Brevet FR2550891A1 — publié le 19850222

SEPARATEUR DE MODES POUR SYSTEME DE RECEPTION HYPERFREQUENCE La présente invention concerne un séparateur de modes pour système de réception simultanée de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite, et trouve une application importante dans les systèmes de réception de signaux de télévision à 12 gigahertz, notamment de signaux de télévision retransmis par l'intermédiaire de satellites géostationnaires. Le rapport BBC-RD-1976/21 diffusé par l'organisme britannique "The British Broadcasting Corporation" (BBC), Research Department, Engineering Division, en août 1976, sous le titre "A circularly-polarised aerial for satellite reception" (par C. Gandy) décrit la constitution d'un dispositif d'alimentation pour système de réception de signaux hyperfréquences dans lequel sont présents notamment un polariseur circulaire, un coupleur de mode (ou dépolariseur et découpleur, étant donné le caractère de réciprocité émission-réception d'une antenne et des circuits associés), une transition entre guides d'onde, et une torsade ; ces éléments apparaissent en particulier sur la figure 1 du rapport. L'élément représenté plus particulièrement sur la figure 4 de ce rapport constitue ce que lton peut appeler un séparateur de modes. Le séparateur de modes décrit dans ce document n'est cependant pas symétrique, ce qui est pourtant souhaitable dans un système destiné à recevoir des signaux à polarisations circulaires gauche et droite et reconstituer à partir de ceux-ci, de façon symétrique (c'est-à-dire sans pertes ou affaiblissement inégaux), leurs composantes à polarisation linéaire, et présente également l'inconvénient d'être très encombrant. Le but de l'invention est de proposer un séparateur de modes à la fois symétrique et de faible encombrement et remplaçant à lui seul les quatre éléments prévus dans le document cité. L'invention concerne à cet effet, dans un système de réception simultanée de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires droite et gauche, un séparateur de modes caractérisé en ce qu'il est composé :: (A) d'un corps à deux faces extérieures parallèles comprenant lui-meme (a) un guide d'ondes d'entrée circulaire, d'axe perpendiculaire à ces faces et traversant le corps de la première de ces faces jusqu'à un premier plan de court-circuit (b) deux guides d'ondes de sortie identiques, d'axe perpendiculaire auxdites faces, disposés symétriquement de part et- d'autre du guide d'entrée et traversant le corps de la deuxième de ces faces jusqu'à un deuxième plan de court-circuit, la somme de la longueur du guide d'entrée et celle de l'un quelconque des guides de sortie étant supérieure à la distance entre lesdites faces extérieures parallèles d'une valeur voisine de la demi-longueur d'onde des signaux dans ces guides (B) d'un élément de transition réalisé en structure plane selon la technique des circuits imprimés dits triplaques et placé parallèlement aux faces extérieures parallèles du corps, dans le plan dit médian situé sensiblement à égale distance électrique du plan de court-circuit du guide d'entrée et des plans de court-circuit des guides de sortie, cet élément de transition comprenant lui-meme (c) deux couches diélectriques de dimensions superieures à celle du guide d'entrée et dont les faces extérieures sont recouvertes d'un plan de masse à l'exception de leur partie centrale afin de délimiter dans chacun de ces plans de masse un diaphragme résonnant circulaire coaxial au guide d'entrée d'entrée (d) enserrés entre les faces intérieures de ces couches diélectriques et séparés électriquement l'un de l'autre par une feuille isolante, deux rubans conducteurs de meme longueur, pour le transfert des signaux hyperfréquences du guide d'entrée vers les deux guides de sortie ou réciproquement, ces rubans comprenant chacun (i) une extrémité formant une sonde excitatrice qui pénètre à l'intérieur du cylindre défini par les ouvertures centrales des diaphragmes résonnants, cette pénétration étant réalisée suivant deux directions radiales et perpendiculaires (ii) un tronçon central, ces deux tronçons étant situés en regard l'un de l'autre par superposition pour constituer l'un avec l'autre un coupleur 3dB 90" (iii) un tronçon terminal conduisant du tronçon central correspondant jusqu a l'extrémité de prolongements diamétralement opposés des couches diélectriques à l'intérieur des guides de sortie, de façon à constituer également dans chacun de ces guides une sonde excitatrice. La simple observation du séparateur de modes ainsi décrit et proposé montre combien les impératifs de symétrie et de faible encombrement sont simultanément respectés ; par ailleurs, la structure en deux plaques et un circuit imprimé de type triplaque est très simple et de réalisation technologique aisée. Les particularités de l'invention apparaitront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue du séparateur de modes selon l'invention, du côté de réémission des guides de sortie - la figure 2 est une vue en coupe selon l'axe AA de la figure 1 - la figure 3 est une vue de ltélément de transition en circuit imprimé. Le séparateur de modes comprend, en référence aux figures, deux plaques 10 et 20 assemblées par des moyens traditionnels, non représentés, de façon à constituer le corps du séparateur. Le plan de jonction de ces plaques selon leur faces 11 et 21 en regard est dans la suite de la description appelé plan médian, cette désignation étant simplement de nature géométrique et n'entrainant aucune limitation de l'invention et, en particulier, n'impliquant pas que les épaisseurs des plaques 10 et 20 soient égales. Ces plaques 10 et 20 sont soit métalliques, soit réalisées en un matériau diélectrique mais métallisées sur toutes leurs faces, sauf éventuellement les parois périphériques 12 et 22 pour lesquelles cela n'a pas d'importance. Observé en vue de face (voir plus particulièrement la figure 1), le corps du séparateur est de préférence de forme rectangulaire et présente alors deux plans de symétrie P1 et P2. Le séparateur comprend, dans les plaques 10 et 20, un guide d'ondes 30, dit guide d'entrée, et deux guides d'ondes 40 et 50, dits guides de sortie. Le guide d'entrée 30, cylindrique, re çoit les signaux hyperfréquences à polarisation circulaire gauche ou droite focalisés vers lui par l'antenne, et, à ce titre, commence donc dans le plan de la face extérieure 13 de la plaque 10, traverse toute cette plaque, se prolonge avec les mêmes dimensions dans la plaque 20 et se termine dans cette dernière par un plan réflecteur 31 situé à une distance du plan médian égale au quart de la longueur d'onde ÀG dans le guide.On rappellera ici que G est lié à la longueur d'onde X des signaux hyperfréquences reçus par la relation dans laquelle AC est la longueur d'onde de coupure, elle-meme définie par l'expression AC = 1,7 DE (où DE est le diamètre du guide d'entrée 30). Les guides de sortie 110 et 50, de forme rectangulaire, réémettent chacun respectivement les signaux à polarisation circulaire gauche et les signaux à polarisation circulaire droite, vers deux convertisseurs de fréquence ou têtes de réception T1 et T2 non représentées, mais qui viennent se fixer contre la face extérieure 23 de la plaque 20, en face du guide 40 ou 50 correspondant, à l'aide de moyens d'assemblage appropriés, des brides par exemple. Dans le cas de la réception de signaux de télévision à 12 gigahertz transmis par l'intermédiaire de satellites, les têtes de réception peuvent être du type de celle décrite dans la revue "L'Onde Electrique", volume 62, n"3, mars 1982, pages 39 et 110. Bien entendu, la distance entre les deux guides de sortie 30 et 40 est suffisante pour permettre, compte tenu de l'encombrement des têtes T1 et T2, leur fixation en parallèle sur la face 23 de la plaque 20. Ces guides de sortie 40 et 50 comprennent, de façon similaire au guide d'entrée 30 mais inversée, une partie qui traverse toute la plaque 20 et une partie qui traverse partiellement la plaque 10 et se termine par un plan réflecteur, respectivement 41 et 51. Les plans réflecteurs 41 et 51 sont à une distance du plan médian égale comme précédemment au quart de la longueur d'onde X Gs Gaz cette longueur d'onde étant liée là encore à la longueur d'onde X des signaux émis en sortie des guides 40 et 50 par la relation (1) mais avec une longueur d'onde de coupure cette fois égale à X C = 2a où a est la longueur du grand côté de la section droite rectangulaire des guides 40 et 50. La transmission des signaux hyperfréquences du guide d'entrées 30 vers l'un ou l'autre des guides de sortie 40 ou 50 est maintenant décrite. Dans les plaques 10 et 20, la partie de matière située entre la paroi cylindrique 32 du guide d'entrée 30 et les parois respectives 42 et 52 des guides de sortie 40 et 50 présente une épaisseur plus faible que celle de la partie restante des deux plaques. Cette réduction d'épaisseur est, plus précisement, opérée du côté du plan médian du transformateur, d'une quantité égale pour chacune des plaques, afin de permettre la mise en place d'un élément de transition entre le guide d'entrée 30 et les guides de sortie 40 et 50. Cet élément de transition est un circuit de type triplaque, comprenant deux couches diélectriques 110 et 120 de forme circulaire dont l'axe coïncide avec celui du guide d'entrée 30. Le diamètre de cette partie circulaire des couches 110 et 120 coincide avec la distance entre les parois 42 et 52 des guides de sortie 40 et 50, et deux parties diamétralement opposées 111, 112 et 121, 122 de ces couches 110 et 120 présentent à l'intérieur des guides de sortie 40 et 50 deux prolongements 113, 114 et 123, 124 respectivement. Les faces extérieures des couches 110 et 120 sont dans leur partie circulaire recouvertes d'un plan de masse 116 et 126, sauf une partie centrale 117 et 127 des couches de façon à ce que soit ainsi défini dans chacune d'elles un diaphragme résonnant.La fréquence de résonance des diaphragmes est choisie égale à la fréquence centrale de la bande utile des signaux hyperfréquences, et le diamètre des ouvertures centrales est défini par la relation DD = XDJa (ou voisin de cette valeur) où AD est la longueur d'onde associée à ladite fréquence centrale (le diaphragme est résonnant pour la fréquence dont la longueur d'onde correspond à la circonférence de son ouverture centrale), la longueur d'onde AD ainsi considérée étant elle-même liée à la longueur d'onde X des signaux hyperfréquences reçus par la relation où Creff Er,ff est la permittivité relative à l'endroit du diaphragme, résultant de la présence de deux milieux différents de part et d'autre de ce diaphragme. Ces conducteurs centraux, dont la disposition apparaît clairement sur la figure 3, sont de minces rubans conducteurs 140 et 150 disposés entre les couches 110 et 120 et séparés électriquement l'un de l'autre par une feuille isolante (en matériau tel que du mylar, par exemple) ayant de préférence la même permittivité que le matériau dont sont réalisées les couches 110 et 120.Ces rubans 140 et 150, qui constituent les éléments proprement dits assurant la transition des signaux hyperfréquences du guide d'entrée 30 vers les guides de sortie 40 et 50, comprennent chacun une extrémité 141 et 151 formant une sonde excitatrice qui pénètre légèrement à l'intérieur du cylindre défini par les ouvertures centrales des diaphragmes résonnants, suivant deux directions radiales et perpendiculaires, de façon à assurer le prélèvement des signaux se propageant dans le guide d'entrée 30.A la suite des sondes excitatrices 141 et 151 sont prévues deux tronçons 142 et 152 situés en regard l'un de l'autre (bien que toujours isolés électriquement par la feuille isolante mentionnée plus haut) et constituant un coupleur 3dB 90C dont les sorties délivrent les signaux à polarisation circulaire gauche et à polarisation circul aire droite respectivement. Les tronçons terminaux 144 et 154 vont de ces sorties du coupleur jusqu'à l'extrémité des prolongements superposés 113 et 123 pour le tronçon terminal 144, et 114 et 124 pour le tronçon terminal 154, où ils constituent également des sondes excitatrices dans les guides de sortie 40 et 50 respectivement. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à exemple de réalisation décrit et représenté, à partir duquel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. En particulier, au lieu d'avoir un couplage direct guide d'onde-sonde excitatrice ou réciproquement, ces couplages peuvent également, dans le séparateur de modes selon l'invention, être réalisés par l'intermédiaire de deux dipôles en croix symétrique, tels que ceux décrits dans la demande de brevet français n" 8108780 déposée le 4 mai 1981 par la demanderesse.Comme indiqué dans ce document (voir notamment ses figures la et 3a), les dipôles de l'élément récepteur décrit, ou de chaque élément récepteur de l'antenne décrite sont constitués chacun d'un ruban plan électriquement conducteur, de longueur sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde des signaux. Dans le cas présent, ces dipôles sont disposés dans le même plan médian que celui de mise en place de l'élément de transition, suivant deux axes perpendiculaires situés dans le prolongement des sondes excitatrices, et une feuille isolante est prévue entre ces dipôles pour les isoler électriquement l'un de l'autre. Par ailleurs, l'invention concerne manifestement tout syst'eme de réception ou d'émission de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite simultanément qui comprend un séparateur de modes tel que décrit précédemment dans l'un ou l'autre des modes de réalisation proposés. REVENDICATIONS 1. Dans un système de réception, ou d'émission compte tenu du caractère de réciprocité des antennes, de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite simultanément, séparateur de modes caractérisé en ce qu'il est composé (A) d'un corps à deux faces extérieures parallèles comprenant lui-même :: (a) un guide d'ondes d'entrée circulaire, d'axe perpendiculaire à ces faces et traversant le corps de la première de ces faces jusqu'à un premier plan de court-circuit (b) deux guides d'ondes de sortie identiques, d'axe perpendiculaire auxdites faces, disposés symétriquement de part et d'autre du guide d'entrée et traversant le corps de la deuxième de ces faces jusqu'à un deuxième plan de court-circuit, la somme de la longueur du guide d'entrée et celle de l'un quelconque des guides de sortie étant supérieure à la distance entre lesdites faces extérieures parallèles d'une valeur voisine de la demi-longueur d'onde des signaux dans ces guides ;; (B) d'un élément de transition réalisé en structure plane selon la technique des circuits imprimés dits triplaques et placé parallèlement aux faces extérieures parallèles du corps, dans le plan dit médian situé sensiblement à égale distance électrique du plan de court-circuit du guide d 'entrée et des plans de court-circuit des guides de sortie, cet élément de transition comprenant lui-même :: (c) deux couches diélectriques de dimensions supérieures au diamètre du guide d'entrée et dont les faces extérieures sont recouvertes d'un plan de masse à l'exception de leur partie centrale afin de délimiter dans chacun de ces plans de masse un diaphragme résonnant circulaire coaxial au guide d'entrée (d) enserrés entre les faces intérieures de ces cou ches diélectriques et séparés électriquement l'un de l'autre par une feuille isolante, deux rubans conducteurs de même longueur, pour le transfert des signaux hyperfréquences du guide d'entrée vers les deux guides de sortie ou réciproquement, ces rubans comprenant chacun (i) une extrémité formant une sonde excitatrice qui pénètre à l'intérieur du cylindre défini par les ouvertures centrales des diaphragmes résonnants, cette pénétration étant réalisée suivant deux directions radiales et perpendiculaires (ii) ùn tronçon central, ces deux tronçons étant situés en regard l'un de l'autre par superposition pour constituer l'un avec l'autre un coupleur 3dB 90" (iii) un tronçon terminal conduisant de la sortie du tronçon central correspondant jusqu'à l'extrémité de prolongements diamétralement opposés des couches diélectriques à l'intérieur des guides de sortie, de façon à constituer également dans chacun de ces guides une sonde excitatrice. 2. Séparateur de modes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux guides d'onde de sortie sont rectangulaires. 3. Séparateur de modes selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le corps du transformsteur est réalisé en deux plaques fixées l'une contre l'autre et entre les faces intérieures parallèles desquelles est mis en place l'élément de transition de type triplaque, dans ledit plan médian entre le plan de court-circuit d'entrée et les plans de court-circuit de sortie. 4. Séparateur de modes selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les couplages guide d'onde-sonde excita trice sont réalisés par l'intermédiaire de deux dipôles constitués chacun d'un ruban plan électriquement conducteur de longueur sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde des signaux et disposés en croix symétrique dans ledit plan médian coaxialement aux guides, suivant deux axes perpendiculaires situés dans le prolongement des sondes excitatrices, une feuille isolante étant intercalée entre ces dipôles pour les séparer électriquement. 5. Système de réception ou d'émission de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite simultanément, caractérisé en ce qu'il comprend un séparateur de modes selon l'une des revendications 1 à 4.