Brevet FR2625843A1 — publié le 19890713

TRANSFORMATEUR DE MODE POUR CIRCUIT DE TRANSMISSION D'ENERGIE HYPERFREQUENCE La présente invention concerne un transformateur de mode pour un circuit de transmission d'énergie hyperfréquence. La technique des ondes millémétriques de grande puissance se développe actuellement grace aux générateurs et amplificateurs tels que les gyrotrons, les ubitrons, les lasers à électrons libres etc... L'énergie hyperfréquence est transmise par des guides d'ondes. La section de ces guides a des dimensions qui doivent être choisies en respectant deux contraintes contradictoires - contrainte due à la puissance à transmettre - contrainte due à la nécessité de propager l'énergie si possible dans un mode unique. La puissance à transmettre impose des dimensions suffisamment grandes pour éviter un claquage dû à des champs électriques trop intenses; les champs électriques varient en effet proportionnellement à la racine carrée de la puissance et inversement proportionnellement à la racine carrée de la section du guide. La propagation d'un mode unique dans le guide est assurée au contraire lorsque les dimensions du guide sont inférieures à un seuil bien déterminé, d'autant plus faible que la fréquence est plus grande. Ce seuil est appelé seuil de coupure. Ces impératifs deviennent contradictoires si on cherche à transmettre une puissance élevée à une fréquence élevée. On est alors obligé d'utiliser des guides surdimensionnés dans lesquels plusieurs modes peuvent se propager et d'imposer un mode unique de fonctionnement par un moyen autre que la réduction des dimensions au-dessus du seuil correspondant à la fréquence à transmettre. De plus les circuits de transmission d'énergie hyperfréquence sont généralement constitués d'organes fonctionnant dans des modes électromagnétiques différents, par exemple un générateur en mo.de TE01, une ligne de transmission en mode TE02, une antenne excitée en mode TE1l. Pour les relier il faut donc qu'il y ait conversion, du mode de sortie d'un élément dans le mode de l'élément suivant. Une solution connue au problème de la conversion entre modes consiste à utiliser un guide d'ondes comportant des perturbations périodiques de la géométrie des parois, pour favoriser la conversion entre deux modes présentant le long du guide des battements possédant cette périodicité. Cette solution conduit en général à utiliser des guides d'ondes de longueur importante, par exemple de plusieurs centaines de longueur d'onde. La présente invention fournit une solution particulièrement simple au problème de la jonction entre deux guides de section différente propageant des modes différents. Elle est particulièrement adaptée au cas o l'un des guides fonctionne dans son mode fondamental et ne peut propager que ce mode là, et elle s'avère tout à fait Intéressante pour imposer un mode de propagation principal désiré, dans un guide dont les dimensions autorisent à priori la propagation de plusieurs modes. Selon l'invention, on propose un transformateur de mode pour un circuit de transmission d'énergie hyperfréquence, intercalé entre, d'une part une source d'ondes électromagnétiques fonctionnant dans une bande de fréquences et d'autre part un guide d'ondes devant transmettre de l'énergie dans un mode de propagation unique, vers un circuit utilisateur d'énergie électromagnétique, caractérisé en ce que: - le transformateur a la forme d'un tube conique dont -la grande extrémité est reliée au guide d'ondes; - la source d'ondes électromagnétiques est reliée au tube conique par vne ouverture latérale de telle manière que le tube conique ait une section plus faible que celle du guide d'ondes, dans la région oi se produit l'excitatlon, tandis qu'au centre de l'ouverture, sa section soit celle qu'aurait un guide d'ondes dont la fréquence de coupure, pour le mode choisi, serait la fréquence centrale de la bande de fréquences de travail. Cette structure de transformateur peut être réalisée avec des dimensions particulièrement réduites, tout en restant compatibles avec la puissance à transmettre. Le transformateur selon l'invention peut faire partie d'un amplificateur A ondes progressives. Dans ce cas, un faiseeau d'électrons est introduit par la petite extrémité du tube eonique et l'onde à amplifier est injectée par l'intermédiaire de la source d'ondes électromagnétiques qui pourra se présenter par exemple, sous forme d'un guide d'ondes rectangulaire fonctionnant dans son mode fondamental et ayant une section plus grande que l'ouverture latérale. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées qui représentent - la figure 1: un exemple de transformateur selon l'invention, dans le cas d'un guide d'ondes circulaire propageant vers la droite le mode TE02; - la figure 2a: une coupe du transformateur o sont indiquées les abscisses des zones d'accumulation maximale d'énergie quand la fréquence d'excitation varie; la figure 2b: une coupe du transformateur o la jonetion entre le tube conique et la source d'ondes électromagnétiques est parfaitement adaptée, grâce à des volets. - la figure 3a: une variante de réalisation du transformateur, dans laquelle la petite extrémité du tube conique est fermée; - la figure 3b: une application de l'invention à un amplificateur à ondes progressives. Sur ces figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Les proportions entre les différents éléments ne sont pas respectées dans un but de clarté. La figure 1 représente en coupe un transformateur selon l'invention. Ce transformateur a la forme d'un tube conique 1. La grande extrémité de ce cône est reliée à un guide d'ondes 2 qui transmet de l'énergie électromagnétique vers un circuit utilisateur d'énergie électromagnétique. Le guide d'ondes représenté est un guide d'ondes de section circulaire qui propage vers la droite un mode unique TEon circulaire. Dans notre exemple on a choisi le mode TEo2. Le tube conique 1 est un tube à section circulaire. La petite extrémité 6 du tube conique peut être ouverte comme représenté sur la figure. Une source d'ondes électromagnétiques 3 est reliée au tube conique i par une ouverture latérale 4 située dans la partie centrale du tube conique. Cette source d'ondes électromagnétiques 3 est constituée par exemple d'un tube hyperfréquence suivi d'un guide d'ondes 5 d'excitation. Le tube hyperfréquence n'est pas représenté. L'axe y du guide d'ondes 5 est essentiellement perpendiculaire à l'axe z du guide d'ondes 2. Cette source d'.ondes électromagnétiques 3 est destinée à exciter le guide d'ondes 2 autour de la fréquence de fonctionnement f. o Le fonctionnement du transformateur est le suivant pour une excitation donnée on cherche à ce que le guide d'ondes 2 ne transmette qu'un seul mode, celui que l'on choisit et qui est différent du mode de propagation du guide d'ondes d'excitation 5. Dans un guide d'ondes de section donnée, à une fréquence de fonctionnement donnée, il y a plusieurs modes de' propagation possibles. Pour chaque mode il existe une fréquence de coupure. A cette fréquence le guide se comporte conmme une cavite résonnante et l'énergie ne se propage pas. Pour qu'il y ait propagation d'énergie il faut donc travailler, pour un mode donné, à une fréquence légèrement supérieure ou augmenter le diamètre du guide. Avec un guide de forme conique, on obtient une concentration d'énergie électromagnétique tout en permettant la propagation d'une partie de cette énergie vers sa grande extrémité, c'est-à-dire du côté o le diamètre du tube conique 1 augmente. Dans la région centrale de l'ouverture latérale 4, dans une zone du tube conique 1 ayant pour abscisse zo, on impose que la fréquence centrale f de la bande de fréquences O de travail, soit la fréquence de coupure du mode que l'on choisit et qui se propagera dans le guide d'ondes 2. Il suffit pour cela de choisir convenablement les dimensions de la section du tube conique, dans cette région d'abscisse z. Ces dimensions sont appelées les dimensions de o coupure. En effet, il existe une relation, pour un mode de propagation donné, entre les dimensions du guide et la fréquence de coupure. A titre d'exemple, dans un guide de section circulaire pour le mode TE02 cette relation est 211fcao = 7,0156 c c est la vitesse de la lumière a est le rayon du guide f est la fréquence de coupure Si la fréquence centrale de la bande de fréquences de travail est de 30 GHz on obtiendra en z un diamètre de coupure de 2,233 centimètres. On placera donc l'ouverture 4, qui relie le guide 5 au tube conique 1 à l'endroit o le diamètre du tube conique a cette valeur. Si l'on excite cette région autour de la fréquence f,0 au moyen de la source d'ondes électromagn-tiques 3, cette région se comportera essentiellement comme une cavité résonnante dans laquelle l'énergie ne se propage pratiquement pas mais o les champs électriques sont très élevés. Le couplage avec les régions voisines sera fort et le mode de propagation qui se développera préférentiellement sera le mode pour lequel la fréquence de coupure est fo (le mode TE02 dans l'exemple choisi). Il faudra néanmoins que le champ électrique dans le guide d'excitation 5 ait des composantes compatibles avec celles du champ électrique du mode se propageant dans le guide circulaire 2. Le guide d'ondes 5 excitant le tube conique sera de façon préférentielle un guide d'ondes de section rectangulaire propageant autour de la fréquence f le mode TE01. C'est le mode fondamental pour les guides de section rectangulaire. Cela signifie que c'est le mode pour lequel la fréquence de coupure est la plus basse. Ce mode de propagation est unique, c'est-à-dire que ce guide ne peut propager que ce mode-là, à la fréquence fo Le mode de propagation TE01 dans le guide d'ondes 5, de section rectangulaire permet bien d'exciter dans le guide circulaire un mode TEon. En effet, dans un guide d'ondes rectangulaire propageant le mode TE01, les lignes de champ électrique sont parallèles au petit côté du guide. Dans un guide d'ondes circulaire, propageant un mode TEon, les lignes de champ électriques sont circulaires et sont situées dans des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal. A la jonction 4, les grands côtés du guide d'ondes 5 de section rectangulaire étant parallèles à l'axe z du guide d'ondes 2 circulaire, les composantes du champ électrique dans le guide d'ondes rectangulaire correspondent bien à celles du champ électrique dans le guide d'ondes 2 circulaire propageant un mode TE on On préfère ne pas utiliser de guide circulaire ou carré comme guide d'excitation car même dans le mode fondamental on peut obtenir deux modes de fonctionnement selon l'orientation des lignes de champs électriques. L'énergie transmise par la source d'ondes électromagnétiques 3, se propagera essentiellement vers le guide d'ondes 2 de transmission, c'està-dire du côté o le diamètre du tube conique 1 augmente. Il n'y aura pratiquement pas de transmission vers l'autre extrémité 6 du tube conique 1, car son diamètre devient plus petit que le diamètre de coupure. Son diamètre est trop petit pour propager le mode excité TE02 à des fréquences voisines de fo. Si l'on excite la région du tube conique 1 d'abscisse z à une fréquence f1 voisine de fo la région d'accumulation d'énergie maximum n'aura plus l'abscisse zo mais une abscisse z1. Cette abscisse z sera légèrement décalée vers le;guide d'ondes 2 de transmission si f1 est inférieure à fo A l'inverse si l'on excite la région du tube conique 1 d'abscisse z0 à une fréquence f2 supérieure à f,' la région d'accumulation d'énergie maximum aura une abscisse z2 légèrement décalée vers l'extrémité 6 du tube conique 1 ayant une section plus faible. Ces variantes sont représentées sur la figure 2a. Le couplage reste possible tant que l'abscisse de la région d'accumulation d'énergie maximum se trouve encore dans l'embouchure 4 du guide d'ondes 5 d'excitation de section rectangulaire. Les dimensions du guide d'ondes 5 d'excitation de section rectangulaire sont toutefois limitées. Plus l'angle du tube conique I augmente, plus la bande de fréquences du couplage augmente, mais plus l'intensité du couplage diminue car le tube conique 1 propage déjà de l'énergie dans des régions d'abscisse très voisines de zo mais décalées vers le guide d'ondes 2 et l'énergie électromagnétique emmagasinée diminue. Pour obtenir une adaptation parfaite d'un mode à l'autre on peut être amené à ajuster les dimensions du guide d'ondes 5 d'excitation à la jonction. On peut pour cela ajouter des volets 7 en sortie du guide d'ondes 5 d'excitation à la jonction avec le tube conique 1 afin de réduire les dimensions de l'ouverture 4. Cette variante est représentée sur la figure 2b. L'invention est susceptible de variantes suivant notamment la nature du circuit qui termine le tube conique vers sa petite extrémité 6. Cette petite extrémité 6 peut être en court-circuit c'est-à-dire fermée comme représenté sur la figure 3a. Une variante particulièrement intéressante est représentée à la figure 3b. Il s'agit d'utiliser ce transformateur de mode à l'entrée d'un amplificateur du type gyrotron à ondes progressives par exemple. Un canon à électrons 10, produisant un faisceau électronique axial, est placé à l'extrémité 6 du tube conique, du côté du petit diamètre. L'onde électromagnétique à amplifier est introduite par l'intermédiaire du guide d'excitation 5. EUlle s'amplifie le long du guide d'ondes 2 et est envoyée dans un guide d'ondes, non représenté, aboutissant par exemple à une antenne. Dans ce cas, le guide d'ondes 2 se terminera par une fenêtre 12 en alumine par exemple. Un champ magnétique est créé par des bobines non représentées, selon l'axe z. Dans ce cas on redoute les oscillations parasites qui peuvent se produire à une fréquence comprise entre la fréquence f0 et la fréquence de coupure du guide de transmission 2. La fréquence du guide de transmission 2 est inférieure à fo. Pour une fréquence comprise dans cette gamme de fréquences, le diamètre du tube conique 1 qui correspondra à la coupure sera placé à une abscisse z4 comprise entre z et l'entrée du guide d'ondes 2 de section circulaire. Si l'on tapisse de matériau absorbant l'intérieur du tube conique 1 dans la région voisine de l'entrée du guide d'ondes 2 de section circulaire, ces fréquences parasites se trouveront amorties sélectivement. On peut également être amené à utiliser un maptéri:' so!ido, absorbant les ondes de fréquence sensiblement supérieures à f qui viendraient du guide d'ondes d'excitation o 5. Ce matériau absorbant tapissera l'intérieur du tube conique 1 dans une région comprise entre l'ouverture latérale 4 et l'extrémité 6 du tube conique. Si le guide d'ondes 2 de transmission est de section rectangulaire, le transformateur de modes selon l'invention sera sans inconvénient constitué d'un tube conique de section rectangulaire. Les dimensions de la section du transformateur de mode, à la coupure pourront être calculées pour que à- cet endroit du cône, dans le mode choisi, la fréquence de travail soit la fréquence de coupure. A titre d'exemple voici les dimensions d'un tube conique transformaht le mode TE01 rectangulaire en mode TE02 circulaire et donnant de très bons résultats. Ce tube conique a une section circulaire. son petit diamètre est de 13 mm son grand diamètre est de 30 mm sa longueur est de 60 cm. REVENDICATIONS 1 - Transformateur de mode pour un circuit de transmission d'énergie hyperfréquence, intercalé entre d'une part, une source d'ondes électromagnétiques (3) fonctionnant dans une bande de fréquence et d'autre part un guide d'ondes (2) devant transmettre de l'énergie dans un mode de propagation unique, vers un circuit utilisateur d'énergie électromagnétique, caractérisé en ce que: - le transformateur a la forme d'un tube conique (1) dont la grande extrémité est reliée au guide d'ondes (2), - la source d'ondes électromagnétiques (3) est reliée au tube conique (1) par une ouverture latérale (4) de telle manière que le tube conique (1) ait une section plus faible que celle du guide d'ondes (2) dans la région o se produit l'excitation, tandis qu'au centre de l'ouverture, sa section soit celle qu'aurait un guide d'ondes dont la fréquence de coupure, pour le mode choisi, serait la fréquence centrale (f) de la bande de fréquences de travail. 2 - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'ondes électromagnétiques (3) est constituée d'un tube.hyperfréquence relié au tube conique (1) par l'intermédiaire d'un guide d'ondes (5) d'excitation, de section rectangulaire fonctionnant dans son mode fondamental. 3 - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la section du guide d'ondes (5) d'excitation, à la jonction avec le tube conique (1), est réduite par des volets (7) afin d'adapter le couplage. 4 - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la petite extrémité (6) du tube conique est ouverte. u! - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications '1 à 3, caractérisé par le fait que la petite extrémité du tube conique (6) est en court-circuit. 6 - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 1 A 3, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un amplificateur à ondes progressives, l'onde à amplifier étant injectée par le guide d'ondes d'excitation (5) et un canon à électrons (10) produisant un faisceau électronique axial étant placé à l'extrémité (6) du tube conique (1). 7 - Transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intérieur du tube conique (1) est tapissé de matériau absorbant dans les régions se situant d'un côté ou de l'autre de l'ouverture latérale (4) afin d'amortir les oscillations parasites se produisant à des fréquences voisines de la fréquence centrale de fonctionnement.