<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
Appareil d'amplification ou de multiplication de la fréquence d'oscillations électriques.
Cette invention concerne les appareils d'amplification ou de multiplication de la fréquence d'oscillations électriques à haute fréquence, et spécialement, mais non exclusivement, de fréquences aussi élevées ou plus élevées que 3000 mégacycles/ seconde.
Un des types d'appareils les meilleurs servant à en- gendrer des oscillations électriques à très haute fréquence est l'oscillateur à magnétron, et l'invention a pour but d'adapter les principes de génération d'oscillations par magnétron à l'am- plification ou à la multiplication de fréquence.
Pour que l'invention soit clairement comprise, on dé- crira d'abord brièvement les principes du magnétron, en se re- portant à un magnétron du type à cavité résonnante; il est évi- dent que ces principes sont les mêmes pour les magnétrons d'autres
<Desc/Clms Page number 3>
types, tels que ceux utilisant des doigts résonants entrelacés, et que l'invention qui sera décrite ci-après n'est pas limitée à cette forme de cavité résonnante.
La figure 1 du dessin annex représente schématiquement une coupe, perpendiculaire à l'axe, d'un magntron claseique à cavités résonnantes, qui est supposé, pour la simplicités n'avoir que quatre cavités résonnantes 1; ces cavités s'étandent radialement d'une ouverture centrale cylindrinue dans laquelle une cathode cylindrique 4 est disposée suivant l'axe, et pénè- trent dans un bloc d'anode métallique 2.
Le champ magnétique est appliqué parallèlement à cet axe et le champ électrostatique est appliqué radialement entre l'anode 2 et la cathode 4. Soumis à l'influence de ces champs combinés, les électrons émis de la cathode décrivent des tra- jectoires cycloïdale? dans l'espace de gravitation des Electrons situé entre l'anode 2 et la cathode 4.
Au moment où le magnétron démarre, dès que les élec- trons sont émis par la cathode et traversent les fentes 5 par lesquelles les cavités 1 débouchent dans l'espace de gravita -.ion des électrons, de faibles oscillations initiales prennent déjà naissance dans les cavités; pour obtenir des oscillations entre- tenues, ces oscillations initiales doivent être transformées en oscillations d'amplitudes relativement grandes.
Aussi, lorsqu'un électron traverse pour la première fois la fente d'une cavit excitée, ceci peut-il se produire, par rapport au champ oscil- lant correspondant à cette cavité, suivant une relation chrono- logique telle que l'électron, durant sa trajectoire, délivre de l'énergie au champ ou reçoit de l'énergie de ce dernier; en- viron la moitié des électrons émis par la cathode recevront de l'énergie du champ associé à la première cavité résonnante dont ils traversent la fente et le système est corbin de façon que ces électrons retournent à. la cathode, cornue la courbe a en traits interrompus de la figure 1 le montre, cette courbe repré-
<Desc/Clms Page number 4>
sentant la trajectoire d'un ,seul électron de ce genre.
D'autre part, environ la moitié des électrons émis par la cathode délivreront de l'énergie au champ associé à la pre- mière cavité dont ils traversent la fente et le système est com- biné de façon que l'électron qui délivre de l'énergie au champ à l'intérieur de la cavité, de cette manière, ne retourne pas à la cathode mais décrit une boucle et continue sa trajectoire jusqu'à traverser la fente 5 de la cavité suivante.
La variation dans le temps du potentiel autour du bloc d'anode 2 est réglée de façon que l'électron traverse la fente dans une relation de phase telle avec le champ oscillant associé à la cavité suivante, qu'il délivre encore de l'énergie à ce champ ; decette manière l'électron traverse les fentes de plusieurs cavités et délivre de l'énergie aux champs associés à celles-ci avant d'atteindre l'anode; la trajectoire d'un tel électron est représentée par la courbe en'traits interrompus b de la figure 1.
On voit ainsi qu'au total, les champs associés à ces cavités reçoivent plus d'énergie qu'ils n'en délivrent, puisque les électrons qui absorbent de l'énergie sont immédiatement re- tirés de la circulation tandis que ceux qui en délivrent le font plusieurs fois, et les champs augmentent ainsi en intensité jusqu'au moment où la perte par radiation dans l'espace ou par alimentation d'une charge, égale le gain d'énergie produit par l'émission utile de la cathode. La fréquence de l'oscillation est définie principalement par les dimensions des cavités réson- nantes.
Il est bon de remarquer que les électrons qui retour- nent à la cathode libèrent d'autres électrons par émission se- condaire et ceux-ci se comportent de la même manière que les électrons primaires ; fait pour entretenir les oscillations, une fois qu'elles sont amorcées, l'émission primaire de la ca- thode n'est pas toujours nécessaire.
<Desc/Clms Page number 5>
Compte tenu des considérations précédentes,l'on peut exposer maintenant les principes sur lesquels 1'invention est basée et la nature de l'invention sera décrite de façon gnrale avant d'en donner -un exposé détailla.
Il faut d'abord remarquer que si le magnétron n'avait qu'une cavité résonnante et pas de trajectoire circulaire com plète ne pouvant donc pas passer plus d'une fois devant la cavité, il n'y aurait pas production d'oscillations entretenues, puisque la moitié des électrons qui traversent la fente délivre- raient de l'énergie au champ associé à la cavit tandis que l'autre moitié en recevrait, et le transfert résultant d'énergie au champ serait pratiquement nul.
Donc si la partie de 1 électrode cathodique qui '-1-et des électrons primaires, et qui sera dorénavant dénommée cathode primaire, a son émission limitée à une face d'une seule cavité résonnante dont la fente n'est traversée au'une fois par les électrons, si la cavité n'a pas été excitée initialement elle restera non excitée, et même si la cavité est excitée il n'y aura pas de transfert d'énergie appréciable au champ assccié à la cavité.
Quand la cavité n'est pas excite pratiquement tous les électrons émis par la cathode primaire accompliront une simple boucle cycloldale et retourneront à l'électrode catho- dique en un endroit éloigné de la cathode primaire et si la partie de l'électrode cathodique sur laquelle ils aboutissent n'émet pas d'électrons secondaires, il n'y aure pratiquement pas d'électrons qui graviteront en dehors de cette partie.
Mais si la cavité, qui peut être déncoumée la cavité d'entrée, est excitée par une oscillation d'entrée qu lui est appliquée, le champ oscillant cré par celle-ci réagira sur les électrons émis par la cathode primaire de sorte nue pendant une demi-période du champ, les électrons recevront de l'énergie et seront accélérés, tandis que, pendant l'autre deri-période, les
<Desc/Clms Page number 6>
électrons délivreront de l'énergie et seront retardés ; électrons accélérés retourneront à la cathode comme ci-dessus, mais les électrons retardés n'y retourneront pas et continueront à se déplacer, exécutant une série de boucles cycloidales.
Si l'on dispose alors d'autres cavités résonnant pratiquement à la fréquence de l'oscillation d'entrée de façon que les électrons retardés en mouvement traversent leurs fentes, les cavités seront excitées par les électrons et la phase et la fréquence des champs ainsi créés seront automatiquement telles qu'il y aura un transfert continuel d'énergie des électrons retardés vers ces champs.
Il s'ensuit que l'on pourra tirer de ces cavités, qui peuvent être dénommées cavités de sortie, une oscillation de sortie dont la' fréquence est la même que celle de l'oscillation d'entrée, et comme chaque électron peut délivrer de l'énergie successivement aux champs associés à plusieurs cavités diffé- rentes, on peut obtenir un transfert d'énergie résultant impor- tent, et si les cavités sont couplées entre elles comme dans un oscillateur à magnétron, on pourra produire une oscillation de sortie de grande amplitude.
Si les cavités de sortie résonnent sur une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée, elles seront également excitées, puisque la variation dans le temps de la densité du flux électronique excitant les cavités n'est pas sinusoïdale et favorable à la création d'harmoniques, et l'on peut tirer des cavités une oscillation de sortie dont la fréquence est égale à un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
Dans des buts d'amplification, et parfois de multipli- cation de fréquence, l'amplitude de l'oscillation de sortie doit pouvoir varier, de préférence pratiquement linéairement, en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée; ceci peut être réalisé en disposant la cathode primaire tout près ou en- dessous de la cavité d'entrée de sorte que son émission. soit
<Desc/Clms Page number 7>
commandée par le champ créé par l'oscillation d'entrée;
le nombre d'électrons venant de la cathode primaire varier? alors en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée, et cornue il y a toujours environ la moitié de ces électrons qui est retar- dée, le nombre des électrons excitant les cavités de sortie et, par conséquent, l'amplitude de l'oscillation de sortie, varier.'', habituellement pratiquement linéairement en fonction de l'am0 plitude de l'oscillation d'entrée
Il faut remarquer qu'avec d'autres formes d'amplifica- tion, par exemple, cet appareil peut êtreutile,même si l'ampli- tude de l'oscillation de sortie est plus petite que celle de l'oscillation d'entrée;
il est donc clair que le sens du mot "amplification"n'implique pas nécessairement que l'amplitude de l'oscillation de sortie soit supérieure '3 celle de l'oscilla0 tion d'entrée, quoique ce sera souvent le cas.
Il faut remarquer également que les cavités de sortie ne doivent pas résonner individuellement% la fréqueence ou ? % un multiple entier de la' fréquence de l'escillation d'entrée pour autant que le circuit combiné de sortie formé par les cavités couplées entre elles est réellement résonnant µ. la fréquence dd sortie requise; donc la disposition en soleil levent fréquen ment employéedans les magnétrons à cavités résonnantes neuf être adoptépour assurer une fréquence stable.
Le couplage des cavités de sortie entre elles peut être obtenu simplement par le choix de leurs emplacements, mais on utilise, de préférence, des dispositifs de couplage spciux. tels que des straps en matière conductrice. Il est Evident qu'il ne peut pratiquement pas y avoir de couplage entre la ca- vite d'entrée et celles de sortie sinon le système accrochera en auto-oscillateur au lieu de fonctionner cornue amplificateur ou multiplicateur de fréquence.
Egalement dans le but d'éviter des auto-oscillations, l'électrode cathodique n'émettra des électrons secondaires en
<Desc/Clms Page number 8>
aucune partie de sa surface et non seulement dans la partie de sa surface où les électrons accélérés et tous les électrons, dans le cas où la cavité d'entrée n'est pas excitée, aboutissent; cette précaution minimise la possibilité d'avoir des électrons qui retournent directement à l'électrode cathodique au-delà de cette partie, ou d'avoir des électrons secondaires qui peuvent être libérés sur cette partie de surface, ces électrons primai- res et secondaires libérant respectivement des électrons pri- majres et des électrons secondaires d'un degré supérieur qui pourraient donner naissance à de l'auto-oscillation.
Il est intéressant de savoir que la cathode primaire' peut être séparée du reste de l'électrode cathodique, ces deux électrodes pouvant alors être désignées comme cathode primaire et comme électrode cathodique, et pouvant être maintenues à des potentiels différents. De même,la partie de l'électrode catho- dique sur laquelle aboutissent les électrons accélérés et tous les électrons, dans le cas où la cavité d'entrée n'est pas excitée, peut constituer une électrode séparée..
Il est intéressant de savoir également que l'on peut utiliser différentes formes de circuits résonnants de sortie couplés au lieu de cavités résonnantes, par exemple des groupes entrelacés de doigts métalliques dont les réactances réparties et les connexions constituent des circuits de sortie montés à cheval sur les fentes séparant deux doigts voisins, ou l'on peut em- ployer encore des circuits résonnants de sortie physiquement distincts montés à cheval sur les fentes séparant deux segments d'anode adjacents; de plus, le circuit d'entrée ne doit pas nécessairement consister en une cavité unique ou ne doit pas être une cavité du tout - il peut être fait d'un doigt réson- nant, par exemple.
En général, et spécialement dans le cas de fréquences très élevées, toutes les électrodes et tous les circuits seront enfermés à l'intérieur ou feront partie des parois de l'espace
<Desc/Clms Page number 9>
vidé d'air dans lequel les électrons doivent graviter, mais dans certains cas des parties de l'appareil, et spécialement des parties des circuits d'entrée et de sortie, peuventse trouver à. l'extérieur ou s'étendre à 1'* extérieur des parois de l'espace fermé.
Après cet exposé, l'invention peut maintenant être décrite en détail.
Conformément à l'invention, dans un appareil amplifica teur d'oscillations d'entrée électriques à haute fréquence, les électrons émis par une cathode primaire sont amenas dans et par- courent un espace de gravitation électronique sous 1''influence de champs croisés électrostatique et magnétrique de façon à exci- ter un certain nombre de circuits résonnants de sortie, l'oscil lation d'entrée attaque un circuit résonnant d'entrée disposé de façon à créer, lorsqu'il est excité,
un champ électrostatique oscillant réglant le nombre d'électrons qui quittent la cathode primaire et modifiant la trajectoire des électrons de façon au'une fraction de ceux-ci n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à receullir ces électrons lorsque le circuit résonnant d'entrée n'est pasexcité, cette fraction formantun flux d'électrons qui parcourt l'espace de gravitation des électrons dans le but d'exciter les circuits résonnants de sortie, ceux-ci étant couplés effectivement entre eux de façon à forcer un circuit complexe de sortie résonnant pratiquementà la fréquence de l'oscillation d'entrée,
leur disposition étant telle que l'on peut tirer de ce circuit de sortie complexe une oscillation de sortie dont la fréquence est celle de l'oscillation d'en- trée et d.ont l'amplitude varie en fonction de l'amplitude de l'oscillation d'entrée
De préférence, l'appareil comprend une cathode émet- tant des électrons primaires, des électrodes pour l'établis- sement d'un champ électrostatique déterinant un espace de gra-
<Desc/Clms Page number 10>
vitation des électrons dans lequel les électrons émis par la cathode peuvent se mouvoir suivant des trajectoires pratiquement cycloïdales sous l'influence d'un champ électrostatique et d'un champ magnétique croisé, un circuit résonnant d'entrée pouvant être excité par l'oscillation d'entrée et pouvant, une fois excité,
créer un champ électrique oscillant qui règle le nombre d'électrons venant de la cathode primaire et modifie la trajec- toire des électrons en accélérant et retardant alternativement les électrons de façon que les électrons retardés n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons se- condaires destinéeà recueillir les électrons accélérés'et pra- tiquement tous'les électrons dans le cas où le circuit réson- nant d'entrée n'est pas excité, grâce à quoi les électrons re- tardés peuvent se mouvoir dans l'espace'de gravitation électro- nique;
l'appareil comprend aussi, placées dans le voisinage de l'espacement de gravitation des électrons, plusieurs fentes séparant des conducteurs, un circuit résonnant de sortie étant connecté à cheval sur chaque fente et pouvant être excité par les électrons retardés précités lorsque ceux-ci traversent la fente en parcourant l'espace de gravitation électronique, ces circuits résonnants de sortie étant pratiquement couplés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe résonnant à la fréquence de l'oscillation d'entrée, et l'appareil comprend encore un dispositif de sortie pour dériver une oscillation de sortie de ce circuit de sortie complexe, sa disposition étant telle que l'on peut obtenir une oscillation de sortie dont la fréquence est celle de 1'oscillation d'entrée et dont l'ampli- tude varie en fonction de celle de l'oscillation d'entrée.
De même, conformément à l'invention, dans un appareil dérivant d'une oscillation d'entrée à haute fréquence une oscillation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée, les électrons émis par une cathode primaire sont amenés dans et parcourent un
<Desc/Clms Page number 11>
espace de gravitation des électrons sous l'influence de champs croisés électrostatique et magnétique de façon à exciter un certain nombre de circuits résonnants de sortie, l'oscillation d'entrée attaque un circuit résonnant d'entrée dispos(--' de façon à créer, lorsqu'il est excité, un champ électrique oscillpnt, modifiant la.
trajectoire des électrons de façon qu'une fraction de ceux-ci n'atteignent plus une électrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à recueillir ces électrons lorsque le circuit résonnant d'entrée n'est pas excité, cette fraction formant un flux d'électrons qui parcourt l'espace de gravitation des électrons dans le but d'exciter les circuits résonnants de sortie, ceux-ci étant couplés effective- ment entre eux de façon à former un circuit complexe de sortie résonnant à une fréquence qui est un multiple entier de la fré- quence de l'oscillation d'entrée, leur disposition étant telle que l'on peut tirer de ce circuit de sortie complexe une oscil- lation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
De préférence l'appareil multiplicateur de fréquences comprend une cathode émettant des électrons primaires, des électrodes pour l'établissement d'un champ électrostatique dé- terminant un .espace de gravitation des Electrons dans lequel les électrons venant de la cathode peuvent se mouvoir suivant des trajectoires pratiquement cycloïdales sous l'influence d'un champ électrostatique et d'un champ magnétrique croisa un cir- cuit résonnant d'entrée pouvant être excité par l'oscillation d'entrée et pouvant,
une fois excita créer un champ életrique oscillant qui modifie la trajectoire des électrons en accélérant et retardant alternativement les électrons de façon que les électrons retardés n'atteignent plus une Electrode pratiquement sans émission d'électrons secondaires destinée à recueillir les électrons accélérés et pratiquement,tous les électrons dans le cas où le circuit résonnant d'entrée n'est pas excita grâce
<Desc/Clms Page number 12>
à quoi les électrons retardés peuvent se mouvoir dans l'espace de gravitation électronique, l'appareil comprend aussi, placées dans le voisinage de l'espace de gravitation des électrons, plu- sieurs fentes séparant des conducteurs,
un circuit résonnant de sortie étant connecté à cheval sur chaque fente et pouvant être excité par les électrons retardés précités lorsque ceux-ci tra- versent la fente en parcourant l'espace de gravitation des élec- trons, ces circuits résonnants de sortie étant pratiquement cou- plés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe résonnant à une fréquence qui est un multiple entier de la fré- quence de l'oscillation d'entrée, et l'appareil comprend encore un dispositif de sortie pour dériver une oscillation de sortie de ce circuit de sortie complexe, sa disposition étant telle que l'on peut obtenir une oscillation de sortie dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence de l'oscillation d'entrée.
Il faut remarquer qu'il n'est pas nécessaire que ces appareils d'amplification ou de multiplication de fréquence con- formes à l'invention aient la forme circulaire du magnétron re- présente à la figure 1; on peut avoir une forme d'exécution linéaire dans laquelle la cathode et l'anode associée sont pra- tiquement planes; la forme circulaire est cependant préférée et l'on décrira maintenant à titre d'exemple, un amplificateur qui est une telle forme d'exécution, avec référence aux figures 2 et 3 du dessin annexé.
La. figure 2 montre une coupe perpendiculaire à l'axe de révolution et la figure 3 une coupe contenant cet axe; la . coupe de la figure 3 se trouve dans le plan A-A de la figure 2, vue de droite, et la coupe de la figure 2 se trouve dans le plan B-B de la figure 3, égaiement vue de droite.
Dans cette forme d'exécution, l'appareil comprend un bloc d'anode métallique cylindrique 1 évidé à ses deux parois extrêmes de,façon à recevoir un rebord périphérique annulaire 2 et percé concentriquement d'un trou cylindrique 3 déterminant
<Desc/Clms Page number 13>
l'espace de gravitation des électrons.
Une moitié de la partie du bloc entourant le trou est de plus profondément évidée à chacune de ses parois extrêmes de façon a forcer une bague semi-circulaire 4 d'épaisseur moindre qui est perche dans le sens de l'axe de huit trous parallèles 5, chacun de ces trous communiquant avec le trou central 3 par une rainure radiale 6 pratiquée dans la bague 4 parallèlement à l'Axe, et deux trous semi-circulaires 7 attenant chacun à la partie plus épaisse du bloc et communiquant avec le trou central 3 par une rainure 8 dont la largeur vaut la moitié de la largeur des rainures 6.
Les trous 5 et les rainures 6 forcent les cavités de sortie résonnant cha.cune à la fréquence à laquelle l'appareil. doit fonctionner, c'est-à-dire amplifier, et les trous 7 et rainures 8 forment de même des cavités résonnant à la même fré- quence; ces deux dernières cavités ont une forme telle qu'ils ont un champ zéro le long de la face de la partie la plus Epaisse du bloc afin d'éviter un couplage avec le circuit d'entrée.
La partie plus épaisse du bloc est percée près de son milieu autour du trou central 3 de deux rainures radiales 9 dis- posées parallèlement à l'axe, chacune de ces rainures ayant une longueur radiale pratiquement égale à un nuart de la longueur d'onde sur laquelle l'appareil doit fonctionner, et, entre les deux rainures, le bloc est évidé à chacune de ses p?rois extr- mes de façon à former un doigt 10 en forme de coin, résonnant sur la longueur d'onde précitée et ayant la mené épaisseur axiale que la bague 4; le doigt 10 forme le circuit résonnant d'entrée.
Dans le trou central 3 est placée concentriqueemnt une cathode cylindrique 11 portée par des plaques d'extrémité circulaires 12 maintenues chacune par une connexion métallique rigide 13 scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une bague de scellement verre-métal 14 conformément à la technique usuelle des magnétrons. la surface de la cathode 11
<Desc/Clms Page number 14>
est traitée sur toute son étendue de façon à ne pas pouvoir émettre d'électrons secondaires; en la recouvrant, par exemple, de bioxyde de titane.
A peu près au centre et d'un côté du doigt 10, la ca- tbode 11 et les plaques d'extrémité 12 sont découpées de façon à pouvoir placer une cathode primaire à chauffage indirect con- sistant en une boite métallique contenant un filament de chauffage 16 ; paroi extérieure incurvée de la boite est recouverte d'une matière émissive d'électrons et complète le cylindre de cathode.
La cathode primaire est portée par des plaques d'ex- trémité 17 maintenues chacune par une' connexion métallique rigide 18 scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une ba- gue de scellement 'verre-métal 19 ; les connexions 18 servent éga- lement d'amenée du courant au filament de chauffage 16 et la cathode primaire est isolée de l'électrode cathodique de sorte que les deux électrodes peuvent, s'il le faut, être maintenues à des potentiels différents respectivement au moyen des connexions 18 et 13.
Une languette métallique est placée, entre la cavité 7, 8 et la cathode primaire 15, mais plus près de celle-ci ; cette languette métallique 20, parallèle à l'axe, est fixée dans la partie du bloc entourant le trou cylindrique 3 et s'étend radialement jusqu'à une très courte distance de l'électrode cathodique 11 ; languette 20 forme une barrière pour les élec- trons, empêchant ceux-ci de repasser devant la bague 10.
Une connexion d'entrée 21 allant au doigt 10 est scellée dans la paroi cylindrique du bloc au moyen d'une bague de scellement verre-métal 22, et une connexion de sortie 23 ter- minée par une boucle placée dans un des trous 5, est scellée dans la paroi au moyen d'une bague de scellement verre-métal 24.
Les cavités résonnantes formées par les trous 6 et les rainures 5 forment les circuits résonnants de sortie pouvant être
<Desc/Clms Page number 15>
excités par des électrons circulant dans l'espace de gravita- tion des électrons 3, et les languettes métalliques séparant des rainures voisines sont reliées entre elles, à engoue paroi ex- trême du bloc, au moyen de straps métalliques 25, 26, placés dans des rainures circulaires pratiquées dans les languettes, le strap 25 à l'une des parois du bloc connectant entre elles les languettes un, trois, cinq, sept et neuf tandis que le strap 26 relie les languettes deux, quatre, six, huit, les languettes étant numérotées en faisant le tour du bloc, tandis au'à l'putre paroi d'extrémité du bloc le strap extérieur 25 connecte les languettes deux,
quatre, six, buit et le strap intérieur 26 re- lie les languettes un, trois, cina, sept, neuf. Ainsi, les cir- cuits résonnants de sortie sont couplés entre eux de façon à former un circuit de sortie complexe.
Sur chaque face de l'évidement peu profond que surplom- bent les rebords 2 se trouve fixée par vis une planue 26 d'égalisation de tension et le bloc est hermétinuement scellé au moyen de plaques d'extrémité 27 fixées aux rebords 2 au moyen de scellements à rondelles en or, conformément à la techni- que usuelle du magnétron.
L'appareil est vidé d'air et scellé finalement au moyen d'un tube de pompage 28 scellé à la bague en verre d'un des scellements des connexions de l'électrode cathodique.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
<Desc / Clms Page number 2>
Apparatus for amplifying or multiplying the frequency of electrical oscillations.
This invention relates to apparatus for amplifying or multiplying the frequency of high frequency electrical oscillations, and especially, but not exclusively, frequencies as high or greater than 3000 megacycles / second.
One of the best types of apparatus used to generate electric oscillations at very high frequency is the magnetron oscillator, and the object of the invention is to adapt the principles of generation of magnetron oscillations to the am - plification or frequency multiplication.
In order that the invention may be clearly understood, the principles of the magnetron will first be briefly described, with reference to a magnetron of the cavity resonant type; it is evident that these principles are the same for the magnetrons of other
<Desc / Clms Page number 3>
types, such as those using interlaced resonant fingers, and that the invention which will be described hereinafter is not limited to this form of resonant cavity.
Figure 1 of the accompanying drawing shows schematically a section, perpendicular to the axis, of a classical magntron with resonant cavities, which is assumed, for simplicity, to have only four resonant cavities 1; these cavities extend radially from a cylindrical central opening in which a cylindrical cathode 4 is arranged along the axis, and penetrate a metal anode block 2.
The magnetic field is applied parallel to this axis and the electrostatic field is applied radially between the anode 2 and the cathode 4. Under the influence of these combined fields, the electrons emitted from the cathode follow cycloidal trajectories? in the space of gravitation of the Electrons located between the anode 2 and the cathode 4.
When the magnetron starts up, as soon as the electrons are emitted by the cathode and pass through the slits 5 through which the cavities 1 open into the gravitational space of the electrons, weak initial oscillations already arise in the electrons. cavities; to obtain sustained oscillations, these initial oscillations must be transformed into oscillations of relatively large amplitudes.
Also, when an electron passes for the first time through the slit of an excited cavity, this can happen, with respect to the oscillating field corresponding to this cavity, following a chronological relation such as the electron, during its trajectory, delivers energy to the field or receives energy from the latter; about half of the electrons emitted by the cathode will receive energy from the field associated with the first resonant cavity whose slit they pass through and the system is corbin so that these electrons return to. the cathode, retorted by the curve a in dotted lines in FIG. 1 shows it, this curve represents
<Desc / Clms Page number 4>
sensing the trajectory of a single such electron.
On the other hand, about half of the electrons emitted by the cathode will deliver energy to the field associated with the first cavity of which they pass the slit and the system is combined so that the electron which delivers l The energy in the field inside the cavity, in this way, does not return to the cathode but describes a loop and continues its trajectory until passing through the slot 5 of the next cavity.
The variation over time of the potential around the anode block 2 is adjusted so that the electron passes through the slit in such a phase relationship with the oscillating field associated with the following cavity, that it still delivers energy to this field; in this way the electron passes through the slits of several cavities and delivers energy to the fields associated with them before reaching the anode; the trajectory of such an electron is represented by the dotted line curve b in figure 1.
We thus see that in total, the fields associated with these cavities receive more energy than they deliver, since the electrons which absorb energy are immediately withdrawn from the circulation while those which deliver it. do this several times, and the fields thus increase in intensity until the moment when the loss by radiation in space or by supplying a load, equals the gain in energy produced by the useful emission of the cathode. The frequency of the oscillation is mainly defined by the dimensions of the resonant cavities.
It is good to notice that the electrons which return to the cathode liberate other electrons by secondary emission and these behave in the same way as the primary electrons; done to sustain the oscillations, once they are initiated, the primary emission of the cathode is not always necessary.
<Desc / Clms Page number 5>
In view of the foregoing considerations, the principles on which the invention is based may now be set forth and the nature of the invention will be described in general before giving a detailed account thereof.
It should first be noted that if the magnetron had only one resonant cavity and no complete circular path, therefore not being able to pass in front of the cavity more than once, there would be no production of sustained oscillations. , since half of the electrons passing through the slit would deliver energy to the field associated with the cavity while the other half would receive it, and the resulting transfer of energy to the field would be virtually zero.
So if the part of 1 cathode electrode which '-1 - and primary electrons, and which will henceforth be called the primary cathode, has its emission limited to one face of a single resonant cavity whose slit is not crossed once by electrons, if the cavity has not been initially excited it will remain non-excited, and even if the cavity is excited there will be no appreciable energy transfer to the field attached to the cavity.
When the cavity is not excited virtually all of the electrons emitted from the primary cathode will complete a simple cycloidal loop and return to the cathode electrode at a location remote from the primary cathode and if that part of the cathode electrode on which they end up emitting no secondary electrons, there are hardly any electrons that will gravitate outside this part.
But if the cavity, which can be separated from the input cavity, is excited by an input oscillation applied to it, the oscillating field created by it will react on the electrons emitted by the primary cathode so bare for a period of time. half-period of the field, the electrons will receive energy and be accelerated, while, during the other half-period, the
<Desc / Clms Page number 6>
electrons will deliver energy and will be delayed; The accelerated electrons will return to the cathode as above, but the delayed electrons will not return and will continue to move, performing a series of cycloidal loops.
If we then have other cavities resonating nearly at the frequency of the input oscillation so that the moving retarded electrons pass through their slits, the cavities will be excited by the electrons and the phase and frequency of the fields as well. created will be such that there will be a continual transfer of energy from the retarded electrons to these fields.
It follows that we can derive from these cavities, which can be called output cavities, an output oscillation whose frequency is the same as that of the entry oscillation, and as each electron can deliver energy successively to the fields associated with several different cavities, a large resulting energy transfer can be obtained, and if the cavities are coupled together as in a magnetron oscillator, an output oscillation of large amplitude.
If the output cavities resonate at a frequency which is an integer multiple of the frequency of the input oscillation, they will also be excited, since the variation over time of the density of the electronic flux exciting the cavities is not sinusoidal and favorable to the creation of harmonics, and one can derive from the cavities an output oscillation whose frequency is equal to an integer multiple of the frequency of the input oscillation.
For purposes of amplification, and sometimes frequency multiplication, the amplitude of the output oscillation should be able to vary, preferably substantially linearly, as a function of the amplitude of the input oscillation; this can be achieved by arranging the primary cathode close to or below the inlet cavity so that its emission. is
<Desc / Clms Page number 7>
controlled by the field created by the input oscillation;
does the number of electrons coming from the primary cathode vary? then depending on the amplitude of the input oscillation, and retort there is always about half of these electrons which is retarded, the number of electrons exciting the output cavities and, consequently, the amplitude of the output oscillation, vary. '', usually almost linearly with the amplitude of the input oscillation
Note that with other forms of amplification, for example, this apparatus may be useful, even if the amplitude of the output oscillation is smaller than that of the input oscillation;
It is therefore clear that the meaning of the word "amplification" does not necessarily imply that the amplitude of the output oscillation is greater than that of the input oscillation, although it often will be.
It should also be noted that the output cavities must not individually resonate% the frequency or? % an integer multiple of the frequency of the input escillation provided that the combined output circuit formed by the cavities coupled together is actually resonant µ. the required output frequency; therefore the high sun arrangement frequently employed in new resonant cavity magnetrons be adopted to ensure a stable frequency.
The coupling of the outlet cavities to one another can be obtained simply by the choice of their locations, but preferably special coupling devices are used. such as conductive material straps. It is obvious that there can hardly be any coupling between the input and output currents otherwise the system will hook up as an auto-oscillator instead of operating as an amplifier or frequency multiplier.
Also in order to avoid self-oscillations, the cathode electrode will not emit secondary electrons in
<Desc / Clms Page number 8>
no part of its surface and not only the part of its surface where the accelerated electrons and all the electrons, in the case where the input cavity is not excited, end up; this precaution minimizes the possibility of having electrons which return directly to the cathode electrode beyond this part, or of having secondary electrons which can be released on this part of the surface, these primary and secondary electrons releasing primary electrons and secondary electrons of a higher degree, respectively, which could give rise to self-oscillation.
It is interesting to know that the primary cathode 'can be separated from the rest of the cathode electrode, these two electrodes then being able to be designated as primary cathode and as cathode electrode, and being able to be maintained at different potentials. Likewise, the part of the cathode electrode on which the accelerated electrons and all the electrons end, in the case where the input cavity is not excited, can constitute a separate electrode.
It is also interesting to know that one can use different forms of coupled output resonant circuits instead of resonant cavities, for example intertwined groups of metal fingers whose distributed reactances and connections constitute output circuits mounted astride. the slots separating two neighboring fingers, or it is also possible to employ physically distinct resonant output circuits mounted astride the slots separating two adjacent anode segments; furthermore, the input circuit does not necessarily have to consist of a single cavity or does not have to be a cavity at all - it can be made of a resonant finger, for example.
In general, and especially in the case of very high frequencies, all electrodes and circuits will be enclosed within or be part of the walls of the space.
<Desc / Clms Page number 9>
emptied of air in which the electrons must gravitate, but in some cases parts of the apparatus, and especially parts of the input and output circuits, may be found. outside or extend outside the walls of the enclosed space.
After this discussion, the invention can now be described in detail.
According to the invention, in an apparatus for amplifying high frequency electrical input oscillations, the electrons emitted by a primary cathode are brought into and travel through an electron gravitational space under the influence of electrostatic cross fields. and magnetic so as to excite a number of output resonant circuits, the input oscillation drives an input resonant circuit arranged so as to create, when energized,
an oscillating electrostatic field regulating the number of electrons which leave the primary cathode and modifying the trajectory of the electrons so that a fraction of these no longer reach an electrode practically without emission of secondary electrons intended to collect these electrons when the input resonant circuit is not excited, this fraction forming a flow of electrons which travels through the gravitational space of the electrons in order to excite the output resonant circuits, the latter being effectively coupled together so as to force a complex output circuit resonating practically at the frequency of the input oscillation,
their arrangement being such that one can derive from this complex output circuit an output oscillation whose frequency is that of the input oscillation and whose amplitude varies as a function of the amplitude of the 'input oscillation
Preferably, the apparatus comprises a cathode emitting primary electrons, electrodes for the establishment of an electrostatic field determining a particle space.
<Desc / Clms Page number 10>
vitation of electrons in which the electrons emitted by the cathode can move in practically cycloidal paths under the influence of an electrostatic field and a crossed magnetic field, an input resonant circuit being able to be excited by the oscillation of entry and being able, once excited,
create an oscillating electric field which regulates the number of electrons coming from the primary cathode and modifies the trajectory of the electrons by alternately accelerating and retarding the electrons so that the delayed electrons no longer reach an electrode with virtually no emission of electrons secondaries intended to collect the accelerated electrons and almost all the electrons in the event that the input resonant circuit is not excited, whereby the delayed electrons can move in space 'of electronic gravitation;
the apparatus also comprises, placed in the vicinity of the gravitational spacing of the electrons, several slits separating conductors, a resonant output circuit being connected straddling each slit and being able to be excited by the aforementioned retarded electrons when these pass through the slot while traveling through the electronic gravitational space, these output resonant circuits being substantially coupled together so as to form a complex output circuit resonating at the frequency of the input oscillation, and the apparatus further comprises a output device for deriving an output oscillation of this complex output circuit, its arrangement being such that an output oscillation can be obtained, the frequency of which is that of the input oscillation and the amplitude of which varies depending on that of the input oscillation.
Likewise, according to the invention, in an apparatus deriving from a high-frequency input oscillation an output oscillation whose frequency is an integer multiple of the frequency of the input oscillation, the electrons emitted by a primary cathode are brought into and run through a
<Desc / Clms Page number 11>
space of gravitation of electrons under the influence of electrostatic and magnetic crossed fields so as to excite a certain number of output resonant circuits, the input oscillation attacks an input resonant circuit arranged (- 'so as to create , when excited, an electric field oscillpnt, modifying the.
trajectory of the electrons so that a fraction of them no longer reach an electrode practically without emission of secondary electrons intended to collect these electrons when the input resonant circuit is not excited, this fraction forming a flow d 'electrons which traverse the gravitational space of the electrons in order to excite the output resonant circuits, the latter being effectively coupled to each other so as to form a complex output circuit resonating at a frequency which is a multiple integer of the frequency of the input oscillation, their arrangement being such that one can derive from this complex output circuit an output oscillation the frequency of which is an integer multiple of the frequency of the oscillation entry.
Preferably the frequency multiplying apparatus comprises a cathode emitting primary electrons, electrodes for establishing an electrostatic field defining a gravitational space of the Electrons in which the electrons coming from the cathode can move in accordance with Practically cycloidal trajectories under the influence of an electrostatic field and a magnetic field crossed a resonant input circuit which can be excited by the input oscillation and can,
once excited to create an oscillating electric field which modifies the trajectory of the electrons by alternately accelerating and retarding the electrons so that the retarded electrons no longer reach an electrode with virtually no emission of secondary electrons intended to collect the accelerated electrons and practically, all the electrons in the event that the input resonant circuit is not excited thanks to
<Desc / Clms Page number 12>
in which the delayed electrons can move in the electron gravitational space, the apparatus also comprises, placed in the vicinity of the electron gravitational space, several slits separating conductors,
a resonant output circuit being connected astride each slit and being able to be excited by the aforementioned delayed electrons when the latter pass through the slit while traveling through the gravitational space of the electrons, these output resonant circuits being practically unchanged - folded together so as to form a complex output circuit resonating at a frequency which is an integer multiple of the frequency of the input oscillation, and the apparatus further comprises an output device for deriving an oscillation of output of this complex output circuit, its arrangement being such that one can obtain an output oscillation whose frequency is an integer multiple of the frequency of the input oscillation.
It should be noted that it is not necessary that these amplification or frequency multiplication apparatuses in accordance with the invention have the circular shape of the magnetron shown in FIG. 1; it is possible to have a linear embodiment in which the cathode and the associated anode are practically flat; however, the circular shape is preferred and an amplifier which is such an embodiment will now be described by way of example, with reference to Figures 2 and 3 of the accompanying drawing.
Figure 2 shows a section perpendicular to the axis of revolution and Figure 3 a section containing this axis; the . section of Figure 3 is in plane A-A of Figure 2, right view, and the section of Figure 2 is in plane B-B of Figure 3, also seen from the right.
In this embodiment, the device comprises a cylindrical metal anode block 1 hollowed out at its two end walls so as to receive an annular peripheral rim 2 and pierced concentrically with a cylindrical hole 3 determining
<Desc / Clms Page number 13>
the gravitational space of electrons.
Half of the part of the block surrounding the hole is more deeply recessed at each of its end walls so as to force a semicircular ring 4 of lesser thickness which is perched in the direction of the axis of eight parallel holes 5 , each of these holes communicating with the central hole 3 by a radial groove 6 made in the ring 4 parallel to the Axle, and two semi-circular holes 7 each adjoining the thicker part of the block and communicating with the central hole 3 by a groove 8 whose width is half the width of the grooves 6.
The holes 5 and the grooves 6 force the output cavities to each resonate at the frequency at which the device. must operate, that is to say amplify, and the holes 7 and grooves 8 likewise form cavities resonating at the same frequency; these last two cavities have a shape such that they have a zero field along the face of the thickest part of the block in order to avoid coupling with the input circuit.
The thicker part of the block is drilled near its middle around the central hole 3 with two radial grooves 9 arranged parallel to the axis, each of these grooves having a radial length practically equal to one nuart of the wavelength. on which the apparatus is to operate, and, between the two grooves, the block is hollowed out at each of its end points so as to form a wedge-shaped finger 10, resonating on the aforementioned wavelength and having the driven axial thickness as the ring 4; finger 10 forms the input resonant circuit.
In the central hole 3 is placed concentrically a cylindrical cathode 11 carried by circular end plates 12 each held by a rigid metal connection 13 sealed in the cylindrical wall of the block by means of a glass-to-metal sealing ring 14 in accordance with the usual magnetron technique. the surface of the cathode 11
<Desc / Clms Page number 14>
is treated over its entire extent so as not to be able to emit secondary electrons; by covering it, for example, with titanium dioxide.
At approximately the center and to one side of finger 10, the cathode 11 and the end plates 12 are cut so that an indirectly heated primary cathode consisting of a canister containing a filament of heating 16; The curved outer wall of the box is covered with an electron-emitting material and completes the cathode cylinder.
The primary cathode is carried by end plates 17 each held by a rigid metal connection 18 sealed in the cylindrical wall of the block by means of a glass-to-metal sealing ring 19; the connections 18 also serve to supply the current to the heating filament 16 and the primary cathode is isolated from the cathode electrode so that the two electrodes can, if necessary, be maintained at different potentials respectively at the using connections 18 and 13.
A metal tab is placed between the cavity 7, 8 and the primary cathode 15, but closer to the latter; this metal tongue 20, parallel to the axis, is fixed in the part of the block surrounding the cylindrical hole 3 and extends radially to a very short distance from the cathode electrode 11; tab 20 forms a barrier for the electrons, preventing them from passing past the ring 10.
An inlet connection 21 going to finger 10 is sealed in the cylindrical wall of the block by means of a glass-metal sealing ring 22, and an outlet connection 23 terminated by a loop placed in one of the holes 5, is sealed in the wall by means of a glass-to-metal sealing ring 24.
The resonant cavities formed by the holes 6 and the grooves 5 form the output resonant circuits which can be
<Desc / Clms Page number 15>
excited by electrons circulating in the electron gravitational space 3, and the metal tongues separating neighboring grooves are connected to each other, at the end wall of the block, by means of metal straps 25, 26, placed in circular grooves made in the tongues, strap 25 to one of the walls of the block connecting tongues one, three, five, seven and nine to each other, while strap 26 connects tongues two, four, six, eight, tongues being numbered going around the block, while at the other end wall of the block the outer strap 25 connects the two tongues,
four, six, buit and the inner strap 26 connects the tabs one, three, cina, seven, nine. Thus, the resonant output circuits are coupled together so as to form a complex output circuit.
On each face of the shallow recess overhanging the flanges 2 there is screwed a tension equalizing plate 26 and the block is hermetically sealed by means of end plates 27 fixed to the flanges 2 by means of screws. gold washer seals, in accordance with the usual magnetron technique.
The apparatus is emptied of air and finally sealed by means of a pump tube 28 sealed to the glass ring of one of the seals of the cathode electrode connections.