Brevet FR2472279A1 — publié le 19810626

La présente invention se rapporte aux fenêtres hyperfréquence. Elle concerne également les guides d'onde comportant de'telles fengtres. Un dispositif hyperfréquence qui fonctionne à une pression différente de la pression atmosphé- rique nécessite généralement une fenêtre étanche destinée à la fois à l'isoler de la pression atmos- phérique extérieure et à permettre la propagation des ondes hyperfréquences sans produire de réflexions ni de résonances internes. C'est la cas, par exemple, pour: - les tubes hyperfréquences et les accélérateurs de particules qui fonctionnent à des pressions sen- siblement nulles; - les circulateurs, les isolateurs, les lignes coaxiales et les guides d'onde dans lesquels un gaz peut être enprisonné pour augmenter leur tenue en puissance. La pression de ce gaz peut atteindre 3 kg/cm. Une fenêtre hyperfréquence doit donc présenter une solidité suffisante pour supporter une pression de 1 Kg/cm2, lorsqu'elle est associée à un dispo- sitif hyperfréquence fonctionnant à faible pression et pour supporter une pression de 3Kg/cm2, lorsqu' elle est associée à un dispositif fonctionnant à pression élevée. D'autre part, une fenêtre hyperfréquence doit pouvoir être utilisée dans une large bande de fréquen- ce dans laquelle elle ne présente pas de résonances internes généralement désignées sous le vocable anglo-saxon de ghost modes, et dans laquelle son taux d'onde stationnaire est faible, et donc les réflexions peu importantes. la présente invention concerne plus particuliè- rement des fenêtres hyperfréquences utilisées dans des guides d'onde de section rectangulaire, mais les fenêtres selon l'invention peuvent aussi être utili- sées dans des guides d'onde de section quelconque, cylindrique ou elliptique par exemple. On connaît, dans l'art antérieur, divers types de fenêtres utilisées dans des guides d'onde de section rectangulaire. Ces fenêtres peuvent être uniquement constituées de matériau diélectrique. Dans ce cas, elles peuvent comporter: - soit une plaque diélectrique d'épaisseur X /2 occupant toute la section du guide, oh Xc est la lon- gueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence à transmettre par le dispositif hyperfréquence avec lequel la fenêtre est associée - soit une plaque diélectrique d'épaisseur X0/4 occupant toute la section du guide et prolongée en son milieu par deux parties latérales de longueur électrique X0/4 qui occupent le tiers environ de la hauteur totale du guide; 247-2279 - soit une simple lame diélectrique mince dans un tronçon de guide d'onde circulaire relié au guide d'onde rectangulaire. Ces fenêtres peuvent aussi être constituées par un volet selfique et par une lame diélectrique de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet. Les fenêtres selon l'art antérieur, qui sont utilisées dans des guides d'onde de section rectan- gulaire, présentent l'inconvénient d'avoir une bande de fréquence de fonctionnement très étroite. Ce défaut est essentiellement dû à la présence de ghost modes, pour les fenêtres, qui comportent un grand volume de diélectrique, et à un mauvais taux d'onde sta- tionnaire, pour les fenêtres comportant un volet selfique et une lame diélectrique car l'adaptation ne peut être réalisée que pour une fréquence donnée. Ainsi, pour les fenêtres selon l'art antérieur, la largeur de bande d'utilisation par rapport à la fréquence centrale est généralement de l'ordre de à 20 % avec un taux d'onde stationnaire inférieur ou égal à 1, 15. Les fenêtres selon l'invention ne présentent pas ces inconvénients. la fenêtre hyperfréquence selon l'invention est constituée par: - un transformateur d'impédance demi-onde, la lon- gueur d'onde considérée correspondant à la fréquence centrale F de la bande de fréquence F F à trans- O 1 2 mettre par le dispositif hyperfréquence avec lequel la fenêtre est associée; - 4 - surmontant le transformateur demi-onde en son mi- lieu, au moins un volet selfique, le reste de la fe- nêtre étant constitué par au moins une lame diélec- trique de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet; Les dimensions des constituants de la fenêtre-sont déterminées pour que, le dispositif hyperfréquence étant adapté, le taux d'onde stationnaire de la fenêtre soit sensiblement égal à un pour la bande de fréquence P F 1 2' Selon un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, le transformateur est surmonté en son milieu par deux volets selfiques, de dimensions égales ou non, qui entourent une lame diélectrique. Les fenêtres selon l'invention présentent l'avan- tage de ne pas comporter de-résonances internes dans toute la bande normale d'utilisation du guide, au mode fondamental. Cela permet de multiplier par 2 ou , par rapport aux fenêtres selon l'art antérieur, la largeur de bande d'utilisation par rapport à la fréquence centrale ceci avec un taux d'onde station- naire inférieur à 1, 10. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description sui- vante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent - les figures 1 à 4, des vues en perspective de fe- nêtres, selon ltart antérieur, utilisées dans des guides de section rectangulaire; - - la figure 5, une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une fenêtre selon l'invention, utilisée dans un guide de section rectangulaire; - les figures 6 à 8, des abaques de Smith illustrant le fonctionnement d'une fenêtre selon l'invention; - les figures 9 et 10, deux autres mode de réalisation, vus en perspective d'une fenêtre selon l'invention, utilisée dans un guide d'onde de section rectangulaire. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers élé- ments ne sont pas respectées, toutes les arêtes ca-' chées ne sont pas représentées en trait discontinu et tous les plans coupés ne sont pas hachurés. lies figures 1 à 4 représentent des vues en pers- pective de fenêtres, selon l'art antérieur, utilisées dans des guides de section rectangulaire, et dont il a été question précédemment. Sur ces figures, un arraché montre la position de la fenêtre 2 dans le guide 1. Sur la figure 1, la fenêtre 2 est constituée par une plaque diélectrique, d'épaisseur X0/2, et de section rectangulaire qui est disposée perpendiculai- rement aux côtés du guide et qui est fixée à ses côtés, généralement par brasage. Sur la figure 2, la fenêtre 2 est constituée d'une plaque diélectrique 3 d'épaisseur X /4 occupant toute la section du guide qui est prolongée en son milieu par deux parties latérales 4, de longueur électrique X0/4 également. Les parties latérales 4 occupent environ le tiers de la hauteur totale du guide. Sur la figure 3, le fenêtre 2 est constituée par une simple lame diélectrique mince insérée dans un tronçon de guide circulaire 5, relié au guide d'onde rectangulaire 1. Enfin, sur la figure 4, la fenêtre 2 est cons- tituée d'un volet selfique 6 et d'une lame diélec- trique 7, de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet. Sur la. figure 4, on a distingué le volet selfique en hachurant sa surface. Il est connu qu'un volet selfique est constitué par une plaque métallique de faible épaisseur dispo- sée dans la section du guide d'onde perpendiculaire- ment aux petits côtés du guide. La figure 5 représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une fenêtre selon l'in- vention, utilisée dans un guide 1 de section rec- tangulaire. Cette fenêtre 2 est constituée d'un transfor- mateur d'impédance demi-onde, Xo/2, 8. la longueur d'onde Xo correspond à la fréquence centrale Fo de la bande de fréquence F1F2 à transmettre par le guide dans lequel la fenêtre est insérée. Sur'la figure, le transformateur 8 est réalisé par une plaque métallique recouvrant sur une demi- longueur d'onde' Xo/2 l'un des grands c8tés du guide. La fenêtre 2 est ainsi constituée d'une lame diélectrique mince 9 entourée de deux volets selfiques. , de mêmes dimensions. La lame et les volets ont sensiblement la même épaisseur et ils sont disposés sur le transforma- teur, en son milieu ( k,/4), perpendiculairement à la.surface du transformateur et à trois des côtés du guide. La lame et les volets ont des sections rectan- gulaires et l'ensemble constitué par le transfor- mateur surmonté. par la lame et les volets ferme hermétiquement le guide. Les figures 6 à 8 représentent des abaques de Smith illustrant le fonctionnement d'une fenêtre telle que celle représentée sur la figure 5. Sur la figure 6, on a représenté sur l'abaque de Smith les variations dans la bande de fréquence F1 22' de l'impédance présentée par l'ensemble constitué de la lame 9 et des deux volets 10. L'impédance de cet ensemble est une réactance pure. Après avoir choisi l'épaisseur de la lame et des volets requise pour obtenir la rigidité souhaitée, les surfaces respectives de la lame et des volets sont choisies pour que cette réactance, qui passe progressivement par des valeurs positives-, nulles et négatives dans-le sens des fréquences croissantes de F1 vers F2 s'annule pour Fo. Les variations de l'impédance de l'ensemble constitué de la lame 9 et des deux volets 10 sont donc représentées sur l'abaque de Smith par un segment de droite, porté par l'axe des impédances q de l'abaque de Smith; ce segment de droite se trouve dans le demi-plan des impédances positives pour F1, il passe par le centre de l'abaque de Smith pour FO, puis se trouve dans le demi-plan des impédances négatives pour F2. Sur la figure 7, on a représenté sur l'abaque de Smith les variations de l'impédance présentée par le transformateur, seul, relié à une terminaison adaptée, en différents points du guide, pour les-fréquences F1, 0o et 2- On appelle: - ' 1' un plan du guide situé du côté du généra- teur avant le transformateur; - - n 2' le plan d'entrée du transformateur; - ' 3, le plan médian du transformateur; - 4, le plan de sortie du transformateur; - et enfin % 5, un plan du guide situé du côté de la terminaison, adaptée contre le transformateur. Ces différents plans sont indiqués sur la figure 5. Avant le transformateur, plan 1', il y a adaptation et quelle que soit la fréquence, l'impé- dance est représentée par le point A qui est le centre de l'abaque de Smith. L'arrivée au plan. 2 signifie, quelle que soit la fréquence, une diminution d'impédance purement résistive et l'impédance se trouve représentée -par le point B à gauche du point A sur l'axe p des résistances de l'abaque de Smith. Le déplacement du plan n 2 au plan t 4 sur la longueur Xo/2 entraîne une rotation sur un cercle de rayon AB centré au point A dans le sens tri- gonométrique. L'angIe de rotation dépend de la fréquence de fonctionnement: il est de 2u pour F0, de 2. F1 pour F1, et de'2i. 2 pour F2. F0 Au plan 47 l'impédance est donc représentée par le point C situé sur le cercle au-dessus du point B pour F1. L'impédance est représentée par le point B pour F0 et par le point E situé sur le cercle au-dessous du point B pour F2 Enfin au plan t 5 le transformateur est franchi et il y a une augmentation d'impédance purement résistive qui compense la diminution qui s'était produite au plan nt2. L'impédance au plan i 5 se trouve donc repré- sentée aux fréquences F1, Fo et F2 par les points D, A et F qui sont sensiblement alignés sur l'axe q. les points D et F sont situés de part et d'autre de A. L'impédance dans le plan médian n 3 distant de 4 de Vc se déduit de l'impédance au plan par une rotation de 1802 du segment de droite DAF. La figure 8 représente sur l'abaque de Smith les variations de l'impédance dans le plan X 3' Dans le plan s, l'impédance du transformateur est donc une réactance qui prend successivement des valeurs négatives, nulles et positives dans le sens des fréquences croissantes, de F vers F, de D vers F. En comparant les figures 6 et 8, on constate que les variations dans la bande de fréquence F1 F2 de l'impédance du transformateur et de l'ensemble constitué par la fenêtre et les volets sont pure- ment réactives et se font en sens inverse en fonc- tion de la fréquence. La fenêtre selon l'invention comporte à la fois un transformateur et un ensemble constitué de deux volets et d'une lame diélectrique qui surmonte le transformateur en son milieu. Selon l'invention, les dimensions des constituants de la fenêtre sont déterminées pour que l'impédance du transformateur et celle-de l'ensemble constitué par la fenêtre et les volets se compensent dans-la bande de fréquen- ce F1 F2 au plan s Il y a donc adaptation et le taux d'onde stationnaire est sensiblement égal à 1, dans la bande F1 F3. Comme cela a déjà été dit précédemment, on choisit généralement d'abord l'épaisseur de la lame et des volets requise pour obtenir la rigidité sou- haitée. les surfaces respectives de la lame et des volets sont ensuite choisies pour que la réactance. de l'ensemble lame et volets s'annule pour F0. Enfin, on détermine la hauteur h du transformateur. Cette hauteur conditionne le rayon AB du cercle centré en A sur lequel s'effectue la rotation de 2n, 2;z F1/F0 et 2ir F2/FQ qui permet d'obtenir les points C, B, E et ensuite les points DAF. La hauteur h du transformateur est donc choisie pour que le segment DAF obtenu sur la figure 8 soit le symétrique par rapport au centre de l'abaque du segment représenté sur la figure 6. Une fenêtre selon l'invention a été expérimentée sur un guide d'onde de section rectangulaire de di- mensions 72 x 34. L'épaisseur de la lame diélectrique était de 2 mm et celle des volets de 3 mm. On a cons- taté que dans toute la bande de fréquence d'utilisa- tion du guide de 2,6 à 3,95 HGz, il n'y avait pas de résonances internes. La largeur de bande d'utilisation rapport à la fréquence centrale a ainsi été portée à 30 % avec un taux d'onde stationnaire inférieur ou égal à 1, 08. La bande d'utilisation pouvait dépasser 40 o avec un taux d'onde stationnaire de 1,5 et 50% avec un taux d'onde stationnaire inférieur à 2. Les figures 9 et 10 représentent deux autres modes de réalisation, vus en perspective, d'une fenêtre selon l'invention utilisée dans un guide d'onde de section rectangulaire et dont le fonc- tionnement est identique à celui de la fenêtre de la figure 5. Sur la figure 9, le transformateur est constitué par deux plaques métalliques, en vis-à-vis, qui recouvrent sur la demi-longueur d'onde o les deux grands c8tés du guide. Ces plaques métalliques n'ont pas nécessairement la même épaisseur. Le transformateur demi-onde peut aussi être réalisé en diminuant, symétriquement ou non par rapport au plan médian longitudinal du guide 6 (représenté sur la figure 9), la hauteur du guide sur la demi-longueur d'onde o. De même l'ensemble qui surmonte le transforma- teur en son milieu, peut être constitué comme sur la figure 9 d'une lame diélectrique 9 et d'un seul vôlet selfique 10. La fenêtre selon l'invention peut aussi compren- dre un ensemble constitué d'une lame diélectrique entourée de deux volets selfiques de surfaces différentes. Enfin, les volets selfiques peuvent être cons- titués par une plaque métallique ou par un dépôt métallique recouvrant en partie, l'une ou les deux faces, de la lame diélectrique constitueant la fenêtre qui occupe alors toute la section du guide au-dessus du transformateur. Sur la figure 10, le transformateur 8 est réa- lisé par une diminution disymétrique de la hauteur du guide et présente une discontinuité en son milieu. L'ensemble constitué d'une lame diélectrique 9 et de deux volets selfiques inégaux 10 repose alors directement sur les parois du guide. Une meilleure tenue en puissance est ainsi obtenue. Une fenêtre selon l'invention telle que celle représentée sur la figure 5 est réalisée pratiquement en plusieurs étapes. On réalise d'abord séparément l'ensemble constitué par la lame diélectrique 9 et les volets selfiques 10. Pour cela, on brase sur le pourtour de la lame diélectrique 9 en céramique une bande de cuivre de faible épaisseur de 2 mm d'épaisseur environ dans le cas de la fenêtre fonctionnant en bande S dont il a été question précédemment), cette bande de cuivre - est simultanément brassée sur une frette en molybdène dont la forme-est étudiée pour qu'elle constitue les volets selfiques 10. P'ensemble lame-volets est ensuite brasé à la jonction de-deux demiguides en même temps que les demi-guides sont brasés l'un à l'autre. Sur chacun de ces demi-guides, un demi-transfor- mateur 8 a préalablement été brasé. Ce qui vient d'être dit ne constitue bien sr' qu'un exemple de réalisation d'une fenêtre selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Fenêtre hyperfréquence, caractérisée en ce qu'elle est constituée par: - un transformateur d'impédance demi-onde (8), la longueur d'onde considérée (X0) correspondant à la fréquence centrale (F0) de la bande de fréquence (F1 F2) à transmettre par le dispositif hyperfréquence dans lequel la fenêtre est insérée; - surmontant le transformateur demi-onde en son mi- lieu, au moins un volet selfique (10), le reste de la fenêtre étant constitué par au moins une lame diélectrique (9) de faible épaisseur sensiblement égale à celle du volet; les dimensions des constituants de la fenêtre étant déterminées pour que, le dispositif hyperfréquence étant adapté, le taux d'onde stationnaire de la fenS- tre soit sensiblement égal à un pour la bande de fréquence à transmettre. 2. Fenêtre selon la revendication 1, caractériséeen ce qu'elle est constituée par deux volets selfiques (10), de dimensions égales ou non, entourant une lame diélectrique (9). 3.Fenêtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par brasage d'une bande de cuivre de faible épaisseur à la fois sur la lame diélectrique (9) en céramique et sur une frette en molybdène qui constitue le ou les volets selfiques (10). 4. Fenêtre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le ou les volets selfiques (10) sont constitués par un dépôt métallique, recou- vrant en partie, une ou les deux faces, de la lame diélectrique (9) constituant la fenêtre. 5. Fenêtre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le transformateur demi-onde (8) présente une discontinuité en son milieu et en ce que le ou les volets selfiques et le ou les lames diélectriques reposent directement sur les parois du dispositif hyperfréquence. 6. Guide d'onde de section quelconque, caractérisé en ce qu'il comporte une fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 5. 7. Guide d'onde de section rectangulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transfor- mateur demi-onde (8) est réalisé en diminuant, symétriquement ou non par rapport au plan médian lon- gitudinal (%) du guide d'onde, la hauteur du guide sur la demi-longueur d'onde (X /2). 8. Guide d'onde de section rectangulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que le transfor- mateur demi-onde (8) est réalisé par une plaque métallique recouvrant sur la demi-longueur d'onde (X0/2), au moins l'un des grands côtés du guide. 9. Guide d'onde selon la revendication 6, caractérisé en ce que la fenêtre est brasée à la jonction de deux demi-guides en même temps que les demi-guides sont brasés l'un à l'autre, chaque demi-guide compor- tant déjà un demi-transformateur (8).