Brevet FR2402875A1 — publié le 19790406

L'invention, résultant de travaux effectués au Centre d'Etudes et de Recherches b TOULOUSE de l'ONERA (CERT ONERA), concerne un appareil de mesure du rapport d'onde stationnaire (R.O.S.) d'une onde hyperfréquence. On sait que, dans tout système de circulation d'onde hyperfréquence, l'onde directe engendrée par un générateur hyperlequence donne naissance à une onde réfléchie avec apparition d'interférmces si l'impédance de la charge du système n'est pas parfaitement adap tée au générateur. Le rapport d'onde stationnaire R.O.S. (anciennement désigné par "Taux d'onde stationnaire T.O.S.) mesure l'lmpor- tance du phénomène de réflexion depuis une valeur égale à 1 où il n'existe pas d'onde réfléchie (onde progressive pure) jusqu'à une valeur tendant vers l'infini où l'énergie réfléchie devient une aac- tion croissante de l'énergie émise.Le R.O.S. d'une installation est donc un paramètre très important à connaître car, d'une part, il constitue un facteur essentiel dont dépend le rendement énergétique et, d'autre part, il permet d'apprécier les risques de détérioration du générateur par l'énergie réfléchie. La mesure du R.O.S. d'une installation s'effectue actuellement au moyen d'un banc de réflectométrie constitué par un guide d'onde fendu longitudinalement, à l'intérieur duquel on déplace à travers cette fente un capteur formé par une petite antenne montée sur un chariot. Outre les difficultés d'utilisation d'un tel matériel qui astreint-à une manipulation délicate, celui-ci présente deux inconvénients majeurs : en premier lieu la fente longitudinale pratiquée dans le guide rayonne une fraction notable de l'énergie et le phénomène d'interférences que l'on veut mesurer est notablement perturbé par l'instrument de mesure.En outre cette mesure n'est plus possible dès que la puissance dépasse ou risque de dépasser une certaine valeur en raison des risques élevés de détérioration des capteurs. I1 faut également noter que ce type de matériel est inapte à fournir une mesure continue du R.O.S. La présente invention se propose de pallier les inconvénients sus-évoqués des matériels classiques et de fournir un appareil de mesure-du R.O.S. d'une onde hyperfréquence ne requerant aucune manipulation délicate au cours des mesures et apte à fournir une information en continu. Un autre objectif est de fournir un appareil capable de mesurer le phénomène réel d'interférence-sans perturbation sensible introduite par la mesure. Un autre objectif est de permettre d'effectuer une mesure dans des gammes de puissance élevées. Par appareil de mesure du R.O.S., il faut entendre, d'une façon générale, un appareil apte à fournir une information ou un signal, fonction du R.0.S. ou fonction de tout autre paramètre directement lié à ce rapport (tel que,par exemple, le coefficient de réflexion de l'onde). L'appareil de mesure conforme à l'invention comprend un guide d'onde adapté à la fréquence de l'onde concernée, plusieurs capteurs de champ électrique ou magnétique, répartis le long du guide et adaptés pour délivrer chacun un signal électrique fonction du champ local régnant à leur niveau, des moyens de couplage de chaque capteur avec le guide d'onde, et des moyens de traitement, électriquement reliés aux capteurs pour recevoir les signaux issus de ceux-ci et adaptés pour délivrer un signal fonction du R.O.S. à partir des amplitudes maximale et minimale des signaux reçus. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de couplage de chaque capteur sont des moyens à atténuation, adaptés pour soumettre le capteur à une fraction déterminée de la puissance de l'onde circulant dans le guide d'onde. Chaque capteur, constitué en particulier par une-diode apte à détecter le champ électrique et à fournir une ten snon de sortie fonction de ce champ, peut avantageusement être couplé au guide d'onde au moyen d'un guide sous coupure contenant ledit capteur et agence au niveau d'un perçage pratiqué dans le guide d'onde. Selon un mode de réalisation possible, les capteurs répartis le long du guide d'onde sont prévus en nombre suffisamment grand sur une distance correspondant au moins à la demilongueur d'onde pour que l'erreur due au décalage des deux capteurs qui fournissent les signaux maximum et minimum par rapport aux ventre et noeud d'interférence, soit faible et compatible avec la précision désirée. Selon un autre mode de réalisation qui sera préféré dans la pratique, le guide d'onde est associé à un déphaseur ajustable, agencé pour permettre de déplacer la répartition des interférences dans celui-ci. I1 est ainsi possible de faire correspondre, de façon précise, un des capteurs avec un noeud d'interférence et un autre avec un ventre ; dans ces conditions, le nombre de capteurs peut être limité à quatre, ceux-ci étant séparés entre eux le long du guide d'onde d'une distance égale à Au/8, où 9 est la longueur d'onde guidée de l'onde hyperfréquence. Un noeud est distant de Ag/4 d'un ventre et le calage d'un capteur, par exemple du premier capteur sur un noeud conditionne le calage du troisième capteur sur un ventre ; le se cond capteur et le quatrième capteur serviront à effectuer ce ca lage au moyen du déphaseur : le calage est réalisé lorsque les signaux issus de ce second capteur et de ce quatrième capteur son t identiques. Par ailleurs, les moyens de traitement des si gnaux issus des capteurs peuvent comprendre des moyens d'amplifi cation desdits signaux, le cas échéant un réseau de détection pour restituer leur composante continue, des moyens de sélection de l'amplitude maximale et de l'amplitude minimale des signaux amplifiés, et un module logique de calcul adapté pour délivrer une information proportionnelle au R.O.S. à partir du rapport des amplitudes maximale et minimale. Dans le mode de réalisation à quatre capteurs distants de 49/8, les moyens de sélection sus-évoqués peuvent comprendre un comparateur différentiel agencé pour recevoir sur deux entrées les signaux issus de deux capteurs distants de xi/4, et un dispositif galvanométrique agencé à la sortie de ce compo rateur pour déceler le signal d'erreur issu de celui-ci, le modu le logique de calcul étant associé aux deux autres capteurs.Le calage des noeuds et ventres d'interférence par rapport aux cap teurs est correct lorsque le signal d'erreur issu du comparateur est nul ; les deux autres capteurs fournissent alors en permanen ce au module de calcul des signaux représentatifs des amplitudes maximale et minimale de l'onde stationnaire et le module peut calculer R.O.S. de l'onde ou fournir une information liée à ce lui-ci. Dans une application intéressante où il joue en continu le rôle d'adaptateur d'impédance, l'appareil de mesu re conforme àl'invention peut être disposé entre un générateur hyperfréquence et une charge d'impédance variable, pour asservir oF*e charge au signal représentatif du R.O.S. issu de celui-ci, de façon à ajuster à tout instant l'impédance de la. charge à une valeur correspondant à un R.O.S. sensiblement égal à 1. Quelle que soit l'impédance de la charge imposée par l'utilisateur dans l'installation concernée, le système ci-dessus décrit garantit à tout instant une adaptation de la charge résultante et, par conséquent, un rendement énergétique optimum et une suppression totale des risques de détérioration du générateur. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en regard des dessins annexés, lesquels présentent, à titre d'exemples non limitatifs, un mode de réalisation de l'invention et une application de celle-ci ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est une vue schématique en per- pective avec arraché partiel d'un appareil de mesure conforme à l'invention, - la figure 2 en est une coupe axiale par un plan A, - la figure 3 est un schéma bloc des moyens électroniques de cet appareil, - la figure 4 est une courbe schématisant l'amplitude d'une onde stationnaire, - la figure 5 est une vue schématique illustrant une application dudit appareil. L'appareil de mesure représenté à titre d'exemple aux figures 1, 2 et 3 comprend un guide d'onde 1 de section rectangulaire adaptée à-la fréquence de l'onde hyperfréquence dont le R.O.S. est-à mesurer ; ce guide est pourvu, de façon classique, de brides pour le mettre en place en astral d'un générateur hyperfréquence dans le circuit de circulation d'onde concerne. Le guide d'onde 1 est équipé sur l'axe d'un de ses grands côtés de quatre guides sous coupure 2, 3, 4 ct 5, situés chacun au niveau d'un petit perçage tel que 6 centré sur l'axe du grand côté du guide 1. Chaque guide sous coupure est conséié par un cylindre métallique, coaxial au perçage correspondant 6 et de diamètre adapté à la fréquence de l'onde de sorte que le point de rayonnement du guide se trouve situé au début de son seuil de coupure ; on obtient ainsi un guide dit "sous coupure, de ty pe bien connu en lui-même, qui possède la propriété classique de guider et transmettre une très petite fraction de la puissance disponible à son entrée.De plus, cette atténuation est accentuée par la position axiale du perçage 6 sur le grand côté du guide d'onde 1, puisque l'on sait qu'un trou axial sur un guide d'onde conditionne un rayonnement très faible, uniquement dû a ses dimensions non ponctuelles. A l'intérieur de chaque guide est disposée une diode à pointe 7, 8, 9 ou 10, par exemple du type 1N 23C ; grâce aux dispositions ci-dessus ddcrites, chaque diode se trouve fortement découplée de l'onde circulant dans le guide d'onde 1 et ne risque aucun dommage, même en cas de puissances élevées transmises par ce guide d'onde. En outre, chaque diode est portée à l'intérieur de son guide sous coupure par une tige métallique tille que 11, électriquement isolee du guide par une bague isolante telle que 12 ; cette tige est agencée pour transmettre la tension électrique issue de la diode et pour permettre d'enfoncer plus ou moins celleci dans le guide souks coupure. Des moyens de manoeuvre sématlpwr et 2 sous la formez / 23 unedesdEdes aux Bgurslh organe micrometriquesont prévus pour ajuster indépendamment l'enfoncement de chaque diode dans le guide sous-coupure. De tels moyens de couplage ajustables permettent de faire varier à la commande le taux de couplage de chaque diode 7, 8, 9 ou 10 avec le guide d'onde 1 ; même si les quatre diodes ne possèdent pas des caractéristiques rigoureusement identiques, il est ainsi possible de réaliser un préréglage de l'appareil en amenant une onde progressive pure à circuler dans le guide 1 (absence d'onde réfléchie) et en ajustant l'enfoncement des diodes pour que les tensions issues de celles-ci soient rigoureusement égales. Les guides sous-coupures 2, 3, 4 et 5 sont montés sur le guide d'onde 1 de façon que les axes de deux guides voisins soient distants de #g/8, Ag étant la longueur d1onde guidée par le guide 1 ; les diodes situées sur l'axe des guides sous coupure sont ainsi séparées de leur voisine par cette même distance Par ailleurs, lé guide d'onde 1 est équipé d'un déphaseur ajustable 13 constitué comme le représente la figure 1 par une lame de matériau diélectrique 13a notamment en tétrafluoroéthylène ; cette lame est disposée dans le guide 1 parallèlement à l'axe de celui-ci et est associée à des moyens de manoeuvre 13b adaptés pour permettre de la déplacer transversalement.Le déplacement de cette lame engendre un déplacement de la répartition des interférences dans le guide d'onde, qui permet, préalablement à des opérations de mesure, d'amener un noeud d'interférence à se situer au niveau de la diode 7 et un ventre au niveau de la diode 9, ces deux diodes étant distantes de Au/4. Selon le schéma de la figure 3, chaque diode 7, 8, 9 ou 10 est associée à un amplificateur symbole en 14 et à un réseau de détection symbolisé en 15. Ce réseau de détection est utile dans de nombreux cas, car beaucoup de générateurs hyperfréquences industriels sont alimentés en tension redressée double alternance et la tension issue des diodes n'est pas continue. Chaque réseau 15 (constitué de façon classique par une diode de redressage et par un circuit à résistance et capacité) restitue la composante continue du signal. Les tensions amplifiées et le cas échéant redressées provenant des diodes 8 et 10 (distantes de au/4) sont délivrées aux deux entrées d'un comparateur différentiel, lequel fournit un signal d'erreur représentatif de la différence entre lesdite tensions. Ce signal est mis en évidence dans un dispositif galvanométrique symbolisé en 17. Par ailleurs, les tensions provenant des autres diodes 7 et 9 (également distantes de Au/4) sont envoyées vers un module logique de calcul 18 qui effectue le rapport entre la tension maximum et la tension minimum reçues pour fournir un signal représentatif du R.O.S. Ce signal peut être utilisé pour afficher le R.O.S. sous forme numérique ou graphiqueOU peut servir à un asservissement en boucle fermée, ou dans toute autre application. Pour réaliser un calage correct des interférences, il suffit, comme permet de le comprendre la courbe dela figure 4, d'ajuster le déphaseur 13 de façon à annuler le signal d'erreur décelé par le dispositif aalvanométrique 17. A cet instant les diodes 8 et 10 ont des positions symétriques par rapport à un noeud d'interférence ou à un ventre et une des diodes 7 ou 9 correspond à un noeud, l'autre correspondant à un ventre. La figure 5 est un schéma symbolique d'un circuit hyperfréquence utilisant un appareil de mesure tel que cidessus décrit. Cet appareil symbolisé en 22 est disposé entre un générateur hyperfréquence 19 engendrant les ondes hyperfréquence dans le circuit et une charge d'impédance variable 20 associée à la charge d'utilisation 21 (four micro-onde ou autre installation). La charge variable 20 est asservie au signal issu de l'appareil de mesure 18 de façon qu'à chaque instant l'écart du R.O.S. par rapport à la valeur unitaire engendre une variation de l'impé- dance ayant tendance à réduire cet écart. Quelle que soit l'évolution de la charge diuti- lisation 21, le circuit est ainsi le siège d'onde purement progressin sans réflex ion d'énergie ; le rendement énergétique du système est optimum et il n'existe aucun risque de détérioration du générateur sous l'effet d'une puissance réfléchie élevée. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description qui précède, mais en comprend toutes les variantes En particulier les moyens de couplage ajustables des diodes peuvent recevoir des formes d'exécution différente : par exemple la diode peut être statique et électriquement reliée à une tige métallique prévue mobile à l'intérieur du guide sous coupure. REVENDICATIONS 1/ - Appareil de mesure du rapport d'onde stationnaire (R.O.S.) d'une onde hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde adapté à la fréquence de l'onde, plusieurs capteurs de champ électrique ou magnétique répartis le long du guide et adaptés pour délivrer chacun-un signal électrique fonction du champ local régnant à lieur niveau, des moyens de couplage de chaque capteur avec le guide d'onde, et des moyens de traitement électriquement reliés aux capteurs pour recevoir les signaux issus de ceux-ci et adaptés pour délivrer un signal fonction du R.o.S. à partir des amplitudes maximale et minimale des signaux reçus. 2/ - Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage de chaque capteur sont des moyens à atténuation, adaptés pour soumettre le capteur à une fraction déterminée de la puissance de tonde circulant dans le guide d'onde. 3/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de couplage de chaque capteur sont ajustables et adaptés pour permettre de faire varier à la commande le taux de couplage de chaque capteur avec la guide d'onde. 4/ - Appareil de mesure selon l'une des revan- dications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de couplage de chaque capteur comprennent un guide sous coupure contenant le capteur et couplé au guide d'onde précité grâce à un perçage pr= tiqué dans celui-ci-. 5/ - Appareil de mesure selon les revendications 3 et 4 prises ensemble, caractérisé en ce que chaque capteur est associé dans le guide sous coupure à une tige métallique électriquement isolée du guide et associée à des moyens de manoeuvre permettant d'ajuster son enfoncement dans le guide sous coupure. 6/ - Appareil de mesure selon les revendicatt 2 et 4 prises ensemble, dans lequel le guide d'onde est un guide de section rectangulaire adaptée à la fréquence de l'onde hypei fréquence concernée, ledit appareil étant caractérisé en ce que es guides sous coupure sont montés sur un des grands cotés du guide d'onde, les perçages précités étant pratiqués sur l'axe dudit grand côté. 7/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que chaque capteur est constitué par une diode apte à détecter le champ électrique et à fournir une tension de sortie fonction de ce champ. 8/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le guide d'onde est associé à un déphaseur ajustable, agencé pour permettre de déplacer la répartition des interférences dans celui-ci. 9/ - Appareil de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le déphaseur comprend une lame de matériau diélectrique, disposée dans le guide d'onde parallèlement à l'axe de celui-ci et associée à des moyens de manoeuvre adaptés pour permettre de la déplacer transversalement dans ledit guide d'onde. 10/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 8 ou 9, pour mesurer le R.O.S. d'une onde hyperfréquence de longueur d'onde guidée Ag, caractérisé en ce qu'il comprend quatre capteurs séparés entre eux le long du guide d'onde d'une distance égale à Au/8. 11/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent des moyens d'amplification des signaux issus des capteurs, des moyens de sélection de l'amplitude maximale et de l'amplitude minimale des signaux amplifiés, et un module logique de calcul adapté pour délivrer une information proportionnelle au R.O.S. à partir du rapport des amplitudes maximale et minimale. 12/ - Appareil de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un réseau de détection est disposé à la sortie des moyens d'amplification pour restituer la composante continue des signaux. 13/ - Appareil de mesure selon les revendications 10 et 11 prise ensemble, caractérisé en ce que les moyens de sélection de la-tension minimale et de la tension maximale comprennent un comparateur différentiel agencé pour recevoir sur deux de entrées les signaux issus de deux capteurs distants 49/4, /4, et un dispositif galvanométrique agencé à la sortie de ce comparateur pour déceler le signal d'erreur issu de -celui-ci, le module logique de calcul étant associé aux deux autres capteurs. 14/ - Appareil de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il est disposé entre un générateur hyperfréquence et une charge d'impédance variable pour faire fonction d'adaptateur d'impédance, le signal représentatif du R,O,S. issu dudit appareil servant à asservir la charge d'impédance variable de façon à ajuster à tout instant cette dernière a une valeur correspondant à un R.O.S. sensiblement égal à 1.