EP4262024A1 - Device for controlling rf electromagnetic beams according to their frequency band and manufacturing method - Google Patents
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- EP4262024A1 EP4262024A1 EP23167887.1A EP23167887A EP4262024A1 EP 4262024 A1 EP4262024 A1 EP 4262024A1 EP 23167887 A EP23167887 A EP 23167887A EP 4262024 A1 EP4262024 A1 EP 4262024A1
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- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
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- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
Definitions
- the present invention relates generally to the field of radio frequencies (RF), and in particular to a device for controlling RF electromagnetic beams according to their frequency band, in particular for controlling the reflection and/or transmission of electromagnetic beams, as well as a process for manufacturing such a device.
- RF radio frequencies
- An example of a control device is described in the patent FR 3095303 B1 .
- RF dichroic screens Devices for controlling the reflection and/or transmission of beams coming from RF electromagnetic signal sources, depending on their frequency band, also called “RF dichroic screens”, can be made up of frequency selective surfaces or FSS (acronym for “Frequency Selective Surfaces”, according to the corresponding Anglo-Saxon expression). Such surfaces are formed from a stack of two or more periodic surfaces, themselves designed from metallic patterns regularly distributed according to a periodicity vector, engraved or printed on a dielectric substrate.
- FSS frequency selective surfaces
- Such surfaces are formed from a stack of two or more periodic surfaces, themselves designed from metallic patterns regularly distributed according to a periodicity vector, engraved or printed on a dielectric substrate.
- the metal patterns usually chosen are annular type patterns to constitute resonant elements whose interaction with RF electromagnetic signals is modeled according to a circuit comprising a coil (defined by an inductance L) and a capacitor (defined by a capacitance C) , with a predominant capacitive part. These periodic surfaces are called 'capacitive'.
- An RF dichroic shield designed from such capacitive surfaces reflects in a high frequency band and transmits in a lower frequency band so it is typically used as a low pass (or notch) filter.
- an RF dichroic screen reflects an RF signal having a low frequency band. The RF signal then penetrates little into the RF dichroic screen, and is less likely to be affected by ohmic losses (ie power losses). For this, it is known to use an RF dichroic screen behaving like a highly reflective metal plate for the low frequency band.
- a degraded surface condition of an RF dichroic screen produces more disturbances on the wavefront of a reflected RF beam than on the wavefront of a transmitted RF beam.
- the production of these disturbances is all the more important for a high frequency band than for a lower frequency band.
- the RF dichroic screen behaves like a high-pass filter, therefore operating transparently in a high frequency band.
- the dielectric substrates constituting these periodic surfaces also induce ohmic losses on the transmitted RF beam which can be minimized, but cannot be canceled.
- RF dichroic screens formed from perforated plates. Such RF dichroic screens are frequently used as bandpass filters. These perforated plates are made up of metal sheets perforated at a given frequency, with rectangular or circular holes, as described in the article "Transmission and reflection of metallic mesh in the far infrared” by P. Vogel et al. Infrared Physics, 1964, vol. 4, pp. 257-262 .
- the perforations act as waveguides for RF electromagnetic beams of wavelength ⁇ , for which the RF dichroic screen must be transparent. These perforations must be large enough for an electromagnetic mode to be established there.
- the periodicity associated with these perforations is typically of the order of 0.75 ⁇ .
- grating lobes can be excited there for beams with a large opening angle and/or having a non-zero angle of incidence relative to the normal of the RF dichroic screen.
- the periodicity of these perforations thus constitutes a first constraint, due to the fact that it limits the angle of incidence for which the RF dichroic screen can be used and/or the opening angle of the RF beam (since it results in significant losses for too large an angular sector, for example greater than 40°).
- a second constraint corresponds to the effects of partial reflections in the planes of discontinuities, for beams in transmission in these waveguides. These partial reflections depend on the quantity of metal constituting the perforated plates and are all the more important as the metal walls are thick. Partial reflections at the input and output of the waveguides can be compensated at a given frequency, by adjusting the length of the guided sections. However, around this given frequency and over an angular sector, the recombination of partial reflections produces a ripple in the frequency band, which can reach several tenths of a dB.
- Polarization invariance of RF dichroic displays is an important need. Indeed, the polarization (in particular circular) of the wave transmitted or reflected by the screen must not or only slightly be disturbed, to avoid inducing significant losses and non-negligible changes depending on the angle of incidence. of the harness, as described in the article " Upgrade to the K-band uplink channel for the ESA Deep Space Antennas: Analysis of the optics and preliminary dichroic mirror design" by M. Marchetti et al. 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Copenhagen, Denmark, 2020 .
- the walls (or walls) of the perforations have slots in order to produce transmission frequency windows at the resonance frequency of the slots, as described in the article " Waveguide 3-D FSSs by 3-D printing technique” by T. Wang et al. International Conference on Electromagnetics in Advance Applications (ICEAA), Cairns, Australia, 2016 .
- the waveguides thus created therefore operate with a much lower periodicity, typically of the order of 0.5 ⁇ , in the frequency band ⁇ for which the RF dichroic screen must be transparent. Slots can take multiple shapes, as described in the article " Circuit Modeling of 3-D Cells to Design Versatile Full-Metal Polarizers" by C. Molero et al. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, vol. 67, pp. 1357-1369 .
- Such RF dichroic screens are nevertheless entirely metallic and therefore suitable for applications with high power beams.
- the metal RF dichroic screens known to those skilled in the art have responses depending on the polarization of the beams, which are not stable over a wide bandwidth and over a wide angular sector of incidence (in particular limited to a beam of opening angle ⁇ 5° around an angle of incidence of 30° for example).
- the present invention improves the situation by proposing a radio frequency beam control device comprising a set of at least one cell, the cell comprising a support frame and at least one internal interconnection to the support frame, the radio frequency beams being waves electromagnetic TEM having a given polarization.
- the support frame is inscribed in a prism, having a given axis Z', the prism comprising faces P not linked together by edges oriented along the axis of the prism Z', the support frame comprising corner elements, each corner element having an edge coinciding with one of the edges of the prism, the corner elements being arranged so that the support frame has, on each face of the prism, a slot extending along the axis of the prism Z'.
- Each internal interconnection includes inductive rods each comprising two ends, the inductive rods each having a first end connected to one of the edges of the support frame, the second ends of the inductive rods being connected together at a rod connection point, the connection point of rods being positioned substantially in the center of the support frame in a plane orthogonal to the axis of the prism Z'.
- Each cell is configured to carry out polarization-invariant transmission and/or reflection of radiofrequency beams of TEM electromagnetic waves.
- a cell may comprise at least two internal interconnections and in addition at least one capacitive plate internal to the support frame extending in a plane orthogonal to the axis of the prism Z', the at least one capacitive plate being arranged between the two internal interconnections.
- a cell may comprise at least two internal interconnections and in addition at least one central pillar extending along the axis of the prism Z' and being arranged substantially in the center of the support frame, the central pillar comprising a upper end connected to the rod connection point of one of the internal interconnections, and a lower end connected to the rod connection point of another internal interconnection.
- the at least one capacitive plate can be connected to the support frame by at least one central pillar extending along the axis of the prism Z' and comprising an upper end and a lower end, the capacitive plate being arranged substantially in the middle of the central pillar.
- the at least one capacitive plate can be held inside the support frame by means of a dielectric support.
- the radio frequency beam control device may be made of a single electrically conductive material.
- the number can be equal to 4 while the support frame has a square parallelepiped shape, or the number can be equal to 6 while the support frame having a hexagonal prism shape.
- the radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X,Y), and the axis of the prism Z' can be parallel to the axis Z , the support frame having the shape of a right prism.
- the radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X,Y), and the axis of the prism Z' can have an inclination ⁇ by relative to the Z axis, the support frame having the shape of an oblique prism.
- the inductive rods and the edges of the support frame can form an angle ⁇ of between 45° and 90°, and/or between 90° and 135°.
- the radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z), generally extend in a plane (X,Y), and comprise a set of several cells having geometric shapes and variable dimensions in the plane (X,Y).
- the invention also provides an optical system comprising at least a first source of radio frequency signals configured to emit a radio frequency beam of frequency band ⁇ 1 in a given direction of propagation and an RF beam control device, the beam control device radio frequencies being configured to reflect and/or transmit the radio frequency beam according to the given direction of propagation and the frequency band Al.
- the radio frequency beam emitted by the first source may be a TEM electromagnetic wave having a given phase
- the radio frequency beam control device may be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X ,Y), the control device comprising a set of several cells, the radiofrequency beam control device being configured to modify the phase in the plane (X,Y).
- the invention provides a method of manufacturing the radio frequency beam control device, the device being entirely metallic, and the manufacturing method using at least one 3D printing technique.
- the radio frequency beam control device comprising two faces defined in the plane (X,Y), the method can comprise a first step of depositing layers of metal stacked in the direction of said inclination ⁇ , then a second step of cutting at least one of the two faces of the device.
- the embodiments of the invention thus provide a device for controlling RF electromagnetic wave beams in TEM mode, capable of being invariant with respect to polarization, adapted to high power RF signals, and behaving like a Dichroic screen of high-pass filter type, that is to say operating in reflection in a low frequency band and in transparency in a higher frequency band, with very low insertion losses, for large angular sectors incident RF beams.
- the device according to the embodiments of the invention makes it possible to control beams of RF electromagnetic waves in TEM mode, according to their frequency band in a manner invariant with respect to the polarization.
- a device can for example be produced in the form of a dichroic screen of the high-pass filter type, operating in reflection in a low frequency band (for example X band) and in transparency in a higher frequency band (for example example Ka band), according to very low insertion losses.
- Such a device is particularly suitable for new additive manufacturing processes which improve the performance of reflection and transmission of wide bands, according to a large angular sector of the beams of RF electromagnetic signals at incidence, and of high power.
- FIG. 1 represents an optical system 10 comprising a radio frequency (RF) beam control device 300, according to embodiments of the invention.
- RF radio frequency
- the radio frequency beam control device 300 can for example be used as a dichroic screen in an optical system 10 implemented in an antenna system (not shown) comprising a large reflector associated with several sources of radio frequency (RF) electromagnetic signals which can have very high power (for example of the order of several tens of kilowatts).
- RF radio frequency
- such an antenna system can be implemented in the form of an antenna mounted on board a satellite or a ground control station antenna, for space and/or scientific missions.
- radio frequency beam control also called 'radio frequency beam manipulation' refers to various phenomena related to electromagnetic waves that can occur when an RF beam interacts with the material of an object given, such as the device 300. These phenomena include in particular the transmission, reflection, absorption, diffusion, refraction and/or diffraction of the electromagnetic wave.
- the RF beam control device 300 can be used to transmit and /or reflect beams from distinct RF signal sources each having a distinct frequency band.
- An antenna system can include different optical systems forming one or more "optical paths" and making it possible to control (in particular manipulate and/or direct) the RF signals produced by the sources positioned at different locations of the antenna system (depending on the size), towards the reflector.
- these optical systems limit the design of the antenna system because they can induce significant power losses in the RF signals, and constrain the architecture of the antenna system by limiting, for example, the width of the beams (or angular aperture) produced by the RF sources. .
- the optical system 10 is part of an antenna system (not shown) and comprises a first RF source 100, a second RF source 200 and an RF beam control device 300.
- the two RF sources 100, 200 are configured to emit beams of electromagnetic waves in TEM mode (acronym for the Anglo-Saxon expression “Transversal Electro-Magnetic” associated with transverse electromagnetic waves) in two distinct RF frequency bands, respectively denoted ⁇ 1 and ⁇ 2 , and along two given propagation axes, denoted respectively 102 and 104.
- An electromagnetic wave of an emitted RF beam is further characterized by a given phase (and an associated wave front).
- the RF sources 100, 200 can be configured to transmit in specific frequency bands so that ⁇ 1 corresponds to the so-called “X band”, of low frequencies, typically between 7 GHz and 8.5 GHz, and ⁇ 2 corresponds to the so-called “Ka band”, of high frequencies, typically between 22.5 GHz and 27 GHz.
- the RF beam control device 300 is therefore defined in a reference frame (X,Y,Z).
- the RF beam control device 300 comprises at least two faces denoted 310 and 320.
- the two faces 310 and 320 are spaced apart from each other by a distance d representing the ''thickness'' of the RF beam control device 300.
- the thickness d may be greater than or equal to a value substantially equal to ⁇ 2 /2.
- the thickness d can be equal to 5.5 mm.
- the RF beam control device 300 can have a substantially planar structure, defined in the plane (X,Y) associated with reference (X,Y ,Z) and orthogonal to the Z axis. Thus, the RF beam control device 300 generally extends in the plane (X,Y).
- the RF sources 100, 200 can be of the horn type and can be associated respectively with radiation field beams 104, 204, each defined according to an opening angle denoted respectively ⁇ 1 and ⁇ 2 .
- the RF beam control device 300 can also be configured to modify or not the opening angle (ie the associated phase and wavefront) of the transmitted and/or reflected radiation fields noted respectively ⁇ 1 t and ⁇ 2t .
- the two RF sources 100, 200 may have a radiation field 104, 204 having the same opening angle denoted ⁇ , before and after interaction with the RF beam control device 300.
- the angle ⁇ can for example be of the order of 30°.
- the RF sources 100, 200 can also be associated with a spherical wavefront which will be transformed into a plane wavefront by another optical system for example.
- the RF beam control device 300 can be tilted with respect to the direction of average incidence (i.e. direction of propagation 102 and 202) of the beam at the spherical wavefront of two sources RF 100 and 200, for example so as to form an arrangement of sources which does not generate masking.
- the average direction of incidence of the beams with the normal axis Z of the device 300 then forms an angle of incidence denoted ⁇ i , for example substantially equal to 30°.
- the projection of the radiation fields 104 and 204 of the RF sources onto the dichroic screen can vary over a very wide angular sector depending on the opening angle ⁇ and the angle of incidence ⁇ i of the RF sources 100 and 200.
- the dichroic screen is then configured to operate for highly oblique incidences, for example for angular sectors of between 15° and 45°.
- the RF beam controller 300 may be configured to transmit and/or reflect an RF beam, and modify the phase (and associated wavefront) of the electromagnetic wave of the RF beam.
- Such a configuration is applicable for RF 300 beam control devices used as a transmission screen (or “transmitarray” in English) and/or reflection screen (or “reflectarray” in English) to correct aberrations in multibeam optical systems.
- the radio frequency beam control device 300 generally extending in a plane (X,Y), can have geometric shapes and variable dimensions in the plane (X,Y) making it possible to modify the phase of the wave electromagnetic in the plane (X,Y).
- the RF sources 100, 200 may also be associated with a spherical, plane wavefront and/or comprising deformations such as aberrations generated by phase shifts.
- the RF beam control device 300 can be configured to transform a given wavefront (e.g. spherical) and another wavefront (e.g. planar) and/or to correct wavefront aberrations by locally modifying the phase of the RF beam in the (X,Y) plane.
- the RF beam control device 300 can be configured to differently modify the wavefront of a wave intended to be reflected (coming from the source 100) relative to the wavefront of a wave intended to be transmitted (coming from source 200).
- the resulting optical system 10 may include RF sources positioned manner closer to the device 300 or arranged in a manner more suited to the intended application.
- the two faces 310 and 320 can be parallel to each other.
- the two faces 310 and 320 can be surfaces defined in two dimensions in the plane (X,Y) orthogonal to the normal axis Z.
- the two faces 310 and 320 can be surfaces defined according to three dimensions in the reference frame (X,Y,Z).
- the thickness d between the two parallel faces 310 and 320 is homogeneous along the RF beam control device 300.
- the thickness d between the two faces 310 and 320 is inhomogeneous along the RF beam control device 300, such that the thickness d can vary along the X axis and/or along the Y axis.
- at least one of the two faces 310 and 320 can be defined as a surface defined according to three dimensions in the reference frame (X,Y,Z).
- the RF beam control device 300 may comprise a center O (not shown in the figures) positioned in the plane (X,Y) such that the thickness d varies increasing or decreasing at from this center O, along the axis X, to form a quasi-optical element, which can be a concave or convex element respectively.
- the RF beam control device 300 comprises a set of cells 400 arranged in the plane (X,Y), as shown in the figures 2 to 4 , 6 and 8 to 10 .
- Each cell 400 of the RF beam control device 300 includes an external cell support frame 420 and one or more internal interconnections 460.
- the support frame 420 of a cell 400 (also called “cell support frame”) is inscribed in a general shape of prism (or faceted cylinder) having a main axis extending along an axis Z'.
- the Z' axis corresponds to a generating line of the prism and is also called “Z' prism axis”.
- the cell support frame 420 is of length d along the axis Z'.
- the Z' axis is equivalent to the Z axis.
- Such a prism is a polyhedron having faces formed by parallelograms, also called “prismatic faces” and two parallel polygonal bases.
- the prism shape can be, for example and without limitation, a square parallelepiped called a cuboid or a hexagonal prism.
- the cell support frame 420 is inscribed in a general shape of prism which rests on a polygonal base at sides of width l, defined in the plane (X,Y) and extends along the axis of the prism Z'.
- THE prismatic faces P not are linked together by side edges parallel to each other and parallel to the axis of the prism Z'.
- n is an index associated with the different faces of the prism in which the cell support frame 420 is inscribed, with n not ⁇ 1 NOT .
- the prismatic faces include the faces P 1 , P 2 , P 3 And P 4 and the side edges include the edges And
- the cell support frame 420 comprises, at each side edge of the prism, a corner element 4200- n arranged in the corner of the prism corresponding to the side edge
- a corner element 4200- n consists of two rectangular plates 4200A- n and 4200B- n connected at an edge 430- n coinciding with the side edge associated with the corner of the prism, each plate having a length equal to the length d of the prism along the axis d (equivalent to the Z axis on the figures 2 to 4 , 6, 8 and 9 ).
- Each of the two plates 4200A- n and 4200B- n of a corner element 4200- n extends partially over one of the two prismatic faces P not And P not + 1 adjacent connected by the edge 430- n corresponding to the edge associated with the corner of the prism.
- the width of a rectangular plate 4200A- n or 4200B- n in the plane (X, Y) of the corner element is less than the width l of a prismatic face.
- the cell support frame 420 is inscribed in the prism and includes “walls” 420- n coinciding with one of the prismatic faces P not of the prism of the cell support frame 420, each wall 420- n comprising a discontinuity defined by a slot 440- n , extending along the axis of the prism Z' (equivalent to the axis Z on the figures 2 to 4 , 6 , 8 And 9 ).
- a wall 420- n thus comprises two rectangular plates, separated from one another by the slot 440- n , each of the two plates belonging to two adjacent corner elements 4200- n and 4200-( n + 1) for example.
- a wall 420- n of the cell support frame 420 thus comprises the two adjacent rectangular plates 4200A- n and 4200B- n which extend on the same prismatic face P not and are separated from slot 440- n .
- THE “walls” 420- n of the cell support frame 420 have a wall thickness denoted m. It should be noted that, in an RF beam control device 300 comprising two or more cells 400, the thickness of walls between two cells 400 can be defined as being equal to a value 2 ⁇ m .
- each of the wall slots 440- n has a width corresponding to the distance between the two rectangular plates 4200A- n and 4200B- n of the wall which belong to the two adjacent corner elements.
- THE Continuous slots 440- n can be median in relation to the walls 420- n , that is to say positioned substantially in the middle of the corresponding wall 420- n .
- the angle between the two plates 4200A- n and 4200B- n of a corner element 4200- n depends on the shape of the prism and in particular on the number sides of the polygonal base.
- the axis of the prism Z' is parallel to the axis Z is such that the cell support frame 420 has the shape of a right prism.
- the angle of the edges 430- n corresponding to the edges with the plane (X,Y) of the RF 300 beam control device is straight.
- the axis of the prism Z' can have an inclination ⁇ relative to the axis Z such that the frame 420 has the shape of an oblique prism.
- the cell support frame 420 can be entirely or partially metallic so as to form 420- n electrically conductive walls.
- the cell support frame 420 interrupted by the slots on each of these faces acts as a waveguide with parallel walls 420- n allowing the propagation of the beam to be transmitted by the RF beam control device 300, coming from the second RF source 200.
- Such cell support frames 420 interrupted by slots (or split) can thus function as a transmission screen in all frequency bands of RF signals, and can be used in particular for L, S, C, Ku and Ka bands.
- the set of cells 400 forms a periodic arrangement of waveguides whose dimensioning is small compared to the wavelength denoted ⁇ 2 associated with the frequency band of the beam coming from the RF source to be transmitted.
- the width l of the cell support frame 420 can be determined such that L ⁇ ⁇ 2 3 .
- the maximum value l max of the width l can be determined as L max ⁇ ⁇ 2 2 .
- the thickness m of the walls 420- n can be low and also be adjusted, for example minimized, so as to attenuate the transmission losses of the beam from the RF source 200 to the interfaces between the air and the waveguide (at the input, face 310 and/or at the output, face 320), as well as the transmission losses on a given frequency band and angular sector which are proportional to the ratio m /l.
- the reduction in the bandwidth and the reduction in the angular sector can be correlated to the quantity of metallic material forming the cell support frame 420. Minimizing the thickness m can also lead to a minimization of the total mass of the cell.
- RF 300 beam control device while guaranteeing its rigidity.
- the thickness m of the walls 420- n is less than the wavelength ⁇ 2 , which makes it possible to confer stability of transmission of the beam of the RF source 200 with respect to the variation of the opening angle ⁇ affecting the RF 300 beam control device.
- the thickness m of the walls 420- n according to the modes of the invention can be between 250 ⁇ m and 500 ⁇ m.
- Opening the cell support frames 420 at the level of slots 440-n passing through the walls 420- n also make it possible to simulate a dielectric material and significantly widen the transmission band of the RF beam control device 300.
- the width slots 440-n can be between a minimum value noted and a maximum value noted
- the minimum value and the maximum value width of the slots 440-n can be defined as a function of the width l of the cell support frame 420 and/or the thickness m of the walls 420- n , according to the following equations (1) and (2):
- the widths slots of the same cell 400 and/or slots of all the cells 400 of the RF beam control device 300 may be identical or variable depending on the modes of application of the invention.
- an RF beam control device 300 used to transmit and/or deflect and/or reflect an RF beam may include slot widths which vary (by a few micrometers for example) relative to the center O of the device 300 in order to spatially modulate the phase of the incident beam.
- the radio frequency beam control device 300 generally extending in a plane (X,Y), can comprise a set of several cells 400 having geometric shapes and variable dimensions (for example the width ) in the plane (X,Y) making it possible to modify in a very fine manner (at the cell scale) the phase (and the associated wave front) of the electromagnetic wave in the plane (X,Y).
- a slot 440- n can be indented (that is to say have a variable profile along the axis of the prism Z') at the entrance (face 310) and/or at the exit (face 320) and/or along the waveguide section.
- These notches (not shown in the figures) and their dimensions, that is to say their length, their depth and their position, may differ depending on the slot 440- n considered in the cell 400 and/or in the plane (X ,Y).
- the use of the cell support frame 420 as a waveguide in transmission makes it possible not to introduce frequency dispersion in the sections of the waveguide and to obtain very wide band responses for total transmission of a beam RF incident.
- Each cell 400 of the RF beam control device 300 comprises one or more internal interconnections 460 having characteristics chosen to allow, for example, parameterization of the broadening of the frequency band of the beam coming from the first RF source 100 to be reflected and/or or the beam coming from the second RF source 200 to be transmitted.
- an internal interconnection 460 of a cell 400 comprises stems 462- n .
- THE rods 462- n of the internal interconnection 460 have a substantially cylindrical shape, length l t and diameter e t .
- the diameters and t of the rods can be between 400 ⁇ m and 540 ⁇ m.
- THE rods 462-n further comprise two ends denoted 462- n 1 and 462- n 2 on the Figure 3 .
- one of the ends 462- n 1 of the rod 462- n is connected to an edge 430- n corresponding to a lateral edge according to an “attachment point”, while the other end 462- n 2 of the rod 462- n is connected to a “connection point” of the other rods 462- n .
- connection point can be positioned substantially in the center of the cell support frame 420, in the plane (X,Y), so that all of the ends 462-n2 of the rods 462- n are connected together. .
- THE rods 462- n can then have the same length l t .
- the rods 462- k can be entirely or partially metallic so as to form an internal electrically conductive interconnection 460 which interconnects the walls 420- n to make them fully integral with each other.
- the internal interconnection 460 then forms an elementary electrical discontinuity which can interact with the incident electric fields of the TEM electromagnetic waves produced by the RF sources 100 and/or 200 propagating in the support frame 420. This interaction with the electric fields induces the formation of electric currents in the rods 462- k .
- the embodiment of the interconnection 460 in which the attachment points are located at the edges 430- n corresponding to the side edges is an interconnection symmetrical with respect to the frame 420.
- a cell 400 comprising an interconnection 460 symmetrical with respect to the frame 420 is configured to carry out transmission and/or reflection of TEM electromagnetic waves (produced by the RF sources 100 and 200) which is polarization invariant. That is to say that the frequency response of the cell 400 allows the polarization of the electric fields of the TEM electromagnetic waves incident on a set of cells 400 not to vary after having been transmitted or reflected.
- the internal interconnection 460 forms a single elementary electrical discontinuity.
- the RF beam control device 300 is then qualified as an “order 1 device”.
- an internal interconnection 460 comprises 4 rods which can be connected to the cell support frame 420 at 4 attachment points having (or not) the same distance d 1 from the entrance to the cell 400 (corresponding for example to the face 320 ).
- a rod 462- n and an edge 430- n of a corner element form an angle ⁇ between them at the level of the end 462- n 1 of the rod 462- n (or point of attachment).
- the rods 462- n can be defined in a plane perpendicular to the axis of the prism Z'.
- each of the rods 462- n form an angle ⁇ ⁇ 90° or ⁇ > 90° with the edge 430- n of the corner element associated with their point of attachment, such that the position of the connection point is greater or less than the position d 1 of the points of attachment in the plane perpendicular to the axis of the prism Z'.
- the different cells 400 of the device 300 are adjacent and connected to each other by the common cell walls 420- n . Furthermore, the internal interconnection 460 of each cell 400 is connected to the support frame of the cell 420 by the different attachment points. Such an arrangement of the cells 400 is carried out so that the cells 400 of the device 300 are integral with each other, despite the presence of the slots 440- n .
- a cell 400 may comprise for example and without limitation, two internal interconnections 460, as described in relation to the embodiment of the Figure 3 .
- Each of these two internal interconnections 460 includes stems 462- n .
- the RF beam control device 300 is qualified as an “order 2 device”.
- a first internal interconnect 460 may be connected to the cell support frame 420 by attachment points located at the same distance d 1 relative to the entrance of the cell 400 (corresponding for example to the face 320), while a second internal interconnection 460 can be connected to the cell support frame 420 by attachment points located at the same distance d 3 from the outlet of cell 400 (corresponding for example to face 310).
- the choice of the attachment positions of the rods 462- n determines the dimensions d 1 and d 3 of cells and makes it possible to influence the widening of the frequency band of the beam (particularly in transmission).
- the different dimensions d 1 and d 3 of all the cells 400 of the RF beam control device 300 may be identical or variable depending on the application of the invention.
- an RF beam control device 300 used to transmit and/or deflect and/or reflect an RF beam may include dimensions d 1 and d 3 which are variable relative to the center O of the device in order to spatially modulate the phase of the incident beam.
- the RF beam control device 300 can be manufactured from a modeling of the cells 400 in an equivalent electrical circuit (design phase).
- Such modeling advantageously makes it possible to optimize the quasi-optical control properties of the RF beams desired for the device 300 depending on the application of the invention.
- the characteristics of the cell support frame 420 consisting of corner elements 4200- n , forming walls 420- n each interrupted by one of the 440- n slots make it possible to model a characteristic impedance Z 1 of a cell 400.
- the characteristic impedance Z 1 of a cell 400 is determined according to the parameters d and of cell 400. For example, a width of slots lower can induce a characteristic impedance Z 1 stronger. In this case, the variation of profile of the slots (by notches) can be implemented in the design phase to optimize the characteristic impedance Z 1 .
- An internal interconnection 460 of a cell (the interconnection 460 comprising rods 462- n ), electrically conductive, forms an electrical discontinuity in the cell 400.
- two internal interconnections 460 form a number of 2 successive electrical discontinuities in the cell 400, corresponding to the two sets of stems 462- n .
- the electrically conductive rods 462- n also called “inductive rods”, form a succession of inductive charges denoted “L” and expressed in nH (nanoHenry), and positioned in parallel in the equivalent circuit of cell 400.
- Diagram (a) of the Figure 5 represents such an equivalent circuit modeled from cells of the RF beam control device.
- the parameters relating to the electrical representation of the cell 400 in equivalent circuit depend on the position of the attachment points 462- n 1 of the rods 462- n according to the dimensions d 1 and d 3 .
- the configuration of the internal interconnections 460 symmetrically with respect to the cell support frame 420, according to attachment points at the edges 430- n makes it possible to model equivalent electromagnetic circuits of the cell 400 which are identical (or invariant). ) with respect to the characterization according to each TE and TM polarization of the incident electric fields of the TEM waves produced by the RF sources 100 and 200.
- the inductances L of the successive inductive loads modeled by the equivalent circuit can also depend on the diameter(s) and of the rods 462- n of internal interconnections 460.
- increasing the diameter e t can induce a decrease in inductance.
- an increase in diameter e t by three can result in a decrease in inductance L by a factor of three.
- a diameter that is too large can significantly degrade the width of the transmission band for high frequencies (of the source 200).
- a step of optimizing the diameter(s) e t can be implemented in the design phase of the device 300 to optimize in parallel the inductance value(s) L. For example, it is possible to obtain inductances L up to a limit value L limit determined from a minimum value of the diameter and t of the rods.
- the inductances L can also depend on the angle of inclination ⁇ of the stems 462- n .
- a strong variation of this inclination angle ⁇ relative to a value of 90° can induce an increase in the inductance on the one hand while the distribution of the positions of this inductance is asymmetrical on the equivalent circuit. This may result in effects on the reflection and transmission properties of the device 300.
- the variation of the angle ⁇ may be linked to the widening of the operating band of the device 300, with a simultaneous degradation of the level reflection.
- FIG. 6 represents a perspective view of a cell 400 comprising two internal interconnections 460 and a plate 470 internal to the cell support frame 420, according to modes of the invention where the number is equal to 4.
- the plate 470 internal to the cell support frame 420 can extend in a plane orthogonal to the axis of the prism Z' and be arranged (or positioned) substantially in the middle of the two internal interconnections 460.
- An internal plate 470 can be a metal structure having a thickness e c and a shape adapted to the shape of the polygonal base of sides of the support frame 420.
- the internal plate 470 can be designed to approach the cell support frame 420, according to a spacing (or length) ⁇ ⁇ 0, but not be metallically connected by the sides of the internal plate 470 to the support frame of cell 420.
- the internal plate 470 may be held within the cell support frame 420 by dielectric support means.
- the internal plate 470 can be held by a dielectric or metallic connection to the two internal interconnections 460.
- this dielectric or metallic connection to the two internal interconnections can be a central pillar extending along the axis of the prism Z' and comprising an upper end and a lower end connected to the two internal interconnections 460, the capacitive plate then being arranged substantially in the middle of the central pillar between the two internal interconnections 460.
- a metallic and electrically conductive internal plate 470 can induce a capacitive charge denoted “C” expressed in fF (femtoFarad), forming an elementary electrical discontinuity in the cell 400.
- C capacitive charge
- Such an internal plate 470 in the cell support frame 420 corresponding more generally to a tray called a “capacitive tray”.
- the RF beam control device 300 comprises two internal interconnections 460 (inductive rods) and an internal plate 470 (capacitive plate), forming three elementary electrical discontinuities as described with reference to the example in the Figure 6 , the RF beam control device 300 is then qualified as an “order 3 device”.
- the equivalent electrical circuit modeling of cell 400 as represented on the Figure 6 is shown in diagram (b) of the Figure 5 .
- This equivalent electrical circuit modeling represents a succession of charges: inductive (L), capacitive (C) and inductive (L).
- Each of the loads (capacitive and inductive) in the modeled equivalent circuit are designed to achieve a frequency response of the RF beam control device 300 of the high-pass filter type.
- such a structure of the cells 400 makes it possible to obtain a significant increase in the rejection of the low frequency band. For example, at 8.5 GHz, the X-band rejection can reach 32 dB when the bandwidth is Ka-band.
- the capacitance C of the capacitive load can therefore depend on the different dimensions of the capacitive plate.
- increasing the thickness e c can increase the capacity of the circuit.
- an increase in the diameter e c may imply an increase in the capacitance C.
- a diameter e c that is too large can significantly degrade the width of the transmission band for high frequencies (from source 200).
- the capacitive plate can have any shape adapted to the shape of the polygonal base of the cell support frame 420.
- the cell 400 may comprise a cell support frame 420 having a thickness m c of wall 420- n greater locally in the plane of the capacitive plate, compared to the wall thickness m 420- n .
- a local thickening of the walls of the frame 420 up to a spacing ⁇ of the shape of the capacitive plate makes it possible to obtain performances similar to the previous case, in which there is no local thickening of the walls 420- n .
- this alternative can be used if large values of C are to be implemented.
- the design of the RF beam control device 300 may include a step of determining the order x of the device in order to optimize the parameterization associated with RF beam control (for example the widening of the frequency band of the beam coming from the first RF source 100 to be reflected and/or of the beam coming from the second RF source 200 to be transmitted).
- the determination of the order x of the device can include the evaluation of the successions of inductive or successions of inductive and capacitive loads, as shown in the table in Figure 7 .
- the RF beam control device 300 can be manufactured using different techniques, such as a 3D printing technique, also called additive manufacturing.
- a 3D printing technique also called additive manufacturing.
- the use of a 3D printing technique makes it possible to obtain a uniform RF beam control device 300, comprising no dielectric and entirely metallic, using an electrically conductive material such as aluminum or titanium.
- the electrically conductive material such as titanium can then be covered with another electrically conductive material such as silver for example in order to reduce ohmic losses.
- the 3D manufacturing technique induces Passive Intermodulation Products (or PIPs) generated at lower intensity so that the RF beam control device 300 can withstand higher powers from the RF signal sources.
- PIPs Passive Intermodulation Products
- additional internal elements may be added to the cell support frame 420, such as a central pillar for example .
- FIG 8 represents a perspective view of a cell 400 comprising two internal interconnections 460 and a central pillar 480 arranged in the center of the cell support frame 420, according to an exemplary embodiment of the invention in which the number is equal to 4.
- a central pillar 480 is particularly advantageous in embodiments where the manufacturing technique is a 3D printing technique.
- the central pillar 480 may have a substantially cylindrical shape, with a diameter denoted e p and a length d p , and comprise two ends denoted 482-1 and 482-2 and called “upper end 482-1” and “lower end 482-2 ".
- the central pillar 480 extends along the axis of the prism Z' (in the direction of its length) and is thus parallel to the general orientation of the walls 420- n .
- the central pillar 480 is arranged (or positioned) substantially in the center of the cell support frame 420 (ie center of the frame in the plane orthogonal to the axis of the prism Z'). At at least one of the two ends 482-1 and 482-2 can be positioned outside the cell 400.
- the relation d z ⁇ d is verified. In the case where only one of the two ends 482-1 or 482-2 is positioned outside the cell 400, the relationship d z ⁇ d or d z > d can be verified. Alternatively, the two ends 482-1 and 482-2 of the interconnection 480 can be positioned inside the cell 400 such that d z ⁇ d.
- each of the two ends 482-1 or 482-2 of the central pillar 480 is connected to one of the two connection points formed by the ends 462- n 2 of the rods 462- n of each of the two internal interconnections 460.
- the upper end 482-1 can be connected to the rod connection point of one of said internal interconnections 460
- the lower end 482-2 can be connected to the rod connection point of another internal interconnection 460.
- Both interconnections internal 460 and the central pillar 480 thus form a single interconnection of the cell support frame 420.
- This unique integral interconnection allows great mechanical rigidity of the rods 462- n , and more generally of the cells 400. Such rigidity generates in particular mechanical stability of the device 300 over time, and thus of these quasi-optical control properties of beams.
- RF in applications of the invention using very high power sources.
- the central pillar 480 facilitates the manufacture of the internal interconnections 460 and therefore of the cells 400 with split faces, in particular when the RF beam control device 300 is manufactured using a 3D printing technique.
- the distance d 2 between the two sets of attachment points of the rods 462- n formed by the two internal interconnections 460 may be greater, less than or equal to the length d p of the central pillar 480.
- the distance d p can depend on the angle ⁇ .
- the two sets of rods 462- n can be defined in a plane perpendicular to the axis of the prism Z', as illustrated by the example of internal interconnections 460 of the figure 4 .
- each of the rods 462- n form an angle ⁇ ⁇ 90° or an angle ⁇ > 90° with the edge 430- n of the corner element associated with their point of attachment (which coincides with a lateral edge ).
- angle ⁇ and distance d 2 are given as non-limiting examples and that the invention covers any combination of angle ⁇ and distance d 2 which can be implemented.
- the unique 460 interconnect interconnecting the walls 420- n to make them integral makes it possible to obtain a structure of the RF beam control device 300 having very important solidity properties, in particular by means of the central pillar 480, the attachment points at the edges 430- n , and the angle ⁇ of the rods 462- n .
- the diameter e p of the central pillar 480 can be equal to 400 ⁇ m.
- the central pillar 462 has substantially no effect on the quasi-optical control properties of RF beams of the device 300. Indeed, the propagation is orthogonal to the pillar of the incident electric fields of the TEM electromagnetic waves (produced by the RF sources 200 by example) which propagate in the waveguide formed by the cell support frame 420. This orthogonal propagation does not induce the formation of electric current in the central pillar 480, the diameter e p being negligible compared to the bands of RF frequencies. As a result, the impact of the central pillar 480 in the equivalent circuit modeling is significantly negligible.
- the unique interconnection of the figure 8 can be substantially modeled by the two internal interconnections 460 represented on the Figure 4 , that is to say as a succession of two inductive charges (L).
- Diagram (a) of the Figure 5 therefore represents the equivalent circuit modeled from such cells of the RF beam control device 300.
- central pillar 480 being negligible in equivalent circuit modeling, those skilled in the art will easily understand that such a particular interconnection configuration, comprising one or more central pillars 480, can be adapted to all device designs. 'order x, such that x ⁇ 2 according to the determination of the number and nature of the successions of charges (inductive, or inductive and capacitive) represented as an example on the Figure 7 .
- a capacitive plate can be formed by a local widening of the diameter e p over a small portion e c of the length d p of a central pillar 480 of a single interconnection.
- the local enlargement of the diameter e p can also have a shape equivalent to the shape of the polygonal base along a side length l c .
- FIG. 9 represents a perspective view of several cells 400 of the RF beam control device 300, in an embodiment where the number is equal to 6.
- the RF beam control device 300 has hexagonal sections of waveguides in transmission.
- the RF beam control device 300 can exhibit better properties of polarization invariance and transmission stability with respect to the variation of the opening angle of the electromagnetic wave injected into incidence. Such an increase induces greater solidity of the structure.
- the RF beam control device 300 may have manufacturing advantages since the structure has less material.
- the axis of the prism Z' is parallel to the axis Z.
- the axis of the prism Z' can have an inclination ⁇ with respect to the axis Z.
- FIG. 10 represents views in a plane (X,Z) of several cells 400 of the RF beam control device 300 according to two modes of the invention represented by diagrams (a) and (b), in which the walls 420- n , 440-n slots (and furthermore the central pillars 480) of the cell support frame 420 are oriented at an inclination ⁇ relative to the Z axis.
- the angle of inclination ⁇ of the cells 400 is for example between 0° and ⁇ i relative to the axis Z.
- this ⁇ inclination of the cells 400 has no significant influence on the equivalent electrical circuit modeling. However, this inclination can induce an increase in the thickness of the 420- n walls.
- Diagram (a) of the Figure 10 represents a single interconnection (comprising two internal interconnections 460 and a central pillar 480) defining a succession of two inductive loads.
- the entry face 310 is in the plane (X,Y), while the exit face 320 has a beveled (or stepped) structure perpendicular to the axis of the prism Z' defining the inclination of the frames cell support 420.
- the geometry of the input 310 and output 320 faces could induce an asymmetry which could deteriorate the phase balance of the beams to be controlled.
- Such an imbalance can be avoided or compensated for by variations in width slots 440- n by inducing a shift in the impedance bandwidth for the incidence of the TE and TM polarizations (the difference in relative width cannot therefore be significant).
- the inlet 310 and outlet 320 faces can each have a beveled (or stepped) structure perpendicular to the axis of the prism Z' defining the inclination of the cell support frames 420.
- This face configuration can for example provide better theoretical RF beam transmission performance to the device 300.
- Diagram (b) of the Figure 10 corresponds to a single interconnection (comprising two internal interconnections 460 and a central pillar 480 widened in the center to form an internal plate 470) defining a succession of charges: inductive, capacitive and inductive.
- the input 310 and output 320 faces are parallel to each other and to the plane (X,Y).
- the input 310 and output 320 faces of the devices 300 are non-limiting examples and that the inlet 310 and/or outlet 320 faces of the devices 300 may alternatively comprise a staircase structure, and/or that the inlet 310 and/or outlet 320 faces of the devices 300 can be parallel to the plane (X,Y).
- the spectral response of a device 300 comprising at least one face comprising a staircase structure can be optimal compared to the embodiments of the optical system 10 of the figure 1 .
- such staircase structures are adapted to oblique incident waves allowing propagation without discontinuity in the waveguides formed by the cell support frames 420.
- This variation in wall thickness between m min and m can be incremental or progressive. It should be noted that this doubling of wall thickness can induce modifications in the quasi-optical operating properties of the device 300. Such modifications can be compensated for by variations (in particular an increase) in the width slots 440- n .
- the equivalent circuit modeling of the devices can take into account the inclination ⁇ in the variation of the characteristic impedance Z 1 waveguides.
- characteristic impedance Z 1 can remain substantially stable for low ⁇ inclinations, for example for values of ⁇ less than or equal to 30° ( ⁇ ⁇ 30°).
- the characteristic impedance Z 1 can be significantly modified for strong ⁇ inclinations, for example for values of ⁇ strictly greater than 30° ( ⁇ > 30°).
- the implementation of the inclination ⁇ of the cells 400 as well as the modularity of structures (in stairs or parallel to the faces) of the entry faces 310 and/or exit faces 320 of the devices 300 can be facilitated by the use of 3D printing techniques.
- the RF 300 beam control device produced by 3D printing has a good surface condition.
- the inclination of the cells 400 and the use of additive manufacturing also makes it possible to halve the insertion losses of the beams of the RF source 200 to be transmitted compared to the reference of the state of the art.
- diagram (b) of the Figure 10 illustrates cells 400 comprising an internal plate 470 corresponding to a local widening of the diameter e p , over a portion e c of the length d p of a central pillar 480.
- the internal plates 470 integrate certain manufacturing constraints additives.
- the internal plates 470 and the central pillar 462 then form a structure comprising two pyramidal shapes (on a slope of 45° for example) which do not modify the performance of the interconnection 460.
- FIG. 11 is a flowchart representing two steps of a manufacturing process according to embodiments of the RF beam control device 300 in which the cells 400 have a tilt angle ⁇ .
- FIG. 11 also shows a perspective view of a set of cells of the RF beam control device 300, illustrated by diagrams (a) and (b), during the two stages of the manufacturing process.
- step 1102 a material is deposited by additive manufacturing as a priority, along the axis of the prism Z' having an angle of inclination ⁇ with the axis Z, to form stacked metal layers.
- step 1104 the structure formed by the stacked metal layers is cut at the input face 310 of the RF beam control device 300.
- the face 310 can be defined by a plane parallel to the plane (X,Y) of the RF beam control device 300.
- this method can induce a non-symmetrical discontinuity inducing small disturbances in the frequency response of the RF beam control device 300.
- FIG. 12 is a graph showing an example of radio performance achieved by the RF beam control device 300 used as a dichroic display.
- the graph of the Figure 12 shows the evolution of the transmission gain and the return reflection losses as a function of frequency, according to the two polarizations TE and TM.
- the graph notably highlights a wide band of Ka and X frequencies of the incident electromagnetic wave, invariant with respect to the polarization.
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- Waveguide Aerials (AREA)
Abstract
II est proposé un dispositif de contrôle (300) de faisceaux radiofréquences de polarisation donnée, le dispositif comportant un ensemble d'au moins une cellule (400), comprenant un cadre de support (420) et au moins une interconnexion (460) interne au cadre. Le cadre est inscrit dans un prisme, ayant un axe Z' donné et faces reliées entre elles par arêtes orientées selon l'axe Z'. Le cadre comprend éléments de coin, ayant chacun un bord coïncidant avec une arête et étant agencés tel que le cadre présente, sur chaque face, une fente (440-n) s'étendant selon l'axe Z'. L'interconnexion comprend tiges inductives (462-n), comprenant chacune deux extrémités dont une première extrémité est reliée à un bord, les deuxièmes extrémités étant reliées entre elles en un point de connexion positionné au centre du cadre dans un plan orthogonal à l'axe Z'. Chaque cellule est configurée pour réaliser une transmission et/ou une réflexion de faisceaux invariante en polarisation.A device (300) for controlling radio frequency beams of given polarization is proposed, the device comprising a set of at least one cell (400), comprising a support frame (420) and at least one interconnection (460) internal to the frame. The frame is inscribed in a prism, having a given Z' axis and faces connected together by edges oriented along the Z' axis. The frame comprises corner elements, each having an edge coinciding with an edge and being arranged such that the frame has, on each face, a slot (440-n) extending along the axis Z'. The interconnection comprises inductive rods (462-n), each comprising two ends of which a first end is connected to an edge, the second ends being connected together at a connection point positioned at the center of the frame in a plane orthogonal to the Z' axis. Each cell is configured to achieve polarization invariant beam transmission and/or reflection.
Description
La présente invention concerne de manière générale de domaine des radiofréquences (RF), et en particulier un dispositif de contrôle des faisceaux électromagnétiques RF selon leur bande de fréquences, notamment pour contrôler la réflexion et/ou la transmission des faisceaux électromagnétiques, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel dispositif. Un exemple de dispositif de contrôle est décrit dans le brevet
Les dispositifs de contrôle de la réflexion et/ou de la transmission de faisceaux provenant de sources de signaux électromagnétiques RF, selon leur bande de fréquences, encore appelés « écrans dichroïques RF », peuvent être constitués de surfaces sélectives en fréquence ou FSS (acronyme pour « Frequency Selective Surfaces », selon l'expression anglo-saxonne correspondantes). De telles surfaces sont formées d'un empilement de deux ou plusieurs surfaces périodiques, ellesmêmes conçues à partir de motifs métalliques régulièrement distribués selon un vecteur de périodicité, gravés ou imprimés sur un substrat diélectrique.Devices for controlling the reflection and/or transmission of beams coming from RF electromagnetic signal sources, depending on their frequency band, also called "RF dichroic screens", can be made up of frequency selective surfaces or FSS (acronym for “Frequency Selective Surfaces”, according to the corresponding Anglo-Saxon expression). Such surfaces are formed from a stack of two or more periodic surfaces, themselves designed from metallic patterns regularly distributed according to a periodicity vector, engraved or printed on a dielectric substrate.
Les motifs métalliques usuellement choisis sont des motifs de types annulaires pour constituer des éléments résonnants dont l'interaction avec des signaux électromagnétiques RF est modélisée selon un circuit comprenant une bobine (définie par une inductance L) et un condensateur (définie par une capacité C), avec une partie capacitive prédominante. Ces surfaces périodiques sont dites 'capacitives'. Un écran dichroïque RF conçu à partir de telles surfaces capacitives réfléchit dans une bande de fréquences hautes et transmet dans une bande de fréquences plus basses de sorte qu'il est classiquement utilisé en tant que filtre passe-bas (ou coupe-bande).The metal patterns usually chosen are annular type patterns to constitute resonant elements whose interaction with RF electromagnetic signals is modeled according to a circuit comprising a coil (defined by an inductance L) and a capacitor (defined by a capacitance C) , with a predominant capacitive part. These periodic surfaces are called 'capacitive'. An RF dichroic shield designed from such capacitive surfaces reflects in a high frequency band and transmits in a lower frequency band so it is typically used as a low pass (or notch) filter.
Cependant, lors de l'émission de signaux électromagnétiques RF par une source, les puissances RF des faisceaux émis sont usuellement moins élevées dans une bande fréquentielle haute que dans une bande fréquentielle plus basse. Le phénomène de réflexion induit moins de pertes en puissance par rapport au phénomène de transmission. Aussi, pour minimiser la puissance dissipée à l'intérieur de la structure, il est souhaitable qu'un écran dichroïque RF réfléchisse un signal RF ayant une bande fréquentielle basse. Le signal RF pénètre alors peu dans l'écran dichroïque RF, et est moins susceptible d'être affectée par des pertes ohmiques (i.e. pertes en puissance). Pour cela, il est connu d'utiliser un écran dichroïque RF se comportant comme une plaque métallique fortement réfléchissante pour la bande de fréquences basses.However, when transmitting RF electromagnetic signals from a source, the RF powers of the emitted beams are usually lower in a high frequency band than in a lower frequency band. The reflection phenomenon induces less power losses compared to the transmission phenomenon. Also, to minimize the power dissipated inside of the structure, it is desirable that an RF dichroic screen reflects an RF signal having a low frequency band. The RF signal then penetrates little into the RF dichroic screen, and is less likely to be affected by ohmic losses (ie power losses). For this, it is known to use an RF dichroic screen behaving like a highly reflective metal plate for the low frequency band.
Par ailleurs, un état de surface dégradé d'un écran dichroïque RF produit plus de perturbations sur le front d'onde d'un faisceau RF réfléchi que sur le front d'onde d'un faisceau RF transmis. Cependant, la production de ces perturbations est d'autant plus importante pour une bande de fréquences hautes que pour une bande de fréquences plus basses. Ainsi, il est également désirable que l'écran dichroïque RF se comporte comme un filtre passe-haut, fonctionnant donc en transparence dans une bande de fréquences hautes.Furthermore, a degraded surface condition of an RF dichroic screen produces more disturbances on the wavefront of a reflected RF beam than on the wavefront of a transmitted RF beam. However, the production of these disturbances is all the more important for a high frequency band than for a lower frequency band. Thus, it is also desirable that the RF dichroic screen behaves like a high-pass filter, therefore operating transparently in a high frequency band.
Les substrats diélectriques constitutifs de ces surfaces périodiques induisent en outre des pertes ohmiques sur faisceau RF transmis qui peuvent être minimisées, mais ne peuvent pas être annulées.The dielectric substrates constituting these periodic surfaces also induce ohmic losses on the transmitted RF beam which can be minimized, but cannot be canceled.
D'autre part, l'accroissement du nombre de surfaces périodiques capacitives constitutives d'un tel écran dichroïque RF utilisé en tant que filtre coupe-bande, peut permettre un élargissement de la bande de fréquences passante du faisceau RF transmis. Cependant, en considérant qu'un faisceau RF à transmettre ait un angle d'incidence non nul par rapport à la normal de l'écran dichroïque RF, plus la structure de l'écran dichroïque RF est épaisse (i.e., le nombre de surfaces périodiques est important), plus cette structure devient sensible à cet angle d'incidence. L'épaisseur de la structure et des espacements entre les surfaces périodiques évolue de manière inversement proportionnelle au cosinus de l'angle d'incidence du faisceau RF à transmettre, comme décrit dans l'article "
Il est également connu d'utiliser des écrans dichroïques RF formés de plaques perforées. De tels écrans dichroïques RF sont fréquemment utilisés comme filtres passe-bande. Ces plaques perforées sont constituées de feuilles métalliques perforées selon une périodicité donnée, avec des trous rectangulaires ou circulaires, comme décrit dans l'article "Transmission and reflection of metallic mesh in the far infrared" de
Les perforations agissent comme des guides d'ondes pour les faisceaux électromagnétiques RF de longueur d'onde λ, pour lesquelles l'écran dichroïque RF doit être transparent. Ces perforations doivent être assez larges pour qu'un mode électromagnétique puisse s'y établir. La périodicité associé à ces perforations est typiquement de l'ordre de 0,75 λ. Or, des lobes de réseaux peuvent y être excités pour des faisceaux d'angle d'ouverture important et/ou ayant un angle d'incidence non nul par rapport à la normal de l'écran dichroïque RF. La périodicité de ces perforations constitue ainsi une première contrainte, du fait qu'elle limite l'angle d'incidence pour lequel l'écran dichroïque RF peut être utilisé et/ou l'angle d'ouverture du faisceau RF (puisqu'il en résulte des pertes significatives pour un secteur angulaire trop important, par exemple supérieures à 40°).The perforations act as waveguides for RF electromagnetic beams of wavelength λ , for which the RF dichroic screen must be transparent. These perforations must be large enough for an electromagnetic mode to be established there. The periodicity associated with these perforations is typically of the order of 0.75 λ . However, grating lobes can be excited there for beams with a large opening angle and/or having a non-zero angle of incidence relative to the normal of the RF dichroic screen. The periodicity of these perforations thus constitutes a first constraint, due to the fact that it limits the angle of incidence for which the RF dichroic screen can be used and/or the opening angle of the RF beam (since it results in significant losses for too large an angular sector, for example greater than 40°).
Une seconde contrainte correspond aux effets des réflexions partielles dans les plans de discontinuités, pour des faisceaux en transmission dans ces guides d'ondes. Ces réflexions partielles dépendent de la quantité de métal constituant les plaques perforées et sont d'autant plus importantes que les parois métalliques sont épaisses. Les réflexions partielles en entrée et en sortie des guides d'ondes peuvent se compenser à une fréquence donnée, en ajustant la longueur des sections guidées. Cependant, autour de cette fréquence donnée et sur un secteur angulaire, la recombinaison des réflexions partielles produit une ondulation dans la bande de fréquences, qui peut atteindre plusieurs dixièmes de dB.A second constraint corresponds to the effects of partial reflections in the planes of discontinuities, for beams in transmission in these waveguides. These partial reflections depend on the quantity of metal constituting the perforated plates and are all the more important as the metal walls are thick. Partial reflections at the input and output of the waveguides can be compensated at a given frequency, by adjusting the length of the guided sections. However, around this given frequency and over an angular sector, the recombination of partial reflections produces a ripple in the frequency band, which can reach several tenths of a dB.
Enfin, en considérant que les sources RF produisent des ondes électromagnétiques RF en mode TEM (en anglais « Transversal Electro-Magnetic »), une troisième contrainte liée à ces perforations est liée au fait que les coefficients de réflexion et de transmission de tel écrans dichroïques RF dépendent de la polarisation TE ou TM de l'onde incidente.Finally, considering that RF sources produce RF electromagnetic waves in TEM mode (in English “Transversal Electro-Magnetic”), a third constraint linked to these perforations is linked to the fact that the reflection and transmission coefficients of such dichroic screens RF depend on the TE or TM polarization of the incident wave.
Une solution classique pour adresser les contraintes associées à ces perforations consiste à réduire la périodicité en considérant la propagation dans des médias diélectriques. Il en résulte toutefois des pertes diélectriques significatives et une complexité accrue du processus de fabrication.A classic solution to address the constraints associated with these perforations consists of reducing the periodicity by considering the propagation in dielectric media. However, this results in significant dielectric losses and increased complexity of the manufacturing process.
L'invariance en polarisation des écrans dichroïques RF est un besoin important. En effet, la polarisation (en particulier circulaire) de l'onde transmise ou réfléchie par l'écran ne doit pas ou peu être perturbée, pour éviter d'induire des pertes significatives des évolutions non négligeables en fonction de l'angle d'incidence du faisceau, comme décrit dans l'article "
Il est en outre connu d'améliorer certaines propriétés des écrans dichroïques RF en utilisant des guides d'ondes électromagnétiques RF ayant une structure dite « sous coupure », c'est-à-dire ne permettant pas une propagation d'un mode guidé qu'au-delà de la fréquence de coupure qui est supérieure à la fréquence d'opération souhaitée.It is also known to improve certain properties of RF dichroic screens by using RF electromagnetic waveguides having a so-called “under-cut” structure, that is to say not allowing propagation of a guided mode that 'beyond the cut-off frequency which is greater than the desired operating frequency.
Pour fabriquer de tels guides d'ondes, les parois (ou murs) des perforations présentent des fentes afin de produire des fenêtres fréquentielles de transmission à la fréquence de résonance des fentes, tel que décrit dans l'article "
Les guides d'ondes ainsi créés fonctionnent donc avec une périodicité beaucoup plus faible, typiquement de l'ordre de 0,5 λ, dans la bande de fréquences λ pour laquelle l'écran dichroïque RF doit être transparent. Les fentes peuvent prendre de multiples formes, tel que décrit dans l'article "
Cependant, la structure de ces guides d'ondes est très résonante, et donc limite la largeur de bande du faisceau RF transmis. Pour élargir la bande passante, il est alors nécessaire d'ajouter des résonateurs sur les parois. Il en résulte une structure ayant une épaisseur importante par rapport à la longueur d'onde des bandes fréquentielles. Cette épaisseur confère une sensibilité trop importante par rapport au secteur angulaire, c'est-à-dire l'angle d'ouverture des faisceaux RF et/ou l'angle d'incidence des faisceaux par rapport à la normal de l'écran dichroïque RF.However, the structure of these waveguides is very resonant, and therefore limits the bandwidth of the transmitted RF beam. To expand the bandwidth, it is then necessary to add resonators to the walls. This results in a structure having a significant thickness compared to the wavelength of the frequency bands. This thickness gives too much sensitivity in relation to the angular sector, that is to say the opening angle of the RF beams and/or the angle of incidence of the beams in relation to the normal of the dichroic screen RF.
De tels écrans dichroïques RF sont néanmoins entièrement métalliques et donc adaptés aux applications avec des faisceaux de forte puissance. Cependant, comme décrit précédemment, les écrans dichroïques RF métalliques connus de l'homme du métier ont des réponses dépendant de la polarisation des faisceaux, non stables sur une large bande passante et sur un large secteur angulaire en incidence (notamment limité à un faisceau d'angle d'ouverture ±5° autour d'un angle d'incidence de 30° par exemple).Such RF dichroic screens are nevertheless entirely metallic and therefore suitable for applications with high power beams. However, as described previously, the metal RF dichroic screens known to those skilled in the art have responses depending on the polarization of the beams, which are not stable over a wide bandwidth and over a wide angular sector of incidence (in particular limited to a beam of opening angle ±5° around an angle of incidence of 30° for example).
Il existe ainsi un besoin pour un dispositif amélioré permettant de contrôler des faisceaux d'ondes électromagnétiques RF en mode TEM (« Transversal Electro-Magnetic ») selon leur bande de fréquences.There is thus a need for an improved device making it possible to control beams of RF electromagnetic waves in TEM (“Transversal Electro-Magnetic”) mode according to their frequency band.
La présente invention vient améliorer la situation en proposant un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences comprenant un ensemble d'au moins une cellule, la cellule comprenant un cadre de support et au moins une interconnexion interne au cadre de support, les faisceaux radiofréquences étant des ondes électromagnétiques TEM ayant une polarisation donnée. Avantageusement, le cadre de support est inscrit dans un prisme, ayant un axe Z' donné, le prisme comprenant faces
Dans un mode de réalisation particulier, une cellule peut comprendre au moins deux interconnexions internes et en outre au moins un plateau capacitif interne au cadre de support s'étendant dans un plan orthogonal à l'axe du prisme Z', le au moins un plateau capacitif étant agencé entre les deux interconnexions internes.In a particular embodiment, a cell may comprise at least two internal interconnections and in addition at least one capacitive plate internal to the support frame extending in a plane orthogonal to the axis of the prism Z', the at least one capacitive plate being arranged between the two internal interconnections.
Selon des modes de réalisation, une cellule peut comprendre au moins deux interconnexions internes et en outre au moins un pilier central s'étendant selon l'axe du prisme Z' et étant agencé sensiblement au centre du cadre de support, le pilier central comprenant une extrémité supérieure reliée au point de connexion de tiges d'une des interconnexions internes, et une extrémité inférieure reliée au point de connexion de tiges d'une autre interconnexion interne.According to embodiments, a cell may comprise at least two internal interconnections and in addition at least one central pillar extending along the axis of the prism Z' and being arranged substantially in the center of the support frame, the central pillar comprising a upper end connected to the rod connection point of one of the internal interconnections, and a lower end connected to the rod connection point of another internal interconnection.
Avantageusement, le au moins un plateau capacitif peut être relié au cadre de support par au moins un pilier central s'étendant selon l'axe du prisme Z' et comprenant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, le plateau capacitif étant agencé sensiblement au milieu du pilier central.Advantageously, the at least one capacitive plate can be connected to the support frame by at least one central pillar extending along the axis of the prism Z' and comprising an upper end and a lower end, the capacitive plate being arranged substantially in the middle of the central pillar.
Le au moins un plateau capacitif peut être maintenu à l'intérieur du cadre de support au moyen d'un support diélectrique.The at least one capacitive plate can be held inside the support frame by means of a dielectric support.
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences peut être constitué d'un unique matériau électriquement conducteur.The radio frequency beam control device may be made of a single electrically conductive material.
En particulier le nombre peut être égal à 4 tandis que le cadre de support a une forme de parallélépipède carré, ou le nombre peut être égal à 6 tandis que le cadre de support ayant une forme de prisme hexagonal.In particular the number can be equal to 4 while the support frame has a square parallelepiped shape, or the number can be equal to 6 while the support frame having a hexagonal prism shape.
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences peut être défini dans un repère (X,Y,Z) et s'étendre généralement dans un plan (X,Y), et l'axe du prisme Z' peut être parallèle à l'axe Z, le cadre de support ayant une forme de prisme droit.The radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X,Y), and the axis of the prism Z' can be parallel to the axis Z , the support frame having the shape of a right prism.
Alternativement, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences peut être défini dans un repère (X,Y,Z) et s'étendre généralement dans un plan (X,Y), et l'axe du prisme Z' peut présenter une inclinaison β par rapport à l'axe Z, le cadre de support ayant une forme de prisme oblique.Alternatively, the radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X,Y), and the axis of the prism Z' can have an inclination β by relative to the Z axis, the support frame having the shape of an oblique prism.
Dans certains modes de réalisation, les tiges inductives et les bords du cadre de support peuvent former un angle γ compris entre 45° et 90°, et/ou compris entre 90° et 135°.In certain embodiments, the inductive rods and the edges of the support frame can form an angle γ of between 45° and 90°, and/or between 90° and 135°.
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences peut être défini dans un repère (X,Y,Z), s'étendre généralement dans un plan (X,Y), et comprendre un ensemble de plusieurs cellules ayant des formes géométriques et des dimensions variables dans le plan (X,Y).The radio frequency beam control device can be defined in a reference frame (X,Y,Z), generally extend in a plane (X,Y), and comprise a set of several cells having geometric shapes and variable dimensions in the plane (X,Y).
L'invention fournit également un système optique comprenant au moins une première source de signaux radiofréquences configurée pour émettre un faisceau radiofréquences de bande de fréquence λ 1 selon une direction de propagation donnée et un dispositif de contrôle de faisceaux RF, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences étant configuré pour réfléchir et/ou transmettre le faisceau radiofréquences selon la direction de propagation donnée et la bande de fréquence Al.The invention also provides an optical system comprising at least a first source of radio frequency signals configured to emit a radio frequency beam of frequency band λ 1 in a given direction of propagation and an RF beam control device, the beam control device radio frequencies being configured to reflect and/or transmit the radio frequency beam according to the given direction of propagation and the frequency band Al.
Dans certains modes de réalisation, le système optique peut comprendre au moins deux sources de signaux radiofréquences, les sources comprenant une deuxième source configurée pour émettre un faisceau radiofréquences de bande de fréquence λ 2 selon une direction de propagation donnée, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences étant défini dans un repère (X,Y,Z) et s'étendant généralement dans un plan (X,Y), le dispositif de contrôle étant configuré pour réfléchir les signaux radiofréquences de bande de fréquence λ 1 et transmettre les signaux radiofréquences de bande de fréquence λ 2, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences étant positionné entre les sources, l'axe Z présentant un angle d'incidence αi par rapport aux sources, par exemple αi = 30°.In certain embodiments, the optical system may comprise at least two sources of radio frequency signals, the sources comprising a second source configured to emit a radio frequency beam of frequency band λ 2 in a given propagation direction, the beam control device radio frequencies being defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extending in a plane (X,Y), the control device being configured to reflect the radiofrequency signals of frequency band λ 1 and transmit the radiofrequency signals of frequency band λ 2 , the radio frequency beam control device being positioned between the sources, the Z axis having an angle of incidence α i relative to the sources, for example α i = 30°.
Le faisceau radiofréquences émis par la première source peut être une onde électromagnétique TEM ayant une phase donnée, et le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences peut être défini dans un repère (X,Y,Z) et s'étendre généralement dans un plan (X,Y), le dispositif de contrôle comprenant un ensemble de plusieurs cellules, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences étant configuré pour modifier la phase dans le plan (X,Y).The radio frequency beam emitted by the first source may be a TEM electromagnetic wave having a given phase, and the radio frequency beam control device may be defined in a reference frame (X,Y,Z) and generally extend in a plane (X ,Y), the control device comprising a set of several cells, the radiofrequency beam control device being configured to modify the phase in the plane (X,Y).
Par ailleurs, l'invention fournit un procédé de fabrication du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences, le dispositif étant entièrement métallique, et le procédé de fabrication utilisant au moins une technique d'impression 3D.Furthermore, the invention provides a method of manufacturing the radio frequency beam control device, the device being entirely metallic, and the manufacturing method using at least one 3D printing technique.
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences comprenant deux faces définies dans le plan (X,Y), le procédé peut comprendre une première étape de dépose de couches de métal empilées selon la direction de ladite inclinaison β, puis une seconde étape de découpe d'au moins une des deux faces du dispositif.The radio frequency beam control device comprising two faces defined in the plane (X,Y), the method can comprise a first step of depositing layers of metal stacked in the direction of said inclination β, then a second step of cutting at least one of the two faces of the device.
Les modes de réalisation de l'invention fournissent ainsi un dispositif de contrôle des faisceaux d'ondes électromagnétiques RF en mode TEM, capable d'être invariant par rapport à la polarisation, adapté à des signaux RF de forte puissance, et se comportant comme un écran dichroïque de type filtre passe-haut, c'est-à-dire fonctionnant en réflexion dans une bande de fréquences basse et en transparence dans une bande de fréquences plus haute, selon des pertes d'insertion très faibles, pour des secteurs angulaires importants des faisceaux RF incidents.The embodiments of the invention thus provide a device for controlling RF electromagnetic wave beams in TEM mode, capable of being invariant with respect to polarization, adapted to high power RF signals, and behaving like a Dichroic screen of high-pass filter type, that is to say operating in reflection in a low frequency band and in transparency in a higher frequency band, with very low insertion losses, for large angular sectors incident RF beams.
Le dispositif selon les modes de réalisation de l'invention permet de contrôler des faisceaux d'ondes électromagnétiques RF en mode TEM, selon leur bande de fréquences de façon invariante par rapport à la polarisation. Un tel dispositif peut être par exemple réalisé sous la forme d'un écran dichroïque de type filtre passe-haut, fonctionnant en réflexion dans une bande de fréquences basses (par exemple bande X) et en transparence dans une bande de fréquences plus haute (par exemple bande Ka), selon des pertes d'insertion très faibles.The device according to the embodiments of the invention makes it possible to control beams of RF electromagnetic waves in TEM mode, according to their frequency band in a manner invariant with respect to the polarization. Such a device can for example be produced in the form of a dichroic screen of the high-pass filter type, operating in reflection in a low frequency band (for example X band) and in transparency in a higher frequency band (for example example Ka band), according to very low insertion losses.
Un tel dispositif est particulièrement adapté aux nouveaux procédés de fabrication additive qui améliorent les performances de réflexion et de transmission de larges bandes, selon un secteur angulaire important des faisceaux des signaux électromagnétiques RF en incidence, et de forte puissance.Such a device is particularly suitable for new additive manufacturing processes which improve the performance of reflection and transmission of wide bands, according to a large angular sector of the beams of RF electromagnetic signals at incidence, and of high power.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple.
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Fig.1 ] Lafigure 1 est un schéma représentant un système optique comprenant un dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences, selon des modes de réalisation de l'invention. - [
Fig.2 ] Lafigure 2 est un schéma représentant le cadre de support d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences selon des modes de l'invention. - [
Fig.3 ] Lafigure 3 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support et une interconnexion interne de la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.4 ] Lafigure 4 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support et deux interconnexions internes à la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.5 ] Lafigure 5 représente un circuit équivalent modélisé à partir de cellules du dispositif de contrôle de faisceaux RF, selon deux schémas (a) et (b), dans des modes de l'invention. - [
Fig.6 ] Lafigure 6 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux RF montrant le cadre de support, deux interconnexions internes et un plateau interne à la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.7 ] Lafigure 7 est un tableau illustrant la construction de successions de charges interne à une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux RF, selon des modes de l'invention. - [
Fig.8 ] Lafigure 8 est une vue en perspective d'une cellule du dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences montrant le cadre de support, deux interconnexions internes et un pilier central à la cellule, selon des modes de l'invention. - [
Fig.9 ] Lafigure 9 est une vue en perspective d'un ensemble de cellules du dispositif de contrôle de faisceaux RF, selon des modes de l'invention. - [
Fig.10 ] Lafigure 10 est une vue en coupe (X, Z) d'un ensemble de cellules du dispositif de contrôle de faisceaux RF représenté par les schémas (a) et (b), et d'un système optique représenté par le schéma (c), selon des exemples d'application de l'invention. - [
Fig.11 ] Lafigure 11 représente des étapes du procédé de fabrication du dispositif de contrôle de faisceaux RF, selon des modes de réalisation de l'invention. - [
Fig.12 ] Lafigure 12 est un graphique illustrant les performances radioélectriques atteintes par un dispositif de contrôle de faisceauxRF 300, selon des exemples de réalisation de l'invention.
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Fig.1 ] Therefigure 1 is a diagram representing an optical system comprising a radio frequency beam control device, according to embodiments of the invention. - [
Fig.2 ] Therefigure 2 is a diagram representing the support frame of a cell of the radio frequency beam control device according to modes of the invention. - [
Fig.3 ] ThereFigure 3 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame and an internal interconnection of the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.4 ] ThereFigure 4 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame and two interconnections internal to the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.5 ] ThereFigure 5 represents an equivalent circuit modeled from cells of the RF beam control device, according to two diagrams (a) and (b), in modes of the invention. - [
Fig.6 ] ThereFigure 6 is a perspective view of a cell of the RF beam control device showing the support frame, two internal interconnections and a tray internal to the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.7 ] ThereFigure 7 is a table illustrating the construction of successions of charges internal to a cell of the RF beam control device, according to modes of the invention. - [
Fig.8 ] Therefigure 8 is a perspective view of a cell of the radio frequency beam control device showing the support frame, two internal interconnections and a central pillar to the cell, according to embodiments of the invention. - [
Fig.9 ] ThereFigure 9 is a perspective view of a set of cells of the RF beam control device, according to embodiments of the invention. - [
Fig.10 ] ThereFigure 10 is a sectional view (X, Z) of a set of cells of the RF beam control device represented by diagrams (a) and (b), and of an optical system represented by diagram (c), according to examples of application of the invention. - [
Fig.11 ] ThereFigure 11 represents steps of the method of manufacturing the RF beam control device, according to embodiments of the invention. - [
Fig.12 ] ThereFigure 12 is a graph illustrating the radio performance achieved by an RFbeam control device 300, according to exemplary embodiments of the invention.
Des références identiques sont utilisées dans les figures pour désigner des éléments identiques ou analogues. Pour des raisons de clarté, les éléments représentés ne sont pas à l'échelle.Identical references are used in the figures to designate identical or similar elements. For reasons of clarity, the elements shown are not to scale.
La
Le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences 300 peut être par exemple utilisé comme écran dichroïque dans un système optique 10 mis en oeuvre dans un système antennaire (non représenté) comprenant un réflecteur de grande dimension associé à plusieurs sources de signaux électromagnétiques radiofréquences (RF) qui peuvent avoir une très forte puissance (par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines de kilowatts).The radio frequency
Par exemple et sans limitation, un tel système antennaire peut être implémenté sous la forme d'une antenne montée à bord d'un satellite ou d'une antenne de station de contrôle au sol, pour des missions spatiales et/ou scientifiques.For example and without limitation, such an antenna system can be implemented in the form of an antenna mounted on board a satellite or a ground control station antenna, for space and/or scientific missions.
Tel qu'utilisé ici, le terme « contrôle de faisceaux radiofréquences » (encore appelé 'manipulation de faisceaux radiofréquences') fait référence à divers phénomènes liés aux ondes électromagnétiques qui peuvent se produire lorsqu'un faisceau RF interagit avec la matière d'un objet donné, tel que le dispositif 300. Ces phénomènes comprennent notamment la transmission, la réflexion, l'absorption, la diffusion, la réfraction et/ou la diffraction de l'onde électromagnétique.As used herein, the term "radio frequency beam control" (also called 'radio frequency beam manipulation') refers to various phenomena related to electromagnetic waves that can occur when an RF beam interacts with the material of an object given, such as the
Par ailleurs, dans une utilisation du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 en tant qu'écran dichroïque, écran de transmission et/ou écran de réflexion, dans un système antennaire, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être utilisé pour transmettre et/ou réfléchir des faisceaux provenant de sources de signaux RF distinctes ayant chacune une bande de fréquences distincte.Furthermore, in a use of the RF
Un système antennaire peut comprendre différents systèmes optiques formant un ou plusieurs « chemin optique » et permettant de contrôler (notamment manipuler et/ou diriger) les signaux RF produits par les sources positionnées à différents endroits du système antennaire (selon l'encombrement), vers le réflecteur.An antenna system can include different optical systems forming one or more "optical paths" and making it possible to control (in particular manipulate and/or direct) the RF signals produced by the sources positioned at different locations of the antenna system (depending on the size), towards the reflector.
Classiquement, ces systèmes optiques limitent la conception du système antennaire car ils peuvent induire de fortes pertes de puissance des signaux RF, et contraindre l'architecture du système antennaire en limitant par exemple la largeur des faisceaux (ou ouverture angulaire) produits par les sources RF.Classically, these optical systems limit the design of the antenna system because they can induce significant power losses in the RF signals, and constrain the architecture of the antenna system by limiting, for example, the width of the beams (or angular aperture) produced by the RF sources. .
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la
Les deux sources RF 100, 200 sont configurées pour émettre des faisceaux d'ondes électromagnétiques en mode TEM (acronyme pour l'expression anglo-saxonne « Transversal Electro-Magnetic » associé aux ondes transverses électromagnétiques) dans deux bandes de fréquences RF distinctes, respectivement notée λ 1 et λ 2, et selon deux axes de propagation donnés, notés respectivement 102 et 104. Une onde électromagnétique d'un faisceau RF émis est en outre caractérisée par une phase donnée (et un front d'onde associé). Par exemple, les sources RF 100, 200, peuvent être configurées pour émettre dans des bandes fréquentielles spécifiques de sorte que λ 1 correspond à la bande dite « bande X », de basse fréquences, comprise typiquement entre 7 GHz et 8,5 GHz, et λ 2 correspond à la bande dite « bande Ka », de haute fréquences, comprise typiquement entre 22,5 GHz et 27 GHz. The two
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 est donc défini dans un repère (X,Y,Z). Selon les modes de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprend au moins deux faces notées 310 et 320. Les deux faces 310 et 320 sont distantes l'une de l'autre d'une distance d représentant l''épaisseur' du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300. Par exemple, et sans limitation, l'épaisseur d peut être supérieure ou égale à une valeur sensiblement égale à λ 2/2 . Par exemple et sans limitation l'épaisseur d peut être égale à 5,5 mm. Cette valeur d'épaisseur d étant très petite par rapport à la taille globale du système optique 10, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut avoir une structure sensiblement plane, définie dans le plan (X,Y) associé repère (X,Y,Z) et orthogonal à l'axe Z. Ainsi, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 s'étend généralement dans le plan (X,Y).The RF
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être utilisé en tant qu'écran dichroïque pour superposer les faisceaux des sources RF 100, 200 sur un même chemin optique du système antennaire. L'écran dichroïque 300 permet, d'une part, de réfléchir le faisceau de la source RF 100 de basse fréquence et, d'autre part, de transmettre le faisceau de la source RF 200 de haute fréquence. Ainsi, dans exemple de la
la source RF 100 émet le faisceau RF selon l'axe depropagation 102 se dirigeant vers laface 310 sur laquelle le faisceau est réfléchi, etla source RF 200 émet le faisceau RF selon l'axe depropagation 202 se dirigeant vers laface 320. Le faisceau RF de lasource RF 100 traverse alors le dispositif de contrôle de faisceauxRF 300 et donc les deux faces 310et 320.
- the
RF source 100 emits the RF beam along thepropagation axis 102 heading towards theface 310 on which the beam is reflected, and - the
RF source 200 emits the RF beam along thepropagation axis 202 heading towards theface 320. The RF beam from theRF source 100 then passes through the RFbeam control device 300 and therefore the two faces 310 and 320.
Comme montré sur la
Dans des modes de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être incliné par rapport à la direction d'incidence moyenne (i.e. direction de propagation 102 et 202) du faisceau au front d'onde sphérique de deux sources RF 100 et 200, par exemple de manière à former un agencement des sources qui ne génère pas de masquage. La direction d'incidence moyenne des faisceaux avec l'axe normal Z du dispositif 300 forme alors un angle d'incidence noté αi , par exemple sensiblement égale à 30°.In embodiments of the invention, the RF
Il en résulte que, la projection des champs de rayonnement 104 et 204 des sources RF sur l'écran dichroïque peut varier selon un secteur angulaire très large dépendant de l'angle d'ouverture θ et de l'angle d'incidence αi des sources RF 100 et 200. L'écran dichroïque est alors configuré pour fonctionner pour des incidences fortement obliques, par exemple pour des secteurs angulaires compris entre 15° et 45°.As a result, the projection of the radiation fields 104 and 204 of the RF sources onto the dichroic screen can vary over a very wide angular sector depending on the opening angle θ and the angle of incidence α i of the
Dans d'autres exemples de réalisation, le système optique 10 peut comprendre le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 et une ou plusieurs sources RF 200 ou 100 positionnées respectivement en transmission ou en réflexion par rapport au dispositif 300, selon un angle d'incidence nul, tel que αi = 0°. Dans ces modes de réalisation, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être configuré pour transmettre et/ou réfléchir un faisceau RF, et modifier la phase (et le front d'onde associé) de l'onde électromagnétique du faisceau RF. Une telle configuration est applicable pour des dispositifs de contrôle de faisceaux RF 300 utilisés en tant qu'écran de transmission (ou « transmitarray » en langue anglo-saxonne) et/ou écran de réflexion (ou « reflectarray » en langue anglo-saxonne) pour corriger les aberrations de systèmes optiques multifaisceaux. En particulier, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences 300 s'étendant généralement dans un plan (X,Y), peut avoir des formes géométriques et des dimensions variables dans le plan (X,Y) permettant de modifier la phase de l'onde électromagnétique dans le plan (X,Y).In other exemplary embodiments, the
Par exemple et de façon non limitative, les sources RF 100, 200 peuvent être en outre associées à un front d'onde sphérique, plan et/ou comportant des déformations telles que des aberrations générées par des déphasages. Ainsi, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être configuré pour transformer un front d'onde donné (par exemple sphérique) et un autre front d'onde (par exemple plan) et/ou pour corriger des aberrations de front d'onde en modifiant localement dans le plan (X,Y) la phase du faisceau RF. Par ailleurs, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être configuré pour modifier de façon différente le front d'onde d'une onde destinée à être réfléchie (provenant de la source 100) par rapport au front d'onde d'une onde destinée à être transmise (provenant de la source 200). Le système optique 10 résultant peut comprendre des sources RF positionnées de manière plus proche du dispositif 300 ou agencée de manière plus adaptée à l'application visée.For example and in a non-limiting manner, the
Dans un mode de réalisation, les deux faces 310 et 320 peuvent être parallèles entre elles. Dans un tel mode de réalisation, les deux faces 310 et 320 peuvent être des surfaces définies selon deux dimensions dans le plan (X,Y) orthogonal à l'axe normal Z. En variante, les deux faces 310 et 320 peuvent être des surfaces définies selon trois dimensions dans le repère (X,Y,Z). Dans ces modes de réalisation, l'épaisseur d entre les deux faces 310 et 320 parallèles est homogène le long du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300.In one embodiment, the two faces 310 and 320 can be parallel to each other. In such an embodiment, the two faces 310 and 320 can be surfaces defined in two dimensions in the plane (X,Y) orthogonal to the normal axis Z. Alternatively, the two faces 310 and 320 can be surfaces defined according to three dimensions in the reference frame (X,Y,Z). In these embodiments, the thickness d between the two
Alternativement, l'épaisseur d entre les deux faces 310 et 320 est inhomogène le long du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300, telle que l'épaisseur d peut varier selon l'axe X et/ou selon l'axe Y. Dans ce mode de réalisation avec épaisseur variable, au moins une des deux faces 310 et 320 peut être définie comme une surface définie selon trois dimensions dans le repère (X,Y,Z). Par exemple et de façon non limitative, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut comprendre un centre O (non représenté sur les figures) positionné dans le plan (X,Y) tel que l'épaisseur d varie de façon croissante ou décroissante à partir de ce centre O, selon l'axe X, pour former un élément quasi-optique, pouvant être un élément concave ou convexe respectivement.Alternatively, the thickness d between the two faces 310 and 320 is inhomogeneous along the RF
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 selon les modes de réalisation de l'invention comprend un ensemble de cellules 400 agencées dans le plan (X,Y), comme représenté sur les
Chaque cellule 400 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprend un cadre de support de cellule 420 externe et une ou plusieurs interconnexions internes 460.Each
La
Le cadre de support 420 d'une cellule 400 (encore appelé « cadre de support de cellule ») est inscrit dans une forme générale de prisme (ou cylindre à facettes) ayant un axe principal s'étendant selon un axe Z'. L'axe Z' correspond à une droite génératrice du prisme et est encore appelé « axe de prisme Z' ». Le cadre de support de cellule 420 est de longueur d selon l'axe Z'. Dans l'exemple de réalisation sur la
Ainsi, le cadre de support de cellule 420 est inscrit dans une forme générale de prisme qui s'appuie sur une base polygonale à côtés de largeur ℓ, définie dans le plan (X,Y) et s'étend selon l'axe du prisme Z'. Les faces prismatiques
n est un indice associé aux différentes faces du prisme dans lequel est inscrit le cadre de support de cellule 420, avec n
Comme représenté sur la
Ainsi, le cadre de support de cellule 420 est inscrit dans le prisme et comprend « murs » 420-n coïncidant avec l'une des faces prismatiques
Les « murs » 420-n du cadre de support de cellule 420 ont une épaisseur de mur notée m. Il est à noter que, dans un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprenant deux ou plusieurs cellules 400, l'épaisseur de murs entre deux cellules 400 peut être définie comme étant égale à une valeur 2 × m. En outre, chacune des fentes de mur 440-n a une largeur correspondant à la distance entre les deux plaques rectangulaires 4200A-n et 4200B-n du mur qui appartiennent aux deux éléments de coin adjacents. Les fentes 440-n continues peuvent être médianes par rapport aux murs 420-n, c'est-à-dire positionnées sensiblement au milieu du mur correspondant 420-n.THE “walls” 420- n of the
L'angle entre les deux plaques 4200A-n et 4200B-n d'un élément de coin 4200-n dépend de la forme du prisme et notamment du nombre de côtés de la base polygonale.The angle between the two
Dans l'exemple de la
Alternativement, l'axe du prisme Z' peut présenter une inclinaison β par rapport à l'axe Z telle que le cadre 420 a une forme de prisme oblique.Alternatively, the axis of the prism Z' can have an inclination β relative to the axis Z such that the
Par ailleurs, le cadre de support de cellule 420 peut être entièrement ou partiellement métallique de sorte à former murs 420-n électriquement conducteurs. Le cadre de support de cellule 420, selon les modes de réalisation de l'invention, interrompu par les fentes sur chacune de ces faces agit comme un guide d'onde à murs parallèles 420-n permettant la propagation du faisceau à transmettre par le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300, provenant de la seconde source RF 200.Furthermore, the
De tels cadres de support de cellule 420 interrompus par des fentes (ou fendus) peuvent ainsi fonctionner comme écran de transmission dans toutes les bandes de fréquences des signaux RF, et peuvent être en particulier utilisés pour des bandes L, S, C, Ku et Ka.Such cell support frames 420 interrupted by slots (or split) can thus function as a transmission screen in all frequency bands of RF signals, and can be used in particular for L, S, C, Ku and Ka bands.
L'ensemble de cellules 400 forme un agencement périodique de guides d'ondes dont le dimensionnement est petit par rapport à la longueur d'onde notée λ 2 associée à la bande de fréquence du faisceau provenant de la source RF à transmettre. En particulier, la largeur ℓ du cadre de support de cellule 420 peut être déterminée telle que
Dans des modes de réalisation, l'épaisseur m des murs 420-n peut être faible et être en outre ajustée, par exemple minimisée, de manière à atténuer les pertes de transmission du faisceau de la source RF 200 aux interfaces entre l'air et le guide d'onde (en entrée, face 310 et/ou en sortie, face 320), ainsi que les pertes de transmission sur une bande de fréquence et un secteur angulaire donnés qui sont proportionnelles au rapport m/ℓ. En effet, la réduction de la bande passante et la réduction du secteur angulaire peuvent être corrélées à la quantité de matière métallique formant le cadre de support de cellule 420. La minimisation l'épaisseur m peut de surcroît entraîner une minimisation de la masse totale du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300, tout en garantissant sa rigidité. Avantageusement, l'épaisseur m des murs 420-n est inférieure à la longueur d'onde λ 2, ce qui permet de conférer une stabilité de transmission du faisceau de la source RF 200 par rapport à la variation de l'angle d'ouverture θ en incidence sur le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300. En particulier, l'épaisseur m des murs 420-n selon les modes de l'invention peut être comprise entre 250µm et 500µm. L'épaisseur m des murs 420-n peut être en outre définie en fonction des avantages et contraintes associées au processus de fabrication du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300. Par exemple et de façon non limitative, lorsque le dispositif est fabriqué en utilisant un processus de fabrication additive (ou technique d'impression 3D), l'épaisseur de murs entre deux cellules 400 d'un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être égale à une valeur 2 × m = 500µm. Lorsque le dispositif est fabriqué en utilisant un processus de fabrication traditionnelle, l'épaisseur de murs entre deux cellules 400 d'un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être égale à une valeur 2 × m = 1mm. In embodiments, the thickness m of the walls 420- n can be low and also be adjusted, for example minimized, so as to attenuate the transmission losses of the beam from the
L'ouverture des cadres de support de cellule 420 au niveau des fentes 440-n traversant les murs 420-n permet en outre de simuler un matériau diélectrique et d'élargir significativement de la bande de transmission du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300.Opening the cell support frames 420 at the level of slots 440-n passing through the walls 420- n also make it possible to simulate a dielectric material and significantly widen the transmission band of the RF
Notamment, la largeur des fentes 440-n peut être comprise entre une valeur minimale notée
Les largeurs des fentes d'une même cellule 400 et/ou des fentes de l'ensemble des cellules 400 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peuvent être identiques ou variables en fonction des modes d'application de l'invention. Par exemple, et de façon non limitative, un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 utilisé pour transmettre et/ou dévier et/ou réfléchir un faisceau RF peut comprendre des largeurs de fentes qui varient (de quelques micromètres par exemple) par rapport au centre O du dispositif 300 afin de moduler spatialement la phase du faisceau incident. Ainsi, le dispositif de contrôle de faisceaux radiofréquences 300 s'étendant généralement dans un plan (X,Y), peut comprendre un ensemble de plusieurs cellules 400 ayant des formes géométriques et des dimensions variables (par exemple la largeur ) dans le plan (X,Y) permettant de modifier de façon très fine (à l'échelle de la cellule) la phase (et le front d'onde associé) de l'onde électromagnétique dans le plan (X,Y).The widths slots of the
Dans certains modes de réalisation, une fente 440-n peut être échancrée (c'est-à-dire avoir un profil variable selon l'axe du prisme Z') en entrée (face 310) et/ou en sortie (face 320) et/ou le long de la section du guide d'onde. Ces échancrures (non représentées sur les figures) et leurs dimensions, c'est-à-dire leur longueur, leur profondeur et leur position, peuvent différer selon la fente 440-n considérée dans la cellule 400 et/ou dans le plan (X,Y).In certain embodiments, a slot 440- n can be indented (that is to say have a variable profile along the axis of the prism Z') at the entrance (face 310) and/or at the exit (face 320) and/or along the waveguide section. These notches (not shown in the figures) and their dimensions, that is to say their length, their depth and their position, may differ depending on the slot 440- n considered in the
L'utilisation du cadre de support de cellule 420 comme guide d'onde en transmission permet de ne pas introduire de dispersion fréquentielle dans les sections du guide d'onde et d'obtenir des réponses très large bande pour une transmission totale d'un faisceau RF incident.The use of the
Chaque cellule 400 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprend une ou plusieurs interconnexions internes 460 ayant des caractéristiques choisies pour permettre par exemple un paramétrage de l'élargissement de la bande de fréquence du faisceau provenant de la première source RF 100 à réfléchir et/ou du faisceau provenant de la seconde source RF 200 à transmettre.Each
Comme représenté sur la
Les tiges 462-n de l'interconnexion interne 460 ont une forme sensiblement cylindrique, la longueur ℓ t et de diamètre et . Par exemple et sans limitation les diamètres et des tiges peuvent être compris entre 400µm et 540µm. Les tiges 462-n comprennent en outre deux extrémités notées 462-n1 et 462-n2 sur la
Par ailleurs, les tiges 462-k peuvent être entièrement ou partiellement métalliques de manière à former une interconnexion interne 460 électriquement conductrice qui interconnecte les murs 420-n pour les rendre entièrement solidaires entre elles. L'interconnexion interne 460 forme alors une discontinuité électrique élémentaire qui peut interagir avec les champs électriques incidents des ondes électromagnétiques TEM produites par les sources RF 100 et/ou 200 se propageant dans le cadre de support 420. Cette interaction avec les champs électriques induit la formation de courants électriques dans les tiges 462-k.Furthermore, the rods 462- k can be entirely or partially metallic so as to form an internal electrically
Le mode de réalisation de l'interconnexion 460 dans lequel les points d'attache sont situés au niveau des bords 430-n correspondant aux arêtes latérales
Dans les modes de réalisation où le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprend une interconnexion interne 460, comme illustré par la
En outre dans des modes de réalisation où est égal à 4, comme illustré par exemple sur la
Une tige 462-n et un bord 430-n d'un élément de coin forment entre eux un angle γ au niveau de l'extrémité 462-n1 de la tige 462-n (ou point d'attache). Par exemple, dans certains modes de réalisation, les tiges 462-n peuvent être définies dans un plan perpendiculaire à l'axe du prisme Z'. Avantageusement, l'angle γ est alors égal à 90° (γ = 90°) et la position du point de connexion est égale à la position d 1 des points d'attache. Dans d'autres modes de réalisation, chacune des tiges 462-n forme un angle γ < 90° ou γ > 90° avec le bord 430-n d'élément de coin associé à leur point d'attache, tel que la position du point de connexion est supérieure ou inférieure à la position d 1 des points d'attache dans le plan perpendiculaire à l'axe du prisme Z'.A rod 462- n and an edge 430- n of a corner element form an angle γ between them at the level of the end 462-
Les différentes cellules 400 du dispositif 300 sont adjacentes et connectées entre elles par les murs de cellule communs 420-n. Par ailleurs, l'interconnexion interne 460 de chaque cellule 400 est connectée au cadre de support de la cellule 420 par les différents points d'attache. Un tel agencement des cellules 400 est effectué de sorte que les cellules 400 du dispositif 300 soient solidaires entre elles, malgré la présence des fentes 440-n.The
Comme représenté sur la
Une première interconnexion interne 460 peut être connectée au cadre de support de cellule 420 en points d'attache situés à une même distance d 1 par rapport à l'entrée de la cellule 400 (correspondant par exemple à la face 320), tandis qu'une deuxième interconnexion interne 460 peut être connectée au cadre de support de cellule 420 en points d'attache situés à une même distance d 3 par rapport la sortie de la cellule 400 (correspondant par exemple à la face 310). La distance d 2 entre les n points d'attache respectifs des deux interconnexions internes 460 est définie à partir de la longueur d du cadre de support de cellule 420 (par exemple d = d 1 + d 2 + d 3).A first
Avantageusement, le choix des positions d'accroche des tiges 462-n détermine les dimensions d 1 et d 3 de cellules et permet d'influer sur l'élargissement de la bande de fréquences du faisceau (notamment en transmission). En outre, les différentes dimensions d1 et d 3 de l'ensemble des cellules 400 du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peuvent être identiques ou variables en fonction de l'application de l'invention. Par exemple, et de façon non limitative, un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 utilisé pour transmettre et/ou dévier et/ou réfléchir un faisceau RF peut comprendre des dimensions d 1 et d 3 variables par rapport au centre O du dispositif afin de moduler spatialement la phase du faisceau incident.Advantageously, the choice of the attachment positions of the rods 462- n determines the dimensions d 1 and d 3 of cells and makes it possible to influence the widening of the frequency band of the beam (particularly in transmission). Furthermore, the different dimensions d 1 and d 3 of all the
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 selon l'invention peut être fabriqué à partir d'une modélisation des cellules 400 en circuit électrique équivalent (phase de conception). Une telle modélisation permet avantageusement d'optimiser les propriétés de contrôle quasi-optique des faisceaux RF désirées pour le dispositif 300 en fonction de l'application de l'invention. En particulier, les caractéristiques du cadre de support de cellule 420 constitué de éléments de coin 4200-n, formant murs 420-n interrompus chacun par une des fentes 440-n, permettent de modéliser une impédance caractéristique
Une interconnexion interne 460 d'une cellule (l'interconnexion 460 comprenant tiges 462-n), électriquement conductrice, forme une discontinuité électrique dans la cellule 400. En outre, deux interconnexions internes 460 forment un nombre de 2 discontinuités électriques successives dans la cellule 400, correspondant aux deux ensembles de tiges 462-n. Ainsi, dans les modes de réalisation de cellule 400 représentés sur les
Le schéma (a) de la
Les paramètres relatifs à la représentation électrique de la cellule 400 en circuit équivalent dépendent de la position des points d'accroche 462-n1 des tiges 462-n selon les dimensions d 1 et d 3.The parameters relating to the electrical representation of the
Ainsi, en référence à l'exemple de la
Avantageusement, la configuration des interconnexions internes 460 de manière symétrique par rapport au cadre de support de cellule 420, selon des points d'attache au niveau des bords 430-n, permet de modéliser des circuits électromagnétiques équivalents de la cellule 400 identiques (ou invariants) par rapport à la caractérisation selon chaque polarisation TE et TM des champs électriques incidents des ondes TEM produites par les sources RF 100 et 200.Advantageously, the configuration of the
Les inductances L des charges inductives successives modélisées par le circuit équivalent peuvent en outre dépendre du ou des diamètres et des tiges 462-n des interconnexions internes 460. En particulier, l'augmentation du diamètre et peut induire une diminution de l'inductance. Dans des modes de réalisation de l'invention, une augmentation du diamètre et par trois peut entraîner une diminution de l'inductance L d'un facteur trois. À titre d'exemple non limitatif, un diamètre et trop grand peut dégrader de façon significative la largeur de la bande de transmission pour les fréquences élevées (de la source 200). Dans ce cas, une étape d'optimisation du ou des diamètres et peut être mis en oeuvre dans la phase de conception du dispositif 300 pour optimiser en parallèle la ou les valeurs d'inductances L. Par exemple, il est possible d'obtenir des inductances L jusqu'à une valeur limite Llimit déterminée à partir d'une valeur minimale du diamètre et des tiges.The inductances L of the successive inductive loads modeled by the equivalent circuit can also depend on the diameter(s) and of the rods 462- n of
Les inductances L peuvent également dépendre de l'angle d'inclinaison γ des tiges 462-n. En particulier, une forte variation de cet angle d'inclinaison γ par rapport à une valeur de 90° peut induire une augmentation de l'inductance d'une part tandis que la distribution des positions de cette inductance est dissymétrique sur le circuit équivalent. Il peut en résulter des effets sur les propriétés de réflexion et de transmission du dispositif 300. Par exemple, la variation de l'angle γ peut être liée à l'élargissement de la bande de fonctionnement du dispositif 300, avec une dégradation simultanée du niveau de réflexion.The inductances L can also depend on the angle of inclination γ of the stems 462- n . In particular, a strong variation of this inclination angle γ relative to a value of 90° can induce an increase in the inductance on the one hand while the distribution of the positions of this inductance is asymmetrical on the equivalent circuit. This may result in effects on the reflection and transmission properties of the
La
Le plateau 470 interne au cadre de support de cellule 420 peut s'étendre dans un plan orthogonal à l'axe du prisme Z' et être agencé (ou positionné) sensiblement au milieu des deux interconnexions internes 460.The
Un plateau interne 470 peut être une structure métallique ayant une épaisseur ec et une forme adaptée à la forme de la base polygonale de côtés du cadre de support 420. Par exemple et sans limitation, la base polygonale du cadre de support de cellule 420 peut avoir une forme carrée (
En particulier, le plateau interne 470 peut être conçu pour se rapprocher du cadre de support de cellule 420, selon un espacement (ou longueur) ε ≠ 0, mais ne pas être connecté métalliquement par les côtés du plateau interne 470 au cadre de support de cellule 420. Dans certains modes de réalisation, le plateau interne 470 peut être maintenu à l'intérieur du cadre de support de cellule 420 par un moyen de support diélectrique. Alternativement, le plateau interne 470 peut être maintenu par une connexion diélectrique ou métallique aux deux interconnexions internes 460. Par exemple, cette connexion diélectrique ou métallique aux deux interconnexions internes peut être un pilier central s'étendant selon l'axe du prisme Z' et comprenant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure connectées aux deux interconnexions internes 460, le plateau capacitif étant alors agencé sensiblement au milieu du pilier central entre les des deux interconnexions internes 460.In particular, the
Un plateau interne 470 métallique et électriquement conducteur peut induire une charge capacitive notée « C» exprimée en fF (femtoFarad), formant une discontinuité électrique élémentaire dans la cellule 400. Un tel plateau 470 interne au cadre de support de cellule 420 correspondant plus généralement à un plateau appelé « plateau capacitif ».A metallic and electrically conductive
Selon les modes de réalisation où le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 comprend deux interconnexions internes 460 (tiges inductives) et un plateau interne 470 (plateau capacitif), formant trois discontinuités électriques élémentaires comme décrit en référence à l'exemple sur la
La modélisation en circuit électrique équivalent de la cellule 400 telle que représentée sur la
La capacité C de la charge capacitive, par exemple modélisée dans le circuit équivalent en
Le plateau capacitif peut avoir toute forme adaptée par rapport à la forme de la base polygonale du cadre de support de cellule 420.The capacitive plate can have any shape adapted to the shape of the polygonal base of the
Dans des modes de réalisation, pour atteindre les mêmes performances que pour un plateau capacitif ayant une forme équivalente à la forme de la base polygonale, la cellule 400 peut comprendre un cadre de support de cellule 420 ayant une épaisseur mc de mur 420-n plus grande localement dans le plan du plateau capacitif, par rapport à l'épaisseur m de mur 420-n. Un épaississement local des murs du cadre 420 jusqu'à un espacement ε de la forme du plateau capacitif permet d'obtenir des performances similaires au cas précédent, dans lequel il n'y a pas d'épaississement local des murs 420-n. Avantageusement, cette alternative peut être utilisée si des grandes valeurs de C sont à mettre en oeuvre.In embodiments, to achieve the same performance as for a capacitive plate having a shape equivalent to the shape of the polygonal base, the
Avantageusement, en fonction de l'application envisagée de l'invention, la conception du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut comprendre une étape de détermination de l'ordre x du dispositif afin d'optimiser le paramétrage associé au contrôle de faisceaux RF (par exemple l'élargissement de la bande de fréquence du faisceau provenant de la première source RF 100 à réfléchir et/ou du faisceau provenant de la seconde source RF 200 à transmettre). En particulier, pendant la modélisation des cellules 400 en circuit équivalent, la détermination de l'ordre x du dispositif peut comprendre l'évaluation des successions de charges inductives ou des successions de charges inductives et capacitives, comme représenté dans le tableau de la
Le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut être fabriqué en utilisant différentes techniques, telle qu'une technique d'impression 3D, encore appelée fabrication additive. Avantageusement, l'utilisation d'une technique d'impression 3D permet d'obtenir un dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 uniforme, ne comportant pas de diélectrique et entièrement métallique, en utilisant un matériau électriquement conducteur tel que l'aluminium ou le titane par exemple. Le matériau électriquement conducteur comme le titane peut ensuite être recouvert d'un autre matériau électriquement conducteur tel que l'argent par exemple afin de réduire les pertes ohmiques. De plus, la technique de fabrication 3D induit des Produits d'Intermodulations Passives (ou PIP) générés de moindre intensité de sorte que le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut supporter de plus fortes puissances provenant des sources de signaux RF.The RF
Dans certains modes de l'invention, en fonction de la technique de fabrication utilisée pour fabriquer le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300, des éléments internes supplémentaires peuvent être ajoutés au cadre de support de cellule 420, tel qu'un pilier central par exemple.In some embodiments of the invention, depending on the manufacturing technique used to manufacture the RF
La
Bien que non limitée à de tels modes de réalisation, l'utilisation d'un pilier central 480 est particulièrement avantageuse dans les modes de réalisation où la technique de fabrication est une technique d'impression 3D.Although not limited to such embodiments, the use of a
Le pilier central 480 peut avoir une forme sensiblement cylindrique, de diamètre noté ep et de longueur dp, et comprendre deux extrémités notées 482-1 et 482-2 et appelées « extrémité supérieure 482-1 » et « extrémité inférieure 482-2 ». Le pilier central 480 s'étend selon l'axe du prisme Z' (dans le sens de sa longueur) et est ainsi parallèle à l'orientation générale des murs 420-n. En outre, le pilier central 480 est agencé (ou positionné) sensiblement au centre du cadre de support de cellule 420 (i.e. centre du cadre dans le plan orthogonal à l'axe du prisme Z'). Au moins l'une des deux extrémités 482-1 et 482-2 peut être positionnée à l'extérieur de la cellule 400. Dans le cas où les deux extrémités 482-1 et 482-2 sont positionnées à l'extérieur de la cellule 400, la relation dz ≤ d est vérifiée. Dans le cas où une seule des deux extrémités 482-1 ou 482-2 est positionnée à l'extérieur de la cellule 400, la relation dz ≤ d ou dz > d peut être vérifiée. Alternativement, les deux extrémités 482-1 et 482-2 de l'interconnexion 480 peuvent être positionnées à l'intérieur de la cellule 400 tel que dz ≤ d. The
Par ailleurs, comme représenté sur la
Cette unique interconnexion solidaire permet une grande rigidité mécanique des tiges 462-n, et plus généralement des cellules 400. Une telle rigidité engendre notamment une stabilité mécanique du dispositif 300 au cours du temps, et ainsi de ces propriétés de contrôle quasi-optique de faisceaux RF, dans des applications de l'invention utilisant des sources de très forte puissance. Par ailleurs, le pilier central 480 facilite la fabrication des interconnexions internes 460 et donc des cellules 400 à faces fendues, en particulier lorsque le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 est fabriqué en utilisant une technique d'impression 3D.This unique integral interconnection allows great mechanical rigidity of the rods 462- n , and more generally of the
Selon certains modes de réalisation, la distance d 2 entre les deux ensembles de points d'attache des tiges 462-n formés par les deux interconnexions internes 460 peut être supérieure, inférieure ou égale à la longueur dp du pilier central 480. En particulier, la distance dp peut dépendre de l'angle γ. Par exemple, dans certains modes de réalisation, les deux ensembles de tiges 462-n peuvent être définies dans un plan perpendiculaire à l'axe du prisme Z', comme illustré par l'exemple d'interconnexions internes 460 de la
Dans un exemple de réalisation non limitatif, le diamètre ep du pilier central 480 peut être égal à 400µm. Le pilier central 462 n'a sensiblement aucun effet sur les propriétés de contrôle quasi-optique de faisceaux RF du dispositif 300. En effet, la propagation est orthogonale au pilier des champs électriques incidents des ondes électromagnétiques TEM (produites par les sources RF 200 par exemple) qui se propagent dans le guide d'ondes formé par le cadre de support de cellule 420. Cette propagation orthogonale n'induit pas de formation de courant électrique dans le pilier central 480, le diamètre ep étant négligeable par rapport aux bandes de fréquences RF. De ce fait, l'impact du pilier central 480 dans la modélisation en circuit équivalent est sensiblement négligeable. Par exemple, l'unique interconnexion de la
L'impact du pilier central 480 étant négligeable dans la modélisation en circuit équivalent, l'homme du métier comprendra aisément qu'une telle configuration particulière d'interconnexion, comprenant un ou plusieurs piliers centraux 480, peut être adaptée à toutes conceptions de dispositif d'ordre x, tel que x ≥ 2 selon la détermination du nombre et de la nature des successions de charges (inductives, ou inductives et capacitives) représentées en exemple sur la
Avantageusement, en fonction de la technique de fabrication du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300, l'ajout d'un ou plusieurs piliers centraux 480 peut permettre de faciliter la fabrication d'un ou plusieurs plateaux 470 internes au cadre de support de cellule 420. En particulier, un plateau capacitif peut être formé par un élargissement local du diamètre ep sur une petite portion ec de la longueur dp d'un pilier central 480 d'une unique interconnexion. L'élargissement local du diamètre ep peut en outre avoir une forme équivalente à la forme de la base polygonale selon une longueur de côté ℓc. Advantageously, depending on the manufacturing technique of the RF
La
Dans un tel mode de réalisation où le nombre est égal à 6, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 présente des sections hexagonales de guides d'onde en transmission.In such an embodiment where the number is equal to 6, the RF
Avantageusement, si le nombre augmente, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut présenter de meilleures propriétés d'invariance en polarisation et de stabilité de transmission par rapport à la variation de l'angle d'ouverture l'onde électromagnétique injecté en incidence. Une telle augmentation induit une plus importante solidité de la structure.Advantageously, if the number increases, the RF
Alternativement, si le nombre diminue, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 peut présenter des avantages de fabrication puisque la structure présente moins de matière.Alternatively, if the number decreases, the RF
Dans les modes de réalisation du cadre de support de cellule 420 représentés sur les
La
Dans des modes de réalisation du système optique 10 sur la
En particulier, un tel concept d'inclinaison des cellules 400 permet le doublement de ce secteur angulaire (±10° autour de αi = 30°) par rapport aux solutions de l'état de la technique.In particular, such a concept of inclination of the
Il est à noter que cette inclinaison β des cellules 400 n'a pas d'influence significative sur la modélisation en circuit électrique équivalent. Cependant, cette inclinaison peut induire une augmentation de l'épaisseur des murs 420-n.It should be noted that this β inclination of the
Le schéma (a) de la
La géométrie des faces d'entrée 310 et de sortie 320 pourrait induire une dissymétrie pouvant détériorer l'équilibre des phases des faisceaux à contrôler. Un tel déséquilibre peut être évité ou compensé par des variations de largeur des fentes 440-n en induisant un décalage de la largeur de bande d'impédance pour l'incidence des polarisations TE et TM (la différence de largeur relative ne peut donc pas être importante).The geometry of the
Avantageusement, les faces d'entrée 310 et de sortie 320 peuvent comporter chacune une structuration en biseaux (ou en escalier) perpendiculaire à l'axe du prisme Z' définissant l'inclinaison des cadres de support de cellule 420. Cette configuration de face peut par exemple apporter de meilleures performances théoriques de transmission de faisceau RF au dispositif 300.Advantageously, the
Le schéma (b) de la
L'homme du métier comprendra aisément que les faces d'entrée 310 et de sortie 320 des dispositifs 300, représentés sur les schémas (a) et (b) de la
Cependant, de telles structurations en escalier peuvent induire des variations d'épaisseur de mur m, comme illustré sur le schéma (a) de la
La modélisation en circuit équivalent des dispositifs, représentée sur les schémas (a) et (b) de la
Avantageusement, la mise en oeuvre de l'inclinaison β des cellules 400 ainsi que de la modularité de structurations (en escalier ou parallèle aux faces) des faces d'entrée 310 et/ou de sortie 320 des dispositifs 300 peut être facilitée par l'utilisation de techniques d'impression 3D. En particulier, le dispositif de contrôle de faisceaux RF 300 réalisée par impression 3D présente un bon état de surface. Ainsi, l'inclinaison des cellules 400 et l'utilisation de la fabrication additive permet en outre de diviser par deux des pertes d'insertions des faisceaux de la source RF 200 à transmettre par rapport au référence de l'état de la technique.Advantageously, the implementation of the inclination β of the
Il est à noter que le schéma (b) de la
La
A l'étape 1102, un matériau est déposé par fabrication additive prioritairement, selon l'axe du prisme Z' ayant un angle d'inclinaison β avec l'axe Z, pour former des couches métalliques empilées.In
A l'étape 1104, la structure formée par les couches métallique empilées est découpée au niveau de la face 310 d'entrée du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300. Par exemple, la face 310 peut être défini par un plan parallèle au plan (X,Y) du dispositif de contrôle de faisceaux RF 300.In
Tel qu'illustré par le schéma (a) de la
La
Le graphique de la
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-avant à titre d'exemple non limitatif. Elle englobe toutes les variantes de réalisation qui pourront être envisagées par l'homme du métier. En particulier, l'homme du métier comprendra que l'invention n'est pas limitée aux géométries de cellules, de cadre et d'interconnexion décrites à titre d'exemple non limitatif.The invention is not limited to the embodiments described above by way of non-limiting example. It encompasses all the alternative embodiments which could be envisaged by those skilled in the art. In particular, those skilled in the art will understand that the invention is not limited to the cell, frame and interconnection geometries described by way of non-limiting example.
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