<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
4, L ;I 0 IRE DES 0 Eï' I P TIF à l'appui dune demande de BREVET D'INVENTION
EMI1.2
NOUV.LLi.,,c(I'ETHbbE¯ETA PPARE.T?8 POUF h2ESUR߯ bE¯ PUISSAN02 2T DEY%OTION lN ULTRà HRTTES 3R2QUOES
EMI1.3
OOIILPAGNIE .GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL 79,Boulevard HausaDaarin - PARIS 8
EMI1.4
- Faisant l'objet ; ë ,d!-Ul1é. première, demande' de- brevet déposée en France le .26 Octobre 1942 : , ., 1 "
EMI1.5
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#"
EMI1.6
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
EMI1.7
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
EMI1.8
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)
8
Dans cotte relation, valable dans le cas d'une sur- face parfaitement conductrice, E et H sont les grandeurs,
<Desc/Clms Page number 2>
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
EMI2.1
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-
EMI2.2
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
EMI2.3
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.
EMI2.4
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
EMI2.5
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 :
EMI2.6
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
EMI2.7
p (en \?atts) est la puissance ultra haute fréquence ,?'excitation.
Comme pour une telle cavité, la longueur d'onde prvpre est :
EMI2.8
i1 a a cm (indépendant de la hauteur 1) cette pression s'exprima également par :
<Desc/Clms Page number 3>
EMI3.1
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
EMI3.2
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 ;
EMI3.3
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
EMI3.4
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.
EMI3.5
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.
EMI3.6
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.
EMI3.7
..................-.... . ,
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
EMI3.8
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.
EMI3.9
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
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
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.
EMI4.2
Dans le description ci-dessus on a supposé que la pression de radiation était détectée par un relais micro-
EMI4.3
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
EMI4.4
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.
EMI4.5
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
EMI4.6
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
EMI4.7
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
EMI4.8
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-
EMI4.9
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
EMI4.10
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.
EMI4.11
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/.
<Desc/Clms Page number 5>
EMI5.1
Cet Gpncrcil est représenté schét11':ltiquement en figure 3.
Il est composé essentiellement : 1 - d'une cavieé 0 à parois hautement conductrices dans
EMI5.2
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
EMI5.3
(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.
EMI5.4
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
EMI5.5
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-
EMI5.6
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-
EMI5.7
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,
EMI5.8
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).
<Desc/Clms Page number 6>
La constante de l'appareil dépend de la constante
EMI6.1
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
EMI6.2
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
EMI6.3
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
EMI6.4
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
EMI6.5
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
EMI6.6
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)
EMI6.7
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
<Desc/Clms Page number 7>
Selon le principe de l'invention, on mesurera direc- triment catto pression,,, ou bien encore on détectera les va-
EMI7.1
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
EMI7.2
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
EMI7.3
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 :
EMI7.4
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
EMI7.5
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.
EMI7.6
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
EMI7.7
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,
EMI7.8
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
EMI7.9
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.
<Desc/Clms Page number 8>
En l'absence de modulation basse fréquence l'indi-
EMI8.1
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
EMI8.2
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-
EMI8.3
lation utilisés pour les 6,éné'àteurs à caractéristiques non linéaires, tels que los klystrons auto-oscillateurs, ou encore pour les liaisons Multiplex.
EMI8.4
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
EMI8.5
dans lequel est introduita 1s base platinée f du quartz Q de telle sorto que celle-ci affleure au niveau de G' sans
EMI8.6
toutefois que la quartz tvuch\3 latéralemônt les lèvres du trou. le recouvrement métallique de f déborde de 8 mm. sur
EMI8.7
les focos longitudinales du quartz de façon a. former un , cuurt-circuit pour la ultra haute fréquence. Le quartz est
<Desc/Clms Page number 9>
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.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
4, L; I 0 IRE DES 0 Eï 'I P TIF in support of a patent application
EMI1.2
NEWLLi. ,, c (I'ETHbbE¯ETA PPARE.T? 8 POUF h2ESUR߯ bE¯ PUISSAN02 2T DEY% OTION lN ULTRà HRTTES 3R2QUOES
EMI1.3
OOIILPAGNIE .GENERALE DE TELEGRAPHIE WIRELESS 79, Boulevard HausaDaarin - PARIS 8
EMI1.4
- making the object; ë, d! -Ul1é. first, patent application filed in France on October 26, 1942:,., 1 "
EMI1.5
11 (0.t.4 '4'1-1x: - Af.iu. (. V. 4 J; / - 4Z. ,,.., ..- a' '' .- ,. i e - ', .. W. Dil 1ft1 ;; Z ;;; aq {:, ú "" "' C :: W: r: ':: ft t- dôU #"
EMI1.6
The present invasion, system J. BERNIER, has for object a method of detection.'delectrot..1agnetic waves ultl'a-short05 limited by a metallic surface such as the interior surface of a cavity or a dielectric guide .
This method consists, in principle, in providing in the metallic surface which limits the waves to detect, at least one mobile surface element, and in detecting the radiation pressure exerted on said surface element by the waves to. detect.
The invention also relates to devices for
EMI1.7
use of this #thodeo devices, such as wattmeters and modulation detectors having a high sensitivity and not reacting on the load or the tuning of the generator producing the waves to be detected. In what follows, the application of the detection method according to the invention will be seen to measurements, respectively, in a cavity and in a dielectric guide.
We know that electromagnetic waves exert, on
EMI1.8
a metallic surface which binds them a radilation pressure, normal to the surface, and whose value, at each instant ot per unit of surface area, Gst given by the relation: p m 1 ('Il ... E) baryes (1)
8
In this relation, valid in the case of a perfectly conductive surface, E and H are the quantities,
<Desc / Clms Page number 2>
uu considered point of the surface of the electric and magnetic fields measured in mixed Gauss CGS units. We have a real pressure, or a suction, according to the relative magnitudes of E and H.
According to the invention, this property is used to detect the electromagnetic waves limited by said metal surface. To this end, an element of this surface is made mobile and the radiation pressure is detected.
EMI2.1
exerted by the waves to be detected on the said element.
In the case of a metal surface enveloping the waves to be detected, it is generally possible to determine
EMI2.2
to undermine the distribution of the electromagnetic field inside the surface, and consequently, one can use the effects of the detection of the radiation pressure, to measure the electromagnetic energy which prevails or which circulates inside said surface .. '-'.
We will first see the application of the fnventon with the use of a resonant cavity. We know that the cavities jump out of the hollow metal points completely
EMI2.3
closed ot with walls of high conductivity. They have different modes of vibration and consequently several lengths of natural wavelengths: these lengths of natural waves are of the same order of magnitude as their linear dimensions.
EMI2.4
Thus, a (, square-based prismatic city has a mode of vibration (fundamental mode) such that the proper wavelength ost equal to the length of the diagonal of the base and ect independent) of the height of the prism.
These cavities also have a coefficient of
EMI2.5
very high overvoltage: for a cube with a copper wall, of side 2.0 cm (natural wavelength: 28.3 cm) the overvoltage is, = 33.ouo. As a result, a considerable electromagnetic energy can be maintained in a cavity with the aid of a very low external input. u'cas By applying the relation (1) previously indicated, to the case of a parallelepipedic cavity excited according to its fundamental mode of vibration, one finds that a pressure is exerted on the ..ei, side ous and, according to the region, pressure or suction on the bcsas.
In the center of the bases the effect is maximum and its average value over time is:
EMI2.6
p max = - a '37 2' 1 -1? --- t-- p baryes where a (in cu) s) is the side of the square base 1 (in cms) is the parallelepiped height
EMI2.7
p (in \? atts) is the ultra high frequency power, the excitation.
As for such a cavity, the prvpre wavelength is:
EMI2.8
i1 a a cm (independent of the height 1) this pressure is also expressed by:
<Desc / Clms Page number 3>
EMI3.1
5.66 ¯ ,, baryes pmax '= * -' 7 r5-i = W. baryes LUBX À cm B 2 i. + THj #,. #. baryas
On the bases of the parallelepiped, the suction zone is central: it is roughly circular and has for
EMI3.2
radius at V / 4 or: / 4. These results are qaalitctiv.en1enA applicable to all forms of cavity; they show in particular. : 1 - that the pressure is strictly proportional to the high frequency excitation power p;
EMI3.3
1 - that it is proportional to the power 3 / n of the natural frequency of the cavity;
8 - only if the cavity is prismatic (or cylindrical and
EMI3.4
excited according to its fundamental mode of vibration (proper frequency independent of the height 1), the pressure is all the greater the lower the cavity.
EMI3.5
Before describing the detector and the wattmeter using the above method and, with it, objects of the invention, we will give some numerical results which will serve as justification for this method.
EMI3.6
Or a cavity with a square base and copper walls, resorient over 10 cm. of wavelength, side at m 7007 cm. and height 1: e72 - 3.5 em, The radiation pressure 'is, maximum. in the middle of the base and has for value-.
(suction): p max = 0.09 bailo per watt of excitation. - Pressure detectable by currently known means such as microphones, piésoelectiue5 quartz etc ...
,
The apparatus objects of the present invention will now be described in more detail.
EMI3.7
..................-..... ,
The detector is shown schematically in Figure 1. It is essentially composed of a cavity C whose wall is pierced with a hole T. Against co hole, and
EMI3.8
at a very small distance from the wall, or else fixed to the wall, is applied a metallic disc or membrane (metallized sculomont) M intended only to transmute the radiation pressure to a TOlaàÉflgi0TOphOÎllquo 11. This relay R (piezoelectric , carbon, elobtromagnetic or other tolite) is connected to an ordinary telephone amplifier. A, but the first floor of which must be particularly well cared for.
EMI3.9
In fjguxe 1 is further shown a loop and a section of line L making it possible to introduce into the cavity the modulated ultra-high frequency power P. A system for adjusting the wavelength proper to the cavity (not shown). , in diagram 1) must also be provided. The
<Desc / Clms Page number 4>
EMI4.1
usual means of Agln - (, - e are the deformation of the wall of the cavity or the deformation of the field inside the cavity: in the case of a prismatic cavity, one can for example make mobile one of the side walls of the cavity.
EMI4.2
In the above description it was assumed that the radiation pressure was detected by a micro relay.
EMI4.3
phonic, but it is understood that we can use any other detection means such as optical means, or back piezoelectric means based on the force exerted by the field of the cavity on a quartz plate (or tuut other crystal) metallized and inserted into the wall of the cavity. The essential condition is that the part
EMI4.4
du, relay in contact with the chpmp of the cavity is metallic (or metallized) and of high surface electrical conductivity.
The apparatus thus designed can be used for the detection of amplitude modulation or frequency modulation of ultra high frequency carrier ounces.
EMI4.5
Indeed, in the case where the carrier is amplitude modulated, we will start by adjusting the cavity so that its natural frequency awit exactly equal to the frequency of the carrier. The mechanical force acting on the relay R being strictly proportional to the high power
EMI4.6
frequency p brought into the pp8ril. The low frequency modulation do p will cause at the output of R a low frequency current the amplitude of which is strictly proportional to the amplitude of the modulation of p.
In the case where the carrier is frequency modulated
EMI4.7
the cavity will be adjusted so that the pulsation mo of its own vibration is slightly different b d ,, the mean pulsation w1 of the carrier, the representative point of this sc being in the middle of the rectilinear part is
EMI4.8
of the ascending branch, or of the descending branch of the resonance curve of the cavity (figure 2) .. traced with the pulsations on the abscissa and the field amplitudes are ordered.
The amplitude of the fields excited in the cavity by a pulsating wave w being proportional to the or-
EMI4.9
given CI dd cotte resonanco curve, the mechanical force forced on the relay R will vary around an average thief corresponding to the average pulse 1 of the porteupo and thus to the frequency mudulation of the carrier will corrode at the output of the relay R a low frequency current modulated an amplitude.
The resonance curve of a cavity being very acute
EMI4.10
For the adjustment, it may be necessary to couple to the detector cavity an adequate load dc fr, to attenuate the resonance and thus to increase the width of the band do frquise which can be detected without abnormal distortion.
EMI4.11
The 1.! Attmètro solon the invention is analogous to the previous one. It allows direct measurement of an unmodulated ultra-high frequency power p introduced into the system /.
<Desc / Clms Page number 5>
EMI5.1
This Gpncrcil is shown diagrammatically in FIG. 3.
It is essentially composed of: 1 - a cavity 0 with highly conductive walls in
EMI5.2
However, the power to be measured p is introduced by the coupling system 1. (preferably adjustable) '. This cavity is pierced with a hole T; 2 -.d'a disc or .membrane M applied against the hole and intended to transmit the forces due to in? electromagnetic cap to a measuring device R. This disc can be either attached. by its edges to the wall of the cavity is
EMI5.3
(as shown in Figure '3) -placed at a very Îàible.àiSt3ù0e of the wall (some 1/100 of a mm.').
The part of the disc M in contact with the electromagnetic field must be of high surface conductivity.
5 - a dynamometer R allowing the measurement of the force transmitted by M. This dynamometer can be a micro-balance or any optical, electrical, magnetic, piezoelectric, etc. system allowing the measurement of forces of, 5 . ' order of magnitude of the dyne.
EMI5.4
In diagram 3, -and as an oxomp7.e, the dynamometer R 6st consists of a blade of quertz Q do Curie size whose ends feel fixed one in the middle of the disc M ot the other to a base. The lateral faces of the blade are metallized which makes it possible to collect the electrical charges appearing as a result of the force transmitted. By M, These charges are measured using an electrometer (wire for example) 'or d 'an electrometer lamp E. We know that the charges appearing on the quartz
EMI5.5
by piezoé16r, tricity, are rigorously proportional to the force, therefore these loads ront. rigorous OBnt proportional to the excitation power p to be measured.
To make an ultra-high frequency power measurement with the wattmeter according to the invention, we will operate. the following way: '1. Strict agreement of the natural frequency of the cavity with the frequency of the power to be measured using a suitable system (not shown in figure 3).
EMI5.6
cord is indicated z. the electrometer by passing through Un maxium, 2, Adjustment of the coupling system L so that it does not
EMI5.7
duiso pas dtonde, stati # lliïciro in the supply feeder, so that the power introduced into the cavity would be lower than the power that we want to measure.
The straightness of this setting is indicated by a new maximum on the electrometer reading.
Then the difference in the readings of the electrometer, with or without ultra-high frequency excitation of the power meter,
EMI5.8
multiplied by pcr -the constant (the device gives the value of the excitation power (a prior calibration of the deformation system of the cavity also indicates the wavelength).
<Desc / Clms Page number 6>
The device constant depends on the constant
EMI6.1
of the electromstro, of that of quartz (constants supposedly known) and also of a constant relative to the cavity, C This latter, as indicated by the calculations briefly developed at the beginning, is related to the overvoltage coeffioient do the cavity.
This coefficient of overvoltage is distorted either by
EMI6.2
the calculation, or experientialemont by recording, using the wattmeter, the resonance curve of the cavity.
This wattmeter, which allows the measurement of the power p introduced into the cavity, can obviously also serve as a detector when this power is modulated at low frequency; the current flows through the quartz circuit ost exactly proportional to them low frequency variations do p,
The numerical example below will indicate the sensitivity of this power meter.
Or a parallelepipedic cavity with a square base of 10 cm. of clean wavelength, already cited as an example.
We assume that the membrane M is square and, on the side a / 2: a force of 0.58 dyne per watt of excitation is exerted on this membrane. We also assume that the quartz plate used has 2 cm . long and 2/10 mm. of thickness: the constant of the quarto-will be:
6.45 x 10 "'8 x - 2 - U.e.s. per dyne.
0.02 and a charge will appear on the quartz reinforcements
EMI6.3
da 1.25. 10-15 coulomb, par .ra, ': t of excitement. However, elect.rot lamps: .lètrel3 nt sensitive to loads 10 times weaker.
It is understood that in the previous examples
EMI6.4
The choice of a prismatic cavity and the choice of the location of the membrane or of the disc transmitting the radiation pressure are only intended for the simplicity of the presentation and the calculations: this choice is in no way restrictive as to the scope of the invention.
The invention expressly provides that using several disks it is possible to detect the radiation pressure simultaneously at various points of the cavity and
EMI6.5
thus add the offets, and that on the other hand, the. the shape of the cavity is judiciously chosen to increase the sensitivity of the devices. Calculations, which cannot be reproduced here, show that this sensitivity can
EMI6.6
f. 0, easily increased, for a same wavelength, at least in the ratio of 1 to 50.
In the case of a dielectric guide, the relation (1)
EMI6.7
is still applicable and from the general relations between E and H in an uid, for a given type of wave, it is deduced that the mean value of the radiation pressure is rorOUsoG1ent proportional to the mean value of the flow of energy. Sio through a straight soction of the guide, we therefore have:.
Pbaryes "K ,, watts
<Desc / Clms Page number 7>
According to the principle of the invention, catto pressure will be measured directly ,,, or else the values will be detected.
EMI7.1
riotions of the pressure (due to the variation of the flowing power, without the guide) by any device sensitive to low prossiona ttiais characterized by:
The fact that the surface which is subjected to the pressure to be measured or detected is
EMI7.2
metallic (uujsiuleuent metallized) and of high dloctric conductivity. before describing the devices' implement the above method, ot constituting, alongside the method in
EMI7.3
itself, other subjects of the invention, we will indicate some numerical results which. will serve as justification for this method. '""
Let a guide G 'with rectangular section (figure 4) of sides a and b' crossed by a wave H whose electric vector is parallel to side a, the value of K is:
EMI7.4
1 1;
lo--. , 10 t! 2- b - u.-1 with U 2 b> 1 ai, l ost the wavelength in the video, We see that for a same value of u, K is all the greater as
EMI7.5
is small, G "that is, the radiation pressure on the walls is smaller, the smaller the wavelength is.
EMI7.6
Lice 1, 20 om and a guide do 5 x 15 cm, we have: gas, - 2, 64 x 10, corns 3 '<! Ry / b and par. continuation, the maximum of the absolute value of the mean pressure (obtained either in the middle of the dimension b, or in all
EMI7.7
z,> î, nt du -obt6 a), is: - baryes - 2 9 64 x 10-5 pressure tratts-which, transmitted to the membrane of a microphone for example, is easily detectable, the sensitivity of these devices n 'being practically limited only by the background noise of the amplifier
We will now describe the devices '' in more detail;
FIG. 5 represents the block diagram of the assembly S is an ultra high frequency do source (klystron,
EMI7.8
magnetron-) flow through a waveguide 'G'; It is the modulator for modulating the ultra high frequency power of the generator; D is the pressure detector (element of
EMI7.9
microphone, p'6zoelactric quartz etc. ) whose element - metallic or metallized undergoing the pressure fs-it part of the '' wall of the guide; A is an amplifier and B a measuring device or bion a loudspeaker.
<Desc / Clms Page number 8>
In the absence of low frequency modulation, the
EMI8.1
cation of the measuring device B gives the value of the pressure exerted on D, therefore the value of the field on the âéCi of the guide, and consequently the ultra pute power r qoonce circulating in the guide if the latter is r Zr dos cndes By moving D along the guide (ijui will be split for this purpose), ll1ndi;
ation of B will remain unchanged if in the guide G there are only waves circulating on the other hand, the possible variations of B will be, CV, ÜJ1G it is bion cúnnu, 10 eta- ionuairos wave rates in the hence the 'we will deduce the value et- activo from the power emitted by 1 3eneratoux S, If the ultra high power, frequency is modulated, the variations of the indicator B will be proportional
EMI8.2
to variations in the power, and the apparatus will emerge, with known means, from the modulation controller.
FIG. 6 represents an exemplary embodiment. pressure detector D; it is made up of a microphonic pastillo. with metallized membrans which ost locally substituted for the wall a (perforated for this purpose) of a guide G 'with rectangular-section.
A description will now be given, by way of nonlimiting example, of an embodiment which is particularly well suited to switching modulation systems, modulation systems.
EMI8.3
lation used for the 6, non-linear characteristics energizers, such as self-oscillating klystrons, or for Multiplex links.
EMI8.4
The midulator: r 1 (FIG. 5) is driven by a quartz ot splits the power emitted by S into reotanguled signals at a frequency of 80 KO for example, the low frequency modulation is obtained by varying the width of the signals. The d6toct (jw D is constituted by a prismatic quartz ëlo.-tfl'1: na -Our.; 1, .of .ré8.1! Lnant on the piloto m it frequency 80 KO, and whose base on which s 'exerts the radiation prossivn is platinized, the dimensions of cottu boso being, for example 1 x 1 om2: The piezveluotriq # o response of quartz to the pressure is thus multiplied by pcr 1 factor of 6u.rt': 3nsivn of quartz, for example the.
The tension which appears F. \ L1X bornas of the quartz has an amplitude rigorously proportional to the pressure, dune to the power circulating in 10 guids. If 10 quartz above is placed at the milio1lD of the fa co b of a guide with roc- tangul section "J ire 5 x 15 cm. traversed by a wave pragress vo Ho, of 20 cm. of wavelength diiis the guide, we find that 1 voltage is do 14: / V by Í1Itt circulating in the guide, value clearly sufficient to attack an amplification, ordinary turn.
FIG. 7 shows the occupancy of such a detector; G is the guide's parii, it has a square hole
EMI8.5
in which is introduced a 1s platinum base f of the quartz Q of such sorto that it is flush with the level of G 'without
EMI8.6
however, that the quartz tvuch \ 3 goes sideways against the lips of the hole. the metal covering of f protrudes 8 mm. sure
EMI8.7
the longitudinal focal lengths of the quartz so as to a. form a, cuurt-circuit for ultra high frequency. Quartz is
<Desc / Clms Page number 9>
maintained on the guide by a foot T'in insulating material clamping the electrodes E'e of the quartz.
The tcns.ion which appears at terminals Et drives amplifier A. A slide system, not shown in the figure, allows the detector to be moved longitudinally along the guide, in order to measure the stationary wave ratio. ires.
It is obvious that in order for the system of figure 7 to be able to function as a modulation controller, one will have to - choose the frequency and the overvoltage of the piezoelectric crystal so that the low frequency modulation band can pass properly. may advantageously, to obtain this result, combine several quartz detectors in a known manner, to form a band-pass filter.
The invention is, of course, susceptible of numerous variant embodiments, depending on the shapes, dimensions and structural features adopted for the constructive organs of the apparatuses according to the purposes thereof.