Brevet FR2550389A1 — publié le 19850208

ELEMENT DE GUIDE D'ONDES HYPERFREQUENCES EN FORME DE COUDE CORRUGUE, SON PROCEDE DE FABRICATION, JOINT TOURNANT ET DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'ANTENNE UTILISANT DE TELS COUDES La présente invention a pour objet un élément de guide d'ondes hyperfréquences en forme de coude corrugué et son procédé de fabrication Elle a également pour objet l'application d'un tel coude à la réalisation d'un joint tournant, ainsi qu'à celle d'un dispositif d'alimentation d'une antenne. Dans certaines applications, il est nécessaire de disposer d'éléments de guide hyperfréquence, comme des coudes ou des joints tournants, qui soient susceptibles de transmettre des ondes à pola10 risation quelconque avec les meilleures caractéristiques électriques possibles, c'est-à-dire principalement un minimum de distorsion et de faibles pertes d'insertion. L'invention a pour objet un élément de guide hyperfréquence 15 en forme de coude permettant de répondre à ces divers impératifs par le fait qu'il est corrugué, c'est-à-dire muni de rainures transversales par rapport à la direction de propagation de l'énergie hyperfréquence, dont le pas, la profondeur et la largeur sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde s'y propageant, ou d'une 20 fraction de celle-ci. Un tel coude corrugué présente l'avantage d'être particulièrement adapté à des sources rayonnantes elles-mêmes corruguées, dont on connaît les avantageuses caractéristiques de rayonnement (stabilité, symétrie, faible taux de polarisation croisée, etc). L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel élément de guide. Le coude corrugué selon l'invention est susceptible d'être utilisé pour la réalisation de joints tournants, eux-mêmes utilisables pour la réalisation de dispositifs d'alimentation d'antenne. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention 5 ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: la figure 1, une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation du coude corrugué selon l'invention; les figures 2, a, b et c, différentes variantes vues en coupe 10 transversale d'une partie du coude selon l'invention; la figure 3, un mode de réalisation du procédé selon l'invention; les figures 4 et 5, des schémas explicatifs se rapportant au procédé selon l'invention; la figure 6, un exemple d'application du coude selon l'invention à la réalisation d'un joint tournant, lui-même appliqué à un dispositif d'alimentation d'antenne. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Sur la figure 1, on a représenté un élément de ligne hyperfréquence selon l'invention, qui est un guide d'onde en forme de coude permettant de guider une onde se propageant selon une direction OX et de lui faire subir une rotation d'un angle donné, par 25 exemple 90 sur la figure, l'onde ressortant ainsi du guide selon une direction OY Ce coude se présente donc dans cet exemple sous la forme d'un quart de tore, repéré 1, comportant une ouverture 2 centrale, également de forme torique, de diamètre D, constituant le guide dans lequel se propagent les ondes Le tore 1, ou au moins la 30 paroi 20 de l'ouverture 2, est réalisé en matériau conducteur. Selon l'invention, la paroi intérieure 20 du guide 2 présente des rainures 3, ou corrugations, transversales par rapport à la direction de propagation des ondes, c'est-à-dire ici radiales Le fond des rainures est repéré 31 et définit un second tore (ou pseudo-tore, comme indiqué ci-dessous, figure 2 b et 2 c) de diamètre D'. Ces rainures ont une profondeur C, une largeur E et un pas P qui sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde moyenne des ondes susceptibles de s'y propager, ou d'une fraction de cette longueur d'onde. Plus précisément, on montre que pour qu'un guide soit susceptible de transmettre toutes les polarisations, les phases d'insertion des ondes transmises en polarisation parallèle ou perpendiculaire au plan XOY doivent être les mêmes, et que cette condition est 10 satisfaite dans le cas d'un tel coude corrugué, à la condition dite d'équilibre hybride; ainsi qu'il est connu, cette condition implique que l'admittance selon la direction de propagation de l'onde (Ye) est nulle et que l'admittance radiale (Y) est infinie, avec H O H y et Y e E 1 = E (en conservant les mêmes notations, E étant le champ électrique et H le champ magnétique se propageant dans le guide); cette condition n'est réalisée en pratique que pour une certaine fréquence dite d'équilibre hybride Les différentes caractéristiques géomé20 triques des corrugations ne sont toutefois pas indépendantes mais 20 liées par la relation suivante D ( 1 + I C_) R 2 T) + F 7 S + R 1 1 ( 1) I 1 E+ú P dans laquelle R est le rayon de courbure moyen du coude 2 et 6 l'épaisseur minimum du tore I entre deux corrugations 3. En outre, afin d'obtenir un coude fonctionnant de façon satisfaisante dans une large bande de fréquence, on est amené en pratique à préférer les limites suivantes: 30 0,59 D 1,22 A titre d'exemple, le pas P des corrugations 3 est choisi de sorte à avoir trois ou quatre corrugations par longueur d'onde; par exemple P = X/4 En outre, pour éviter l'apparition d'ondes de surface, compte tenu du diamètre D, la profondeur C des corrugations 3 est de préférence supérieure à 1/4 et par exemple sensiblement égale à 3 V 8 La largeur E des corrugations 3 est 5 choisie, compte tenu du pas P, aussi grande que possible pour faroriser la largeur de la bande de fréquence de fonctionnement et pour faciliter la réalisation technologique A titre d'exemple, la somme E + E peut être de l'ordre de)/8 Si l'on reporte ces différentes valeurs à la formule (l) cidessus, on obtient un rayon 10 minimum R de 1,8 Sur les figures 2, on a représenté, en coupe radiale selon le plan YOZ, la trace de la paroi 20 et celle du fond 31 d'une corrugation 3, ces deux traces étant bien entendu séparées par la 15 profondeur C des corrugations. Sur le schéma de la figure 2 a, les deux traces 20 et 31 sont circulaires. Toutefois, les dimensions finies des corrugations éloignant des conditions idéales énoncées ci-dessus (Y 1 = 0 et Y O =), on cons20 tate en pratique un léger déphasage entre les polarisations des ondes dans le plan du coude (XOY) et dans le plan qui lui est normal et on n'obtient pas parfaitement la conservation de polarisation recherchée Pour pallier ces défauts, il a été découvert expérimentalement qu'une légère modification de la section droite du fond 31 des 25 corrugations permettait d'élargir la bande de fréquences dans laquelle on obtient un fonctionnement satisfaisant. Plus précisément, la figure 2 b, analogue à la figure 2 a, montre que le fond 31 des corrugations est de section droite légèrement elliptique ou ovale, le grand axe ( 2 a) étant égal à la distance D' 30 précédente et le petit axe ( 2 b) étant choisi légèrement inférieur à D', par exemple de quelques %, l'axe 2 a étant dans le plan XOY et l'axe 2 b étant selon l'axe OZ. Selon une autre variante, représentée figure 2 c, le fond 31 des corrugations est également aplati dans la direction OZ mais par des méplats 32, parallèles au plan XOY, le reste de la trace 31 étant circulaire. A titre d'exemple, il a été réalisé un coude selon l'invention 5 avec les caractéristiques suivantes: R de l'ordre de 76 mm, D de l'ordre de 27 mm, 2 a de l'ordre de 55 mm, 2 b inférieur à 54 mm au centre du coude et se rapprochant de la valeur de 2 a aux deux extrémités du coude, avec un nombre total de corrugations de 15. Avec un tel dispositif, on constate que, dans la bande de 10 fréquences 6, 95 G Hz à 8,1 G Hz, le déphasage différentiel ne dépasse pas 2 à 3 aux extrémités de la bande de fréquences. La figure 3 représente un mode de réalisation du procédé selon l'invention, décrit à l'aide des figures 4 et 5. Ce procédé consiste, dans une première étape 50, à réaliser un mandrin 4, représenté figure 4 Il est de forme générale torique et de section droite circulaire, réalisé à l'aide de deux demicoquilles 41 et 42 ménageant un logement central curviligne 43, en forme de double queue d'aronde, au niveau du plan de joint 44 des 20 deux demi-coquilles Ce mandrin 4 représente l'ouverture centrale 2 (figure 1) du coude selon l'invention. Dans une étape suivante ( 52), ce mandrin 4 est découpé en secteurs, de valeurs angulaires variables, comme illustré par 45 sur la figure 5. Parallèlement, lors d'une étape 51, on réalise des rondelles plates, telles que la rondelle 7 représentée sur la figure 5, qui seront destinées à permettre la fabrication des corrugations 3 A cet effet, l'extérieur des rondelles 7 peut être soit circulaire, soit elliptique ou présentant des méplats comme représenté sur les figures 2, a à c. 30 Chacune des rondelles 7 comporte en outre une ouverture centrale 71, sensiblement rectangulaire. Dans une étape ultérieure ( 53), les secteurs 45 et les rondelles 7 sont assemblés sur une clavette courbe 6 comme représenté sur la figure 5; la section des rondelles 7 est en forme de double queue d'aronde et ajustée sur le logement 43 correspondant des secteurs 45 L'ouverture 51 des rondelles 5 doit bien entendu être adaptée à la clavette 6 Sur la clavette 6, les secteurs 45 et des rondelles 5 sont donc alternés On place, aux deux extrémités de 5 l'assemblage, des brides circulaires permettant le verrouillage de l'ensemble. Sur l'assemblage schématisé sur la figure 5, qui représente donc l'intérieur du coude corrugué selon l'invention, est déposé ensuite un matériau conducteur, par électrolyse de cuivre épais, par 10 exemple, lors d'une étape repérée 54. La dernière étape ( 55) consiste, lorsque le coude est ainsi formé, à détruire l'assemblage clavette, secteurs et rondelles, par exemple chimiquement. La figure 6 représente un mode de réalisation d'applications du coude corrugué selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté à titre d'exemple un joint tournant, réalisé à l'aide de plusieurs coudes selon l'invention, entre un guide d'onde rectiligne 98 et une source 83 rayonnant une onde 20 hyperfréquence. Ce joint tournant comporte quatre coudes tels que décrits cidessus, repérés successivement 91, 92, 93 et 94, et faisant faire chacun à l'onde guidée une rotation de 90 Le coude 91 est monté directement et de façon rigide sur la source 83; le coude 92 est 25 monté par l'intermédiaire d'un dispositif 96 autorisant une rotation relative, tel qu'un roulement à billes par exemple, à l'autre extrémité du guide 91; les coudes 92 et 93 sont par exemple séparés par un tronçon de guide d'onde rectiligne 95 et sont assembles de façon rigide; à l'autre extrémité du guide 93 est connecté, également 30 rigidement, le coude 94 et un deuxième dispositif, repéré 97, autorisant une rotation relative des éléments, est interposé entre le coude 94 et le guide d'onde rectiligne 98 Au niveau des dispositifs 96 et 97, les coupures des coudes concernés sont réalisées sur le sommet des corrugations, c'est-à-dire sur la surface 20 (fi- gure 1); en effet, ainsi qu'il est connu, à ce niveau les courants longitudinaux sont nuls (admittance longitudinale nulle) et une coupure à ce niveau ne crée donc aucune perturbation Le guide 98 est placé selon un axe AA; à la sortie du coude 94, l'onde qui s'y est propagé est parallèle à un axe BB normal à l'axe AA; à la sortie du coude 93 et dans le guide 95, elle est parallèle à l'axe AA; à la sortie du coude 92, elle se propage selon l'axe BB pour être émise selon l'axe AA par la source 83, placée à la sortie du coude 91. Il apparaît qu'avec un tel dispositif, la source 83 est suscep10 tible de tourner à la fois autour de l'axe AA et autour de l'axe BB. Un tel joint tournant peut trouver son application par exemple dans les dispositifs d'alimentation d'antennes. Sur la figure 6, on a également représenté une antenne 8, constituée par un réflecteur 82, recevant le rayonnement émis par la source 83 et le renvoyant vers un réflecteur principal 81 de façon classique A l'autre extrémité du dispositif, le guide d'onde 98 constitue le guide d'alimentation de l'antenne et est relié à un dispositif 10 comportant polariseurs et diplexeurs de polarisation. Dans cette application, le guide rectiligne 95 peut être corrugué et 20 comporter en outre un dispositif de compensation de phase, réalisé par exemple par un fond de corrugation non circulaire. Il apparaît ainsi que l'antenne 8 peut tourner avec sa source 83 selon les axes AA et BB, l'axe AA pouvant être l'axe azimut et l'axe BB l'axe élévation. Un avantage de ce genre de dispositif est qu'il permet de déporter des équipements tels que polariseurs et séparateurs de polarisation loin de l'antenne, sur des parties fixes et éventuellement plus accessibles. La description ci-dessus a été faite à titre d'exemple non limitatif et c'est ainsi que, figure 6, les éléments de guide 98 et 95, ainsi que la source 83, peuvent être lisses ou corrugués. REVENDICATIONS 1 Elément de guide d'ondes hyperfréquences en forme de coude, caractérisé par le fait qu'il est corrugué, c'est-à-dire qu'il présente des rainures ( 3) transversales par rapport à la direction de propagation des ondes, dont le pas (P), la profondeur (C) et la 5 largeur (E) sont de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde ( t) de l'onde hyperfréquence s'y propageant, ou d'une fraction de cette longueur d'onde. 2 Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la somme de l'épaisseur 10 minimale (e) de matériau entre deux rainures et de la largeur (E) d'une rainure est de l'ordre d'une fraction de la longueur d'onde. 3 Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la profondeur 15 (C) des rainures est supérieure au quart de la longueur d'onde. 4 Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la paroi intérieure ( 20) du guide est de section droite circulaire. Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon l'une des 20 revendications précédentes, caractérisé par le fait que la section droite du coude au niveau du fond des rainures est circulaire ( 31). 6 Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la section droite du 25 coude au niveau du fond des rainures est elliptique ( 31), le grand axe ( 2 a) de l'ellipse étant sensiblement dans le plan (XOY) du coude. 7 Elément de guide d'ondes hyperfréquences selon l'une des revendications I à 4, caractérisé par le fait que la section droite du coude au niveau du fond des rainures présente des méplats ( 32) 30 sensiblement parallèles au plan (XOY) du coude. 8 Procédé de fabrication d'un élément de guide d'ondes hyperfréquences en forme de coude selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes: réalisation ( 50) d'un mandrin ( 4); découpage ( 52) du mandrin ( 4) en une pluralité de secteurs ( 45); réalisation ( 51) de rondelles plates ( 7); assemblage ( 53) des secteurs ( 45) et des rondelles ( 7), alternativement, sur une clavette ( 6) courbe passant dans des 10 ouvertures ( 43, 71) centrales ménagées dans les secteurs et les rondelles; électroformage ( 54) du coude sur la périphérie de l'assemblage précédent; destruction ( 55) de l'assemblage. 9 Elément de guide d'ondes hyperfréquences en forme de joint tournant, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un coude selon l'une des revendications I à 7 et un dispositif ( 96, 97) autorisant une rotation relative des éléments entre lesquels il est monté, le dispositif précédent étant monté sur le coude au niveau du 20 sommet d'une rainure ( 3). Dispositif d'alimentation d'antenne, l'antenne comportant une source ( 83) et au moins un réflecteur ( 81, 82), caractérisé par le fait qu'il comporte, entre des circuits d'alimentation ( 10, 98) et la source ( 83), au moins quatre coudes ( 91-94) selon l'une des reven25 dications I à 7, et deux dispositifs de rotation ( 96, 97), montés de sorte qu'ils permettent la rotation de la source par rapport aux circuits d'alimentation selon deux axes distincts (AA, BB).