Brevet FR2467489A1 — publié le 19810417

CAVITES DE RESONANCE POUR MICRO-ONDES. La présente invention se rapporte à des cavités de résonance pour micro- ondes, qui sont stabilisées en température, qui ne nécessitent pas une étan- chéité hermétique, dont la fréquence peut être aisément réglée et qui com- prennent un corps creux, une vis d'accord, un tampon, des dispositifs laté- raux auxiliaires pour le couplage avec la diode et une terminaison. On connalt, à l'heure actuelle, de nombreux types de cavités pour micro- ondes. Parmi celles qui comportent une paroi métallique, les plus importantes sont les suivantes: 1) cavité coaxiale correspondant au mode TEM, 2) cavité de guide d'ondes correspondant au mode TE10, 3) cavité de guide d'ondes circulaire correspondant au mode TE,1, 4) cavité de guide d'ondes circulaire correspondant au mode TEo1. Ces cavités sont agencées de façon à former des circuits micro-ondes, à savoir: - Dans les oscitlateurs stables, elles assurent le couplage approprié des cavités avec le circuit actif qui produit des oscillations de manière que la fréquence d'oscillations soit déterminée presque uniquement par la cavité. - Dans les filtres, elles assurent le couplage approprié d'un certain nombre de cavités les unes avec les autres; en particulier, elles couplent la première cavité avec le générateur, et la dernière cavité avec la charge. Le problème le plus important à résoudre avec de telles structures con- siste dans la stabilisation de la fréquence de résonance de la cavité lors d'une variation des conditions d'environnement (température et humidité) à chaque fois qu'on doit obtenir une grande stabilité de fréquence, de l'ordre de 1 ppm/0C. En fait, il existe trois facteurs fondamentaux qui ont une influence sur la fréquence de résonance d'une cavité, à savoir: 1) Expansion due à la température du métal de cavité. 2) Constante diélectrique du gaz remplissant la cavité. 3) Impédance de charge dans les ouvertures ou orifices couplant la cavité avec l'extérieur. En ce qui concerne le facteur No. 3), l'influence de la charge devient négligeable en réduisant de façon appropriée le degré de couplage en direction de la charge et, si nécessaire, en interposant un isolateur entre la cavité et la charge. En ce qui concerne le facteur No. 1), on a déjà proposé de réaliser le corps de cavité en uh métal présentant un faible coefficient de dilatation thermique, par exemple, en un alliage fer-nickel connu sous les désignations commerciales de "Invar et "Super Invar " et présentant des coefficients de dilatation qui sont respectivement inférieur ou égal à 1,5 ppm/0C et à 0,7 ppm/ C. En outre, on peut envisager un traitement thermique particulier pour la stabilisation desdites matières avant et après leur mise en oeuvre. De cette manière également, le produit final maintient le coefficient de dilatation thermique spécifié. Finalement, en ce qui concerne le facteur No. 2), il est nécessaire de sceller hermétiquement la cavité (c'est-à-dire qu'elle doit être étanche à l'humidité et au gaz) avant son remplissage avec un gaz inerte sec (par exemple de l'azote), ce qui permet ainsi d'annuler la différence de pression par rapport à l'environnement extérieur. Cette solution est particulièrement risquée du fait qu'on doit assurer l'étanchéité de toutes les soudures des différentes parties constituant la cavité ainsi que des éléments de couplage et des éléments d'accord. L'invention a pour objectif principal de fournir une cavité qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus et qui est stabilisée en température par des moyens très simples et très efficaces. L'invention a en outre pour but de fournir une cavité qui soit non seu- lement efficacement stabilisée en température, mais qui puisse être aussi aisément réglée en fréquence. Ces problèmes sont résolus à l'aide d'une cavité qui comporte un corps creux pouvant opérer dans l'un des quatre modes mentionnés ci-dessus, ledit corps étant formé d'un alliage ayant un très faible coefficient de dilatation thermique, par exemple un alliage fer-nickel (de préférence, un alliage du type "Invar@"a ou "Super Invar "), l'air contenu dans la cavité étant pratique- ment éliminé du fait que, conformément à la présente invention, un quartz amorphe est introduit dans la cavité dudit corps. 3 2467489 La forme et les dimensions de ce quartz doivent, de préférence, permettre sa retenue dans le corps creux, tout en réduisant au minimum les zones o de l'air de fuite pourrait subsister. Conformément à une caractéristique de la présente invention, ce quartz amorphe doit, de préférence, avoir une qualité optique, même si une qualité non-optique peut avantageusement être adoptée pour des cavités correspondant à des fréquences inférieures à 2 à 4 GHz, pour lesquelles les pertes sont faibles et, par conséquent, non-déterminantes. En outre, du fait que pour des fréquences inférieures à 2 à 4 GHz, les cavités sont relativement plus grosses, la possibilité d'utiliser un quartz de qualité non-optique (qui est moins coûteux), se traduit par une économie considérable, du fait que l'utilisation d'une matière peu coûteuse est ac- tuellement rentable lorsqu'il est nécessaire d'utiliser une quantité supé- rieure de quartz. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, la face supé- rieure libre, de forme circulaire, du cylindre en quartz, est placée en regard d'une barre extrême portée par une section de la vis d'accord et elle est formée d'aluminium ou d'un autre matériau dont le coefficient de dilata- tion est supérieur à celui de l'alliage fer-nickel ("Invar "), de sorte qu'elle se comporte comme un compensateur de l'influence de la température sur la fréquence de résonance. Un autre avantage substantiel de l'invention résulte du fait que la gamme de fréquences de résonance est sélectionnée en faisant varier la hau- teur du cylindre en quartz (qui, pour une identité de diamètre, change le volume de la cavité), c'est-à-dire qu'on.substitue un cylindre d'une certaine hauteur par un cylindre d'une hauteur différente et qu'on modifie en consé- quence la vis de réglage ou d'accord. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illustratif mais non limitatif. La Figure 1 est une vue en perspective éclatée d'une cavité conforme à l'invention. La Figure 2 est une vue en plan de ladite cavité. La Figure 2a est une coupe partielle de ladite cavité, faite sur la ligne a-a de la Figure 2. En considérant lesdites figures, on voit que la cavité est formée par un corps creux désigné par A et qu'il est prévu un tampon B, une vis d'accord C et des coupleurs latéraux a2 et a7. Le corps A délimitant la cavité peut être fabriqué à partir d'une barre d'alliage de fer-nickel, présentant un très faible coefficient de dilatation thermique (notamment de l"'Invar " ou du "Super Invar 'r), en opérant par tournage et fraisage. Cependant, la cavité peut également être délimitée par deux corps par- tiels, à savoir un premier corps mince, qui est formé dh'IInvar " ou de "Super- Invarell et qui constitue la partie interne ou cartouche de la cavité et un corps externe, qui est formé d'un métal moins noble, tel que l'aluminium par exemple, et qui reçoit ladite cartouche interne constituée d"'.Invar " ou de "Super Invar "-. Indépendamment de la structure de la cavité, le corps A comporte dans sa face supérieure f, un trou fileté a,, dans lequel est vissée une partie inférieure filetée b. du tampon B. Sa face avant f4 (Figure 1) est pourvue de quatre trous, désignés par a5, ainsi que d'une fente a4 destinée à recevoir l'iris circulaire a3; à l'opposé de l'iris circulaire a3, il est prévu un iris de couplage pour Je circuit et la diode de type "GUNN". Les faces latérales f2 et f3 sont pourvues de coupleurs latéraux clas- siques pour la terminaison et l'entrée de la diode "GUN4". Ces coupleurs peuvent être d'un type conventionnel et ils n'ont aucune influence sur les aspects fondamentaux de la présente invention, de sorte que leur description détaillée est considérée comme inutile. En fait, l'invention prévoit le remplissage de la partie creuse a1 du corps A avec un quartz amorphe désigné par D sur la Figure 1, ledit quartz ayant une forme cylindrique et présentant un diamètre extérieur qui est essentiellement égal au diamètre intérieur de la cavité a, du corps A. Dans le mode de réalisation très simple et avantageux représenté sur les Figures 1 et 2, le cylindre D est réalisé en usinant le quartz sous la forme d'un bloc séparé et en l'insérant sous une basse pression dans la cavité métallique, de façon à réduire au minimum les zones o il risquerait de subsister de l'air de fuite. Les caractéristiques du quartz amorphe sont bien connues et on pourra par exemple se référer à cet égard à la Notice Technique établie par la Société "ELECTRO QUARTZ". Parmi ces caractéristiques, les plus déterminantes se rapportent au coefficient de dilatation qui est inférieur à 1 ppm/0C, ce qui correspond presque au coefficient de dilatation de l"'Invar -", ainsi qu'au facteur de perte qui peut atteindre 13 GHz, ce qui correspond à une valeur très bonne, le quartz amorphe étant cependant acceptable pour des applications faisant intervenir des fréquences supérieures à 20 GHz. 2467489 Dans les modes préférés de réalisation de l'invention, le quartz amorphe D est profilé sous la forme d'une barre plane extrêmement compacte ne conte- nant pas de bulles d'air. La barre pré-profilée séparée présente, non seulement l'avantage d'être exempte de bulles d'air (qui peuvent se produire si du quartz moulé est intro- duit dans la cavité a1 de A) mais, également, d'éliminer l'air résiduel de fuite. La barre D est, de préférence, fabriquée à partir d'une barre de section circulaire ou de tiges de quartz transparent du commerce qui sont susceptibles de former des stries sous l'effet de bulles d'air. En conséquence, ces barres ou tiges sont rectifiées à l'aide d'une meule diamant de façon que leur diamètre extérieur soit porté à une cote aussi proche que possible du diamètre intérieur de la cavité a1. Ensuite, la barre rectifiée est découpée en petits cylindres ayant les hauteurs requises. Les cylindres sont à nouveau rectifiés et rodés à l'aide d'une meule diamant jusqu'à ce que la hauteur requise soit atteinte. La vis d'accord C est formée de deux parties: - une partie filetée C1 qui permet de tourner la vis dans le support entière- ment fileté (en dessous de B1 sur la Figure 1) du tampon B, cette partie étant formée d"'Invar " comme le tampon B; - une partie C2 formée d'aluminium ou d'un autre matériau ayant un coeffi- cient de dilatation supérieur à celui de l'"Invar ", ladite partie servant à compenser l'influence de la température sur la fréquence de résonance. Le diamètre de C2 est supérieur à celui de C1, C2 se terminant par un disque élargie C'2, qui est relié à la face supérieure libre de D (Figure 2). Enfin, un contre-écrou C3 assure le blocage de la vis d'accord C sur le tampon B, qui est lui-même verrouillé sur A à l'aide de sa partie filetée extérieurement b,. Un manchon b5 formé d'une matière absorbante assure l'amortissement des résonances parasites de la cavité. Un avantage très important de la présente invention consiste en ce que la gamme de fréquence de résonance de la cavité peut être aisément modifiée en remplaçant un cylindre en quartz d'une certaine hauteur par un autre cylindre d'une hauteur différente (ce qui modifie le volume de la cavité), et en remplaçant en conséquence la vis d'accord d'origine par une vis compatible avec la hauteur du nouveau cylindre. Conformément à la présente invention, la gamme de fréquence est choisie en fonction de la hauteur H du cylindre en quartz D (avec le même diamètre) et des dimensions de la vis d'accord C, en particulier du diamètre de la partie en forme de disque C'2, du diamètre de la partie filetée C1 et de la hauteur totale C. 6 22467489 La gamme de fréquences peut également être rendue dépendante des dimensions hors-tout du tampon B et de l'élément d'absorption b5. En rendant la gamme de fréquences dépendante de la hauteur du cylindre en quartz et des dimensions de la vis d'accord C, on obtient l'avantage qu'avec une seule cavité, il suffit de changer le cylindre en quartz et la vis pour faire varier la gamme de fréquence. De cette façon, avec des cy- lindres en quartz de diamètre fixe, par exemple de 15 mm, mais présentant quatre hauteurs différentes, il est possible de passer de la gamme de: 12, 700 - 12,850 GHz à d'autres gammes, telles que 12,850 - 13,000 GHz, 13, 000 - 13,150 GHz et 13,150 - 13 300 GHz, en changeant alors à chaque fois également la barre compensatrice. La stabilité de fréquence de résonance des cavités conformes à l'inven- tion est de: 40 ppm entre 0 et 450C. Parmi les avantages fondamentaux obtenus grâce à l'invention, on peut citer les caractéristiques suivantes: a - Il n'est plus nécessaire de prévoir une étanchéité hermétique de la cavité, du fait que l'air contenu dans celle-ci est réduit à une quantité négligeable, alors que le quartz moulé n'est pas étanche à -l'air. b - La vis d'accord n'est plus scellée et, en conséquence, elle est nor- malement accessible pendant l'utilisation de la cavité. De cette façon il est possible de compenser périodiquement le glissement de fréquence à long terme de la cavité, ce qui était presque impossible à obtenir avec une cavité hermétiquement scellée. c - Les dimensions de la cavité métallique remplie de quartz sont divisées par deux en comparaison avec une cavité remplie de gaz, ce qui se tra- duitpar une économie de matière et par une réduction de dimensions. Ces propriétés fondamentales permettent d'obtenir d'autres avantages, énumérés ci-dessous: d - Grande économie de coût, du fait que le cycle d'étanchéité n'est plus nécessaire et qu'on fait intervenir moins dl"Invar I. e - Plus Longue durée de service de La cavité, du fait que les fuites des joints-d'étanchéité, même les plus petites, ont été éliminées, alors qu'on peut compenser les écarts à long terme de la cavité par réglage de la vis d'accord, à laquelle il est maintenant possible d'accéder. f - Moins de pièces de rechange pour des oscillateurs à cavité, puisqu'une seule cavité peut être accordée dans une certaine sous-gamme, alors que des cavités hermétiquement scellées nécessitaient dans les réalisations connues un nombre d'oscillateurs égal à celui des fréquences de canal. g - Les éléments actifs se trouvant dans la cavité peuvent être directement remplacés sans avoir à répéter le cycle d'alignement de cavité, comme cela devait être réalisé avec des cavités hermétiquement scellées. Ainsi, par exemple, si la diode claque, on peut la remplacer en changeant le support de diode, mais la cavité conforme à l'invention n'a pas à être remplacée et n'a pas à subir de longues opérations de scellement et de stabilisation. h - Comme mentionné ci-dessus, l'utilisation d'un cylindre en quartz conforme à l'invention, permet également une construction avantageuse du corps de cavité A, par assemblage de deux corps partiels (non-représentés mais faciles à imaginer) A' et A": à savoir: * un corps interne A' qui est formié d'un alliage noble, ayant un très faiblecoefficient de dilatation thermique ("Invar"" ou "Super Invaro") et se présentant sous la forme d'une coquille ou d'une cartouche cons- tituant l'enveloppe de la cavité et délimitant ainsi son volume critique, * et un corps extérieur A" qui est formé d'un métal moins noble, par exemple de l'aluminium, et qui reçoit le corps interne A'. Ce dernier a une petite épaisseur (enveloppe) par rapport à la grande épaisseur du corps extérieur A" qui absorbe toutes les contraintes mécaniques et qui protège l'enveloppe mince intérieure A' emmanchée sous pression dans A". On réalise des économies correspondantes en alliage précieux ("Invare") du fait de la réduction de la quantité d'airà l'intérieur de A', qui résulte de la présence du cylindre en quartz, conformément à l'invention. Il est maintenant possible de réaliser le corps A sous la forme d'une cartouche interne mince A' en alliage précieux et d'un support extérieur épais A" en métal moins précieux (aluminium), du fait qu'on a trouvé que: 1) aux basses températures, le corps extérieur en aluminium A" qui exerce une force de compression sur l'enveloppe interne A' en "Invar "m ne peut pas déformer notablement cette partie A'; 2) aux températures plus élevées, une dilatation du corps interne A' n'est pas gênée par le corps extérieur A" en aluminium, du fait que ce dernier a un plus grand coefficient de dilatation thermique. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses va- riantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 8 2467489 REVENDICATIONS 1.- Cavité de résonance pour micro-ondes, qui est stabilisée en tempé- rature et réglable en fréquence et qui comprend au moins un corps creux, une vis d'accord, un tampon, des coupleurs auxiliaires avec une diode et une terminaison, caractérisée en ce que le corps creux (A) est rempli de quartz amorphe. 2.- Cavité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le quartz amorphe se présente sous la forme d'un cylindre pré-profilé, dont le diamètre extérieur est essentiellement égal au diamètre intérieur du corps de cavité (A) dans lequel ledit quartz est légèrement emmanché. 3.- Cavité selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le quartz amorphe est d'une qualité optique. 4.- Cavité selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la vis d'accord (C) n'est pas scellée mais peut faire l'objet d'un accès normal pendant l'utilisation de la cavité. 5.- Cavité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la vis d'accord (C) se compose d'une partie filetée (C1) constituée d'un alliage de faible coefficient de dilatation thermique et d'une seconde partie (C2) formée d'un matériau dont le coefficient de dilatation thermique est supérieur à celui de la première partie, de sorte qu'elle se comporte comme un compensateur de l'influence de la température sur la fréquence de résonance. 6.- Cavité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'on modifie la gamme de fréquence de la même cavité par remplacement du cylindre en quartz (D) et de la vis d'accord (C). 7.- Cavité selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le corps creux est formé d'une enveloppe ou cartouche mince interne (A') constituée d'un alliage précieux (en particulier de l"'Invar h ou du "Super Invare"), qui est emmanchéedans le volume creux existant dans un support extérieur mince (A") constitué d'un alliage ou métal moins précieux, en particulier de l'aluminium.