Brevet FR2902931A1 — publié le 20071228

GUIDE D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES COMPRENANT UN OUTIL La présente invention est relative aux guides d'ondes électromagnétiques, et notamment à des guides d'ondes mis en oeuvre dans des dispositifs de type accélérateur de particules. De tels guides d'ondes sont traversés par des ondes électromagnétiques, et doivent assurer une excellente transmission des ondes électromagnétiques. Ces guides d'ondes peuvent notamment former des circuits pour l'accélération des particules. Il est parfois nécessaire de maintenir le vide au sein de ces guides d'ondes dans une partie du circuit, tout en ayant une pression proche de la pression atmosphérique dans une autre partie du circuit. Cela permet notamment d'effectuer des maintenances sur les parties sous pression atmosphérique par exemple en maintenant la majeure partie du circuit à une pression proche du vide, ou même l'utilisation simultanée de la portion encore sous vide. Cependant, l'installation de vannes dans des guides d'ondes provoquerait des perturbations et un faible rendement de transmission des ondes RF au niveau de la vanne. De même, il peut être utile d'installer des instruments de mesure dans ces guides d'ondes, mais, comme pour les vannes, de tels instruments disposés dans le guide d'onde perturbent la transmission des ondes électromagnétiques. La présente invention a notamment pour but de pallier 30 ces inconvénients. A cet effet, selon l'invention, un guide d'onde pour des ondes électromagnétiques ayant au moins une longueur d'onde, comprend un outil disposé dans le guide d'onde. Selon une définition actuelle de l'invention, le guide 35 d'onde, au moins au voisinage de l'outil, est à section circulaire et est dimensionné de telle sorte que les modes de transmission principaux sont du type TEon, où n est un entier naturel. Grâce à ces dispositions, on assure un bon rendement de transmission des ondes électromagnétiques, tout en limitant les perturbations de type réflexion. En effet, les modes de transmission TEon des guides d'ondes à section circulaire sont utilisés en raison de l'absence de composante axiale des courants surfaciques (JZ=O). Cette composante axiale nulle de courant permet d'utiliser des outils de forme circonférentielle, tels des vannes comprenant une fente ou une rainure circonférentielle, sans créer de couplage avec cet outil, ou cette fente lors de la transmission. On peut alors utiliser cette fente pour y introduire la paroi formant vanne. Selon un mode de réalisation du guide d'ondes selon l'invention, l'outil est une vanne séparant deux zones, adaptée pour maintenir une différence de pression entre les deux zones. Cette vanne peut être formée par une paroi coulissant dans une rainure circonférentielle, entre une position ouverte et une position fermée. On assure ainsi de manière simple une fermeture hermétique entre deux sections du guide d'onde. De plus, comme vu précédemment, du fait de l'absence de composante axiale de courant surfacique, la forme circonférentielle de la rainure n'entraîne aucun couplage avec les ondes transmises dans le guide d'onde. Selon une variante du guide d'onde selon l'invention, si la largeur de la rainure est très inférieure à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, on dimensionne alors le guide d'onde de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec le mode de transmission du type TE01. Ainsi, un unique mode de transmission peut être utilisé pour transmettre les ondes RF au travers de la rainure de la vanne. Lorsque la vanne est ouverte, les pertes de transmission sont principalement de deux types. Tout d'abord des réflexions sont à prévoir au niveau de la rainure. Ensuite, en raison du couplage des ondes avec le guide d'onde au niveau de la rainure d'autres sortes sont à prévoir. Ces pertes sont faibles si la largeur de la rainure est très inférieure à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques transmises. Afin de limiter encore les réflexions, on peut de plus prévoir dans le guide d'onde une rainure d'atténuation disposée à une distance de la rainure de la vanne, la distance étant sensiblement égale au quart de la longueur d'onde, et la rainure d'atténuation étant sensiblement identique à la rainure de la vanne. Selon une autre variante de l'invention, si la largeur de la rainure est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, on dimensionne alors le guide d'onde de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec une combinaison des modes de transmission du type TE01 et TE02. En effet, dans le cas où la largeur de la rainure est environ égale à la longueur d'onde, le couplage des ondes se propageant suivant le mode TE01 est important. Les pertes de transmission sont alors élevées. Pour réduire ce couplage, on transforme au moins en partie le mode de transmission unique, en une combinaison de deux modes transmission TE01 et TE02. On choisit les amplitudes et les relations de phase des deux modes de transmission afin de réduire au minimum les champs magnétiques surfaciques dans la région de la rainure. On a alors concentration du champ magnétique le long de l'axe de symétrie de révolution du guide d'onde, réduisant ainsi le couplage avec la rainure. Selon une autre variante de l'invention, si la largeur de la rainure est très supérieure à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, on dimensionne alors le guide d'onde de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec une combinaison d'une pluralité de modes de transmission du type TE0 . On choisit les amplitudes et les relations de phase des modes de transmission afin de réduire au minimum les champs magnétiques surfaciques dans la région de la rainure. On a alors concentration du champ magnétique le long de l'axe de symétrie de révolution du guide d'onde, réduisant ainsi le couplage avec la rainure. Selon l'invention, le guide d'onde comprend un premier et un second tronçons extrémaux, dimensionnés pour que les ondes se propagent selon au moins un mode de transmission respectif, la vanne étant disposée dans un tronçon médian entre les tronçons extrémaux. Chaque tronçon extrémal est relié au tronçon médian par l'intermédiaire d'un premier et d'un second convertisseurs de modes de transmission respectifs, qui sont adaptés pour convertir les modes de transmission des ondes dans le premier ou le second tronçon extrémal respectif au mode de transmission du tronçon médian. On peut donc, comme on l'a vu précédemment assurer la conversion des modes normalement utilisés dans les guides d'onde (par exemple TE10r avec une section rectangulaire) en des modes assurant une bonne transmission au niveau de la vanne. Ainsi, on peut avoir des premier et second tronçons présentant une section rectangulaire, qui sont reliés au reste du circuit, tout en assurant une excellente transmission. Selon une variante de l'invention, l'outil disposé dans le guide d'onde est un instrument de mesures. Ainsi, l'instrument de mesures ne perturbe que peu la transmission des ondes électromagnétiques dans le guide d'ondes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins . - les figures lA à 1C représentent schématiquement un guide d'onde selon une première forme de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un guide d'onde selon une deuxième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement un guide d'onde selon une troisième forme de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente schématiquement un guide d'onde selon une quatrième forme de réalisation de l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références 15 désignent des éléments identiques ou similaires. Lors de la propagation d'ondes électromagnétiques dans des guides d'onde, les champs électriques et magnétiques composant ces ondes présentent des orientations particulières, ainsi que des modes propres de transmission. 20 Dans des guides d'onde à section rectangulaire ou à section circulaire, on note les modes libres des champs électriques transversaux TEnm, où n et m sont des entiers, définissant les solutions de l'équation de propagation des modes considérés. Dans un guide d'onde à section rectangulaire, n 25 et m définissent les modes suivant un repère cartésien, disposé sur les surfaces du guide, tandis que dans un guide d'onde à section circulaire, les modes sont définis dans un repère cylindrique. Suivant les valeurs de n et de m, les ondes ont des 30 propriétés différentes. De plus, il faut noter que les valeurs de n et m sont en lien étroit avec les dimensions du guide d'onde considéré. La figure 1A représente de manière schématique un guide d'onde 1 en coupe longitudinale conformément à 35 l'invention. Ce guide d'onde comprend un outil disposé à 5 l'intérieur, par exemple une vanne 2, formée d'une paroi 2a, coulissant dans une rainure 2b. Sur la figure 1A, la vanne 2 est en position ouverte, laissant libre le passage des ondes électromagnétiques. Cet outil peut être également un dispositif de surveillance de dysfonctionnement, ou encore un instrument de mesure. Sur la figure 1B, la vanne 2 est en position fermée, fermant de manière hermétique les deux zones. Ainsi, on peut maintenir le vide d'un côté de la paroi 2a tout en laissant l'autre zone à la pression atmosphérique. Cela autorise notamment la maintenance du guide d'onde du côté à la pression atmosphérique. En raison de la présence de la rainure 2b, des interférences sont à prévoir, pouvant causer des pertes. Si la longueur d'onde des ondes se propageant dans le guide d'onde sont très supérieures à la largeur d de la rainure, le fait de dimensionner le guide d'onde de sorte que celui-ci soit à section circulaire avec un mode de transmission TEH permet de réduire fortement les pertes de transmission. Afin d'améliorer encore la transmission, il est possible de prévoir une rainure d'atténuation 2c, comme illustrée à la figure 1C, séparée de la rainure 2b d'une distance proche d'un quart de la longueur d'onde. Ainsi, on annule les réflexions des ondes arrivant au niveau des rainures. Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention illustrée à la figure 2, lorsque la longueur d'onde est approximativement égale à la largeur de la rainure, on dimensionne le guide d'onde au voisinage de la vanne de telle sorte que les modes de transmission soient une combinaison de modes TEH et TEOZ. Afin de minimiser les pertes, on détermine les amplitudes et les relations de phase des différents modes de transmission au voisinage de la vanne 2. Cela réduit au minimum les champs magnétiques surfaciques dans la région de la rainure 2b. On a alors concentration du champ magnétique le long de l'axe de symétrie de révolution X du guide d'onde, réduisant ainsi le couplage avec la rainure 2b. Il n'est pas nécessaire d'imposer de telles modes de transmission tout au long d'un circuit de guides d'onde. Avec la structure illustrée à la figure 2, on peut convertir des modes de transmission circulaire TE01 présent à des tronçons extrémaux en ladite combinaison de modes au niveau de la vanne 2. En effet, le guide d'onde 1 comprend un tronçon médian 3 dans lequel est disposé la vanne 2. Ce tronçon médian 3 est dimensionné pour transmettre les ondes selon la combinaison des modes TE01 et TE02. Les tronçons extrémaux 4a et 4b sont adaptés aux modes de transmission du reste du circuit de guide d'onde non représenté, ici un mode TE01 à section circulaire. Chaque tronçon extrémal est relié au tronçon médian par un convertisseur de modes de transmission 5a et 5b. On assure ainsi une compatibilité de la transmission avec des circuits de guide d'ondes classiques. Ainsi, selon la troisième forme de réalisation illustrée à la figure 3, on peut utiliser des convertisseurs de modes 5a et 5b adaptés à des tronçons extrémaux 4a et 4b à section rectangulaire. En effet, le mode de transmission TE10 à section rectangulaire est utilisé de manière très courante dans les guides d'onde. Selon une quatrième forme de réalisation, le tronçon médian 3 est dimensionné pour assurer une transmission formée par une combinaison de modes propres TEOn, par exemple, n allant de 1 à 5. On choisit les amplitudes et les phases des modes de transmission afin de concentrer les champs magnétiques au niveau de l'axe longitudinal X. Cela est possible en imposant des conditions aux 35 limites choisies au préalable lors de la conception du guide d'onde. Cette forme de réalisation est particulièrement avantageuse lorsque la longueur d'onde est très inférieure à la largeur de la rainure, c'est-à-dire pour des hautes fréquences. Il est évident que les tronçons extrémaux peuvent, conformément à la troisième forme de réalisation, être adaptés pour transmettre des ondes selon un mode de transmission TElp à section rectangulaire ou autre. De cette façon, ces tronçons sont compatibles avec des guides d'ondes couramment utilisés. On assure ainsi une bonne transmission des ondes électromagnétiques au niveau de la vanne. A la place de la vanne, il est possible de prévoir pour chacun des modes de réalisation précédents des instruments de mesure, tels des détecteurs de rayonnement électromagnétiques. Grâce aux dispositions de l'invention, ces instruments de mesure ne perturbent pas la transmission des ondes électromagnétiques. REVENDICATIONS 1. Guide d'onde (1) pour des ondes électromagnétiques ayant au moins une longueur d'onde, comprenant un outil (2) disposé dans le guide d'onde, caractérisé en ce que le guide d'onde, au moins au voisinage de l'outil, est à section circulaire et est dimensionné de telle sorte que les modes de transmission principaux sont du type TEo,,, où n est un entier naturel. 2. Guide d'onde (1) selon la revendication 1, dans lequel l'outil est une vanne (2) séparant deux zones, adaptée pour maintenir une différence de pression entre les deux zones. 3. Guide d'onde (1) selon la revendication 2, dans lequel la vanne (2) est formée par une paroi (2a) coulissant dans une rainure circonférentielle (2b), entre une position ouverte et une position fermée. 4. Guide d'onde (1) selon la revendication 3, dans lequel la largeur de la rainure (2b) est très inférieure à la longueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, et dans lequel le guide d'onde est dimensionné de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec un mode de transmission du type TE01. 5. Guide d'onde (1) selon la revendication 3, dans lequel la largeur de la rainure (2b) est de l'ordre de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, et dans lequel le guide d'onde est dimensionné de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec une combinaison de modes de transmission du type TEpl et TE02. 6. Guide d'onde (1) selon la revendication 3, dans lequel 35 la largeur de la rainure (2b) est très supérieure à lalongueur d'onde des ondes électromagnétiques guidées, et dans lequel le guide d'onde est dimensionné de telle sorte que les ondes électromagnétiques se propagent principalement avec une combinaison d'une pluralité de modes de transmission du type TEon. 7. Guide d'onde (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un premier et un second tronçons extrémaux (4a, 4b), dimensionnés pour que les ondes se propagent dans chacun desdits tronçons extrémaux selon au moins un mode de transmission respectif, la vanne (2) étant disposé dans un tronçon médian (3) entre les tronçons extrémaux, le tronçon médian étant dimensionné pour que les ondes se propagent selon un mode de transmission TEon,chaque tronçon extrémal étant relié au tronçon médian par l'intermédiaire d'un premier et d'un second convertisseurs (5a, 5b) de modes de transmission respectifs, adaptés pour convertir les modes de transmission des ondes dans le premier ou le second tronçon extrémal respectif au mode de transmission du tronçon médian. 8. Guide d'onde (1) selon la revendication 7, dans lequel le premier et le second tronçons extrémaux (4a, 4b) 25 présentent une section rectangulaire. 9. Guide d'onde (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes prises en combinaison avec la revendication 3, comprenant une rainure d'atténuation (2c) 30 disposée à une distance de la rainure (2b) de la vanne (2), la distance étant sensiblement égale au quart de la longueur d'onde, la rainure d'atténuation étant sensiblement identique à la rainure de la vanne. 35 10. Guide d'onde (1) selon l'une des revendications 1, 7 ou8, dans lequel l'outil est un instrument de mesure, adapté pour effectuer des mesures dans le guide d'ondes.