Brevet FR2632456A1 — publié le 19891208

Joint tournant pour la transmission d'ondes d'hyperfréquence L'invention est relative à la transmission d'ondes d'hyperfréquence en vue de l'émission et la réception de rayonnements électromagnétiques. Elle vise notamment la réalisation de joints tournants pour effectuer une telle transmission entre une première pièce et une deuxième pièce mobiles l'une par rapport à l'autre selon un mouvement de rotation autour d'un axe. De tels dispositifs peuvent par exemple recevoir une utilisation dans des radars à antennes balayantes. Ils sont disposés entre un générateur et/ou un récepteur d'ondes d'hyperfréquence et une antenne à laquelle on souhaite faire subir des mouvements de débattement sans interrompre ses fonctions d'émission ou de réception du rayonnement lectromagnétique correspondant aux ondes transmises. Dans les dispositifs connus, l'énergie d'hyperfréquence peut être transférée à l'entrée et à la sortie du joint tournant par des lignes coaxiales ou des guides d'onde, selon les formes de réalisation. La propagation de l'énergie, à l'intérieur du joint tournant lui-même, peut s'effectuer selon le mode TCEM (transverse électromagnetic) dans des réalisations de joint tournant -de type purement coaxial. Elle peut également mettre en jeu une cavité résonnante réalisée en deux parties capables d'assumer un mouvement de rotation l'une par rapport à l'autre.Dans tous ces dispositifs, l'admission et la sortie des signaux d'hyperfréquence peuvent s'effectuer soit selon l'axe de rotation du joint, soit selon une direction perpendiculaire à cet axe, soit suivant des combinaisons de ces deux formes de réalisations possibles. On parle alors de joint I, U ou L. Si les réalisations actuellement connues permettent d'obtenir des résultats satifaisants dans une gamme d'hyperfréquence relativement large et lorsque l'espace disponible pour le joint tournant est relativement grand, il subsiste des situations dans lesquelles l'emploi de joint tournant dans un encombrement réduit reste difficile. L'invention vise une réalisation de joint tournant capable de véhiculer des signaux d'hyperfréquence à des puissances relativement élevées et notamment suffisantes pour leur emploi dans certaines applications radar, et cela dans un encombrement réduit. L'invention permet en outre d'atteindre un tel objectif à l'aide d'une construction de grande simplicité aussi bien au point de vue mécanique qu'électrique. A cet effet, l'invention a pour object un joint tournant pour la transmission d'ondes d'hyperfréquence entre une première pièce et une deuxième pièce montées à rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un axe et comprenant une première portion et une deuxième portion de guide d'onde et une cavité assurant le transfert de l'énergie hyperfréquence entre ces portions de guide d'onde.Le joint tournant selon l'invention est caractérisé en ce que la cavité est définie par une première coupelle et une deuxième coupelle possédant chacune une paroi latérale annulaire fermée à une extrémité et ouverte à l'autre, ces deux coupelles étant montées à rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe desdites parois annulaires et les extrémités ouvertes de ces coupelles étant adjacentes au voisinage d'un plan perpendiculaire à leur axe de rotation, et en ce que les première portion et deuxième portion de. guides d'onde sont respectivement solidaires des premièrè coupelle et deuxième coupelle et communiquent chacune radialement avec la dite cavité par une ouverture dans la paroi latérale de la coupelle respective. Les études ët les essais effectués par le Demandeur ont montré que la forme d'exécution qui vient d'etre définie permettait d'obtenir des joints tournants de forme générale en U d'une épaisseur extrêmement réduite, cette dimension étant définie par la distance entre les extrémités fermées des coupelles. Selon une forme de réalisation- préférée, les ouvertures de communication entre les portions de guide d'onde et la cavité résonnante ont des dimensions inférieures aux dimensions internes de portions de ces guides d'onde. Lorsque les portions de guide d'onde ont des sections rectangulaires, lesdites ouvertures ont avantageusement une forme de fentes qui s'étendent parallèlement a la plus grande dimension transversale du guide d'onde respectif dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des coupelles. Les fentes réalisent un couplage électromagnétique entre les guides d' onde et la cavité délimitée par les coupelles, laquelle se comporte comme une cavité résonnante à coefficient de surtension en charge relativement faible. Dans un tel système, l'énergie se propage en mode électrique transverse dans les guides d'onde et en mode magnétique transverse dans la cavité résonnante entre les embouchures ou fentes de communication avec les guides d'onde. Le coefficient de surtension est choisi de façon à créer un mode de révolution suffisamment fort dans la cavité pour que la transmission d'un guide d'onde à l'autre ne dépende pas de la position des coupelles autour de leur axe de rotation, c'est-à-dire de l'angle entre les deux portions de guide d'onde. On observe que la fréquence de résonance de la cavité ne dépend que du diamètre de celle-ci et non de son épaisseur. I1 en résulte que cette dernière peut être choisie à des valeurs faibles. Les portions de guide d'onde réalisées en la liaison avec la cavité peuvent être logées dans un intervalle d'épaisseur non supérieure à celle de la cavité. On obtient ainsi un dispositif de joint tournant plat qui se prete bien à la constitution d'empilages de tels joints tournants. Ces empilages permettent de donner plusieurs degrés de liberté à un assemblage entre une partie fixe et une partie mobile entre lesquelles on fait se propager une énergie d'hyperfréquence. Compte tenu de la condition exposée ci-dessus, on choisit le coefficient de surtension en charge de la cavité à une valeur suffisamment faible pour permettre une bande passante relativement large eu égard aux conditions d'utilisation. Dans le sens transversal, le diamètre des coupelles est détermine en fonction de la fréquence centrale de la bande d'hyperfréquence dont on cherche à assurer la transmission. On a observé que.le fonctionnement de la cavité résonnante limitée par les deux coupelles s'effectue dans des conditions satisfaisantes, en ménageant un simple entrefer entre les extrémités ouvertes des deux coupelles. Celui-ci peut etre formé par les bords en regard des parois latérales des deux coupelles. On obtient ainsi un bon couplage à l'aide d'un dispositif extremement compact et on évite, lorsque les dimensions du joint à réaliser sont très petites, d'avoir recours à des chicanes de liaison entre les parties fixe et mobile du joint pour le piégeage de l'énergie transmise. Une telle transmission par piégeage est classique dans les joints tournants de l'art antérieur. Cependant, la dimension des chicanes dépend de la longueur des ondes à transmettre. Cette condition les rend inadaptées à certainesréalisations de faible encombrement. Selon une autre forme d'exécution, l'entrefer entre les deux coupelles peut être réalisé en prévoyant que, du c8té de son extrémité ouverte, la paroi latérale de l'une des coupelles présente une extension annulaire dont le diamètre externe est inférieur au diamètre interne de l'autre coupelle et qui est engagées dans cette dernière de façon à ménager entre elles un entrefer cylindrique. I1 est également possible, selon encore une autre forme d'exécution, de relier électriquement les coupelles l'une à l'autre en prévoyant un contact glissant entre leurs bords externes. Dans tous les cas, on réalise un joint tournant dont la cavité est dépourvue de tout système mécanique. I1 en résulte une très grande simplicité de réalisation qui se traduit par des avantages sur le plan du coût de réalisation, de la reproductibilité d'un joint tournant à l'autre, et de la dispersion des caractéristiques. Le déplacement des coupelles l'une par rapport à l'autre s'effectue au voisinage du plan-médian de la cavité, c'est-à-dire dans une zone où le champ électrique est faible Ceci contribue également à l'uniformité de la transmission de l'énergie d'un guide d'ondes à autre, quelle que soit la position respective de ces guides. En ce qui concerne la réalisation mécanique, un mode préféré prévoit une liaison à billes entre les deux coupelles au voisinage de leurs extrémités ouvertes. Cellé-ci peut être avantageusement réalisée par un chemin de billes logées dans une gorge circulaire dans la paroi externe de la première coupelle, la deuxième coupelle présentant une collerette propre à venir en appui à l'extérieur du chemin de billes. Une bague peut être montée de façon réglable sur ladite collerette pour fournir un deuxième appui à l'extérieur du chemin de billes dont la position, par rapport à la collerette, peut entre ajustée de façon à régler le serrage des billes entre la première et la deuxième coupelle. Un tel joint à billes, de forme circulaire, est disposé entre les première et deuxième portions de guide d'onde respectivement reliées à la première et'à la deuxième coupelle. I1 en résulte une structure également très simple à l'extérieur du joint tournant. Une telle structure peut être aisément réalisée par des spécialistes des structures à joints à billes de façon indépendante des dispositions spécifiques à la propagation de l'énergie d'hyperfréquence. On obtient ainsi un joint tournant présentant d'excellentes performances au point de vue mécanique, notamment du faible frottement de la résistance aux vibrations et à.l'u- sure, tout en possédant des propriétés électromagnétiques satisfaisantes avec un encombrement extrêmement restreint. A cet égard, un joint tournant selon l'invention est propre à coopérer avec des guides d'onde dits réduits", c'est-àdire de dimension inférieure aux normes habituelles et cela, en transmettant des puissances relativement élevées, notamment pour l'alimentation d'un antenne dans des applications radar. Des explications supplémentaires et la description, à titre non limitatif, d'un mode de réalisation de l'invention sont données ci-après en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe diamétrale d'un joint tournant selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale du joint de la figure 1 selon la ligne II-II de la figure 1 - les figures 3 et 4 illustrent, dans un plan de coupe diamétrale analogue à celui de la figure L des variantes de réalisation de l'interface entre les coupelles d'un joint tournant selon l'invention. Un joint tournant 10 (figure 1) comprend deux coupelles métalliques 12 et 14 montées à rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un axe 15. Ces coupelles comprennent respectivement des parois latérales cylindriques 16 et 18 coaxiales, centrées sur l'axe 15,et sont fermées à l'une de leurs extrémités par une paroi de fond circulaire, respectivement 20 et 22. A leurs extrémités opposées, les coupelles 12 et 14 sont ouvertes et disposées face à face, de telle sorte que les bords respectivement 24 et 26 de leurs parois latérales 16 et 18 soient disposés en regard et séparés par un intervalle d'entrefer radial 25.Les diamètres internes des parois latérales 16 et 18 sont égaux, l'intérieur de ces coupelles définissant une cavité 28 entre les parois de fond 20 et 22 Au voisinage de son extrémité ouverte, a coupelle 14 comprend dans la face externe de sa paroi latérale 18, une gorge à section transversale en V 30 qui loge des billes 32 sur tout son pourtour. Du côté de son extrémité ouverte, la coupelle 12 comporte une collerette 34 qui est en saillie par rapport à la face extérieure de sa paroi latérale 16. Le diamètre interne de la collerette 34 est supérieur au diamètre externe de la paroi latérale 18 de la coupelle 14 dans laquelle est formée la gorge 30. La collerette 34 fait saillie par rapport au plan du bord de joint 24 de la coupelle 12, de telle façon que llextrémité ouverte de la coupelle lo peut venir se loger à l'intérieur de ce oellersse j'usp 'à ce que le bord intérieur biseauté ou chanfreiné 36 de la collerette vienne en appui contre les billes 32 logées dans la gorge 30. La surface cylindrique externe 38 de la collerette 34 présente un filetage sur lequel vient se visser une bague 40 à section transversale en forme de L. La tige du L est taraudée intérieurement. te pied 42 du L est dirigé radialement vers l'axe 15 et présente une extrémité biseautée 44 propre à venir en appui contre les billes 32 du chemin de billes 30 dans une-direction symétrique, par rapport à la normale à l'axe 15, de la direction d'appui de la collerette 34 sur ces billes. Lorsqu'on rapproche, par vissage, la bague 40 de la collerette 34, l'action conjuguée des bords chanfreinés 44 de la bague et 36 de la collerette exerce un effort de serrage sur les billes 32. La résultante de cet effort, dirigée dans une direction sensiblement radiale , applique les billes contre les parois de la gorge en forme de V 30.On parvient ainsi, par un réglage approprié de la position de la bague 40 sur le pied de la collerette 38, à régler le jeu du joint à billes 32 réalisant la liaison à rotation entre les coupel -les 12 et 14 autour de l'axe 15. On peut prévoir, avant le réglage définitif de ce serrage, de roder les faces d'appui des coupelles sur le chemin de billes 32 par une mise en rotation prolongée provoquant une légère usure des faces en contact. I1 est également possible d'usiner au départ les faces internes de la gorge 30 et les faces d'appui 36 et 44 pour leur conférer une légère concavité rendant un tel rodage inutile. La paroi latérale 16 de la coupelle 12 est traversée., par une fente 50 dont la dimension axiale ou largeur, parallèlement à l'axe 15, est relativement petite par rapport à la dimension correspondante de la paroi latérale 16. Cette fente 50 est visible sur la figure 2. Elle est allongée dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe 15 sur une longueur d'arc relativement importante dans la paroi latérale 16. Autour de l'ouverture 52 au débouché de cette fente dans- la face externe 54 de la paroi latérale 16, est disposé un guide d'onde 60 à section transversale rectangulaire qui se raccorde à la paroi 16 suivant un contour délimité par deux portions de génératrices 62 et 64 (figure 2) et deux arcs de cercle 66 et 68 à l'intérieur du guide. Ainsi qu'on l'a indiqué, ce contour a des dimension supérieures à celles de la fente 50, tant dans le sens axial que dans la direction perpendiculaire. Le guide d'onde 60-a un axe 65 sécant avec l'axe 15. A son extrémité 69 opposée à la coupelle 12, il présente une bride rectangulaire 70 de raccordement à une structure d'entrée et/ou de sortie, non représentées.Considéré selon une section perpendiculaire à son axe 65, le guide d'onde a une dimension e plus petite parallèlement à l'axe 15 (épaisseur) que la dimension L dans la direction perpendiculaire à celui-ci (figure 2). Dans la réalisation représentée les faces internes 53 de la fente 50 sont parallèles à l'axe 65 (figure 2) ; mais elles pourraient être dirigées autrement, par exemple radialement. Vers l'avant de la coupelle 12, la face extérieure 72 du guide d'onde 60 est appliquée contre la face postérieure 35 de la collerette 34. La face extérieure opposée 73 du guide 60 est sensiblement dans le plan de la face externe de la paroi de fermeture 20. Afin d'assembler le guide 60 avec la face latérale externe de la coupelle 12, celui-ci est prolongé par une portion annulaire 75 qui est enfilée autour de la coupelle 12 et soudée à cette dernière (figures-l et 2). De la même façon, à coupelle 14 est associé un guide d'onde 80 terminé par une bride 81 à une extrémité et débouchant à son autre extrémité, reliée à la face externe 82 de la paroi latérale 18, dans une fente incurvée 56 ménageant une communication entre l'intérieur de ce guide d'onde 80 et l'intérieur de la coupelle 14. Les dimensions relatives de la fente 56 et du guide d'onde 80 sont identiques à celles évoquées à propos de la fente 50 et du guide d'onde 60. Le guide d'onde 80 est assemblé avec l'extérieur de la coupelle 14, grâce à un prolongement annulaire 83, par soudure. La face interne 84 du guide d'onde 80 est disposée à une distance suffisante de la gorge 30 pour ménager l'espace requis pour la branche 42 de la bague 40. Grâce au montage qui vient d'être indiqué, les deux guides d'onde 60 et 80 peuvent prendre des positions angu laires quelconques l'un par rapport à l'autre autour de 1' axe 15, par simple rotation de la coupelle 14 autour de la coupelle 12. Pour la clarté des explications, on a représenté sur la figure 1 ces deux guides d'onde ou portions de guides d'onde dirigés suivant la même direction. Lorsqu'on alimente l'un d'eux, par exemple le guide d'onde 80 (flèche 90), par une énergie d'hyperfréquence, dans la bande passante du dispositif,cette énergie se transmet en mode transverse électrique TE1O (mode fixé par la forme rectangulaire du guide d'ondes. Elle parvient à la fente de couplage 56 à l'entrée de la cavité 28 par laquelle s'effectue une conversion de la propagation d'énergie en mode transverse magnétique TMolO. La cavité 28 agit comme une cavité résonnante. Ses dimensions sont déterminées de telle manière que le mode de propagation à l'intérieur de l es- pace délimité par les faces internes des coupelles 12, 14 soit sensiblement de révolution.Dans ces conditions, quelle que soit la position angulaire relative des fentes 56 et 50, l'énergie admise à la périphérie de la coupelle 14 se propage vers l'axe 15 et, de celui-ci vers la périphérie deYa coupelle 12 où elle peut être prélevée par la fente 50 qui effectue le couplage entre l'intérieur de la cavité 28 et le guide d'onde 60. Celui-ci transmet les ondes dans le sens indiqué par la flèche 92 en mode transverse électrique. On a représenté par une ligne en tirets 100 l'enveloppe des extrémités de vecteur champ électrique à l'intérieur de la cavité 28 (vecteursl02). On constate que le champ électrique a une valeur minimale à la périphérie de la cavité, donc au niveau de la zone d'entrefer 25 entre les bords en regard des coupelles 12 et 14. Il en résulte une zone à faible différence de potentiel, effet favorable à l'admission de puissances élevées. La réalisation qui vient d'être décrite est notamment remarquable en ce qu'elle permet de transmettre des puissances qui peuvent atteindre plusieurs centaines de watts pour des fréquences situées entre 10 et 20 GHz avec des guides d'onde 60 et 80 et des coupelles 12 et 14 de dimensions réduites. A cet égard, on peut par exemple transmettre l'énergie à une fréquence de la bande indiquée avec des guides d'onde d'épaisseur ou hauteur e égale à 3mm et de largeur L égale à 15mm par opposition à des dimensions standard de 8x16mm. Avec ces portions de guide d'onde, l'épaisseur totale du joint tournant 10 (distance entre les parois 20 et 22) peut être inférieure à lOmm pour un diamètre total des coupelles inférieur à 22mm. I1 est intéressant de noter en particulier que la fréquence de résonance de la cavité 28 responsable de la propagation à l'intérieur du joint tournant, ne dépend pas de l'épaisseur de celle-ci, qui peut donc être rendue aussi petite que possible. Elle dépend en revanche du diamètre de la cavité. Celui-ci est donc déterminé en fonction des fréquences à transmettre. Dans tous les cas, la réalisation décrite permet de réaliser des joints tournants très plats, d'une grande simplicité tant au point de vue électrique qu'au point de vue mécanique. Un joint à billes 32, 34 et 40 peut etre réalisé avec une grande précision. I1 représente un mode de liaison à rotation très simple à faible coefficient de frottement et peu sujet aux vibrations dans un encombrement compatible avec les données d'utilisation évoquées ci-dessus. Les coupelles peuvent être avantageusement réalisées en un matériau tel que du bronze au beryllium recouveru d'un dépôt anti-oxydation tel qu'à l'argent et/ou à l'or. Ce matériau possède une bonne conductibilité électrique tout en étant très dur, caractéristique souhaitable pour la réa lisation du joint à billes. Les portions annulaires de guide d'onde 75 et 83 sont soudées-à l'étain sur les coupelles. L'entrefer 25 est suffisant pour assurer la fermeture électrique entre les coupelles. Il permet un fonctionnement satisfaisant sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à des chicanes pour le piégeage de l'énergie. De telles chicanes, aux fréquences envisagées, seraient incompatibles avec la faible épaisseur prévue pour le dispositif 10. On peut augmenter les surfaces en regard des coupelles métalliques 12 et 14 au niveau de leurs extrémités ouvertes, comme représenté sur la figure 3 sur laquelle on a conservé les mêmes numéros de références pour les éléments identiques. L'extrémité ouverte 14A de la coupelle 14 est prolongée axialement par une portion en forme de bague 110 qui pénètre à l'intérieur de l'extrémité ouverte 12A de la coupelle 12, de façon à ménager entre la face interne de celle-ci et la bague 110 un entrefer 112 de forme annulaire centré sur l'axe 15 qui vient s'ajouter à l'entrefer radial 114 entre les bords en regard des extrémits 12A et 14A des coupelles. Selon une autre forme de réalisation montrée å la figure-4, une ou plusieurs lames de contact 120 sont soudées ou raccordées par tout autre moyen en 122 à la coupelle 14 sur la face interne de cette dernière du côté de son extrémité ouverte. La partie antérieure 124 de la lame souple 120 s'applique en contact élastique glissant contre la face interne 125 de la paroi annulaire 16 de la coupelle 12 du côté de l'extrémité ouverte de cette dernière. Elle pourrait encore s'appliquer, selon une autre forme de réalisation, dans l'entrefer 114 sur la paroi 16 de la coupelle 12. Revendications 1) Joint tournant pour la transmission d'ondes d"hyper- fréquence entre une première et une deuxième pièce montées à rotation l'une par rapport à l'autre autour d'un axe, et comprenant une première et une deuxième portion de guide d'onde et une cavité assurant le transfert de l'énergie hyperfréquence entre ces portions de guide d'onde, caractérisé en ce que cette cavité (28) est définie par une première et une deuxième coupelle (12, 14) possédant chacune une paroi latérale annulaire fermée à une extrémité et ouverte à l'autre, ces deux coupelles (12, 1z) étant montées à rotation l'une par rapport à l'autre autour de l'axe (15) desdites parois annulaires (16, 18) et les extrémités ouvertes de ces coupelles étant adjacentes au voisinage d'un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (15) et en ce que les première et deuxième portions de guide d'onde (zoo, 80) sont respectivement solidaires de ces première et deuxième coupelles (12, 14) et communiquent chacune radialement avec ladite cavité (28) par une ouverture (50, 56) dans la paroi latérale (16, 18) de la coupelle respective. 2 > Joint tournant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque ouverture (50, 56) a des dimensions transversales inférieures aux dimensions transversales internes de la portion de guide d'onde respective. 3) Joint tournant selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaqué portion de guide d'onde (60, 80) aune section rectangulaire et ladite ouverture (50, 56) a la forme d'une fente s'étendant parallèlement à la plus grande dimension transversale du guide d'onde dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation des coupelles (15), 4) Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux coupelles (12, 14) sont montées à rotation l'une sur l'autre par un joint à billes (30, 36) au voisinage des extrémités ouvertes-de ces coupelles. 5) Joint tournant selon la revendication 4, caractéri sé en ce que le joint à billes comprend un chemin de billes dans une gorge circulaire (30) dans la paroi externe de la première coupelle (14), une collerette (34) solidaire de la deuxième coupelle (12) et propre à venir en appui sur les billes (32), et une bague (40) associée de façon réglable à ladite collerette pour fournir un deuxième appui à serrage réglable de la deuxième coupelle (12) sur les billes (32). 6) Joint tournant selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague (40) présente une section en forme de L dont une branche radiale (42) porte à une de ses extrémités (44) sur les billes et dont l'autre branche est accouplée par vissage avec ladite collerette (34). 7) Joint tournant selon l'une des revendications pré cédentes, caractérisée en ce que les bords des extrémités ouvertes des coupelles (12, 14) sont disposés en regard et séparés par un entrefer radial (25). 8) Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première coupelle (14) se prolonge axialement par une bague ou manchon cylindrique (110) pénétrant dans la portion de cavité (28) définie par la deuxième coupelle (12) de façon à ménager un entrefer cylindrique entre cette bague (110) et la face latérale interne (112) de cette deuxième coupelle (12). 9) Joint tournant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les coupelles (12, 14) sont reliées électriquement l'une à l'autre au voisinage de leurs extrémités ouvertes par au moins un contact glissant (120). 10) Joint tournant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque portion de guide d'onde (60, 80) se termine par une bague (75, 83) montée autour de la paroi latérale externe de la coupelle (12, 14) respective.