Brevet FR2487573A1 — publié le 19820129

Ensemble de fenêtre à micro-onde et tube à micro-onde muni d'un tel ensemble. L'invention concerne un ensemble de fenêtre à micro-onde comportant une fenêtre à micro-onde céramique, dont l'épaisseur est supérieure à 10 mm et qui est munie d'une face latérale métallisée, qui est fixée hermétique- ment par soudage dans un cadre exposé à un agent de re- froidissement. De plus, l'invention est relative à un tube à micro-onde muni d'un tel ensemble de fenêtre à micro-onde. Les fenêtres de ce genre servent notamment à sortir les puissances à haute fréquence des tubes à vide, par exemple des klystrons, après quoi elles sont ensuite transportées à l'aide de conducteurs creux. Lesdites fenêtres à haute fréquence présentant une épaisseur supérieure à 10 mm sont notamment des fe- nêtres o l'adaptation requise de l'impédance entre la fenêtre et le conducteur creux s'obtient à condition de choisir l'épaisseur de la fenêtre égale à une demi-longueur d'onde à la fréquence à transmettre dans le matériau de la fenêtre, ce qui veut dire égale à 2 . Ce dimen- 2 - Ye imen sionnement aboutit à une transformation d'impédance 1: 1 et évite ainsi, dans une très grande mesure, l'influence perturbatrice du matériau de la fenêtre. La face de re- froidissement obtenue du c8té latéral de la fenêtre est proportionnelle à l'épaisseur de la fenêtre, de sorte qu'une telle fenêtre /2 à paroi épaisse est à même de transporter des puissances élevées. Une fenêtre à haute fréquence de ce genre est connue entre autres du brevet des EtatsUnis d'Amérique N 3.993.969. Dans ce brevet, la liaison entre la fenêtre et le cadre est réalisée à l'aide de zones de métallisation et de soudage, d'une grande superficie, qui occupent toute la face latérale de la fenêtre. Toutefois, il est très difficile de réaliser, de façon fiable, des soudures métal-céramique d'une grande surface. C'est pour cette raison que jusqu'à présent, on a réalisé des fenêtres 2\/2 d'une épaisseur d'au maximum à 20 mm. Le risque, du point de vue technologique, se produisant dans le cas de soudures avec des fenêtres de plus grandes épaisseurs est trop grand. Cette limitation implique que des fenêtres / /2 ne peuvent être appliquées sans risque qu'aux fréquences supérieures à environ 3GHz, ce qui veut dire des fenêtres dont l'épaisseur est infé- rieure à 15 mm. Bien que, dans le matériau céramique utilisé normalement pour les fenêtres, la conduction thermique élevée provoque une égalisation extrême de la température, la transition à l'agent de refroidissement (eau, huile ou air) par l'intermédiaire de la zone de la soudure, métal- céramique ne présente qu'une faible conductivité thermique. De ce fait, il se produit une accumulation de chaleur pré- sentant unfort gradient de température et des tensions ther- miques correspondantes dans la zone de transition entre la fenêtre et le cadre. Il en résulte le risque d'une charge mécanique inadmissiblement élevée de la soudure entre la fenêtre et le cadre. L'invention vise à fournir un ensemble de fenêtre à micro-onde du genre mentionné dans le préambule dont la fenêtre peut être plus épaisse que 10 mm et dans lequel ne se produit aucune accumulation de chaleur entraînant le risque de tensiorB mécaniques nuisibles même aux charges élevées. Conformément à l'invention, ce résultat est atteint du fait que le cadre est réalisé en deux parties qui ne sont fixées chacune par soudage qu'à une partie marginale de la face latérale de la fenêtre et que la face latérale de la fenêtre est recouverte, entre les deux par- ties du cadre, d'une couche conductrice assurant la con- nexion électrique des deux parties du cadre. Du fait que le cadre comprend deux parties qui ne sont reliées chacune qu'à une partie marginale de la face latérale de la fenêtre, il ne faut que d'étroites zones de soudage qui, du point de vue technologique, peuvent être réalisées convenablement. Du fait que la face latérale de la fenêtre, entre les deux parties du cadre, est recouverte d'une couche conductrice, il se forme la gaine extérieure électrique nécessaire pour la fenêtre, alors que pratiquement toute la face latérale de la fenêtre est exposée de façon directe à l'agent de refroidissement, ce qui évite une accumulation défavorable de la chaleur entre la fenêtre et le cadre. De préférence, les parties marginales de la face latérale de la fenêtre sont munies d'encoches, dans les- quelles agissent les parties du cadre et dont la profon- deur radiale est pratiquement égale à l'épaisseur des parties de cadre. La profondeur axiale des encoches est de préférence d'environ 2 à 6 mm. Pour améliorer le refroidissement, la face laté- rale de la fenêtre entre les deux parties du cadre peut être munie d'une structure susceptible d'agrandir la sur- face. Il est efficace lorsque la fenêtre est constituée par un matériau céramique et le cadre par un alliage de fer-nickel-cobalt ou un alliage de nickel-cuivre. Là face latérale de la fenêtre, qui est fixée par soudage par ses bords aux parties du cadre, est recouverte d'au moins une couche métallique qui est convenablement conductrice, du point de vue électrique et thermique, et qui résiste à l'agent de refroidissement. L'épaisseur de la couche métallique (ou des couches métalliques) correspond pra- tiquement à deux fois la profondeur de pénétration de courant à la fréquence à transmettre. Des métaux appropriés de cette couche (couches) sont de l'or, de l'argent et du cuivre. La fenêtre peut être réalisée comme une fenêtre A/2, ce qui veut dire que l'épaisseur de la plaque est de 2.,E étant la longueur d'onde à la fréquence moyenne à transmettre et C la constante diélectrique du matériau de la fenêtre. La description ci-après, en se référant aux 248?573 dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple-non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente un ensemble de fenêtre à micro-onde, présentant une fenêtre épaisse, suivant l'état de la technique. La figure 2a représente un ensemble de fenêtre a micro-onde conforme à l'invention et la figure 2b une autre réalisation d'un ensemble de fenêtre à micro-onde conforme à l'invention. La figure 1 montre une fenêtre à haute fréquence connue, qui est appliquée entre un conducteur d'amenée creux 1A et un conducteur creux 1B. La fenêtre 9 est fixée par soudage sur toute sa surface latérale 7 à un cadre 8. L'agent de refroidissement amené à l'orifice 20 ne lèche que la surface extérieure du cadre 8. Comme il a déjà été décrit ci-dessus, une telle soudure entre la fenêtre 9 et le cadre 8 n'est possible que dans le cas de fenêtres relativement minces (' 15 mm) et la structure présente le désavantage du risque d'une accu- mulation de chaleur à la transition entre la fenêtre et le cadre, ce qui peut aboutir à des tensions mécaniques désavantageuses. La figure 2a montre un ensemble de fenêtre à micro-onde conforme à l'invention qui est également ap- pliqué entre un conducteur d'amenée creux 1A -et un conduc- teur creux 1B. Le conducteur d'amenée 1A peut être connec- té à la sortie d'un tube à micro-onde non représenté sur le dessin, notamment un klystron. La fenêtre 12 n'est pas appli- quée dans un cadre réalisé en une seule pièce, mais dans un cadre 11 comprenant deux parties (liA, 11B),chaque partie du cadre n'étant reliée qu'à une partie marginale A, lOB respectivement de la face latérale de la fenêtre 12, ce qui veut dire y est fixé par soudage. Comme le re- présente la figure 2b, les parties de cadre peuvent reposer sur la face latérale de la fenêtre, ou, comme l'indique la figure 2a, agir dans des encoches 1iA, lOB. La profondeur de ces encoches (vu dans la direction radiale) est choisie pratiquement égale à l'épaisseur de la partie de cadre 11A, 11B respectivement qui y agit. La profondeur de ces enco-ches(vu dans la direction axiale) ce qui veut dire la longueur de ces encoches, est d'environ 2 à 6 mm, ce qui implique que la face de liaison entre la fenêtre 12 et le cadre 11A, 11B est si petite que, du point de vue technologique, la soudure peut être convenablement maîtrisée. Entre les deux parties de cadre 11A et 11B, la face latérale de la fenêtre 12 est recouverte d'une couche conductrice 13, qui est par exemple en cuivre et qui assure l'interconnexion électrique des deux parties de cadre, alors que son épaisseur est pratiquement égale à deux fois la profondeur de pénétration du courant à la fréquence à transmettre. Aux fréquences d'environ 1000 MHz, l'épais- seur de couche requise est de 20 à 30/um, ce qui correspond à une profondeur de pénétration du courant d'environ 10 à /um. Autour du cadre et de la face latérale de la fenêtre est disposée une enceinte creuse 15 que traverse un agent de refroidissement amené à l'orifice 20, Cet agent de refroidisse- ment, par exemple de l'eau, de l'huile ou de l'air, est en contact direct avec la majeure partie de la face laté- rale de la fenêtre 12, ce qui évite une accumulation in- désirable de chaleur entre la fenêtre et l'agent de re- froidissement. Pour augmenter l'effet de refroidissement, la partie de la face latérale de la fenêtre située entre les deux parties de cadre 11A et 11B peut être munie d'une structure 14 susceptible d'augmenter la surface, voir la figure 2b. Lorsque cette structure 14 est constituée par exemple par des rainures en forme de V présentant un angle au sommet de 900, la face de refroidissement est agrandie d'un facteur \!2 et, de ce fait, la quantité de chaleur pouvant être évacuée est augmentée de 40%. Le dégage- ment de chaleur plus élevé provoqué par les trajets de courant prolongés dans la couche conductrice 13 est compen- sé par un contact direct avec l'agent de refroidissement, ce qui évite le risque d'une augmentation de la température à la fenêtre, ou à la soudure entre la fenêtre et le cadre. Grâce au bon effet de refroidissement obtenu à la face latérale de la fenêtre età la résistance mécanique élevée de la soudure entre la fenêtre et les parties de cadre 11A et 11B, il est possible de transmettre, par l'intermédiaire de cette fenêtre, de très grandes puis- sances à haute fréquence de façon pulsée et continue. Un gain notable en puissance s'obtient surtout par suite de la capacité thermique assez élevée et du refroidissement in- tensif de la fenêtre dans le cas d'un fonctionnement pulsé, avec des impulsions dans la gammedes millisecondes ou des secondes à basse fréquence de répétition. Avant la soudure aux deux parties de cadre 1IA et 11B, la face latérale totale de la fenêtre est recou- verte selon des procédés de métallisation usuels d'au moins une couche métallique. Ensuite, la partie de la face latérale appelée à rester libre des parties de cadre, c'est-à-dire la partie située entre les zones de soudure, est renforcée par voie galvanique. Le(s) métal (métaux) utilisé(s) à cet effet doit (doivent) assurer une conduction électrique et thermique et résister à l'agent de refroi- dissement, qui;est en contact avec cette couche de soudure entre les deux parties de cadre. Lors du processus de soudage, permettant de réaliser la soudure entre les deux parties de cadre et la fenêtre, il se produit un post- frittage de la couche métallique accompagné d'une compres- sion correspondante du métal et, de ce fait, une augmenta- tion de la conduction électrique. Comme matériau pour la fenêtre 12 est utilisé un matériau céramique usuel pour ces buts, contenant plus de 97% de Al203 ou de BeO. Comme matériau pour les parties de cadre 11A et 11B est avantageusement utilisé un alliage de fer-nickel-cobalt. La conduction thermique assez élevée de ce matériau n'est pas perturbatrice, du fait que, comme on l'a déjà exposé ci-dessus, le refroidissement de la fe- notre 12 s'effectue parle contact direct de l'agent de re- froidissement avec la partie centrale de la face latérale de la fenêtre. REVENDICATIONS 1. Ensemble de fenêtre à micro-onde comportant une fenêtre à micro-onde céramique (12) dont l'épaisseur est supérieure à 10 mm et qui est munie d'une face latérale métallisée, qui est fixée hermétiquement par soudage dans un cadre (11) exposé6à un agent de refroidis- sement, caractérisé en ce que le'cadre (1i) est constitué par deux parties (11A, 11B), qui ne sont fixées chacune par soudagequ'àune partie marginale (1QA, 1O'B) de la face latérale de la fenêtre (12)eten ceqielaface latérale de la t0 fenêtre, entre les deux parties du cadre, est recouverte d'une couche conductrice (13) assurant l'interconnexion électrique des deux parties de cadre (11A et 11B). 2. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les parties marginales. (1iA, 1OB) de la face latérale de la fenêtre(12)seprésentent sous forme d'encoches dans lesquelles agissent les parties de cadre (11A et 11B) et dont la profondeur radiale est pratiquement égale à l'épaisseur des parties de cadre. 3. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que la profondeur axiale des encoches est comprise entre environ 2 mm et 6 mm. 4. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon l'une des revendications 1 àk3, caractérisé en ce que la face latérale de la fenêtre (12), entre les deux parties de cadre (liA et 11B), est munie d'une structure (14) suscep- tible d'augmenter la surface. 5. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cadre (liA, 11B) est constitué par un alliage de fer-nickel-cobalt ou un alliage de nickel-cuivre. 6. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la face laté- rale de la fenêtre est recouverte d'au moins une couche métallique (13) qui assure la conduction électrique et thermique et qui résiste à l'agent de refroidissement. 7. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la cou- che métallique ou des couches métalliques (13) est supéri- eure d'environ deux fois à la profondeur de pénétration du courant à la fréquence à transmettre. 8. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon la re- vendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la couche métal- lique (13) ou les couches métalliques (13) est (sont) constituée(s) par de l'orde l'agent ou du cuivre. 9. Ensemble de fenêtre à micro-onde selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'épais- seur de la fenêtre (12) est de *O étant la longueur d'onde à la fréquence moyenne à transmettre et ú la constante diélectrique du matériau de la fenêtre. 10. Tube à micro-onde muni d'un ensemble de fenêtre à micro-onde selon l'une des revendications 1 à 9.