EP0467818A1 - Elément de transition entre guides d'ondes électromagnétiques, notamment entre un guide d'ondes circulaire et un guide d'ondes coaxial - Google Patents

Elément de transition entre guides d'ondes électromagnétiques, notamment entre un guide d'ondes circulaire et un guide d'ondes coaxial Download PDF

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EP0467818A1
EP0467818A1 EP91460038A EP91460038A EP0467818A1 EP 0467818 A1 EP0467818 A1 EP 0467818A1 EP 91460038 A EP91460038 A EP 91460038A EP 91460038 A EP91460038 A EP 91460038A EP 0467818 A1 EP0467818 A1 EP 0467818A1
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EP
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transition
circular
guide
transition element
bearing
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Christian Sabatier
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Orange SA
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France Telecom SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H01P5/103—Hollow-waveguide/coaxial-line transitions

Definitions

  • the field of the invention is that of transition elements between electromagnetic waveguides.
  • the waveguides are the elements ensuring the guided transmission of an electromagnetic signal for example between a source and a radiating element.
  • the most common microwave signal transmission components are the rectangular guide, the circular guide and the coaxial guide.
  • Transition elements are elements that are simply inserted between two guides of different types to change the transmission technology. Thus, there are transition elements making it possible to pass from a technology from rectangular guide to coaxial guide, from rectangular guide to circular guide, from circular guide to coaxial guide, and vice versa.
  • the most frequently used transitions are those allowing to pass from a rectangular or circular guide technology to a coaxial guide.
  • Circular guides are preferably used in certain frequency bands, because they have notable advantages: they are easier to produce than rectangular wave guides and their circular configuration allows them to be used as rotating joints (especially in the field of rotating antennas used for aerial and maritime surveillance) mechanically dissociating a fixed assembly from a mobile assembly, without creating discontinuity in the guided propagation.
  • the present invention specifically relates to the transitions between circular electromagnetic waveguides and the coaxial electromagnetic waveguides.
  • FIG. 2 represents a longitudinal section of a transition between a circular guide and a coaxial guide.
  • An electromagnetic wave propagates in a direction 24 in a circular guide 21 to which is connected a transition 22 of radius A comprising in its center a conical conductor 20.
  • the conical conductor 20 constitutes one end of a circular conductor 23 of radius B forming a conductor center of a coaxial guide 25.
  • the transition 22 constitutes one end of a coaxial waveguide 25.
  • the coaxial guide 25 consists of two conductors 23, 26 of external A and internal radii B and a dielectric 27 allowing placing the internal conductor 23 coaxially inside the external guide 26.
  • the dielectric can either completely fill the section between the internal conductor 23 and the external guide 26 over the entire length of extension of the coaxial guide, or consist of thin dielectric discs spaced apart and arranged regularly along the coaxial guide. The dielectric chosen must of course not disturb the transmission of waves carried out.
  • the progressive transition 22 is characterized by an angle ⁇ .
  • the value of the angle ⁇ is between 7 and 10 degrees, depending on the bandwidth and the standing wave ratio (R.O.S.) desired.
  • the relationships between the R.O.S., the bandwidth and the angle ⁇ are such that the angle ⁇ must be small if a high bandwidth or an R.O.S. low (low mismatch, high transferred power).
  • a significant transition length constitutes a non-negligible drawback, in particular in the case where it is not possible to accept a compromise on the transmission characteristics.
  • transition 22 the longer the transition 22, the greater its weight. This constitutes a major drawback, in particular in the case where such a transition 22 must be part of a device mounted on a satellite.
  • the present invention aims in particular to overcome these drawbacks.
  • a first objective of the present invention is to implement a transition element between a circular electromagnetic waveguide and a coaxial electromagnetic waveguide of reduced length and mass compared to existing transitions, for a bandwidth and an equivalent adaptation.
  • a second objective of the present invention is to provide such a transition element ensuring conservation of the desired propagation mode or modes, and avoiding the excitation of unwanted modes.
  • the invention aims not to excite, in the coaxial waveguide, the TEM mode.
  • Another objective of the invention is also to present a circular guide / coaxial guide transition element whose position of the central conductor is less critical than in the case of a conical central conductor end.
  • a transition element for electromagnetic waveguides of the type intended to ensure the transition between a circular waveguide and a coaxial waveguide , comprising a circular outer guide cooperating with an inner conductor forming an end portion of the central conductor of said coaxial waveguide, said inner conductor having at least one intermediate transition bearing of substantially constant section over its entire length.
  • said inner conductor has essentially steep shoulders at the two ends of each of said intermediate bearings.
  • Said inner conductor can also have a conical or frustoconical leading edge.
  • said inner conductor is formed of a first end bearing of circular section having an abrupt leading edge, of a second bearing of circular section, of radius greater than the radius of said first end bearing, said second bearing having a first abrupt shoulder connecting to said first end bearing and a second abrupt shoulder connecting to said central conductor of said coaxial waveguide.
  • said circular outer guide has a narrowing section of its inner diameter at said one or more intermediate bearings of said inner conductor.
  • said narrowing section has a constant reduced diameter over a length substantially centered on the leading edge of the end of said inner conductor.
  • said inner conductor has two consecutive intermediate bearings, and said narrowing section of said outer guide extends approximately up to the middle portion of the second intermediate bearing of larger radius.
  • said narrowing section has essentially steep shoulders at its two ends.
  • a particular application of the transition according to the invention resides in dual-band duplexers.
  • Figure 2 shows a longitudinal section of a transition of the existing type.
  • the known transitions are of the progressive type and characterized by the value of the angle ⁇ .
  • the cut-off frequency of the coaxial guide 25 increases when the rays A or B decrease and the ratio of the rays A / B decreases.
  • the reduction in the angle ⁇ results in a longer transition length 22 if one wishes to keep a reasonably low cut-off frequency and therefore a large passband.
  • FIG. 3 represents a longitudinal section of a transition 30 circular guide 21 / coaxial guide 25 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the transition 30 shown can be broken down into two parts:
  • an inner guide constituted by a central conductor 33 composed of two bearings 34, 35 of respective radii R2 and R3 and of respective lengths L2 and L3 with an abrupt transition 38 between the bearings 34 and 35 and a second abrupt transition 39 between the second bearing 35 and the portion of central conductor with the largest radius, this portion of central conductor forming the end of the central conductor 23 of the guide coaxial 25.
  • the constriction section 32 is delimited by two shoulders 40 and 41, advantageously essentially abrupt, and is located at the level of the intermediate bearings 34, 35.
  • the leading edge 36 of the inner conductor 33 is advantageously abrupt and perpendicular to the direction of propagation 24 of the microwave wave.
  • the position of the central conductor 33 is not as critical as in the case where the leading edge 36 is conical or frustoconical. Indeed, in the case where the leading edge 36 of the central conductor 33 is conical or frustoconical, it is absolutely necessary to place the leading edge in the center of the waveguide 21 under penalty of exciting propagation modes unwanted, for example the TEM mode of the waveguide which can propagate whatever the frequency of the propagated signal.
  • an inner conductor 33 having a different number of bearings 34.35 is entirely conceivable, as is a different number of bearings on the outer guide at the level of the transition 30.
  • the number of bearings is as a function of the desired bandwidth and of the geometry of the circular 21 and coaxial waveguide 25.
  • the addition of additional transitions results in a greater length of the transition 30, without necessarily improving the ROS, the relationship linking the frequency and the speed of propagation of the wave in the guide not being linear for the TE11 mode because of the dispersion.
  • the leading edge 36 is preferably located approximately in the middle of the narrowing section, but another position of the leading edge 36 with respect to this section is possible, depending on the transmission characteristics to be obtained.
  • a preferred embodiment of the present invention consists in that the narrowing portion 32 of the outer guide 31 extends approximately to the middle portion of the second bearing 35 of radius R3.
  • the transition 30 can either constitute one end of the coaxial guide 25, which in this case can be joined together (using fixing means not shown) with the circular guide 21, or be integrated into a monobloc assembly consisting of the circular guide 21, of the transition 30 and of the coaxial guide 25.
  • the modes TE 1X and TM 1X can be excited by a discontinuity for an excitation in mode TE11 in the direction 24.
  • the dominant mode is thus the mode TE11 and the first higher mode is the TM11 mode in the two waveguides.
  • a circular guide of radius A 40 mm
  • its cut-off frequency is 2.198 GHz for TE11 mode and 4.574 GHz for TM11 mode.
  • a coaxial guide of radii 14 and 40 mm for the central conductor and the external guide respectively has a cut-off frequency of 1.815 GHz for TE11 mode and 5.989 GHz for TM11 mode.
  • the propagation of the dominant mode TE11 is theoretically possible for frequencies ranging from 2.198 GHz to 4.574 GHz.
  • the lower cutoff frequency is a little higher, on the order of 2.25 GHz.
  • the bandwidth is therefore in practice from 2.25 to 4.5 GHz if the transition element is not taken into account.
  • the passband is given by: (F a -F b ) / F b , with F at the high frequency of F b the low frequency.
  • transition 30 has the same bandwidth and R.O.S. that a transition 22 as shown in FIG. 2, with geometries of the inlet guides (circular guide 21) and outlet (coaxial guide 25) equal.
  • the main advantage of the present invention is that the length of the transition 30 having the characteristics stated above is no more than 54.55 mm (L1 + L4), a gain of 45.45% in size. By analogy with classic transitions, this length corresponds to an angle ⁇ of 14.45 degrees. In this case, the bandwidth is only 25% for an R.O.S. less than 1.12, which shows the advantage of using a "compact" transition 30 according to the invention.
  • the R.O.S. remains the same regardless of the direction of propagation of the microwave wave (from the circular guide to the coaxial guide or from the coaxial guide to the circular guide).
  • transition 30 being shorter, its mass is less than that of the known transitions. This notably favors the use of such a "compact" transition 30 in a device operating on a satellite.
  • bearings can be added and the dimensions of the various discontinuities (bearings of the inner conductor, notch of the outer guide, etc.) can be modified, depending on the result to be obtained (strip busy, ROS).
  • Figure 4 shows the evolution of R.O.S. for the TE11 transmission mode, for a transition according to the invention and an abrupt transition.
  • the transmission frequency on the abscissa varies from 3 to 4.5 GHz (50% of the bandwidth in TE11 mode).
  • Characteristic 50 represents the variation of R.O.S. in the case of a "compact" stepwise transition according to the invention between a circular guide and a coaxial guide. The dimensions of the previous lengths and radii are respected. We see that for a bandwidth of 50%, the R.O.S. remains below 1.12, whatever the transmission frequency, and notably passes through a minimum around 3.3 GHz.
  • Characteristic 51 is that of an abrupt transition between the same guides as before: the external radius of the coaxial waveguide is 40 mm and the radius of the circular guide also.
  • the radius of the internal conductor of the coaxial guide is 14 mm and this conductor has a truncated end.
  • Feature 51 has an R.O.S. constantly higher than 1.9, a minimum around 3.4 GHz and the R.O.S. increases considerably when the frequency goes beyond 4 GHZ.
  • a particular application of the transitions between circular guides and coaxial guides lies in particular in the production of dual-band and bi-polarization duplexers.
  • the invention can in particular be applied to a dual band duplexer as shown diagrammatically in FIG. 1, using a transition between a circular guide and a coaxial guide.
  • such a device comprises a circular guide 10 integral with a transition 11 followed by a set 12 of two duplexers then a coaxial guide 13.
  • the coaxial guide 13 comprises in its center a conductive element 14 which extends all along the coaxial guide and its end 15 is located in the transition zone 11.
  • the coupling of the duplexer part with waveguides is produced by symmetrical slots.
  • the polarization horizontal or vertical, is not identical in the two frequency bands.
  • the excitation of the high band is done via a circular waveguide excited in TE11 mode.
  • the two polarizations can exist, depending on the excitation of the TE11 mode in the circular waveguide.
  • excitation is carried out by coupling using a slot between a rectangular guide and the coaxial guide. It is necessary to use two symmetrical slots to excite the TE11 mode of the coaxial guide.
  • the excitation of the TEM mode which propagates regardless of the geometry of the guide and the working frequency cannot be carried out in this way.
  • the separation of the rectangular input waveguide (not shown) into two identical rectangular guides for excitation of the symmetrical slots is carried out using a tee.
  • duplexer compared to a duplexer whose output is in a circular guide is that the bandwidth is greater in the case of the coaxial guide.
  • the appearance of the higher modes occurs at higher frequencies in coaxial guide than in circular guide, provided that the radii of the two conductors of the coaxial guide (inside and outside) are properly chosen. In this case, the frequency spacing between the two bands can then be greater.
  • the step transition makes it possible to obtain a low ROS, and the dual-band duplexer used therefore does not, in principle, require adaptation.
  • a "compact" transition of the type of the invention finds application in many fields, in particular that of duplexers, and generally whenever it is necessary to switch from a circular waveguide transmission to a guide transmission coaxial, and vice versa.

Landscapes

  • Waveguide Connection Structure (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguides (AREA)

Abstract

Selon l'invention l'élément de transition pour guides d'ondes électromagnétiques est du type destiné à assurer la transition entre un guide d'ondes circulaire (21) et un guide d'ondes coaxial (25), et est constitué par un guide extérieur (31) circulaire coopérant avec un conducteur intérieur (33) formant portion d'extrémité du conducteur central (23) du guide d'ondes coaxial (25), le conducteur intérieur (33) présentant au moins un palier intermédiaire de transition (34,35) de section sensiblement constante sur toute sa longueur. Il s'applique notament à la réalisation de duplexeurs bibandes. <IMAGE>

Description

  • Le domaine de l'invention est celui des éléments de transition entre guides d'ondes électromagnétiques.
  • Dans le domaine des hyperfréquences, les guides d'ondes sont les éléments assurant la transmission guidée d'un signal électromagnétique par exemple entre une source et un élément rayonnant. Les éléments de transmission de signaux hyperfréquence les plus répandus sont le guide rectangulaire, le guide circulaire et le guide coaxial.
  • Les éléments de transition sont des éléments que l'on intercale simplement entre deux guides de types différents pour changer de technologie de transmission. Ainsi, il existe des éléments de transition permettant de passer d'une technologie de guide rectangulaire en guide coaxial, de guide rectangulaire en guide circulaire, de guide circulaire en guide coaxial, et réciproquement.
  • Les transitions les plus fréquemment utilisées sont celles permettant de passer d'une technologie de guide rectangulaire ou circulaire en guide coaxial.
  • Les guides circulaires sont de préférence utilisés dans certaines bandes de fréquence, du fait qu'ils présentent des avantages notables: ils sont plus faciles à réaliser que les guides d'ondes rectangulaires et leur configuration circulaire permet de les employer en tant que joints tournants (notamment dans le domaine des antennes tournantes employées pour la surveillance aérienne et maritime) dissociant mécaniquement un ensemble fixe d'un ensemble mobile, sans créer de discontinuité dans la propagation guidée.
  • La présente invention a précisément pour objet les transitions entre des guides d'ondes électromagnétiques circulaires et les guides d'ondes électromagnétiques coaxiaux.
  • De façon connue, le passage d'un guide circulaire à un guide coaxial se fait par apparition progressive d'un conducteur intérieur comme représenté à la figure 2.
  • La figure 2 représente une coupe longitudinale d'une transition entre un guide circulaire et un guide coaxial.
  • Une onde électromagnétique se propage selon un sens 24 dans un guide circulaire 21 auquel est raccordée une transition 22 de rayon A comprenant en son centre un conducteur conique 20. Le conducteur conique 20 constitue une extrémité d'un conducteur circulaire 23 de rayon B formant conducteur central d'un guide coaxial 25. La transition 22 constitue une extrémité d'un guide d'ondes coaxial 25. Le guide coaxial 25 est constitué de deux conducteurs 23,26 de rayons extérieur A et intérieur B et d'un diélectrique 27 permettant de placer le conducteur interne 23 coaxialement à l'intérieur du guide externe 26. Le diélectrique peut soit remplir complètement la section comprise entre le conducteur interne 23 et le guide externe 26 sur toute la longueur d'extension du guide coaxial, soit consister en de fines rondelettes de diélectrique espacées entre elles et disposées régulièrement le long du guide coaxial. Le diélectrique choisi doit bien entendu ne pas perturber la transmission d'ondes effectuée.
  • La transition progressive 22 est caractérisée par un angle α. Habituellement la valeur de l'angle α est comprise entre 7 et 10 degrés, suivant la bande passante et le rapport d'ondes stationnaires (R.O.S.) souhaités. Les relations entre le R.O.S., la bande passante et l'angle α sont telles que l'angle α doit être petit si on veut une bande passante élevée ou un R.O.S. faible (désadaptation faible, puissance transférée importante).
  • Ainsi, afin que les transitions réalisées ne limitent pas trop la bande passante ou ne provoquent pas de réflexions trop importantes dues à une désadaptation, il est nécessaire de choisir un angle α faible, pour un rayon B du conducteur central constant, d'où une longueur de transition 22 relativement grande.
  • Une longueur de transition importante constitue un inconvénient non négligeable, notamment dans le cas où l'on ne peut pas accepter de compromis sur les caractéristiques de transmission. Ainsi, pour conserver une fréquence de coupure et une bande passante convenables, il n'est pas toujours possible de diminuer le rayon B du conducteur central 23 pour diminuer la longueur de la transition 22.
  • Par ailleurs, plus la transition 22 est longue, plus son poids est conséquent. Cela constitue un inconvénient majeur, notamment dans le cas où une telle transition 22 doit faire partie d'un dispositif monté sur un satellite.
  • Un autre inconvénient des transitions connues est que l'extrémité 28 de la partie conique 20 du conducteur central 23 doit absolument être placée au centre du guide d'ondes circulaire 21, afin de ne pas exciter des modes non désirés, en particulier le mode TEM (Transverse Electrique Magnétique) du guide d'ondes coaxial 25 qui peut se propager quelque soit la fréquence de transmission.
  • La présente invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients.
  • Plus précisément, un premier objectif de la présente invention est de mettre en oeuvre un élément de transition entre un guide d'ondes électromagnétiques circulaire et un guide d'ondes électromagnétiques coaxial de longueur et masse réduites par rapport aux transitions existantes, pour une bande passante et une adaptation équivalentes.
  • Un second objectif de la présente invention est de fournir un tel élément de transition assurant une conservation du ou des modes de propagation souhaités, et évitant l'excitation de modes non voulus. Notamment, l'invention vise à ne pas exciter, dans le guide d'ondes coaxial, le mode TEM.
  • Un autre objectif de l'invention est encore de présenter un élément de transition guide circulaire/guide coaxial dont la position du conducteur central est moins critique que dans le cas d'une extrémité de conducteur central conique.
  • Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un élément de transition pour guides d'ondes électromagnétiques, du type destiné à assurer la transition entre un guide d'ondes circulaire et un guide d'ondes coaxial, comprenant un guide extérieur circulaire coopérant avec un conducteur intérieur formant portion d'extrémité du conducteur central dudit guide d'ondes coaxial, ledit conducteur intérieur présentant au moins un palier intermédiaire de transition de section sensiblement constante sur toute sa longueur.
  • L'utilisation de tels paliers, à la place de moyens classiques de section continûment variable, permet de réduire l'encombrement de la transition de près de 50 %, pour des bandes passantes et une adaptation équivalentes.
  • Avantageusement, ledit conducteur intérieur présente des épaulements essentiellement abrupts aux deux extrémités de chacun desdits paliers intermédiaires.
  • Ainsi, les problèmes de centrage du conducteur intérieur s'avèrent beaucoup moins cruciaux.
  • Ledit conducteur intérieur peut également présenter un front d'attaque conique ou tronconique.
  • Avantageusement, ledit conducteur intérieur est formé d'un premier palier d'extrémité de section circulaire présentant un front d'attaque abrupt, d'un second palier de section circulaire, de rayon supérieur au rayon dudit premier palier d'extrémité, ledit second palier présentant un premier épaulement abrupt de liaison audit premier palier d'extrémité et un second épaulement abrupt de liaison audit conducteur central dudit guide d'ondes coaxial.
  • Selon un mode de mise en oeuvre préférentiel de la présente invention, ledit guide extérieur circulaire présente une section de rétrécissement de son diamètre intérieur au niveau dudit ou desdits paliers intermédiaires dudit conducteur intérieur.
  • Préférentiellement, ladite section de rétrécissement présente un diamètre réduit constant sur une longueur centrée sensiblement sur le front d'attaque de l'extrémité dudit conducteur intérieur.
  • Avantageusement, ledit conducteur intérieur présente deux paliers intermédiaires consécutifs, et ladite section de rétrécissement dudit guide extérieur s'étend approximativement jusqu'à la portion médiane du second palier intermédiaire de plus grand rayon.
  • De préférence, ladite section de rétrécissement présente des épaulements essentiellement abrupts à ses deux extrémités.
  • Une application particulière de la transition selon l'invention réside dans les duplexeurs bibandes.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre avantageux de la présente invention, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels:
    • la figure 1 est une représentation schématique d'un duplexeur bibande utilisant une transition entre un coupe circulaire et un guide coaxial.
    • la figure 2 représente une coupe longitudinale d'une transition entre un guide circulaire et un guide coaxial du type existant;
    • la figure 3 représente une coupe latérale d'une transition selon un mode de mise en oeuvre particulier de la présente invention.
    • la figure 4 représente l'évolution du R.O.S. pour des fréquences de transmission allant de 3 à 4,5 GHz, pour une transition selon l'invention et une transition abrupte.
  • La figure 2 représente une coupe longitudinale d'une transition du type existant.
  • Comme précédemment décrit les transitions connues sont du type progressives et caractérisées par la valeur de l'angle α. La fréquence de coupure du guide coaxial 25 augmente lorsque les rayons A ou B diminuent et que le rapport des rayons A/B diminue. Ainsi, la diminution de l'angle α entraîne une longueur de transition 22 plus importante si l'on veut conserver une fréquence de coupure raisonnablement faible et donc une bande passante importante.
  • La figure 3 représente une coupe longitudinale d'une transition 30 guide circulaire 21/guide coaxial 25 selon un mode de mise en oeuvre préférentiel de la présente invention.
  • La transition 30 représentée peut être décomposée en deux parties:
  • - un guide extérieur circulaire 31 de rayon A présentant avantageusement une échancrure 32, ou section de rétrécissement de rayon R₁ et de longueur L₁, permettant de concentrer le champ électromagnétique;
  • - un guide intérieur constitué par un conducteur central 33 composé de deux paliers 34,35 de rayons respectifs R₂ et R₃ et de longueurs respectives L₂ et L₃ avec une transition abrupte 38 entre les paliers 34 et 35 et une seconde transition abrupte 39 entre le second palier 35 et la portion de conducteur central de rayon le plus important, cette portion de conducteur central formant l'extrémité du conducteur central 23 du guide coaxial 25.
  • La section de rétrécissement 32 est délimitée par deux épaulements 40 et 41, avantageusement essentiellement abrupts, et se situe au niveau des paliers intermédiaires 34,35.
  • Le front d'attaque 36 du conducteur intérieur 33 est avantageusement abrupt et perpendiculaire au sens de propagation 24 de l'onde hyperfréquence. Dans ce cas, la position du conducteur central 33 n'est pas aussi critique que dans le cas où le front d'attaque 36 est conique ou tronconique. En effet, dans le cas où le front d'attaque 36 du conducteur central 33 est conique ou tronconique, il est absolument nécessaire de placer le front d'attaque au centre du guide d'ondes 21 sous peine d'exciter des modes de propagation non désirés, par exemple le mode TEM du guide d'ondes qui peut se propager quelque soit la fréquence du signal propagé.
  • Il est cependant tout à fait possible d'utiliser un front d'attaque 42 du conducteur central 33 conique, le bon positionnement du conducteur central 33 étant dès lors primordial pour une bonne propagation de l'onde hyperfréquence. Le front d'attaque peut également être tronconique.
  • La mise en oeuvre d'un conducteur intérieur 33 présentant un nombre de paliers 34,35 différent est tout à fait envisageable, de même qu'un nombre de paliers différent sur le guide extérieur au niveau de la transition 30. Le nombre de paliers est fonction de la bande passante désirée et de la géométrie du guide d'ondes circulaire 21 et coaxial 25. L'ajoût de transitions supplémentaires entraîne une longueur plus importante de la transition 30, sans nécessairement améliorer le R.O.S., la relation liant la fréquence et la vitesse de propagation de l'onde dans le guide n'étant pas linéaire pour le mode TE₁₁ à cause de la dispersion.
  • Le front d'attaque 36 est préférentiellement situé approximativement au milieu de la section de rétrécissement, mais une autre position du front d'attaque 36 par rapport à cette section est envisageable, suivant les caractéristiques de transmission à obtenir.
  • Par ailleurs, un mode de mise en oeuvre préférentiel de la présente invention consiste en ce que la portion de rétrécissement 32 du guide extérieur 31 s'étend approximativement jusqu'à la portion médiane du second palier 35 de rayon R₃.
  • La transition 30 peut soit constituer une extrémité du guide coaxial 25, qui est dans ce cas solidarisable (à l'aide de moyens de fixation non représentés) avec le guide circulaire 21, soit être intégrée dans un ensemble monobloc constitué du guide circulaire 21, de la transition 30 et du guide coaxial 25.
  • Dans le cas d'une structure à symétrie de révolution, seuls les modes TE1X et TM1X peuvent être excités par une discontinuité pour une excitation en mode TE₁₁ dans le sens 24. Le mode dominant est donc le mode TE₁₁ et le premier mode supérieur est le mode TM₁₁ dans les deux guides d'ondes.
  • Si l'on considère par exemple un guide circulaire de rayon A = 40 mm, sa fréquence de coupure est de 2,198 GHz pour le mode TE₁₁ et de 4,574 GHz pour le mode TM₁₁. De même, un guide coaxial de rayons 14 et 40 mm pour le conducteur central et le guide externe respectivement, présente une fréquence de coupure de 1,815 GHz pour le mode TE₁₁ et de 5,989 GHz pour le mode TM₁₁.
  • Ainsi, la propagation du mode dominant TE₁₁ est théoriquement possible pour des fréquences allant de 2,198 GHz à 4,574 GHz. En pratique, pour que la dispersion soit acceptable, la fréquence de coupure inférieure est un petit peu supérieure, de l'ordre de 2,25 GHz. La bande passante est donc en pratique de 2,25 à 4,5 GHz si l'on ne tient pas compte de l'élément de transition.
  • La bande passante est donnée par: (Fa-Fb)/Fb,avec Fa la fréquence haute de Fb la fréquence basse.
  • Pour la configuration d'une transition connue telle que représentée à la figure 2, en respectant une bande passante de 50% (3 à 4,5 GHz), avec un R.O.S. inférieur à 1, 12 (bonne adaptation de la transition), on obtient une taille de la transition 22 de 100 mm pour un rapport A/B = 2,85 (A = 40 mm et B = 14 mm) et un angle α de 8 degrés. La bande passante est volontairement limitée à 50% pour ne pas dégrader le R.O.S.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, on adopte la géométrie suivante: R₁ = 38,72 mm; R₂ = 5,94 mm; R₃ = 10,3 mm; L₁ = 52,48 mm; L₂ = 21,19 mm; L₃ = 22,66 mm; L₄ = 2,07 mm;
    1.4 étant la distance entre l'épaulement de liaison du second palier 35 au conducteur central 23 et le palier de liaison de la section de rétrécissement 32 du conducteur extérieur 31 au conducteur extérieur 23 de plus grand rayon. On obtient avec ces valeurs les caractéristiques de transmission suivantes:
    • bande passante équivalente (de 3 à 4,5 GHz, soit 50%);
    • R.O.S. inférieur à 1,12 c'est à dire de valeur équivalente.
  • On constate donc que la transition 30 selon le mode de réalisation décrit présente les mêmes caractéristiques de bande passante et de R.O.S. qu'une transition 22 telle que représentée à la figure 2, avec des géométries des guides d'entrée (guide circulaire 21) et de sortie (guide coaxial 25) égales.
  • Le principal avantage de la présente invention est que la longueur de la transition 30 possédant les caractéristiques précédemment énoncées n'est plus que de 54,55 mm (L₁ + L₄), soit un gain de 45,45% en encombrement. Par analogie avec les transitions classiques, cette longueur correspond à un angle α de 14,45 degrés. Dans ce cas, la bande passante n'est plus que de 25% seulement pour un R.O.S. inférieur à 1,12, ce qui montre l'intérêt d'utiliser une transition "compacte" 30 selon l'invention. Le R.O.S. reste le même quelle que soit la direction de propagation de l'onde hyperfréquence (du guide circulaire vers le guide coaxial ou du guide coaxial vers le guide circulaire).
  • De plus, la transition 30 étant plus courte, sa masse est inférieure à celle des transitions connues. Cela favorise notamment l'utilisation d'une telle transition "compacte" 30 dans un dispositif fonctionnant sur un satellite.
  • Bien entendu, des paliers supplémentaires peuvent être ajoutés et les dimensions des diverses discontinuités (paliers du conducteur intérieur, échancrure du guide extérieur,...) peuvent être modifiées, suivant le résultat à obtenir (bande passante, R.O.S.).
  • Il est également envisageable d'effectuer la liaison des paliers 34,35 successifs par des épaulements obliques, les paliers restant bien entendu parallèles au sens 24 de propagation de l'onde électromagnétique.
  • La figure 4 représente l'évolution du R.O.S. pour le mode de transmission TE₁₁, pour une transition selon l'invention et une transition abrupte.
  • La fréquence de transmission en abscisse varie de 3 à 4,5 GHz (50% de la bande passante en mode TE₁₁).
  • La caractéristique 50 représente la variation du R.O.S. dans le cas d'une transition "compacte" par paliers selon l'invention entre un guide circulaire et un guide coaxial. Les dimensions des longueurs et des rayons précédentes sont respectées. On constate que pour une bande passante de 50%, le R.O.S. reste inférieur à 1,12, quelle que soit la fréquence de transmission, et passe notamment par un minimum aux alentours de 3,3 GHz.
  • La caractéristique 51 est celle d'une transition abrupte entre les mêmes guides que précédemment: le rayon externe du guide d'ondes coaxial est de 40 mm et le rayon du guide circulaire également. Le rayon du conducteur interne du guide coaxial est de 14 mm et ce conducteur présente une extrémité tronquée. La caractéristique 51 présente un R.O.S. constamment supérieur à 1,9, un minimum aux alentours de 3,4 GHz et le R.O.S. augmente considérablement lorsque la fréquence passe au-delà de 4 GHZ.
  • Ces résultats montrent clairement l'avantage d'utiliser une transition "compacte" à paliers selon la présente invention.
  • Une application particulière des transitions entre guides circulaires et guides coaxiaux réside notamment dans la réalisation de duplexeurs bi-bandes et bi-polarisations. L'invention peut notamment s'appliquer à un duplexeur bibande tel que schématisé à la figure 1, utilisant une transition entre un guide circulaire et un guide coaxial.
  • Comme représenté en figure 1, un tel dispositif comprend un guide circulaire 10 solidaire d'une transition 11 suivie d'un ensemble 12 de deux duplexeurs puis d'un guide coaxial 13. Le guide coaxial 13 comprend en son centre un élément conducteur 14 qui s'étend tout le long du guide coaxial et son extrémité 15 est située dans la zone de transition 11. Le couplage de la partie duplexeurs avec des guides d'ondes (non représentés) est réalisé par fentes symétriques.
  • En règle générale, la polarisation, horizontale ou verticale, n'est pas identique dans les deux bandes de fréquence.
  • L'excitation de la bande haute se fait par l'intermédiaire d'un guide d'ondes circulaire excité en mode TE₁₁. Les deux polarisations peuvent exister, selon l'excitation du mode TE₁₁ dans le guide d'ondes circulaire.
  • Pour la bande basse, l'excitation est effectuée par couplage à l'aide d'une fente entre un guide rectangulaire et le guide coaxial. Il est nécessaire d'utiliser deux fentes symétriques pour exciter le mode TE₁₁ du guide coaxial. L'excitation du mode TEM qui se propage quelle que soit la géométrie du guide et la fréquence de travail ne peut pas être effectuée de cette manière là. La séparation du guide d'ondes rectangulaire d'entrée (non représenté) en deux guides rectangulaires identiques d'excitation des fentes symétriques est effectuée à l'aide d'un té.
  • Il est également possible d'obtenir les deux polarisations suivant la position des deux fentes symétriques. Afin qu'il y ait propagation de l'onde vers l'élément rayonnant et non vers le guide circulaire 10 , le rayon du guide circulaire 10 doit constituer un court-circuit pour toutes les fréquences de la bande basse.
  • L'intérêt d'un tel duplexeur par rapport à un duplexeur dont la sortie est en guide circulaire est que la bande passante est plus importante dans le cas du guide coaxial. L'apparition des modes supérieurs se fait à des fréquences plus élevées en guide coaxial qu'en guide circulaire, à condition de choisir convenablement les rayons des deux conducteurs du guide coaxial (intérieur et extérieur). Dans ce cas, l'espacement en fréquence entre les deux bandes peut alors être plus important.
  • Dans le cas de la mise en oeuvre de la technologie de transition "compacte" de l'invention, la transition par palier permet d'obtenir un R.O.S. faible, et le duplexeur bibande utilisé ne nécessite donc pas, en principe, d'adaptation. Une transition "compacte" 30 du type de l'invention trouve application dans de nombreux domaines, notamment dans celui des duplexeurs, et généralement chaque fois qu'il est nécessaire de passer d'une transmission en guide d'ondes circulaire en une transmission en guide coaxial, et réciproquement.

Claims (9)

  1. Elément de transition pour guides d'ondes électromagnétiques, du type destiné à assurer la transition entre un guide d'ondes circulaire (21) et un guide d'ondes coaxial (25), comprenant un conducteur central (23), caractérisé en ce qu'il comprend un guide extérieur (31) circulaire coopérant avec un conducteur intérieur (33) formant portion d'extrémité du conducteur central (23) dudit guide d'ondes coaxial (25), ledit conducteur intérieur (33) présentant au moins un palier intermédiaire de transition (34,35) de section sensiblement constante sur toute sa longueur.
  2. Elément de transition selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (33) présente des épaulements (38,39) essentiellement abrupts aux deux extrémités de chacun desdits paliers intermédiaires (34,35).
  3. Elément de transition selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (33) présente un front d'attaque (42) conique ou tronconique.
  4. Elément de transition selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (33) est formé d'un premier palier d'extrémité (34) de section circulaire présentant un front d'attaque (36) abrupt, d'un second palier (35) de section circulaire, de rayon (R₃) supérieur au rayon (R₂) dudit premier palier d'extrémité (34), ledit second palier (35) présentant un premier épaulement (38) abrupt de liaison audit premier palier (34) et un second épaulement (39) abrupt de liaison audit conducteur central (23) dudit guide d'ondes coaxial (25).
  5. Elément de transition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit guide extérieur circulaire (31) présente une section de rétrécissement (32) de son diamètre intérieur au niveau dudit ou desdits paliers intermédiaires (34,35) dudit conducteur intérieur (33).
  6. Elément de transition selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite section de rétrécissement (32) présente un diamètre (R₁) réduit constant sur une longueur (L₁) centrée sensiblement sur le front d'attaque (36) de l'extrémité dudit conducteur intérieur (33).
  7. Elément de transition selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit conducteur intérieur (33) présente deux paliers intermédiaires (34,35) consécutifs, et en ce que ladite section de rétrécissement (32) dudit guide extérieur (31) s'étend approximativement jusqu'à la portion médiane du second palier intermédiaire (35) de plus grand rayon (R₃).
  8. Elément de transition selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que ladite section de rétrécissement (32) présente des épaulements (39,40) essentiellement abrupts à ses deux extrémités.
  9. Duplexeur bibande caractérisé en ce qu'il comporte un élément de transition selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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