Brevet FR2458971A1 — publié le 19810102

Les fours industriels à micro-ondes comportent schématiquement deux parties bien distinctes: un générateur, alimenté sur le secteur, qui produit l'onde électro- magnétique au moyen d'un ou plusieurs tubes hyperfréquences; 5. un applicateur, relié au générateur par un guide d'ondes ou un en- semble de guides, qui comprend la cavité métallique dans laquelle s'effectue le traitement, et le ou les systèmes rayonnants, qui per- mettent à l'énergie de sortir des guides et de rayonner dans la ca- vité. La règle de base est d'assurer une bonne adaptation, c'est-à-dire un couplage aussi complet que possible de l'énergie au matériau à traiter. Ceci signifie que l'onde réfléchie vers le générateur doit être aussi faible que pos- sible, tant pour ne pas nuire au rendement, que pour protéger le générateur. Or, il se trouve que l'adaptation est difficile dans certains cas. En particulier, lorsque le matériau à traiter est contenu dans des récipients mé- talliques ouverts, qu- lorsqu'il contient lui-même des parties métalliques, ou encore, lorsqu'il présente une anisotropie de réflectivité vis-à-vis de l'onde incidente. Dans les deux premiers cas, les surfaces métalliques réfléchis- sent une fraction importante de l'énergie. Dans le dernier cas, la réflexion sera plus ou moins importante, suivant l'orientation du champ électrique in- cident. L'objet de la présente invention est de fournir un moyen commode de réaliser l'adaptation dans ces cas difficiles. On sait qu'une onde plane se compose d'un champ électrique et d'un magnétique croisés, tous deux portés par le plan perpendiculaire à la direc- tion de propagation. Le rapport des deux champs est constant en tout point et à tout instant, mais leurs amplitudes respectives varient. Dans le cas général, Il'extrêmité des vecteurs représentant les deux champs décrit une ellipse. On dit alors que l'onde est polarisée elliptique- ment. Il existe deux cas particuliers importants: la polarisation linéaire, o l'ellipse est réduite à son grand axe, et la Polarisation circulaire, o 1I extrémité des vecteurs décrit un cercle. Dans le cas d'une onde polarisée linéairement, les champs conservent toujours la même orientation. En particulier, le champ électrique réfléchi par une surface métallique plane est parallèle au champ incident, et est sus- ceptible de traverser en sens inverse le système rayonnant et de remonter le guide vers le générateur. 2 2 2458971 Dans le cas d'une onde polarisée circulairement, le champ électrique réfléchi par une surface métallique plane tourne en sens inverse du champ in- cident, et se trouve rejeté par le système rayonnant, qui n'accepte que le sens de rotation opposé. L'onde est emprisonnée, et doit, au terme d'une série de réflexions, être absorbée par le matériau. L'utilisation d'ondes à polarisation circulaire offre donc plusieurs avantages une bonne adaptation, qui traduit un faible couplage du système ra- yonnant avec l'onde qu'il a lui-même émise, et avec les ondes émi- ses Par d'autres systèmes rayonnants identiques, et ce, même lors- que le produit à traiter donne lieu à des réflexions importantes; un chauffage régulier des milieux homogènes et isotropes, du fait de la rotation du champ électrique; * pour la même raison, un moyen commode de traiter de façon conve- * 15 nable des milieux hétérogènes ou anisotropes, lorsqu'il est matéri- ellement impossible d'aligner un champ électrique polarisé linéaire- ment sur la direction d'absorption maximale du produit. Le dispositif faisant l'objet de l'invention est un système rayonnant, produisant des ondes polarisées circulairement, par le moyen d'une antenne ou d'un réseau d'antennes, dont on trouvera ci-après la description. Les énergies rayonnées par les antennes peuvent être égales entre elles, ou, au contraire, modulées de façon à produire des niveaux de puissance différents en tel ou tel endroit de l'applicateur, suivant les besoins. Le dispositif en question, dont une réalisation possible est représen- sentée sur la Figure 1, peut être solidaire de la paroi de l'applicateur, les antennes plongeant alors dans celui-ci, ou bien être placé en son intérieur même. Il s'agit d'un guide d'ondes (1), c'est-à-dire d'un cyclindre métallique creux de section à priori quelconque, percé d'ouvertures longitudinales (2), portant des hélices métalliques (3). Les hélices sont rigidement fixées au centre d'une petite barre métallique (4), laquelle est placée transversale- ment par rapport à l'axe du guide, à l'extérieur et à une certaine distance de la paroi de celui-ci. Les deux extrémités de la barre sont liées mécanique- ment à la Paroi du guide, par exemple au moyen de vis à tête soudée (5). Cha- que hélice extrait une partie de l'énergie se propageant dans le guide au mo- yen d'un plongeur métallique capacitif (6), partant du point de fixation de 1' hélice à sa barre de support, et pénétrant d'une certaine longueur dans le guide à travers l'ouverture. Les ouvertures sont de forme oblongue, et gé- néralement désignées sous le terme de fentes. 3 2458971 Dans une réalisation du dispositif, le guide d'ondes est de section rectangulaire, et les fentes sont percées sur llaxe du grand côté, séparées l'une de l'autre par une distance égale à un multiple entier del, générale- ment à?kg, g9 étant la longueur d'onde de propagation dans le format de guide considéré. De telles fentes, seules, ne rayonnent pas. Il faudrait pour cela qu'elles soient écartées de l'axe, et d'autant plus qu'elles soient plus éloignées du point d'alimentation. De plus, pour éviter des problèmes de résonance, il faudrait que les distances entre fentes soient alternativement un peu supéri- eures et un peu inférieures à;>g/2. L'adjonction d'hélices à ce réseau de fentes non rayonnantes réguliè- rement espacées permet de les faire rayonner, et d'obtenir une polarisation circulaire avec un maximum de champ dans l'axe de l'hélice. Ceci à condi- tion que le périmètre de la fente, ainsi que celui des spires de l'hélice, soi- ent proches de la longueur d'onde dans le vide Ào. Cette condition est réali- sée dans le cas de la présente invention. Le nombre d'antennes par dispositif rayonnant peut varier entre 1' unité et des valeurs élevées, de l'ordre de plusieurs dizaines, Le guide d'ondes du dispositif est alimenté directement ou indirecte- ment par le générateur, par exemple en son milieu ou à une de ses extrémités. Les extrémités sont fermées par des courts-circuits fixes, ou par des pistons mobiles de court-circuit. Par ailleurs, les dispositifs rayonnants considérés pourront faire partie d'un ensemble plus vaste, constitué par plusieurs de ces dispositifs, en particulier mis bout à bout ou en parallèle, et qui pourront être alimentés par des tubes hyperfréquences différents, ou bien plusieurs par le même tube, la puissance étant alors également répartie entre dispositifs au moyen de pro- cédés classiques. L'ensemble globalement désigné sous le terme d'antenne, constitué par l'ouverture, l'hélice, la barre de fixation et le plongeur capacitif, pré- sente de nombreuses possibilités d'ajustement, auxquelles il faut ajouter, au niveau du dispositif complet, la position des pistons mobiles de court-circuit et la distance entre antennes. On peut en particulier jouer sur les dimensions des fentes, sur l'emplacement des hélices, sur le pas, le diamètre, la section, le nombre des tours, le sens et la pente d'enroulement des hélices, sur les di- mensions des barres transversales et leur distance au guide, sur le diamètre des plongeurs et leur profondeur d'enfoncement dans le guide; on peut égale- ment terminer les plongeurs par des obstacles de tailles diverses, Par exem- ple des écrous borgnes, qui modifient leur impédance. 4 2458971 Par le jeu de ces diverses possibilités d'ajustement, on parvient à faire rayonner par chaque antenne la quantité de puissance voulue, par exem- ple la même puissance pour toutes les antennes, ou bien des puissances vari- ables le long du dispositif. D'autre part, on parvient à obtenir une bonne adaptation à large bande, c'est-à-dire un-niveau global de puissance réfléchi par le dispositif suffisamment faible sur une plage de fréquences couvrant tou- te l'étendue de la bande allouée utilisée. En pratique, il est commode de réduire le nombre des paramètres en considérant un certain nombre comme fixes. A titre d'exemple non restrictif, - 10 on peut s'imposer les dimensions des ouvertures, celles des barres, leur dis- tance au guide, les caractéristiques géométriques de l'hélice et la distance entre antennes, et réaliser l'adaptation en faisant varier la profondeur d'en- foncement des plongeurs, l'emplacement des hélices sur les fentes, et la po- sition des pistons mobiles de court-circuit. Le dispositif faisant l'objet de l'invention ne se ramèrie pas aux ré- seaux de fentes classiques, ni aux simples antennes hélicoïdales. Ces dernières ne semblent pas avoir été utilisées dans le domaine des fours à micro-ondes. Leur emploi est assez classique en radar ou radio- communications, avec alimentation par câble coaxial et contrepoids. On trouve, par contre, de nombreux exemples d'emploi des réseaux de fentes rayonnantes. Par- exemple, dans les systèmes décrits par les bre- vets français 70 01 187 (GUERGA - HALLIER) et 70 37965 (HALLIER - CO- RUET), 71 27618 (POURRAT, ZWOBADA, DENIS), 77 06546 (FOURNET, FAYAS), par les brevets allemands 25 58 589 (FRITZ), et 26 22 173 (KU- SONOKI, YOSHIMURA), ou par le brevet américain 3 961 568 (JEPPSON). Le dispositif faisant l'objet de la présente invention représente une innovation, en ce sens qu'il associe un réseau de fentes à des hélices, et que les propriétés de l'ensemble ne sont ni celles des fentes seules, ni celles des hélices seu'les. Ce dispositif a permis la réalisation de plusieurs fours industriels à micro-ondes: en Particulier, d'un four tunnel destiné à la coagulation des sardines dans leurs boltes métalliques non fermées, et d'un applicateur des- tiné au traitement de fibres textiles représentant de faibles charges. Ces deux réalisations fonctionnent de manière parfaitement satisfai- sante, et n'auraient pas été envisageables sans le dispositif décrit. De manière générale, le dispositif en question est apte à rendre pos- sible le traitement par micro-ondes de charges faibles, c'est-à-dire essenti- ellement de produits en faible quantité ou à faible facteur de pertes, ou de corps comportant des Parties métalliques, ou de matériaux hétérogènes ou anisotropes, sans que cette liste soit limitative. 2458971 En particulier, une réalisation du dispositif consiste en un guide rectangulaire droit, portant une ou plusieurs antennes situées sur l'axe du grand côté, alimenté en une de ses extrémités, l'autre extrémité étant fermée par un piston mobile de court-circuit. Les figures 2 et 3 illustrent deux exemples d'applicateurs industriels, du type tunnel avec bande transporteuse, réalisés à partir des dispositifs dé- crits ci-dessus. Sur ces figures, on voit en (1) les cavités recevant le rayonnement l'micro-ondes". Le produit (3) est transporté par la bande transporteuse (2) le long des dispositifs rayonnants (5) alimenté en (6) par une source "micro- ondes", par exemple un magnétron. Un piston mobile de court-circuit (7) ferme le guide d'ondes à l'extrémité opposée à la source. Une séparation diélectrique (4) isole les dispositifs rayonnants des émanation de vapeurs, graisses, poussières, produites en cours de traite- ment. Une porte (8) permet l'accès de la cavité de traitement pour les né- cessités du nettoyage, maintenance, etc. La Figure 3 montre une autre possibilité d'utilisation des dispositifs en question, qui sont montés sur la cavité non plus transversalement, mais longitudinalement et les uns derrière les autres. 6 2458971 REVEND ICAT IONS ) Dispositif rayonnant dans la gamme des micro-ondes, composé d'un guide d'ondes portant une antenne qui produit une polarisation circulaire, caractérisée en ce que ladite antenne comprend une fente ou ouverture ai- longée percée longitudinalement dans la paroi du guide, et complétée par une hélice métallique supportée par une petite barre montée à l'extérieur du guide, transversalement et à une certaine distance de celui-ci, dont les extrémités sont rendues solidaires de la paroi extérieure du guide par des entretoises métalliques ajustables; l'hélice étant elle-même prolongée par un plongeur capacitif, pénétrant dans le guide à travers 1 'ouverture. ) Dispositif composé d'un guide d'ondes comportant un alignement de deux ou plusieurs antennes similaires à celle décrite dans la revendication 1, chacune rayonnant des niveaux de puissance égaux, ou, au contraire, diffé- rents, suivant les besoins de l'application. Ledit dispositif étant ajustable au moyen de divers paramètres géométriques: dimensions et emplacement des fentes, caractéristiques géométriques des antennes et position de celles- ci sur les ouvertures, dimensions des barres transversales et de ces derniè- res au guide, forme, dimensions et profondeur d'enfoncement des plongeurs capacitifs, position des pistons mobiles de court-circuit terminant le guide. 30) Dispositif suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les fentes sont des fentes shunt longitudinales percées sur l'axe du grand côté d'un guide d'ondes rectangulaire. ) Applicateur à micro-ondes, comprenant une ou plusieurs cavités élec- tromagnétriques, équipées chacune d'un ou de plusieurs dispositifs rayonnants similaires à celui décrit dans les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le niveau de puissance réfléchie vers le générateur est faible quelle que soit la charge contenue dans la cavité, et en particulier lorsque le pro- duit soumis au rayonnement est contenu dans des récipients métalliques ou- verts ou contient lui-même des parties métalliques, ou lorsque la charge est faible, ou encore lorsqu'elle présente des hétérogénéités ou des anisotropies. ) Applicateur à micro-ondes de forme allongée et de section rectangu- laire ou circulaire, équipé d'une pluralité de dispositifs rayonnants selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que tous les dispositifs sont modulaires et alignés l'un après l'autre, et montés le long de l'axe longitudi- 7 -2458971 nal d'une des parois de l'applicateur ou d'une génératrice. ) Applicateur à micro-ondes de forme allongée et de section rectangu- laire ou ayant la forme d'un ségment circulaire fermé par une droite, équipé d'une pluralité de dispositifs rayonnants selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que ces dispositifs sont modulaires et montés le long d'une des parois de façon perpendiculaire ou oblique à l'axe longitudinal de cette paroi ou perpendiculaires ou obliques à l'axe de l'applicateur le long de la paroi plane de l'applicateur à section partiellement circulaire.