Brevet FR2811811A1 — publié le 20020118

La présente invention concerne des cavités de référence à facteur Q élevé du type utilisé, par exemple pour stabiliser la fréquence d'oscillateurs à micros ondes tels que les générateurs de signaux de dispositifs radar Doppler. De telles cavités devraient avoir une fréquence de résonance ne variant pas avec la tempé- rature, les chocs et les vibrations. Les cavités de références sont habituellement réalisées de forme cylindrique pour supporter un mode d'ondes stationnaires TE0 1 ayant un champ électrique circulaire coaxial avec la cavité. De tels modes présentent des facteurs Q élevés. En raison de leur symétrie, de telles cavités peuvent être adaptées pour amortir des modes indésirables ayant des champs électriques non circulaires. Une cavité de l'état antérieur de la technique est décrite au brevet US n 3 030 594. Ce brevet décrit une cavité cylindrique ayant des rebords et des bagues de support extérieurs pour réduire la dis- torsion mécanique dûe aux chocs et aux vibrations, avec la varia- tion de fréquence de l'oscillateur couplé à la cavité qui s'ensuit. Une paroi d'extrémité de la cavité est déplaçable axialement pour régler la fréquence de résonance. Un montage mécanique élaboré de l'élément d'accord est utilisé pour réduire son déplacement sous l'effet des chocs et des vibrations. Cependant, les exigences des dispositifs radar Doppler modernes nécessitent que le bruit de modulation de fréquence soit inférieur à quelques Hz lorsqu'il est intégré sur une bande de 100 Hz pour des fréquences de vibra- tion supérieures à 20 kHz. Etant donné que l'élément d'accord de la technique antérieure présente une masse importante à l'extré- mité d'un support en porte à faux, il ne peut satisfaire à ces exi- gences ce qui se traduit par déplacements de l'élément d'accord d'une faible fraction de micron. Un autre problème soulevé par la stabilisation des cavités est la variation de la fréquence de résonance avec la dila- tation thermique des matériaux. Une solution à consisté à réalitser la cavité en " Invar ",un alliage de fer et de nickel ayant une diia- tation thermique très faible. Cependant, l'Invar est cher, difficile à fabriquer, lourd d'une résistivité électrique très élevée et per- sente encore une certaine dilatation. Par conséquent, une comlpen- sation thermique est toujours nécessaire. Le brevet US 3,414, 847 décrit un élément d'accord pour cavité déplaçable axialement dans la cavité pour régler la fréquence. Une pla que à l'extrémité du support de l'élément d'ac- cord est réalisée en un bimétal de manière à se courber à l'inté- rieur de la cavité avec l'accroissement de la température afin de compenser la fréquence de résonance. Cet agencement est décrit plus en détail ci-après en référence aux Figs. lA et 1B.Il présente éga- lement une masse appréciable à l'extrémité d'une tige de support et ne peut satisfaire aux exigences de bruit. Le but de l'invention est de créer une cavité de réfé- rence avec un élément compact pour simultanément régler la fré- quence de résonance et compenser la variation de fréquence avec la température. Ce but est atteint en prévoyant dans une paroi de la cavité une pièce rapportée en un matériau ayant une dilatation thermique supérieure à celle du reste de la cavité. La pièce rap- portée est une calotte de métal relativement épaisse en vue de la stabilité mécanique. Elle est mécaniquement déformable pour ré- gler sa pénétration dans la cavité et par conséquent, la fréquence de résonance. Aux dessins annexés - la Fig. lA est une coupe schématique axiale d'un élé- ment d'accord et de compensation de température selon l'état an- térieur de la technique; - la Fig. lB est une vue de dessus de la cavité de la Fig. 1A; - la Fig. 2 est un graphique du bruit FM d'une cavité comportant l'élément d'accord des Fig. lA et lB; - les Figs. 3A et 3B sont des vues schématiques d'une cavité selon l'invention; - la Fig. 4 est un graphique du bruit FM de la cavité des Figs. 3A et 3B. La Fig.lAmnontre une cavité de l'état antérieur de la technique pourvue d'un élément d'accord et de compensation de température combinée. La cavité 10 présente une surface in- terne qui est généralement un cylindre circlaire droit 12 avec des extrémités fermées 14. Elle supporte un mode d'ondes sta- tionnaire TE011 comme indiqué par la ligne 16 de champ élec- trique circulaire. Deux guides d'ondes 18, 20 couplent la cavité à un oscillateur extérieur et à une charge appropriée (non représentés) par l'intermédiaire d'iris de couplage 21. Dans le centre d'une plaque d'extrémité 22 est vissée une tige 24 de sup- port d'élément d'accord. Son déplacement vers l'intérieur et vers l'extérieur est bloqué par un écrou de blocage 26.A l'extrémité interne de la tige 24 se trouve un disque d'accord 28. Le disque 28 forme une extrémité de court-circuit électrique pour la cavité car le mode n'a pas de courant de paroi traversant l'interval- le 30 entre l'élément d'accord 28 et la paroi cylindrique 12. Ainsi, en poussant le disque 28 dans la cavité 10 on provoque l'aug- mentation de la fréquence de résonance. Le disque 28 est un dis- que bimétallique comprenant une couche interne 32 d'un métal ayant un coefficient de dilatation thermique relativement élevé tel que de l'acier inoxydable austénitique, lié à une couche exter- ne 34 en un métal ayant un coefficient de dilatation relativement faible tel que l'Invar. Lorsque la température de la cavité 10 croît, les dimensions extérieures se dilatent, tendant à réduire la fréquence de. résonance',. Le disque d'accord 28 se courbe vers l'intérieur pour prendre la forme d'une cuvette comme représenté par le contour 36 en trait interrompu. Ainsi, la hauteur réelle de la cavité 10 est réduite ce qui tend à accroître la fréquence de ré- gQnancQ et compense l'effet de la dilatation du reste de la cavité. Une difficulté essentielle soulevée par la conception de l'état antérieur de la technique conforme aux Fig. lA et lB réside dans le fait que le disque bimétallique 28 doit être très fin pour permettre le déplacement dû à l'effet du bimétal et peut donc se déformer sous l'effet de chocs et de vibrations. En outre,le dis- que 28 qui présente une masse non négligeable, est monté en por- te à faux à l'extrémité de la tige de support 24 qui peut également être courbée latéralement lorsqu'elle subit une accélération ho- -rizontajle. La Fig. 2 est un graphique montrant le bruit FM d'un oscillateur stabilisé par la cavité de l'état antérieur de la technique du type représenté aux Fig. lA et lB. La cavité est soumise à un refroidissement classique à l'air fournissant dans le présent exemple 1,A m /mm d'air sur les ailettes d'une plaque d'embase. De telles opérations de refroidissement classique créent invariablement un environnement de vibrations habituel pour la cavité. Sur le graphique on a porté en ordonnée la variation de fréquence mesurée sur une bande de 100 Hertz. En abscisse on a porté la fréquence centrale de la bande présentée comme variant de 0 à 20KHz. Les crêtes entre 1 et 10 kHz sont dQes à des résonances mécaniques de la structure de 1' élément d'ac- cord dans son environnement de vibrations particulier. Les Figs. 3A et 3B sont respectivement une vue de dessus et en coupe verticale d'une cavité de stabilisation 38 sui- vant l'invention. Comme sur les Fig. 1A et l1B, la cavité 38 pré- sente une paroi cylindrique 12' fermée par deux plaques d'extré- mité planes 14'. Elle résonne à la fréquence requise dans un mode TE011 avec un champ électrique circulaire 16'. Deux guides d'ondes rectangulaires 18',20' transmettent les ondes TEl 40, 41 à pola- risation horizontale en vue de leur couplage au mode TE011 de la cavité 38. Dans une ouverture 42 ménagée dans une paroi d'extré- mité 14' de la cavité 38 est montée une pièce rapportée 44 fromant un élément d'accord et de compensation de température combiné. La pièce rapportée 44 est liée à la paroi d'extrémité 14' par exem- ple par brasage. Les parois 12' et 14' de la cavité 38 sont, par exemple en Invar_-ayant Hune faible dilatation thermique, revêtues à l'intérieur d'un bon conducteur tel que de l'argent, du cuivre ou de l'or afin de réduire les pertes résistives. La pièce rapportée 44 formant élément d'accord est,par exemple, constituée par une feuille en forme de calotte de cuivre de conductibilité élevée dé- pourvue d'oxygène, ayant une dilatation thermique élevée. La feuille est relativement épaisse pour réduire les vibrations. En outre, sa forme en calotte supportée le long de toute sa péri- phérie constitue une structure rigide ayant une très faible masse en porte à faux. La pièce rapportée 44 formant élément d'accord pénètre à l'intérieur de la cavité 38. Lorsque la température aug- mente,la pièce rapportée 44 se dilate plus que l'ouverture 42 ménagée dans la cavité 38. Sa périphérie est retenue par la paroi 14' plus résistante de la cavité de sorte qu'elle ne peut pas se dilater davantage que le matériau de la cavité présentant un faible pouvoir de dilatation. Ainsi, la forme convexe vers l'intérieur de la pièce rapportée 44 provoque un déplacement vers l'intérieur de sa par- tie centrale qui est amplifiée par la contrainte géométrique pour la rendre beaucoup plus importante que ne le ferait la seule dif- férence entre les facteurs de dilatation thermique. C'est en effet un déplacement provoqué par un corps bimétallique mais dans une structure très rigide. Pour régler la fréquence de résonance de la cavité 38, la pièce rapportée 44 formant élément d'accord est poussée à l'intérieur de la cavité 38 par un outil 46 de forme convexe jusqu'à ce que la fréquence de résonance correcte soit atteinte. La pièce rapportée 44 est de préférence en un matériau déformable plasti- quement tel que du cuivre complètement recuit, de sorte qu'un mouvement élastique de retour très faible se produit lorsque l'outil 46 est retiré. En outre, une cavité donnée peut être pour- vue de plus d'une pièce rapportée, par exemple, une seconde pièce rapportée peut être disposée dans l'autre des plaques d'extrémité 14'. La Fig. 4 est un graphique similaire à celui de la Fig. 2 du bruit FM de la cavité des Figs. 3A et 3B dans des conditions identiques d'environnement de refroidissement et de vibrations type. Les crêtes de bruit dues au vibrations mécaniques sont pratiquement éliminées. Des formes plus élaborées de cavités38 sont englobées dans l'invention. Par exemple, les guides d'onde 18', 20' peuvent être scellés par des fenêtres diélectriques et on peut faire le vide dans la cavité 38 ou bien la remplir avec un gaz inerte pour pro- duire une constante diélectrique invariable dans la cavité et em- pêcher tout échange chimique sur les surfaces de ses parois internes. La pièce rapportée 44 formant élément d'accord peut avoir d'autres formes que celle de calotte sphérique. Elle peut présenter une embase conique 48 comme représenté à la Fig. 5 ou une embase cylindrique 50 comme représenté à la Fig. 6, Une surface doublement convexe de la pièce rapportée telle qu'une calotte sphérique est préférable en raison de sa grande stabilité mécanique, mais toute forme généralement con- vexe pénétrant à l'intérieur de la cavité 38 est englobée par l'invention. REVENDICATIONS 1 - Cavité de référence pour micro-ondes, carac- térisée en ce qu'elle comporte une pièce rapportée (44; 44"; :4"') convexe vers l'intérieur liée à la paroi (14'; 14"; 14"') de la cavité, ladite pièce rapportée présentant un facteur de dilatation thermique supérieur à celui de ladite paroi afin de compenser en température la fréquence de résonance de ladite cavité, le taux de pénétration de ladite pièce rapportée dans ladite cavité pouvant être modifié mécaniquement pour régler la fréquence de résonance de ladite cavité. 2 - Cavité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les surfaces internes de ladite cavité et ladite pièce rapportée en saillie sont des pièces de révolution autour d'un axe. 3 - Cavité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite surface convexe (44) est en forme de calotte. 4 - Cavité suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pièce rapportée est liée à sa périphérie aux bords d'une ouverture (42) ménagée dans ladite paroi (14'). - Cavité suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la surface interne de ladite cavité est un cylindre circulaire droit fermé et en ce que ladite pièce rapportée (44) est liée à une extrémité dudit cylindre.