Oscillateurs micro-ondes à haute pureté spectrale
Institution:
BesançonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis is devoted to the development and the measurement of high spectral purity microwave oscillators based on the combination a sapphire resonator and a low phase noise sustaining amplifier. These sources are used for high sensitivity radar systems and metrological applications. The sapphire resonator (monocrystal Al2O3 puck), in which are excited whispering gallery electromagnetic modes, enables to obtain high Q-factors as high as 2. 105 at room temperature. Different coupling techniques are presented. An efficient modal selection method is also pointed out. Based on accurate models, the use of an original symmetrical cavity on which is directly embedded a high-precision electronic temperature controller leads to a resonator thermal frequency sensitivity of -0. 05 ppm/K. An oscillator based on this optimal structure presents a fractional frequency instability of 4. 10-11 for a 1s integration time. Moreover, SiGe transistors based amplifiers are accurately modelled in order to simulate and optimize their phase noise performances. Multi-stage amplifiers, needed for X-band applications, are studied, designed and measured. Phase noise floors as low as -165 dB. Rad2/Hz at 10 kHz offset are obtained. Oscillators are then constructed. In the C-band range, phase noise levels as low as -135 dB. Rad2/Hz at 1kHz from the carrier are measured. This result represents the state of the art for room temperature sources in this frequency range. In the X-band range, phase noise levels as low as -160 dB. Rad2/Hz at 100 kHz from the carrier and – 145 dB. Rad2/Hz at 10 kHz offset are obtained. For low offset frequencies, a gain of 40 dB is obtained by cooling the resonator at 77K.
Abstract FR:
Ce mémoire présente le développement et la mesure d’oscillateurs micro-ondes à haute pureté spectrale basés sur la combinaison d’un résonateur saphir et d’un amplificateur faible bruit de phase (à transistors SiGe). Les applications de ces sources sont les systèmes radar de haute sensibilité et la métrologie temps-fréquence. Le résonateur saphir (Al2O3) dans lequel sont excités des modes électromagnétiques d’ordre élevé dits modes de galerie, permet l’obtention de forts coefficients de surtension (de l’ordre de 2. 105 à température ambiante). Différentes techniques de couplage de ces modes sont présentées ainsi qu’une méthode efficace pour privilégier le mode désiré. S’appuyant sur des modèles précis, l’utilisation d’une cavité originale sur laquelle est directement embarquée une électronique de régulation de haute-précision permet de réduire à -0. 05 ppm/K la sensibilité de la fréquence du cristal aux variations de température ambiante. Un oscillateur construit avec ce résonateur optimisé présente une instabilité relative de fréquence de 4. 10-11 sur un temps d’intégration de 1s. Parallèlement, nous présentons un modèle non-linéaire et en bruit très précis d’amplificateurs à base de transistors SiGe permettant de simuler et optimiser les performances en bruit de phase de ces composants. Des amplificateurs originaux multi-étages, utilisés en bande X, sont étudiés, conçus et caractérisés. Des paliers en bruit de l’ordre de -165 dB. Rad2/Hz à 10 kHz de la porteuse sont mesurés. En bande C, les oscillateurs développés présentent des performances en bruit de phase de -135 dB. Rad2/Hz à 1 kHz de la porteuse. Ce résultat constitue l’état de l’art mondial dans cette bande de fréquence. En bande X, les sources réalisées présentent un bruit de phase de -160 dB. Rad2/Hz à 100 kHz de la porteuse et de -145 dB. Rad2/Hz à 10kHz de la porteuse. Pour de faibles fréquences de Fourier, ces performances sont améliorées de 40 dB en refroidissant le résonateur à 77K.