Conception d'un circulateur hyperfréquence à 3-voies en technologie guide d'onde magnétisé au-delà de la ligne de Kittel

L'objectif de ce projet est de concevoir un circulateur micro-ondes très stable en température qui sert à protéger un amplificateur de haute puissance d'une station radar opérant dans la bande de fréquence de 1.2-1.4 GHz. L'amplificateur en question est un “Klystron” capable de générer un pulse pouvant atteindre 80 KW. La température de l'environnement d'exploitation de cette station terrestre varie de -40ºC à 80ºC. Dans de ce mémoire deux régions de magnétisations sont séparément exposées afin de mettre en relief leurs propriétés particulières. Ainsi, les paramètres de conceptions relatifs aux régions de magnétisations situées à gauche et à droite de la résonance de Kittel sont d'abord donnés de façon théorique, par la suite, ils sont utilisés de façon pratique pour la conception du circulateur en technologie guide d'onde. Les résultats pratiques de cette étude sont ensuite présentés pour apprécier la différence fondamentale entre les deux approches ainsi que la robustesse en termes de stabilité en température que la magnétisation au-delà de la résonance de Kittel apporte au dispositif conçu. Bien que cette dernière magnétisation soit bien exploitée en industrie, dans la conception des circulateurs « drop-in », il en demeure pas moins que cette polarisation reste beaucoup moins documentée que la magnétisation conventionnelle, c'est à dire, la magnétisation entre la résonance principale et la résonance subsidiaire. La pertinence de cette solution est évaluée par les tests en température et en puissance. Enfin, à la lumière des résultats de ce mémoire, une nouvelle étude à explorer est proposée pour l'amélioration de la puissance soutenue, les pertes par insertions et la réduction des dimensions mécaniques des circulateurs à 4-voies à décalage de phase.

Abstract

A current trend in connection with L-band radar systems is the ever-increasing power available from the Klystrons and Magnetrons. This trend has consequently led to output arms that can sustain the operating power and protect the amplifier from antenna mismatches and fault conditions. The main component in the output arm used to protect the amplifier from antenna mismatches is the circulator. Although the basic operating principle of the circulator has not changed over the years its detailed design, however, has. In the past a 3-port waveguide junction circular biased below the main resonance was the typical design approach. This design however is limited in peak operating power by a phenomenon called spin wave instability. One solution to this problem is to operate the junction with a DC bias field between the main and subsidiary resonance and above a certain value known as Hlim. This DC bias setting is however very difficult to set because of the changes in ferrite parameters at high operating power levels, rendering the design approach ineffective. The principle objective of this thesis is to develop a degree-2 high peak power 3-port waveguide junction circulator that is biased above the Kittel line where no first order spin waves are excited The topology of the resonators used in both designs is quasi-planar disk mounted on a metallic pedestal separated by a dielectric or free space region to form two magnetic walls. The most difficult condition to meet in the design of a junction circulator using a quasi-planar resonator magnetized above the Kittel resonance is the choice of the direct magnetic variables. The procedure undertaken in this project is applicable to the construction of circulators with specifications of up to 25% bandwidth with aVSWR of 1.20 and an isolation of 23dB.