Brevet FR2820939A1 — publié le 20020816

La présente invention concerne un dispositif de guide d'onde lanceur pour l'excitation d'une enceinte par des micro-ondes provenant d'un émetteur apte à faire régner dans le guide d'onde du dispositif un champ électromagnétique de micro-ondes ayant une longueur d'ondes Xg, le dispositif comprenant un emplacement pour l'émetteur définissant un plan de l'émetteur et deux parois de réflexion d'onde au voisinage desquelles sont respectivement situées deux sorties principales pour les micro-ondes. On rappelle que les micro-ondes sont des ondes électromagnétique dont la fréquence est comprise entre 0,3 GHz et 300 GHz, plus particulièrement entre 0,3 GHz et 5,2 GHz. Pour de nombreuses applications, on choisit des micro-ondes dont la fréquence est de l'ordre de 2,45 GHz. Les micro-ondes sont émises à partir d'un tube émetteur dénommé magnétron, qui émet à la fréquence choisie. Ces micro-ondes sont transmises à l'enceinte devant être excitée par un dispositif de guide d'onde dit lanceur. Cette enceinte peut être constituée par la cavité d'un four à micro-ondes d'usage domestique ou industriel. De manière générale, il s'agit d'une enceinte dans laquelle on doit faire régner un champ de micro-ondes pour traiter un objet à l'aide de micro-ondes. Il peut ainsi s'agir de l'enceinte d'un réacteur à plasma telle que décrite dans le document FR-A-2 631 199. Il importe que les micro-ondes générées par le magnétron soient transmises à l'enceinte de façon stable et avec une puissance maximale. Ainsi, l'enceinte ne doit être la cause d'aucun effet perturbateur des relations de phase internes au magnétron, faute de quoi la puissance émise serait réduite et la durée de vie du magnétron en serait affectée. Le guide d'onde lanceur constitue un intermédiaire entre le magnétron et l'enceinte qui sert au couplage des micro-ondes, c'est-à-dire à l'adaptation des impédances du champ électromagnétique entre le magnétron et l'enceinte. Ainsi, la géométrie du guide d'onde lanceur peut être déterminée en fonction de celle de l'enceinte pour réaliser un couplage correct. Le problème est que, dès lors qu'une charge est disposée dans l'enceinte, en particulier un objet devant être traité par les micro-ondes, cette charge perturbe l'impédance du champ électromagnétique régnant dans cette enceinte. Le couplage se trouve donc perturbé du fait de la présence même de l'objet devant être traité par les micro-ondes. Il en résulte une distribution non homogène des micro-ondes lorsqu'un objet donné est présent dans l'enceinte. C'est pour cette raison que, au moins dans l'application domestique, de nombreux fours à micro-ondes sont équipés d'un système de plateau tournant qui déplace l'objet devant être traité à l'intérieur du four. Il n'en reste pas moins que le rendement énergétique de l'installation est affecté par les défauts de couplage. De plus, des objets ayant des caractéristiques différentes (en particulier ayant trait à leur géométrie) ne sont pas affectés de la même manière par les micro-ondes, pourtant émises par la même source. Le document FR-A-2 631 199 divulgue la présence de moyens de réglage du couplage entre le magnétron et la cavité devant être excitée par les micro-ondes, ces moyens comprenant des vis réglables pénétrant dans la cavité du guide d'onde et des pistons de réglage modifiant la géométrie de l'enceinte. Comme l'indique ce document, ces moyens de réglage sont mobiles dans le cadre d'une application expérimentale, les opérateurs du dispositif pouvant adapter les réglages en fonction de chaque expérience. Pour des applications industrielles, ces moyens de réglage sont fixes, c'est-à-dire que le couplage peut être réalisé lors de l'installation du dispositif qui est alors dédié à une production industrielle spécifique. Pour des applications nécessitant le traitement par des microondes d'objets de caractéristiques diverses et dans des conditions différentes, ces moyens de réglage sont peu appropriés. En particulier, pour les fours à micro-ondes d'usage domestique, il est exclu que l'utilisateur règle le couplage selon le type de plat devant être chauffé. La présente invention vise à améliorer l'art antérieur précité en faisant en sorte que le couplage entre le magnétron et l'enceinte ne soit pas ou pratiquement pas sensible à l'objet ou à la charge disposé dans l'enceinte. Ce but est atteint grâce au fait que les deux parois de réflexion d'onde sont respectivement écartées du plan de l'émetteur d'une distance sensiblement égale à 0,2. Xg + k. ; g/2 et d'une distance sensiblement égale à 0,3. Â. g + p. kg/2, où k et p sont des nombres entiers. En d'autres termes, les deux parois de réflexion d'onde sont respectivement écartées du plan de l'émetteur d'une distance voisine de 0,2. y\. g modulo kg/2 et d'une distance de 0,3. Àg modulo Àg/2. Dans un champ de micro-ondes, l'impédance d'onde s'exprime en tout point par un nombre complexe dont la partie imaginaire traduit une perte d'énergie et une dérive en fréquence. Ainsi, le champ qui règne dans le guide d'onde est la résultante des ondes émises par le magnétron et des ondes réfléchies par les parois de réflexion du guide d'onde. Pour un magnétron donné, on peut établir le diagramme de Rieke qui, en fonction de la distance par rapport au plan de référence de l'antenne qui émet les micro-ondes, indique la puissance de l'énergie transportée par les ondes et les écarts de fréquence. Ce diagramme montre que, dans les régions éloignées du plan de l'antenne d'une distance de l'ordre de 0,2. #g et dans les régions éloignées de l'antenne d'une distance de l'ordre de 0,3. à, la perte d'énergie est la plus faible. Ces régions constituent donc des zones optimales du point de vue de la limitation de la perte d'énergie. En raison de la répétitivité de l'onde à intervalles égaux à à/2, les régions qui sont écartées des zones optimales précitées d'une distance qui est un multiple de gag/2 constituent également des régions optimales. Par ailleurs, des plans éloignés du plan de l'antenne d'une distance égale à kg/4 modulo #g/2 constituent des plans de symétrie pour la dissipation de l'énergie. En d'autres termes, dans deux plans symétriques l'un de l'autre par rapport à un tel plan de symétrie, les parties imaginaires des impédances sont sensiblement opposées. C'est le cas de deux plans respectivement écartés du plan de l'émetteur d'une distance sensiblement égale à 0,2. , g et d'une distance sensiblement égale à 0,3. Âg. En raison de la répétitivité de l'onde à intervalles de gag/2, les deux parois de réflexion définies comme indiqué ci-dessus sont disposées dans des zones dans lesquelles les impédances sont conjuguées. Le choix judicieux des positions des parois de réflexion selon l'invention combine donc l'optimisation de la limitation des pertes d'énergie avec des impédances conjuguées sur ces parois renvoyant à l'antenne une impédance sensiblement purement réelle. Avec l'invention, l'impédance des ondes réfléchies, mesurée dans le plan de l'antenne d'émission du magnétron, est sensiblement purement réelle, c'est-à-dire qu'elle s'exprime par un nombre complexe ayant une partie imaginaire sensiblement nulle, ce qui signifie que la résultante de ces ondes réfléchies ne perturbe pas l'émission d'ondes par l'antenne qui émet par conséquent à une puissance maximale et ce, quelle que soit la charge qui est disposée dans l'enceinte. Ainsi, en minimisant la partie imaginaire de l'impédance ramenée au plan de l'émetteur, on fait en sorte que celui-ci ne soit pas perturbé par les phénomènes qui prennent place dans l'enceinte. Par"partie imaginaire sensiblement nulle", il faut comprendre que la partie imaginaire contribue tout au plus à hauteur d'environ 5 % à la valeur du module du nombre complexe. De préférence, le dispositif comporte un organe de réglage disposé à une distance du plan de l'émetteur qui est égale à n. kg/2, n étant un nombre entier. Les plans qui sont écartés du plan de l'émetteur d'une distance égale à un multiple de la demi-longueur d'onde dans le guide d'onde (gag/2) constituent des plans équivalents, dans lesquels le champ électromagnétique se comporte de la même manière que dans le plan de l'émetteur. Ainsi, en disposant l'organe de réglage dans le plan de l'émetteur ou dans un plan équivalent, on fait en sorte que toute action de réglage sur cet organe a un effet sur la conformation du champ électromagnétique dans le plan de l'émetteur. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'organe de réglage comprend une tige conductrice susceptible d'être plus ou moins enfoncée dans le guide d'onde. L'amplitude du champ électrique au droit de la tige conductrice est inversement proportionnelle à la distance entre cette tige et la paroi du guide d'onde qui lui fait face. En d'autres termes, en enfonçant la tige, on augmente le module du champ électrique au droit de cette tige, et donc également dans le plan de l'émetteur. Globalement, l'impédance de l'onde est représentée par le quotient du champ électrique par le champ magnétique. Le degré d'enfoncement de la tige conductrice modifie le champ électrique et modifie donc l'impédance dans le plan équivalent dans lequel se trouve la tige conductrice et dans le plan de l'émetteur. De manière générale, le champ électromagnétique qui règne dans le guide d'onde est fonction de la distance entre les parois de réflexion et le plan de l'émetteur. Ce champ est en effet la résultante des ondes émises par l'émetteur et des ondes réfléchies par les parois de réflexion. L'impédance en un point du guide d'onde dépend donc de sa distance par rapport au plan de l'émetteur et par rapport aux parois de réflexion. En fonction de la longueur d'onde Ag, on choisit selon l'invention que les distances respectives entre chacune des deux parois de réflexion et le plan de l'émetteur soient telles que les parties imaginaires des impédances respectivement mesurées sur chacune de ces deux parois soient sensiblement opposées. Ainsi, le réglage de l'organe de réglage, associé au choix de la distance entre les parois de réflexion et le plan de l'émetteur, est tel que les impédances sur chacune de ces deux parois s'expriment respectivement par des nombres complexes conjugués. De ce fait, l'impédance de la résultante des ondes réfléchies sur chacune des deux parois de réflexion, mesurée dans le plan de l'émetteur, présente une partie imaginaire nulle. Les moyens de réglage constitués par exemple par une vis de réglage permettent d'affiner le couplage pour tenir compte des écarts de cotes dus aux tolérances de fabrication et des perturbations dans le champ électromagnétique dues, par exemple, à l'épaisseur de l'antenne. Avantageusement, selon l'invention, le guide d'onde présente des sorties secondaires en plus des sorties principales précitées. Ces sorties secondaires sont formées par des fentes secondaires situées dans une paroi avant de la cavité guide d'onde qui débouche dans l'enceinte devant être excitée par les micro-ondes, ces fentes étant réparties de manière à favoriser l'homogénéité de la distribution des micro-ondes dans l'enceinte. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique montrant le dispositif de guide d'onde, le magnétron et l'enceinte destinée à être excitée par les micro-ondes ; - la figure 2 est une vue de côté du dispositif de guide d'onde ; et - la figure 3 est une vue en élévation selon la flèche 111 de la figure 2. Sur la figure 1, l'enceinte 10 peut être la cavité d'un four à micro-ondes ou toute autre enceinte destinée à être excitée par des micro-ondes pour le traitement par micro-ondes d'un objet ou d'une charge disposé dans ladite enceinte. Les moyens utilisés pour l'excitation de cette enceinte comprennent un magnétron 12 apte à générer des micro-ondes, par exemple à une fréquence standard voisine de 2 450 MHz, et un dispositif de guide d'onde lanceur, réalisant l'interface entre le magnétron et l'enceinte. Les micro-ondes générées par le magnétron 12 sont émises dans le guide d'onde 16 par une antenne d'émission 18 qui se trouve dans ce guide. Comme on le voit mieux sur la figure 2, l'antenne 18 définit, dans le guide d'onde 16, un plan de l'émetteur Po (le plan de l'émetteur Po par rapport auquel les distances D1 et D2 sont mesurées est défini par la position de l'axe de symétrie de l'antenne 18). De manière connue en soi, le guide d'onde 16 présente des parois de guide parallèlement auxquelles les ondes émises par l'antenne 18 se propagent dans la direction de propagation F. Dans l'exemple représenté, ces parois comprennent une paroi arrière 20, à laquelle est fixé le magnétron 12 et qui présente un emplacement pour l'émetteur 18. Elles comprennent également une paroi avant 22, qui est opposée à la paroi 20 et qui, lorsque le guide d'onde coopère avec l'enceinte 10, est tournée vers cette enceinte. Les parois de guide comprennent encore des parois latérales 24 et 26 indiquées sur la figure 3. Par exemple, le champ électrique E du champ électromagnétique qui règne dans le guide d'onde est perpendiculaire aux parois avant et arrière 20 et 22, tandis que le champ magnétique H est perpendiculaire aux parois latérales 24 et 26. Dans la direction de propagation F, le guide d'onde 16 est délimité par deux parois de réflexion, respectivement 28 et 30 qui sont perpendiculaires à la direction F. Pour la diffusion des micro-ondes dans l'enceinte 10, le guide d'onde présente deux sorties principales, respectivement 32 et 34, qui sont respectivement situées au voisinage des parois de réflexion 28 et 30. Plus précisément, les deux sorties principales sont formées par des fentes principales qui s'étendent parallèlement aux parois de réflexion 28 et 30 et qui sont respectivement situées aux jonctions de ces parois avec la paroi avant 22. En l'espèce, les fentes 32 et 34 sont ménagées dans cette paroi avant et s'étendent sur toute la largeur de cette paroi, leurs bords extrêmes étant respectivement délimités par les parois 28 et 30. La première paroi de réflexion d'onde 28 est écartée du plan de l'émetteur Po d'une distance D1, tandis que la deuxième paroi de réflexion 30 est écartée du plan Po d'une distance D2. Ces distances D1 et D2 sont choisies pour que les parois de réflexion 28 et 30 soient situées dans des régions qui, en fonction du diagramme de Rieke, soient optimales du point de vue de la transmission de l'énergie et dans lesquelles les impédances sont sensiblement conjuguées. Ainsi, les distances D1 et D2 sont respectivement sensiblement égales à 0,2. , g et 0,3. g modulo kg/2. Les distances D1 et D2 sont sensiblement égales aux valeurs indiquées, c'est- à-dire qu'elles peuvent s'en écarter seulement dans des plages faibles. Ainsi, considérées modulo gag/2, les distances D1 et D2 sont respectivement voisines de 0, 2. , g et de 0, 3. g 5 % et, de préférence, 3%. Les parois de réflexion 28 et 30 sont donc situées dans des régions dans lesquelles, en fonction du diagramme de Rieke associé au magnétron 12, on s'attend à ce que les impédances de l'onde soient conjuguées. Toutefois, certains paramètres perturbent légèrement la conformation du champ électromagnétique dans le guide d'onde. En particulier, l'antenne de l'émetteur 18 n'est pas ponctuelle, mais elle présente une certaine épaisseur. Pour réaliser le couplage entre le guide d'onde et l'émetteur 18 et, en particulier, faire en sorte que les parties imaginaires des ondes réfléchies par les parois 28 et 30 s'annulent dans le plan Po, le dispositif comprend un organe de réglage 36. Cet organe de réglage est constitué par une tige conductrice ou diélectrique avantageusement disposée dans la paroi arrière 20 qui peut être plus ou moins enfoncée dans le guide d'onde 16. Cette tige est située à une distance D3 du plan de l'émetteur Po. Cette distance D3 est égale à un multiple de la demi-longueur d'onde de l'onde électromagnétique entretenue dans le guide d'onde. Elle est ainsi située sur un plan équivalent Pi. Les phénomènes qui se produisent dans un tel plan sont les mêmes que ceux qui se produisent dans le plan de l'émetteur Po. Ainsi, le réglage de la tige 36 modifie la valeur du champ électrique dans le plan Pi pour optimiser la puissance de l'onde dans ce plan. Ceci permet donc d'optimiser la puissance dans le plan de l'émetteur Po. La présence de cette tige de réglage, conjuguée avec le choix des distances D1 et D2 pour les parois de réflexion 28 et 30, permet d'optimiser la puissance émise par l'antenne et d'éviter que cette dernière n'ait à souffrir des perturbations dues aux ondes réfléchies sur les parois 28 et 30, dont les parties imaginaires s'annulent sensiblement au plan Po. Bien entendu, on pourrait envisager de disposer un organe de réglage directement dans le plan de l'émetteur Po, mais en raison de la longueur axiale de l'antenne de l'émetteur 18, ceci n'est pas toujours possible. C'est pourquoi on choisit de le disposer dans le plan P1. Comme on le voit mieux sur la figure 3, le dispositif de guide d'onde présente, en plus des sorties principales 32 et 34, des sorties secondaires. Les sorties secondaires sont formées par des fentes secondaires qui sont situées dans la paroi avant 22 et qui sont inclinées par rapport aux parois de réflexion 28 et 30. Plus précisément, on remarque d'abord deux fentes secondaires 38 et 40 qui sont respectivement situées au voisinage de chacune des deux parois de réflexion 28 et 30. Ceci signifie que ces deux fentes 38 et 40 sont situées de part et d'autres d'un plan transversal médian PM du dispositif qui est parallèle au plan de l'émetteur Po. Ces fentes sont allongées et définissent donc chacune une direction longitudinale, respectivement L38 et L40. L'inclinaison des fentes est telle que l'angle A38 entre le plan PM et la direction L38 et l'angle A40 entre le plan PM et la direction L40 sont sensiblement égaux à 35 (ces angles sont compris entre 300 et 450). Les fentes 38 et 40 sont ainsi inclinées à la fois par rapport aux parois de réflexion 28 et 30 et par rapport à la direction F de propagation des micro-ondes dans la cavité 16. Ces fentes sont symétriques par rapport au plan médian PM. Les centres géométriques de ces fentes, C38 et C40, sont situés dans un plan longitudinal médian PL du dispositif. Les sorties secondaires comportent, en outre, une troisième fente secondaire 42, qui est sensiblement parallèle à la direction F de propagation des micro-ondes dans la cavité 16 et qui est sensiblement située à égale distance de chacune des deux parois de réflexion 28 et 30. Cette fente 42 est centrée sur le plan médian PM et est située dans la partie ouverte de l'angle que forment les fentes 38 et 40. Les fentes principales 32 et 34 représentent chacune environ 40 % de la section totale de sortie du dispositif de guide d'onde, tandis que les sorties secondaires comprenant les fentes 38,40 et 42 représentent, considérées ensemble, environ 20 % de cette section totale. Cet ensemble de fentes permet, de par la disposition et la longueur des fentes, de maîtriser l'homogénéité de la température des produits traités par les micro-ondes dans l'enceinte. REVENDICATIONS 1. Dispositif de guide d'onde lanceur pour l'excitation d'une enceinte (10) par des micro-ondes provenant d'un émetteur (18) apte à faire régner dans le guide d'onde (16) du dispositif un champ électromagnétique (E, H) de micro-ondes ayant une longueur d'ondes Àg, le dispositif comprenant un emplacement pour l'émetteur (18) définissant un plan de l'émetteur (Po) et deux parois de réflexion d'onde (28,30) au voisinage desquelles sont respectivement situées deux sorties principales pour les micro-ondes (32,34), caractérisé en ce que les deux parois de réflexion d'onde (28, 30) sont respectivement écartées du plan de l'émetteur d'une distance (D1) sensiblement égale à 0,2. Àg+k. . g/2 et d'une distance (D2) sensiblement égale à 0,3. . g + p. gag/2, où k et p sont des nombres entiers. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de réglage (36) disposé à une distance (D3) du plan de l'émetteur (Po) qui est égale à n. g/2, n étant un nombre entier. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de réglage comprend une tige conductrice (36) susceptible d'être plus ou moins enfoncée dans le guide d'onde (16). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux sorties principales sont formées par des fentes principales (32,34), qui s'étendent parallèlement aux parois de réflexion (28,30) et qui sont respectivement situées aux jonctions desdites parois avec une paroi avant (22) de la cavité guide d'onde (16). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il présente, en outre, des sorties secondaires formées par des fentes secondaires (38,40), qui sont situées dans une paroi avant (22) de la cavité guide d'onde (16) et qui sont inclinées par rapport aux parois de réflexion. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il présente deux fentes secondaires (38,40) qui sont respectivement situées au voisinage de chacune des deux parois de réflexion (28,30). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites deux fentes secondaires (38,40) sont inclinées (A38, A40) par rapport aux parois de réflexion et par rapport à la direction (F) de propagation des micro-ondes dans la cavité guide d'onde (16). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il présente une fente secondaire (42), qui est sensiblement parallèle à la direction (F) de propagation des micro-ondes dans la cavité guide d'onde (16) et qui est située sensiblement à égale distance de chacune des deux parois de réflexion (28,30). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les fentes principales (32,34) représentent chacune environ 40 % de la section totale de sortie, tandis que les sorties secondaires (38,40, 42) représentent, considérées ensemble, environ 20 % de la section totale de sortie.