Brevet FR2487132A1 — publié le 19820122

CAVITES MICRO-ONDES DE RESONANCE STABILISEES EN TEMPERATURE. La présente invention concerne des cavités micro-ondes de résonance sta- bilisées en température, qui ne nécessitent pas un scellement hermétique et qu'il est facile de régler en fréquence. Il est connu que, à l'heure actuelle, des oscillateurs et des filtres comportent de nombreux types de cavités micro-ondes comportant une paroi mé- tallique et remplies de gaz, les plus importantes étant les suivantes: i) cavité coaxiale, mode TEM, 2) cavité de guide d'ondes mode TE10, 3) cavité de guide d'ondes circulaire, mode TE11, 4) cavité de guide d'ondes circulaire, mode TEo1. On sait également que le problème le plus difficile à résoudre concerne la stabilisation en fréquence de résonances d'une 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 d'une façon générale trois facteurs fondamentaux qui affectent la fréquence de résonance d'une cavité, à savoir: 1) la dilatation thermique du métal de la cavité, 2) la constante diélectrique du gaz remplissant la cavité, 3) l'impédance de charge dans les ouvertures ou portes assurant le couplage de la cavité avec des circuits externes. En ce qui concerne le 3ème facteur, l'effet de charge devient négligeable lorsqu'on réduit de façon appropriée le degré de couplage vers la charge et lorsqu'on interpose, quand cela est nécessaire, un isolateur entre la cavité et la charge. En ce qui concerne le ler facteur, il est à noter que, pour la réalisation d'une cavité, on a utilisé un métal présentant un faible coefficient de dilata- tion en fonction de la température, notamment de l'Invar ou du SuperInvar, qui ont respectivement un coefficient de dilatation inférieur ou égal à 1,5 ppm/0C, et inférieur ou égal à 0,7 ppm/0C. En outre, il est envisagé d'effectuer un traitement thermique particulier pour la stabilisation de ces matières avant et après qu'elles ont été mises en oeuvre. De cette manière, le produit final conserve également les valeurs spé- cifiées du coefficient de dilatation. Enfin, en ce qui concerne le 2ème facteur, il est nécessaire de sceller hermétiquement la cavité (c'est-à-dire qu'elle doit être étanche à l'humidité et au gaz) avant de la remplir avec un gaz inerte et sec (par exemple de l'azote), ce qui supprime ainsi la différence de pression par rapport à l'envi- ronnement extérieur. Cette solution est particulièrement risquée du fait que toutes les brasures des différentes pièces constituant la cavité ainsi que les iris de couplage et les éléments de réglage doivent être scellés. On connaît des cavités ne nécessitant pas un remplissage de gaz car la paroi métallique de la cavité est munie d'un cylindre en quartz. A cet égard, les cavités comportent une partie interne-de faible épaisseur qui est réalisée en un alliage précieux (Invar), tandis que leur partie externe est plus épaisse et est formée d'un alliage moins précieux. Conformément à la présente invention, on est arrivé non seulement à éliminer le remplissage en gaz inerte de la cavité mais, également, à suppri- mer complètement l'utilisation de corps de cavité comportant des parois formées d'alliage plus ou moins précieux. Les nouvelles cavités conformes à la présente invention ne comportent plus un corps muni d'une paroi métallique en alliages plus ou moins précieux, mais elles comportent au contraire un corps en quartz amorphe pur dont la surface extérieure a été métallisée, excepté de petites zones utilisées pour des raccords ou des couplages. Du fait que le corps en quartz amorphe métallisé et conforme à la présente invention peut présenter tous profils et dimensions appropriés, il est possible d'obtenir des cavités stabilisées en température et présentant une fréquence de résonance pouvant être réglée avec précision, ces cavités convenant en parti- culier pour des sources de micro-ondes stables par couplage avec un circuit actif approprié. Avec les cavités conformes à la présente invention, il est possible de remplacer toutes les cavités micro-ondes à surface métallique, c'est-àdire: - cavité coaxiale, mode TEM, avec ú = X/4 et Z = À/2, - cavité de guide d'ondes rectangulaire, mode TE101, - cavité de guides d'ondes circulaires, modes TEo1o, TE111 et TEo11. Par rapport aux cavités traditionnelles à parois métalliques, notamment celles qui font intervenir des alliages possédant un très faible coefficient de dilatation thermique, les cavités conformes à l'invention présentent les avantages suivants: 2 487132 - Plus grande économie due à une simplification considérable des phases de fabrication du fait qu'on n'utilise pas d'alliage difficile à mettre en oeuvre, comme l'Invar et le Super Invar, ce qui se traduit par une écono- mie d'achat et de mise en oeuvre. - Economie sur le prix de revient du fait de l'élimination duscellement hermétique des cavités. En outre, il est à noter que, par comparaison aux réalisations connues, l'invention permet d'améliorer la qualité des cavités en ce qui concerne les points suivants: 1) Elle améliore considérablement le scellement des cavités. 2) Elle permet de créer des cavités en forme de cylindre, rectangulaire et à mode TEM, tandis que les cavités connues peuvent seulement être adap- tées au mode TEo11, ou bien à des modes caractérisés par un champ élec- trique négligeable E (même dans l'agencement orthogonal) à proximité des surfaces métalliques, délimitant la cavité proprement dite. 3) Réduction de poids et de dimensions, ce qui permet d'obtenir une plus grande souplesse d'application et ce qui offre des possibilités nouvelle et considérables, par exemple en vue d'obtenir des oscillateurs à fréque fixes opérant directement avec des micro-ondes, ce qui élimine les diffi cultés introduites par des composants ou des pièces de rechange, qui son habituellement nécessaires dansles solutions traditionnelles. D'autres buts et avantages de la présente- invention apparaîtront à la le ture de la description suivante et des figures jointes, données à titre illus tratif mais non limitatif. La Figure 1 montre un schéma simplifié de cavitéréalisée conformément à la présente invention. Les Figures 2, 2A, 3A et 3B sont des vues schématiques en perspectives e partiellement éclatées. Les Figures 3A', 3B', 4, 4A et 5 représentent des circuits équivalents, la Figure 6 est une vue en coupe partielle schématique d'un mode particu lier de réalisation de la présente invention. La Figure 1 est une vue simplifiée des cavités qui ont été réalisées conformément à la présente invention. a Phase I: Une barre de quartz est découpée en petits cylindres QU ayant les dimensions nécessaires (diamètre et longueur). * Phase Il: Métallisation. La surface extérieure de QU est recouverte d'une mince couche métallique (ME (de préférence de l'ordre du micron), par exemple en plongeant la barre dan un bain de cuivre ou dans-un autre bain de métal conducteur. 2487 132 a Phase III: Le cylindre en quartz QU ainsi recouvert d'une couche métallique mince est pourvu d'une seconde couche INS (qu'on appelle une couche d'épais- sissement), formée d'un métal qui est,soit identique,soit différent de celui - de la couche métallique ME. La couche d'épaississement INS doit avoir une épaisseur de préférence de l'ordre de 1/10ème de millimètre, et elle doit être déposée en utilisant un bain galvanique. Il est à noter que les couches ME (phase II) et INS (phase III) peuvent éga- lement être déposées d'une manière différente, par exemple par dépôt à la brosse avec des peintures conductrices (cuivre, argent ou métaux semblables) ou bien par dépôt à la brosse, suivi par un traitement dans un bain galvanique. Dans tous les cas, on doit obtenir les caractéristiques suivantes: - QuaLité de quartz:- On utilise un quartz amorphe pur, dé préférence de qualité optique, qui a été obtenu à partir de barres rectifiées et usinées. - Métallisation: Cette opération consiste à créer autour du quartz une surface métallique de haute conductivité qui est étroitement liée à la surface de quartz, en empêchant ainsi de l'air ou un autre gaz d'être emmagasiné à l'intérieur de la cavité de résonance (c'est-à-dire le volume de quartz placé à l'intérieur de la surface métallique). La première couche métallique, qui doit établir une haute' conductivité électrique et qui doit avoir une épaisseur-permettant le passage du courant électrique total associé au champ électrique de résonance, est recouverte d'une matière conductrice INS, de préférence par un processus galvanique, afin d'augmenter la résistance mécanique. Cela facilite les connexions méca- niques et électriques avec le dispositif actif ou avec les dispositifs ac- couplés auxquels les cavités doivent conférer les caractéristiques électriques nécessaires. Les Figures 2, 3A et 3B (qui sont respectivement des vues schématique, partielle et éclatée) représentent trois types de couplages établis entre des cavités CM conformes à l'invention et la micro-bande MST. Sur la Figure 2, "L" représente la ligne de transmission avec son support diélectrique, tandis que FCC désigne l'élément assurant la continuité elec- trique de l'ensemble, CAL désigne un corps en aluminium se composant d'une plaque CAL' portant une base de support CAL" (dans une position perpendicu- laire à CAL') et d'une broche CIN qui est placée perpendiculairement à CAL'. 2 487 132 La cavité métallisée et renforcée CM conforme à la présente invention a une forme de cylindre et elle est pourvue au centre d'un trou 10 qui peut recevoi et maintenir un écrou 11 de la broche filetée CIN. CM désigne une cavité coaxiale X/2 comportant un trou FSO recevant une sonde SO assurant le couplage de la cavité X/2 avec la microbande MST. Il est préférable que la broche CIN soit formée d'Invar. La Figure 2A repré- sente un ensemble de plusieurs éléments, tandis que la Figure 2 est une vue éclatée des éléments séparés. La Figure 3A représente un schéma du couplage établi entre la micro-bande et la cavité circulaire CM par l'intermédiaire d'un iris IR. La Figure 3A' représente le circuit équivalant à la micro-bande précitée couplée avec la cavité par l'intermédiaire de l'iris CM. La Figure 3B montre le cas o la micro-bande MST de la Figure 2A est remplacé par une micro-bande MST' comportant deux connexions 15-15'; une de ces con- nexions peut être utilisée pour le réglage précis de la fréquence de résonanc de la cavité CM, d'une manière semblable à ce qui a été indiqué sur la Fig.2A La Figure 3B' représente un schéma équivalent à la Figure 3B, les connexions -15' de la micro-bande étant couplées avec les cavités CM par l'intermé- diaire d'un iris IR, du fait que la cavité CM est insérée dans son support creux S. On voit par conséquent qu'une des caractéristiques les plus avantageuses des cavités selon l'invention consiste en ce qu'elles constituent des cavités à fréquence intrinsèquement fixe et qu'il est possible par conséquent, en assurant leur couplage avec un circuit actif, de les utiliser pour des os- cillateurs stables. Pour obtenir une économie maximale en ce qui concerne le traitement méca- nique du quartz, on envisage un réglage précis de fréquence, qui est rendu possible par un couplage établi avec un réseau réactif approprié, qui peut être formé de dispositifs semi-conducteurs. - En ce qui concerne les couplages établis avec les cavités: il est à noter que, même s'il est possible d'établir des couplages inductifs, il peut être très avantageux de créer des couplages capacitifs, ou bien d'autres couplages faisant intervenir un champ électrique E, comme le montrent notamment les deux possibilités mises en évidence sur les Figures 2 et 3A, à savoir: - Un couplage capacitif par l'intermédiaire d'une sonde insérée dans un trot ménagé dans le quartz, et collée avec des résines artificielles. Il est préférable que la sonde SO de la Figure 2 soit formée d'un alliage métallique présentant un faible coefficient de dilatation thermique et qu( sa surface soit traitée en vue d'augmenter sa conductivité. La sonde peut également être obtenue par métallisation: 2487 132 - Couplage par champ électrique par l'intermédiaire d'un iris IR (Figure 3A) obtenu à partir de la surface métallisée de quartz par enlèvement du métal sur une zone appropriée. La fabrication d'oscillateurs stabilisés avec les cavités conformes à la présente invention est particulièrement intéressante. Le dispositif actif couplé avec la cavité peut être formé par des éléments semi-conducteurs tels que des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, des diodes Gunn, etc. Les cavités peuvent avoir différentes positions; par exemple, elles peuvent être connectées en série avec la charge, connectées en paral- lèle avec la charge, branchées en réaction, connectées en parallèle avec l'élément actif, etc. Une propriété intéressante consiste en ce qu'il est possible de modifier la fréquence de l'oscillateur en remplaçant simplement la cavité de résonance par une autre présentant des dimensions légèrement différentes, sans modifier le circuit actif. Dans ce but, il suffit de faire intervenir un réseau qui est intégré au dispositif actif; par un faible couplage de la cavité, il est possible avec ce réseau d'effectuer un réglage précis de la fréquence de résonance de la cavité proprement dite. On va décrire dans la suite quelques exemples d'oscillateurs stables qui ont été réalisés en utilisant les techniques décrites ci-dessus et qui ont été pourvus de cavités conformes à la présente invention: 1. La Figure 4 représente un dispositif créé sur une micro-bande MST et se composant d'un élément bipolaire actif AT. Ce dispositif peut être constitué d'un circuit à résonance série LC présentant une résistance négative (-R) et un faible coefficient Q. Par l'intermédiaire d'un iris IR, une cavité circulaire conforme à la présente invention est connectée à ce dispositif et, pour des raisons de dimensionnement, elle est excitée dans le Mode TMo0O. Egalement, un circuit réactif est relié par couplage faible par l'intermé- diaire du même iris. Ce circuit est aussi placé sur une plaque faisant partie du dispositif actif (le couplage étant réalisé comme indiqué sur la Fig. 3B). Le circuit équivalent peutêtre conforme à celui indiqué sur la Figure 5, o les symboles ont les signification suivantes; A= dispositif actif, B= charge, C= cavité de résonance, D= réglage fin. 2 487 13z Si Q2 " Q1 lf2-f11 ZO D R = 1-RI X = -X La configuration mécanique du dispositif a été mise en évidence sur la Figure 6, et on voit qu'il est possible de modifier la fréquence d'oscilla- tion par un simple remplacement de la cavité. Les symboles indiqués sur la Figure 6 ont les significations suivantes: 1 = corps d'aluminium, 2 = anneau brasé sur la cavité (4), 3 = barres, 4 = cavité pourvue d'un anneau (2), = vis, 6 = micro-bande, A)= zone de couplage. L'anneau (2) en Invar estbrasé sur la cavité (4), en étant fixé sur le corps de dispositif (1) (la fixation est assurée à l'aide de barres (3) ou d'organes semblables), ce qui fixe mécaniquement la position de la cavité par rapport à l'axe du trou de couplage et assure la continuité de la masse Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux exemples et modes de mise en oeuvre mentionnés ci-dessus; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applicatic envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. Par exemple, le revêtement peut être déposé en une seule phase au lieu de l'être en deux ou trois phases. 2 '87 1 32 REVENDICATIONS 1.- Cavités micro-ondes de résonance qui sont stabilisées en température, réglables en fréquence, qui ne nécessitent pas un scellement hermétique et qui se composent d'un corps creux, caractérisées en ce que ledit corps (QU) est formé de quartz amorphe pur et est recouvert d'au moins une couche métal- lique (ME). 2.- Cavités selon la revendication 1, caractérisées en ce que ledit corps, de forme cylindrique ou parallélépipédique, est formé de quartz amorphe de qualité optique. 3.- Cavités selon l'une des revendications 1 et 2, caractériséesen ce que le revêtement métallique extérieur se compose d'une première couche mince constituée d'un métal de haute conductivité (ME) et d'une seconde couche d'épaississement (INS). 4.- Cavités de résonance selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisées en ce que du métal est enlevé sur de petites zones pour assurer un couplage avec des circuits externes. 5.- Cavités selon la revendication 4, caractérisées en ce que le couplage est du type capacitif, en étant établi en particulier par l'intermédiaire d'une sonde SO engagée dans un trou ménagé dans le corps en quartz. 6.- Cavités selon la revendication 4, caractérisées en ce que le couplage est établi par un champ électrique, notamment par l'intermédiaire d'iris (IR). 7.- Cavités selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisées en ce qu'elles sont couplées avec des circuits actifs de façon à former des oscillateurs stabilisés à la même fréquence que celle de la cavité. 8.- Cavités selon la revendication 7, caractérisées en ce qu'elles sont connectées en série avec la charge, connectées en parallèle à la charge, connectées en réaction, connectées en parallèle à l'élément actif. 9.- Cavités selon la revendication 7, caractérisées en ce que la fréquence d'un oscillateur à fréquence fixe est modifiée par remplacement de la cavité. 10.- Procédé de préparation de cavités selon l'une quelconque des revendi- cations là 9, caractérisé en ce qu'on découpe une barre de quartz en petits tronçons ayant les dimensions requises, en ce qu'on applique sur ces petits tronçons de barres une première couche métallique mince, et en ce qu'on applique sur ladite première couche mince une seconde couche plus épaisse. l1.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on applique la première couche en utilisant un bain de métal conducteur, ou bien en effectuant un dépôt à la brosse avec une peinture métallique, tandis qu'on dépose la seconde couche par un processus galvanique.