Brevet FR2760898A1 — publié le 19980918

La présente invention concerne des sondes de couplage de champ électrique et, plus particulièrement, des sondes de couplage de champ électrique à seuil amélioré de décharge auto- entretenue, décharge qui est aussi désignée par le terme anglo-saxon de "multipaction". Des antennes à utiliser dans des applications spatiales exigent des filtres passe-bande, ou BPF selon les initiales du terme anglo-saxon band-pass filter, à haut rendement. Ces filtres non seulement devraient fonctionner à une puissance radiofréquence, ou RF, de sortie élevée, mais devraient en outre pouvoir répondre aux contraintes sévères imposées à la structure des composants pour empêcher une décharge disruptive auto-entretenue et une génération d'intermodulation passive. On sait que des filtres passe-bande qui fonctionnent à haute puissance RF sont susceptibles d'une décharge auto-entretenue entre surfaces opposées dans une cavité RF, comme la sonde de couplage et la colonnette d'accord. L'effet de décharge auto-entretenue est une décharge résonnante RF entretenue par l'émission d'électrons secondaires à partir des surfaces de divers composants. Il existe trois conditions pour qu'il se produise une décharge auto-entretenue entre deux sections ou électrodes d'un composant de satellite, entre lesquelles il existe une différence de potentiel suffisante. En premier lieu, les électrodes doivent être dans un environnement à très basse pression de façon que le trajet libre moyen des électrons, c'est-à-dire la distance moyenne parcourue par les électrons sans collision, soit beaucoup plus grand que la distance entre les électrodes. En deuxième lieu, l'énergie des électrons qui sont accélérés par le champ électrique doit, à leur arrivée, être telle que le rapport d'émission d'électrons secondaires soit supérieur à l'unité; en d'autres termes, le nombre des électrons libérés par l'impact d'un électron sur la surface d'électrodes doit être supérieur a un. Le rapport d'émission d'électrons secondaires dépend fortement de la matière de l'électrode et des conditions de surface. La troisième condition pour qu'une décharge auto- entretenue se produise est que le temps de transit des électrons entre les électrodes soit en résonnance avec la fréquence du signal appliqué. Une décharge auto-entretenue est lancée lorsque des électrons libres à une première électrode sont accélérés vers l'autre électrode et arrivent avec une énergie suffisante pour libérer davantage d'électrons à partir de l'autre électrode. Si la condition de résonnance existe, l'impact des électrons primaires coincide avec l'inversion du champ électrique, et les électrons tant primaires que secondaires sont accélérés en retour vers la première électrode. Si les conditions sont maintenues pendant de nombreux cycles du champ électrique, le phénomène d'avalanche continue et devient une décharge auto-entretenue. Le seuil de puissance de décharge auto-entretenue est donc une fonction du produit f x d o f est la fréquence de fonctionnement et d est la séparation entre les électrodes. La structure des composants des satellites de communications susceptibles de fonctionner à une puissance élevée sans que l'effet de décharge auto-entretenue se produise dépend de la possibilité de maintenir des intervalles suffisamment grands à l'intérieur des composants et dans les lignes de transmission. Ceci exige une bonne connaissance de l'émittance d'électrons secondaires des matières et une évaluation exacte de l'intensité des champs électriques à l'intérieur des composants. Des décharges auto-entretenues peuvent être évitées par une structure appropriée des composants et en assurant une main d'oeuvre de bonne qualité, puisque des surfaces d'électrodes contaminées peuvent réduire de façon significative le seuil de puissance de décharge auto- entretenue. Puisque le risque de décharge auto-entretenue augmente avec la puissance, des concepteurs ont essayé dans le passé de remédier à la décharge auto- entretenue ou d'augmenter le seuil de puissance de décharge autoentretenue en augmentant les dimensions de la surface de sonde de couplage à l'intérieur de la cavité RF. Malheureusement, en raison d'exigences critiques de structure, les dimensions de la sonde de couplage sont limitées par les dimensions de la cavité ainsi que par la répartition de poids entre les divers composants de la structure de filtre. Par exemple, dans une sonde de couplage à configuration de disque d'un diamètre de 0,6 pouce, ou 15,24 mm, des effets de décharge auto-entretenue se produisent à environ 300 watts. Jusqu'ici, l'une des manières d'augmenter le seuil de puissance de décharge auto- entretenue consiste à augmenter la superficie et les dimensions de la sonde de couplage. Par exemple, augmenter le diamètre de la sonde de couplage de 0,6 pouce à 0,8 pouce, c'est-à-dire de 15,24 à 20,32 mm peut apporter une amélioration sensible du seuil de puissance de décharge auto-entretenue, c'est-à-dire l'élever de 300 watts à 600 watts. En raison d'autres considérations de structure et de fabrication, un accroissement des dimensions de la sonde peut exiger une dimension plus grande du filtre passe-bande, qui peut amener un composant à être plus grand et plus lourd, ce qui peut ne pas être souhaitable. Un autre procédé de l'art antérieur pour l'amélioration de la performance de décharge auto- entretenue d'une unité consiste à augmenter les intervalles entre la sonde et la surface opposée. Ici aussi, les qualités de dimensions et de masses en sont affectées. Il existe donc un besoin d'une structure de sonde de couplage qui remédie aux problèmes associés aux filtres passe-bande de l'art antérieur. C'est donc un premier but de la présente invention que de réaliser une sonde de couplage, à utiliser dans des filtres passe-bande, dont le seuil de décharge auto-entretenue soit amélioré sans augmenter les dimensions et la masse du filtre passe- bande. C'est un deuxième but de la présente invention que de réaliser une sonde de couplage qui est prévue pour réduire de façon significative l'émittance d'électrons secondaires, qui est connue pour provoquer une décharge auto-entretenue dans des structures de sondes de couplage. C'est un troisième but de la présente invention que de réaliser une sonde couplage qui comporte une plaque perforée qui réduise de façon significative l'émittance d'électrons secondaires et augmente donc le seuil de décharge auto-entretenue de la sonde de couplage. C'est un quatrième but de la présente invention que de réaliser une sonde de couplage pourvue d'une électrode circulaire perforée qui réduise de façon significative l'émittance d'électrons secondaires et augmente donc le seuil de décharge auto-entretenue de la sonde de couplage. Pour atteindre ces buts, la présente invention réalise une sonde de couplage de champ électrique destinée à réaliser un seuil amélioré de décharge auto-entretenue, qui comprend une entrée de réception d'un potentiel de tension et une sortie formant une électrode disposée dans ledit champ électrique, et qui est caractérisée en ce que la surface de ladite électrode est prévue pour réduire l'émission d'électrons secondaires libérés par l'impact d'un électron contre ladite surface, de façon que ledit rapport d'émission d'électrons secondaires soit maintenu au-dessous de l'unité. Ladite surface peut être d'une configuration ondulée pour défléchir des électrons en les éloignant d'une surface opposée, et on peut alors prévoir en particulier que ladite surface ondulée comporte une série de saillies de configuration pyramidale, disposées sur ladite surface, et que chaque saillie de configuration pyramidale comporte des parois latérales disposées de manière à réfléchir des électrons entrants en les éloignant d'une surface opposée. Ladite surface peut comporter une série de perforations, chaque perforation comportant des orifices plus petits que la longueur d'onde de la fréquence opérationnelle à laquelle ladite sonde de couplage de champ électrique fonctionne, et on peut alors prévoir en particulier que lesdites perforations comprennent une série d'orifices disposés transversalement sur toute la surface de ladite sonde de couplage, et que lesdits orifices sont d'un diamètre plus petit que la longueur d'onde de la fréquence opérationnelle de ladite sonde de couplage, la superficie qui consiste en perforations pouvant être au moins égale à cinquante pour-cent - % - de la superficie totale de ladite sonde. Les avantages de la sonde de couplage de champ électrique conforme aux principes de la présente invention sont le seuil amélioré de décharge auto- entretenue et la puissance RF accrue à laquelle elle peut fonctionner. Par exemple, l'utilisation d'une plaque circulaire perforée comme sonde de couplage de champ électrique offre une amélioration de seuil de décharge auto-entretenue de trois à quatre dB par rapport à une sonde classique non perforée. La présence d'un grand nombre de petits orifices ou perforations sur la surface de la sonde réduit de façon significative l'émittance d'électrons secondaires, ce qui augmente le seuil de décharge auto-entretenue. On trouve que les orifices exercent un impact négligeable sur la performance du filtre pour de petits signaux RF. Les buts, particularités et avantages de la présente invention exposés ci-dessus ainsi que d'autres ressortiront davantage de la description détaillée qui suit en se référant aux dessins annexés dans lesquels: les Fig. la et lb sont des vues en coupe transversale d'une cavité RF qui illustrent l'utilisation d'une sonde de couplage de champ électrique à l'intérieur de la cavité RF; la Fig. 2 est une vue de face d'une sonde de couplage classique à configuration de disque selon l'art antérieur; la Fig. 3a est une vue en coupe transversale d'une cavité RF qui illustre l'utilisation d'une sonde de couplage de champ électrique selon la présente invention; la Fig. 3b est une vue de face de la structure de sonde de couplage selon un premier mode de réalisation de l'invention; et les Fig. 4a et 4b sont des structures de sondes de couplage selon d'autres modes de réalisation de la présente invention. Pour faciliter la compréhension de la présente invention, on décrira d'abord, en se référant aux Fig. la, lb et 2, une sonde de couplage de champ électrique de l'art antérieur lorsqu'elle est utilisée à l'intérieur d'une cavité RF 11. La sonde de couplage 10 de l'art antérieur, représentée à la Fig. la, comporte une extrémité d'entrée 12 et une sortie 13 qui forme une électrode disposée dans le champ électrique engendré par la cavité RF 11. Dans le mode de réalisation de la Fig. la, la sonde de couplage est positionnée à une paroi latérale 14 de la cavité RF 11. Dans le mode de réalisation de la Fig. lb, l'électrode est positionnée au-dessus de la colonnette d'accord 15 de la cavité RF 11. Le fonctionnement de la colonnette d'accord 15 est connu de l'homme de l'art et n'exige aucune description ici. Une vue de face de la sonde de couplage 10 de champ électrique, représentée aux Fig. la et lb est illustrée à la Fig. 2. Des sondes de couplage de champ électrique de l'art antérieur, comme celle qui est représentée à la Fig. 2, sont structurées de façon à former une électrode 16 à configuration de disque apte à être disposée à une distance appropriée de l'extrémité supérieure ou du côté supérieur d'une colonnette d'accord comme représenté aux Fig. la et lb, respectivement. Puisque la surface de l'électrode 16 est à une distance prescrite de la surface de l'extrémité supérieure ou du côté supérieur de la colonnette d'accord RF 15, des électrons libres qui sont accélérés ne rebondissent pas mais libèrent, comme indiqué aussi ci-dessus, des électrons secondaires lors d'un impact. Comme indiqué précédemment, lorsque des électrodes sont utilisées dans un environnement à très basse pression, et que la distance moyenne parcourue par des électrons sans collision est beaucoup plus grande que la distance entre les électrodes, il peut se produire un effet de décharge auto-entretenue. Lorsque l'énergie des électrons qui sont accélérés par le champ électrique est, à leur arrivée, telle que le rapport d'émission d'électrons secondaires est supérieur à l'unité, un effet de décharge auto- entretenue peut aussi se produire. Une décharge auto- entretenue entre la colonnette d'accord 15 et l'électrode 13 est lancée lorsque des électrons à l'une des électrodes sont accélérés vers l'autre électrode et y arrivent avec une énergie suffisante pour libérer davantage d'électrons de l'autre électrode. S'il existe une condition de résonnance et si l'impact des électrons primaires coïncide avec l'inversion du champ électrique, les électrons tant primaires que secondaires sont accélérés en retour vers la première électrode. Si les conditions sont maintenues pendant un grand nombre de cycles électriques, le phénomène d'avalanche continue et devient une décharge auto-entretenue. Dans le mode de réalisation de la Fig. 3a, la cavité RF 11 est pourvue de la sonde de couplage de la présente invention. Une vue de dessus du mode de réalisation d'une sonde de couplage utilisée dans la cavité RF de la Fig. 3a est représentée à la Fig. 3b. Dans ce mode de réalisation, plusieurs perforations 17 ont été effectuées dans l'électrode 18 pour permettre à de grandes quantités d'électrons libres de traverser la sonde en passant par les perforations. Le nombre d'orifices ou perforations ainsi que les dimensions et la configuration des orifices ou perforations peuvent évidemment varier. Cependant, on trouve qu'une amélioration de 3 à 4 dB est obtenue, par rapport à une sonde classique non perforée, en utilisant des perforations don la superficie totalise cinquante pour-cent - 50 % - de celle du disque. Par exemple, une sonde non perforée d'un diamètre de 0, 6 pouce ou ,24 mm peut fonctionner à des puissances RF atteignant jusqu'à 300 watts avant que des effets de décharge auto- entretenue n'apparaissent. En revanche, une sonde de champ électrique modifiée de la manière représentée à la Fig. 3b, o au moins 50 % de la superficie de la sonde est perforée, peut fonctionner à des niveaux de puissance RF de 650 watts sans effets de décharge auto-entretenue. Jusqu'ici, la seule façon d'accroître la puissance RF pour une sonde de champ électrique, sans provoquer d'effet de décharge auto- entretenue, consistait à augmenter le diamètre de la sonde et/ou l'intervalle entre sondes. Grâce à la technique de la présente invention, une puissance RF accrue peut être disponible sans modifier les dimensions et les paramètres d'une cavité RF. Il faut généralement que les dimensions ou le diamètre des perforations de la sonde de couplage soient plus petits que la longueur d'onde de la fréquence opérationnelle de la sonde afin d'éviter toute modification de performance électrique de la cavité RF et de la sonde de couplage. Par conséquent, une structure à configuration de roue comme celle qui est représentée à la Fig. 4a, dans laquelle les ouvertures 19 sont plus petites que la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement de la sonde de couplage 20 peut être utilisée pour obtenir une performance similaire à celle du disque perforé de la Fig. 3b. Dans le mode de réalisation de la Fig. 4b, le disque 21 n'est pas perforé mais comporte en revanche une surface ondulée 22 portant une série de saillies 23 à configuration de pyramide à parois 24 configurées selon un certain angle, aptes à réfléchir, à distance de la surface d'électrode opposée, tous électrons libres provenant de l'électrode 21. La sonde peut également être carrée ou rectangulaire, la surface peut être concave ou convexe pour réduire les effets de décharge auto- entretenue etc. Des variantes des modes de réalisation préférés décrits ici seront évidentes à l'homme de l'art et le mode de réalisation doit par conséquent être considéré comme illustrant et non limitant l'invention, le vrai cadre de l'invention étant exposé dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Sonde (20) de couplage de champ électrique, destinée à réaliser un seuil amélioré de décharge auto-entretenue, qui comprend une entrée de réception d'un potentiel de tension et une sortie formant une électrode (18) disposée dans ledit champ électrique et qui est caractérisée en ce que la surface (21) de ladite électrode (18) est prévue pour réduire (17; 23) l'émission d'électrons secondaires libérés par l'impact d'un électron contre ladite surface, de façon que le rapport d'émission d'électrons secondaires soit maintenu au-dessous de l'unité. 2. Sonde (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface (21) est d'une configuration ondulée (22) pour défléchir des électrons en les éloignant d'une surface opposée. 3. Sonde (20) selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite surface ondulée (22) comporte une série de saillies (23) de configuration pyramidale, disposées sur ladite surface, et en ce que chaque saillie (23) de configuration pyramidale comporte des parois latérales (24) disposées de manière à réfléchir des électrons entrants en les éloignant d'une surface opposée. 4. Sonde (20) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite surface comporte une série de perforations (17), et en ce que chaque perforation (17) comporte des orifices plus petits que la longueur d'onde de la fréquence opérationnelle à laquelle ladite sonde (20) de couplage de champ électrique fonctionne. 5. Sonde (20) selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites perforations (17) comprennent une série d'orifices disposés sur toute la surface de ladite sonde (20) de couplage, et en ce que lesdits orifices (17) sont d'un diamètre plus petit que la longueur d'onde de la fréquence opérationnelle de ladite sonde (20) de couplage. 6. Sonde (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la superficie qui consiste en perforations (17) est au moins égale à cinquante pour-cent (50%) de la superficie totale de ladite sonde (20).