Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~lZ~ 3
L'invention concerne un coupleur à guides d'ondes
ramifiés. Un tel coupleur est utilisé pour assurer un
couplage entre deux guides d'ondes rectangulaires, conduisant
des ondes électromagnétiques, dans la gamme des hyperfréquences.
Le coupleur à guides d'ondes ramifiés classique (en
anglais " Branch-line coupler") est connu depuis longtemps.
Le livre Montgomery (Montgomery Collection MIT, tome
2, pages 897 à 905) décrit un coupleur de ce type à deux bras
de couplage reliant deux guides d'ondes principaux parallèles.
Plus tard, en 1958, Reed a calculé " The multiple
branch-line wave guidecoupler" Type periodic" en utilisant
les polynomes de Tchebyscheff (I.RE. TRANS M.T.T octobre 1958
par John Reed (pages 398 à 403)). Une variante de ce coupleur
est aussi étudiée dans le livre Matthei (Microwave filters
and Coupling, MC Graw-L~ill (pages 819 à 841), " Synchronous-
branch-line coupler".
Dans ces deux cas le couplage est effectué entre
deux guides d'ondes rectangulaires (mode TE 10) par des
jonctions en té plan E.
Les bras de couplage sont perpendiculaires aux
guides d'ondes principaux.
L'écartement entre les axes des bras de couplage
et la longueur de ces bras sont voisins de ~g/4, ~ g étant
la longueur d'onde guidée moyenne pour la bande de fréquences
à transmettre.
Le nombre de bras de couplage nécessaires est
fonction de la valeur du couplage désiré, du taux d'ondes
stationnaires (TOS) acceptable et de la directivité néces-
saire, et ceci dans une bande de fréquence donnée.
Ces coupleurs sont classiquement constitués par
deux coquilles métalliques assemblées selon un plan de
jonction passant par les milieux des grands cotes des guides
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d'ondes principaux et des guides d'ondes formant les bras
de couplage. Ces deux coquilles sont formées ~ partir de
deux blocs usines en creux, à partir de ce plan de jonction,
pour former les guides d'ondes principaux et les bras de
couplage. Plus precisément, on
`:
- \
~12~4~3
creuse d'abord dans chacun de ces blocs un demi premier guide d'ondes
principal et un demi deuxième guide d'ondes principal parallèle au premier
et de ~eme largeur b et profondeur a/2, puis plusieurs demi-bras de
couplage parallèles entre eux et de même longueur~ g/4. On assemble
ensuite les deux coquilles de manière à mettre les demi-guides d'ondes
principaux en face les uns des autres, ainsi que les demi-bras de couplage.
Pour obtenir de bonnes performances électriques et notamment de
faibles pertes passives ou liné~ques, il est nécessaire que le plan de
jonction dl~us un guide d'ondes en mode TE 10 rectangulaire passe par les
milieux des grands côtés des guides d'ondes principaux et des guides
d'ondes formant les bras de couplage, c'est-à-dire par les lignes médianes
des grandes faces. C'est en effet au voisinage de ces lignes médianes qu'il
n'y a pas de courant électromagnétique longitudinal, ce qui permet
d'évlter, sans inconvénient, la réalisation de con~acts mécano-électriques
parfaits entre les deux blocs.
Ceci est la raison pour laquelle les techniciens réalisant des
coupleurs de ce type le forment en deux coquilles, ce mode de réalisation
étant d'aut.ant plu~ souhaitable que de nombreux éléments hyperfréquences
doivent souvent être intégrés dans un même ensemble métallique qui peut
alors être entièrement constitué par deux coquilles assemblées après avoir
été convenablement usinées.
Dans le domaine des hyperfréquences dont le spectre s'étend du
GHz à plusieurs centaines de GHz, de nombreux modes d'usinage peuvent être
utilisés, mais à 10 &Hz et, au-dessus, la réalisation des demi-bras de
couplage n'est pas aisée à cause des faibles dimensions des guides d'ondes
principaux. On peut alors utiliser les procédés suivants :
- électro-érosion pour former les bras de couplage perpendicu-
laires aux guides d'ondes principaux. L'épaisseur importante de la paroi ne
permet pas d'obtenir par ce procédé une bonne reproductibilité.
- utilisation d'un peigne rabot pour découper les bras de
couplage. Ce procédé est précis mécaniquement mais l'outillage est
onéreux. ~a mise au point de l'outillage et de l'usinage est longue.
La présente invention a pour but de permettre de
réaliser des coupleurs à guides d'ondes ramifiés à faible
encombrement, avec une large bande de fréquences, un faible
taux d'ondes stationnaires et une grande directivité, et
ceci à l'aide d'un procédé d'usinage très simple, utilisant
un outillage standard et dont le temps d'usinage soit très
court.
Elle a notamment pour objet un coupleur a guides
d'ondes ramifiés comportant:
-un premier guide d'ondes principal ayant une section rectan-
gulaire avec deux grands côtés et deux petits cotés, ledit
premier guide d'ondes présentant deux grandes faces orientées
dans une direction selon les deux grands côtés de sa section
rectangulaire et deux petites faces orientées dans la meme
direction selon les deux petits c8tés de ladite section;
-un deuxieme guide d'ondes principal du meme type que le
premier, s'étendant a distance du dernier parallelement a
celui-ci et dans la meme direction, avec une de ses grandes
faces en regard d'une des grandes faces du premier guide
d'ondes; et
-plusieurs bras de couplage creux en forme de guides d'ondes
a sections rectangulaires avec un grand c8té parallèle et
sensiblement coextensif aux grands c8tés des sections des
guides d'ondes principaux, lesdits bras de couplage s'étendant
parallèlement les uns aux autres entre les deux grandes faces
en regard des deux guides d'ondes principaux et s'ouvrant à
leurs deux extrémités dans les deux guides d'ondes principaux
pour assurer un couplage entre deux guides d'ondes,
caractérisé par le fait que lesdits bras de couplage s'étendent
selon une direction faisant, avec la direction des guides
d'ondes principaux, un angle (A) inférieur à 90.
L'angle (A) est avantageusement compris entre 25et50.
-- 3 --
llZ147~
Le coupleur peut être avantageusement constitué
par deux coquilles conductrices assemblées selon un plan de
jonction passant par les milieux des grands côtés des guides
d'ondes principaux et des bras de couplage. Ces deux coquilles
sont usinées en creux, a partir de ce plan de jonction, pour
former les guides d'ondes principaux et les bras de couplage.
Chacune de ces coquilles comporte:
-un demi premier guide d'ondes principal
-un demi deuxième guide d'ondes principal parallèle au
premier et de même large~r (b) et profondeur la/2?,
-et plusieurs demi-bras de couplage parallèles entre eux,
de même longueur (k) et formant ledit angle (A) avec les
demi-guides d'ondes principaux. Le sinus de cet angle (A)
est alors de préférence inférieur à l'expression
::
..~ ~ ... .
~ ''~ ' '
~Z~3
2 b/ (a-k).
Ce choix de l'angle (A) permet un usinage facile
des demi-bras de couplage a l'aide d'une fraise circulaire
dont l'axe de rotation est parallele au plan de jonction,
au-dessus de celui-cl, et perpendiculalre aux demi-bras de
couplage, sans que cette fraise risque d'attaquer a la fois
les deux grandes faces de chacun des deux demi-guides d'ondes
principaux.
A l'aide des figures schématiques 1 a 7 ci-jointes,
on va decrire ci-après, a titre non limitatif, comment
l'invention peut être mise en oeuvre.
Les elements qui se correspondent sur plusieurs de
ces figures y sont designes par les mêmes signes de reference.
La figure 1 représente une vue en perspective
d'un coupleur a guides d'ondes ramifiés de type connu et
montre la position des grands et petits côtés de longueur (a)
et (b) respectivement de la section rectangulaire des guides
d'ondes principaux.
La figure 2 représente une vue en perspective d'un
coupleur selon l'invention.
La figure 3 représente une vue en perspective d'une
coquille conductrice creusée à partir d'un plan de jonction
pour permettre la constitution d'un coupleur selon l'invention
par assemblage avec une autre coquille symétrique par rapport
au plan de jonction de celle représentée.
Les figures 4 et 5 représentent des vues de la
coquille de la figure 3 en coupe par des plans IV-IV et
V-V respectivement parallele au plan de jonction et perpen-
diculaire a ce plan en passant par l'axe d'un demi-bras de
couplage.
La figure 6 représente une vue de dessus d'une
coquille permettant de réaliser un diplexeur faisant
- 4
~2~4~73
application de l'invention.
La figure 7 représente une coupe de cette m~me
coquille par un plan perpendiculaire à celui de la figure 6
et passant par l'axe d'un guide d'ondes principal.
La figure 1 represente un coupleur de type connu a
deux bras de couplage 2 et 4 reliant deux guides d'ondes
principaux paralleles 6 et 8.
.: , ! ` - " . , . . . , j,
', ' : : , . ' . ,, :
"i . .
112~ 3
Le coupleur selon l'invention représenté sur la figure 2 est une
variante du coupleur à bras ramifiés classique en guides d'ondes
rectangulaires. Il diffère en ce que les bras de couplage sont fortement
inclinés (45. 60 ou plus) par rapport aux bras de couplage classiques en
té, qui étaient perpendiculaires aux guides d'ondes principaux 12 et 14. Le
tracé en pointillé sur la figure 2 représente le plan de jonction de deux
demi-coquilles.
Ce coupleur a été réal sé avec
A = 45 et un couplage de 3dB et
avec A = 30 et un couplage de 3dB.
Les capacités et inductances parasites semblent plus faibles que
dans un coupleur à bras ramifies classique, et ceci entraîne de très bonnes
perormances électriques.
De plus, l'inclinaison des bras de couplage permet une réalisa-
tion simple et rapide. Le~ écarts entre points homologues des ouvertures
des bras dans chacun des grands côtés des guides d'ondes sont de A g/4,
tandis que la longueur des bras est un peu in~érieure à~g/4 ; l'inclinai-
son des bras permet alors d'utiliser une paroi relativement mince 11
(figures 4 et 5) entre les deux guideq d'ondes principaux 12 et 14, et
d'autant plu~ mince que l'inclinaison est forte, c'est-à-dire que l'angle A
est petit. Cette caractéristique est intéressante, spécialement aux basses
fréquences du spectre hyperfréquence, lorsque l'on désire une réduction de
poids et de volume. Cette épaisseur est approximativement égale à 0,23~ g
Sin A.
On a notamment réalisé un coupleur hybride à 3dB pour une bande
de fréquences de 31 à 48GHz. Le~ côtés (a) et (b) des guides d'ondes
principaux étaient :
a = 7,112 mm
b = 3,556 mm.
Pour cette bande de fréquences la largeur de bande est grande :
environ 40 %, en ce qui concerne la longueur d'onde guidée. Pour que le
coupleur directif ait un taux d'ondes stationnaires inférieur à 1,05, huit
~, ~. . .
bras de couplage sont nécessaires. L'angle d'inclinaison des bras a été
choisi de 60, c'est-à-dire que A = 30.
Une particularité apparaît dans ce type de coupleur : les plans
de phase aux sorties de deux guides d'on-3es principaux sont décalés et
fonction de l'inclinaison des bras de couplage.
Un tel coupleur, quelle que soit la valeur du couplage, peut être
usiné simplement et rapidement avec un outillage standard. Ceci est
notamment important dans le spectre des hyperfréquences de 10 G;~z à 100 GHz
et au-dessus où les guides d'ondes sont Grès petits.
Pour réaliser ce coupleur à bras inclinés on utilise des fraises
scies standard, par exemple : fraise-scie de diamètre 20 mm pour un
coupleur en guide WR28 dans lequel
a = 7,112 mm
b = 3,556 mm.
Les figures 4 et 5 représentent la position de la fraise 16 en
cours d'usinage d'un bras de couplage 10.
On remarque que, grâce à l'inclinaison, seule la paroi centrale
est usinée.
Dans le cas du coupleur à branches classiques cet usinage n'est
pas possible même avec des petites fraises spéciales.
On remarque aussi que l'axe 18 de la fraise peut être de gros
diamètre, garant d'un usinage précis.
Ce type d'usinage peut être effectué sur une fraiseuse standard
de précision avec un temps d'u~inage inférieur à 30 minutes pour un
ooupleur fabriqué en série.
Il est facile de voir, à l'aide de la figure 5, que si l'on veut
que l'axe 18 soit situé au-dessus du plan de jonction, lors de l'usinage
d'une coquille, et QU ~ il permette d'usiner les demi-bras de couplage sur
toute leur profondeur sans atteindre les grandes faces des guides d'ondes
3 principaux 12 et 14 opposées à la paroi médiane 11, il faut que sin. A soit
inférieur à 2 b/(a-k). En fait, sin. A doit être sensiblement inférieur à
cette valeur si l'on veut utiliser un axe 18 de gros diamètre situé
entièrement au-d63su3 du r,]~n d~! iof!r~lon
Les figures 6, 7 représentent l'application de deux coupleurs
hybrides - 3dB dans un montage diplexeur de fréquences.
Ce système, de principe bien connu, comprend deux filtres passe
bande, un sur chaque guide d'ondes principal, constitués de cavités 20, 22>
24 délimitées par des iris 26, 28 30, 32 et munies de vis de réglage telles
que 34 faisant pénétrer une tige de silice 36 dans la cavité. Ces deux
filtres sont insérés entre deux coupleurs - 3dB C1 et C2 du type déjà
déorit.
Dans une voie d'entrée V1 constituant un guide d'orrdes
prinoipal, pénètrer.t deux bandes de fréquences B1 et B2. Le coupleur C1
divise les énergies en deux parties égales. Les filtres passe bande
accordés sur B1 sont transparents pour cette bande B1 et l'énergie se
recombine grâce à C2 et ressort en voie V4.
Par contr~, la bande B2 est réfléchie sur les filtres passe bande
et, par les propriétés de phase du coupleur C1, l'énergie de B2 ressort en
voie V2. Ce système est réciproque.
L'angle d'inclinaison des bras de couplage a été choisi de 60,
c'està-dire que A = 30.
Les deux filtres sont décalés de 1,42 mm pour compenser les
différences de phase provoquées par les ~oupleurs à bras inclinés, le
décalage des ouverture~ des bras dans un des guides d'ondes principaux par
rapport aux ouvertures correspondantes des bras dans l'autre guide d'ondes
principal étant de 2,08 mm. Le décalage des filtres semble devoir être
toujours inférieur à celui des ouvertures des bras, en restant supérieur à
sa moitié.
Les filtres passe bande peuvent être remplacés par des filtres
passe haut ou passe bas, suivant le système désiré.
Ce type de diplexeur peut être utilisé dans des systèmes de
filtrages des sous-bandes de liaisons par guides d'onde~ circulaires de
systèmes de faisceaux hertziens ou de filtres de puissance destinés à
réunir des énergies d'émetteurs vers une antenne unique.
- 7 - ~
.
L'adoption des coupleurs à bras inclinés selon l'invention
permet d'obtenir d'excellentes caractéristiques électriques dans de
grandes bandes de fréquences.
Ce~ coupleurs permettent d'obteni r une directivité supérieure à
3O dB dans une bande de fréquences de 32 à 40 GHz, avec un taux d'ondes
stationnaires inférieur à 1,05 et des pertes d'insertion inférieures à 0,15 dB.
