Brevet FR3030907A1 — publié le 20160624

COUPLEUR DE JONCTION A MODE ORTHOGONAL ET SEPAFtATEUR DE POLARISATIONS ET DE FREQUENCES ASSOCIE La présente invention concerne le domaine des télécommunications spatiales. La présente invention concerne plus particulièrement un coupleur de jonction à mode orthogonal et un séparateur de polarisations et de fréquences associé. La présente invention s'applique aux sources à polarisation linéaire mono ou multi bandes pour tous les types d'antennes à réflecteur en mono et multi faisceaux. L'invention peut trouver par exemple, une application dans le domaine spatial pour des antennes à bord d'un satellite ou pour des antennes dans des stations terrestre dites stations sol. Dans le domaine des télécommunications spatiales, les antennes demandent des niveaux de découplage de polarisation inférieurs à -50 dB pour les applications mono faisceau et inférieurs à -35 dB en multifaisceaux. Pour atteindre ces niveaux de performance, il est nécessaire d'utiliser des architectures radiofréquences complexes notamment au niveau des chemins de recombinaison des signaux à polarisation verticale et horizontale. Pour atteindre ces performances, il est connu d'utiliser, au niveau des sources pour les antennes, des excitateurs à quatre bras à base de coupleur de jonction à mode orthogonal (également connu sous le sigle anglosaxon OMJ pour « OrthoMode Junction") comprenant quatre accès de couplage et des systèmes de recombinaison des polarisations. Le coupleur de jonction à mode orthogonal a pour fonction d'extraire ou exciter les deux modes de polarisation linéaire. Cependant ce dispositif rend complexe le système de recombinaison des polarisations notamment au niveau du routage des guides avec une implantation sur deux couches pour réaliser cette fonction. Ce système de recombinaison complexe pénalise donc l'encombrement et la masse des sources. De plus, l'utilisation d'une telle architecture sur des antennes grégoriennes est plus difficile à aménager en raison de l'encombrement de la source et des mauvais champs de vue générés impactant les diagrammes de rayonnement. A titre d'illustration, la figure 1 représente un exemple de mode de réalisation d'une telle architecture dans une configuration bibande. Le dispositif comprend un coupleur de jonction à mode orthogonal 10 dont une extrémité est connectée à un cornet 12 par l'intermédiaire d'un dispositif de transformation. Une deuxième extrémité est connectée à un séparateur de polarisation 14 (également connu sous le sigle anglosaxon OMT pour "OrthoMode Transducer») par l'intermédiaire d'un filtre sous coupure 13. Chacun des quatre accès de couplage du coupleur 10 est connecté à un bras de filtrage 15. Les sorties de ces bras de filtrage 15 sont recombinées 2 à 2 par l'intermédiaire d'un diviseur " H " 17 également appelé «T magique» avec charge 19. Le dernier accès de chaque sommateur 17 correspond à un port d'entrée/sortie du dispositif. De même, les deux accès du séparateur de polarisation 14 non connectés au filtre sous coupure 13 correspondent à deux autres ports d'entrée/sortie du dispositif. La figure 2 représente un deuxième type d'architecture connu de l'art antérieur permettant d'obtenir les performances requises. Ce dispositif comprend un cornet 12 connecté à un séparateur de polarisation 14 afin de séparer les deux modes de polarisation du signal et chacun des deux bras du dit séparateur de polarisation 14 est ensuite connectée à un duplexeur 16 afin d'extraire les deux bandes de fréquence présentes dans le signal. Cette deuxième architecture a l'avantage de présenter un nombre réduit de composants hyperfréquence pour réaliser la fonction de séparation des bandes de fréquences et des polarisations. Cependant, elle s'applique uniquement lorsque les bandes de fréquences sont suffisamment rapprochées. De plus, l'utilisation d'un séparateur de polarisation 14 asymétrique rend la séparation des polarisations plus sensible en raison de l'excitation possible de modes supérieurs. Il est également connu l'utilisation d'un coupleur de jonction à mode orthogonal 10 à deux accès de couplage. La figure 3 en illustre un exemple de mode de réalisation. Dans cette figure, une extrémité du coupleur de 35 jonction à mode orthogonal 10 est connectée à un cornet 12 par l'intermédiaire d'un dispositif de transformation de polarisation 11 et une deuxième extrémité est connectée à un séparateur de polarisation 14 par l'intermédiaire d'un filtre sous coupure 13. Chaque accès de couplage du coupleur 10 est connecté à un bras de filtrage 15. Les deux sorties du séparateur de polarisation et les sorties des bras de filtrage 15 définissent des ports d'entrée/sortie du dispositif. Cette architecture a l'avantage d'être simple et peu encombrante cependant elle offre un niveau de découplage entre les modes de polarisation relativement réduit. Cette configuration offre seulement un niveau de découplage de polarisation HorizontaleNertical d'environ -18 - -22 dB alors que les besoins sont de -50 dB pour les missions à couverture mono-faisceau formée et -35 dB en multifaisceaux. Ce mauvais découplage peut s'expliquer par le déséquilibre du champ électrique lié à l'utilisation d'une seule fente de couplage par polarisation au niveau du coupleur de jonction à mode orthogonal. Un but de l'invention est notamment de corriger tout ou partie des inconvénients précités en proposant une solution permettant de réduire à la fois l'encombrement et la masse des sources en polarisation linéaire tout en garantissant un niveau de performances au moins équivalents aux sources actuelles en polarisation linéaire. A cet effet, l'invention a pour objet un coupleur de jonction à mode orthogonal comportant une enveloppe délimitant une cavité de couplage, des signaux électromagnétiques polarisés suivant au moins deux modes de polarisations linéaires orthogonales étant aptes à se propager à l'intérieur de la cavité de couplage, ledit coupleur comprenant deux accès, dits accès d'entrée/sortie, traversant ladite enveloppe et débouchant dans ladite cavité de couplage, lesdits deux accès d'entrée/sortie étant alignés selon un axe dit longitudinal au coupleur de jonction et disposés à des extrémités opposées du coupleur de jonction, ledit axe longitudinal étant définit par la direction de propagation des signaux électromagnétiques, trois fentes débouchantes, dites fentes de couplage, sont pratiquées 35 dans l'enveloppe du coupleur de jonction, lesdites trois fentes de couplage traversant un plan dit transversal au coupleur de jonction, ledit plan transversal étant sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal, deux desdites trois fentes de couplage étant alignées selon un premier axe dit transverse au coupleur de jonction, la section desdites deux fentes de couplage étant de même dimensions et de même orientation, les deux fentes de couplage étant configurées pour se coupler avec une des deux polarisations linéaires orthogonales des signaux électromagnétiques se propageant entre les deux accès d'entrée/sortie, la troisième fente de couplage étant située sur un deuxième axe dit 10 transverse au coupleur de jonction, ledit deuxième axe transverse étant sensiblement orthogonal au premier axe transverse. Suivant un mode de réalisation, une fente, dite fente image, est pratiquée dans l'enveloppe du coupleur, ladite fente image traversant le plan transversal et étant en vis-à-vis de la troisième fente de couplage, la section 15 de ladite fente image étant de même dimensions et de même orientation que la section de la troisième fente de couplage, une extrémité de ladite fente image débouchant dans la cavité de couplage et l'autre extrémité étant fermée par un plan de court circuit. Suivant un mode de réalisation, les deux fentes de couplage des deux 20 accès de couplage alignés selon l'axe transverse sont configurées pour se coupler avec la polarisation linéaire verticale, la troisième fente de couplage étant configurée pour se coupler avec la polarisation horizontale. Suivant un mode de réalisation, les deux fentes de couplage des deux accès de couplage alignés selon l'axe transverse sont configurées pour se 25 coupler avec la polarisation linéaire horizontale, la troisième fente de couplage étant configurée pour se coupler avec la polarisation verticale. Suivant un mode de réalisation, la section transversale de la cavité de couplage est prise parmi une forme sensiblement carré, rectangulaire, circulaire ou l'elliptique. 30 Suivant un mode de réalisation, les fentes de couplage sont orientées de façon à permettre un couplage électrique. Suivant un mode de réalisation, les fentes de couplage sont orientées de façon à permettre un couplage magnétique. Suivant un mode de réalisation, un accès d'entrée/sortie est connecté à un plan de court circuit ou un filtre sous coupure. L'invention a également pour objet un séparateur de polarisations et de fréquences comprenant un coupleur de jonction à mode orthogonal selon un des modes de réalisation précédent, ledit coupleur comprenant deux accès d'entrée/sortie et trois fentes de couplage, un accès d'entrée/sortie étant connecté à une antenne et l'autre accès étant connecté à un plan de court-circuit, une fente de couplage formant un accès de polarisation et les deux autre fentes de couplage étant réunies par l'intermédiaire d'un sommateur pour former un autre accès de polarisation. Suivant un mode de réalisation, un bras de filtrage est connecté à 15 chaque fente de couplage et le plan de court circuit connecté à un accès d'entrée/sortie est remplacé par un filtre sous coupure. Suivant un mode de réalisation, les bras de filtrage et le sommateur sont réalisés selon une technologie prise parmi la technologie guide d'onde, la technologie coaxiale ou la technologie microruban. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : Les figures 1 à 3 représentent des exemples de mode de réalisation de séparateurs de polarisations et de fréquences connus de l'art antérieur ; La figure 4 représente un exemple de source d'émission/réception 30 comprenant au moins un mode de réalisation d'un séparateur de polarisations et de fréquences selon l'invention ; 20 25 La figure 5 représente un exemple de mode de réalisation d'un coupleur de jonction à mode orthogonal selon l'invention ; La figure 6 représente une coupe transversale d'un exemple de mode de réalisation d'un séparateur de polarisations et de fréquences selon l'invention ; La figure 4 présente un exemple de mode de réalisation d'une source d'émission/réception. Cette source peut être placée devant le réflecteur d'une antenne L'exemple de source présentée est configurée pour fonctionner sur deux bandes de fréquences, une bande de fréquence en émission et une seconde bande en réception. A cet effet, la source comprend deux séparateurs de polarisations et de fréquences 40, chaque séparateur de polarisations et de fréquences étant configuré pour fonctionner sur des bandes de fréquences distinctes. Cet exemple n'est nullement limitatif et la source peut être mono bande ou multi bandes avec un nombre de bandes de fréquence supérieur à deux. Les séparateurs de polarisation et de fréquences 40 sont configurés pour séparer ou coupler les signaux à polarisations orthogonales (verticales et horizontales) se propageant à l'intérieur de ces derniers. On rappelle que par convention, si on considère une base orthogonale directe (4, 4, gz) et si on considère que le signal électromagnétique se propage selon la direction du vecteur éz, on parle de polarisation verticale, ou V, si le champ électrique dudit signal électromagnétique est orienté selon la direction du vecteur éx et de polarisation horizontale s'il est orienté selon la direction du vecteur 4. Dans le cas où le cornet 12 fonctionne sous une polarisation différente de celle du séparateur de polarisations et fréquences 40, la source peut comprendre un dispositif de transformation de polarisation 11 entre le séparateur de polarisations et de fréquences 40 et l'antenne 12. Par exemple, dans l'exemple illustré figure 4, l'antenne cornet 12 fonctionne en polarisation circulaire et le dispositif de transformation 11 est configuré pour transformer les ondes linéaires (horizontales ou verticales) provenant du séparateur de polarisations et de fréquences 40 en ondes en polarisation circulaire et inversement. Le séparateur de polarisations et de fréquences 40 comprend un 35 coupleur de jonction à mode orthogonal 10. Un tel coupleur 10 est également connu sous le terme anglosaxon " OrthoMode Junction" ou OMJ. A titre d'exemple, la figure 5 illustre un mode de réalisation d'un tel coupleur 10. Ce dispositif est destiné à extraire ou exciter les deux modes de polarisation des signaux électromagnétiques se propageant à l'intérieur dudit coupleur 10. Le coupleur de jonction 10 comprend une enveloppe permettant de délimiter un volume intérieur formant une cavité de couplage. La section transverse de cette cavité de couplage peut être par exemple de forme sensiblement carré, sensiblement rectangulaire, sensiblement circulaire ou sensiblement elliptique. La cavité de couplage est configurée pour permettre la propagation de signaux électromagnétiques polarisés suivant au moins deux modes de polarisations linéaires orthogonales vertical et horizontal. Le coupleur de jonction à mode orthogonal 10 comprend deux accès dits accès d'entrée/sortie 105. Ces accès 105 traversent ladite enveloppe et débouchent dans la cavité de couplage. Des signaux électromagnétiques polarisés suivant deux modes de polarisations linéaires orthogonales est apte à se propager entre ces deux accès d'entrée/sortie 105. Ces accès d'entrée/sortie 105 sont sensiblement alignés selon un axe AL dit longitudinal au coupleur de jonction 10 et disposés à des extrémités opposées dudit coupleur de jonction 10. L'axe (AL) longitudinal est définit par la direction de propagation des signaux électromagnétiques entre les accès d'entrée/sortie 105. Trois fentes débouchantes, dites fentes de couplage 101, 102 sont pratiquées dans l'enveloppe du coupleur de jonction 10. Ces trois fentes de couplage 101, 102 traversent un plan Tr dit transversal au coupleur de jonction 10. Ce plan transversal -rr est sensiblement perpendiculaire à l'axe AL longitudinal. Les trois fentes 101, 102 débouchent chacune dans la cavité de couplage. Ces fentes de couplage 101, 102 sont orientées de façon à permettre un couplage électrique ou un couplage magnétique. Ces trois fentes de couplage 101, 102 forment trois accès de couplage pour le coupleur de jonction à mode orthogonal 10. A titre d'exemple, des fentes orientées selon une direction longitudinale de la cavité de couplage permettent un couplage magnétique. Le couplage électrique sera obtenu avec une rotation de 90° de la fente. Deux desdites trois fentes de couplage sont alignées selon un premier axe ,8^-r2 dit transverse au coupleur de jonction 10. Les deux fentes de couplage 102 sont sensiblement identiques. Les dimensions de leur section et l'orientation des fentes sont sensiblement identiques. Ces deux fentes de couplage 102 sont toutes les deux configurées pour se coupler avec une des deux polarisations linéaires orthogonales des signaux électromagnétiques se propageant entre les deux accès d'entrée/sortie 105, soit toutes les deux selon la polarisation verticale, soit toutes les deux selon la polarisation horizontale. La troisième fente de couplage 101 est située sur un deuxième axe àà-r1, dit transverse au coupleur de jonction 10. Ce deuxième axe transverse Ar est de direction sensiblement orthogonale au premier axe transverse AT2. Cette fente de couplage 101 est configurée pour se coupler avec la polarisation différente de celle se couplant avec les deux fentes de couplage 102 en vis-à-vis. Le fait de coupler (ou séparer) le signal électromagnétique selon une polarisation avec deux fentes de couplage sensiblement identiques et selon l'autre polarisation avec une fente de couplage permet d'améliorer le découplage entre les deux polarisations. Le couplage (ou la séparation) d'une polarisation particulière à l'aide de deux fentes permet d'affiner les lignes de champs de ce signal et de favoriser cette polarisation par rapport à l'autre. Suivant un mode de réalisation particulier, une fente débouchante supplémentaire, dite fente image, est pratiquée dans l'enveloppe du coupleur de jonction à mode orthogonal. Cette fente est placée en vis-à-vis de la troisième fente de couplage 101. Elle traverse le plan transversal Tr et est alignée avec la troisième fente de couplage selon l'axe transverse ATi. La section de cette fente image possède des dimensions et une orientation sensiblement identiques à celles de la troisième fente de couplage 101. Une extrémité de cette fente image débouche dans la cavité de couplage et l'autre extrémité est fermée par un plan de court circuit. Cette fente image ne forme pas un accès de couplage mais sert à affiner les lignes de courant. De façon avantageuse, elle évite de dissymétriser les lignes de courant et permet donc d'éviter la génération de modes supérieurs. La figure 6 représente un plan de coupe transversal d'un exemple de 5 mode de réalisation du séparateur de polarisations et de fréquences 40 selon un plan transversal passant par les trois fentes de couplage 101, 102. Chacune des deux fentes de couplage 102 en vis-à-vis est prolongée par un bras de filtrage 15. Ces deux bras sont ensuite réunis à l'aide d'un sommateur 41 également appelé «T magique» ou diviseur. L'accès du 10 sommateur 41 non connecté aux bras de filtrage 15 forme un accès 18 à la polarisation transmise à travers les bras 15. Un bras de filtrage 15 est également connecté à la troisième fente de couplage 101. L'autre extrémité du bras de filtrage 15 forme un accès 18 à la polarisation transmise. 15 Le système de recombinaison, à savoir, les stubs des bras de filtrage 15 et le sommateur 41 peut être réalisé en technologie guide d'onde, en technologie coaxiale ou en technologie microruban (ou barline selon la terminologie anglosaxone). L'exemple illustré à la figure 6 correspond à une utilisation multibande. 20 Dans le cas d'une utilisation monobande les fentes de couplage 101, 102 peuvent ne pas comprendre de bras de filtrage 15. Il en est de même pour un séparateur de polarisations et de fréquences 40 situé en bout d'une chaine de duplexeur 40 mis en cascade dans une utilisation multibande comme illustré à la figure 4. 25 Dans une utilisation pour une source multi bandes de fréquences, différents séparateurs de polarisations et fréquences 40 peuvent être connectés en cascade. Chaque séparateur de polarisations et de fréquences 40 est séparé par un filtre sous coupure 13 afin de filtrer les 30 signaux électromagnétiques en fréquence. Le dernier duplexeur de polarisation 40 de la chaine est terminé par un plan de court circuit. A titre d'exemple, la figure 4 illustre une utilisation bibande. Un premier coupleur 10, connecté à l'antenne cornet 12, sépare (ou couple) les polarisations horizontale et verticale de la bande de fréquence haute. Le filtre sous 35 coupure 13 entre les deux coupleurs 10 atténue les basses fréquences (filtre passe haut) et seules les fréquences hautes se propagent dans le second coupleur 10 de dimensions plus réduites. Ce second coupleur 10 va séparer (ou coupler) les polarisations de la bande de fréquence haute. Le filtre sous coupure 13 est connecté à un des deux accès d'entrée/sortie 105 du coupleur 10 et un plan de court circuit est connecté au second accès d'entrée/sortie. De façon avantageuse, le coupleur de jonction 10 à mode orthogonal à trois fentes de couplage 101, 102 selon l'invention permet de simplifier le 10 système de recombinaison du séparateur de polarisations et de fréquences 40. REVENDICATIONS1. Coupleur de jonction (10) à mode orthogonal comportant une enveloppe délimitant une cavité de couplage, des signaux électromagnétiques polarisés suivant au moins deux modes de polarisations linéaires orthogonales étant aptes à se propager à l'intérieur de la cavité de couplage, ledit coupleur (10) étant caractérisé en ce qu'il comprend deux accès, dits accès d'entrée/sortie (105), traversant ladite enveloppe et débouchant dans ladite cavité de couplage, lesdits deux accès d'entrée/sortie (105) étant alignés selon un axe (AL) dit longitudinal au coupleur de jonction (10) et disposés à des extrémités opposées du coupleur de jonction, ledit axe (AL) longitudinal étant définit par la direction de propagation des signaux électromagnétiques, Et en ce que trois fentes débouchantes, dites fentes de couplage (101, 102), sont pratiquées dans l'enveloppe du coupleur de jonction (10), lesdites trois fentes de couplage (101, 102) traversant un plan (Tr) dit transversal au coupleur de jonction (10), ledit plan transversal (r) étant sensiblement perpendiculaire à l'axe (AL) longitudinal, deux desdites trois fentes de couplage étant alignées selon un premier axe (AT2) dit transverse au coupleur de jonction (10), la section desdites deux fentes de couplage (102) étant de même dimensions et de même orientation, les deux fentes de couplage (102) étant configurées pour se coupler avec une des deux polarisations linéaires orthogonales des signaux électromagnétiques se propageant entre les deux accès d'entrée/sortie (105), la troisième fente de couplage (101) étant située sur un deuxième axe (Ar ) dit transverse au coupleur de jonction (10), ledit deuxième axe transverse (A-ri) étant sensiblement orthogonal au premier axe transverse (à-r2). 2. Coupleur de jonction (10) selon la revendication précédente dans lequel une fente, dite fente image, est pratiquée dans l'enveloppe ducoupleur, ladite fente image traversant le plan transversal (rr) et étant en vis-à-vis de la troisième fente de couplage (101), la section de ladite fente image étant de même dimensions et de même orientation que la section de la troisième fente de couplage (101), une extrémité de ladite fente image débouchant dans la cavité de couplage et l'autre extrémité étant fermée par un plan de court circuit. 3. Coupleur de jonction selon une des revendications précédentes dans lequel les deux fentes de couplage (102) alignés selon l'axe transverse (AT2) sont configurées pour se coupler avec la polarisation linéaire verticale, la troisième fente de couplage étant configurée pour se coupler avec la polarisation horizontale. 4. Coupleur de jonction (10) selon une des revendications 1 ou 2 dans lequel les deux fentes de couplage (102) alignés selon l'axe transverse (1ïT2) sont configurées pour se coupler avec la polarisation linéaire horizontale, la troisième fente de couplage étant configurée pour se coupler avec la polarisation verticale. 5. Coupleur de jonction (10) selon une des revendications précédentes dans lequel la section transversale de la cavité de couplage est prise parmi une forme sensiblement carré, rectangulaire, circulaire ou l'elliptique. 6. Coupleur de jonction (10) selon une des revendications précédentes dans lequel les fentes de couplage sont orientées de façon à permettre un couplage électrique. 7. Coupleur de jonction (10) selon une des revendications 1 à 5 dans lequel les fentes de couplage sont orientées de façon à permettre un couplage magnétique. 8. Coupleur de jonction selon une des revendications précédentes dans lequel un accès d'entrée/sortie (105) est connecté à un plan de court circuit ou un filtre sous coupure (13). 9. Séparateur de polarisations et de fréquences (40) caractérisé en ce qu'il comprend un coupleur de jonction (10) à mode orthogonal selonune des revendications précédentes, ledit coupleur comprenant deux accès d'entrée/sortie (105) et trois fentes de couplage (101, 102), un accès d'entrée/sortie (105) étant connecté à une antenne (12) et l'autre accès (105) étant connecté à un plan de court-circuit, une fente de couplage (101) formant un accès de polarisation (18) et les deux autre fentes de couplage (102) étant réunies par l'intermédiaire d'un sommateur (41) pour former un autre accès de polarisation (18). 10.Séparateur de polarisations et de fréquences (40) selon la revendication précédente dans lequel un bras de filtrage (15) est connecté à chaque fente de couplage (101, 102) et dans lequel le plan de court circuit connecté à un accès d'entrée/sortie (105) est remplacé par un filtre sous coupure (13). 11. Séparateur de polarisations et de fréquences (40) selon la revendication précédente dans lequel les bras de filtrage (15) et le sommateur (41) sont réalisés selon une technologie prise parmi la technologie guide d'onde, la technologie coaxiale ou la technologie microruban.