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4, L ;I 0 IRE DES 0 Eï' I P TIF à l'appui dune demande de BREVET D'INVENTION
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NOUV.LLi.,,c(I'ETHbbE¯ETA PPARE.T?8 POUF h2ESUR߯ bE¯ PUISSAN02 2T DEY%OTION lN ULTRà HRTTES 3R2QUOES
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OOIILPAGNIE .GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL 79,Boulevard HausaDaarin - PARIS 8
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- Faisant l'objet ; ë ,d!-Ul1é. première, demande' de- brevet déposée en France le .26 Octobre 1942 : , ., 1 "
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11(0.t.4 '4'1-1x:- A-f.iu .(.v. 4 J;/-4Z . ,, . .,..-a '''.-,.j'e - ' ,..W. dil 1ft1;;Z;;; aq{:,ú """'C::W:r:'::ft t- dôU#"
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La présenter invasion, système J. BERNIER, a pour objet uns méthode d0 détection.'d'ondes électrot..1agnêtiques ultl'a-court05 limitées par uno surfaco métallique tells que ln surface intérieure d'une cavité ou d'un guide diélectrique.
44 Cette méthode consiste, en principe, à prévoir dans la surface métallique qui limite les ondes a détecter, au moins un élément de surface mobile, et à détecter la pression de radiation exercée sur ledit élément de surface par les ondes à. détecter.
L'invention concerne aussi des dispositifs faisant
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usage de cette #thodeo dispositifs, tels, que wattmètres et détecteurs de modulation présentant une grande sensibilité et no réagissant pas sur la charge ou l'accord du générateur produisant les ondesà détecter. On verra dans ce qui va suivre l'application de la méthode de détection selon l'inven- tion, aux mesures , respectivement, dans une cavité etdans un -guide diélectrique.
On sait que dos ondes électromagnétiques exercent,sur
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une surface métallique qui les liadtent une pression de radilation, normale à la surface, et dont la valeur, à chaque instant ot par unité do surfaco, Gst donnée par la relation : p m 1 ('Il ... E ) baryes (1)
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Dans cotte relation, valable dans le cas d'une sur- face parfaitement conductrice, E et H sont les grandeurs,
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uu point considéré de la surface des champs électriques et magnétique mesurés en unités mixtes de Gauss CGS. On a une véritable pression, ou une succion, selon les,grandeurs relatives de E et de H.
Selon l'invention, on utilise cette propriété pour détecter les ondes électromagnétiques limitées par ladite surface métallique. A cette fin, on rend mobile ,un élément de cette surface et on détecte la pression de radiation
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exercée par les ondes à détecter sur leàit élément..
Dans le ces d'une surface métallique enveloppant les ondes à détecter, il est en général possible de déter-
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miner la répartition du champ clvctromagnéique â.l'intérieur de la surface, et par suite, on pourrà'\se servir des effets do li détection do la pression de radiation, pour mesurer l'6nerie électromagnétique qui rè'gn'9 ou qui circule à l'intérieur de ladite surface.. '- ' .
On verra d'abord l'application de l'fnventon avec l'utilisation d'une cavité résonnante. On sait que les cavités saut des encointes métalliques creuses complètement
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fermées ot à parois de haute conductibilité. Elles possèdent différents modes do vibration ot par suite plusieurs lon- gueurs d'ondes propres : ces longueurs d'onCes propre sont du même ordru de grandeur quo leurs dimensions linéaires.
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Ainsi, un(, cuvité prismatiquo à base carrée possède un mode de vibration (mode fondamental) tel que la longueur' d'onde propre ost égale à la longueur de la diagonalo de la base et ect indépendante) de la hautour du prisme.
Ces cavités possèdent également un coefficient de
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surtension très élevé : pour un cube à paroi de cuivre, de cOté 2.0 cm (longueur d'onde- propre : 28,3 cm) la surtension est , = 33.ouo. Fer suite on peut entretenir dans une cavité une 6uergie électromagnétique considérable à l'aide d'un apport extérieur très faible. u'cas En appliquant la relation (1) précédemment indiquée, au cas d'une cavité parallélépipédique excitée selon son mode fondamental de vibration, on trouve qu'il s'exerce une pression sur les ..ei,ois latérales et, suivant la région, une pression ou une succion sur les bcsas.
Au centre des bases l'effet est maximum et sa valeur moyenne au cours du temps est :
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p max = - a ' 37 2 ' 1 -1?---t-- p baryes où a (en cu)s) est le côté de la base carrée 1 (en cms) est la hauteur parallélépipède
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p (en \?atts) est la puissance ultra haute fréquence ,?'excitation.
Comme pour une telle cavité, la longueur d'onde prvpre est :
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i1 a a cm (indépendant de la hauteur 1) cette pression s'exprima également par :
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5.66 ¯,, baryes pmax'=*-'7 r5-i= W. baryes LUBX À cm B 2 i.+tHj#,.# . baryes
Sur les bases du parallélépipède, la zone de succion .est centrale : elle est à peu près circulaire et a pour
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rayon a V/4 ou :/4. , Ces résultats sont qaalitctiv.en1enA applicables à toutes les formes de cavité; ils montrent en particulier. : 1 - que la pression est rigoureusement proportionnelle à , la puissance haute fréquence d'excitation p ;
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1 - qu'elle est proportionnelle à le puissanxe 3/n de la fréquence propre de la cavité;
8 - que si la cavité est prismatique (ou cyltndrique et
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excitée selon san mode fondamental de vibration (fré- quence'propre indépendante de la hauteur 1), la pres- sion est d'autant plus grande que la cavité est moins haute.
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Avant de décrire le détecteur et le wattmètre mettant on oeuvra la méthode ci-dessus et, avec elle, objets de l'invention, on donnera quelques résultats numériques qui serviront de justification à cette méthode.
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Soit une cavité à base carrée' ot à parois de cui- vre, résorment sur 10 cm. de longueur d'onde, de côté a m 7007 cm. et de hauteur 1 : e72 - 3,5 em, La pression do radiation' est, maximum.au milieu da la bese et a pour valeur-.
(succion): p max = 0,09 bailo par watt d'ùxci talion. - Pression'détectable par les moyens actuellement connus tris que microphones, quartz piésoéloctiue5 etc...
,
On décrira maintenant plus an détail les appareils objets do la présente.invention.
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..................-.... . ,
La détecteur est représenté schématiquement en figure 1. Il est composé essentiellement d'une cavité C dont la paroi est percée d'un trou T. Contre co trou, et
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à une tràs faib0 distance do 'la paroi, ou bien encore fixée sur la paroi, est appliqué un disque ou une membrane métalliquc (au sculomont métallisée) M destiné uniquement a transmuttre la pression de radiation à un TOlaàÉflgi0TOphOÎllquo 11. Ce relais R (piézoélectrique, à charbon, élobtromagné tique ou de tolite autre nature) est relié a un amplifia- teur téléphonique ordinaire. A, mais dont le premier étage doit Être particulièrement bien soigné.
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En fjguxe 1 est représenté en outre une boucle et un tronçon de'ligne L permettant d<introduire dans la cavi- té la puissance ultra haute fréquence modulée P. Un système de réglage de la longueur d'onde propre de la cavité (non représenté, sur le schéma 1) doit également être prévu. Les
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moyens habituels de Agln-(,-e sont la déformation de la paroi de la cavité ou la déformation du champ à l'intérieur de la cavité : dans le cas d'une cavité prismatique, on peut par exemple rendre mobile l'une des parois latérales de la cavité.
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Dans le description ci-dessus on a supposé que la pression de radiation était détectée par un relais micro-
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phonique, mais il est bi8'IJ entendu que l'on peut utiliser tous autres moyens de détection tels que des moyens optiques, ou dos moyens piézoélectriques basés sur l'effort exercé par le champ de ln cavité sur une lame de quartz (ou de tuut autre cristal) métallisée et insérée dans la paroi de la cavité. La condition essentielle est que la partie
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du,relais en contact avec le chpmp de la cavité soit mé- tallique (ou métallisée) et de haute conductibilité élec- trique superficielle.
L'appareil ainsi conçu peut servir pour la détection ,de la m,dulation en amplitude ou la modulation en 'fréquence d'onces porteuses de ultra haute fréquence.
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En effet, deirc le cas où la porteuse est modulée en amplitude, on commencera par régler la cavité pour que sa fréquence propre awit exactement égale à la fréquence de la porteuse. La force mécanique agissant .sur le relais R étant rigoureusement proportionnelle à le puissance haute
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fréquence p apportée dans 1"pp8ril .la moduletion basse fréquence do p provoquera à la sortie de R un courant basse fréquence dont l'amplitude sura rigoureusomnt propor- tiunnellc à l'amplitude do le modulation de p.
Dans le cas où la porteuse est modulée en fréquence
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on réglera la cavité pour que la pulsation mo de sa vi- bration propre soit légèrement différentb d,, la pulsation moyenne w1 de la porteuse, le point représentatif de celle-ci sc trouvant au milieu de la partie rectiligne soit
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de la branche ascendante, soit du la branchu descendante de la courbe de résonance de la cavité (figure 2) ..tracée avec les pulsations en abscisses et los amplitudes de champ on ordonnées.
L'amplitude es champs excités dans la cavité par une onde de pulsatiun w étant proportionnelle à l'or-
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donnée CI dd cotte courbe de résonanco, la force mécanique forcée sur le relais R variera autour d'une voleur moyenne correspondant à la pulsation moyenne 1 do la porteupo et ainsi à lo mudulation en fréquence de la porteuse corros- pondra à la sortie du relais R un courant basse fréquence modulé un amplitude.
La courba de résonance d'une cavité étant très 'aigu
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on ryeut être amené pour le réglage à coupler à la cavité du détecteur un6 charge adéquate dc fr,çun à atténuer la ré- sonance et à augmenter ainsi la largeur do la bande do fré- quonce que l'on peut détecter sans distorsion anormalo.
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Le 1.!attmètro solon l'invention est analogue eu1-d.éteo- tvur précédent. Il permet de mosurur directement une puis- sance p du ultra haute fréquence non modulée introduite dans le sys tème/.
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Cet Gpncrcil est représenté schét11':ltiquement en figure 3.
Il est composé essentiellement : 1 - d'une cavieé 0 à parois hautement conductrices dans
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Inquelle on introduit la puissance à mesurer p par le sys- tème de couplage 1. (de préférence réglable)'. Cette cavité ost percée- d'un trou T ; 2 -.d'un disque ou .membrane M appliquée contre le trou et destinée à transmettre les efforts dus au en? cap électroma- gnétique à un appareil de mesure R. Ce disque peut être soit fixé. par ses bords à la paroi de la cavité soit
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(ainsi qu'il est représenté en figure '3)-placé a une très Îàible.àiSt3ù0e de la paroi (quelques 1/100 de mm.').
La partie du.disque M en contact avec le champ électromagnétique doit être de haute conductibilité- superficielle.
5--un dynamomètre R permettant la mesure de l'effort transmis par M. Ce dynamomètre peut être une micro-balance ou tous systèmes optique, électrique, magné tiqua, piézoé;ectrique, etc... permettant la mesure de forcesde ,5.' ordre de grandeur do la dyne.
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Dans le schéma 3,-et à titre âtoxomp7.e, ld dynamo- mètre R 6st constitué par une lame de quertz Q do taille Curie dont les extrémités sent fixées l'une au milieu du disque M ot l'autre à un socle. Les faces latérales de la lame sont métallisées ce qui permet de recueillir les charges électriques apparaissant par suite de l'effort transmis.par M, Ces charges sont mesurées à l'aide d'un électromètre(à fil par exemple,)'ou d'une lampe électromè- tre E.On sait que les charges apparaissant sur le quartz
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par piézoé16r,tricité, sont rigoureusement proportionnelles à l'effort, donc ces charges ront. rigoureuseOBnt propor- ,t1onnel,les à la puissance d'excitation p à mesurer.
Pour faire une mesure de puissance ultra haute fré- quence avec le wattmètre 'suivant l'invention, on opérera de. la façon suivante:' 1. Accord rigoureux dé la fréquence propre de la cavité avec la fréquence de la 'puissance à mesurer à l'aide d'un système adéquat (non représenté sur la figure 3) Cet ac-
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cord est indiqué z. la lectuxe de l'électromètre par un passage par Un maxium, 2, Réglage du système de couplage L pour qu'il no se pro-
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duiso pas dtonde,stati#lliïciro dans le feeder d'amenée, co qui ferait que la puissance introduite dans la cavité se- rait plus faible que la puissance que l'on désire mesurer.
La rectitude de ce réglage ost indiquée par un nouveau maximum à la lecture de l'électromètre.
Alors e différence dos lectures de l'électromètre, avec ou sans excitation ultra haute fréquence du wattmètre,
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multipliée pcr -la constante (le l'appareil, donne la valeur de le puissanco d'excitation (un-étalonnage préalable du système do déformation de la cavité indique en outre la longueur d'ondo).
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La constante de l'appareil dépend de la constante
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de l'électromstro, de celle du quartz (constantes supposées connues) et aussi d'une constante relative à la cavité, C Cette derniêr3, ainsi que l'indiquent les calculsdévelop- pés succinctement au début est en rapport avec le coeffioient de surtension do la cavité.
On détormine ce coefficient de surtension soit par
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le calcul, soit expériwentalemont en relevant, grâce au wattmètre, la courbe du résonance de la cavité.
Ce wattmètre, qui permot la mesure do la puissance p introduite dans la cavité peut évidemment servir aussi do détecteur lorsque cette puissance est modulée on basse fréquence; le courant circulent dons lo circuit du quartz ost exactement proportionnel eux variations basse fréquon- co do p,
L'exemple numérique ci-après indiquera la sensibili- té de ce wattmètre.
Soit une cavité parallélépipédique à base carrée de 10 cm. de longueur d'onde propre,déjà citée en exemple.
On suppose la membrane M carrée et, de côté a/2 :il s'exerce sur cette membrane une force de 0,58 dyne par watt d'exci- tation On suppose on outre que la lame de quartz utili- sée ait 2 cm . de long et 2/10 mm. d'épaisseur : la cons- tante du quarto-sera :
6,45 x 10"'8 x - 2 -- U.e.s. par dyne.
0,02 et il apparaîtra sur les armatures du quartz une charge
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da 1,25 . 10-15 coulomb, par .ra,':t d'excitation. Or, les lampes élect.rot:.lètrel3 nt sensibles à des charges 10 fois plus faibles.
Il est bien entendu que dans les exemples précédents
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de détecteur ou de 17attiiètre le choix d'une cavité prisma- tique et le choix de l'emplacement de la membrane ou du disque transmettant la pression de radiation n'ont pout but que la simplicité de l'exposé et des calculs : ce' choix n'est nullement restrictif quant à la portée de l'invention.
L'invention prévoiten effet expressément qu'à l'aide de plusieurs disques on puisse détecter la pression de radiation simultanément on divers points de la cavité et
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ajouter ainsi les offets, et que d'autre part, la. forme de la cavité soit judicieusement choisie pour augmenter la sensibilité des appareils. Des calculs, qui ntoht pas être reproduits ici montrent en effet que cette sensibilité peut
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f. 0, aisément accrue, pour une mémo longueur d'onde,au moins dans lu rapport de l à 50.
Dans le cas d'un guide diélectrique, la relation (1)
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est encore applicable et des relations générales entre E et H dans un uide, pour un type d'onde déterminé, on déduit que la valeur moyenne de la pression de radiation est ri ou- rOUsoG1ent proportionnelle à la valeur moyenne du flux d'éner- Sio à travers une soction droite du guide, on a donc :.
Pbaryes" K ,,watts
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Selon le principe de l'invention, on mesurera direc- triment catto pression,,, ou bien encore on détectera les va-
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riotions de la pression (dues à la variation do la puissan- ce oiroulant, ans la guide) par tout dispositif sensible à do faibles prossiona ttiais caractérise par :
Le 'fait quo la surface qui subit la pression à mesurer ou à détecter soit
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métallique (uujsiuleuent métallisée) et do haute conducti- bilité dloctriquu. vant de décrire les appareils 'mettent en oeuvre la méthode ci-dessus, ot constituant, à côté de la méthode en
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elle-m6me , d*'autres objets de l'invention, on indiquera quelques résultats numériques qui. serviront de justifia- tion a cette méthode. '""
Soit un guide G' à section rectangulaire (figure 4) de cotes a et b'parcouru par une onde H dont la vecteur -électrique est parallèle au coté a, la valoir de K est :
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1 1 ;
lo-- . ,10 t! 2- b -- u .-1 avec U 2 b > 1 ai ,l ost la longueur d'onde dans le vîdo, On voit que pour une môme valeur de u, K est d'autant plus grand que
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est petit, G"est-à dire que la pression de radiation sur les parois ost'd'-autant plus que la longueur d'on- de est petite.
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Poux 1, 20 om et un guide do 5 x 15 cm, on a : gaz ,- 2, 64 x 10 ,cors 3 '<!ry/b et par. suite,le maximum de la valeur absolue de la pression moyenne (obtenu soit au milieu du cote b, soiten tout
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z,>î,nt du -obt6 a) ,est : - baryes - 2 9 64 x 10-5 tratts pression-qui, transmise à la membrane d'un microphone par exemple, est aisément détectable, la sensibilité do ces appareils n'étant pratiquement limitéo que par le bruit de fond de l'amplificateur
On décrira maintenant les appareils ''plus en détail;
La figure 5 représente lo schéma de principe du mon- toage S est une source do ultra haute fréquence (klystron,
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magnétron-) débitent dans un guide d'onde'G'; Il est le modu- latorur 'servant à moduler la puissance ultra haute fréquence du générateur; D est le détecteur de pression (élément de
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microphone, quartz p'6zoélactrique etc. ) dont l'élément - ' métallique ou métallisé subissant la pression fs-it partie de la''paroi du guide; A est un amplificateur et B un appareil de mesure ou bion un haut parleur.
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En l'absence de modulation basse fréquence l'indi-
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cation de l appareil de mesure B donne la valeur de la pression exercée sur D, donc la valeur du champ sur la âéCi du guide, et par suite la puissance ultra pute r qoonce circulant dans le guide si celui-ci est r Zr dos cndes En déplaçant D le long du guide (ijui sera fendu à cet effet), ll1ndi;
ation de B restera inahangée si dans le guide G il ne circule que des ondes par contre, los variations éventuelles de B tonl!eront, CV,ÜJ1G il est bion cúnnu, 10 taux d'ondes eta- ionuairos dans le d'où l'on déduira la valeur et- fùctivo de la puissanev émiso par 1 3énératoux S, Si la puissance ultra haute, fréquence st modulée, les variations do l'indicateur B seront proportionnelles
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aux variations da la puisspncc, et ltapparcil sortira, avec les moyens connus, de contrôleur do modulation.
La figure 6 représente un exemple de réalisation. du détecteur do pression D; il est constitué par une pastillo microphoniquc. à membrans métallisée qui ost localement substituée à la paroi a (perforée à cet effet) d'un guide G' à section-rectangulaire.
On décrira maintenant, à titre d'exemple non limi- tatif, un mode de réalisation particulièrement bien adapté aux systèmes de modulation par découpage,systèmes de modu-
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lation utilisés pour les 6,éné'àteurs à caractéristiques non linéaires, tels que los klystrons auto-oscillateurs, ou encore pour les liaisons Multiplex.
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Le midulateu:r l (figure 5) est piloté par un quartz ot découpe le puissance émise par S en signaux reotanguled- res a une fréquence de 80 KO par exemple, la modulation bas- se fréquence etsnt obtonuo on faisant varier la largeur des signaux. Le d6toct(jw D est constitué par un quartz prismatique ëlo.-tfl'1:na -Our.;1,.o f .ré8.1!lnant sur la fréquence du piloto m it 80 KO, et dont la base sur laquelle s'exerce la prossivn de radiation est platinée, los dimensions de cottu boso étant, par exemple de 1 x 1 om2: La réponse piézveluotriq#o du quartz à la pression est ainsi multiplie pcr 1 facteur do 6u.rt':3nsivn du quartz, par exemple la .
La tension qui apparait F.\L1X bornas du quartz a une amplitu- du'rigoureusement proportionnulle à la pression, dune à la puissnnco circulant dans 10 guids' Si 10 quartz ci-dessus est placé au milio1lD de la fa co b d'un guide à section roc- tangul"J ire 5 x 15 cm. parcouru par une onde pragress vo Ho, de 20 cm. do longueur d'onde diiis le guide, on trouve quo 1 tension est do 14:/V par Í1Itt circulant dans le guide, valeur nettement suffisante our attaquer un amplifi- ce,tour ordinaire.
La figure 7 représenta la occupe d'un tel détecteur; G est la parii du guide, elle est percée d'un trou carré
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dans lequel est introduita 1s base platinée f du quartz Q de telle sorto que celle-ci affleure au niveau de G' sans
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toutefois que la quartz tvuch\3 latéralemônt les lèvres du trou. le recouvrement métallique de f déborde de 8 mm. sur
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les focos longitudinales du quartz de façon a. former un , cuurt-circuit pour la ultra haute fréquence. Le quartz est
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maintenu sur le guide par un pied T'en matière isolante serrant les électrodes E'e du quartz.
La tcns.ion qui appa- rait aux bornes Et attaque l'amplificateur A, Un système à glissière, non représenté sur la figure, permet de dépla- cer le détecteur longitudinalement le long du guide, afin de mesurer le taux d'ondes stationna ires.
Il est évident quo pour que le système de la figure 7 puisso.. servir de.contrôleur de modulation, on devra - choisir la fréquence et la surtension du cristal piézoéleo- trique de sorte que la bande de modulation basse fréquence puisse passer convenablement, On pourra avantageusement, pour obtenir ce résultat, associer plusieurs quartz détec- teurs de maniera' connue, pour former filtre passe-bande..
L'invention est, 'bien entendu, susceptible de nom- breuses variantes de realisation, suivant los formes, dimen- sions et particularités cosntructives adoptées pour les or- gancs constructifs des appareils suivant les destinations De ceux-ci.