EP2281320A1 - Coupleur pour systeme radio frequences multibandes - Google Patents

Coupleur pour systeme radio frequences multibandes

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EP2281320A1
EP2281320A1 EP09727369A EP09727369A EP2281320A1 EP 2281320 A1 EP2281320 A1 EP 2281320A1 EP 09727369 A EP09727369 A EP 09727369A EP 09727369 A EP09727369 A EP 09727369A EP 2281320 A1 EP2281320 A1 EP 2281320A1
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EP
European Patent Office
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central
waveguide
coupler
peripheral
waveguides
Prior art date
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Application number
EP09727369A
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German (de)
English (en)
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EP2281320B1 (fr
Inventor
Nelson Fonseca
Paddy Perottino
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2281320B1 publication Critical patent/EP2281320B1/fr
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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
    • H01P5/12—Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers
    • H01P5/181—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides
    • H01P5/182—Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers the guides being hollow waveguides the waveguides being arranged in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • H01P1/161—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion sustaining two independent orthogonal modes, e.g. orthomode transducer

Definitions

  • the invention relates to the field of radio frequency (RF) multiband communications and finds application in satellite telecommunications systems combining, for example, the Ku and Ka bands.
  • RF radio frequency
  • the invention relates in particular to a coupler that can be integrated into the power supply system of a multiband antenna.
  • Tx transmission frequency bands
  • Rx reception
  • - Ka / Rx from 27.5 GHz to 30 GHz
  • - Ka / Tx from 17.7 GHz to 20.2 GHz
  • - Ku / Rx from 13.75 GHz to 14.5 GHz;
  • This circuit generally comprises O dB coupler type components and / or ortho-mode junctions each allowing the extraction of one of the frequency bands.
  • the design of the power system components can be complex.
  • the invention relates to a coupler for a multiband radio system ensuring a total coupling (this is called OdB coupler) of the radio frequency power of the highest frequency band of a multiband system while providing a sufficient isolation with the lower frequency bands.
  • the invention relates to a coupler for a multi-band radio frequency system comprising: a central waveguide; a plurality of peripheral waveguides; coupling means.
  • the coupler of the invention is characterized in that the peripheral waveguides are parallelepipedic and connected along a long side of the section of the peripheral waveguide to the central waveguide by means of the coupling means so forming a symmetrical coupler structure, the axis of symmetry of the structure being the central longitudinal axis of the central waveguide.
  • the central waveguide and the peripheral waveguides are sized to have the same propagation constant at the operating frequency of the peripheral guides, i.e., the high frequency band.
  • the absence of dielectric material also makes it possible to reduce the insertion losses in the peripheral guides. It is in fact known to use a dielectric material in the peripheral guides to accentuate the frequency selectivity of the coupling.
  • this selectivity is obtained in part by the height of the coupling means (which are preferably coupling slots), resulting in a natural rejection of the signals in the low bands.
  • This attenuation can then be accentuated by a recombination circuit of the peripheral guides sized with guides also under cut for the low bands.
  • the symmetry provided to the structure of the coupler of the invention makes it possible to minimize the generation of particularly disturbing higher order modes when the coupler is used with multiband antennas. Indeed, these modes constitute a loss of power by coupling with the fundamental mode in the band of interest and may also prove to be a source of interference for another frequency band.
  • these are rectangular waveguides (or slots) whose cutoff frequency allows the rejection of the low frequency bands in order to minimize the coupling of these frequency bands towards the peripheral guides. .
  • the coupling zone characterized by a regular longitudinal positioning of several slots, must be long enough to ensure the coupling of almost all the energy present in the high frequency band.
  • the invention relates to a multiband antenna characterized in that it is powered by a radio frequency circuit comprising at least one coupler according to the first aspect of the invention.
  • the radiating element of the antenna is of horn type.
  • FIG. 3 illustrates a coupler comprising a central guide with circular section and four peripheral waveguides
  • FIGS. 4a and 4b respectively show a central waveguide with an octagonal section and a circular section with flats;
  • Figure 5 is a side view of the coupler of Figure 2;
  • Figure 6 is a detailed view of the coupling means of the coupler of Figure 2;
  • Figure 7 is a block diagram of linear bi-polarization;
  • FIG. 8 is a block diagram of circular bi-polarization
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating isolated peripheral ports in Rx configuration
  • FIGS. 10a, 10b, 10c and 1 Od respectively illustrate the reflection coefficient, the insulation coefficient, the coupling coefficient and the transmission coefficient for a rectangular, circular, circular flat-flange waveguide coupler, octagonal and four peripheral waveguides based on targeted specifications
  • - Figure 1 1 illustrates a coupler according to the invention connected to a horn type antenna. DESCRIPTION OF ONE OR MORE MODES OF REALIZATION AND IMPLEMENTATION General structure of the coupler
  • FIG. 1 shows a coupler comprising a central waveguide 10 and two peripheral waveguides 20, 21 coupled to the central waveguide 10 via coupling means 30, 31.
  • the peripheral waveguides are parallelepipedic and connected along the long side of their section to the central waveguide 10 via the coupling means 30, 31.
  • the length L (understood as the guide) is always associated with the direction of propagation of the wave while the terminology “long side”, of length noted usually has and “small side”, of length usually noted b, is used to describe the section of the guide in a plane orthogonal to the direction of propagation.
  • the arrangement of the peripheral waveguides 20, 21 around the central waveguide 10 is such that the structure of the coupler is symmetrical.
  • the axis of symmetry of the structure is the central longitudinal axis AA 'of the central waveguide 10.
  • each peripheral waveguide 20, 21 is parallel to the central longitudinal axis AA' - the axis of symmetry of the structure - of the central waveguide 10.
  • the coupling means 30, 31 consist of sets of rectangular section waveguides also called "coupling slots".
  • the waveguides are preferably all identical.
  • FIG. 6 shows two coupling slots 310, 314.
  • the longitudinal central axis FF 'of each slot is perpendicular to the central longitudinal axis AA' of the central waveguide 10 (see FIG. 6).
  • the coupling slots are connected to the respective long sides of the central and peripheral waveguides by the rectangular section 312, orthogonal to the propagation direction of the wave in the slot along the axis FF '.
  • FIG. 2 shows a coupler comprising a central waveguide 10 and four peripheral waveguides 20, 21, 22, 23 coupled to the central waveguide by coupling means 30, 31, 32, 33
  • the constraints of symmetry and arrangement of the peripheral waveguides are identical to the coupler illustrated in FIG.
  • the peripheral waveguides 20-23 are parallelepipedic and connected along the long side of the section to the central waveguide 10 via the coupling means 30-33.
  • the arrangement of the peripheral waveguides 20-23 around the central waveguide 10 is such that the structure of the coupler is symmetrical.
  • the axis of symmetry of the structure being the central longitudinal axis AA 'of the central waveguide 10.
  • each peripheral waveguide 20-23 is parallel to the longitudinal central axis AA' - the axis of symmetry of the structure - of the central waveguide 10.
  • the coupler of FIG. 2 can therefore be seen as the 90 ° superposition of two couplers of FIG.
  • peripheral waveguides are even, two or four.
  • FIG. 5 shows a side view of the coupler of FIG. 2 with square central waveguide 10 and four peripheral waveguides 20-23.
  • the central waveguide is a parallelepiped square section.
  • the central waveguide may be of square section (10 in FIGS. 1 and 2), circular (100 in FIG. 3), octagonal (200 in FIG. 4a) circular with flats (300 in FIG. 4b), or rectangular section (not shown). It should be noted that from a geometrical point of view:
  • the octagonal section central waveguide 200 is parameterized by its small diameter D 0 (see FIG. 4a);
  • the section of the central waveguide with circular section with flats 300 is designed as the intersection of a square of side I_CM and a circle of radius R CM (see FIG. 4b).
  • the coupler must be a total coupler, called OdB coupler, and must respect several sizing rules.
  • the guided wavelength must be the same in the central guide and the peripheral guides in order to ensure a coherent combination in phase of the signals coupled by the different coupling slots.
  • the guided wavelength for the fundamental propagation mode conventionally noted TE10 in a rectangular section guide, depends directly on the long side 22 of the peripheral waveguide (the side by which the coupling is effected) according to the following formula:
  • D c is the cutoff wavelength. This last parameter depends directly on the shape and dimensions of the section of the waveguide.
  • the propagation mode is not attenuated, with insertion losses close (it is said that it is propagative).
  • the central guide 10 and the peripheral guides must be dimensioned with the same large side 22 when the central waveguide 10 is square-sectioned.
  • the sizing frequency is 10.95 GHz
  • FIG. 6 illustrates two coupling slots 310, 314. As already mentioned, for the coupling slots, these are series of rectangular waveguides whose section 312 is attached to the central waveguide 10 and the peripheral waveguide (the latter is not shown in Figure 6). The dimensions of this rectangular section are such that the fundamental mode TE10 in the low frequency bands is evanescent.
  • the optimization of the OdB coupler presented relates essentially to the spacing p between two successive slots, the total number of slots and their length.
  • the number of coupling slots is chosen so that the coupling area is between ten and twenty times ⁇ g (g Ui of centrai) - This number must be optimized to ensure good coupling. If this number is below the optimum, the coupling is insufficient. If this number is above the optimum, there is a phenomenon of over-coupling which tends to degrade the performance of the component, a part of the coupled signal returning to the main guide.
  • Coupling along the respective long sides of the central and peripheral guides 10 is "natural" in the case of guides of rectangular section and / or square. On the other hand, it is not easy to obtain good levels of coupling in the case of a section of the central guide of circular, octagonal or other shape.
  • the structure is symmetrical, which makes it possible to minimize the generation of higher order modes, which are particularly troublesome on multiband antennas because they constitute a loss of power in the band of interest but can in addition prove to be a source of interference for another frequency band.
  • FIG. 1 The structure shown in FIG. 1 is characterized by a linear mono-polarization operation, the electromagnetic field of which is parallel to the plane containing the axes AA ', BB' and CC.
  • the structure shown in Figure 2 which can be seen as a superposition of two 90 ° linear single polarization structures, offers the possibility of polarization diversity operation.
  • Isolated peripheral ports are terminated with appropriate loads, as shown in Figure 9 (in Rx configuration).
  • These adapted charges may consist of absorbent material disposed within the waveguide.
  • planar configuration E is preferable because the signals coming from two diametrically opposite peripheral guides are in phase opposition.
  • the high band is in reception, it is better to combine the signals via "magic tees" that have a good adaptation on all their ports. To do this, the component will be used as a standard tee power divider by terminating the port
  • results are presented with a 60-slot coupler comprising a central waveguide with a square, circular, octagonal, circular and flat-shaped sectional waveguide and four peripheral waveguides (see FIGS. 2, 3, 4a and 4b).
  • the results presented relate to the fundamental propagation mode. However, the analyzes were performed considering all the propagative and degenerate modes in order to ensure representativeness and convergence of the results.
  • Coefficient of Reflection Figure 10a illustrates the reflection coefficient in dB for each of the couplers presented.
  • the reflection coefficient characterizes the power reflected at the input of the component at the central waveguide. There is also talk of adaptation.
  • the target value in the different frequency bands under consideration is -25 dB.
  • the reflection coefficient presented may be indifferently that of the horn access or the low band excitation circuit access, in the case where the coupler is connected to a horn type antenna.
  • Figure 10b illustrates the isolation coefficient in dB for each of the couplers shown.
  • the insulation coefficient characterizes the power transmitted to the necessary ports in order to preserve the symmetries of the structure but towards which it is desired to minimize the power transfer. These ports are said to be isolated and are terminated by appropriate charges.
  • the target values for this parameter in the low frequencies Ka / Tx, Ku / Tx and Ku / Rx are -45 dB and -3OdB for the high band.
  • Figure 10c illustrates the coupling coefficient in dB for each of the couplers shown.
  • the coupling coefficient characterizes the coupling between the central guide and the peripheral guides. Because of the symmetries of the structure, each peripheral guide must couple half of the energy of the corresponding linear polarization in the high frequency band, ie a theoretical coupling coefficient of -3.01 dB.
  • the coupling values obtained in low bands can be accentuated by exploiting the natural rejection of an undercut guide.
  • Od illustrates the coupling coefficient in dB for each of the couplers presented.
  • the transmission coefficient characterizes the power level transmitted via the central guide. In the lower frequency bands, this parameter should be as close as possible to OdB, with the insertion losses (ohmic) close.
  • the transmission level should be as low as possible, the target value being a level below -10 dB.
  • the coupler with a rectangular section central guide has the best performance in terms of coupling in the high frequency band.
  • the difference in performance is about 0.2 dB worst case with the other forms of section.
  • This also translates into a transmission coefficient in the center guide of the high frequency band at -14.2 dB. This value is degraded by 1 to 2 dB for other section shapes.
  • This confirms that the desired coupling is more natural when the central guide is rectangular.
  • the coupling with a square section central guide has a substantially wider bandwidth than the other solutions envisaged.
  • the performances are very similar for the different section shapes in the low frequency band.
  • the section is rectangular, the latter is less efficient than other forms of section in the high band.
  • the performance of the octagonal solution is very close to the circular solution, except for the low band coupling coefficient to the peripheral guides for which the simulated performance approaches that of the square section guide.
  • the presented coupler can be connected to a horn type antenna or to other components of the power supply circuit such as an ortho-mode junction, a filter and so on.
  • the presented OdB coupler is relevant when a large ratio (greater than the octave) is observed between the lowest frequency and the highest frequency of the frequency plane. In the illustrative application, this ratio is close to three.
  • the multiband antenna thus obtained can, if necessary, be placed in front of a reflector, in particular for satellite telecommunications applications.
  • FIG. 11 shows a coupler OdB connected to a horn type antenna 1 10 and in front of a reflector 1 10 (the latter being optional).

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Abstract

L'invention concerne un coupleur pour système radio fréquences multibandes comprenant : un guide d'onde central (10); une pluralité de guides d'onde périphériques (20, 21); des moyens de couplage (30, 31); caractérisé en ce que les guides d'ondes périphériques sont parallélépipédiques et connectés selon un grand côté de la section du guide d'onde périphérique au guide d'onde central (10) par l'intermédiaire des moyens de couplage (30, 31) de manière à former une structure de coupleur symétrique, l'axe de symétrie de la structure étant l'axe central longitudinal (AA') du guide d'onde central (10).

Description

COUPLEUR POUR SYSTEME RADIO FREQUENCES MULTIBANDES
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des communications radio fréquences (RF) multibandes et trouve application dans les systèmes de télécommunications par satellites associant par exemple les bandes Ku et Ka.
L'invention concerne notamment un coupleur pouvant être intégré dans le système d'alimentation d'une antenne multibandes.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La multiplication des services de télécommunications par satellite dans différentes bandes de fréquences, allant de la bande C à la bande Ka, introduit le besoin d'antennes multibandes pour permettre de réutiliser au mieux les réflecteurs (en nombre limité du fait de leur encombrement) aménagés sur un satellite.
Cette association d'applications est envisageable sur une seule et même source tant que les bandes de fréquences considérées sont disjointes.
Pour les services de diffusion de contenu multimédia par satellite, un besoin est identifié associant les bandes de fréquences d'émission (Tx) et réception (Rx) de signaux de télécommunications en bandes Ku et Ka :
- Ka / Rx : de 27,5 GHz à 30 GHz ; - Ka / Tx : de 17,7 GHz à 20,2 GHz ;
- Ku / Rx : de 13,75 GHz à 14,5 GHz ;
- Ku / Tx : de 10,95 à 12,75 GHz.
D'autres associations de bandes de fréquences peuvent également être envisagées (C / Ku, C / Ka...). Les sources répondant à ces applications nécessitent un circuit d'alimentation permettant d'isoler chaque bande de fréquences. Ce circuit comprend généralement des composants de type coupleur O dB et/ou jonctions ortho-mode permettant chacun l'extraction d'une des bandes de fréquences.
En fonction des rapports et largeurs de bandes entre les bandes de fréquences à transmettre et à extraire, la conception des composants du système d'alimentation peut s'avérer complexe.
PRESENTATION DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, l'invention concerne un coupleur pour système radio fréquences multibandes assurant un couplage total (on parle alors de coupleur OdB) de la puissance radio fréquence de la bande de fréquence la plus haute d'un système multibandes tout en offrant une isolation suffisante avec les bandes de fréquences plus basse.
Ainsi, l'invention concerne un coupleur pour système radio fréquences multibandes comprenant : un guide d'onde central ; une pluralité de guides d'onde périphériques ; des moyens de couplage.
Le coupleur de l'invention est caractérisé en ce que les guides d'ondes périphériques sont parallélépipédiques et connectés selon un grand côté de la section du guide d'onde périphérique au guide d'onde central par l'intermédiaire des moyens de couplage de manière à former une structure de coupleur symétrique, l'axe de symétrie de la structure étant l'axe central longitudinal du guide d'onde central.
Le guide d'onde central et les guides d'ondes périphériques sont dimensionnés de manière à avoir la même constante de propagation à la fréquence de fonctionnement des guides périphériques, c'est-à-dire la bande de fréquences haute.
Ce dimensionnement permet d'éviter l'utilisation d'un matériau diélectrique dans les guides périphériques tel que cela est utilisé dans les coupleurs de type connu. Ceci simplifie la réalisation mécanique du coupleur de l'invention.
De plus, l'absence de matériau diélectrique permet également de réduire les pertes d'insertion dans les guides périphériques. II est en effet connu d'utiliser un matériau diélectrique dans les guides périphériques pour accentuer la sélectivité en fréquence du couplage.
Dans le cas du coupleur de l'invention, cette sélectivité est obtenue en partie par la hauteur des moyens de couplage (qui sont de préférence des fentes de couplage), entraînant une réjection naturelle des signaux dans les bandes basses.
Cette atténuation peut être ensuite accentuée par un circuit de recombinaison des guides périphériques dimensionné avec des guides eux aussi sous coupure pour les bandes basses.
En outre, la symétrie procurée à la structure du coupleur de l'invention permet de minimiser la génération de modes d'ordres supérieurs particulièrement gênants lorsque le coupleur est utilisé avec des antennes multibandes. En effet, ces modes constituent une perte de puissance par couplage avec le mode fondamental dans la bande d'intérêt et peuvent en outre se révéler être une source d'interférences pour une autre bande de fréquences.
En ce qui concerne les moyens de couplage, il s'agit de guides d'onde rectangulaires (ou fentes) dont la fréquence de coupure permet la réjection des bandes de fréquences basses afin de minimiser le couplage de ces bandes de fréquences vers les guides périphériques.
La zone de couplage, caractérisée par un positionnement longitudinal régulier de plusieurs fentes, doit être suffisamment longue pour assurer le couplage de la quasi totalité de l'énergie présente dans la bande de fréquences haute.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une antenne multibandes caractérisée en qu'elle est alimentée par un circuit radio fréquences comprenant au moins un coupleur selon le premier aspect de l'invention. De préférence, l'élément rayonnant de l'antenne est de type cornet. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : la figure 1 illustre un coupleur comprenant un guide central à section carrée et deux guides d'ondes périphériques ; - la figure 2 illustre un coupleur comprenant un guide central à section carrée et quatre guides d'ondes périphériques ;
- la figure 3 illustre un coupleur comprenant un guide central à section circulaire et quatre guides d'ondes périphériques ;
- les figures 4a et 4b illustrent respectivement un guide d'onde central à section octogonale et à section circulaire à méplats ; la figure 5 est une vue de côté du coupleur de la figure 2 ; la figure 6 est une vue détaillée des moyens de couplage du coupleur de la figure 2 ; la figure 7 est un schéma fonctionnel en bi-polarisation linéaire ;
- la figure 8 est un schéma fonctionnel en bi-polarisation circulaire ;
- la figure 9 est un schéma fonctionnel illustrant les ports périphériques isolés en configuration Rx ; - les figures 10a, 10b, 10c et 1 Od illustrent respectivement le coefficient de réflexion, le coefficient d'isolation, le coefficient de couplage et le coefficient de transmission pour un coupleur à guide d'onde central rectangulaire, circulaire, circulaire à méplats, octogonal et quatre guides d'ondes périphériques en fonction de spécifications ciblées ; - la figure 1 1 illustre un coupleur conforme à l'invention connecté à une antenne de type cornet. DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION ET DE MISE EN OEUVRE Structure générale du coupleur
On a représenté sur la figure 1 un coupleur comprenant un guide d'onde central 10 et deux guides d'ondes périphériques 20, 21 couplés au guide d'onde central 10 via des moyens de couplage 30, 31.
Les guides d'ondes périphériques sont parallélépipédiques et connectés selon le grand côté de leur section au guide d'onde central 10 par l'intermédiaire des moyens de couplage 30, 31.
Il est à noter que dans le cadre de la technologie guide d'onde la longueur L (sous entendue du guide) est toujours associée à la direction de propagation de l'onde tandis que la terminologie « grand côté », de longueur notée usuellement a, et « petit côté », de longueur notée usuellement b, est utilisée pour décrire la section du guide selon un plan orthogonal à la direction de propagation.
La disposition des guides d'ondes périphériques 20, 21 autour du guide d'onde central 10 est telle que la structure du coupleur est symétrique.
L'axe de symétrie de la structure est l'axe central longitudinal AA' du guide d'onde central 10.
En outre, l'axe central longitudinal BB', CC de chaque guide d'onde périphérique 20, 21 est parallèle à l'axe central longitudinal AA' - l'axe de symétrie de la structure - du guide d'onde central 10.
Sur le coupleur de la figure 1 , on passe d'un guide d'onde périphérique à l'autre par une rotation de 180°.
Les moyens de couplage 30, 31 sont constitués de séries de guides d'ondes de section rectangulaire encore appelées « fentes de couplage ». Les guides d'ondes sont de préférence tous identiques.
On a représenté sur la figure 6 deux fentes de couplages 310, 314. L'axe central longitudinal FF' de chaque fente est perpendiculaire à l'axe central longitudinal AA' du guide d'onde central 10 (voir figure 6).
Les fentes de couplage sont connectées aux grands côtés respectifs des guides d'onde central et périphérique par la section rectangulaire 312, orthogonale au sens de propagation de l'onde dans la fente selon l'axe FF'.
On a représenté sur la figure 2 un coupleur comprenant un guide d'onde central 10 et quatre guides d'ondes périphériques 20, 21 , 22, 23 couplés au guide d'onde central par des moyens de couplage 30, 31 , 32, 33. Les contraintes de symétrie et de disposition des guides d'ondes périphériques sont identiques au coupleur illustré par la figure 1.
Les guides d'ondes périphériques 20-23 sont parallélépipédiques et connectés selon le grand côté de la section au guide d'onde central 10 par l'intermédiaire des moyens de couplage 30-33. La disposition des guides d'ondes périphériques 20-23 autour du guide d'onde central 10 est telle que la structure du coupleur est symétrique. L'axe de symétrie de la structure étant l'axe central longitudinal AA' du guide d'onde central 10.
En outre, l'axe central longitudinal BB', CC, DD', EE', de chaque guide d'onde périphérique 20-23 est parallèle à l'axe central longitudinal AA' - l'axe de symétrie de la structure - du guide d'onde central 10.
Sur le coupleur de la figure 2, on passe d'un guide d'onde périphérique à l'autre par une rotation de 90°.
Le coupleur de la figure 2 peut donc être vu comme la superposition à 90° de deux coupleurs de la figure 1.
Il est à noter que de préférence les guides d'ondes périphériques sont en nombre pair, deux ou quatre.
On a représenté sur la figure 5 une vue de côté du coupleur de la figure 2 à guide d'onde central 10 carré et quatre guides d'ondes périphériques 20-23.
Sur la figure 1 et la figure 2, le guide d'onde central est un parallélépipède à section carrée. Le guide d'onde central peut être à section carrée (10 sur les figures 1 et 2), circulaire (100 sur la figure 3), octogonale (200 sur la figure 4a) circulaire à méplats (300 sur la figure 4b) ou encore à section rectangulaire (non représenté). II est à noter que d'un point de vue géométrique :
- le guide d'onde central à section octogonale 200 est paramétré par son petit diamètre D0 (voir figure 4a) ;
- la section du guide d'onde central à section circulaire à méplats 300 est conçue comme l'intersection d'un carré de côté I_CM et d'un cercle de rayon RCM (voir figure 4b).
Dimensionnement du guide d'onde central et des guides d'ondes périphériques
Le coupleur doit être un coupleur total, dit coupleur OdB, et doit respecter plusieurs règles de dimensionnement.
En particulier, la longueur d'onde guidée doit être la même dans le guide central et les guides périphériques afin d'assurer une combinaison cohérente en phase des signaux couplés par les différentes fentes de couplage. La longueur d'onde guidée pour le mode de propagation fondamental, noté de manière conventionnelle TE10 dans un guide à section rectangulaire, dépend directement du grand côté 22 du guide d'onde périphérique (le côté par lequel le couplage s'opère) selon la formule suivante :
où D0 est la longueur d'onde eni propagiation libre (D0=c/f), Dc est la longueur d'onde de coupure. Ce dernier paramètre dépend directement de la forme et des dimensions de la section du guide d'onde.
Dans le cas du mode TE10, on a Dc=2a selon les notations de la figure 1. La formule donnant la longueur d'onde guidée révèle le comportement de filtre passe-haut d'un guide d'onde :
- en dessous de la fréquence de coupure (fc=c/λc), le mode de propagation est fortement atténué (on dit qu'il est évanescent) ;
- au dessus de la fréquence de coupure, le mode de propagation n'est pas atténué, aux pertes d'insertion près (on dit alors qu'il est propagatif).
Pour avoir une combinaison cohérente en phase des signaux, on comprend donc qu'il faut dimensionner le guide central 10 et les guides périphériques avec un même grand côté 22 lorsque le guide d'onde central 10 est à section carrée.
Dans le cas d'un guide central à section non carrée pour lesquels des formules analytiques simples donnant la longueur d'onde guidée en fonction des dimensions physiques du guide n'existent pas, la correspondance est obtenue via une optimisation des sections respectives sur un modèle numérique (par la méthode des éléments finis par exemple). Par ailleurs, il est important de préciser que ce grand côté 22 de guide est contraint par la fréquence la plus basse du plan de fréquence car les quatre bandes de fréquence doivent pouvoir se propager dans le guide central.
Dans un cas où la fréquence dimensionnante est de 10,95 GHz, on a le grand côté 22 des guides d'onde périphériques supérieur à 15 mm en prenant une marge d'environ 10% pour éviter les pertes liées à la proximité du plan de fréquence avec la fréquence de coupure.
Dimensionnement des moyens de couplage La figure 6 illustre deux fentes de couplage 310, 314. Comme on l'a déjà mentionné, pour les fentes de couplage, il s'agit de séries de guides d'onde de forme rectangulaire dont la section 312 est fixée au guide d'onde central 10 et au guide d'onde périphérique (ce dernier n'est pas représenté sur la figure 6). Les dimensions de cette section rectangulaire sont telles que le mode fondamental TE10 dans les bandes de fréquences basses soit évanescent.
Dans le cas considéré ici, il s'agit des bandes Ka / Tx, Ku / Tx et Ku / Rx. Ainsi, le couplage est assuré uniquement dans la bande haute Ka / Rx.
Avec, par exemple, une fréquence dimensionnante de 20,2 GHz, on a un grand côté a de la section de la fente inférieur à 6,7 mm en prenant là encore une marge d'environ 10%.
L'optimisation du coupleur OdB présenté porte essentiellement sur l'espacement p entre deux fentes successives, le nombre total de fentes et leur longueur.
Nous donnons ci-dessous quelques règles de pré-dimensionnement pour certains de ces paramètres :
- espacement p entre deux fentes successives : λg(gUide centrai)/4 où λg(gUidθ centrai) est la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central calculée au centre de la bande à coupler (dans le cas où la fréquence est de 28,75 GHz, cela représente un espacement p d'environ 2,8 mm pour un grand côté des guides central ou périphériques de l'ordre de 15 mm) ; - longueur des fentes : (2m+1 )λg(fθntθ)/4 où λg(fθntθ) est la longueur d'onde guidée dans les fentes de couplage également calculée au centre de la bande à coupler et m un entier positif ou nul (dans le cas où la fréquence est de 28,75 GHz, cela représente une longueur de 12,5 mm pour un grand côté a des fentes de l'ordre de 6,7 mm et m=1 ). Il est à noter que le fait de prendre 3λg(fθntθ)/4
(m=1 ) permet d'assurer une meilleur réjection des bandes que l'on ne souhaite pas coupler via les fentes. Pour certaines combinaisons de fréquence, des fentes de longueur λg(fθntθ)/4 (m=0) pourraient offrir une réjection suffisante. Plus généralement, les fentes doivent avoir une longueur qui est un multiple impair de λg(fθnte)/4 ; - le nombre de fentes de couplage est choisi de sorte que la zone de couplage soit comprise entre dix et vingt fois λg(gUide centrai)- Ce nombre doit être optimisé afin d'assurer un bon couplage. Si ce nombre est en dessous de l'optimum, le couplage est insuffisant. Si ce nombre est au dessus de l'optimum, on observe un phénomène de sur-couplage qui tend à dégrader les performances du composant, une partie du signal couplé revenant dans le guide principal.
Un avantage à la structure présentée par rapport aux coupleurs tels que connus est qu'il n'est pas nécessaire d'inclure de matériau diélectrique dans les guides périphériques, ceci simplifie la réalisation mécanique et supprime les pertes radio fréquences associées.
Un couplage selon les grands côtés respectifs des guides central 10 et périphériques est « naturel » dans le cas de guides de section rectangulaire et/ou carrée. Par contre, il n'est pas évident d'obtenir de bons niveaux de couplage dans le cas d'une section du guide central de forme circulaire, octogonale ou autres.
De plus, la structure est symétrique ce qui permet de minimiser la génération de modes d'ordre supérieur, particulièrement gênants sur des antennes multibandes car ils constituent une perte de puissance dans la bande d'intérêt mais peuvent en plus se révéler une source d'interférences pour une autre bande de fréquences.
Ainsi, tous les modes de propagation guidée ne présentant pas les mêmes symétries que la structure ne peuvent apparaître. Evidemment, cette hypothèse est valable sous réserve que la réalisation mécanique de ce composant assure la symétrie avec une bonne précision.
Fonctionnement
La structure présentée sur la figure 1 est caractérisée par un fonctionnement mono-polarisation linéaire, dont le champ électromagnétique est parallèle au plan contenant les axes AA', BB' et CC. La structure présentée sur la figure 2, qui peut être vue comme une superposition de deux structures mono-polarisation linéaire à 90°, offre la possibilité d'un fonctionnement en diversité de polarisation.
En effet, en fonction des recombinaisons des signaux issus des quatre guides périphériques 20-23, il est possible de séparer deux polarisations linéaires orthogonales Ev et EH (voir figure 7) ou deux polarisations circulaires orthogonales EPCD et EPCG (voir figure 8).
Les ports périphériques isolés sont terminés par des charges adaptées, tel que cela est illustré sur la figure 9 (en configuration Rx). Ces charges adaptées peuvent consister en matériau absorbant disposé à l'intérieur du guide d'onde.
Dans le cas d'une bande haute en émission, des diviseurs de puissance en « Té » plan E ou plan H sont utilisés.
On note que pour limiter la dispersion en fréquence liée à un déphasage entre les deux accès combinés, la configuration plan E est préférable, car les signaux issus de deux guides périphériques diamétralement opposés sont en opposition de phase.
Dans l'application visée la bande haute est en réception, il est donc préférable de combiner les signaux via des « Té magiques » qui présentent une bonne adaptation sur tous leurs ports. Pour ce faire, le composant sera utilisé comme un diviseur de puissance en Té' standard en terminant le port
'somme' ou le port 'différence' par une charge adaptée.
Là encore, pour des considérations de phase, il est préférable de charger le port somme.
Résultats
Plusieurs coupleurs ont été testés en simulation en utilisant la méthode des éléments finis dans le domaine temporel.
On présente ici des résultats obtenus avec un coupleur à 60 fentes comprenant un guide d'onde central à section carré, circulaire, octogonale, circulaire à méplats et quatre guides d'ondes périphériques (voir figures 2, 3, 4a et 4b). Les résultats présentés sont relatifs au mode de propagation fondamental. Toutefois, les analyses ont été réalisées en considérant l'ensemble des modes propagatifs et dégénérés afin d'assurer la représentativité et la convergence des résultats.
Des résultats pour plusieurs paramètres RF sont ci-dessous présentés.
Coefficient de réflexion La figure 10a illustre le coefficient de réflexion en dB pour chacun des coupleurs présentés.
Le coefficient de réflexion caractérise la puissance réfléchie en entrée du composant au niveau du guide d'onde central. On parle également d'adaptation. La valeur ciblée dans les différentes bandes de fréquences considérées est de -25 dB.
Du fait des symétries de la structure, le coefficient de réflexion présenté peut être indifféremment celui de l'accès cornet ou de l'accès circuit d'excitation en bandes basses, dans le cas où le coupleur est connecté à une antenne de type cornet.
Coefficient d'isolation
La figure 10b illustre le coefficient d'isolation en dB pour chacun des coupleurs présentés.
Le coefficient d'isolation caractérise la puissance transmise vers des ports nécessaires afin de conserver les symétries de la structure mais vers lesquels on souhaite minimiser le transfert de puissance. Ces ports sont dits isolés et sont terminés par des charges adaptées. Les valeurs ciblées pour ce paramètre dans les fréquences basses (Ka / Tx, Ku / Tx et Ku / Rx) est de -45 dB et de -3OdB pour la bande haute. Coefficient de couplage
La figure 10c illustre le coefficient de couplage en dB pour chacun des coupleurs présentés.
Le coefficient de couplage caractérise le couplage entre le guide central et les guides périphériques. Du fait des symétries de la structure, chaque guide périphérique doit coupler la moitié de l'énergie de la polarisation linéaire correspondante dans la bande de fréquences haute, soit un coefficient de couplage théorique de -3,01 dB.
Dans les bandes de fréquences basses, on souhaite que ce couplage soit le plus faible possible.
Les valeurs de couplage obtenues en bandes basses peuvent être accentuées en exploitant la réjection naturelle d'un guide sous coupure.
Pour cela, il suffit de réduire la section des guides périphériques au-delà du coupleur, en particulier au niveau du circuit de recombinaison tel qu'illustré sur les figures 7 et 8.
Coefficient de transmission
La figure 1 Od illustre le coefficient de couplage en dB pour chacun des coupleurs présentés. Le coefficient de transmission caractérise le niveau de puissance transmis via le guide central. Dans les bandes de fréquences basses, ce paramètre doit être le plus proche possible de OdB, aux pertes d'insertion (ohmiques) près.
Dans la bande haute, le niveau de transmission doit être le plus bas possible, la valeur visée étant un niveau inférieur à -10 dB.
Synthèse des résultats
II ressort des résultats illustrés sur les figures 10a, 10, 10c et 10d, que le coupleur avec un guide central à section rectangulaire présente les meilleures performances en termes de couplage dans la bande de fréquences haute. L'écart en performances est d'environ 0,2 dB pire cas avec les autres formes de section. Cela se traduit également par un coefficient de transmission dans le guide central de la bande de fréquences haute à -14,2 dB. Cette valeur est dégradée de 1 à 2 dB pour les autres formes de section. Ceci confirme le fait que le couplage souhaité est plus naturel lorsque le guide central est rectangulaire. Par ailleurs, on note également que le couplage avec un guide central à section carrée présente une largeur de bande sensiblement plus large que les autres solutions envisagées.
En ce qui concerne l'adaptation, les performances sont très similaires pour les différentes formes de section dans la bande de fréquence basse. Par contre, dans le cas où la section est rectangulaire, cette dernière est moins performante que les autres formes de section dans la bande haute.
Ce résultat est néanmoins à nuancer car les dimensions de la section du guide central n'ont pas fait l'objet d'une optimisation complète, certains paramètres étant imposés afin d'arriver à des valeurs standards permettant une connectivité plus générique entre les différents composants nécessaires à la réalisation d'une source multibandes.
Pour ce qui est de l'isolation, les performances sont très similaires pour les différentes solutions.
Finalement, la réjection de la bande basse vers les guides périphériques est meilleure pour le guide central à section circulaire. Il y a jusqu'à 5 dB de différence avec les autres solutions.
Les performances de la solution octogonale sont très proches de la solution circulaire, sauf pour le coefficient de couplage en bande basse vers les guides périphériques pour lequel la performance simulée se rapproche de celle du guide à section carrée.
Enfin, pour le guide à section circulaire à méplats un comportement intermédiaire entre la solution à guide central carré et circulaire est observé, ce qui va dans le sens de ce qui était attendu dans la mesure où les méplats visaient justement à améliorer le couplage de la solution à guide central circulaire. Cette solution apparaît comme un bon compromis, mais il est important d'évaluer comment elle s'interface avec des composants à section circulaire ou rectangulaire (formes de section génériques pour des composants de type cornet, jonction ortho-mode...).
Application Le coupleur présenté peut être connecté à une antenne de type cornet ou à d'autres composants du circuit d'alimentation tel qu'une jonction ortho-mode, un filtre etc.
Comme plusieurs formes de section pour le guide central ont démontré de bonnes performances, il est possible d'adapter le coupleur OdB aux autres composants afin de réduire voire supprimer les transitions entre guides de section différentes.
Le coupleur OdB présenté est pertinent lorsqu'un rapport important (supérieur à l'octave) est observé entre la fréquence la plus basse et la fréquence la plus haute du plan de fréquence. Dans l'application servant d'illustration, ce rapport est proche de trois.
L'antenne multibandes ainsi obtenue peut au besoin être placée devant un réflecteur, notamment pour des applications de télécommunications par satellite.
On a représenté sur la figure 11 un coupleur OdB connecté à une antenne de type cornet 1 10 et devant un réflecteur 1 10 (ce dernier étant optionnel).

Claims

REVENDICATIONS
1. Coupleur pour système radio fréquences multibandes comprenant : - un guide d'onde central (10) ;
- une pluralité de guides d'onde périphériques (20, 21 ) ;
- des moyens de couplage (30,31 ) ; caractérisé en ce que les guides d'ondes périphériques sont parallélépipédiques et connectés selon un grand côté de la section du guide d'onde périphérique au guide d'onde central (10) par l'intermédiaire des moyens de couplage (30, 31 ) de manière à former une structure de coupleur symétrique, l'axe de symétrie de la structure étant l'axe central longitudinal (AA') du guide d'onde central (10) et en ce que les moyens de couplages sont répartis sur une zone dite de couplage dont la longueur est comprise entre dix et vingt fois la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central calculée au centre de la bande à coupler.
2. Coupleur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'axe central longitudinal (BB', CC) de chaque guide d'onde périphérique est parallèle à l'axe central longitudinal (AA') du guide d'onde central (10).
3. Coupleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de couplage (30, 31 ) sont constitués de séries (30, 31 ) de guides d'ondes (310, 31 1 ) de section rectangulaire, l'axe central longitudinal (FF') de chacun d'eux étant perpendiculaire à l'axe central longitudinal (AA') du guide d'onde central (10).
4. Coupleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de couplage (30, 31 ) sont constitués de séries (30, 31 ) de guides d'ondes (310, 31 1 ) de section rectangulaire connectés au grand côté de la section des guides d'onde central et périphériques.
5. Coupleur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les guides d'ondes rectangulaires formant moyens de couplage sont espacés de λg(gUide centrai)/4, λg(gUide centrai) étant la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central calculée au centre de la bande à coupler.
6. Coupleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur des fentes de couplage est égale à (2m+1 )λg(fθntθ)/4, où λg(ferite) est la longueur d'onde guidée dans les fentes de couplage calculée au centre de la bande à coupler et m est un entier positif ou nul.
7. Coupleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les guides d'ondes périphériques sont en nombre pair, de préférence deux ou quatre.
8. Coupleur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d'onde central est à section choisie parmi le groupe suivant : carrée, circulaire, octogonale, circulaire à méplats ou rectangulaire.
9. Antenne multibandes, caractérisée en ce qu'elle est alimentée par un circuit radio fréquences comprenant au moins un coupleur selon l'une des revendications précédentes.
10. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que son élément rayonnant est de type cornet.
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