Brevet FR2678434A1 — publié le 19921231

t Dispositif de filtrage d'ondes électromagnétiques circulant dans un guide d'ondes d'un premier type à symétrie de révolution, à tronçons de guides d'ondes d'un second type insérés. Le domaine de l'invention est celui du filtrage dans les guides d'ondes électromagnétiques Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de filtrage d'ondes circulant dans des guides d'ondes à symétrie de révolution, tels que les guides d'ondes circulaires ou les guides d'ondes coaxiaux utilisés en mode TE 11. L'invention s'applique en particulier au filtrage bi-bandes Une utilisation importante de cette invention est en effet la réalisation de duplexeurs bi-bandes et bipolarisations, notamment lorsque les accès des duplexeurs sont dans le même standard de guide rectangulaire C'est par exemple le cas des bandes 10,95-12,5 G Hz et 14-14,5 G Hz en WR 75 En règle générale, les polarisations horizontales et verticales de ces duplexeurs ne sont pas identiques dans les deux bandes de fréquence considérées. La figure 1 est la représentation schématique d'un tel duplexeur, de type connu Les accès bande haute 11 (par exemple 14-14,5 G Hz) et bande basse 12 (par exemple 10,95-12,5 G Hz) sont en guides d'ondes rectangulaires La sortie 13 vers lélément rayonnant est en guide d'ondes circulaire. Pour la bande basse 12, l'excitation se fait par couplage à l'aide d'une fente dans le duplexeur 14, entre le guide rectangulaire et le guide circulaire Pour qu'il y ait propagation de l'onde vers l'élément rayonnant et non vers l'accès bande haute 11 en guide rectangulaire, il est nécessaire de placer une transition rectangulaire à circulaire 15 et un filtre de polarisation 16 entre l'accès bande haute 11 et le duplexeur 14. On connaît déjà plusieurs types de filtres de polarisation, tels que ceux représentés en figures 2 et 3 La figure 2 présente un filtre à lame métallique 21, et la figure 3 un filtre à fils métalliques 31, 32, 33 Ces éléments métalliques 21 ou 31, 32 et 33, sélectivement placés dans le guide d'ondes 22, permettent d'éliminer une polarisation donc une bande de fréquence donnée. Une erreur de 1 degré dans le positionnement de cette lame 21 ou de ces fils 31, 32, 33 entraîne un découplage (transmission de l'onde électromagnétique de l'accès 11 à l'accès 12) maximum de 35 d B, ce qui est en règle générale insuffisant. Mécaniquement, la réalisation de ces dispositifs demande donc une grande précision dans le placement et la fixation de la lame 21 ou des fils 31, 32, 33 à l'intérieur du guide circulaire 22 Par ailleurs, la fabrication de tels filtres nécessitent plusieurs étapes successives et délicates. L'invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients de ces filtres de polarisation selon l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un dispositif de filtrage pour guides d'ondes à symétrie de révolution qui soit aisément réalisable, du point de vue mécanique, et notamment un dispositif de filtrage ne nécessitant pas le report d'éléments à l'intérieur du guide d'ondes. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel dispositif de filtrage fournissant un découplage satisfaisant, d'au moins 40 à 45 d B. Un objectif particulier de l'invention est de fournir un tel dispositif de filtrage permettant la réflexion totale d'une polarisation, et la transmission totale de l'autre polarisation, dans une bande de fréquence donnée. L'invention a également pour objectif complémentaire de fournir un tel dispositif, permettant de passer d'une polarisation linéaire à une polarisation circulaire. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un dispositif de filtrage d'ondes électromagnétiques circulant dans un élément de guide d'ondes principal d'un premier type à symétrie de révolution, comprenant au moins un tronçon de guide d'ondes secondaire d'un second type ne présentant pas de symétrie de révolution, inséré en substitution dans ledit élément de guide d'ondes principal, le nombre et les caractéristiques géométriques et/ou dimensionnelles desdits tronçons de guide d'ondes secondaires étant choisis de façon à constituer un filtre de profil de filtrage prédéterminé. Ces tronçons de guide d'ondes secondaires introduisent une dissymétrie dans le guide d'ondes principal Selon leurs caractéristiques géométriques, leur nombre et leur espacement, ils permettent par exemple d'obtenir un filtre ayant un coefficient de réflexion proche de 1 pour l'une des polarisations, et un coefficient de réflexion voisin de O pour l'autre polarisation, dans une bande de fréquence donnée Pour d'autres dimensions, il est également possible qu'il n'y ait plus de recoupement entre la bande filtrée et la bande passante du filtre. Dans un mode de réalisation préférentiel, ledit élément de guide d'ondes principal est du type des guides d'ondes circulaires ou du type des guides d'ondes coaxiaux en mode TE,,. Avantageusement, lesdits tronçons de guide d'ondes secondaires sont du type des guides d'ondes rectangulaires. De façon préférentielle, la largeur desdits tronçons de guides d'ondes secondaires rectangulaires est supérieure ou égale au diamètre dudit élément de guide d'ondes principal. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit élément de guide d'ondes principal et lesdits tronçons de guides secondaires sont centrés sur un même axe longitudinal. Avantageusement, le dispositif de l'invention comprend un jeu d'au moins deux tronçons de guide d'ondes secondaires insérés en des emplacements espacés dans ledit élément de guide d'ondes principal. Il apparaît en effet que la qualité du filtrage est fonction du nombre de tronçons secondaires mis en oeuvre On notera par ailleurs qu'il est tout à fait envisageable d'utiliser des tronçons secondaires selon l'invention en combinaison avec d'autres éléments de types connus, tels que les filtres à plaque ou fils métalliques. Dans un mode de réalisation avantageux, le nombre et les caractéristiques géométriques et/ou dimensionnelles desdits tronçons de guides d'ondes secondaires sont déterminés à l'aide de l'analyse modale. Le dispositif de l'invention peut notamment être utilisé pour l'une au moins des applications suivantes: filtrage d'une bande de fréquence dans un élément de guide d'ondes circulaire en mode TE 1 l; filtrage d'une polarisation horizontale ou verticale dans un élément de guide d'ondes circulaire en mode TE,,; transformation d'une polarisation linéaire en polarisation circulaire. Lorsque le dispositif de l'invention est destiné à la transformation d'une polarisation linéaire en une polarisation circulaire, ladite polarisation linéaire est avantageusement parallèle à une diagonale de la section transversale desdits tronçons de guides d'ondes secondaires rectangulaires. L'invention concerne également les duplexeurs mettant en oeuvre un dispositif de filtrage tel que décrit ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est la représentation schématique d'un duplexeur pouvant mettre en oeuvre un dispositif de filtrage selon l'invention; les figures 2 et 3 représentent deux types de filtres de polarisation de types connus, respectivement à lame métallique et à fils métalliques reportés à l'intérieur du guide d'ondes, déjà décrits en préambule; la figure 4 est une représentation schématique d'un élément de filtrage selon l'invention, à tronçon secondaire rectangulaire inséré en substitution dans un guide d'ondes principal circulaire; la figure 5 présente les dimensions du dispositif de filtrage décrit à titre préférentiel, comprenant quatre éléments de filtrage tels que représentés en figure 4; les figures 6 A et 6 B illustrent les coefficients de réflexion du dispositif de la figure 5 lorsque les polarisations du mode TE,, en guide circulaire sont respectivement parallèle et perpendiculaire au petit côté des tronçons de guide rectangulaire. L'invention concerne donc notamment un dispositif de filtrage, réalisé par insertion de tronçons secondaires de guides d'ondes introduisant une dissymétrie dans un guide d'ondes principal à symétrie de révolution. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous en détail, le guide d'ondes principal est un guide d'ondes circulaire, et les tronçons secondaires sont des éléments de guides d'ondes rectangulaires. Il est clair toutefois que l'invention peut être aisément généralisée à d'autres types de guides d'ondes Ainsi, le guide d'ondes principal peut également être, par exemple, un guide d'ondes coaxial en mode TE,, De même, les tronçons rectangulaires peuvent être remplacés par tout guide d'ondes ne présentant pas de symétrie de révolution On peut également utiliser conjointement avec des éléments de filtrage selon l'invention des éléments de guides de type connu, dits à symétrie de révolution, à condition de supprimer leur symétrie, en plaçant par exemple une lame diélectrique suivant l'une des polarisations. La figure 4 illustre, selon une représentation schématique en perspective, un élément de filtrage selon l'invention Le guide d'ondes principal circulaire est séparé en deux parties 41 A et 41 B, entre lesquels un tronçon de guide d'ondes rectangulaire 42 est inséré. En associant plusieurs éléments tels que représentés sur cette figure 4, il est possible de réaliser un filtre précis et efficace, ainsi que l'illustrent les figures 6 A et 6 B présentées plus loin. On constate donc que rusinage d'un tel filtre est très simplifié, par rapport aux filtres représentés en figures 2 et 3 En effet, il n'y a aucun élément à placer à l'intérieur du guide circulaire Il suffit de fixer les uns aux autres les différents tronçons ou bien de réaliser le filtre en deux demi-coquilles. Avantageusement, le guide circulaire 41 A est placé au centre du guide rectangulaire 42, et la section commune 43 aux deux guides d'ondes est circulaire. Dans ce cas, la hauteur du guide rectangulaire 42 est donc au moins égale au diamètre du guide circulaire 41 A* Dans le mode de réalisation décrit, l'ensemble des tronçons 41 A, 42, 41 B sont centrés sur un même axe longitudinal Dans d'autres applications, toutefois, on e> 1 peut prévoir que ces tronçons soient décalés. La géométrie du tronçon de guide rectangulaire (hauteur, largeur et épaisseur), de même que le nombre de tronçons et l'espacement entre ces tronçons, sont fonction des caractéristiques voulues pour le filtre Ces différents paramètres peuvent par exemple être déterminés selon la méthode modale. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, l'invention trouve une application privilégiée dans les duplexeurs bi-bandes et bipolarisations tels que celui représenté schématiquement en figure 1 Dans ce cas, le filtre de polarisation 16 doit transmettre totalement l'une des polarisations, et réfléchir l'autre polarisation. L'exemple chiffré décrit ci-dessous concerne un tel filtre, pour la bande de fréquence 12-13 G Hz. Il est clair cependant que le dispositif de l'invention peut trouver de nombreuses autres applications, tant dans le domaine du filtrage que dans celui de la polarisation. La figure 5 présente donc les cotes d'un filtre, dont les performances sont illustrées par les figures 6 A et 6 B Ce filtre est constitué de quatre tronçons de guides d'ondes rectangulaires 51 A à 51 D' insérés dans le guide d'ondes circulaire 52. Le guide d'ondes circulaire a un diamètre: c = 17,5 mm; Les tronçons rectangulaires ont les dimensions suivantes: largeur: a = 28,5 mm; hauteur: b = 21,26 mm; longueur: d = 10 mm. Uespacement entre deux tronçons rectangulaires est: e = 15,8 mm. Les excitations se font en mode TE,, dans le guide d'ondes circulaire 52. Il est à noter que ce mode de réalisation ne correspond pas à un filtre optimisé, mais vise à permettre la validation d'un calcul logiciel, ainsi que le présentent les figures 6 A et 6 B. La figure 6 A montre en effet la courbe 61 A du coefficient de réflexion du dispositif de filtrage de la figure 5, lorsque la polarisation en mode TE,, en guide circulaire est perpendiculaire au petit côté des tronçons 51 A à 51 D rectangulaires. Dans ce cas, le mode TE,, est complètement transmis sur la bande de fréquence 12-13 G Hz, le coefficient de réflexion étant voisin de 0. L'objectif de ce filtre donné à titre d'exemple est de fournir un résultat de filtrage le plus proche de celui fixé théoriquement par calcul pour une application donnée, représenté par une série de + 61 A. La courbe 62 A de réflexion mesurée montre qu'il est possible, avec le dispositif de l'invention, de conformer les caractéristiques de filtrage de façon précise On constate en effet que la courbe 62 A est très proche des résultats souhaités 61 A. La figure 6 B présente le coefficient de réflexion du même dispositif, lorsque la polarisation du mode TE,, en guide circulaire est parallèle au petit côté des tronçons 51 A à 51 D rectangulaires Le mode TE,, est alors réfléchi totalement pour la bande de fréquence 12-13 G Hz En effet, le coefficient de réflexion proche de 1, et la transmission est donc nulle. A nouveau, on constate que la courbe 62 B mesurée suit de très près les caractéristiques voulues calculées 61 B. Avec ce dispositif de filtrage, des découplages de l'ordre 40 à 45 d B sont obtenus, ce qui correspond aux valeurs obtenues avec les filtres classiques à fils ou à lames, lorsque ces éléments sont bien placés L'invention permet donc de réaliser des filtres au moins aussi efficaces que ceux de types connus, de façon beaucoup plus facile, du point de vue de la fabrication. Les caractéristiques géométriques de ce filtre ont été déterminées selon la méthode modale D'autres modes de calculs peuvent également être envisagés. Avantageusement, la mise au point expérimentale d'un filtre selon l'invention se fait à l'aide d'un logiciel d'optimisation, mettant en oeuvre par exemple cette méthode modale. L'invention n'est bien sûr pas limitée au mode de réalisation décrit cidessus. On peut en effet réaliser par exemple des filtres mettant en oeuvre des tronçons rectangulaires de géométries différentes Ces différents tronçons peuvent alors être accolés ou non, et séparés par des espaces de tailles fixes ou variables. Il est également possible d'utiliser conjointement des tronçons rectangulaires selon l'invention et des dispositifs de filtrage classiques, par exemple à lame ou fils métalliques. Outre le filtrage d'une polarisation (horizontale ou verticale) dans un guide circulaire en mode TE 11, dans le cas o coexiste les deux polarisations linéaires, le dispositif de l'invention peut également être utilisé pour le filtrage d'une bande de fréquence dans un guide circulaire en mode TE, 1, dans le cas d'une polarisation rectiligne. Une autre application du dispositif de l'invention est également la réalisation de polariseurs pour transformer une polarisation linéaire en polarisation circulaire. Un polariseur est un dispositif qui permet de passer d'une polarisation linéaire à une polarisation circulaire Dans le cas de l'invention, la polarisation linéaire doit être parallèle à une diagonale du guide rectangulaire En sortie, on obtient alors une polarisation circulaire, les ondes polarisées horizontalement et verticalement n'ayant pas la même vitesse de phase dans le guide rectangulaire Un polariseur complet peut être réalisé en associant plusieurs éléments selon l'invention ou bien en les associant avec d'autres éléments déjà connus. REVENDICATIONS 1 Dispositif de filtrage d'ondes électromagnétiques circulant dans un élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52) d'un premier type à symétrie de révolution, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tronçon de guide d'ondes secondaire ( 42; 51 A à 51 D) d'un second type, ne présentant pas de symétrie de révolution, inséré en substitution dans ledit élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52), le nombre et les caractéristiques géométriques et/ou dimensionnelles desdits tronçons de guide d'ondes secondaires ( 42; 51 A à 51 D) étant choisis de façon à constituer un filtre de profil de filtrage prédéterminé. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52) est du type des guides d'ondes circulaires ou du type des guides d'ondes coaxiaux en mode TE 11. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits tronçons de guide d'ondes secondaires ( 42; 51 A à 51 D) sont du type des guides d'ondes rectangulaires. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur desdits tronçons de guides d'ondes secondaires ( 42; 51 A à 51 D) rectangulaires est supérieure ou égale au diamètre dudit élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52). 5 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52) et lesdits tronçons de guides secondaires ( 42; 51 A à 51 D) sont centrés sur un même axe longitudinal. 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un jeu d'au moins deux tronçons de guide d'ondes secondaires ( 42; 51 A à 51 D) insérés en des emplacements espacés dans ledit élément de guide d'ondes principal ( 41 A,41 B; 52). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, du type destiné à la transformation d'une polarisation linéaire en une polarisation circulaire, caractérisé en ce que ladite polarisation linéaire est parallèle à une diagonale de la section transversale desdits tronçons de guides d'ondes secondaires rectangulaires ( 42; 51 A à 51 D) 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le nombre et les caractéristiques géométriques et/ou dimensionnelles desdits tronçons de guides d'ondes secondaires ( 42; 51 A à 51 D) sont déterminés par analyse modale. 9 Utilisation d'un dispositif de filtrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, pour l'une au moins des applications suivantes: filtrage d'une bande de fréquence dans un élément de guide d'ondes circulaire en mode TE,,; filtrage d'une polarisation horizontale ou verticale dans un élément de guide d'ondes circulaire en mode TE 1 l; transformation d'une polarisation linéaire en polarisation circulaire. Duplexeur bibande, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de filtrage ( 16) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. f