Brevet FR2540282A1 — publié le 19840803

Charge hyperfréquence à impédance d'entrée stabilisée. La présente invention se rapporte à une charge hyperfréquence à impédance d'entrée stabilisée, compatible avec un fonctionnement à forte variation de la puissance sur son entrée, et utilisable comme charge de mesure pour générateur de grande puissance. De telles charges hyperfréquences sont connues qui sont par exemple constituées par des résistances solides, du type cylindre de carbone, refroidies par circulation d'eau autour du cylindre Mais, avec des générateurs de grande puissance fonctionnant en régime impulsionnel, la charge est soumise à des régimes transitoires fréquents et il en résulte d'importants chocs thermiques; le cylindre de carbone n'est plus suffisam- ment refroidi et peut être endommagé. D'autres charges hyperfréquences connues sont constituées par une résistance liquide faite d'un dispositif dans lequel circule un fluide conducteur; le fluide est formé, par exemple, de bicarbonate de soude dissous dans de l'eau et sa conductivité est déterminée par la concentra- tion de bicarbonate de soude La valeur de la conductivité d'un tel fluide varie fortement avec la température: pour le bicarbonate de soude dissous dans l'eau elle double quand la température augmente de 401 C. Pour stabiliser l'impédance d'une telle charge il est donc nécessaire de stabiliser la température du fluide par un refroidissement convenable. Mais, compte tenu que les échanges thermiques se font avec des constan- tes de temps assez longues, il n'est pas possible de stabiliser de façon satisfaisante lorsque le générateur de puissance, sur lequel est branchée la charge, passe par un fonctionnement transitoire ou, pire, fonctionne par impulsions longues (quelques secondes); l'adaptation de la charge au générateur ne peut donc être assurée. Le but de la présente invention est d'éviter ou, au moins, de réduire très fortement les inconvénients précités. Ceci est obtenu par l'association d'un coupleur directif à des charges qui seront dites charges auxiliaires dans ce qui suit, afin de réaliser une charge hyperfréquence à impédance d'entrée auto-stabilisée. Selon l'invention une charge hyperfréquence utilisable comme charge de mesure pour générateur de puissance et compatible avec un fonctionnement à forte variation de la puissance sur son entrée, est principalement caractérisée en ce que, de manière à assurer une auto- stabilisation de son impédance d'entrée, elle comporte: un coupleur directif à 3 d B dont un accès d'une première paire d'accès conjugués constitue l'entrée de la charge hyperfréquence; et deux charges auxiliai- l O res respectivement branchées sur les deux accès d'une seconde paire d'accès conjugués du coupleur, et en ce que les charges auxiliaires sont des charges à refroidissement par liquide. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéris- tiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent: la figure 1 une vue schématique d'une charge hyperfréquence selon l'invention, la figure 2, les réflexions successives d'une onde dans une charge selon l'invention, les figures 3 et 4 des représentations schématiques d'autres charges selon l'invention, les figures 5 et 6 deux vues d'une réalisation d'une charge selon l'invention, les figures 7 et 8 des schémas montrant une charge selon l'invention avec son circuit à refroidissement par liquide. Sur les différentes figures les éléments correspondants sont désignés par les mêmes symboles. Dans les différentes figures o des coupleurs directifs à 3 d B sont représentés, les paires d'accès conjugués sont désignées par une lettre (A, A' ou A") suivie respectivement des chiffres 1 ou 2 pour les accès d'une paire et 3 ou 4 pour les accès de l'autre paire. La figure 1 montre une charge hyperfréquence; cette charge comporte un coupleur directif à 3 d B, 1, de type croisé c'est-à-dire dont les accès conjugées AI, A 4 d'une part et A 2, A 3 d'autre part, sont situés sur une même face du coupleur, par opposition avec les coupleurs non croisés dont un schéma est, par exemple, donné sur la figure 3 La charge hyperfréquence de la figure 1, dont l'accès est constitué par l'accès AI du coupleur 1, comporte également trois charges auxiliaires, constituées par trois charges élémentaires R 2, R 3, R 4 respectivement connectées aux accès A 2, A 3, A 4 du coupleur. Si P 2, P 3, P 4 sont les coefficients de réflexion des charges élémentaires R 2, R 3, R 4 Le calcul montre et l'expérience confirme que le coefficient de réflexion P' l de la charge hyperfréquence selon la figure 1, c'est-à-dire le coefficient de réflexion de l'accès AI, est très inférieur aux coefficients 12, P 3, P 4 et donc que les variations des charges élémentaires R 2, R 3, R 4, quelle qu'en soit la cause, ne sont que partiellement répercutées sur l'accès AI de la charge hyperfréquence. Ceci est montré à l'aide de la figure 2 qui représente, en huit schémas numérotés de Sa à Sh et reliés entre eux par des flèches à simple ou 1 5 double branche, le coupleur directif I de la figure 1; sur ces différents schémas les références AI à A 4 des accès n'ont pas été reportées par souci de clarté du dessin, sauf à titre de rappel sur le schéma Sa. La figure 2 montre, par une décomposition en plusieurs étapes, ce que devient une onde, a, qui arrive sur l'accès AI de la charge hyperfré- quence, dans le cas o les coefficients de réflexion P 2, 3, P 4 des charges élémentaires R 2, R 3, R 4 (voir figure 1) sont égaux: P 2 = /3 = 4 = P L'énergie radioélectrique appliquée sur l'accès AI ressort par les accès conjugués A 2 et A 3 à égalité de puissance mais avec des ondes en quadrature de phase, ce qui est symbolisé par les valeurs a (accès A 2) et o (accès A 3), o j =r; sur l'accès A 4, conjugué de l'accès AI, n'apparaît aucune énergie. Une partie p a de l'énergie a qui sort par l'accès A 2 est refléchie; elle donne comme indiqué sur le schéma Sb: sur l'accès AI ?,4 a 1 =p a, sur l'accès A 4 r v -) 'P et, rien sur l'accès A 3. De même une partie dû de l'énergie -ô qui sort par l'accès A 3 est réfléchie; elle donne, comme indiqué sur le schéma Sc: sur l'accès AI _i Pa Pa=, sur l'accès A 4j V a = i et rien sur l'accès A 2 L'énergie qui ressort des accès du coupleur après la première réflexion sur les accès A 2 et A 3 est donnée par le schéma Sd; c'est, pour chaque accès, la somme des énergies qui, selon les schémas Sb et Sc, ressortent par l'accès considéré, ce qui donne: j Pa sur l'accès A 4 et rien sur les autres accès. Une partie j P 2 de l'énergie j Pa qui sort par l'accès M est réfléchie; elle donne, comme indiqué sur le schéma Se: rien sur l'accès AI, j P 2 a(> = P sur l'accès A 2 etj P 2 a = sur l'accès A 3 Une étude semblable à celle effectuée avec les schémas Sb, Sc et Sd mais à partir du schéma Se, montre (schémas Sf, Sg, Sh) que, après la seconde réflexion sur les accès A 2 (schéma Sf) et A 3 (schéma Sg), il ressort du coupleur (schéma Sh):-3 a sur l'accès AI et aucune énergie sur les trois autres accès. Ainsi la charge hyperfréquence selon la figure I a un coefficient de réflexion égal au cube de celui de chacune des charges élémentaires R 2, R 3, R 4 Il s'agit là d'un coefficient de réflexion nettement plus faible que celui obtenu avec une charge élémentaire classique; l'exemple suivant le montre. Avec une charge élémentaire classique, formée par une "résistan- ce liquide" dont le fluide est constitué par une solution acqueuse de bicarbonate de potassium, le rapport d'onde stationnaire, S, varie de 2 lorsque la température varie de 201 C, ce qui donne un coefficient de réflexion qui varie de la valeur O (dans la mesure o la charge était adaptée à la température initiale) à la valeur T = l l = 1 l 0,33 Pour une charge hyperfréquence selon la figure I et ayant ce type de charges élémentaires, le coefficient de réflexion passe de la valeur O à la valeur = 3 _ ( 0,33)3 = 0,027, ce qui représente une variation neuf fois plus faible que dans le cas de la charge élémentaire seule et prouve bien que les variations des charges élémentaires ne sont que faiblement répercutées sur l'entrée de la charge hyperfréquence selon la figure 1. Il est a remarquer que la vitesse de variation des charges élémentaires n'a aucune importance étant donné que la compensation de ces variations dans la charge hyperfréquence se fait instantanément Par ailleurs la puissance appliquée à la charge hyperfréquence selon la figure 1, étant partagée entre les charges élémentaires R 2 et R 3, la puissance maximum admissible pour cette charge hyperfréquence est nettement supérieure à la puissance maximum admissible pour chacune des deux charges élémentaires R 2 et R 3. Il est également à noter que le rapport des fréquences extrêmes de la bande dans laquelle une charge hyperfréquence selon la figure 1 peut être utilisée, peut aller jusqu'à 3 et même au delà, selon la stabilité recherchée; et, de toutes manières, dans une bande de f réquences d'utilisation plus large le coefficient de réflexion à Pentrée de la charge hyperfréquence ne sera jamais supérieur au coefficient de réflexion d'une charge élémentaire. La figure 3 est un schéma montrant un deuxième exemple d'une charge hyperfréquence selon l'invention Cette charge diffère sur deux points de la charge selon la figure 1: le coupleur directif 1 est un coupleur non croisé et l'accès A 4 conjugué de l'accès AI, est court- circuité Des essais comparatifs ont été effectués, d'abord avec la charge selon la figure 3, puis avec une charge élémentaire identique aux charges R 2 et R 3, branchée sur l'accès A 4; ces essais ont montré que, sans être aussi bons qu'avec une charge sur chacun des accès A 2, A 3, A 4, les résultats obtenus avec une charge selon la figure 3, restaient très nettement supérieurs à ceux obtenus avec une charge élémentaire clas- sique. Pour améliorer la stabilité obtenue grâce à la charge selon la figure 1, la figure 4 montre qu'il est possible de remplacer, par exemple, les charges auxiliaires R 2 et R 3 par des charges selon la figure 1 Ces charges hyperfréquences qui servent de charges auxiliaires sur les accès A 2 et A 3 du coupleur directif 1, sont désignées respectivement par les références 2 et 3 pour les coupleurs directifs et R'2, R'3, R'4, R" 2, R" 3, R" 4 pour les charges élémentaires branchées respectivement sur les accès A'2, A'3, A'4 du coupleur 2 et les accès A" 2, A" 3, A" 4 du coupleur 3. Les figures 5 et 6 sont deux vues d'un exemple de réalisation d'une charge hyperfréquence constituée par un coupleur directif non croisé 1 et trois charges élémentaires R 2, R 3, R 4 Cette charge hyperfréquence a été conçue pour des fréquences de travail pouvant aller de 20 à 80 M Hz ce qui représente une fréquence moyenne de 50 M Hz correspondant à une longueur d'onde de 6 mètres. La figure 5 montre un boîtier 10 dont le couvercle a été enlevé pour laisser voir les pièces qu'il contient Le boîtier 10 est un boîtier métallique en alliage d'aluminium, dans lequel sont disposées deux cor- nières LI, L 2, faites dans des plaques repliées, également en alliage d'aluminium; ces cornières ont une longueur de 1,5 m, représentant le quart de la longueur moyenne de travail de la charge 1, et sont parallèles entre elles, avec un écartement de 3 cm Les cornières constituent un coupleur directif non croisé et leurs extrémités forment les accès AI à A 4 de ce coupleur Sur l'extrémité de la cornière LI qui forme l'accès AI du coupleur, est soudé un tube métallique CI qui traverse le boîtier 10 par un trou; la traversée se fait avec isolation électrique, non apparente sur la figure 5, entre le tube CI et le boîtier Le tube CI est entouré, dans sa partie extérieure au boîtier 10, par un tube métallique C 2, concentrique au tube CI et qui est soudé, à l'une de ses extrémités, au boîtier 10 Les tubes CI et C 2 sont séparés par un diélectrique, non représenté sur la figure 5, et constituent l'accès coaxial de la charge hyperfréquence décrite. La figure 6 est une coupe suivant un plan perpendiculaire au plan de la figure 5 et passant par une droite AA indiquée en traits d'axe sur la figure 5 Dans cette vue en coupe le couvercle 11, associé au boîtier 10, a été représenté. La comparaison des figures 5 et 6 montre que, à l'extrémité A 3 de la cornière LI ainsi qu'aux deux extrémités A 2 et A 4 de la cornière L 2, est disposé un bloc métallique représenté en coupe Ce bloc métallique, tel que le bloc N, est en bronze; il est solidaire par soudure de la cornière et il est également solidaire, par soudure, d'un tube coudé conducteur, en cuivre, tel que le tube C 3 Aux deux extrémités du tube coudé aboutissent respectivement deux tubes isolants (en stratifié fibres de verre-résine), parallèles, tels que Ci et Ci', qui traversent la paroi du boîtier 10 et dont l'extrémité extérieure au boîtier est en contact avec la première face d'une plaque conductrice en bronze, telle que M, vue en coupe; cette plaque est percée de trous dont les parois sont dans le prolongement des parois internes des tubes Ci, Ci' Des tube en cuivre, tels que Cj, Cj', viennent en contact avec la seconde face de la plaque en bronze et sont disposés dans le prolongement des tubes isolants tels que Ci, Ci' Les tubes É 540282 tels que Ci, Ci', Cj, Cj' comportent une bride d'assemblage à chacune de leurs extrémités Des tôles en aluminium, telles que B, pliées en forme de tronc de cône à section rectangulaire et comportant à leur base, une bride d'assemblage, réalisent une liaison électrique entre, d'une part le boîtier 10 auquel elles sont fixées par leur bride d'assemblage et, d'autre part, la plaque métallique, telle que M, à laquelle elles sont réunies par soudure. Il est à noter que, dans l'exemple de réalisation selon les figures 5 et 6, les cornières LI, L 2 sont isolées électriquement du boîtier 10. Dans la charge hyperfréquence selon les figures 5 et 6 les tubes, tels que C 3, Ci, Ci', Cj, Cj', servent à faire circuler (voir flèche sur la figure 6) un liquide conducteur qui, dans l'exemple décrit, est obtenu par dissolution de bicarbonate de soude dans l'eau; ce liquide circule et est refroidi grâce a un ensemble "pompe aspirante et refoulante moyens de refroidissement" comme il en existe dans les résistances à circulation de liquide conducteur, de type connu. Les charges élémentaires R 2, R 3, R 4, dont il a été question à l'occasion de la description des figures 1 et 3, sont formées, dans le montage des figures 5 et 6, par la résistance que constituent les cylindres liquides contenus dans les tubes isolants tels que Ci et Ci'; ces cylindres sont montés électriquement en parallèle grâce au bloc métallique tel que N et à la plaque métallique telle que M (résistance R 4). Du point de vue hydraulique, par contre, le montage des cylindres liquides, tels que ceux que contiennent les tubes isolants Ci, Ci', est un montage en série Les figures qui suivent montrent deux manières de réaliser, à l'aide d'un seul ensemble "pompe aspirante et refoulante - moyens de refroidissement", la circulation du liquide conducteur dans la charge hyperfréquence selon les figures 5 et 6. Les figures 7 et 8 sont des schémas hydrauliques; ils représen- tent, de façon schématique, le coupleur directif, 1, des figures 5 et 6 avec ses deux cornières LI, L 2, ses accès AI-A 4 et, sur ses accès A 2, A 3, A 4, respectivement trois paires de résistances R 21-R 22, R 31-R 32 et R 41- R 42; ces résistances qui sont reliées par leur première extrémité à l'accès du coupleur, représentent chacune l'impédance du liquide conduc- teur contenu dans l'un des tubes tels que Ci et Ci' (voir figures 5 et 6) Si ce schéma était un schéma électrique les secondes extrémités des résistances d'une même paire de résistances seraient réunies puisque, comme il a été remarqué plus avant, c'est la mise en parallèle de ces impédances, grâce aux éléments tels que M et N (voir figures 5 et 6), qui donne les charges auxiliaires élémentaires R 2, R 3 et R 4. S Sur les figures 7 et 8 est également dessiné un bloc 4 représentant une pompe ou plus exactement l'ensemble "pompe aspirante et refou- lante moyens de refroidissement" déjà mentionné à l'occasion de la description des figures 5 et 6. Dans les figures 7 et 8 la circulation du liquide conducteur est indiquée par des flèches. La figure 7 est un schéma hydraulique série puisque, sous l'action de la pompe 4, le liquide conducteur passe successivement dans les résistances R 21, R 22, R 41, R 42, R 32 et R 31 Un tel circuit hydraulique est simple mais a l'inconvénient d'amener dans les résistances R 41, R 42, ia R 32, R 31 un liquide déjà réchauffé par son passage dans les résistances R 21, R 22 o se dissipe une quantité importante de lénergie appliquée sur l'entrée AI de la charge hyperfréquence. La figure 8 est un schéma hydraulique série-parallèle puisque, sous l'action de la pompe 4 une partie du liquide conducteur passe par les résistances R 21, R 22 avant de revenir à la pompe tandis que l'autre partie traverse successivement les résistances R 31, R 32, R 42, R 41 avant de revenir à la pompe Etant donné que l'accès A 4 est l'accès conjugué de l'accès AI la quantité d'énergie dissipée dans les résistances R 41 et R 42 est faible par rapport à celle dissipée dans les quatre autres résistances et l'élévation de température due au passage du liquide dans les résistances R 21, R 22, est sensiblement égale à celle due au passage dans les résistances R 31, R 32, R 42, R 41 Il en résulte que les caractéristiques des charges auxiliaires élémentaires R 2 (:R 21- R 22) et R 3 (R 31-R 32) et, avec une précision moindre R 4 (:R 41-R 42), se modifient de la même façon en fonction de l'élévation de la température. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits c'est ainsi que les charges élémentaires telles que R 2 et R 3 (figure 1), si elles ont besoin d'être à refroidissement par liquide pour évacuer les fortes quantités d'énergie mises en jeu dans les circuits auxquels ces charges hyperfré- 3 S quences sont destinées, peuvent par contre être de tout type En particu- lier il est possible d'utiliser des charges élémentaires o le liquide n'a qu'un rôle de refroidissement, la partie résistive étant par exemple constituée par un cylindre de carbone; il faut bien sûr pour cela que les puissances que peut supporter le cylindre de carbone, soient compatibles avec les puissances et les variations de puissance auxquelles il est soumis. REVENDICATIONS 1 Charge hyperfréquence utilisable comme charge de mesure pour générateur de puissance et compatible avec un fonctionnement à forte variation de la puissance sur son entrée, caractérisée en ce que, de manière à assurer une auto-stabilisation de son impédance d'entrée, elle comporte: un coupleur directif à 3 d B ( 1) dont un accès (AI) d'une première paire d'accès conjugués (AI, A 4) constitue l'entrée de la charge hyperfréquence; et deux charges auxiliaires (R 2, R 3) respectivement branchées sur les deux accès (A 2, A 3) d'une seconde paire d'accès conjugués du coupleur, et en ce que les charges auxiliaires sont des charges à refroidissement par liquide. 2 Charge hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte également une charge auxiliaire (R 4) branchée sur celui (A 4) des accès du coupleur directif ( 1) qui est le conjugué de l'accès (Ai) qui constitue l'entrée. 1 S 3 Charge hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que les charges auxiliaires sont elles-mêmes des charges hyperfré- quences ( 2-R'2-R'3-R'4, 3-R" 2-R" 3-R" 4) selon la revendication 1. 4 Charge hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisée par la combinaison d'un bottier ( 10) avec son couvercle (I 1), de deux cornières (LI, L 2) parallèles entre elles et placées dans le bottier pour constituer le coupleur ( 1), et, pour chaque charge élémentaire: d'un tube coudé conducteur (C 3), en contact électrique avec l'une des extrémités d'une des deux 2, cornières; de deux tubes isolants (Ci, Ci') dont les premières extrémités sont respectivement branchées aux deux extrémités du tube coudé; d'une plaque conductrice (M), en contact électrique avec le bottier, cette plaque ayant une face en contact avec les secondes extrémités des tubes isolants et étant percées de deux trous dont les parois sont respectivement dans le prolongement des parois internes des deux tubes isolants; d'un liquide conducteur auquel un ensemble "pompe moyens de refroidissement" ( 4) fait traverser la plaque dans un sens puis dans l'autre en passant successivement dans les deux trous.