Brevet FR2472848A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne des dispositifs basés sur la non réciprocité des caractéristiques élec- triques des ferrites dans le domaine des hyperfréquence (soit à partir de plusieurs dizaines de megaher-tz)et plus particulièrement des dispositifs déphaseurs operant un niveau élevé de puissance moyenne. Par niveau élevé de puissance moyenne, on entend plusieurs dizaines de kilowatt. Les problèmes posés par l'utilisation des fer- rites en hyperfréquence à puissance élevée sont bien connus. Ils sont de deux ordres: 1 ) la variation des caractéristiques du matériau qui définissent les conditions de propagation (la permé- abilité complexe notamment) en fonction de la températu- re; 2 ) le comportement mécanique des ièces en fer- rite sous l'action des variations de température (con- traintes thermiques dépassant les limites mécaniques du matériau et/oudes dispositifs de fixation au guide). Ce problème a fait l'objet d'études dont les ré- sultats ont été notamment décrits dans l'article intitu- lé: "Thermal- stress induced breakdown in an S--band iso- lator" publié dans IEEE Transactions on M.T.T. vol. 26, n 5, Mai 1978, page 357. Le déphaseur différentiel non réciproque étudié par les auteurs est du type de ceux que la présente invention a pour objet d'aréliorer. Ainsi qu'il est décrit dans l'article cité, un isolateur est constitué de deux cellules de déphasage ayant une petite paroi de guide en commun, chaque déphaseur contenant deux bandes de matériau gyromagnétique disposées symé- triquement sur chacune des grandes faces, soit quatre bandes par guide. Une structure magnétique extérieure aux guides établit dans les guides des champs magnétisants parallèles -aux petits côtés des guides et de sens opposés1entre les deux paires de bandes de matériau gyromagnétique se faisant face dans chaque guide. Un circuit de refroidissement par cir- culation d'eau est prévu pour évacuer les calories trans- mises par les bandes au guide à travers une colle souple (RTV - DL 2144 de Dow Corning Corp.) déposée en couche mince sur le guide. Les mesures rapportées concernent une structure allégée à deux bandes de ferrite par guide. Les dispositifs étudiés présentent une perte d'insertion de 0,25 dB à 50 kilowatt moyen à 2450 MHz. La structure à quatre bandes de ferrite par guide est dite "structu- re du type considéré". Les performances àâhaut niveau-d'un circulateur à déphasage différentielsont décrites par l'un des inventeurs et des co-inventeurs dans les Transactions on M.T.T. numéro de mai 1978, page 360, dans l'article intitulé:"A 50 kilowatt cw ferrite circulator in S band". Ce ciràulateur est essentiellement constitué de deux cellules de déphasage du type considéré et d'un té-magique. Il ne comporte (cf. figure 3) que deux ban- des de ferrite par guide. Il est précisé dans cet arti- cle que le déphasage de 90 à haut niveau est obtenu, par suite des modifications de caractéristiques résul- tant des conditions de fonctionnement, en acceptant un déphasage à bas niveau de 1100. Il s'en suit que les performances du dispositif sont mauvaises à froid. La présente invention a essentiellement pour objet des perfectionnements à la structure d'un ensemble de deux cellules de déphasage du type considéré à quatre bandes de ferrite par guide assurant des performances élevées et constantes quelle que soit la puissance à laquelle il fonctionne. Elle a pour objet un déphaseur dont le taux d'onde stationnaire reste inférieur à 1,1 sur charge adaptée et à 1,35 sur court-circuit jusqu'à 50 kilowatt entretenus à 2450 MHz; la perte d'insertion reste infé- rieure à 0,16 dB,tout en permettant l'utilisation de sections de guide obtenues par moulage d'aluminium, donc de prix de revient plus faible que celui de pièces usinées et de poids très nettement inférieur (réduction de près de 40 %). L'invention est essentiellement caractérisée en ce que les deux bandes de matériau gyromagnétique dispo- sées sur la même grande paroi de chacun des guides sont un assemblage de pièces de dimensions réduites,voisines de celle de la largeur desdites bandes,disposées de part et d'autre d'une barde de diélectrique, constituée également d'un assemblage de pièces.et située dans le plan de symé- trie des guides parallèlement aux petites parois. Selon une variante préférée de l'invention, ces pièces sont collées sur les parois du guide et entre elles. L'invention sera bien comprise en se reportant a la description suivante et aux figures qui l'accompa- gnent données à titre d'illustration non limitative et dans lesquelles la figure 1 est une perspective cavalière partiellement coupée d'un déphaseur selon l'invention, - les figures 2 et 3 sont des coupes respective- ment par un plan perpendiculaire aux axes des guides et par un plan contenant les axes et perpendiculaire au précédent. La figure 1 est une vue en perspective d'un dé- phaseur selon l'invention, partiellement arrachée sur la moitié droite, de façon à permettre une vue de l'in- térieur de l'un des guides. Ainsi qu'on l'a mentionné plus haut, le déphaseur est constitué de deux guides d'ondes de section rectangulaire placés côte à côte selon l'une des petites parois. Ces guides sont délimités par les deux pièces en E 1 et 2 disposées l'une sur l'autre. La moitié gauche de la pièce 2 est arrachée. Les deux grandes parois des guides sont recouvertes d'un ensemble de plaquettes visibles sur la partie gau- che de la vue. Ces plaquettes sont, soit en matériau gy-, romagnétique telles 3, soit en matériau diélectrique telles 4. Ainsi qu'il apparait sur la coupe (figure 2) la presque totalité de la surface est recouverte. Les plaquettes 3 et 4 sont rectangulaires et de largeur défi- nie par la répartition du champ magnétique hyperfréquence dans le guide. On la choisit pour que,le matériau gyro- magnétique étant centré sur le plan de polarisation cir- culaire, il occupe la zone o il y a au moins 10 % du champ magnétique hyperfréquence à polarisation circulaire. Dans d'autres variantes, cette zone peut être réduite,le ferrite s'étendant de part et d'autre du plan à polarisa- tion circulaire sur une zone o au moins 20 %,par exemple, du champ présente une polarisation circulaire. La largeur des plaquettes 4 est choisie pour occuper l'espace entre les deux bandes constituées par les plaquettes 3. Leurs longueurs, qui peuvent être différentes comme dans la ré- alisation figurée, ou égales, sont fixées par des condi- tions mécaniques liées à leur coefficient de dilatation. Les matériaux sont choisis de façon à avoir la même per- mittivité ainsi qu'il est bien connu. Les plaquettes 3 et 4 sont fixées sur la paroi du guide par un joint de colle silicone isolante d'épaisseur minimale (quelques centièmes de millimètre) par exemple du type décrit dans le premier article cité. Cette colle comble les joints entre pièces et constitue ainsi un joint de dilatation entre les pièces ce qui réduit considérablement les risques de rupture mécanique. L'ensemble des plaquettes 3 et 4 constitue ainsi un damier qui recouvre presque entièrement les grandes parois des deux guides. Des con- duits de circulation de fluide de refroidissement sont prévus dans l'épaisseur des profilés 1 et 2 et sont alimentés par les entrée et sortie de fluide 5 et 6. De part et d'autre des profilés 1 et 2 et en regard de ban- des constituées par les plaquettes 3 sont disposées des pièces polaires telles 7 constituées de bandes de fer doux de la longueur du déphaseur et de même largeur que les plaquettes 3. Elles sont destinées à uniformiser le champ magnétique créé par les aimants 8. Une culasse 9 constituée d'une bande de fer doux de la longueur du dé- phaseur referme le champ magnétique entre les deux séries d'aimants 8 situés d'un même côté d'un guide. Une plaque de protection 10 en aluminium par exemple, et des entre- toises 1i de même métal constituent un boitier. Les bri- des de raccordement 12 (cf. figure 3) sont constituées par des épanouissements des pièces 1 et 2 à leurs ex- trémités. La coupe de la figure 2 permet de mieux voir les dispositions relatives des éléments déjà mentionnés. Les conduits de circulation du fluide de'refroidissement sont représentés en 15. L'épaisseur de colle ne figure pas, vu l'échelle utilisée. Les volumes de propagation déli- mités par les pièces 1 et 2 portent les numéros de réfé- rence 16 et 17. Ainsi qu'il apparait sur la coupe longi- tudinale de la figure 3, les damiers collés sur les pa- rois supérieure et inférieure sont légèrement décallés parallèlement à l'axe des guides pour améliorer l'adap- tation. Dans une réalisation particulière de déphaseur selon l'invention conçue pour fonctionner dans la bande des 2450 MHz, on a utilisé des plaquettes de matériau gyromagnétique du type TT 2113 fourni par la Société TRANS-TMH constituant des bandes de 25 x 388 mm2. Le diélectrique utilisé est du type D 16 fourni par la Société TRANS-TECH. Les performances de cette réalisa- tion montée en circulateur avec un té-magique et un coupleur à 3 dB sont les suivantes: 1 ) - à bas niveau: entre 2440 et 2460 MHz perte d'insertion 4 0,2 dB entre portes let 2 t.o.s. 4 1,05 portes l et2 découplage 733 dB entre portes 1 et 4 733 dB entre portes 1 et 3 733 dB entre portes 2 etl 2 ) - à haut niveau (débit d'eau de refroidissement au plus 5,5 l/mir. niveau appliqué Porte n 1 (kilowatt) 39,5 41,95 49,3 charge adaptée Porte n 2 Perte d i- sertion du déphaseur 0,165 0,166 0,172 Découpla- ge 1 - 4 26,5 ,4 23,7 court-circuit Porte n 2 Perte d'i- sertion du déphaseur 0,17 0,16 0,16 0,155 0,16 * Décou- plage 1 - 4 1- 23,7 19,2 18,4 * * pour cette seule mesure le débit d'eau est de 10 1/ minute et la durée de fonctionnement de 35 minutes. R E V E N D I C A T I 0 N S 1- Déphaseur non réciproque opérant en hyperfré- quence à haut-niveau constitué d'une longueur de guide à section rectangulaire dans laquelle sont introduites quatre pièces longitudinales en matériau gyromagnétique réparties symétriquement deux par deux sur chacune des grandes parois du guide et d'un circuit magnétique éta- blissant des champs magnétisants de sens opposés paral- lèles aux petites parois du guide dans un volume inclu- ant les quatre pièces en matériau gyromagnétique, carac- térisé en ce que chacune desdites pièces est constituée d'un assemblage de plaquettes parallélépipédiques de même épaisseur, de même largeur,dont les axes longitudi- naux sont confondus, les deux pièces situées sur une même paroi étant disposées de part et d'autre d'une pi- èce diélectrique centr& sur le plan médian du guide, elle-même consistant en un assemblage de plaquettes pa- rallélépipédiques de même largeur et d'épaisseur égale à celle des plaquettes gyromagnétiques,disposées de fa- çon que leurs axes longitudinaux soient confondus. 2- Déphaseur suivant revendication 1 dans lequel la largeur des pièces diélectriques est égale à la dis- tance entre les deux pièces en matériau gyromagnétique situées sur la même paroi du guide, lesdites pièces en matériau gyromagnétique étant disposées symétriquement par rapport au plan de polarisation circulaire du champ magnétique hyperfréquence. 3- Déphaseur suivant revendication 1 dans lequel les plaquettes sont collées sur la paroi du guide à l'aide d'une colle silicone isolante. 4- Déphaseur suivant revendication 2 dans lequel la largeur des plaquettes est au plus égale à 0,3 de la dimension maximale de la section du guide. - Déphaseur suivant revendication 4 dans lequel des conduits de circulation de fluide sont prévus dans l'épaisseur du guide. 6- Dispositif non réciproque comportant au moins un élément déphaseur suivant revendication 1. 7- Equipement hyperfréquence comportant au moins un dispositif non réciproque selon revendication 6. 8 Feuillets.