EP4572005A1 - Charge pour circuit hyperfréquence - Google Patents

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Publication number
EP4572005A1
EP4572005A1 EP24218519.7A EP24218519A EP4572005A1 EP 4572005 A1 EP4572005 A1 EP 4572005A1 EP 24218519 A EP24218519 A EP 24218519A EP 4572005 A1 EP4572005 A1 EP 4572005A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
load
waveguide
transmission lines
additive manufacturing
interest
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24218519.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent BRU
Damien Pacaud
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP4572005A1 publication Critical patent/EP4572005A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/24—Terminating devices
    • H01P1/26—Dissipative terminations
    • H01P1/264—Waveguide terminations
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/24—Terminating devices
    • H01P1/26—Dissipative terminations
    • H01P1/262—Dissipative terminations the dissipative medium being a liquid or being cooled by a liquid

Definitions

  • the invention lies in the field of microwave frequencies, and relates more particularly to the production of a load, i.e. a component intended to be fixed at the end of a waveguide, and whose function is to absorb the RF energy delivered to it and to transform it into thermal energy.
  • a load i.e. a component intended to be fixed at the end of a waveguide, and whose function is to absorb the RF energy delivered to it and to transform it into thermal energy.
  • Termination loads are microwave components designed to transform electromagnetic energy transmitted to them into thermal energy in order to dissipate it. They are used to make signals of no interest disappear. For example, they are frequently found in association with couplers, in order to orient the signal power, or with circulators configured to act as isolators.
  • the most common state-of-the-art solution for microwave loading is to insert into a short-circuited waveguide portion an absorbing material such as silicon carbide (SIC) or Eccosorb TM , Eccosorb TM being a rigid material composed of magnetically charged epoxy bars or sheets.
  • SIC silicon carbide
  • Eccosorb TM being a rigid material composed of magnetically charged epoxy bars or sheets.
  • FIG. 1 represents a guided load according to the state of the art.
  • the load 100 comprises a flange 101, by which it is connected to the waveguide 110 of which it is to serve as a termination, hereinafter called “waveguide to be terminated”.
  • the flange 101 could be replaced by any holding means.
  • the load 100 could be welded to the waveguide. It then comprises two distinct parts: a waveguide part 102, made of aluminum, and an absorbing part 103, made of silicon carbide or Eccosorb TM .
  • An aim of the invention is therefore to propose a microwave load which is not very complex and inexpensive to manufacture, without absorbent material, and which has good performance, so that it can be used instead of loads based on absorbent material.
  • Another aim of the invention is therefore to propose a compact solution that can be easily integrated into the design of radiocommunications equipment.
  • the present invention relates to a load configured to maximize signal dissipation by exploiting surface current losses of waveguides.
  • the proposed load is entirely metallic, which allows it to be manufactured very simply, and to be easily integrated into the design of equipment.
  • the load is configured to form, at the end of the waveguide, a plurality of transmission lines of different lengths each terminated by a short circuit.
  • the dimensions of the formed transmission lines are chosen so as to increase the intensity of the currents of electromagnetic waves carried in the waveguide in the appropriate frequency range.
  • the load according to the invention is configured to attenuate signals in a frequency band of interest.
  • the dimensions of each transmission line are adapted to resonate in a particular frequency sub-band of the frequency band of interest, so that jointly, the transmission lines make it possible to attenuate the entire frequency band of interest.
  • the transmission lines have lengths close to ⁇ g /4, with ⁇ g the guided wavelength in the frequency band of interest, and less than ⁇ g .
  • the transmission line(s) formed have a section smaller than the section of the waveguide in at least one direction.
  • the plurality of transmission lines of different lengths terminated by a short circuit are arranged radially.
  • the transmission lines are formed hollow in the load.
  • the load can then be configured to fit into the waveguide, and the transmission lines can be positioned within the waveguide.
  • the load may further comprise coils configured to allow the circulation of a cooling liquid.
  • the charge according to the invention is entirely metallic. It can then advantageously be produced by additive manufacturing.
  • it is formed from a metal whose conductivity is lower than the conductivity of the waveguide, such as titanium or Inconel TM .
  • the invention relates to a computer program product comprising computer-executable instructions which, when executed by a processor, enable an additive manufacturing device to be controlled for manufacturing a load according to the invention.
  • a waveguide is a tubular metal device that guides electromagnetic waves while keeping them confined. They are therefore used as transmission lines, typically to connect transmitting or receiving equipment and its antenna. Waveguides can have round or oval cross-sections, but most often have rectangular cross-sections, and are hollow.
  • electromagnetic waves propagate by reflection.
  • the way electromagnetic waves propagate varies depending on the waveguide format: the size of the waveguides is therefore chosen according to the frequency band of the signals to be transmitted.
  • L denotes the width of the waveguide and h the height of its section, with L ⁇ h.
  • the height h of the waveguide influences the intensity of the currents propagating through it, which increases as the height of the guide decreases.
  • Most waveguides have a height equal to half their width, as this configuration is optimal in terms of propagation.
  • the invention is subsequently illustrated by embodiments aimed at terminating a rectangular waveguide since this is the most widespread type of waveguide.
  • the principles set out also apply to waveguides having circular, oval, or other sections.
  • the invention proposes to produce a load, not by inserting an absorbent material into a metallic waveguide, but by exploiting the losses inherent in a transmission line, by passing the electromagnetic wave through an environment unfavorable to its propagation.
  • the load according to the invention can be entirely metallic, which allows it to be machined in a simple manner, for example by additive manufacturing.
  • the invention proposes a load designed and dimensioned so as to amplify losses.
  • the load according to the invention is configured to form several transmission lines terminated by a short circuit (in English stub ) , positioned at the end of the waveguide to be terminated.
  • the transmission lines formed by the load according to the invention have a reduced height relative to the waveguide to be terminated, which has the effect of increasing the intensity of the voltages and currents transported in the waveguide, and consequently the losses by heating of the support during the reflection of the electromagnetic wave.
  • FIG. 2a represents an embodiment of a charge according to the invention.
  • the arrows represent the amplitude of the electric field.
  • the load 200 comprises a plurality (five in the example of the Figure 2a ) of short-circuited transmission lines 201 to 205, each in the form of a waveguide of width L, height h' and length l 1 to l 5 terminated by a partition forming a short circuit.
  • Each waveguide has a different length. They are positioned so as to form a set of slots parallel to the major axis of the section of the waveguide to be terminated.
  • the load 200 does not include a device for matching the impedance of the waveguide to be terminated with the impedance of the waveguides 201 to 205. This involves dividing the received wave by a set of slots, so that the wave propagates in a maximum number of small waveguides of short lengths.
  • the device "splits" the electric field into elementary sub-fields associated with different frequency bands, and which evolve in the waveguides 201 to 205 tuned to their frequency band.
  • the length of the waveguides (or stubs) 201 to 205 is close to ⁇ g / 4 , with ⁇ g the guided wavelength in the frequency band of interest.
  • Each waveguide 201 to 205 is adapted for a frequency sub-band among the total frequency band considered by adjusting its length.
  • Each slot therefore resonates for a given sub-band, and absorbs the energy on this sub-band in the manner of a load. It therefore dissipates the signal power on a frequency sub-band only.
  • the device resonates for several distinct sub-bands, which may overlap.
  • the number of slots, their heights and lengths are therefore chosen according to the total frequency bandwidth of interest, the conductivity of the medium, the targeted matching and the coupling between the slots, so that together the slots attenuate the power in the entire frequency band of interest.
  • the different waveguides 201 to 205 act as short-circuited resonators for neighboring frequency bands, the joint response of which makes it possible to adapt the frequency band to attenuate a frequency band of interest, and to adapt the quality factor of the load.
  • the height of the waveguides 201 to 205 can vary, which makes it possible to adapt the intensity of the currents in the waveguides.
  • the use of waveguides of the same heights makes it possible to select the height maximizing the ratio between the intensity of the currents (and therefore the losses) and the design feasibility.
  • waveguides 201 to 205 are straight. However, the same results can be obtained with waveguides of any shape (for example folded, rolled, etc.).
  • the load may or may not be equipped with a fixing means such as a flange (not shown).
  • FIG. 2b represents, by gray levels, the current density in a waveguide at the origin of the losses associated with a frequency sub-band.
  • the current intensity, and therefore the losses, increases sharply at the end of each of the transmission lines.
  • FIG. 2c represents a perspective view of an embodiment of a load according to the invention.
  • the load comprises a wall 210 in which are housed 8 slots 211 to 218, each corresponding to a short-circuited waveguide tuned to a distinct frequency sub-band.
  • the load according to the embodiments presented to the Figures 2a And 2c is very compact, allowing it to be easily integrated into any equipment design. Its weight and size are very small compared to known state-of-the-art loads. It requires precise knowledge of the parameters and models for its design, and sufficiently careful production so that the electrical timing of the waveguides meets expectations.
  • the load according to the embodiments presented to the Figures 2a And 2c is easily integrated into a design since it does not extend beyond the section of the waveguide to be terminated.
  • the number of waveguides positioned in parallel is limited by the height of the waveguide to be terminated, and therefore the performance of the load is also limited.
  • FIG. 2d presents another embodiment of a load according to the invention, in which the waveguides 221 to 236 are positioned radially, parallel to the major axis of the section of the waveguide to be terminated, unlike the Figures 2a And 2c , where the waveguides terminating the load start at the same level.
  • This embodiment makes it possible to densify the number of waveguides (it is doubled compared to the embodiment described in Figure 2c ), and thus improve the load performance or increase the width of the load operating frequency bandwidth, at the cost of a slightly larger footprint.
  • the resonant waveguides so as to absorb the power transmitted in the waveguide to be terminated are distributed regularly on the end of the waveguide, for example on a plane ( Figures 2a And 2c ), on a rounded end ( figure 2d ) or on a slope.
  • the load here comprises a flange 241 allowing it to be fixed on the waveguide to be finished.
  • FIG. 2f represents a finished load according to the invention, in transparency (A) and after having been dressed in material (B), in the case of a waveguide in WR51 technology with 8 parallel slots.
  • the load here comprises a flange 242 allowing it to be fixed on the waveguide to be finished.
  • FIG 2g shows the measured performances of a load according to the invention.
  • the measurements were made for four different arrangements A 1 to A 4 of slots, without the application of any chemical treatment.
  • Arrangement A 1 relates to a load with a set of 8 parallel slots, as shown in Figure 2c
  • arrangements A 2 to A 4 involve loads with a set of 16 radial slots, as shown in figure 2d .
  • An average adaptation of approximately 12 dB is observed over the entire 17 GHz - 21.5 GHz frequency band. The adaptation is more homogeneous across the band for arrangements with 16 radial slots.
  • FIG. 2h presents another embodiment of a load according to the invention.
  • This load 250 takes up the characteristics of the load of the Figure 2a .
  • the transmission lines 251 to 255 are formed hollow in the load.
  • This embodiment has the advantage of being very compact. It is also compatible with a radial arrangement of the short-circuited transmission lines.
  • FIG. 2i presents another embodiment of a load according to the invention, in which the load 260 is reentrant, that is to say that it extends to inside the waveguide to be closed 261.
  • the transmission lines 271 to 275 are formed hollow in the load, so as to form a set of short-circuited slots positioned at the end of the waveguide 260.
  • this solution is particularly advantageous since the load is inserted into the waveguide.
  • the load 200 according to the invention has the advantage of being completely metallic. It can thus be made of a metal or metal alloy having high conductivity losses, such as for example titanium or Inconel TM .
  • waveguides are generally made of aluminum, which has good conductivity properties and is light in weight. Propagation losses increase when the conductivity of the support decreases.
  • a metal whose conductivity is lower than that of aluminum the losses of the load according to the invention are increased. For example, the length of a waveguide necessary to dissipate a signal is divided by two between an aluminum waveguide (electrical conductivity of 36.9 MSiemens/m) and a titanium waveguide (electrical conductivity of 2.4 MSiemens/m).
  • the load 200 can be designed in a metal treated so as to degrade its porosity.
  • the load can be designed using an additive manufacturing technique.
  • Additive manufacturing refers to the design of three-dimensional metal parts from successive thin layers of metal powder melted by a laser beam coupled with a CAD model of the part to be produced. The part is then built layer by layer, unlike machining, which proceeds by removing material. This is the equivalent of 3D printing for metal.
  • Additive manufacturing makes it possible to quickly and easily design metal parts with degraded porosity (Ra), with conductivity typically reduced by a factor of 5 to 10. This degradation of the porosity of the load reduces the equivalent conductivity of the metal used to make the load, which further increases losses and corresponds to the desired objective.
  • the porosity of the filler can be artificially degraded by additive manufacturing, or by any other method, such as using chemical treatments.
  • the load 200 according to the invention therefore meets the expressed need to thermally dissipate the electromagnetic energy supplied to it. Rather than absorbing it, the energy is dissipated by metal waveguides exhibiting significant losses in distinct frequency sub-bands.
  • the load according to the invention can be made from a single piece, and by additive manufacturing, which makes it inexpensive, not very complex to produce, and infinitely replicable from a 3D file.
  • any component for example a coupler or an antenna source. It can possibly be manufactured jointly with this component. Its shape can then be adapted to that of the component so as to occupy wasted spaces. Such joint manufacturing reduces the volume of the assembly, manufacturing costs, and improves the reliability of the component.
  • additive manufacturing makes it possible to interweave coils dedicated to the circulation of a cooling liquid directly in the load (for example between the waveguides 201 to 205), in order to improve the dissipation of the thermal energy produced.
  • the various embodiments presented of a load according to the invention achieve the desired objectives.
  • high-loss transmission lines they make it possible to manufacture a load without absorbent material, which is of significant interest in terms of temperature stability, stability over time, cost, time and manufacturing complexity.
  • the invention can be arranged in different ways, each having particular performance characteristics, manufacturing complexity and compactness.
  • the loads according to the invention can be further improved by the use of low-conductivity metals, generally not considered for the manufacture of microwave materials, by producing them by additive manufacturing processes, or by subjecting them to chemical treatments intended to increase their porosity.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a load by additive manufacturing.
  • additive manufacturing makes it possible to quickly and simply design metallic loads having degraded porosity, which is usually problematic but proves advantageous in the context of a load since this degradation of the porosity reduces the equivalent conductivity of the metal used to make the load, which further increases the losses and corresponds to the desired objective.
  • the electronic file can be obtained by software modeling (in English Computer Aided Design, or CAD) and/or by scanning the surface of the load to measure its surface configuration (in English scanning).
  • Many file formats are possible, such as Stereolithography or "Standard Tessellation Language" files (.stl files), Additive Manufacturing File (.amf files), AutoCad (.dwg files), Blender (.blend files), Parasolid (.x_t files), 3D Manufacturing Format (.3mf files), Autodesk (3ds files), Collada (.dae files) and Wavefront (.obj files), among others.
  • the electronic file can be converted into a set of instructions executable by a processor, allowing it to control an additive manufacturing device in order to produce the load according to the geometric arrangement considered.
  • the conversion may consist of converting the file into a set of layers to be sequentially formed by the additive manufacturing device.
  • the additive manufacturing device (3D printer) executes the instructions transmitted to it to manufacture the load according to the invention.
  • the electronic file can be saved in different formats, and saved on a storage medium capable of being read by a computer.

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

L'invention porte sur une charge métallique (200) pour la terminaison d'un guide d'onde (110) dans un circuit hyperfréquence. La charge est configurée pour former une pluralité (221 à 236) de lignes de transmissions de longueurs différentes terminées par un court-circuit à l'extrémité du guide d'onde, les dimensions des lignes des lignes de transmissions formées étant choisies de manière à augmenter l'intensité des courants des ondes électromagnétiques transportés dans le guide d'onde.
L'invention porte également sur la fabrication de la charge par un procédé de fabrication additive.

Description

    Domaine technique :
  • L'invention se situe dans le domaine des hyperfréquences, et porte plus particulièrement sur la réalisation d'une charge, c'est-à-dire un composant destiné à être fixé en bout de guide d'onde, et dont la fonction est d'absorber l'énergie RF qui lui est délivrée et de la transformer en énergie thermique.
    • Technique antérieure :
  • Les charges (en anglais load ou termination load) sont des composants hyperfréquence destinés à transformer une énergie électromagnétique qui leur est transmise en énergie thermique afin de la dissiper. Elles servent à faire disparaître des signaux n'ayant pas d'intérêt. On en trouve par exemple fréquemment en association avec des coupleurs, afin d'orienter la puissance du signal, ou avec des circulateurs configurés pour jouer le rôle d'isolateurs.
  • La solution la plus répandue de l'état de l'art pour une charge hyperfréquence consiste à insérer dans une portion de guide d'onde court-circuitée un matériau absorbant tel que le carbure de silicium (SIC) ou l'Eccosorb™, l'Eccosorb™ étant un matériau rigide composé de barres ou de feuilles d'époxydes chargées magnétiquement.
  • La figure 1 représente une charge guidée selon l'état de l'art. La charge 100 comprend une bride 101, par laquelle elle est raccordée au guide d'onde 110 dont elle doit servir de terminaison, nommé par la suite « guide d'onde à terminer ». La bride 101 pourrait être remplacée par n'importe quel moyen de maintien. Par exemple, la charge 100 pourrait être soudée au guide d'onde. Elle comprend ensuite deux parties distinctes : une partie guide d'onde 102, en aluminium, et une partie absorbante 103, en carbure de silicium ou en Eccosorb™.
  • Cette solution présente cependant plusieurs défauts :
    • l'usinage de la partie absorbante 103 est complexe, de même que l'assemblage précis de la partie absorbante 103 avec le guide d'onde 102. La fabrication de la charge 101 est donc complexe et coûteuse,
    • les matériaux absorbants, en particulier le silicium de carbure, présentent une instabilité en température. Les performances de la charge ne sont donc pas stables dans le temps,
    • communiquer la chaleur du matériau absorbant 103 vers le métal du guide d'onde 102 pour la dissiper est complexe, ce qui peut entraîner des limitations sur les cas applications en fonction de la puissance des signaux absorbés,
    • les délais de fabrication sont longs.
  • Un but de l'invention est donc de proposer une charge hyperfréquence qui soit peu complexe et peu coûteuse à fabriquer, sans matériau absorbant, et qui présente de bonnes performances, afin de pouvoir être utilisée en lieu et place des charges à base de matériau absorbant.
  • En outre, certains équipements, comme par exemple les antennes satellites, peuvent contenir plusieurs centaines de charges. Un autre but de l'invention est donc de proposer une solution compacte et pouvant être intégrée facilement dans le design d'un équipement de radiocommunications.
    • Résumé de l'invention :
  • A cet effet, la présente invention porte sur une charge configurée pour maximiser la dissipation des signaux en exploitant les pertes par courants de surface des guides d'ondes. La charge proposée est totalement métallique, ce qui lui permet d'être fabriquée très simplement, et de s'intégrer facilement au sein du design d'un équipement.
  • Elle décrit une charge pour la terminaison d'un guide d'onde dans un circuit hyperfréquence. La charge est configurée pour former, à l'extrémité du guide d'onde, une pluralité de lignes de transmissions de longueurs différentes terminées chacune par un court-circuit. Les dimensions des lignes de transmissions formées sont choisies de manière à augmenter l'intensité des courants des ondes électromagnétiques transportés dans le guide d'onde dans la gamme de fréquence appropriée.
  • La charge selon l'invention est configurée pour atténuer des signaux dans une bande de fréquence d'intérêt. Les dimensions de chaque ligne de transmission sont adaptées pour résonner dans une sous-bande de fréquences particulière de la bande de fréquence d'intérêt, de sorte que conjointement, les lignes de transmissions permettent d'atténuer l'ensemble de la bande de fréquence d'intérêt.
  • Avantageusement, les lignes de transmission ont des longueurs proches de λg/4, avec λg la longueur d'onde guidée dans la bande de fréquence d'intérêt, et inférieures à λg.
  • Avantageusement, la ou les lignes de transmission formées ont une section inférieure à la section du guide d'onde dans au moins une direction.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, la pluralité de lignes de transmissions de longueurs différentes terminées par un court-circuit sont disposées radialement.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, les lignes de transmission sont formées en creux dans la charge.
  • Avantageusement, la charge peut alors être configurée pour s'insérer dans le guide d'onde, et les lignes de transmission peuvent être positionnées à l'intérieur du guide d'ondes.
  • Avantageusement, la charge peut en outre comprendre des serpentins configurés pour permettre la circulation d'un liquide de refroidissement.
  • Avantageusement, la charge selon l'invention est intégralement métallique. Elle peut alors avantageusement être réalisée par fabrication additive.
  • Avantageusement, elle est formée dans un métal dont la conductivité est inférieure à la conductivité du guide d'onde, tel que le titane ou l'lnconel™.
  • Avantageusement, elle est traitée de manière à dégrader la porosité du métal qui la compose. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une charge par fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de :
    • obtention d'un fichier électronique représentant une géométrie d'une charge selon l'invention, et
    • contrôle d'un dispositif de fabrication additive pour fabriquer la charge selon la géométrie spécifiée dans ledit fichier électronique.
  • Enfin, l'invention porte sur un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions exécutables par ordinateur qui, lorsqu'exécutées par un processeur, permettent de contrôler un dispositif de fabrication additive pour fabriquer une charge selon l'invention.
    • Brève description des figures :
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées qui suivent, données à titre d'exemple.
    • [Fig. 1] La figure 1 représente une charge guidée selon l'état de l'art ;
    • [Fig. 2a] La figure 2a représente un mode de réalisation d'une charge selon l'invention comprenant une pluralité de fentes parallèles.
    • [Fig. 2b] La figure 2b représente la densité de courant dans une fente d'une charge telle que décrite à la figure 2a.
    • [Fig. 2c] La figure 2c représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une charge selon l'invention comprenant une pluralité de fentes parallèles.
    • [Fig. 2d] La figure 2d représente un mode de réalisation d'une charge selon l'invention comprenant une pluralité de fentes radiales.
    • [Fig. 2e] La figure 2e représente une charge finalisée selon l'invention à 16 fentes radiales, en transparence et après avoir été habillée de matière.
    • [Fig. 2f] La figure 2f représente une charge finalisée selon l'invention à 8 branches parallèles, en transparence et après avoir été habillée de matière.
    • [Fig. 2g] La figure 2g présente les performances mesurées d'une charge selon l'invention.
    • [Fig. 2h] La figure 2h représente un mode de réalisation d'une charge selon l'invention.
    • [Fig. 2i] La figure 2i représente un mode de réalisation d'une charge selon l'invention.
  • Des références identiques sont utilisées dans des figures différentes lorsque les éléments désignés sont les mêmes.
    • Description détaillée :
  • Un guide d'onde est un dispositif tubulaire métallique permettant de guider les ondes électromagnétiques tout en les maintenant confinées. Ils sont donc utilisés comme lignes de transmissions, typiquement pour faire le lien en un équipement d'émission ou de réception et son antenne. Les guides d'ondes peuvent avoir des sections rondes ou ovales, mais ont la plupart du temps des sections rectangulaires, et sont creux.
  • A l'intérieur d'un guide d'onde, la propagation des ondes électromagnétiques se fait par réflexions. La manière dont les ondes électromagnétiques se propagent varie en fonction du format du guide d'onde : la taille des guides d'ondes est donc choisie en fonction de la bande de fréquence des signaux à transmettre. Pour un guide d'onde à section rectangulaire, on notera L la largueur du guide d'onde et h la hauteur de sa section, avec L ≥ h. La hauteur h du guide d'onde influe sur l'intensité des courants qui s'y propagent, qui augmente lorsque la hauteur du guide diminue. La plupart des guides d'onde ont une hauteur égale à la moitié de leur largeur, car cette configuration est optimale en termes de propagation.
  • Par la suite, l'invention est illustrée par des modes de réalisation visant à terminer un guide d'onde rectangulaire car c'est le type de guide d'onde le plus répandu. Cependant, les principes énoncés s'appliquent également pour des guides d'ondes ayant des sections circulaires, ovales, ou autres.
  • L'invention propose de réaliser une charge, non pas par l'insertion d'un matériau absorbant dans un guide d'onde métallique, mais en exploitant les pertes inhérentes à une ligne de transmission, en faisant transiter l'onde électromagnétique dans un environnement défavorable à sa propagation. La charge selon l'invention peut être totalement métallique, ce qui permet de pouvoir l'usiner de manière simple, comme par exemple par fabrication additive.
  • L'invention propose une charge conçue et dimensionnée de manière à amplifier les pertes. Pour ceci, la charge selon l'invention est configurée pour former plusieurs lignes de transmissions terminées par un court-circuit (en anglais stub), positionnées à l'extrémité du guide d'onde à terminer. Les lignes de transmissions formées par la charge selon l'invention ont une hauteur réduite par rapport au guide d'onde à terminer, ce qui a pour effet d'augmenter l'intensité des tensions et courants transportés dans le guide d'onde, et par conséquent les pertes par échauffement du support lors de la réflexion de l'onde électromagnétique.
  • La figure 2a représente un mode de réalisation d'une charge selon l'invention. Les flèches représentent l'amplitude du champ électrique.
  • Dans ce mode de réalisation, la charge 200 comprend une pluralité (cinq dans l'exemple de la figure 2a) de lignes de transmission court-circuitées 201 à 205, sous la forme chacune d'un guide d'onde de largeur L, de hauteur h' et de longueur l1 à l5 terminé par une cloison formant un court-circuit. Chaque guide d'onde a une longueur différente. Ils sont positionnés de manière à former un jeu de fentes parallèles au grand axe de la section du guide d'onde à terminer.
  • La charge 200 ne comprend pas de dispositif permettant l'adaptation de l'impédance du guide d'onde à terminer avec l'impédance des guides d'onde 201 à 205. Il s'agit en effet de diviser l'onde reçue par un jeu de fentes, afin que l'onde se propage dans un maximum de petits guides d'onde de faibles longueurs. Le dispositif « fend » le champ électrique en sous-champs élémentaires associés à des bandes de fréquence différents, et qui évoluent dans les guides d'onde 201 à 205 accordées à leur bande de fréquence.
  • En pratique, la longueur des guides d'onde (ou stubs) 201 à 205 est voisine de λg/4, avec λg la longueur d'onde guidée dans la bande de fréquence d'intérêt. Chaque guide d'onde 201 à 205 est adapté pour une sous-bande de fréquence parmi la bande de fréquence totale considérée en ajustant sa longueur. Chaque fente résonne donc pour une sous-bande donnée, et absorbe l'énergie sur cette sous-bande à la manière d'une charge. Elle dissipe donc la puissance du signal sur une sous-bande de fréquence seulement. En choisissant des longueurs différentes de guides d'ondes, le dispositif résonne pour plusieurs sous-bandes distinctes, pouvant se chevaucher. Le nombre de fentes, leurs hauteurs et longueurs sont donc choisis en fonction de la largeur de bande de fréquence totale d'intérêt, de la conductivité du support, de l'adaptation visée et du couplage entre les fentes, de sorte qu'ensemble, les fentes atténuent la puissance dans l'ensemble de la bande de fréquence d'intérêt.
  • Les différents guides d'onde 201 à 205 jouent le rôle de résonateurs court-circuités pour des bandes de fréquences voisines, dont la réponse conjointe permet d'adapter la bande de fréquence pour atténuer une bande de fréquences d'intérêt, et d'adapter le facteur de qualité de la charge. Suivant le mode de réalisation, la hauteur des guides d'onde 201 à 205 peut varier, ce qui permet d'adapter l'intensité des courants dans les guides d'onde. Cependant, l'utilisation de guides d'onde de mêmes hauteurs permet de sélectionner la hauteur maximisant le rapport entre l'intensité des courants (et donc les pertes) et la faisabilité de conception.
  • Dans la figure 2a, les guides d'onde 201 à 205 sont droits. Cependant, les mêmes résultats peuvent être obtenus avec des guides d'onde de formes quelconques (par exemples repliés, enroulés, etc...).
  • Selon la manière dont la charge doit être raccordée au guide d'onde à terminer, elle peut être équipée ou non d'un moyen de fixation tel qu'une bride (non représentée).
  • La figure 2b représente, par des niveaux de gris, la densité de courant dans un guide d'onde à l'origine des pertes associées à une sous-bande de fréquence. L'intensité du courant, et donc les pertes, augmente fortement à l'extrémité de chacune des lignes de transmission.
  • La figure 2c représente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une charge selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, la charge comprend une paroi 210 dans laquelle viennent se loger 8 fentes 211 à 218 correspondant chacune à un guide d'onde court-circuité accordé à une sous-bande de fréquence distincte.
  • La charge selon les modes de réalisation présentés aux figures 2a et 2c est très compacte, ce qui lui permet de s'intégrer avec facilité dans n'importe le design d'un équipement. Son poids et son encombrement sont très réduits par rapport aux charges connues de l'état de l'art. Elle requiert une connaissance précise des paramètres et modèles pour sa conception, et une réalisation suffisamment minutieuse pour que le calage électrique des guides d'ondes corresponde aux attentes.
  • La charge selon les modes de réalisation présentés aux figures 2a et 2c est intégrable facilement dans un design puisqu'elle ne déborde pas de la section du guide d'onde à terminer. Cependant, le nombre de guides d'ondes positionnés en parallèle est limité par la hauteur du guide d'onde à terminer, et par conséquent la performance de la charge l'est également.
  • La figure 2d présente un autre mode de réalisation d'une charge selon l'invention, dans laquelle les guides d'ondes 221 à 236 sont positionnés de manière radiale, parallèlement au grand axe de la section du guide d'onde à terminer, contrairement aux figures 2a et 2c, où les guides d'onde terminant la charge débutent au même niveau. Ce mode de réalisation permet de densifier le nombre de guides d'ondes (il est doublé par rapport au mode de réalisation décrit à la figure 2c), et donc d'améliorer les performances de la charge ou d'augmenter la largeur de la bande de fréquence de fonctionnement de la charge, au prix d'un encombrement légèrement supérieur.
  • De manière générale, les guides d'onde résonnant de manière à absorber la puissance transmise dans le guide d'onde à terminer sont repartis de manière régulière sur l'extrémité du guide d'onde, par exemple sur un plan (figures 2a et 2c), sur une extrémité arrondie (figure 2d) ou sur une pente.
  • La figure 2e représente une charge finalisée selon l'invention, en transparence (A) et après avoir été habillée de matière (B), dans le cas d'un guide d'onde en technologie WR22 (L = 5.68 mm, h = 2.84 mm) avec 16 fentes radiales. La charge comprend ici une bride 241 permettant de la fixer sur le guide d'onde à terminer.
  • La figure 2f représente une charge finalisée selon l'invention, en transparence (A) et après avoir été habillée de matière (B), dans le cas d'un guide d'onde en technologie WR51 avec 8 fentes parallèles. La charge comprend ici une bride 242 permettant de la fixer sur le guide d'onde à terminer.
  • Les figures 2e et 2f permettent de se rendre compte de la compacité que présente la charge selon l'invention, bien supérieure à celle des charges selon l'état de l'art.
  • La figure 2g présente les performances mesurées d'une charge selon l'invention. Les mesures ont été faites pour quatre arrangements A1 à A4 différents de fentes, sans l'application d'aucun traitement chimique. L'arrangement A1 porte sur une charge avec un jeu de 8 fentes parallèles, tel que représenté en figure 2c, tandis que les arrangements A2 à A4 portent sur des charges avec un jeu de 16 fentes radiales, tel que représenté en figure 2d. On observe une adaptation moyenne d'environ 12 dB sur toute la bande de fréquence 17 GHz - 21.5 GHz. L'adaptation est plus homogène sur la bande pour les arrangements à 16 fentes radiales.
  • Si ce résultat est satisfaisant dans une certaine mesure, les simulations montrent qu'une réalisation plus précise de la charge doit permettre d'atteindre des atténuations de l'ordre de 25 dB.
  • La figure 2h présente un autre mode de réalisation d'une charge selon l'invention. Cette charge 250 reprend les caractéristiques de la charge de la figure 2a. Cependant, plutôt que de s'étendre vers l'extérieur de la charge, les lignes de transmission 251 à 255 sont formées en creux dans la charge. Ce mode de réalisation présente l'intérêt d'être très compact. Il est également compatible d'un agencement radial des lignes de transmission court-circuitées.
  • La figure 2i présente un autre mode de réalisation d'une charge selon l'invention, dans lequel la charge 260 est réentrante, c'est-à-dire qu'elle s'étend à l'intérieur du guide d'onde à fermer 261. Les lignes de transmission 271 à 275 sont formées en creux dans la charge, de manière à former un jeu de fentes court-circuitées positionnées au bout du guide d'onde 260.
  • En termes d'encombrement, cette solution est particulièrement avantageuse puisque la charge vient s'insérer dans le guide d'onde.
  • La charge 200 selon l'invention présente l'intérêt d'être totalement métallique. Elle peut ainsi être réalisée dans un métal ou alliage de métaux présentant de fortes pertes par conductivité, comme par exemple le titane ou l'Inconel™. En effet, les guides d'ondes sont généralement en aluminium, qui présente de bonnes propriétés de conductivité et un faible poids. Les pertes de propagation augmentent quand la conductivité du support diminue. En utilisant un métal dont la conductivité est inférieure à celle de l'aluminium, les pertes de la charge selon l'invention sont augmentées. A titre d'exemple, la longueur d'un guide d'onde nécessaire pour dissiper un signal est divisée par deux entre un guide d'onde en aluminium (conductivité électrique de 36.9 MSiemens/m) et un guide d'onde en titane (conductivité électrique de 2.4 MSiemens/m).
  • Avantageusement, la charge 200 peut être conçue dans un métal traité de manière à en dégrader la porosité. Par exemple, la charge peut être conçue par une technique de fabrication additive. On appelle fabrication additive la conception de pièces métalliques en trois dimensions à partir de fines couches successives de poudre métallique mises en fusion par un faisceau laser couplé à un modèle CAO de la pièce à produire. La pièce est alors construire couche par couche, contrairement à l'usinage, qui procède par enlèvement de matière. C'est l'équivalent de l'impression 3D pour du métal. La fabrication additive permet de concevoir rapidement et facilement des pièces métalliques présentant une porosité (Ra) dégradée, avec typiquement une conductivité diminuée d'un facteur 5 à 10. Cette dégradation de la porosité de la charge diminue la conductivité équivalente du métal utilisé pour réaliser la charge, ce qui augmente encore les pertes et correspond à l'objectif recherché.
  • La porosité de la charge peut être dégradée artificiellement par la fabrication additive, ou par toute autre méthode, comme par exemple en utilisant des traitements chimiques.
  • La charge 200 selon l'invention répond donc au besoin exprimé de dissiper thermiquement l'énergie électromagnétique qui lui est fournie. Plutôt que de l'absorber, l'énergie est dissipée par des guides d'ondes métalliques présentant des pertes importantes dans des sous-bandes de fréquences distinctes.
  • Etant totalement métallique, la charge selon l'invention peut être réalisée d'une seule pièce, et par fabrication additive, ce qui la rend peu coûteuse, peu complexe à réaliser, et réplicable à l'infini à partir d'un fichier 3D.
  • Elle peut prendre différentes formes, et ainsi s'intégrer facilement dans le design d'un composant quelconque (par exemple un coupleur ou une source d'antenne). Elle peut éventuellement être fabriquée conjointement à ce composant. Sa forme peut alors être adaptée à celle du composant de manière à occuper des espaces perdus. Une telle fabrication conjointe diminue le volume de l'ensemble, les coûts de fabrication, et améliore la fiabilité du composant.
  • En outre, la fabrication additive rend possible l'enlacement de serpentins dédiés à la circulation d'un liquide de refroidissement directement dans la charge (par exemple entre les guides d'onde 201 à 205), afin d'améliorer la dissipation de l'énergie thermique produite.
  • Les différents modes de réalisation présentés d'une charge selon l'invention atteignent bien les objectifs souhaités. Par l'utilisation de lignes de transmission à forte pertes, ils rendent possible la fabrication d'une charge sans matériau absorbant, ce qui présente un intérêt important en termes de stabilité en température, stabilité dans le temps, coût, temps et complexité de fabrication. L'invention peut être agencée de différentes manières présentant chacune des caractéristiques de performance, complexité de fabrication et compacité particulières. Enfin, les charges selon l'invention peuvent être encore améliorées par l'utilisation de métaux à faible conductivité, généralement peu envisagées pour la fabrication de matériaux hyperfréquence, en les réalisant par des procédés de fabrication additive, ou en les soumettant à des traitements chimiques destinés à augmenter leur porosité.
  • L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'une charge par fabrication additive. Comme indiqué précédemment, la fabrication additive permet de concevoir rapidement et simplement des charges métalliques ayant une porosité dégradée, ce qui est habituellement problématique mais se révèle avantageux dans le cadre d'une charge puisque cette dégradation de la porosité diminue la conductivité équivalente du métal utilisé pour réaliser la charge, ce qui augmente encore les pertes et correspond à l'objectif recherché.
  • Le procédé selon l'invention comprend les étapes de :
    • obtention d'un fichier électronique représentant une géométrie d'une charge selon l'invention, et
    • contrôle d'un dispositif de fabrication additive pour fabriquer la charge selon la géométrie spécifiée dans ledit fichier électronique.
  • Plus précisément, le fichier électronique peut être obtenu par modélisation logicielle (en anglais Computer Aided Design, ou CAD) et/ou par balayage de la surface de la charge pour mesurer sa configuration surfacique (en anglais scanning). De nombreux formats de fichiers sont possibles, comme par exemple les fichiers de type Stereolithography ou "Standard Tessellation Language" (fichiers .stl), Additive Manufacturing File (fichiers .amf), AutoCad ( fichiers .dwg), Blender (fichiers .blend), Parasolid (fichiers .x_t), 3D Manufacturing Format (fichiers .3mf), Autodesk (fichiers 3ds), Collada (fichiers .dae) and Wavefront (fichiers .obj), entre autres.
  • Une fois obtenu, le fichier électronique peut être converti en un ensemble d'instructions exécutables par un processeur, lui permettant de contrôler un dispositif de fabrication additive afin de produire la charge selon l'arrangement géométrique considéré. La conversion peut consister à convertir le fichier en un ensemble de couches devant être formées séquentiellement par le dispositif de fabrication additive. Le dispositif de fabrication additive (imprimante 3D) exécute les instructions qui lui sont transmises pour fabriquer la charge selon l'invention.
  • Le fichier électronique peut être enregistré sous différents formats, et enregistré sur un support de stockage apte à être lu par un ordinateur.

Claims (14)

  1. Charge (200) pour la terminaison d'un guide d'onde (110) dans un circuit hyperfréquence, caractérisée en ce qu'elle est configurée pour former une pluralité (201 à 205, 211 à 218, 221 à 236, 251 à 255, 271 à 275) de lignes de transmissions de longueurs différentes terminées par un court-circuit à l'extrémité du guide d'onde, les dimensions des lignes de transmissions formées étant choisies de manière à augmenter l'intensité des courants des ondes électromagnétiques transportés dans le guide d'onde.
  2. Charge selon la revendication 1, configurée pour atténuer des signaux dans une bande de fréquence d'intérêt, dans laquelle les dimensions de chaque ligne de transmission (201 à 205, 211 à 218, 221 à 236, 251 à 255, 271 à 275) sont adaptées pour résonner dans une sous-bande de fréquences particulière de la bande de fréquence d'intérêt, de sorte que conjointement, les lignes de transmissions atténuent l'ensemble de la bande de fréquence d'intérêt.
  3. Charge selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les lignes de transmission ont des longueurs proches de λg/4, avec λg la longueur d'onde guidée dans la bande de fréquence d'intérêt, et inférieures à λg.
  4. Charge selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les lignes de transmission formées ont une section inférieure à la section du guide d'onde dans au moins une direction.
  5. Charge (200, 241, 242, 250, 260) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la pluralité de lignes de transmissions de longueurs différentes terminées par un court-circuit sont disposées radialement (221 à 236).
  6. Charge (200, 241, 242, 250, 260) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les lignes de transmissions sont formées en creux (251 à 255, 271 à 275) dans la charge.
  7. Charge (260) selon la revendication 6, configurée pour s'insérer dans le guide d'onde (261), dans laquelle les lignes de transmission (271 à 275) sont positionnées à l'intérieur du guide d'ondes.
  8. Charge (200, 241, 242, 250, 260) selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des serpentins configurés pour permettre la circulation d'un liquide de refroidissement.
  9. Charge selon l'une des revendications précédente, intégralement métallique.
  10. Charge selon la revendication 9, réalisée par fabrication additive.
  11. Charge selon l'une des revendications précédentes, formée dans un métal dont la conductivité est inférieure à la conductivité du guide d'onde.
  12. Charge selon l'une des revendications précédentes, traitée de manière à dégrader la porosité du métal qui la compose.
  13. Procédé de fabrication d'une charge par fabrication additive, le procédé comprenant les étapes de :
    - obtention d'un fichier électronique représentant une géométrie d'une charge selon l'une des revendications 1 à 12, et
    - contrôle d'un dispositif de fabrication additive pour fabriquer la charge selon la géométrie spécifiée dans ledit fichier électronique.
  14. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions exécutables par ordinateur qui, lorsqu'exécutées par un processeur, permettent de contrôler un dispositif de fabrication additive pour fabriquer une charge selon l'une des revendications 1 à 13.
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