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WO 2009/030737
PCT/EP2008/061753
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COUPLEUR-SEPARATEUR D'EMISSION-RECEPTION MULTIBANDE A
LARGE BANDE DE TYPE OMT POUR ANTENNES DE
TELECOMMUNICATIONS HYPERFREQUENCES
La présente invention se rapporte à un coupleur-séparateur d'émission-
réception multibande à très large bande de type OMT ( OrthoMode Transducer
c'est-à-dire coupleur orthomode) pour antennes de télécommunications
hyperfréquences. Un tel dispositif peut être également dénommé multiplexeur
ou
OMT multiplexant . Pour simplifier la description, ce dispositif sera appelé
-- simplement coupleur .
On a schématisé en figure 1 un OMT dit séparateur de polarisations
linéaires , qui est réalisé selon la technique des guides d'ondes
hyperfréquences. Cet
OMT, référencé 1, comprend essentiellement un premier port 2 destiné à être
relié à
un cornet faisant face à une antenne de télécommunication hyperfréquences et
deux
-- autres ports 3, 4 destinés à être reliés à un émetteur ou un récepteur. Cet
OMT ne
fonctionne qu'avec des polarisations linéaires. Ces trois ports sont coaxiaux.
Le port
3 correspond à la polarisation horizontale et le port 4 à la polarisation
verticale. Le
port 3 est rectangulaire et est relié au port 2 par un ou plusieurs tronçons
de guide
d'ondes 5 ayant des dimensions intermédiaires entre ceux des ports 2 et 3. Le
port 4
-- est relié radialement au port 2 par deux tronçons de guides d'ondes 6A, 6B
disposés
symétriquement par rapport à l'axe commun des trois ports et ayant chacun
approximativement une forme en U allongé et aboutissant à des fentes de
couplage diamétralement opposées de chacun des ports 2 et 3.
Le coupleur 7 de la figure 2 est un OMT dit pyramidal . Il comprend
-- essentiellement une cavité centrale à corps parallélépipédique à section
carrée et une
pyramide 8 posée au fond de cette cavité. Des ports 9 à 12 aboutissent face
aux
quatre surfaces triangulaires latérales de la pyramide du corps
parallélépipédique .
Avec un tel OMT, le couplage des ondes électromagnétiques entre le port
central à
section carrée et les quatre ports peut être large bande. Cette plage de
fonctionnement
-- peut être affectée ou réduite avec l'utilisation d'une transition entre les
ports à
section circulaire et le corps parallélépipédique de l'OMT favorisant la
propagation
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des modes d'ordres supérieurs. De plus, ce coupleur ne possède pas de fonction
multiplexante.
On a représenté en figure 3 un OMT classique 13 à sections circulaires. Il
comporte essentiellement trois tronçons de guides d'ondes successifs coaxiaux
14,
15 et 16 qui sont généralement des cavités. Le premier guide 14 a le plus
grand
diamètre et comporte deux ou quatre fentes de couplage rectangulaires telles
que la
fente 14A, seule représentée sur le dessin, associées chacune à un port tel
que les
ports 14B représentés sur le dessin. De façon analogue, le tronçon 15, de
diamètre
inférieur à celui du tronçon 14, comporte deux ou quatre fentes de couplage
15A
associées chacune à un port 15B. Enfin, le tronçon 16, de diamètre inférieur à
celui
du tronçon 15, constitue le port de propagation de la bande de fréquences la
plus
élevée, alors que le tronçon 14 assure le couplage des fréquences les plus
basses et le
tronçon 15 celui des fréquences de valeur intermédiaire. Un tel coupleur
permet donc
un couplage multi-bandes, mais les largeurs de ces bandes sont faibles.
Le coupleur 17 de la figure 4 est du type comportant une cavité 18 en forme
de parallélépipède rectangle se prolongeant par une cavité parallélépipédique
à
section carrée ou rectangulaire et un port 19 à section carré ou rectangulaire
et
coaxial à l'axe de la cavité. La cavité 18 comporte sur chacune de ses deux
(ou
quatre) faces latérales une fente de couplage 18A associée à un port de
couplage
18B. Un tel coupleur fonctionne pour une bande de fréquences relativement
large,
mais la transition (non représentée), servant d'interface à la connexion d'un
cornet à
section circulaire, et située entre la cavité 18 à section carrée ou
rectangulaire et les
guides d'ondes à section circulaire qui lui sont reliés,
réduit sa plage de
fonctionnement à cause de la présence de modes d'ordre supérieur, et notamment
d'harmoniques, gênant la propagation des signaux utiles.
On a schématisé en figure 5 un OMT 20 tel que connu d'après le brevet US
6 566 976. Cet OMT comporte un corps conique 21 reliant un port 22 à section
circulaire à un port 23 également à section circulaire et ayant un diamètre
inférieur à
celui du port 22. Des fentes de couplage 21A associées à des ports 21B sont
pratiquées sur le corps conique 21. Un tel OMT ne permet de propager que des
bandes de fréquences étroites.
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3
La présente invention a pour objet un coupleur d'émission-réception
multibande à très large bande de type OMT pour antennes de télécommunications
hyperfréquences qui puisse fonctionner pour une très large bande passante
(supérieure à une octave), pour des polarisations linéaires aussi bien que
circulaires.
Un aspect de l'invention concerne un coupleur-séparateur d'émission-
réception multibande à très large bande de type coupleur orthomode pour
antennes de télécommunications hyperfréquences, comportant un port de
propagation de la totalité des fréquences, un corps et un port de propagation
des
bandes de fréquences hautes, ces trois parties étant coaxiales et ayant toutes
trois
une section circulaire, et des fentes de couplage pour la propagation des
bandes
de fréquences basses pratiquées dans le corps et associées chacune à un guide
d'ondes, dans lequel son corps joignant les deux ports comporte au moins une
section comprenant un tronçon de couplage et un tronçon de blocage des
fréquences basses, c'est-à-dire des fréquences couplées, et présente une forme
de
révolution dont le profil évolue selon une loi multi-polynomiale, constamment
décroissante depuis le port de plus grande section jusqu'au port de plus
petite
section, chaque tronçon de couplage comportant deux ou quatre fentes de
couplage large bande.
Un autre aspect de l'invention concerne un coupleur-séparateur
d'émission-réception multibande à très large bande de type coupleur
transducteur
orthomode (OMT) pour une antenne de télécommunication hyperfréquence,
comprenant:
un premier port de propagation de la totalité des fréquences;
un corps; et
un deuxième port de propagation de bandes de fréquences hautes, dans
lequel le premier port, le corps et le deuxième port sont coaxiaux et ont une
section circulaire, et
une pluralité de fentes de couplage pour la propagation d'une pluralité de
bandes de fréquences basses pratiquées dans le corps et chacune de la
pluralité de
bandes de fréquences basses est associée à un guide d'onde, dans lequel le
corps
reliant le premier et le deuxième ports comprend au moins une section
comprenant un tronçon de couplage est un tronçon de blocage des fréquences
couplées du tronçon de couplage, et possèdent une forme de révolution dont le
profil évolue selon une loi multi-polynomiale, constamment décroissante depuis
le port de plus grande section jusqu'au port de plus petite section, chaque
tronçon
de couplage comprenant deux ou quatre fentes de couplage large bande.
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3a
Les fentes de couplage permettent, après recombinaison, un fonctionnement
en polarisations linéaires et circulaires. Si elles sont au nombre de deux et
diamétralement opposées, il s'agit d'une seule polarisation linéaire, et si
elles sont au
nombre de quatre et disposées à 900 les unes par rapport aux voisines, il
s'agit de
polarisations linéaires et circulaires. En régime de couplage, on récupère
ensuite la
totalité des signaux couplés aux pertes près induites par le coupleur lui-même
et par
le type de traitement du matériau usiné (par exemple : une finition à base
d'argent
permet une très bonne conductivité).
Le tronçon de blocage assure aussi une fonction d'adaptation permettant la
1 0 propagation des fréquences hautes en son travers, d'autre part il aide
aussi à
l'adaptation globale du coupleur (entre les ports Pl et P2).
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description
détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et
illustré par
le dessin annexé, sur lequel :
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- les figures 1 à 5, déjà décrites ci-dessus, sont des schémas simplifiés
de coupleurs connus, et
- les figures 6 à 8 sont des schémas simplifiés de trois modes de
réalisation d'un coupleur conforme à la présente invention.
La présente invention est décrite ci-dessous en référence à trois exemples
simples de coupleurs, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitées à
ces
exemples et que les corps de ces coupleurs peuvent présenter un grand nombre
d'autres profils, ces profils étant définis de façon générale comme évoluant
selon une
loi multi-polynomiale, constamment décroissante depuis le port de plus grande
section jusqu'au port de plus petite section.
Tous les coupleurs conformes à l'invention décrits ci-dessous comportent
principalement les éléments suivants : un premier port Pi suivi d'un corps et
d'un
deuxième port P2, ces trois éléments principaux ayant tous une section
circulaire et
étant coaxiaux. Le diamètre intérieur du port P1 est supérieur à celui du port
P2,
tandis que le diamètre intérieur du tronçon de couplage est égal à celui du
port P1 au
niveau de leur jonction et décroît constamment entre sa jonction avec Pi et sa
jonction avec P2. Le corps comprend au moins une section se composant d'un
tronçon de couplage et d'un tronçon de blocage de fréquences relatives au
tronçon de
couplage du même ensemble. Les modes de réalisation décrits ici ne comportent
chacun qu'une seule telle section, mais il est bien entendu que l'invention
n'est pas
limitée à une seule telle section, et que le coupleur de l'invention comporte
autant de
telles sections qu'il y a de bandes de fréquences intermédiaires à traiter (en
couplage
et en séparation). Le profil du tronçon de blocage peut comporter une ou
plusieurs
parties à lois d'évolution différentes. Pour chacun de ces coupleurs, le port
Pl assure
la propagation de la totalité des bandes passantes utiles (représentant le
couplage de
sous-bandes basses et de sous-bandes hautes) et est relié (de façon non
représentée)
à un cornet propageant en émission et en réception des ondes
électromagnétiques en
association avec un système focalisant tel qu'une antenne de
télécommunications
hyperfréquences, tandis que le port P2 assure uniquement la propagation de
sous-
bandes hautes et les ports de couplage du tronçon de couplage assurent celle
de
sous-bandes basses. Le port P2 et les ports du tronçon de couplage sont reliés
(de
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façon non représentée) à des systèmes émetteur-récepteur. La loi d'évolution
du
profil longitudinal de chaque tronçon de couplage est un élément essentiel de
l'invention et sera décrite en détail ci-dessous pour chacun des modes de
réalisation
représentés.
5 On notera que le tronçon de couplage ne peut comporter que deux ou
quatre
fentes de couplage, car un nombre différent serait inutile purement et
simplement.
Les exemples de profils de tronçons de couplage décrits ci-dessous sont
simples à
réaliser par usinage, qu'ils soient linéaires ou définis par des splines.
Le corps 24 du coupleur 25 de la figure 6 a un profil se composant de deux
parties linéaires consécutives 26 (déterminant le tronçon de couplage) et 27
(déterminant le tronçon de blocage de fréquences basses) à pentes différentes
(les
pentes sont à considérer dans le plan de la figure, par rapport à l'axe
longitudinal du
coupleur). Il est bien entendu que ce profil peut comporter plus de deux
parties à
pentes différentes. Dans l'exemple représenté sur le dessin, la pente de la
partie 26
est plus grande que celle de la partie 27, mais le contraire est également
possible
Les rapports entre les valeurs de ces pentes sont différents selon le cas
concerné, car ils dépendent de la mission à remplir, à savoir : les
pourcentages en
valeur de bande relative des sous-bandes à coupler et à séparer et de leur
éloignement
fréquentiel des unes par rapport aux autres. Chaque tronçon du séparateur
favorise le
couplage des bandes basses en présentant une pente d'angle 01 (pente 26)
d'environ
10 à 15 et le tronçon suivant de pente d'angle 02 (pente 27) court-circuite
(empêche) ces mêmes bandes basses de se propager au travers du coupleur. Le
tout
favorisant aussi une bonne adaptation (en termes de ROS, c'est-à-dire de taux
d'ondes stationnaires) de la globalité du coupleur pour toutes les bandes de
fréquences à propager et à séparer. Des fentes de couplage 24A rectangulaires
large
bande sont pratiquées dans le corps du tronçon 24. Ces fentes s'étendent
parallèlement à l'axe longitudinal du tronçon 24. Dans le cas présent, elles
sont au
nombre de deux ou de quatre. Deux fentes servent à coupler au moins une
polarisation linéaire et quatre fentes servent à coupler deux polarisations
linéaires et
deux polarisations circulaires. Un système de recombinaison (non représenté)
est
nécessaire à leur restitution. Une seule de ces fentes est visible sur le
dessin. Chacune
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des fentes est associée à un guide d'ondes 24B à section rectangulaire. Chaque
ensemble fente de couplage et guide d'ondes associé est dénommé ici bras de
couplage . Les dimensions des fentes de couplage sont déterminées
initialement
comme celles d'un guide d'ondes rectangulaire classique afin de permettre la
.. propagation des fréquences les plus basses à coupler.
De préférence, pour le mode de réalisation de la figure 6, comme pour tous
les modes de réalisation conformes à l'invention, on dispose aux extrémités de
chacun des guides des bras de couplage une ou plusieurs cellules filtrantes
classiques
(non représentées) destinées à éliminer d'éventuels résidus de fréquences qui
seraient
.. en dehors de la bande passante à coupler relative aux bras 24B et qui ne
doivent
passer que longitudinalement en traversant le tronçon 24.
Le profil du tronçon de couplage 28 du coupleur 29 de la figure 7, considéré
depuis le port Pl jusqu'au port P2, se compose d'une spline 30 suivie d'un
segment
linéaire 31. L'équation définissant la spline 30 peut avoir diverses formes à
condition
.. que, comme précisé ci-dessus, le diamètre de la partie correspondante du
tronçon 28
soit constamment décroissant depuis le port de plus grande section jusqu'au
port de
plus petite section, ou plus précisément jusqu'à la jonction avec la partie
définie par
le profil 31.
Le coupleur 32 de la figure 8 comporte un tronçon de couplage 33 dont le
.. profil se compose de deux splines successives différentes 34, 35 répondant
chacune
aux mêmes conditions que la spline 30 de la figure 7. Il est bien entendu que
le profil
du tronçon de couplage du coupleur de l'invention peut comporter plus de deux
splines. Le nombre de splines découle des tailles des bandes passantes à
coupler
(pourcentage de bande relative), du nombre de bandes passantes à coupler et de
leur
.. éloignement fréquentiel des unes par rapport aux autres. La possibilité de
réaliser
mécaniquement le coupleur peut aussi venir limiter ce nombre de splines : un
compromis sera alors nécessaire. A titre d'exemple, une fonction sinus carré a
été
utilisée pour définir la spline 35 dans un coupleur réalisé pour coupler la
bande L et
séparer les bandes C et Ku. Cette spline définissait une zone de court-circuit
.. favorisant le couplage des bandes basses (L) et une bonne adaptation des
bandes plus
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hautes (C et Ku) se propageant au travers du coupleur. La spline 34 assurant
le
couplage était un polynôme d'ordre 1 (profil linéaire).
Selon un exemple de réalisation non limitatif, le coupleur de l'invention
traite les sous-bandes larges Ku et Ka aussi bien en émission qu'en réception
(fonction de couplage et de séparation du coupleur), que ce soit en
polarisation
linéaire ou en polarisation circulaire, ce qui donne au total quatre sous-
bandes,
comme suit. En bande Ku, la bande de fréquences émises s'étend de 10,95 à
12,75
GHz et la bande de fréquences reçues s'étend de 13,75 à 14,5 GHz. En bande Ka,
la
bande de fréquences émises s'étend de 17,7 à 20,2 GHz et la bande de
fréquences
reçues s'étend de 27,5 à 30 GHz. Le plus petit guide d'onde circulaire connu
étant le
C890 (rayon = 1,194 mm), les plus petits coupleurs peuvent être réalisés en
électrodéposition ou électroformage si l'usinage classique en limite la
réalisation. La
complexité de la loi polynomiale des tronçons doit être choisie de sorte à
prendre en
compte les contraintes du cahier des charges tout en ne contraignant pas trop
la
possibilité de réalisation. Un tel coupleur peut donc être qualifié de très
large
bande , puisque la bande totale de fréquences couverte (de 10,95 à 30 GHz)
s'étend
sur plus d'une octave. Dans cet exemple, les signaux de la bande Ka sont à
polarisation circulaire (droite et gauche en émission et en réception), et
ceux de la
bande Ku sont à polarisation linéaire (orthogonales horizontales et verticales
en
émission et en réception). La totalité de la bande Ku (émission et réception)
passe par
les quatre bras de couplage du corps de couplage et représente 27,9% de bande
relative couplée, tandis que la bande Ka traversant le coupleur représente
51,6% de
bande relative séparée. Le pourcentage de bande relative PBR est défini de la
manière
suivante :
PBR ¨ F max¨ F min , ce qui donne pour la bande Ku:
Fmoy
F max¨ F min 14.5GHz ¨10.95GHz
PBR = ________________ ¨ ez 27.9%
Fmoy 12.725GHz
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La distance entre la ou les bandes basses à coupler et la ou les bandes hautes
à propager au travers du coupleur-séparateur (ici de 14.5 à 17.7 GHz c'est-à-
dire
l'interbande entre Ku et Ka) indique si le coupleur est réalisable. Cette
distance
fréquentielle ne doit pas être trop petite, sinon il y a risque de coupler
aussi le début
des bandes les plus hautes. L'utilisation d'un filtre sélectif (iris
hyperfréquences à
contour circulaire d'épaisseur définie comportant un évidement en forme de
croix),
placé entre le tronçon de couplage et le tronçon de blocage ou juste après le
tronçon
de blocage, peut aider dans le cas ou les bandes passantes à coupler et à
séparer sont
très proches. Ce coupleur permet de n'utiliser qu'une seule antenne très large
bande
pour la transmission (émission et réception) des quatre sous-bandes.
