Brevet FR2528632A1 — publié le 19831216

DISPOSITIF DE MESURE DU TAUX D'HARMONIQUES D'UN TUBE HYPERFREQUENCES La présente invention concerne un dispositif de mesure du taux d'harmoniques d'un tube hyperfréquences. Dans certains domaines, tels que les systèmes de transmission de données par faisceaux herziens, on cherche à mesurer le taux d'harmoniques des tubes hyperfréquences utilisés Dans l'art antérieur, on mesure ce taux d'harmoniques, pour les faibles niveaux de puissance, en utilisant des atténuateurs à lames rotatives dont l'atténuation est constante en fonction de la fréquence. On a aussi essayé de mesurer ce taux d'harmoniques, sans grand succès, en utilisant des coupleurs. La présente invention concerne un dispositif de mesure du taux d'harmoniques d'un tube hyperfréquences qui cornporte: - un atténuateur, relié par l'une de ses extrêmités au tube hyperfréquences, cet atténuateur étant constitué d'un guide d'ondes rectangulaire, de section constante, avec, inséré dans au moins deux de ses parois, un matériau absorbant non magnétique et peu résistif; - une transition, reliée à l'autre extrêmité de l'atténuateur, dont la loi de variation de la section assure l'adaptation de la charge vue par le tube pour les fréquences harmoniques, réfléchit le fondamental et laisse passer les harmoniques; - des moyens de mesure de la puissance reliés à la transition. Parmi les avantages du dispositif de mesure selon l'invention, on peut citer - le fait qu'il soit utilisable pour des niveaux de puissance élevés, de plusieurs centaines de watts à quelques kilowatts, par exemple; - sa grande souplesse d'utilisation ; comme l'on maîtrise l'évolution de l'atténuation en fonction de la fréquence, il est possible de s'adapter aux différentes valeurs du taux d'harmoniques à mesurer. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre exemple non limitatif, et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, le schéma du dispositif de mesure du taux d'harmoniques d'un tube hyperfréquences selon l'invention; - les figures 2 et 3, deux vues en perspective montrant la constitution de l'atténuateur utilisé dans le dispositif selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure 1 est le schéma du dispositif de mesure du taux d'harmoniques bun tube hyperfréquences selon l'invention. Ce dispositif est constitué d'un atténuateur 1 dont l'une des extrêmités, celle de gauche sur la figure est reliée à un tube hyperfréquences non représenté, un tube à onde progressive par exemple. Une flèche surmontée de l'expression : F0 + 2 Fo + 3fi... montre symboliquement que le tube envoie vers l'atténuateur de la puissance à la fréquence fondamentale Fo et aux fréquences harm niques 2Fo, 3fi... Cet atténuateur est refroidi par un dispositif de refroidissement quelconque 2, à circulation de fluide par exemple. L'autre extrêmité de l'atténuateur est reliée à une transition 3 connectée à des moyens de mesure de la puissance constitués par une sonde 4, qui est par exemple une thermistance ou un thermocouple, et par un milliwattmètre 5. L'atténuateur de la figure 1 est représenté, vu en perspective, sur les figures 2 et 3. Il s'agit d'un guide d'ondes rectangulaire 6 de section ont tante. Le mode fondamental propagé est le plus souvent le mode TElo. Comme cela a été représenté sur les figures 2 et 3, ce guide tondes comporte, inséré dans au moins deux de ses parois, un matériau absorbant 7, non magnétique et peu résistif. Sur la figure 2, l'absorbant 7 est disposé sur les petits côtés du guide et sur la figure 3, l'absorbant est disposé sur les grands côtés du guide. Le matériau absorbant utilisé doit avoir des propriétés cons tantes en fréquence, ce qui élimine la majorité des produits généralement utilisés, comme ECCOSORB ou DISARAL (marques déposées). Pour être absorbant, ce matériau doit être résistif, mais il faut que sa résistivité soit assez faible pour éviter les conversions de modes, inférieure à 15 Sl. cm environ. Enfin, il est nécessaire que ce matériau puisse dissiper de fortes puissances, donc subir des élévations de température importantes, sans modification de ses propriétés. On peut utiliser comme matériau absorbant du carbure de silicium SiC pur ou mélangé. Pour obtenir une résistivité faible, on peut utiliser un mélange comportant de l'ordre de 80 à 90 % de carbure de silicium, les 10 ou 20 % restants sont constitués par exemple d'alumine. A la place du carbure de silicium, on peut utiliser des céramiques imprégnées de métaux ou de carbone. Sur les figure 2 et 3, on constate que les absorbants ont des extrêmités effilées de façon à obtenir une bonne adaptation. En insérant le matériau absorbant dans les parois du guide, on évite qu'un obstacle ne vienne perturber les champs et qu'il y ait conversion de mode pour les fréquences harmoniques. Ecrivons les équations des champs dans le cas où le mode fondamental propagé par le guide d'ondes faisant partie de l'atténuateur est le mode TElo: H = - Eo # . sin #X x # #g a Hz = - J Eo - - Q 2 2a a Ey = Eo . sin a où a est la longueur du grand côté du guide, -A est la longueur d'onde dans l'espace libre et X la longueur d'onde guidée et où t est une constante égale à ###/# . Ces champs peuvent aussi s'écrire en remplaçant par des constantes A, B, et C les termes qui ne sont pas liés à la fréquence Hx =A. ( g Hz = B. -A E y La puissance transportée reste constante mais l'amplitude des champs Hx et H z à l'intérieur du guide dépend de la fréquence. Le champ Hx qui est nul aux extrêmités du grand côté du guide et maximal en son milieu, augmente avec la fréquence car # / #g tend alors vers 1. Le champ H qui est maximal sur les petits côtés du guide z décroît lorsque la fréquence augmente. Lorsque la fréquence augmente, les champs se concentrent donc au milieu du guide, au détriment des zones situées vers les petits côtés du guide. II apparaît donc qu'en insérant un matériau absorbant dans les petits côtés du guide, l'atténuation diminue lorsque la fréquence augmente. Les harmoniques sont donc moins atténués que le fondamental. Par contre, en insérant un matériau absorbant dans les grands côtés du guide, I'atténuation augmente avec la fréquence. Les harmoniques sont donc plus atténuées que le fondamental. En répartissant judicieusement le matériau absorbant sur la section du guide, on maîtrise l'évolution de l'atténuation en fonction de la fréquence. On peut donc s'adapter aux différentes valeurs du taux d'harmoniques à mesurer, comme on le verra ultérieurement par deux exemples, et réaliser un atténuateur à atténuation croissante, décroisante ou constante. Mise à part sa fonction d'atténuation variable ou constante avec la fréquence, I'atténuateur selon l'invention doit bien entendu assurer l'adaptation de la charge vue par le tube pour le mode fondamental. L'atténuateur qui vient d'être décrit de façon détaillée est suivi par la transition 3. Cette transition ne doit pas introduire de conversion de mode. Elle doit donc être suffisamment longue et la loi de variation de sa section est avantageusement approximativement gaussienne ou cosinusoidale par exemple. La loi de variation de la section de la transition est aussi choisie pour assurer l'adaptation de la charge vue par le tube pour les fréquences harmoniques, pour réfléchir le fondamental et pour laisser passer les harmoniques. De telle transitions sont bien connues. La transition 3 est reliée à des moyens de mesure de la puissance constitués par une sonde 4 et un milliwattmètre 5. Ces moyens ne reçoivent que les modes harmoniques et les mesurent. Ils permettent d'obtenir le taux d'harmoniques. On va maintenant donner, à titre d'exemple, les résultats obtenus lors de deux expérimentations du dispositif de mesure du taux d'harmonique d'un tube hyperfréquences selon l'invention. Le guide utilisé pour constituer l'atténuateur est de dimensions: a = 19,05 cm et b = 9,52 cm. Il est prévu pour fonctionner dans la bande 10 - 15 GHz. Le matériau absorbant utilisé est du carbure de silicium mélangé à un liant. Dans un premier cas, I'absorbant a été disposé sur les petits côtés du guide. Les résultats suivants ont été obtenus: -Fréquence (GHz) 10 12 15 23 26 - Atténuation (dB) 15 9 6,5 1,7 2 On constate donc que l'atténuation diminue lorsque la fréquence augmente. Les harmoniques sont donc moins atténués que le fondamental, et on peut donc les mesurer avec plus de précision. Dans certains cas, il arrive que l'on désire atténuer davantage les harmoniques que le fondamental car, par exemple, leur puissance n'est pas facilement mesurable avec les appareils de rnesure courants. En particulier, il faut noter que les puissances entre 10 mW et 50 W sont très difficiles à mesurer en haute fréquence. Dans le deuxième cas expérimenté, avec le même guide que pour le premier cas, mais en disposant le matériau absorbant sensiblement au milieu des grands côtés, l'atténuation augmente légèrement avec la fréquence comme le montrent les résultats enregistrés - Fréquence (GHz) 10 12 15 22 24 26 - Atténuaticn (dB) 16,3 15,8 16,2 18,4 19 20 Il serait possible d'obtenir une atténuation sensiblement constante avec la fréquence en disposant le matériau absorbant toujours au milieu des grands côtés mais en augmentant sa largeur. Il faut noter que pour les deux expérimentations réalisées le rapport d'ondes stationnaires mesuré jusqu'à 26 GHz est dans tous les cas inférieur à 1,07. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du taux d'harmoniques d'un tube hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte: - un atténuateur (1), relié par l'une de ses extrêmités au tube hyperfréquences, cet atténuateur étant constitué d'un guide d'ondes rectangulaire (6), de section constante, avec, inséré dans au moins deux de ses parois, un matériau aborbant (7) non magnétique et peu résistif ; - une transition (3), reliée à l'autre extrêmité de l'atténuateur, dont la loi de variation de la section assure l'adaptation de la charge vue par le tube pour les fréquences harmoniques, réfléchit le fondamental et laisse passer les harmoniques; - des moyens de mesure de la puissance (4,5) reliés à la transition. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau absorbant (7) est inséré dans les grands côtés du guide rectangulaire (6) constituant l'atténuateur (1). 3. Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le matériau absorbant (7) est inséré dans les petits côtés du guide rectangulaire (6) constituant l'atténuateur (1). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau absorbant (7) est du carbure de silicium. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau absorbant (7) est un mélange comportant de l'ordre de 80 à 90 % de carbure de silicium. 6. Dispositif selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que le matériau absorbant (7) est constitué de céramiques imprégnées de métaux ou de carbone. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mode fondamental se propageant dans le guide rectangulaire (6) constituant l'atténuateur (1) est le mode TE10.