Brevet FR2766272A1 — publié le 19990122

"DISPOSITIF ET PROCEDE DE REFLECTOMETRIE HYPERFREQUENCES, ET FOUR A MICRO-ONDES AINSI EQUIPE" La présente invention concerne un dispositif réflectométrique hyperfréquences. Elle vise également un procédé mis en oeuvre dans ce dispositif réflectométrique, ainsi qu'un four à micro-ondes équipé de ce dispositif. Une utilisation optimale d'un four à micro-ondes, qu'il soit à usage domestique ou professionnel, suppose de pouvoir suivre l'évolution de l'impédance de ce four pendant la cuisson. Un diagramme d'impédance du magnétron tel que le diagramme de Rieke est habituellement utilisé pour étudier cette évolution. On peut utiliser pour cela un dispositif réflectométrique composé d'un coupleur directif de puissance fixé sur le guide d'onde du four à micro-ondes et tel que divulgué dans le document US 4 211 911,et d'un coupleur "six ports" tel que divulgué dans l'article intitulé "A versatile easy to do six-ports based high power reflectometer" de M. Caron et al., Journal of microwave Vol.30, No4 1995. Un coupleur directif de puissance utilisé seul permet de mesurer la puissance émise par le magnétron d'un four à micro-ondes et la puissance réfléchie par ce four. Il est à noter à ce sujet que la pressente invention concerne également un dispositif réflectométrique hyperfréquence incluant dans sa version raccourcie un coupleur de puissance utilisé seul. On dispose en fait de deux tensions complexes proportionnelles aux champs électriques hyperfréquences respectivement incident et réfléchi. Le rapport de ces deux tensions fournit un coefficient de réflexion complexe vu par le magnétron avec un module p et une phase p. Le coupleur "six-ports" a précisément pour fonction de récupérer cette information de phase. Le document US 4 211 911 enseigne que la distance entre les deux antennes d'un coupleur directif de puissance doit être égale à un quart de la longueur d'onde. Or, dans la gamme de fréquence où opèrent normalement les fours à micro-ondes, cette contrainte de distance entre antennes ne permet pas en pratique l'installation d'un tel coupleur sur un guide d'un four à micro-ondes pour des raisons d'encombrement. Le but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un dispositif réflectométrique présentant un encombrement moindre que les dispositifs actuels tout en procurant des mesures de précision suffisante pour permettre un suivi de l'évolution de l'impédance du four. Cet objectif est atteint avec un dispositif de réflectométrie pour suivre l'évolution de l'impédance d'un four à micro-ondes comprenant un magnétron émettant une onde électromagnétique de longueur d'onde prédéterminée et un guide d'onde pour guider cette onde depuis le magnétron vers une enceinte de chauffage ou de cuisson, comprenant un coupleur directif de puissance comportant deux antennes disposées dans ce guide d'onde et reliées entre elles par un ruban conducteur ou stripline. Suivant l'invention, la distance entre ces deux antennes est choisie inférieure au quart de la longueur d'onde d'émission du magnétron. Ainsi, il devient maintenant possible de placer des dispositifs réflectométriques compacts sur les guides d'onde équipant actuellement la majorité des fours à micro-ondes, là où des réflectomètres classiques ne pouvaient être implantés. Dans une première forme de réalisation, le dispositif de réflectométrie selon l'invention comprend en outre un circuit de jonction multi-ports disposé en aval du coupleur directif de puissance, ce circuit de jonction multi-ports coopérant avec le coupleur directif de puissance pour délivrer, à partir de signaux délivrés par ledit circuit directif de puissance, une information sur la phase de l'onde réfléchie en provenance de l'enceinte par rapport à l'onde incidente émise par le magnétron. Dans une autre forme de réalisation, le dispositif de réflectométrie selon l'invention comporte deux convertisseurs puissance-tension comprenant chacun un étage d'adaptation et un étage de détection hyperfréquences, un premier convertisseur puissancetension coopérant avec le coupleur directif de puissance pour mesurer la puissance incidente et un second convertisseur puissance-tension coopérant avec le coupleur directif de puissance pour mesurer la puissance réfléchie. Suivant une version préférée du dispositif réflectométrique selon l'invention, les antennes sont disposées de part et d'autre d'une ligne médiane du guide d'onde respectivement dans des plans de phase distants de moins d'un quart de la longueur d'onde d'émission du magnétron. Le ruban ou stripline reliant les deux antennes peut alors être conçu sensiblement rectiligne. Cette configuration particulière a pour effet de diminuer considérablement le rayonnement du ruban observé au niveau des boucles. Avec un ruban rectiligne, ce rayonnement est minimum. Par ailleurs, il est possible de réduire l'atténuation induite habituellement par le circuit de jonction multi-ports en fixant au niveau des points de couplage de ce circuit de jonction des capacités OMS hyperfréquences de l'ordre du picoFarad. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour réaliser des mesures de réflectométrie dans un four à micro-ondes pourvu d'un dispositif de réflectométrie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on prélève des signaux aux bornes respectives de deux antennes disposées à l'intérieur d'un guide d'onde, on applique ces signaux à un circuit de jonction multi-ports pour délivrer des signaux permettant après traitement de fournir une information sur la phase de l'onde réfléchie par la cavité formée par le caisson du four à micro-ondes, par rapport à l'onde incidente générée par le magnétron. Suivant l'invention, on prélève les signaux hyperfréquences dans le guide d'onde en deux points situés dans des plans de phase séparés d'une distance inférieure à un quart de la longueur d'onde d'émission du magnétron. Suivant encore un autre aspect de 1 invention, il est proposé un four à micro-ondes comprenant au moins un dispositif réflectométrique selon l'invention. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 est une vue en perspective d'une partie du dispositif réflectométrique selon l'invention disposé sur un guide d'onde; - la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un coupleur directif mis en oeuvre dans un dispositif réflectométrique selon l'invention; - les figures 3A et 3B illustrent deux modes de réalisation d'un circuit de jonction "six-ports" mis en oeuvre dans un dispositif réflectométrique selon l'invention; - la figure 4 est une vue de dessus d'un premier mode de réalisation d'un coupleur directif pour un dispositif réflectométrique selon l'invention; - la figure 5 est une vue de dessus d'un second mode de réalisation d'un coupleur directif pour un dispositif réflectométrique selon l'invention; - la figure 6 représente schématiquement un four à micro-ondes pourvu d'un dispositif réflectométrique selon l'invention; - la figure 7 représente schématiquement un four à micro-ondes pourvu de deux dispositifs réflectométriques selon l'invention; - la figure 8 représente un convertisseur puissance tension mettant en oeuvre un dispositif de réflectométrie selon l'invention; - la figure 9 représente une configuration expérimentale de mesure des puissances incidentes et réfléchies mettant en oeuvre deux convertisseurs puissance-tension du type représenté en figure 8; - la figure 10 illustre un relevé de mesure de réflectométrie effectué avec un dispositif selon l'invention, dans le cas de la marche à vide d'un four à micro-ondes; et - la figure 11 illustre un relevé de mesure de réflectométrie, illustrant la détection de l'ébullition d'une tasse d'eau dans un four à micro ondes. On va maintenant décrire plusieurs exemples de réalisation d'un dispositif réflectométrique selon l'invention, en référence aux figures précitées. Un dispositif réflectométrique 1 selon l'invention comprend, en référence aux figures 1 et 2, un coupleur directif de puissance 10 fixé sur la face supérieure 11 d'un guide d'onde 100, et un circuit de jonction "sixports" 30 tel que décrit par exemple dans l'article "A Versatile Easy to do Six-Port Based High-Power Reflectometer" de M.Caron et al. paru dans la revue 3International Microwave Power Institute" Vol.30, No4, 1995. Le dispositif réflectométrique 1 est positionné sur le haut du guide d'onde 100, et permet de mesurer, d'une part, la puissance incidente, et d'autre part, la puissance réfléchie. Le guide d'onde 100 représenté en figure 1 correspond typiquement à une application à un four à micro-ondes 60 tel que représenté en figure 6. A l'une de ses extrémités, ce guide d'ondes 100 communique avec un logement 13 prévu pour contenir une antenne émettrice 62 d'un magnétron 61, tandis que son autre extrémité débouche dans une cavité ou enceinte 63 destinée à recevoir une charge 64. La paroi supérieure du logement 13 contiguë au guide d'onde 100 peut par exemple présenter un bossage 5 conformé de façon à optimiser le fonctionnement et la disposition de l'antenne émettrice 62 située en dessous. La cavité 63 reçoit un rayonnement incident OI généré par le magnétron 61 et canalisé par le guide d'onde 100, et renvoie en retour un rayonnement réfléchi OR. Le coupleur directif 10 du dispositif réflectométrique 1 selon l'invention est fixé sur la partie supérieure 11 du guide d'onde et est relié au circuit de jonction "six-ports" 30 qui délivre un ensemble de quatre signaux hyperfréquence qui sont filtrés et traités dans un module de traitement et de commande qui pilote le magnétron 61. Le coupleur directif de puissance 10 comprend deux antennes 22, 23 pénétrant à l'intérieur du guide d'onde 100 et reliées à deux connecteurs 2, 3 accessibles sur la face supérieure du coupleur directif 10. Les deux antennes 22, 23 sont reliées entre elles par un ruban conducteur déposé ou stripline 13 disposé sur une plaque supérieure 6 en matériau isolant, par exemple en résine époxy, elle-même disposée sur une plaque inférieure 7 faisant plan de masse. Une feuille métallique 8, par exemple en aluminium, est avantageusement disposée entre la plaque inférieure 7 et la partie supérieure 11 du guide d'onde 100. Le coupleur directif de puissance 10 est solidement fixé au guide d'onde 100 au moyen d'un ensemble de vis (non représentées). Les antennes 23, 22, fixées aux connecteurs 3, 2 s'étendent à l'intérieur du guide d'onde 100 à travers deux trous ménagés dans ce dernier, et de diamètre plus grand que celui des antennes de façon à éviter le court-circuit antenne-guide. On peut envisager diverses configurations du ruban ou stripline inter-antenne au sein du coupleur directif, comme le représentent les figures 4 et 5. Dans un premier exemple de réalisation illustré par la figure 4, le ruban conducteur 43 reliant les connecteurs 2, 3 du coupleur directif 40 est de forme sensiblement sinusoïdale ou plus généralement ondulée et correspond à une disposition des ports P1, P2 sur la ligne longitudinale et médiane du guide d'ondes. Une telle configuration est notamment décrite dans le document US 4 211 911. Dans un second exemple de réalisation représenté en figure 5, les connecteurs 3, 2 du coupleur directif 50 sont décalés de part et d'autre de la ligne médiane de telle sorte qu'il devient possible de prévoir un ruban conducteur tendu 13. Le circuit de jonction "six-ports" 30 comprend, en référence à la figure 3A, deux coupleurs directifs et une boucle de résonance. Le port P1 constitue un premier port d'entrée et est relié par exemple, via le connecteur 3, à l'antenne 23 du coupleur directif 10. Le port P2 constitue un second port d'entrée et est relié, via le connecteur 2, à l'antenne 22 du coupleur directif 10. Le port P3 constitue un port de référence procurant un niveau de puissance proportionnel au niveau de puissance d'entrée du port P1. Une charge adaptée est reliée au port P'3. Comme l'illustre la figure 3B, On peut aussi améliorer significativement les performances du circuit de jonction "six-ports" 30' en insérant des capacités hyperfréquences C13, C13', C24, C26, d'une fraction de picoFarad, aux points de couplage de ce circuit de jonction. Outre la réduction significative de l'atténuation du circuit six-ports ainsi obtenue, l'ajout de ces capacités a pour effet de beaucoup mieux définir les points de couplage et d'améliorer la directivité. Ainsi, l'ajout d'une capacité hyperfréquence de 1 pF ramène le couplage à 3dB au lieu de 30dB, avec une directivité satisfaisante de 25dB. On va maintenant montrer pourquoi la distance entre les deux antennes peut être choisie quelconque inférieure au quart d'onde. Soient: L, la distance inter-antenne (à déterminer) Ls, la longueur du ruban ou stripline inter-antenne, Xs, la longueur d'onde dans le ruban, #g, la longueur d'onde dans le guide, sss=2=/ks ssg=2s/Rg C1, C2, des coefficients de couplage au sein du coupleur directif. La longueur électrique du ruban ou stripline doit respecter la condition de phase suivante: sss.Ls = ssg.L + # On considère maintenant les amplitudes complexes aux différents ports du coupleur directif de puissance, en référence à la figure 2, en prenant comme référence la tension incidente normalisée à 1: Port 1 (correspondant à l'antenne 23) 1 Port 2 (correspondant à 11 antenne 22) e-jssg.L Port 3 1/2(C1.e-jsss.Ls + C2. e-jssg.L) port 4 1/2(Cl+C2.e-jsss.Ls * e~issgL) En pratique, on peut considérer que les coefficients de couplage C1 et C2 sont sensiblement égaux. En prenant en compte cette égalité et la condition précitée sur la longueur électrique, on montre aisément que l'amplitude complexe du signal sur le port 3 du coupleur directif est nulle. Par ailleurs, l'amplitude complexe du signal sur le port 4 peut être exprimée de la façon suivante: V = 1/2.C.(1-cos(2.ssg.L) + j sin(2.ssg.L) De même, la puissance de l'onde sur le port 4 est donnée par l'expression: V.V* = C2/2 . (1 - cos(2ssg.L)) Si on choisit par exemple une longueur L égale à Xg/8 (soit 2.167 cm), on obtient sur le port P4 une amplitude complexe égale à 1/2C(l+j), ce qui correspond à une amplitude de 0.707C déphasée de 45" par rapport au port 1, et à une puissance égale à C2/2, tout à fait suffisante pour effectuer un suivi de l'évolution de 1' impédance. Il importe que la contribution du signal incident soit nulle ou négligeable sur le port3, tandis que la contribution du signal réfléchi sera nulle sur le port 4. A titre d'exemple pratique de réalisation, on réalise un coupleur directif présentant une distance interantenne égale à 1/8 de la longueur d'onde du guide d'onde. Par exemple, on considère un guide d'onde présentant une hauteur égale à 36.6 mm et une largeur égale à 92 mm. Si la longueur d'onde du magnétron est X=122,36 mm, la longueur d'onde du guide d'onde est alors Xg=163,84 mm et la distance entre plans de phase est par exemple choisie égale à Xg/8, à savoir 20,48 mm. Les caractéristiques du ruban ou stripline disposé sur le coupleur directif de puissance sont par exemple les suivantes: permittivité relative sur=4.3 (époxy) longueur d'onde dans la structure triplaque Bs=c/(fWgr)=59 mm. La longueur du ruban est par exemple choisie égale à 5.ut/8= 36.88 mm. Plus généralement, la longueur du ruban Ls peut être déterminée par la relation suivante: Ls = L/kg .Xs + k. Rus/2 avec k=l, 3, 5 etc.. La longueur Ls du ruban dépend de la constante diélectrique du support de ce ruban. Plus on augmente cette constante diélectrique, plus cette longueur est courte; et plus l'épaisseur des plaques diélectriques est faible, moins le ruban est large. Des dispositifs réflectométriques compacts selon l'invention peuvent aussi être mis en oeuvre dans des fours pourvus d'un magnétron et de deux fentes d'injection, comme l'illustre schématiquement la figure 7. Ainsi, un four à micro-ondes 70 comprenant un magnétron 71 et deux fentes d'injection 72I, 72S respectivement inférieure et supérieure, est équipé de deux dispositifs réflectométriques 1I, 1S respectivement inférieur et supérieur disposés sur des guides d'ondes 73I, 73S de part et d'autre du magnétron 71. Dans cette configuration, il est possible de mesurer des coefficients de réflexion supérieurs à 1 car une onde peut sortir par une fente et rentrer par l'autre. Il est à noter qu on peut envisager dans le cadre de la présente invention un dispositif de réflectométrie comportant un coupleur de puissance utilisé seul sans coupleur six-ports, mais avec deux détecteurs. Ce coupleur fournit l'amplitude du coefficient de réflexion, ce qui suffit dans des cas simples comme la sécurité de marche à vide. Ainsi, en référence à la figure 8, on peut concevoir un convertisseur puissance-tension 80 composé d'un étage d'adaptation 81 réalisé en technologie micro-strip comportant en entrée, par exemple, un connecteur SMA 811 ou l'extrémité d'un câble coaxial dénudé, et un ruban 50Q 812, un étage de détection hyperfréquence 82 comprenant une diode de détection Schottky 822, un ruban 50Q 821 et une ferrite radiale 823, et un étage suiveur ou équivalent 83 en vue d'un traitement informatique des mesures de tension obtenues. Ce type de détecteur peut d'ailleurs être également utilisé dans de cas de la mise en oeuvre d'un coupleur six-ports en P3, P4, P5, P6. Afin de mesurer les puissances incidente et réfléchie, on place deux convertisseurs de puissance 91, 92 dans une structure 90 illustrée en figure 9. Ces convertisseurs mesurent une puissance incidente et une puissance réfléchie en récupérant deux signaux électriques S1, S2 proportionnels, capté par les antennes du réflectomètre R à l'intérieur du guide d'onde. Par étalonnage, on peut déterminer la puissance incidente émise et la puissance réfléchie par la charge et la cavité. On en déduit la puissance consommée à partir de la différence entre la puissance incidente et la puissance réfléchie. La présente invention peut être mise en oeuvre dans tout type de four à micro-ondes, pour tout secteur d'activité, domestique ou professionnel. En particulier, des fours à micro-ondes utilisés dans des expérimentations de chimie peuvent avantageusement être pourvus de dispositifs réflectométriques selon l'invention. Grâce au dispositif de réflectométrie selon l'invention, il devient possible d'identifier des phases de marche à vide d'un four à micro-ondes comme l'illustre la figure 10, dans laquelle la courbe continue représente l'évolution temporelle du coefficient de réflexion pour une tasse d'eau, tandis que la courbe en pointillés représente l'évolution de ce coefficient de réflexion en cas de marche à vide. On peut également détecter des situations d'ébullition d'une tasse, comme représenté en figure 11. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les dimensions et les formes des guides d'onde et des composants des dispositifs réflectométriques peuvent varier en fonction du type de four équipé. Il en est de même pour les fréquences et longueurs d'onde considérées dans la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réflectométrie hyperfréquences (1) pour suivre l'évolution de l'impédance d'un four à microondes (60) comprenant un magnétron (61) émettant une onde électromagnétique de longueur d'onde prédéterminée (X) et un guide d'onde (100) pour guider cette onde depuis le magnétron (61) vers une enceinte de chauffage ou de cuisson (63), comprenant un coupleur directif de puissance (10) comportant deux antennes (23, 22) disposées dans ledit guide d'onde (100) et reliées par un ruban conducteur ou stripline (13, 43), caractérisé en ce que la distance (L) entre ces deux antennes (23, 22) est choisie inférieure au quart de la longueur d'onde (k) d'émission du magnétron (61). 2. Dispositif de réflectométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de jonction multi-ports (30, 30') disposé en aval du coupleur directif de puissance (10), ce circuit de jonction multi-ports (30, 30') coopérant avec le coupleur directif de puissance (10) pour délivrer, à partir de signaux délivrés par ledit circuit directif de puissance (10), une information sur la phase de l'onde réfléchie (OR) en provenance de l'enceinte (63) par rapport à l'onde incidente (OI) émise par le magnétron (61). 3. Dispositif de réflectométrie (90) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux convertisseurs puissance-tension (91, 92; 80) comprenant chacun un étage d'adaptation (81) et un étage de détection hyperfréquences (82), un premier convertisseur puissance-tension (91) coopérant avec le coupleur directif de puissance (R) pour mesurer la puissance incidente et un second convertisseur puissance-tension (92) coopérant avec le coupleur directif de puissance (R) pour mesurer la puissance réfléchie. 4. Dispositif de réflectométrie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les antennes (23, 22) sont disposées de part et d'autre d'une ligne longitudinale et médiane du guide d'onde (100) respectivement dans des plans de phase distants de moins d'un quart de la longueur d'onde (k) d'émission du magnétron (61). 5. Dispositif de réflectométrie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les antennes sont sensiblement alignées sur une ligne longitudinale et médiane du guide d'onde. 6. Dispositif de réflectométrie selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le ruban ou stripline (13) reliant les deux antennes (23, 22) est sensiblement rectiligne. 7. Dispositif de réflectométrie selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur Ls du ruban stripline (13) est déterminée par la relation suivante: Ls=L/Rg .As + k. Rs/2 avec k=l, 3, 5 etc.. où 1 représente l'écart entre les deux antennes, Xs représente la longueur d'onde associée au coupleur directif de la structure triplaque. 8. Dispositif de réflectométrie selon la revendication 7, caractérisé en ce que k est choisi égal à 1 et 1 est choisi égal à Xg/8. 9. Dispositif de réflectométrie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de jonction multi-ports (30') comprend en chaque point de couplage une capacité hyperfréquence (C13, C13', C24, C26). 10. Dispositif de réflectométrie selon la revendication 9, caractérisé en ce que ces capacités hyperfréquences sont de l'ordre du picofarad. 11. Dispositif de réflectométrie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coupleur directif de puissance est réalisé sous la forme d'un circuit triplaque. 12. Dispositif de réflectométrie selon la revendication 11, caractérisé en ce qu il comprend en outre une feuille métallique ou une plaque conductrice (8) insérée entre le plan de masse inférieur du coupleur directif de puissance (10) et la partie supérieure (11) du guide d'onde (100). 13. Procédé pour réaliser des mesures de réflectométrie dans un four à micro-ondes (60) pourvu d'un dispositif de réflectométrie (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes et la revendication 2, dans lequel on prélève des signaux sur deux antennes (23, 22) pénétrant à l'intérieur d'un guide d'onde (100), on applique ces signaux à un circuit de jonction multi-ports (30) pour délivrer des signaux permettant après traitement de fournir une information sur la phase et le module de l'onde réfléchie (OR) par l'enceinte ou la cavité par rapport à l'onde incidente (OI) générée par le magnétron (61), caractérisé en que les antennes (23, 22) sont distantes d'une distance inférieure à un quart de la longueur d'onde d'émission du magnétron (61). 14. Four à micro-ondes (60) comprenant un dispositif de réflectométrie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12. 15. Four à micro-ondes (70) comprenant au moins deux dispositifs de réflectométrie (1S, 1I) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 disposés sur des guides d'onde (73S, 73I) de part et d'autre d'un magnétron (71).