Brevet FR2030334A1 — publié le 19701113

La présente invention concerne les structures de transmission d'ondes électromagnétiques ayant des propriétés d'atténuation non réciproque et plus précisément des isolateurs miniatures pour guides d'ondes. 5 L'emploi de matières gyromagnétiques pour obtenir des effets non réciproques dans les lignes de transmission hyperfréquence est "bien connu "et a jusqu'ici trouvé des applications nombreuses et variées. Les premières informations concernant ces utilisations ont été publiquées dans un article intitulé "The Behavior and 10 Applications of Ferrites in the Microwave Région" par A.G. Fox, S.E. Miller, et M.T. Veiss, dans le Journal Technique Bell System de Janvier 1955» pages 5 à 103. Le numéro 10. volume 44, de "Proceedings of the IEE" paru en Octobre 1956 est consacré à une étude des applications des matières gyromagnétiques. 15 Parmi les nouveaux composante de transmission d'ondes figure. l'isolateur qui est un élément de circuit dans lequel l'énergie ondulatoire se propageant dans un sens appelé direction directe, n'est que faiblement atténué, alors que l'énergie se propageant dans l'autre sens, appelé direction inverse, est 20 atténuée d'une valeur plus importante dépendant du système. Il existe un type d'isolateur appelé isolateur "à déplacement de champ", plus particulièrement décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2.946.025 . Pour expliquer de manière simple le principe de fonctionnement de cet isolateur à déplacement 25 de champ classique, on peut dire que le diagramme de champ de l'onde est déplacé par rapport à l'élément gyromagnétique dans un sens dans la direction directe, et dans le sens opposé pour la direction inverse. Il existe donc,tans use région donnée, Ton faible champ électrique pour une onde se propageaart? dans le sens di-30 roct au onde "progressive", alors qu'un champ électrique de préférence important existe dans la même région -peur taie onde se propageant en sens'inverse ou onde "régressive"à Si 1*on place de la matière résistive dans-la région concernée, 1*onde progressive apparaît une très faible atténuation pour 1'onde^ alors que-le champ électrique important de. l'onde régressive rencontrant la matière résistive introduit une atténuation..Cette atténuation constitue la perte de l'isolateur dans le sens inverse^ 70 03972 2 2030334 Dans tous les isolateurs on cherche à optimiser les pertes inverses sans accroître exagérément les pertes directes^ Une structure donnant des résultats excellents utilise une lame longue et très mince de matière résistive. Cette lame est disposée avec 5 soin pour minimiser les pertes directes et, en agissant sur sa longueur qui est généralement égale à plusieurs longueurs d'ondes, il est possible d'obtenir les pertes inverses voulues. Des iso -lateurs plus courts sont récemment apparus sur le marché et semblent fournir les pertes inverses voulues au moyen d'une masse importante 10 de matière résistive, faisant généralement saillie dans un guide d'ondes rectangulaire par une ouverture de sa paroi étroite» Ces dispositifs compensent généralement leur longueur réduite par une augmentation des pertes directes. Il n'existe pas à la connaissance de la Demanderesse de publication décrivant ce type 15 d*isolateur court, La présente invention concerne un isolateur dont la longueur est encore plus réduite et dont la forte isolation et les pertes directes faibles sont obtenues en établissant la résonance simultanée d'un élément gyromagnétique et d'un élément d'introduction 20 de pertes. L'élément gyromagnétique peut en particulier prendre la forme d'une tige cylindrique montée entre les parois large© d'une courte section de guide rectangulaire en'un point déporté par rapport à l'axe longitudinal des parois larges du guide# Les dimensions et la position de la tige cylindrique sont calculées 25 de manière que la section du guide au droit de la tige résonne à la fréquence voulue. L'élément de perte est constitué par une sonde coaxiale en quart d'onde court-circuitég^montée dans le même plan de section droite du guide que la tige cylindrique et traversant l'autre pa^so-i large en un point déporté latéralement 30 par rapport à l'axe longitudinal du guide d'ondes du côté opposé à la tige. Le conducteur extérieur de la sonde est plus court que le conducteur intérieur d'une longueur suffisante pour adapter l'impédance du plongeur coaxial à celle du guide. Lorsqu'un tel plongeur est chargé à l'aide de matière dissipative, 35 les pertes sont étroitement couplées à la résonance du champ électrique inverse permettant d'optimiser les pertes inverses à cette fréquence de résonance. Le profil allongé, dp la sonde- 70 03972 3 2030334 permet de l'isoler presque complètement des champs déplacés associé s h l'onde progressive» , Cette structure permet donc d'obtenir de fortes pertes inverses et de faibles pertes directes en n'ajoutant qu'une fraction de longueur d'onde à la longueur 5 effective du système de guides d'ondes dans lequel elle est montée. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une structure de transmission non réciproque d'énergie ondulatoire électromagnétique dans une gamme donnée de fréquences comprend 10 une section de guide d'ondes rectangulaire reliée électriquement au reste du système, un élément en matière gyromagnétique polarisée magnétiquement disposé à l'intérieur du guide d'un côté de l'axe longitudinal de aa paroi large, une structure coaxiale comprenant un conducteur extérieur et un conducteur intérieur 15 traversant l'une des parois large s^Ladite structure coaxiale étant court-circuitée à la longueur à laquelle elle résonne dans ladite gamme de fréquences,ledit conducteur interne étant au moins partiellement entouré de matière dissipative . D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 20 rassortiront de la•description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif , mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : La figure t est une représentation en perspective d'un 25 isolateur hyperfréquenee réalisé selon les principes de la présente invention ; la figure 2 est une coupe longitudinale d'une partie de l'isolateur de la figure 1, représentant notamment l'élément de perte. 30 la figure 3 est une vue de dessus de l'élément de perte représenté à la figure 2. Les figures 1 et 2 représentent un isolateur à déplacement de champ réalisé selon les principes de l'invention et comprenant une section de guide rectangulaire conducteur 10 constitué par 35 deux paires de parois parallèles conductrices dont la plus longue a une dimension transversale supérieure à une demi-longueur d'onde mais inférieure à une longueur d'onde de la fréquence de l'onde 70 03972 4 2030334 la plus basse à transmettre. La petite dimension est. généralement égale à moitié de la grande. La dimension longitudinale de l'isolateur ( parallèlement au sens de propagation de l'onde) est approximativement égale à la moitié de la petite dimension. Dans la forme illustrée, l'épaisseur de paroi de la section d'isolation est importante pour s'adapter aux brides classiques de guides d'ondes, de façon que l'isolateur puisse être directement monté entre les brides de raccordement 8 d'un système de guides d'ondes 9. Un élément cylindrique 11 en matière polarisable magnétiquement, du type présentant des propriétés gyromagnétiques aux hyperfréquences est disposé dans le sens du petite côté du guide 10 entre l'une des parois étroites et l'axe longitudinal de la section. Dans ce qui suit, ces matières seront simplement appelées "matières gyromagnétiques" et comprennent les matériaux ferromagnétiques , tels que les ferrites du typ^spinellffet les composés yttrium-fer du type grenat. Une matière gyromagnétique convenant particulièrement bien pour la réalisation de l'élément 11 est un grenat yttrium-fer à aluminium substitué ayant une saturation magnétique de 4-00 gauss, un champ d'hystérésis de 100 oersteds et une constante diélectrique de 15. L'élément gyromagnétique 11 est soumis à un champ magnétique de polarisation axiale , c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe longitudinal du guide 10 et parallèle à ses parois étroitesi' 0e champ magnétique peut être fourni par des aimants permanents 13 logés dans la paroi épaisse du guide 10 au-dessus et au-dessous de l'élément 11. L'élément 11 peut également être aimanté de manière permanente. On règle l'intensité du champ appliqué à une valeur correspondant approximativement à la saturation de l'élément 11, mais cependant inférieure à la valeur à laquelle la matière de cet élément devient dissipative par résonance" gyromagnétique. Un entrefer étroit 12 peut être ménagé de manière classique à l'extrémité- de la tige 11, le retour du champ magnétique se faisant par un circuit convenable 14. Il est connu que pour cette polarisation et à l'emplacement décrit, l'élément 11 est soumis au champ magnétique polarisé circulairement de l'onde quij/be propage dans le guide et présente des perméabilités effectives différentes selon le sens de propagation de l'onde. Dans un sens de propagation, la perméabilité 70 03972 5 2030334 effective est inférieure à l'unité et l'énergie de l'onde est repoussés par l'élément, de sorte que l'intensité du champ électrique régnant dans le guide du côté opposé à l'élément 11, est importante. Dans le sens de propagation opposé, la perméabi-5 lité effective est supérieure à l'unité,et l'énergie ondulatoire est attirée dans l'élément,de sorte que l'intensité du champ électrique qui règne dans le guide du côté opposé à l'élément 11 est faible. On peut améliorer ces effets par un choix convenable 10 de la section du cylindre de ferrite 11 et de son espacement de la paroi étroite la plus proche. En général, il est préférable que son diamètre soit de l'ordre d'une demi longueur d'onde calculé à l'intérieur de la matière gyromagnétique en tenant compte de sa constante diélectrique, l'élément 11 n'est pas nécessaire-15 ment à section circulaire, auquel cas ses dimensions doivent être déterminées empiriquement, lorsque le diamètre et le champ magnétique de saturation ont été déterminés, il suffit de régler la position transversale de l'élément 11 dans le guide jusqu'à obtenir le plus faible taux d'ondqs stationnai^ pour les deux direc-20 tions de propagation. Cette position, mesurée à partir de la paroi étroite la plus proche,est généralement du même ordre que le diamètre de l'élément. Bien que l'explication théorique suivante ne soit pas limitative,des expériences de mesure de l'intensité des champs tendent à indiquer que, lorsque les conditions précé-25 dantes sont remplies, il existe deux états distincts de résonance. Pour la propagation directe, la résonance apparaît dans la section droite de l'élément 11 dans lequel pratiquement toute l'énergie est contenue dans la matière elle-même. Il existe de part et d'autre de l'élément un minimum du champ électrique dans le 30 plan de la section droite transversale qui contient l'axe de l'élément. Pour le sens inverse de propagation, la plupart du champ est à l'extérieur de l'élément et la-résonance se produit entre les petits côtés du guide, un peu à la manière du phénomène de coupure, la direction de propagation de l'onde étant plus 35 ou moins perpendiculaire aux parois du guide. Ces deux diagrammes de champ très différents se traduisent non seulement par des intensités de champ électrique différentes dans une région donnée 70 03972 6 2030334 mais également par des impédances très différentes opposées à la propagation en sens inverse des ondes dans cette même région. On monte dans cette région un ensemble dissipatif 18 qui est accordé de manière à être couplé étroitement et de manière 5 répétitive aux champs alternatifs se propageant dans la direction inverse jusqu'à les dissiper. L'impédance de l'ensemble 18 étant accordée sur l'onde régressive, cet élément se trouve pratiquement découplé de l'onde progressive directe dont l'impédance est différente et dont l'intensité de champ est plus faible, comparée 10 aux paramètres de l'onde régressive. Pour réaliser ces fonctions particulières, l'ensemble 18 comprend une tige coaxiale dissipative résonnant en court-circuit qui est adaptée à l'onde régressive se propageant dans le guide en déplaçant la tige centrale à travers l'une des parois larges-15 du guide 10 du côté opposé à l'axe longitudinal, mais dans la même section droite que l'élément 11. Bien que l'on puisse théoriquement utiliser les diagrammes de champ moins bien définis du même côté de l'axe longitudinal que l'élément 11, cette disposition est plus complexe du point de vue encombrement. L'ensemble 20 dissipatif 18 comprend plus précisément un conducteur central 1 5 et un conducteur extérieur 16 ayant chacun leur extrémité libre à l'intérieur du guide 10 et dont les autres extrémités sont mises en court-circuit par un élément 17. Pour des raisons qui apparaîtront dans la suite, le conducteur central 16 dépasse une 25 certaine longueur du conducteur 15 à l'intérieur du guide 10. Les trois variables principales de cette structure sont la distance du court-circuit 17 à la limite de conduction du guide 10, la distance de cette limite à l'extrémité du conducteur extérieur 1"5 et la distance du court-circuit à l'extrémité du con-30 ducteur interne 16. Ces trois paramètres peimettent d'établir la résonance de la structure coaxiale à la fréquence de fonctionnement et l'adaptation à l'impédance de l'onde régressive. La résonance nécessite théoriquement un quart de longueur d'onde électrique de la tige court-circuitée. De son côté, l'adaptation 35 est déterminée par le rapport des longueurs du conducteur extérieur et du conducteur intérieur dépassant à l'intérieur du guide, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2.408.032. 70 03972 2030334 On a découvert expérimentalement que la distance du court-circuit 17 à l'extrémité du conducteur intérieur 16 doit de préférence être assez voisine d'un quart de longueur d'onde, les réglages fins de l'accord et de l'adaptation se font de manière simple 5 en ajustant séparément la pénétration des conducteurs intérieur et/ou extérieur, dans le guide. Pour faciliter ce réglage, le conducteur 15 est pourvu de filets extérieurs se vissant dans la paroi épaisse du guide 10 et de filets intérieurs dans lesquels se visse le court-circuit 17 dont l'extrémité est solidaire du con-10 ducteur 16. les éléments 15 et 17 peuvent comporter des fentes 19» comme représenté à la figure 3, permettant de les faire tourner à l'aide d'un tournevis. le circuit résonnant obtenu est ainsi suffisamment chargé pour introduire des pertes. Bien que diverses structures résistives puissent être introduites entre le conducteur extérieur 15 et 15 le conducteur intérieur 16 pour .atténuer les courants résonnants qui circul.ent dans la cavité coaxiale, on préfère déposer une mince couche cylindrique 20 d'une matière résistive telle que l'alliage "Nichrome", sur un cylindre de verre creux 21 qui entoure le conducteur intérieur 16 et dont l'extrémité est fixée 20 à celle du conducteur extérieur 15. les cylindres 20 et 21 se déplacent donc avec le conducteur 15 pendant l'accord du système. En variante, un cylindre creux de carbone granulé ou. d'autre matière dissipative,peut être fixé à l'extrémité du conducteur extérieur 15»de manière à entourer sans le toucher le conducteur 16. 25 la liberté de mouvement de ce dernier permet ainsi de le régler sur une pointe aiguë-de pertes dans le sens inverse de propagation. la réduction des pertes directes par le dispositif de la présente invention semble due à la dimension réduite dans le sens de propagation des ondes de l'ensemble 18.et à la possi-30 bilité de le loger dans une région où existe un minimum du champ électrique pour la propagation directe, l'invention apporte donc une amélioration considérable par rapport aux lames dissipatives et aucblocs de matière résistive utilisés jusqu'ici. De plus, l'ensemble 18 étant adapté au champ de l'onde régressive 35 est considérablement désadapté au champ de l'onde progressive. Cet effet ajoute encore au découplage dans le sens direct et enfin , comparés aux champs alternatifs de l'onde régressive 70 03972 8 2030334 les champs de l'onde progressive ne sont exposés au profil allongé de l'ensemble 18 que pendant le seul passage à travers la section de guide 10. l'isolateur de la présente invention fonctionnant dans 5 la plage des 4&Hz a les dimensions physiques suivantes : Les dimensions internes de la section de guide rectangulaire sont 29,2 x 58,2 mm. Un élément gyromagnétique de composition décrite a un diamètre de 14,5 mm et la distance qui le sépare de la paroi étroite du guide est également de 14,5 mm, assurant un taux d'ondes 10 statiormairegde 27,2. Le conducteur coaxial extérieur pénètre de 3,8 mm dans le guide, mesuré à partir de la limite de conduction. Le court-circuit est à 19 mm de l'extrémité du conducteur intérieur. Lorsque le court-circuit et le conducteur intérieur sont accordés à.la valeur optimale, les pertes inverses dépassent 15 sensiblement de 30 dB pour une perte directe de 0,15dB et sur une largeur de bande de 25 MHz. La longueur de la section d'isolateur n'est déterminée que par le diamètre de l'élément gyromagnétique. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et que l'on 20 pourra y apporter toute variante rentrant dans son cadre et son esprit. 70 03972 9 2030334 RBVENDICATIOITS 1 . Structure pour la transmission non réciproque de l'énergie d'une onde électromagnétique dans une plage de fréquence donnée,caractérisée en ce qu'elle comprend une section de guide 5 d'onde rectangulaire à surface conductrice, un élément de matière gyromagnétique polarisée magnétiquement étant disposé à 11 intérieur du guide d'un côté de son axe longitudinal, une structure coaxiale comprenant un conducteur extérieur et un conducteur intérieur faisant saillie à l'intérieur du guide à travers l'une de ses 10 parois larges , ladite structure coaxiale étant en court-circuit et sa longueur libre étant calculée pour résonner dans ladite plage de fréquence , le conducteur central étant au moins partiellement entouré d'une matière dissipative. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce 15 que l'élément en matière gyromagnétique a la forme d'un têton s'étendant pratiquement d'une paroi large à l'autre du guide d'onde, la structure coaxiale étant disposée de l'autre côté de l'axe du guide par rapport audit élément. 3* Structure selon la revendication 2, caractérisée en 20 ce que la structure coaxiale et l'élément en matière gyromagnétique sont centrés dans le même plan de section droite du guide. 4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur extérieur est plus court que le conducteur intérieur de la structure coaxiale. 25 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que la matière dissipative constitue un prolongement eylin-. drique du conducteur extérieur. 6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que la matière dissipative est un mince film de métal résistif 30 déposé sur un cylindre de verre. 7. Structure selon la revendication 4,' caractérisée en ce que la profondeur de pénétration des conducteurs intérieur et extérieur dans le guide peut être réglée séparément.