Brevet FR2746546A1 — publié le 19970926

FENETRE HYPERFREQUENCE APTE A TRANSMETTRE DE FORTES PUISSANCES MOYENNES La présente invention concerne une fenêtre hyperfréquence capable de transmettre de fortes puissances moyennes notamment en raison de sa bonne résistance mécanique. Une fenêtre hyperfréquence est formée d'une lame, à base de matériau diélectrique, généralement en forme de disque séparant deux espaces dans lesquels règnent des pressions différentes. Elle est destinée à être traversée par des ondes électromagnétiques et le matériau diélectrique est transparent aux ondes. Plusieurs types de fenêtres existent actuellement. Les figures la, lb montrent deux exemples de réalisation de telles fenêtres connues. La fenêtre de la figure la comporte une lame 1 diélectrique, par exemple en forme de disque, placée entre deux guides 2 d'ondes qui dans l'exemple sont cannelés. Des pressions différentes règnent de part et d'autre de la lame diélectrique au niveau des guides d'ondes 2, chacun des guides d'ondes 2 est placé dans une enceinte étanche 4 qui est solidaire de la lame 1 diélectrique. Chaque enceinte comporte un soufflet 6 qui se termine du côté de la lame 1 diélectrique par un ensemble métallique anneau 7-collet 8. Le collet 8 est d'un côté scellé à plat sur la lame 1 diélectrique et de l'autre raccordé sur l'anneau 7. Une contre-bague 9 en matériau diélectrique consolide le scellement à plat du collet 8 sur la lame 1 diélectrique. Lorsque la fenêtre est destinée à de fortes puissances moyennes elle doit être refroidie efficacement. Afin d'assurer le refroidissement de la lame 1 diélectrique, sa périphérie est bordée par une masse 3 inertielle réalisée dans un matériau bon conducteur thermique. Si nécessaire, le bord de la lame 1 diélectrique est baigné par un fluide de refroidissement qui peut être de l'eau ou même de l'azote liquide si des températures cryogéniques sont requises. A cet effet, un réservoir 5 contenant ce fluide est prévu autour de la masse inertielle 3. A cause de la présence de la contre-bague 9, le refroidissement de la lame 1 ne peut se faire, en périphérie, qu'assez loin des guides d'ondes 2. Cela accroît inutilement l'échauffement de la zone centrale de ia lame 1 et la puissance moyenne que peut transmettre la fenêtre s'en trouve limitée. Pour pouvoir être scellés à plat, les collets 8 sont relativement minces. A cause de cette faible épaisseur et du scellement, la résistance mécanique de la fenêtre n'est pas très bonne en particulier à la traction. La figure lb montre de manière schématique, en coupe longitudinale, une autre fenêtre hyperfréquence de type connu. Elle permet un refroidissement plus efficace de la lame diélectrique et est moins lourde et moins encombrante. Dans cette variante, les guides d'ondes ont été supprimés. La lame 1 en matériau diélectrique est placée entre deux enceintes étanches 4. Des collets 8 contribuent à réaliser cette étanchéité. Ils sont scellés à plat chacun sur une face principale de la lame 1 en matériau diélectrique. A proximité de la lame 1 en matériau diélectrique, les collets 8 servent de guides d'ondes destinés à véhiculer les ondes hyperfréquences devant traverser la fenêtre La fenêtre représentée est refroidie en périphérie et les collets 8 contribuent à former les parois d'un réservoir 5 contenant un fluide de refroidissement. Cette disposition permet de refroidir la lame plus près de la zone qui s'échauffe le plus. Comme sur la figure la, le scellement des collets 8 sur la lame 1 diélectrique est consolidé par des contre-bagues 9 en matériau diélectrique. Au point de vue résistance mécanique, ses performances sont comparables à celles de la fenêtre illustrée par la figure 1 a. Les collets 8 sont toujours relativement minces et cette faible épaisseur empêche la réalisation de cannelures. Les cannelures sont généralement utilisées dans des guides d'ondes, pour privilégier un mode particulier (par exemple Hé11) de façon à minimiser les pertes et à permettre une émission suffisamment directive en sortie du guide d'onde. Ces guides d'ondes cannelés peuvent s'utiliser pour guider des ondes quasi-optiques à la sortie des gyrotrons. La présente invention vise à remédier à ces défauts de refroidissement et de résistance mécanique et propose une fenêtre capable de transmettre de fortes puissances moyennes. Pour cela, la présente invention propose une fenêtre hyperfréquence étanche comportant une lame à base de matériau diélectrique avec sur au moins l'une de ses faces principales, un collet scellé en bout sur ladite face, contribuant à réaliser l'étanchéité, et du côté du collet un guide d'onde, véhiculant des ondes hyperfréquences devant traverser la lame, ce guide d'onde venant face à la lame et se terminant à une faible distance de la lame de manière à masquer la zone du scellement aux ondes qu'il véhicule. Le collet peut contribuer à former la paroi d'un réservoir de fluide de refroidissement devant refroidir la périphérie de la lame. La lame peut être pleine ou formée de deux plaques en matériau diélectrique séparées par un espace. Dans cette dernière configuration, L'espace peut être traversé par le fluide de refroidissement issu du réservoir, ce qui permet d'améliorer le refroidissement de la lame dans la zone où l'échauffement est le plus intense. Le guide d'onde peut avoir une extrémité fixée au réservoir ou bien se prolonger au delà du réservoir. La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation décrits ci-dessous et illustrés par les figures jointes qui représentent: - les figures la, lb (déjà décrites) deux coupes longitudinales partielles de fenêtres hyperfréquences connues - la figure 2 : une coupe longitudinale partielle d'un exemple de fenêtre hyperfréquence selon l'invention; - la figure 3 une coupe longitudinale partielle d'un second exemple de fenêtre hyperfréquence selon l'invention; - la figure 4 une coupe longitudinale partielle d'un troisième exemple de fenêtre hyperfréquence selon l'invention. Sur ces figures les côtes ne sont pas forcément respectées dans un souci de clarté et les mêmes repères désignent les mêmes éléments. La figure 2 montre en coupe longitudinale un premier exemple d'une fenêtre selon l'invention. Cette fenêtre comporte une lame 20 à base de matériau diélectrique et sur au moins l'une de ses faces principales 25, un collet 21 scellé en bout sur ladite face principale 25. Associé au collet 21, un guide d'onde 22 destiné à guider les ondes hyperfréquences devant traverser la lame 20 se termine à proximité de la face principale 25 équipée du collet. Le guide d'onde 22 est sans contact avec la lame 20. La lame 20 peut être en forme de disque et dans ce cas le guide d'onde 22 est circulaire. D'autres formes sont envisageables. Ce guide d'onde 22 en se terminant à faible distance de la lame 20 a un rôle d'écran qui masque le collet 21 et son scellement en bout aux ondes hyperfréquences. La distance séparant le guide d'onde de la lame est de préférence de l'ordre d'un sixième de la longueur d'onde de l'onde véhiculée dans le guide, ce qui représente environ 0,5 millimètre pour une onde dont la fréquence est de 110 giga Hertz. Le guide d'onde 22 a deux fonctions l'une de guide et l'autre d'écran. Sur l'exemple représenté, les deux faces principales 25 de la lame 20 sont équipées chacune d'un guide d'onde 22 et d'un collet 21. 11 est bien sûr envisageable que seule l'une des deux faces en soit équipée. Le scellement en bout du collet 21 sur la lame 20 peut être réalisé par brasage, après métallisation au préalable d'une zone 23 de la lame. Cette zone 23 métallisée déborde inévitablement de part et d'autre du collet 21 car le collet 21 est relativement mince. Le guide d'onde 22 servant d'écran protège la zone du scellement 23 c'est à dire la zone 23 métallisée en excès vis à vis des ondes véhiculées dans le guide d'onde 22. En l'absence du guide d'onde 22, la zone 23 métallisée provoquerait un rapport d'ondes stationnaires inacceptable. Elle pourrait aussi être source d'une émission froide génératrice de pertes et de claquage. Le scellement en bout peut également être obtenu sans métallisation préalable de la lame, à l'aide d'une brasure dite active, par exemple à l'argent-titane si la lame est en alumine. Cette brasure déborde aussi sur la lame 20 de part et d'autre du collet 21 pendant l'assemblage et est masquée aux ondes par le guide d'onde 22. Les collets 21 peuvent servir de parois à un réservoir 24 contenant un fluide destiné à refroidir la périphérie de la lame 20. Pour éviter trop de contraintes au niveau du scellement en bout, il est préférable qu'au moins l'un des collets 21 ait une forme adaptée au niveau de sa liaison avec le reste du réservoir 24. Sur l'exemple de la figure 2, il s'agit du collet qui est replié et qui possède alors, au niveau de la liaison, la même direction que la paroi du réservoir 24. Sur l'exemple de la figure 2, les deux guides d'ondes représentés 22 se poursuivent de part et d'autre du réservoir 24. La lame 20 représentée sur la figure 2 est pleine. Elle peut être réalisée en alumine frittée, en silicium éventuellement dopé, en saphir, en diamant, en silice, etc... Le saphir est apprécié si la fenêtre est destinée à être refroidie cryogéniquement car sa transparence s'améliore lorsque la température décroît. Tout autre diélectrique dont les propriétés sont compatibles avec celles des fenêtres est utilisable. Les collets 21 scellés en bout seront réalisés en métal ou en alliage métallique. Le choix du matériau se fera entre un matériau à faible module d'élasticité et un matériau dont le coefficient de dilatation se rapproche de celui de la lame. Le cuivre est un choix possible car il a un faible module d'élasticité. Des alliages sont également utilisables, par exemple, un fer nickel cobalt, un fer nickel, un cuivre nickel. Leur coefficient de dilatation est plus proche de celui du matériau diélectrique de la lame 20 mais leur module d'élasticité est plus élevé que celui du cuivre. Des scellements en bout avec de tels collets peuvent supporter mécaniquement sans problème les chocs thermiques apparaissant pendant l'assemblage et ceux provoqués par le refroidissement cryogénique. Des essais de traction comparés ont été réalisés sur des fenêtres avec collet scellé en bout et scellé à plat. lls ont montré que, dans le cas du scellement en bout, l'effort à fournir pour que la fenêtre perde son étanchéité est environ deux fois supérieur à celui requis dans le cas du scellement à plat. Un collet 21 en cuivre peut prendre une forme légèrement conique après solidification du scellement, comme l'illustre la figure 2. La figure 3 montre un autre exemple d'une fenêtre selon l'invention. Maintenant la lame 20 est formée de deux plaques 201, 202 en matériau diélectrique, en vis-à-vis, séparées par un espace 203. Cet espace 203 est prévu pour la circulation d'un fluide de refroidissement transparent aux hyperfréquences. Un fluide autorisé est par exemple un liquide perfiluoré inerte qui est en phase liquide à la température de fonctionnement. Les mêmes matériaux diélectriques que ceux cités précédemment peuvent être utilisés pour réaliser les plaques. On retrouve comme sur l'exemple de la figure 2 les deux collets 21 scellés en bout et les deux guides d'ondes 22. Dans cet exemple, les collets 21 contribuent à former les parois d'un réservoir 24 de fluide de refroidissement. L'espace 203 entre les deux plaques 201, 202 communique avec l'intérieur du réservoir 24 et le fluide du réservoir 24 circule dans l'espace 203 entre les deux plaques 201, 202. Sur cet exemple, les guides d'ondes 22 sont fixés au réservoir 24 de fluide. Des guides d'ondes supplémentaires 26 véhiculent les ondes en amont et en aval de la fenêtre. La figure 4 montre encore un autre exemple d'une fenêtre selon l'invention. Cette fenêtre comporte comme dans l'exemple précédent une lame 20 formée de deux plaques 201, 202 en matériau diélectrique, en visà-vis, séparées par un espace 203. Chacune de ses faces principales 25 est équipée d'un collet 21 scellé en bout sur ladite face 25. Chacun des collets 21 est associé à un guide d'onde 30. L'intérieur des guides d'ondes 30 est muni de cannelures, transversales. Compte tenu des contraintes engendrées par l'échauffement produit par les pertes hyperfréquences et éventuellement par les basses températures cryogéniques, le scellement en bout apporte un avantage sensible. Le volume existant entre un collet et le guide d'onde qui lui est associé sera optimisé de manière à éviter la création d'une cavité résonante susceptible de dégrader les qualités hyperfréquences de la fenêtre. L'invention n'est pas limitée aux variantes représentées. D'autres combinaisons entre les différentes caractéristiques exposées sont possibles. REVENDICATIONS 1. Fenêtre hyperfréquence étanche comportant une lame (20) à base de matériau diélectrique avec, sur au moins l'une de ses faces principales (25), un collet (21) scellé sur ladite face principale (25) contribuant à réaliser l'étanchéité, et du côté du collet, un guide d'onde (22) véhiculant des ondes hyperfréquences devant traverser la lame (20), venant face à la lame, caractérisée en ce que le collet (21) est scellé en bout sur ladite face principale (25) et en ce que le guide d'onde (22) se termine à une faible distance de la lame (20) de manière à masquer la zone du scellement (23) aux ondes hyperfréquences qu'il véhicule. 2. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que le collet (21) contribue à former la paroi d'un réservoir (24) de fluide de refroidissement devant refroidir la périphérie de la lame (20). 3. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la lame (20) est pleine. 4. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la lame (20) est formée de deux plaques (201, 202) en matériau diélectrique, face à face, séparées par un espace (203) destiné à un refroidissement. 5. Fenêtre hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'espace (203) est parcouru par le fluide de refroidissement issu du réservoir (24). 6. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le collet (21) est scellé sur la lame (20) par brasage après métallisation de la lame (20) au niveau de la zone du scellement (23). 7. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le collet (21) est scellé sur la lame (20) par brasage à l'aide d'une brasure active notamment à l'argent titane. 8. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le collet (21) est réalisé en métal tel que le cuivre ou en alliage métallique tel qu'un fer nickel cobalt, un fer nickel, un cuivre nickel. 9. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le matériau diélectrique est choisi notamment parmi l'alumine frittée, le silicium éventuellement dopé, le saphir, le diamant, la silice. 10. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le guide d'onde (22) est cannelé. 11. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisée en ce que le guide d'onde (22) a une extrémité qui est fixée au réservoir (24). 12. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le guide d'onde (22) se prolonge au delà du réservoir (24). 13. Fenêtre hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la lame (20) a la forme d'un disque.