Brevet FR2550017A1 — publié le 19850201

La présente invention concerne les charges calorimétriques à haute énergie pour absorber l'énergie à hyperfréquence dans les guides d'ondes Ces charges sont utilisées pour mesurer l'énergie à hyperfréquence lors d'essais de composants et de systèmes On a également besoin dans certaines applications de circuits,d'un atténuateur d'onde ou d'une terminaison adaptée fermée, ou à extrémité non réfléchissante. Les charges calorimétriques ont toujours consti10 tué des éléments utiles dans les appareillages fournissant une énergie à haute fréquence Elles convertissent l'énergieàhaute fréquence pour chauffer un liquide en circulation (qui est habituellement de l'eau) L'énergie est mesurée comme étant le produit du débit de l'écoulement du li15 quide,de l'augmentationde sa température,et de sa chaleur spécifique Aux basses fréquences, les charges ont absorbé l'énergie des ondes dans des matériaux résistants qui à leur tour sont refroidis par le liquide Pour des densités d'énergie très élevées, le transfert superficielde chaleur 20 depuis le matériau résistant au liquide devient une limitation. Aux hyperfréquences, l'atténuation dans l'eau pure est suffisamment élevée pour que l'onde soit généralement absorbée par perte diélectrique dans l'eau La char25 ge est alors constituée par: un guide d'ondesd'entrée, une chambre de propagation des ondes, remplie au moyen d'un liquide en circulation, une fenêtre diélectrique à faible perte séparant le liquide et le guide d'ondes et des instruments pour mesurer le débit et l'augmentation de tempé30 rature du liquide. De nombreux agencements géométriques ont été utilisés, certains des problèmes posés consistant à répartir la dissipation d'énergie sur un volume approprié de liquide et à fournir une adaptation, à large bande, de l'onde dans le liquide ayant une constante diélectrique constante. Un but de l'invention est de fournir une charge calorimétrique à-guide d'ondes pour une onde avec un champ électrique circulaire. Un autre but de l'invention est de réaliser une 5 charge qui puisse supporter des énergies très élevées, à de très hautes fréquences. Un autre but de l'invention est de fournir une charge compacte et robuste. L'invention a également pour but de fournir une 10 charge qui soit bien adaptée à son guide d'ondes sur une large bande de fréquences. L'invention a enfin pour but de fournir une charge qui soit facile à fabriquer. Ces buts sont atteints au moyen d'une charge com15 portant une fenêtre cylindrique à l'extérieur du guide d' ondes entourée d'une jaquette d'eau L'énergie des ondes se propageant vers le bas, le guide comporte une déviation vers l'extérieur à travers la fenêtre au moyen d'un élément métallique conique réfléchissant qui est co-axial 20 au guide d'ondes circulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre faite en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et dans lequel: la Fig l est une vue en section axiale d'une charge de la technique antérieure; la Fig 2 est une vue en section axiale d'une autre charge de la technique antérieure comportant une surface absorbante plus étendue; la Fig 3 est une vue en section axiale d'une charge à laquelle est appliquée l'invention; la Fig 4 est une vue en section axiale d'un autre mode de réalisation de l'invention. Dans la charge de la technique antérieure repré35 sentée à la Fig l, un guide d'ondes 10 dont l'extrémité d'entrée comporte une bride 12 destinée à être reliée à une source d'énergieest formé par une fenêtre diélectrique 14 en arrière de laquelle le guide d'ondes 10 est rempli d'eau 16 L'extrémité du guide d'ondes 10 est fermée par une paroi métallique 18 à travers laquelle on fait circu5 ler l'eau par des tubes d'entrée et de sortie 20, 22 Des instruments (non représentés) sont utilisés pour mesurer l'augmentation de la température et le débit de l'eau Comme décrit dans US-A-3 445 789 du 20 mai 1969, la chambre à eau peut comporter une cloison déflectrice pour diriger 10 le courant d'eau sur la fenêtre 14 Le guide d'ondes 10 peut être soit circulaire soit rectangulaire. Pour une adaptation,à large bandeentre le guide d' ondes 10 rempli d'air et l'eau 16, la fenêtre 14 présente de préférence une constante diélectrique qui est la moyen15 ne géométrique de celles de 1 'air et de l'eau et est égale à 1/4 de la longueur d'onde dans le guide d'ondes, en épaisseur La céramique à haute teneur d'alumine présente la constante diélectrique préférée d'environ 9, et présente d'excellentes propriétés physiques et diélectriques. 20 On a représenté en section axiale à la Fig 2 une autre charge de guide d'ondes de la technique antérieure Dans cet exemple le guide d'ondes 10 ' est cylindrique et la fenêtre diélectrique 24 présente la forme d'un étroit cône creux De l'eau circule à travers une entrée 20 ' au voisinage du sommet du cône 24 ', sur la surface de la fenêtre 24 et à travers un orifice de sortie 22 ' situé au voisinage de la base du cône 24 La charge représentée à la Fig 2 répartit l'énergie sur une surface plus grande d'interface céramique-eau et est ainsi capable de traiter 30 plus d'énergie que la charge simple représentée à la Fig l. Cependant, le cône 24 en céramique constitue une pièce coûteuse et difficile à fabriquer aux tolérances nécessaires. Le meulage de l'intérieur d'un cône étroit est particulièrement difficile. Des progrès rapides sont actuellement faits pour engendrer des énergies très élevées à des hyperfréquences très élevées Le générateur le plus récent est un tube à électrons à champ croisé "gyrotron" La sortie d'un tel tube s'effectue de façon caractéristique dans un guide d'ondes transmettant un mode avec un champ électrique cir5 culaire transversal T Eon Les niveaux d'énergie et de fréquence sont trop élevés pour la plupart des charges à eau de la technique antérieure On a proposé des charges dans lesquelles l'énergie s'évacue graduellement à partir d'une grande longueur de guide d'ondes Cependant, les modes im10 pliqués d'ordre élevé tendent à se poursuivre largement dans une direction vers l'avant (pour "rayonner") dans le guide d'ondes dont les dimensions sont importantes par comparaison à une longueur d'onde dans l'espace libre De telles charges sont de ce fait encombrantes et coûteuses. La Fig 3 est une vue en section axiale d'une charge à laquelle est appliquée l'invention et qui résoud la plupart des problèmes posés par les charges de la technique antérieure Cette charge est compacte, facile à fabriquer, et peut être conçue pour la dissipation de toute énergie de densité apipropriée L'onde pénètre à travers un guide d'ondes 30 qui peut être de section transversale rectangulaire ou de préférence circulaire Le corps absorbant de la charge est disposé dans une enveloppe cylindrique métallique fermée 32 qui est de façon caractéris25 tique,-mais non pas nécessairement, un peu plus grande que le guide d'ondes d'entrée 30 L'enveloppe cylindrique 32 est fermée à ses deux extrémités par des plaques d'extrémité métalliques 34, 36 La fenêtre diélectrique 38 est disposée à l'intérieur du cylindre 32 co-axialement à ce30 lui-ci, cette fenêtre étant constituée par un cylindre creux, de préférence en céramique, fermé à ses extrémités sur les plaques d'extrémité 34, 36 Le liquide absorbant 40 circule entre l'enveloppe 32 et la fenêtre 38 dans un passage cylindrique 41 qui présente une épaisseur dans le sens radial afin d'absorber l'onde de façon importante dans un passage vers l'extérieur et en réflexion en retour vers l'intérieur. Un mode de champ électrique circulaire d'ordre élevé passerait normalement à travers la longueur de la fenêtre 38 sans un étalement suffisant pour orienter la plus grande partie de son énergie dans le fluide 40 Pour obtenir la diffusion désirée sur la longueur désirée (pour maintenir la densité de l'énergie dans -des limites voulues), il est prévu un c 8 ne conducteur 42 par exemple en cuivre, disposé co- axialement à l'intérieur de la fenêtre 10 38 avec sa base jointe de façon étanche à la plaque d'extrémité 36 et avec son sommet dirigé vers l'onde entrante. L'angle OL du cône 42 est choisi de façon à procurer la longueur axiale désirée de la surface de dissipation d'énergie L'onde entrante est réfléchie par la surface externe du cône 42, vers l'extérieur à travers la fenêtre 38 dans le fluide absorbant 40 En particulier pour un mode T Eon dont le champ électrique est parallèle à la suron face du c 8 ne 42, la reflexion de l'onde est tout à fait spéculaire Des flêches 44 indiquent la direction du cou20 rant d'énergie Pour extraire la chaleur engendrée dans le réflecteur 42 par le passage du courant à hyperfréquence, on fait circuler le fluide 40 à travers l'intérieur creux 46 par l'intermédiaire de raccords d'entrée et de sortie 48, 50 Ce courant de fluide peut être réalisé en 25 série avec l'écoulement à travers le passage principal 41 d'absorption, en sortant par un raccord de sortie 52 En variante, les deux trajets d'écoulement peuvent être réalisés en parallèle Avec un tel refroidissement, le réflecteur 42 peut être fait d'un conducteur à haute résis30 tance, tel qu'un acier inoxydable austenitique pour contribuer à absorber une partie de l'énergie. Le réflecteur 42 ne présente pas nécessairement une forme réellement conique En fait, si la configuration du mode à absorber est connue, la forme peut être calculée 35 pour assurer la répartition la plus uniforme de la dissipation, et ainsi la plus courte longueur de la charge. La Fig 4 montre schématiquement une forme qui peut être utilisée pour le mode T Eo 1 Dans cet exemple il n'y a pas de champ électrique sur l'axe et de ce fait pas d'écoulement d'énergie Le nez 54 du réflecteur 42 ' qui réfléchit 5 le faible champ paraxial peutêtre épointé comme représenté afin de réfléchir cette énergie sur une courte distance. La forme épointée est avantageuse pour fabriquer le réflecteur 42 ' par hydroformage. Les avantages de la charge suivant l'invention comprennent: une courte longueur axiale, dûe à la commande de la répartition de l'énergie, la robustesse, la facilité de fabrication, et en particulier de la fenêtre diélectrique cylindrique qui est facile à réaliser en céramique meulée avec précision, et une bonne adaptation à l'onde 15 entrante. REVENDICATIONS 1 Charge à micro-ondescaractérisée en ce qu'elle comprend une chambre creuse ( 32) ayant des parois qui dans leur ensemble sont conductrices, un cylindre diélectrique ( 38) disposé à l'intérieur de ladite chambre et fermé sur les extrémités ( 34, 36) de ladite chambre, des moyens ( 48, 52) pour faire circuler un fluide ( 40) absorbant les ondes entre ledit cylindre diélectrique ( 38) et ladite chambre ( 32), un guide d'ondes ( 30) débouchant à l'intérieur dudit cylindre, et un élément conducteur ( 42) réflé10 chissant les ondes, disposé à l'intérieur dudit cylindre, dont le sommet est dirigé vers ladite ouverture, de telle sorte qu'une onde électro-magnétique pénétrant dans ladite chambre à travers ladite ouverture est au moins partiellement reflêchie par ledit élement réfléchissant ( 42) vers 15 l'extérieur à travers le cylindre diélectrique ( 38) dans ledit fluide ( 40). 2 Charge à micro-ondessuivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément réfléchissant ( 42) est un c 8 ne métallique. 3 Charge à micro-ondessuivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément réfléchissant ( 42) est relié à l'extrémité ( 34) de ladite chambre ( 38) opposée à ladite ouverture du guide d'ondes. 4 Charge à micro-ondessuivant la revendication 25 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un passage à l'intérieur dudit élément refléchissant ( 42) pour assurer la circulation de l'agent de refroidissement. Charge à micro-ondessuivant la revendication 4, caractérisée en ce que ledit agent ( 40) de refroidisse30 ment est le même que ledit fluide absorbant les ondes. 6 Charge à micro-ondes suivant la revendication , caractérisée en ce que la surface externe dudit élément réfléchissant ( 42) est en une matière présentant une résistance électrique-élevée. 7 Charge à micro-ondessuivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit guide d'ondes ( 30) est de forme circulaire. 8 Charge-à micro-onde suivant la revendication 7, caractérisée en ce que ledit guide d'ondes est adapté 5 pour propager une onde dans un mode ayant un champ électrique circulaire transversal. 9 Charge à micro-onde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit élément refléchissant ( 42) présente la forme d'un solide de révolution autour de 1 ' 10 axe dudit cylindre ( 32). Charge à micro-ond E suivant la revendication 9, caractérisée en ce que ledit solide de révolution est conformé de façon à améliorer l'uniformité de la dissipation d'une onde dans un mode sélectionné ayant un champ 15 électrique circulaire transversal.