EP0031275A1

EP0031275A1 - Fenêtre hyperfréquence et guide d'onde comportant une telle fenêtre

Info

Publication number: EP0031275A1
Application number: EP80401764A
Authority: EP
Inventors: Jacques Tikes
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1980-12-09
Publication date: 1981-07-01
Also published as: EP0031275B1; FR2472279B1; DE3068914D1; FR2472279A1; US4358744A

Abstract

La fenêtre hyperfréquence (2), insérée dans le guide d'onde rectangulaire (1), est constituée d'un transformateur (8) d'impédance demi-onde (λ0/2), correspondant à la fréquence centrale (F0) pour laquelle la fenêtre a été réalisée ; ce transformateur est surmonté par une lame diélectrique de faible épaisseur (9) entourée de deux volets selfiques (10). Les dimensions des constituants de la fenêtre sont déterminées pour que, le guide d'onde étant adapté, le taux d'onde stationnaire de la fenêtre égale sensiblement 1 dans la bande de fréquence (F1 F2) d'au moins 35 % de la fréquence centrale (F0) autour de la fréquence centrale.

Description

La présente invention se rapporte aux fenêtres hyperfréquence. Elle concerne également les guides d'onde comportant dentelles fenêtres.
Un dispositif hyperfréquence qui fonctionne à une pression différente de la pression atmosphérique nécessite généralement une fenêtre étanche destinée à la fois à l'isoler de la pression atmosphérique extérieure et à permettre la propagation des ondes hyperfréquences sans produire de réflexions ni de résonances internes. C'est la cas, par exemple, pour :

- les tubes hyperfréquences et les accélérateurs de particules qui fonctionnent à des pressions sensiblement nulles ;
- les circulateurs, les isolateurs, les lignes coaxiales et les guides d'onde dans lesquels un gaz peut être emprisonné pour augmenter leur tenue en puissance. La pression de ce gaz peut atteindre 3 kg/cm².

Une fenêtre hyperfréquence doit donc présenter une solidité suffisante pour supporter une pression de 1 Kg/cm², lorsqu'elle est associée à un dispositif hyperfréquence fonctionnant à faible pression et pour supporter une pression de 3Kg/cm², lorsqu' elle est associée à un dispositif fonctionnant à pression élevée.
D'autre part, une fenêtre hyperfréquence doit pouvoir être utilisée dans une large bande de fréquence dans laquelle elle ne présente pas de résonances internes généralement désignées sous le vocable anglo-saxon de ghost modes, et dans laquelle son taux d'onde stationnaire est faible, et donc les réflexions peu importantes.
La présente invention concerne plus particulièrement des fenêtres hyperfréquences utilisées dans des guides d'onde de section rectangulaire, mais les fenêtres selon l'invention peuvent aussi être utilisées dans des guides d'onde de section quelconque, cylindrique ou elliptique par exemple.
On connaît, dans l'art antérieur, divers types de fenêtres utilisées dans des guides d'onde de section rectangulaire.
Ces fenêtres peuvent être uniquement constituées de matériau diélectrique. Dans ce cas, elles peuvent comporter :

- soit une plaque diélectrique d'épaisseur λ_o/2 occupant toute la section du guide, où λ_o est la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale F₀ pour laquelle la fenêtre a été réalisée ;
- soit une plaque diélectrique d'épaisseur λ_o/4 occupant toute la section du guide et prolongée en son milieu par deux parties latérales de longueur électrique λ_o/4 qui occupent le tiers environ de la hauteur totale du guide ;
- soit une simple lame diélectrique mince dans un tronçon de guide d'onde circulaire relié au guide d'onde rectangulaire.

Ces fenêtres peuvent aussi être constituées par un volet selfique et par une lame diélectrique de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet.
Les fenêtres selon l'art antérieur, qui sont utilisées dans des guides d'onde de section rectangulaire, présentent l'inconvénient d'avoir une bande de fréquence de fonctionnement très étroite. Ce défaut est essentiellement dû à la présence de ghost modes, pour les fenêtres, qui comportent un grand volume de diélectrique, et à un mauvais taux d'onde stationnaire, pour les fenêtres comportant un volet selfique et une lame diélectrique car l'adaptation ne peut être réalisée que pour une fréquence donnée.
Ainsi, pour les fenêtres selon l'art antérieur, la largeur de bande d'utilisation est généralement de l'ordre de 10 à 20 % de la fréquence centrale par rapport à la fréquence' centrale avec un taux d'onde stationnaire inférieur ou égal à 1,15.
Les fenêtres selon l'invention ne présentent pas ces inconvénients.
La fenêtre hyperfréquence selon l'invention est constituée par :

- un transformateur d'impédance demi-onde λ_o/2, la longueur d'onde λ_o considérés correspondant à la fréquence centrale F₀ pour laquelle la fenêtre a été réalisée ;
- surmontant le transformateur demi-onde en son milieu, au moins un volet selfique, le reste de la fenêtre étant constitué par au moins une lame diélectrique de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet.

Les dimensions des constituants de la fenêtre sont déterminées pour que, le dispositif hyperfréquence- étant adapté, le taux d'onde stationnaire de la fenêtre soit sensiblement égal à un dans une bande de fréquence F₁ F₂d'au moins 35 % de F₀ autour de F₀.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le transformateur est surmonté en son milieu par deux volets selfiques, de dimensions égales ou non,. qui entourent une lame diélectrique.
Les fenêtres selon l'invention présentent l'avantage de ne pas comporter de résonances internes dans toute la bande normale d'utilisation du guide, au mode fondamental. Cela permet de multiplier par 2 ou 3, par rapport aux fenêtres selon l'art antérieur, la largeur de bande d'utilisation par rapport à la fréquence centrale ceci avec un taux d'onde stationnaire inférieur à 1., 10.
D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent :

- les figures 1 à 4, des vues en perspective de fenêtres, selon l'art antérieur, utilisées dans des guides de section rectangulaire ;
- la figure 5, une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une fenêtre selon l'invention, utilisée dans un guide de section rectangulaire ;
- les figures 6 à 8, des abaques de Smith illustrant le fonctionnement d'une fenêtre selon l'invention ;
- les figures 9 et 10, deux autres mode de réalisation, vus en perspective d'une fenêtre selon l'invention, utilisée dans un guide d'onde de section rectangulaire.

Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées, toutes les arêtes cachées ne sont pas représentées en trait discontinu et tous les plans coupés ne sont pas hachurés.
Les figures 1 à 4 représentent des vues en perspective de fenêtres, selon l'art antérieur, utilisées dans des guides de section rectangulaire, et dont il a été question précédemment. Sur ces figures, un arraché-montre la position de la fenêtre 2 dans le guide 1.
Sur la figure 1, la fenêtre 2 est constituée par une plaque diélectrique, d'épaisseur λ_o/2, et de section rectangulaire qui est disposée perpendiculairement aux côtés du'guide et qui est fixée à ses côtés, généralement par brasage.
Sur la figure 2, la fenêtre 2 est constituée .d'une plaque diélectrique 3 d'épaisseur λ_o/4 occupant toute la section du guide qui est prolongée en son milieu par deux parties latérales 4, de longueur électrique λ_o/4 également. Les parties latérales 4 occupent environ le tiers de la hauteur totale du guide.
Sur la figure 3, le fenêtre 2 est constituée par une simple lame diélectrique-mince insérée dans un tronçon de guide circulaire 5, relié au guide d'onde rectangulaire 1.
Enfin, sur la figure 4, la fenêtre 2 est constituée d'un volet selfique 6 et d'une lame diélectrique 7, de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet. Sur la figure 4, on a distingué le volet selfique en hachurant sa surface.
- Il est connu qu'un volet selfique est constitué par une plaque métallique de faible épaisseur disposée dans la section du guide d'onde perpendiculairement aux petits côtés du guide.
La figure 5 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une fenêtre selon l'invention; utilisée dans un guide 1 de section rectangulaire.
Cette fenêtre 2 est constituée d'un transformateur d'impédance demi-onde, λ_o/2, 8. La longueur d'onde λ_o correspond à la fréquence centrale F_o pour laquelle la fenêtre a été réalisée.
Sur'la figure, le transformateur 8 est réalisé par une plaque métallique recouvrant environ sur une demi-longueur d'onde λ_o/2 l'un des grands côtés du guide.
La fenêtre 2 est ainsi constituée d'une lame diélectrique mince 9 entourée de deux volets selfiques 10, de mêmes dimensions.
La lame et les volets ont sensiblement la même épaisseur et ils sont disposés sur le transformateur, en son milieu , perpendiculairement à la surface du transformateur et à trois des côtés du guide.
La lame et les volets ont des sections rectangulaires et l'ensemble constitué par le transformateur surmonté par la lame et les volets ferme hermétiquement le guide.
Les figures 6 à 8 représentent des abaques de Smith illustrant le fonctionnement d'une fenêtre telle que celle représentée sur la figure 5.
Sur la figure 6, on a représenté sur l'abaque de Smith les variations dans la bande de fréquence F₁ F₂centrée sur F₀ de l'impédance présentée par l'ensemble constitué de la lame 9 et des deux volets 10.
L'impédance de cet ensemble est une réactance pure. Après avoir choisi l'épaisseur de la lame et des volets requise pour obtenir la rigidité souhaitée, les surfaces respectives de la lame et des volets sont choisies pour que cette réactance, qui passe progressivement par des valeurs positives, nulles et négatives dans le sens des fréquences croissantes de F₁ vers F₂, s'annule pour F₀.
Les variations de l'impédance de l'ensemble constitué de la lame 9 et des deux volets 10 sont donc représentées sur l'abaque de Smith par un segment de droite, porté par l'axe des impédances q de l'abaque de Smith ; ce segment de droite se trouve dans le demi-plan des impédances positives pour F₁, il passe par le centre de l'abaque de Smith pour F₀, puis se trouve dans le demi-plan des impédances négatives.pour F₂.
Sur la figure 7, on a représenté sur l'abaque de Smith les variations de l'impédance présentée par le transformateur, seul, relié à une terminaison adaptée, en différents points du guide, pour les fréquences F₁, F₀ et F₂.
On appelle :

-π₁, un plan du guide situé du côté du générateur avant le transformateur ;
-π₂, le plan d'entrée du transformateur ;
-π₃, le plan médian du transformateur ;
-π₄, le plan de sortie du transformateur ;
- et enfin π₅, un plan du guide situé du côté de la terminaison, adaptée contre le transformateur. Ces différents plans sont indiqués sur la figure 5.

Avant le transformateur, plan π₁, il y a adaptation et quelle que soit la fréquence, l'impédance est représentée par le point A qui est le centre de l'abaque de Smith.
L'arrivée au plan. π₂ signifie, quelle que soit la fréquence, une diminution d'impédance purement résistive et l'impédance se trouve représentée par le point B à gauche du point A sur l'axe p des résistances de l'abaque de Smith.
Le déplacement du plan π₂ au plan π₄ sur la longueur λ_o/2 entraîne une rotation sur un cercle de rayon AB centré au point A dans le sens trigonométrique. L'angle de rotation dépend de la fréquence de fonctionnement : il est de 2π pour F₀, de 2π . F₁ F₀ pour F₁, et de 2π. F₂ F₀ pour F₂.
Au plan π₄, l'impédance est donc représentée par le point C,situé sur le cercle au-dessus du point B,pour F₁. L'impédance est représentée par le point B pour F₀ et par le point E,situé sur le cercle au-dessous du point B,pour F₂.
Enfin au plan π ₅, le transformateur est franchi et il y a une augmentation d'impédance purement résistive qui compense la diminution qui s'était produite au plan π₂.
L'impédance au plan π₅ se trouve donc représentée aux fréquences F₁, F₀ et F2 par les points D, A et F qui sont sensiblement alignés sur l'axe q. Les points D et F sont situés de part et d'autre de A.
L'impédance dans le plan médian π₃ distant de
de π₅ se déduit de l'impédance au plan π₅ par une rotation de 180° du segment de droite DAF.
La figure 8 représente sur l'abaque de Smith les variations de l'impédance dans le plan π₃. Dans le plan π₃, l'impédance du transformateur est donc une réactance qui prend successivement des valeurs négatives, nulles et positives dans le sens des fréquences croissantes, de _F1 vers F₂, de D vers F.
En comparant les figures 6 et 8, on constate que les variations dans la bande de fréquence F₁ F₂ de l'impédance du transformateur et de l'ensemble constitué par la fenêtre et les volets sont purement réactives et se font en sens inverse en fonction de la fréquence.
La fenêtre selon l'invention comporte à la fois un transformateur et un ensemble constitué de deux volets et d'une lame diélectrique qui surmonte le transformateur en son milieu. Selon l'invention, les dimensions des constituants de la fenêtre sont déterminées pour que l'impédance du transformateur et celle de l'ensemble constitué par la fenêtre et les volets se compensent dans une bande de fré- ^quence F₁ F₂ d'au moins 35 % de F₀ autour de F₀. Il y a donc adaptation et le taux d'onde stationnaire est sensiblement égal à 1, dans la bande F₁ F₂.
Comme cela a déjà été dit précédemment, on choisit généralement d'abord l'épaisseur de la lame et des volets requise pour obtenir la rigidité souhaitée. Les surfaces respectives de la lame et des volets sont ensuite choisies pour que la réactance de l'ensemble lame et volets s'annule pour F₀. Enfin, on détermine la hauteur h du transformateur. Cette hauteur conditionne le rayon AB du cercle centré en A sur lequel s'effectue la rotation de 2π, 2π F₁/F₀ et 2π F_2/F₀ qui permet d'obtenir les points C, B, E et ensuite les points DAF. La hauteur h du transformateur est donc choisie pour que le segment DAF obtenu sur la figure 8 soit le symétrique par rapport au centre de l'abaque du segment représenté sur la figure 6.
Une fenêtre selon l'invention a été expérimentée sur un guide d'onde de section rectangulaire de dimensions 72 x 34 mm. L'épaisseur de la lame diélectrique était de 2 mm et celle des volets de 3 mm. On a constaté que dans toute la bande de fréquence d'utilisation du guide de 2,6 à 3,95 GHz, il-n'y avait pas de résonances internes. On a obtenu un taux d'onde stationnaire inférieur ou égal à 1,08 pour une bande d'utilisation F₁ F₂ de 35 % de F₀ autour de F₀. La bande d'utilisation peut dépasser 40 % de F₀ autour de F_Oavec un.taux d'onde stationnaire de 1,5 et 50 % de F₀ autour de F_Oavec un taux d'onde stationnaire inférieur à 2.
Les figures 9 et 10 représentent deux autres modes de réalisation, vus en perspective, d'une fenêtre selon l'invention utilisée dans un guide d'onde de section rectangulaire et dont le fonctionnement est identique à celui de la fenêtre de la figure 5.
Sur la figure 9, le transformateur est constitué par deux plaques métalliques, en vis-à-vis, qui recouvrent sur la demi-longueur d'onde λ_o environ 2 les deux grands côtés du guide.
Ces plaques métalliques n'ont pas nécessairement la même épaisseur.
Le transformateur demi-onde peut aussi être réalisé en diminuant, symétriquement ou non par rapport au plan médian longitudinal du guide π₆ (représenté sur la figure 9), la hauteur du guide sur la demi-longueur d'onde λ_o environ. 2
De même l'ensemble qui surmonte le transformateur en son milieu, peut être constitué comme sur la figure 9 d'une lame diélectrique 9 et d'un seul volet selfique 10.
La fenêtre selon l'invention peut aussi comprendre un ensemble constitué d'une lame diélectrique entourée de deux volets selfiques de surfaces différentes.
Enfin, les volets selfiques peuvent être constitués par une plaque métallique ou par un dépôt métallique recouvrant en partie, l'une ou les deux faces, de la lame diélectrique constituant la fenêtre qui occupe alors toute la section du guide au-dessus du transformateur.
Sur la figure 10, le transformateur 8 est réalisé par une diminution disymétrique de la hauteur du guide et présente une discontinuité en son milieu. L'ensemble constitué d'une lame diélectrique 9 et de deux volets selfiques inégaux 10 repose alors directement sur les parois du guide. Une meilleure tenue en puissance est ainsi obtenue.
Une fenêtre selon l'invention telle que celle représentée sur la figure 5 est réalisée pratiquement en plusieurs étapes.
On réalise d'abord séparément l'ensemble constitué par la lame diélectrique 9 et les volets selfiques 10.
Pour cela, on brase sur le pourtour de la lame diélectrique 9 en céramique une bande de cuivre de faible épaisseur (de 2 mm d'épaisseur environ dans le cas de la fenêtre fonctionnant en bande S dont il a été question précédemment), cette bande de cuivre est simultanément brasée sur une frette en molybdène dont la forme est étudiée pour qu'elle constitue les volets selfiques 10.
L'ensemble lame-volets est ensuite brasé a la . jonction de deux demi-guides en même temps que les demi-guides sont brasés l'un à l'autre.
Sur chacun de ces demi-guides, un demi-transformateur 8 a préalablement été brasé.
Ce qui vient d'être dit ne constitue bien sûr qu'un exemple de réalisation d'une fenêtre selon l'invention.

Claims

1. Fenêtre hyperfréquence, caractérisée en ce qu'elle est constituée par :

- un transformateur d'impédance demi-onde (8), la longueur d'onde considérée (λ_o) correspondant à la fréquence centrale (F₀) pour laquelle la fenêtre a été réalisée ;

- surmontant le transformateur demi-onde en son milieu, au moins un volet selfique (10), le reste de la fenêtre étant constitué par au moins une lame diélectrique (9) de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet ;

les dimensions des constituants de la fenêtre étant déterminées pour que,le dispositif hyperfréquence étant adapté, le taux d'onde stationnaire de la fenêtre soit sensiblement égal à un dans une bande de fréquence (F₁ F₂) d'au moins 35 % de la fréquence centrale (F₀) autour de la fréquence centrale.

2. Fenêtre selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est constituée par deux volets selfiques (10), de dimensions égales ou non, entourant une lame diélectrique (9).

3.Fenêtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par brasage d'une bande de cuivre de faible épaisseur à la fois sur la lame diélectrique (9) en céramique et sur une frette en molybdène qui constitue le ou les volets selfiques (10).

4. Fenêtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le ou les volets selfiques (10) sont constitués par un dépôt métallique, recouvrant en partie, une ou les deux faces, de la lame diélectrique (9) constituant la fenêtre.

5. Fenêtre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le transformateur demi-onde (8) présente une discontinuité en son milieu et en ce que le ou les volets selfiques et le ou les lames diélectriques reposent directement sur les parois du dispositif hyperfréquence.

6. Guide d'onde de section quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte une fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications à 5.

7. Guide d'onde de section rectangulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transformateur demi-onde (8) est réalisé en diminuant, symétriquement ou non par rapport au plan médian longitudinal (π₆) du guide d'onde, la hauteur du guide sur la demi-longueur d'onde(λ_o/2) environ.

8. Guide d'onde de section rectangulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transformateur demi-onde (8) est réalisé par une plaque métallique recouvrant sur la demi-longueur d'onde (λ_o/2) environ,au moins l'un des grands cotés du guide.

9. Guide d'onde selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fenêtre est brasée a la jonction de deux demi-guides en même temps que les demi-guides sont brasés l'un à l'autre, chaque demi-guide comportant déjà un demi-transformateur (8).