Brevet FR2984612A1 — publié le 20130621

Joint tournant hyperfréquence L'invention concerne un joint tournant destiné à guider des ondes électromagnétiques entre deux accès. L'invention concerne plus particulièrement la réalisation de joints tournants pour effectuer la transmission d'ondes électromagnétiques entre une première pièce et une 5 deuxième pièce, mobiles l'une par rapport à l'autre, selon un mouvement de rotation autour d'un axe. De tels dispositifs peuvent par exemple être utilisés dans des radars à antennes balayantes. Ils sont disposés entre d'une part un générateur et/ou un récepteur d'ondes hyperfréquences et d'autre une antenne à laquelle on souhaite faire subir des mouvements de rotation sans 10 interrompre ses fonctions d'émission ou de réception. Le fonctionnement d'une antenne se fait généralement sur des canaux séparés, l'un pour l'émission et l'autre pour la réception. L'invention trouve une utilité particulière dans la bande de fréquence Ka utilisée dans la communication entre des satellites et des stations terrestres. Du coté des 15 satellites, l'émission est par exemple réalisée autour de 20GHz et la réception autour de 30GHz. L'invention n'est bien entendu pas limitée à cette bande de fréquence. On a mis en oeuvre des joints tournants dans lesquels les différents canaux d'émission et de réception sont multiplexés dans un même 20 canal de transmission. Un des accès du joint tournant est de type coaxial fonctionnant en mode TEM (Mode dans lequel le champ électrique est réduit à sa composante radiale et le champ magnétique à sa composante azimutale.). La fonction de transfert du joint tournant est alors insensible à la rotation du joint. Mécaniquement l'âme du guide coaxial peut être fixe et 25 l'enveloppe en rotation. Cette solution est très simple à mettre en oeuvre car le joint tournant ne concerne qu'un seul guide d'onde dans lequel plusieurs canaux sont multiplexés. Cette solution nécessite l'utilisation d'un diplexeur en aval du joint tournant pour séparer les canaux. 30 L'invention vise à se passer de diplexeur et à réaliser un joint tournant où les guides d'onde des différents canaux sont séparés. Cette solution présente l'avantage de permettre une meilleure adaptation de chaque guide d'onde au canal qu'il véhicule. L'invention vise aussi à réaliser un joint tournant possédant peu de pièces mécaniques et donc facile à réaliser. A cet effet, l'invention a pour objet un joint tournant destiné à guider des ondes électromagnétiques entre deux accès, le joint permettant de faire pivoter mécaniquement un des accès par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation, caractérisé en ce qu'il comprend deux demi-coquilles mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe, en ce qu'un guide d'onde de forme torique autour de l'axe est formé entre les deux accès, les deux demi-coquilles formant les parois du guide d'onde, en ce qu'un premier des deux accès est réalisé dans une première des deux demi-coquilles et un second des deux accès est réalisé dans une seconde des deux demi-coquilles, et en ce que chacun des deux accès comprend une transition permettant un changement de direction de propagation entre une direction dans l'accès considéré et une direction annulaire autour de l'axe de rotation dans le guide d'onde. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente en coupe un exemple de joint tournant conforme à l'invention ; la figure 2 représente en perspective le joint tournant de la figure 1 ; les figures 3A et 3B représentent en perspective deux demi-25 coquilles formant le joint tournant de la figure 1 ; la figure 4 représente le détail d'un accès au joint tournant de la figure 1 ; la figure 5 représente l'accès de la figure 5 en coupe ; la figure 6 représente un autre accès en coupe. 30 la figure 7 représente en coupe une variante de joint tournant selon l'invention ; la figure 8 représente en coupe le détail d'un accès du joint tournant de la figure 7. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes 35 repères dans les différentes figures. La figure 1 représente un joint tournant 10 destiné à guider des ondes électromagnétiques entre des accès. Le joint tournant 10 permet de faire pivoter mécaniquement un accès par rapport à un autre autour d'un axe 5 de rotation 11. Sur la figure 1 les accès n'apparaissent pas et le guide d'onde est représenté en coupe dans un plan contenant l'axe 11. Dans l'exemple représenté, le joint tournant 10 comprend deux voies de transmission comprenant chacune deux accès et un guide d'onde 12 ou 13 de forme torique autour de l'axe 11. Les deux guides d'onde 12 et 13 sont 10 concentriques autour de l'axe de rotation 11. Le fait de disposer de deux guides d'onde dans un joint tournant est intéressant pour alimenter les deux voies émission et réception d'une antenne. Il est bien entendu que l'invention peut être mise en oeuvre pour autant de voies que souhaitées. Le joint tournant 10 comprend deux demi-coquilles 14 et 15 15 mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe 11. Les deux demi-coquilles 14 et 15 forment les deux pièces mécaniques principales du joint tournant 10. D'autres pièces mécaniques nécessaires au guidage des deux pièces peuvent bien entendu être ajoutées, comme par exemple un ou plusieurs roulements ou butées à billes. Les deux demi-coquilles 14 et 15 20 forment les parois du guide d'onde. Les deux demi-coquilles 14 et 15 ont des formes circulaires autour de l'axe 11 permettant de conserver une même section sur toute la longueur des guides d'onde 12 et 13. Plus précisément, le plan de coupe de la figure 1 montre les deux guides 12 et 13 perpendiculairement à la direction de propagation dans les guides. Dans ce 25 plan de coupe, les guides d'onde 12 et 13 ont une section rectangulaire qui est conservée lors de la rotation des deux demi-coquilles 14 et 15. La section des guides d'ondes 12 et 13 se retrouve pour tout autre plan de coupe contenant l'axe de rotation 11 sauf au niveau des accès qui seront détaillés plus loin. Une section rectangulaire présente l'avantage d'être facile à 30 réaliser par exemple par usinage. D'autres formes de section sont bien entendu possibles, comme par exemple des sections circulaires ou encore des formes plus complexes comme des sections rectangulaires dans lesquelles des saillies apparaissent dans les parois. La figure 2 représente le joint tournant 10 en perspective. Sur cette figure on distingue les accès aux guides d'onde 12 et 13. Plus précisément, Le joint tournant 10 comprend deux accès 16 et 17 au guide d'onde 12 et deux accès 18 et 19 au guide d'onde 13. Afin de permettre la rotation des accès, pour le guide d'onde 12, l'accès 16 est réalisé dans la demi-coquille 14 et l'accès 17 est réalisé dans la demi-coquille 15. De même, pour le guide d'onde 13, l'accès 18 est réalisé dans la demi-coquille 14 et l'accès 19 est réalisé dans la demi-coquille 15. Dans l'exemple représenté, les accès à chacun des guides d'onde 12 et 13 permettent chacun de guider une onde se propageant hors du joint tournant 10 suivant une direction parallèle à l'axe de rotation 11. Les directions de propagation dans les accès 16 et 18 ont été matérialisées sur la figure 2 par des flèches, 20 pour l'accès 16 et 21 pour l'accès 18. Il est bien entendu possible de prévoir des accès dont les directions de propagation ne sont pas parallèles à l'axe de rotation 11 en fonction de la configuration de composants amont et aval au joint tournant 10. Les figure 3A et 3B représentent en perspectives les deux demi-coquilles 14 et 15 à distance l'une de l'autre. Cette figure permet de distinguer des transitions 26 à 29 appartenant chacune à un des accès, respectivement 16 à 19 et permettant une changement de direction de propagation entre la direction parallèle à l'axe de rotation et une direction annulaire autour de l'axe de rotation dans le guide d'onde. Les figures 4 et 5 représentent en détail un accès au joint tournant 10, par exemple l'accès 16. On retrouve la transition 26 permettant un changement dans la direction de propagation d'une onde électromagnétique entre l'accès 16 et le guide d'onde 12. La figure 4 représente l'accès 16 en perspective par l'extérieur de la demi coquille 14 et la figure 5 représente ce même accès en coupe par une surface cylindrique centrée sur l'axe de rotation 11 du joint tournant et formant une surface médiane du guide d'onde 12. Sur la figure 5, on a également représenté par une flèche 22 la direction de propagation d'une onde électromagnétique dans le guide d'onde 12 au niveau de l'accès 16 ainsi que la direction de propagation 20 déjà évoquée plus haut. Les directions de propagation 20 et 22 sont perpendiculaires au niveau de l'accès 16 et la transition 26 est formée par un pan incliné dont une direction normale est la bissectrice des deux directions 20 et 22. Pour faciliter la fabrication de la transition 26, par exemple par usinage, le pan incliné peut être remplacé par un escalier comme représenté pour toutes les transitions 16 à 19 dans les différentes figures. Pour ne pas surcharger les figures, le pan incliné porte le même repère que la transition qu'il assure. Le pan incliné de différentes transitions est formé dans un pavé solidaire de la demi-coquille dans laquelle la transition est formée et à laquelle appartient l'accès considéré. Par exemple la transition 26 est formée sur un pavé 30 dimensionné pour obstruer sensiblement le guide d'onde 12 en ne laissant subsister entre les deux demi coquilles 14 et 15 qu'un jeu fonctionnel suffisant pour éviter tout frottement dans le mouvement des deux demi coquilles 14 et 15 entre elles. De même sur la figure 6, un pavé 31 est formé dans la demi-coquille 15. Un pan incliné est réalisé dans le pavé 31 pour réaliser la transition 27. Avantageusement, pour éviter les fuites d'ondes électromagnétiques du guide d'onde 12 en direction de l'arrière du pavé 30, l'avant du pavé 30 étant formé par le pan incliné 26, le joint tournant 10 comprend un piège radiofréquence 32 à haute impédance réalisé dans le pavé 30. On retrouve un piège 32 semblable réalisé dans le pavé 31. Le piège 32 est par exemple formé par une rainure réaliée dans la partie basse du pavé considéré, c'est-à-dire dans la surface du pavé la plus proche de la demi-coquille à laquelle le pavé n'appartient pas. Le piège 32 est par exemple situé à une distance du pan incliné égale au quart de la longueur d'onde moyenne (À/4) à laquelle est destiné le guide d'onde associé. La profondeur de la rainure peut également être égale à À/4. Des essais permettront d'affiner la forme et les dimensions du piège 32 pour améliorer son efficacité. Avantageusement, le long de sa direction annulaire de propagation, chacun des guides d'onde 12 et 13 est bordé dans un plan de joint 35 séparant les deux demi coquilles par deux pièges radiofréquence à haute impédance et disposés de part et d'autre de chacun des guides d'onde. Le plan de joint 35 est perpendiculaire à l'axe de rotation 11. Ces pièges sont par exemple visibles sur la figure 1. Les pièges 36 et 37 sont réalisés de part et d'autre du guide 12. Le piège 37 peut être situé entre les deux guides d'onde 12 et 13. Le piège 38 longe l'extérieur du guide d'onde 13. Ainsi, le guide d'onde 13 est bordé par les pièges 37 et 38. Les trois pièges 36, 37 et 38 peuvent être réalisés de façon semblable au moyen de rainures réalisées dans des faces en regard des deux demi-coquilles 14 et 15. Ces faces suivent sensiblement le plan de joint 35. La distance entre ces faces est la plus faible possible tout en permettant l'existence d'un jeu fonctionnel évitant le contact entre les deux demi-coquilles 14 et 15. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, des rainures sont réalisées dans chacune des demi-coquilles 14 et 15. Les rainures de chaque pièges sont réalisées en regard l'une de l'autre. En variante, sur la figure 6, le piège 36 n'apparait que dans la demi-coquille 15. En regard de ce piège, la demi-coquille 14 ne comporte qu'une face plane référencée 39 sur la figure 5. Comme précédemment, la profondeur des rainures permettant de réaliser les pièges 36, 37 et 38 est par exemple de l'ordre de À/4. Les rainures sont disposées à une distance de l'ordre de À/4 de la paroi du guide d'onde associé. La rotation des deux demi-coquilles autour de l'axe 11 est limitée angulairement par les pavés 30 et 31. Plus précisément, la longueur maximale du guide d'onde 12 est obtenue lorsqu'une face arrière 40 du pavé 30 vient au contact d'une face arrière 41 du pavé 31. La longueur du guide d'onde 12 est mesurée angulairement autour de l'axe de rotation 11. Pour le pavé 30, la face arrière 40 est opposée au pan incliné 26 et pour le pavé 31, la face arrière 41 est opposée au pan incliné 27. Il est possible de limiter encore le débattement angulaire des deux demi-coquilles 14 et 15 autour de l'axe de rotation 11. A cet effet, le joint tournant 10 comprend une butée 42 qui permet de réduire la longueur du guide d'onde 12 en y plaçant la butée 42. Plus précisément, la butée 42 forme une excroissance réalisée dans une des demi-coquilles, la demi-coquille 14 dans l'exemple représenté. Lors de la rotation du joint tournant 10, la butée 42 vient au contact de la face arrière 41 du pavé 31. La butée 42 est visible sur la figure 3A. Lorsque le joint tournant 10 possède plusieurs guides d'onde concentriques, il est possible de ne placer qu'une seule butée dans un des guides d'onde. On peut aussi placer une butée dans chacun de guides d'onde comme représenté sur la figure 3A. Une butée 43 est disposée dans le guide d'onde 13. La butée 43 est solidaire de la demi-coquille 14. Avec un joint tournant possédant deux demi-coquilles 14 et 15, on obtient un débattement angulaire du joint tournant 10 qui est obligatoirement inférieur à 360° du fait de butés ou simplement du fait de la présence des pavés qui font office de butée comme on l'a évoqué plus haut. Les figures 7 et 8 permettent d'illustrer un joint tournant 50 dont le débattement angulaire est supérieur à 360°. A cet effet, il est possible de réaliser un joint tournant 50 comprenant une coquille intermédiaire 51 mobile en rotation autour de l'axe 11. La coquille intermédiaire 51 est disposée entre les deux demi-coquilles 14 et 15. On peut laisser tourner la coquille 51 librement autour de l'axe 11. Lorsque le joint tournant ne comporte qu'une seule voie de transmission, un premier guide d'onde 52 de forme torique est formé entre la demi-coquille 14 et la coquille intermédiaire 51 et un second guide d'onde 53 de forme torique est formé entre la demi-coquille 15 et la coquille intermédiaire 51. Le joint tournant 50 comprend en outre une transition 54, visible sur le figure 8, réalisée dans la coquille intermédiaire 51 et permettant à une onde de se propager entre les deux guides d'onde 52 et 53. Dans l'exemple représenté sur la figure 7, le joint tournant 50 comprend deux voies de transmission comprenant chacune deux guides d'onde associés par une transition réalisée dans la coquille intermédiaire 51. Tous les guides d'onde du joint tournant 50 sont de forme torique autour de l'axe 11. Les guides 52 et 53 sont associés pour former une première voie et des guides 55 et 56 sont associés pour former une seconde voie. Le guide d'onde 55 est formé entre la demi-coquille 14 et la coquille intermédiaire 51 et le guide d'onde 56 est formé entre la demi-coquille 15 et la coquille intermédiaire 51. Les deux guides d'onde 52 et 55 sont concentriques autour de l'axe de rotation 11. De même, les deux guides d'onde 53 et 56 sont concentriques autour de l'axe de rotation 11. La transition 54 représentée sur la figure 8 peut bien entendu être mise en oeuvre entre les guides d'onde 55 et 56. La transition 54 comprend deux pans inclinés 57 et 58 formés dans un pavé 59 solidaire de la coquille intermédiaire 51. Comme précédemment, les pans inclinés 57 et 58 peuvent être remplacés par des marches d'escalier comme représentés sur la figure 8. Le pan incliné 57 permet à une onde se propageant suivant une direction 60 dans le guide d'onde 53 de suivre une direction 61 perpendiculaire à la direction 60. Le pan incliné 58 permet à une onde se propageant suivant une direction 61 dans la transition 54 de suivre une direction 62 dans le guide d'onde 52.5 REVENDICATIONS1. Joint tournant destiné à guider des ondes électromagnétiques entre deux accès (16, 17, 18, 19), le joint (10 ; 50) permettant de faire pivoter mécaniquement un des accès (16, 17, 18, 19) par rapport à l'autre autour d'un axe de rotation (11), caractérisé en ce qu'il comprend deux demi- coquilles (14, 15) mobiles en rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe (11), en ce qu'un guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) de forme torique autour de l'axe (11) est formé entre les deux accès (16, 17, 18, 19), les deux demi-coquilles (14, 15) formant les parois du guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56), en ce qu'un premier (16, 18) des deux accès est réalisé dans une première (14) des deux demi-coquilles et un second (17, 19) des deux accès est réalisé dans une seconde (15) des deux demi-coquilles, et en ce que chacun des deux accès (16, 17, 18, 19) comprend une transition (26, 27, 28, 29) permettant un changement de direction de propagation entre une direction (20, 21) dans l'accès considéré (16, 17, 18, 19) et une direction annulaire (22) autour de l'axe de rotation (11) dans le guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56). 2. Joint tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux accès (16, 17, 18, 19) permettent chacun de guider une onde se 20 propageant hors du joint tournant suivant une direction (20, 21) parallèle à l'axe de rotation (11). 3. Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, le long de sa direction annulaire de propagation (22 ; 25 60, 62), le guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) de forme torique est bordé dans un plan de joint (35) séparant les deux demi coquilles (14, 15) par deux pièges radiofréquence (36, 37, 38) à haute impédance et disposés de part et d'autre du guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56). 30 4. Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la transition (26, 27, 28, 29 ; 54) est formé par un pavé (30, 31 ; 59) solidaire de la demi coquille (14, 15) dans laquelle la transition est formée, le pavé (30, 31 ; 59) obstruant sensiblement le guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) de forme annulaire, le pavé (30, 31 ; 59) comprenant unpan incliné (26, 27, 28, 29 ; 57, 58) permettant le changement de direction de propagation. 5. Joint tournant selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un piège radiofréquence (32) à haute impédance réalisé dans le pavé (30, 31 ; 59) pour éviter les fuites d'ondes électromagnétiques du guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) en direction de l'arrière du pavé (30, 31 ; 59), l'avant du pavé (30, 31 ; 59) étant formé par le pan incliné (26, 27, 28, 29 ; 57, 58). 6. Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs voies de transmission comprenant chacune deux accès (16, 17, 18, 19) et un guide d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) de forme torique autour de l'axe de rotation (11) et en ce que les différents guides d'onde (12, 13 ; 52, 53, 55, 56) sont concentriques autour de l'axe de rotation (11). 7. Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une butée (42, 43) permettant de limiter le 20 débattement angulaire des deux demi-coquilles (14, 15) autour de l'axe de rotation (11). 8. Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une coquille intermédiaire (51) mobile en 25 rotation autour de l'axe de rotation (11), en ce qu'un premier guide d'onde (52, 55) de forme torique est formé entre la première demi coquille (14) et la coquille intermédiaire (51), en en ce qu'un second guide d'onde (53, 56) de forme torique est formé entre la seconde demi coquille (15) et la coquille intermédiaire 51) et en ce que le joint tournant (50) comprend en outre une 30 transition (54) réalisée dans la coquille intermédiaire (51) permettant à une onde de se propager entre les deux guides d'onde (52, 53, 55, 56).