Brevet FR2472852A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne un duplexeur de fréquence quasi-optique comprenant un réseau formé par plusieurs sections de guide d'onde empilées, comportant un axe longitudinal et une frontière duplexeurespace libre, associés de façon mutuellement perpendiculaire, chaque section de guide d'onde comprenant un premier et un second accès d'entrée à ses extrémités et ayant des dimen- sions qui permettent le passage de bandes de fréquence prédéterminées. Pour parvenir à une meilleure utilisation des systèmes d'antennes microondes, le duplexage de fréquence est nécessaire pour permettre l'émission et la réception simultanées de signaux micro-ondes. Un procédé de duple- xage de fréquence consiste à incorporer un duplexeur en guide d'onde dans le dispositif d'alimentation de l'an- tenne. Selon une variante, le faisceau entrant peut être intercepté par un dispositif sensible à la fréquence avant qu'il entre dans le dispositif d'alimentation, ce procédé constituant ce qu'on appelle le duplexage quasi- optique. Un certain nombre de structures ont été propo- sées dans le passé pour le duplexage quasi-optique aux fréquences microondes. L'une de ces techniques de conception est décrite dans l'article intitulé "A Quasi- Optical Polarization-Independent Diplexer for Use in the Beam Feed System of Millimeter-Wave Antennas" par A. A. M. Saleh et col; paru dans la revue IEEE Transac- tions on Antennas and Propagation, Vol. AP-24, NI 6, novembre 1976 pages 780-785. Cet article présente un duplexeur qui consiste en un résonateur du type Pérot- Fabry à plans parallèles qui comporte deux grilles métalliques à mailles rectangulaires. On choisit le rapport entre la largeur et la longueur des rectangles de façon à assurer un fonctionnement indépendant de la polarisation pour l'angle d'incidence désiré. Un tel duplexeur ne fonctionne cependant de façon satisfaisante que sur une plage étroite d'angles d'incidence, du fait des effets d'échappement qui sont associés aux duplexeurs à grille métallique. Le brevet U.S. 2 636 125 décrit une autre confi- guration de duplexeur à grille métallique dans laquelle on utilise des structures de guide d'onde pour filtrer ou puri- fier un faisceau d'ondes électromagnétiques, dans le but de restreindre le faisceau à une bande de fréquence désirée. De plus, dans la bande de fréquence de transmission du guide, la vitesse de phase pour une onde d'une fréquence donnée dépend de la dimension transversale du guide et elle augmente lorsque cette dimension transversale diminue. Il est donc possible, en utilisant un assemblage parallèle de tels guides, de construire une structure dans laquelle la vitesse de propagation d'une onde de fréquence donnée puisse être déterminée par la conception de la structure. Le brevet U.S. 2 870 444 décrit un système d'antenne utilisant le duplexeur considéré au paragraphe précédent, et ce brevet concerne une antenne capable de rayonner ou de recevoir simultanément deux ondes de fré- quences différentes, avec un rendement élevé et sans aucun effet perturbateur entre une onde et l'autre. Cette antenne comprend essentiellement une combinaison de deux sources de rayonnement, positionnées respectivement de part et d'autre du duplexeur, qui font respectivement fonction de lentille et de miroir pour les deux sources. Cependant, pour que.cette structure puisse à la fois émettre et recevoir, les bandes passantes de l'antenne doivent être séparées d'au moins un octave. Selon une autre façon d'aborder le problème, on a considéré l'emploi d'empilements multicouches à titre de procédé de duplexage quasi-optique, décrit par exemple dans le brevet U.S. 3 698 001, dans lequel un duplexeur est conçu de façon à séparer en réception les faisceaux combi- nés de groupes de fréquence haut et bas. Réciproquement, en émission le duplexeur combine les faisceaux séparés de ces groupes de fréquence haut et bas. Le duplexeur comprend plusieurs éléments diélectriques feuilletés ayant chacun une épaisseur égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale du groupe de fréquence haut et ces élé- ments, considérés comme un tout, possèdent au moins deux constantes diélectriques. Ce duplexeur connu n'est cependant pas capable de détecter séparément des composantes de signal ayant une gamme de fréquence étendue et des fréquen- ces centrales relativement proches. Le problème qui demeure dans l'art antérieur est donc de réaliser un duplexage quasi-optique sur un grand angle de balayage, sans introduire les effets d'échappement qui sont associés aux duplexeurs à grille métallique. Le problème précédent est résolu par un mode de réalisation de l'invention dans lequel les premier et second accès d'entrée de chaque section de guide d'onde parmi les différentes sections de guide d'onde sont res- pectivement alignés et parallèles les uns aux autres et présentent un décalage relatif tel que chaque section de guide d'onde soit inclinée d'un angle prédéterminé par rapport à l'axe longitudinal du réseau. Un aspect de l'in- vention consiste à offrir un duplexeur de fréquence à grand angle de balayage capable de fonctionner effective- ment sur le grand angle de balayage que pourront employer les systèmes de satellite futurs. Le duplexeur de fréquen- ce à grand angle de balayage comprend un réseau de sections de guide d'onde et il est placé dans le chemin d'un fais- ceau multifréquence de manière telle que les sections de guide d'onde du duplexeur soient inclinées par rapport à la frontière entre le chemin du faisceau et le duplexeur. Les angles d'inclinaison des accès d'entrée et de sortie permettent ainsi au faisceau multifréquence d'entrer dans' le duplexeur sur une plage d'angles plus étendue que celle qui est possible avec les duplexeurs de l'art antérieur, tout en permettant d'effectuer une séparation effective avec un minimum de perturbations mutuelles entre les fais- ceaux séparés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - La figure 1 est une représentation partielle de côté et en coupe d'un exemple de configuration d'antenne à réseau de phase du type Cassegrain, correspondant à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une vue de face d'un exemple de duplexeur quasi-optique correspondant à un mode de réalisation de l'invention La figure 3 est une vue de côté d'un exemple de duplexeur quasi-optique, sur laquelle on a indiqué l'angle des accès d'entrée et de sortie par rapport à la frontière espace libre-duplexeur, ls lignes en trait continu repré- sentant un duplexeur qui comporte des angles d'inclinai- son,égaux aux accès d'entrée et de sortie, tandis que les lignes en pointillés représententunduplexeur qui comporte des angles d'inclinaison inégaux aux accès d'entrée et de sortie, conformément à l'invention; La figure 4 montre les réponses en fréquence pour divers duplexeurs de fréquence quasi-optiques de l'art antérieur, ces courbes étant obtenues pour quatre angles de balayage correspondant aux cas les plus défa- vorables et chaque courbe particulière montrant la réponse pour un angle de balayage différent correspondant à un cas défavorable; et La figure 5 montre les réponses en fréquence pour divers duplexeurs de fréquence quasi-optiques réa- lisés conformément à l'invention, avec les mêmes angles de balayagecorrespondant aux cas les plus défavorables, que pour les courbes qui sont représentées sur la figure 4. Dans la description qui suit et les dessins annexés, ce n'est qu'à titre d'exemple qu'on considère une configuration d'antenne à réseau de phase du type Cassegrain. On comprend que cette description ne porte que sur un exemple et qu'elle est faite dans un but d'ex- plication et non de limitation, du fait que l'invention peut être employée chaque fois qu'un duplexage de fréquen- ce avec balayage à grand angle est nécessaire. On voit sur la figure 1 un exemple de configu- ration d'antenne à réseau de phase du type Cassegrain, comprenant un duplexeur de fréquence quasi-optique corres- pondant à l'invention. Un réflecteur principal 10, un sous- réflecteur 12 et un réflecteur de formation d'image 14 sont placés de façon qu'une image apparaissant au niveau d'un dispositif d'alimentation 20 soit agrandie plusieurs fois avant d'arriver au réflecteur principal 10. Dans cette configuration d'antenne particulière, le dispositif d'alimentation 20 comprend deux réseaux, à savoir un réseau d'émission 16 et un réseau de réception 18, qui sont respectivement capable d'émettre et de recevoir deux signaux à large bande distincts 17 et 19 ayant des fréquences centrales proches. Un duplexeur de fréquence 22 correspondant à l'invention comprend un réseau de sections de guide d'onde qui est disposé entre le réseau d'émission 16 et le réseau de réception 18 d'une manière telle que les sections de guide d'onde soient inclinées d'angles pré- déterminés par rapport à la frontière duplexeur-espace libre, 31. Les angles sont déterminés de façon à permet- tre au duplexeur 22 de fonctionner simultanément avec les deux signaux à large bande 17 et 19, de manière que le signal 19 traverse le duplexeur 22 avec une réflexion minimale, tandis que le signal 17 est réfléchi et redi- rigé par le duplexeur 22 avec une transmission minimale. La figure 2 montre une vue de face d'un exem- ple de duplexeur de fréquence 22, sur laquelle le duple- xeur 22 comprend un réseau de sections de guide d'onde (221-22n), toutes les sections ayant une largeur égale b et une hauteur égale a, avec des écartements respectifs égaux dy et dx dans les directions y et x, entre les dif- férentes sections. Les lignes du réseau sont parallèles mais décalées dans la direction x, comme il est repré- senté, pour former une "structure de mur en briques", cette structure réduisant le problème des lobes de dif- fraction qui est introduit par la réalisation au moyen d'un réseau de phase. En ce qui concerne la détermination des dimen- sions qui interviennent, on sait parfaitement d'après la théorie de la transmission par guide d'onde que pour le champ électrique perpendiculaire à la direction x, la dimen- sion b d'une section de guide d'onde arbitraire du duple- xeur 22 est associée à la fréquence centrale du signal d'émission 17 envisagé ci-dessus en association avec la figure 1. Si on considère le duplexeur comme un filtre, on peut lier cette fréquence centrale à la fréquence de cou- pure, le signal d'émission 17 étant contenu dans la bande atténuée tandis que le signal de réception 19, envisagé ci-dessus en association avec la figure 1, est contenu dans la bande passante. La dimension a d'une section de guide d'onde arbitraire du duplexeur 22 est liée d'une manière semblable à la fréquence de coupure décrite ci- dessus en association avec la dimension b, le champ élec- trique étant dans ce cas orienté perpendiculairement à la direction y pour déterminer la dimension a. La dimen- sion a fait également l'objet de limites pratiques: une valeur trop élevée de a induit des lobes de diffraction., tandis que lorsque la dimensiofi a s'approche d'une-valeur trop faible, la transmission devient mauvaise. On choisit les valeurs de dx et dy de façon que les espaces corres- pondants soient aussi minces que possible sans compliquer exagérément la fabrication du duplexeur. La figure 3 montre une vue de coté arrachée d'un exemple de duplexeur de fréquence quasi-optique réa- lisé conformément à l'invention. La longueur d et les angles d'inclinaison t et Y apparaissent de façon évi- dente sur cette vue en perspective. La longueur d doit correspondre à une dimension telle que l'énergie conte- nue dans la bande atténuée décrite ci-dessus en relation avec la figure 2 et couplée vers le mode de transmission soit faible, mais cette longueur ne doit pas Mtre:grande au point que le Q du duplexeur 22 devienne élevé, rédui- sant ainsi la largeur de bande. On doit de plus choisir la longueur d de façon que les ondes réfléchies plusieurs fois dans la bande passante se combinent de façon additive. Toutes ces conditions sont remplies lorsque le duplexeur 22 est accordé sur une résonance d'ordre faible, la lon- gueur d correspondant environ à la moitié de la longueur d'onde dans la bande passante. On choisit l'angle id'inclinai- son t conformément à l'angle du champ incident qui arrive à l'accès d'entrée 30 du duplexeur 22, l'angle t étant mesuré par rapport à un axe longitudinal 21 qui est défini comme étant la perpendiculaire à la frontière duplexeur- espace libre 31. Si on désigne par 0 + P la totalité du secteur de balayage, l'angle d'inclinaison 't est approxi- mativement égal à l'angle central, 0, des ondes incidentes, ce qui permet la transmission avec un minimum de déviation. Du fait de la réciprocité qui intervient dans la théorie des champs électromagnétiques, les signaux qui arrivent avec l'angle - t auront des propriétés de transmission analogues à celles des signaux arrivant avec l'angle +t. Le duplexeur 22 fonctionne donc d'une manière semblable à celle d'un filtre à deux pôles, c'est-à-dire qu'on a une transmission à large bande en fonction de l'angle de balayage entre - t et + -r. Ainsi, pour assurer une trans- mission appropriée sur des angles compris entre Q - f et Q + p, on doit choisir pour t une valeur un peu supérieu- re à 0, afin que la majeure partie du champ de balayage se trouve entre les pics du filtre, à --t et + 'r. L'an- gle d'inclinaison à l'accès de sortie 32 peut également être l'angle ZC, ce qui permet d'employer des sections de guide d'onde droites en association avec l'invention. Les lignes en pointillés sur la figure 3 montrent une autre configuration dans laquelle on utilise des sections de guide d'onde courbes, ce qui change l'angle d'inclinaison à l'accès de sortie, pour donner, dans cet exemple, l'angle d'inclinaison Y plus faible. En diminuant ou en augmen- tant l'angle, le duplexeur 22 devient un filtre à quatre poles comprenant des pics correspondants à - Y et + Y qui sont disposés entre ceux correspondants à - Z' et + Z- ou selon une variante à l'extérieur de ces derniers, per- mettant ainsi d'obtenir une réponse en fréquence plus plate sur la zone de balayage désirée Q - p. La figure 4 montre les réponses en fréquence de diverses configurations de duplexeur de l'art antérieur. Pour cette représentation particulière, on a fait fonc- tionner les duplexeurs sur la gamme de fréquence 12-16 GHz, avec une fréquence de coupure de 12,93 GHz, ce qui, d'après la théorie bien connue de la transmission par guide d'onde, donne une valeur de 1,16 cm pour la dimension b des sec- tions de guide d'onde. Les dimensions suivantes pour les paramètres restants ont été choisies de façon à optimiser les performances, et la dimension a est fixée à 0,2 cm, les dimensions dx et dy sont fixées à 0,01 cm et la dimen- sion b est fixée à 2,40 cm. On a déterminé que les quatre balayages utilisés dans cette représentation particulière, et ensuite en association avec la figure 5, correspondent aux valeurs les plus- défavorables que peut rencontrer le duplexeur, ces valeurs les plus défavorables étant envisa- gées ci-après de façon plus détaillée. On notera que les valeurs particulières indi- quées ci-dessus n'ont qu'un but d'exemple et non de limi- tation, du fait qu'on peut employer n'importe quelles valeurs de paramètres appropriées comprises dans les limites envisagées en association avec les figures 2 et 3, tout en demeurant dans le cadre de l'invention. On va maintenant considérer la figure 4 sur laquelle chaque courbe de l'art antérieur est relative à un angle de balayage différent correspondant au cas le plus défavorable. Ces courbes sont désignées par 1H' 2H' 3Het 4H' l'indice H désignant l'orientation horizontale des duplexeurs de l'art antérieur. Chaque angle de bala- yage correspondant au cas le plus défavorable est défini par les cosinus directeurs du champ incident et il est désigné par une paire ordonnée (x, y) par rapport aux axes x, y et z, représentés sur les figures 2 et 3, les cosinus directeurs étant normalisés pour conserver un module égal à l'unité. Plus précisément, la paire ordon- née (0, 0,61) est associée à la courbe 1He la paire ordon- née (O, 0,89) est associée à la courbe 2HP la paire ordon- née (0,31, 0,58) est associée à la courbe 3HI et la paire ordonnée (0,19, 0,87) est associée à la courbe 4H' Comme on peut le voir, les quatre situations correspondant aux cas les plus défavorables laissent passer de façon appro- priée la fréquence d'émission désirée à 14 GHz, tout en arrêtant les fréquences inférieures à la valeur de.coupure de 12,93 GHz. Cependant, pour les angles les plus défavo- rables associés aux courbes 2H et 4Hl la réponse dans la bande passante n'est pas aussi plate qu'il est nécessaire pour assurer un fonctionnement à large bande avec une dégradation négligeable. La figure 5 montre les réponses en fréquence pour diverses courbes obtenues conformément à l'invention, avec l'angle d'inclinaison T = 54, 430 pour cet exemple particulier. Les courbes lI, 21, 3I et 4IP pour lesquelles l'indice I se rapporte à l'inclinaison du duplexeur, sont directement liées aux courbes de l'art antérieur envisa- gées précédemment en relation avec la figure 4: les courbes 1H et i ont été déterminées pour le même angle de balayage; et les courbes 2H et 2ie 3H et 3Ie 4H et 4I sont corrélées d'une manière semblable. Comme le montre la figure 5, les quatre situations correspondant aux cas les plus défavorables assurent toujours une coupure appropriée entre la bande passante et la bande atténuée. Comparées aux courbes de l'art antérieur 2H et 4H de la figure 4, les courbes 2I et 4I de la figure 5 sont nota- blement plus plates dans la bande passante, ce qui indi- que l'amélioration des performances du dispositif de l'invention par rapport aux euplexeurs de fréquence quasi-optiques de l'art antérieur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et repré- senté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Duplexeur de fréquence quasi-optique compre- nant: un réseau (22) de plusieurs sections de guide d'onde empilées (22 122n) comportant un axe longitudinal (21) et une frontière duplexeurespace libre (31), asso- ciées de façon mutuellement perpendiculaire, chaque sec- tion de guide d'onde comprenant un premier et un second accès d'entrée à ses extrémités, et ayant des dimensions qui permettent le passage de bandes de fréquence pré- déterminées, caractérisé en ce que les premier et second accès d'entrée de chaque section de guide d'onde parmi les différentes sections de guide d'onde (22i-22n) sont respectivement alignés et parallèles les uns aux autres et sont décalés les uns par rapport aux autres de façon que chaque section de guide d'onde soit inclinée d'un angle prédéterminé par rapport à l'axe longitudinal (21) du réseau (22). 2. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections de guide d'onde (22i-22n) sont décalées d'un même angle pré- déterminé (t) par rapport à l'axe longitudinal (21) du réseau (22). 3. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections de guide d'onde (221-22n) sont inclinées d'un angle prédé- terminé différent (et) par rapport à l'axe longitudinal (21) du réseau (22). 4. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque section de guide d'onde (221-22n) du réseau (22) a la même largeur (b) dans une première direc- tion (x) perpendiculaire à l'axe longitudinal (21), et a la même hauteur (a) dans une seconde direction (y) per- pendiculaire à l'axe longitudinal (21). 5. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les lignes du réseau (22) sont parallèles entre elles dans la première direction (x) et sont décalées d'une quantité prédéterminée - 2472852 (dy) dans la seconde direction (y). 6. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que les sections de guide d'onde de chaque ligne de réseau sont décalées par rapport aux sections qui se trouvent dans une ligne adja- cente, orientée selon la première direction (x), d'une manière telle que les guides d'onde situés toutes les deux lignes soient alignés dans la seconde direction (y). 7. Duplexeur de fréquence quasi-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'incli- naison des sections de guide d'onde au premier accès d'entrée est différent de l'angle d'inclinaison des sec- tions de guide d'onde au second accès d'entrée.