Brevet FR2005096A1 — publié le 19691205

î 2005096 .ua présente invention se rapporte à la propagation d'ondes électromagnétiques dans un guide d'ondes creux et plus particulièrement à la suppression des modes d'oscillation indésirables dans le cas où le guide est apte à propager à la fois un mode d'oscil-5 lation désiré et un mode d'oscillation indésirable d'ordre plus élevé. Les équipements de transmission micro-ondes à fréquences multiples utilisant une antenne et un guide d'ondes communs sont de plus en plus répandus. Un guide d'ondes unique, propre à propa-10 ger plusieurs fréquences très écartées les unes des autres dans des modes de propagation fondamentaux, est déterminé en sorte que les modes d'oscillation c'ordres plus élevés des fréquences élevées soient nécessairement également propagés. La présence de ces modes d'ordres plus élevés peut créer des signaux parasites et des 15 pertes indésirables, de telle sorte qu'un suppresseur de modes efficace se trouve requis pour atténuer ces modes indésirables. Parmi les procédés classiques pour absorber les modes de propagation d'ordres plus élevés figurent ceux qui consistent à utiliser des coupleurs de guides d'ondes avec terminaisons dissi-20 patives, filtres à cloisons résistantes et matériau à grand facteur de pertes, insérés dans le guide afin de propager le champ électrique d'un mode sélectionné. Un matériau gyromagnétique à grand facteur de pertes a également été placé dans les guides d'ondes afin de réagir sélectivement sur les modes indésirables. 25 Comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 2.948.870 on crée la sélectivité à l'égard des modes de propagation en faisant varier un champ magnétique externe en sorte de former dans le matériau gyromagnétique un champ magnétique qui correspond au champ du mode indésirable et réagit à celui-ci. 30 La présente invention a pour objet un suppresseur de mode passif qui atténue efficacement et sélectivement un mode de propagation d'ordre plus élevé indésirable, à une fréquence déterminée sans affecter le mode de propagation fondamental correspondant et sans créer des conversions ou réflexions de modes de propagation 35 supplémentaires. Selon l'invention on réalise la suppression sélective de mode de propagation dans un guide d'ondes creux au moyen d'un suppresseur formé à partir d'un résonateur à diélectrique hyper-fréquence à permittivité élevée, tel qu'un disque cylindrique de 4C rutile, sur les surfaces cylindriques duquel est placée une résis- 69 09382 2 2005096 tance en couche mince à grand facteur de pertes» Le résonateur se caractérise par un mode de propagation fondamental TEq^£, où S est déterminé par les propriétés diélectriques et géométriques du résonateur» Si le suppresseur est disposé coaxialement à un champ 5 magnétique associé à sa fréquence de résonance, il réagit à ce champ et engendre un champ électrique circulaire sur la surface cylindrique» L'énergie communiquée sera dissipée par le courant résultant traversant la couche à pertes» Si un tel suppresseur est disposé à l'intérieur d'un guide d'ondes en un emplacement où 10 le champ magnétique à la fréquence de résonance, coaxial au résonateur, est intense pour le mode de propagation indésirable sélectionné et est relativement.faible, pour le mode de propagation désiré, le mode de propagation indésirable sera fortement atténué sans effet appréciable sur le mode de propagation désiré» 15 Les avantages du dispositif selon l'invention sont la na ture passive du dispositif et leur simplicité de fabrication et d'installation à l'intérieur d'un guide d'ondes. Les résonateurs à diélectrique sont petits par rapport à la section transversale du guide d'ondes et ils peuvent être mis en place avec grande 20 précision,, Ils peuvent donc-réagir avec précision à un champ magnétique sélectionné» Les propriétés de résonance offrent l'avantage supplémentaire d'une sélectivité en fréquence qui rend le dispositif selon l'invention extrêmement utile dans des systèmes de communication dans lesquels des informations différentes sont 25 transmises dans des bandes de fréquences différentes. L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins joints, dans lesquels : - la figure 1 représente un suppresseur selon l'invention; 30 - la figure 2 montre les lignes du champ magnétique dans un plan longitudinal d'un suppresseur selon l'invention.; •= la figure 3 montre les-lignes du champ électrique dans une section transversale du suppresseur ; - la figure 4 est un diagramme de l'intensité du champ 35 électrique en fonction de la longueur axiale d'un suppresseur selon 1Tinvention ; - la figure 5 est un diagramme des intensités du champ électrique et du champ magnétique en fonction de la dimension radiale du suppresseur selon l'invention ; 40 - la figure 6 est une vue en plan longitudinale d'un guide 69 09382 3 2005096 d'ondes rectangulaire avec représentation des lignes du chaarp magnétique des ondes TE^q (H-^q) et TE^q (H^q), contenant un suppresseur pour atténuer l'onde TE^q (H^q) ; - la figure 7 est une vue en plan longitudinale d'un guide 5 d'ondes rectangulaire avec représentation des lignes du champ magnétique des ondes T%q (H^q) et TE2q (H2q) , contenant un suppresseur pour atténuer l'onde TE2q (H2q) ï - - la figure 8 est une coupe transversale d'un guide d'ondes rectangulaire représenté partiellement en perspective, illustrant 10 une forme de réalisation de l'invention dans laquelle plusieurs suppresseurs sont prévus pour atténuer les ondes TE^q (H^q) et ^03^03^* Afin de comprendre la nature de l'invention, il faut examiner les propriétés du résonateur à diélectrique hyperfréquen-15 ce. Sur les figures 1, 2 et 3 se trouve illustré un résonateur à diélectrique cylindrique 11 avec représentation des lignes des champs électrique et magnétique dans le mode de propagation fondamental TEq^ ou o Comme on le voit, le champ magnétique H est sensiblement axial et peut être représenté par en pre-20 mière approximation. Le champ électrique E est principalement circulaire et peut être représenté par E^ en première approximation. Comme on peut le voir sur les figures 4 et 5, le champ magnétique d'intensité la plus élevée existe le long de l'axe et le champ électrique d'intensité la plus élevée existe le long de la 25 circonférence à mi-chemin entre les extrémités du cylindre. En première approximation on peut considérer l'interface air-diélectrique dans un résohateur à diélectrique à permittivité élevée et pertes faibles comme une limite en circuit ouvert. Dans cette hypothèse, le résonateur à diélectrique est l'équivalent 30 mathématique exact du résonateur à parois parfaitement conductrices dont les paramètres sont e'= 1 et fi'=£ où e est la constante diélectrique du résonateur à diélectrique» Si l'on suppose le diélectrique de forme cylindrique circulaire, le mode (ou H01) d'ordre le plus bas peut être rendu égal au mode (ou 35 Eq^q) dans un résonateur à guide d'ondes circulaire parfaitement conducteur» Il convient cependant de rappeler qu'il s'agit d'une approximation et que les champs résonants dans un diélectrique varient dans la direction axiale en opposition au champ T^giO (ou 40 Eq^q) dans un guide d'ondes parfaitement circulaire» Le mode de 69 09382 4 2005096 propagation fondamental dans le résonateur à diélectrique est habituellement appelé mode ) où Thl S = -g— , o 5 Les termes suivants, exprimés dans des unités homo gènes, sont utilisés dans le présent mémoire : Yd = constante de propagation dans le guide d'ondes à diélectrique y = constante de propagation dans le guide d'ondes 10 rempli d'air X = longueur d'onde à la résonance dans l'espace libre . \c = longueur d'onde du mode (Hq-jJ à la fréquence de coupure dans un guide d'ondes cylindrique 15 circulaire L = longueur du diélectrique D = diamètre du diélectrique e = constante diélectrique La longueur d'onde XQ du mode fondamental 20 est donnée par : Ve-^-ïa où 25 Yd-2,r/rî-A (3> K x c 30 et (4) X2 = (5) c 0,585 d'où l'on peut déduire D et L pour une constante diélectrique 35 s spécifique et une longueur d'onde résonante X sélectionnée- Un résonateur cylindrique circulaire constitué de céramique" Ti02 ou rutile (e^'100) est préféré et on obtiendra une fréquence de résonance de 11 GHz, par exemple, avec un cylindre de 8,382 mm de long et de 3,810 mm de diamètre» D'autres diélec-40 triques ayant des constantes diélectriques élevées de l'ordre de 69 09382 5 2005096 80 au moins et des facteurs de pertes diélectriques de l'ordre de 10-4 peuvent cependant être également utilisés. Les relations ci-dessus s'appliquent à une forme géométrique circulaire mis d'autres relations déterminent les propriétés de résonance d'autres formes 5 géométriques. Selon l'invention on souhaite dissiper l'énergie dans un mode de propagation sélectionné. On sait qu'un résonateur à diélectrique à pertes faibles couplé à un résonateur à diélectrique à fortes pertes qui produit une désadaptation sensible avec un mode 10 en propagation , donne lieu à des réflexions; aussi est-il préférable que la résistance du matériau à pertes élevées soit approximativement égale à l'impédance caractéristique du mode qui doit être dissipé. Par exemple, si l'impédance caractéristique du mode sélectionné est de 800 ohms environ à la fréquence de résonance, 15 on adoptera une valeur analogue pour l'impédance disssipative totale. Un circuit équivalent de l'impédance dissipative déposée sur le résonateur est un circuit oscillant en parallèle sur une résistance ; l'impédance apparaît comme une résistance seulement à la fréquence de résonance du circuit oscillant. 20 Comme on le verra plus loin, des suppresseurs peuvent également être utilisés par goupes et si quatre suppresseurs sont placés dans un seul plan transversal ils coopèrent comme s'ils étaient en série et chacun d'eux contribue grosso-modo dans l'impédance dissipative totale pour un quart de celle-ci, soit 200 ohms 25 environ. Comme on le voit sur les figures 4 et 5, le champ électrique est maximum sur la surface cylindrique pour I? . Il est par conséquent préférable que la pellicule résistive 12 soit déposée par un procédé de dépôt de couche mince appliquée en une bandv, circulaire étroite située à peu près au milieu du résonateur 30 11. Un réglage expérimental de l'emplacement de la résistance 12 peut cependant être requis pour rendre optimale la dissipation thermique. La résistance doit être constituée d'un matériau et dans une dimension tels qu'elle n'ait sensiblement aucun effet sur le 35 diagramme du champ électromagnétique du résonateur à diélectrique. Par exemple, si une résistance à base de tantale, ayant une résistance de feuille de 5 ohms par carré, se trouve déposée sur la surface du résonateur en une bande circulaire de 0,381 mm de large, on obtient une résistance de 200 ohms environ sur un résonateur ayant 40 un diamètre de 3j810 mm. 69 09382 6 2005096 Le suppresseur 16 ainsi réalisé atténue l'énergie à la fréquence de résonance du mode auquel il est couplé. La figure 6 montre les lignes de champ magnétique dans un guide d'ondes 15. On voit que le champ longitudinal maximum du mode TE^q se 5 produit à une distance j de chaque paroi étroite 13, 14, a étant la distance séparant les parois 13 et 14. Un suppresseur placé dans l'une ou l'autre de ces positions et disposé coaxialement avec la composante de champ magnétique maximum, c'est-à-dire parallèlement à l'axe longitudinal du guide 15, assure une réponse 10 maximum du suppresseur 16 pour le mode TE^q (H^q). Le suppresseur 16 peut être monté d'une manière connue quelconque, par exemple en le noyant dans un matériau à faibles pertes, - ayant une constante diélectrique voisine de 1. Le champ magnétique du mode TE^q (H30) à la fréquence de résonance excite le résonateur 15 15 dans le mode TEq^£ (Hq^) et le champ électrique circulaire résultant engendre un courant dans la résistance 12, dissipant ainsi l'énergie indésirable dans le mode TE^q (H^q). D'une manière similaire, comme le montre la figure 7, un suppresseur 16,disposé dans une position distants de $$ des parois étroites du guide, 20 dissipe l'énergie dans le mode TE^q (^q). Dans cette position (r|) , il n'existe pas de conroosante t nno-i.tndinale du mode TE-, n et par conséquent le~mode fondamental TE^q(H^q) n'est pas atténué par le suppresseur 16 dans cette position. a Dans les positions situées à une distance ^ de chaque 25 paroi du guide (voir Fig. 6), il existe cependant une composante sensiblement longitudinale du mode TE-^q (H-^q) désiré et il peut s'avérer nécessaire de procéder expérimentalement à une certaine variation de la position du suppresseur par rapport à l'emplacement ^ afin d'optimiser le fonctionnement. 30 Coiane on l'a mentionné plus haut, il est possible qu'un groupe de plusieurs.suppresseurs 16 montés dans un même plan transversal soit requis pour atténuer un mode sélectionné d'une manière suffisante. Ce cas est illustré sur la figure 8 afin de supprimer les modes TE^q (H^q) et TEq^ (Hq^). En raison de la 35 symétrie, un suppresseur 16 situé comme montré sur le dessin pour réagir sur le mode TE (H ) réagit simultanément sur le mode ° nm nm ° TEmn Chaque suppresseur ou groupe de suppresseurs assure ainsi l'atténuation des deux polarisations d'un mode sélectionné. 69 09382 7 2005096 REVENDICATIONS le- Suppresseur de mode comprenant un résonateur à diélectrique qui propage à la fréquence de résonance des champs électrique et magnétique caractéristiques et qui réagit à un mode 5 d'oscillation sélectionné d'onde électromagnétique, ayant le champ magnétique caractéristique, caractérisé en ce que le résonateur (11) est placé dans le champ du mode sélectionné,de telle sorte que le champ magnétique du résonateur soit aligné avec ce champ magnétique du mode sélectionné et en ce que le matériau à grand facteur de 10 pertes (12) réagit au champ électrique indésirable du résonateur et dissipe ce champ. 2o- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur est petit comparé à la structure du champ magnétique du mode sélectionné, et en ce qu'il est de forme cylin-15 drique circulaire, ledit champ magnétique caractéristique étant sensiblement axial» 3«- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur est placé de telle sorte que le champ magnétique du résonateur soit aligné avec le champ magnétique du mode 20 de propagation sélectionné» 4»- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un mèériau à grand facteur de pertes (12) est fixé au résonateur, de telle sorte que l'énergie communiquée au résonateur soit dissipée dans ledit matériau, et en ce que le résonateur occu-25 pe une petite partie de la section transversale du guide (14) et soit placé de telle sorte que ledit champ magnétique soit aligné avec une partie limitée du champ magnétique du mode sélectionné de manière à faire réagir le résonateur sur le mode sélectionné. 5°- Dispositif selon la revendication 4> caractérisé en 30 ce que le résonateur est placé à l'intérieur du guide d'ondes (14) de telle sorte qu'il réagisse au champ magnétique du mode de propagation sélectionné» 6o- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le résonateur a une constante diélectrique supérieure à 80 35 et un facteur de pertes de l'ordre de 10"~4, et en ce que le matériau à grand facteur dè pertes est constitué par une résistance en couche mince à grand facteur de pertes, déposée sur la surface cylindrique du bloc» 7»- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en 40 ce que le résonateur est constitué de rutile» I . 09382 8 2005096 8o- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau à grand facteur de pertes est du tantale. 9°- Dispositif selon la revendication 4> caractérisé en ce que le résonateur est placé dans la section transversale du guide d'ondes approximativement à une distance égale à un tiers de la largeur du guide, comptée à partir d'une paroi étroite du guide. 10.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le résonateur est placé dans la section transversale du guide d'ondes approximativement à équidistance des parois étroites du guide.