Brevet FR2699006A1 — publié le 19940610

Transition compacte entre un guide d'ondes et une ligne TEM. Le domaine de l'invention est celui des éléments de transition hyperfréquences et concerne plus précisément une transition entre un guide d'ondes et une ligne TEM (Transverse Electrique Magnétique). Une transition est un composant hyperfréquence passif permettant de passer d'une technologie hyperfréquence à une autre. I1 est ainsi possible de transmettre un signal hyperfréquence à travers un système comportant des guides d'ondes de formes différentes, par exemple rectangulaires et circulaires, des lignes micro-ruban, des lignes triplaques et/ou des câbles coaxiaux. Le raccord entre ces différentes technologies est réalisé à l'aide de transitions. I1 est fréquent de devoir transmettre un signal entre un guide d'ondes et une ligne TEM. Une ligne TEM est définie comme un jeu de deux conducteurs électriques assurant la transmission d'un signal hyperfréquence. Les câbles coaxiaux, les lignes microruban et les lignes triplaques notamment, constituent des lignes TEM. Une transition guide d'ondes - ligne coaxiale est habituellement réalisée par l'intermédiaire d'une sonde électrique ou d'une boucle magnétique constituant l'extrémité de l'âme du câble coaxial et plongée dans le guide d'onde. Une transition guide d'ondes - ligne microruban est habituellement réalisée en élargissant progressivement la ligne microruban en direction du guide d'ondes, la largeur de son extrémité pouvant ou non être sensiblement égale à la largeur du guide d'ondes. Les transitions guide d'ondes ligne triplaque sont également réalisées de cette manière. Le principal inconvénient de ces transitions est qu'elles présentent un encombrement important dû à la différence des dimensions entre un guide d'ondes et une ligne TEM, notamment la transition pour ligne microruban ou triplaque. De plus, l'adaptation d'impédance est délicate à obtenir et la bande passante des signaux hyperfréquence est affectée par ces transitions. La présente invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients. Plus précisément, un des objectifs de l'invention est de fournir une transition guide d'ondes - ligne TEM présentant un encombrement réduit par rapport à celles existantes, tout en assurant une excellente adaptation d'impédance entre ces composants. Cet objectif, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, est atteint grâce à une transition entre un guide d'ondes et au moins une ligne TEM présentant un conducteur d'électricité introduit dans une section terminale du guide d'ondes selon une direction perpendiculaire à la direction d'extension de ce guide d'ondes, la section terminale étant munie d'un fond formant court-circuit hyperfréquence, cette transition étant caractérisée en ce qu'au moins un obstacle conducteur d'électricité est fixé à l'intérieur de la section terminale, à l'opposé du fond par rapport au conducteur. I1 est apparu que cette structure de transition présente notamment des caractéristiques de compacité, qui la rendent très intéressante dans des systèmes de transmission de signaux hyperfréquence où l'espace est compté. Avantageusement, la section terminale a une forme différente de celle du guide d'ondes et cette section terminale peut présenter des dimensions différentes de part et d'autre de l'obstacle. Afin de diminuer encore plus l'encombrement, la section terminale est au moins partiellement remplie par un matériau diélectrique. Dans ce cas, l'obstacle peut être maintenu fixe dans la section à l'aide du matériau diélectrique, par exemple par collage. Dans un mode de réalisation préférentiel, l'obstacle a la même forme générale que la section terminale. L'obstacle peut être du type empêchant la propagation d'une polarisation dans le guide d'ondes ou dans la ligne TEM. I1 réalise ainsi une réjection d'une polarisation. L'obstacle peut également présenter des moyens de fixation latéraux permettant de le fixer dans la section terminale. Dans un premier mode de réalisation, le conducteur d'électricité de la ligne TEM est constitué par le conducteur central d'une ligne triplaque, les deux plans de masse de la ligne triplaque étant constitués par des prolongements latéraux de la section terminale, dans un second mode de réalisation, par l'âme d'un câble coaxial, et, dans un troisième mode de réalisation, par une piste d'une ligne microruban. Avantageusement, la transition comporte deux lignes TEM dont les conducteurs d'électricité sont chacun partiellement engagés dans la section terminale. I1 est ainsi possible de réaliser une répartition d'énergie sur chacun des conducteurs d'électricité et la transition joue le rôle de répartiteur. La transition de la présente invention peut également être utilisée pour effectuer un changement de niveau, par exemple dans une matrice de Butler. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation préférentiels, donnés à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une transition guide d'ondes - ligne TEM, où deux lignes TEM, constituées par des lignes coaxiales ou microruban, sont utilisées; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une transition guide d'ondes - ligne triplaque mettant en oeuvre deux lignes triplaques; - les figures 3A à 3D représentent quatre modes de réalisation d'obstacles conducteurs d'électricité utilisables dans les transitions de la présente invention; - la figure 4 représente une transition de la présente invention utilisée pour effectuer un changement de niveau. Sur la figure 1, un guide d'ondes 10 est raccordé à une extrémité d'une section terminale 11 à l'aide de boulons de fixation 12, 13. La section terminale 11 est constituée par une portion de guide d'ondes n'ayant pas nécessairement la même taille et/ou la même forme que le guide d'ondes 10. L'autre extrémité de la section terminale 11 comporte un fond 14 à proximité duquel sont réalisés deux orifices 17, 18 de passage de conducteurs électriques 15, 16 de lignes TEM. Ces conducteurs électriques 15, 16 sont par exemple chacun constitués par l'âme d'un câble coaxial ou alors par une piste d'une ligne microruban réalisée sur un substrat tel que le téflon, le verre ou la bakélite. Les conducteurs 15 et 16 sont engagés dans la section terminale 11 selon une direction perpendiculaire à la direction d'extension 19 du guide d'ondes 10 et leurs extrémités 20, 21 sont préférentiellement à égale distance de l'axe central 22 du guide d'ondes 10. L'axe central de la section terminale 11 est aligné avec celui du guide 10. Le fond 14 de la section terminale 11 forme un courtcircuit hyperfréquence et est ici muni d'une échancrure 23, dont la fonction sera précisée par la suite. Selon l'invention, la section terminale 11 comporte au moins un obstacle 24 conducteur d'électricité fixé à l'intérieur de la section terminale 11, à l'opposé du fond 14 par rapport aux conducteurs 15 et 16. La fonction d'un tel obstacle est de réaliser une résonance à l'intérieur de la section terminale, de façon à changer le mode de propagation. Ces obstacles, ou encore éléments rayonnants, sont connus par ailleurs dans le domaine des antennes et sont couramment appelés "patch". On s'est en effet aperçu que la présence d'un tel obstacle dans une section terminale d'un guide d'ondes permet d'améliorer les performances de transmission de l'énergie entre deux structures différentes, ou encore de réduire de façon importante les dimensions de la section terminale, sans nécessiter de lignes à rétrécissement progressif. Les figures 3A à 3D représentent différents modes de réalisation d'obstacles utilisables dans les transitions de la présente invention. La figure 3A est une vue en perspective d'un premier obstacle constitué par une pastille 30 métallique ou alors en un matériau quelconque recouvert d'une couche conductrice. La pastille 30 est ici de forme cylindrique. La figure 3B est une vue de face d'un autre obstacle 31, qui diffère de la pastille de la figure 3A en ce qu'il comporte un orifice axial 32 traversant l'obstacle de part en part. La figure 3C est une vue de face d'un obstacle 33 dont les faces externes comportent des conducteurs parallèles 34 s'étendant parallèlement à l'axe central de l'obstacle et formant une grille. Cette grille peut être réalisée en gravant les conducteurs 34 sur un substrat, par exemple sur du kevlar. L'obstacle peut également résulter d'une métallisation de capton. La figure 3D est une vue de face d'un obstacle 35, similaire à celui de la figure 3A, cet obstacle 35 comprenant deux bras latéraux 36 permettant notamment sa fixation à l'intérieur de la section terminale 11. Les obstacles des figures 3A et 3B ont pour fonction de dévier les signaux hyperfréquence en direction des parois de la section terminale, créant ainsi une résonance en faisant apparaître une fente, circulaire ou non, autour de l'obstacle. Les obstacles des figures 3C et 3D assurent également cette fonction et permettent de plus d'empêcher la propagation d'une polarisation indésirable dans le guide d'onde ou dans la ligne TEM. Ils assurent ainsi, en fonction de leur orientation dans la section terminale, une réjection d'une polarisation donnée, orthogonale ou transversale. Dans le cas de l'obstacle 33, cette réjection est assurée par les conducteurs parallèles, alors que pour l'obstacle 35, la réjection est assurée par les bras latéraux 36. Cette propriété vis à vis de la polarisation peut être astucieusement utilisée dans le cas d'un passage de l'énergie entre une onde de polarisation linéaire et une onde de polarisation circulaire. Les obstacles présentés ci-dessus ne sont bien entendu pas limitatifs et leur configuration peut être modifiée en fonction des caractéristiques que l'on veut conférer à la transition. I1 est par exemple possible d'utiliser des obstacles cylindriques dont les bords sont partiellement tronqués, ou alors des obstacles de forme différente, par exemple carrée ou rectangulaire. Leur forme n'est pas nécessairement identique à celle de la section terminale et il est notamment possible d'utiliser des obstacles cylindriques pour des sections terminales rectangulaires. Les formes et le nombre d'obstacles sont fonction des caractéristiques que l'on veut conférer à la transition. Leur positionnement dans la section terminale dépend également des objectifs à atteindre et ils peuvent être ou non placés dans l'axe 22 du guide d'ondes 10, correspondant à celui de la section terminale 11. En se référant à nouveau à la figure 1, on constate que deux extrémités de conducteurs 15 et 16 sont introduits dans la section terminale 11, à proximité du fond 14. Cela permet d'obtenir, dans le cas d'une transmission d'un signal hyperfréquence du guide d'ondes 10 vers les lignes TEM, deux signaux en opposition de phase sur les conducteurs 15 et 16. Cette caractéristique peut être intéressante dans certaines applications et l'amplitude des signaux hyperfréquence transmis à chacun des conducteurs peut être modifiée en modifiant la profondeur de pénétration des conducteurs dans la section terminale. Les conducteurs représentés sont face à face mais ils peuvent également être dans une autre position relative, par exemple à 90 l'un de l'autre, en fonction de la polarisation des signaux hyperfréquence (orthogonale ou circulaire). On réalise ainsi une répartition d'énergie. Des conducteurs supplémentaires peuvent également être prévus. Dans le cas d'utilisation d'un conducteur unique, celui-ci peut présenter une extrémité engagée dans la section terminale ou alors traverser de part en part cette section terminale. La section terminale 11 peut avoir une forme différente de celle du guide d'ondes 10. Le guide d'ondes 10 peut par exemple être rectangulaire et la section terminale cylindrique. La transition entre ces deux éléments est alors abrupte. La section terminale 11 peut également présenter des dimensions différentes de part et d'autre de l'obstacle 24, c'est à dire que la section notée S1 peut être plus ou moins large que la section S2. La figure 2 est une vue schématique en coupe d'une transition guide d'ondes - ligne triplaque mettant en oeuvre deux lignes triplaques. Sur cette figure, les conducteurs d'électricité des lignes TEM sont constitués par les conducteurs centraux 26, 27 de lignes triplaque, les deux plans de masse de chaque ligne triplaque étant constitués par des prolongements latéraux 24, 25 de la section terminale. Dans ce mode de réalisation, la transition comporte deux obstacles 28, 29 cylindriques conformes à la figure 3A, fixés contre un matériau diélectrique 37 remplissant partiellement la section terminale 11. Les deux obstacles 28 et 29 sont situés sur l'axe 22 du guide d'ondes 10 et de la section terminale 11. A titre d'exemple, une transition de ce type peut présenter les caractéristiques suivantes: - le guide d'ondes 10 est un guide rectangulaire de largeur 9,52 mm (D1) et de hauteur 19,05 mm; - la section terminale 11 est un guide circulaire de diamètre 14 mm; - l'obstacle 28 présente une épaisseur de 0,4 mm et un diamètre de 4,4 mm; - l'obstacle 29 présente une épaisseur de 0,6 mm et un diamètre de 6,4 mm; - les deux obstacles 28 et 29 sont distants de 6,8 mm (épaisseur du diélectrique 37); - la distance D2 séparant l'extrémité du guide d'ondes 10 des conducteurs centraux 26, 27 est de 9,77 mm; - la distance D3 séparant l'obstacle 29 des conducteurs 26 et 27 est de 2 mm; - les conducteurs 26 et 27 sont situés à une distance de 4,5 mm (D4) du fond de l'échancrure 23 réalisée dans le fond 14 de la section terminale; - le diamètre de l'échancrure 23 est de 12 mm; ; - le signal véhiculé dans le guide d'ondes 10 a une fréquence de 12 GHz et une polarisation linéaire. Une telle transition présente un encombrement très réduit puisqu'elle ne rallonge le guide d'ondes que de 10 à 15 mm environ pour un diamètre de 14 à 12 mm. Bien entendu, les sections S3 à S5 peuvent être ici également de diamètres différents et le matériau diélectrique peut remplir une partie plus importante de la section terminale 11. Il est par exemple possible de remplir l'échancrure 23 d'un tel matériau diélectrique. La fonction d'un tel matériau est connue: son fort indice permet de raccourcir les dimensions de la transition en changeant l'indice du milieu de propagation. Ce matériau diélectrique est par exemple de la Rexolite, du Noryl ou du Téflon (marques déposées). Le montage des obstacles dans la section terminale est facilité par la présence de ce matériau diélectrique dans la mesure où il est possible de les coller sur ce matériau. En l'absence de matériau diélectrique à proximité des obstacles, ceux-ci peuvent être montés sur des pions fixés à l'intérieur de la section terminale, ou alors soudés s'ils présentent des bras latéraux conformément à la figure 3D. L'obstacle 28 assure ici essentiellement une fonction d'adaptation d'impédance, alors que l'obstacle 29 augmente la bande passante du signal transmis aux lignes triplaque. Le fait de prévoir une échancrure 23 dans le fond 14 de la partie terminale 11 permet de limiter encore plus l'encombrement de la transition. Un diamètre de 12 mm de cette échancrure permet de limiter la distance D4 à 4,5 mm. Dans une certaine gamme de dimensions, plus ce diamètre augmente, plus la distance D4 peut être réduite. La distance séparant le fond de l'échancrure et les conducteurs 26, 27 dépend de la fréquence du signal à transmettre et est optimisée pour obtenir un maximum d'énergie au niveau des conducteurs 26, 27. Bien entendu, la section terminale 11 du guide d'ondes 10 peut avoir les mêmes dimensions que ce guide d'ondes et les obstacles peuvent dans ce cas être considérés comme compris dans le guide d'ondes. La transition de la figure 2 peut être avantageusement utilisée pour l'alimentation d'antennes imprimées à circuit d'excitation en ligne de mode TEM. Le guide d'ondes véhicule alors un signal hyperfréquence destiné aux antennes et chaque ligne triplaque reçoit un signal déphasé de 180 par rapport à celui reçu par l'autre ligne. Il en résulte astucieusement une excitation en opposition de phase des antennes. La figure 4 représente une transition de la présente invention utilisée pour effectuer un changement de niveau. Les changements de niveau sont souvent nécessaires lorsque, dans un système de lignes TEM rigides (triplaque ou microruban), différentes lignes sont amenés à se croiser physiquement. On réalise alors un changement de niveau de certaines de ces lignes, de manière à éviter des conflits. Les changements de niveau sont habituellement réalisés dans les dispositifs appelés matrices de Butler comprenant des répartiteurs multi-couches. Sur la figure 4 est représenté un changement de niveau réalisé à l'aide d'une transition selon la présente invention, pour transmettre un signal entre deux lignes triplaque situées à des niveaux N1 et N3 différents. Une autre ligne triplaque que l'on veut éviter et qui n'est pas représentée sur cette figure, est présente à un niveau N2. Les extrémités des conducteurs centraux 26, 27 des lignes triplaque se présentent dans un guide d'ondes, correspondant à l'assemblage de deux sections terminales, comportant deux obstacles 40, 41. Ce montage permet une transmission compacte bidirectionnelle de signaux hyperfréquence. D'autres lignes peuvent être prévues, afin de réaliser une répartition de l'énergie, comme par exemple la ligne comportant le conducteur 42. On réalise ainsi une répartition d'énergie en amplitude et phase entre lignes TEM. REVENDICATIONS 1. Transition entre un guide d'ondes (10) et au moins une ligne TEM présentant un conducteur d'électricité (15, 16, 26, 27) introduit dans une section terminale (11) dudit guide d'ondes (10) selon une direction perpendiculaire à la direction d'extension (19) dudit guide d'ondes (10), ladite section terminale (11) étant munie d'un fond (14) formant court-circuit hyperfréquence, caractérisée en ce qu'au moins un obstacle (24, 28, 29, 30, 31, 33, 35, 40, 41) conducteur d'électricité est fixé à l'intérieur de ladite section terminale (11), à l'opposé dudit fond (14) par rapport audit conducteur (15, 16, 26, 27). 2. Transition selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite section terminale (11) a une forme différente de celle dudit guide d'ondes (10). 3. Transition selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite section terminale (11) présente des dimensions différentes de part et d'autre dudit obstacle (24, 28, 29, 30, 31, 33, 35, 40, 41). 4. Transition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite section terminale (11) est au moins partiellement remplie par un matériau diélectrique (37). 5. Transition selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit obstacle (24, 28, 29, 30, 31, 33, 35, 40, 41) est maintenu fixe dans ladite section terminale (11) à l'aide dudit matériau diélectrique (37). 6. Transition selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit obstacle (24, 28, 29, 30, 31, 33, 35, 40, 41) a la même forme générale que ladite section terminale (11). 7. Transition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit obstacle (33, 35) est du type empêchant la propagation d'une polarisation dans ledit guide d'ondes (10) ou dans ladite ligne TEM. 8. Transition selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit obstacle (35) présente des moyens de fixation latéraux permettant de le fixer dans ladite section terminale (11). 9. Transition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit conducteur d'électricité de ladite ligne TEM est constitué par le conducteur central (26, 27, 42) d'une ligne triplaque, les deux plans de masse de ladite ligne triplaque étant constitués par des prolongements latéraux (24, 25) de ladite section terminale (11). 10. Transition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit conducteur d'électricité de ladite ligne TEM est constitué par l'âme (15, 18) d'un câble coaxial. 11. Transition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit conducteur d'électricité de ladite ligne TEM est constitué par une piste (15, 18) d'une ligne microruban. 12. Transition selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte deux lignes TEM dont les conducteurs d'électricité (15, 16, 26, 27) sont chacun partiellement engagés dans ladite section terminale (11). 13. Transition selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour effectuer un changement de niveau.