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ca"'2.d:môfin:j n sur ide d 'ond,s 'DO meo!t...lI. ouiasanee ceµ.
La présente invention se rapporte en général à un appareil pour mesurer le niveau moyen d'un signal hyperfréquence à haute puissance qui traverse un
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guide d'ondes, et en particulier z, un calorimètre mont< sur un guide d'ondes pour mesurer la puissance en h , fréquences*
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Dans les systèmes actuels de micro-ondes à impulsions de haute puissance les possibilités de panne électrique doivent être considérées avec beaucoup d'at* tention.En conséquence, ces systèmes doivent comporter peu de discontinuités et doivent souvent être mie sous vide ou pressurisas.
Ces propriétés essentielles d'un système d'hyperfréquences offrent des complications sup- plémentaires lorsqu'il faut procéder à des mesures de puissance d'un système de guide d'ondes,parce que, non seulement une combinaison des appareils de mesure propo- sec doit être capable de traiter une partie de la puis- sance & impulsions élevées et son niveau de puissance moyenne élevé correspondant, mais doit souvent aussi être conforme aux conditions mécaniques exigées par le système de vide ou le système de pression.
En général, les dispositifs do mesure de haute puissance utilisés actuellement comportent l'emploi de dispositifs auxi- liaires qui sont directement insérés dans les parois d'un système de guide d'ondes,pratique qui tend â im- posor le double problème do la panne électrique due à la proximité des éléments en relation, et des pannes dues aux fuites des systèmes de vide ou de pression qui peuvent se produire là où les dispositifs auxiliaires sont introduits.
En conséquence, les conditions d'uti- lisations nécessaires préférées pour un dispositif uti- lice dans les mesures de haute puissance consistent en une configuration de guide d'ondes simple, de fonction* nemont sûr,peu coûteuse, facile à entretenir, et sans ingérence dans la construction et le fonctionnement des guides d'ondes actuels.
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Il existe divers types de calorimètres à écoulement qui satisfont aux conditions exigées que l'on vient d'exposer. Les calorimètres à écoulement de cette sorte fonctionnent selon le principe théorique qui éta- blit que si une partie de la structure d'un guide d'onde absorbe de la puissance et laisse passer cette puissance sur un fluide en contact intime avec lui, ou si le fluide lui-même absorbe la puissance des micro-endes, on peut alors utiliser un dispositif ordinaire à écoulement calo. rimétrique pour mesurer l'élévation de température dans le liquide et obtenir ainsi une indication de la puis- eance présente dans le guide d'ondes.
En dépit de la précision possible d'un système de ce genre soigneuse- ment exécuté, le nombre d'appareils de mesure qu'il faut lui adjoindre pout devenir excessif si le compteur de puissance doit être utilisé comme un simple appareil do contrôle
La présente Invention pallie les imperfec- tions précédentes en permettant de réaliser un calori- mètre sec. statique et adiabatique avec 1;' avantage qui lui est propre, d'être construit avec très peu d'appa. reils de Mesure.
Par exemple, si une courte section d'un guide d'ondes ayant un affaiblissement connu et des per- tes appréciables est munie d'un système d'évacuation de chaleur à chacune de ses extrémités,et est bien isolée sur toute sa longueur, la répartition de la température entre ses extrémités est fonction de la chaleur dissipée dans la section, et par suite de la puissance moyenne totale du guide d'ondes. Ainsi, l'absorption de puis- sance par les parois du guide d'ondes provoquera une augmentation de température au centre par rapport à celle des extrémités* La différence de température entre le
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centre et les extrémités de la section est directement proportionnelle à la puissance absorbée,et par suite à la puissance transmise à travers la section du guide d'ondes.
Les systèmes d'évacuation de chaleur peuvent avoir la forme de flasques fixés en permanence, par exemple par soudure, à une longueur prédéterminée d'un guide d'ondes ou de préférence être construits sous forme de brides démontables fixées sur un guide d'ondée existant. On utilise alors un dispositif de lecture de température,tel qu'un pont à fil résistant ou une pile thermoélectrique.pour obtenir une lecture électrique directe de la puissance moyenne du guide d'ondes.
Un calorimètre sec monté sur un guide d'ondes, statique et adiabatique, tel qu'on vient de le décrire, peut se réaliser sans déranger le guide d'ondes existant d'un système.Le calorimètre sec de la présente invention a été choisi comme étant le dispositif proféré et le plus adaptable pour contrôler le fonctionnement des guides d'ondes de haute puissance.
En conséquence, la présente invention a pour objet un dispositif simple, de fonctionnement sûr. et peu coûteux pour contrôler le niveau moyen d'un si* gnal hyperfréquence de haute puissance dans.un système d'hyperfréquences.
Un autre objet de la présente invention consiste à réaliser un calorimètre monté sur un guide d'ondes, statique,, capable de mesurer l'élévation de température des parois d'un guide d'ondes provoquée par l'affaiblissement de la puissance des micro-ondes qui traversent le guide d'ondes.
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Un autre objet de la présente invention con- siste à réaliser un calorimètre statique conçu pour être adapté sur une partie d'un guide d'ondes déjà existant dans un système d'hyperfréquences.
Un autre système selon l'invention consiste à réaliser un calorimètre statique n'utilisant pas de circuits actifs.
Un autre objet de la présente invention consiste à réaliser un calorimètre monté sur un guide d'ondes ayant une longueur égale à un nombre entier de longueurs d'ondes du guide d'ondes,pour être de ce fait insensible à la configuration des ondes fondamentales du guide d'ondes, et lire simplement la somme des puissances incidentes moyennes et des puissances réfléchies Moyennes.
Un autre objet de la présente invention con- siste à réaliser un compteur de puissance calorimétrique tel que défini ci-dessus qui permette la mesure de la puissance des micro-ondes dans un système d'hyperfré- quences sans prélèvements de la puissance qui traverse le guide d'ondes.
Un autre objet de la présente invention. con- siste à réaliser un calorimètre monté sur un guide d'en- des utilisant le guide d'ondes lui-même comme moyen de dissipation de la chaleur.
D'autres objets et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la description et les dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une coupe transversale partielle d'un mode de réalisation de la présente inven- tion utilisant un système à flasques;
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La figure 2 est une vue en coupe transver- sale représentée selon la ligne 2-2 de la figure 1;
La figure 3 est un schéma de circuit repré- sentant celui qu'on peut utiliser avec la présente in- vention ;et,
La figure 4 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation de la présente invention uti- lisant le système de brides de fixation*
Sur la figure 1 est représenté un calori- mètre statique monté sur un guide d'ondes comportant une longueur prédéterminée de guide d'ondes 12 en cuivre et acier inoxydable, à chaque extrémité duquel sont soudés les flasques 14 et 16. Ces deux flasques comportent des troue percés axialement le long de la circonférence ex- térieure,ce qui permet de monter le calorimètre entre les sections adjacentes 20 et 22 d'un système de guide d'ondes existant.Les deux flasques 14 et 16 comportent des trous de passage 24 qui les traversent de part en part,
de préférence parallèlement à la plus grande lar- gour du guide d'ondes 12. Les trous de passage sont mu- nis de connecteurs d'entrée et de sortie respectivement 26 et 20, ainsi que d'un tube d'interconnexion extérieur 30 qui relie les extrémités opposées des trous de passage 24 pour réaliser un trajet d'écoulement permettant le passage d'un liquide de refroidissement.Par conséquent, les connecteurs 26 et 20,les trous de passage 24 et le tube d'interconnexion 30 des flasques 14 et 16 comportent des dispositifs d'évacuation de chaleur ( ou refroidis- seurs) situés à chaque extrémité de la longueur du guide d'ondes 12.
Les dispositifs de refroidissement ici décrits
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pour réaliser une évacuation de chaleur des flasques 14 et 16 peuvent être M'importe quel dispositif de passage convenable pour la circulation d'un fluide et ne se li- mitent pas à l'aspect qu'on leur a donné aux le devint Quatre résistances bobinées 32,34,36 et 38 sont placées perpendiculairement par rapport à la longueur du .guide d'ondes 12 entre les flasques 14 et 16, La résistance bobinée 32 est enroulée sur le guide d'ondes immédia- tement contre le flasque 14, et la résistance bobinée 38 est enroulée immédiatement contre le flasque 16. l'on résistances 34 et 36 sont bobinées l'une contra l'autre au centre du guide d'ondes 12 entre les résistants. 32 et 38.
Les résistances 32,34,36 et 38 sont connectées sous la forme d'un circuit en pont de résistance bien connu de la technique ( ef.figure 3).La tension de ser- tie du calorimètre est lue sur le voltmètre 40 et la ten- sion d'entrée du circuit en pont est fournie par la sourj- ce d'énergie 42. La figure 3 représente le diagramme sché- matique proféré d'un circuit en pont montrant les résisj- tances 32,34,36 et 38 ainsi que le voltmètre de sortie 40 et la source d'alimentation 42.
Une petite résistance de réglage 44, communément appelée "trimmer" dans la technique, a été placée entre les résistances 32 et 36 pour créer un moyen d'équilibrage du circuit en pont (lecture de zéro sur le voltmètre 40) pour donner une valeur de référence.
Sur la figure 4 on a représenté un mode de réalisation préféré de l'invention où les flasques 14 et 16 cités plus haut ont été remplacés par des brides d'évacuation de chaleur démontables 46 et 48.Ce* brider
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démontables peuvent être assemblées sur une partie 50 d'un système de guide d'ondes existant, sans déranger l'ordonnance du dit système. Ces brides 46 et 48 peuvent être constituées de n'importe quelle combinaison de pié- ces appropriée* Par exemple, pour la bride 48 représon- tée sur la figure 4,deux barres identiques prolongent la plus grande largeur de la partie 50 du guide d'ondes existant en plus de la largeur des barres entretoises 56 et 58,les barres 52 et 54 étant montées au moyen de boulons 60 sur les extrémités des dites barres entretoi- ses.
Les dimensions des barres 52,54,56 et 58 sont telles qu'elles permettent un ajustage très serré entre la partie de guide d'ondes 50 et les brides 46 et 48 afinde créer les conditions optimales de transfert de cnaleur entre le système d'évacuation de chaleur ( bri- des 46,48), et les parois de la partie de guide d'ondes 50. Comme dans les flasques 14 et 16, la circulation de fluide se fait à l'intérieur des brides 46 et 48, plus particulièrement par les trous de passage pratiques dans la longueur de chacune des barres 52 et 54, avec leurs connexions d'entrée et de sortie 62 et 64,et la tuyau- terie d'interconnexion 66 qui les relie.
Les mesures de température se font en utilisant les résistances 68, 70,72,74 d'un circuit en pont, les dites résistances étant enveloppées autour de la partie de guide d'ondes existante 50, de la façon décrite dans l'exposé du mode de réalisation de la figure 1.11 faut remarquer que sur les deux modes de réalisation (figure 1 et figure 4), le système entier est isolé par une couche appropriée 76 de matériau isolant, par exemple de la mousse de matériau
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antique@ pour réduire les pertes pur convection et par rayonnement de la chuleur.
Pour réduire les erreurs dans la lecture de la somme véritable de la puissance moyenne incidente et do la puissance moyenne réfléchie qui traversent; le calorimètre, la longueur do ce dernier, (c'est-à-dire la distance qui sépare les doux systèmes d'évacuation de chaleur) doit être égale à un nombre entier de longueurs d'onde du guide d'ondes pour la fréquence de la puis- sance que l'on mesure.
Il est de même bien entendu que toute méthode de mesure d'une différence de température notable entre le centre et les extrémités du calorimètre, qui fait l' objet de la présente invention, peut être utilisée. Par exemple, un dispositif de piles thermoélectriques uti- lisant des thermocouples peut être employé à la place du circuit en pont a fils résistants Le ,Pont à résistance décrit ici a 1* avantage de produira un signal de sortie aussi étendu que l'on veut, et c'est- pourquoi on t'a utilisa.
En théorie, si l'on met quatre résistances idem tiques sensibles à la température en contact avec l. guide d'ondes et qu'on les connecte dans un circuit en pont, le courant de sortie du pont fournit une indica- tion de la différence de température qui existe entre le milieu et les extrémités du guide d'ondes.
Supposons les diverses sections de la partie 50 du guide d'enies (celles sur lesquelles sont bobinées les résistances 5 et 74), et les résistances 68 et 74 elles-mêmes, à une température de référence ( maintenue par les brides d'évacuation de chaleur 46 et 48), et le centre de la
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piurtio 50 du guide a1 onde en môme temps que les résie- tancet 70 et 72 à une température de e$g ( par la puis- aune qui traverse le guide d'ondes) Le rapport de la tension du détecteur V2 ( voltmètre de sortio 40) due
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au déséquilibre du pont, à 1 bon3ion 3 ( source de cou- ruant 42), s'énonce ainsi -"SS1**"1 . ?d # * e ; g <'1 M M...,.,."' 'a'"''3.
#*±-"î!u3 M8&"'11ft. différencu de température qui existe entre .mx *x" i,#-.. le centra et les extrémités du calorimètre etc le coefficient de température de la résistance des file
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Utilisé . Si k et 0 sont tous deux relativement petite, de feront que leur produit soit bien inférieur à 2, l'é- quation précédente peut s'écrira Ainsi;
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±'1 cvwoinanfc l'équation (2) ct..dOI8U& avec uttc quation théorique ( non comprise) dêtîniosant l'é- 1 ïVutian de fcanp rture escomptée dans le niilieu d'un cMlorimâtre construit avec un Stetal donné et de dimen- sions données, on obtient l'expression oui vante pour la
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tension ue sortie du pont par unité de puisaunco tra- verzet le guide d'onde3i
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où Fin est la puissance moyenne pénétrant dans le guide
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d'ondes, lest une demi-longueur du calorimètre,d(.
.'fa3b,:sser.:nt du guide d'ondes en db par unité de longueur, A la surface de la section métallique du guide d'ondes, et K la conductivite thern:icuo du métal qui com.
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pose le guide d'ondes. L'équation (3) ci-dessus peut être ainsi utilisée pour prévoir la grandeur du signal de sort tie escomptée pour un calorimètre donné.
L'équation (3) de plus, indique que la sen- sibilité du calorimètre est. déterminés par le matériau du guide d'ondes. Il est un peu désavantageux de cons- truire le calorimètre qui fait l'objet de la présente invention en utilisant un guide d'ondes fait d'un ma- tériau uniforme puisqu'il est souhaitable d'obtenir un affaiblissement élevé dans le guide d'ondes de façon à obtenir une puissance de sortie raisonnable, comme il est aussi souhaitable d'obtenir une conductivité ther- mique élevée afin d'avoir un dispositif à court temps do réponse.
Dans le cas où l'on voudrait obeair une élévation de température raisonnable du contre et une faible constante de temps, il est avantageux du chcisir pour le guide d'ondes un matériau possédant une grand. conductivité thermique et un grand affaiblissement Ces deux qualités s'excluent généralement, et pur conséquent, la solution du problème consiste à revêtir l'intérieur d'un guide d'ondes à haute conductivité thermique avec un matériau approprié donnant au guide d'ondes un haut pouvoir d'affaiblissement.
Cette condition s'applique. généralement au cas du mode de réalisation do l'inven- tion avec flasques représenté sur la figure 1, et peut s'appliquer au mode do réalisation avec tride repré- sente sur la figure 4 qui utilise une partie existante de guide d'ondes, dont l'intérieur ne peut naturellement être recouvert sans être démonté.
Par exemple, ls élé- mente du calorimètre décrit ici, ont été construits avec
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un guide d'ondes en acier inoxydable 304, parme que les propriétés thermiques et électriques de l'acier inoxy- dable 304 permettent de réaliser, selon l'équation (3), un calorimètre plus sensible que celui pour lequel on utilise d'autres métaux courants pour guides d'ondes* Si l'on utilise l'acier inoxydable 304, le temps de ré- ponse est cependant plus long que si l'on utilise d'au- tres matériaux* Une construction revêtue possible serait la comsinaison d'un guide d'ondeo en cuivre avec un re- vêtement intérieur en acier inoxydable,
car cette com- binaison permet de réaliser un calorimètre de sensibi- lité raisonmable ayant un faible temps de réponse* D'au- iras réafisestions de telles constructions utilisant des matériaux déposés facilement, comme le graphite, peuvent être employées.
A titre d'exemple, on a réalisé un calori- mètre du type à flasques, selon la figure 1, en utilisant un guide d'ondes 12 de 9,50 cm de longueur en acier ino- xydable dont les parois mesuraient 7,60 cm x 4 cm environ pour une épaisseur de 0,16 mm, et des flasques 14 et 16 de cuivre, à circulation d'eau et étanches comme systè- mes d'évacuation de chaleur* On a utilisé un fil d'un alliage do 70% de nickel et de 30% de fer pour bobiner les résistances 32,34, 36 et 38 pour trouver le meilleur compromis entre les conditions de haut coefficient de température de la résistance et de grande résistance à la traction.
les valeurs de résistance choisies étaient de l'ordre de 200 ohms chacune ( à 26 C) de sorte que la puissance totale engendrée par le pont était inférieure de 2% à la puissance absorbée par le calorimètre quand
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le puissance d'entrée était égale à 100 watts et que la tension d'entrée du pont était égale à 1 volt.
La petite résistance do réglage de 1 ohm (44) a été ajoutée pour équilibrer le pont. Les constates appropriées au calo- rimètre sont:
2 - 3.80 cet
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t1.. 39 06 com k - 4,5 x 10-3 C - 1,0 volt ( supposé)
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K - 1,506 x io*'Iwatte/100-= à 0,502 joules/*C-gm (produit de la capa- cité thermique ? "7,93 f!JJ1/cm' ( densité) c><, - 0,04690 db/ft.
La sensibilité du calorimètre est alors de l3i25 millivolto par volt d'entrée dans le pont, par kilowatt de puissance traversait le cU.vr:. t.re.
L'équation (3) peut s'écrira @
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Où C est une constante. En substituant les constantes
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précédentes convenables au calorimètre qui ±1t 1100JOt de 1& présente inventiun dlne l'équation (4), on obtient 1: valeur de 0 m 75,5 ( où Vd est en volts, et Pin en die watts)* Lorsque le circuit en pont est équilibré vd-= o et Pin est nulle
Bien que la présente invention ait été dé- crite en référence à un mode de réalisation préféré, il est bien évident qu'il est possible d'y apporter des mo- difications et des changements nombreux dans le cadre de ladite invention, et ainsi elle n'est en rien limitée.