Brevet FR2749107A1 — publié le 19971128

FILTRE BIMODE A GUIDE D'ONDES CIRCULAIRE La présente invention a pour objet un filtre bimode à guide d'ondes circulaire du type comprenant au moins un élément de réglage d'un paramètre du filtre. Les filtres bimodes à guide d'ondes circulaire sont utilisés très largement dans les multiplexeurs embarqués sur des satellites de télécommunication. Leur fabrication implique une étape compliquée consistant à accorder manuellement le filtre, d'où résulte un coût élevé et un temps de développement important. Dans la configuration de base, on excite deux résonances dans la même cavité de guide d'ondes cylindrique ce qui permet de réduire les dimensions du dispositif. Un autre avantage de cette configuration connue est que l'on peut réaliser des couplages entre des cavités non adjacentes et réaliser également des zéros de transmission. Ceci par exemple est décrit dans l'Article de A.E. WILLIAMS, intitulé "A four-cavity elliptic waveguide filter", publié dans IEEE Transactions MTT-18, de décembre 1970, pages 1100 à 1104 et dans l'Article de A.E. ATIA et Collaborateurs, intitulé "Narrow-bandpass waveguide filters"1 publiée dans IEEE Transactions MMT20, d'Avril 1972, pages 258 à 265. Des couplages croisés peuvent être obtenus à l'intérieur de chaque cavité à l'aide de vis de réglage alors que des couplages croisés entre les cavités adjacentes peuvent être obtenus à l'aide d'iris en forme de croix. En outre, pour permettre à chaque résonance d'être synchrone c'est-à-dire que toutes les cavités aient la même fréquence de résonance, on ajoute d'autres vis de réglage permettant un réglage indépendant et notamment un accord sur une fréquence. I1 en résulte qu'un filtre présente en général au minimum trois vis de réglage pour chaque cavité, chacune de ces vis devant être réglée manuellement. Pour réduire ou éliminer cette étape de réglage, il faut pouvoir disposer d'une représentation ondulatoire complète des vis de réglage. Ceci est certes théoriquement possible, par exemple en mettant en oeuvre la méthode des éléments finis, mais le temps de calcul que nécessite un tel concept est en pratique rédhibitoire. I1 a été récemment proposé dans l'Article de M. GUGLIELMI et Collaborateurs, intitulé "Dual-Mode Filters Without Tuning Screws", publié dans IEEE Microwave And Guided Wave Letters, Volume 2, n 11, de novembre 1992, pages 457 et 458, de résoudre ce problème en utilisant un guide d'ondes à nervures circulaires. L ' Article de XIAO-PENG LIANG, intitulé "Dual mode coupling by square corner cut in resonator and filters", publié dans IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, volume 40, n 12, Décembre 1992, pages 2294 à 2302, propose un guide d'ondes présentant une découpe en forme de carré. Ces deux solutions sont intéressantes mais elles présentent l'inconvénient de nécessiter 1analyse modale d'un guide d'ondes non standard qui met en oeuvre des calculs très compliqués et des temps de calcul très importants. Tout récemment, d'autres géométries ont été proposées, qui ont pour but d'éliminer la nécessité d'éléments de réglage. I1 s'agit de l'Article de R. ORTA et Collaborateurs, intitulé "A new configuration of dualmode rectangular waveguide filters", publié dans les Proceedings of the 1995 European Microwave Conference, à Bologne, en Italie, pages 538 à 542 et de l'Article de S. MORETTI et Collaborateurs, intitulé "Field theory design of a novel circular waveguide dual-mode filter", publié dans les Proceedings of the 1995 European Microwave Conference, de Bologne, en Italie, pages 779 à 783. Cependant, il est nécessaire en pratique de pouvoir disposer d'une commande de fréquence de résonance de manière à compenser les tolérances de fabrication et de permettre le réglage de fréquence très précis qui est nécessaire dans les applications à bande étroite. L'idée de base de l'invention est de mettre en oeuvre une ou plusieurs sections de guide d'ondes elliptique pour réaliser les fonctions désirées. L'analyse modale d'un tel guide d'ondes peut être effectuée rapidement et en outre il est facile de fabriquer un profil elliptique notamment par électroérosion avec une excellente précision, ce qui évite d'avoir à effectuer des réglages ultérieurs. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de s'affranchir des vis de réglage tout en permettant une mise en oeuvre pratique modélisable par ordinateur. L'invention concerne ainsi un filtre bimode à guide d'ondes circulaire comprenant au moins un élément de réglage d'un paramètre du filtre caractérisé en ce que ledit élément est une portion de guide d'ondes elliptique disposée perpendiculairement à un axe longitudinal dudit guide d'ondes circulaire. Le guide d'ondes circulaire est en général couplé à un guide d'ondes d'entrée ayant un champ incident selon une première et une deuxième directions perpendiculaires entre elles et perpendiculaires à l'axe longitudinal du guide d'ondes circulaire. Selon une première variante permettant un réglage indépendant de fréquence d'une cavité bimode, la portion de guide d'ondes elliptique a un axe aligné avec la première direction. Selon une deuxième variante permettant d'obtenir un couplage croisé dans une cavité bimode, une portion de guide d'ondes elliptique a un axe focal formant un angle de sensiblement 45' avec les première et deuxième directions. Dans le cas d'un filtre bimode permettant une seule cavité bimode, le guide d'ondes circulaire peut comporter une cavité couplée audit guide d'ondes d'entrée et à un guide d'ondes de sortie ayant des axes principaux formant entre eux un angle de sensiblement 90'. Dans le cas d'un filtre à au moins quatre pôles, le guide d'ondes circulaire peut comporter au moins une première et une deuxième cavités couplées entre elles par un iris de couplage et comportant chacune une dite portion de guide d'ondes elliptique. Ledit iris de couplage est de préférence un iris elliptique ayant un axe focal perpendiculaire à ladite première direction. Les axes focaux des portions du guide d'ondes elliptique sont avantageusement parallèles entre eux et forment un angle de sensiblement 45 avec ladite première direction. Selon un mode de réalisation préféré, chaque cavité comporte une portion de guide d'ondes elliptique de réglage intercalée entre ladite portion de guide d'ondes elliptique et ledit iris de couplage. La première cavité peut être couplée audit guide d'ondes d'entrée et le filtre peut également comporter un guide d'ondes de sortie couplé à la deuxième cavité, les guides d'ondes d'entrée et de sortie, par exemple des guides d'ondes rectangulaires ou bien elliptiques, ayant des axes principaux parallèles. Le guide d'ondes d'entrée et/ou le guide d'ondes de sortie peut être couplé au guide d'ondes circulaire par une partie de guide d'ondes elliptique dont l'axe focal est parallèle à l'axe longitudinal du guide d'ondes correspondant d'entrée ou de sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins, dans lesquels - les figures la à lc illustrent trois cas d'interface de jonction plane entre un guide d'ondes elliptique et un guide d'ondes circulaire - la figure 2 représente un filtre à cavité bimode selon l'invention dont la figure 3 représente la courbe de réponse pour les modes Sll et S12 - la figure 4 représente un mode de réalisation préféré du filtre selon la figure 2 - la figure 5a illustre un filtre à quatre pôles à deux zéros de transmission dont la figure 5b est la vue en coupe et dont la figure 6 représente un exemple de courbe de réponse pour les modes Sll et S12, alors que les figures 5c à 5h représentent les sections élémentaires du filtre de la figure 5b. La figure la illustre le cas d'une jonction plane entre un guide d'ondes circulaire 1 et un guide d'ondes elliptique 2, dans lequel l'axe focal du guide d'ondes elliptique 2 est aligné avec une direction du champ électrique incident du guide d'ondes circulaire 1. Sur le dessin l'axe focal du guide d'ondes 2 est aligné avec le champ E2 du guide d'ondes circulaire 1. I1 n'existe aucun couplage entre les modes orthogonaux du guide d'ondes circulaire. Cependant, en raison de la différence de dimensions entre les deux axes du guide d'ondes 2, les deux polarisations El et E2 émergent à la sortie de la section du guide d'ondes 2 avec des phases différentes. De ce fait, cette configuration peut être utilisée pour le réglage indépendant de fréquence d'une cavité bimode. Si maintenant le guide d'ondes elliptique est un guide d'ondes 3 dont l'axe focal forme un angle de 45- avec les directions El et E2, comme représenté à la figure lb, les deux polarisations incidentes El et E2 échangent de l'énergie au fur et à mesure qu'elles se propagent le long de la portion du guide d'ondes 3, mais elles émergent à la sortie avec la même phase. De ce fait, cette configuration peut être utilisée pour réaliser un couplage croisé dans une cavité bimode. En outre, le couplage croisé entre des cavités adjacentes, qui est traditionnellement réalisé avec des iris en forme de croix, peut être aussi réalisé à l'aide d'un iris elliptique 4 dont on choisit la dimension des deux axes (focaux et non focaux) pour obtenir l'intensité de couplage désirée pour les polarisations orthogonales. Ceci est représenté à la figure lc. La mise en oeuvre de portions de guide d'ondes elliptiques (ou d'iris de section elliptique) présente l'avantage de permettre de fabriquer un filtre microondes en utilisant des techniques précises telles que la rectification ou l'électro-érosion, qui permettent d'obtenir une précision élevée pour ce type de forme. L'étude électro-magnétique des jonctions planes des figures la à lc peut être effectuée de manière convenable en utilisant la formulation de matrices d'admittance multimodes telle qu'elle est donnée par exemple dans l'Article de A. ALVAREZ et Collaborateurs, intitulé "New Simple Procedure for the computation of the Multimode Admittance Matrix of Arbitrary Waveguide Junction", publié en 1995 dans le IEEE MTT-S Digest, pages 1415 à 1418. Cette formulation permet d'obtenir des résultats fiables et très précis. Des jonctions en cascades peuvent être étudiées de la sorte en écrivant une représentation complète en réseau comme le montre le bas de la figure 2 pour une cavité multimodes unique. Cette représentation en réseau permet d'obtenir facilement un système linéaire qui, par inversion classique, permet de déduire de manière très précise le comportement électrique de la structure complète. L'enseignement du document précité de A. ALVAREZ et Collaborateurs permet de résoudre le problème, en calculant les intégrales de couplage entre les modes des guides d'ondes elliptiques et circulaires. Les modes des guides d'ondes elliptiques sont obtenus de manière classique sous la forme de fonctions de Mathieu. On se reportera en particulier à l'ouvrage de N. MARCUVITZ, intitulé "Microwave Handbook", publié par Peter Peregrinus Ltd à Londres (1986). En pratique, l'utilisation directe des fonctions de Mathieu introduit quelques complexités, ce qui tend à augmenter les temps de calcul. On donnera ciaprès une méthode de calcul qui met en oeuvre la réécriture de l'équation de Helmholtz sous forme de valeurs propres linéaires, et mettant en oeuvre ensuite la méthode des moments. On choisit tout d'abord un jeu de fonctions de base qui satisfont déjà les conditions aux limites en coordonnées elliptiques, ce qui permet de rendre le processus très efficace et précis. Cette analyse modale repose sur la transformation de l'équation de Helmholtz en coordonnées elliptiques sous la forme d'une équation aux valeurs propres dans une matrice équivalente, au moyen de la méthode de Galerkin. On utilise une série de fonctions de base en sinus et en cosinus qui satisfont directement les conditions aux limites de Dirichlet ou de Neumann en ce qui concerne les composantes électriques (modes TM) ou des composantes magnétiques axiales (modes TE). Une telle technique est décrite dans l'Article de A. WEISSHAAR et Collaborateurs, intitulé "A rigorous and efficient method of moments solution for curved waveguide bends", publié dans IEEE Transactions on Microwave, Theory Technique, volume MTT-40, n 12, pages 2200 à 2206, Décembre 1992, ou bien encore dans l'Article de B. GIMENO, intitulé "Multimode network representation for H and E-plane uniform bends in rectangular waveguide", publié dans IEEE MTT-S International Symposyum, pages 241 à 244, Orlando, Floride, USA, Mai 1995. Dans ces Articles, elle a été mise en oeuvre pour décrire le champ électromagnétique dans des régions courbes de manière à permettre l'analyse de courbes uniformes dans un guide d'ondes rectangulaire. La jonction entre les guides d'ondes rectangulaires, circulaires ou elliptiques à un guide d'ondes elliptique peut être calculée sous forme de la représentation en réseaux équivalents multimodes qui est décrite dans l'Article de ALVAREZ et Collaborateurs, intitulé "New Simple Procedure for the Computation of the Multimode Admittance Matrix of Arbitrary Waveguide Junction" précité. L'analyse modale du guide d'ondes elliptique peut être donc réalisée dans un système de coordonnées elliptiques défini comme l'intersection de deux familles d'ellipses cofocales et d'hyperboles cofocales. On se reportera à cet effet à l'Ouvrage de N.W. McLACHLAN, intitulé "Theory and application of Mathieu functions", publié par Dover Publications, Inc., 1ère Edition, New York, USA, 1964. L'étape suivante est la dérivation du champ magnétique total dans des guides d'ondes elliptiques en terme de fonction de mode vectoriel, en tenant compte des conditions ou limites de Dirichlet ou de Neumann pour les modes TM ou TE. On applique ensuite la méthode de Galerkin. On obtient ainsi un système matriciel linéaire de valeurs propres. I1 existe deux familles de modes TM, notées TME et TMO, correspondant respectivement aux solutions paires et impaires des fonctions de Mathieu (voir l'ouvrage de MARCUVITZ précité). Ces modes sont calculés en tenant compte des conditions aux limites de Dirichlet. Il en va de même pour les modes TE. La solution de l'équation de Helmholtz pour les guides d'ondes rectangulaires est bien connue de la littérature technique. On se reportera en particulier à l'Ouvrage de MARCWITZ précité ou bien encore à l'Ouvrage de R.F. HARRINGTON, intitulé "Time-harmonic electromagnetic fields", publié par McGraw Hill Publishing Company, USA, 1961. Ces deux ouvrages permettent également d'effectuer l'analyse modale des guides d'ondes circulaires. Une fois que les modes des guides d'ondes elliptiques rectangulaires et/ou circulaires ont été obtenus, l'étape suivante est d'analyser les discontinuités mentionnées aux figures la à lc. Ceci peut être effectué à l'aide de l'enseignement de l'Article de ALVAREZ et Collaborateurs précité. Pour un mode incident rectangulaire TE10, seuls sont excités dans la discontinuité les modes rectangulaires TEpTMpq avec p impair et q pair, et les modes elliptiques TEe.TMo. Pour une jonction entre un guide d'ondes circulaire et un guide d'ondes elliptique, les intégrales de recouvrement doivent être calculées dans le système de référence lié à l'ellipse, et en conséquence, les coordonnées polaires liées au guide d'ondes circulaire doivent être transformées en coordonnées elliptiques associées au guide d'ondes elliptique. Un filtre à deux pôles présentant un seul iris elliptique épais 22 disposé à l'intérieur d'un guide d'ondes circulaire 20 constituant une cavité unique est représenté à la figure 2. Il permet d'obtenir un couplage entre les deux résonances orthogonales. Le filtre est couplé à un guide d'ondes d'entrée 10, par exemple un guide d'ondes rectangulaire formant avec le guide d'ondes 20 une jonction plane 24, ainsi qu'avec un guide d'ondes rectangulaire de sortie 12 formant avec les guides d'ondes 20 une jonction plane 26. L'iris 22 est disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide d'ondes 20 qui présente une ouverture elliptique 29 dont l'axe focal est incliné à 45 par rapport à l'axe principal x'x (horizontal sur le dessin) du guide d'ondes 10 et à l'axe principal z'z (vertical sur le dessin) du guide d'ondes 12. Les deux résonances sont visibles sur les courbes données à la figure 3. Le filtre a été calculé tout d'abord sous forme d'un calcul en deux parties, à savoir une partie indépendante de la fréquence pour le calcul des modes et des intégrales de couplage, suivie d'une partie dépendante de la fréquence pour la solution du système linéaire obtenu à partir de la représentation complète sous forme de réseaux. La figure 4 représente un mode de réalisation préféré de la figure 2. Les guides d'ondes d'entrée et de sortie 10 et 12 sont couplés aux guides d'ondes 20 par l'intermédiaire de deux portions du guide d'ondes carré 25 et 27. Le guide d'ondes 20 et l'iris 22 sont constitués par un empilement comprenant une section de guide d'ondes circulaire 21, une section de guide d'ondes elliptique 22 et une section de guide d'ondes circulaire 23. Les guides d'ondes 10 et 12 et les sections de guides d'ondes 21, 22 et 23 sont présentés en vue en plan rabattu à la figure 4, de même que les sections de guides d'ondes carrées 25 et 27. Les figures 5a et 5b représentent un filtre à quatre pôles présentant deux zéros de transmission. Le guide d'ondes circulaire 20 présente deux cavités 30 et 40 couplées entre elles par un iris elliptique 34 présentant une ouverture elliptique 39. Les guides d'ondes d'entrée 10 et de sortie 12 sont représentés sous forme de guides d'ondes rectangulaires dont l'axe principal x'x est horizontal alors que l'axe focal z'z de l'iris elliptique 39 est vertical. Une section de guide d'ondes elliptique 31 dont l'axe focal est incliné à 45 par rapport à l'axe focal de l'iris elliptique 39 et à l'axe principal des guides d'ondes 10 et 12 est disposée dans la cavité 30. Une section de guide d'ondes elliptique 32 d'axe vertical peut être disposée entre la section du guide d'ondes elliptique 31 et l'iris elliptique 39. Dans la cavité 40, est disposée une section de guide d'ondes elliptique 41 dont l'axe focal est parallèle à celui de la section de guide d'ondes elliptique 31. Enfin, une portion de guide d'ondes elliptique 42 d'axe vertical peut être disposée entre la portion de guide d'ondes elliptique 41 et l'iris elliptique 34, 39. En outre, des sections de guide d'ondes elliptique d'axe foxal x'x horizontal 12' sont éventuellement présents respectivement entre d'une part le guide d'ondes 10 et la cavité 30, et d'autre part la cavité 40 et le guide d'ondes 12. Chacune des cavités 30 et 40 comporte donc deux portions de guides d'ondes elliptique à savoir une portion de guides d'ondes elliptique 31, 41 qui sert au couplage des résonances en mode dégénéré, et une portion de guide d'ondes elliptique 32, 42 de section interne inférieure à celle des cavités 30 et 40 et qui sert au réglage indépendant de la fréquence. Les figures 5c à 5h repréentent les guides d'ondes 10 et 12 (figure 5c), 30 et 40 (figure 5d), 32 et 42 (figure 5e), 10' et 20' (figure 5f), 34 (figure 5g) et enfin 31 et 41 (figure 5h). EXEMPLE Fig. 5c (al = 19,05 mm (bl = 9,525 mm Fig. 5d d = 24 mm Fig. 5e (a6 = 24 mm (b6 = 20,496 mm Fig.5f (a2 = 12,78 mm (b2 = 4 mm Fig.5g (b8 = 4 mm Fig. 5h (a4 = 24 mm (b4 = 21 mm avec 12 = 1,7 mm ; I3 = Ig = I7 = 5,499 mm ; 14 = 0,5 mm 16 = 0,6 mm ; 18 = 1,39 mm (voir fig. 5b). La figure 6 montre des pôles et des zéros qui sont nettement identifiables mais qui montrent que la structure peut être efficacement utilisée pour un filtre bimode. I1 est bien entendu possible que des filtres d'ordre supérieur à 4 puissent être également réalisés. Ceci implique un nombre de cavités supérieur à 2, le couplage entre deux cavités adjacentes étant réalisé par un iris elliptique. REVENDICATIONS 1. Filtre bimode à guide d'ondes circulaire comprenant au moins un élément de réglage d'au moins un paramètre du filtre, caractérisé en ce que ledit élément est une portion de guide d'ondes elliptique (2, 3, 4, 22) disposée perpendiculairement à un axe longitudinal dudit guide d'ondes circulaire (1, 20, 30). 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'ondes circulaire (20) est couplé à un guide d'ondes d'entrée (10) ayant un champ incident selon une première et une deuxième directions perpendiculaires entre elles et perpendiculaires à l'axe longitudinal du guide d'ondes circulaire 3. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion de guide d'ondes elliptique (22) a un axe aligné avec la première direction. 4. Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion de guide d'ondes elliptique (22) a un axe focal formant un angle de sensiblement 45 avec les première et deuxième directions. 5. Filtre selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le guide d'ondes circulaire comporte une cavité couplée audit guide d'ondes d'entrée (10) et à un guide d'ondes de sortie (12), lesquels ont des axes principaux formant entre eux un angle de sensiblement 90 . 6. Filtre selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le guide d'ondes circulaire comporte au moins une première (20) et une deuxième (30) cavités couplées entre elles par un iris de couplage (34) et comportant chacune une dite portion (31, 41) de guide d'ondes elliptique. 7. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit iris de couplage est un iris elliptique de couplage (34) ayant un axe focal perpendiculaire à ladite première direction. 8. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les axes focaux des portions de guide d'ondes elliptique (31, 41) sont parallèles entre eux et forment un angle de sensiblement 45- avec ladite première direction. 9. Filtre selon une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que chaque cavité (20, 30) comporte une portion de guide d'ondes elliptique de réglage (32, 42) intercalée entre ladite portion de guide d'ondes elliptique (31, 41) et ledit iris de couplage (34). 10. Filtre selon une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la première cavité (20) est couplée audit guide d'ondes d'entrée (10) et en ce qu'il comporte un guide d'ondes de sortie (12) couplé à la deuxième cavité (30) et en ce que les guides d'ondes d'entrée (10) et de sortie (12) ont des axes principaux parallèles. 11. Filtre selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d'ondes d'entrée (10) et/ou de sortie (12) est couplé audit guide d'ondes circulaire (20, 30, 40) par une portion de guide d'ondes elliptique (10', 12') dont l'axe focal est parallèle à l'axe longitudinal du guide d'ondes d'entrée (10) ou de sortie (12) correspondant.