Brevet FR2672765A1 — publié le 19920814

" Procédé pour la conversion de modes électriques transversaux et antenne à ouverture et à bord hélicoïdal pour la mise en oeuvre du procédé L'invention concerne un procédé pour la conversion de modes électriques transversaux et une antenne à ouverture et à bord hélicoïdal pour la mise en oeuvre du procédé. Avec des procédés de ce type, des modes électriques transversaux sont convertis en modes hybrides en tant que types E Hmn et ensuite émis dans l'espace qui se trouve en avant, par l'antenne à ouverture. Les éléments de chauffage par résonance de cyclotrons pour des expériences de fusion par plasma demandent des puissances haute-fréquence de quelques mégawatts à une fréquence d'environ 140 G Hz, qui sont produites par un gyrotron Les modes de fonctionnement types sont des modes électriques transversaux T Emn ayant un premier indice (azimutal) élevé et un second20 indice (radial) relativement bas De tels modes ne sont pas appropriés au chauffage d'un plasma, et ils doivent être convertis en un faisceau linéaire polarisé, approximativement gaussien. Dans International Journal of Infrared and Millimeter Waves, M Thumm, 6 ( 1985), p 577, est recommandé un procédé avec lequel peut être effectuée une conversion de modes électriques transversaux en modes hybrides. Pour la conversion quasi-optique, on utilise jusqu'à présent des convertisseurs dits de Vlasov Un convertisseur de ce type est constitué d'une antenne à ouverture et à bord hélicoïdal qui est connectée à une extrémité d'un guide d'onde et à un ou plusieurs réflecteurs sur le trajet du faisceau (voir S N. Vlasov et coll, Radio Engineering, Electron Physics, 21/1975, p 14 >. Dans l'émission prévue de modes électriques transversaux rotatifs, il apparaît d'indésirables lobes parasites dans la caractéristique du rayonnement dans le champ distant En outre, dans le cas des fortes puissances d'émission, il apparaît des contraintes de l'antenne qui ne peuvent pas être maîtrisées sans moyens de refroidissement appropriés. Le but de l'invention est de fournir un rayonnement micro-onde linéaire polarisé de grande puissance et à caractéristique de rayonnement préétabli. Ce but est atteint selon l'invention par un procédé caractérisé en ce que les modes électriques transversaux sont convertis en modes hybrides tournants du type E Hmn dans le cas de la condition hybride équilibrée /\ = + 1 ou -1, et sont émis au moyen d'une antenne à ouverture, ce par quoi est produit dans le champ distant (zone Fraunhofer) un faisceau circulaire polarisé à profil gaussien. Le procédé selon l'invention est en outre caractérisé en ce que, par réflexion du faisceau sur des réflecteurs cannelés appropriés, le faisceau polarisé circulaire est transformé en un faisceau polarisé linéaire. L'antenne selon l'invention est en outre caractérisée en ce que la longueur du bord droit de l'antenne à ouverture est déterminée au moyen de la condition hybride équilibrée, la longueur d'onde sous vide, le mode et le rayon du guide d'ondes; l'antenne à ouverture comporte sur sa surface interne des cannelures azimutales dont la profondeur représente un quart de la longueur d'onde sous vide; la largeur des cannelures est différente de la profondeur des cannelures, de préférence elle est d'un sixième de la longueur d'onde sous vide ou moins; la longueur de périodicité des cannelures est approximativement égale ou inférieure à un tiers de la longueur d'onde sous vide. Le procédé selon l'invention et l'antenne à ouverture pour la mise en oeuvre du procédé sont décrits plus en détail à l'aide des dessins selon lesquels: la figure 1 représente un convertisseur de modes quasi-optique traditionnel, la figure 2 représente l'antenne, l'ouverture et le système de coordonnées; la figure 3 représente la projection développée de l'antenne à ouverture cannelée; la figure 4 représente la dépendance azimutale du champ distant par rapport à l'antenne cannelée. La figure 1 représente un convertisseur de modes quasi-optique traditionnel, dit "convertisseur de Vlasov" dans le langage du métier Il se compose de l'extrémité 2 du guide d'ondes, de l'antenne 3 et, par exemple, d'un réflecteur 4 L'antenne 3 est la continuation du guide d'ondes coaxial Elle est bordée à son extrémité par une longueur droite préétablie 5 sur la face 6 de l'enveloppe et par une ligne hélicoïdale 7 sur la face de l'enveloppe, qui relie le début et la fin de la longueur 5 Par l'ouverture 8 est émise l'onde électromagnétique dans une direction préférentielle dans l'espace qui se trouve en avant A l'aide du ou des réflecteurs 4, l'onde émise peut être polarisée linéairement. A la figure 2 est représentée l'antenne 3 comportant l'extrémité 2 du guide d'onde La longueur de l'antenne 3 se calcule d'après l'hypothèse, que la répartition du champ du guide d'ondes non perturbée se trouve sur l'ouverture rectangulaire 8 et que la puissance transportée par l'ouverture 8 s'étendant de l'axe du guide d'ondes 9 et de la section droite 5 de l'antenne 3, est égale à la puissance passant par le guide d'ondes La longueur de l'antenne résulte de L = 2 Fr R klr l + * ( 1 + A)2 Pf 2 + 2 A(m I 3 T P 12) X 1 k WL Xmn L mû ( 1 + A)2 rn 1 + 2 A(pi 13 F m 11) k Le paramètre essentiel dans la formule pour la détermination de la longueur de l'antenne est le paramètre hybride /\ Il exprime la proportion de modes électrique transversaux et de modes magnétiques transversaux d'une onde électromagnétique à émettre. Le bord hélicoïdal 7 et le bord droit 5 de l'antenne 3 forment en leurs deux points d'intersec- tion 10 dans chaque cas un angle aigu Développé en projection dans le plan, le bord hélicoïdal 7 forme une droite. La figure 3 montre le développement dans un plan de l'antenne 3 et de l'extrémité du guide d'ondes 2 Les cannelures cheminent dans l'antenne 3 avec une profondeur constante Si /\ = -1, la condition hybride équilibrée pour les modes hybrides du type E Mmn est atteinte La profondeur des cannelures est alors exactement égale à un quart de la longueur d'onde sous vide. Une largeur 14 des cannelures correspondant à environ un sixième de la longueur d'onde dans le vide s'est révélée avantageuse jusqu'à présent. L'antenne à ouverture selon l'invention perd toutefois nettement ses propriétés avantageuses lorsque la largeur des cannelures est choisie égale à la profondeur des cannelures, à savoir à un quart de la longueur d'onde sous vide. Les modes hybrides et leur proportion respective selonf la condition hybride équilibrée de /\ z + 1 sont transportés avec très peu de perte par un guide d'ondes à antenne à ouverture hélicoïdale cannelée Cela est un grand avantage du point de vue de la construction, dans le cas de puissances micro- ondes élevées ainsi que dans le cas d'expériences de fusion Le coût de refroidissement de l'antenne peut ainsi être considérablement réduit, et même dans certains cas évité. Le champ distant de l'antenne construites selon les conditions hybrides équilibrées, / \ = + 1, profondeur de cannelures = 2/4 de la longueur d'onde sous vide, ne présente aucune lobe secondaire Ce rayonnement a dans le champ distant un caractère gaussien Il est représenté à la figure 4, à savoir la courbe de la puissance normalisée du rayonnement dans le champ distant sur l'angle azimutal Après émission par l'antenne à ouverture, la micro-onde est polarisée circulairement Au moyen de réflecteurs grillagés 4 appropriés (voir figure 1), le faisceau polarisé d'abord circulaire est converti en un faisceau polarisé linéaire. Le procédé selon l'invention et l'antenne à ouverture avec les cannelures selon l'invention est prévu pour le chauffage haute-fréquence de plasmas de fusion Les premières mesures de champ lointain confirment le faisceau polarisée circulaire. Liste des symboles 1 Convertisseur de Vlasov 2 Extrémité du guide d'ondes 3 Antenne 4 Réflecteur Longueur, section droite, bord droit 6 Enveloppe 7 Ligne en hélice, bord hélicoïdal 8 Ouverture 9 Axe du guide d'ondes Point d'intersection 11 Cannelures 12 Profondeur des cannelures, profondeur 13 Largeur des cannelures 14 Longueur de périodicité R E V E N D I C A T I O N S 1) Procédé pour la conversion de modes électriques transversaux en modes hybrides, en tant que types EH,,, caractérisé en ce que des modes électriques transversaux sont convertis en modes hybrides tournants du type E Hmn dans le cas de la condition équilibrée /\ = + 1 ou -1 et sont émis au moyen d'une antenne à ouverture, ce par quoi est produit dans le champ distant un faisceau circulaire polarisé à profil gaussien. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, par réflexion du faisceau sur des réflecteurs cannelés appropriés, le faisceau polarisé circulaire est transformé en un faisceau polarisé linéaire. 3) Antenne à ouverture et à bord hélicoïdal pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que la longueur ( 5) du bord droit de l'antenne à ouverture ( 3) est déterminée au moyen de la condition hybride équilibrée, la longueur d'onde sous vide, le mode et le rayon du guide d'ondes; l'antenne à ouverture comporte sur sa surface interne des cannelures azimutales ( 11) dont la profondeur ( 12) représente un quart de la longueur d'onde sous vide; la largeur ( 13) des cannelures est différente de la profondeur ( 12) des cannelures, de préférence elle est d'un sixième de la longueur d'onde sous vide, ou moins; la longueur de périodicité des cannelures est approximativement égale ou inférieure à un tiers de la longueur d'onde sous vide.