WO2007031639A1 - Filtre a guide d'onde pour micro-ondes a parois non paralleles - Google Patents

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WO2007031639A1
WO2007031639A1 PCT/FR2006/002087 FR2006002087W WO2007031639A1 WO 2007031639 A1 WO2007031639 A1 WO 2007031639A1 FR 2006002087 W FR2006002087 W FR 2006002087W WO 2007031639 A1 WO2007031639 A1 WO 2007031639A1
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filter
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parallel
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Application number
PCT/FR2006/002087
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English (en)
Inventor
Jaime Huesco Gonzalez
David Raboso Garcia-Baquero
Dietmar Schmitt
Original Assignee
Agence Spatiale Europeenne
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters

Definitions

  • a microwave waveguide filter having a geometry modified to make it more resistant to self-sustaining electron avalanche discharges, as well as a microwave transmitter, particularly for space applications, equipped with such a filter.
  • microwaves electromagnetic radiation having a frequency of between 1 and 100 GHz.
  • the self-sustaining electron avalanche discharge (called “multipactor”, “multipaction” or “multipacting” in the English language literature) is an undesired phenomenon that may occur in micro waveguide devices.
  • -Wonders operating in vacuum under high power conditions (typically above 1 kW).
  • This discharge is caused by free electrons which, accelerated by the microwave oscillating electric field, strike the walls of the guide and thus cause the emission of secondary electrons.
  • the frequency of oscillation of the electrons resonates with the frequency of the electric field, the number of electrons grows exponentially, which induces troublesome effects such as losses and a high level of noise, or even damage to the guide.
  • M. Ludovico, G. Zarba, L. Accatino and D. Raboso Multipaction Analysis and Power Handling Evaluation in Waveguide Components for Satellite Antenna Applications", exp., Vol. 1, No. 1, December 2001.
  • Microwave waveguide filters used in satellites are strongly affected by self-sustaining electron avalanche dumps.
  • the prevention of these discharges therefore presents a of great interest to the space and telecommunications industry, especially since there is a tendency to increase the power level of the signals to be transmitted within the same waveguide device.
  • a first solution known from the article "High Frequency Breakdown characteristics of Various Electrode Geometries in Air", WG Dunbar, DL Schweickart, J, Hotwath C. and LC WaIk, Conference Record of the Twenty-Third International Power Modulator Symposium 1998 , 1998, 22-25 June 1998, pages 221-224, simply consists of using waveguides having a minimum spacing between the relatively large E planes: in this way the maximum electric field in the guide is maintained below a threshold value of the discharge. Unfortunately, this solution degrades the filtering properties of the devices; in addition it leads to increase their mass and their size, which is very troublesome in the context of space applications.
  • Another solution is to maintain a sufficiently high pressure inside the guide, so as to reduce the average free path of the electrons, which increases the threshold power for the onset of self-sustaining avalanche discharges. electrons.
  • This solution also has disadvantages, since the presence of gas can induce effluents and is a potential source of passive intermodulation (PIM).
  • PIM passive intermodulation
  • the pressurizing equipment significantly increases the mass, size and cost of the system.
  • the invention provides a solution to at least one of the problems mentioned above.
  • the principle underlying the invention is that the use of a waveguide having two opposite walls that are not parallel to one another, but a cross section at least locally constant, that is to say constant over a certain length, makes it possible to modify the trajectories of the secondary electrons so as to greatly increase the threshold of appearance of the self-sustained discharges with avalanche of electrons .
  • This effect was observed for the first time by E. Chojnacki (Physical Review Special Topics - Accelerators and Beams, Vol.3, 032001-2000) in the case of constant wave waveguides operating at radio frequency (500 MHz) in continuous or quasi-continuous mode.
  • the inventors have discovered that by replacing in a microwaves filter sections of a conventional rectangular waveguide by sections of a waveguide whose cross section has two opposite non-parallel sides with each other. and by suitably modifying certain dimensions of the different elements of said filter, it is possible to obtain a transfer function substantially identical to that of the initial filter, at least within a useful band. In this way it is possible to increase the resistance of the filter to self-sustaining electron avalanche discharges while maintaining its filtering properties.
  • the solution of the invention makes it possible to keep the bulk and mass of the filter substantially constant. Even if the cost of manufacture is likely to increase slightly compared to the case of a conventional filter, this extra cost remains lower than that associated with most known solutions of the prior art.
  • the inventors have also developed a design process for determining the dimensional changes to be made to the conventional starting filter so as to maintain its filtering properties despite the replacement of rectangular waveguide sections by non-parallel wall waveguide sections.
  • An object of the invention is therefore a microwave waveguide filter having a plurality of sidewalls and having, over at least a portion of its length, a cross section comprising a plurality of sides formed by sections of said side walls and a single hollow internal region, the contour of which is defined by said sides, characterized in that two of said opposite sides to each other are not parallel to each other.
  • Said opposite non-parallel sides may be the longer sides
  • Said hollow inner region may have a cross section in the shape of a triangle, trapezoid or sector of circle or circular ring;
  • Said two opposite non-parallel sides may be interconnected by two opposite sides parallel to each other;
  • Said cross section may have an axis of symmetry
  • Said cross section may be constant at intervals
  • Said two non-parallel opposite sides may form between them an angle of between 5 ° and 35 °, preferably between 15 ° and 35 ° and still more preferably between 20 ° and 30 °;
  • That part of the length of the filter in which the cross-section has two opposite non-parallel sides may include at least one or more sections within which the maximum intensity of the electric field is highest;
  • the filter may be of the iris type and resonant cavities;
  • the filter may have at least one cutoff frequency in one of the X, Ku, K or Ka bands.
  • the X band ranges from 8 to 12 GHz
  • the Ku band from 12 to 18 GHz
  • the K band from 18 to 26 GHz
  • the Ka band from 26 to 40 GHz.
  • Another object of the invention is a microwave transmitter comprising at least one such filter, in particular an emitter having a peak power of at least 0.5 kW in the X to Ka bands.
  • typical values for the formation threshold of electron-avalanche self-sustaining discharges in the considered bands are about 500 W at 2 kW for bandpass filters and 4 kW or more for pass filters. - low.
  • Figure 1 a cross section of a filter according to one embodiment of the invention
  • Figures 2A and 2B respectively, elevational views of a conventional filter and the corresponding filter according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 a graph illustrating the frequency dependence of the S parameters of the filters of FIGS. 2A and 2B;
  • FIG. 4 the distribution of the amplitude of the center-band electric field in the filter according to the invention of FIG. 2B;
  • FIG. 5 shows the variation of the cutoff wave number for the two lower order modes of a filter according to the invention as a function of the angle formed by its two nonparallel opposite sides.
  • FIG. 1 shows the cross-section of a non-parallel wall waveguide section intended to replace, in accordance with the invention, a rectangular waveguide section inside a microwave filter. .
  • the electric field of the waves is propagating in the guide is perpendicular to the longer side 101.
  • the average height of the guide 110, (b ma ⁇ + b min ) / 2, is equal to that of the rectangular reference guide 100, that is to say 4 mm.
  • the reference sign 120 indicates the vectors representing the electric field within the guide 110. It can be seen that the field is more intense in the central region of said guide and that its lines 121 have an approximately circular shape. Even in the frequency domain considered here (X to Ka bands, that is to say from about 8 to 40 GHz), this distribution of the electric field effectively suppresses the self-sustaining discharges by deflecting the trajectories of the electrons, as observed by Chojnacki at much lower frequencies (500 MHz).
  • the angle ⁇ formed by the non-parallel sides 111 'and 111 "need not necessarily have a value of 19 °: as a general rule, the larger the value of the angle ⁇ , the greater the suppression effect. self-sustaining discharges are effective, but the electrical characteristics of the modified filter deviate from those of the rectangular section reference filter, typically acceptable values for the angle ⁇ are between 5 ° and 35 °, preferably between 15 ° and 35 ° and still more preferably between 20 ° and 30 °, a value of about 30 ° being particularly preferred.
  • the cross section of the waveguide 110 has a trapezoidal shape, almost triangular. It is understood that this is not a limitation either: a cross section according to the invention may for example have a shape of trapezoid, triangle or circle or circular crown area. This last case, although more difficult to manufacture, is easier to analyze because the propagation modes can be expressed in an analytical form.
  • the invention also covers the case where one of the non-parallel sides of said cross section, see both, would not be rectilinear but would have a curved or undulating shape.
  • the sides 112 'and 112 are parallel to one another and the guide 110 has a plane of symmetry 130.
  • these features are not essential. in which the shorter sides are not parallel to each other, while the longest sides are parallel, but in order to preserve the self-sustaining suppression effect, it is necessary that the electric field propagating waves in the guide is perpendicular to the longer side, which is unusual.
  • the principle of the waveguide with non-parallel walls is now applied, as a non limiting example, to achieve a band-pass filter of the 4 th order of the symmetric type resonant cavities and irises.
  • the reference filter constituted by rectangular waveguide elements, is shown in FIG. 2A.
  • the cavities are connected to each other and to input waveguides 231 and output waveguides 232 by five narrower sections, called "iris", 211 (between the input guide 231 and the first cavity 201), 212 ( between cavities 201 and 202), 213 (between cavities 202 and 203), 214 (between cavities 203 and 204) and 213 (between cavity 204 and outlet guide 232).
  • the filter is symmetrical in the sense that the two "outer" cavities 201 and 204 are equal to each other, as well as the two “inner” cavities 202 and 203, the two “outer” irises 211 and 215 and the two "average” irises 212 and 214 a plane of symmetry of the filter thus crosses the central iris 213.
  • the dimensions of the cavities and irises are as follows:
  • the exponent P recalls that these are the dimensions of the reference filter, having a rectangular cross section, that is to say with parallel sides.
  • b j gU 10.16 mm
  • 211 - 215 are in fact constituted by waveguide sections of rectangular section, all having the same height b and widths a and lengths L different.
  • the same geometry is chosen as in the case of FIG. 1, that is to say an isosceles trapezoidal section.
  • the value of the angle ⁇ is chosen, in an arbitrary manner, equal to 19 °. In a real case, we will take the value of ⁇ as small as possible so that it eliminates the self-maintained avalanche discharges of electrons.
  • the determination of the optimum value of ⁇ for a given application may, for example, be carried out by successive tests.
  • the filter NP 200 according to the invention obtained by applying this method is shown in Figure 2B.
  • the different elements of the filter and the corresponding dimensions are identified by the same reference signs used for the conventional type filter 200 of FIG. 2A, with an exponent "NP", for "non-parallel sides".
  • the first step of this dimensional adjustment method is to change the width of iris modified NP 2 n, is NP 2 i2, has 2i3 NP, NP-2 and NP i4 2 i 5 until the module parameter S 2 i at center band of each modified iris is the same as that of the corresponding rectangular section iris.
  • This can be done using numerical simulations, for example using the FEST3D simulator, developed by ESTEC, OR HFSS, distributed by Ansoft Corp.
  • the modified irises 211 NP , 212 NP , 213 NP , 214 NP and 215 NP are analyzed, again using numerical simulations, in order to calculate the phase of their parameters Su and S 22 - Finally, these values are used to determine the length of 201 Np - 204 NP cavities in order to find the desired frequency response.
  • the determination of the length of each cavity comprises two steps: initially the length of all the cavities are placed equal to XQI2, where ⁇ G is the center-band wavelength in the guide, then a "adjustment" of the lengths is made to take into account the edge effects (deformation of the lines of force of the fields) at the level of discontinuities-between cavities and irises.
  • ⁇ 0 is the center-band wavelength in the filter and ⁇ co up is the cut-off wavelength of the guide, obtained by means of numerical simulations in the case of the non-parallel walled guide.
  • ⁇ C0U p can be expressed in an analytical form and the preceding expression is simplified:
  • a change in the average height b of the structure does not change its frequency response, but allows to adjust the quality factor Q to coincide with that of the rectangular reference filter.
  • FIG. 3 shows the frequency dependence of the diffusion parameters of the reference filter 200 (curves S P n and S p 2 i) and of the modified filter 200 NP (curves S NP n and S NP 2 i). It can be observed that the filtering properties of the two devices are very similar, except for a slight offset of the central frequency of the bandwidth, of the order of 7 MHz. To eliminate this offset it is possible to repeat the dimensional adjustment process from a slightly modified reference filter, proceeding by successive tests.
  • the attenuation of the modified filter NP 200 is slightly lower at high frequencies: this is due to the fact that the non-parallel wall filter has higher order modes at lower frequencies than the sectional reference filter. rectangular.
  • An extended analysis at higher frequencies shows that the modified filter NP 200 has the first parasitic bandwidth, due to higher order modes, at about 13.2 GHz, while this band is located at about 15 GHz for the filter reference.
  • FIG. 4 shows the amplitude distribution of the electric field inside the filter NP according to the invention for an injected power normalized at 1 W at 9.5 GHz. It can be seen that the peak amplitude of the field is located in the central resonance cavities, 202 NP and 203 NP . These cavities are therefore the only parts of the filter in which the risk of occurrence of a self-sustaining discharge of electrons is significant. Therefore, it would have been possible to limit the application of the principle of non-parallel wall waveguide only to the central cavities, keeping a rectangular section for the external cavities and irises. However, the use of a non-parallel wall structure over the entire length of the device has been preferred to simplify manufacture.
  • the dimensional adjustment method has been described with reference to the particular case of an inductive resonant cavity and iris filter, but it can be easily generalized to other families of filters, for example to capacitive low-pass filters. In all cases it is necessary to calculate, generally using numerical simulations, the cutoff frequency of the guide and the parameters S of each cavity or discontinuity. Then, we modify the different dimensions of the structure as in the example.
  • the non-parallel wall filter 200 NP of FIG. 2B and its reference filter 200 of FIG. 2A were manufactured and their threshold power for the appearance of a self-sustaining avalanche discharge of electrons was measured at center band (9.5 GHz). It has been found that said threshold power goes from 690 W for the conventional filter 200 to 850 W for the filter of the invention 200 NP .
  • the use of a geometry according to the invention therefore makes it possible to increase the maximum power that can be transmitted in a microwave filter by about 23%, ie almost 1 dB. An even higher threshold power can be obtained by optimizing the shape of the waveguide, and in particular the value of the angle ⁇ .

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Abstract

Filtre (200NP) à guide d'onde pour micro-ondes, caractérisé en ce qu'il a, sur au moins une partie de sa longueur, une section transversale présentant deux côtés opposés (111', 111'') non parallèles entre eux, par exemple en forme de trapèze. L'utilisation de cette géométrie permet d'augmenter sensiblement le seuil de puissance pour la formation de décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons, tout en permettant d'obtenir des propriétés de filtrage satisfaisantes. Utilisation d'un tel filtre dans un émetteur à micro-ondes de haute puissance opérant dans les bandes X à Ka, particulièrement pour des applications spatiales.

Description

FILTRE A GUIDE D'ONDE POUR MICRO-ONDES A PAROIS NON
PARALLELES
L'invention porte sur un filtre à guide d'onde pour micro-ondes présentant une géométrie modifiée de manière à le rendre plus résistant aux décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons, ainsi que sur un émetteur à micro-ondes, particulièrement pour des applications spatiales, équipé d'un tel filtre.
Par le terme « micro-ondes » on désigne ici les rayonnements électromagnétiques ayant une fréquence comprise entre 1 et 100 GHz environ.
La décharge auto-entretenue à avalanche d'électrons (appelée « multipactor », « multipaction » ou encore « multipacting » dans la littérature en langue anglaise) est un phénomène non souhaité susceptible de se produire dans les dispositifs à guide d'onde pour micro-ondes fonctionnant dans le vide en conditions de forte puissance (typiquement au-dessus d'1 kW). Cette décharge est provoquée par des électrons libres qui, accélérés par le champ électrique oscillant à hyperfréquence, percutent les parois du guide et provoquent ainsi l'émission d'électrons secondaires. Lorsque la fréquence d'oscillation des électrons entre en résonance avec la fréquence du champ électrique, le nombre d'électrons croît exponentiellement, ce qui induit des effets gênants tels que des pertes et un niveau de bruit important, voire même un endommagement du guide. Une discussion plus approfondie de ce phénomène peut être trouvée dans l'article de M. Ludovico, G. Zarba, L. Accatino et D. Raboso « Multipaction Analysis and Power Handling Evaluation in Waveguide Components for Satellite Antenna Applications », exp, Vol. 1 , n°1 , décembre 2001.
Les filtres à guide d'onde pour micro-ondes utilisés dans les satellites, en particulier dans les sections de sortie des émetteurs multicanaux, mais également dans les section d'entrée des récepteurs, dans les diplexeurs, les jonctions orthomodes, les chaînes d'alimentation des antennes, etc., sont fortement affectés par les décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons. La prévention de ces décharges présente donc un grand intérêt pour l'industrie spatiale et des télécommunications, d'autant plus qu'il existe une tendance à augmenter le niveau de puissance des signaux devant être transmis à l'intérieur d'un même dispositif à guide d'onde.
Plusieurs solutions à ce problème ont été proposées, mais aucune ne donne pleine satisfaction.
Une première solution, connue depuis l'article « High Frequency Breakdown characteristics of Various Electrode Geometries in Air », de W. G. Dunbar, D. L. Schweickart, J, C. Hotwath et L. C. WaIk, Conférence Record of the 1998 Twenty-Third International Power Modulator Symposium, 1998, 22-25 juin 1998, pages 221 - 224, consiste simplement à utiliser des guides d'onde présentant un écartement minimal entre les plans E relativement important : de cette façon le champ électrique maximal dans le guide est maintenu au-dessous d'une valeur de seuil de la décharge. Malheureusement, cette solution dégrade les propriétés de filtrage des dispositifs ; en outre elle conduit à augmenter leur masse et leur encombrement, ce qui est très gênant dans le cadre des applications spatiales.
Une autre solution consiste à maintenir à l'intérieur du guide un gaz à une pression suffisamment élevée, de façon à réduire le libre parcours moyen des électrons, ce qui augmente la puissance de seuil pour l'apparition des décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons. Cette solution présente également des inconvénients, car la présence de gaz peut induire des effluves et constitue une source potentielle d'intermodulation passive (PIM). En outre, les équipements de pressurisation augmentent d'une manière importante la masse, l'encombrement et le coût du système.
Pour réduire le libre parcours moyen des électrons il est également possible de remplir le guide d'un diélectrique solide ou sous la forme d'une mousse, mais cela augmente le niveau des pertes. Voir à ce propos l'article de R. A. Kishek et Y. Y. Lau "Multipactor discharge on a dielectric", Proceedings of the 1997 Particle Accelerator Conférence, Volume 3, 12-16 mai 1997, pages 3198 - 3200, volume 3. R. L Geng et H. Padamsee (PAC[13], 1999, page 429) ont proposé d'utiliser des champs électriques et/ou magnétiques constants pour perturber la trajectoire des électrons et les empêcher d'entrer en résonance avec le champ hyperfréquence. Malheureusement cette solution nécessite des équipements spécifiques pour générer les champs constants, ce qui augmente la masse, l'encombrement et le coût du système.
Les mêmes auteurs ont également proposé d'ouvrir des fentes dans les parois du guide («Multipacting in a rectangular waveguide», R. Geng, H. Padamsee, V.Shemelin, Proceedings of the Particle Accelerator Conférence, Chicago 2001). Un inconvénient de cette solution est le risque de perte de rayonnement à travers lesdites fentes.
Une autre solution connue de l'art antérieur, proposée par exemple par Y. Saito («Surface Breakdown Phenomena in Alumina RF Windows», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 2 No. 2, Avril 1995) et par K. Primdahl et collaborateurs («Réduction of multipactor in RF ceramic Windows using a simple titanium-vapor déposition System», Primdahl, K.; Kustom, R.; Maj, J.; Proceedings of the 1995 Particle Accelerator Conférence, 1995) consiste à utiliser des revêtements et/ou des traitement de surface adaptés, qui sont cependant susceptibles d'introduire un niveau élevé de pertes.
Par conséquent, il existe un besoin pour augmenter la puissance pouvant être injectée dans un filtre pour micro-ondes sans risque d'induire une décharge auto-entretenue à avalanche d'électrons, tout en évitant de détériorer ses propriété électriques, telles que le niveau de pertes en bande passante, la largeur de bande, l'atténuation en bande de coupure et/ou les niveaux de bruit et d'intermodulation, ou tout de moins en maintenant ces dégradations à un niveau acceptable, et sans augmenter excessivement le coût, la masse et/ou l'encombrement du filtre.
L'invention fournit une solution à au moins un des problèmes mentionnés ci-dessus.
Le principe à la base de l'invention est que l'utilisation d'un guide d'onde présentant deux parois opposées non parallèles entre elles, mais une section transversale au moins localement constante, c'est-à-dire constante sur une certaine longueur, permet de modifier les trajectoires des électrons secondaires de manière à augmenter fortement le seuil d'apparition des décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons. Cet effet a été observé pour la première fois par E. Chojnacki (Physical Review Spécial Topics - Accelerators and Beams, Vol. 3, 032001 -2000) dans le cas de guides d'ondes à section constante, opérant à radiofréquence (500 MHz) en régime continu ou quasi-continu.
En général, il est attendu qu'une modification de la géométrie d'un guide d'onde perturbe fortement les propriété électriques d'un dispositif construit à partir dudit guide, et en particulier sa réponse en fréquence : voir à ce propos le cas, discuté plus haut, de l'augmentation de l'écart minimal. Cela ne pose pas de problèmes particuliers dans le cas de l'application considérée par Chojnacki, c'est-à-dire la transmission en régime continu ou quasi-continu et sensiblement mono-fréquentiel, mais peut être rédhibitoire dans le cas d'un filtre.
Cependant, les inventeurs ont découvert qu'en remplaçant dans un filtre pour micro-ondes des tronçons d'un guide d'onde rectangulaire conventionnel par des tronçons d'un guide d'onde dont la section transversale présente deux côtés opposés non parallèles entre eux, et en modifiant d'une façon opportune certaines dimensions des différents éléments dudit filtre, il est possible d'obtenir une fonction de transfert substantiellement identique à celle du filtre de départ, au moins à l'intérieur d'une bande utile. De cette façon il est possible d'augmenter la résistance du filtre aux décharges auto- entretenues à avalanche d'électrons tout en conservant ses propriétés de filtrage. En outre, la solution de l'invention permet de maintenir sensiblement constants l'encombrement et la masse du filtre. Même si le coût de la fabrication est susceptible d'augmenter légèrement par rapport au cas d'un filtre conventionnel, ce surcoût reste inférieur à celui associé à la plupart des solutions connues de l'art antérieur.
Les inventeurs ont également développé un procédé de conception pour déterminer les modifications dimensionnelles à apporter au filtre conventionnel de départ de manière à maintenir ses propriétés de filtrage malgré le remplacement de tronçons de guide d'onde rectangulaire par des tronçons de guide d'onde à parois non parallèles.
Un objet de l'invention est donc un filtre à guide d'onde pour micro-ondes comportant une pluralité de parois latérales et ayant, sur au moins une partie de sa longueur, une section transversale comprenant une pluralité de côtés formés par des sections desdites parois latérales et une région interne creuse unique, dont le contour est défini par lesdits côtés, caractérisé en ce que deux desdits côtés opposés l'un à l'autre ne sont pas parallèles entre eux.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :
Lesdits côtés opposés non parallèles entre eux peuvent être les côtés de plus grande longueur ;
Ladite région interne creuse peut présenter une section transversale en forme de triangle, de trapèze ou de secteur de cercle ou de couronne circulaire ;
Lesdits deux côtés opposés non parallèles peuvent être reliés entre eux par deux côtés opposés parallèles entre eux ;
Ladite section transversale peut présenter un axe de symétrie ;
Ladite section transversale peut être constante par intervalles ;
Lesdits deux côtés opposés non parallèles peuvent former entre eux un angle compris entre 5° et 35°, de préférence entre 15° et 35° et d'une manière encore préférée entre 20° et 30° ;
Ladite partie de la longueur du filtre où la section transversale présente deux côtés opposés non parallèles entre eux peut comprendre au moins le ou les tronçons à l'intérieur desquels l'intensité maximale du champ électrique est la plus élevée ; Le filtre peut être du type à iris et cavités résonantes ;
Le filtre peut présenter au moins une fréquence de coupure dans l'une des bandes X, Ku, K ou Ka. Selon la convention britannique, adoptée ici, la bande X s'étend de 8 à 12 GHz, la bande Ku de 12 à 18 GHz, la bande K de 18 à 26 GHz et la bande Ka de 26 à 40 GHz.
Un autre objet de l'invention est un émetteur à micro-ondes comportant au moins un tel filtre, en particulier un émetteur présentant une puissance de pic d'au moins 0,5 kW dans les bandes X à Ka. En effet, des valeurs typiques pour le seuil de formation des décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons dans les bandes considérées sont d'environ 500 W à 2 kW pour des filtres passe-bande et de 4 kW ou plus pour des filtres passe- bas. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
La figure 1 , une section transversale d'un filtre selon un mode de réalisation de l'invention ; - Les figure 2A et 2B, respectivement, des vues en élévation d'un filtre conventionnel et du filtre correspondant selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 3, un graphique illustrant la dépendance fréquentielle des paramètres S des filtres des figures 2A et 2B ; - La figure 4, la distribution de l'amplitude du champ électrique à centre bande dans le filtre selon l'invention de la figure 2B ; et
La figure 5, la variation du nombre d'onde de coupure pour les deux modes d'ordre plus bas d'un filtre selon l'invention en fonction de l'angle formé par ses deux côtés opposés non parallèles. La figure 1 montre la section transversale d'un tronçon de guide d'onde à parois non parallèle prévu pour remplacer, conformément à l'invention, un tronçon de guide d'onde rectangulaire à l'intérieur d'un filtre pour micro-ondes. La section transversale du guide d'onde rectangulaire de référence, représentée en trait pointillé et identifié par le signe de référence 100, présente un premier côté 101 d'une longueur a=22,86 mm (« largeur » du guide) et un deuxième côté 102 d'une longueur b=4 mm (« hauteur » du guide). D'une manière conventionnelle, le champ électrique des ondes se propageant dans le guide est perpendiculaire au côté le plus long 101. Dans le guide 110 à parois non parallèles, les côtés 101 de la section transversale du guide rectangulaire 100 sont remplacés par deux côtés 111' et 111" formant entre eux un angle α=19°, et les côtés 102 par des côtés 112' et 112" parallèles entre eux, mais d'une longueur différente. En particulier, le côté
112' présente une longueur bmax=7,8 mm et le côté 112" une longueur bmin=0,2 mm : de cette façon la hauteur moyenne du guide 110, (bmaχ+ bmin)/2, est égale à celle du guide rectangulaire de référence 100, c'est-à-dire 4 mm.
Le signe de référence 120 indique les vecteurs représentant le champ électrique à l'intérieur du guide 110. On peut observer que le champ est plus intense dans la région centrale dudit guide et que ses lignes de force 121 ont une forme approximativement circulaire. Même dans le domaine fréquentiel considéré ici (bandes X à Ka, c'est-à-dire de 8 à 40 GHz environ), cette distribution du champ électrique supprime efficacement les décharges auto-entretenues en déviant les trajectoires des électrons, comme observé par Chojnacki à des fréquences beaucoup plus basses (500 MHz).
Il est entendu que les dimensions données ici le sont uniquement à titre d'exemple et peuvent être modifiées pour les adapter aux différentes applications de l'invention. En particulier, l'angle α formé par les côtés non parallèles 111 ' et 111 " ne doit pas nécessairement avoir une valeur de 19° : en règle générale, plus la valeur de l'angle α est grande, plus l'effet de suppression des décharges auto-entretenues est efficace, mais plus les caractéristiques électriques du filtre modifié s'écartent de celles du filtre de référence à section rectangulaire. Typiquement, des valeurs acceptables pour l'angle α sont compris entre 5° et 35°, de préférence entre 15° et 35° et d'une manière encore préférée entre 20° et 30°, une valeur de 30° environ étant particulièrement préférée.
Dans l'exemple de la figure 1 , la section transversale du guide d'onde 110 a une forme trapézoïdale, presque triangulaire. Il est entendu que cela ne constitue pas non plus une limitation : une section transversale selon l'invention peut par exemple avoir une forme de trapèze, de triangle ou de secteur de cercle ou de couronne circulaire. Ce dernier cas, bien que plus difficile à fabriquer, est plus facile à analyser, car les modes de propagation peuvent être exprimés dans une forme analytique. L'invention couvre également le cas où l'un des côtés non parallèles de ladite section transversale, voir les deux, ne serait pas rectiligne mais présenterait une forme courbe ou ondulée.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 , les côtés 112' et 112" sont parallèles entre eux et le guide 110 présente un plan de symétrie 130. Bien que préférées, ces caractéristiques ne sont pas essentielles. II est également possible de concevoir un guide dans lequel les côtés les plus courts ne sont pas parallèles entre eux, alors que les côtés les plus long le sont. Dans ce cas, cependant, afin de préserver l'effet de suppression des décharges auto-entretenues, il est nécessaire que le champ électrique des ondes se propageant dans le guide soit perpendiculaire au côté le plus long, ce qui est inhabituel.
Le principe du guide d'onde à parois non parallèles est maintenant appliqué, à titre d'exemple non limitatif, à la réalisation d'un filtre passe-bande du 4e ordre du type symétrique à cavités résonantes et iris. Le cahier des charge requiert une atténuation d'au moins 25 dB sur une bande d'une largeur de 100 MHz autour d'une fréquence centrale fc=9,5 GHz (9,45 GHz - 9,55 GHz). Le filtre de référence, constitué par des éléments de guide d'onde à section rectangulaire, est représenté sur la figure 2A. Un tel filtre 200 est constitué de quatre cavités en forme de parallélépipède 201 , 202, 203 et 204, ayant la même largeur acav=22,86 mm et la même hauteur b=4 mm, mais des longueurs Lp 2oi, Lp 2o2, Lp 203 et Lp 2o4 différentes. Les cavités sont reliées entre elles et à des guides d'onde d'entrée 231 et de sortie 232 par cinq sections plus étroites, dites « iris », 211 (entre le guide d'entrée 231 et la première cavité 201), 212 (entre les cavités 201 et 202), 213 (entre les cavités 202 et 203), 214 (entre les cavités 203 et 204) et 213 (entre la cavité 204 et le guide de sortie 232). Les iris présentent tous la même hauteur b=4 mm, mais des largeurs aP2n, ap 2i2, ap 2i3, ap 214, ap 2i5 et des longueurs Lp 2n, Lp 2i2, Lp 213, LP 214, LP 215 différentes. Le filtre est symétrique dans le sens que les deux cavités « externes » 201 et 204 sont égales entre elles, ainsi que les deux cavités « internes » 202 et 203, les deux iris « externes » 211 et 215 et les deux iris « moyens » 212 et 214 : un plan de symétrie du filtre traverse donc l'iris central 213. Les dimensions des cavités et des iris sont les suivantes :
LP 20i= Lp 204= 17,825 mm
Figure imgf000011_0001
ap Cav=22,86 mm pour les quatre cavités 201 , 202, 203, 204
Figure imgf000011_0002
aP2i2= aP2i4= 6,78 mm aP2i3= 6,22 mm b = 4 mm pour tous les éléments.
L'exposant P rappelle qu'il s'agit des dimensions du filtre de référence, ayant une section transversale rectangulaire, c'est-à-dire à côtés parallèles.
Les guides d'onde d'entrée 221 et de sortie 222 sont des tronçons de guides standard à section rectangulaire, du type WR90 (agUide=22,86 mm, bgUjde=10,16 mm), d'une longueur de 10 mm. On observe qu'aussi bien les cavités 201 - 204 que les iris
211 - 215 sont en fait constitués de tronçons de guide d'onde à section rectangulaire, présentant tous la même hauteur b et des largeurs a et longueurs L différentes.
La dépendance de la fréquence des paramètres Su (transmission du guide d'onde d'entrée 231 au guide d'onde de sortie 232) et
Si2 (réflexion des ondes injectées dans le filtre à partir du guide d'onde d'entrée 231) du filtre 200 est représentée sur la figure 3 (courbes S-nP et
S21 P).
Pour modifier le filtre 200, d'un type connu de l'art antérieur, de manière à parvenir à un filtre selon l'invention, on commence par remplacer chaque tronçon de guide d'onde à section rectangulaire par un tronçon de guide d'onde à parois non parallèles ayant la même hauteur moyenne : (bmax+ bmjn)/2 = b. Plus précisément, on choisit la même géométrie que dans le cas de la figure 1 , c'est-à-dire une section en forme de trapèze isocèle. La valeur de l'angle α est choisie, d'une manière arbitraire, égale à 19°. Dans un cas réel, on prendra la valeur de α la plus petite possible telle qu'elle permette d'éliminer les décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons. La détermination de la valeur optimale de α pour une application déterminée pourra, par exemple, être effectuée par essais successifs.
La modification des sections transversales des différents éléments du filtre ne laisse pas inchangées les caractéristiques électriques du dispositif. Cependant, les inventeurs ont découvert qu'un procédé systématique d'ajustement de certaines dimensions permet de retrouver, d'une manière simple et relativement rapide, une fonction de transfert très proche de celle d'origine.
Le filtre 200NP selon l'invention obtenu en appliquant ce procédé est représenté sur la figure 2B. Les différents éléments du filtre et les dimensions correspondantes sont identifiés par les mêmes signes de référence utilisés pour le filtre de type conventionnel 200 de la figure 2A, avec un exposant « NP », pour « côtés non parallèles ».
La première étape de ce procédé d'ajustement dimensionnel consiste à modifier la largeur des iris modifiées aNP 2n, aNP 2i2, aNP2i3, aNP2-i4 et aNP 2i5 jusqu'à que le module du paramètre S2i à centre bande de chaque iris modifié soit le même que celui de l'iris à section rectangulaire correspondante. Cela peut être fait à l'aide de simulations numériques, effectuées par exemple en utilisant le simulateur FEST3D, développé par l'ESTEC, OU HFSS, distribué par Ansoft Corp.
Ensuite, les iris modifiés 211NP, 212NP, 213NP, 214NP et 215NP sont analysés, toujours à l'aide de simulations numériques, afin de calculer la phase de leurs paramètres Su et S22- Enfin, ces valeurs sont utilisées pour déterminer la longueur des cavités 201 Np - 204NP afin de retrouver la réponse fréquentielle voulue. D'une manière conventionnelle, la détermination de la longueur de chaque cavité comporte deux étapes : initialement la longueur de toutes les cavités est posée égale à XQI2, OÙ λG est la longueur d'onde à centre bande dans le guide, ensuite on procède à un « réglage » des longueurs pour prendre en compte les effets de bord (déformation des lignes de force des champs) au niveau des discontinuités-entre les cavités et les iris. Cette étape de réglage est connue, pour différents types de filtres à guide d'onde, depuis les publications suivantes : J. Kocbach et K. Folgero, "Design procédure for waveguide filters with cross-couplings", 2002 International Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S, volume 3, 2-7 juin 2002, pages 1449 - 1452 ; F. M. Vanin, D. Schmitt et R. Levy, "Dimensional synthesis for wideband waveguide filters"; 2004 International Microwave Symposium Digest, IEEE MTT-S, volume 2, 6-11 juin 2004, pages 463 - 466 ; et L. Young, "Stepped-lmpedance Transformers and Filter Prototypes"; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, volume 10, n° 5, septembre 1962, pages 339 - 359. En général, λG est donné par :
Figure imgf000013_0001
où λ0 est la longueur d'onde à centre bande dans le filtre et λcoup est la longueur d'onde de coupure du guide, obtenu au moyen de simulations numériques dans le cas du guide à parois non parallèles. Dans le cas du mode fondamental TEi0 d'un guide d'onde rectangulaire, λC0Up peut être exprimé sous une forme analytique et l'expression précédente se simplifie :
Figure imgf000013_0002
où c est la vitesse de la lumière et f la fréquence à centre bande. On observe que λo n'est pas exactement la même pour le filtre de référence à section rectangulaire et pour le filtre à parois non parallèles. La fréquence de coupure du mode fondamental du filtre a tendance à augmenter avec l'angle α (voir figure 5), ce qui entraîne une augmentation de XG et donc de la longueur du filtre. Afin de retrouver la même fréquence de coupure que le filtre rectangulaire de référence, et donc la même longueur, il est cependant suffisant d'augmenter légèrement largeur acav des cavités.
De plus, une modification de la hauteur moyenne b de la structure ne modifie pas sa réponse fréquentielle, mais permet d'en régler le facteur de qualité Q pour le faire coïncider avec celui du filtre rectangulaire de référence.
Les dimensions en millimètres des cavités et des iris du filtre modifié conformément à l'invention sont données dans le tableau suivant :
Figure imgf000014_0001
Les tolérances sur ces dimensions doivent être assez étroites
(inférieures à 10 μm dans cet exemple ; la valeur exacte dépend de l'application spécifique considérée), mais restent généralement compatibles avec une fabrication par fraisage. Une fabrication par électroformage, plus coûteuse, peut cependant être préférée en raison de ses tolérances plus étroites, qui permettent de simplifier l'étape de conception du filtre.
La figure 3 montre la dépendance fréquentielle des paramètres de diffusion du filtre 200 de référence (courbes SPn et Sp 2i) et du filtre modifié 200NP (courbes SNPn et SNP 2i). On peut observer que les propriétés de filtrage des deux dispositifs sont très similaires, sauf pour un léger décalage de la fréquence centrale de la bande passante, de l'ordre de 7 MHz. Pour éliminer ce décalage il est possible de recommencer le procédé d'ajustement dimensionnel à partir d'un filtre de référence légèrement modifié, en procédant par essais successifs. En outre, l'atténuation du filtre modifié 200NP est légèrement moins élevée aux hautes fréquences : cela est dû au fait que le filtre à parois non parallèles présente des modes d'ordre supérieur à des fréquences plus basses que le filtre de référence à section rectangulaire. Une analyse étendue à des fréquence plus élevées montre que le filtre modifié 200NP présente la première bande passante parasite, due aux modes d'ordre supérieur, à environ 13,2 GHz, alors que cette bande est située à environ 15 GHz pour le filtre de référence.
L'effet de décalage en fréquence des modes du filtre peut être compris à l'aide de la figure 5, qui montre comment les numéros d'onde de coupure kd , kc2 des deux modes d'ordre plus bas (c'est à dire ayant le plus petit nombre d'onde de coupure kc) évoluent à l'augmenter de l'angle α. On observe que la distance D entre les modes reste pratiquement constante pour des angles α compris entre 0° (filtre à section rectangulaire) et 30°, ensuite elle diminue rapidement au-delà de 30°. Etant donné que l'effet de suppression des décharges auto-entretenues à avalanche d'électrons est d'autant plus important que l'angle α est grand, on comprend l'intérêt de choisir une valeur proche de 30° afin d'atteindre la puissance de seuil la plus élevée tout en conservant des bonnes propriétés de filtrage.
La figure 4 montre la distribution d'amplitude du champ électrique à l'intérieur du filtre 200NP selon l'invention pour une puissance injectée normalisée à 1 W à 9,5 GHz. On peut observer que le pic d'amplitude du champ est localisé dans les cavités de résonance centrales, 202NP et 203NP. Ces cavités sont donc les seules parties du filtre dans lesquelles le risque d'apparition d'une décharge auto-entretenue d'électrons est significatif. Par conséquent, il aurait été possible de limiter l'application du principe du guide d'onde à parois non parallèles seulement aux cavités centrales, en gardant une section rectangulaire pour les cavités externes et les iris. Cependant, l'utilisation d'une structure à parois non parallèles sur toute la longueur du dispositif a été préférée pour en simplifier la fabrication.
Le procédé d'ajustement dimensionnel a été décrit en référence au cas particulier d'un filtre inductif à cavités résonantes et iris, mais il peut être facilement généralisé à d'autres familles de filtres, par exemple aux filtres passe-bas capacitifs. Dans tous les cas il est nécessaire de calculer, généralement à l'aide de simulations numériques, la fréquence de coupure du guide et les paramètres S de chaque cavité ou discontinuité. Ensuite, on modifie les différentes dimensions de la structure comme dans l'exemple.
Le filtre à parois non parallèles 200NP de la figure 2B et son filtre de référence 200 de la figure 2A ont été fabriqués et leur puissance de seuil pour l'apparition d'une décharge auto-entretenue à avalanche d'électrons a été mesurée à centre bande (9,5 GHz). Il a été trouvé que ladite puissance de seuil passe de 690 W pour le filtre conventionnel 200 à 850 W pour le filtre de l'invention 200NP. L'utilisation d'une géométrie selon l'invention permet donc d'augmenter la puissance maximale pouvant être transmise dans un filtre à micro-ondes d'environ 23 %, soit presque 1 dB. Une puissance de seuil encore plus élevée peut être obtenue en optimisant la forme du guide d'onde, et en particulier la valeur de l'angle α.

Claims

REVENDICATIONS
1. Filtre (200NP) à guide d'onde pour micro-ondes comportant une pluralité de parois latérales et ayant, sur au moins une partie de sa longueur, une section transversale comprenant une pluralité de côtés
(111', 111", 112', 112") formés par des sections desdites parois latérales et une région interne creuse unique, dont le contour est défini par lesdits côtés
(111', 111", 112', 112"), caractérisé en ce que deux desdits côtés (111',
111"), opposés l'un à l'autre, ne sont pas parallèles entre eux.
2. Filtre selon la revendication 1 dans lequel lesdits côtés opposés (111', 111") non parallèles entre eux sont les côtés de plus grande longueur.
3. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite région interne creuse présente une section transversale en forme de triangle, de trapèze ou de secteur de cercle ou de couronne circulaire.
4. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdits deux côtés opposés (111', 111") non parallèles sont reliés entre eux par deux côtés opposés (112', 112") parallèles entre eux.
5. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite section transversale présente un axe de symétrie.
6. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite section transversale est constante au moins localement.
7. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel lesdits deux côtés opposés non parallèles forment entre eux un angle compris entre 5° et 35°, de préférence entre 15° et 35° et d'une manière encore préférée entre 20° et 30°
8. Filtre selon l'une des revendications précédentes dans lequel ladite partie de sa longueur où la section transversale présente deux côtés opposés non parallèles entre eux comprend au moins le ou les tronçons (201 NP, 202NP, 203NP, 204NP) à l'intérieur desquels l'intensité maximale du champ électrique est la plus élevée.
9. Filtre selon l'une des revendications précédentes présentant au moins une fréquence de coupure dans l'une des bandes X, Ku, K ou Ka.
10. Filtre selon l'une des revendications précédentes, du type à iris et cavités résonantes.
11. Emetteur à micro-ondes comportant au moins un filtre selon l'une des revendications précédentes.
12. Emetteur selon la revendication 11 présentant une puissance de pic d'au moins 0,5 kW dans les bandes X à Ka.
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