EP2997624B1 - Adaptateur d'impedance reglable a inductance et capacite variables simultanement - Google Patents

Adaptateur d'impedance reglable a inductance et capacite variables simultanement Download PDF

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EP2997624B1
EP2997624B1 EP14725415.5A EP14725415A EP2997624B1 EP 2997624 B1 EP2997624 B1 EP 2997624B1 EP 14725415 A EP14725415 A EP 14725415A EP 2997624 B1 EP2997624 B1 EP 2997624B1
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EP
European Patent Office
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adapter
slide
dcoax
shield
coaxial
Prior art date
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Application number
EP14725415.5A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP2997624A1 (fr
Inventor
Pascal Ponard
Guillaume Regnard
Bernard Darges
Guy PEILLEIX-DELPHE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP2997624A1 publication Critical patent/EP2997624A1/fr
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Publication of EP2997624B1 publication Critical patent/EP2997624B1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/04—Coupling devices of the waveguide type with variable factor of coupling

Definitions

  • An adjustable impedance adapter and more specifically, an impedance adapter including inductance and capacitance varying simultaneously.
  • Impedance matching is a technique for optimizing the transfer of electrical power between a transmitter and a receiver
  • the transmitter may be an electrical source, a radio transmitter or a microwave generator
  • the receiver which can be a radiating antenna, a plasma or any load of variable impedance.
  • a circuit comprising an inductor and a capacitor is generally used to simulate the adaptation of the impedance of the receiver.
  • the frequencies transmitted without attenuation are those for which the adaptation between the transmitter and the receiver is carried out.
  • the figure 1 is a schematic diagram of an impedance adapter with insulating slides movable in translation, well known under the name of impedance adapter of the “slug” type.
  • the impedance adapter 1 comprises a portion of coaxial line 2 extending in a longitudinal direction d long , the portion of coaxial line 2 being disposed between a transmitter 3 and a receiver 4.
  • the coaxial line section 2 comprises a central conductive core 5, an electrically insulating medium 6 surrounding the central core 5, a conductive shielding 7, and at least one insulating part 8a called a “quarter wave” mobile in translation along the direction. longitudinal length , the movable part sliding on the central core 5.
  • the electrically insulating medium 6 is air or vacuum.
  • the use of a single mobile part 8a can make it possible to compensate for an impedance difference between the emitter 3 and the receiver 4 of between 25 and 100 ohms.
  • the use two moving parts 8a; 8b can make it possible to compensate for an impedance difference between the emitter and the receiver of the order of a few ohms. To several hundred ohms.
  • the material of the moving parts 8a; 8b is typically PolyTetraFluoroEthylene or PTFE.
  • An impedance adapter can be modeled using an electrical circuit comprising a variable inductance and two fixed capacitors.
  • the inductance is dependent on the position of the insulating moving parts 8a; 8b on the portion of coaxial line 2.
  • the documents US7449893 , US3792385 and EP2453518 describe variable impedance adapters.
  • an impedance adapter of small dimensions and allowing an impedance adjustment according to two variable parameters simultaneously an inductance and a capacitor.
  • This adapter is particularly suitable for frequencies below gigahertz, and more particularly in a frequency band between 100 and 900 MHz.
  • an adjustable impedance adapter connected at a first end to a transmitter and at a second end to a receiver.
  • the adapter comprises a section of coaxial line extending in a coaxial direction, the section of coaxial line comprising a conductive central core extending in the coaxial direction, an electrically insulating medium surrounding the central core and a conductive shield surrounding the core. electrically insulating medium, and a conductive slide movable in translation.
  • a first distance between the slide and the second end makes it possible to vary the inductance of the impedance adapter.
  • a third distance in a direction transverse to the coaxial direction between the external walls of the conductive slide and the internal walls of the shielding is variable between the two ends of the section of coaxial line and makes it possible to vary a capacitance of the impedance adapter.
  • the inductance and a capacitance of the impedance adapter depend on the position of the slide on the section of the coaxial line.
  • a single translational movement of the slider inside the coaxial line section makes it possible to vary the inductance and the capacitance simultaneously over at least part of the coaxial line section.
  • the slide is movable in translation in the coaxial direction.
  • the shielding comprises at least one frustoconical portion extending in the coaxial direction allowing a variation of a capacitance continuously.
  • the coaxial line section comprises two cylindrical parts of different diameters extending in the coaxial direction and joined by a shoulder allowing modulation of the capacitance discretely between two previously defined values.
  • a third distance between the external walls of the conductive slide in the transverse direction and the internal walls of the shielding is greater than a threshold value making it possible to maintain sufficient insulation between the slide and the shielding.
  • the slide is connected to an insulating operating finger opening into a groove in the walls of the shielding, the groove extending in the coaxial direction, the insulating finger being intended to be connected to a displacement system in the coaxial direction.
  • the operating finger is connected to an insulating ring making it possible to maintain sufficient insulation between the conductive slide and the shielding.
  • ⁇ ⁇ T / ⁇ r and ⁇ T being the working wavelength of the impedance adapter in air or in vacuum.
  • the central core comprises at least one frustoconical portion.
  • the central core comprises two cylindrical parts having different diameters joined by a shoulder and allowing modulation of the capacity according to two previously defined values.
  • a third distance between the internal walls of the conductive slide and the external walls of the central core is greater than a threshold value making it possible to maintain sufficient insulation.
  • the electrically insulating medium is a dielectric fluid advantageously allowing the cooling of the adapter.
  • an insulating window is placed at the level of the second end, between the outer walls of the central core and the inner walls of the shielding, the insulating window corresponds to a fixed capacitance of the impedance adapter.
  • the insulating window comprises an insulating material having a dielectric constant greater than the dielectric constant of the insulating material.
  • the figure 2 shows an embodiment of an impedance adapter.
  • the impedance adapter 1, according to the invention, is intended to be connected at a first end 9a to a transmitter 3 and at its second end 9b to a receiver 4, the transmitter 3 and the receiver 4 not being represented on the figure 2 .
  • the impedance adapter 1 comprises a section of coaxial line 12, extending in a coaxial direction dcoax, inside which a conductive slide 13 is movable in translation.
  • the coaxial line section 12 comprises a conductive central core 14, an electrically insulating medium 15 surrounding the central core 14 and a conductive shield 16 surrounding the insulating material 15.
  • the precise parameterization of the dimensions of the impedance adapter 1 according to the invention depends on the type of application.
  • the adaptation to be carried out is a function of the power of the microwave generator, of the nature of the gas used. to generate the plasma or the pressure of the chamber in which the plasma is ignited.
  • An inner wall 16a and an outer wall 16b of the shield 16 have at least one groove 17, not visible on the figure 2 , direction parallel to the coaxial direction dcoax allowing manipulation of the slide 13.
  • the electrically insulating material 15 is a dielectric fluid, which may be air, a gas, or vacuum, in other words, a gas at a pressure lower than atmospheric pressure.
  • the insulating material 15 can be a fluid advantageously allowing the cooling of the coaxial line section 12.
  • the fluid can be relatively viscous allowing lubrication of the areas of friction of the slide 13 with the central core 14 or the shielding 16 of the. section of coaxial line 12 which facilitates the movement of the slider 13 inside the section of coaxial line 12.
  • the slider 13 is an element comprising a conductive material, of convolutional symmetry around the central core 14. It is movable in translation inside the section of line in the coaxial direction.
  • the length of the slider 13 in the coaxial direction is less than a quarter wave.
  • a first distance d1 between the second end 9b of the section of coaxial line 12 and the slider 13 makes it possible to adjust an inductance L1 of the impedance adapter 1.
  • the slide 13 is connected to an insulating operating finger 18 opening into the groove 17 of the walls 16a; 16b of the shield 16 and allowing the displacement of the slider 13.
  • the operating finger 18 is connected to an insulating ring 18b surrounding the slider 13 and making it possible to guarantee insulation between the slider 13 and the armor 16 over the entire length of the section. line 12.
  • a third distance d3 in a direction transverse to the coaxial direction between the outer walls 13b of the slider 13 and the inner walls 16a of the shield 16 is greater than a threshold value d2 threshold thus making it possible to electrically isolate l 'central conductive core 14 of the conductive shield 16.
  • the displacement of the slide 13 can be carried out manually or automatically.
  • the automatic displacement of the slide 13 can be achieved using a micromotor, not shown in the figure. figure 2 .
  • the micromotor is controlled in position allowing rapid movement of the slide 13, and, consequently, rapid adaptation, typically of the order of 50 to 100 ms.
  • the coaxial line section 12 has internal 16a and external 16b walls of the shield 16 of frustoconical shape.
  • the walls 16a and 16b of the shield 16 may have a frustoconical shape over the entire length of the section 12 in the coaxial direction dcoax.
  • only the walls 16a internal shielding 16 may have at least a portion of frustoconical shape.
  • the adapter according to the invention has a second distance between the internal walls 16a of the shielding and the walls of the central core, the second distance varying between the first and the second end 9a; 9b.
  • the third distance d3 between the external walls 13b of the slider 13 and the internal walls 16a of the shield 16, in the transverse direction dtrans, depends on the first distance d1 between the slider 13 and the second end 9b of the section of coaxial line 12.
  • the shield 16 of the section of coaxial line 12 has at least two cylindrical parts, extending in the coaxial direction dcoax, the at least two cylindrical parts having different diameters.
  • the at least two cylindrical parts being connected to each other by at least one shoulder 20.
  • the third distance d3 can then vary between two values.
  • the third distance d3 between the external walls 13b of the slider 13 and the internal walls 16a of the shield 16 makes it possible to adjust a first capacitor C1 of the impedance adapter 1 according to the invention.
  • the section of coaxial line 12 comprises an insulating window 19 at the level of the second end 9b situated between the outer walls 14b of the central core 14 and the inner walls 16a of the shield 16.
  • the dielectric constant of the material of the insulating window 19 has a dielectric constant greater than the dielectric constant of the insulating material 15.
  • the insulating window 19 corresponds to a fixed capacitance C2 of the impedance adapter 1, this fixed capacitance C2 being non-adjustable.
  • the insulating window 19 can advantageously play the role of a vacuum-tight window when the impedance adapter 1 is used between a microwave generator and a plasma enclosure.
  • the impedance matching 1 using an impedance adapter 1 according to the invention can be modeled using an electrical circuit shown in figure 4 comprising a variable inductance L1, a variable capacitor C1 and a fixed capacitor C2.
  • the coaxial line section 12 comprises a cylindrical part and a frustoconical part in the coaxial direction dcoax.
  • the variable inductance L1 depends on the first distance d1 in the coaxial direction dcoax between the slider 13 and the second end 9b
  • the variable capacitance C2 depends on the third distance d3 between the outer walls 13b of the slider 13 in the transverse direction dtrans and the internal walls 16a of the shielding 16
  • the fixed capacitor C2 corresponds to the capacitance induced by the presence of the insulating window 19.
  • the third distance d3 between the outer walls 13b of the slider 13 and the inner walls 16a of the shield 16 in the transverse direction dtrans is dependent on the first distance d1 between the slider 13 and the second end 9b of coaxial line section 12.
  • the capacitor C1 and the inductance L1 are variable parameters, the capacitor C1 being dependent on the inductance L1.
  • the third distance d3 is independent of the first distance d1. In other words, it is possible to vary only the value of inductance L1 without modifying the value of variable capacitance C1.
  • the electrical circuit modeling the impedance adapter 1 comprises two capacitors in parallel, one variable C1 and the other fixed C2 and a variable inductance L1, the variable capacitance C1 being dependent on the inductance L1 on the frustoconical part of the section of coaxial line 12. On the cylindrical part of the section of coaxial line 12, the variable capacitance C1 is constant.
  • an adjustable adapter having a second constant distance from one end to another, the third distance in the transverse direction dtrans to the coaxial direction between the outer walls of the slide 13b and the inner walls 16a shield 16 is variable.
  • the slide moves in translation inside the section of line in a direction not parallel to the coaxial direction making it possible to vary the inductance and a capacitor simultaneously.
  • the figure 5 shows a second embodiment of the impedance adapter, according to one aspect of the invention.
  • the impedance adapter 1 comprises, as previously, a section of coaxial line 12 comprising a central core 14, an insulating material 15 surrounding the central core 14 and a shield 16 surrounding the insulating material 15.
  • the adapter 1 further comprises a conductive slide 13 movable in translation inside the section of coaxial line, and, optionally, an insulating window 19 located at the second end 9b.
  • the embodiment described in this example differs from the previous embodiment in that the shield 16 is cylindrical over the entire length of the line section in the coaxial direction dcoax.
  • the central core 14 is of frustoconical shape in the coaxial direction.
  • the entire length of the walls of the central core 14 in the coaxial direction dcoax is of frustoconical shape.
  • the slider 13 is of symmetry of revolution, it is advantageously placed near the internal walls 16a of the shield 16.
  • the first distance d1 between the slider 13 and the second end 9b corresponds to the variable inductance L1 of the adapter. of impedance 1, the insulating window 19 makes it possible to achieve the fixed capacitance C2.
  • the third distance d3 is between the internal walls 13a in the transverse direction dtrans of the slider 13 and the walls of the central core 14.
  • the central core of the coaxial line section 12 has at least two cylindrical parts, extending in the coaxial direction dcoax, the at least two cylindrical parts having different diameters.
  • the at least two cylindrical parts are connected to each other by at least one shoulder.
  • the third distance d3 can vary between two values.
  • the impedance adapter 1 is dimensioned so as to propagate the energy in a Trans-Electro-Magnetic or TEM mode, in other words, a mode ensuring the same propagation at all frequencies below a maximum frequency f max .
  • the figure 7 represents the reflection coefficient as a function of frequency.
  • This graph was obtained by measuring the power reflected at the input of an impedance adapter 1 produced according to the invention.
  • reflection coefficient is understood to mean the ratio between the incident power and the reflected power. In this graph, the reflection coefficient is expressed in decibels.
  • the measurement is carried out for an impedance 1 adapter placed between a 50 ohm impedance Z E transmitter 3 and a 10 ohm Z R impedance receiver 4, the impedance adapter 1 used being made according to the first proposed embodiment ( figure 2 ).
  • the working frequency is 350 MHz.
  • the shield 16 of the adapter 1 is of frustoconical shape over the entire length according to the coaxial direction Dcoax of the section of coaxial line 12.
  • the adapter 1 has a length according to the coaxial direction dcoax of 40 mm, the radius of the frustoconical part. at the first end measure 10.1 mm and the radius of the frustoconical part at the level of the second end measures 9.76 mm.
  • the curve represented in figure 6 shows a peak for a frequency of 350 MHz.
  • the reflection coefficient is lower - 20 dB. This reflection coefficient corresponds to an almost perfect adaptation, the reflected power representing less than 1% of the incident power.

Description

  • L'invention concerne un adaptateur d'impédance réglable, et, plus précisément, un adaptateur d'impédance comprenant une inductance et une capacité variables simultanément.
  • L'adaptation d'impédance est une technique permettant d'optimiser le transfert d'une puissance électrique entre un émetteur et un récepteur, l'émetteur pouvant être une source électrique, un émetteur radio ou un générateur de micro-ondes, et, le récepteur pouvant être une antenne rayonnante, un plasma ou une charge quelconque d'impédance variable. Un circuit comprenant une inductance et une capacité est généralement utilisé pour simuler l'adaptation de l'impédance du récepteur. Les fréquences transmises sans atténuation sont celles pour lesquelles l'adaptation entre l'émetteur et le récepteur est réalisée.
  • La figure 1 est un schéma de principe d'un adaptateur d'impédance à coulisseaux isolants mobiles en translation, bien connu sous le nom d'adaptateur d'impédance de type « slug ».
  • L'adaptateur d'impédance 1 comprend une portion de ligne coaxiale 2 s'étendant selon une direction longitudinale dlong, la portion de ligne coaxiale 2 étant disposée entre un émetteur 3 et un récepteur 4.
  • Le tronçon de ligne coaxiale 2 comprend une âme centrale conductrice 5, un milieu électriquement isolant 6 entourant l'âme centrale 5, un blindage conducteur 7, et au moins une partie isolante 8a appelée « quart d'onde » mobile en translation selon la direction longitudinale dlong, la partie mobile coulissant sur l'âme centrale 5. Typiquement, le milieu électriquement isolant 6 est de l'air ou du vide. L'utilisation d'une unique partie mobile 8a peut permettre de compenser une différence d'impédance entre l'émetteur 3 et le récepteur 4 comprise entre 25 et 100 ohms. Avantageusement, l'utilisation de deux parties mobiles 8a ; 8b peut permettre de compenser une différence d'impédance entre l'émetteur et le récepteur de l'ordre de quelques ohms.à plusieurs centaines d'ohms.
  • Les parties mobiles 8a ; 8b ont une longueur selon la direction longitudinale de λ/4 avec λ = λ T / ε r 8 ,
    Figure imgb0001
     λT étant la longueur d'onde de travail dans le vide ou dans l'air de l'adaptateur d'impédance 1 et ε r8 étant la permittivité du matériau constituant les parties mobiles 8a et 8b. Le matériau des parties mobiles 8a ; 8b est typiquement du PolyTétraFluoroEthylène ou PTFE.
  • Un adaptateur d'impédance, selon l'art connu, peut être modélisé à l'aide d'un circuit électrique comprenant une inductance variable et deux capacités fixes. L'inductance est dépendante de la position des parties mobiles isolantes 8a ; 8b sur la portion de ligne coaxiale 2. Les documents US7449893 , US3792385 et EP2453518 décrivent des adaptateurs d'impédance variable.
  • Ces dispositifs d'adaptation sont bien appropriés pour des fréquences élevées au-delà du gigahertz. Elles sont, par contre, inappropriées à la réalisation de dispositifs compacts travaillant dans une gamme de longueurs d'ondes plus faibles. Les dispositifs auraient alors des dimensions trop importantes.
  • Dans ce contexte, il est proposé un adaptateur d'impédance de petites dimensions et permettant un ajustement d'impédance en fonction de deux paramètres variables simultanément une inductance et une capacité. Cet adaptateur est particulièrement adapté à des fréquences inférieures au gigahertz, et plus particulièrement dans une bande de fréquences comprise entre 100 et 900 MHz.
  • Selon un aspect de l'invention, il est proposé un adaptateur d'impédance réglable connecté à une première extrémité à un émetteur et à une deuxième extrémité à un récepteur. L'adaptateur comprend un tronçon de ligne coaxiale s'étendant selon une direction coaxiale, le tronçon de ligne coaxiale comprenant une âme centrale conductrice s'étendant selon la direction coaxiale, un milieu électriquement isolant entourant l'âme centrale et un blindage conducteur entourant le milieu électriquement isolant, et un coulisseau conducteur mobile en translation. Une première distance entre le coulisseau et la deuxième extrémité permet de faire varier l'inductance de l'adaptateur d'impédance. Une troisième distance selon une direction transverse à la direction coaxiale entre des parois externes du coulisseau conducteur et les parois internes du blindage est variable entre les deux extrémités du tronçon de ligne coaxiale et permet de faire varier une capacité de l'adaptateur d'impédance.
  • Ainsi, l'inductance et une capacité de l'adaptateur d'impédance dépendent de la position du coulisseau sur le tronçon de ligne coaxiale.
  • En d'autres termes, un unique mouvement de translation du coulisseau à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale permet de faire varier l'inductance et la capacité simultanément sur au moins une partie du tronçon de ligne coaxiale.
  • Selon l'invention, le coulisseau est mobile en translation selon la direction coaxiale.
  • Selon un mode de réalisation, le blindage comprend au moins une portion tronconique s'étendant selon la direction coaxiale permettant une variation d'une capacité de manière continue. Alternativement, le tronçon de ligne coaxiale comprend deux parties cylindriques de diamètres différents s'étendant selon la direction coaxiale et rejointes par un épaulement permettant une modulation de la capacité de manière discrète entre deux valeurs préalablement définies.
  • Une troisième distance entre les parois externes du coulisseau conducteur selon la direction transversale et les parois internes du blindage est supérieure à une valeur de seuil permettant de conserver une isolation suffisante entre le coulisseau et le blindage.
  • Avantageusement, le coulisseau est relié à un doigt de manœuvre isolant débouchant dans une rainure des parois du blindage, la rainure s'étendant selon la direction coaxiale, le doigt isolant étant destiné à être connecté à un système de déplacement selon la direction coaxiale. Avantageusement, le doigt de manœuvre est relié à un anneau isolant permettant de conserver une isolation suffisante entre le coulisseau conducteur et le blindage.
  • Avantageusement, une longueur du coulisseau selon la direction coaxiale est inférieure à λ/4 avec λ = λ T / ε r
    Figure imgb0002
     et λT étant la longueur d'onde de travail de l'adaptateur d'impédance dans l'air ou dans le vide. Une telle longueur permet l'élaboration d'un adaptateur compact.
  • Selon un autre mode de réalisation, l'âme centrale comprend au moins une portion tronconique. Alternativement, l'âme centrale comprend deux parties cylindriques ayant des diamètres différents rejointes par un épaulement et permettant une modulation de la capacité selon deux valeurs préalablement définies.
  • Une troisième distance entre les parois internes du coulisseau conducteur et les parois externes de l'âme centrale est supérieure à une valeur seuil permettant de conserver une isolation suffisante.
  • Avantageusement, le milieu électriquement isolant est un fluide diélectrique permettant avantageusement le refroidissement de l'adaptateur.
  • Avantageusement, une fenêtre isolante est disposée au niveau de la deuxième extrémité, entre les parois externes de l'âme centrale et les parois internes du blindage, la fenêtre isolante correspond à une capacité fixe de l'adaptateur d'impédance.
  • Avantageusement, l'épaisseur de la fenêtre isolante selon la direction coaxiale est inférieure à λ/4 avec λ = λ T / ε r 19
    Figure imgb0003
     et λT étant la longueur d'onde de travail dans l'air ou dans le vide de l'adaptateur et εr19 étant la permittivité du matériau isolant de la fenêtre isolante.
  • La fenêtre isolante comprend un matériau isolant de constante diélectrique supérieure à la constante diélectrique du matériau isolant.
  • L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par des dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1, déjà décrite, représente un schéma de principe d'un adaptateur d'impédance de type « slug » selon l'art connu,
    • la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un adaptateur d'impédance selon l'invention,
    • la figure 3 représente un cas particulier du premier mode de réalisation présenté sur la figure 2, selon l'invention.
    • la figure 4 représente un circuit électrique équivalent à l'adaptateur d'impédance, selon l'invention,
    • la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un adaptateur d'impédance, selon l'invention,
    • la figure 6 représente un cas particulier du deuxième mode de réalisation présenté sur la figure 5, selon l'invention, et
    • la figure 7 représente une mesure du coefficient de réflexion en fonction de la fréquence entre un émetteur et un récepteur, l'adaptation étant réalisée à l'aide d'un adaptateur d'impédance selon l'invention.
  • La figure 2 représente un mode de réalisation d'un adaptateur d'impédance.
  • L'adaptateur d'impédance 1, selon l'invention, est destiné à être connecté en une première extrémité 9a à un émetteur 3 et en sa deuxième extrémité 9b à un récepteur 4, l'émetteur 3 et le récepteur 4 n'étant pas représentés sur la figure 2.
  • L'adaptateur d'impédance 1 comprend un tronçon de ligne coaxiale 12, s'étendant selon une direction coaxiale dcoax, à l'intérieur duquel un coulisseau conducteur 13 est mobile en translation.
  • Le tronçon de ligne coaxiale 12 comprend une âme centrale conductrice 14, un milieu électriquement isolant 15 entourant l'âme centrale 14 et un blindage conducteur 16 entourant le matériau isolant 15.
  • On comprendra que le paramétrage précis des dimensions de l'adaptateur d'impédance 1 selon l'invention dépend du type d'application. Dans le cas d'une adaptation entre un générateur de micro-ondes et une enceinte dans laquelle un plasma est allumé, par exemple, l'adaptation à réaliser est fonction de la puissance du générateur de micro-ondes, de la nature du gaz utilisé pour générer le plasma ou de la pression de l'enceinte dans laquelle est allumé le plasma.
  • Une paroi interne 16a et une paroi externe 16b du blindage 16 présentent au moins une rainure 17, non visible sur la figure 2, de direction parallèle à la direction coaxiale dcoax permettant la manipulation du coulisseau 13.
  • Avantageusement, le matériau électriquement isolant 15 est un fluide diélectrique, pouvant être de l'air, un gaz, ou du vide, autrement dit, un gaz à une pression inférieure à la pression atmosphérique. Alternativement, le matériau isolant 15 peut être un fluide permettant avantageusement le refroidissement du tronçon de ligne coaxial 12. Eventuellement, le fluide peut être relativement visqueux permettant une lubrification des zones de frottement du coulisseau 13 avec l'âme centrale 14 ou le blindage 16 du tronçon de ligne coaxiale 12 ce qui facilite le déplacement du coulisseau 13 à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale 12.
  • Le coulisseau 13 est un élément comprenant un matériau conducteur, de symétrie de circonvolution autour de l'âme centrale 14. Il est mobile en translation à l'intérieur du tronçon de ligne selon la direction coaxiale. Avantageusement, la longueur du coulisseau 13 selon la direction coaxiale est inférieure à un quart d'onde. En d'autres termes, l'épaisseur du coulisseau 13 est inférieure à λ/4, avec λ = λ T / ε r 15
    Figure imgb0004
     et λT étant la longueur d'onde de travail dans l'air ou dans le vide de l'adaptateur d'impédance 1, ou, en d'autres termes, la longueur d'onde entrant dans l'adaptateur 1 et εr15 étant la permittivité du matériau isolant 15.
  • Une première distance d1 entre la deuxième extrémité 9b du tronçon de ligne coaxiale 12 et le coulisseau 13 permet de régler une inductance L1 de l'adaptateur d'impédance 1.
  • Avantageusement, le coulisseau 13 est relié à un doigt de manœuvre isolant 18 débouchant dans la rainure 17 des parois 16a ; 16b du blindage 16 et permettant le déplacement du coulisseau 13. Avantageusement, le doigt de manœuvre 18 est relié à un anneau isolant 18b entourant le coulisseau 13 et permettant de garantir une isolation entre le coulisseau 13 et le blindage 16 sur toute la longueur du tronçon de ligne 12. Alternativement, une troisième distance d3 selon une direction transverse à la direction coaxiale entre les parois externes 13b du coulisseau 13 et les parois internes 16a du blindage 16 est supérieure à une valeur de seuil d2seuil permettant ainsi d'isoler électriquement l'âme centrale conductrice 14 du blindage conducteur 16.
  • Le déplacement du coulisseau 13 peut être effectué manuellement ou automatiquement.
  • Le déplacement automatique du coulisseau 13, peut être réalisé à l'aide d'un micromoteur, non représenté sur la figure 2. Avantageusement, le micromoteur est asservi en position permettant un déplacement rapide du coulisseau 13, et, par voie de conséquence, une adaptation rapide, typiquement de l'ordre de 50 à 100 ms.
  • Dans le mode de réalisation décrit, au moins une portion du tronçon de ligne coaxiale 12 présente des parois internes 16a et externes 16b du blindage 16 de forme tronconique. Bien évidemment, les parois 16a et 16b du blindage 16 peuvent présenter une forme tronconique sur toute la longueur du tronçon 12 selon la direction coaxiale dcoax. Alternativement, seules les parois internes 16a du blindage 16 peuvent présenter au moins une portion de forme tronconique.
  • L'adaptateur selon l'invention présente une deuxième distance comprise entre les parois internes 16a du blindage et les parois de l'âme centrale, la deuxième distance variant entre la première et la deuxième extrémité 9a ; 9b.
  • La troisième distance d3 entre les parois externes 13b du coulisseau 13 et les parois internes 16a du blindage 16, selon la direction transverse dtrans, dépend de la première distance d1 entre le coulisseau 13 et la deuxième extrémité 9b du tronçon de ligne coaxiale 12.
  • Selon une variante de ce premier mode de réalisation représentée sur la figure 3, le blindage 16 du tronçon de ligne coaxiale 12 présente au moins deux parties cylindriques, s'étendant selon la direction coaxiale dcoax, les au moins deux parties cylindriques ayant des diamètres différents. Les au moins deux parties cylindriques étant connectées entre elles par au moins un épaulement 20. La troisième distance d3 peut alors varier entre deux valeurs.
  • La troisième distance d3 entre les parois externes 13b du coulisseau 13 et les parois internes 16a du blindage 16 permet de régler une première capacité C1 de l'adaptateur d'impédance 1 selon l'invention.
  • Avantageusement, le tronçon de ligne coaxiale 12 comprend une fenêtre isolante 19 au niveau de la deuxième extrémité 9b située entre des parois externes 14b de l'âme centrale 14 et les parois internes 16a du blindage 16. Avantageusement, la longueur de la fenêtre isolante 19, selon la direction coaxiale dcoax, est inférieure à un quart d'onde soit λ/4, avec λ = λ T / ε r 19
    Figure imgb0005
     et λT étant la longueur d'onde de travail dans l'air ou dans le vide de l'adaptateur d'impédance 1 et εr19 étant la permittivité du matériau isolant de la fenêtre isolante 19. Avantageusement, la constante diélectrique du matériau de la fenêtre isolante 19 présente une constante diélectrique supérieure à la constante diélectrique du matériau isolant 15. La fenêtre isolante 19 correspond à une capacité fixe C2 de l'adaptateur d'impédance 1, cette capacité fixe C2 étant non réglable.
  • La fenêtre isolante 19 peut avantageusement jouer le rôle de fenêtre étanche au vide lorsque l'adaptateur d'impédance 1 est utilisé entre un générateur de micro-ondes et une enceinte à plasma.
  • L'adaptation d'impédance 1 utilisant un adaptateur d'impédance 1 selon l'invention peut être modélisée à l'aide d'un circuit électrique représenté en figure 4 comprenant une inductance variable L1, une capacité variable C1 et une capacité fixe C2.
  • Dans l'exemple décrit en figure 2, le tronçon de ligne coaxiale 12 comprend un partie cylindrique et une partie tronconique selon la direction coaxiale dcoax. L'inductance variable L1 dépend de la première distance d1 selon la direction coaxiale dcoax entre le coulisseau 13 et la deuxième extrémité 9b, la capacité variable C2 dépend de la troisième distance d3 entre les parois externes 13b du coulisseau 13 selon la direction transverse dtrans et les parois internes 16a du blindage 16, la capacité fixe C2 correspond à la capacité induite par la présence de la fenêtre isolante 19.
  • Sur la partie tronconique du tronçon coaxiale 12, la troisième distance d3 entre les parois externes 13b du coulisseau 13 et les parois 16a internes du blindage 16 selon la direction transverse dtrans est dépendante de la première distance d1 entre le coulisseau 13 et la deuxième extrémité 9b de tronçon de ligne coaxiale 12. En d'autres termes, la capacité C1 et l'inductance L1 sont des paramètres variables, la capacité C1 étant dépendante de l'inductance L1.
  • En résumé, sur au moins une partie du tronçon de ligne coaxiale, un unique mouvement de translation du coulisseau permet de faire varier l'inductance et la capacité.
  • La dépendance entre les valeurs de la capacité et l'inductance induit une limitation de l'intervalle d'adaptation possible. Il est donc nécessaire de choisir judicieusement l'intervalle de valeurs en fonction de l'application choisie. La limitation de l'intervalle d'adaptation permet une adaptation d'impédance plus rapide.
  • Sur la partie cylindrique du tronçon de ligne coaxiale 12, la troisième distance d3 est indépendante de la première distance d1. En d'autres termes, il est possible de faire varier uniquement la valeur de l'inductance L1 sans modifier la valeur de la capacité variable C1.
  • Le circuit électrique modélisant l'adaptateur d'impédance 1 selon l'invention comprend deux capacités en parallèle, l'une variable C1 et l'autre fixe C2 et une inductance variable L1, la capacité variable C1 étant dépendante de l'inductance L1 sur la partie tronconique du tronçon de ligne coaxiale 12. Sur la partie cylindrique du tronçon de ligne coaxiale 12, la capacité variable C1 est constante.
  • Selon un autre mode de réalisation, il est proposé un adaptateur réglable présentant une deuxième distance constante d'une extrémité à une autre, la troisième distance selon la direction transverse dtrans à la direction coaxiale entre les parois externes du coulisseau 13b et les parois internes 16a du blindage 16 est variable. En d'autres termes, le coulisseau se déplace en translation à l'intérieur du tronçon de ligne selon une direction non parallèle à la direction coaxiale permettant de faire varier l'inductance et une capacité simultanément.
  • La figure 5 représente un deuxième mode de réalisation de l'adaptateur d'impédance, selon un aspect de l'invention.
  • L'adaptateur d'impédance 1 selon ce deuxième mode de réalisation comprend, comme précédemment, un tronçon de ligne coaxiale 12 comprenant une âme centrale 14, un matériau isolant 15 entourant l'âme centrale 14 et un blindage 16 entourant le matériau isolant 15. L'adaptateur 1 comprend en outre un coulisseau 13 conducteur mobile en translation à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale, et, éventuellement, une fenêtre isolante 19 située au niveau de la deuxième extrémité 9b.
  • Le mode de réalisation décrit dans cet exemple diffère du mode de réalisation précédent en ce que le blindage 16 est cylindrique sur toute la longueur du tronçon de ligne selon la direction coaxiale dcoax. Par contre, au moins une portion de l'âme centrale 14 est de forme tronconique selon la direction coaxiale. En variante, toute la longueur des parois l'âme centrale 14 selon la direction coaxiale dcoax est de forme tronconique. Le coulisseau 13 est de symétrie de révolution, il est avantageusement disposé à proximité des parois 16a internes du blindage 16. Comme précédemment, la première distance d1 entre le coulisseau 13 et la deuxième extrémité 9b correspond à l'inductance variable L1 de l'adaptateur d'impédance 1, la fenêtre isolante 19 permet de réaliser la capacité fixe C2. En l'espèce, la troisième distance d3 est comprise entre les parois 13a internes selon la direction transverse dtrans du coulisseau 13 et les parois de l'âme centrale 14.
  • Selon une variante de ce premier mode de réalisation représentée sur la figure 6, l'âme centrale du tronçon de ligne coaxiale 12 présente au moins deux parties cylindriques, s'étendant selon la direction coaxiale dcoax, les au moins deux parties cylindriques ayant des diamètres différents. Les au moins deux parties cylindriques sont connectées entre elles par au moins un épaulement. La troisième distance d3 peut varier entre deux valeurs.
  • De manière générale, l'adaptateur d'impédance 1 est dimensionné de manière à propager l'énergie selon un mode Trans-Electro-Magnetique ou TEM, autrement dit, un mode assurant la même propagation à toutes les fréquences inférieures à une fréquence maximale fmax.
  • Plus précisément, pour un rapport entre le rayon b du tronçon de ligne coaxiale 12 et le rayon a de l'âme centrale 14 donné, la valeur maximale permise pour b est donnée par la formule : b = 9,07 f max 1 + a / b ε r
    Figure imgb0006
  • Les valeurs de l'inductance variable L1 et de la capacité variable C1 peuvent être calculées comme suit : L 1 = μ 0 2 π Ln b a . d 1 et C 1 = 2 πε 0 ε r ln b a . d 2
    Figure imgb0007
    • L1 : inductance variable
    • C1 : capacité variable
    • µ0 :perméabilité du vide
    • d1 : distance entre le coulisseau 13 et la deuxième extrémité 9b du tronçon de ligne coaxiale
    • d2 : distance entre les parois externes 13b du coulisseau et les parois internes 16a ou distance entre les parois internes 13a du coulisseau 13 et les parois de l'âme centrale 14
    • b : rayon du tronçon de ligne coaxiale
    • a : rayon de l'âme centrale
    • εo : permittivité du vide
    • εr : permittivité du matériau isolant entre le coulisseau 13 et le blindage 16. fmax : la fréquence maximale.
  • La figure 7 représente le coefficient de réflexion en fonction de la fréquence.
  • Ce graphique a été obtenu en mesurant la puissance réfléchie à l'entrée d'un adaptateur d'impédance 1 réalisé selon l'invention.
  • On entend par « coefficient de réflexion » le rapport entre la puissance incidente et la puissance réfléchie. Sur ce graphique, le coefficient de réflexion est exprimé en décibel.
  • La mesure est réalisée pour un adaptateur l'impédance 1 disposé entre un émetteur 3 d'impédance ZE de 50 ohms et un récepteur 4 d'impédance ZR de 10 ohms, l'adaptateur d'impédance 1 utilisé étant réalisé selon le premier mode de réalisation proposé (figure 2). La fréquence de travail est de 350 MHz.
  • Le blindage 16 de l'adaptateur 1 est de forme tronconique sur toute la longueur selon la direction coaxiale Dcoax du tronçon de ligne coaxiale 12. L'adaptateur 1 a une longueur selon la direction coaxiale dcoax de 40 mm, le rayon de la partie tronconique au niveau de la première extrémité mesure 10,1 mm et le rayon de la partie tronconique au niveau de la deuxième extrémité mesure 9,76 mm.
  • Dans ces conditions, la courbe représentée en figure 6 présente un pic pour une fréquence de 350 MHz. Pour cette valeur de fréquence, le coefficient de réflexion est inférieure - 20 dB. Ce coefficient de réflexion correspond à une adaptation quasiment parfaite, la puissance réfléchie représentant moins de 1% de la puissance incidente.

Claims (14)

  1. Adaptateur d'impédance réglable pouvant être connecté à une première extrémité (9a) à un émetteur (3) et à une deuxième extrémité (9b) à un récepteur (4), l'adaptateur (1) comprenant un tronçon de ligne coaxiale (12) s'étendant selon une direction coaxiale (dcoax), le tronçon de ligne coaxiale (12) comprenant une âme centrale conductrice (14) s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax), un milieu isolant (15) entourant l'âme centrale (14) et un blindage conducteur (16) entourant le matériau isolant (15) et un coulisseau conducteur (13) mobile en translation à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale (12), l'adaptateur étant configuré de manière à ce que une première distance (d1) entre le coulisseau (13) et la deuxième extrémité (9b) permet de faire varier l'inductance (L1) de l'adaptateur d'impédance (1), une deuxième distance (d2) comprise entre des parois internes (16a) du blindage et des parois de l'âme centrale (14), varie entre la première et la deuxième extrémité (9a, 9b), une troisième distance (d3) selon une direction transverse (dtrans) à la direction coaxiale (dcoax) soit entre les parois externes (13b) du coulisseau (13) conducteur selon la direction transverse (dtrans) et les parois internes (16a) du blindage (16) soit entre les parois (13a) internes selon la direction transverse (dtrans) du coulisseau (13) et les parois de l'âme centrale (14) est variable entre les deux extrémités (9a ; 9b) du tronçon de ligne coaxiale (12) et permet de faire varier une capacité de l'adaptateur d'impédance, la capacité et l'impédance varie simultanément sur au moins une partie du tronçon de ligne coaxiale au cours d'un unique mouvement de translation du coulisseau le long du tronçon de ligne coaxiale.
  2. Adaptateur selon la revendication 1 dans lequel le blindage (16) comprend au moins une portion tronconique s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax).
  3. Adaptateur selon la revendication 1 dans lequel le blindage (16) comprend deux parties cylindriques de diamètres différents et s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax), rejointes par un épaulement (20).
  4. Adaptateur selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le coulisseau (13) est relié à un doigt de manœuvre isolant (18) débouchant dans une rainure (17) des parois (16a ; 16b) du blindage (16), la rainure (17) s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax), le doigt de manœuvre (18) étant destiné à être connecté à un système de déplacement selon la direction coaxiale (dcoax).
  5. Adaptateur selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel la troisième distance (d3) entre les parois externes (13b) du coulisseau (13) conducteur selon la direction transverse (dtrans) et les parois internes (16a) du blindage (16) est supérieure à une valeur de seuil permettant de conserver une isolation entre le coulisseau conducteur (13) et le blindage conducteur (16).
  6. Adaptateur selon la revendication 4 dans lequel le doigt de manœuvre (18) est relié à un anneau isolant (18a) entourant le coulisseau (13) et permettant de conserver une isolation suffisante entre le coulisseau conducteur (13) et le blindage conducteur (16).
  7. Adaptateur selon la revendication 1 dans lequel l'âme centrale (14) comprend au moins une portion tronconique s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax) permettant de faire varier une capacité (C1) de l'adpatateur d'impédance..
  8. Adaptateur selon la revendication 1 dans lequel l'âme centrale (14) comprend deux parties cylindriques de diamètres différents, s'étendant selon la direction coaxiale (dcoax), rejointes par un épaulement.
  9. Adaptateur selon l'une des revendications 7 ou 8 dans lequel la troisième distance (d3) entre les parois internes (13a) du coulisseau conducteur (13) et les parois externes (14b) de l'âme centrale (14) est supérieure à une valeur de seuil permettant de conserver un isolation suffisante entre le coulisseau conducteur (13) et le blindage conducteur (16).
  10. Adaptateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel une longueur du coulisseau (13) selon la direction coaxiale (dcoax) est inférieure à λ/4 avec λ = λ T / ε R 15
    Figure imgb0008
     et λT étant la longueur d'onde de travail dans l'air ou le vide de l'adaptateur d'impédance et ε R15 étant la permittivité du matériau isolant (15).
  11. Adaptateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le matériau isolant (15) est un fluide diélectrique.
  12. Adaptateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel une fenêtre isolante (19) est située à une des extrémités (9a ; 9b) de l'adaptateur d'impédance 1 entre les parois (14b) de l'âme centrale (14) et les parois internes (16a) du blindage (16).
  13. Adaptateur selon la revendication 12 dans lequel l'épaisseur de la fenêtre isolante (19) selon la direction coaxiale (dcoax) est inférieure à λ/4 avec λ = λ T / ε R 19
    Figure imgb0009
     et λT étant la longueur d'onde de travail dans l'air ou dans le vide de l'adaptateur d'impédance et ε R19 étant la permittivité du matériau de la fenêtre isolante (19).
  14. Adaptateur selon la revendication 12 ou 13 dans lequel la fenêtre isolante (19) comprend un matériau isolant de constante diélectrique supérieure à la constante diélectrique du matériau isolant (15).
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