Brevet FR2948822A1 — publié le 20110204

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine de l'alimentation radiofréquence de forte puissance, et a pour objet un dispositif de couplage et de combinaison d'au moins deux sources radiofréquence, ainsi qu'un système d'alimentation en signaux radiofréquence intégrant un tel dispositif La production de signaux radiofréquence de forte puissance, par exemple supérieure à 1 kW, ne peut être réalisée actuellement par l'intermédiaire d'une seule source (par exemple un générateur associé à un amplificateur), sauf à mettre en oeuvre une solution extrêmement coûteuse et dont la constitution est complexe et la maintenance fastidieuse. En vue de surmonter ces inconvénients, il a été proposé de sommer des signaux identiques et compatibles délivrés par plusieurs sources de plus faible puissance ajustées entre elles en phase et en amplitude. Néanmoins, cette solution présente des limites physiques pour les très hautes puissances, liées notamment aux pertes en lignes, à la rigidité diélectrique des lignes et composants et à l'échauffement des dispositifs de couplage. Il en est ainsi, par exemple, pour les coupleurs dits hybrides et les coupleurs de Wilkinson. On connaît, par ailleurs, des combineurs plans, notamment coaxiaux, dont les entrées sont arrangées radialement et selon une disposition circulaire, en étant dirigées de manière convergente vers un point central (voir par exemple : US 5 838 201 et US 5 446 426). Toutefois, ce dernier type de combineurs présente l'inconvénient que la défaillance d'une source ou d'une entrée affecte notablement l'ensemble du fonctionnement du coupleur (un canal actif peut émettre vers un canal défaillant). De plus, l'arrangement circulaire avec implantation radiale des entrées entraîne une réalisation complexe au niveau de la connectique et un 30 encombrement volumique important et pénalisant. Enfin, on connaît également la mise en oeuvre de guide d'onde pour la transmission de signaux radiofréquence avec des pertes limitées. Ainsi, il existe des dispositifs de couplage comprenant essentiellement un guide d'onde, sous la forme d'un corps creux conducteur -2- cylindrique, pourvu à une extrémité d'un élément formant court-circuit, par exemple sous la forme d'une plaque ou paroi de court-circuit fermant le côté concerné. Ce corps creux est muni d'une entrée coaxiale reliée à et prolongée par une antenne, adaptée au guide d'onde et aux caractéristiques d'une source, s'étendant transversalement dans le volume intérieur du guide d'onde et destinée à émettre dans ce dernier, ladite entrée étant située à une distance d'environ un quart de la longueur d'onde caractéristique du guide d'onde dudit court-circuit dans la direction d'extension longitudinale ou axiale du guide d'onde (l'antenne peut par exemple se présenter sous la forme d'une longueur ajustée de conducteur central d'une ligne coaxiale). Le document US 2005/0046511 divulgue en outre un système combineur dans lequel un guide d'onde est pourvu de deux entrées radiales décalées angulairement, dont les signaux sont combinés entre eux et soumis à une rotation de phase. La défaillance d'un canal influence, dans cette construction, également notablement le fonctionnement de la totalité du combineur et le nombre d'entrées pouvant être implantées est limité du fait de la disposition circulaire et radiale et de la longueur d'onde du signal dans le guide d'onde. La présente invention a pour but de surmonter pour l'essentiel les inconvénients des solutions existantes invoquées ci-dessus. A cet effet, elle a pour objet un dispositif de couplage et de combinaison d'au moins deux sources radiofréquence du type évoqué ci-dessus, caractérisé en ce que le guide d'onde se prolonge au-delà du site d'implantation de l'entrée coaxiale et en ce qu'au moins une seconde entrée coaxiale également reliée à et prolongée par une antenne adaptée est montée à une distance déterminée de la première entrée, en alignement dans la direction d'extension longitudinale du guide d'onde, équivalent environ à un multiple de la longueur d'onde caractéristique dudit guide d'onde, les entrées coaxiales étant reliées à des sources radiofréquence émettant à la même longueur d'onde et en phase, et préférentiellement avec la même puissance. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : -3- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de couplage et de combinaison selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe similaire à celle de la figure 1 d'un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale illustrant l'intégration d'un dispositif selon le premier mode de réalisation et d'un dispositif selon le deuxième mode de réalisation dans une structure complexe ; la figure 4 est une représentation schématique fonctionnelle d'un système d'alimentation en signaux radiofréquence de forte puissance intégrant un dispositif du type représenté sur la figure 1, et la figure 5 est une représentation schématique fonctionnelle d'un système d'alimentation similaire à celui de la figure 4, mais intégrant 15 un dispositif du type représenté sur la figure 2. Les figures 1 et 2 montrent un dispositif passif 1 de couplage et de combinaison d'au moins deux sources radiofréquence (non représentées). Ce dispositif 1 comprend essentiellement un guide d'onde 3, sous la forme d'un corps creux conducteur cylindrique (à section circulaire, 20 rectangulaire ou autre), pourvu à une extrémité d'un élément 4 formant court-circuit, par exemple sous la forme d'une plaque ou paroi de court-circuit fermant le côté concerné. Ce guide d'onde est en outre muni d'une entrée coaxiale 5 reliée à et prolongée par une antenne 6, adaptée au guide d'onde 3 et aux 25 caractéristiques d'une source déterminée, s'étendant transversalement dans le volume intérieur du guide d'onde 3 et destinée à émettre dans ce dernier, ladite entrée 5 étant située à une distance d'environ un quart de la longueur d'onde caractéristique %1,g du guide d'onde dudit court-circuit dans la direction d'extension longitudinale ou axiale DX dudit guide d'onde 3. 30 Conformément à l'invention, le guide d'onde 3 se prolonge au-delà du site d'implantation de l'entrée coaxiale 5 et en ce qu'au moins une seconde entrée coaxiale 5' également reliée à et prolongée par une antenne 6' adaptée est montée à une distance déterminée de la première entrée 5, en alignement dans la direction d'extension longitudinale DX du guide d'onde 35 3, équivalent environ à un multiple de la longueur d'onde caractéristique 2L,g dudit guide d'onde 3, les entrées coaxiales 5, 5' étant reliées à des sources -4- radiofréquence émettant en phase et à la même longueur d'onde, et préférentiellement avec la même puissance. Dans la présente, la longueur d'onde caractéristique ag correspond à la longueur d'onde du rayonnement combiné dans le guide d'onde 3 à la fréquence considérée. Les sources radiofréquence 2 peuvent, par exemple, être constituées d'unités indépendantes intégrant chacune un générateur et un amplificateur et dont les sorties sont en phase entre elles (non spécifiquement représentées). Ces sources 2 peuvent également consister en un générateur unique délivrant un signal de sortie (avec une puissance P in) à un circuit séparateur ou répartiteur 2 alimentant chacun un amplificateur 2", les sorties de ces derniers étant respectivement reliées chacune à une entrée coaxiale 5, 5' ou 7 (figures 4 et 5). Selon l'invention, les ensembles [entrées coaxiales 5, 5' / antennes adaptées associées 6, 6'] sont arrangés de manière parallèle entre eux, en étant perpendiculaires à l'axe longitudinal X du guide d'onde 3 et en étant situés à des emplacements déterminés comme indiqué précédemment. Le guide d'onde 3 peut présenter diverses sections, par exemple circulaires, rectangulaires ou à double moulure ("double ridge"). Les ensembles [entrées coaxiales 5, 5' / antennes adaptées associées 6, 6'] peuvent présenter différentes formes connues, chaque entrée 5, 5' pouvant par exemple se présenter sous la forme d'un connecteur coaxial. De manière avantageuse, le dispositif 1 comporte, en plus d'une première entrée coaxiale 5 située à une distance ag /4 du court-circuit 4, au moins deux autres entrées coaxiales 5' supplémentaires prolongées par des antennes adaptées 6' et situées à des distances respectives n x %1,g de ladite première entrée 5, n étant un entier compris entre 2 et N et N étant le nombre d'entrées coaxiales supplémentaires 5', les différents ensembles [entrées coaxiales 5, 5' / antennes adaptées associées 6, 6'] présentant des constitutions identiques et étant alignés dans la direction d'extension longitudinale DX du guide d'onde 3. Ainsi, les différents ensembles 5, 5' / 6, 6' sont reliés entre eux en série et le dysfonctionnement ou l'absence de fonctionnement de l'un desdits ensembles n'influence de ce fait moins le fonctionnement des autres ensembles que dans le cas d'un montage en parallèle. -5- En vue de réduire la longueur dans la direction DX du dispositif 1, tout en conservant des performances et une puissance maximale possible identiques, il peut être prévu, comme le montre la figure 2 des dessins annexés, que le dispositif 1 comporte, en plus d'un premier alignement d'ensembles [entrée coaxiale 5, 5' / antenne adaptée 6, 6'] également au moins une entrée coaxiale 7 avec son antenne adaptée 8 associée, qui est montée selon une disposition inversée, une orientation opposée et une situation médiane par rapport à deux entrées coaxiales consécutives 5, 5' dudit premier alignement d'entrées coaxiales 5, 5', ledit ou chaque ensemble [entrée coaxiale 7 / antenne adaptée 8] inversé présentant une constitution identique à celle des ensembles [entrée coaxiale 5, 5' / antenne adaptée 6, 6'] du premier alignement et étant alimenté par un signal radiofréquence de même longueur d'onde, et éventuellement de même amplitude, que les signaux alimentant le premier alignement et déphasé de 180 ° par rapport auxdits signaux alimentant le premier alignement. Préférentiellement, le dispositif 1 peut comporter plusieurs ensembles [entrée coaxiale 7 / antenne adaptée 8] à montage inversé, disposés selon un second alignement dans la direction d'extension longitudinale DX du guide d'onde 3 et situés à des distances respectives n x ag du court-circuit 4, n étant un entier compris entre 2 et M et M étant le nombre d'ensembles [entrée coaxiale 7 / antenne adaptée 8] inversés. On aboutit ainsi à une disposition alternée, avec un pas de %1,g /2, d'ensembles [entrées coaxiales 5, 5', 7 / antennes adaptées associées 6, 6', 8] présentant des dispositions inversées. Il peut éventuellement également être envisagé de prévoir des troisième et éventuellement quatrième alignements [entrées coaxiales / antennes adaptées associées] disposés à 90 ° par rapport aux ensembles [entrées coaxiales 5, 5', 7 / antennes adaptées associées 6, 6', 8], avec un pas de ag et alimenté par des signaux présentant des déphasages de 90 ° (3ème alignement) ou de 270 ° (4ème alignement) par rapport aux signaux alimentant les ensembles [entrées coaxiales 5, 5' / antennes adaptées associées 6, 6']. Afin de permettre une adaptation aisée du dispositif à des puissances maximales variables (en fonction des souhaits de l'utilisateur) et de permettre éventuellement une standardisation de sa fabrication, il peut être prévu que le guide d'onde 3 présente une structure modulaire et est -6- constitué par l'assemblage bout à bout et coaxial d'au moins deux portions 3' de guide d'onde, pourvues chacune d'au moins un ensemble [entrée coaxiale 5, 5' / antenne adaptée 6, 6'], le cas échéant également d'au moins un ensemble [entrée coaxiale 7 / antenne adaptée 8] inversé. Comme le montre la figure 3 des dessins annexés, le guide d'onde 3 pourvu de son court-circuit 4 et de son alignement d'ensembles [entrée coaxiale 5, 5' / antenne adaptée 6, 6'], et le cas échéant de son alignement d'ensembles [entrée coaxiale 7 / antenne adaptée 8] inversés, peut constituer une partie d'une structure de guide d'onde 9 complexe présentant une configuration générale sensiblement en forme de T (structure connue sous la désignation "T magique"), ledit guide d'onde 3 correspondant à l'une des branches latérales dudit T et l'autre branche étant constituée par un guide d'onde 3 identique ou non. Une telle structure complexe 9 permet de réduire l'encombrement dans la direction DX, ce en fonction du volume disponible pour l'implantation du dispositif de couplage et de combinaison. L'invention permet ainsi de fournir un dispositif 1 combinant plusieurs sources radiofréquence en phase dans un guide d'onde 3 ou 9, tout en présentant une structure simple et peu encombrante, d'un prix de revient réduit et pouvant être aisément adapté en vue de l'accouplement d'un nombre variable de N sources 2. En outre, en cas de dysfonctionnement de l'un des canaux (chaque canal : source 2 / entrée 5, 5', 7 / antenne 6, 6', 8), les autres canaux ne sont pas influencés. La présente invention a également pour objet, comme le montrent les figures 4 et 5 des dessins annexés, un système 10 d'alimentation en signaux radiofréquence de forte puissance et de fréquence élevée, notamment avec une puissance supérieure à 1 KW et avec une fréquence supérieure à 100 MHz, ledit système 10 comprenant plusieurs sources 2 radiofréquence fournissant des signaux identiques. Ce système 10 est caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif passif de couplage et de combinaison 1 tel que décrit ci-dessus. En accord avec une caractéristique additionnelle de l'invention, certaines 7 des entrées coaxiales 5, 5', 7, par exemple sous la forme de connecteurs coaxiaux, du dispositif de couplage et de combinaison 1 sont alimentées en signaux en opposition de phase. -7- Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. REVENDICATIONS1) Dispositif passif de couplage et de combinaison d'au moins deux sources radiofréquence, comprenant essentiellement un guide d'onde, sous la forme d'un corps creux conducteur cylindrique, pourvu à une extrémité d'un élément formant court-circuit, par exemple sous la forme d'une plaque ou paroi de court-circuit fermant le côté concerné, et muni d'une entrée coaxiale reliée à et prolongée par une antenne, adaptée au guide d'onde et aux caractéristiques d'une source, s'étendant transversalement dans le volume intérieur du guide d'onde et destinée à émettre dans ce dernier, ladite entrée étant située à une distance d'environ un quart de la longueur d'onde caractéristique (%1g) du guide d'onde dudit court-circuit dans la direction d'extension longitudinale ou axiale du guide d'onde, dispositif (1) caractérisé en ce que le guide d'onde (3) se prolonge au-delà du site d'implantation de l'entrée coaxiale (5) et en ce qu'au moins une seconde entrée coaxiale (5') également reliée à et prolongée par une antenne (6') adaptée est montée à une distance déterminée de la première entrée (5), en alignement dans la direction d'extension longitudinale (DX) du guide d'onde (3), équivalent environ à un multiple de la longueur d'onde caractéristique (%1g) dudit guide d'onde (3), les entrées coaxiales (5, 5') étant reliées à des sources radiofréquence (2) émettant à la même longueur d'onde et en phase, et préférentiellement avec la même puissance. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en plus d'une première entrée coaxiale (5) située à une distance %1,g/4 du court-circuit (4), au moins deux autres entrées coaxiales (5') supplémentaires prolongées par des antennes adaptées (6') et situées à des distances respectives n x %1g de ladite première entrée (5), n étant un entier compris entre 2 et N et N étant le nombre d'entrées coaxiales supplémentaires (5'), les différents ensembles [entrées coaxiales (5, 5') / antennes adaptées associées (6, 6')] présentant des constitutions identiques et étant alignés dans la direction d'extension longitudinale (DX) du guide d'onde (3). 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en plus d'un premier alignement-9- d'ensembles [entrée coaxiale (5, 5') / antenne adaptée (6, 6')] également au moins une entrée coaxiale (7) avec son antenne adaptée (8) associée, qui est montée selon une disposition inversée, une orientation opposée et une situation médiane par rapport à deux entrées coaxiales consécutives (5, 5') dudit premier alignement d'entrées coaxiales (5, 5'), ledit ou chaque ensemble [entrée coaxiale (7) / antenne adaptée (8)] inversé présentant une constitution identique à celle des ensembles [entrée coaxiale (5, 5') / antenne adaptée (6, 6')] du premier alignement et étant alimenté par un signal radiofréquence de même longueur d'onde, et éventuellement de même amplitude, que les signaux alimentant le premier alignement et déphasé de 180 ° par rapport auxdits signaux alimentant le premier alignement. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles [entrée coaxiale (7) / antenne adaptée (8)] à montage inversé, disposés selon un second alignement dans la direction d'extension longitudinale (DX) du guide d'onde (3) et situés à des distances respectives n x ag du court-circuit (4), n étant un entier compris entre 2 et M et M étant le nombre d'ensembles [entrée coaxiale (7) / antenne adaptée (8)] inversés. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le guide d'onde (3) présente une structure modulaire et est constitué par l'assemblage bout à bout et coaxial d'au moins deux portions (3') de guide d'onde, pourvues chacune d'au moins un ensemble [entrée coaxiale (5, 5') / antenne adaptée (6, 6')], le cas échéant également d'au moins un ensemble [entrée coaxiale (7) / antenne adaptée (8)] inversé. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le guide d'onde (3) pourvu de son court-circuit (4) et de son alignement d'ensembles [entrée coaxiale (5, 5') / antenne adaptée (6, 6')], et le cas échéant de son alignement d'ensembles [entrée coaxiale (7) / antenne adaptée (8)] inversés, constitue une partie d'une structure de guide d'onde (9) complexe présentant une configuration générale sensiblement en forme de T, ledit guide d'onde (3) correspondant à l'une des branches latérales dudit T et l'autre branche étant constituée par un guide d'onde (3) identique ou non. 7) Système d'alimentation en signaux radiofréquence de forte puissance et de fréquence élevée, notamment avec une puissance supérieure à 1 KW et avec une fréquence supérieure à 100 MHz, ledit système- 10 - comprenant plusieurs sources radiofréquence fournissant des signaux identiques, système (10) caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif passif de couplage et de combinaison (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que certaines (7) des entrées coaxiales (5, 5', 7), par exemple sous la forme de connecteurs coaxiaux, du dispositif de couplage et de combinaison (1) sont alimentées en signaux en opposition de phase.