Brevet FR2079177A1 — publié le 19711112

La présente invention concerne un circulateur à large bande pour énergie d'ondes électromagnétiques, comprenant plusieurs branches, de transmission couplées symétriquement à une région commune à limites conductrices, un corps de matière 5 gyromagnétique disposé au centre dans la région commune, contigu à l'une de ses limites conductrices, et une tige conductrice placée au centre de la région commune, une extrémité de cette tige étant reliée de manière conductrice à une limite conductrice de la région commune. 10 Le circulateur à jonction en Y, fondamental, est cons titué par une jonction, à limites conductrices, de trois guides d'ondes, avec un corps gyromagnétique polarisé magnétiquement, s' étendant suivant l'axe de symétrie de la jonction. On a proposé de nombreuses variantes de cette construction fondamen-15 taie,principalement en ce qui concerne les dimensions et la forme du corps gyromagnétique et les moyens pour équilibrer son impédance avec celle du reste de la construction, pour améliorer l'une ou l'autre des. caractéristiques de fonctionnement du. circulateur. 20 On comprend maintenant clairement que le fonctionnement du circulateur dépend de la relation entre les réponses de la jonction aux trois.modes entretenus dans, la jonction, c'est-à-dire un mode à coïncidence de phases et deux modes à rotations en sens contraires, dont les coefficients de réflexion doivent 25 être déphasés l'un par rapport à l'autre de 120 degrés. Les différences en largeurs de bande des différentes formes de circulateurs dépendent de la mesure dans.laquelle il est possible de maintenir, dans une construction particulière, cette relation.de phases,, lorsque la fréquence change. 30 On a décrit dans un article de Haugen et Schaug- Pettersen , "A Hicrowave Symmetrical Y Circulator", Intern Rapport R-6.6, Horwegian Defense Research Establishment, décembre 1958, une forme.particulière de circulateur ayant une largeur de bande qui n'est limitée que par la constance des effets 35 gyromagnétiques avec la fréquence et par l'apparition de modes d'ordres plus élevés. On a appelé cette forme circulateur à double souche(ou à double "stub")ou circulateur en tourniquet 71 03297 ' 2079177 à double accord, ce nom décrivant deux appendices caractérisant cette construction. Spécifiquement, la jonction de guides d'ondes ordinaire est équipée d'une première souche (ou "stub') de guide d'onde , circulaire s, de court-circuit, s'élevant à partir 5 d'un des côtés de la jonction dans laquelle est situé le corps gyromagnétique polarisé axialement, et d'une seconde souche coa-xiale, de court-circuit, s 'étendant à partir du côté opposé de la jonction. La largeur de bande du dispositif provient de son aptitude à faire passer les modes à rotations en sens contrai-10 rea dans la souche de guide circulaire, et le mode à coïncidence de phases dans, la souche de guide coaxialè. On peut faire l'accord pour ces modes indépendamment , de façon qu'il en résulte que leurs coefficients de réflexion soient déplacés de 120° sur une bande large. 15 Malgré ses grands avantages de largeur de bandé, le cir culateur en tourniquet est .resté une.curiosité de laboratoire en raison de sa construction lourde et relativement compli-» quée. Au moins une tentative pour simplifier ce tourniquet a été décrite par B.A. Auld dans l'article "The Synthesis of 20 Symmetrical Waveguide Circulators" 7 IRE Transactions, on Micro-wave ïheory and Techniques, page .228, avril 1959. Cependant, cette simplification particulière, ne conservait pas l'indépendance £e tous les. modea et, , par conséquent, n'a pas conservé les qualités.de largeur de. bande. 25 Ces problèmes sont résolus par la présente inventions, au moyen d'une tige conductrice, située au centre dans la région commune et s'étendant e.n partie â travers la région commune. Un développement de l'invention a trait au placement de la tige conductrice dans., un trou axial, dans. le corps de la 30 matière gyromagnétique, et à. la. connexion conductrice de la tige avec la limite conductrice de la. région commune, à laquelle le corps .gyromagnétique est. contigu. Un autre développement de l'invention a trait à la possibilité de régler la profondeur de pénétration de la tige con-35 ductrice dans la région.commune. ïïn autre développement de l'invention a trait à la dia-position d'une plate-forme conductrice à la limite conductrice BAD ORIGINAL 71 03297 ' 2079177 de la région commune, en face du corps gyromagnétique, pour régler la longueur de l'intervalle diélectrique. Un autre développement encore de l'invention a trait à un second corps gyromagnétique et à une seconde tige située à 5 la seconde limite conductrice de la -région commune, en face du premier corps gyromagnétique et de la première tige conductrice, les deux corps gyromagnétiques étant séparés par un intervalle diélectrique. Suivant la présente invention, les aptitudes électriques 10 supérieures d'un circulateur en tourniquet à double accord sont doublées avec cette construction qui n'est que de peu plus compliquée, mécaniquement, qu'un circulateur à jonction en Y ordinaire. Plus particulièrement, l'habituel potelet gyromagnétique de forme cylindrique, polarisé magnétiquementqui s'é-15 tend.suivant .l'axe de symétrie de la jonction, est raccourci pour créer une discontinuité diélectrique entre l'une des limites conductrices de la jonction et l'une des extrémités du potelet» En même temps, un noyau conducteur s'étend de puis l'une des limites conductrices de la jonction, sur une partie 20 de la distance, le long de l'axe du potelet. En générai, l'intervalle diélectrique provoque l'induction de champs électriques à rotation en sens contraires dans le corps gyromagnétique, normalement à la polarisation magnétique, en sorte que le corps gyromagnétique fonctionne comme le faisait la souche de 25 guide circulaire du tourniquet. Le noyau conducteur, au contrai-re, fait l'accord sur un mode correspondant fonctionnellement au mode entretenu dans la souche, coaxiale du tourniquet. Cependant, toutes les parties de la construction sont contenues complètement dans l'intérieur de la jonction» 30 Sur les dessins § - La figure 1 est une vue en perspective, avec arrachements, d'un circulateur du type en tourniquet, de la technique antérieure $ - la figure 2 est une vue en perspective, avec arrache-35 ments, d'un circulateur à jonction suivant la présente invention; - la figure 3 est un graphique des coefficients de ré- A* * ; * BAD ORIGINAL 71 03297 4 2079177 flexion ,utile pour la compréhension de l'invention; - la figure 4 montre en coupe transversale une variante de disposition des éléments de la jonction de la figure 2. En se référant plus particulièrement à la figure 1, on y 5 voit reproduit un circulateur à double accord selon Haugen et Schaug-Pettersen , car il n'est pas facile de se procurer des exemplaires de la description de ce dispositif,adaptée à la comparaison de celui-ci et de la présente invention. Il comprend trois guides, d'ondes rectangulaires 10, 11 et 12 se recou-10 pant . en formant un Y avec des angles de 120°, en une jonction réalisée.dans le plan H (le plan suivant la largeur des guides) pour former une région commune à limites conductrices d'où les branches du guide d'ondes partent symétriquement. Un tronçon de guide d'ondes circulaire. 13 s'étend coaxialement. à 15 l'axe de symétrie de l'Y, à partir de la limite supérieure, de la région commune, ce guide étant couplé à.son extrémité inférieure., par une ouverture circulaire, à la jonction et étant fermé à s.on extrémité supérieure par une limite faisant court-circuit .14* ïïn cylindre 15 d.e matière gyromagnétique polarisée 20 magnétiquement.,., par exemple en. grenat de fer-yttrium»ou de ferrite, est situé axialement dans le guide 13» le cylindre 15 .est polarisé longitudinal ement. suivant son axe de symétrie en étant, polarisé magnétiquement de façon permanente ou polarisé par l'emploi, d'aimants extérieurs,, comme représenté schémati-25 quement par le. vecteur E^,. Il y a, s'étendant entre la limite conductrice opposée.de la jonction et eoaxialement à l'axe de symétrie., un tronçon de conducteur coaxial ayant un conducteur central 16 et un conducteur extérieur 17 couplé à la région commune par un prolongement,. analogue à.une sonde, du conduc-30 teur central 16«. L'extrémité inférieure du coaxial 16-17 est court-circuitée par un élément conducteur 18. Le fonctionnement d'un tel circulateur s'explique ordinairement en divisant l'excitation d'un passage de la jonction en trois excitations, dont chacune fait, intervenir l'excitation 35 des trois passages. Les trois excitations correspondent aux vecteurs propres de la matrice de dispersion de la jonction. Une première excitation excite les trois passages également 71 03297 5 2079177 et en phase, tandis que les deux excitations restantes donnent lieu à des excitations égales avec des phases qui produisent des polarisations circulaires à rotations en sens contraires dans la jonction. Pour la circulation avec ces excitations, 5 il faut que leurs coefficients de réflexion correspondant aux valeurs propres de la matrice de dispersion soient déphasés de 120 degrés. Il est intéressant d'examiner les champs sur l'axe de symétrie, dûs à chacune de ces excitations. Pour le mode à 10 coïncidence de phases, les composantes du champ.électrique, parallèles à l'axe de symétrie, dues à l'excitation des trois passages,seront en phase et s'aideront simplement l'une l'autre. Les composantes transversales, alors qu'elles sont en phase dans, le temps, sont déplacées de 120 degrés dans.l'espace 15 et s'annulent vectoriellement. Par conséquent, le champ électrique sur l'axe de symétrie, dû au mode à coïncidence de pha-. ses, n'existe que le long, de l'axe de symétrie. De façon semblable, pour les modes à rotations en sens contraires, les composantes du champ électrique le long de l'axe de symétrie sont 20 déplacées en phase de 120 degrés et leur somme est nulle. Les composantes transversales, alors qu'elles sont déplacées en phase de 120 degrés, sont déplacées de 120 degrés dans l'espace, ce qui donne lieu à des champs polarisés circulairement. On pourrait présenter des arguments semblables à propos des champB 25 magnétiques, avec la conclusion que les modes à rotations en sens contraires peuvent, ce que ne peut faire le mode à coïncidence de phases, passer à des ondes progressant le long de l'axe de symétrie dans le guide circulaire 13* De même, avec un choix convenable du diamètre du câble coaxial 16-17, le mode 30 à coïncidence de phases peut, - et les modes à rotations en sens contraires ne peuvent pas - , passer au coaxial 16-17. Cette séparation des modes donne le moyen de régler les coefficients de réflexion,, comme nécessaire pour la circulation. Ainsi, dans la construction de la technique antérieure 35 delà figure 1, ;les modes, à rotations en.sens contraires se propagent en montant dans le guide circulaire chargé 13 avec un champ électrique et un champ magnétique transversal normal au bad original 71 03297 6 • 2079177 champ polarisant et sont réfléchis vers la jonction par le cQurt~eircu.it 14. Les déphasages nets pour ces modes, avec la matière gyromagnétique non aimantée, sont identiques et sont déterminés par la longueur du guide circulaire 13o Le cylindre 5 d'aimantation 15 9cependant, augmente et diminue Les longueurs de trajets des modes à rotations en sens contraires} respectivement, et en ajustant et la longueur, du. guide .13 et du cylindres ces modes peuvent être séparés l'un de l'autre de 120 degrés, comme il le faut pour le fonctionnement du circula» 10 teur. Ceci correspond à. la rotation de Faraday pour le cylindre 15» de 60 degrés. Le mode à coïncidence de phases, au contraire 9 ne peut se propager dans le guide circulaire 14 mais est passé à la section coaxiale 16-17 où il est réfléchi vers la jonction par le court-circuit 18. Si les longueurs électri-15 quee jusqu'au court-circuit 18 et jusqu'au court-circuit 14 sont comparables s, les deux trajets auront la. même dépendance en.ce qui concerne la fréquence. Par conséquent, même si la fréquence-change sur une bande très large, les modes se suivront l'un l'autre avec la différence de. phase de 120 degrés voulue, 20 limitée seulement ...par. la constance de. la rotation de. faraday du cylindre 15 avec, la fréquence., jusqu'à ce que soit atteinte la fréquence pour laquelle des..mode s circulaires d'ordre supérieur. apparaissent dans, le guide 13. Compte, tenu de ces ..idées de "basa, oia. peut comprendre les 25 principes de .15 invention, .suivant la figure 2. Dana tous les cas dans ..lesquels ..la constructions - les. matières .eu -les principes de f onc t i onnem®nt. s ont les.mêaes .que ceux décrits plus haut9 il.est. inutile d'en répéter la description. A la figure.2., on voit.une jonction de guides d'ondes, 30 telle que celle de.la figure..1, comprenant les guides 20, 21 et .22 .correspondant à tous points de vue aux guides 10, 11 et 12. Il n'est besoin d'aucun complément extérieur. Au lieu de cela, l'élément gyromagnétique .25 a la forme d'un cylindre polarisé axialemeats situé dans la région commune de la jone-35 tion9 sur son axe de symétrie. Le cylindre 25 a un petit alésage 24 foré suivant son axe. L'extrémité supérieure du cylindre 25 est contigu© à la limite conductrice supérieure 23 de BAD ORIGNAL 71 03297 7 2079177 la région commune, et un intervalle 27 rempli d'air ou d'une matière diélectrique non magnétique convenable9 ayant une constance diélectrique proche de celle de l'air ou au moins sensiblement différente de celle du cylindre 25» forme un espace 5 entre l'extrémité inférieure du cylindre 25 et la limite conductrice inférieure de la jonction. Suivant une forme de réalisa-tion préférée de 1'inventions une plate-forme conductrice 26 élève la limite conductrice inférieure, raccourcit l'intervalle 27 et joue le rôle d'un transformateur adaptateur d'impédances. 10 Cependant» il apparaît que par un ajustement empirique convenables la nécessité de la plate-forme 26 peut être éliminée dans certaines formes de réalisation et que l'on peut éviter une certaine sensibilité à la fréquence, qui s'y associe. Une tige conductrice mince 28 est située axialement dans le trou 15 24 et elle est reliée, de façon à conduire, l'électricité, à la limite conductrice supérieure. L'importance de l'intervalle 27 peut se comprendre si l'on se rappelle que dans une jonction ordinaire résonante dans le. plan H,les champs électriques sont partout parallèles à.l'axe 20 de symé.trie. La région formée par l'intervalle 27»cependant, a une constante diélectrique et une perméabilité différentes de celles de la région occupée par la matière gyromagnétique du cylindre 25s en sorte que les constantes de phase des deux régions diffèrent. Ceci crée un champ électrique dans le plan 25 de la surface de séparation entre les d.eux régions. Ainsi, seules les excitations à rotations en sens contraires lancent des ondes sous forme .de modes à. support diélectrique dans le cylindre 25, montant dans le cylindre 25 pour être réfléchies par la limite 23 et revenir dans la jonction à l'intervalle 27. 30 Les similitudes entre ces ondes et celles qui sont portées par le guide 13 de la figure 1 sont très apparentes. Ainsi, les phases des modes à rotations en sens contraires sont déterminées par la longueur du cylindre 25 e-G par sa polarisation magnétique. 35 Pour le mode à coïncidence de phases, le cylindre 25 n'apparaît que comme résonateur diélectrique puisque ce mode n'a pas de champs magnétiques polarisés circulairement et bad original 71 03297 2079177 n'excite aucun mode se propageant le long de l'axe du cylindre 25s et ainsi il n'y a pas d'interaction gyromagnétique avec sa matière. Ce mode a, cependant9 un champ électrique sur l'axe de symétrie, tel que la fréquence de résonance dépende de la 5 pénétration de la tige 28. Comme remarqué ci-rdessus, les modes, à rotations en sens contraires n'ont que des champs électriques transversaux à l'axe de symétrie et par conséquent ne sont pas .affectés par la tige 28. l'effet de la tige 28 en même temps que celui du cylindre 25 » par conséquent, crée l'effet du 10 coaxial 16 - 17 de la figure 1. les relations peuvent être comprises à l'examen de la figure 3 qui montre des coefficients de réflexion typiques en . degrés de phase des trois modes décrits ci-dessus, variant en fonction de la fréquence. Ainsi., les modes à rotations en sens 15 contraires tels que représentés par les courbes.21 et 32 (con-.sidérés comme ayant des retards linéaires) sont séparés en ■ phase, de 120 degrés en commandant les paramètres de rotation de Faraday du cylindre 25» comprenant sa longueur, sa composition et.son aimantation, la tige 28 est alors employée pour.mettre 20 la courbe de mode à coïncidence de phases .dans, la position représentée par la courbe 33 (considérée comme ayant un retard de résonance) en sorte que .sa partie la plus.linéaire tombe dans la bande du fonctionnement envisagé dans une jonction donnée avec un écart de phase de 120 degrés d'avec la phase 25 du mode à .rotation..le. .plus proche, de la courbe 31. En particulier, l'augmentation de la longueur de. la tige 28 fait que le .coefficient, du .mode .à coïncidence de phases se décale de la position de la courbe en tirets 34« dans la direction de la courbe voulue 33. la circulation est alors possible sur toute 30 la gamme dans., laquelle, les courbes se développent parallèlement l'une à l'autre, comme indiqué. . Une forme de réalisation, d'espèce, basée sur ces considérations aurait les proportions, relatives indiquées ci-après. En utilisant des guides .d'ondes rectangulaires avec un rapport 35 2s 1 et en travaillant.dans le domaine de fréquences normal rjg*-commandé pour le mode de fonctionnement dominant, le diamètre extérieur du cylindre 25, lorsqu'il est fait de ferrite, sera ES©-' ORIGINAL 71 03297 9 2079177 d'approximativement une longueur d'onde dans le milieu ferrite à la fréquence de fonctionnement la plus basse. Le rapport du diamètre du trou 24 au diamètre extérieur du cylindre 25 doit de préférence n'être pas plus grand qu'un sixième. La ti-5 ge 28 doit avoir le diamètre minimal pratique, avec une pénétration de l'ordre d'un tiers de la hauteur du guide d'ondes. .En pratique, il est commode de déterminer la longueur voulue de la tige au moyen d'une tige à pénétration ajustable, à à peu près la demi-hauteur du guide. L'intervalle 27 est typiquement 10 de l'ordre d'un cinquième à un quart de la hauteur du guide. Le ferrite doit être choisi pour éviter les pertes de champ faible, conformément à la pratique usitée pour les champs faibles. En principe,la tige 28 peut s'étendre à partir de l'une 15 ou de l'autre des limites conductrices de la construction de la figure 2, ou bien on peut employer une paire de tiges.. Cependant, la construction telle que représentée est manifestement à préférer du point de vue de la fabrication. Dans certains cas, pour pouvoir opérer .avec plus de puissance, il.peut être 20 désirable de satisfaire aux modes à rotations en sens, contraires en introduisant deux discontinuités, diélectriques, comme montré à la figure 4. Dans cette construction, les modes à rotations en sens contraires.sont engendrés.aux deux surfaces de séparation formées par un intervalle unique 41 de matière dié-25 lectrique non magnétique, intercalée au, milieu entre les deux cylindres gyromagnétiques. 42 et 43, chacun d'eux ayant une extrémité contiguë à une limite conductrice de la jonction. Des modes doublés se .propagent en sens opposés dans les cylindres 42 et 43 et sont réfléchis respectivement par les limites con-30 ductrices .supérieure et inférieure de la jonction pour revenir dans la jonction à l'endroit de l'intervalle. L'une ou l'autre des deux tiges conductrices 44 et 45» ou toutes deuxP font l'accord pour le. mode à coïncidence de phases, comme décrit. La présente invention constitue un progrès par rapport 35 aux circulateurs du genre en tourniquet .Alors qu'elle a été représentée particulièrement par la forme à trois branches, ou jonction en Y, on remarquera qu'une jonction du genre en tour 71 03297 10 2079177 niquet à quatre branches a été décrite par P.J. Allen dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 2.867.772 accordé le 6 juin 1959s dans IEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, octobre 1956P page 223® Les principes de l'invention s'appliquent également à l'amélioration de cette forme à quatre branches, comme les spécialistes le trouveront évident » LEGENDE DES FIGURES A la figure 3 s Gn a indiqué la fréquence f en abscisses et les degiés de phase des coefficients de réflexion, PH, en ordonnées. En outre, R signifie modes à rotation CPH 41 modes à coïncidence de phases C " circulation. ORIGINAL 11 71 03297 2079177 REVENDICATIONS 1.- Circulateur à large bande pour énergie d'ondes électromagnétiques, comprenant plusieurs branches de transmission couplées symétriquement à une région commune à limites 5 conductrices, un corps de matière gyromagnétique disposé au centre dans la région commune, contigu à l'une des limites conductrices de celle-ci, et une tige conductrice située au centre dans la région commune, une extrémité de cette tige étant reliée de manière conductrice à l'une des limites conductrices 10 de la région commune, caractérisé en ce que la tige conductrice (28) s'étend en partie à travers la région commune. 2.- Circulateur à large bande suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tige conductrice (28) est située dans an trou axial (24) dans le corps de la matière gyromagnétique 15 (25) et en ce que la tige (28) est reliée de manière conductrice à la même limite conductrice de la région commune que celle à laquelle le corps gyromagnétique (25) est contigu. 3.- Circulateur à large bande suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2» caractérisé en ce que la profondeur 20 de pénétration de la tige conductrice (28) dans la région commune est ajustable. 4.- Circulateur à large bande suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'une plate-forme conductrice (26) est située à la. limite, conductrice de la ré- 25 gion commune, en face du corps gyromagnétique, pour ajuster la longueur de l'intervalle diélectrique (27). 5.- Circulateur à large bande suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'un second corps gyromagnétique (43) et une seconde tige conductrice (44) sont situés à la seconde limite 30 conductrice de la région commune, en face du premier corps gyromagnétique (42)- et de la première tige conductrice (45), les deux corps gyromagnétiques étant séparés par un intervalle diélectrique (41).