FR2558306A1 - Fenetre circulaire pour guide d'onde hyperfrequence - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UNE FENETRE CIRCULAIRE POUR GUIDE D'ONDE HYPERFREQUENCE. CETTE FENETRE EST CONSTITUEE PAR UNE LAME CIRCULAIRE 6 EN UN MATERIAU DIELECTRIQUE MONTEE DANS UN TRONCON DE GUIDE CIRCULAIRE 7 RELIE DE PART ET D'AUTRE A UN GUIDE D'ONDE 5 FONCTIONNANT DANS UNE BANDE DE FREQUENCE CENTREE AUTOUR D'UNE FREQUENCE CENTRALE. LE DIAMETRE DE LA LAME CIRCULAIRE 6 EST CHOISI POUR REJETER LES MODES PARASITES OU "GHOST-MODES" EN DEHORS DE LA BANDE DE FREQUENCE. LA LONGUEUR L DU TRONCON DE GUIDE CIRCULAIRE 7 EST CHOISIE POUR QUE LA REACTANCE DE L'ENSEMBLE LAME 6 ET GUIDE CIRCULAIRE 7 S'ANNULE POUR LA FREQUENCE CENTRALE. ELLE COMPORTE DE PLUS UN TRANSFORMATEUR 10 D'IMPEDANCE DEMI-ONDE DONT LA HAUTEUR H EST CHOISIE POUR REALISER L'ADAPTATION DANS LA BANDE DE FREQUENCE DE FONCTIONNEMENT. LA FENETRE ASSOCIEE A DES GUIDES D'ONDE DE SECTION RECTANGULAIRE EST UTILISEE NOTAMMENT AVEC DES TUBES POUR LES TELECOMMUNICATIONS.

Description

FENETRE CIRCULAIRE POUR GUIDE D'ONDE

HYPERFREQUENCE

La présente invention concerne une fenêtre pour guide d'onde

hyperfréquence, plus particulièrement une fenêtre circulaire.

En effet, les dispositifs hyperfréquences qui fonctionnent à une pression différente de la pression atmosphérique nécessitent en général une fenêtre étanche destinée à la fois à l'isoler de la

pression extérieure et à permettre la propagation des ondes hyper-

fréquences sans produire de réflexion ni de résonance interne, c'est le cas, par exemple, pour:

- les tubes hyperfréquences et les accélérateurs qui fonc-

tionnent à des pressions sensiblement nulles; - les circulateurs, les isolateurs, les lignes coaxiales et les guides d'onde dans lesquels un gaz peut être emprisonné pour augmenter leur tenue en puissance. La pression de ce gaz peut

atteindre 3 kg/cm 2 ou plus.

Il résulte de ceci que les fenêtres hyperfréquences utilisées dans ces dispositifs doivent présenter une solidité suffisante pour résister à une pression qui peut être supérieure à 3 kg/cm 2 dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire lorsqu'elles sont associées à un dispositif fonctionnant à pression élevée. D'autre part, les fenêtres hyperfréquences doivent également être en mesure de supporter des variations de température pouvant atteindre 800 C lors du brasage

final dans le composant.

Il est souhaitable que les fenêtres hyperfréquences puissent

être utilisées dans une large bande passante correspondant sensi-

blement à la bande passante des dispositifs hyperfréquences dans lesquels elles sont montées, bande dans laquelle elles ne présentent pas de résonances internes parasites généralement désignées par le terme anglosaxon "ghost-modes". De plus, il est aussi préférable que dans cette bande de fréquences le rapport d'onde stationnaire

soit faible et en conséquence les réflexions peu importantes.

Parmi les fenêtres de l'art antérieur utilisées dans les dispo

sitifs ci-dessus, on connait notamment la fenêtre de type "pill-box".

Comme représenté sur les figures la et lb, la fenêtre "pill-

box" est constituée par une lame diélectrique mince 1 brasée dans un tronçon de guide d'onde circulaire 2 connecté de part et d'autre à un guide d'onde rectangulaire 3. Dans ce cas, les modes de propa-

gation sont respectivement le mode TE Ol dans les guides rectan-

gulaires 3 et le mode TE 11 dans le guide circulaire 2. Comme représenté plus particulièrement sur la figure lb, le diamètre D du guide circulaire est sensiblement égal à la diagonale du guide rectangulaire 3 pour ne pas modifier la longueur d'onde électrique g entre le guide rectangulaire et le guide circulaire. De plus, la longueur L du guide circulaire est égale électriquement à la moitié de la longeur d'onde guidée A g. La fenêtre "pill-box" se comporte donc comme un transformateur d'impédance demi-onde. Il en résulte que l'adaptation est parfaite à la fréquence centrale mais se dégrade progressivement de chaque côté. Comme représenté sur la figure 2, ce type de fenêtres présente de nombreux modes parasites ou "ghostmodes", ce qui réduit sa bande de fonctionnement, à une bande utile de 10 % environ par rapport à sa fréquence centrale. En effet sur la courbe de la figure 2, on observe des modes parasites pour les fréquences 5,4 GHz, 5,8 GHz, 6,5 GHz ce qui donne une bande passante utile de 575 MHz, entre, par exemple F1 = 5, 850

GHz et F2 = 6,425 GHz.

D'autre part, l'ensemble des dimensions de la fenêtre "pill-box" est choisi de manière a n'entrainer aucun problème au niveau du fonctionnement hyperfréquence. Des fenêtres circulaires comme la fenêtre "pill-box" sont, du point de vue technologique, facilement réalisable. L'homme de métier peut éventuellement modifier les dimensions de ces fenêtres pour déplacer la bande de fréquences tout en restant adapté mais sans modifier sensiblement cette bande

de fréquence.

- En conséquence, si la fenêtre "pill-box" présente des avantages

du point de vue technologique, elle présente de nombreux incon-

vénients au niveau de la largeur de la bande de fréquences utile, particulièrement pour les Mubes hyperfréquences de forte puissance en ondes entretenues utlises pour les télécommunications, pour lesquels la bande naturelle d'amplification est largement supérieure à la bande utile, ce qui e-ntraine un risque de destruction en cas de pilotage accidentel hors de la bande normale d'utilisation. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients. La présente invention a en conséquence pour objet une fenêtre circulaire pour guide d'onde hyperfréquence constituée par une lame circulaire de matériau diélectrique montée dans un tronçon de guide circulaire relié de part et d'autre à un guide d'onde fonctionnant

dans une bande de fréquences centrée autour d'une fréquence cen-

trale, caractérisée en ce que le diamètre de la lame circulaire est choisi pour rejeter les modes parasites ou "1ghost-modes"', en dehors de la bande de fréquences de fonctionnement, en ce que la longueur du tronçon de guide circulaire est choisie pour que la réactance de l'ensemble lame et guide circulaire s'annule pour la fréquence centrale et en ce qu'elle comporte un transformateur d'impéedance demi-onde, la longueur ó'onde considérée étant la longueur d'onde électrique correspondant à la fréquence centrale, dont la hauteur est choisie pour réaliser l'adaptation dans la bande de fréquences de fonctionnement. Avec les fenêtres de la présente invention, on obtient une largeur de bande d'utilisation qui correspond à plus de 40 96 par rapport à la fréquence centrale, ceci avec un rapport d'onde

stationnaire inférieur à 1,15 et sans "ghost-modes".

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention

apparaitront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode

de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux desssins ci-annexés dans lesquels: - les figures la et lb, déjà décrites, sont respectivement une vue en coupe longitudinale et une vue en coupe par A A' de la figure la, d'une fenêtre de type "pill-box" conforme à l'art antérieur; - la figure 2, déjà décrite, est un graphique donnant le gain en fonction de la fréquence pour un tube à ondes progressives de télécommunications utilisant une fenêtre "pill-box" conforme à l'art antérieur; - les figures 3a, 3b, 3c sont respectivement une vue en coupe longitudinale selon le petit côté d'un guide d'onde rectangulaire, d'un mode de réalisation d'une fenêtre circulaire conforme à la présente invention utilisée dans un guide rectangulaire, une vue en coupe par B B' de la figure 3a et une vue en coupe longitudinale selon le grand côté du guide d'onde; - la figure 4 est une vue en perspective de la fenêtre circulaire des figures 3a à 3c; - les figures 5 à 7 sont des abaques de Smith illustrant le fonctionnement d'une fenêtre circulaire selon l'invention; - la figure 8 est un graphique donnant le rapport d'onde stationnaire en fonction de la fréquence dans une fenêtre circulaire conforme à la présente invention; - la figure 9 est une vue en coupe schématique selon le petit côté du guide illustrant un mode de réalisation d'une fenêtre

circulaire conforme à la présente invention.

Sur les différentes figures, les mêmes références désignent les

mêmes éléments.

Les figures 3a à 3c ainsi que la figure 4 représentent dif-

férentes vues d'un mode de réalisation d'une fenêtre circulaire conforme à la présente invention utilisée dans un guide d'onde 5 de

section rectangulaire.

La fenêtre circulaire conforme à l'invention comporte une lame mince 6 en un matériau diélectrique, de préférence en une céramique telle que l'alumine ou similaire, montée dans un tronçon de guide d'onde 7 brasé de part et d'autre sur le guide d'onde rectangulaire 5. L'épaisseur e de la lame diélectrique a été choisie de manière à obtenir la rigidité et l'étancheité souhaitées. D'autre part, le diamètre 0 de la lame diélectrique qui est aussi le diamètre du guide circulaire est choisi pour rejeter les modes parasites ou "ghost-modes" largement au-delà de la bande de fréquence F1, F2 à transmettre par le guide d'onde rectangulaire dans lequel est insérée la fenêtre. Comme représenté clairement sur les figures 3a et 3c, le diamètre 0 du guide circulaire est compris entre la dimension a du petit côté du guide rectangulaire et la dimension b du grand côté du guide rectangulaire. De ce fait, on crée au niveau du guide cir- culaire des parties selfiques 8 et des parties 9 qui correspondent à un manque de capacité. Les parties 8 et 9 associées à la lame diélectrique 6 donnent une réactance pure. En conséquence, la longueur L du tronçon de guide circulaire 7 est choisie pour que la réactance de l'ensemble constitué par la lame diélectrique 6 et par les parties 8 et 9 du guide circulaire s'annule pour la fréquence

centrale F. La fenêtre comporte aussi un transformateur d'impé-

dance demi-onde 10 constitué de deux éléments de même longueur placés de chaque côté du guide circulaire dans le guide rectangulaire et recouvrant, par exemple, l'un des grands côtés du guide d'onde

rectangulaire 5. Il peut être aussi réparti sur les deux grands côtés.

Il peut être réalisé, comme représenté sur la figure 3a, par une diminution dissymétrique de la hauteur du guide. Selon un autre mode de réalisation le transformateur peut être réalisé à l'aide d'une

plaque métallique rapportée sur l'un des grands côtés du guide.

Comme cela sera expliqué de manière plus détaillée ci-après, la hauteur h du transformateur est choisie pour réaliser l'adaptation

dans la bande de fréquence de fonctionnement F1 F2.

On expliquera maintenant, avec référence aux figures 5 à 7, le fonctionnement d'une fenêtre circulaire telle que celle représentée

sur les figures 3a, 3b, 3c et sur la figure 4.

Sur la figure 5, on a représenté sur l'abaque de Smith les variations dans la bande de fréquence F1, F2, de l'impédance présentée par l'ensemble constitué de la lame diélectrique 6 des

parties selfiques 8 et des parties 9 du tronçon de guide circulaire 7.

L'épaisseur e de la lame diélectrique, le diamètre q et la longueur L du tronçon de guide circulaire ont été choisis pour que l'impédance de l'ensemble ci-dessus soit une réactance pure qui

passe progressivement par des valeurs selfiques, nulle, et capa-

citives dans le sens des fréquences croissantes de F1 à F2 et s'annule

pour FO.

Les variations de l'impédance de l'ensemble constitué par la lame 6, les parties selfiques 8 et les parties 9 du guide circulaire sont donc représentées sur l'abaque de Smith, par un segment de droite porté par l'axe des impédances q de l'abaque de Smith; ce segment de droite se trouve dans le demi-plan des impédances selfiques pour F1, il passe par le centre de l'abaque pour FO puis se trouve dans le demi-plan des impédances capacitives pour F2. On observe donc une certaine variation de la réactance dans la bande de fonctionnement du guide, variation qui doit être compensée pour

obtenir un fonctionnement hyperfréquence correct.

Sur la figure 6, on a représenté sur l'abaque de Smith les

variations d'impédance présentées en différents points par un trans-

formateur d'impédance demi-onde monté dans un guide d'onde rectangulaire et relié à une terminaison adaptée, ces variations

étant données pour les fréquences F1, FO, et F2.

On appelle: - \V1, un plan du guide situé du côté du générateur avant le transformateur; - <,2, le plan d'entrée du transformateur - 3, le plan médian du transformateur -,' 4, le plan de sortie du transformateur -/5, un plan du guide situé du côté de la terminaison adaptée,

contre le transformateur.

Ces différents plans ont été représentés sur la figure 3a.

Avant le transformateur d'impédance, au niveau du plani li il

y a adaptation quelle que soit la fréquence, l'impédance est repré-

sentée par le point A au centre de l'abaque de Smith.

VL'arrivée au plan ', 2 signifie, quelle que soit la fréquence, une diminution d'impédance purement résistive et l'impédance se trouve représentée par le point B à gauche du point A sur l'axe p des

résistances de l'abaque de Smith.

Le déplacement du plan <2 au plan<4 sur la longueur \ g/2 entraîne une rotation sur un cercle de rayon A B centré au point A dans le sens trigonométrique. L'angle de rotation dépend de la

fréquence de fonctionnement: ainsi il est de 2ifpour FO0 de 2-T.

F1 pour F1, et 2 B.F2 pour F2.

F F 2'

Au niveau du plap-f4, l'impédance est représentée par le point C situé sur le cercle au-dessus du point B pour F1. L'impédance est représentée par le point B pour Fo et par le point E situé sur le

cercle au-dessous du point B pour F2.

Au niveau du plan Y5, le transformateur est franchi et il y a une augmentation d'impédance purement résistive qui compense la

diminution qui s'était produite au planC2.

L'impédance au plan 5 se trouve donc représentée aux fréquences F1, FO et F2 par les points D A et F qui sont sensiblement alignés sur l'axe q des impédances. Les points D et F sont situés de part et d'autre de A. L'impédance dans le plan médian 13 distant de ', g/4 du plan I5 se déduit de l'impédance au niveau du plan -1 5 par une rotation de 180 du segment de droite D A F. Ainsi, comme représenté sur la figure 7, dans le plari3, l'impédance du transformateur demi-onde est donc une impédance qui prend successivement des valeurs purement capacitives, nulle et purement selfiques dans le sens des fréquences croissantes de F1 vers F2, à savoir de D vers F. En comparant les figures 5 et 7, on constate que les variations dans la bande de fréquence F1, F2 de l'impédance du transformateur et de l'impédance constituée par la lame diélectrique 6, les parties selfiques 8 et les parties 9 du guide circulaire sont purement

réactives et se font en sens inverse en fonction de la fréquence.

En conséquence, conformément à la présente invention et

comme déjà mentionné ci-dessus, les dimensions de la lame diélec-

trique et du guide circulaire ainsi que la hauteur h du trans-

formateur sont déterminées pour que l'impédance du transformateur et celle de l'ensemble constitué par la lame diélectrique et les

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éléments du guide circulaire se compensent dans la bande de fréquence F1, F2 de manière à être adapté avec un rapport d'onde stationnaire sensiblement égal à 1 et sans avoir de modes parasites ou "ghost-modes" dans la bande de fréquence F1, F2, comme on peut le voir sur la figure 8 qui représente un diagramme donnant le rapport d'onde stationnaire en fonction de la fréquence dans une

fenêtre circulaire conforme à la présente invention.

Par ailleurs on signalera que le tronçon de guide circulaire 7 se trouve à la fréquence de coupure. Toutefois, comme la longueur du tronçon de guide circulaire est très faible par rapport à la longueur d'onde électrique A g, il n'y a pas de problème de transmission d'onde. Une fenêtre circulaire conforme à la présente invention a été expérimentée sur un guide d'onde de section rectangulaire de

dimensions internes 15,80 x 34,85 mm.

Les dimensions de la fenêtre sont les suivantes: lame en matériau diélectrique (alumine) épaisseur 0,8 mm diamètre 28 mm guide cylindrique: longueur 6 mm transformateur: longueur 26 mm hauteur 1,3 mm Dans ce cas, le rapport d'onde stationnnaire est de 1,15 dans une bande de fréquence de 5,15 à 8,15 GHz sans mode parasite. La largeur de la bande d'utilisation par rapport à la fréquence centrale

a ainsi été portée à 45 %.

aan

Le premier "ghost-mode" se situe à 8,18 GHz.

On décrira maintenant avec référence à la figure 9 un mode de réalisation pratique d'une fenêtre circulaire conforme à la présente invention. On réalise tout d'abord le brasage de la lame diélectrique 6 en - céramique sur une chemise circulaire 11 en un matériau métallique tel que du cuivre ou métallisé. Pour cela, de manière connue la tranche de la lame diélectrique est tout d'abord métallisée avec une poudre à base de molybdène. La chemise 11 forme aussi la paroi du guide circulaire 7. La chemise 11 est insérée dans un cadre cylindrique 12 de section en coupe en forme de U. Deux pièces de raccordement métalliques 13 sont prévues de chaque côté du cadre 12 pour réaliser le raccordement entre le guide circulaire et le guide d'onde rectangulaire 5 conformément à la présente invention. Les parois latérales internes des pièces de raccordement 13 forment au niveau des grands côtés du guide d'onde rectangulaire les parties

selfiques 8.

Ces éléments de raccordement 13 sont brasés respectivement sur le cadre 12 et sur les extrémités des deux tronçons de guide

rectangulaire 5.

D'autre part, dans le mode de réalisation représenté le trans-

formateur demi-onde 10 est constitué par deux lames métalliques qui ont été brasées sur l'un des grands côtés du guide d'onde

rectangulaire 5.

L'ensemble représenté par la figure 9 avec les dimensions citées précedemment permet une très large bande d'utilisation avec une forte puissance en ondes entretenues comme le montre la

caractéristique de la figure 8.

Dans la présente invention, la fenêtre circulaire est utilisée dans un guide d'onde de section rectangulaire. Toutefois les fenêtres circulaires conformes à la présente invention peuvent aussi être utilisées dans des guides d'onde de sections quelconques tels que des

guides elliptiques, par exemple.

Les guides d'onde de la présente invention sont utilisés plus particulièrement dans les équipements de télécommunications par

satellites, par exemple, dans les bandes pour "Intelsat".

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Une fenêtre circulaire pour guide d'onde hyperfréquence constituée par une lame circulaire (6) en un matériau diélectrique montée dans un tronçon de guide circulaire (7) relié de part et d'autre à un guide d'onde (5) fonctionnant dans une bande de fréquence (F1, F2) centrée autour d'une fréquence centrale (F0) caractérisée en ce que le diamètre 0b de la lame circulaire (6) est choisi pour rejeter les modes parasites ou "ghost-modes" en dehors de la bande de fréquence (F1, F2), en ce que la longueur (L) du tronçon de guide circulaire (7) est choisie pour que la réactance de l'ensemble lame (6) et guide circulaire (7) s'annule pour la fréquence centrale (FO0) et en ce qu'elle comporte un transformateur (10) d'impédance demi-onde, la longueur d'onde À g considérée étant la longueur d'onde électrique correspondant à la fréquence centrale (Fo), transformateur dont la hauteur (h) est choisie pour réaliser

l'adaptation dans la bande de fréquence de fonctionnement.

2. Une fenêtre circulaire selon la revendication I caractérisée en ce que le guide d'onde destiné à recevoir la fenêtre est un guide

d'onde de section rectangulaire ou elliptique.

3. Une fenêtre circulaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que, dans le cas d'un guide d'onde de section rectangulaire ou inscriptible dans un rectangle, le diamètre (0) de la lame (6) de matériau diélectrique est compris entre la dimension a du petit c8té

du rectange et la dimension b du grand côté du rectangle.

4. Une fenêtre selon l'une quelconque des revendications I à 3,

caractérisée en ce que le tronçon de guide d'onde circulaire fonc-

tionne à la fréquence de coupure.

5. Une fenêtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisée en ce que le transformateur demi-onde (10) est cons-

titué par deux demi-transformateurs identiques positionnés de part et d'autre du tronçon de guide circulaire (7) dans le guide d'onde (5) et présentant entre leurs deux extrémités les plus éloignées une

longueur'(. g/2.

6. Une fenêtre selon la revendication 5 caractérisée en ce que les deux demi-transformrteurs (10) sont réalisées en diminuant symétriquement ou non par rapport au plan médian du guide d'onde

(5), la hauteur du guide.

7. Une fenêtre selon la revendication 5 caractérisée en ce que les deux demi-transformateurs (10) sont réalisées en rapportant une

plaque métallique sur au moins l'un des grands côtés du guide.