DOMAINE DE L’INVENTION

L’invention concerne

La présente invention concerne le domaine des systèmes opérant dans le domaine des ondes hyperfréquences, typiquement de fréquences comprises entre 1 GHz à 30GHz. Plus particulièrement la présente invention concerne des systèmes accordables en fréquence et/ou en bande passante, ou réalisant des fonctions de type coupleur ou interrupteur.

ETAT DE LA TECHNIQUE Le traitement d’une onde hyperfréquence, par exemple reçue par un satellite, nécessite le développement de composants spécifiques, permettant la propagation, l'amplification, et le filtrage de cette onde.

Par exemple une onde hyperfréquence reçue par un satellite doit être amplifiée avant d’être renvoyée vers le sol. Cette amplification n’est possible qu’en séparant l’ensemble des fréquences reçues en canaux, correspondant chacun à une bande de fréquence donnée. L’amplification est alors réalisée canal par canal. La séparation des canaux nécessite le développement de filtres passe-bandes. Aujourd’hui, le plan fréquence d’un multiplexeur ou d’un démultiplexeur est figé par design : la fréquence et la bande passante de chaque canal sont fixées dès le départ.

Le développement des satellites et la complexité accrue du traitement du signal à effectuer a crée de nouveaux besoins pour ces composants, qui doivent être rendus plus flexibles. Par exemple la reconfiguration des canaux en vol nécessite des filtres passe bande accordables en fréquence et le cas échéant en bande passante.

Un filtre passe-bande permet la propagation d’une onde sur une certaine plage de fréquence et atténue cette onde pour les autres fréquences. On définit ainsi une bande passante et une fréquence centrale du filtre, dénommée fréquence d’accord. Pour des fréquences autour de sa fréquence centrale, un filtre passe-bande présente une transmission élevée et une réflexion faible.

Un filtre passe bande comprend au moins un résonateur, le mode de résonance du filtre correspondant à une distribution particulière du champ électromagnétique qui est excité à une fréquence particulière. La symétrie circulaire ou carrée des résonateurs simplifie la conception du filtre.

De manière générale un résonateur présente selon sa géométrie un ou plusieurs modes de résonnance caractérisés chacun par une distribution particulière (remarquable) du champ électromagnétique entraînant une résonance de l’onde hyperfréquence dans la structure à une fréquence particulière. Par exemple des modes de résonance TE (pour Transverse Electrique ou H en terminologie anglo-saxonne) ou TM (pour Transverse Magnétique ou E en terminologie anglo-saxonne) présentant un certains nombres de maximas d’énergie repérés par des indices, peuvent être excités dans le résonateur à différentes fréquences. La figure 1 décrit à titre d’exemple les fréquences de résonance des différents modes pour une cavité circulaire vide en fonction des dimensions de la cavité (diamètre D et hauteur H).

Des moyens d’excitation d’entrée et de sortie du filtre permettent d’introduire et de faire ressortir l’onde de la cavité, réalisant un couplage de l’onde avec les guides/lignes en amont et en aval du filtre. Ces moyens de couplage sont par exemple des ouvertures ou fentes dénommées iris, des sondes coaxiales ou magnétiques ou des lignes hyperfréquence. Traditionnellement la forme des iris est relativement simple : iris rectangulaire, circulaire ou en croix.

La bande passante du filtre est caractérisée de différentes manières suivant la nature du filtre. Le paramètre S (la lettre S provient de «Scattering matrix» en terminologie anglo-saxonne) est un paramètre qui rend compte des performances du filtre en termes de réflexion et de transmission d’énergie en fonction de la fréquence (sous certaines conditions tel une adaptation 50 ohms). S1 1 , ou S22, correspond à une mesure de la réflexion et S12, ou S21 , à une mesure de la transmission. Un exemple caractéristique des paramètres S1 1 et S12 d’un filtre est illustré figure 2. La courbe 1 1 correspond à la réflexion S1 1 de l’onde sur le filtre en fonction de sa fréquence. A titre d‘exemple la bande passante équi-ondulation à 20 dB de réflexion est notée 26. Le filtre présente une fréquence centrale correspondant à la fréquence du milieu de la bande passante. La courbe 12 de la figure 2 correspond à la transmission S12 du filtre en fonction de la fréquence. Le filtre laisse ainsi passer un signal dont la fréquence est située dans la bande passante, mais le signal est néanmoins atténué par les pertes du filtre.

Un filtre peut être constitué de plusieurs résonateurs couplés entre eux, chaque résonateur présentant une fréquence de résonance, au premier ordre également dénommé pôle. Ces fréquences sont choisies suffisamment proches de manière à ce que le filtre présente une bande passante globale plus large que celle d’un résonateur unique.

Classiquement les résonateurs sont couplés entre eux par des iris. Les iris prennent la forme de trous dans la paroi métallique séparant les deux résonateurs. La forme de l’iris détermine le type de couplage (inductif, capacitif ou les deux) et le niveau de couplage souhaité. Par exemple une réduction de la hauteur de la paroi entre les deux guides crée un couplage capacitif tandis qu’un pincement sur la largeur crée un couplage inductif. Les formes classiques d’iris de couplage sont le rectangle, le cercle, la croix.

Le couplage induit par ces iris selon l’état de la technique est fixe. Si l’on cherche à le modifier, une option pourrait être de faire tourner l’iris. Mais tourner un iris rectangulaire par exemple permet de modifier le couplage de façon limitée et non linéaire, tout en générant des couplages parasites préjudiciables à la tenue des performances RF.

Un exemple de filtre accordable selon l’art connu est illustré dans le document US 2014/0028415. Il comprend plusieurs résonateurs couplés entre eux, chaque résonateur comprenant un élément diélectrique d’une forme particulière mobile en rotation. Son principe général est de modifier le champ électromagnétique à l’intérieur du filtre à l’aide de ces perturbateurs diélectriques, pour décaler le filtre en fréquence (modifications des fréquences de résonance). Les éléments diélectriques sont configurés pour réaliser tous la même rotation. En fonction de la valeur de l’angle de rotation, les propriétés du filtre sont modifiées, au niveau des valeurs des pôles et donc de la fréquence centrale du filtre.

Un but de la présente invention est de proposer un nouveau dispositif de couplage entre deux éléments d’un système hyperfréquence, ce dispositif de couplage permettant de faire varier le couplage de manière simple et polyvalente, afin de réaliser un filtre accordable en fréquence, en bande passante, un interrupteur ou « switch », ou un coupleur.

DESCRIPTION DE L’INVENTION

La présente invention a pour objet un système hyperfréquence accordable comprenant au moins deux éléments, chaque élément étant choisi parmi un guide propageant, un guide évanescent, un résonateur, et au moins un dispositif de couplage disposé entre les deux éléments et configuré pour coupler les deux éléments entre eux.

Le dispositif de couplage comprend un support présentant une ouverture et comprenant au moins un élément de forme allongée selon une direction dénommée direction de polarisation comprise dans un plan de l’ouverture, l’élément de forme allongée étant solidaire du pourtour de l’ouverture selon au moins une extrémité.

Le dispositif de couplage est configuré pour être mobile en rotation autour d’un axe sensiblement perpendiculaire audit plan de l’ouverture de manière à modifier une valeur de la direction de polarisation et de sorte que le couplage entre les deux éléments soit fonction de ladite valeur de la direction de polarisation.

Préférentiellement le dispositif de couplage comprend une pluralité d’éléments de forme allongée parallèles entre eux. Préférentiellement les éléments de forme allongée forment une grille (Gri) dans l’ouverture. Préférentiellement le ou les éléments de forme allongée présentent une forme de fil, de barreau ou de lame.

Selon un mode de réalisation l’ouverture est de forme circulaire ou ovale. Préférentiellement le ou les éléments de forme allongée sont en matériau diélectrique métallisé ou en matériau métallique, et sont reliés électriquement entre eux par un contact métallique disposé en périphérie de l’ouverture.

Selon un mode de réalisation lequel le support présente la forme d’un disque circulaire configuré pour être mis en rotation manuellement ou à l’aide d’un micromoteur pas à pas.

Préférentiellement lequel au moins une partie du support est en matériau diélectrique.

Selon une variante le système précédentes comprend n résonateurs successifs indicés i variant de 1 à n, n étant supérieur ou égal à 2, le résonateur indicé 1 étant dénommé résonateur d’entrée et le résonateur indicé n étant dénommé résonateur de sortie, et deux résonateurs successifs i et i+1 sont couplés entre eux par un dispositif de couplage associé, le système opérant une fonction de filtre accordable à n pôles.

Selon un mode de réalisation le système comprend en outre un dispositif de couplage d’entrée configuré pour coupler un guide propageant d’entrée avec le résonateur d’entrée et un dispositif de couplage de sortie configuré pour coupler le résonateur de sortie avec un guide propageant de sortie. Selon une deuxième variante le système comprend un résonateur et un premier guide évanescent disposé latéralement par rapport audit résonateur par rapport à une direction de propagation d’une onde hyperfréquence dans le système. Le dispositif de couplage associé disposé entre le résonateur et le premier guide évanescent est dénommé premier dispositif de couplage latéral, et est configuré pour réaliser une variation d’une fréquence de résonance dudit résonateur en fonction de la direction de polarisation.

Préférentiellement le système comprend en outre un deuxième guide évanescent disposé du côté opposé au premier guide évanescent. Le dispositif de couplage associé disposé entre le résonateur et le deuxième guide évanescent est dénommé deuxième dispositif de couplage latéral. Les premier et deuxième dispositifs de couplage latéraux sont configurés de manière à présenter une direction de polarisation identique.

En combinaison le système comprend n résonateurs indicés i variant de 1 à n, n supérieur ou égal à 2, deux résonateur successifs i et i+1 étant couplés entre eux par un dispositif de couplage associé, au moins un résonateur i étant par ailleurs couplé à un premier guide évanescent par un premier dispositif de couplage latéral et le cas échéant à un deuxième guide évanescent par un deuxième dispositif de couplage latéral. Le premier et le cas échant le deuxième guide évanescent sont disposés latéralement par rapport audit résonateur par rapport à une direction de propagation d’une onde hyperfréquence dans le système.

Selon un mode de réalisation un dispositif de couplage d’entrée est configuré pour coupler un guide propageant d’entrée avec le résonateur d’entrée et un dispositif de couplage de sortie est configuré pour coupler le résonateur de sortie avec un guide propageant de sortie.

Selon un mode de réalisation les n résonateurs sont configurés de sorte qu’un résonateur i soit en outre couplé avec un résonateur j différent de i+1 avec un dispositif de couplage associé disposé entre le résonateur i et le résonateur j.

Selon une option le dispositif de couplage disposé entre le résonateur i et le résonateur j est configuré pour créer des effets d’interférence entre résonateurs permettant d’ajouter des zéros de transmission dans la transmission du filtre accordable.

Selon un mode de réalisation le dispositif de couplage entre le résonateur i et le résonateur i+1 et le dispositif de couplage entre le résonateur j-1 et le résonateur j sont configurés de sorte que le couplage entre lesdits résonateurs s’annule chacun pour une valeur déterminée de la direction de polarisation, de manière à ce que le filtre présente un nombre de pôles reconfigurables.

Selon une troisième variante le système comprend deux guides propageant contigus couplés entre eux par un dispositif de couplage associé configuré de sorte le couplage entre lesdits guides propageant s’annule pour une valeur déterminée de la direction de polarisation.

Selon un ode de réalisation le système comprend deux guides propageant parallèle entre eux, le dispositif de couplage associé étant disposé dans une paroi commune aux deux guides et configuré pour réaliser un transfert d’une onde hyperfréquence se propageant dans un des guides propageant dans l’autre guide, ledit transfert étant fonction de la valeur de la direction de polarisation.

D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 déjà citée décrit les fréquences de résonance des différents modes pour une cavité circulaire vide en fonction des dimensions de la cavité (diamètre D et hauteur H ).

La figure 2 déjà citée décrit un exemple de caractéristique des paramètres S1 1 et S12 d’un filtre.

La figure 3 illustre une première variante du système hyperfréquence accordable selon l’invention.

La figure 4 illustre les différentes courbes de transmission S12 d’un système constitué de deux résonateurs couplés entre eux par un dispositif de couplage constitué d’une grille régulière métallique et d’un support métallique (conductivité électrique infinie), en fonction de l’angle a pris par la direction de polarisation Dp.

La figure 5 illustre le coefficient de couplage M en fonction de l’angle a pour différentes configurations de grille.

La figure 6 illustre un mode de réalisation dans lequel au moins une partie du support est en matériau diélectrique.

La figure 7 illustre la transmission S12 du système selon l’invention tel qu’illustré figure 3, avec un dispositif de couplage dont le support présente une partie diélectrique, tel qu’illustré figure 6.

La figure 8 illustre la variation du coefficient de couplage M en fonction de a du filtre accordable dont le fonctionnement est illustré figure 7. La figure 9 illustre une vue en coupe d’une réalisation pratique d’un système tel qu’illustré figure 3 avec un dispositif de couplage tel qu’illustré figure 6.

La figure 10 est une photographie des différents éléments constituant le système de la figure 9.

La figure 11 illustre une troisième variante dans laquelle le système hyperfréquence accordable selon l’invention comprend un résonateur et un premier guide évanescent disposé latéralement par rapport au résonateur.

La figure 12 illustre un exemple d’évolution de la fréquence de résonance du résonateur en fonction de la valeur de l’angle b, pour un système tel qu’illustré figure 11.

La figure 13 illustre une vue en coupe d’une réalisation pratique d’un système tel qu’illustré figure 1 1.

La figure 14 est une photographie des différents éléments constituant le système de la figure 13.

La figure 15 illustre un système selon l’invention dans lequel les trois variantes sont combinées entre elles. La figure 15a est une vue en perspective et la figure 15b une vue de dessus.

La figure 16 illustre un système selon l’invention à 4 résonateurs combinant les trois variantes, chaque résonateur comprenant deux dispositifs de couplage latéral.

La figure 17 décrit un exemple de performances simulées d’un filtre accordable à 4 pôles tel qu’illustré figure 16. Les figures 17a, 17b et 17c correspondent aux courbes S12 et S1 1 pour trois ensembles de valeurs des angles a et b.

La figure 18 illustre un ensemble de 6 résonateurs successifs symbolisés par des cercles, les dispositifs de couplage étant symbolisés par des segments entre les cercles.

La figure 19 illustre la performance correspondante du filtre à 6 pôles.

La figure 20 illustre la matrice de couplage correspondante.

La figure 21 illustre le système de la figure 18 replié.

La figure 22 illustre un système dans lequel il existe un couplage entre deux résonateurs non-adjacents vis-à-vis du sens de propagation, soit le couplage d’un résonateur i=2 avec un résonateur j=5, j étant différent de i+1 =3, à partir d’un système replié tel qu’illustré figure 21. La figure 23 illustre la réponse du filtre correspondant au système de la figure 22.

La figure 24 décrit la matrice de couplage correspondante.

La figure 25 reprend les 6 résonateurs de la figure 22, avec un couplage nul entre Res2 et Res3 et entre Res4 et Res5, et entre Res3 et Res4. Le filtre présente ici 4 résonateurs actifs.

La figure 26 illustre la réponse du filtre correspondant au système de la figure 25.

La figure 27 illustre et la matrice de couplage correspondant au système de la figure 25.

La figure 28 illustre un système selon l’invention comprenant un ensemble de 8 résonateurs, reconfigurable à 2, 4, 6 ou 8 pôles.

La figure 29 illustre un mode de réalisation dans lequel les deux éléments sont des guides propageant en ligne couplés entre eux par un dispositif de couplage associé configuré de sorte le couplage entre les guides propageant s’annule pour une valeur déterminée de la direction de polarisation.

La figure 30 illustre un autre mode de réalisation dans lequel les deux guides propageant sont parallèles entre eux et le dispositif de couplage associé est disposé dans une paroi commune aux deux guides.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

Le système hyperfréquence accordable 10 selon l’invention est illustré figure 3 selon une première variante. Le système 10 comprend au moins deux éléments, chaque élément étant choisi parmi un guide propageant (typiquement métallique), un guide évanescent, un résonateur et au moins un dispositif de couplage CD disposé entre les deux éléments et configuré pour coupler les deux éléments entre eux. La figure 3 illustre la première variante selon laquelle les deux éléments sont des résonateurs Res1 et Res1. D’autres variantes sont décrites plus loin.

On entend par résonateur une cavité métallique de forme quelconque, vide ou comprenant un élément diélectrique ou métallique.

Le dispositif de couplage CD selon l’invention comprend un support Sp présentant une ouverture Ap et comprenant au moins un élément de forme allongée 40 selon une direction dénommée direction de polarisation Dp, Dp étant comprise dans le plan P de l’ouverture Ap. Dans l’exemple de la figure 3, la direction Dp est sensiblement comprise dans le plan xy perpendiculaire à z.

L’élément de forme allongée 40 est solidaire du pourtour 30 de l’ouverture selon au moins une extrémité.

L’interface de séparation entre les deux éléments définit une section Sec comme illustré figure 3. Le dispositif de couplage CD forme au moins partiellement une paroi de séparation entre les deux éléments. Selon un mode de réalisation le dispositif de couplage CD selon l’invention, disposé selon la section Sec constitue à lui seul la paroi de séparation. Suivant un autre mode de réalisation il existe selon la section Sec une paroi de séparation métallique de part et d’autre d’une ouverture, le dispositif CD étant alors disposé contre cette paroi. Selon encore un autre mode de réalisation le dispositif CD s’inscrit dans l’ouverture de cette paroi (par exemple lorsque l’ouverture des parois est circulaire).

Le dispositif de couplage est configuré pour être mobile en rotation autour d’un axe sensiblement perpendiculaire au plan P de l’ouverture de manière à modifier la valeur de la direction de polarisation Dp, et est configuré de sorte que le couplage entre les deux éléments soit fonction de cette valeur de la direction de polarisation. Ainsi en tournant le dispositif CD on modifie la valeur de Dp et de ce fait on modifie le couplage entre les deux éléments. La direction Dp est repérée par un angle a défini par convention par rapport à l’axe x, correspondant à l’horizontal sur la figure 3 (a=0 pour Dp selon l’horizontale). Le dispositif de couplage CD réalise une fonction générique de modification du couplage entre deux éléments, par simple rotation. Classiquement deux éléments choisi parmi les éléments précités sont séparés par une interface, typiquement une paroi métallique, qui présente une ouverture perpendiculaire au plan de l’interface entre les deux éléments, dénommée iris, permettant le couplage entre les deux éléments.

Dans l’exemple de la figure 3 un guide propageant d’entrée GPE est couplé au premier résonateur Res1 par un iris d’entrée IRE, constitué d’une ouverture rectangulaire dans la paroi de séparation 20, et le deuxième résonateur Res2 est couplé à un guide propageant de sortie GPS par un iris de sortie 1RS, également constitué d’une ouverture rectangulaire dans la paroi de séparation 21.

L’élément allongé 40 modifie les conditions aux limites du champ électrique au niveau de la paroi de séparation entre les deux éléments, provoquant une déformation du champ électrique, et donc des conditions de propagation de celui-ci. Le couplage correspond alors à un transfert d’énergie d’un élément à l’autre.

Dans le cas d’un filtre composé de deux résonateurs, le filtre présente deux modes de résonnances, et le couplage se définit par la proximité fréquentielle de ces deux modes, permettant un échange d’énergie.

La répartition du champ électrique perpendiculairement à la direction de propagation est définie, pour un mode de résonance donné, par 3 entiers, c’est la nomenclature du mode. Les deux modes de résonnance du filtre sont identiques à l’exception de la répartition des champs dans l’interface entre les résonateurs. C’est donc la répartition des champs dans cette interface qui va venir modifier la proximité fréquentielle des deux modes (ou couplage). Le dispositif CD en modifiant cette répartition, modifie le couplage entre ces modes sans en changer la nomenclature (ou nature).

Considérons f1 la fréquence de résonance du premier mode et f2 la fréquence de résonance du deuxième mode. La mise en relation de ces deux résonateurs via le dispositif de couplage CD, qui introduit un élément perturbateur dans le système, provoque la modification de la valeur d’une fréquence de résonnance d’un des résonateurs (par exemple f1 ) tandis que l’autre (f2) reste fixe. Plus la fréquence f1 est éloignée de f2, plus le couplage est fort. A contrario, lorsque f1 devient égale à f2, le couplage est considéré comme nul.

Classiquement on définit le coefficient de couplage M :

M = (f2 ² — f 1 ² ) / (f 1 ² + f2 ² ) (1 ) Le dispositif selon l’invention CD permet de modifier le couplage, donc la fréquence f1 et donc la valeur de M, en fonction de l’angle a.

Classiquement il existe deux types de couplage, un couplage inductif et un couplage capacitif. A partir d’une analogie circuit, on attribue au couplage inductif (de forme jLw) le signe +, et au couplage capacitif (de forme 1/jCco) le signe

Selon cette analogie, le dispositif de couplage selon l’invention introduit une impédance complexe vue par le champ électrique entre les deux éléments. Une modification du couplage au sens de l’invention recouvre une variation de l’amplitude d’un couplage de même type, mais également un changement de type de couplage, le dispositif permettant, dans certaines conditions, de passer d‘un couplage inductif à un couplage capacitif ou réciproquement en fonction de a. Un changement de nature de couplage se traduit par un changement de signe de M, soit une fréquence f1 devient plus grande que f2 (voir plus loin). La grande versatilité dans la modification du couplage effectuée par le dispositif CD selon l’invention ouvre un vaste champ d’applications, particulièrement pour les filtres accordables en bande passante, fréquence centrale, nombre de pôles ... La valeur du coefficient de couplage M et sa variation en fonction de a, caractérisant le couplage introduit par le dispositif CD entre les deux éléments Res1 et Res2, est fonction des paramètres suivants : taille / forme / épaisseur de l’ouverture Ap, répartition / forme / matériau du ou des éléments allongés, matériau du support...

Préférentiellement pour une plus grande amplitude de changement de M, le dispositif de couplage selon l’invention comprend une pluralité d’éléments de forme allongés 40 parallèles entre eux, solidaires du pourtour à leurs deux extrémités. Préférentiellement et pour la même raison, le ou les éléments allongés forment une grille Gri dans l’ouverture Ap tel qu’illustré figure 3. Un maillage complet de l’ouverture permet d’obtenir un couplage nul, ou effet « switch » (voir plus loin). Plus la grille est dense, c’est à dire plus on met d’éléments allongés 40, que nous dénommerons barreaux, plus l’effet « switch » est prononcé. Cependant les barreaux introduisent des pertes, et un compromis est à trouver entre performance du switch et pertes du système. On peut considérer ici que le dispositif de couplage CD réalise une fonction de polarisation du champ électrique au niveau de l’ouverture, le dispositif CD s’apparente alors à un « iris polarisant ».

Pour obtenir un effet « switch » prononcé, il est préférable que les modes de résonance utilisés soient polarisés rectilignement dans les deux cavités, quelque soit le type de mode TE _mnp choisi.

Dans le cas d’une grille périodique dont la structure est symétrique, on obtient l’excursion totale sur la variation de M pour a entre 0° et 90°.

Lorsque la grille ne remplit que partiellement l’ouverture Ap (éléments allongés solidaires selon une extrémité seulement), du fait de la structure asymétrique de la grille, l’excursion totale sur la variation de M est obtenue pour a entre 0° et 180°, voir 360°. Préférentiellement les éléments allongés 40 présentent une forme de fil, de barreau ou de lame.

Les éléments 40 peuvent être en matériau diélectrique, en matériau diélectrique métallisé ou en matériau métallique. Les deux dernières possibilités sont préférées, pour une meilleure efficacité de polarisation du champ électrique. Dans le cas de barreaux 40 métallisés ou métalliques, préférentiellement ceux-ci sont reliés électriquement entre eux par un contact métallique disposé en périphérie de l’ouverture, sur le pourtour 30, de manière à ce qu’ils partagent une masse commune. Préférentiellement pour une grille Gri, une bande métallique recouvre tout le pourtour 30.

La forme de l’ouverture Ap peut être quelconque. Elle n’est pas nécessairement centrée sur la section Sec séparant les deux éléments. Dans ce cas, du fait de l’asymétrie, une excursion de a de 180° ou 360° oet s’avérer nécessaire pour obtenir une variation maximum du couplage.

En fait ce qui compte c’est une question de répartition modale des champs dans l’interface. Par exemple si le mode présente non pas un maxima de champ au milieu de l’interface, mais deux maximas à respectivement ¼ et ¾ de cette interface, (TE201 par exemple), il est préférable de disposer l’iris à ¼ de la cavité (ou deux iris, un sur chaque max). Le couplage est plus faible qu’avec un mode TE101 , mais on obtient quand même la variation complète entre 0 et 90° quand même.

Préférentiellement pour des questions de facilité de conception et pour obtenir une grande plage de variation du couplage, l’ouverture Ap est de forme circulaire ou ovale. De manière générale la forme de l’ouverture est adaptée en fonction de la loi de couplage souhaitée.

Pour une grille centrée, il est préférable que les modes de résonance soient de type TE _10p , car pour ce type de mode le champ est maximal au milieu de l’interface de couplage. Mais c’est également le cas pour un mode TEnmp avec n et m impairs ou nuis. Cependant plus l’ordre du mode sera élevé, plus la surface du maxima de ce mode sera réduite, et donc le couplage obtenu relativement faible. Différentes configurations pour les dimensions relatives entre l’ouverture Ap et la section Sec sont possibles, en fonction du couplage souhaité.

Sur la figure 3 le diamètre de l’ouverture Ap est supérieur à la petite dimension de la section Sec mais inférieur à la grande dimension.

L’ouverture peut également être supérieure à la dimension de la section (section circulaire) ou aux deux dimensions de la section (section rectangulaire). L’ouverture Ap peut également être inscrite dans la section Sec pour tous les angles a utilisés, ou pour partie d’entre eux.

Au niveau du support Sp, il peut prendre une forme quelconque.

Préférentiellement le support Sp présente la forme d’un disque circulaire, ce qui permet de le rendre facilement mobile en rotation. Préférentiellement le support est configuré pour être mis en rotation manuellement ou à l’aide d’un micromoteur pas à pas. Selon un mode de réalisation le support est en matériau métallique ou en matériau diélectrique métallisé.

A titre d’exemple la figure 4 illustre les différentes courbes de transmission S12 d’un système constitué de deux résonateurs couplés entre eux par un dispositif CD constitué d’une grille régulière métallique et d’un support métallique (conductivité infinie), en fonction de l’angle a pris par la direction de polarisation Dp.

Les dimensions des deux cavités métalliques des résonateurs sont identiques, hauteur 9.5 mm, largeur 19 mm et longueur 19 mm. L’ouverture circulaire Ap présente un diamètre d’environ 9.7 mm et une épaisseur de 1 mm. Les barreaux sont rectangulaires, de section 0.5x0.5 mm, espacés de 2 mm.

On constate que jusqu’à 40°, il existe deux fréquences de résonance, la fréquence f2 reste fixe tandis que la fréquence f1 se rapproche de f2 au fur et à mesure que a augmente. A partir de 50°, il n’y a plus qu’une seule fréquence de résonance, légèrement différente de la fréquence f2 initiale. A partir de a=50°le couplage entre les deux résonateurs est nul.

La figure 5 illustre le coefficient de couplage M calculé avec la formule 1 en fonction de a pour différentes configurations de grille. Le cas précédent est le cas a, le coefficient de couplage est bien nul à partir de 50°. La courbe b correspond à un cas d’iris plus fin (1 mm), le cas c à des barreaux plus épais (section rectangulaire de 1 mm) et le cas d à un rayon d’iris de 5 mm, avec une grille identique au cas a.

L’évolution de la valeur de M en fonction de a est fonction des paramètres du dispositif de couplage.

On constate que le coefficient de couplage M ne change pas de signe, le type de couplage, ici inductif reste inchangé. Ceci est du au caractère purement métallique du support.

Ainsi en choisissant les différents paramètres précités du dispositif de couplage, il est possible de régler le couplage continûment sur une plage beaucoup plus importante que ce que l’on obtiendrait par rotation d’un iris simple. Il est également possible d’annuler complètement le couplage, le dispositif CD se comportant alors comme un court circuit. Les deux cavités sont alors déconnectées l’une de l’autre. Une application de cette fonctionnalité d’interrupteur est décrite plus loin.

Selon un mode de réalisation au moins une partie du support est en matériau diélectrique, tel qu’illustré figure 6. Cela permet d’éviter les fuites RF et facilité la rotation du support. La figure 6 illustre un dispositif de couplage constitué d’une grille métallique (ou métallisée), et d’un support Sp comprenant une partie métallique sur le pourtour 30 de l’ouverture reliant les barreaux entre eux, et une partie 35 sur la périphérie en matériau diélectrique. Typiquement il s’agit d’une céramique (Alumine, Zircone, BMT) ou d’un plastique, ou de silice fondue.

Dans ce cas la section Sec définissant la séparation entre les deux résonateurs comprend une fraction de la grille Gri, une fraction du pourtour métallique et une fraction de la partie 35 en matériau diélectrique.

En outre, la présence d’une partie diélectrique vue par le champ électrique crée un deuxième chemin pour celui-ci. A travers cette partie diélectrique se crée un deuxième type de couplage qui ici, du fait de la forme circulaire du support Sp, n’est pas modifié par la rotation du support Sup. Ce deuxième couplage qui est donc fixe (indépendant de a) se superpose au couplage réalisé par la grille. Ce couplage peut être additif ou soustractif en fonction de la forme et du matériau de partie diélectrique 35 et des modes de résonances de la cavité. Un coupage soustractif a pour effet de décaler la courbe M(a) vers le bas.

Outre le changement de nature du filtre, le changement de signe permet de modifier la fonction de filtrage, par exemple d’ajouter ou d’enlever des zéros de transmission.

Selon une autre option, c’est une partie de la paroi entre les deux résonateurs qui est en matériau diélectrique. La figure 7 illustre la transmission S12 du système 10 selon l’invention tel qu’illustré figure 3, avec un dispositif de couplage dont le support présente une partie diélectrique, tel qu’illustré figure 6.

Cavité de 24.27x19.05x9.52 mm.

Rayon du support : 13.9 mm, rayon de l’ouverture 6 mm ; matériau diélectrique du support de permittivité égale à 32.

Les courbes sont données pour différentes valeurs de a variant de 0° à 90°. La fréquence f2 est fixe, égale à 15;67 GHz. La fréquence f1 varie entre 0° et 90° entre 14.65 GHz (0°) et 15 .9 GHz (90°). On constate que le couplage diminue entre 0° et 60°, valeur pour laquelle le couplage est nul (f1 (60°) ~ f2), puis la fréquence f1 devient supérieure à f2, ce qui signifie que le couplage a changé de signe, passant de positif à négatif. La variation du coefficient de couplage M correspondant part donc d’une valeur positive de départ Mmax pour 0°, passe par 0 à 60° et devient négatif, tel qu’illustré sur la figure 8, correspondant à l’évolution du coefficient de couplage M en fonction de a du filtre accordable dont le fonctionnement est illustré figure 7.

Une vue en coupe d’une réalisation pratique d’un système tel qu’illustré figure 3 avec un dispositif de couplage tel qu’illustré figure 6 est décrit figure 9 tandis qu’une photographie des différents éléments est illustrée figure 10.

Pour réaliser un filtre accordable multi pôles, on peut généraliser le système à deux résonateurs de la figure 3 à n résonateurs successifs que l’on indice i Resi, i variant de 1 à n, n étant supérieur ou égal à 2. On entend par résonateurs successif des résonateurs qui se suivent selon la direction de propagation z de l’onde hyperfréquence dans le système. Le résonateur indicé 1 Res1 est dénommé résonateur d’entrée et le résonateur indicé n Resn est dénommé résonateur de sortie. Deux résonateur successifs i et i+1 sont couplés entre eux par un dispositif de couplage associé CDi. Un exemple avec n=4 est donné plus loin.

Selon une deuxième variante le système selon l’invention comprend un guide propageant et un résonateur couplé entre eux par un dispositif de couplage. Par exemple selon un mode de réalisation du système 10 à n résonateurs, celui-ci comprend, en plus des dispositifs de couplage CDi entre résonateurs, un dispositif de couplage d’entrée CDE configuré pour coupler un guide propageant d’entrée GPE avec le résonateur d’entrée Res1 et un dispositif de couplage de sortie CDS configuré pour coupler le résonateur de sortie Resn avec un guide propageant de sortie GPS.

Selon une troisième variante illustrée figure 1 1 le système hyperfréquence accordable selon l’invention comprend un résonateur Res et un premier guide évanescent EG1 disposé latéralement par rapport au résonateur Res par rapport à une direction de propagation z d’une onde hyperfréquence dans le système. On dénomme premier dispositif de couplage latéral CDL1 le dispositif de couplage associé, disposé entre le résonateur Res et le premier guide évanescent EG1. Le dispositif de couplage est configuré pour réaliser une variation de la fréquence de résonance du résonateur Res en fonction de la direction de polarisation Dp, mesurée par un angle b1. Ici la direction Dp est sensiblement comprise dans le plan yz, l’angle b étant repéré par rapport à l’axe z, soit b=0 pour des barreaux horizontaux.

Il ne peut pas y avoir de propagation ni d’énergie transportée dans le guide évanescent EG1 , également dénommé guide sous coupure. La présence du dispositif de couplage CDL1 sur une paroi latérale change les conditions aux limites vu par le champ électromagnétique, c'est-à-dire change l’impédance vue par le champ électrique : le champ électrique ne voit plus une paroi métallique, il voit cette impédance complexe, ce qui modifie la fréquence de résonance du résonateur Res. De manière intuitive on peut dire que le champ « pénètre » plus ou moins à l’intérieur du guide sous coupure avant d’être réfléchi vers la cavité, ce qui « élargi » virtuellement la cavité et modifie la fréquence de résonnance. En d’autres termes le dispositif CDL1 modifie les conditions de phase du résonateur, ce qui joue sur la fréquence de résonance du mode utilisé. Préférentiellement pour renforcer l’effet, le système 10 selon cette troisième variante comprend en outre un deuxième guide évanescent EG2 disposé du côté opposé au premier guide évanescent EG1 , le dispositif de couplage associé disposé entre le résonateur Res et le deuxième guide évanescent EG étant dénommé deuxième dispositif de couplage latéral CDL2, comme illustré figure 1 1. Pour simplifier la modélisation et obtenir un effet maximum, préférentiellement CDL1 et CDL2 sont configurés de manière à présenter une direction de polarisation identique. Avec b2 mesurant la direction de polarisation de CDL2, on s’arrange pour solidariser les deux rotations pour que b1 =b2=b

La figure 12 illustre un exemple d’évolution de la fréquence de résonance f _R du résonateur Res en fonction de la valeur de b1 =b2=b, pour un système tel qu’illustré figure 11 avec un dispositif de couplage purement métallique.

Diamètre de l’iris : 6.9 mm ;

Dimension de la cavité : 25 x 19.05 x9.525 mm ³ ;

Dimension du guide sous coupure : Rayon 6 mm et longueur 12 mm A noter que la courbe de la figure 12 correspond à des contacts supposés parfaits, ce qui n’est pas le cas de la représentation « réaliste » de la figure 1 1

On remarque que l’on obtient une variation quasi linéaire de la fréquence de résonance en fonction de l’angle b.

Une vue en coupe d’une réalisation pratique d’un système tel qu’illustré figure 1 1 est décrit figure 13 tandis qu’une photographie des différents éléments est illustrée figure 14 (ici partie 35 du support Sp en matériau diélectrique).

Les trois variantes peuvent bien entendu être combinées entre elles, comme illustré figure 15 avec deux résonateurs Res1 et Res2 (15a vue en perspective et 15b vue de dessus).

Dans cet exemple chaque résonateur Res1 et Res2 comprend deux dispositifs de couplage latéraux, respectivement CDL1 1 et CDL21 pour Res1 et CDL12 et CDL22 pour Res2.

On peut généraliser la combinaison de deux ou trois variantes à n résonateurs.

Ainsi un système 10 selon l’invention combinant la première et la troisième variante comprenant n résonateurs successifs Resi indicés i variant de 1 à n, n supérieur ou égal à 2, le résonateur indicé 1 Res1 étant dénommé résonateur d’entrée et le résonateur indicé n Resn étant dénommé résonateur de sortie. Deux résonateur successifs i et i+1 sont couplés entre eux par un dispositif de couplage associé CDi, et au moins un résonateur i est par ailleurs couplé à un premier guide évanescent EG1 i par un premier dispositif de couplage latéral CDL1 i et le cas échéant à un deuxième guide évanescent EG2i par un deuxième dispositif de couplage latéral CDL2i. Le premier et, le cas échant, le deuxième guide évanescent sont disposés latéralement par rapport audit résonateur Resi par rapport à une direction de propagation z d’une onde hyperfréquence dans le système.

En combinant avec la deuxième variante le système comprend en outre un dispositif de couplage d’entrée CDE configuré pour coupler un guide propageant d’entrée GPE avec le résonateur d’entrée Resi et un dispositif de couplage de sortie CDS configuré pour coupler le résonateur de sortie Resn avec un guide propageant de sortie GPS.

Un système 10 avec n=4 combinant les trois variantes, chaque résonateur Resi comprenant deux dispositifs de couplage latéral CDL1 i et CDL2i couplant Res à respectivement EG1 i et EG2i, est illustré figure 16. Seules les grilles sont représentées pour une meilleure lisibilité du dessin.

On dénomme ai l’angle a du dispositif de couplage CDi entre Resi et Resi+1 et bί l’angle b des dispositifs de couplage latéraux CDL1 i et CDL2i de Resi. On dénomme a _E l’angle du dispositif de couplage CDE et a _s l’angle du dispositif de couplage CDE

En jouant sur les paramètres précités du dispositif de couplage (taille / forme / épaisseur de l’ouverture Ap, répartition / forme / matériau des barreaux, matériau du support), les dimensions des cavités des résonateurs Resi et les angles ai et bί on réalise un filtre accordable en fréquence centrale et en bande passante à n pôles.

Un exemple de performances simulées d’un filtre accordable à 4 pôles tel qu’illustré figure 16 est décrit figure 17, les figures 17a, 17b et 17c correspondant aux courbes S12 et S1 1 pour trois ensembles de valeurs des angles a et b.

Globalement pour des questions de symétrie, les angles a sont déterminés de manière à respecter une symétrie avant/arrière (a, = a _N -i), et les angles b sont déterminés de manière à respecter une symétrie gauche/droite (angles latéraux identiques pour un résonateur donné).

La figure 17a illustre un point de départ avec ai = 0° et bί = 90° pour tout i.

La figure 17b correspond à des valeurs de a identiques et une valeur bί=30° pour tous les i. On constate sur la figure 17b que la modification de la valeur de b à a constant a modifié les valeurs des fréquences de résonance des 4 résonateurs, de manière à décaler la fréquence centrale. La bande passante est sensiblement inchangée.

La figure 17c correspond à des valeurs de b identiques au cas 17a (bί = 90° pour tout i) et à des valeurs de ai différentes : a _E = 25°; a2=28°; a2 = 30°; a3 = 28° et as = 25. On constate sur la figure 17c que la modification des valeurs de ai à b constant (par rapport à 17a) a élargi la bande passante, en changeant peu une partie des fréquences de résonance.

Ainsi en première approximation faire varier b permet de modifier la fréquence centrale du filtre et faire varier a permet de modifier la bande passante. Grâce au système 10 selon l’invention, on a réalisé un filtre reconfigurable en fréquence centrale et en bande passante par simples rotations des dispositifs de couplage selon l’invention. Selon une quatrième variante on configure certains des n résonateurs de sorte qu’il soit en outre possible de coupler au moins un résonateur i avec un résonateur j différent de i+1 et j>i, avec un dispositif de couplage associé CDij disposé entre le résonateur i et le résonateur j. La figure 18 illustre un ensemble de 6 résonateurs successifs symbolisés par des cercles, les dispositifs de couplage étant symbolisés par des segments entre les cercles. Les valeurs numériques au dessus des segments correspondent à la valeur du coefficient de couplage Mi(ai) associés calculés pour une valeur déterminée de l’angle ai.

La figure 19 illustre la performance correspondante du filtre à 6 pôles.

La figure 20 illustre la matrice de couplage correspondante. Cette matrice est un tableau 2D regroupant les valeurs des couplages inter-résonateurs (ex : Colonne 2 - Ligne 1 : Couplage entre résonateur 1 & 2), ainsi que les décalages fréquentiels de ces résonateurs par rapport à la fréquence centrale du filtre sur la ligne du milieu (ex Colonne 1 - Ligne 1 ). Elle permet de relier la fonction de filtrage qu’on souhaite réaliser, après une synthèse de type Tchebytchev par exemple, et la topologie physique du filtre (nombre de résonateurs, couplages, signes de ces couplages valeurs, etc ...).

La lette S vient de Source et fait référence au guide d’entrée et la lettre L viende « Load » (charge) et fait référence au guide de sortie.

Le couplage d’un résonateur i avec un résonateur j, j différent de i+1 et j>i, s’effectue en repliant une partie de la ligne constituant les résonateurs, tel qu’illustré figure 21. Il devient possible dans cet exemple de mettre en relation les résonateurs 2 et 5 et/ou les résonateurs 1 et 6.

En pratique, les résonateurs ainsi repliés présentent une paroi commune dans laquelle on peut insérer un dispositif de couplage CDij selon l’invention.

La figure 22 illustre la configuration 21 avec le dispositif CD25 entre Res2 et Res5, réglé avec une valeur du coefficient de couplage M ₂ 5 déterminé (angle a ₂ 5 déterminé).

Selon un premier mode de réalisation les dispositifs de couplage CDE, CDS, CDi et principalement le dispositif CDij sont configurés de manière à créer des effets d’interférence entre résonateurs (interférences destructives à certaines fréquences entre les deux chemins électriques définis), permettant d’ajouter des zéros de transmission dans la réponse du filtre accordable.

Cet effet est illustré figure 23 avec les zéros de transmission 40 et 41 , qui permettent d’améliorer la pente de la bande passante du filtre ou sélectivité. La figure 24 décrit la matrice de couplage correspondante. On remarque l’existence d’un couplage 2-5, de valeur assez faible, mais qu’il est nécessaire de générer pour obtenir les zéros de transmission de la fonction de transfert.

Pour un bon fonctionnement il a fallu recalculer légèrement les coefficients de couplage Mi des dispositifs CDi par rapport à la configuration de la figure 21 mais la modification des valeurs des Mi s’opère facilement par rotation du dispositif de couplage associé. On voit ici l’avantage de la flexibilité du système 10 selon l’invention, dans lequel chaque couplage peut être individuellement réglé à une valeur prédéterminée par une simple rotation. Chaque résonateur dans la configuration repliée peut bien entendu présenter un dispositif de couplage latéral le long de la paroi latérale en contact avec l’extérieur. Selon une cinquième variante, que l’on peut combiner avec les quatre autres variantes, on configure également certains des n résonateurs de sorte qu’il soit en outre possible de coupler au moins un résonateur i avec un résonateur j différent de i+1 avec un dispositif de couplage associé CDij disposé entre le résonateur i et le résonateur j. En outre ici le dispositif de couplage entre le résonateur i et le résonateur i+1 CDi et le dispositif de couplage entre le résonateur j-1 et le résonateur j CDj-1 sont configurés de sorte que le couplage entre les résonateurs i et i+1 , et entre les résonateurs j-1 et j s’annule pour une valeur déterminée de la direction de polarisation.

Le dispositif de couplage CDi agit alors en switch, déconnectant les deux résonateurs. Plus aucune énergie n’est transmise d’un résonateur vers l’autre. On a ainsi court-circuité tous les résonateurs entre i et j et donc réduit le nombre de pôles du filtre. En faisant varier le couplage entre les résonateurs grâce aux dispositifs de couplages, on réalise donc un filtre avec un nombre de pôles reconfigurables.

Un exemple reprenant les 6 résonateurs de la figure 22 est illustré figure 25. Le couplage entre Res2 et Res3 est annulé par CD2, le couplage entre Res4 et Res5 est annulé par CD4, et le couplage entre Res3 et Res4 est également nul. Le couplage entre Res2 et Res5 permet de faire passer l’énergie entre ces deux résonateurs. Dans la configuration de la figure 25, le filtre 10 ne comprend alors plus que 4 résonateurs actifs, soit 4 pôles.

La réponse du filtre correspondant au système 10 de la figure 25 est illustré figure 26, et la matrice de couplage correspondante est illustrée figure 27. Un système 10 comprenant un ensemble de 8 résonateurs, reconfigurable à 2, 4, 6 ou 8 pôles est illustré figure 28. Le concept est généralisable à une matrice de n x m résonateurs.

Préférentiellement, tous les dispositifs CDi disposés entre i+1 et j-1 présentent la même propriété d’annuler le couplage pour une valeur de a. Sur la figure 25 le couplage entre Res3 et Res4 est annulé par CD3.

Cette fonction « switch » est préférentiellement réalisée avec une pluralité de barreaux dans l’ouverture Ap, un barreau unique ne permettant pas aisément d’annuler le couplage entre deux résonateurs. En outre une grille périodique améliore l’effet « switch ». On utilise préférentiellement dans ce cas un mode polarisé rectilignement dans les cavités.

Grâce aux dispositifs de coupages agencés selon les différentes variantes, on a réalisé un filtre accordable en fréquence centrale, en bande passante, et en nombre de pôles, par variation de l’angle a de chaque dispositif de couplage.

Selon une autre variante les deux éléments sont deux guides propageant contigus GP1 et GP2.

Selon un mode de réalisation illustré figure 29 couplés entre eux par un dispositif de couplage associé CD1 configuré de sorte le couplage entre lesdits guides propageant s’annule pour une valeur déterminée de la direction de polarisation. Ainsi l’interrupteur soit permet à l’intégralité de l’onde hyperfréquence se propageant dans le guide GP1 de passer dans GP2, soit réfléchit cette onde (couplage nul).

Selon un autre mode de réalisation illustré figure 30 les deux guides propageant sont parallèles entre eux et le dispositif de couplage associé CD1 est disposé dans une paroi commune aux deux guides, et est configuré pour réaliser un transfert d’une onde hyperfréquence se propageant dans un des guides dans l’autre, le transfert étant fonction de la valeur de la direction de polarisation. Pour un couplage nul l’onde reste dans GP1. Lorsque le couplage est activé, une partie réglable ou l’intégralité de l’onde passe dans GP2. On réalise ainsi une fonction de coupleur.

Selon un autre mode de réalisation, les guides propageant se croisent.