Brevet FR2034666A1 — publié le 19701211

La présente invention concerne les circulateurs de jonction pour guidesd'ondes, La présente invention a pour objet de prévoir m circulateur de jonction perfectionné 5 Selon l'invention., il est prévu un circulateur de jonction pour guide d'ondes du type comportant une cavité résonnante chargée avec un matériau ferromagnétique, une source génératrice d'un champ magnétique^ et une pluralité d'orifices ou voies., couplés à ladite cavité, l'uneau moins desdites voies comprenant au moins une section de guide d'ondes dont la fréquence de coupure est au-dessus de la ■j^q fréquence résonnante de ladite cavité, et des moyens pour terminer les tronçons des sections de guides d'ondes par une réactance dont la valeur est égale à la conjuguée de l'impédance caractéristique imaginaire de chaque tronçon de section de guide d'ondes. Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus 1.5 clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels : la figure 1 représente un circulateur de jonction pour guide d'ondes à trois voies, les voies étant de section transversale rectangulaire ; 20 la figure 2 représente le circuit équivalent de la ligne de transmission d'une section de voie du circulateur de la figure 1, relativement aux ondes H évanescentes ; la figure 3 représente le schéma équivalent de la section ; la figure 4 illustre par des courbes le rendement d'un circulateur de jonction 2^ représenté à la figure 1 ; la figure 5 représente un circulateur de jonction pour guide d'ondes à trois voies comportant des voies de section transversale rectangulaire chargées d'un matériau ferromagnétique ; la figure 6 représente,sous forme de graphique la perméabilité effective en ■jq fonction de la fréquence angulaire pour une ferrite magnétisée transversalement ; la figure 7 représente une section de guide d'ondes chargée par des bandes f e rromagnéti que s formant paroi latérale ; la figure 8 illustre sous forme de graphique la perte d'insertion en fonction de la fréquence pour une section de guide d'ondes chargée de ferrite dans la je; condition de coupure, le champ magnétique de courant continu étant pris pour paramètre. La figure 1 représente un circulateur de jonction à trois voies comportant une cavité résonnante centrale 1, comprenant un matériau ferromagnétique 2. Le matériau ferromagnétique 2 est soumis à un champ magnétique continu dans la 40 direction indiquée pour obtenir la circulation dans le sens opposé à celui des 70 07539 2034666 2 aiguilles d'une montre. Le fonctionnement et la forme des trois voies 4- du circulateur sont identiques, Chaque voie 4 est constituée par un tronçon 5 de guide d'ondes à section transversale rectangulaire ayant une longueur 2-£ et comportant deux vis capacité tives réglables 6 et 7 sur la ligne centrale longitudinale de la paroi large supérieure du guide d'ondes* l'écartement longitudinal entre les vis 6 et 7 étant £ (chaque vis étant distante de -£■ /2 du point central du tronçon)^ chaque vis pénétrant dans le guide d'ondes correspondant. La section transversale rectangulaire (hauteur et largeur) de chaque tronçon 10 5 est prévue pour qu'à la fréquence de fonctionnement du circulateur, c'est-à-dire la fréquence résonnante de la cavité 1, la fréquence de coupure de chaque tronçon 5 soit supérieure à la fréquence de fonctionnement. Par exemple, pour une fréquence de fonctionnement de 4GHz, chaque tronçon 5 présente habituellement une hauteur de 10 m/m 16 (0,4 pouce ) et une largeur de 22ra/m 86 (0,9 pouce ). 15 Si l'on suppose présente l'énergie électromagnétique à la fréquence de fonc tionnement requise dans le mode H dominant, à l'extrémité extérieure de la voie de gauche 4 (admission), puisque le tronçon 5 est dimensionné pour être au delà de la coupure à cette fréquence, tous les modes dans le tronçon sont évanescents. Le guide d'ondes aux fréquences inférieures à la fréquence de coupure, pré-20 sente les caractéristiques communes à tous les réseaux de filtres non dissipatifs dans leur région d'élimination de bande. L'impédance caractéristique qui est réelle dans la bande passante devient imaginaire dans la région d'élimination de bande, La constante de propagation qui est imaginaire dans la bande passante devient réelle dans la région d'élimination de bande. 25 L'équivalent, en ligne de transmission, d'une section de longueur d'une voie d'entrée 4 est représenté à*la figure 2 sous la forme d'une ligne de longueur ayant une impédance caractéristique imaginaire positive jZ^ et une constante de propagation réelle Pour les ondes H évanescentes, par conséquent, la longueur £ se comporte comme une pure inductance, Le circuit équivalent de 30 la figure 2 est représenté à la figure 3 comme un circuit équivalent tf donnant les valeurs réactance inductance en fonction de Y 1 et l . Si la section de guide d'ondes se termine en une capacitance G de maniex^e que la réactance capacitive X_, soit la conjuguée de la réactance inductive de la section, il s'effectue tan transfert total d'énergie dans la section- Le transfert 3? d'énergie est sensible à la fréquence et la section se comporte comme un filtre passe-bande. Les limites de fréquence de bande passante (f^ et f ) sont données par : 70 07539 2034666 th 1 Yl/ f! = 2 _ (l) Z01 2 •uwjk cth-g f2 = (2) Z01 2 ° La fréquence centrale, fy se produit à la moyenne géométrique i° f0 - \/Ï^ . f2 . En conséquence fO = i (3) 2 7TZ01C 15 La largeur de bande est une fonction de Y ^ et, (dans le cas idéal exempt — de perte) du fait que Yi t —» » on a alors Y 1 € cth. Yi € et la largeur de bande (f^ - f^) tend vers zéro. La voie d'admission se comporte ..par conséquent,comme ion filtre passe-bande à deux sections dans lequel la valeur requise pour obtenir un couplage conjugué 20 de chaque capacitance de section avec l'inductance de la section respective est obtenue par un réglage approprié des vis capacitives 6 et 7 de la voie d'admission. Il se produit ainsi, à travers la voie d'admission,un transfert total d'énergie à la cavité centrale 1, une rotation en sens contraire des aiguilles d'une 25 montre et une transmission dans l'orifice adjacent,. Le transfert total d'énergie à travers la voie de sortie se produit selon le processus décrit pour la voie d'admission La figure 4 illustre le rendement d'un circulateur de jonction pour guide d'ondes tel que celui représenté par la figure 1, dont les voies ont des sections 30 transversales rectangulaires de dimensions internes de 15m/m79 x 10m/ml6 (0,622 pouces x 0, 40 pouces), et comportait des vis capacitives, et un cylindre de ferrite de 8 m/m 12 de diamètre x 10 m/m 16- (0,32 pouces x 0,40 pouces). Le fonctionnement général du circulateur î?st classique et permet le transfert d'énergie d'une voie à une voie adjacente, uniquement dans le sens de rota-35 tion déterminé par le champ magnétique appliqué au matériau ferromagnétique. L'utilisation du circulateur est également classique ; par exemple une voie peut être reliée à une antenne, une autre à un émetteur radio-électrique de micro-ondes et une autre à un récepteur radio-électrique de micro-ondes. La propagation d'énergie externe aux voies du circulateur peut s'effectuer •tO par un guide d'ondes de propagation, auquel cas une autre vis de réglage capaci- 70 07539 2034666 tive est nécessaire à chaque jonction entre le guide d'ondes-évanescentes et le guide d'ondes de propagation de plus grande dimension. En variante, le circulateur peut être couplé dans un système à micro-ondes constitué totalement de guide d'ondes évanescentes. 5 La figure 5 représente une autre forme de circulateur de jonction à trois voies,les références numériques identiques à belles de la figure 1 étant utilisées pour désigner des éléments semblables. Comme dans le circulateur de la figure ls chaque voie se comporte comme un filtre passe-bande de guide d'ondes évanescentes, à deux sections, permettant un transfert total d'énergie à la fré-10 quence de fonctionnement. Chaque voie 4 est constituée par un guide d'ondes dont les dimensions en hauteur et en largeur sont propres à permettre la propagation à la fréquence de fonctionnement. Chaque voie contient des bandes de charge 8 en matériau ferromagnétique , ferrite ou grenat par exemple, disposées symétriquement sur chaque .15. paroi latérale du guide d'ondes. Ces bandes de matériau ferromagnétique 8 sont soumises à un champ magnétique de courant continu H^c. Il a été établi que pour une ferrite magnétisée transversalement, dans un guide d'ondes rectangulaire (mode H ), la fréquence de coupure peut être contrôlée par le champ magnétique continu. La fréquence de coupure peut être amenée au-20 dessus ou au-dessous de sa valeur dans le guide d'ondes à vide. Ceci résulte du fait que la perméabilité effective ,u du ferrite peut varier pour être / e ^ " amenée à passer de valeurs positives à des valeurs négatives par le champ magnétique de courant continu comme montré à la figure 6, où u est la fréquence V/U de coupure et o>r la résonance gyromagnétique pour le milieu de ferrite infini. 25 Ainsi pour ^,ug '^> 0, le champ haute fréquence est concentré dans le ferrite et la largeur effective du guide*d'ondes est augmentée tandis que pour ^ Ainsi, dans chaque voie du circulateur, de la figure 5* le tronçon de guide JO d'ondes est dans la condition évanescente provoquée' ainsi qu'on l'a expliqué ci-dessus par le champ magnétique de courant continu. Cette condition est illustrée à la figure 8 et montre également comment la fréquence de coupure de chaque voie est fonction de la valeur du champ magnétique de courant continu. La valeur de ce champ peut être rendue variable quand il est appliqué par les pièces polai-35 res d'un aimant permanent^ il suffit pour cela que les pièces polaires soient mobiles et, lorsqu'il est appliqué par des pièces polaires électromagnétiques, en faisant varier le courant.. Chaque voie est aocordable en fréquence au moyen d'une variation de la valeur du champ magnétique continu- Une augmentation du champ élève la fréquence et une 40 réduction de ce champ abaisse la fréquence. Du fait que la fréquence résonnante COPY 70 07539 2034666 5 de la cavité 1 peut également être modifié par son champ magnétique, le circulateur de jonction est variable en fréquence. En variante, le circulateur de jonction peut comporter des voies de tronçons de guide d'ondes de section transversale carrée ou circulaire. 7- Dans les circulateurs de jonction des figures 1 et 5, chaque voie peut com porter une, trois ou un plus grand nombre de sections contenant chacune une seule vis capacitive. Dans les deux types de circulateurs de jonction décrits, la ou les vis capacitives dans chaque section de voie peuvent être remplacées par d'autres formes d'obstacles capacitifs, par exemple des diaphragmes capacitifs régla-10 bles, Les circulateurs de jonction décrits admettent une bande de fréquence fondamentalement plus étendue que les circulateurs de jonction de. guide d'ondes classiques (dispersifs) en raison de la nature "composite" des voies à mode évanes-cent. 15 Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisation, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. COPY 70 07539 2034666 6 REVENDICATIONS 1°/- Circulateur de jonction du type comportant une cavité résonnante chargée avec un matériau ferromagnétique, une source de champ magnétique et plusieurs voies couplées à ladite cavité , caractérisé en ce que l'une au moins desdites 5 voies comprend : au moins une section de guide d'ondes ayant'une fréquence de coupure supérieure à la fréquence résonnante de la cavité et des moyens pour terminer les tronçons de section de guide d'ondes par une réactance dont la valeur est égale à la conjuguée de l'impédance caracté-10 ristique imaginaire de chaque tronçon de section de guide d'ondes. 2°/- Circulateur de jonction selon la revendication 1> caractérisé en ce qu'il comporte trois voies, chaque voie comportant deux tronçons de section de guide contigus ayant une fréquence de coupure "supérieure à la fréquence réson-.nante du guide d'ondes, et en ce que les moyens pour terminer chaque tronçon de 15 section comprennent une ou plusieurs vis capacitives montées sur une paroi large de chaque tronçon de section de guide d'ondes. 3°/- Circulateur de jonction selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins un tronçon de section de guide d'ondes comprend un guide d'ondes chargé par un matériau ferromagnétique, 20 4°/~ Circulateur de jonction , selon la revendication J>, caractérisé en ce que le guide d'ondes est charge symétriquement par un matériau ferromagnétique sur chaque paroi latérale. 5°/- Circulateur de raccordement selon la revendication caractérisé en ce qu'il comporte trois voies, chaque voie comprenant deux tronçons de section 25 de guide contigus, et en ce que les moyens pour terminer chaque tronçon de section comprennent une ou plusieurs vis capacitives montées sur une paroi large de chaque tronçon de section de guide d'ondes. 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