Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne un dispositif hyper~réquence
permettant de transformer une onde électromagnétlque en mode TE10
rectangulaire en une onde électromagnétique en mode TEo1 semi-circulaire
ou TEo1 circulaire, et inversement, ceci notamment dans des bandes de
fréquences du spectre s'étendant de quelques GHz à plus de 100 GHz.
Dans ce type de transition, l'énergie transmise en mode TE10
rectangulaire est transformée en mode TEo1 circulaire par exemple,
pour etre portée à distance par un guide circulaire de gros diamètre,
de l'ordre de 50 à 70 mm, ou un guide hélicoldal ou autre, présentant
de tr~s faibles pertes dans le mode TEo1 circulaire et atténuant donc
peu l'énergie transmise. Ce mode de transmission est utilisé notamment
pour des distances supérieures à 100 mètres. Une transition inverse,
c'est-à-dire du ~ode TEo1 circulaire au mode TE10 rectangulaire, est
utilisée à l'autre extrémité de la liaison par ~uids circulaire, ou
autre. De telles transitions ou transformateurs de modes, du mode
TE10 rectangulaire au mode TEo1 semi-circulaire ou TEo1 circulaire,
peuvsnt ~tre employées dans les diplexeurs réalisés en guides d'ondes
semi-circulaires utllisés dans les liaisons de communications multiplex
par guides d'ondes circulaires, ces diplexeurs sont, par exemple,
conformes à celui décrit dans la demande ds brevet fran~ais n 73 34 997 du
1er Octobre 1973, au nom de la demanderesse. Ces transitions peuvent
être utllisées pour extraire les sous-bandes de fréquencss d'un
diplexsur ds structure semi-circulaire et/ou comme coupleurs de mesure
pour des structures en guides d'ondes semi-circulaires 0t/ou encore
comme coupleurs entre des guides rectangulairss et des guides circulaires.
De telles transitions permettent aussi de réunir des émetteurs
aux aériens dans des stations hertziennes, au niveau dss émetteurs, le
mode TE1o rectangulaire étant souvent utllisé.
On Gonna~t plusieurs transitions de ce type :
- 1
~C~7~37~3
- la transitian dlte de type "Marié" dans laquelle les champs électroma-
gnétiques sont transformés en mods TE20 rectanglaire, puis en mode
TE22 rectangulaire, puis enf$n en mode TEo1 circulaire. La transition
"Marié", décrite notamment dans l'article "A new TE~ TEo1 mode
transducer mm -wavesn publié p. 73-75 dans "The microwave journal" de
Février 1970, est de structure complexe et de dimensions importantes et
difficiles à déterminer avec précision,
- des transitions ds section intérieure variable ~ la section initialement
rectangulaire est transform~e pour obtenir une transition présentant
des sections intermédiaires triangulaire, puis semi-circulaire, puis
circulaire. Elles sont difficiles à réaliser et doivent être munies de
filtres de modes parasites, ces modes parasites prenant naissance au
niveau des transitions.
Une autre transition de ce type peut être constituée par un
guids semi-circulairs couplé à une cavité résonnante cylindrique ou
rectangulaire. Dans cette transition le couplage est ef-Fectué par un
trou unique et le guide semi-cylindrique est fermé par un court-circuit
qui a pour effet de concsntrer l'énergie au niveau d'un trou de couplage.
Cette transition ~onctionne comme un filtre passe-bande sélectif.
Z0 La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients.
La pr~sente invention a pour objet une transition hyperfréquence
comportant un guide d'ondes semi-circulaire et ùn guide dlondes rectan-
gulaire couplé par son petit c8té au guide semi-circulaire, caractérisæe
en ce que l'une des parois délimitant le petit côté du guide rectangulaire
constitue la paroi plane du guide semi-circulaire et est percée d'ori-Fices
senslblement jointifs et de dimension transversale sensiblement égale
au petit côté du guide rectangulaire, pour constituer la paroi de
couplage entre les deux guides.
D'autre~ caractéristiques et avantages de la présente lnvention
apparaitront au cours de la description donnée ci-après en rsgard du
dessin annexe dans lequel :
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~07487~
- les figures 1 et Z sont une vue éclatée et une vue en coupe
d'une transition entre 1&5 modes TE10 ractangulaire et TEo1 semi-
circulaire, selon l'invention,
- la figure 3 est une vue éclatée d'une transition entre les
modes TE10 rectangulaire et TEo1 circulaire, selDn l'invention,
- les figures 4 3 7 sont diverses sections de la transition
selon la figure 3.
Dans les figures 1 et 2, la transition est formée à partir de
trois blocs métalliques assemblés, 1, 3 et 5 respectivement. Les trois
btocs sont de forme allongée, chacun de section rectangulaire, les
grands cotes de la section étant de mêmes dimensions. Le bloc 1 est
muni sur toute sa longueur d'une rainura 2 semi-circulaireO Les blocs 3
et 5 sont munis sur toute leur longueur d'une rainura de section
rectangulairs 4, respsctivement 6. Ces rainures 4 et 6 sont de même
largeur, elles sont de préférence de profondeur identique. Le bloc 3
est an outre muni d'orifices 7 sensiblement jointifs et de dimension
transversale ssnsiblement é~ale 3 la largeur de la rainure 4. Ces
orifices traversent 1B fond de la rainur0 4 qui est prévue de faible
~paisseur. C~s orifices, ici de section circulaire, psuvent être de
section autrs~ par exemple carrée, rectangula~re ou oblongue~
Les trois blocs 1, 3 et 5 sont assemblés, par brasure ou
soudure ou par vis, pour constituer la transition entre les modes TE10
rectangulairs st TEo1 semi-circulaire. Lss dsux blocs 3 et 5, munis
dss rainures rectangulaires 4 et 6 qui sont mises face à face, délimitent
un guide rectangulaire 8, les ~onctions des deux rainures êtant sur le
milieu de chacun dss grands cotés de-la section du guide rectangulairs
constitué. Le bloc 3 portant les orifices 7 est en outre utilisé pour
fsrmsr la rainurs semi-circulaire 2 du bloc 1 et vient former la base
ou paroi plane d'un guida semi-circulaire constitué 9. Les orifices 7
déoouchent dans le guids semi-circulaire et ont leurs axes disposés
~7~137~3
selon l'axe longitudinal de sa paroi plane, le psti~ côté de la section
du guide rectangulaire v0nant constituer la portion axiale de la parol
plane du guide semi-circulaire 9 couplé au guide 8 par ces orifices 7
ces orifices 7 créent un transfert tDtal d'énergie entre les deux
guides 8 et 9J ce transfert est réciproque.
La dimension maximale donnée aux orifices et la faible
épaisseur de la paroi commune, formant la paroi de couplage des guides
rectangulaire et semi-circulaire, permettent de limiter le nombrs
d'orifices pour obtenir un transfert total de l'énergie d'un guide à
l'autre. Cette disposition donne à la transition une caractéristique de
transfert d'énergie pratiquement constante dans une grande largeur de
bande de fréquence d'utilisation de la trans:Ltion.
Dans cette structure le couplage entre les guides rectangulaire
et semi-circulaire est magnétique. Seuls les modes TEo ont une composante
magnétique longitudinale et de ce fait seuls les modes TEo peuvent
s'exciter au niveau du réseau de couplage formé par les orificss. La
r~partition des champs magnétiques transvsrsaux dans la transition est
illustrée par les ~lèches en pointillés, dans la figure 2.
Une particularité élBctrique de cette structure réside en ce
que les assemblages entre blocs sont réalisés dans des zones où les
courants électromagnétiques sont nuls : il n'y a pas de courant au
centre des grands côtés du guide rectangulaire définissant les lignes
de ~onction entre les blocs 3 et 5.
Pour éviter la génération de modes parasites, tels les modes
TE20 et TE22 par exemple, due notamment aux grandes dimensions des
trous de couplage et à la structure semi-circulaire imparfaite, qui
peuvent s'exciter notamment aux fréquences proches ds leur fréquence de
coupure et auxquelles des résonances parasites se produisent créant
alors des pointes d'absorption dans la transmission, on définit avec
précision le rayon r du guide semi-circulaire et les dimensions du
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~:11748~7~
guide rectangulaire, en particulier le grand c8té a de la section du
guide rectangulaire. Ces deux grandeurs a et r sant choisies telles
que :
r ~ a ~ e ~ , où e est l'épaisseur de la paroi commune, el a et r
sont sxprimés en mm et Fmax, qui est la fréquencs maximale de la bande
utile de la transition, est exprimée en GHz : 600 est le coefficient
donnant approximativement deux fois la vitesse de la lumière, en
milliers de km~seconde.
L'adoption d'orificss de couplage de grandes dimensions
favorise la génération du mode TE20, notam~ent à la naissance de ce
mode, donnant alors une pointe plus ou moins large d'absorption dans la
caractéristique de transfsrt d'énergie. En effet, l'importance de ces
orifices de coupla~e donne une certaine "transparence" au couplage et
se traduit par la création d'un guide rectangulairs fictif se substituant
au guide rectangulaire 8 et présentant un ~rand côté de longusur
supérisure à la longueur a du grand côté du guide B, ce guide fictif
venant déborder dans le guide semi-circulairs.
Le choix des valeurs ds r st de a selon la condition donnée
ci-dessus permet de rejeter la naissance de ce mode parasite ~E20
au-dessus de la valeur de la fréquence maximale de la bande utile de la
transition.
A titre o'sxemple, pour une transition dans la bande deS
frequences de 31 à 38 GHz si e = 0,5 mm, on choisira : r = 8,29 mm st
a = 6,8 mm9 avec Fmax = 3a GH~, la naissance du mode parasite TE20 se
situant à 38,5 ~Hz.
Pour uns transition dans la bande des fréqu~nces de 10,7 à
11,7 GHz, 5i a = 1 mm, on chaislra : r = 25 mm et a - 20,5 mm, avec
Fmax = 11,7 GHz, la naissance du mode TE20 se situant alors à 1299
GHz.
Les ~randeurs a et r, choisies pour répondre à cette condition,
doivent cependant répondre de manière très rapprochée à l'équation
3L~74~78
connue : 1,64 r ~ 2a, pour le transfert maximal du mode TE01 semi-
circulair2 au mode TE10 rectangulaire et inversement. Cette équation
connue définit les conditions de phase pour ce transfert.
En vue d'obtenir une bonne adaptation, l'écartement entre les
axes des orifices auquel s'ajoute l'épaisseur de la paroi doit être
égal au quart de la longueur d'onde guidée mnyenne dans la bande utilP.
Un orif~ce de couplage infiniment petit avec une paroi infiniment mince
produirait un couplage variant dans la bande de fréquPnce proportionnellement
à la longueur d'onde guidée.
La compensation de cette variation peut se faire en augmentant
l'épaisseur de la paroi et/ou en augmentant les dimensions de l'orificeO
L'épaisseur de la paroi étant prise sn compte dans l'écart
entre orlfices, uns compensation par l'épaisseur se traduirait par des
orifices plus rapprochés et de dimension plus falble.
Par contre l'adoption d'une paroi mince permet d'espacer les
orifices et donc de les réaliser de plus grande dimension. Ces orifices
de grande dimension présentent un coefficient de couplage dont la
variation est en sens inverse de celle de la longueur d'onde guidée.
En pratique, on adoptera une structure dans laqu~lle les
trous de couplage seront de dimension transversale voisine de la
largeur du guide rectangulaire st de dimension axiale maximale limitée
par l'adaptation du réseau de couplage pour obtenir une caractéristique
de transfert plate, avec un affaiblissement faible dans de grandes
largeurs de bandes de frsquence.
L'épaisseur de la paroi portant ces oriflces sera la plus
fine possible, ceci permettant de diminuer le nombrs de trous et
d'obtenir des caractéristiques de transfert extrêmement plates.
L'épaisseur de cstte paroi sera simplement limitée par des
consid~rations de réalisation mecanique des orifices, elle sera choisie
de l'nrdre du dixième de mm à 2 mm selon la bande utile de la transitionr
~7~
A titrE d'exemples, une transition, avec r = 8,2g mm,
a = 6,8 mm, et B ~ 0,5 mm, a un reseau d'une cinquantaine d'orifices de
couplage sur une longueur d'environ 140 mm, par contre une transition
de dimension réduite, avec r = 8,29 mm, a = 6,8 mm et e = 0,2 mm, a un
réseau d'une vingtaine d'orifices de couplage sur une longueur d'environ
60 mm ~ dans ces deux exemples la variation du trans~ert obtenu est
inférieure à 0,1 décibel dans la bande des fréquences de 30 à 38 GHz.
La dimension réduite de ce type de transition est due à la
falble épaisseur de la paroi de couplage, aux grandes dimensions
possibles des orifices de couplage et par suite à leur faible nombre~
Cette réalisation permet d'obtenir un co~t réduit. Les
orifices peu nombreux sont percés aisément avec une bonne précision et
la paroi de coupla~e de longueur réduits peut être usinée avec une
épaisseur très précise.
Les figures 3 à 7 correspondent à une transition entre les
modes TE10 rectangulaire et TEo1 circulaire. Elle est constituée par
une transition 10 entre les modes TE10 rsctangulaire et TEo1 semi-
circulairs, selon les figures 1 et 2, suivie d'uns transition 11 entre
les modes TEo1 semi-circulaire et TEo1 circulaire. Les mêmes références
que celles portées dans les figures 1 et 2 désignent ici des éléments
identiques.
LB blcc portant la rainure semi-circulaire t1, dans la figure
1) s'étend sur la longueur des deux transitions 10 et 11. Il est
désigné ici par 12 et la rainure par 13. Un autre bloc 14 est muni
d'une rainure 15 qui est initialement semi-circulaire et coupée dans
son plan médian, par un secteur 16 alors radial ~figure 4) puis qui est
de section variable par le ~ecteur 16 s'ouvrant depuis un angle nul
tfigure 4) ~usqu'à un angle de 1~0 tfigure 5) à l'autrs sxtrémité du
bloc 14. Le secteur 16 s'ouvre ici, de manièrs linéaire, le long du
bloc 14. Ce bloc 14 est assemblé au bloc 12 par brasure, soudure ou par
~7~7~3
vis ou réalisé par moulage et forme une transition du mode TEo1 circulaire
au mode T~01 semi-circulaire, les rainures 13 et 15 se faisant face.
La transition 10 est identique à celle des figures 1 et Z.
Elle est équipse à une extrémité d'une charge adaptée rectangulaire
courte 17, insérée à cette extrémité dans le guide rectangulaire
délimité par les blocs 3 et 5 ~figure 6). Les blocs 3 et 5 sont soudés,
brasés ou assemblés par des vis sur le bloc 14 à cette extrémité de
sorte que le guide semi-circulaire formé par la rainure 13 ~figure 5~
et le guide semi-circulaire 9 ~figure 6) de même diamètre se correspondent.
A l'autre extrémité de la transition, une charge adaptée semi-circulaire
1~ est montée dans le guide semi-circulaire pour l'obturer ~figure 7)
tandis que le guide rectangulaire ~ constitu~ le seul accès ~entrée ou
sortie).
Ainsi la transition 10-11 permet de passer d'un guide d'ondes
circulaire à un guids d'ondes rectangulaire ou inversement.
Des transitions sslon les figures 1^2 et les figures 3-7
peuvent être utilisées pour extraire des sous-bandes de fr~quencss d'un
diplexeur de strueture en guides d'ondes semi-circulaires~ ou peuvsnt
etre utiliséss comme coupleurs de mesurs pour des structures, sn guidss
dlondss ssmi-circulaires, ou encore comme coupleurs reliant des guides
d'ondes rsctangulaire et rirculairs. Bi~n sntendu, si le guide rectangulairs
d'accès de la transition est différent du guide rectangulaire qui doit
lui etre r=lié, un transformatsur d'adaptation est intégré~ de préférence,
dans la transitlon. Un tel transformateur d'adaptation, connu en soi et
non illustré, est obtenu en rendant variabLe-la section de l'une des
rainures 4 et 6, le fond de La rainure formant une structure en marches
d'escalier, au voisinage de l'extrémité d'accès rectangulaire. Dans le
cas d'une liaison entre la transition 10 et un guide semi-circulaire de
section différente de l'accès semi^circulaire de la transltion, un
cone semi-circulaire de liaison adapte l~s deux sections s dans le cas
où ces sections sont identiques la liaisDn est directe.
3~97~137~
Ces transitions ont de bonnes performances électriques~ Elles
ont de faibles pertes d'insertion, de faibles niveaux de modes parasites,
ont un rapport d'ondes stationnaires bas. Elles permettent d'effectuer
des mesures électrique~ précise~.
L'invention a été décrite en regard d'exemples de réalisation,
il est évident que l'on peut, sans sortir de cette invention, y apporter
des modifications de détail et/ou remplacer certains moyens par d'autres
moyens techniquement équivalents.
