Brevet FR2901918A1 — publié le 20071207

L'invention concerne un guide d'ondes hyperfréquences et son procédé de réalisation, ainsi que son application à un filtre hyperfréquence et notamment un filtre hyperfréquence de très forte puissance. Elle est applicable plus particulièrement à des filtres comportant des lignes de transmission en court-circuit et de longueurs ajustables appelées stubs dans la technique et utilisées pour réaliser des impédances. L'invention concerne également une station d'émission/réception hyperfréquence utilisant le filtre hyperfréquence applicable notamment dans le domaine spatial. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans certains domaines d'applications, on a besoin de filtres hyperfréquences de très forte puissance. C'est le cas, par exemple dans le domaine spatial où la puissance d'émission doit être particulièrement élevée et où les filtres utilisés doivent être efficaces à fortes puissances pour disposer d'une puissance d'émission maximale. C'est le cas, par exemple, dans les systèmes de transmission directe par satellite. Le satellite doit alors pouvoir émettre à une puissance maximale. Mais l'invention est applicable dans tout autre domaine où l'on doit fonctionner à forte puissance. Lorsqu'un guide d'onde est utilisé dans le vide (applications spatiales) et dans le cas de guides d'ondes de fortes puissances on peut déclencher dans certaines zones du guide une avalanche d'électrons appelée effet multipactor. Cet effet multipactor est provoqué par une concentration du champ électromagnétique qui arrache des électrons sur les parois du guide. Les électrons sont alors accélérés vers la paroi opposée du guide. L'impact de ces électrons sur cette paroi provoque à son tour un arrachement d'électrons et ainsi de suite. On assiste ainsi à un phénomène d'avalanche d'électrons qui dégrade les performances électriques du guide et qui peut conduire à une destruction du guide. Ce phénomène se produit donc notamment dans le domaine spatial où les guides fonctionnent dans le vide en l'absence de molécules d'air. La tenue en puissance Multipactor est la puissance maximale à laquelle on peut utiliser un composant sans déclencher l'effet Multipactor. Cette puissance seuil peut être calculée entre deux plaques parallèles à partir de l'équation suivante : P = (1/VMF2) . (Vmulti2/2Zo) • La tension seuil multipactor (Vmuiti) est dépendante du type de matériel utilisé pour la fabrication du guide d'onde, mais cette tension est toujours proportionnelle au produit fréquence - distance critique entre les plaques (f x d). • Le VMF ("Voltage Magnification Factor") est le rapport entre la tension à l'endroit du calcul et la tension à l'entrée du composant. Ce VMF augmente avec la concentration de champ entre les deux plaques à l'endroit de calcul. • L'impédance (Zo) dépend du standard de guide utilisé et de la fréquence de travail (normalement fixés par l'application) Pour réduire cet effet multipactor on peut soit écarter les parois du guide d'ondes pour augmenter Vmulti soit réduire la concentration du champ électrique pour diminuer le VMF. Ces deux solutions posent des problèmes. Si on envisage d'écarter les parois du guide, on réduit la plage de fréquences de fonctionnement et le dispositif aura des difficultés d'adaptation du guide pour toutes les fréquences de gamme de fonctionnement. Pour réduire la concentration du champ électrique à l'endroit critique, il faut modifier la topologie des dispositifs, voire même, dans le cas de filtres, changer de types de filtres. L'invention a pour objet de résoudre ces problèmes et de fournir un guide hyperfréquence et des filtres hyperfréquences dans lesquels la tenue en puissance multipactor a été augmentée notablement. RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne donc un procédé de réalisation d'un guide d'ondes hyperfréquences comportant les étapes suivantes: - une étape de détermination de la ou des zones critiques du guide où se produit une concentration du champ électrique, - une étape de réalisation d'au moins un élargissement du guide d'onde dans la ou les zones 30 ainsi déterminées. Ce procédé est applicable à la réalisation d'un filtre hyperfréquence comportant des lignes de transmission en court-circuit et de longueurs ajustables, telles que des stubs. Ce procédé comporte : - une étape de détermination, dans les stubs, de zones critiques où se produisent des concentrations du champ électrique, - une étape de réalisation d'au moins un élargissement des stubs dans la ou les zones ainsi 10 déterminées. Avantageusement, chaque élargissement est situé à une distance de Xg/4 de la zone de court circuit du stub, Xg étant une longueur d'onde guidée appartenant à la gamme de longueurs d'ondes 15 de fonctionnement du filtre. L'invention concerne également un filtre hyperfréquence réalisé par ce procédé. Chaque stub se présente sous forme d'une croix latine dans laquelle les bras horizontaux perpendiculaires à 20 l'axe du stub correspondent aux dits élargissements. Selon une forme de réalisation de l'invention, les bras horizontaux sont de longueurs inégales. 25 Selon une variante de réalisation de l'invention, au moins un bras horizontal comporte des sections de dimensions différentes. La section la plus proche de l'axe du stub est plus grande que la ou les sections plus éloignées de l'axe du 30 stub. Selon une autre variante de réalisation, au moins un bras horizontal comporte des sections de dimensions différentes, la section la plus proche de l'axe du stub étant plus petite que la ou les 5 sections plus éloignées de l'axe du stub. On peut également prévoir que la face d'extrémité de chaque bras horizontal soit inclinée par rapport à l'axe du stub. Selon une variante de réalisation de 10 l'invention, il est égalment possible de prévoir que la face d'extrémité de chaque bras horizontal possède une forme courbe. L'invention est également applicable à une station d'émission/réception hyperfréquence 15 utilisant le filtre hyperfréquence ainsi décrit. Cette station comporte alors: - un premier diplexeur pour des signaux de polarisation horizontale et comportant un premier filtre de réception et un premier filtre 20 d'émission tel que décrit précédemment, - un deuxième diplexeur pour des signaux de polarisation verticale et comportant un deuxième filtre de réception et un deuxième filtre d'émission tel que décrit précédemment, 25 - un séparateur/combineur de modes polarisations comportant un premier accès pour les signaux de polarisation horizontale connecté au premier diplexeur, un deuxième accès pour les signaux de polarisation verticale connecté au 30 deuxième diplexeur, et un troisième accès connecté à un cornet d'émission/réception. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures 5 annexées qui représentent: - la figure la, une représentation d'un guide permettant d'expliquer l'objet de l'invention, -la figure lb, un exemple de réalisation 10 d'un guide selon l'invention, -la figure 2, un exemple de réalisation d'un filtre selon l'invention, la figure 3, un filtre hyperfréquence comportant des stubs avec une tenue en 15 puissance multipactor faible et présentant un risque de déclenchement de l'effet multipactor, - les figures 4a et 4b, des exemples de réalisation d'un filtre hyperfréquence 20 comportant des stubs selon l'invention, - les figures 5a à 5e, différentes formes de réalisation des stubs d'un filtre hyperfréquence, - les figures 6a à 6c et 7a à 7c, des 25 variantes de réalisation de stubs selon l'invention, - la figure 8, un exemple d'application de l'invention à un émetteur/récepteur hyperfréquence. 30 DESCRIPTION DETAILLEE La figure la représente un guide d'onde gl permettant la propagation d'une onde hyperfréquence. Comme cela est connu, des variations de niveaux d'énergie électromagnétique sont détectables dans le guide. Sur la figure la, on a illustré ces variations de niveaux d'énergie. Des concentrations d'énergie apparaissent. Notamment, dans la zone zl du guide, un maximum cl peut être à l'origine d'un effet multipactor tel qu'il a été décrit précédemment. On peut alors avoir une détérioration de la zone zl du guide. Pour remédier à cela, l'invention prévoit donc d'identifier et de localiser les zones, telle que zl, dans lesquelles il peut y avoir des concentrations d'énergie et de réaliser des élargissements du guide dans ces zones. La figure lb représente donc un exemple de guide selon l'invention dans lequel les parois du guide gl comportent un élargissement ell. Cet élargissement est réalisé de telle façon que la concentration d'énergie dans la zone zl ne puisse pas donner lieu à un effet multipactor. L'invention est également applicable à la réalisation de filtres hyperfréquences. La figure 2 représente une portion d'un filtre comportant des éléments d'adaptation d'impédance couplés en dérivation sur le guide principal et qui se terminent par des courts-circuits. De tels éléments sont appelés stubs dans la technique et seront donc désignés par ce terme dans la suite de la description. On constate que les stubs des filtres sont le siège de concentrations d'énergie électromagnétique. Pour éviter la création d'effets multipactors dans les stubs, on prévoit donc un élargissement dans les zones de concentration d'énergie. Dans un stub, tel que stl, sur la figure 2, pour une longueur d'onde Xg donnée, le maximum de concentration d'énergie se produit à une distance Xg/4 de la face de court circuit ccl du stub. A cette distance de ccl, l'invention prévoit donc des élargissements e12 et e13 sur les deux parois de guidage du stub. Le stub a alors la forme d'une croix latine dont les bras horizontaux sont perpendiculaires à l'axe X du stub sti et qui forment les élargissements e12 e13. En se reportant aux figures 3, 4a et 4b, on va maintenant décrire un exemple d'application de l'invention à un filtre hyperfréquence comportant des stubs. La figure 3 représente un filtre g3 de type connu comportant six stubs st2 à st7. Un maximum d'énergie susceptible de créer un effet multipactor est constaté, dans la zone z3, dans les stubs st4 et st5. L'invention permet d'éviter cet effet multipactor. Pour cela, comme représenté en figure 4a, les tubs st4 et st5 possèdent des élargissements e4 et e5 au niveau de la zone z3. La localisation de ces élargissements a été faite comme cela a été décrit précédemment. Cependant, dans certains cas, la distance entre stubs peut ne pas permettre de prévoir ces élargissements dans un filtre du type de celui de la figure 3. On prévoit alors de répartir les stubs de part et d'autre de l'axe principale du filtre. On obtient alors une configuration telle que représentée en figure 4b. De plus, cette configuration prévoit des élargissements f2 à f7 sur tous les stubs st'2 st'7. La concentration maximale d'énergie étant la plus élevée dans les stubs st'4 et st'5, les élargissements f4 et f5 de ces stubs seront plus grands que les élargissements f3 et f6 des stubs st'3 et st'6 et à plus forte raison que les élargissements f2 et f7 des stubs st'2 et st'7. Les élargissements peuvent avoir différentes formes. Les figures 5b à 7c donnent différents exemples de ces formes. Il s'agit d'éviter la formation d'un effet multipactor dans un stub sul représenté en figure 5a et dans lequel, sans élargissement selon l'invention, on aurait la naissance d'un effet multipactor. Les figures 5b et 5c représentent des stubs sul comportant des élargissements eul et eu2 tels que décrits précédemment. L'élargissement eu2 est plus profond que l'élargissement eul et est prévu pour une concentration initiale d'énergie dans le stub de la figure 5c supérieure à celle du stub de la figure 5b. Le stub de la figure 5d possède des élargissements présentant des sections différentes. Un premier élargissement eu3 est de dimension relativement importante et cet élargissement possède un deuxième élargissement eu'3 de dimension plus petite. Les élargissements eu4 et eu'4 de la figure 5e sont de même type que ceux de la figure 5d mais sont de dimensions différentes pour être efficaces à des niveaux énergétiques différents. Dans ces stubs, les élargissements sont symétriques par rapport à l'axe X des stubs. La figure 6a représente un stub qui possède un élargissement eu5 qui possède lui-même un élargissement eu'5 de plus grande dimension. Les élargissements sont symétriques par rapport à l'axe X du stub et l'élargissement eu'5 est symétrique par rapport à l'axe Y de l'élargissement eu5. La figure 6b représente un stub de même type que celui de la figure 6a mais dans lequel l'élargissement eu'6 n'est pas symétrique par rapport à l'axe Y de l'élargissement eu6. La figure 6c représente un stub qui possède un élargissement eu"7 d'un côté de l'axe X du stub et qui possède, de l'autre côté de l'axe X, un élargissement eu7 qui possède lui même un élargissement eu'7 de plus grande dimension. Il est donc prévu de réaliser des élargissements qui ne sont pas symétriques par rapport aux axes (X) des stubs. Par ailleurs, on peut prévoir que les faces des extrémités des élargissements les plus éloignées de l'axe X d'un stub ne soient pas parallèles à l'axe X. C'est ce qui est représenté en figures 7a et 7b par les faces fa9 et fal0 inclinées par rapport l'axe X. On peut également prévoir que les parois des élargissements présentent des surfaces courbes comme cela est représenté sur la figure 7b. Selon une autre variante de réalisation représentée par la figure 7c, les faces des extrémités fall des élargissements eull peuvent être de formes courbes. Les différentes formes d'élargissements précédentes permettant d'éviter l'effet multipactor ont été décrites dans le cadre d'une application à des stubs d'un filtre, mais elles pourraient être appliquées à tout guide hyperfréquence. En prévoyant des stubs tels que décrits dans l'invention, la tenue en puissance du filtre peut être très fortement augmentée. Par ailleurs, les stubs tels que décrits dans l'invention, ont un volume supérieur à celui sans élargissement représenté en figure 5a. Cette augmentation de volume résulte en une réduction significative des pertes ohmiques. On peut donc utiliser cette invention pour réduire les pertes ohmiques d'un guide d'onde et plus spécialement dans un filtre. En se reportant à la figure 8 on va maintenant décrire un exemple d'application d'un tel filtre dans un équipement d'émission/réception embarqué dans un satellite. Un tel équipement doit pouvoir émettre et recevoir des signaux à des niveaux d'énergie différents. Il doit émettre à un niveau d'énergie maximal et il reçoit des signaux relativement affaiblis. L'équipement de la figure 8 comporte un seul cornet CO commun à l'émission et à la réception. Des filtres diplexeurs DXH et DXV pour, respectivement, les polarisations horizontale et verticale sont connectés aux accès el et e2 d'un séparateur/combineur de modes de polarisations OMT qui est connecté par son accès e3 au cornet d'émission/réception CO. Les filtres de réception FIRxH et FIRxV peuvent être de puissances de fonctionnement relativement faibles. Par contre les filtres d'émission FITxH et FITxV doivent pouvoir fonctionner à des puissances élevées. Les filtres d'émission FITxH et FITxV sont conçus selon l'invention pour permettre des puissances élevées. Il est alors possible de réaliser un équipement tel que représenté par la figure 8 avec un seul cornet CO pour l'émission et pour la réception. L'invention permet donc d'obtenir dans un guide et plus spécialement dans un filtre: - une forte augmentation de la tenue en puissance en évitant les effets multipactor, - une réduction des pertes ohmiques, - une structure totalement compatible avec les méthodes de fabrication actuellement utilisées pour les filtres à "stubs" qui garantissent des valeurs de Produits d'Intermodulation Passifs (PIMP) faibles. - un gain potentiel d'une antenne sur un 10 satellite. On peut combiner les fonctions émission (Tx) et Réception (Rx) sur une seule antenne même si les puissances Tx sont importantes. 15 REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un guide d'ondes hyperfréquences caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de détermination de la ou des zones critiques (zl) du guide (gl) où se produit une concentration du champ électrique, - une étape de réalisation d'au moins un élargissement (ell) du guide d'onde dans la ou les zones ainsi déterminées. 2. Procédé de réalisation d'un filtre hyperfréquence, comportant des stubs (stl à st7, sul), appliquant le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: - une étape de détermination, dans les stubs, de zones critiques (z3) où se produisent des concentrations du champ électrique, - une étape de réalisation d'au moins un élargissement (e12 e4, e5, f2 à f7, eul à eul0) des stubs dans la ou les zones ainsi déterminées. 3. Procédé de réalisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élargissement est situé à une distance de Xg/4 de la zone de court circuit (ccl) du stub, Xg étant une longueur d'onde guidée appartenant à la gamme de longueurs d'ondes de fonctionnement du filtre. 4. Filtre hyperfréquence appliquant le procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque stub (stl) se présente sous forme d'une croix latine dans laquelle les bras horizontaux perpendiculaires à l'axe (X) du stub correspondent aux dits élargissements (e12, el3). 5. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bras horizontaux sont de longueurs inégales. 6. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins un bras horizontal comporte des sections (eu3, eu'3, eu4, eu'4) de dimensions différentes, la section (eu3, eu4) la plus proche de l'axe du stub étant plus grande que la ou les 20 sections (eu'3, eu'4) plus éloignées de l'axe du stub. 7. Filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au moins un bras horizontal comporte des 25 sections (eu5, eu'5, eu6, eu'6) de dimensions différentes, la section (eu5, eu6) la plus proche de l'axe du stub étant plus petite que la ou les sections (eu'5, eu'6) plus éloignées de l'axe du stub. 30 8. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face d'extrémité 15 (fa9, fal0) de chaque bras horizontal est inclinée par rapport à l'axe du stub. 9. Filtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face d'extrémité (fall) de chaque bras horizontal (eull) possède une forme courbe. 10. Station d'émission/réception hyperfréquence appliquant le filtre hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'elle comporte: - un premier diplexeur (DXH) pour des signaux de polarisation horizontale et comportant un premier filtre de réception (FiRxH) et un premier filtre d'émission (FiTxH) selon l'une quelconque des revendications précédentes, - un deuxième diplexeur (DXV) pour des signaux de polarisation verticale et comportant un deuxième filtre de réception (FiRxV) et un deuxième filtre d'émission (FiTxV) selon l'une quelconque des revendications précédentes, - un séparateur/combineur de modes de polarisations comportant un premier accès (el) pour les signaux de polarisation horizontale connecté au premier diplexeur (DXH), un deuxième accès (e2) pour les signaux de polarisation verticale connecté au deuxième diplexeur (DXV), et un troisième accès (e3) connecté à un cornet d'émission/réception (CO).30