
Il existe d'autres paramètres importants caractérisant les performances des oscillateurs [9]
le pulling : dû à une variation de l'impédance de charge induisant une variation de la
fréquence d'oscillation par une variation de la phase de S11' (définit ci-dessous). Le
pulling peut être réduit par différentes solutions, parmi elles l'utilisation d'un
isolateur en sortie ou un amplificateur suiveur représentant un étage tampon, avec
un résonateur ayant un Q élevé;
le pushing : dû à la variation de la tension de polarisation qui induit une
modification des paramètres S du transistor et par conséquent une variation de la
fréquence d'oscillation. Le pushing est optimisé soit en stabilisant la tension de
polarisation, soit en introduisant un résonateur ayant un facteur de qualité élevé. Ce
facteur est généralement exprimé en MHz/V;
la stabilité thermique : une variation de la température de l'oscillateur peut entraîner
une variation de l'impédance du résonateur et/ou du coefficient de réflexion en
entrée du transistor, et ce qui modifie la fréquence d'oscillation. Cette variation de
température peut aussi modifier la puissance de sortie et dans le cas extrême
provoquer une interruption des oscillations. Plusieurs méthodes sont utilisées pour
compenser la variation de la température, en particulier un circuit de compensation
peut être intégré par exemple avec le circuit de polarisation. Le résonateur joue une
nouvelle fois un rôle important dans la stabilité thermique et par conséquent dans la
stabilité de la fréquence d'oscillation;
1.2. Les étapes de conception d'un oscillateur microonde
Un oscillateur peut être décomposé en trois blocs distincts : un circuit de charge, un bloc
actif et un circuit résonant. Le schéma synoptique de ce dernier avec les différentes parties
est représenté sur la figure 1.