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Submitted on 1 Jan 1970
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Étude et réalisation d’un polariseur circulaire d’ondes hyperfréquence à forte tenue en puissance
J. Deschamps, M. Fitaire, D. Pagnon
To cite this version:
J. Deschamps, M. Fitaire, D. Pagnon. Étude et réalisation d’un polariseur circulaire d’ondes hyper- fréquence à forte tenue en puissance. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1970, 5 (2), pp.283-286. �10.1051/rphysap:0197000502028300�. �jpa-00243389�
ÉTUDE ET RÉALISATION D’UN POLARISEUR CIRCULAIRE
D’ONDES HYPERFRÉQUENCE A FORTE TENUE EN PUISSANCE
par J. DESCHAMPS, M. FITAIRE et D. PAGNON
Laboratoire de Physique des Plasmas (*), Faculté des Sciences, 91, Orsay (Reçu le 4 novembre 1969)
Résumé. 2014 Une technique spéciale d’usinage a été mise au point pour réaliser un polariseur circulaire d’ondes hyperfréquence en bande S (3 000 MHz). L’onde circulaire est obtenue en faisant propager dans un guide à section droite elliptique une onde rectiligne orientée dans la direction d’une bissectrice des axes de l’ellipse. La méthode d’usinage utilisée réalise ce guide elliptique tout
en assurant une transition progressive avec un guide cylindrique ; un tel polariseur a une très bonne
tenue en puissance (jusqu’à 23 MW). Un montage hyperfréquence spécial précédant le polariseur permet d’obtenir avec celui-ci une onde à polarisation circulaire quelque soit le coefficient de réfle- xion de la charge utilisée.
Abstract. 2014 A special fabrication technique has been used to construct a high frequency S-Band (3 000 MHz) circular wave polariser. The circularly polarised wave is obtained by sending
two linearly polarised waves through a wave guide which has an elliptical cross-section, the pola- risation of each wave being parallel to one of the principal axes of the ellipse. The fabrication
technique used yields an elliptical cross section with a smooth transition to a cylindrical guide.
The resulting polariser supports very high power levels (up to 23 MW). A special microwave assembly preceding the polariser yields a circularly polarised wave regardless of the S. W. R. of the termination.
1. Introduction. - Dans différentes études de phy- sique des plasmas il est nécessaire de pouvoir disposer
d’ondes hyperfréquence ayant dans le plan perpendi-
culaire à la direction de propagation une anisotropie
faible : c’est le cas en particulier lorsque l’on souhaite
produire une ionisation aussi homogène que possible
d’un gaz. Mais l’énergie électromagnétique, surtout lorsqu’elle est de très forte puissance, n’est fournie
que par des guides rectangulaires ou cylindriques
dont les modes de propagation ne répondent pas du tout à cette condition. Une solution a priori simple
consiste alors à utiliser une onde à polarisation circu-
laire : le module du champ est constant mais sa direc- tion tourne d’un mouvement uniforme à la fréquence
coo de l’onde. Ceci impose évidemment l’usage d’un polariseur permettant de transformer une onde à
polarisation rectiligne en une onde à polarisation
circulaire.
Nous avons réalisé un tel dispositif dans le cas par- ticulier où l’onde électromagnétique a une très forte
puissance crête (23 MW) ; une technique particulière d’usinage évitant toute discontinuité brusque dans le guide (qui serait inévitablement la cause de claquages électriques) a été utilisée.
II. Principe de fonctionnement du polariseur. -
Une onde circulaire peut être considérée comme résul- (*) Laboratoire associé au C. N. R. S.
tant de la superposition de deux ondes rectilignes (droites) ayant même fréquence et même vecteur de propagation et des champs électriques croisés déphasés
de 90° (autrement dit en quadrature dans l’espace et
dans le temps).
Deux ondes droites de même amplitude initialement
en phase et croisées, se déplaçant dans une structure
de guide où elles n’ont pas la même vitesse de phase V
donneront une onde résultante circulaire au bout d’un
trajet L = kÀi = kÀ2 ± L 2 où À1 et 03BB2 sont les lon-
gueurs d’ondes correspondantes. Pour assurer cette
différence de vitesse entre des ondes qui ont la même fréquence on utilise le fait bien connu que dans un
guide cylindrique V~ ne dépend, pour une fréquence
et un mode déterminés, que du rayon de ce guide (1).
Considérons alors le cas où un guide cylindrique
est légèrement déformé pour donner une ellipse ayant
une faible excentricité (grand axe = 2 a, petit axe = 2 b) ;
une onde rectiligne (mode TE, 1 du guide cylindri- que) orientée à 03C0/4 des axes de cette ellipse peut
(1) La vitesse de phase pour le mode fondamental (TE11) dans un guide de rayon a est donnée par
où c est la vitesse de la lumière dans l’espace libre et f la fré-
quence de l’onde.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0197000502028300
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être décomposée en deux ondes rectilignes orientées respectivement dans la direction du grand et du petit axe ; chacune d’entre elles se propage alors dans
un guide quasi cylindrique dont les rayons sont diffé- rents (et donc aussi les vitesses de propagation).
Ce raisonnement purement intuitif permet de déter- miner grossièrement la longueur à donner à cette
structure. Un calcul précis serait possible en faisant
usage des résultats connus sur la propagation dans un guide elliptique ; mais le raccordement entre les guides cylindrique et elliptique devant être réalisé sans dis- continuité brusque il faudrait déterminer le déphasage
introduit par cette transition, déphasage dont le calcul poserait des problèmes numériques difficiles. Aussi se contente-t-on de cette première approximation ; la longueur exacte est obtenue par modification de la
longueur du polariseur jusqu’à l’obtention du résultat
souhaité, résultat que l’on contrôle au banc hyperfré-
quence.
III. Mode de réalisation. - L’onde droite TEll du guide circulaire est obtenue à partir d’une transition
guide rectangulaire-guide circulaire (diamètre égal à
2 a). Le polariseur doit donc pouvoir se fixer à chaque
extrémité sur un guide circulaire, ne pas introduire de réflexion et supporter de fortes puissances. Le petit
axe de l’ellipse du polariseur étant égal à 2 b, le grand
axe à 2 a on devra assurer de chaque côté la transition à un guide circulaire de diamètre 2 a, et pour cela
prolonger le guide elliptique par un tronc de cône de section elliptique dont le petit axe varie continûment de 2 b à 2 a, et dont la longueur l’ ne doit pas être
petite devant la longueur d’onde dans le guide (Fig. 1).
FIG. 1. - Schéma de montage de l’ensemble hyperfréquence.
Par ailleurs pour pouvoir utiliser les charges adaptées classiques à grande puissance qui sont réalisées en guide rectangulaire il est nécessaire de revenir en
onde à polarisation rectiligne, ce qui impose la réali-
sation d’un deuxième polariseur dont la fonction est inverse de celle du premier.
Chaque polariseur est lui-même réalisé (Fig. 2) à
l’aide d’un tour de mécanicien en deux éléments iden-
tiques (un cône + une demi-section elliptique) ; ceci permet ensuite, si nécessaire, d’en modifier la longueur totale, en laissant intacte la partie conique.
Chaque élément du polariseur comprend donc deux
FIG. 2. - Coupes d’un demi-polariseur.
parties distinctes, usinées à partir d’un o rond » de laiton (Fig. 2) :
a) La partie droite de section quasi elliptique obte-
nue par trois alésages égaux à 2 b. Le premier alésage
est centré sur l’axe principal du polariseur, les deux
autres décentrés de a-b de part et d’autre de cet axe ; les axes des trois cylindres ainsi usinés étant dans un
même plan (Fig. 3-1, 3-2 et 3-3).I
FIG. 3. - Principe de la méthode d’usinage du polariseur : 3,1-3,2 et 3,3 : Usinage du cylindre elliptique. 3,4-3,5 et 3,6 :
Usinage du cône à section elliptique variable.
b) La partie conique réalisée au moyen de trois troncs de cône Ci 1 C2 et C3 d’angle a à section droite circulaire ; chacun d’entre eux débouche dans le guide cylindrique auquel le polariseur est raccordé et a donc
en cet endroit un diamètre égal à 2 a. Le cône Ci 1 est
tel que son axe coïncide avec celui du tour (At) et du polariseur (Ap) ; il est usiné en orientant la tourelle
porte-outil d’un angle oc par rapport à At et en faisant
avancer celle-ci dans la direction définie par l’outil
(Fig. 3-4). Pour usiner C 2 on dispose entre le mandrin
du tour et le polariseur une pièce intermédiaire (Fig. 3- 5) dont les faces planes font entre elles un angle oc qui
est de ce fait celui de At et de Ap et on usine comme précédemment pour Ci (tourelle du porte-outil faisant
un angle a avec At) (Fig. 3-6).
Après avoir usiné C2 on fait tourner le polariseur
de 03C0 autour de son axe Ap, la pièce intermédiaire res-
tant dans la même position pendant que l’on effectue cette rotation ; on usine alors C3 de la même manière
que C2.
Il est à remarquer que l’une des génératrices de C2
ou C3 n’est autre que celle qui correspond au grand
axe de l’ « ellipse » usinée pour réaliser la partie
droite. On peut se faire une idée assez précise de la configuration géométrique de cette section conique :
c’est l’enveloppe de trois troncs de cône identiques se
raccordant d’un côté au guide circulaire (0 = 2 a) de
l’autre à chacun des trois cylindres de base (0 = 2 b) qui réalisent la partie quasi elliptique.
Après ces usinages il y a lieu d’éliminer les arêtes dues à l’intersection des cylindres de la partie droite
entre eux ou des troncs de cône entre eux. Cette opé-
ration s’effectue à la toile abrasive directement sur le tour.
IV. Réglages et mesures. - Sur un banc de mesure,
on monte la transition guide rectangulaire guide circu- laire ; on fixe ensuite le polariseur puis on le raccorde
à un tronçon de guide circulaire terminé par une
charge adaptée (par exemple un cône long en hêtre).
Sur ce tronçon circulaire est fixée une antenne
(petite tige droite perpendiculaire à la paroi du guide).
Il est alors possible de mesurer E2(O), carré du champ électrique de l’onde en fonction de l’angle 0 de l’an-
tenne et des axes de l’ellipse.
La courbe E(O) projection [1] de l’ellipse dans la
direction 0 est une « podaire d’ellipse » (Fig. 4) ; elle
se réduit à un cercle lorsque le déphasage pratique
atteint n/2 ; pour aboutir à ceci, on modifie, ainsi qu’il a déjà été dit, la longueur du polariseur à l’aide
d’un tour de mécanicien en procédant par retouches successives.
FIG. 4. - Construction de l’ellipse et de la podaire d’ellipse.
V. Cas où le polariseur est fermé sur une charge non adaptée. - Ainsi que nous l’avons vu l’onde TE11 du guide cylindrique est obtenue par une transition guide rectangulaire-guide cylindrique. Cette disposition en-
traîne à priori une difficulté dont il y a lieu de tenir compte puisqu’elle peut annuler plus ou moins com-
plètement l’action du polariseur lorsque celui-ci n’est
pas fermé sur une charge adaptée.
En effet l’onde réfléchie par la charge traverse une
deuxième fois le polariseur et en sort sous la forme
d’une onde rectiligne orientée à 03C0/2 de l’onde incidente ; elle est de ce fait réfléchie par la transition puisqu’elle
se présente avec un champ électrique orienté dans la direction du grand côté du guide. Traversant encore
le polariseur elle se réfléchit une deuxième fois sur la
charge et ressort après un quatrième passage dans le
polariseur sous la forme d’une onde rectiligne dont la polarisation est maintenant telle qu’elle puisse fran-
chir la transition (nous supposerons qu’elle est ensuite
absorbée dans le guide rectangulaire).
Il y a donc à la sortie du polariseur quatre ondes : deux se propageant vers la charge et deux en sens contraire ; on peut alors aisément montrer que la résultante a une polarisation soit elliptique si la charge est partiellement désadaptée soit rectiligne si
elle est complètement désadaptée.
Il est néanmoins possible de pallier en partie cet
inconvénient : on abouche perpendiculairement au guide cylindrique, entre la transition et le polariseur,
un autre guide de même diamètre à une distance li
de la transition (Fig. 5) ; ce guide est lui-même fermé
sur une transition guide cylindrique-guide rectangu- laire dont l’orientation est telle qu’elle laisse passer l’onde réfléchie pour laquelle l’autre transition est à la coupure.
FIG. 5. - Schéma de montage du T de correction.
On ajuste au banc hyperfréquence la longueur 12 de
ce guide cylindrique de telle sorte que l’onde incidente voit en son embouchure un plan de court-circuit,
autrement dit que la transition soit disposée dans le plan antiprincipal du T ainsi constitué. De même on
règle la longueur 1, de façon à obtenir un maximum
de transmission dans la charge Z,. Ce réglage de 1,
ne peut néanmoins conduire à une transmission totale
vers Zc puisqu’il n’existe pas dans cette branche du T de plan antiprincipal.
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On remarquera à ce propos qu’il aurait été préfé-
rable d’utiliser une fonction en Y symétrique puisque
celle-ci possède trois plans antiprincipaux ; avec une
telle jonction il est possible de réaliser un découplage complet entre les signaux incidents et les signaux réfléchis, la jonction jouant le même rôle que les circu- lateurs à ferrite classiques (mais avec ici de grandes puissances crête). Ce sont des considérations de mon-
tage pour les expériences auxquelles ce polariseur est
destiné qui nous ont fait préférer l’emploi d’une jonction en T droit.
Exemple de réalisation et performances obtenues.
- Fréquence de fonctionnement : 3 000 MHz.
- Puissance crête : 23 MW pendant 12 ps.
- Côtes du polariseur :
- Ellipticité e (Rapport du grand axe au petit axe
de l’ellipse) de l’onde émergeant du polariseur seul :
- Montage complet avec le T :
1) Polariseur fermé sur une charge adaptée :
2) Polariseur fermé sur un plan de court-circuit :
suivant la position de ce plan.
- Pertes d’insertion : 0,2 dB.
Remerciements. - Nous remercions Monsieur G. Callede pour les conseils qu’il nous a prodigués au
cours de cette étude et Messieurs H. Comte et R. Depalle pour leur collaboration lors de l’usinage du polariseur.
Bibliographie
[1] BRUHAT (G.), Cours de Physique Générale, Optique, p. 43, Masson et Cie, 1959.
