Brevet FR2538958A1 — publié le 19840706

FILTRE HYPERFREQUENCE A FREQUENCE DE COUPURE ACCORDABLE ET SON APPLICATION AU MELANGEUR HYPERFREQUENCE ET AU RADAR FONCTIONNANT EN MODE DIVERSITE La présente invention se rapporte à un filtre à fréquence de coupure accordable ainsi qu"à un mélangeur hyperfréquence en guides d'ondes et à fréquence accordable. L'invention permet notamment de réaliser un dispositif de couplage sur une même antenne, de deux émetteurs-récepteurs de radar pour un fonctionnement dit en "mode diversité". Le principe de fonctionnement en "mode diversité" consiste à émettre et à recevoir sur une même antenne les signaux de deux émetteursrécepteurs de radar, sans réaction des signaux émis ou reçus par l'un des émetteurs-récepteurs sur l'autre. Selon le principe du fonctionnement en "mode diversité", les fréquences des deux émetteurs-récepteurs sont dune valeur telle que les fluctuations des échos reçus soient décorrélées afin d'améliorer la sensibilité. L'écart de valeur entre les deux fréquences est fonction de la longueur d'onde de fonctionnement des radars et de la dimension de la cible à détecter. Par exemple, pour un avion d'une dizaine de mètres environ, l'écart est de l'ordre de 50 MHz pour un radar fonctionnant à 3 GHz ( -A = 10 cm). Les dispositifs connus permettant de réaliser ce couplage sur une même antenne sont de deux types: - les mélangeurs à fréquences accordables, - les mélangeurs à filtres. Tous deux mettent en oeuvre les propriétés des jonctions hybrides équilibrées appelées quelquefois "jonctions 3 décibels". Un dispositif à mélangeur accordable a fait l'objet d'un dépôt de brevet français de la Demanderesse le 2 Décembre 1954 sous le numéro 680 926: "Dispositif de couplage de deux générateurs à ultra haute-fréquence". Il fait appel aux propriétés en transmission des jonctions hybrides. Il est constitué par deux jonctions de ce type reliées entre elles par des lignes de guides d'ondes de longueurs mécaniques différentes telles qu'elles introduisent un déphasage de 2 k 7r pour l'une des fréquences de fonctionnement et de (2 k + 1) qr pour l'autre fréquence. Dans la version qui a fait l'objet du brevet susmentionné, le dispositif est à fréquences fixes pour une longueur de ligne L déterminée.Un perfectionnement de ce dispositif consiste à rendre la longueur de la ligne L réglable mécaniquement. Ces dispositifs possèdent plusieurs inconvénients: - il est difficile de réaliser une ligne de longueur variable mécaniquement à cause du problème des contacts pour une puissance élevée; - lorsque la ligne variable est réglée pour satisfaire à la condition de transmission du signal d'une fréquence donnée, alors l'autre fréquence est imposée; - Si les fréquences sont très proches, la longueur L devient très grande; - lorsque le dispositif est réglé pour passer un couple de fréquences données, les bandes passantes autour de chaque fréquence sont très étroites. Les inconvénients du mélangeur accordable peuvent être évités en réalisant un mélangeur fonctionnant selon un principe différent mais mettant toujours en oeuvre les propriétés des jonctions hybrides en transmission et en réflexion. Ce dispositif permet le libre choix des fréquences, il n'y a plus de ligne réglable mécaniquement et la bande passante est large autour de chaque fréquence. Les filtres utilisés dans ces mélangeurs sont constitués par des guides d'ondes. Les mélangeurs de ce type peuvent transmettre des signaux correspondant à des fréquences f1 et f2 situées de part et d'autre d'une fréquence de coupure fc. En pratique, la coupure du mélangeur n'est pas aussi nette que le prévoit la théorie.Ainsi, les fréquences fl et f2 ne peuvent être très voisines de la fréquence de coupure et une certaine gamme de fréquences ne peut être utilisée. Cette gamme interdite est fixée une fois pour toute lors de la construction du système. Pour des radars fonctionnant en bande S (pour des fréquences de Tordre de 3 GHz) dont la bande passante est de l'ordre de 200 MHz, cette gamme interdite peut atteindre 50 MHz ce qui restreint le choix des fréquences de fonctionnement du radar. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose l'utilisation de filtres à fréquence de coupure accordable, l'accord étant réalisé par le déplacement transversal d'une lame diélectrique dans un guide d'onde. En utilisant deux filtres de ce type, il est possible de réaliser un mélangeur à filtres dont la gamme de fréquences interdite, inévitable dans le principe du système, peut être déplacée dans la bande de fréquences du radar. Pour un fonctionnement dit en "mode diversité", les fréquences f1 et f2 doivent être séparées d'environ 50 MHz afin d'obtenir une décorrélation satisfaisante des fluctuations d'échos. La gamme interdite n'est plus limitative si sa fréquence centrale peut être choisie. L'invention a donc pour objet un filtre hyperfréquence réalisé à partir d'un tronçon de guide d'ondes rectangulaire susceptible de véhiculer une onde transverse électrique et présentant une fréquence de coupure, caractérisé en ce qu'il comporte à l'intérieur dudit tronçon au moins une lame diélectrique dont les faces principales sont sensiblement parallèles à la direction de propagation desdites ondes, ladite lame pouvant être déplacée transversalement dans ledit tronçon sous l'effet de moyens de translation, ledit déplacement entraînant une modification de la valeur de ladite fréquence de coupure. L'invention a aussi pour objet un mélangeur hyperfréquence à filtres, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux filtres selon l'invention. L'invention a également pour objet un radar pouvant émettre et recevoir sur une même antenne les signaux issus de deux émetteursrécepteurs, caractérisé en ce qu'il utilise un mélangeur hyperfréquence à filtres selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaitront dans la description qui va suivre ainsi que dans les figures annexées parmi lesquelles: - les figures 1 et 2 sont des vues en coupe d'un guide d'ondes rectangulaire; - la figure 3 est une vue de dessus d'une lame diélectrique; - la figure 4 est une vue en coupe d'une réalisation mécanique d'un filtre hyperfréquence selon l'invention; - la figure 5 est un schéma de principe d'un mélangeur hyperfréquence; - la figure 6 est un diagramme explicatif; - les figures 7et 8 représentent un mélangeur hyperfréquence en fonctionnement; - la figure 9 est une vue en coupe d'une réalisation mécanique d'une partie d'un mélangeur selon l'invention. La longueur d'onde de coupure d'un guide d'ondes rectangulaire, fonctionnant en mode TEol et dont le diélectrique qui le remplit est l'air, s'exprime par: Ac = 2 a (a étant le grand côté du guide). Lorsque le guide est rempli d'un diélectrique de constante c, la longueur d'onde de coupure devient: L'invention propose de déplacer la gamme de fréquences interdite donc la fréquence de coupure fc. Iì est peu pratique de faire varier la constante diélectrique E d'un isolant afin de modifier la longueur d'onde de coupure. Il est cependant possible de modifier la constante apparente globale d'un guide d'ondes en déplacant une lame de matériau diélectrique qui interfère avec le champ électrique de l'onde véhiculée par le guide. La figure I est une vue en coupe transversale d'un guide d'ondes rectangulaire de grand côté a. Une lame 1, vue de profil sur la figure, en matériau diélectrique de constante est plaquée contre l'un des petits côtés du guide 2. Elle est susceptible d'être déplacée d'un petit caté à l'autre du guide. Il est préférable, pour des questions de réflexions intempestives de l'onde guidée, de la déplacer parallèlement à là direction de propagation de l'onde dans le guide. La courbe en traits pointillés 3 représente l'enveloppe des vecteurs champs électriques qui sont figurés par des flèches. Lorsque la lame 1 est dans la position illustrée par la figure 1, la répartition d'amplitude du champ électrique dans le guide d'ondes étant sinusoldale, la lame diélectrique propage une onde dont les vecteurs champs électriques sont très faibles et la constante diélectrique apparente du milieu de propagation est très proche de celle de l'air. La figure 2 est aussi une vue en coupe transversale du même guide que celui représenté à la figure précédente, mais où l'on a déplacé la lame l au centre du guide. Dans le cas décrit, les faces de la lame restent parallèles aux petits côtés du guide. La lame 1 étant placée dans l'axe du guide, elle propage une onde dont les vecteurs champs électriques sont d'amplitudes maximales et la constante diélectrique apparente du milieu de propagation est sensiblement plus grande que dans l'air. En conséquence, la longueur d'onde de coupure du filtre augmente ce qui correspond à une fréquence de coupure plus basse. On a ainsi réalisé un filtre passe-haut à fréquence de coupure ajustable. Le matériau choisi pour réaliser les lames diélectriques est fonction de sa constante diélectrique et de son angle de pertes. L'angle de pertes tg 6 doit être faible pour la gamme de fréquences considérée. On peut par exemple utilisé les matériaux suivants: le tétrafluoroéthylène (plus connu sous la marque déposée "TEFLON"), la céramique ou les matériaux correspondant aux marques déposees "SILIRITE" et "REXOLITE". On utilisera de préférence des lames diélèctriques profilées de manière à ce que la transition entre la partie de guide sans lame diélectrique et la partie avec lame soit- progressive et que le taux d'ondes réfléchies soit minimum (adaptation en TOS). A cette fin, le bon fonctionnement du dispositif dépend de la manière dont la lame diélectrique est déplacée dans le guide. Le taux d'ondes réfléchies sera minimum pour un déplacement de la lame rigoureusement parallèle à l'axe de propagation des ondes, dans le guide. Il entre également dans le cadre de l'invention de disposer de plusieurs lames dans un même filtre, les lames étant placees de façon à pouvoir être déplacées dune manière symétrique par rapport à l'axe du guide. La figure 3 est une vue de dessus d'une lame diélectrique. Le plan de symétrie zz' de la lame 4 est sensiblement parallèle à l'axe de propagation des ondes dans le guide. La lame présente des faces 5 et 6 parallèles au plan zz'. Le profil effilé donné aux parties 7 et 8 de la lame aura pour effet de réduire le taux d'ondes réfléchies par rapport à une lame parallélépipédique. On réalisera un filtre à fréquence de coupure accordable en choisissant judicieusement le matériau diélectrique qui constitue la lame ainsi que ses dimensions: longueur B et épaisseur e. Les dimensions 1 et e sont-choisies en fonction de l'atténuation admissible ou désirée ainsi que de l'amplitude de la variation de fréquence de coupure recherchée. La figure 3 montre une lame ayant' un profil effilé. On peut concevoir également une lame dont les parties 7 et 8 sont taillées en pointe. Le déplacement de la lame diélectrique à l'intérieur du guide peut être réalisé de différentes façons qui s'inspirent des mécanismes mis en oeuvre pour fabriquer des atténuateurs variables. Afin d'introduire un minimum de perturbations parasites pour les ondes véhiculées par le filtre, il est préférable de provoquer le déplacement de la lame sur l'une de ses faces principales. La figure 4 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation mécanique d'un filtre hyperfréquence à fréquence de coupure accordable. La coupe a été effectuée sur le guide 20 qui forme la partie externe du filtre et sur le support 21 qui se fixe sur le guide par des éléments non représentés, par exemple des vis de fixation. La lame 22 est susceptible de se déplacer transversalement dans le guide 20 sous l'action de la tige 23 qui lui est solidaire.La tige 23 peut être réalisée en matériau diélectrique ou métallique. Elle doit produire un minimum de perturbations sur les ondes véhiculées par le guide 20. Elle est rendue solidaire d'un tronçon de tige filetée 24 qui forme avec le support 21, percé d'un trou fileté 27, un système vis-écrou. Un mouvement de rotation donné à la molette 26 solidaire de l'axe 25, lui-même solidaire de la tige filetée 24, transmet un mouvement de translation à la lame 22. Le trou 28 percé sur le côté du guide 20 permet -le libre déplacement de la tige 23. Un filtre à fréquence dé coupure accordable selon l'invention peut notamment être appliqué à la construction d'un mélangeur hyperfréquence. La figure 5 est un schéma de principe gun mélangeur hyperfréquence réalisé en guides d'ondes. Il est formé de deux jonctions équilibrées 10 et 11 et d'éléments 12 et 13 qui ont pour but d'introduire une modification des conditions de propagation des ondes circulant d'une jonction vers l'autre. La jonction 10 comprend les tronçons de guide 14 et 15; le coupleur 11 comprend les tronçons 16 et 17. Les guides 14 et 15 sont adjacents selon leur petit côté. I1 en va de même pour les guides,16 et 17. L'ouverture 18 permet le passage éventuel d'une onde circulant dans le guide 14 vers le guide 15 et inversement. L'ouverture 19 a les mêmes propriétés en ce qui concerne les guides 16 et 17. Il est connu de réaliser des mélangeurs à fréquences accordables où les éléments 12 et 13 introduisent des déphasages pour les ondes circulant d'une 'jonction vers l'autre. On peut également réaliser des mélangeurs où les éléments 12 et 13 sont des filtres. Dans ce cas, les deux jonctions 10 et Il sont reliées par des filtres identiques de fréquence de coupure fc choisie telle qu'elle se situe entre les deux fréquences à transmettre f1 et f2. La figure 6 est un diagramme représentant l'atténuation a d'un filtre en fonction de la fréquence f. Les deux fréquences fl et f2 caractéristiques du mélangeur se situent de part et d'autre de la fréquence de coupure. La courbe 30, en traits pointillés représente la courbe théorique de l'atténuation du filtre. L'atténuation est maximale pour les valeurs- de fréquences inférieures à fc et minimale pour les valeurs de fréquences supérieures à fc. La courbe 31 est la courbe réelle de l'atténuation. La zone de transition entre l'état passant et l'état non passant du filtre détermine la gamme interdite Af. Ce filtre sera transparent pour la fréquence f2 de valeur plus élevée que sa fréquence de coupure fc et se présentera comme un courtcircuit pour la fréquence fl inférieure à fc. Un mélangeur hyperfréquence réalisé avec deux filtres selon l'invention aura, à l'encontre de l'art connu, une gamme interdite A f facilement déplaçable dans une bande de fré- quences. En transmission, un signal S de fréquence f2 introduit dans le guide 17 sortira par le guide 14, le guide 15 étant découplé. C'est ce qui est représenté à la figure 7 qui est un mélangeur du type de celui représenté à la figure 5 et où les mêmes références désignent les mêmes éléments. Les éléments .12 et 13 sont maintenant des filtres selon l'invention. Le trajet de l'onde correspondant au signal S se décompose en deux chemins dans le mélangeur. Une fraction sl du signal S passe par le filtre 13 et rejoint par l'ouverture 18 la fraction restante s2 du signal S qui après passage par l'ouverture 19 traverse le guide 12. Un signal S' de fréquence fl introduit dans le guide 15 sortira également par le guide 14. C'est ce que représente la figure 8 qui est le même mélangeur que celui représenté à la figure 7. Le trajet de l'onde correspondant au signal S' se décompose en deux chemins. Une fraction s'p du signal S' se réfléchit sur l'entrée du filtre 13 et rejoint par l'ouverture 18 la fraction restante s'2 du signal S' qui après un passage direct à travers l'ouverture 18 se réfléchit sur l'entrée du filtre 12. On recueille ainsi le signal S' à la sortie du guide 14. Le mélangeur possédant une symétrie de construction, il possède également une symétrie de fonctionnement. On réalise un mélangeur selon l'invention en calculant la dimension a des guides des filtres de façon que leur longueur d'onde de coupure corresponde à la longueur d'onde minimale à transmettre lorsque les lames diélectriques sont plaquées contre les parois. Les lames auront, par exemple, une longueur et une épaisseur telles que lorsqu'elles seront déplacées vers l'axe du guide, la longueur d'onde de coupure devienne égale à la longueur d'onde maximale à transmettre. La position de la gamme interdite Af pourra ainsi être déterminée à la demande. Il est à remarquer que, dans le cas du mélangeur décrit ci-dessus, les deux lames se déplacent en même temps dans le même sens. La figure 9 est un exemple de réalisation du déplacement simultané des deux lames. La coupe a été effectuée sur les guides 40 et 41 qui forment la partie externe des filtres référencés 12 et 13 dans les figures précédentes, et sur le support 42 qui se fixe sur les guides 40 et 41 par des éléments non représentés (par exemple, des vis de fixation). Les lames 43 et 44 sont susceptibles de se déplacer transversalement dans les guides 40 et 41, respectivement sous l'action des tiges b5 et 46 qui leur sont solidaires. Les lames 43 et 44 ainsi que les tiges 45 et 46 peuvent être fabriquées avec les matériaux déjà décrits. Le déplacement des lames diélectriques est rendu possible par un mouvement de rotation imposé à la molette 47. Celleci est solidaire de l'axe 48 qui comprend une partie filetée 49 pouvant se déplacer dans le trou fileté 50 percé dans le support 42. Le bras 51 est solidaire de la tige 45 et le bras 52 est solidaire de la tige 46. L'axe 48 est libre en rotation par rapport aux bras 51 et 52 mais pas en translation. En conséquence, tout mouvement de translation de l'axe 48 entraîne un déplacement des lames 43 et 44. Les trous 54 et 55 percés sur le côté des guides 40 et 41 permettent le libre déplacement des tiges 45 et 46. En regardant le dispositif tel qu'il est représenté à la figure 9, on s'aperçoit que les lames 43 et 44 peuvent être déplacées en meme temps du petit côté droit des guides vers leur centre et inversement. Une telle disposition présente l'inconvénient d'introduire dans le guide 40 une grande partie de la tige 45. Il est préférable dans certains cas de réduire la longueur de la tige 45 le plus possible. Le fonctionnement du filtre étant symétrique du point de vue de l'atténuation produite par la lame, il est aisé de modifier le dispositif de la figure 9 afin de provoquer un déplacement des lames depuis les petits côtés les plus éloignés des guides (ceux percés des trous 53 et 54) vers leur centre et inversement. Ceci peut être réalisé par des moyens connus, par exemple en remplaçant l'axe 48 par un axe qui possede des filetages de pas inversés, chacun des filetages provoquant le déplace ment d'une lame. Un mélangeur hyperfréquence selon l'invention s'applique particulièrement bien au cas des radars fonctionnant en "mode diversité" et résoud avantageusement le problème posé par l'existence d'une bande de fréquences interdite lorsque l'on utilise un mélangeur à filtres. REVENDICATIONS 1. Filtre hyperfréquence réalisé à partir d'un tronçon de guide d'ondes rectangulaire (20) susceptible de véhiculer une onde transverse électrique et présentant une fréquence de coupure, caractérisé en ce qu'il comporte à l'intérieur dudit tronçon au moins une lame diélectrique (22) dont les faces principales sont sensiblement parallèles à la direction de propagation desdites ondes, ladite lame pouvant être déplacée transversalement dans ledit tronçon sous l'effet de moyens de translation (23), ledit déplacement entraînant une modification de la valeur de ladite fréquence de coupure. 2. Filtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites faces principales (5, 6) sont sensiblement parallèles aux vecteurs champs électriques de ladite onde transverse électrique. 3. Filtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite lame comprend au moins un bord (7, 8) qui s'amincit vers son extrémité et dans la direction de propagation de ladite onde. 4. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite lame diélectrique est en tétrafluoroéthylène. 5. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications d à 3, caractérisé en ce que ladite lame diélectrique est en céramique. 6. Mélangeur hyperfréquence à EIItress caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux filtres (12, 13) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Mélangeur hyperfréquence selon la revendication 6, caractérise en ce que lesdits moyens de translation produisent un déplacement desdites lames affectant dans le même sens la valeur des fréquences de coupure desdits filtres. 8. Radar pouvant émettre et recevoir sur une même- antenne les signaux issus de deux émetteurs-récepteurs, caractérisé en ce qu'il utilise un mélangeur hyperfréquence à filtres selon l'une des revendications 6 ou 7.