Brevet FR2683048A1 — publié le 19930430

La présente invention concerne un dispositif de mesure de l'amplitude et de la phase d'au moins une composante électrique du champ électromagnétique régnant dans un applicateur recevant une onde électromagnétique hyperfréquence incidente provenant d'un générateur pulsé à une fréquence F. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la réalisation d'applicateurs hyperfréquence. Les techniques hyperfréquence, ou micro-onde, se développent dans de nombreux secteurs et se vulgarisent. On trouve dans le commerce des générateurs multi-usage et de puissance variable qui permettent aux utilisateurs de développer eux-mêmes les installations dont ils ont besoin. Seule, la construction des applicateurs reste particulière à chaque application traitée. On entendra ici par applicateur toute enceinte mécanique fermée, résonante ou non, contenant le produit à soumettre à l'onde hyperfréquence incidente. Quelles que soient les tentatives qui ont été faites dans le passé pour développer des modèles d'applicateurs standards, c'est-à-dire utilisables pour les applications les plus diverses, il faut admettre que les contraintes imposées par le traitement des produits sont primordiales et obligent les constructeurs à mettre en oeuvre des solutions souvent nouvelles, fondées sur leur savoir-faire, et quTil y a lieu à chaque fois de tester. Pour définir un applicateur donné, il est essentiel de connaître la valeur du champ électrique appliqué aux produits traités. Cependant, il faut constater que l'on ne sait pas calculer la répartition du champ électrique dans les applicateurs, même lorsqu'ils ont des formes géométriques simples. Aussi, le constructeur ne peut prévoir comment cette répartition se modifie en fonction des variations de la constante diélectrique que le produit subit au cours du traitement. Le calcul complet de la répartition des champs électromagnétiques dans un applicateur est, en effet, très compliqué et la puissance de calcul des ordinateurs est souvent encore trop faible. Ainsi, la mise au point des composants ou des parties d'applicateur ne peut pas être guidée par le calcul. De même, les constructeurs d'applicateurs micro-onde ne disposent pas non plus d'appareils de mesure précise du champ électromagnétique. Actuellement, la méthode la plus simple pour mesurer le champ électromagnétique est de disposer dans l'applicateur un petit volume d'eau et d'en mesurer l'élévation de température pour un temps d'irradiation donné. Toutefois, cette méthode est rudimentaire, longue à mettre en oeuvre et, en définitive, peu pratique. De plus, elle ne permet pas de mesurer individuellement les trois composantes du champ électrique ni leur phase respective. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de réaliser un dispositif de mesure conforme au préambule qui permettrait de déterminer avec précision l'amplitude et la phase de chaque composante électrique du champ électromagnétique. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit dispositif comporte - au moins un moyen réflecteur, disposé à l'intérieur de l'applicateur, et destiné à produire une onde électromagnétique hyperfréquence réfléchie, électriquement polarisée parallèlement à la composante électrique à mesurer, - des moyens de modulation à la fréquence F/2 de ladite onde électromagnétique réfléchie, - un double mélangeur équilibré recevant une onde de référence proportionnelle à l'onde électromagnétique incidente et une onde de mesure proportionnelle à l'onde électromagnétique réfléchie, et fournissant deux signaux de sortie en quadrature de phase, modulés à la fréquence F/2, et dont l'amplitude est fonction de l'amplitude et de la phase de la composante électrique à mesurer, - des moyens de mesure des amplitudes desdits signaux de sortie à la fréquence F/2, et des moyens de calcul de l'amplitude et de la phase de la composante électrique à mesurer. Un avantage important du dispositif de l'invention consiste en ce que la mesure peut être effectuée par un générateur industriel du type pulsé, sans qu'il soit nécessaire de déconnecter celui-ci de l'applicateur et sans qu'il soit besoin d'utiliser un autre générateur. De ce fait, l'invention permet également d'apprécier comment fonctionne ledit générateur et comment l'applicateur peut réagir par couplage électromagnétique sur le fonctionnement du générateur. Selon un mode de réalisation particulier du dispositif de mesure de l'invention, ledit moyen réflecteur comprend, au moins, un composant photoélectrique auquel est appliqué, par l'intermédiaire d'une fibre optique, un rayonnement lumineux modulé à la fréquence F/2. L'avantage de ce mode de réalisation est qu'en l'absence de connexions métalliques reliant le composant photoélectrique aux appareils de mesure, il ne se produit pratiquement aucune perturbation de la distribution du champ électromagnétique. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est le schéma d'un dispositif de mesure conforme à l'invention. La figure 2 est le schéma d'un premier mode de réalisation d'un moyen réflecteur utilisé dans le dispositif de mesure de la figure 1. La figure 3 est le schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un moyen réflecteur utilisé dans le dispositif de mesure de la figure 1. La figure 4 est le schéma d'un circuit de compensation du bruit du générateur associé au dispositif de mesure selon l'invention. La figure 5a représente la tension électrique du secteur à la fréquence F. La figure 5b représente l'enveloppe du signal hyperfréquence fournie par un générateur pulsé à la fréquence F. La figure 5c montre le signal de commande appliqué aux moyens de modulation. La figure 5d montre l'enveloppe de l'onde de mesure appliquée au double mélangeur équilibré. Les figures 5e et 5f représentent les amplitudes respectives des signaux de sortie fournies par le double mélangeur équilibré, à la fréquence F/2. Les figures 5g et 5h montrent les signaux de référence appliqués aux détecteurs synchrones associés aux signaux de sortie du double mélangeur équilibré. La figure 1 donne le schéma d'un dispositif de mesure de l'amplitude A. et de la phase It) i d'au moins une composante électrique E. I 1 I du champ électromagnétique régnant dans un applicateur 300 recevant une onde électromagnétique hyperfréquence de fréquence f = 2450 MHz par exemple, provenant d'un générateur 100 pulsé à la fréquence F. La composante E. est l'une des trois composantes spatiales Ex, E y ou Ez du champ électrique, x, y, z étant trois directions de l'espace formant trièdre trirectangle. Comme le montre la figure 5b, en relation avec la figure 5a, la fréquence des impulsions hyperfréquence fournies par ledit générateur 100, est égale à la fréquence F du secteur, soit 50 Hz. Du fait que l'alimentation du générateur 100 est en général une alimentation simplement redressée avec une seule diode et un condensateur à partir de la tension du secteur, le générateur n'émet des ondes que pendant la durée AB au cours de la période de 1/F = 20 ms. La figure 1 montre que le dispositif de l'invention comporte un moyen réflecteur 310, disposé à l'intérieur de l'applicateur 300, et destiné à produire une onde électromagnétique réfléchie, électriquement polarisée parallèlement à la composante électrique E. à mesurer. Un premier mode de réalisation dudit moyen réflecteur 310 est illustré à la figure 2 sous la forme d'un composant photoélectrique, un phototransistor 313 du type BPW17N par exemple, dont les conducteurs 311 et 312 de collecteur et d'émetteur constituent une antenne dipolaire de longueur 3 cm environ. Le phototransistor 313 est à l'état conducteur ou bloqué selon que la base dudit phototransistor reçoit ou non un rayonnement lumineux. Le deuxième mode de réalisation du moyen réflecteur 310 montré à la figure 3 comporte, outre le phototransistor 313, un transistor 314 de puissance dont les conducteurs de collecteur et d'émetteur constituent une antenne dipolaire. Le transistor 314 de puissance, du type BN 529 par exemple, et le phototransistor 313 forment un montage Darlington permettant de commuter des champs électromagnétiques intenses, de quelques watts, avec des puissances lumineuses de l'ordre du microwatt. Conformément à la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend des moyens de modulation de l'onde électromagnétique réfléchie par le moyen réflecteur 310. Ces moyens de modulation comportent un boîtier 410 de commande fournissant un signal sm de modulation carré à la fréquence F/2, soit 25Hz, tel que représenté sur la figure 5c. Ce signal carré 5m est appliqué au circuit d'alimentation d'une source lumineuse, une photodiode 420 par exemple, dont le flux lumineux émis est amené jusqu'à la base du phototransistor 313 du moyen réflecteur 310 par une fibre optique 430. L'onde électromagnétique hyperfréquence réfléchie est ainsi modulée à la fréquence F/2. Un double coupleur directionnel 200 disposé entre le générateur 100 et l'applicateur 300 permet de prélever une onde électromagnétique de référence, proportionnelle à ltonde incidente, représentée par le signal sg, et une onde électromagnétique de mesure, proportionnelle à l'onde réfléchie, représentée par le signal s. dont l'enveloppe en fonction du temps est donnée sur la figure 5d. On notera que ces moyens de modulation, et notamment la fibre optique 430, n'introduisent aucune perturbation dans la répartition du champ électromagnétique à l'intérieur de l'applicateur 300. Le signal s. a une amplitude modulée à la fréquence F/2 proportionnelle à l'amplitude A. du champ électrique E. à mesurer. Les signaux so et si sont appliqués respectivement aux entrées LO et RF d'un double mélangeur équilibré 500, tel que le modèle Andrew 250 126. Outre des composantes continues et à 50 Hz sans intérêt, le double mélangeur équilibré 500 fournit sur les bornes de sortie 510, 520 deux signaux sil et si2 modulés à la fréquence F/2, soit 25 Hz, en phase l'un par rapport à l'autre, et dont les amplitudes sont fonction de l'amplitude A. et de la phase hyperfréquence#i de la composante électrique Ei à mesurer. En particulier, les signaux sil et si2, représentés sur les figures 5e et 5f, sont donnés par Sil Sil = A. cos Yssi sin (Tr F t - ) I I 5i2 si2 A. sin Wi sin ( F t ) I i \ étant la phase des signaux sinusoldaux sil et si2 par rapport au signal de modulation. f dépend de la forme du signal so, fourni par le générateur pulsé. En sortie du double mélangeur équilibré, les signaux Sil et 5i2 sont respectivement appliqués à deux filtres 611, 612 dont la bande passante est centrée autour de F/2, soit par exemple 20-30 Hz pour F = 50 Hz, et rejetant la fréquence F avec une efficacité d'au moins 40 dB. Deux détecteurs synchrones 621, 622 reçoivent respectivement du boîtier 410 de commande des signaux srl et 5r2 de référence en phase l'un par rapport à l'autre, tels que représentés sur les figures 5g et 5h. Leur phase est fl par rapport à la modulation. Les détecteurs synchrones 621, 622, fonctionnant en synchronisme avec les moyens de modulation à F/2, mesurent la moyenne de la différence de l'onde réfléchie par le phototransistor 310 lorsque celui-ci est éclairé et lorsqu'il n'est pas éclairé. Le dispositif selon l'invention mesure donc la moyenne du champ électrique que fournit le générateur 100 lorsqu'il émet pendant les instants AB (Figure 5b). Le dispositif continue à fonctionner même si le générateur émet pendant l'intervalle AB une onde dont la fréquence varie et n'est pas égale rigoureusement à f (2450 MHz), ou dont l'amplitude n'est pas constante. Les signaux de référence sur 1 et 5r2 présentent une même différence de phase-n avec les signaux sil et si2 de sortie, de sorte que les signaux continus de sortie des détecteurs synchrones sont respectivement La différence de phase-n est réglable, elle peut donc être ajustée à 0 pour donner des signaux continus de sortie d'amplitude maximale Sil(0) et Si2(0). Enfin, des moyens informatiques 700 de calcul permettent de calculer A. et pi à partir de 5il (0) et Si2(0): A titre d'exemple, les figures 5e et 5f montrent des signaux sil et si2 d'amplitude respectivement proportionnelle à 3 et -2, ce qui correspond à A. = 3,60 et pi i -330. I - La figure 4 montre un circuit 800 de compensation du bruit du générateur 100 au voisinage de la fréquence F/2. En effet, dans la plupart des cas, les générateurs industriels ne sont pas très stables et induisent donc du bruit. Dans le but de compenser ce bruit, on ajoute en amplitude et en phase *, grâce aux circuits 830 et 840, une partie du signal sg de l'onde de référence au signal s. de l'onde de mesure. De façon pratique, pour effectuer ce réglage on coupe l'alimentation des moyens 420 de modulation à F/2, et on enregistre les fluctuations à F/2 en sortie des détecteurs synchrones 621 et 622. Les circuits 830 et 840 sont alors ajustés de sorte à annuler ces fluctuations, représentatives du bruit du générateur 100. Les coupleurs hybrides 810 et 820 permettent d'obtenir des signaux de sortie identiques. La sortie 850 est utilisée pour détecter le niveau du signal s. à l'aide du cristal détecteur 860 et pour contrôler la compensation Au lieu de ne comporter qu'un seul moyen réflecteur, comme décrit plus haut, le dispositif de l'invention peut comprendre un montage de trois antennes à phototransistors par exemple, et qui peuvent être éclairées séparément comme il vient d'être indiqué. On peut ainsi mesurer successivement les amplitudes des trois composantes électriques du champ électromagnétique et les phases de ces trois composantes, les unes après les autres en tout point de l'applicateur. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de l'amplitude (Ai) et de la phase (pi) d'au moins une composante électrique (Ei) du champ électromagnétique régnant dans un applicateur (300) recevant une onde électromagnétique hyperfréquence incidente provenant d'un générateur (100) pulsé à une fréquence F, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte - au moins un moyen réflecteur (310), disposé à l'intérieur de l'applicateur (300), et destiné à produire une onde électromagnétique hyperfréquence réfléchie, électriquement polarisée parallèlement à la composante électrique (Ei) à mesurer - des moyens de modulation (410, 420, 430) à la fréquence F/2 de ladite onde électromagnétique réfléchie, - un double mélangeur équilibré (500) recevant une onde de référence proportionnelle à l'onde ,électromagnétique incidente et une onde de mesure proportionnelle à l'onde électromagnétique réfléchie, et fournissant deux signaux (sil, si2) de sortie en quadrature de phase, modulés à la fréquence F/2, et dont les amplitudes sont fonction de l'amplitude (A.) et de la phase ( tri) de la composante électrique (Ei) à mesurer, - des moyens (611, 612, 621, 622) de mesure des amplitudes desdits signaux (s. si2) de sortie à la fréquence F/2, et des moyens (700) de calcul de l'amplitude (A.) et de la phase (4) in de la composante électrique (E.) à mesurer. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen réflecteur (310) comprend, au moins, un composant photoélectrique (313) auquel est appliqué, par l'intermédiaire d'une fibre optique (320), un rayonnement lumineux modulé à la fréquence F/2. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit composant photoélectrique étant un phototransistor (313), ledit moyen réflecteur (310) comprend également un transistor (314) de puissance constituant avec ledit phototransistor un montage Darlington. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comportent deux filtres réjecteurs (611, 612) à 50 Hz auxquels sont appliqués respectivement lesdits signaux (sil, si2) de sortie du double mélangeur équilibré (500). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comprennent deux détecteurs synchrones (621, 622) dont les signaux (sr1, sr2) de référence, en phase l'un par rapport à l'autre, sont synchrones avec lesdits moyens de modulation et présentent une même différence de phase (y, - n) avec les signaux (sil, si2) de sortie. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (800) de compensation du bruit du générateur (100) au voisinage de la fréquence F/2. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte trois moyens réflecteurs pour la mesure des trois composantes électriques du champ électromagnétique.