EP0623970A1 - Antenne de section circulaire ou elliptique multipolarisante, fixe ou tournante, pour un ou plusieurs générateurs micro-ondes - Google Patents

Antenne de section circulaire ou elliptique multipolarisante, fixe ou tournante, pour un ou plusieurs générateurs micro-ondes Download PDF

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EP0623970A1
EP0623970A1 EP94400902A EP94400902A EP0623970A1 EP 0623970 A1 EP0623970 A1 EP 0623970A1 EP 94400902 A EP94400902 A EP 94400902A EP 94400902 A EP94400902 A EP 94400902A EP 0623970 A1 EP0623970 A1 EP 0623970A1
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EP
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antenna
generators
antenna according
waves
wave
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Withdrawn
Application number
EP94400902A
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German (de)
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Inventor
René Sardos
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Individual
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/72—Radiators or antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/22—Longitudinal slot in boundary wall of waveguide or transmission line

Definitions

  • the present invention relates to devices allowing irradiation by microwaves (electromagnetic waves of frequencies between 200 MHz and 140 GHz) called antennas or applicators.
  • the object of the invention is to better control and improve the radiation characteristics of microwaves, coming from one or more generators; in particular to improve the efficiency as well as the spatial distribution of the radiated energy towards the outside, in one or more portions of space, even in all space, and this with multiple polarizations which allow a better penetration waves in the materials, better efficiency and better decoupling.
  • the antenna can be considered as a closed conductive enclosure, made up of a pipe made of a good conductive material (waveguide) of circular or oval section closed at each of its ends by a reflection short-circuit. isotropic (metal plate) or anisotropic, in which one or more generators emit, and the central part of which is provided with one or more slots, not parallel to the generators (nor a fortiori to the axis of the cylinder) emitting waves at multiple polarizations.
  • isotropic metal plate
  • anisotropic in which one or more generators emit, and the central part of which is provided with one or more slots, not parallel to the generators (nor a fortiori to the axis of the cylinder) emitting waves at multiple polarizations.
  • the first part of the antenna which we will call A, is a waveguide (hollow cylinder) made of a good conductive material (copper, silver, gold, aluminum, stainless steel, etc ...), preferably non-magnetic, filled with an insulating material with little absorption (air, vacuum, "Teflon", ceramic, etc.) with dielectric constant ⁇ A and permeability ⁇ A , bringing or rather guiding the waves coming from one or more generators, directly or indirectly, in the central part B of the antenna; it is this part B which radiates microwave energy, under multiple polarizations, towards the outside.
  • part A is a waveguide of circular, oval or elliptical section in which one or more generators emit waves which propagate according to TE11 mode and whose end not connected to B is closed by an isotropic reflection short circuit (made of good metal conductor for example) or anisotropic which, upon reflection, rotates the plane of polarization of the waves (various examples will be given).
  • an isotropic reflection short circuit made of good metal conductor for example
  • anisotropic which, upon reflection, rotates the plane of polarization of the waves (various examples will be given).
  • the value of the radius R or of the semi-axes a and b of the ellipse must satisfy the conventional relation: 2.61 R ⁇ ⁇ ⁇ 3.41 R ⁇ where ⁇ and ⁇ are the permittivity (dielectric constant) and the permeability of the medium and At the wavelength of the generator in free space, which conditions either the limits of the radial dimensions starting from the length (s) d waves of the generator (s) or vice versa the wavelengths starting from the radial dimensions, this will be illustrated by examples.
  • R is replaced by the half-axes of the ellipse a and b , to which correspond two polarizations and two wavelengths guided ⁇ ga and ⁇ gb , different for transmitters of the same frequency; conversely, if two generators transmit in a circular guide in TE11 mode with different frequencies, their guided wavelengths are different.
  • the generators can have different frequencies, whether the guide is circular or elliptical but the propagation conditions of the TE11 mode must be satisfied.
  • the guide is circular and if several generators emit simultaneously in part A, they are arranged so as to emit, in TE11 mode, waves polarized orthogonally to each other because the waves TE11 orthogonally polarized are fully decoupled and can therefore neither interact nor interfere.
  • the generators emit, in TE11 mode, with polarizations directed along the axes a and b of the ellipse, therefore orthogonal, which ensures total decoupling and this with generally different wavelengths ⁇ ga and ⁇ gb because they can only be equal in a very specific case of generator frequencies.
  • generators which do not transmit simultaneously can transmit according to the same polarization without interacting or interfering if their antennas are separated by a suitable distance.
  • the open end of part A is generally connected, to facilitate disassembly and adjustments, by flanges to part B, but in the case where it is desired to rotate the part B so that the waves sweep over a large portion or all of the space, a rotating joint is inserted between the flanges of A and B, which does not disturb the propagation of the TE11 mode but which makes it possible to rotate the part B without move part A, the generators remaining stationary.
  • the central part B is generally connected to the parts A and C by means of flanges, between which it is possible to place rotary joints to give B an alternating or continuous movement of rotation to radiate omnipolarized waves in a given spatial angle or in all of space, A and C remaining fixed.
  • the antenna can be made watertight by covering the slots with an insulating material which is not very absorbent (for example "Teflon", ceramic, etc.) which, by a suitable shape, can improve the characteristics and better adapt them to needs.
  • an insulating material which is not very absorbent (for example "Teflon", ceramic, etc.) which, by a suitable shape, can improve the characteristics and better adapt them to needs.
  • the antenna can be made watertight by placing B in a tube made of insulating material which is not very absorbent, to allow part B to rotate, the choice of material depends on the aggressiveness of the medium to irradiate.
  • the third part C of the antenna consists of a waveguide, made of material. good conductor, preferably non-magnetic, of circular or elliptical cross-section containing a poorly absorbent insulator with permittivity ⁇ C and permeability ⁇ C in which waves propagate in TE cit mode; one of its ends is connected, generally by flanges directly, or indirectly via a rotating joint to part B, the other end is terminated by a short circuit is isotropic (the classic metal plate) or anisotropic which, upon reflection, changes the plane of polarization of the waves.
  • good conductor preferably non-magnetic, of circular or elliptical cross-section containing a poorly absorbent insulator with permittivity ⁇ C and permeability ⁇ C in which waves propagate in TE ago mode
  • one of its ends is connected, generally by flanges directly, or indirectly via a rotating joint to part B, the other end is terminated by a short circuit is isotropic (the classic metal plate) or ani
  • part C generally comprises one or more generators, real or fictitious (virtual) - this will be explained by continued- depending on the conditions of use, the desired power, the space available, etc.
  • the generators emit in an elliptical guide, the waves are polarized along the axes of the ellipse therefore orthogonally, which ensures total decoupling.
  • the generators are at a distance from the short circuit equal to (2 n + 1) ⁇ g / 4 and are possibly adapted (as in part A), for example using stubs.
  • the generators can have different frequencies but compatible with the propagation of the TE11 mode.
  • an anisotropic or active short circuit will generally be used which rotates the plane of polarization of the waves during reflection.
  • an anisotropic or active short circuit will be chosen which will generally rotate the plane of polarization of the waves by 90 ° so that the reflected wave is orthogonal to the incident wave and cannot disturb, in possibly returning to A (when it is not completely radiated), the generator that emitted it.
  • the anisotropic or active short-circuit which rotates the polarization angle by 90 ° during reflection, can consist, for example, of either a ferrite or a cold magnetized plasma attached to a metal blade, or a quarter-wave birefringent element whose neutral lines are 45 ° from the direction of polarization of the incident wave coming from B (direction A to C) attached to a metal blade, etc. ...
  • the invention naturally applies to all sources and to all frequencies of microwave radiation as well as to all dimensions of antennas.
  • a microwave antenna 1 of elliptical cross section consisting of a waveguide of good non-magnetic conductive metal the ends of which are closed by metal plates welded to the guide (isotropic short circuits which do not change the plane of polarization of the waves).
  • Parts A, B and C contain air as insulation and are connected by flanges 2, 2 ', 3 and 3'. Although the flanges are not essential, they have been shown in FIG. 1 because they allow easy disassembly, which is very useful on a prototype by making the parts interchangeable, for example to search for the slot or the slots giving the result. better.
  • the antenna of FIG. 1 is supplied by two generators, the emitting parts of which (generally called antennas but which we will call transmitters to avoid any confusion) are placed in the orifices 4 and 5, along the directions of the axes of the ellipse and at distances from the ends e and d respectively equal to (2 n + 1) ⁇ ga / 4 and (2 n + 1) ⁇ gb / 4.
  • the adapter screws (stubs), sometimes necessary depending on the type of generator, have not been shown in Figure 1.
  • Part B has only one wave diffuser slot 6 of constant width, the ends of which are adapted by narrower parts 7 and 8 of lengths substantially equal to a quarter of the wavelengths ( ⁇ gb / 4 for 7 and ⁇ ga / 4 for 8).
  • FIG. 2 shows the straight sections at the ends 7 and 8 of the slot to specify the angles at the center ⁇ a and ⁇ b between the polarization planes (coincident with the axes a and b ) and the rays passing through the axis of the slot.
  • the dotted lines in Figure 2 correspond to the traces of the dihedral in the planes of straight sections and show the angle ⁇ .
  • This angle ⁇ defines the inclination or "bias" with respect to the generatrices (and to the axis) and is partly responsible for the multiple polarizations of the waves emitted, all the more so as the emitters are in orthogonal positions one to one. 'other.
  • the angles ⁇ , ⁇ a and ⁇ b are a function for identical generators, the dimensions (length and width) of the slit (s), the ellipticity of the guide, of ⁇ B and ⁇ B and of the medium outside, ⁇ a and ⁇ b are generally between 0 ° and 25 ° and ⁇ is between 90 ° and 40 °.
  • Figure 3 shows an antenna powered by a single generator (real) whose part A is similar to that of part A of figure 1 and whose part B differs only by the width of the slot (the values of ⁇ a , ⁇ b , ⁇ , and the length remaining the same), on the other hand part C does not contain a real generator but a virtual or fictitious generator polarized along the axis a of the ellipse makes an anisotropic short-circuit or active.
  • the anisotropic (or active) short-circuit used is composed of a quarter-wave birefringent element 10, the neutral lines of which are directed along the bisectors of the axes of the ellipse, attached to a metal plate.
  • this quarter wave birefringent element can be produced in many ways, in this example it consists of a "Teflon" blade 10 11 mm thick placed at 45 ° from the axes of the ellipse and attached to the metal plate closing off part C.
  • This "Teflon" plate 10 shown in dotted lines in FIG. 3 is shown in detail in FIG. 4.
  • FIG. 5 illustrates an alternative embodiment and represents an antenna of sealed and rotating circular section, supplied by four generators and having four wave diffusing slots in part B.
  • the parts A and C each contain two generators in orthogonal positions 5, 5 'and 4, 4' whose distances from the transmitters to the short-circuits, (2 n + 1) ⁇ g / 4, are two by two different for reasons of congestion.
  • Between the flanges 2, 2 'and 3, 3' have been inserted two rotary joints 9 which do not disturb the propagation of the TE11 mode and which make it possible to rotate B leaving the parts A and C fixed.
  • the circular guide of B is placed in a 2 mm thick "Teflon" tube which thus makes the antenna watertight and prevents the entry of powdery solids, vapors or liquids into the antenna.
  • the slits in part B were 950 mm long, 9 mm wide and their ends were fitted with pointed parts 7 and 8 (not starting in the same plane of cross section to reduce reflections).
  • the antenna is in this case omnipolarizing.
  • FIG. 6 shows a distribution of the different slots and differs from FIG. 5 only in part B which contains 8 concurrent slots of 950 mm in length and 5 mm in width with ⁇ angles of 80 °. These slots are concurrent in pairs and are adapted differently 7, 7 'and 8, 8' which reduces reflections.
  • Part A connected to B by flanges 2, 2 'fixed on a rotating joint 9 contains air and four generators emit there in 5, 5 and 5', 5 'so that they are two by two in orthogonal positions , the magnetrons which are in the same plane being supplied by two different phases of the sector to avoid interactions as much as possible.
  • the diameter of part B is 85 mm
  • the generators transmit at the frequency of 2450 MHz
  • the distances d and d ' are respectively 57 mm and 171 mm.
  • the dielectric used in parts B and C is "Teflon", the diameter of B and C is 60 mm.
  • Part C contains a birefringent ceramic element of the same shape as that of FIG. 4 intended to change the polarizations during reflections of the different waves and therefore avoid interactions and improve the pluripolarization of the radiation.
  • This part C could be connected to B by a rotating joint and would then remain fixed during the rotation of B but, in our example, FIG. 7, for reasons of simplicity, the antenna having to be immersed in a fluid, the flanges of B and C, 3 and 3 ', were connected directly and therefore C rotated with B.
  • FIG. 8 shows the section along the axis of the cylinder of the adaptation carried out, in the example of FIG. 7, between A and B.
  • This adaptation uses the properties of quarter-wave plates but it could be carried out well in other ways.

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Abstract

L'invention concerne une antenne permettant l'application ou l'irradiation par les micro-ondes. L'objet de l'invention est une antenne pour micro-ondes caractérisée par ce qu'elle est multipolarisante, fermée à chacune de ses extrémités par un court-circuit à réflexion isotrope ou anisotrope (faisant tourner le plan de polarisation des ondes), alimentée directement par un ou plusieurs générateurs en mode TE11 et dont la partie centrale (B), fixe ou tournante, est munie sur presque toute sa longueur d'une (ou de plusieurs) fente(s) allongée(s) (6) non résonnante(s), adaptée(s) à leurs extrémités (7,8), inclinées par rapport aux génératrices du cylindre. Application aux dispositifs d'application de micro-ondes. <IMAGE>

Description

  • La présente invention a trait à des dispositifs permettant l'irradiation par les micro-ondes (ondes électromagnétiques de fréquences comprises entre 200 MHz et 140 GHz) appelés antennes ou applicateurs.
  • Le but de l'invention est de mieux maîtriser et d'améliorer les caractéristiques de rayonnement des micro-ondes, provenant d'un ou de plusieurs générateurs; en particulier d'améliorer le rendement ainsi que la répartition spatiale de l'énergie rayonnée vers l'extérieur, dans une ou plusieurs portions de l'espace, voire dans tout l'espace, et ceci avec des polarisations multiples qui permettent une meilleure pénétration des ondes dans les matériaux, un meilleur rendement et un meilleur découplage.
  • Pour faciliter la compréhension, on peut considérer l'antenne comme une enceinte conductrice fermée, constituée d'un tuyau en matériau bon conducteur (guide d'ondes) de section circulaire ou ovale fermé à chacune de ses extrémités par un court-circuit à réflexion isotrope (plaque métallique) ou anisotrope, dans laquelle émettent un ou plusieurs générateurs, et dont la partie centrale est munie d'une ou de plusieurs fentes, non parallèles aux génératrices (ni a fortiori à l'axe du cylindre) émettant des ondes à polarisations multiples. Pour compléter cette description très sommaire, faciliter l'exposé et faire ressortir les différentes caractéristiques, on divisera la description du dispositif en trois parties A, B, C.
  • 1°) La première partie de l'antenne, que nous appellerons A, est un guide d'ondes (cylindre creux) en matériau bon conducteur (cuivre, argent, or, aluminium, acier inox, etc...), de préférence non magnétique, rempli d'un isolant peu absorbant (air, vide, "Téflon", céramique, etc...) de constante diélectrique εA et de perméabilité µA, amenant ou plutôt guidant les ondes provenant d'un ou de plusieurs générateurs, directement ou indirectement, dans la partie centrale B de l'antenne; c'est cette partie B qui rayonne l'énergie micro-ondes, sous des polarisations multiples, vers l'extérieur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la partie A est un guide d'ondes de section circulaire, ovale ou elliptique dans lequel un ou plusieurs générateurs émettent des ondes qui se propagent suivant le mode TE₁₁ et dont l'extrémité non reliée à B est fermée par un court-circuit à réflexion isotrope (en métal bon conducteur par exemple) ou anisotrope qui, lors de la réflexion, fait tourner le plan de polarisation des ondes (divers exemples seront donnés).
  • Selon une caractéristique de l'invention, pour que ne se propage que le mode TE₁₁, la valeur du rayon R ou des demi-axes a et b de l'ellipse doivent satisfaire la relation classique: 2,61 R εµ
    Figure imgb0001
     < λ < 3,41 R εµ
    Figure imgb0002
     où ε et µ sont la permittivité (constante diélectrique) et la perméabilité du milieu et A la longueur d'onde du générateur en espace libre, ce qui conditionne soit les limites des dimensions radiales partant de la (ou des) longueur(s) d'ondes du (ou des) générateur(s) ou inversement les longueurs d'ondes partant des dimensions radiales, ceci sera illustré par des exemples. Dans le cas d'un guide elliptique, R est remplacé par les demi-axes de l'ellipse a et b, auxquels correspondent deux polarisations et deux longueurs d'ondes guidées λga et λgb, différentes pour des émetteurs de même fréquence ; réciproquement, si deux générateurs émettent dans un guide circulaire en mode TE₁₁ avec des fréquences différentes, leurs longueurs d'ondes guidées sont différentes.
  • Selon une des caractéristiques de l'invention, les générateurs peuvent avoir des fréquences différentes, que le guide soit circulaire ou elliptique mais les conditions de propagation du mode TE₁₁ doivent être satisfaites.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, si le guide est circulaire et si plusieurs générateurs émettent simultanément dans la partie A, ils sont disposés de façon à émettre, en mode TE₁₁, des ondes polarisées orthogonalement les unes par rapport aux autres car les ondes TE₁₁ polarisées orthogonalement sont totalement découplées et ne peuvent donc ni interagir ni interférer.
  • Selon une caractéristique de l'invention, si le guide est elliptique, les générateurs émettent, en mode TE₁₁, avec des polarisations dirigées suivant les axes a et b de l'ellipse, donc orthogonales, ce qui assure un découplage total et ceci avec des longueurs d'ondes λga et λgb généralement différentes car elles ne peuvent être égales que dans un cas très particulier de fréquences des générateurs.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le (ou les) générateur(s) est (ou sont) placé(s) de façon à obtenir le rendement optimum, ce qui implique une distance de chaque émetteur (antenne) au court-circuit voisine du quart de la longueur d'onde guidée du mode TE₁₁ correspondant ou à (2n + 1) λg /4 (n = nombre entier) et, éventuellement, un système d'adaptation à l'aide de stubs ou de vis par exemple.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, plusieurs générateurs qui n'émettent pas simultanément (par exemple des magnétrons alimentés par chacune des phases du réseau) peuvent émettre selon la même polarisation sans interagir ni interférer si leurs antennes sont séparées par une distance convenable.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité ouverte de la partie A est généralement reliée, pour faciliter le démontage et les réglages, par des brides à la partie B, mais dans le cas où l'on désire faire tourner la partie B pour que les ondes balaient une grande portion ou la totalité de l'espace, on intercale entre les brides de A et B, un joint tournant, qui ne perturbe pas la propagation du mode TE₁₁ mais qui permet de faire tourner la partie B sans déplacer la partie A, les générateurs restant fixes.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, lorsque l'isolant de la partie A est différent de celui de la partie B, caractérisé par εB et µB, un dispositif d'adaptation est nécessaire pour éviter les reflets et donc augmenter le rendement; ce sera, par exemple, une partie conique ou un changement de section de guide par steps ou marches du type Tchébycheff, soit encore une lame quart d'onde [(2 n + 1) λg/4] telle que les constantes de cette lame εAB et µAB vérifient la relation classique ε AB µ AB = ε A ε B µ A µ B .
    Figure imgb0003
  • 2°) L'antenne comprend également une partie centrale que nous appellerons B, essentiellement constituée d'un cylindre creux (guide d'ondes) en matériau bon conducteur, de préférence non magnétique (cuivre, laiton, argent, or, aluminium, etc...) de section droite circulaire, ovale ou elliptique; rempli d'un isolant peu absorbant (air, vide, "Téflon", céramique, etc...) de permittivité εB et de perméabilité µB ; propageant le mode TE₁₁ ; cylindre muni d'une ou de plusieurs ouvertures en forme de fentes diffuseurs d'ondes de largeurs généralement constantes caractérisées:
    • a) par le fait que la (ou les) fente(s) n'est pas (ou ne sont pas) généralement parallèle(s) aux génératrices du cylindre ni, a fortiori, à l'axe,
    • b) par le fait qu'elles peuvent être concourantes ou parallèles entre elles,
    • c) par le fait qu'elle(s) s'étend(ent) sur presque toute la longueur de la partie centrale B de l'antenne,
    • d) par le fait qu'elles sont non résonnantes et généralement munies à leurs extrémités de dispositifs servant à éviter les reflets, ce qui améliore le rendement; par exemple: une partie en pointe à chaque extrémité qui donne une variation progressive d'impédance ou bien une ou plusieurs parties plus étroites de longueurs voisines de λg/4 et calculables à l'aide du polynome de Tchébycheff,
    • e) par le fait que sa (ou leurs) largeur(s) et son (ou leurs) inclinaison(s) sont telles que l'énergie rayonnée vers l'extérieur suit une loi choisie et bien définie: par exemple uniforme en fonction de la distance à la partie A,
    • f) par le fait que, s'il y a plusieurs fentes, leurs extrémités, tant au début qu'à la fin, ne sont généralement pas dans le même plan de section droite mais décalées les unes par rapport aux autres pour limiter au maximum les réflexions et améliorer le rendement.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, on peut obtenir non seulement toutes sortes de répartition de l'énergie rayonnée mais aussi toutes sortes de polarisations des ondes rayonnées par l'utilisation de fentes plus ou moins larges ou plus ou moins inclinées, sur une même antenne, par rapport aux génératrices du cyclindre, voire sinueuses en fonction de la distance à la partie A car dans le cas de guides circulaires ou elliptiques -pour des valeurs de εB, µB et des générateurs donnés- les polarisations des ondes émises, dans un plan de section droite donné sont des fonctions de la largeur de la fente et de l'angle au centre entre le vecteur électrique central E du mode TE₁₁ et le rayon passant par l'axe de la fente tandis que l'intensité est une fonction de la largeur et du nombre de lignes de courant coupées par la fente.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie centrale B est généralement reliée aux partics A et C à l'aide de brides, entre lesquelles on peut placer des joints tournants pour donner à B un mouvement de rotation alterné ou continu pour rayonner des ondes omnipolarisées dans un angle spatial donné ou dans tout l'espace, A et C restant fixes.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'antenne pourra être rendue étanche par recouvrement des fentes par un matériau isolant peu absorbant (par exemple "Téflon", céramique, etc...) qui pourra par une forme convenable améliorer les caractéristiques et les mieux adapter aux besoins.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'antenne pourra être rendue étanche en plaçant B dans un tube en matériau isolant peu absorbant, pour permettre à la partie B de tourner, le choix du matériau est fonction de l'agressivité du milieu à irradier.
  • Selon une caractéristique de l'invention, lorsque l'isolant de la partie B est différent de celui de la partie C, un dispositif d'adaptation est nécessaire pour éviter les reflets et augmenter le rendement. Le problème et la solution sont identiques à ceux existant entre A et B et décrits en 1°).
  • 3°) La troisième partie C de l'antenne est constituée d'un guide d'ondes, en matériau. bon conducteur de préférence non magnétique, de section circulaire ou elliptique contenant un isolant peu absorbant de permittivité εC et de perméabilité µC dans lequel se propagent des ondes suivant le mode TE₁₁ ; l'une de ses extrémités est reliée, généralement par des brides directement, ou indirectement par l'intermédiaire d'un joint tournant à la partie B, l'autre extrémité est terminée par un court-circuit soit isotrope (la classique plaque métallique) soit anisotrope qui, lors de la réflexion, change le plan de polarisation des ondes.
  • Selon une caractéristique de l'invention, la partie C comporte généralement un ou plusieurs générateurs, réels ou fictifs (virtuels) -ceci sera explicité par la suite- en fonction des conditions d'utilisation, de la puissance désirée, de la place disponible, etc...
  • Selon une caractéristique de l'invention, s'il y a dans la partie C plusieurs générateurs émettant simultanément dans un guide circulaire, en mode TE₁₁, ils sont disposés de façon à émettre des ondes polarisées orthogonalement les unes par rapports aux autres et ne peuvent interagir.
  • Selon une caractéristique de l'invention, si les générateurs émettent dans un guide elliptique, les ondes sont polarisées suivant les axes de l'ellipse donc orthogonalement, ce qui assure un découplage total.
  • Selon une caractéristique de l'invention pour obtenir un rendement maximum, les générateurs (antennes) sont à une distance du court-circuit égale à (2 n + 1) λg/4 et sont éventuellement adaptés (comme dans la partie A), par exemple à l'aide de stubs.
  • Selon une caractéristique de l'invention, les générateurs peuvent avoir des fréquences différentes mais compatibles avec la propagation du mode TE₁₁.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, si εC et µC sont différents de εB et µB, une adaptation est faite selon les mêmes lois et avec les mêmes méthodes qu'entre A et B.
  • S'il n'y a pas de générateur réel dans la partie C, on peut considérer qu'il y a un ou plusieurs générateurs fictifs ou virtuels: dans le cas d'un court-circuit isotrope, les ondes qui arrivent de B, provenant de A, se réfléchissent sur la plaque métallique obturant C qui constitue, comme en optique, un "miroir simple" à réflexion isotrope et l'onde réfléchie, de même polarisation et de même fréquence, semble provenir d'un générateur fictif (virtuel) situé au-delà du miroir; car les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques identiques aux ondes du domaine optique et n'en diffèrent que par la longueur d'onde. n est bien connu en optique (G. BRUHAT, Optique, MASSON et CIE Editeurs) qu'il existe des miroirs qui non seulement réfléchissent la lumière mais font tourner son plan de polarisation lors de la réflexion. Il s'agit d'une réflexion anisotrope due à une biréfringence circulaire ou rectiligne (ce sera par exemple un miroir de nickel soumis à un champ magnétique ou une couche d'argent ou d'aluminium déposée sur un verre biréfringent, etc...); ces phénomènes très courants sont observés quotidiennement par les porteurs de lunettes "Polaroïd".
  • En micro-ondes, il existe également des miroirs qui changent la polarisation des ondes lors de la réflexion, ce sont des courts-circuits un peu plus complexes que la simple plaque métallique, nous les appellerons courts-circuits anisotropes ou actifs (sous-entendu sur le plan de polarisation des ondes ; en optique on parle de "milieux actifs" et de "miroirs actifs") pour les différencier et nous en décrirons quelques exemples.
  • Selon une caractéristique de l'invention, s'il n'y a pas de générateur (réel) dans la partie C, on utilisera généralement un court-circuit anisotrope ou actif qui fait tourner le plan de polarisation des ondes lors de la réflexion.
  • Selon une des caractéristiques de l'invention, on choisira un court-circuit anisotrope ou actif qui fera généralement tourner le plan de polarisation des ondes de 90° pour que l'onde réfléchie soit orthogonale à l'onde incidente et ne puisse perturber, en revenant éventuellement en A (lorsqu'elle n'est pas complètement rayonnée), le générateur qui l'a émise.
  • Selon une des caractéristiques de l'invention, le court-circuit anisotrope ou actif, qui fait tourner l'angle de polarisation de 90° lors de la réflexion, peut être constitué, par exemple, soit d'un ferrite ou un plasma froid magnétisé accolé à une lame métallique, soit d'un élément biréfringent quart d'onde dont les lignes neutres sont à 45° de la direction de polarisation de l'onde incidente venant de B (sens A vers C) accolé à une lame métallique, etc...
  • L'invention s'applique bien entendu à toutes les sources et à toutes les fréquences de rayonnement micro-ondes ainsi qu'à toutes les dimensions d'antennes.
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront à la lecture des descriptions données ci-dessous à titre indicatif mais non limitatif des modes de réalisation du dispositif de l'invention ainsi que des dessins annexés sur lesquels :
    • Figure 1 est représentée une vue schématique perspective d'une antenne selon l'invention ;
    • Figure 2 sont représentées les sections droites aux deux extrémités de la fente de l'antenne de la figure 1 ;
    • Figure 3 est représentée une antenne elliptique alimentée par un seul générateur réel et terminée partie C par un court-circuit actif ou anisotrope ;
    • Figure 4 est représenté en perspective l'élément biréfringent quart d'onde du court-circuit anisotrope de l'antenne de la figure 3 ;
    • Figure 5 est représentée une vue perspective d'une antenne de section circulaire étanche et tournante ;
    • Figure 6 est représentée une vue perspective d'une antenne à fentes croisées ;
    • Figure 7 est représentée une vue perspective d'une antenne tournante étanche, de section réduite alimentée par une seule extrémité ;
    • Figure 8 est représentée la coupe suivant l'axe de l'antenne de la figure 7 pour en montrer l'adaptation lors de la réduction de la section.
  • On a représenté sur la figure 1 une antenne micro-ondes 1 de section droite elliptique constituée d'un guide d'onde en métal bon conducteur non magnétique dont les extrémités sont obturées par des plaques de métal soudées au guide (courts-circuits isotropes ne changeant pas le plan de polarisation des ondes).
  • Les parties A, B et C contiennent de l'air comme isolant et elles sont reliées par des brides 2, 2', 3 et 3'. Bien que les brides ne soient pas indispensables, elles ont été représentées sur la figure 1 car elles permettent un démontage facile ce qui est très utile sur un prototype en rendant les parties interchangeables, par exemple pour rechercher la fente ou les fentes donnant le résultat le meilleur.
  • L'antenne de la figure 1 est alimentée par deux générateurs dont les parties émettrices (généralement appelées antennes mais que nous appellerons émetteurs pour éviter toute confusion) sont placées dans les orifices 4 et 5, suivant les directions des axes de l'ellipse et à des distances des extrémités e et d respectivement égales à (2 n + 1) λga/4 et (2 n + 1) λgb/4. Les vis d'adaptation (stubs), parfois nécessaires suivant le type de générateurs, n'ont pas été représentées sur la figure 1.
  • Ces deux générateurs émettent, en mode TE₁₁, des ondes polarisées orthogonalement, donc sont totalement découplés et ne peuvent ni réagir ni interférer l'un sur l'autre; si dans chaque plan de polarisation il y avait des réflexions, les longueurs d'ondes étant différentes les noeuds et les ventres ne coïncideraient pas ce qui rend la diffusion plus homogène.
  • Les lignes de champs électriques sont représentées dans les sections droites des brides 2-2' et 3-3' de la figure 1.
  • La partie B ne comporte qu'une seule fente diffuseur d'onde 6 de largeur constante dont les extrémités sont adaptées par des parties plus étroites 7 et 8 de longueurs sensiblement égales au quart des longueurs d'ondes (λgb/4 pour 7 et λga/4 pour 8).
  • On a représenté sur la figure 2 les sections droites au niveau des extrémités 7 et 8 de la fente pour préciser les angles au centre α a et α b entre les plans de polarisation (confondus avec les axes a et b) et les rayons passant par l'axe de la fente. La fente diffuseur d'ondes est donc comprise dans un dièdre dont l'arête est confondue avec l'axe de l'antenne et dont l'angle β = 90° -(α a + α b ). Les lignes pointillées de la figure 2 correspondent aux traces du dièdre dans les plans de sections droites et font apparaître l'angle β.
  • Cet angle β définit l'inclinaison ou le "biais" par rapport aux génératrices (et à l'axe) et est en partie responsable des polarisations multiples des ondes émises, d'autant que les émetteurs sont en positions orthogonales l'un à l'autre. Les angles β, α a et α b sont fonction pour des générateurs identiques, des dimensions (longueur et largeur) de la (ou des) fente(s), de l'ellipticité du guide, de εB et µB et du milieu extérieur, α a et α b sont généralement compris entre 0° et 25° et β est compris entre 90° et 40°.
  • Pour une antenne elliptique alimentée par deux magnétrons à 2450 MHz, avec des valeurs 2a = 93 mm, 2b = 76 mm, d = 93 mm, e = 49 mm et une fente de 950 mm de longueur et de 9,8 mm de largeur, les angles α a et α b étaient respectivement de 10° et de 12° et β = 68°. Ces valeurs ne sont pas critiques et peuvent varier de quelques degrés.
  • La figure 3 représente une antenne alimentée par un seul générateur (réel) dont la partie A est analogue à celle de la partie A de la figure 1 et dont la partie B ne diffère que par la largeur de la fente (les valeurs de α a , α b , β, et de la longueur restant les mêmes), par contre la partie C ne contient pas de générateur réel mais un générateur virtuel ou fictif polarisé suivant l'axe a de l'ellipse en fait un court-circuit anisotrope ou actif.
  • Dans le cas de la figure 3, on a utilisé dans la partie C un court-circuit actif, donnant une réflexion avec changement de polarisation de 90° ce qui minimise les phénomènes d'interférences, donne une répartition plus uniforme et une multipolarisation plus importante.
  • Dans cet exemple, le court-circuit anisotrope (ou actif) utilisé est composé d'un élément biréfringent quart d'onde 10, dont les lignes neutres sont dirigées suivant les bissectrices des axes de l'ellipse, accolé à une plaque métallique. Du point de vue pratique, cet élément biréfringent quart d'onde peut être réalisé de multiples façons, dans cet exemple il est constitué d'une lame de "Téflon" 10 de 11 mm d'épaisseur placée à 45° des axes de l'ellipse et accolée à la plaque métallique obturant la partie C. Cette plaque de "Téflon" 10 représentée en pointillés sur la figure 3 est reprise en détail sur la figure 4.
  • Sur la figure 4, on remarquera que la lame de "Téflon" 10 de 11 mm d'épaisseur est taillée en double biseaux pour éviter les réflexions parasites. La vibration qui revient en B après passage à l'aller et au retour dans le biréfringent quart d'onde a tourné de 90° et tout se passe comme s'il y avait un générateur fictif donnant, suivant la direction de l'axe α, des vibrations polarisées orthogonalement à celles du générateur de la partie A. L'onde qui revient à une longueur d'onde λga différente de λgb et ne peut en aucun cas (si elle revient jusqu'en A) pertuber le générateur placé en A, nous retrouvons les avantages de l'antenne de la figure 1. Dans cet exemple, la puissance totale disponible (un seul magnétron) étant plus faible, nous avons utilisé une fente diffuseur d'ondes de 6,5 mm de largeur, de même longueur et de même α a , α b et β que dans l'exemple précédent.
  • La figure 5 illustre une variante de réalisation et représente une antenne de section circulaire étanche et tournante, alimentée par quatre générateurs et ayant quatre fentes diffuseurs d'ondes dans la partie B. Les parties A et C contiennent chacune deux générateurs en positions orthogonales 5, 5' et 4, 4' dont les distances des émetteurs aux courts-circuits, (2 n + 1) λg/4, sont deux à deux différentes pour des raisons d'encombrement. Entre les brides 2, 2' et 3, 3' ont été insérés deux joints tournants 9 qui ne pertubent pas la propagation du mode TE₁₁ et qui permettent de faire tourner B en laissant les parties A et C fixes. D'autre part, le guide circulaire de B est placé dans un tube de "Téflon" de 2 mm d'épaisseur qui rend ainsi l'antenne étanche et évite l'entrée de solides pulvérulents, de vapeurs ou de liquides dans l'antenne. L'antenne de cet exemple pour quatre magnétrons identiques de fréquence 2450 MHz avait un diamètre de 85 mm avec d = e = 57 mm et d' = e' = 171 mm. Les fentes de la partie B avaient une longueur de 950 mm, une largeur de 9 mm et leurs extrémités étaient adaptées par des parties pointues 7 et 8 (ne commençant pas dans le même plan de section droite pour réduire les reflets).
  • Chacune des fentes diffuseurs d'ondes était contenue dans un dioptre d'angle β = 80° (les angles α a et α b n'ont plus de sens puisque B tourne), ce qui définit leur inclinaison ou biais par rapport aux génératrices du cylindre. Lors de la rotation de la partie B, tout l'espace le long de B est irradié sous des polarisations multiples: l'antenne est dans ce cas omnipolarisante.
  • On peut aussi utiliser l'antenne en position fixe, en changeant l'angle de B par rapport à A et C on modifie la répartition des ondes diffusées (dans la position de la figure, la répartition est uniforme, α a = α b = 5°).
  • La figure 6 montre une répartition des fentes différentes et ne diffère de la figure 5 que par la partie B qui contient 8 fentes concourantes de 950 mm de longueur et de largeur 5 mm avec des angles β de 80°. Ces fentes sont concourantes deux à deux et sont adaptées différemment 7, 7' et 8, 8' ce qui diminue les reflets.
  • La figure 7 illustre une autre variante de réalisation: c'est une antenne de section circulaire, tournante, étanche et de section réduite dans les parties B et C qui contiennent le même diélectrique (εB = εC). La partie A reliée àB par des brides 2, 2' fixées sur un joint tournant 9 contient de l'air et quatre générateurs y émettent en 5, 5 et 5', 5' de sorte qu'ils sont deux à deux en positions orthogonales, les magnétrons qui se trouvent dans un même plan étant alimentés par deux phases différentes du secteur pour éviter au maximum les interactions. Dans l'exemple, le diamètre de la partie B est de 85 mm, les générateurs émettent à la fréquence de 2450 MHz, les distances d et d' sont respectivement de 57 mm et 171 mm. Le diélectrique utilisé dans les parties B et C est du "Téflon", le diamètre de B et de C est de 60 mm. La partie B contient quatre fentes diffuseurs d'ondes 6 de 4 mm de largeur et de 900 mm de longueur adaptées aux extrémités par des parties pointues 7 et 8. Chaque fente occupe un dièdre d'angle β = 85° dans cet exemple.
  • La partie C contient un élément biréfringent en céramique de même forme que celui de la figure 4 ayant pour but de changer les polarisations lors des réflexions des différentes ondes et donc d'éviter les interactions et d'améliorer la pluripolarisation du rayonnement. Cette partie C pourrait être reliée à B par un joint tournant et resterait alors fixe lors de la rotation de B mais, dans notre exemple, figure 7, pour des raisons de simplicité, l'antenne devant être plongée dans un fluide, les brides de B et C, 3 et 3', étaient reliées directement et donc C tournait avec B.
  • Enfin, l'étanchéïté était réalisée (doublement puisque B et C sont remplies de "Téflon") par le fait que B et C étaient placées dans un tube de "Téflon" non représenté, fermé à une extrémité et dont l'autre extrémité est fixée à la partie fixe du joint tournant 9, partie reliée à A. De ce fait, l'antenne peut être plongée dans un fluide, les parties B et C tournant à l'intérieur (le mécanisme n'a pas été représenté).
  • La figure 8 montre la coupe suivant l'axe du cylindre de l'adaptation réalisée, dans l'exemple de la figure 7, entre A et B. Cette adaptation utilise les propriétés des lames quart d'onde mais elle pourrait être réalisée de bien d'autres manières. La lame de diélectrique non absorbant d'épaisseur égale à (2 n + 1) λg/4 a une permittivité ε AB = ε A ε B
    Figure imgb0004
     (les isolants de A et de B n'étant pas magnétiques); dans l'exemple εAB = 1,41, l'épaisseur de la lame quart d'onde = 57,5 mm et les rayons des guides sont: RA = 42,5 mm ; RAB = 35,75 mm et RB = 30 mm.
  • Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits ci-dessus mais, au contraire, en couvre toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les formes, les dimensions, les dispositions et les inclinaisons de la (ou des) fentes(s).

Claims (10)

1) Antenne micro-ondes du type constitué d'une enceinte cylindrique (1) en métal bon conducteur de préférence non magnétique, caractérisée en ce qu'elle est fermée à chacune de ses extrémités par un court-circuit à réflexion anisotrope ou isotrope, de section droite circulaire ovale ou elliptique, munie sur presque toute la longueur de sa partie centrale (B) - fixe ou tournante - d'un ou de plusieurs passages diffuseurs d'ondes en forme de fentes allongées (6) non résonnantes généralement adaptées (7, 8) et inclinées par rapport aux génératrices du cylindre, vide ou contenant un ou plusieurs diélectriques peu absorbants adaptés, alimentée directement en mode TE₁₁ par un ou plusieurs générateurs à polarisations orthogonales ou parallèles, émettrice d'ondes à polarisations multiples.
2) Antenne suivant la revendication 1 caractérisée par l'utilisation de courts-circuits à réflexion anisotrope qui font tourner le plan de polarisation des ondes lors de la réflexion et peuvent par exemple être constitués soit d'un ferrite ou d'un plasma froid magnétisé, soit d'un élément biréfringent quart d'onde ayant ses lignes neutres à 45° de la direction de la polarisation incidente accolés à une lame métallique.
3) Antenne suivant les revendications 1 et 2 caractérisée par le fait que le court-circuit à réflexion anisotrope est réalisé, de préférence, de façon à faire tourner la polarisation de 90° lors de la réflexion.
4) Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la(ou les) fente(s) diffuseur(s) d'ondes est(ou sont) allongée(s) (6) de préférence de mêmes largeurs parallèles ou croisées mais généralement inclinées, identiquement ou non, par rapport aux génératrices du cylindre et comprises chacune dans un dièdre déterminé par deux plans passant par l'axe (arête du dièdre) et contenant les deux rayons passant par les extrémités de la fente, pour chaque fente l'angle β du dièdre est compris entre 40° et 90° environ, cet angle β caractérise l'inclinaison moyenne de la fente par rapport aux génératrices, inclinaison ainsi que largeur de la fente qui peuvent varier localement selon la répartition, la multipolarisation désirées et la nature du produit à traiter.
5) Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, remplie d'air, destinée à deux générateurs micro-ondes de 2450 MHz de section elliptique, d'axes 93/2 mm et 76/2 mm dont les émetteurs (antennes) sont à des distances d = 93 mm et e = 49 mm des courts-circuits caractérisée en ce que la fente diffuseur d'ondes de longueur 950 mm a une largeur constante comprise entre 7,5 et 10 mm suivant la puissance et le milieu à irradier et est adaptée à ses deux extrémités (7,8) par des parties plus étroites, fente dont les angles α a et α b sont compris entre 8° et 14° et dont l'angle β est compris entre 62° et 74°.
6) Antenne suivant la revendication 1 caractérisée par le fait qu'elle est alimentée directement en général par un ou plusieurs générateurs, qui peuvent avoir des fréquences différentes mais compatibles avec la propagation du mode TE₁₁ seul, dont la(ou les) partie(s) émettrice(s) (antennes) est(ou sont) située(s) à des distances (e,d) du court-circuit le plus proche, voisine(s) d'un nombre impair de fois le quart de la longueur d'onde guidée correspondante.
7) Antenne suivant les revendications 1 et 6 caractérisée par le fait que si elle est alimentée dans la même extrémité par plusieurs générateurs, s'ils émettent simultanément ils donnent des modes TE₁₁ à polarisations orthogonales, s'ils n'émettent pas simultanément, ils donnent des modes TE₁₁ à polarisations orthogonales ou parallèles.
8) Antenne suivant la revendication 1 caractérisée par le fait que la partie (B) munie d'une ou de plusieurs fentes peut tourner grâce à l'utilisation de joints tournants (9) ne perturbant pas le mode TE₁₁.
9) Antenne selon la revendication 1 caractérisée par le fait que, quel que soit le(ou les) diélectrique(s) placé(s) à l'intérieur pour que le mode TE₁₁ seul se propage la section est réduite en fonction des caractéristiques des diélectriques et les dioptres sont adaptés pour éviter les réflexions multiples.
10) Antenne selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'elle peut être rendue étanche grâce à la présence d'un ou plusieurs diélectriques solides peu absorbants à l'intérieur, "Téflon" par exemple, par recouvrement des fentes par un matériau peu absorbant ou en plaçant la partie B (où sont situées les fentes) dans un tube fermé en matériau isolant peu absorbant, notamment du "Téflon".
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