FR2512279A1 - Microwave resonant cavity for high density telecommunications system - has helicoidal spring behind piston in cylindrical cavity to eliminate parasitic resonance modes and providing electrical coupling - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne les cavités hyperfréquences. The present invention relates to microwave cavities.
Ces cavités ont la propriété, lorsqu'elles sont couplées à un circuit hyperfréquence, d'entrer en résonance sur certaines fréquences particulières, ces fréquences étant déterminées par la géométrie de la cavité. These cavities have the property, when they are coupled to a microwave circuit, of entering into resonance on certain particular frequencies, these frequencies being determined by the geometry of the cavity.
Cette propriété est notamment employée dans le domaine des télécommunications au moyen de signaux hyperfréquences. Pour parvenir à une densité d'information transmise élevée, on procède au multiplexage de différents canaux par addition de signaux de fréquences voisines avant leur envoi groupé vers l'antenne d'émission. This property is used in particular in the telecommunications field by means of microwave signals. To achieve a high density of transmitted information, multiplexing of different channels is carried out by adding signals of neighboring frequencies before their grouped sending to the transmitting antenna.
A la réception du signal, il sera nécessaire de procéder à la séparation de ces canaux en vue de leur utilisation propre. A cette fin, on couplera le récepteur du signal reçu < une série de filtres à cavités couplées, chacun de ces filtres étant accordé sur un canal déterminé. On constate tout de suite que de telles applications nécessitent une précision de l'accord et une pureté du filtrage élevées.Upon reception of the signal, it will be necessary to separate these channels for their own use. To this end, the receiver of the received signal will be coupled <a series of filters with coupled cavities, each of these filters being tuned on a determined channel. It is immediately clear that such applications require high tuning precision and high filter purity.
En matière d'hyperfréquences uoedifficulté supplémentaire surgit du fait que la résonance de la cavité peut intervenir sur plusieurs modes, correspondant à différentes répartitions possibles du champ électromagnétique à l'intérieur du système résonnant. Pour obtenir un filtrage répondant auxconditions précitées, il est nécessaire de faire résonner la cavité sur un seul mode, le mode dit TE011, car c'est celui qui procure un coefficient de surtension à vide - et par suite une qualité de filtrage - de valeur supérieure à celui des autres modes, sans augmentation importante des dimensions utiles de la cavité. In the matter of microwave frequencies, additional difficulty arises from the fact that the resonance of the cavity can intervene in several modes, corresponding to different possible distributions of the electromagnetic field inside the resonant system. To obtain a filtering meeting the aforementioned conditions, it is necessary to make the cavity resonate in a single mode, the so-called TE011 mode, because it is the one which provides a coefficient of no-load overvoltage - and therefore a quality of filtering - of value greater than that of the other modes, without significant increase in the useful dimensions of the cavity.
L'inconvenient majeur des cavités résonnant sur ce mode est la présence de résonances parasites dont la fréquence est voisine du mode TEO11 choisi, ou même apparaissant à une fréquence égale. Le système résonnant génère alors lui-même ses propres perturbations, qui empêchent toute utilisation correcte. The major drawback of cavities resonating in this mode is the presence of parasitic resonances whose frequency is close to the chosen TEO11 mode, or even appearing at an equal frequency. The resonant system then generates its own disturbances, which prevent any correct use.
Une cavité hyperfréquence accordable sur un mode TEollest généralement constituée d'un volume clos comportant une paroi s'étendant entre une base et un fond parallèles, un piston mobile parallèle à la base et au fond, et des moyens de couplage et d'excitation de la cavité. A microwave cavity tunable in a TEollest mode generally consists of a closed volume comprising a wall extending between a base and a parallel bottom, a movable piston parallel to the base and the bottom, and means of coupling and excitation of the cavity.
Le piston mobile définit un espace résonnant de volume variable, par exemple cylindrique si la section de la cavité est circulaire, entre la base et la face du piston située en regard de celle-ci.The movable piston defines a resonant space of variable volume, for example cylindrical if the section of the cavity is circular, between the base and the face of the piston situated opposite the latter.
De manière connue, on utilise un piston de diamètre légèrement plus faible que celui de la cavité cylindrique afin qu'aucun contact électrique n'existe entre le piston et la paroi. De cette manière, les modes parasites gênants, notamment les modes Tel011 et TI41ll, sont éliminés. En effet, le mode TE011, le seul qu'on désire conserver, a la caractéristique très avan- tageuse de correspondre à une distribution de champ tel que aucun courant ne circule entre piston et paroi. In known manner, a piston with a diameter slightly smaller than that of the cylindrical cavity is used so that no electrical contact exists between the piston and the wall. In this way, the annoying parasitic modes, in particular the Tel011 and TI41ll modes, are eliminated. In fact, the TE011 mode, the only one that we wish to keep, has the very advantageous characteristic of corresponding to a field distribution such that no current flows between the piston and the wall.
Un petit intervalle atténuera considérablement tous les modes gênants, qui ne possèdent pas cette propriété.A small interval will considerably attenuate all the troublesome modes, which do not have this property.
Cette précaution n'est pas suffisante ; en effet, outre la cavité principale délimitée par le piston et la base, des résonances peuvent apparaître dans la cavité arrière délimitée par le piston et le fond du cylindre, ainsi que dans celle délimitée par la base et le fond, dans les dimensions maximales. This precaution is not enough; in fact, in addition to the main cavity delimited by the piston and the base, resonances can appear in the rear cavity delimited by the piston and the bottom of the cylinder, as well as in that delimited by the base and the bottom, in the maximum dimensions.
On connaît divers moyens pour atténuer ces résonances parasites ; tout d'abord, un centrage rigoureux des plans du fond et de la base par rapport à l'axe de la cavité, et une parfaite symétrie axiale de la paroi, permettent d'éliminer ces modes gênants, notamment le mode TM111. Various means are known for attenuating these parasitic resonances; first of all, rigorous centering of the planes of the bottom and of the base relative to the axis of the cavity, and perfect axial symmetry of the wall, make it possible to eliminate these troublesome modes, in particular the TM111 mode.
Le résultat peut être amélioré en utilisant un piston dont la face arrière comporte un élément résistif, par exemple en lui adjoignant une rondelle de poudre de fer, qui atténuera les modes prenant naissance dans la cavité arrière. The result can be improved by using a piston, the rear face of which includes a resistive element, for example by adding to it a washer of iron powder, which will attenuate the modes originating in the rear cavity.
I1 n'en demeure pas moins que ces moyens connus n'ont pour effet que d'atténuer les modes parasites, dégradant ainsi le rendement du résonateur. The fact remains that these known means only have the effect of attenuating the parasitic modes, thus degrading the efficiency of the resonator.
La présente invention, au contraire, propose un moyen pour éliminer ces modes en déplaçant leur résonance. On aispose un obstacle lastiqueraent C-ormable, bon conducteur entre le piston et le fond de la cavité, assurant une liaison électrique entre ceux-ci. Cet obstacle peut être par exemple un ressort, hélicoldal ou conique, ou bien une membrane déformable. The present invention, on the contrary, provides a means for eliminating these modes by shifting their resonance. There is a C-ormable elastic obstacle, a good conductor between the piston and the bottom of the cavity, ensuring an electrical connection between them. This obstacle can be for example a spring, helical or conical, or a deformable membrane.
A la différence des dispositifs connus, l'absence de tout élément résistif procure les avantages considérables, d'une part d'éliminer totalement la résonance parasite en la déplaçant au lieu de l'atténuer, et d'autre part de conserver intactes les qualités d'un tel résonateur, notamment son facteur de surtension élevé
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, où :
la figure 1 est une vue en coupe de la cavité hyperfréquence selon l'invention, (les moyens, connus, de couplage et d'excitation de la cavité n'ont pas été représentés) et
la figure 2 est un graphique expliquant pour quoi, pour certaines positions du piston, apparait un mode parasite.Unlike known devices, the absence of any resistive element provides considerable advantages, on the one hand completely eliminating the parasitic resonance by moving it instead of attenuating it, and on the other hand preserving the qualities of such a resonator, in particular its high overvoltage factor
Other characteristics and advantages of the invention will appear more clearly on reading the detailed description which follows, made with reference to the appended drawings, where:
FIG. 1 is a sectional view of the microwave cavity according to the invention, (the known means for coupling and exciting the cavity have not been shown) and
FIG. 2 is a graph explaining why, for certain positions of the piston, a parasitic mode appears.
Sur la figure 1, on peut voir la cavité 10, constituée d'une paroi 11 s'étendant sur une hauteur L3 entre une base 12 et un fond 13. On supposera cette cavité cylindrique, mais l'invention est applicable à toutes formes de cavités susceptibles de résonner sur un mode TEO11. In Figure 1, we can see the cavity 10, consisting of a wall 11 extending over a height L3 between a base 12 and a bottom 13. This cylindrical cavity will be assumed, but the invention is applicable to all forms of cavities likely to resonate in a TEO11 mode.
Un piston 20 définit un volume résonnant 30 de hauteur L1 et de diamètre D. Le piston, d1épaisseur e, est en matériau conducteur; il présente une face avant 21 et une face arrière 22, parallèles entre elles et parallèles au fond 13 et à la base 12. Un léger espace 23 est ménagé entre le piston 20 et la paroi 11, comme il a été expliqué plus haut. A piston 20 defines a resonant volume 30 of height L1 and of diameter D. The piston, of thickness e, is made of conductive material; it has a front face 21 and a rear face 22, mutually parallel and parallel to the bottom 13 and the base 12. A slight space 23 is provided between the piston 20 and the wall 11, as has been explained above.
A l'aide de la figure 2, on va maintenant expliquer le fonctionnement de cette cavité. Using FIG. 2, we will now explain the operation of this cavity.
Le mode TEoll, qui est le mode fondamental de la cavité, apparaît dans le volume 30 défini entre la base et le piston. On démontre que, pour une cavité cylindrique, la fréquence de résonance de ce mode varie comme le rapport D/L1,- D étant le diamètre du cylindre et Ll sa hauteur. En déplaçant le piston, on fait varier ce rapport D/L1, et par suite on peut accorder la cavité sur la fréquence voulue. TEoll mode, which is the fundamental mode of the cavity, appears in the volume 30 defined between the base and the piston. It is shown that, for a cylindrical cavity, the resonant frequency of this mode varies as the ratio D / L1, - D being the diameter of the cylinder and Ll its height. By moving the piston, we vary this ratio D / L1, and therefore we can tune the cavity on the desired frequency.
Mais cet accord peut être perturbé par l'existence du mode parasite TE311, qui résonne a fréquence fixe dans les dimensions maximales de la cavité, donc sans relation avec la position du piston, isolé électriquement de la paroi. En effet, le mode TE311 possède une répartition du champ electromagnétique tel qu'il se retrouve de part et d'autre du piston, et amène un fort couplage entre les volumes situés de part et d'autre de celui-ci. But this agreement can be disturbed by the existence of the TE311 parasitic mode, which resonates at a fixed frequency in the maximum dimensions of the cavity, therefore unrelated to the position of the piston, electrically isolated from the wall. In fact, the TE311 mode has a distribution of the electromagnetic field as it is found on either side of the piston, and brings about a strong coupling between the volumes located on either side of the latter.
On montre que la fréquence de résonance du mode TE31l varie comme le rapport D/L2 avec L2 = L3-e;
L3 étant la hauteur totale de la cavité, et e l'épaisseur du piston (la résonance étant indépendante de la position du piston, on peutraisonner comme si celui-ci, conducteur, était plaqué contre le fond de la cavité). La résonance du mode parasite est donc fixe, elle est établie par construction selon les dimensions du résonateur.We show that the resonant frequency of the TE31l mode varies like the D / L2 ratio with L2 = L3-e;
L3 being the total height of the cavity, and e the thickness of the piston (the resonance being independent of the position of the piston, we can reason as if the latter, conductive, was pressed against the bottom of the cavity). The parasitic mode resonance is therefore fixed, it is established by construction according to the dimensions of the resonator.
Par exemple, on a repéré sur la figure 2, pour un rapport D/L2 = 2,30, une fréquence F1. Mais cette même fréquence F1 correspond à une position du piston pour laquelle la cavité est accordée sur le mode TEO11. For example, in FIG. 2, a frequency F1 has been identified for a ratio D / L2 = 2.30. But this same frequency F1 corresponds to a position of the piston for which the cavity is tuned in TEO11 mode.
Le calcul donne dans ce cas un rapport D/L1= 2,55. En d'autres termes, pour la position du piston telle que
L1/L2 = 2,30 / 2,55 = 0,91, l'accord de la cavité est impossible dans de bonnes conditions, ainsi que pour les positions voisines.The calculation gives in this case a ratio D / L1 = 2.55. In other words, for the position of the piston such that
L1 / L2 = 2.30 / 2.55 = 0.91, tuning of the cavity is impossible under good conditions, as well as for neighboring positions.
De mBe, rour une cavité cylindriue de 71us petit diamètre, par exemple présentant un rapport D/L2 = 1,30, l'accord à la fréquence F2 (F2 supérieure à F1) serait impossible. Le calcul donne, pour cette fréquence, un rapport D/L1 = 1,70, donc un accord impossible pour L1/L2 = 1,30 / 1,70 = 0,76. Similarly, in a cylindrical cavity of 71us small diameter, for example having a D / L2 ratio = 1.30, tuning to the frequency F2 (F2 greater than F1) would be impossible. The calculation gives, for this frequency, a ratio D / L1 = 1.70, therefore an impossible agreement for L1 / L2 = 1.30 / 1.70 = 0.76.
On peut ainsi construire la courbe de la figure 2, qui montre que, quelle que soit la dimension maximale de la cavité (rapport D/L2 en abscisse), il existe une position du piston (rapport D/L1 en ordonnée) pour laquelle le mode fondamental TEO11 et le mode parasite TE311 résonnent à la même fréquence, donc sont présents en même temps. We can thus construct the curve of Figure 2, which shows that, whatever the maximum dimension of the cavity (ratio D / L2 on the abscissa), there is a position of the piston (ratio D / L1 on the ordinate) for which the TEO11 fundamental mode and TE311 parasitic mode resonate at the same frequency, so are present at the same time.
Pour empêcher l'apparition de ce phénomène, on dispose un obstacle de forme adéquate remplissant partiellement la partie arrière de la cavité, par exemple, comme sur la figure 1, un ressort 40 comprimé entre le fond 13 et la face arrière 22 du piston 20. On a représenté un ressort hélicoïdal de forme généralement cylindrique et de diamètre légèrement inférieur à celui de la cavité, mais il est possible d'employer d'autres formes de ressorts. Notamment, un ressort conique autorise une course plus longue du piston, car ses spires s'imbriquent les unes dans les autres lors de la compression, au lieu de s'empiler, comme avec un ressort cylindrique. Dans ce cas, de préférence, la base du cône repose sur la face arrière 22 du piston. To prevent the occurrence of this phenomenon, there is an obstacle of adequate shape partially filling the rear part of the cavity, for example, as in FIG. 1, a spring 40 compressed between the bottom 13 and the rear face 22 of the piston 20 There is shown a helical spring of generally cylindrical shape and of diameter slightly smaller than that of the cavity, but it is possible to use other forms of springs. In particular, a conical spring allows a longer stroke of the piston, because its coils overlap one another during compression, instead of stacking, as with a cylindrical spring. In this case, preferably, the base of the cone rests on the rear face 22 of the piston.
On peut également utiliser un ressort biconique, ou tout autre élément déformable, tel qu'une membrane élastique, un maillage susceptible de se déployer, ou analogue ; la propriété essentielle de cet élément étant, de manière caractéristique de l'invention, d'être bon concucteir,ip manière à assurer la meilleure conduction électrique entre le piston et le fond de la cavité. One can also use a biconical spring, or any other deformable element, such as an elastic membrane, a mesh capable of being deployed, or the like; the essential property of this element being, characteristic of the invention, to be good to build, ip so as to ensure the best electrical conduction between the piston and the bottom of the cavity.
Un ressort en acier, ou - mieux - en bronze au béryllium, remplit parfaitement cette condition. A steel spring, or - better - beryllium bronze, perfectly fulfills this condition.
I1 est bien entendu que la presente invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans pour autant sortir du domaine de l'invention. It is understood that the present invention is not limited to the embodiment which has just been described, and that numerous variants can be envisaged without thereby departing from the scope of the invention.
En particulier, l'invention est applicable dès qu'on est en présence d'une cavité susceptible d'entrer en résonance sur un mode TE011, quelle que soit sa forme propre, cylindrique ou autre , et quelles que soient les fréquences utilisées dans l'application à laquelle elle est destinée. In particular, the invention is applicable as soon as there is a cavity capable of entering into resonance in a TE011 mode, whatever its own shape, cylindrical or other, and whatever the frequencies used in the application for which it is intended.
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| ST | Notification of lapse |