EP0117804A1 - Procédé de fabrication d'une cavité hyperfréquence, et cavité obtenue par ce procédé - Google Patents

Procédé de fabrication d'une cavité hyperfréquence, et cavité obtenue par ce procédé Download PDF

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EP0117804A1
EP0117804A1 EP84400297A EP84400297A EP0117804A1 EP 0117804 A1 EP0117804 A1 EP 0117804A1 EP 84400297 A EP84400297 A EP 84400297A EP 84400297 A EP84400297 A EP 84400297A EP 0117804 A1 EP0117804 A1 EP 0117804A1
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microwave
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Elie Bressan
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    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/008—Manufacturing resonators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a microwave cavity and a cavity obtained by this method.
  • a microwave cavity is formed by a dielectric medium, generally air or vacuum, surrounded by a metal envelope forming an enclosure and the dimensions of which are determined to cause the interior of the enclosure to resonate an electromagnetic wave.
  • the cavities are obtained either by mechanical assembly of parts machined from an iron-nickel alloy material, or by mechanical assembly of parts made of composite synthetic fibers / resin, metallic. These two solutions make it possible to obtain both a low coefficient of expansion and good mechanical rigidity.
  • the iron-nickel alloy cavities are heavy, which constitutes a penalizing factor for their use in satellites.
  • the cavities made of synthetic materials for example carbon fiber
  • the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to a manufacturing process a microwave cavity according to which the different elements of the cavity are preformed before their assembly, characterized in that it consists in covering the preformed elements with at least one metallic layer which is good conductor of electricity, in positioning the different elements for forming the cavity, then fixing all of the elements together by melting and then cooling the deposited metal covering said elements of the cavity.
  • the main advantage of this process is that, thanks to the fusion of the deposited metal, on the one hand, the mechanical connection of the elementary parts to each other and, on the other hand, ensures perfect electrical continuity between the internal walls of the cavities as well. obtained since, the metallic deposits covering each elementary part merge to form a homogeneous crystal structure.
  • the cavity shown in FIG. 1 comprises a section 1 hollowed out inside, of cylindrical, parallelepipedal or similar shape, at the ends of which two metal plates 2 and 3 are attached, one forming the bottom of the cavity, the other the lid.
  • the cover 3 is pierced in its center with a slot 4 forming an iris, to optionally allow the coupling of the cavity with another adjacent cavity.
  • the method according to the invention consists in manufacturing each of the parts 1, 2 and 3 separately, by stamping, rolling-welding, cutting or any other equivalent preforming means, from a sheet of thin thickness, of the order of 4 / 10 mm, made of a material with a low coefficient of expansion consisting, for example, of an iron-nickel alloy, of the type sold under the name "Invar" or any other equivalent material.
  • each of the parts 1, 2 and 3 is covered by successive deposits 5, 6, 7 of materials which are good conductors of electricity, constituted for example, in the case where the parts are made of iron-nickel, by a first layer of copper and a second layer of silver, the whole having a thickness approximately equal to 5 microns or greater, depending on the frequency of the electromagnetic wave which must resonate inside the cavity.
  • the copper layer serves as an adhesion layer to fix the silver layer.
  • the parts 1, 2 and 3 forming the elements of the cavity are positioned relatively with respect to each other according to the method of assembly shown in FIG. 1, to form the cavity.
  • Steel balls 8 to 11 are each welded between two adjacent elements to ensure a rigid mechanical connection of all the elements together before the next brazing operation.
  • the faces of the bottom 2 and of the cover 3, in contact with the ends of the section 1, have different surfaces from those of the end sections respectively in contact with the section 1, to allow each ball to be able to abut, in the angle formed by the adjacent parts which it connects.
  • the welding of the balls between each adjacent part is carried out, in a preferred embodiment of the invention, by a spot welding process consisting in carrying out an electrical discharge between each of the balls and the corresponding adjacent parts or elements to be connected.
  • the ball will, for example, first be held at the end of an electric current supply electrode by means of a vacuum gripper of known type, but not shown, then will be applied in contact with the adjacent parts to be joined.
  • the electric power involved is determined for each type of cavity depending in particular on the thickness of the metal deposit covering each part or element and must be sufficient to allow the ball to pass through the deposit and weld on the underlying metal parts. , without damaging them.
  • the fourth step of the method consists in carrying out the final assembly by brazing together preassembled parts in the third step, in an oven brought to high temperature, or any other equivalent means, to achieve the melting of the metal deposit covering metal parts 1 , 2 and 3 in one or more operations.
  • the cavity thus assembled is cooled slowly to obtain a simultaneous connection of all the parts which have been heated.
  • the method according to the invention makes it possible to obtain simultaneous brazing of pieces of approximately 4/10 ° mm in iron-nickel preassembled from a cavity, covered with a thickness of a deposit of copper and d silver of 5 u by melting the deposit at a temperature of up to 850 ° C.
  • the electrical surface conductivity of the internal walls of the cavity needs to be improved.
  • the process which has just been described can advantageously be supplemented by an electrolytic deposit of additional silver.
  • the filter of Figure 2 consists of two cavities placed end to end.
  • a first cavity comprises the same elements as the cavity in FIG. 1, identified by the same references 1 to 4 and the second cavity is constituted by a section 12 of which one end is placed in contact with the cover 3 of the first cavity and whose the other end is closed by a cover 13 pierced in its center by an iris 14.
  • the elements of the filter are produced in isolation and then assembled by ball welds such as balls 8 to 11 and from 16 to 18 shown in FIG. 2.

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Abstract

Le procédé consiste à préformer les éléments (1, 2, 3) de la cavité avant leur assemblage, à recouvrir les éléments préformés par au moins une couche métallique (5, 6, 7) bonne conductrice de l'électricité, à positionner les différents éléments pour former la cavité, puis à fixer l'ensemble des éléments entre eux, par fusion puis refroidissement du métal déposé recouvrant lesdits éléments de la cavité. Application: fabrication de cavité et de filtres hyperfréquences pour satellites de télécommunications.

Description

  • La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une cavité hyperfréquence et une cavité obtenue par ce procédé.
  • Elle s'applique plus particulièrement à la réalisation de cavités et de filtres hyperfréquences pour satellites de télécommunications.
  • Une cavité hyperfréquence est constituée par un milieu diélectrique, généralement de l'air ou du vide, entouré par une enveloppe métallique formant enceinte et dont les dimensions sont déterminées pour provoquer à l'intérieur de l'enceinte la résonance d'une onde électromagnétique.
  • Dans les techniques de réalisation spatiales, et lorsqu'une grande stabilité thermique est requise les cavités sont obtenues, soit par assemblage mécanique de pièces usinées dans un matériau en alliage de fer-nickel, soit par assemblage mécanique de pièces réalisées en composite fibres synthétiques/résine, métallisé. Ces deux solutions permettent d'obtenir à la fois un faible coefficient de dilatation et une bonne rigidité mécanique.
  • Les cavités en alliage fer-nickél sont lourdes, ce qui constitue un facteur pénalisant pour leur utilisation dans les satellites. Pour diminuer leur poids on cherche à diminuer l'épaisseur de l'enveloppe mais en dessous d'une certaine épaisseur, il n'est plus possible d'usiner la cavité sans provoquer de déformations.
  • Dans le deuxième cas, les cavités en matériaux synthétiques, par exemple en fibre de carbone, ont des structures légères et des caractéristiques mécaniques particulièrement bien adaptées aux contraintes imposées par la réalisation des satellites mais leur coût de réalisation reste encore élevé.
  • Enfin, dans les deux cas, les filtres étant constitués par assemblage mécanique de cavités élémentaires, les plans de coupure limitent un peu les performances électriques.
  • Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une cavité hyperfréquence selon lequel les différents éléments de la cavité sont préformés avant leur assemblage, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir les éléments préformés par au moins une couche métallique bonne conductrice de l'électricité, à positionner les différents éléments pour former la cavité, puis à fixer l'ensemble des éléments entre eux par fusion puis refroidissement du métal déposé recouvrant lesdits éléments de la cavité.
  • Ce procédé a pour principal avantage de permettre, grâce à la fusion du métal déposé, d'une part, la liaison mécanique des pièces élémentaires entre elles et d'autre part, d'assurer une parfaite continuité électrique entre les parois internes des cavités ainsi obtenues puisque, les dépôts métalliques recouvrant chaque pièce élémentaire fusionnent pour former une structure cristallique homogène.
  • D'autre part, il sera possible, en choisissant judicieusement la nature et les épaisseurs des dépôts recouvrant chaque pièce élémentaire, de créer des compositions pouvant fondre à des températures constantes inférieures au point de fusion de chacun des constituants. Cette particularité sera particulierement intéressante, dans le cas notamment, où les éléments préformés seront en alliage fer-nickel à très faible coefficient de dilation et où les dépôts seront à base d'argent et de cuivre.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description faite au regard des dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels :
    • La figure 1 représente un mode de préassemblage des éléments formant une cavité, destiné à-maintenir les éléments entre eux durant l'opération de fusion.
    • La figure 2 représente un filtre hyperfréquence obtenu à l'aide du procédé selon l'invention.
  • La cavité représentée à la figure 1 comprend un tronçon 1 évidé à l'intérieur, de forme cylindrique, parallélépipédique ou similaire, aux extrémités duquel sont rapportées deux plaques métalliques 2 et 3 formant l'une le fond de la cavité, l'autre le couvercle. Dans l'exemple de la figure 1, le couvercle 3 est percé en son centre d'une fente 4 formant iris, pour éventuellement permettre le couplage de la cavité avec une autre cavité adjacente.
  • Le procédé selon l'invention consiste à fabriquer séparément chacune des pièces 1, 2 et 3, par emboutissage, roulage-soudage, découpage ou tout autre moyen de préformage équivalent, d'une tôle de faible épaisseur, de l'ordre de 4/10 mm, en matériau à faible coefficient de dilatation constitué par exemple, par un alliage fer-nickel, du type commercialisé sous la dénomination "Invar" ou tout autre matériau équivalent.
  • Dans une deuxième étape chacune des pièces 1, 2 et 3 est recouverte par des dépôts successifs 5, 6, 7 de matériaux bons conducteurs de l'électricité constitués par exemple, dans le cas où les pièces sont en fer-nickel, par une première couche de cuivre et une deuxième couche d'argent, l'ensemble ayant une épaisseur à peu près égale à 5 microns ou supérieure, suivant la fréquence de l'onde électromagnétique devant résonner à l'intérieur de la cavité. Dans ce cas la couche de cuivre sert de couche d'adhérence pour fixer la couche d'argent. Les procédés d'électrodépositions par voie électrolytique ou tous autres moyens équivalents permettant d'effectuer ces opérations sont connus et par conséquent leur description n'a pas besoin d'être plus longuement détaillée.
  • Dans une troisième étape les pièces 1, 2 et 3 formant les éléments de la cavité sont positionnées relativement les uns par rapport aux autres suivant le mode d'assemblage représenté à la figure 1, pour former la cavité. Des billes d'acier 8 à 11 sont soudées chacune entre deux éléments adjacents pour assurer une liaison mécanique rigide de tous les éléments entre eux avant l'opération suivante de brasage. Sur la figure 1 les faces du fond 2 et du couvercle 3, en contact avec les extrémités du tronçon 1, présentent des surfaces différentes de celles des sections d'extrémités respectivement en contact du tronçon 1, pour permettre à chaque bille de pouvoir abuter, dans l'angle formé par les pièces adjacentes qu'elle relie. La soudure des billes entre chaque pièce adjacente est réalisée, dans un mode préféré de réalisation de l'invention, par un procédé de soudage par point consistant à effectuer une décharge électrique entre chacune des billes et les pièces ou éléments adjacents correspondants à relier. Pour effectuer cette décharge, la bille sera, par exemple, d'abord maintenue à l'extrémité d'une électrode d'amenée du courant électrique au moyen d'un préhenseur à dépression de type connu, mais non représenté, puis sera appliquée en contact avec les pièces adjacentes à relier.
  • La puissance électrique mise en jeu est déterminée pour chaque type de cavité en fonction notamment de l'épaisseur du dépôt métallique recouvrant chaque pièce ou élément et doit être suffisante pour permettre à la bille de traverser le dépôt et se souder sur les parties métalliques sous jacentes, sans toutefois les endommager.
  • La quatrième étape du procédé consiste à réaliser l'assemblage final par brasage entre elles des pièces préassemblées à la troisième étape, dans un four porté à haute température, ou tous autres moyens équivalents, pour réaliser la fusion du dépôt métallique recouvrant des pièces métalliques 1, 2 et 3 en une ou plusieurs opérations. A la fin de la quatrième étape la cavité ainsi assemblée est refroidie lentement pour obtenir une liaison simultanée de toutes les pièces qui ont été chauffées. A titre indicatif le procédé selon l'invention permet d'obtenir un brasage simultané de pièces d'environ 4/10° de mm en fer-nickel préassemblées d'une cavité, recouvertes d'une épaisseur d'un dépôt de cuivre et d'argent de 5 u par fusion du dépôt à une température pouvant atteindre 850° C.
  • A ce stade du procédé, il est possible que la conductibilité électrique de surface des parois internes de la cavité ait besoin d'être améliorée. Dans ce cas, le procédé qui vient d'être décrit peut être avantageusement complété par un dépôt électrolytique d'argent complémentaire.
  • Le procédé qui vient d'être décrit n'est naturellement pas limité à la fabrication d'une cavité du type de celle représentée à la figure 1 et de nombreuses variantes de réalisation sont également possibles, notamment, grâce au procédé selon l'invention on peut obtenir par brasage en une ou plusieurs opérations, l'assemblage de plusieurs cavités mises bout à bout, pour constituer, par exemple, un filtre hyperfréquence du type de celui représenté à la figure 2.
  • Le filtre de la figure 2 est constitué par deux cavités mises bout à bout. Une première cavité comprend les mêmes éléments que la cavité de la figure 1, repérés par les mêmes repères 1 à 4 et la deuxième cavité est constituée par un tronçon 12 dont une extrémité est placée en contact avec le couvercle 3 de la première cavité et dont l'autre extrémité est fermée par un couvercle 13 percé en son centre par un iris 14. Comme pour la cavité de la figure 1 les éléments du filtre sont fabriqués isolément puis assemblés par soudures de billes telles que les billes 8 à 11 et de 16 à 18 représentées sur la figure 2. Egalement, bien que le mode de préassemblage qui vient d'être décrit supprime l'emploi d'outillages compliqués que l'on pourrait utiliser pour préassembler les pièces élémentaires avant l'opération de brasage, il faut comprendre que ce mode de préassemblage n'exclut pas l'emploi d'autres outillages. En particulier, dans des variantes de réalisation on pourra utiliser à la place de billes tous autres objets de formes quelconques, pouvant remplacer avantageusement les billes, pour maintenir les pièces élémentaires entre elles pendant l'opération de brasage et à la limite procéder dans certains cas à une soudure par points directe des éléments adjacents assemblés sans utiliser d'objets en acier intermédiaires.

Claims (14)

1. Procédé de fabrication d'une cavité hyperfréquence selon lequel les différents éléments (1, 2, 3, 4) de la cavité sont préformés avant leur assemblage, caractérisé en ce qu'il consiste à recouvrir (5, 6,7) les éléments préformés par au moins une couche métallique bonne conductrice de l'électricité, à positionner les différents éléments pour former la cavité, puis à fixer l'ensemble des éléments entre eux, par fusion puis refroidissement du métal déposé recouvrant lesdits éléments (1, 2, 3) de la cavité.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fusion du métal a lieu en une seule opération dans un four porté à la température de fusion.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments adjacents (1,2 ; 1,3) constituant la cavité sont maintenus en position avant et durant l'opération de fusion par des soudures électriques par point.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les éléments adjacents (1,2 ; 1,3) constituant la cavité sont maintenus en position avant et durant l'opération de fusion par soudage d'objets métalliques (8,9,10,11),de faible dimension par rapport aux éléments de la cavité, mis en contact avec les éléments adjacents.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le soudage d'un objet métallique (8,9,10,11) contre des éléments adjacents (1,2 ; 1,3) a lieu en effectuant une décharge électrique entre l'objet métallique et les éléments adjacents à relier.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les objets métalliques (8,9,10,II) sont constitués par des billes d'acier.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments préformés (1,2,3) de la cavité sont usinés dans des tôles en alliage de fer-nickel à très faible coefficient de dilatation.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche métallique (5,6,7) recouvrant les éléments de la cavité est formée par des dépôts successifs de cuivre et d'argent.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche métallique est supérieure à au moins 5 microns.
10. Cavité hyperfréquence du type comprenant au moins un tronçon (1) évidé à l'intérieur, aux extrémités duquel sont rapportées deux plaques métalliques 2 et 3, caractérisée en ce que les plaques métalliques et le tronçon sont recouverts par un dépôt métallique bon conducteur de l'électricité et en ce que les plaques métalliques sont maintenues aux extrémités du tronçon par des objets métalliques soudés et par fusion puis refroidissement du dépôt métallique qui les couvre.
11. Cavité hyperfréquence selon la revendication 10, caractérisée en ce que les faces des plaques métalliques en contact avec les extrémités du tronçon 1 présentent des surfaces différentes de celles des sections d'extrémité, respectivement en contact, du tronçon 1, pour permettre à chaque objet métallique (8,9,10,11) de pouvoir abuter dans l'angle formé par les plaques métalliques (2,3) et les parties d'extrémité du tronçon (1) sur lesquelles les plaques viennent en contact.
12. Cavité hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que les objets métalliques (8,9,10,11) ont la forme de billes.
13. Cavité hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que les plaques et le tronçon sont obtenus par façonnage d'une tôle en fer-nickel d'épaisseur à peu près égale à 4/1 e de millimètres.
14. Filtre hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs cavités du type revendiqué selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, placées bout à bout.
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