Brevet FR2627633A1 — publié le 19890825

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 millimétriques et centimétriques de grande puissance se développe actuellement grâce aux généra- teurs et amplificateurs tels que les gyrotrons etc... Les guides d'ondes utilisés sont surdimensionnés afin de pouvoir transmet- tre la puissance nécessaire et de réduire les pertes de transmis- sion. En effet, les champs électriques varient proportionnelle- ment à la racine carrée de la puissance transmise et inversement proportionnellement à celle de la section du guide. D'autre part, si les dimensions du guide sont trop importantes, pour une fréquence de travail donnée, plusieurs modes de propagation peuvent être engendrés ce qui n'est pas acceptable à cause des pertes par conversion de modes parasi- tes. Il faut réaliser un compromis entre les dimensions du guide et la puissance à transmettre. Les circuits actuels de transmission d'énergie hyperfréquence sont généralement constitués d'organes fonction- nant chacun dans des modes de propagation différents: par exemple un générateur en mode TE02, une ligne de transmission en mode TE01, une antenne excitée en mode TEl. Pour les relier, il faut donc convertir le mode de sor- tie d'un élément dans le mode de l'élément suivant. Il existe déjà un certain nombre de transformateur de modes, ils sont de type différents selon le niveau de puissance à transmettre. - Les transformateurs pour faibles puissances sont géné- ralement utilisés pour le passage du mode TEl0 rectangulaire au mode TE01 circulaire. En raison de la faible puissance à passer, les guides ne sont pas surdimensionnés. Selon une première technique, le guide d'ondes circulaire de sortie est couplé au guide d'ondes rectangulaire d'entrée par l'intermédiaire d'orifices placés dans le petit côté du guide rectangulaire, de façon à exciter le mode désiré dans le guide de sortie circu- laire. Ces dispositifs ne peuvent être utilisés à puissance élevée. Une autre technique de réalisation est la déformation progressive d'un guide rectangulaire pour obtenir un guide circu- laire propageant le mode TE01. Ces dispositifs ne peuvent être utilisés lorsque le guide circulaire est surdimensionné pour le mode TE01 et sont de grande longueur. Les dispositifs transformateurs de mode pour puissance élevée de type connu sont réalisés par la mise en cascade de plusieurs éléments. Le guide d'ondes de section rectangulaire propageant le mode TE01 est progressivement déformé pour obtenir un guide de section circulaire monomode, propageant le mode TE 1. Le diamètre du guide d'ondes circulaire est progressivement augmen- té afin de pouvoir passer la puissance nécessaire. La transition du mode TEil au mode TE01 est obtenue par déformation périodi- que des parois du guide. La périodicité des déformations est égale à la longueur d'onde de battement entre le mode d'entrée et le mode de sortie du guide circulaire. Ces transformateurs ont l'inconvénient d'être longs de l'ordre de quelques mètres, d'être onéreux, car la réalisation des déformations est déli- cate, et d'avoir une bande passante très étroite. La présente invention fournit une solution particulière- ment simple pour la réalisation d'un transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence. Ce dispositif permet de transformer le mode TE0 rectangulaire dans le mode TE01 circulaire. Ce transformateur permet de transmettre des puissances élevées et le mode obtenu en sortie est d'une grande pureté. Sa longueur est réduite ce qui est toujours recherché. Selon l'invention, on propose un transformateur de mode pour circuit de transmission d'énergie hyperfréquence, travaillant à grande puissance, intercalé entre un générateur d'ondes électromagnétiques et un guide d'ondes circulaire de sortie propageant le mode TE.1 circulaire, caractérisé en ce qu 'il comporte: - un guide d'ondes rectangulaire fonctionnant dans son mode fondamental TE10 relié par l'une de ses extrémités au générateur d'ondes électromagnétiques et dont l'autre extrémité est fermée; - un guide d'ondes circulaire propageant le mode TM01, ayant une première extrémité reliée au guide d'ondes rectangulaire par une ouverture latérale placée dans le grand côté du guide d'on- des rectangulaire près de son extrémité fermée de telle manière que les axes des deux guides d'ondes soient perpendiculaires - un groupe de guides d'ondes intermédiaires, répartis en cou- ronne devant une deuxième extrémité du guide d'ondes circu- laire, chacun de ces guides d'ondes intermédiaires étant composé d'une succession de tronçons de guide drondes fonctionnant dans le mode TE10 rectangulaire, dont les grands côtés de leur sec- tion droite sont progressivement décalés en rotation les uns par rapport aux autres, dans le même sens, de telle manière que le premier tronçon de chaque guide d'ondes intermédiaire ait ses grands côtés perpendiculaires aux rayons du guide d'ondes circu- laire et que le décalage global entre le premier tronçon et le dernier d'un même guide d'ondes intermédiaire soit de 90 . Selon un premier mode de réalisation, chaque guide d'onde intermédiaire sera composé de trois tronçons de guide d'ondes mis bout à bout, l'angle de rotation du deuxième tronçon par rapport au premier étant de 45 et l'angle de rotation du troisième tronçon par rapport au premier étant. de 90 . Selon un autre mode de réalisation, chaque guide inter- médiaire sera composé d'un guide unique torsadé de 90 en conti- nu autour de son axe et tous les guides d'ondes intermédiaires seront torsadés avec le même pas et dans le même sens. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante illustrée par les figu- res annexées qui représentent 4. - la figure 1, une coupe longitudinale d'un transforma- teur de mode selon l'invention; - les figures 2a à 2c, des coupes transversales des divers éléments du transformateur de mode selon l'lnvention 5. - les figures 3a à 3f, diverses sections possibles pour les tronçons de guides d'ondes intermédiaires; - les figures 4a à 4d, diverses sections possibles pour les derniers tronçons de guides d'ondes. intermédiaires - la figure 5, un guide d'ondes intermédiaire torsadé en continu. Sur ces figures, les mêmes repères désignent les mê- mes éléments. Les proportions entre les différents éléments ne sont pas respectées dans un but de clarté. La figure 1 représente en coupe le transformateur de mode selon l'invention. Ce transformateur de mode est constitué par la juxtapo- sition de différents éléments. Le premier de ces éléments est un guide d'ondes 1 de section rectangulaire fonctionnant dans son mode fondamental, c'est-à-dire le mode TE10. Le guide d'ondes I est excité par un générateur d'on- des électromagnétiques représenté par le bloc 12 et placé à -une première extrémité 2 du guide d'ondes de section rectangulaire. L'autre extrémité 3 du guide d'ondes 1 est fermée. Un guide d'ondes 4 de section circulaire est relié au guide d'ondes 1 de section rectangulaire par une ouverture 10 placée dans le grand côté du guide d'ondes 1 de section rectangu- laire, près de son extrémité fermée. Les axes des deux guides d'ondes sont perpendiculaires. Ce guide d'ondes 4 propage le mode TM01 car la répar- tition du champ magnétique dans le guide d'ondes rectangulaire 1 au niveau de l'ouverture 10 correspond à celle du mode TM01 dans le guide d'ondes 4 de section circulaire. L'ouverture 10 dans le guide d'ondes 1 rectangulaire est de grande dimension, ce qui autorise le fonctionnement aux puissances élevées. Des éléments de correction tels que tiges selfiques, pions capactifs, iris ou tous obstacles métalliques ou diélectriques permettent d'élargir la bande de fonctionnement. Ils seront intercalés de préférence dans le guide d'ondes rectan- gulaire 1 mais également dans le guide d'ondes circulaire 4. Cette structure permet de transformer le mode TE10 rectangulaire dans le mode TM01 circulaire. Un groupe de guides d'ondes Intermédiaires 15 est disposé à l'autre extrémité 9 du guide d'ondes circulaire 4. Ces guides d'ondes intermédiaires 15 sont répartis en couronne à la périphérie du guide d'ondes circulaire 4. Dans notre exemple, il y a quatre guides d'ondes inter- médiaires 15. Leur nombre peut être quelconque mais toutefois supérieur ou égal à deux. Plus ce nombre est grand, plus on pourra passer de puissance et plus le mode obtenu en sortie sera pur. Chaque guide d'ondes intermédiaire 15 est composé d'une succession de n tronçons 5, 5, 5.5n -1 de guide d'on- des, placés bout à bout le long de l'axe Z qui prolonge l'axe du guide d'ondes circulaire 4. C'est le premier tronçon 5 de chaque guide d'ondes intermédiaire 15 qui est relié au guide d'ondes circulaire 4. La section droite des tronçons de guide d'ondes 5, 5', ",... 5n i est rectangulaire ou de forme voisine: trapézoïdale, elliptique, avec angles arrondils... Tous les tronçons 5, 5', 5".5n-, de guide d'ondes sont choisis monomodes et sont alimentés en phase. Tous les tronçons d'un même rang ont la même longueur. Les grands côtés de leur section droite sont progressi- vement décalés en rotation les uns par rapport aux autres dans le même sens. Les grands côtés de chaque' premier tronçon 5 sont perpendiculaires aux rayons du guide d'ondes circulaire 4. Le décalage global entre le premier tronçon 5 et le drnr tronon 5n-1 du mme guide d'ondes ntermdaire 15 est dernier tronçon 5 du même guide d'ondes Intermédiaire 15 est de 90 . Le sens de rotation est le même pour chacun des guides intermédiaires. Sur la figure 1, on a représenté chaque guide d'ondes intermédiaire 15 composé de trois tronçons 5, 5', 5". Dans un même guide d'ondes 15 intermédiaire, le deuxième tronçon 5' est décalé de 45 par rapport au premier tronçon 5 et le dernier tronçon 5" est décalé de 45 par rapport au tronçon 5' et de 90 par rapport au premier tronçon 5. Un guide d'ondes circulaire 8 de sortie est fixé à la suite du groupe de guides d'ondes intermédiaires 15. La figure 2a représente, en coupe selon l'axe AA' les premiers tronçons 5 de guides d'ondes. La répartition du champ électrique est indiquée à l'intérieur de chacun d'entre eux. La répartition du champ électrique dans le guide d'ondes circulaire 4 est aussi représentée car la coupe est faite vers le guide d'on- des circulaire 4. Dans chacun de ces tronçons 5 se propagera le mode TE10 rectangulaire. En effet, la répartition du champ électrique dans le guide d'ondes circulaire 4, à l'ouverture 9 est suivant les rayons de sa section droite. Dans les premiers tronçons 5 de guide d'ondes, cette répartition correspondra à celle du mode TE10 rectangulaire. Afin d'obtenir un fonctionnement optimum, il faudra réaliser un compromis entre les dimensions des premiers tronçons 5 de guide d'ondes, celles du guide d'ondes circulaire 4, ainsi qu'entre la distance entre les axes des premiers tronçons 5 de guide d'ondes et l'axe du guide circulaire 4. Le diamètre du guide d'ondes circulaire 4 à la jonc- tion avec les premiers tronçons 5 composant les guides Intermé- diaires 15 peut être différent du diamètre optimal du guide d'on- des ' circulaire 4 utilisé pour la transition précédente, c'est-à-dire pour la transformation du mode TE10 rectangulaire en mode TM01 circulaire. Dans ce cas une transition de diamètre doit être incor- porée entre le guide d'ondes circulaire 4 et les premiers tron- 7 6 2 7 6 i çons 5 composant les guides d'ondes intermédiaires 15. Il est possible que cette transition se fasse par saut unique comme représenté en 6 sur la figure 1. Cette transition peut se faire aussi par sauts successifs ou progressivement. Dans ce dernier cas on introduira un raccord progressif. La figure 2b représente une coupe le long de l'axe BB' des deuxièmes tronçons 5' de guide d'ondes inhtermédiaire 15. La coupe est faite vers le guide d'ondes circulaire 4. Ces tronçons 5' ont leurs grands côtés décalés de 45 par rapport aux grands côtés des tronçons 5. Ils sont tous déca- lés dans le même sens. La répartition du champ électrique est également repré- sentée. Il se propage aussi le mode TE0 rectangulaire à l'inté- rieur de ces deuxièmes tronçons 5' de guide d'ondes. La figure 2c représente une coupe le long de l'axe CC' des derniers tronçons 5" de guide d'ondes composant les guides d'ondes intermédiaires 15. Ces tronçons 5" de guide d'ondes sont décalés de 45 par rapport aux tronçons 5' représentés sur la figure 2b et décalés de 90 par rapport aux premiers tronçons 5 représentés sur les figures 2a et 2b. La distribution des champs électrlques est Indiquée à l'intérieur de chaque tronçon 5" de guide d'ondes. Le guide d'ondes 8 de section circulaire de sortie est fixé à la suite des derniers tronçons 5" de guide d'ondes composant les. guides d'ondes intermédiaires 15. - Comme précédemment, ce sont les derniers tronçons 5" de guide d'ondes composant les guides d'ondes intermédiaires 15 qui sont répartis en couronne à la périphérie de l'entrée 11 du guide d'ondes circulaire 8 de sortie. Mais cette fois, les grands côtés des tronçons 5" de guide d'ondes sont parallèles aux rayons du guide d'ondes circulaire 8. Sur la figure 2c, le guide d'ondes circulaire 8 de sortie est représenté car la coupe est faite vers la sortie. A la jonction avec le guide d'ondes circulaire 8 de sortie, le champ électrique dans chaque tronçon 5" de guide d'ondes étant perpendiculaire aux rayons du guide d'ondes circu- laire 8 de sortie, c'est le mode TE01 circulaire qui se propagera. Afin d'obtenir un fonctionnement optimum, il faudra réaliser un compromis entre les dimensions des derniers tronçons " de guide d'ondes, du guide d'ondes circulaire 8 de sortie ainsi qu'entre la distance entre les axes des derniers tronçons " de guide d'ondes et l'axe du guide circulaire 8 de sortie. Les figures 3a à 3f représentent diverses sections droites possibles, autres que rectangulaires, pour les tronçons , 5', 5",...5n-1 de guide d'ondes composant les guides intermé- diaires. La figure 3a représente une section en secteur de couronne. La figure 3b représente une section trapézoïdale. La figure 3c représente une section trapézoïdale à coins arrondis. La figure 3d représente une section elliptique. La figure 3e représente une section rectangulaire à quatre côtés bombés. La figure 3f représente une section trapézoïdale à quatre côtés bombés. D'autres formes peuvent être utilisées. Les formes représentées sur ces figures sont particuliè- rement adaptées à la réalisation des premiers tronçons 5 de guide d'ondes. Les sections représentées sur les figures 3a à 3c et 3f permettent de placer un maximum de tronçons 5 de guide d'ondes à la périphérie du guide d'ondes circulaire 4 car elles 30. sont légèrement trapézoïdales. Les sections représentées sur les figures 3d à 3f auto- riseront le passage d'une puissance plus importante à cause de leurs côtés bombés. Les figures 4a Aà 4d représentent diverses formes possi- bles autres que rectangulaires particulièrement adaptées aux sections droites des derniers tronçons 5n-1 de guide d'ondes. Dans ce cas, les grands côtés de ces tronçons de guide d'ondes sont parallèles aux rayons du guide d'ondes circulaire 8 de sor- tie. Ces sections sont trapézoïdales (figure 4a), trapézoïdales à coins arrondis (figure 4b), trapézoïdales avec quatre côtés bombés (figure 4c) elliptiques (figure 4d). D'au- tres formes peuvent être utilisées. Les différents tronçons 5, 5', 5",...5n-1 de guide- d'ondes qui composent un même guide d'ondes intermédiaire 15 n'auront pas forcément la même section droite. En effet, afin d'améliorer l'adaptation entre les guides d'ondes intermédiaires 15 et le guide d'ondes circulaire 8 de sortie, on peut être amené à apporter des corrections en modifiant la section droite des derniers tronçons 5n1 de guide d'ondes. Les éléments portant le repère 7 sur la figure 1 sont des brides de fixation qui permettent de raccorder un guide d'ondes à un autre. Selon une variante, chaque guide d'ondes intermédiaire sera composé d'un seul guide d'ondes torsadé de 90 autour de son axe. La torsade sera continue. Tous les guides d'ondes intermédiaires 15 seront torsa- dés dans le même sens avec le même pas. La figure 5 représente un guide d'ondes Intermédiaire torsadé de 90 de façon continue. Un transformateur de mode selon l'invention fonction- nant dans la bande de fréquence 3,6 GHZ à 3,8 GHZ dont les performances sont les suivantes - Rapport d'ondes stationnaires maximal: 1,05 - Pureté du mode transformé 98% donne des résultats très satisfaisants. Il est constitué des éléments suivants - un guide d'ondes rectangulaire TE10 dont les cotes internes sont 72,14 mm par 34,04 mm; - un guide d'ondes circulaire TM01 dont le diamètre Intérieur est de 69 mm; 5. - un raccord de transition dont le diamètre intérieur est de 85 mm; - quatre guides d'ondes intermédiaires composés chacun de trois tronçons de guide d'ondes rectangulaires identiques fonctionnant dans le mode TE10 rectangulaire. Leurs côtes internes sont de 47,55 mm par 22,15 min. La sortie du transformateur de mode se fait par un guide d'ondes circulaire fonctionnant dans le mode TE01 dont le diamètre intérieur est de 120 mmn. 262 7633 REVENDICATIONS 1. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence travaillant à grande puissance, Intercalé entre un générateur d'ondes électromagnétiques (12) et un guide d'ondes circulaire (8) de sortie propageant le mode TE01 circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte - un guide d'ondes rectangulaire (1) fonctionnant dans son mode fondamental TE10 relié par l'une de ses extrémités (2) au généra- teur d'ondes électromagnétiques (12) et dont l'autre extrémité (3) est fermée; - un guide d'ondes circulaire (4) propageant le mode TM01, ayant une première extrémité reliée au guide d'ondes rectangu- laire (1) par une ouverture latérale (10) placée dans le grand côté du guide d'ondes rectangulaire (1), près de son extrémité (3) fermée de telle manière que les axes des deux guides d'on- des (1, 4) soient perpendiculaires; - un groupe de guides d'ondes intermédiaires (15) répartis en couronne devant une deuxième extrémité (9) du guide d'ondes circulaire (4), chacun de ces guides d'ondes intermédiaires (15) étant composé d'une succession de n tronçons (5, 5', 5",... 5n-1) de guide d'ondes fonctionnant dans le mode TE10 rectangulaire, dont les grands côtés de leur section droite sont progressivement décalés en rotation, les uns par rapport aux autres, dans le même sens, de telle manière que le premier tron- çon (5) de chaque guide d'ondes Intermédiaire (15) ait ses grands côtés perpendiculaires aux rayons du guide d'ondes circu- laire (4) et que le décalage global entre le premier tronçon (5) et le dernier tronçon (5n-) d'un même guide d'ondes intermé- diaire (15) soit de 90 . 2. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que chaque guide d'ondes intermédiaires (15) est compo- sé de trois tronçons (5, 5', 5") de guide d'ondes mis bout à bout, l'angle de rotation du deuxième tronçon (5') par rapport au premier tronçon (5) étant de 45 et l'angle de rotation du dernier tronçon (5") par rapport au second tronçon (5') étant également de 45 . 3. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que chaque guide d'ondes intermédiaires (15) est compo- sé d'un guide unique, fonctionnant dans le mode TE0 rectangu- laire, torsadé de 90 en continu autour de son axe. 4. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que chacun des guides intermédiaires 15 est torsadé, dans le même sens, avec le même pas. 5. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la section droite des tronçons (5, " n-i ', 5",... 5) de guide d'ondes est rectangulaire ou de forme voisine. 6. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la section droite des guides d'on- des intermédiaires torsadés (15) est rectangulaire ou de forme voisine. 7. Transformateur de mode pour circuit de transmis- sion d'énergie hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2 ou 5, caractérisé en ce que la forme de la section droite des tronçons (5, 5', 5",.. 5n-) de guide d'ondes composant un même guide- d'ondes intermédiaire (15) est différente.