Brevet FR2615038A1 — publié le 19881110

L'invention a pour objet un duplexeur à guide d'onde en particulier pour des antennes d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques, pour télécommunications, radars et autres dispositifs. On sait qu'un duplexeur a pour rôle essentiellement de séparer ou de mélanger des informations véhicuLées à un certain moment dans un même guide. Un duplexeur à deux voies se présente habituellement sous forme d'un guide d'onde circulaire alimenté par deux guides d'onde rectangulaires. Un tel duplexeur permet la propagation de deux ondes électromagnétiques qui peuvent être de même fréquence, mais de polarisation orthogonale, assurant donc un doublement de la capacité du système. L'un des guides rectangulaires alimentant le guide circulaire peut être placé en bout de celui-ci ou vers son extrémité, la propagation d'un guide à l'autre se faisant par l'intermédiaire d'une transition rectangulaire circulaire. L'autre guide rectangulaire alimente directement le guide circulaire par une ouverture faite suivant une génératrice du guide. Pour que l'onde se propage correctement dans la direction désirée, on doit donc l'aiguiller par un obstacle placé dans le guide circulaire qui se manifeste comme un court-circuit (paroi réfléchissante). Ce court-circuit est constitué par une lame métallique centrée dans le guide, son orientation étant parallèle au champ électrique. Cette lame court-circuit n'influe que peu sur l'autre polarisation puisqu'elle est perpendiculaire au champ électrique de cette autre polarisation orthogonale, et son épaisseur est très faible visà-vis de la longueur d'onde (de l'ordre de 2/100ème de la longueur d'onde habituellement). Ce système nécessite d'utiliser une lame assez longue , d'environ une longueur d'onde pour qu'elle soit efficace. Ceci a pour inconvénient d'entraîner une certaine longueur du duplexeur et comme le matériel est souvent monté sur des pylônes à haute altitude, on se trouve devant un certain nombre d'inconvénients tels que - fragilité due à une grande longueur du duple peur, - porte à faux de l'antenne important, d'ou poids et coût supplémentaires, - difficulté d'orientation de l'antenne dans le cas d'un ensemble "Cassegrain". De plus de tels duplexeurs ne peuvent fonctionner qu'avec une seule fréquence pour la deuxième polarisation pour laquelle la longueur de la lame est adaptée. L'invention a pour objet un nouveau duplexeur présentant des avantages de simplification, de réduction d'encombrement et permettant le choix de plusieurs fréquences pour diverses ondes orthogonales se propageant à travers un même guide d'onde. Conformément à l'invention, le duplexeur à guide d'onde, en particulier pour des antennes d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques se caractérise en ce qu'il utilise comme élément de court-circuit permettant de réfléchir une première onde dans une direction et de laisser passer une autre onde distincte de la première, au moins un dipole métallique disposé dans le guide d'onde sensiblement perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde dans le guide et orienté sensiblement parallèlement à la direction du champ élec trique de ladite première onde que l'on veut réfléchir sur lui. Avantageusement le dipole est placé sensiblement dans l'axe du guide d'onde dont la section sera habituellement circulaire. Pour obtenir le meilleur effet, le dipole aura une longueur sensiblement égale à une demi-longueur d'onde de l'onde à réfléchir. On comprend qu'avec une telle construction, l'encombrement du système peut être considérablement réduit puisque l'on n'est plus assujetti à disposer parallèlement à l'axe du guide d'onde une lame de longueur déterminée, à savoir la longueur de l'onde se propageant dans le guide. D'autre part, dans le cas où l'on désire faire traverser le guide d'onde par une autre onde de polarisation rectiligne parallèle à la première onde, on dispose parallèlement au dipole un deuxième dipole semblable distinct du premier d'un quart de longueur d'onde de l'autre onde que l'on veut laisser passer à travers le guide d'onde, permettant d'adapter le couple de dipolesqui devient transparent pour cette deuxième longueur d'onde. On comprend que de la sorte, il est possible de faire traverser le guide d'onde par des ondes de même fréquence de polarisation orthogonale ou de fréquence différente et de polarisation semblable ou orthogonale, ce qui accroît d'autant la capacité du système. L'invention et sa mise en oeuvre apparaitront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre de façon schématique un duplexeur à lame classique de l'art antérieur, la figure 1A montrant la coupe transversale de ce duplexeur selon un plan et la figure 1B la coupe transversale du même duplexeur selon le plan orthogonal à celui de la figure 1 A, - la figure 2 montré en coupe schématique un duplexeur conforme à L'invention permettant l'aiguillage dans un même guide d'onde circulaire de deux ondes de même fréquence et de polarisation orthogonale, - la figure 3 montre comme la figure 2 un autre duplexeur de l'invention permettant l'aiguillage dans un guide d'onde circulaire de deux ondes de même polarisation et de fréquence différente, - la figure 4 montre le même duplexeur que celui de la figure 3, mais dans un plan orthogonal au plan de cette dernière, - la figure 5 montre un autre duplexeur de l'in- vention permettant l'aiguillage dans un même guide d'onde circulaire de quatre ondes correspondant à deux fréquences différentes et deux directions de polarisation orthogonales, - la figure 6 montre de façon schématique et en perspective un moyen de montage d'un dipole dans Les guides d'onde circulaires pour la mise en oeuvre de l'in- invention, - la figure 7 montre de façon schématique un autre moyen de montage d'un dipole dans un guide d'onde pour la mise en oeuvre de l'invention. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on décrira brièvement la réalisation d'un duplexeur permettant de séparer ou de mélanger dans un même guide d'onde les informations véhiculées par des ondes à champs orthogonaux. Ainsi l'onde Oî de vecteur champ électrique E1 est amenée dans le guide d'onde circulaire 1 par un canal perpendiculaire 2 débouchant dans le guide d'onde 1 vers son extrémité fermée en 3 par une plaque métallique formant court-circuit. L'onde E1 est ainsi réfléchie par la plaque 3 et se propage dans le sens de la flèche indiquée à la figure 1 à l'intérieur du guide d'onde. Par un second accès 4, on introduit dans le guide d'onde 1 une deuxième onde 2 de polarisation orthogonale à celle de l'onde 01. En d'autres termes, le vecteur champ électrique E1 de L'onde Ol est orthogonal au vecteur champ électrique E2 de L'onde 02. Sur la figure 1, dans les coupes A et B, les directions des vecteurs champ électrique E-+, E2, ont été indiquées par un point lorsque la direction est perpendiculaire au plan de la figure et par une flèche lorsque la direction est parallèle au plan de la figure.Pour assurer la réflexion de l'onde 2 dans la bonne direction, on place à l'intérieur du guide, dans son axe, une lame métallique 5 de longueur L, égale -à la longueur d'onde 2 de l'onde 02. Cette lame mince perpendiculaire au vecteur champ électrique E1 de l'onde Oî n'a pas d'effet sur elle, vu sa faible épaisseur. Par contre, elle forme court-circuit réfléchissant pour l'onde 2 de vecteur champ électrique E2 parallèle à cette lame. Les inconvénients du système ont été mentionnés ci-avant : encombrement, fragilité, impossi bilié de travailler avec plusieurs fréquences, la lame 5 n'étant adaptée que pour la fréquence de l'onde 2 (pour Les ondes de même polarisation). En se reportant à la figure 2, on expliquera maintenant comment est réalisé un duplexeur conforme à l'invention. A la figure 2 le duplexeur est prévu pour une fréquence et deux polarisations orthogonales. On a illustré en 10 le guide d'onde circulaire qui reçoit par un premier accès A1 une onde Oî de vecteur champ électrique E1 et par un second accès A2 une seconde onde 2 de polarisation orthogonale E2. Le guide d'onde 10 est fermé à sa partie arrière par une plaque 11 formant court-circuit réfléchissant l'onde Oî comme indiqué par la flèche. Pour réfléchir L'onde 02 on place, conformément à l'invention, un dipole D de direction parallèle au vec teur champélectrique E2 de l'onde 02 que l'on veut réflechir. On constate qu'un tel dipole s'il a une longueur L telle que : L OJ à 0,5 étant la longueur de l'onde 2 que l'on veut réfléchir, se comporte comme un court-circuit pour l'onde 2 qui est réfléchie comme indiqué schématiquement sur la figure 2. Avantageusement le dipôle D est monté dans l'axe du guide d'onde circulaire 10. Sur l'onde Oî il n'a aucun effet, étant orthogonal au vecteur champ électrique E1 de l'onde- 1. Habituel- lement les accès A1 et A2 sont formés par des guides d'onde rectangulaires qui débouchent donc orthogonalement dans le guide d'onde circulaire iO. En se reportant aux figures 3 et 4, on a illustré une autre variante dans laquelle un guide d'onde 20 reçoit deux ondes 01, 02 de même polarisation (les vecteurs champs électriques E-≈et et E-≈étant parallèles) mais de fréquence distincte F1, F2. On a supposé que l'onde 2 de fréquence F2 arrivait directement dans l'axe du guide d'onde 20 par l'arrière comme indiqué par la flèche, tandis que l'onde Oî arrivait sur le côté transversalement au guide d'onde 20. Pour guider l'onde Oî à l'intérieur du guide 1, on place légèrement en arrière de l'accès A1 de L'onde Oî un dipole D1 sensiblement dans l'axe du guide d'onde 20, dont la direction est choisie parallèlement au vecteur champ électrique E1 et dont la longueur est choisie sensiblement égale à une demi-longueur d'onde de l'onde 01. Un tel dipole ainsi placé agit en court-circuit assurant la réflexion de l'onde Oî comme indiqué par la flèche. Pour que l'onde 2 provenant de L'accès A2 ne soit pas absorbée ou fortement réfléchie par le dipole D1 qui constituerait un obstacle important étant parallèle au vecteur champ électrique E2, on place en arrière du dipole D1 un autre dipole D2 semblable et distant de lui d'une distance d égale au quart de la longueur de L'onde 02. Le couple de dipoles adaptés D1, D2 devient alors transparent pour L'onde 02. En se reportant maintenant à la figure 4, on va décrire un duplexeur permettant d'envoyer dans un même guide d'onde 30 quatre ondes distinctes pénétrant par quatre accès A1, Az, A3, A4. Tout d'abord par L'accès A1 pénètre une onde Oî de vecteur champ électrique E11. Pour réfléchir cette onde dans la bonne direction, on place légèrement en arrière de l'accès A1 un dipole D1 de longueur égale à une demilongueur d'onde de L'onde Oî et de direction parallèle au champ électrique E11. L'onde Oî se réfléchie donc sur le dipole D1 formant court-circuit comme indiqué par la flèche. A L'accès A2 est envoyée une onde 021 de même polarisation que l'onde 01, c'est-à-dire dont le vecteur champ électrique E21 est parallèle au champ E1t. Cette onde pénétrant par l'accès A2 est réfléchie par la plaque 31 fermant le guide d'onde 30. Derrière le dipôle D1, on place à une distance égale au quart de la longueur d'onde de l'onde 021 un dipole D2 identique au dipole D1 permettant l'adaptation pour l'onde 021 du couple de dipoles D2, D1. L'onde 02 peut donc traverser le guide d'onde 30 comme indiqué par les flèches. Par l'accès A3 on fait pénétrer dans le guide d'onde 30 une onde 03 de polarisation orthogonale à celle des ondes Oî et 02, c'est-à-dire dont le vecteur champ électrique E32 est orthogonal au vecteur champ électrique 1 et E21. Pour une onde ainsi orientée, les dipoles D1 et D2 n'ont pas d'effet puisqu'ils sont perpendiculai -4 res au vecteur champ électrique E32. Pour assurer le gui- dage à travers le guide d'onde 30 de L'onde 03 pénétrant par l'accès A3, on place légèrement en arrière de L'accès A3 un dipole D3 de longueur égale à une demi-longueur d'onde de l'onde 03 et dirigé parallèlement au vecteur E32 champ électrique de l'onde 03. Ce dipole D3 agit comme un court-circuit réfléchissant L'onde 03 dans la bonne direction. Par l'accès A4 on fait pénétrer l'onde 04 de même polarisation que L'onde 03, mais de fréquence différente. L'onde est réfléchie par la plaque 31 formant court-circuit du guide d'onde 30. De façon à éviter une absorption ou une réflexion sur le dipôle D3 parallèle H au champ électrique E42 de l'onde 04, on place en arrière du dipôle D3 un autre dipôle identique D4 distant du dipôle D3 du quart de la longueur d'onde 04. Ainsi le coupe D4, D3 est adapté pour l'onde 04 qui peut traverser librement le guide 30, les dipôles D2, D1 n'ayant pas d'effet sur cette onde, étant dirigés orthogonalement au vecteur champ électrique E--. Pour assurer un montage aisé du dipôle dans le guide d'onde, on peut opérer par exemple comme illustré à la figure 6, en plaçant dans l'un des guides d'onde illustré, tel que le guide d'onde 10 un petit disque diélectrique 13 de faible épaisseur sur lequel sera fixé les dipôle D, par exemple par la technique des circuits imprimés. Le disque diélectrique de faible épaisseur n'aura aucun effet sur la propagation des ondes électromagnétiques dans le guide. Selon la variante de la figure 7, on peut monter dans le guide d'onde, par exemple tel que 30, les dipôles tels que D1, D2, sur une petite lame diélectrique 33 montée parallèlement à l'axe du guide d'onde 30. Les dipôles D1, D2, peuvent être fixés selon toute technique appropriée, par exemple selon la technique des circuits imprimés ou encore fixés par un petit cerclage tel que 34. On décrira ci-après un exemple de réalisation. Pour un duplexeur à double voie monté sur une antenne Cassegrain fonctionnant dans les bandes 4Hz et 6Ghz, les essais ont démontré un très bon court-circuit pour la bande 4 eH et une transparence parfaite pour le 6 Hz avec deux dipôles de longueur 39 mm, diamètre 1 mm placés sur une lame de diélectrique de 15,5 mm de large, et de 1 mm d'épaisseur cette construction correspondant aux schémas des figures 3, 4 et 7. Pour un duplexeur avec filtre à lame fonctionnant dans la bande 4 Hz on obtient une longueur minimum de 395 mm-. Avec la solution dipôles cette longueur est ramenée à 240 mm. Pour un fonctionnement avec deux bandes de fréquence distinctes, le gain sur la longueur peut atteindre 300 mm. Les avantages principaux sont les suivants - meilleure rigidité mécanique du duplexeur, - simplification de la structure arrière support de -source, - diminution du porte à faux de l'antenne, - réglage facilité de la polarisation (rotation de l'ensemble duplexeur par rapport à l'axe de L'antenne), - facilité de pointage - le dispositif arrière de l'antenne étant court, il est possible d'avoir un débattement angulaire important sans être limité par le pylône support d'antenne. REVENDICATIONS 1. - Duplexeur à guide d'onde en p-articulier pour des antennes d'émission et/ou de réception d'ondes électromagnétiques, caractérisé en ce qu'il utilise comme élément de court-circuit permettant de réfléchir une première onde dans une direction et de laisser passer une autre onde distincte de la première, au moins un dipôle métallique (D) disposé dans le guide d'onde (10,20,30) sensiblement perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde dans le guide et orienté sensiblement parallèlement à la direction du champ électrique (t) de ladite première onde que l'on veut réfléchir sur lui. 2. - Duplexeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dipôle (D) est placé sensiblement dans l'axe du guide d'onde. 3. - Duplexeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le guide d'onde est à section circulaire. 4. - Duplexeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dipôle (D) a une longueur sensiblement ég-ale à une demi-longueur d'onde de l'onde à réfléchir. 5. - Duplexeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le cas où une autre onde précitée est à polarisation rectiligne parallèle à la première onde mais de longueur d'onde différente, on dispose parallèlement au dipôle (D1, D3), un deuxième dipôle semblable (D2, D4) distant du premier d'un quart de longueur d'onde de ladite autre onde que l'on veut laisser passer à travers le guide d'onde. 6. - Duplexeur selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on dispose dans le guide d'onde orthogonalement au(x)dit(s) premier(s) dipôle(s) (D1, D2) et en un autre emplacement distant, un dipôle (D3) ou un couple de dipôles (D3, D4) organisé de façon semblable au(x)dit(s) premier(s) dipôle(s) pour le passage à travers le guide d'une troisième et/ou d'une qua trième onde de longueur d'onde et/ou de polarisation différentes des deux premières. 7. - Duplexeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dipôle (D) est monté dans le guide sur un disque (13) ou sur une lame (33) diélectrique fixé(e) dans le guide (10, 30). 8. - Procédé d'utilisation d'un duplexeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en vue d'augmenter la capacité du duplexeur, on fait passer à travers ledit guide (10,20,30) au moins une deuxième onde dont la polarisation est orthogonale à celle de ladite première onde et au moins une autre onde de fréquence différente à celle de la première ou de la deuxième onde.