Brevet FR2130338A1 — publié le 19721103

- 1 - 2130338 Certains instruments scientifiques actuels, les spectromètres à résonance paramagnëtique d'électrons par exemple, comportent des résonateurs à cavité à micro-ondes gui appliquent à 1'échantillon analysé une énergie à micro-ondes nécessaire pour produire la 5 résonance voulue des électrons dans la matière. L'échantillon est placé dans le résonateur à cavité qui, en général, est monté sur une branche d'un pont à micro-ondes. Un diaphragme qui s'ouvre dans la cavité laisse entrer dans le résonateur l'énergie à micro-ondes provenant du pont. La cavité est 10 placée dans l'entrefer d'un aimant qui développe le champ magnétique nécessaire pour polariser l'échantillon. Deux enroulements de modulation, montés sur les faces opposées du résonateur à cavité, permettent de moduler en basse fréquence le champ magnétique de polarisation de manière que son intensité passe périodi-15 cruement par le point de résonance maximale des électrons. La .précision nécessaire de ces résonateurs à cavité oblicre à appliquer des procédés coûteux de fabrication comportant l'usinage du résonateur à cavité et le bobinage à la main des enroulements de modulation fixés sur ses côtés. Le coût de fabrication 20 de l'élément de résonateur à cavité contribuait notablement au prix final du spectromètre, mettant cet instrument hors de portée des moyens financiers des établissements scolaires. En outre, et bien qu'ils soient fabriqués selon des techniques de précision, ces résonateurs à cavité présentaient des 25 inconvénients dans leur utilisation. Par exemple, les enroulements de modulation montés sur les côtés de la cavité sont bobinés à la main et ils comportent un crrand nombre de tours de fils isolés électriquement, bobiné à spires jointives et en couches superposées. L'enroulement fait donc partie intégrante de la' paroi laté-30 raie de la cavité, à laquelle il est fixé au moyen d'une colle appropriée, telle que l'époxy. En fonctionnement, des forces de répulsion sont développées entre le champ magnétique unidirectionnel produit par l'aimani: dans lequel le résonateur à cavité est introduit et le champ magnéticrue développé par le courant alterna-35 tif qui circule dans les enroulements de modulation et qui produit le champ magnétique de modulation de balayage de l'entrefer. Cette force est dirigée suivant le plan de l'enroulement, c'est-S-dire qu'elle est parallèle à la paroi de la cavité sur laquelle l'enroulement est .fixé et elle change de sens à la frë-40 quence de la modulation. Cette force a donc tendance S séparer 72 09236 - 2 - 2130338 les enroulements l'un de l'autre et de la surface de la paroi, faisant ainsi apparaître des vibrations dans les enroulements et dans les parois de la cavité, et produisant un effet parasite indésirable. 5 La présente invention concerne un résonateur à cavité à micro-ondes réalisé selon des procédés d'assemblage simples et peu coûteux, bien que son fonctionnement soit excellent lorsqu'il est incorporé dans des dispositifs complexes tels que des spectromètres à résonance paramagnétique d'électrons. 10 Le résonateur à cavité est constitué essentiellement par une plaque de circuit imprimé plane dont une face, la face supérieure par exemple, est recouverte d'une couche de matière conductrice de l'électricité. Cette plaque est pliëe de manière que plusieurs des parois intérieures du résonateur à cavité parallélépipédique 15 soient constituées par ladite surface conductrice de la plaque de circuit. Selon un mode de réalisation, les deux parois latérales, ainsi que la paroi supérieure et la paroi inférieure d'un résonateur à cavité, sont formées par le pliage d'une plaque de cir-20 cuit imprimé suivant trois plis qui constituent trois des intersections des parois intérieures, la quatrième intersection étant constituée par un joint conducteur de l'électricité. Les deux parois d'extrémité peuvent être constituées par des plaques d'extrémité appropriées, conductrices de l'électricité. 25 Les deux enroulements de modulation sont réalisés, selon les procédés de fabrication des circuits imprimés, sur la surface inférieure de la plaque de circuit, en alignement sur les parties J de la surface supérieure qui constituent les deux parois latéra les . 3 0 De cette manière, lorsque la plaque est pliée afin de former la cavité, les enroulements de modulation sont positionnés sur les surfaces extérieures des deux parois latérales de la cavité. Les surfaces intérieures des parois latérales sont rendues perméables de manière appropriée afin que le champ de modulation 35 puisse pénétrer à l'intérieur de la cavité, bien que des trajets de courant notables subsistent sur ces parois intérieures pour la circulation du courant à micro-ondes. Grâce à la ténacité de leur collage sur la plaque de circuit, les enroulements de modulation en une seule couche, formés selon 40 les procédés de réalisation des circuits imprimés, sont très 72 09236 - 3 - 2130338 résistants au cisaillement et les vibrations ciui habituellement produisent l'effet indésirable sont en fait éliminées. D ' autres caractéristicrues de 1 ' invention apparaîtront au cours de la description cui va suivre. 5 Aux dessins annexés, donnés unièmement £ titre d'exemple : la Fiq. 1 est une vue en plan de la surface inférieure de la plaque de circuit imprimé avant qu'elle soit pliée sous forme d'un résonateur à cavité ; la Fig. 2 est une vue en plan de la surface supérieure de la 10 plaque de circuit imprimé de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en perspective d'un résonateur ?. cavité terminé, constitué par une nlaaue de circuit pliée à laauelle sont fixées des parois d'extrémité ; la Fig. 4 est une coupe transversale du résonateur à cavité, 15 suivant la liane 4-4 de la Fig. 3 ; la Fig. 5 est une vue en plan à grande échelle d'une partie de la région maillée de la paroi latérale, suivant la ligne 5-5 de la Fig. 2 ; et la Fig. 6 est une coupe transversale suivant la ligne 6-6 de 20 la Fig. 5, représentant une partie de la paroi de cette Fig. Le nouveau résonateur à cavité selon la présente invention est réalisé à partir d'une plaque de circuit imprimé (de type bien connu) , fabriquée selon les procédés photogranhicrues courants . 25 La plaque consiste en une feuille de verre époxy, ou base 11, d'une épaisseur d'environ 1,6 mm, recouverte d'un revêtement de cuivre d'une épaisseur d'environ 0,06 mm, destiné à former les éléments de circuit, et dont la surface porte un voile d'or. Le revêtement conducteur 12 de la surface supérieure de la 30 plaque 11 recouvre toute la surface, à l'exception de deux parties 13 et 14 dans lescmelles un certain nombre d'ouvertures rapprochées les unes des autres, et qui seront décrites plus en détail ci-aprês, sont formées dans le revêtement. La surface inférieure de la plaque 11 porte un certain 35 nombre de zones de revêtement, comportant deux zones 15 et 16 qui se prolongent le lona des bords des deux plus longs côtés de la plaque, et deux enroulements 1*7 et 18 espacés l'un de l'autre suivant la longueur de la plaque et disposés à peu près au milieu de sa largeur. Deux zones rectangulaires 21 et 22 sont 40 alignées avec les enroulements 17 et 18, la zone 21 étant 72 09236 - 4 - 2130338 positionnée entre les enroulements et l'autre zone étant positionnée de l'autre côté de l'enroulement 18. La surface porte également un certain nombre de petites zones de contact 23 supplémentaires . 5 La plaque est percée de trous 24,25 situés respectivement dans chacune des deux zones de contact rectanaulaires 21,22. Afin de former la cavité, la surface inférieure de la plaque 11 est entaillée, le long des trois lignes 26,27,28, suivant la largeur de la surface et entre les enroulements et les surfaces 10 de contact. La plaque est ensuite pliée suivant ces lignes, la surface revêtue supérieure 12 à l'intérieur de la partie pliée. Le revêtement 12 reste intact, ou continu, à l'endroit des trois plis et il constitue une charnière entre les parties de paroi. 15 La quatrième intersection 29, formée à l'endroit oîi les deux extrémités de la plaque sont amenées l'une contre l'autre, est fermée par un cordon de soudure d'une matière bonne conductrice de l'électricité. La feuille 11 pliée forme donc une boîte à quatre parois 20 dont les extrémités sont ouvertes et qui comporte deux parois latérales 31 et 32, une paroi supérieure 33 et une paroi inférieure 34. Deux plaques d'extrémité 35 et 36, en forme de cuvettes, et faites de matière conductrice de l'électricité, sont montées de manière ëtanche, près des extrémités de la cavité. 25 La base d'un étrier 37, en forme de U, est fixée sur l'une des plaques d'extrémité 35, un diaphragme 38 monté entre la base et la plaque d'extrémité permettant la communication avec 1'intérieur de la cavité. Les branches de 1'étrier 37 sont agencées de manière à 30 coulisser dans l'extrémité ouverte d'un guide d'onde 39, de manière à coupler le résonateur à cavité avec le circuit en pont à micro-ondes. Les parois latérales 31 et 32 portent respectivement les enroulements 17 et 18, utilisés comme enroulements de modulation 35 pour moduler le champ magnétique perpendiculaire à ces parois latérales lorsque la cavité est placée dans l'aimant du dispositif. Des pièces tubulaires 41 et 42 ^ont fixées sur les deux surfaces de contact 21 et 22, au-dessus de leurs ouvertures, 40 de manière que l'échantillon examiné, contenu dans une fiole, 72 09236 - 5 - 2130338 puisse être introduit dans le résonateur à cavité, Les connexions électriques,avec la ligne de transmission qui fournit le signal de modulation aux enroulements 17 et 18, sont effectuées au moyen des surfaces de contact 43 des deux 5 enroulements. L'ensemble de la cavité est ensuite enfermé dans une matière d'enrobage 44 isolante appropriée. Les zones revêtues 15, 16 et 23 ont pour but d'améliorer l'adhërance de l'enrobage isolant sur les parois de la cavité. 10 Les surfaces intérieures des deux parois latérales sont percées, dans les zones 13 et 14, de petits trous 45 d'un diamètre d'environ 0,75 mm par exemple, et alignés sur les enroulements de modulation 17 et 18, de manière à constituer une surface perméable en treillis qui permet au champ de modulation de pénétrer 15 à l'intérieur de la cavité, et améliorant ainsi la modulation de manière notable. La porosité des zones en treillis 13,14 est fixée aux environs de 40 %, de manière qu'une surface conductrice suffisante existe autour des ouvertures 45 et constitue un bon circuit 20 électrique pour les courants à micro-ondes. La résistance circonférentielle de chacun des trous 45 est maintenue suffisamment élevée pour que les champs magnétiques antagonistes développés par les courants de Foucault qui prennent naissance dans la surface autour des trous, ne réduisent pas de 25 manière notable l'intensité du champ magnétique de polarisation qui traverse le treillis. Le bobinage en une seule couche de l'enroulement de modulation fixé sur la surface de la plaque de circuit est très résistant dans la direction du cisaillement, c'est-à-dire dans la 30 direction parallèle â la surface de la paroi, grâce à l'adhérance élevée du circuit imprimé sur la plaque. Les enroulements 17,18 résistent donc aux forces qui leur sont appliquées et qui tfendent à les déplacer latéralement sous l'effet réciproque des champs magnétiques développés par le cou-35 rant de modulation et par l'aimant. L'effet produit par le bobinage à la main d'enroulements à plusieurs couches est sensiblement éliminé grâce à l'utilisation de ces enroulements en circuit imprimé. 72 09236 - 6 - 2130338 REVFNDTGATTONS 1. Résonateur à cavité à micro-ondes, caractérisé en ce au'il est constitué par une cavité parallélépipédique comportant deux parois latérales, une paroi supérieure, une paroi inférieure et deux parois d'extrémité, dont les surfaces intérieures sont con- 5 ductrices de l'électricité, au moins cruatre desdites parois étant constituées par une seule feuille de placrue de circuit imprimé dont une surface est recouverte d'une couche mince conductrice de l'électricité constituant lesdites surfaces conductrices de l'électricité des parois intérieures, ladite placrue de circuit étant 10 pliée suivant plusieurs lianes, chaaue pli constituant l'intersection de deux surfaces différentes desdites surfaces intérieures des parois. 2. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites Quatre parois sont constituées par les 15 deux parois latérales, la paroi supérieure et la paroi inférieure, lesdits plis constituant trois des intersections entre les surfaces intérieures des parois et la Quatrième intersection étant constituée par un joint conducteur de l'électricité. 3. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 2, carac-20 tërisé en ce aue lesdites parois d'extrémité sont constituées par des plaques conductrices de l'électricité connectées électriaue-ment aux bords extérieurs desdites auatre surfaces intérieures des parois. 4. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 1, carac-25 tërisé en ce aue deux desdites quatre parois sont constituées par lesdites deux parois latérales, dont les surfaces intérieures conductrices de l'électricité comportent une partie perméable au flux électromagnétiaue, un enroulement de modulation étant formé par un circuit imprimé sur la surface extérieure de chacune des 30 deux parois latérales, et aligné sur lesdites parties perméables des surfaces intérieures de parois. 5. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites parties perméables consistent en une série d'ouvertures espacées les unes des autres, formées dans la 35 surface conductrice de l'électricité et dans la plaaue de circuit imprimé. 6. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 5, caractérisé en ce aue lesdites ouvertures occupent moins de la moitié 72 09236 - 7 - 2130338 de la surface desdites parties perméables des parois latérales. 7. Résonateur à micro-ondes selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des parois supérieure et inférieure est percée d'une ouverture, des pièces tubulaires étant fixées au-dessus desdites ouvertures.