Brevet FR2640818A1 — publié le 19900622

Absorbeur hyperfréquence de forte puissance L'invention concerne un absorbeur hyperfréquence de forte puissance. L'évolution de puissance et de complexité des charges utiles en télécommunications spatiales a conduit à la définition de tests de plus en plus complexes pour garantir leur fonctionnement en vol. Des vérifications des caractéristiques radioélectriques des systèmes d'antenne à très forte puissance sont donc apparues comme nécessaires. Ainsi les essais de multipactor ou d'intermodulation passive sont réalisés à la pression atmosphérique et le plus souvent sous vide en mode rayonné sur une source primaire ou sur une antenne complète. L'absorption d'une puissance hyperfréquence rayonnée est un problème que l'on rencontre dans la réalisation de salles de mesure "anéchoiques" (ou chambres sourdes), ou dans la protection de rayonnement parasites sur des structures (bords d'antennes, structures ou mats sur des bâteaux, des avions, etc...) Ces besoins ont conduit à la définition et à la réalisation de différents absorbants du rayonnement hyperfréquence ; ainsi - Les absorbants dit "à pointes" sont largement utilisés et sont composés de mousses légères de formes pyramidales ou alvéolées chargées de carbone. L'optimisation de l'absorbant tient à ses caractéristiques géométriques ainsi qu'au composé carbone qui l'imprègne.Ces absorbants ont une utilisation typique à la pression atmosphérique et présentent des capacités de tenue en puissance variant de 0,10 W/cm à 0,50 W/cm. Ces absorbants, de par leur géométrie, peuvent présenter de bonnes caractéristiques de réflectivité sur une grande largeur de bande, et pour des angles d'incidence importants. Leur volume et leur encombrement sont de ce fait élevés. Un absorbant de ce type est par exemple le produit dénommé "ECCOSORB VHP" de la société EMERSON et CUMING. - Les absorbants dits "plats" peuvent se présenter sous forme relativement rigide ou carrément souple, le choix dépendant du type d'application. Ces absorbants sont peu épais et nécessitent un plan de masse dû à leur fonctionnement résonnant. Ils présentent des caractéristiques d'absorption sur des bandes étroites. Leurs capacités, 2 quelques watts par cm , dépendent de la tenue en température du matériau absorbant ainsi que des caractéristiques de la colle utilisée. Les matériaux utilisés sont des composés complexes à forte permittivité ou perméabilité complexes ( g "' ") produisant le facteur de pertes. On utilise en général des composés à base de carbone ou de ferrite. Un absorbant de ce type est par exemple le produit dénommé "ECCOSORB NZ't de la société EMERSON et CUMING. - Certains produits ont été réalisés pour absorber -de fortes puissances à la pression atmosphérique. La tenue en température est alors assurée par l'utilisation d'une céramique légère et poreuse. Celle-ci est creusée sur une de ses faces par des cones tapissés de matériaux carbone qui assurent l'absorption comme dans le cas de système à pointe inversée. La capacité d'absorption nominale de 1 W/cm peut être poussée à environ 5 W/cn2 en forçant un; circulation d'air dans la céramique à l'aide d'une soufflerie correctement dimensionnée, mais se trouve de ce fait incompatible avec une utilisation sous vide. Un absorbant de ce type est par exemple le produit intitulé "ECCOSORB HT" de la société EMERSON et CUMING. - Dans les charges à eau, un cône de verre muni d'un accès à chaque extrémité, est placé longitudinalement dans un guide d'onde. Sa longueur définit l'absorption à assurer, et le débit permet d'évacuer les calories qui ont échauffé l'eau. On peut noter que la mesure de l'élévation de température de l'eau, liée au débit, permet une mesure de la puissance absorbée. La présente invention a pour but de résoudre de façon originale et sûre le problème posé par l'absorption d'un rayonnement hyperfréquence. Elle propose à cet effet un absorbeur hyperfréquence de forte puissance , caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte dans laquelle transite un fluide absorbeur et caloporteur, et un dioptre diélectrique d'adaptation à faibles pertes. Un tel absorbeur trouve des applications non seulement dans le domaine spatial, où les tests sont en général effectués sous vide, mais aussi dans tous les cas de tests où une forte puissance radiofréquence est rayonnée et doit, pour des raisons de sécurité ou de calibration, être absorbée intégralement. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 illustre schématiquement un absorbeur selon l'invention, - la figure 2 illustre le fonctionnement de l'absorbeur selon l'invention. La présente invention a été développée afin de répondre aux nouveaux besoins de tests sur les charges utiles en télécommunications spatiales et en particulier au niveau des séquences de tests relatives aux sous-systèmes antennes. Les nouveaux tests concernant la caractérisation de l'effet multipactor ou des produits d'intermodulation passive s'effectuent typiquement sous vide poussé (1O6 Torr pour le multipactor par exemple). L'antenne, fonctionnant en mode rayonné, est typiquement excitée par des puissances de 500 w à 1 kw radiofréquence, conduisant à des puissances de 10 à 15 w/cm2 typiques. Le type de mesures effectuées (validation PIMP'S (Produits d'intermodulation passive), multipactor ou validation de module thermique) interdit tout retour de puissance vers la source. Toute évacuation vers l'extérieur doit être envisagée avec précaution en raison du problème évident de sécurité. Parmi les différentes solutions présentées précédemment aucune ne peut résoudre le problème d'une absorption à un tel niveau de façon satisfaisante. La figure 1 illustre le fonctionnement de l'absorbeur de l'invention en présence d'un système rayonnant composé d'éléments rayonnants 10 (cornets, hélices etc..) ainsi que d'un formateur de faisceau 11. L'ensemble est alimenté à partir d'un générateur de forte puissance 23 au travers d'une fenêtre interface de pressurisation 12, et se trouve implanté dans une enceinte à vide 13. L'absorbeur 14 de l'invention se compose - d'une enceinte 15 remplie d'un liquide aux propriétés radioélectriques précises dont la circulation est assurée par un injecteur 16 et le retour à la pompe par la sortie 17 - d'un ensemble de couches de matériau diélectrique formant un dioptre 18 destiné à réaliser un interface radiolectrique et mécanique. Le fluide qui remplit la cavité 15 est utilisé en raison de ses caractéristiques précises. Ce milieu diélectrique est choisi en fonction de la constante t ", telle que = - j ", qui caractérise l'atténuation de l'onde qui se propage dans ledit milieu. On tire avantage de la propriété du milieu pour atténuer une onde incidente à un niveau correct pour la mission désirée. Comme représenté sur la figure 2, une onde incidente est transmise au milieu à pertes par le dioptre 18 d'adaptation. Cette onde, après un trajet 19 de longueur d, se réfléchit sur la paroi métallique 20 du fond de l'enceinte 15. Après un nouveau trajet 21 de longueur d, elle se trouve au niveau du dioptre d'interface, le niveau par rapport au niveau d'entrée est de e 2 d Les dimensions de l'enceinte 15 sont donc définies à partir de la spécification du niveau de l'onde réfléchie (-100, -150 dB par exemple) et de caractéristiques du milieu à perte qui déterminent la constante de propagation 4 . La puissance hyperfréquence se dissipe par effet Joule et échauffe le fluide de l'enceinte 15. Celui ci joue donc un double rôle, à savoir celui - d'absorbeur hyperfréquence par ses caractéristiques diélectriques complexes - et de véhicule caloporteur dont la circulation (débit, température d'entrée, température de sortie) permet d'évacuer les calories vers 1' extérieur. Dans le cas d'utilisation d'un fluide aux propriétés dosées (eau chargée de divers sels par exemple, dont la concentration doit être constante), on peut réaliser une installation typique comportant un système de pompage, un refroidisseur, et un bac à saturation l'ensemble fonctionnant en circuit fermé de façon à garantir les propriétés absorbantes du fluide. Le débit du système de pompage est alors régulé par rapport à la puissance à dissiper ainsi qu'aux écarts de température acceptables au niveau des entrée/sortie. Ce double rôle d'absorbeur et de caloporteur permet d'utiliser le dispositif de l'invention, entre autres applications, comme un appareil de mesure de puissance rayonnée. La connaissance du débit de fluide, pouvant être régulée par le système de pompage, ainsi que la mesure des températures d'entrée et de sortie, permettent d'évaluer la puissance dissipée en appliquant les relations simples de la calorimétrie. P = m c 8 T, avec m masse du liquide, c constante calorimétrique et ss T chaleur massique. Indépendamment de l'implantation sous vide, le système absorbeur hyperfréquence peut trouver des applications au niveau de - l'absorption d'une puissance rayonnée - la vérification du montage correct d'une antenne au générateur - la mesure en absolu (watt/mètre2) d'une puissance rayonnée hyperfréquence. L'invention se caractérise donc par l'interposition entre le milieu de l'enceinte 13 et le milieu de l'enceinte 15 d'un dioptre diélectrique 18. Pour des raisons d'étanchéité, entre le vide de l'enceinte 13 et le fluide de l'enceinte 15, on dispose autour de dioptre 18 un ensemble de joints 22 qui assurent une parfaite étanchéité lorsque l'on fixe le système absorbant 14 sur l'enceinte 13. Le dioptre 18 est donc dimensionné à la fois pour des raisons mécaniques, thermiques et radio-électriques. La figure 2 illustre le principe radio-électrique qui conditionne les dimensions du dioptre 18. Dans le cas, où le milieu de l'enceinte 13 est de l'air ou le vide et le milieu de l'enceinte une solution saline à concentration donnée, on se trouve ramené à traiter le problème radio-électrique suivant : l'air ou le vide se caractérise comme un milieu d'impédance Z1 = 120 r = 377JÙ avec une permittivité voisine de 1. L'eau pure présente à 250C la permittivité complexe de 55 - j 35 à 10 Ghz, soit une admittance Y2 8 fois supérieure à celle du vide. Du point de vue radio-électrique, le dioptre 18 est donc un transformateur d'impédance qui réalise l'adaptation de l'air à l'eau dans la bande de fréquence considérée. La nature et le nombre des couches diélectriques qui composent le dioptre 18 sont calculées de façon à minimiser l'onde réfléchie F 1 par rapport à l'onde incidente ao. (classiquement rl/ ao est compris entre -30 dB et -40 dB) de sorte que l'ensemble de la puissance radio-électrique présente dans l'enceinte, soit transmise (T1) au milieu à pertes de l'enceinte 15. De plus, dans le cas d'application sous vide ou de très forte puissance, les critères mécaniques et thermiques interviennent pour le choix de l'épaisseur e du dioptre 18. Du point de vue mécanique, d'abord, il est nécessaire d'évaluer de façon précise les efforts de pression auxquels va être soumis le dioptre 18 : celui-ci devant assurer de façon sûre l'interface vide-fluide. Des calculs poussés sont menés en intégrant les caractéristiques des matériaux, ainsi que le type d'assemblage de façon à dimensionner le dioptre avec les marges suffisantes. Du point de vue thermique, ensuite, il est nécessaire de vérifier que le dispositif ainsi dimensionné sous des critères radio-électriques et mécaniques peut transmettre sans dommage de très fortes puissances. Les solutions concernant le choix des matériaux s'orientent naturellement vers des diélectriques à très faiblespertes (typiquement tg # = # "/2 ##10-4 à 10-5) Un modèle thermique complet doit être réalisé sur la base de la géométrie de l'enceinte, de la nature des matériaux et des diverses conditions limites de température et de flux thermique afin de déterminer la gamme de puissances admissibles sans dommage pour les matériaux diélectriques. Ainsi le dimensionnement du dioptre 18 résulte d'une triple optimisation par rapport à un problème donné : - radio-électrique - mécanique - thermique. Il va de soi qu'un changement des conditions d'utilisation (bande de fréquence, niveau de puissance, utilisation à la pression atmosphérique ou pour une application sous vide) modifie le dimensionnement de ce dioptre sans pour autant en changer les caractéristiques et fonctions essentielles. Dans un exemple de réalisation, on a considéré une fréquence 11,9 0Hz une puissance rayonnée - 1 kw ri rl - 30 dB . dioptre 18 composé d'une seule couche en matériau diélectrique à r = 8.00 et tgS ~ 10 ' réalisant ainsi un transformateur à un étage une enceinte 15 en inox cylindrique de profondeur environ 150 mm. et d'épaisseur de l'ordre de 1 cm Le dimensionnement mécanique et thermique conduit à la réalisation d'un disque dioptre de diamètre 30 cm et d'épaisseur 11# E/4 (h E:: longueur d'onde dans le diélectrique) soit 24,51 mm garantissant ainsi l'ensemble des critères, à savoir - un comportement- radioélectrique (#1#-35dB) - une tenue mécanique : système sous vide - une tenue thermique P rayonnée -' 1 kw. Le dimensionnement de l'enceinte a été effectué de façon à donner un niveau #2 à 200 dB sous T2 en utilisant comme fluide diélectrique de l'eau courante La circulation d'eau a été dimensionnée de façon à évacuer une puissance de 1 kw avec une élévation de température d'eau inférieure à 10C. Compte-tenu de l'implantation de la source primaire dans l'enceinte à vide, e dioptre 18 a subi des densités de puissances de l'ordre de 15 w/cm au cours de ces essais. I1 est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi l'absorbeur de l'invention peut être une entité autonome possédant son propre dispositif de serrage de manière à coupler le dioptre 18 à l'élément rayonnant. REVENDICATIONS 1/ Absorbeur hyperfréquence de forte puissance, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (15) dans laquelle transite un fluide absorbeur et caloporteur, et un dioptre diélectrique (18) d'adaptation à faibles pertes. 2/ Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dioptre (18) est formé de plusieurs couches de diélectrique. 3/ Absorbeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dioptre a des caractéristiques (nombre de couches, épaisseur de chaque couche, matériau) qui résultent d'une triple optimisation : radioélectrique, mécanique et thermique, de manière à adapter sa conception à toute situation pratique. 4/ Absorbeur selon l'une quelconque des reveications 1 à 3, caractérisé en ce que le dioptre est réalisé en un matériau diélectrique à très faible perte. 5/ Absorbeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des joints d'étanchéité sont disposés sur la périphérie du dioptre (18). 6/ Absorbeur selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que la circulation du fluide s'effectue en circuit ouvert ou en circuit fermé. 7/ Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est l'eau. 8/ Absorbeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est une solution saline. 9/ Absorbeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide utilisé a une concentration constante. 10/ Utilisation de l'absorbeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comme appareil de mesure de puissance rayonnée.