Procédé de mesure des ondes électromagnétiques décimétriques et centimétriques en circulation dans une enceinte, et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La présente invention, due à M. J.
Bernier, a pour objet un procédé de mesure des ondes électromagnétiques décimétriques et centimétriques en circulation dans une enceinte, et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que les ondes électromagnétiques exercent, sur une surface métallique qui les limite, une pression de radiation, normale à la surface, et dont la valeur, à chaque instant et par unité de surface, est donnée par la relation:
p = 1/8#(H2-E2) baryes (1)
Dans cette relation, valable dans le cas d'une surface parfaitement conductrice, E et
H sont les grandeurs au point considéré de. la surface, des champs électriques et magnétiques mesurés en unités mixtes de Gauss
CGS. On a une véritable pression, ou une succion, selon les grandeurs relatives de E et de H.
Dans le cas d'une surface métallique enveloppant les ondes à détecter, il est en général possible de déterminer par le calcul la répartition du champ électromagnétique dans ie vollume, limité par la surface en question; on pourra donc déduire de la mesure de la pression de radiation exercée sur un élément élastique de cette surface l'énergie de l'onde à haute fréquence circulant dans le volume in- térieur. lie procédé de mesure suivant l'invention s'applique aux ondes électromagnétiques d'ultra-haute fréquence, en circulation dans une enceinte à haute conductibilité su perficiellb comportant au moins une ouverture.
Ce procédé est caractérisé par le fait que la pression exercée par ces ondes sur au moins un élément élastique de la paroi de cette enceinte est transformée en une grandeur électrique mesurable.
L'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce que l'élément élastique à haute conductibilité superficielle sur lequel s'exerce la pression de rayonne- ment épouse la forme de cette paroi, et s'y raccorde par un joint dimensionné de telle sorte qu'il forme court-circuit pour les ondes d'ultra-haute fréquence, c'est-à-dire décimetriques et centimétriques.
On verra d'abord l'utilisation d'une ca vité résonnante. On salit que e les cavités sont des enceintes métalliques creuses complètement fermées et à parois de haute conductibilité. Elles possèdant diffèrents modes de vibration et par suite plusieurs longueurs d'ondes propres. Ces longueurs d'ondes propres sont de même ordre de grandeur que. les dimensions linéaires des dites cavités. Ainsi, une cavité prismatique à base carrée possède un mode de vibration (mode fondamental) tel que la longueur d'onde propre est égale à la longueur de la diagonale de la base et est indépendante de la hauteur du prisme.
Ces cavités possèdent également un coeffichent de surtension très élevé: pour un cube à parois de cuivre, de côté 20 cm (longueur d'onde propre: 28,3 cm), la surtension est
Q = 33 000. Par suite, on peut entretenir dans une cavité une énergie électromagnétique considérable à l'aide d'un appart extérieur très faible.
En appliquant la relation (1) précédtem- ment indiquée, au cas d'une cavité parallélépipédique à base carrée excitée selon son mode fondamental de vibration, on trouve qu'il s'exerce une pression sur les parois la térales et, suivant la région, une pression ou une succion sur les bases. Au centre des bases l'effet est maximum et sa valeur moyenne au cours du temps est:
EMI2.1
<tb> <SEP> 3,37 <SEP> I
<tb> 1?max <SEP> = <SEP> 71 <SEP> ' <SEP> pwatts
<tb> <SEP> a112
<tb> <SEP> 1+2 <SEP> a
<tb> où a (en cm) est le côté de la base carrée;
I (en cm) est la hauteur du parallélépipède; p (en watts) est la puissance ultra-haute fréquence d'excitation.
Comme pour une telle cavité, la longueur d'onde propre est: # = a #2 cm (indépendant de la hauteur 1); cette pression s'exprime par:
EMI2.2
<tb> Pmax <SEP> = <SEP> 5,66 <SEP> 1
<tb> 283. <SEP> .pbaryes
<tb> <SEP> i <SEP> +
<tb> <SEP> cm
<tb>
Sur les bases du parallélépipède, la zone de succion est centrale: elle est à peu près circulaire et a pour rayon: a t/2 ou
4
Ces résultats sont qualitativement applicables à toutes les formes de cavité; ils montrant en particulier:
lo Que la pression est rigoureusement proportionnelle à la puissance haute fréquence d'excitation p.
20 Qu'elle est proportionnelle à la puissance 3/2 de la fréquence propre de la cavité.
30 Que si la cavité est prismatique (ou cylindrique) et excitée selon son mode fonda mental de vibration (fréquence propre indépendante de la hauteur 1), la pression est d'autant plus grande que la cavité est moins haute.
Soit une cavité à base carrée et à parois de cuivre, résonnant sur 10 cm de longueur d'onde, de côté a = 7.07 cm et de hauteur 1 : ! 2 # 3,5 cm. La pression de radiation est maximum au milieu de la base et a pour valeur (succion) :
Pumas = 0,0g baryes par watt d'excitation.
Pression détectable par les moyens actuellement connus tels que microphones, quartz piézoélectrique, etc.
Nous allons décrire ci-après, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil qui permet de contrôler la qualité de la modulation de l'onde porteuse dans une station radioélectrique.
Le détecteur est représenté schématique- ment en fig. 1. I1 est composé essentiellement d'une cavité C dont la paroi est percée d'un trou T. Contre ce trou, et à une très faible distance de la paroi, ou bien encore fixé sur la paroi, est appliqué un disque ou une membrane métallique (ou seulement métallisée) M destiné uniquement à transmettre la pression de radiation à un relais R. Ce relais R (piézoélectrique, électromagnétique ou de toute autre nature) est relié à un am plificateur téléphonique ordinaire A, mais dont le premier étage doit être particulièrement soigné.
En fig. 1 sont représentés en outre une boucle et un tronçon de ligne L permettant d'introduire dans la cavité la puissance ultrahaute fréquence modulée P. Un système de réglage de la longueur d'onde propre do la
cavité (non représenté sur le schéma 1) doit
également être prévu. Lee moyens habituels
de réglage sont la déformation de la paroi de la cavité ou la déformation du champ à l'intérieur de la cavité. Cette derniere déformation peut être obtenue avec des sondes,
dans le cas d'une cavité prismatique, on
peut par exemple, rendre mobile l'une des parois latérales de la cavité.
Dans la description ci-dessus, on a supposé que la pression de radiation était détectée par un relais microphonique, mais il est bien entendu que l'on peut utiliser tous autres moyens de détection, tels que des moyens optiques ou des moyens piézoélec- triques basés sur l'effort exercé par le champ
de la cavité sur une lame de quartz (ou de tout autre cristal) métallisée et insérée dans le paroi de la cavité. La condition essentielle est que la partie du relais en contact avec le champ de la cavité soit métallique (ou métallisée) et de haute conductibilité électrique superficielle.
L'appareil ainsi conçu peut servir pour la détection d'ondes décimétriques ou centimé t, risques modulées en amplitude.
En effet, dans le cas où la porteuse est modulée en amplitude, on commencera par régler la cavité pour que sa fréquence propre soit exactement égale à la fréquence de la porteuse. La force mécanique agissant sur le relais R étant rigoureusement proportionnelle à la puissance haute fréquence p apportée dans l'appareil, la modulation basse fréquence de p provoquera à la sortie de R un courant basse fréquence dont l'amplitude sera rigoureusement propostionnelle à l'amplitude de la modulation de p.
Nous allons maintenant décrire, à titre d'exemple, une autre forme d'exécution de l'appareil suivant l'invention qui permet de mesurer directement la puissance d'une onde pure d'ultra-haute fréquence. Cette onde circule dans un guide non représenté sur lafig. 2, et l'on y prélève, par un couplage ap proprié, un pourcentage connu de sa puissance que l'on introduit par un feeder dans la cavité résonnante utilisée pour les mesures.
Cet appareil est représenté schématique- ment en fig. 2. I1 est composé essentiellement:
10 d'une cavité C à parois hautement conductrices dans laquelle on introduit la
puissance à mesurer p par le système de cou
plage L (de préférence réglable). Cette ca
vité est percée d'un trou T;
20 d'un disque ou membrane M appliqué contre le trou T est destiné à transmettre les efforts dus au champ électromagnétique à un
appareil de mesure R. Ce disque peut être soit fixé par ses bords à la paroi de la cavité,
soit (ainsi qu'il est représenté en fig. 2) placé Åa une très faible distance de la paroi (quelques 1/zoo de millimètre).
La partie du disque M, en contact avec le champ électromagnétique, doit être de haute conducti- bilité superficielle;
3 un dynamomètre R permettant la mesure de l'effort transmis par M. Ce dynamomètre peut être un dispositif optique, électrique, magnétique, piézoélectrique, etc., permettant la mesure de forces de l'ordre de grandeur de la dyne.
Dans le schéma 2, et à titre d'exemple, le dynamomètre R est constitué par une lame de quartz Q de taille Curie dont les extrémités sont fixées l'une au milieu du disque M et 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 électrométre E. On sait que les charges apparaissant sur le quartz par piézoélectricité sont rigoureusement proportionnelles à l'effort, donc ces charges sont rigoureusement proportionnelles à la puissance d'excitation p à mesurer.
Pour faire une mesure de puissance avec l'appareil représenté par la fig. 2, on effectuera les opérations suivantes:
lo Accord rigoureux de la fréquence propre de la cavité avec la fréquence de la puissance à mesurer à l'aide d'un dispositif adéquat (non représenté sur la fig. 2). Cet accord est indiqué à la lecture de l'électro- mètre par un passage par un maximum.
20 Réglage du dispositif de couplage l pour qu'il ne se produise pas d'onde stationnaire dans le feeder d'amenée, ce qui ferait que la puissance introduite dans la cavité serait plus faible que la puissance que l'on désire mesurer. L'exactitude de ce réglage est indiquée par un nouveau maximum à la lecture de l'électromètre.
Alors la différence des lectures de l'électromètre, avec ou sans excitation ultra-haute fréquence du wattmètre, multipliée par la constante de l'appareil, donne la valeur de la puissance d'excitation (un étalonnage préalable du système de déformation de la cavité indique en outre la longueur d'onde).
La constante de l'appareil dépend de la constante de l'électromètre, de celle du quartz (constantes supposées connues) et aussi d'une constante relative à la cavité. Cette dernière, ainsi que l'indiquent les calculs développés succinctement au début est en rapport avec le coefficient de surtension de la cavité.
On détermine ce coefficient de surtension soit par le calcul, soit Nexpérimentalement en relevant, grâce au wattmètre, la courbe de résonance de la cavité.
Ce wattmètre, qui permet la mesure de la puissance p introduite dans la cavité, peut évidemment servir aussi de détecteur lorsque cette puissance est modulée en basse e fré- quence; le courant circulant dans le circuit du quartz est exactement proportionnel aux variations basse fréquence de p.
L'exemple numérique ci-après indiquera la sensibilité 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'excitation. On suppose, en outre, que la lame de quartz utilisée ait 2 cm de long et 2/3o mm d'épaisseur : la constante du quartz sera: 6,45 10-8. 2
0,02 u. e. s. de quantité d'électricité par dyne, et il apparaîtra sur les armatures du quartz une charge de 1,25. 10-15 coulombs par watt d'excitation. Or, les lampes électromètres sont sensibles à des charges 10 fois plus faibles.
Il est bien entendu que dans les exemples précédents de détecteur ou de wattmètre, le choix d'une cavité prismatique et le choix de l'emplacement de la membrane ou du disque transmettant la pression de radiation n'ont pour but que la simplicité de l'exposé et des calculs.
Le cas échéant, deux ou plusieurs éléments élastiques seront placés en des points convenablement choisis de la cavité et les pros- sions de rayonnement en ces points seront t. ransmisies à un appareil unique, amplificatour et enregistreur.
On choisira la forme de la cavité de manière à augmenter la pression de rayonnement sur le ou les éléments élastiques insérés dans la paroi. Des calculs, qui n'ont pas été reproduits ici, montent, en effet, que cette sensibilité peut être aisément accrue, pour une même longueur d'onde, au moins dans le rapport de 1 à 50.
Dans le cas où les ondes à mesurer circulent dans un guide d'onde, la relation (1) ci-dessus est encore applicable et des relations générales entre E et H dans un guide, pour un type d'onde déterminé, on déduit que la valeur moyenne de la pression de radiation est rigoureusement proportionnelle à la valeur moyenne du flux d'énergie à travers une section droite du guide, on a donc:
Pbaryes = E Wwatts
On mesurera directement cette pression. ou bien encore on détectera les variations de la pression (duse à la variation de la puissance circulant dans le giiide) par tout dispositif sensible à de faibles pressions, mais dont l'élément élastique à haute conductibilité superficielle, sur lequel s'exerce la pression de rayonnement, épouse la force de cette paroi et s'y raccorde par un joint dimensionné de talle sorte qu'il forme court-circuit pour les ondes d'ultra-haute fréquence.
Les résultats numériques donnés ci-après constitueront une application de la formule cidessus:
Pbaryes = KWwatts
Soit un guide G' à section rectangulaire (fig. 3) de côtés a et b parcouru par une onde
H01 dont le vecteur électrique est parallèle au côté a, la valeur de K est:
EMI5.1
2b
avec u = > 1 # où # est la longueur d'onde dans le vide. On voit que pour une même valeur de u, K est d'autant plus grand que 2 est petit, c'està-dire que la pression de radiation sur les parois est d'autant plus intense que la longueur
d'onde est petite. Ceci n'est d'ailleurs exact que si la puissance W introduite reste constante, de même que la longueur a.
Pour 2 = 20 cm et un guide de 5 X15 cm, on a:
K = 2,65 X 10-5 cos 2# y/b et, par suite, le maximum de la valeur absolue de la pression moyenne (obtenu soit au milieu du côté h, soit en tout point du côté a), est:
Pbaryes = 2,64 # 10-5 # Wwatts pression qui, transmise à la membrane d'un microphone par exemple, est aisément mesurable, la sensibilité de ces appareils n'étant pratiquement limitée que par le bruit de fond de l'amplificateur.
La fig. 4 représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. S est une source de ultra-haute fréquence (klystron, magnétron) débitant dans un guide d'onde G' rectangulaire; ; M est le modulateur servant à moduler la puissance ultra-haute fréquence du générateur, D est un dispositif de mesure de la pression (mi erophone, quartz piézoélectrique, dispositif à miroir tournant, etc.) dont l'élément élastique métallisé, inséré dans la paroi du guide, se trouve au milieu de cette paroi; A est un amplificateur et B un appareil de mesure ou bien un haut-parleur.
En l'absence de modulation basse fréquence, l'indication de l'appareil de mesure B donne la valeur de la pression exercée sur donc la valeur du champ sur la paroi du guide, et par suite la puissance à ultra-haute fréquence circulant dans le guide si celui-ci est parcouru par des ondes progressives. En déplaçant D le long d'une fente longitudinale pratiquée dans l'axe même de la paroi, l'indication de B restera inchangée si dans le guide G il ne circule que des ondes progressives; par contre, les variations éventuelles de
B donneront, comme il est bien connu, le taux d'ondes stationnaires dans le guide, d'où l'on déduira la valeur effective de la puissance émise par le générateur S.
Si la puissance à ultra-haute fréquence est modulée, les variations de l'indicateur B seront proportionnelles aux variations de la puissance, et l'appareil servira, avec les moyens connus, de contrôleur de modulation.
La fig. 5 représente un appareil de mesure qui est un détecteur de pression D; il est constitué par une pastille microphonique à membrane métallisée qui est localement substituée à la paroi a (perforée à cet effet) d'un guide G' à section rectangulaire.
On décrira maintenant, à titre d'exemple, un appareil particulièrement bien adapté à la modulation par découpage, que l'on utilise avec les générateurs à très haute fréquence et à caractéristiques non linéaires, tels que les klystrons auto-oscillabeurs, ou encore pour les liaisons Multiplex. Ce procédé est décrit dans la Revue technique Philips édition française, No d'octobre 1937, page 301.
Le modulateur M (fig. 4) est piloté par un quartz et découpe la puissance émise par S en signaux rectangulaires à une fréquence de 80 kc par exemple, la modulation basse fréquence étant obtenue en faisant varier la largeur des signaux. Le détecteur D est constitué par un quartz prismatique de taille
Curie, résonnant sur la fréquence du pilote, soit 80 kc, et dont la base sur laquelle s'exerce la pression de radiation est platinée, les dimensions de cette base étant, par exemple de 1 X 1 cm2. La réponse piézoélectrique du quartz à la pression est ainsi multipliée par le facteur de surtension du quartz, par exemple 104. La tension qui apparaît aux bornes du quartz a une amplitude rigoureusement proportionnelle à la pression, donc à la puissance enroulant dans le guide.
Si le quartz ci-dessus est placé au milieu de la face b d'un guide à section rectangulaire 5X15 em parcouru par une onde progressive H01 de 20 cm de longueur d'onde dans le guide, on trouve que la tension est de 14 , cl. V par watt circulant dans le guide, va- leur nettement suffisante pour attaquer un amplificateur ordinaire.
La fig. 6 représente la coupe d'un tel détecteur: G est la paroi du guide, elle est percée d'un trou carré dans lequel est introduite la base platinée f du quartz Q, de telle sorte que celui-ci affleure au niveau de G' sans toutefois que le quartz touche latéralement les lèvres du trou. Le reeouvrement métallique de f déborde de 2 mm sur les faces longitudinales du quartz de façon à former un court-circuit pour la ultra-haute fréquence. Le quartz est maintenu par deux électrodes E', appliquées respectivement au milieu de deux faces opposées de ce quartz et fixées par des vis de pression à deux pieds T' en matière isolante, solidaires de la paroi du guide. La tension qui apparaît aux bornes E' attaque l'amplificateur A.
Un système à glissière, non représenté sur la figure, permet de déplacer le détecteur longitudinalement le long du guide, afin de mesurer le taux d'ondes stationnaires.
I1 est évident que, pour que le système de la fig. 6 puisse servir de contrôleur de modulation, on devra choisir la fréquence et la surtension du cristal piézoélectrique, de sorte que la bande de modulation basse fréquence puisse passer convenablement. On pourra avantageusement, pour obtenir ce résultat, associer plusieurs quartz détecteurs pour former filtre passe-bande.
Pour empêcher que l'élément élastique de mesure n entre en résonance avec des vibrations perturbatrices parcourant l'espace en vironnant le guide d'ondes, on pourra I'enf'ermer dans une enveloppe étanche à l'air, ainsi que e le relais qui lui est associé et le tronçon de guide d'ondes qui le contient. Cotte enveloppe sera alors limitée à l'intérieur du guide par deux cloisons en matière diélectrique perpendiculaires à l'axe du guide et situées de part et d'autre de l'élément élastique précité.
Elle sera reliée à une pompe à vide qui fonctionnera pendant les mesures.