FR2494916A1 - Tri-plate hyperfrequency circulator - has centre conducting plate formed with two input-output line pairs at 120 degrees to each other and to communicating line - Google Patents

Abstract

The low loss (0.1dB) gigahertz circulator of the triplate type has a centre conductive plate (10) formed with a communicating rectilinear channel (25) which branches at each end at respective disc-shaped zones (26,27) into an input and an output rectilinear channel (21,22,23,24) at 120 degs. to one another and to the communicating channel. The central plate is sandwiched between two silicon plates (32) having disc inserts of gyromagnetic material such as iron-yttrium above and below the zones. The two silicon plates, in turn, are bounded by outer earth plates. Max. coupling is regulated by a rectangular dielectric plate (41) inserted between the two silicon plates perpendicular to the communicating channel at its mid point. The channel has a length of a halt wavelength.

Description

CIRCULATEUR POUR LA TRANSMISSION D'ONDES
ELECTROMAGNETIQUES HYPERFREQUENCE
La présente invention a pour objet un circulateur pour la transmission d'ondes électromagnétiques hyperfréquence, réalisé en technologie "triplaque", ayant des pertes d'insertion très faible et un grand découplage. Un circulateur est un dispositif de transmission non réciproque comportant au moins trois voies, disposées dans un même plan, convergeant vers le centre du dispositif et utilisables dans deux sens de transmission. Une onde électromagnétique pénétrant par une voie d'entrée est transmise presque intégralement à une voie de sortie dite "couplée" alors qu'une onde pénétrant par la voie dite de sortie et voulant remonter vers la voie d'entrée est très fortement atténuée. La voie d'entrée est dite "découplée" de la voie de sortie.La puissance transmise a la voie couplée est atténuée de la valeur des "pertes d'insertion" en hyperfréquence.CIRCULATOR FOR WAVE TRANSMISSION
MICROWAVE ELECTROMAGNETICS
The present invention relates to a circulator for the transmission of microwave electromagnetic waves, produced in "triplate" technology, having very low insertion losses and great decoupling. A circulator is a non-reciprocal transmission device comprising at least three channels, arranged in the same plane, converging towards the center of the device and usable in two directions of transmission. An electromagnetic wave penetrating by an input channel is transmitted almost entirely to a so-called "coupled" output channel while a wave penetrating by the so-called output channel and wanting to go up towards the input channel is very strongly attenuated. The input channel is said to be “decoupled” from the output channel. The power transmitted to the coupled channel is attenuated by the value of the “insertion losses” at microwave frequency.

Les circulateurs sont utilisés dans les faisceaux hertziens pour diriger l'énergie émise par les émetteurs sur l'antenne commune et l'énergie reçue par l'antenne vers les récepteurs. Dans les deux cas l'énergie émise ou reçue traverse plusieurs de ces circulateurs et se trouve atténuée plusieurs fois par les pertes d'insertion. Il est donc avantageux d'utiliser des circulateurs à très faibles pertes. Ceci est éga:ement vrai pour les dispositifs à amplificateurs paramètriques. Dans ce cas chaque dixième de décibel de perte augmente d'environ 70K absolus la température de bruit de l'amplificateur que l'on veut la plus faible possible. Circulators are used in radio-relay systems to direct the energy emitted by the transmitters on the common antenna and the energy received by the antenna to the receivers. In both cases the energy emitted or received passes through several of these circulators and is attenuated several times by the insertion losses. It is therefore advantageous to use circulators with very low losses. This is also true for devices with parametric amplifiers. In this case, every tenth of a decibel of loss increases the noise temperature of the amplifier by as little as possible by around 70K absolute.

Le circulateur selon la présente invention satisfait particulièrement bien aux conditions d'application précédentes par son taux de pertes d'insertion très faible et par un découplage qui est approximativement le double de celui des circulateurs connus à trois portes.The circulator according to the present invention particularly satisfies the preceding application conditions by its very low rate of insertion losses and by a decoupling which is approximately double that of known circulators with three doors.

En outre sa structure a été conçue de façon rigide el bien définie mécaniquement, ce qui assure des performances électriques reproductibles sur chaque circulateur notamment dans une très large bande (3 à 5,5
Cigahertz).In addition, its structure has been designed rigidly and well defined mechanically, which ensures reproducible electrical performance on each circulator in particular in a very wide band (3 to 5.5
Cigahertz).

Pour remédier aux inconvénients antérieurs la présente invention a pour objet un circulateur pour la transmission d'ondes élecromagnétiques hyperfréquence réalisé selon la technique triplaque comprenant une plaque centrale interposée entre au moins un disque en matériau gyroma gnétique, soumis à l'influence d'un champ magnétique statique crée par des aimants permanents, et deux plaques de masse parallèles situées de part et d'autre de la plaque centrale et dont chacune est insérée en partie entre ce disque et un des aimants, caractérisé en ce que la plaque centrale comporte cinq voies conductrices rectilignes dont l'une, est une voie d'entrée et une autre, la voie de sortie disposée à 1200 de la voie d'entrée et qui sont raccordées à une première zone de jonction, deux voies de découplage à 1200 l'une de l'autre, raccordée à une seconde zone de jonction, une voie rectiligne branchée entre la première et la seconde zone de jonction et qui forme un angle de 1200 avec chacune des voies précédentes
Entre des parties des deux plaques de masse et la plaque centrale sont interposées deux plaques de silice comportant des perçages situés de part et d'autre des zones de jonction et utilisés pour loger autant de disques en matériau gyromagnétique.To overcome the previous drawbacks, the present invention relates to a circulator for the transmission of microwave electromagnetic waves produced according to the three-plate technique comprising a central plate interposed between at least one disc made of gyroma gnetic material, subject to the influence of a field. static magnetic created by permanent magnets, and two parallel mass plates located on either side of the central plate and each of which is inserted partly between this disc and one of the magnets, characterized in that the central plate has five channels straight conductors, one of which is an inlet channel and another, the outlet channel located at 1200 from the inlet channel and which are connected to a first junction zone, two decoupling channels at 1200 a on the other, connected to a second junction zone, a straight path connected between the first and the second junction zone and which forms an angle of 1200 with each of the pr past
Between parts of the two ground plates and the central plate are interposed two silica plates having holes located on either side of the junction zones and used to accommodate as many discs made of gyromagnetic material.

Le réglage du découplage maximum est obtenu par une plaquette diélectrique rectangulaire qui est insérée entre les deux plaques de silice perpendiculairement au milieu de la voie branchée aux zones de jonction. The maximum decoupling setting is obtained by a rectangular dielectric plate which is inserted between the two silica plates perpendicular to the middle of the path connected to the junction zones.

Les objets et caractéristiques de la présente invention apparattront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ciannexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue d'une section a mi-hauteur du circulateur selon l'invention;
- la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale du circulateur selon l'invention.The objects and characteristics of the present invention will appear more clearly on reading the following description of exemplary embodiments, said description being made in relation to the attached drawings in which:
- Figure 1 shows a view of a section at mid-height of the circulator according to the invention;
- Figure 2 shows a longitudinal sectional view of the circulator according to the invention.

La vue en plan de la figure 1 est une section à mi-hauteur du circulateur découvrant la plaque centrale 10 conductrice de celui-ci. Ce circulateur est réalisé en technologie "triplaque" et il comporte quatre portes d'entrée et de sortie 11, 12, 13, 14. La plaque centrale 10 est interposée entre quatre disques 15, 16, 17, 18 en matériau gyromagnétique. Deux plaques métalliques 19 et 20 qui sont parallèles à la plaque centrale 10 constituent les plans de masse du circulateur. The plan view of FIG. 1 is a section at mid-height of the circulator revealing the central conductive plate 10 thereof. This circulator is produced in "triplate" technology and it has four entry and exit doors 11, 12, 13, 14. The central plate 10 is interposed between four discs 15, 16, 17, 18 made of gyromagnetic material. Two metal plates 19 and 20 which are parallel to the central plate 10 constitute the ground planes of the circulator.

La plaque centrale 10 comporte cinq voies 21, 22, 23, 24 et 25 conductrices rectilignes. L'une est une voie d'entrée 21, une autre, la voie de sortie 22 qui est disposée à 1200 de la voie 22 et dans le même plan. The central plate 10 has five channels 21, 22, 23, 24 and 25 rectilinear conductors. One is an inlet channel 21, another is the outlet channel 22 which is located at 1200 from the channel 22 and in the same plane.

Ces deux voies 21 et 22 sont raccordées à une première zone de jonction 26 en forme de disque. Les deux voies 23 et 24 sont des voies de découplage à 1200 l'une de l'autre. Elles sont raccordées à une seconde zone de jonction 27. Entre les deux zones de jonction 26 et 27 est branchée une voie 25 rectiligne qui forme un angle de 1200 avec chacune des voies 21, 22, 23 et 24.These two channels 21 and 22 are connected to a first junction zone 26 in the form of a disc. The two channels 23 and 24 are decoupling channels at 1200 from one another. They are connected to a second junction zone 27. Between the two junction zones 26 and 27 is connected a rectilinear channel 25 which forms an angle of 1200 with each of the channels 21, 22, 23 and 24.

Les disques 15 à 18 en matériau gyromagnétique, par exemple des grenats de fer-yttrium à très faible pertes diélectriques et magnétiques sont placés contre chacune des faces des zones de jonction 26, 27 et logés individuellement dans des perçages 28, 29, 30 et 31 correspondants qui ont été pratiqués dans deux plaques 32 et 33 en silice. Autour des disques 15, 16, 17, 18, ces plaques 32 et 33 sont placées au contact des plaques de masse 19, 20 et des voies 21, 22, 23, 24 et 25. La constante diélectrique de la silice étant voisine de 4 a permis de donner des dimensions raisonnables à ce circulateur. Ce matériau a permis également de limiter les pertes par rayonnements inévitables dans une telle structure. Sa tangente de pertes inférieure à 10 4 assure un minimum de pertes d'insertion. The discs 15 to 18 of gyromagnetic material, for example iron-yttrium garnets with very low dielectric and magnetic losses are placed against each of the faces of the junction zones 26, 27 and housed individually in holes 28, 29, 30 and 31 correspondents which were made in two plates 32 and 33 of silica. Around the discs 15, 16, 17, 18, these plates 32 and 33 are placed in contact with the ground plates 19, 20 and the paths 21, 22, 23, 24 and 25. The dielectric constant of the silica being close to 4 allowed to give reasonable dimensions to this circulator. This material also made it possible to limit the inevitable radiation losses in such a structure. Its loss tangent of less than 10 4 ensures a minimum of insertion losses.

Un champ magnétique statique, qui est perpendiculaire au plan des disques 15 à 18, est crée par des aimants 34, 35, 36 et 37 permanents, en forme de disque, qui sont logés dans des évidemments correspondants des deux plaques-de masse 19 et 20. Le champ magnétique statique est refermé par l'intermédiaire de culasses magnétiques 38 et 39 reliant chaque fois deux aimants axialement opposés. A static magnetic field, which is perpendicular to the plane of the discs 15 to 18, is created by permanent magnets 34, 35, 36 and 37, disc-shaped, which are housed in corresponding recesses of the two ground plates 19 and 20. The static magnetic field is closed by means of magnetic yokes 38 and 39 each time connecting two axially opposite magnets.

Aux extrémités des voies reliant les jonctions 26 et 27 sont soudées des raccords à ernbase dont seulement l'un 40 a été représenté. La longueur des voies 13, 14, 15 et 16 est définie de manière à obtenir des transformateurs de type quart d'onde, tandis que la longueur électrique de la voie de raccordement 25 est égale à une denii longueur d'onde. Le circulateur fonctionne dans le sens passant par exemple si l'on considére la porte 11 comme porte d'entrée, la porte 13 comme porte de sortie et les portes 12 et 14 comte portes de découplage.Un réglage du découplage maxi:num est obtenu en ajustant la reluctance du circuit au moyen d'entretoises, (non représentées) en matériau magnétique, disposées entre les aimants 34 et 35 et les plaques 19 e. 20, ou par un chÙnge;nent de l'épaisseur des aimants. Ce réglage peC > t e;rc aussi réalisé en insérant une plaquette 41 diélectrique capacitive de forme rectangulaire entre les deux plaques 19 et 20 en silice et en la rapprochant de la voie 25 de raccordement. Des adapteurs 42, en matériau diélectrique, en forme d'étrier sont interposés entre les deux plans de masse autour des entrées et sorties respectives des différentes voies 13, 14, 15, 16, et permettent ainsi le réglage définitif du taux d'ondes stationnaires aux accès. At the ends of the tracks connecting the junctions 26 and 27 are welded ernbase fittings of which only one 40 has been shown. The length of the channels 13, 14, 15 and 16 is defined so as to obtain transformers of the quarter-wave type, while the electrical length of the connection channel 25 is equal to one wavelength. The circulator operates in the passing direction for example if we consider door 11 as an entry door, door 13 as an exit door and doors 12 and 14 as decoupling doors. A maximum decoupling setting: num is obtained by adjusting the reluctance of the circuit by means of spacers (not shown) made of magnetic material, placed between the magnets 34 and 35 and the plates 19 e. 20, or by a chÙnge; nent of the thickness of the magnets. This adjustment peC> t e; rc also achieved by inserting a capacitive dielectric plate 41 of rectangular shape between the two plates 19 and 20 of silica and bringing it closer to the connection channel 25. Adapters 42, in dielectric material, in the shape of a stirrup are interposed between the two ground planes around the respective inputs and outputs of the different channels 13, 14, 15, 16, and thus allow the final regulation of the standing wave rate. access.

Le type de circulateur décrit précédemment présente des pertes inférieure à 0,1 dB, un découplage supérieur à 40 dB et un taux d'ondes stationnaires ne dépassant pas 1,1 dans toute la bande de fréquence transmise comprise entre 3,7 et 4,2 GHz. Les pertes d'insertion sont comprises entre 0,15 et 0,2 dB lorsque les disques 15, 16, 17 et 18 sont utilisées au-dessus de la résonnance gyromagnétique et que la bande d'utilisateur du circulateur est comprise entre 3 et 5,5 GHz. Le découplage reste alors toujours supérieur à 35 dB.  The type of circulator described previously has losses less than 0.1 dB, a decoupling greater than 40 dB and a standing wave rate not exceeding 1.1 in the entire transmitted frequency band between 3.7 and 4, 2 GHz. Insertion losses are between 0.15 and 0.2 dB when discs 15, 16, 17 and 18 are used above the gyromagnetic resonance and the user band of the circulator is between 3 and 5 , 5 GHz. The decoupling then always remains greater than 35 dB.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Circulateur pour transmission d'ondes électromagnétiques hyperfréquence réalisé selon la technique triplaque comprenant une plaque centrale (10) interposée entre au moins un disque (15) en matériau gyromagnétique soumis à l'influence d'un champ magnétique statique crée par des aimants permanents, et deux plaques de masse (19 et 20) parallèles situees de part et d'autre de la plaque centrale (10), dont chacune est insérée en partie entre ce disque et un des aimants, caractérisé en ce que la plaque centrale (10) comporte cinq voies conductrices rectilignes (21, 22, 23, 24 et 25) dont l'une est une voie d'entrée (21), et une autre la voie de sortie (22) disposée à 1200 de la voie d'entrée (21), et qui sont raccordées à une première zone de jonction (26);; deux voies (23, 24) de découplage à 1200 l'une de l'autre, raccordées à une seconde zone de jonction (27), une voie (25)- rectiligne branchée entre la première (26) et la seconde (27) zone de jonction et qui forme un angle de 1200 avec chacune des voies précédentes (21, 22, 23, 24). 1. Circulator for transmission of microwave electromagnetic waves produced according to the three-plate technique comprising a central plate (10) interposed between at least one disc (15) of gyromagnetic material subjected to the influence of a static magnetic field created by permanent magnets , and two parallel ground plates (19 and 20) located on either side of the central plate (10), each of which is inserted partly between this disc and one of the magnets, characterized in that the central plate (10 ) has five rectilinear conductive paths (21, 22, 23, 24 and 25), one of which is an inlet channel (21), and another is the outlet channel (22) arranged 1200 from the inlet channel (21), and which are connected to a first junction zone (26) ;; two decoupling channels (23, 24) at 1200 from one another, connected to a second junction zone (27), one channel (25) - straight connected between the first (26) and the second (27) junction zone and which forms an angle of 1200 with each of the preceding channels (21, 22, 23, 24). 2. Circulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre des parties des deux plaques de masse (19 et 20) et la plaque centrale (10) sont interposées deux plaques (32 et 33) de silice comportant des perçages (28, 29, 30, 31) situés de part et d'autre des zones de jonction (26, 27) et utilisés pour loger autant de disques (15, 16, 17, 18) en matériau gyromagnétique. 2. Circulator according to claim 1, characterized in that between parts of the two mass plates (19 and 20) and the central plate (10) are interposed two plates (32 and 33) of silica having holes (28, 29, 30, 31) located on either side of the junction zones (26, 27) and used to accommodate as many discs (15, 16, 17, 18) made of gyromagnetic material. 3. Circulateur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le réglage du découplage maximum est obtenu par une plaquette (41) diélectrique rectangulaire qui est insérée entre les deux plaques (32, 33) de silice perpendiculairement au milieu de la voie (25) branchée aux zones de jonction (26, 27). 3. Circulator according to claims 1 and 2, characterized in that the adjustment of the maximum decoupling is obtained by a rectangular dielectric plate (41) which is inserted between the two silica plates (32, 33) perpendicular to the middle of the track ( 25) connected to the junction zones (26, 27). 4. Circulateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la voie (25) branchée aux zones de jonction (26, 27) a une longueur égale à une demi longueur d'onde.  4. Circulator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the channel (25) connected to the junction zones (26, 27) has a length equal to half a wavelength.