EP3910729A1 - Transducteur orthomode large bande - Google Patents

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EP3910729A1
EP3910729A1 EP21172702.9A EP21172702A EP3910729A1 EP 3910729 A1 EP3910729 A1 EP 3910729A1 EP 21172702 A EP21172702 A EP 21172702A EP 3910729 A1 EP3910729 A1 EP 3910729A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
main waveguide
guided
arms
orthomode transducer
Prior art date
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Granted
Application number
EP21172702.9A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP3910729C0 (fr
EP3910729B1 (fr
Inventor
Laurent BRU
Pierre Bosshard
Ségolène TUBAU
Erwan Cartaillac
Nicolas Ferrando
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP3910729A1 publication Critical patent/EP3910729A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3910729C0 publication Critical patent/EP3910729C0/fr
Publication of EP3910729B1 publication Critical patent/EP3910729B1/fr
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/213—Frequency-selective devices, e.g. filters combining or separating two or more different frequencies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/13—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source being a single radiating element, e.g. a dipole, a slot, a waveguide termination

Definitions

  • the invention relates to the field of microwave transmissions, and more particularly relates to an orthomode transducer used to transmit two signals in orthogonal polarizations.
  • the orthomode transducer according to the invention can also be used for other devices. , such as for example for the production of filters or microwave duplexers.
  • satellite transmission systems In order to maximize their spectral efficiency, satellite transmission systems generally use polarization diversity, which consists of transmitting on the same frequency band two orthogonally polarized signals (for example a vertical polarization and a horizontal polarization, or a circular polarization right and a left circular polarization).
  • polarization diversity which consists of transmitting on the same frequency band two orthogonally polarized signals (for example a vertical polarization and a horizontal polarization, or a circular polarization right and a left circular polarization).
  • the signals can be recovered independently, which makes it possible to transmit or receive two signals simultaneously in the same frequency band, or to transmit and receive simultaneously in the same band. frequency, from a single antenna.
  • Orthomode transducers or signal duplexers (better known under the English name of Orthogonal Mode Transducer , or OMT) are devices belonging to the supply chain of an antenna, in particular a satellite antenna.
  • the figure 1a very schematically represents a transmission chain for an antenna. It comprises a source, generally a horn 101, through which the satellite signals are transmitted / received, and an orthomode transducer 102, in the form of a waveguide through which two signals S 1 and S 2 103 are injected / extracted. and 104.
  • the orthomode transducer is configured to combine or separate the two signals by applying orthogonal polarization to them.
  • other signals associated with other frequency bands can be injected / extracted from transducer 102.
  • the figure 1b represents very schematically the components of a network antenna. It comprises a plurality of sources 111 to 116, each associated with one or more beams. An orthomode transducer 121 to 126 is associated with each source, thus allowing the transmission of two orthogonally polarized signals in the beam or beams concerned, generally a signal in transmission and a signal in reception.
  • the dimensions and shape of the waveguides making up the orthomode transducer are chosen as a function of the frequency of the signals transmitted, so as to allow the propagation of the electromagnetic waves in controlled transverse electric modes.
  • Network antennas on board satellites can include several dozen transmission chains, and therefore as many orthomode transducers. The size and mass of these devices are therefore very sizing elements when designing satellite antennas.
  • Orthomode transducers have a square central core configured so as to allow the transmission of a first signal according to a TE10 propagation mode, in which the electric field of the signal is linear and vertical, and of a second signal according to a propagation mode TE01, in which the electric field of the signal is linear and horizontal.
  • the two signals are then orthogonally polarized, and can be transmitted simultaneously.
  • the central core can be rectangular for the propagation of signals in distinct frequency bands.
  • the signals can be transmitted according to circular polarizations by associating for example a coupler with the orthomode transducer, so that each signal is transmitted on the one hand according to a first mode and on the other hand in a delayed and phase-shifted manner according to a second mode.
  • the resulting electric field is then rotating, which creates a circularly polarized signal.
  • orthomode transducers Several different structures of orthomode transducers are known from the state of the art.
  • the figure 2a shows a three-dimensional view of an orthomode transducer with two branches, which constitutes the simplest, most compact, most economical and therefore the most widespread type of orthomode transducer. It is composed of a main waveguide 201 extending along a longitudinal axis zz '.
  • the waveguide is suitable for the propagation of the two fundamental electromagnetic modes in the frequency band considered. In practice, the two signals being in the same frequency band, this result is achieved by using a waveguide of square section whose size is dimensioned with respect to the minimum frequency of the frequency band considered, but the guide d
  • the wave can take any shape allowing the propagation of the two signals in the desired modes.
  • the main waveguide is connected by a first side along its longitudinal axis zz 'to a source, a radiating element performing the adaptation between the waveguide and the free space.
  • the main waveguide 201 is connected to two guided accesses 202 and 203 through which the two signals to be transmitted are injected.
  • the junctions between the guided accesses and the main waveguide are made at the same level of the main waveguide, in an xy plane orthogonal to the zz 'axis, through slots made in the middle of orthogonal walls of the main guide , which has the effect that the signals injected by the two guided accesses are combined according to orthogonal polarizations in the main waveguide before being transmitted to the source (and conversely, makes it possible to extract on each of the orthogonally polarized signal access).
  • the figure 2b describes the principle of signal polarization in a two-branch waveguide, in a sectional view in the xy plane.
  • the first signal intended to be vertically polarized, is injected into the first guided access 202.
  • the solid arrows give the direction of the electric field of the first signal, perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave.
  • the first signal propagates according to the fundamental propagation mode TE10, corresponding to a vertical polarization.
  • the second signal intended to be horizontally polarized, is injected on the second guided access 203.
  • the dotted arrows give the direction of the electric field of the second signal, perpendicular to the direction of propagation of the electromagnetic wave.
  • the second signal propagates according to the fundamental propagation mode TE01, corresponding to a horizontal polarization.
  • the two signals propagate according to orthogonal propagation modes.
  • a two-branch orthomode transducer can be associated with a 90 ° coupler to circularly polarize the two signals.
  • the 90 ° coupler 210 is connected to the guided access 202 and the guided access 203 by two ends.
  • the signal intended to be transmitted according to a polarization for example the LHCP polarization (acronym for Left Hand Circular Polarization , or left circular polarization), is injected on the end 211 of the coupler. It is then presented on the guided access 202, and in a delayed manner and out of phase by 90 ° on the guided access 203.
  • the signal intended to be transmitted according to the cross polarization here the RHCP polarization (acronym English for Right Hand Circular Polarization , or right circular polarization), is injected on the end 212 of the coupler. It is then presented on the guided access 203, and in a delayed and phase-shifted version by 90 ° on the guided access 202.
  • the delays and phase shifts applied have the effect of rotating the electric field, and therefore of circularly polarizing the signals. .
  • the figure 2d represents the electric field of the signal injected on the guided access 203 of a two-branch orthomode transducer, in a sectional view in the xy plane orthogonal to zz 'at the junction between the guided accesses and the main guide 201.
  • the levels in gray represent the intensity, and the arrows the direction, of the electric field.
  • the signal injected by the guided access 203 propagates inside the main waveguide 201 according to the propagation mode TE01, that is to say it is linear and horizontal.
  • the electric fields are not perfectly aligned. These slight distortions are linked to the sensitivity of the electric field to the asymmetries present on a centered access, and have the effect of producing coupling phenomena between the two orthogonally polarized signals.
  • the decoupling generally achieved by means of an orthomode transducer with two branches is of the order of -20 dB. This level of decoupling may turn out to be too low for a certain number of applications, such as for example for satellite antennas, where the losses associated with decoupling result in a degradation of the link budget and therefore of the achievable speeds.
  • EP 2.202.839 B1 A known manner making it possible to improve the decoupling between the channels of an orthomode transducer with two guided ports is described in the patent.
  • EP 2.202.839 B1 and represented at the figure 2e , in sectional view, for circularly polarized signals.
  • the device comprises a coupler with unbalanced branches 231 making it possible to transmit each of the signals in controlled proportions on the guided accesses 202 and 203 of an orthomode transducer with two branches, and short-circuited waveguides (in English stub ) 232 and 233 configured to filter signals.
  • the partition coefficients of the coupler 231 are adjusted so that a portion of a polarization of the signal injected on one channel is injected on the other channel, with a very precise phase adjustment making it possible to cancel the portion of related parasitic energy. to the wrong decoupling.
  • This operation is managed by the action on the short-circuited waveguides of the filters 232 and 233 of the transmission channel which allow, in addition to the rejection of the reception band, the phase quadrature of the crossed component. compared to the main component.
  • FIG. 2f Another way to improve the decoupling of a two port orthomode transducer is shown in Figure figure 2f .
  • the ports are always injected orthogonally on the waveguide 201, but are offset in the axis zz 'of the source.
  • This waveguide makes it possible to achieve significant decoupling levels, of around -50 dB, but is bulky.
  • FIG. 3a It is also known from the state of the art of orthomode transducers with four branches, making it possible to achieve greater decoupling than those with two branches.
  • Such an orthomode transducer is shown in figure 3a . It is composed of a main waveguide 301 extending longitudinally along an axis zz 'and connected to two pairs of waveguides (302/304 and 303/305) constituting accesses through which are injected the two signals to be transmitted.
  • the two waveguides of the same pair are positioned face to face in a same plane orthogonal to the zz 'axis,
  • the two waveguides of the other pair are connected to the other two sides of the main waveguide.
  • the figure 3b describes the principle of signal polarization in a four-branch orthomode transducer.
  • the signal intended to be vertically polarized is injected onto the main waveguide 301 from the guided ports 303 and 305, opposite with respect to the main waveguide 301.
  • the signals injected from the two guided ports are identical, synchronized, in phase and have the same power level. They then recombine constructively in the main waveguide, and the signal propagates according to the TE10 mode.
  • the second signal, intended to be horizontally polarized is injected in a synchronized manner and in phase on the main waveguide 301 from the guided accesses 304 and 306, opposite with respect to the main waveguide 301. There too , the two injected signals recombine constructively, and the signal propagates in the main waveguide in the TE01 propagation mode.
  • the symmetry of the four-branch orthomode transducer results in the electric field lines being more straight than in a two-branched transducer.
  • part of the signal injected from the guided port 303 is found in the guided port 302 with an electric field 310 rotated by 90 °, and therefore horizontally polarized.
  • part of the signal injected from the guided access 305 is found in the guided access 302 with an electric field 311 rotated by 90 °, and therefore polarized horizontally.
  • the signals being injected in phase from the guided accesses 303 and 305, the electric field 310 and the electric field 311 of the residues of these signals transmitted in the guide 302 are then found in phase opposition (180 °). Their recombination takes place in a destructive manner, and the residues of the signals injected by the guided accesses 303 and 305 found in the guided access 302 disappear.
  • the principle is the same in each of the waveguides 302 to 305.
  • the guided accesses used to inject a given signal can be recombined two by two, taking care that the paths to each injection point are of the same length so that the signals are injected simultaneously and in phase.
  • the recombination circuits are then complex, especially since the two guided accesses are interlaced, and require a large number of elementary connection components, thus increasing the dispersion. In the end, the performance obtained is limited and the ohmic losses are significant, for a bulky and heavy device.
  • An object of the invention is therefore to describe an orthomode transducer having a high level of decoupling, which is both simple to use and compact.
  • Each guided access includes a junction configured to connect the free end to the two arms of the guided access, the two arms of each guided access being connected to the main waveguide at two off-center locations on one or more sides of the main waveguide, symmetrically with respect to an axis of symmetry of the main waveguide.
  • connection between the main waveguide and the two arms of a guided access comprises the two angles of the same side of the main waveguide.
  • the junction of each guided access is configured so that the signals transmitted on the two arms of a guided access are in phase or in phase opposition depending on their mode of propagation in the main waveguide.
  • the two arms of the same guided access are of substantially identical dimensions.
  • the guided accesses are arranged symmetrically with respect to an axis of symmetry of the main waveguide.
  • each guided access comprises a particular junction chosen from an E-plane T junction and an H-plane T junction, and two particular arms.
  • the two guided accesses comprise the same junction in the form of a magic T-junction whose side ports are connected to a pair of common arms, the first and the second signal being transmitted by two separate ports. of the magic T-junction.
  • the invention addresses a transmission chain for a satellite antenna comprising a source connected to an orthomode transducer as described above, or a device as described above for the transmission of signals according to orthogonal circular polarizations.
  • orthomode transducers with four branches of the state of the art are complex to use and bulky.
  • the invention is therefore naturally oriented towards orthomode transducers with two branches.
  • the figure 4a roughly represents the direction of the electric field in the angle of a waveguide 401 of square or rectangular section.
  • the electromagnetic field being always perpendicular to the support, in the angle of the waveguide, it is inclined as a function of the distance from the two walls.
  • the invention proposes to inject the signals not through ports centered on the sides of the cavity of the main waveguide of the orthomode transducer, but through off-center ports located on the edges of one or more sides of this guide. main wave.
  • the invention proposes to inject each signal not by one, but by two off-center accesses of one or more sides of the main waveguide, and this symmetrically with respect to an axis of symmetry of the main waveguide.
  • the figure 4b schematically represents the physical principles applying during the injection of a signal by two accesses located on the edges of the same side of the main waveguide.
  • the figure 4b takes the example of the injection of a first signal into the main waveguide 401 of an orthomode transducer through a guided access 410, with the aim of this signal propagating according to the TE10 (vertical linear) mode.
  • Solid arrows represent the orientation of the electric field.
  • the signal injected into the guided access 410 is separated into two signals of the same power by a junction 411 playing the role of signal separation means.
  • the junction is connected to two arms 412 and 413 of the same length.
  • the junction can for example be a plane E microwave T, dividing the signal into two signals in phase opposition and of the same power.
  • each accesses are connected to the main waveguide 401 by two off-center slots located at the ends of the right edge of the main waveguide 401, symmetrically with respect to the axis xx '.
  • the electric fields applied in this way in the angles of the main waveguide are not vertical in the angles.
  • the vectorial recombination of these two injections gives the desired electric field, here an electric field polarized perfectly vertically.
  • Junction 411 can also be a T-plane H-plane microwave junction, dividing the signal into two signals in phase and of the same power. In this case, the electric field of the signals (represented by the dotted arrows) at the output of the junction 411 is in phase.
  • the signal in the main waveguide 401 resulting from the vector combination of the signals injected by the arms 412 and 413, is then horizontally polarized (TE01 mode, horizontal linear). The type of junction is therefore chosen according to the propagation mode sought in the main waveguide.
  • the junction 411 separates the signal into two out-of-phase signals to vertically polarize the signal, or two signals in phase to polarize it horizontally.
  • arms of the same dimensions make it possible to inject the signal into the main waveguide in a synchronized manner and with the same power level.
  • a simple way to obtain arms of the same length is to arrange the whole of the guided access symmetrically with respect to the axis of symmetry xx 'of the main waveguide 401.
  • FIG. 4b The arrangement described in figure 4b is not the only one possible for a guided access with two arms in an orthomode transducer according to the invention.
  • the figures 4c, 4d and 4th describe other configurations for injecting a signal off-center to the sides of the main waveguide 401.
  • the junction 421 is a T plane E, which generates two signals in phase opposition on the two arms 422 and 423, which inject the signals into the two angles of a horizontal side of the main waveguide 401, symmetrically with respect to the yy 'axis. Consequently, the propagation mode in the main waveguide is the TE01 mode, that is to say a horizontal linear polarization.
  • the propagation mode obtained is the TE10 mode, ie vertical linear polarization.
  • the two arms are connected to off-center ports located on two opposite sides of the main waveguide 401.
  • the ports are always symmetrical with respect to the axis xx '.
  • the electric field evolves as on the figure 4b , in TE10 mode, although the injection points of the arms 432 and 433 in the main waveguide are different from those of the arms 412 and 413 of the figure 4b .
  • the signal is horizontally polarized (TE01 mode).
  • the two arms are connected to the same horizontal side of the main waveguide 401, and are offset symmetrically with respect to the axis yy 'but without encompassing the angles.
  • the electric field evolves in the same way as on the figure 4c , although the arrangement of the arms and their positioning relative to the angles of the main waveguide differ.
  • the arms of a guided access therefore do not necessarily join the main waveguide 401 in one of its angles, provided that the injection points in the main waveguide are symmetrical with respect to an axis of symmetry of the main waveguide 401, so that the combination of the signals injected from the two arms generates a perfectly rectilinear electric field.
  • the proximity of the angles improves the performance of the orthomode transducer according to the invention, because the junction slots between the access arms and the central waveguide create a magnetic coupling (H field), their positioning in the angles optimizing the effectiveness of this coupling.
  • the figure 5a represents an embodiment of an orthomode transducer with two branches according to the invention.
  • the transducer is configured to emit a first signal in vertical linear polarization, and a second signal in horizontal linear polarization.
  • the main waveguide 501 comprises a main waveguide 501, with a square section, but the invention would apply in an identical manner for a waveguide with a rectangular section, in the case of two injected signals operating in different frequency bands.
  • the main waveguide 501 extends along an axis zz 'in which a source for an antenna system may for example be located. It is suitable for the propagation of signals according to the two fundamental modes TE10 and TE01 in the frequency band or bands considered.
  • the figure 5a represents the orthomode transducer in a sectional view at the level of the intersections with the guided accesses, according to an xy plane orthogonal to the axis zz 'in which the main waveguide 501 extends.
  • a first guided access 510 is configured to inject the first signal into the main waveguide 501. It comprises a waveguide 511 having a free end through which is injected the signal to be transmitted in vertical polarization, a junction 512 configured for divide the first signal into two identical signals, of the same power, and in phase opposition, such as an E-plane T junction, and two arms 513 and 514, connected on the one hand to the junction 512 and on the other hand on the same side of the main waveguide off-center and symmetrical with respect to its axis xx '.
  • the elements constituting the guided access 510 are dimensioned so as to allow the propagation of the first signal (the electromagnetic field of which is represented by solid arrows in the figure) according to a fundamental mode in the frequency band considered.
  • the vector combination of the electric fields of the signals injected by the two arms 513 and 514 into the waveguide 501 forms the propagation mode of the signal in the waveguide, that is to say here the TE10 mode, corresponding to vertical linear polarization.
  • a second guided access 520 is configured to inject the second signal into the main waveguide 501, at the same level as the first guided access. It includes a waveguide 521, through which is injected the signal, connected to a junction 522, configured to divide the second signal into two identical signals, of the same power and in phase opposition. The two outputs of the junction 522 give onto the arms 523 and 524. The two arms are respectively connected to the edges of the same side of the main waveguide, symmetrically with respect to its axis of symmetry yy '.
  • the side of the waveguide chosen here is the side orthogonal to that where the arms of the first guided access are connected.
  • any other side could have been selected since the final polarization of the signal is a function of the combination of the positions where the signal is injected by the two arms and of the type of junction chosen.
  • the elements constituting the guided access 520 are dimensioned so as to allow the propagation of the second signal (the electromagnetic field of which is represented by dotted arrows in the figure) according to a fundamental mode in the frequency band considered. They can be connected with the main waveguide 501 by slots provided with irises for impedance matching.
  • the vector combination of the electric fields of the signals injected by the two arms 523 and 524 makes it possible to form the mode of propagation of the signal in the waveguide, here the TE01 mode corresponding to a horizontal linear polarization.
  • the orthomode transducer according to the invention therefore makes it possible, from two accesses 510 and 520, to combine two signals with the desired cross polarizations in the main waveguide 501.
  • the figure 5b represents the electric field of the signal injected into the port 510 of an orthomode transducer with two branches according to one embodiment of the invention, in a sectional view in the xy plane at the intersection between the guided ports and the guide main 501.
  • the length and direction of the arrows represent the strength and direction of the electric field.
  • the electric field in the access 510 changes so that the vector combination of the signal injected in phase through the arms 513 and 514 propagates in the main waveguide according to the TE10 mode, that is to say vertically polarized .
  • the electric field is oriented much more precisely than in a two-port orthomode transducer shown in figure 2d , by the symmetry of the accesses to two branches: the decoupling between the polarizations is therefore greater.
  • phase junction 522 (E-plane T junction) then acts as a means of combining the signals in phase opposition.
  • the position of the two arms being symmetrical with respect to the axis of symmetry yy 'of the main waveguide 501, the signals transmitted in the two arms are identical and of the same power.
  • the orientation of the electric field causes them to be in phase opposition (180 °) in the access 521. Consequently, they cancel each other out, and the residues of the signal emitted by the guided access 510 and received in the junction 522 naturally vanish into waveguide 521. There is therefore little or no coupling effects due to residues of a signal in the guided access of the cross-polarized signal.
  • the orthomode transducer according to the invention as shown in figure 5a improves the decoupling performance of a few dB compared to orthomode transducers with two arms such as the one shown in figure 2a , by generating perfectly linear electric fields, and by blocking by construction the propagation of the signal from one guided access to the other.
  • this orthomode transducer is wider band than the two-branch orthomode transducers of the state of the art because its symmetry properties mean that it builds polarization alignments that are always well oriented, regardless of the frequency band considered. . This is not the case with two-arm orthomode transducers, which are not symmetrical and therefore must be optimized for a given frequency band.
  • the figure 5c is a three-dimensional representation of an orthomode transducer according to one embodiment of the invention.
  • This device has the advantage of being particularly simple and of occupying a volume reduced by nearly 75% compared to orthomode transducers with four branches connected in pairs, such as that of the figure 3a , which is one of the aims sought by the invention.
  • This compactness is important, in particular for the production of array antennas involving a large number of orthomode transducers arranged in a restricted mesh.
  • the reduction in mass is in the same proportions, which is also very appreciated for the production of network antennas on board the payload of satellites.
  • orthomode transducer Another advantage of the orthomode transducer according to the invention is that the bottom of the cavity of the orthomode transducer (the rear of the main waveguide along the zz 'axis) remains free. It is therefore possible to add afterwards other accesses making it possible to process the polarizations of signals transmitted in another frequency band, or a load playing the role of termination of the main waveguide.
  • each of the ports comprises a pair of distinct arms
  • the orthomode transducer according to the invention makes it possible to polarize signals according to orthogonal linear polarizations, it can be associated with a coupler so as to circularly polarize the signals, in a manner comparable to which is done with orthomode transducers with two branches known from the state of the art such as that shown in figure 2c .
  • the realization of the orthomode transducer according to the invention can be envisaged in additive manufacturing (metallic three-dimensional printing) for a reduced cost or in a milled technique, in only three parts 531, 532 and 533 shown in figure figure 5d , the part 533 representing a step allowing adaptation of the orthomode transducer to the source of the antenna.
  • FIG. 6a Another embodiment of an orthomode transducer according to the invention is given in figure 6a .
  • This embodiment always involves a guide main wave 601, but the guided ports of the two cross-polarized signals are injected by the same pair of arms.
  • the orthomode transducer includes a device known to the skilled person named magic tee junction (English magic T).
  • a magic T-junction is a three-dimensional, four-port microwave component: two side ports, one sum port, and one difference port. It jointly performs the function of T-plane and H-plane junction, the side ports and the sum port forming the T plane H, the side ports and the difference port forming the T plane E.
  • the first access to the main waveguide is formed by a waveguide 603 having a free end through which the first signal is injected, and connected to the difference port of the magic T-junction.
  • the two side ports of the magic T-junction are connected to two arms 610 and 611, themselves connected to the main waveguide 601 by off-center accesses positioned on the edges of the same side of the main waveguide, symmetrically with respect to its axis of symmetry yy '.
  • the second access to the main waveguide is formed by a waveguide 604 having a free end through which the second signal is injected, and connected to the sum port of the magic T-junction.
  • the arms of this port are the arms 610 and 611 connected to the side ports of the magic T-junction, just like the first port.
  • the use of a magic T-junction makes it possible to share the arms between the two guided accesses in orthogonal polarizations.
  • the positioning of the ports makes it possible to obtain orthogonal propagation modes in the main waveguide 601 with perfectly formed electric fields.
  • the positioning and the structure of the accesses, associated with the magic T-junction make it possible to avoid the coupling effects between the two signals with crossed polarizations.
  • the waveguide according to the embodiment presented in figure 6a makes it possible to obtain very high decoupling levels, of the order of -70 dB, with an extremely compact device. Compared to the embodiments presented previously, however, it operates on a reduced frequency band, given by the operating band of the magic T-junction.
  • FIG. 6b shows the two parts 621 and 622 required for the production by milling of an orthomode transducer according to the invention.
  • the orthomode transducer according to the invention has been described in the case of application of the injection of two signals from the free ends of the guided accesses to the main waveguide.
  • the invention applies in an identical manner for the extraction of signals from the main waveguide to the two guided accesses.
  • the T-junctions play the role of means of combining the signals received by the arms from the main waveguide.
  • the invention also applies in the same way for the injection of a first signal and the simultaneous extraction of a second signal in cross-polarization.

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention concerne un transducteur orthomode et une chaîne de transmission satellite comprenant le transducteur orthomode, pour la transmission d'un premier signal et d'un deuxième signal dans des modes de propagation orthogonaux. Le transducteur comprend :
- un guide d'onde principal (501, 601) à section carrée ou rectangulaire,
- deux accès guidés (510, 520) ayant d'une part une extrémité libre par laquelle sont respectivement injectés ou récupérés le premier signal et le deuxième signal, et d'autre part deux bras reliés au guide d'onde principal.
Chaque accès guidé comprend une jonction (512, 522, 602) configurée pour relier l'extrémité libre avec les deux bras de l'accès guidé, les deux bras (513, 514, 523, 524, 610, 611) de chaque accès guidé étant reliés au guide d'onde principal en deux emplacements décentrés d'un ou plusieurs côtés du guide d'onde principal de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal.

Description

    Domaine technique :
  • L'invention se situe dans le domaine des transmissions hyperfréquences, et porte plus particulièrement sur un transducteur orthomode utilisé pour transmettre deux signaux dans des polarisations orthogonales.
  • Si la solution proposée est particulièrement utile dans le domaine des sources d'antennes, et en particulier des antennes satellites, elle n'est pas limitée à ces applications, et le transducteur orthomode selon l'invention peut également être utilisé pour d'autres dispositifs, comme par exemple pour la réalisation de filtres ou de duplexeurs hyperfréquence.
    • Technique antérieure :
  • De manière à maximiser leur efficacité spectrale, les systèmes de transmission par satellite utilisent généralement la diversité de polarisation, qui consiste à transmettre sur la même bande de fréquence deux signaux polarisés orthogonalement (par exemple une polarisation verticale et une polarisation horizontale, ou une polarisation circulaire droite et une polarisation circulaire gauche). Lorsque les polarisations entre les deux signaux sont parfaitement orthogonales, les signaux peuvent être récupérés indépendamment, ce qui permet d'émettre ou de recevoir deux signaux simultanément dans une même bande de fréquence, ou bien d'émettre et de recevoir simultanément dans la même bande de fréquence, à partir d'une seule antenne.
  • Dans le cas théorique, le découplage entre les deux signaux est infini, ce qui permet de les dissocier parfaitement. En pratique, les asymétries des équipements de transmission créent une prise d'angle des champs électriques. Dans ce cas, une sous composante de chaque polarisation se confond avec la polarisation croisée, ce qui entraine des phénomènes de couplage entre les signaux. L'homme du métier veille donc à ce que les deux signaux polarisés orthogonalement soient transmis avec le plus fort découplage possible.
  • Les transducteurs orthomodes, ou duplexeurs de signaux (plus connus sous le nom anglais de Orthogonal Mode Transducer, ou OMT) sont des dispositifs appartenant à la chaîne d'alimentation d'une antenne, en particulier d'une antenne satellite. La figure 1a représente très schématiquement une chaîne de transmission pour antenne. Elle comprend une source, généralement un cornet 101, par lequel sont émis/reçus les signaux satellites, et un transducteur orthomode 102, sous la forme d'un guide d'onde par lequel sont injectés/extraits deux signaux S1 et S2 103 et 104. Le transducteur orthomode est configuré pour combiner ou séparer les deux signaux en leur appliquant une polarisation orthogonale. Selon le mode de réalisation, d'autres signaux associés à d'autres bandes de fréquences peuvent être injectés/extraits du transducteur 102.
  • De nombreux satellites de télécommunication sont équipés d'antennes réseau, composées d'un grand nombre de chaînes de transmission telles que celle représenté à la figure 1a, permettant de réaliser une couverture géographique par faisceaux. La figure 1b représente très schématiquement les composantes d'une antenne réseau. Elle comprend une pluralité de sources 111 à 116, associées chacune à un ou plusieurs faisceaux. Un transducteur orthomode 121 à 126 est associé à chaque source, permettant ainsi la transmission de deux signaux polarisés orthogonalement dans le ou les faisceaux concernés, généralement un signal en émission et un signal en réception. Les dimensions et la forme des guides d'onde composant le transducteur orthomode sont choisies en fonction de la fréquence des signaux transmis, de manière à permettre la propagation des ondes électromagnétiques dans des modes transverse électrique contrôlés.
  • Les antennes réseau embarquées dans des satellites peuvent comprendre plusieurs dizaines de chaînes de transmission, et donc autant de transducteurs orthomodes. L'encombrement et la masse de ces dispositifs sont donc des éléments très dimensionnants lors de la conception des antennes satellites.
  • Dans la suite de la description, et afin de simplifier la compréhension des phénomènes physiques qui s'appliquent, les explications sont données en considérant le cas d'application de deux signaux injectés sur le transducteur orthomode dans le but d'être polarisés orthogonalement et combinés puis émis par la source de l'antenne satellite. Cependant, l'invention s'applique de manière identique dans le cas de deux signaux de polarisations orthogonales reçus depuis la source de l'antenne satellite, et transmis et séparés par le transducteur orthomode, ou dans le cas où un signal est émis et l'autre est reçu.
  • Les transducteurs orthomodes présentent un cœur central carré configuré de manière à permettre la transmission d'un premier signal selon un mode de propagation TE10, dans lequel le champ électrique du signal est linéaire et vertical, et d'un deuxième signal selon un mode de propagation TE01, dans lequel le champ électrique du signal est linéaire et horizontal. Les deux signaux sont alors polarisés orthogonalement, et peuvent être transmis simultanément. Le cœur central peut être rectangulaire pour la propagation de signaux dans des bandes de fréquences distinctes. De même, les signaux peuvent être transmis selon des polarisations circulaires en associant par exemple un coupleur au transducteur orthomode, de manière à ce que chaque signal soit transmis d'une part selon un premier mode et d'autre part de manière retardée et déphasée selon un deuxième mode. Le champ électrique résultant est alors tournant, ce qui crée un signal polarisé circulairement.
  • Plusieurs structures différentes de transducteurs orthomodes sont connues de l'état de la technique.
  • La figure 2a représente une vue en trois dimensions d'un transducteur orthomode à deux branches, qui constitue le type de transducteur orthomode le plus simple, le plus compact, le plus économique et donc le plus répandu. Il est composé d'un guide d'onde principal 201 s'étendant selon un axe longitudinal zz'. Le guide d'onde est adapté à la propagation des deux modes électromagnétiques fondamentaux dans la bande de fréquence considérée. En pratique, les deux signaux étant dans la même bande de fréquence, ce résultat est atteint en utilisant un guide d'onde de section carrée dont la taille est dimensionnée par rapport à la fréquence minimale de la bande de fréquence considérée, mais le guide d'onde peut prendre n'importe quelle forme permettant la propagation des deux signaux dans les modes souhaités.
  • Le guide d'onde principal est relié par un premier côté selon son axe longitudinal zz' à une source, élément rayonnant réalisant l'adaptation entre le guide d'onde et l'espace libre. Le guide d'onde principal 201 est relié à deux accès guidés 202 et 203 par lesquels sont injectés les deux signaux à transmettre. Les jonctions entre les accès guidés et le guide d'onde principal se font au même niveau du guide d'onde principal, dans un plan xy orthogonal à l'axe zz', à travers des fentes réalisées au milieu de parois orthogonales du guide principal, ce qui a pour effet que des signaux injectés par les deux accès guidés sont combinés selon des polarisations orthogonales dans le guide d'onde principal avant d'être transmis à la source (et à l'inverse, permet d'extraire sur chacun des accès des signaux polarisés orthogonalement). L'arrière du guide d'onde principal 201 selon l'axe longitudinal zz' peut être relié, par exemple, à d'autres accès pour injecter des signaux dans une bande de fréquence distincte.
  • La figure 2b décrit le principe de polarisation des signaux dans un guide d'onde à deux branches, selon une vue en coupe dans le plan xy. Le premier signal, destiné à être polarisé verticalement, est injecté sur le premier accès guidé 202. Les flèches pleines donnent la direction du champ électrique du premier signal, perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. Dans le guide d'onde principal 201, le premier signal se propage suivant le mode de propagation fondamental TE10, correspondant à une polarisation verticale. Le deuxième signal, destiné à être polarisé horizontalement, est injecté sur le deuxième accès guidé 203. Les flèches en pointillés donnent la direction du champ électrique du deuxième signal, perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde électromagnétique. Dans le guide d'onde principal 201, le deuxième signal se propage suivant le mode de propagation fondamental TE01, correspondant à une polarisation horizontale. Au sein du guide d'onde principal 201, les deux signaux se propagent selon des modes de propagation orthogonaux.
  • Comme représenté à la figure 2c, un transducteur orthomode à deux branches peut être associé à un coupleur 90° pour polariser circulairement les deux signaux. Le coupleur 90° 210 est relié à l'accès guidé 202 et à l'accès guidé 203 par deux extrémités. Le signal destiné à être transmis selon une polarisation, par exemple la polarisation LHCP (sigle anglais pour Left Hand Circular Polarisation, ou polarisation circulaire gauche), est injecté sur l'extrémité 211 du coupleur. Il se retrouve alors présenté sur l'accès guidé 202, et de manière retardée et déphasée de 90° sur l'accès guidé 203. De la même manière, le signal destiné à être transmis selon la polarisation croisée, ici la polarisation RHCP (sigle anglais pour Right Hand Circular Polarisation, ou polarisation circulaire droite), est injecté sur l'extrémité 212 du coupleur. Il est alors présenté sur l'accès guidé 203, et dans une version retardée et déphasée de 90° sur l'accès guidé 202. Les retards et déphasages appliqués ont pour effet de faire tourner le champ électrique, et donc de polariser circulairement les signaux.
  • La figure 2d représente le champ électrique du signal injecté sur l'accès guidé 203 d'un transducteur orthomode à deux branches, dans une vue en coupe dans le plan xy orthogonal à zz' à la jonction entre les accès guidés et le guide principal 201. Les niveaux de gris représentent l'intensité, et les flèches la direction, du champ électrique.
  • Le signal injecté par l'accès guidé 203 se propage à l'intérieur du guide d'onde principal 201 selon le mode de propagation TE01, c'est-à-dire qu'il est linéaire et horizontal. Au sein du guide d'onde principal, les champs électriques ne sont pas parfaitement alignés. Ces légères distorsions sont liées la sensibilité du champ électrique aux asymétries présentes sur un accès centré, et ont pour effet de produire des phénomènes de couplage entre les deux signaux polarisés orthogonalement.
  • En outre, une petite partie du signal injecté par l'accès 203 se propage dans l'accès guidé 202. Le champ électrique étant toujours perpendiculaire au support, celui-ci tourne en entrant dans l'accès guidé 202. Des résidus du signal transmis sur l'accès 203 se retrouvent alors sur l'accès guidé 202 avec la même polarisation que le signal transmis sur cet accès (linéaire vertical), ce qui est à l'origine de phénomènes de couplage parasite supplémentaires. Pour cette raison, le découplage généralement atteint grâce à un transducteur orthomode à deux branches est de l'ordre de -20 dB. Ce niveau de découplage peut s'avérer trop faible pour un certain nombre d'applications, comme par exemple pour les antennes satellites, où les pertes liées au découplage se traduisent par une dégradation du bilan de liaison et donc des débits atteignables.
  • Une manière connue permettant d'améliorer le découplage entre les voies d'un transducteur orthomode à deux accès guidés est décrite dans le brevet EP 2.202.839 B1 et représentée à la figure 2e, en vue de coupe, pour des signaux polarisés circulairement. Le dispositif comprend un coupleur à branches déséquilibrées 231 permettant de transmettre chacun des signaux dans des proportions maitrisées sur les accès guidés 202 et 203 d'un transducteur orthomode à deux branches, et des guides d'onde court-circuités (en anglais stub) 232 et 233 configurés pour filtrer les signaux. Les coefficients de partage du coupleur 231 sont ajustés pour qu'une portion d'une polarisation du signal injecté sur une voie soit injectée sur l'autre voie, avec un calage en phase très précis permettant d'annuler la portion d'énergie parasite liée au mauvais découplage. Cette opération est gérée par l'action sur les guides d'onde court-circuités des filtres 232 et 233 de la voie d'émission qui permettent, outre la réjection de la bande de réception, la mise en quadrature de phase de la composante croisée par rapport à la composante principale.
  • Cette solution permet d'atteindre des niveaux élevés de découplage, mais est complexe à mettre en œuvre et encombrante.
  • Une autre manière d'améliorer le découplage d'un transducteur orthomode à deux accès est représenté à la figure 2f. Les accès sont toujours injectés orthogonalement sur le guide d'onde 201, mais sont décalés dans l'axe zz' de la source. Ce guide d'onde permet d'atteindre des niveaux de découplage importants, d'environ -50 dB, mais est encombrant.
  • Il est également connu de l'état de la technique des transducteurs orthomodes à quatre branches, permettant d'atteindre des découplages plus importants que ceux à deux branches. Un tel transducteur orthomode est représenté à la figure 3a. Il est composé d'un guide d'onde principal 301 s'étendant longitudinalement le long d'un axe zz' et relié à deux paires de guides d'onde (302/304 et 303/305) constituant des accès par lesquels sont injectés les deux signaux à transmettre. Les deux guides d'onde d'une même paire sont positionnés face à face dans un même plan orthogonal à l'axe zz', Les deux guides d'onde de l'autre paire sont reliés aux deux autres côtés du guide d'onde principal.
  • La figure 3b décrit le principe de polarisation des signaux dans un transducteur orthomode à quatre branches.
  • Le signal destiné à être polarisé verticalement est injecté sur le guide d'onde principal 301 depuis les accès guidés 303 et 305, opposées par rapport au guide d'onde principal 301. Les signaux injectés depuis les deux accès guidés sont identiques, synchronisés, en phase et ont le même niveau de puissance. Ils se recombinent alors de manière constructive dans le guide d'onde principal, et le signal se propage selon le mode TE10. De même, le deuxième signal, destiné à être polarisé horizontalement, est injecté de manière synchronisée et en phase sur le guide d'onde principal 301 depuis les accès guidés 304 et 306, opposées par rapport au guide d'onde principal 301. Là aussi, les deux signaux injectés se recombinent de manière constructive, et le signal se propage dans le guide d'onde principal dans le mode de propagation TE01.
  • La symétrie du transducteur orthomode à quatre branches a pour effet que les lignes de champ électriques sont plus rectilignes que dans un transducteur à deux branches.
  • Comme dans le guide d'onde à deux accès, une partie du signal injecté depuis l'accès guidé 303 se retrouve dans l'accès guidé 302 avec un champ électrique 310 pivoté de 90°, et donc polarisé horizontalement. De même, une partie du signal injecté depuis l'accès guidé 305 se retrouve dans l'accès guidé 302 avec un champ électrique 311 pivoté de 90°, et donc polarisé horizontalement. Les signaux étant injectés en phase depuis les accès guidés 303 et 305, le champ électrique 310 et le champ électrique 311 des résidus de ces signaux transmis dans le guide 302 se retrouvent alors en opposition de phase (180°). Leur recombinaison se fait de manière destructive, et les résidus des signaux injectés par les accès guidés 303 et 305 se retrouvant dans l'accès guidé 302 s'évanouissent. Le principe est le même dans chacun des guides d'onde 302 à 305.
  • Les propriétés de symétrie des transducteurs orthomodes à quatre branches permettent donc d'obtenir un champ électrique parfaitement linéaire, la polarisation croisée s'évanouissant naturellement dans les accès croisés. Ils présentent généralement des niveaux de découplage importants, de l'ordre de -40 dB.
  • Cependant, générer deux signaux identiques et en phase pour chaque polarisation reporte la complexité en amont puisqu'il est alors nécessaire de dupliquer la génération des signaux, les signaux transmis à un couple d'accès devant être parfaitement identiques et synchronisés. En outre le transducteur orthomode disposant de quatre accès indépendants n'est pas optimal en terme de compacité.
  • De manière alternative, les accès guidés utilisés pour injecter un signal donné peuvent être recombinés deux à deux, en prenant garde à ce que les chemins vers chaque point d'injection soient de même longueur pour que les signaux soient injectés simultanément et en phase. Les circuits de recombinaison sont alors complexes, d'autant que les deux accès guidés sont entrelacés, et requièrent un grand nombre de composants élémentaires de liaison, augmentant ainsi la dispersion. Au final les performances obtenues sont limitées et les pertes ohmiques importantes, pour un dispositif encombrant et lourd.
  • Un objet de l'invention est donc de décrire un transducteur orthomode présentant un important niveau de découplage, qui soit à la fois simple à mettre en œuvre et compact.
    • Résumé de l'invention :
  • A cet effet, la présente invention décrit un transducteur orthomode, pour la transmission d'un premier signal et d'un deuxième signal dans des modes de propagation orthogonaux. Le transducteur orthomode comprend :
    • un guide d'onde principal à section carrée ou rectangulaire,
    • deux accès guidés ayant d'une part une extrémité libre par laquelle sont respectivement injectés ou récupérés le premier signal et le deuxième signal, et d'autre part deux bras reliés au guide d'onde principal.
  • Chaque accès guidé comprend une jonction configurée pour relier l'extrémité libre aux deux bras de l'accès guidé, les deux bras de chaque accès guidé étant reliés au guide d'onde principal en deux emplacements décentrés d'un ou plusieurs côtés du guide d'onde principal, de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal.
  • Avantageusement, la liaison entre le guide d'onde principal et les deux bras d'un accès guidé comprend les deux angles d'un même côté du guide d'onde principal.
  • Selon le mode de réalisation du transducteur orthomode selon l'invention, la jonction de chaque accès guidé est configurée pour que les signaux transmis sur les deux bras d'un accès guidé soient en phase ou en opposition de phase suivant leur mode de propagation dans le guide d'onde principal.
  • Avantageusement, les deux bras d'un même accès guidé sont de dimensions sensiblement identiques.
  • Avantageusement, les accès guidés sont agencés de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal.
  • Dans un mode de réalisation du transducteur orthomode décrit, chaque accès guidé comprend une jonction particulière choisie parmi une jonction en T plan E et une jonction en T plan H, et deux bras particuliers.
  • Dans un mode de réalisation alternatif, les deux accès guidés comprennent une même jonction sous la forme d'une jonction en T magique dont les ports latéraux sont reliés à une paire de bras commune, le premier et le deuxième signal étant transmis par deux ports distincts de la jonction en T magique.
  • L'invention décrite porte également sur un dispositif permettant de transmettre les signaux selon des polarisations circulaires orthogonales. Il comprend :
    • un transducteur orthomode tel que décrit précédemment, et
    • un coupleur 90° relié aux extrémités libres des accès guidés du transducteur orthomode de manière à polariser circulairement le premier et le deuxième signal.
  • Enfin, l'invention adresse une chaîne de transmission pour antenne satellite comprenant une source reliée à un transducteur orthomode tel que décrit précédemment, ou un dispositif tel que décrit précédemment pour la transmission de signaux selon des polarisations circulaires orthogonales.
    • Brève description des figures :
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées qui suivent, données à titre d'exemple, parmi lesquelles :
    • la figure 1a représente très schématiquement une chaîne de transmission pour antenne, par exemple une antenne satellite,
    • la figure 1b représente très schématiquement les composantes d'une antenne réseau embarquée dans un satellite,
    • la figure 2a représente une vue en trois dimensions d'un transducteur orthomode à deux branches selon l'état de l'art,
    • la figure 2b décrit le principe de polarisation des signaux dans un guide d'onde à deux branches,
    • la figure 2c représente un montage permettant de polariser circulairement et combiner des signaux dans un transducteur orthomode à deux branches,
    • la figure 2d représente le champ électrique du signal injecté sur l'accès guidé 203 d'un transducteur orthomode à deux branches,
    • la figure 2e représente un montage permettant d'améliorer le découplage d'un transducteur orthomode à deux branches,
    • la figure 2f représente un transducteur orthomode à deux branches décalées,
    • la figure 3a représente une vue en trois dimensions d'un transducteur orthomode à quatre branches selon l'état de l'art,
    • la figure 3b décrit le principe de polarisation des signaux dans un transducteur orthomode à quatre branches,
    • la figure 4a représente grossièrement le champ électrique dans l'angle d'un guide d'onde de section carrée ou rectangle,
    • la figure 4b représente schématiquement les principes physiques s'appliquant lors de l'injection d'un signal par deux accès situés sur les bords d'un côté du guide d'onde principal,
    • la figure 4c représente une configuration permettant d'injecter un signal de manière décentrée sur les côtés d'un guide d'onde,
    • la figure 4d représente une configuration permettant d'injecter un signal de manière décentrée sur les côtés d'un guide d'onde,
    • la figure 4e représente une configuration permettant d'injecter un signal de manière décentrée sur les côtés d'un guide d'onde,
    • la figure 5a représente un mode de réalisation d'un transducteur orthomode à deux branches selon l'invention,
    • la figure 5b représente le champ électrique du signal injecté sur l'accès 510 d'un transducteur orthomode à deux branches selon un mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 5c est une représentation en trois dimensions d'un transducteur orthomode selon un mode de réalisation de l'invention,
    • la figure 5d distingue les différentes parties d'un transducteur orthomode selon un mode de réalisation de l'invention pour une fabrication par fraisage,
    • la figure 6a représente un mode de réalisation d'un transducteur orthomode à deux branches selon l'invention,
    • la figure 6b distingue les différentes parties d'un transducteur orthomode selon un mode de réalisation de l'invention pour une fabrication par fraisage.
  • Des références identiques sont utilisées dans des figures différentes lorsque les éléments désignés sont identiques.
    • Description détaillée :
  • S'ils présentent de bonnes performances en découplage, les transducteurs orthomodes à quatre branches de l'état de l'art sont complexes à mettre en œuvre et encombrants. L'invention s'oriente donc naturellement vers les transducteurs orthomodes à deux branches.
  • Elle s'appuie sur les propriétés du champ électromagnétique, qui s'oriente de manière perpendiculaire aux parois métalliques du guide d'onde.
  • La figure 4a représente grossièrement la direction du champ électrique dans l'angle d'un guide d'onde 401 de section carrée ou rectangulaire. Le champ électromagnétique étant toujours perpendiculaire au support, dans l'angle du guide d'onde, il est incliné en fonction de la distance aux deux parois.
  • L'invention propose d'injecter les signaux non pas par des accès centrées sur les côtés de la cavité du guide d'onde principal du transducteur orthomode, mais par des accès décentrés situés sur les bords d'un ou plusieurs côtés de ce guide d'onde principal. Avec un seul point d'injection décentré, le mode de propagation dans le guide d'onde n'est pas maitrisé puisqu'il n'est pas certain que le champ électrique dans le guide d'onde sera parfaitement linéaire et orienté dans la direction voulue. L'invention propose d'injecter chaque signal non par un, mais par deux accès décentrés d'un ou plusieurs côtés du guide d'onde principal, et ce de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal. La figure 4b représente schématiquement les principes physiques s'appliquant lors de l'injection d'un signal par deux accès situés sur les bords d'un même côté du guide d'onde principal.
  • La figure 4b prend l'exemple de l'injection d'un premier signal dans le guide d'onde principal 401 d'un transducteur orthomode à travers un accès guidé 410, dans le but que ce signal se propage selon le mode TE10 (linéaire vertical). Les flèches pleines représentent l'orientation du champ électrique. Le signal injecté sur l'accès guidé 410 est séparé en deux signaux de même puissance par une jonction 411 jouant le rôle de moyen de séparation des signaux. La jonction est raccordée à deux bras 412 et 413 de même longueur. La jonction peut par exemple être un T hyperfréquence plan E, réalisant la division du signal en deux signaux en opposition de phase et de même puissance. Les bras de chaque accès sont reliés au guide d'onde principal 401 par deux fentes décentrées situées aux extrémités du bord droit du guide d'onde principal 401, de manière symétrique par rapport à l'axe xx'. Les champs électriques appliqués de cette manière dans les angles du guide d'onde principal (représentés par les flèches pleines) ne sont pas verticaux dans les angles. Cependant, la recombinaison vectorielle de ces deux injections donne le champ électrique souhaité, ici un champ électrique polarisé parfaitement verticalement.
  • La jonction 411 peut également être une jonction hyperfréquence en T plan H, réalisant la division du signal en deux signaux en phase et de même puissance. Dans ce cas, le champ électrique des signaux (représenté par les flèches en pointillés) en sortie de la jonction 411 est en phase. Le signal dans le guide d'onde principal 401, résultant de la combinaison vectorielle des signaux injectés par les bras 412 et 413, est alors polarisé horizontalement (mode TE01, linéaire horizontal). Le type de jonction est donc choisi selon le mode de propagation recherché dans le guide d'onde principal.
  • En injectant un même signal, en phase ou en opposition de phase, à travers deux accès décentrés et symétriques dans le guide d'onde principal d'un transducteur orthomode, il est donc possible de « forcer » le mode de propagation de l'onde électromagnétique. Dans l'exemple de la figure 4b, où les bras 412 et 413 de l'accès guidé 410 sont positionnés dans les angles d'une paroi verticale du guide d'onde principal 401, la jonction 411 sépare le signal en deux signaux en opposition de phase pour polariser verticalement le signal, ou deux signaux en phase pour le polariser horizontalement.
  • L'utilisation de bras de mêmes dimensions (même longueur, même largeur et même hauteur) permet d'injecter le signal dans le guide d'onde principal de manière synchronisée et avec un même niveau de puissance. Un moyen simple d'obtenir des bras de même longueur consiste à agencer l'ensemble de l'accès guidé de manière symétrique par rapport à l'axe de symétrie xx' du guide d'onde principal 401.
  • La disposition décrite à la figure 4b n'est pas la seule possible pour un accès guidé à deux bras dans un transducteur orthomode selon l'invention. Les figures 4c, 4d et 4e décrivent d'autres configurations permettant d'injecter un signal de manière décentrée sur les côtés du guide d'onde principal 401.
  • Dans la figure 4c, la jonction 421 est un T plan E, qui génère deux signaux en opposition de phase sur les deux bras 422 et 423, qui injectent les signaux dans les deux angles d'un côté horizontal du guide d'onde principal 401, de manière symétrique par rapport à l'axe yy'. Par conséquent, le mode de propagation dans le guide d'onde principal est le mode TE01, soit une polarisation linéaire horizontale. En utilisant une jonction 421 configurée pour générer des signaux en phase, tel qu'une jonction en T plan H, le mode de propagation obtenu est le mode TE10, soit une polarisation linéaire verticale.
  • Dans la figure 4d, les deux bras sont reliés à des accès décentrés situés sur deux côtés opposés du guide d'onde principal 401. Les accès sont toujours symétriques par rapport à l'axe xx'. Le champ électrique évolue comme sur la figure 4b, en mode TE10, bien que les points d'injection des bras 432 et 433 dans le guide d'onde principal soient différents de ceux des bras 412 et 413 de la figure 4b. En utilisant une jonction en T plan H au lieu d'une jonction en T plan E, le signal est polarisé horizontalement (mode TE01).
  • Dans la figure 4e, les deux bras sont reliés à un même côté horizontal du guide d'onde principal 401, et sont décentrés de manière symétrique par rapport à l'axe yy' mais sans englober les angles. Le champ électrique évolue de la même manière que sur la figure 4c, bien que l'agencement des bras et leur positionnement par rapport aux angles du guide d'onde principal diffèrent.
  • Les bras d'un accès guidé ne rejoignent donc pas nécessairement le guide d'onde principal 401 dans un de ses angles, à condition que les points d'injection dans le guide d'onde principal soient symétriques par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal 401, pour que la combinaison des signaux injectés depuis les deux bras génère un champ électrique parfaitement rectilinéaire. Cependant, la proximité des angles améliore les performances du transducteur orthomode selon l'invention, car les fentes de jonction entre les bras d'accès et le guide d'onde central créent un couplage magnétique (champ H), leur positionnement dans les angles optimisant l'efficacité de ce couplage.
  • La figure 5a représente un mode de réalisation d'un transducteur orthomode à deux branches selon l'invention. Le transducteur est configuré pour émettre un premier signal dans une polarisation linéaire verticale, et un deuxième signal dans une polarisation linéaire horizontale.
  • Il comprend un guide d'onde principal 501, à section carrée, mais l'invention s'appliquerait de manière identique pour un guide d'onde à section rectangulaire, dans le cas de deux signaux injectés fonctionnant dans des bandes de fréquences différentes. Le guide d'onde principal 501 s'étend selon un axe zz' dans lequel peut par exemple se trouver une source pour un système antennaire. Il est adapté à la propagation de signaux selon les deux modes fondamentaux TE10 et TE01 dans la ou les bandes de fréquences considérées. La figure 5a représente le transducteur orthomode dans une vue en coupe au niveau des intersections avec les accès guidés, selon un plan xy orthogonal à l'axe zz' dans lequel s'étend le guide d'onde principal 501.
  • Un premier accès guidé 510 est configuré pour injecter le premier signal dans le guide d'onde principal 501. Il comprend un guide d'onde 511 présentant une extrémité libre par laquelle est injecté le signal à émettre en polarisation verticale, une jonction 512 configurée pour diviser le premier signal en deux signaux identiques, de même puissance, et en opposition de phase, tel qu'une jonction en T plan E, et deux bras 513 et 514, reliés d'une part à la jonction 512 et d'autre part à un même côté du guide d'onde principal de manière décentrée et symétrique par rapport à son axe xx'. Les éléments constituant l'accès guidé 510 sont dimensionnés de manière à permettre la propagation du premier signal (dont le champ électromagnétique est représenté par des flèches pleines sur la figure) selon un mode fondamental dans la bande de fréquence considérée. Ils peuvent être reliés avec le guide d'onde principal 501 à travers des iris réalisant l'adaptation d'impédance. La combinaison vectorielle des champs électriques des signaux injectés par les deux bras 513 et 514 dans le guide d'onde 501 forme le mode de propagation du signal dans le guide d'onde, c'est-à-dire ici le mode TE10, correspondant à une polarisation linéaire verticale.
  • De manière identique, un deuxième accès guidé 520 est configuré pour injecter le deuxième signal dans le guide d'onde principal 501, au même niveau que le premier accès guidé. Il comprend un guide d'onde 521, par lequel est injecté le signal, relié à une jonction 522, configurée pour diviser le deuxième signal en deux signaux identiques, de même puissance et en opposition de phase. Les deux sorties de la jonction 522 donnent sur les bras 523 et 524. Les deux bras sont respectivement reliés aux bords d'un même côté du guide d'onde principal, de manière symétrique par rapport à son axe de symétrie yy'. Le côté du guide d'onde choisi ici est le côté orthogonal à celui où sont reliés les bras du premier accès guidé. Cependant, dans le transducteur orthomode selon l'invention, n'importe quel autre côté aurait pu être sélectionné puisque la polarisation finale du signal est fonction de la combinaison des positions où le signal est injecté par les deux bras et du type de jonction choisi. Les éléments constituant l'accès guidé 520 sont dimensionnés de manière à permettre la propagation du deuxième signal (dont le champ électromagnétique est représenté par des flèches en pointillés sur la figure) selon un mode fondamental dans la bande de fréquence considérée. Ils peuvent être reliés avec le guide d'onde principal 501 par des fentes pourvues d'iris pour l'adaptation d'impédance. La combinaison vectorielle des champs électriques des signaux injectés par les deux bras 523 et 524 permet de former le mode de propagation du signal dans le guide d'onde, ici le mode TE01 correspondant à une polarisation linéaire horizontale.
  • Le transducteur orthomode selon l'invention permet donc, à partir de deux accès 510 et 520, de combiner deux signaux avec les polarisations croisées voulues dans le guide d'onde principal 501.
  • La figure 5b représente le champ électrique du signal injecté sur l'accès 510 d'un transducteur orthomode à deux branches selon un mode de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe dans le plan xy à l'intersection entre les accès guidés et le guide principal 501. La longueur et la direction des flèches représentent l'intensité et la direction du champ électrique.
  • Le champ électrique dans l'accès 510 évolue de sorte que la combinaison vectorielle du signal injecté en phase à travers les bras 513 et 514 se propage dans le guide d'onde principal selon le mode TE10, c'est-à-dire polarisé verticalement. On observe que le champ électrique est orienté beaucoup plus précisément que dans un transducteur orthomode à deux accès représenté à la figure 2d, de par la symétrie des accès à deux branches : le découplage entre les polarisations est donc plus important.
  • Une partie de l'énergie injectée depuis l'accès guidé 510 se propage dans les bras 523 et 524 de l'accès guidé 520, où le champ électrique tourne pour se retrouver orienté horizontalement. La jonction en phase 522 (jonction en T plan E) joue alors le rôle de moyen de combinaison en opposition de phase des signaux. La position des deux bras étant symétrique par rapport à l'axe de symétrie yy' du guide d'onde principal 501, les signaux transmis dans les deux bras sont identiques et de même puissance. L'orientation du champ électrique fait qu'ils sont en opposition de phase (180°) dans l'accès 521. Par conséquent, ils s'annulent, et les résidus du signal émis par l'accès guidé 510 et reçus dans la jonction 522 s'évanouissent naturellement dans le guide d'onde 521. Il n'y a donc pas ou peu d'effets de couplage dus aux résidus d'un signal dans l'accès guidé du signal de polarisation croisé.
  • Le phénomène est le même dans l'autre sens, où des résidus du signal émis par l'accès 520 se retrouvent en opposition de phase dans les bras 513 et 514. Leur recombinaison par la jonction 511 en opposition de phase fait que le signal polarisé horizontalement s'évanouit en sortie. Il n'y a donc pas ou peu d'effets de couplage dans ce sens non plus.
  • Grâce aux propriétés de symétrie des accès décentrés, le transducteur orthomode selon l'invention tel que représenté à la figure 5a permet d'améliorer les performances de découplage de quelques dB par rapport aux transducteurs orthomodes à deux bras tel que celui représenté à la figure 2a, en générant des champs électriques parfaitement linéaires, et en bloquant par construction la propagation du signal d'un accès guidé vers l'autre. En outre, ce transducteur orthomode est plus large bande que les transducteurs orthomodes à deux branches de l'état de l'art car ses propriétés de symétrie font qu'il construit des alignements de polarisation toujours bien orientés, indépendamment de la bande de fréquence considérée. Ce n'est pas le cas avec les transducteurs orthomodes à deux bras, qui ne sont pas symétriques et doivent donc être optimisés pour une bande de fréquence donnée.
  • La figure 5c est une représentation en trois dimensions d'un transducteur orthomode selon un mode de réalisation de l'invention. On y retrouve le guide d'onde principal 501, auquel sont reliés un premier accès 510, pour l'injection du signal émis selon une polarisation, et un deuxième accès 520, pour l'injection du signal émis selon la polarisation croisée.
  • Ce dispositif présente l'avantage d'être particulièrement simple et d'occuper un volume réduit de près de 75% par rapport aux transducteurs orthomodes à quatre branches reliées deux à deux tel que celui de la figure 3a, ce qui est un des buts recherchés par l'invention. Cette compacité est importante, notamment pour la réalisation d'antennes réseau impliquant un grand nombre de transducteurs orthomode disposés selon une maille restreinte. La diminution de masse est dans les mêmes proportions, ce qui est également très apprécié pour la réalisation d'antennes réseau embarquées dans la charge utile de satellites.
  • Un autre avantage du transducteur orthomode selon l'invention est que le fond de cavité du transducteur orthomode (l'arrière du guide d'onde principal selon l'axe zz') reste libre. Il est donc possible d'ajouter à la suite d'autres accès permettant de traiter les polarisations de signaux transmis dans une autre bande de fréquence, ou une charge jouant le rôle de terminaison du guide d'onde principal.
  • Si le transducteur orthomode selon l'invention, où chacun des accès comprend un couple de bras distincts, permet de polariser des signaux selon des polarisations linéaires orthogonales, il peut être associé à un coupleur de manière à polariser circulairement les signaux, de manière comparable à ce qui se fait avec les transducteurs orthomodes à deux branches connus de l'état de la technique tel que celui représenté à la figure 2c.
  • Enfin, la réalisation du transducteur orthomode selon l'invention est envisageable en fabrication additive (impression en trois dimensions métallique) pour un coût réduit ou en technique fraisée, en seulement trois parties 531, 532 et 533 représentées à la figure 5d, la partie 533 représentant une marche permettant d'adaptation du transducteur orthomode à la source de l'antenne.
  • Un autre mode de réalisation d'un transducteur orthomode selon l'invention est donné à la figure 6a. Ce mode de réalisation implique toujours un guide d'onde principal 601, mais les accès guidés des deux signaux à polarisations croisés sont injectés par la même paire de bras.
  • Pour ceci, le transducteur orthomode comprend un dispositif connu de l'homme du métier, nommé jonction en T magique (en anglais magic T). Une jonction en T magique est un composant hyperfréquence à trois dimensions et quatre ports : deux ports latéraux, un port somme et un port différence. Il réalise conjointement la fonction de jonction en T plan E et plan H, les ports latéraux et le port somme formant le T plan H, les ports latéraux et le port différence formant le T plan E.
  • Le premier accès au guide d'onde principal est formé par un guide d'onde 603 présentant une extrémité libre par laquelle est injecté le premier signal, et relié au port différence de la jonction en T magique. Les deux ports latéraux de la jonction en T magique sont reliés à deux bras 610 et 611, eux-mêmes reliés au guide d'onde principal 601 par des accès décentrés positionnés sur les bords d'un même côté du guide d'onde principal, de manière symétrique par rapport sont axe de symétrie yy'.
  • Le deuxième accès au guide d'onde principal est formé par un guide d'onde 604 présentant une extrémité libre par laquelle est injecté le deuxième signal, et relié au port somme de la jonction en T magique. Les bras de cet accès sont les bras 610 et 611 raccordés aux ports latéraux de la jonction en T magique, tout comme le premier accès.
  • L'utilisation d'une jonction en T magique permet de pouvoir partager les bras entre les deux accès guidés dans des polarisations orthogonales. Le positionnement des accès permet d'obtenir des modes de propagation orthogonaux dans le guide d'onde principal 601 avec des champs électriques parfaitement formés. Enfin, le positionnement et la structure des accès, associés à la jonction en T magique, permettent d'éviter les effets de couplage entre les deux signaux à polarisations croisées.
  • Le guide d'onde selon le mode de réalisation présenté à la figure 6a permet d'obtenir des niveaux de découplage très élevés, de l'ordre de -70 dB, avec un dispositif extrêmement compact. Par rapport aux modes de réalisations présentés précédemment, il fonctionne cependant sur une bande de fréquence réduite, donnée par la bande de fonctionnement de la jonction en T magique.
  • Sa réalisation est très simple puisqu'il peut être généré par fabrication additive, ou par un fraisage requérant uniquement l'assemblage de deux pièces. La figure 6b représente les deux pièces 621 et 622 requises pour la réalisation par fraisage d'un transducteur orthomode selon l'invention.
  • Les modes de réalisation présentés précédemment pour un transducteur orthomode selon l'invention permettent de combiner des signaux dans des polarisations orthogonales de manière simple, peu encombrante et très performante.
  • Le transducteur orthomode selon l'invention a été décrit dans le cas d'application de l'injection de deux signaux depuis les extrémités libres des accès guidés vers le guide d'onde principal. Cependant, l'invention s'applique de manière identique pour l'extraction de signaux depuis le guide d'onde principal vers les deux accès guidés. Dans ce cas, les jonctions en T jouent le rôle de moyens de combinaison des signaux reçus par les bras depuis le guide d'onde principal. L'invention s'applique également de la même manière pour l'injection d'un premier signal et l'extraction simultanée d'un deuxième signal en polarisation croisée.

Claims (9)

  1. Transducteur orthomode, pour la transmission d'un premier signal et d'un deuxième signal dans des modes de propagation orthogonaux, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - un guide d'onde principal (501, 601) à section carrée ou rectangulaire,
    - deux accès guidés (510, 520) ayant d'une part une extrémité libre par laquelle sont respectivement injectés ou récupérés le premier signal et le deuxième signal, et d'autre part deux bras reliés au guide d'onde principal,
    et dans lequel chaque accès guidé comprend une jonction (512, 522, 602) configurée pour relier l'extrémité libre avec les deux bras de l'accès guidé, les deux bras (513, 514, 523, 524, 610, 611) de chaque accès guidé étant reliés au guide d'onde principal en deux emplacements décentrés d'un ou plusieurs côtés du guide d'onde principal, les deux emplacements étant symétriques par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal.
  2. Transducteur orthomode selon la revendication 1, dans lequel la liaison entre le guide d'onde principal et les deux bras d'un accès guidé comprend les deux angles d'un même côté du guide d'onde principal.
  3. Transducteur orthomode selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la jonction (512, 522, 602) de chaque accès guidé est configurée pour que les signaux transmis sur la paire de bras d'un accès guidé soient en phase ou en opposition de phase suivant leur mode de propagation dans le guide d'onde principal.
  4. Transducteur orthomode selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux bras d'un même accès guidé sont de dimensions sensiblement identiques.
  5. Transducteur orthomode selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les accès guidés sont agencés de manière symétrique par rapport à un axe de symétrie du guide d'onde principal.
  6. Transducteur orthomode selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque accès guidé comprend une jonction (512, 522) particulière choisie parmi une jonction en T plan E et une jonction en T plan H, et deux bras particuliers (513, 514, 523, 524).
  7. Transducteur orthomode selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les deux accès guidés comprennent une même jonction (602) sous la forme d'une jonction en T magique dont les ports latéraux sont reliés à une paire de bras commune (610, 611), le premier et le deuxième signal étant transmis par deux ports distincts (603, 604) de la jonction en T magique.
  8. Dispositif comprenant :
    - un transducteur orthomode (102) selon l'une des revendications 1 à 7, et
    - un coupleur 90° (210) relié aux extrémités libres des accès guidés du transducteur orthomode de manière à polariser circulairement le premier et le deuxième signal.
  9. Chaîne de transmission pour antenne satellite comprenant une source (101) reliée à un transducteur orthomode (102) selon l'une des revendications 1 à 7 ou à un dispositif selon la revendication 8.
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