Système de compensation en température reglable pour résonateur micro-ondes

Description

[0001] L'invention concerne les résonateurs micro-ondes que l'on utilise généralement dans le domaine des communications terrestres ou spatiales.

[0002] On rappelle qu'un résonateur micro-ondes est un circuit électromagnétique accordé pour laisser passer une énergie à une fréquence de résonance précise.

[0003] Les résonateurs micro-ondes peuvent être utilisés pour réaliser des filtres afin de rejeter les fréquences d'un signal se trouvant en dehors de la bande passante du filtre.

[0004] Un résonateur se présente sous la forme d'une structure formant une cavité dite cavité résonante dont les dimensions sont définies pour obtenir la fréquence de résonance désirée.

[0005] Ainsi tout changement dans les dimensions de la cavité introduisant un changement de volume de cette dernière provoque un décalage de sa fréquence de résonance et par conséquent un changement de la bande passante du filtre.

[0006] Les changements de dimensions d'une cavité résonante peuvent être issus de dilatations ou de contractions des parois de la cavité provoquées par des changements de températures, d'autant plus importantes que le matériau a un taux d'expansion thermique élevé.

[0007] Plusieurs techniques sont connues pour compenser la variation de volume d'une cavité, induite par les changements de températures de manière à maintenir la fréquence de résonance à la valeur prédéfinie dans des conditions de température normales (température ambiante aux alentour de 20 °C).

[0008] Ces techniques reposent le plus souvent sur l'utilisation de pièces qui entrent dans la structure de la cavité elle-même et qui sont constituées de matériaux à taux d'expansion thermique différent, l'un des taux étant beaucoup plus faible que l'autre. Les pièces sont agencées de manière à ce que les contraintes de dilatation entrent en opposition provoquant une déformation de la cavité dans le sens d'une réduction du volume lorsque la température augmente.

[0009] De façon classique, on utilise un premier matériau à taux d'expansion thermique très faible tel que l'Invar (marque enregistrée). Le deuxième matériau utilisé est généralement l'aluminium, matériau qui a un taux d'expansion thermique plus élevé que l'Invar mais qui en revanche présente, outre sa faible densité et donc sa légèreté, un pouvoir de dissipation thermique élevé, le rendant particulièrement adapté aux applications spatiales.

[0010] Reposant sur ce même principe d'utilisation de deux matériaux à taux d'expansion thermique différent, il existe également des dispositifs de compensation externes à la cavité. On pourra se reporter pour plus de détail, à la description d'un dispositif de compensation en température faite par exemple dans la demande de brevet EP 1 187 247 du 28 Août 2001.

[0011] L'inconvénient de ces différentes solutions réside dans le fait que chaque dispositif de compensation en température doit avoir des dimensions adaptées à la longueur de la cavité résonante auquel il est associé ou dont il fait partie. Des dispositifs de compensation en température doivent être réalisés avec des dimensions adaptées à chaque cavité de longueur différente.

[0012] La présente invention permet de résoudre ce problème en proposant un système adapté tout aussi bien à des cavités de même longueur qu'à des cavités de longueurs différentes.

[0013] L'invention proposée permet en outre de proposer un système de compensation en température conférant au résonateur une haute stabilité en température obtenue par le dispositif de réglage dudit système.

[0014] La présente invention a pour objet un dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité ayant une fréquence de résonance prédéfinie, le dispositif comprenant également un système de compensation en température réalisé dans un matériau à taux d'expansion thermique très faible par rapport à celui du matériau dans lequel est réalisé la cavité principalement caractérisé en ce que le système de compensation en température comporte une structure permettant de contre réagir aux effets induits sur le résonateur par des variations de température de manière à ce que la fréquence de résonance de la cavité reste comprise dans une plage prédéterminée, ce dispositif étant également caractérisé et en ce qu'il comprend un dispositif de réglage de la compensation en température apte à modifier le volume de la cavité pour régler la valeur de la fréquence de résonance à sa valeur prédéfinie. Le système de réglage permet d'effectuer une correction du volume de la cavité en l'augmentant ou en le diminuant lorsque la compensation n'est pas suffisante afin d'obtenir une cavité dont la fréquence de résonance correspond à la fréquence de résonance prédéfinie.

[0015] Selon une autre caractéristique, le système de compensation en température et le dispositif de réglage de la compensation en température sont couplés entre eux et couplés au résonateur de manière à exercer des efforts sur le capot de la cavité, suivant un axe correspondant à l'axe longitudinal de la cavité, cette dernière comprenant une paroi cylindrique présentant un axe longitudinal et deux extrémités opposées dont l'une est obturée par le capot déformable.

[0016] Selon un mode de réalisation préféré, le capot comprend une base obturant une extrémité de la cavité et une tige attenante à la base et s'étendant hors de la cavité suivant l'axe longitudinal de cette dernière, de manière à ce que le dispositif de réglage de la compensation soit disposé autour de cette tige, ce dispositif étant constitué par un élément constitutif du système de compensation en température, ledit élément étant réalisé dans un matériau à taux d'expansion thermique très faible.

[0017] Avantageusement, le dispositif de réglage de la compensation est réalisé au moyen d'une vis à axe creux à l'intérieur duquel passe la tige du capot, la vis comprenant un filetage sur sa paroi extérieure.

[0018] Selon une autre caractéristique, le système de compensation en température comprend deux barreaux constitués d'un matériau ayant un taux d'expansion thermique très faible, ces barreaux sont disposés de façon diamétralement opposée autour de la cavité et la cavité présente deux ailerons sur chacun desquels est fixé l'un des barreaux.

[0019] Les barreaux se trouvent de part et d'autre de la base du capot et sont couplés entre eux au dessus de cette base au moyen d'un étrier muni d'un passage fileté pour la vis à axe creux et la tige du capot traversant la vis.

[0020] Le dispositif de réglage de la compensation comporte un contre écrou vissé au dessus de l'étrier autour de la vis.

[0021] Selon une autre caractéristique, la paroi formant la cavité du résonateur et ses ailerons, est réalisée en aluminium et la vis de réglage de la compensation est réalisée en invar.

[0022] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui est faite ci-après et qui est donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et en regard des figures sur lesquelles :

• la figure 1, représente le schéma d'une vue en coupe d'un dispositif selon un mode préféré de réalisation de la présente invention;
• la figure 2, représente un schéma d'ensemble d'un dispositif avec deux cavités résonantes;
• la figure 3, représente une vue de dessus de la vis de réglage de la compensation en température.

[0023] Le dispositif 1 illustré sur la figure 1, comprend au moins un résonateur micro-onde 10, un système de compensation en température 20 pour ce résonateur et un dispositif de réglage de la compensation 40. Selon une réalisation préférée, le système de compensation en température comporte le dispositif de réglage de la compensation 40.

[0024] Ainsi le système de compensation 20 permet de compenser les variations de volume de la cavité du résonateur induites par une augmentation de température en modifiant le volume de cette cavité afin que la fréquence de résonance de la cavité reste comprise dans une fourchette prédéterminée.

[0025] Le système de réglage permet d'effectuer une correction du volume de la cavité en l'augmentant ou en le diminuant lorsque la compensation n'est pas suffisante afin d'obtenir une cavité dont la fréquence de résonance correspond à la fréquence de résonance prédéfinie, c'est-à-dire la fréquence de résonance de la cavité lors d'un fonctionnement dans des conditions normales de température.

[0026] Le système de compensation en température et de réglage proposé selon l'invention permet ainsi de maintenir la fréquence de résonance d'un résonateur en dépit des variations de températures auquel il peut être soumis et cela, même si les cavités des résonateurs ont des longueurs légèrement différentes (de l'ordre du mm ou de quelques mm).

[0027] Dans tous les cas, ce système confère au résonateur une haute stabilité en température grâce au dispositif de réglage.

[0028] Le résonateur 10 illustré sur la figure 1, se présente sous la forme d'une cavité cylindrique 11 munie d'un fond 111 pouvant être couplée à une autre cavité (représentée sur la figure 2) et d'un capot 112. Le capot 112 possède une base cylindrique 113 fixée à la cavité, se prolongeant par une tige 114 de diamètre plus petit, cette tige étant située dans l'axe longitudinal de la cavité 11.

[0029] La cavité 11 présente sur sa paroi extérieure deux ailerons diamétralement opposés 115 et 116, s'étendant sensiblement sur les trois quarts de sa hauteur pris dans sa partie haute c'est-à-dire en direction du capot.

[0030] Sur ces ailerons sont fixés respectivement par leur extrémité basse 210 et 220, des barreaux 21 et 22 constitués dans un matériau à très faible taux d'expansion thermique. Les barreaux s'étendent de part et d'autre de la base du capot 113 parallèlement à son axe longitudinal c'est-à-dire à sa tige 114.

[0031] Les deux barreaux sont fixés par leur extrémité haute à un étrier 30 présentant une partie 32, emboîtant l'extrémité des barreaux 21 et 22 et une partie transversale 33 s'étendant entre les barreaux et présentant un passage 34 pour la tige 114 du capot, encerclant ainsi cette dernière à travers l'élément de serrage 40 de la tige constitutif du système de compensation en température. Cet élément 40 est réalisé dans un matériau à très faible taux d'expansion thermique. L'ensemble de ces éléments permet d'obtenir une compensation en température.

[0032] Ainsi, les barreaux sont positionnés de part et d'autre du plan de la base 113 du capot, lequel est pris comme plan de référence par rapport aux déformations que peut subir le capot sous l'effet du système de compensation en température et du système de réglage de cette compensation.

[0033] Le dispositif de réglage de la compensation en température comprend l'élément de serrage 40. Cet élément 40 est réalisé à cette fin sous la forme d'une vis 40 présentant un axe creux de diamètre adapté au diamètre de la tige 114 de manière être placé autour de la tige. La vis pénètre dans le passage 34 fileté de l'étrier 30. La vis 40 est filetée sur sa paroi extérieure, sa paroi interne est lisse. La tige 114 est lisse, le montage entre la tige 114 et la vis 40 est glissant, la liaison entre les deux éléments se fait par pincement (adhérence) de la vis 40 sur la tige 114 à l'aide des vis 62 et 63 logées dans la tête 41 de la vis.

[0034] La vis 40 peut ainsi être montée ou descendue autour de la tige 114. Un contre écrou 50 est placé au dessus du passage ménagé dans l'étrier 30 pour fixer la position de la vis lorsque celle dernière est réglée.

[0035] La tête 41 de la vis 40 est fendue et forme plusieurs parties présentant une élasticité qui lorsqu'elles sont resserrées provoquent un pincement de la tige 114. A cette fin, la tête 41 de la vis comporte deux logements diamétralement opposés par rapport à l'axe de la tige 114 pour le passage des deux vis 62 et 63 disposées en opposition afin d'assurer le serrage des parties de cette tête autour de la tige 114.

[0036] Les barreaux 21, 22 et la vis 40 sont dans un matériau à taux d'expansion thermique très faible comme par exemple l'Invar®.

[0037] Le résonateur 10 à savoir la cavité 11, ses ailerons 115, 116 et le capot 112 sont dans un matériau présentant un pouvoir de dissipation thermique élevé comme par exemple l'aluminium mais à taux d'expansion thermique supérieur à celui des barreaux 21 et 22 et de la vis 40.

[0038] Le système de compensation en température comprend les deux barreaux reliés à la cavité et également au capot par le biais de l'étrier et de la vis.

[0039] La position de la vis 40 est réglée après des mesures de fréquence de résonance effectuées dans les conditions réelles de fonctionnement du résonateur c'est-à-dire après avoir soumis le résonateur à des températures dans les quelles il sera amené à fonctionner.

[0040] Ainsi lorsque la cavité tend à s'allonger sous les effets d'une augmentation de la température, les barreaux et la vis exercent des contraintes assurant des efforts dans l'axe du capot qui provoquent une déformation de ce dernier.

[0041] La fréquence de résonance reste comprise dans une fourchette prédéterminée de valeurs. On procède alors au réglage de la compensation en vissant ou dévissant la vis 40 de manière à amener la fréquence de résonance à la valeur prédéfinie.

[0042] Le dispositif de réglage 40 offre une latitude d'environs +/-10% sur la compensation nominale exercée par les barreaux et la vis, cette latitude est obtenue en ajustant la position de la vis.

[0043] La figure 2 illustre une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention. Dans cet exemple le résonateur comporte deux cavités résonantes qui sont couplées et portent respectivement les références 10 et 90. Chaque cavité résonante est équipée d'un système de compensation en température 20 et d'un dispositif de réglage de la compensation 40 conformément à la présente invention. L'entrée de signal est visible sur la cavité 90 et porte la référence 91. Les vis de serrage 62, 63 de la tige 114 sont visibles sur cette figure et sur la figure 3.

[0044] La figure 3 permet d'illustrer la conformation de la tête 41 de la vis 40 de réglage de la compensation.

Revendications

1. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité (10) ayant une fréquence de résonance prédéfinie, le dispositif comprenant également un système de compensation en température (20) réalisé dans un matériau à taux d'expansion thermique très faible par rapport à celui du matériau dans lequel est réalisé la cavité, ledit système de compensation en température (20) comportant une structure permettant de contre réagir aux effets induits sur le résonateur par des variations de température de manière à ce que la fréquence de résonance de la cavité reste comprise dans une plage prédéterminée, la cavité (10) comprenant une paroi cylindrique présentant un axe longitudinal (A) et deux extrémités opposées dont l'une est obturée par un capot (113) déformable et le système de compensation en température est couplé au résonateur de manière à exercer des efforts sur le capot de la cavité, suivant un axe correspondant à l'axe longitudinal (A) de la cavité, caractérisé en ce que le système de compensation en température (20) comprend deux barreaux (21, 22) constitués d'un matériau ayant un taux d'expansion thermique très faible, ces barreaux étant disposés de façon diamétralement opposée autour de la cavité et de part et d'autre de la base du capot (112) et étant couplés entre eux au dessus de cette base au moyen d'un étrier (30), la cavité présentant deux ailerons (115, 116) sur chacun desquels est fixé l'un des barreaux.

2. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de réglage de la compensation (40) en température apte à corriger le volume de la cavité pour régler la valeur de la fréquence de résonance à sa valeur prédéfinie lorsque la compensation n'est pas suffisante, le système de compensation en température et le dispositif de réglage de la compensation en température étant couplés entre eux et couplés au résonateur de manière à exercer des efforts sur le capot de la cavité, suivant un axe correspondant à l'axe longitudinal (A) de la cavité.

3. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capot comprend une base (112) obturant une extrémité de la cavité et une tige (114) attenante à la base et s'étendant hors de la cavité suivant l'axe longitudinal de cette dernière, le dispositif de réglage de la compensation étant disposé autour de cette tige et étant constitué par un élément (40) constitutif du système de compensation en température (20).

4. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de la compensation (40) est réalisé au moyen d'une vis à axe creux à l'intérieur duquel passe la tige (114) du capot, la vis étant réalisée dans un matériau à taux d'expansion très faible et comprenant un filetage (60) sur sa paroi extérieure.

5. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étrier (30) est muni d'un passage fileté (34) pour la vis à axe creux (40) et la tige (114) du capot traversant la vis.

6. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de la compensation (40) comporte un contre écrou (50) vissé au dessus de l'étrier (30) autour de la vis (40).

7. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi formant la cavité du résonateur et ses ailerons est réalisée en aluminium.

8. Dispositif comprenant un résonateur micro-onde muni d'au moins une cavité selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vis de réglage de la compensation est réalisée en invar.

Claims

1. System comprising a microwave resonator provided with at least one cavity (10) having a predefined resonant frequency, said system also comprising a temperature compensation system (20) that is made from a material having a coefficient of thermal expansion that is very low compared to that of the material from which said cavity is made, said temperature compensation system (20) including a structure for counteracting the effects of temperature variations on the resonator so that the resonant frequency of said cavity remains within a predetermined range, said cavity (10) comprising a cylindrical wall having a longitudinal axis (A) and two opposite ends, one of which is blocked by a deformable cap (113), and said temperature compensation system is coupled to said resonator so as to exert forces on said cap of said cavity along an axis corresponding to the longitudinal axis (A) of said cavity, characterized in that said temperature compensation system (20) comprises two rods (21, 22) made from a material having a very low coefficient of thermal expansion, these rods being placed so as to be diametrically opposed with respect to said cavity and on either side of said base of said cap (112) and being coupled together above said base by a stirrup member (30), said cavity having two fins (115, 116) to each of which one of said rods is fixed.

2. System comprising a microvave resonator provided with at least one cavity according to Claim 1, characterized in that it further comprises a temperature compensation adjustment device (40) adapted to correct the volume of said cavity to adjust the value to said resonant frequency to a predefined value when compensation is not sufficient, said temperature compensation system and said temperature compensation adjustment device being coupled to each other and to said resonator so as to exert forces on said cap of said cavity along an axis corresponding to the longitudinal axis (A) of said cavity.

3. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 2, characterized in that said cap comprises a base (112) blocking one end of said cavity and a rod (114) joined to said base and extending out of said cavity along said longitudinal axis thereof and said compensation adjustment device is disposed around said rod and consists of a component (40) of said temperature compensation system (20).

4. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 3, characterized in that said compensation adjustment device (40) comprises a screw made from a material having a very low coefficient of thermal expansion, being threaded (60) on its exterior wall and having a hollow shaft into which said rod (114) of said cap passes.

5. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 4, characterized in that the stirrup member (30) is provided with a threaded passage (34) for said hollow shaft screw (40) and said rod (114) of said cap passing through said screw.

6. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 5, characterized in that said compensation adjustment device (40) includes a lock-nut (50) around said screw (40) above said stirrup member (30).

7. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 6, characterized in that said cavity of said resonator and its fins are defined by an aluminium wall.

8. System comprising a microwave generator provided with at least one cavity according to Claim 4, characterized in that said compensation adjustment screw is made of Invar®.

Ansprüche

1. Vorrichtung mit einem Mikrowellenresonator, der mit mindestens einem Hohlraum (10) mit einer vordefinierten Resonanzfrequenz ausgestattet ist, wobei die Vorrichtung ebenfalls ein Temperaturkompensationssystem (20) enthält, das aus einem Material mit sehr geringer thermischer Expansionsrate bezüglich derjenigen des Materials hergestellt ist, aus dem der Hohlraum hergestellt ist, wobei das Temperaturkompensationssystem (20) einen Aufbau aufweist, der es ermöglicht, gegen die im Resonator durch Temperaturschwankungen induzierten Wirkungen zu reagieren, damit die Resonanzfrequenz des Hohlraums in einem vorbestimmten Bereich bleibt, wobei der Hohlraum (10) eine zylindrische Wand enthält, die eine Längsachse (A) und zwei gegenüberliegende Enden hat, von denen eines von einer verformbaren Haube (113) verschlossen wird, und das Temperaturkompensationssystem so mit dem Resonator gekoppelt ist, dass es auf die Haube des Hohlraums gemäß einer Achse entsprechend der Längsachse (A) des Hohlraums Kräfte ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturkompensationssystem (20) zwei Stäbe (21, 22) enthält, die aus einem Material bestehen, das eine sehr geringe thermische Expansionsrate hat, wobei diese Stäbe um den Hohlraum herum einander diametral gegenüber und zu beiden Seiten der Basis der Haube (112) angeordnet und miteinander oberhalb dieser Basis mittels eines Bügels (30) gekoppelt sind, wobei der Hohlraum zwei Flügel (115, 116) hat, an jedem von denen einer der Stäbe befestigt ist.

2. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem eine Vorrichtung zum Einstellen der Temperaturkompensation (40) aufweist, die das Volumen des Hohlraums korrigieren kann, um den Wert der Frequenzresonanz auf ihren vordefinierten Wert einzustellen, wenn die Kompensation nicht ausreichend ist, wobei das Temperaturkompensationssystem und die Vorrichtung zum Einstellen der Temperaturkompensation miteinander und mit dem Resonator so gekoppelt sind, dass sie auf die Haube des Hohlraums Kräfte gemäß einer Achse ausüben, die der Längsachse (A) des Hohlraums entspricht.

3. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haube eine Basis (112), die ein Ende des Hohlraums verschließt, und eine Stange (114) enthält, die an die Basis anschließt und sich aus dem Hohlraum gemäß der Längsachse dieses letzteren erstreckt, wobei die Vorrichtung zum Einstellen der Kompensation um diese Stange herum angeordnet ist und aus einem Bestandteil (40) des Temperaturkompensationssystems (20) besteht.

4. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einstellen der Kompensation (40) mittels einer Schraube mit Hohlachse hergestellt wird, durch deren Inneres die Stange (114) der Haube geht, wobei die Schraube aus einem Material mit sehr geringer Expansionsrate hergestellt ist und ein Gewinde (60) auf ihrer Außenwand aufweist.

5. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bügel (30) mit einem Gewindedurchgang (34) für die Schraube mit Hohlachse (40) und die die Schraube durchquerende Stange (114) der Haube versehen ist.

6. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Einstellen der Kompensation (40) eine Gegenmutter (50) aufweist, die oberhalb des Bügels (30) um die Schraube (40) herum geschraubt wird.

7. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hohlraum des Resonators und seine Flügel bildende Wand aus Aluminium hergestellt wird.

8. Vorrichtung mit einem mit mindestens einem Hohlraum ausgestatteten Mikrowellenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube zum Einstellen der Kompensation aus Invar hergestellt ist.

Dessins