BE503123A - - Google Patents

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BE503123A
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/50Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/52Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode
    • H01J25/54Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode having only one cavity or other resonator, e.g. neutrode tubes
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03CMODULATION
    • H03C5/00Amplitude modulation and angle modulation produced simultaneously or at will by the same modulating signal
    • H03C5/02Amplitude modulation and angle modulation produced simultaneously or at will by the same modulating signal by means of transit-time tube
    • H03C5/04Amplitude modulation and angle modulation produced simultaneously or at will by the same modulating signal by means of transit-time tube the tube being a magnetron

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  • Microwave Tubes (AREA)

Description


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  . MAGNETRON.    



   La présente invention concerne des perfectionnements, changements et additions à celle objet du brevet principal, elle est particulièrement re- lative à une nouvelle utilisation des tubes électroniques analogues à celui décrit dans le brevet principale 
L'invention décrit en fait un procédé d'amplification d'ondes à ultra haute fréquence, à l'aide d'un tube du type   màgnétron,   c'est-à-dire dans lequel les électrons émis par une cathode sont soumis, en plus des champs à haute fréquence, à deux champs continus perpendiculaires électrique et ma- gnétique 
Il est d'usage courant d'utiliser des tubes du type magnétron, ainsi qu'on l'a fait dans le brevet principal et ses dix premiers perfection- nements, comme générateurs d'ondes à très haute fréquence,

   surtout lorsqu'on désire obtenir une énergie élevée avec un bon   rendemento   De nombreux essais ont été faits jusqu'à présent, en vue de la réalisation d'amplificateurs sus- ceptibles de délivrer une énergie du même ordre de grandeur que celle fournie par un magnétron oscillateur, avec un rendement s'approchant de celui de ce dernier. 



   Un exemple de réalisation possible et donnant des résultats satis-   faisants,   a été décrit dans le llème perfectionnement au brevet principal. 



   La présente invention a pour objet un autre procédé d'amplifica- tion d'ondes à ultra haute fréquence et les moyens de mise en oeuvre de ce procédé, permettant d'obtenir une puissance de sortie et un rendement compa- rables à ceux donnés par un magnétron fonctionnant comme oscillateur. Elle consiste essentiellement à établir, dans un tube électronique du type magné- tron à onde progressive, un champ magnétique et un champ électrique constants, donnant au nuage électronique un mouvement de rotation autour de la cathode, la vitesse argulaire moyenne des électrons étant insuffisante pour exciter 

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 les cavités constituant le circuit anodique qui, par ailleurs, ne capte pas les électrons cathodiques.

   Le signal à haute fréquence à amplifier est super- posé au champ électrique continu, de façon à assurer la relation correcte en- tre la vitesse angulaire des électrons et la fréquence d'accord des circuits anodiques. Des moyens de couplage sont prévus afin d'établir le champ élec- trique à haute fréquence d'une part, et de capter l'énergie haute fréquence développée dans le tube d'autre part. 



   L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exemple non li- mitatif et dans lesquels - la figure la représente d'une façon schématique un magnétron utilisé dans le procédé selon l'invention. 



   - la figure 1b représente, d'une façon schématique, un autre ty- pe de magnétron. 



   - la figure 2 est une caractéristique simplifiée de la tension anodique en fonction du courant anodique d'un magnétron du type ci-dessus. 



   - la figure 3 représente d'une façon schématique une réalisation de l'invention. 



   - la figure 4 représente une variante de celle-ci. 



   - les figures 5a et 5b représentent des détails de r éalisation d'un magnétron pouvant être utilisé dans les réalisations représentées sur les figures 3 & 4. 



   Ainsi qu'il est bien connu, un tube magnétron comporte essentiel- lement une structure anodique cylindrique autour de laquelle sont disposées symétriquement des cavités résonnantes constituées dans la structure anodique. 



  Lorsqu'on applique, entre la cathode et l'anode, un champ magnétique unidi- rectionnel perpendiculairement au précédent, moyennant certaines conditions, le magnétron se met à osciller et fournit de l'énergie électromagnétique à la fréquence d'accord des cavités anodiques. 



   On a représenté sur la figure la une vue développée de ce type de magnétron dit "magnétron à onde progressive". On a figuré en   la   une série de segments anodiques faisant face à la cathode 2. Des cavités resonnantes ou circuits accordés, représentés en 3 sont disposés entre les segments ano- diques, ainsi qu'il est représentée Bien entendu, l'ensemble anode-cathode est disposé dans une enveloppe vidée ou constitue un ensemble étanche vidéo On a représenté par H le champ magnétique axial unidirectionnel et par E le champ électrique unidirectionnel entre l'anode et la cathode.

   Si les ampli- tudes de ces deux champs sont choisies de façon que la vitesse moyenne des électrons dans l'espace anode-cathode corresponde à la fréquence d'accord des résonateurs 3, le magnétron oscille et transforme l'énergie fournie par la source de puissance unidirectionnelle établissant le champ électrique en'une énergie à ultra haute fréquence. 



   Le fonctionnement du magnétron oscillateur est extrêmement complexe à l'échelle électronique et il est impossible de rappeler même ici la théorie complète présidant au calcul des trajectoires électroniques, cependant on va donner dans ce qui suit une explication simplifiée du comportement des élec-   trons.   



   Le champ à ultra haute fréquence établi à l'entrée des résonateurs est représenté, d'une façon schématique, par E'o Une fois la période de fonc- tionnement transitoire terminée, ces champs à ultra haute fréquence déforment le nuage électronique lorsque celui-ci passe devant les ouvertures des cavités. 



  L'action du champ E' dépend évidemment de la géométrie du tube. Lorsque le nuage électronique soumis aux champs électrique et magnétique unidirectionnels s'approche de l'entrée des résonateurs, il cède une partie de son énergie à ceux-ci, à condition toutefois que la vitesse moyenne des électrons satisfas- se à une relation faisant intervenir la fréquence d'accord des cavités. On dit que, dans ces conditions, la charge d'espace est au synchronisme. Si la vitesse moyenne des électrons est inférieure à cette valeur, il ne se produit 

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 pas rechange d'énergie entre les électrons et les champs à haute fréquence établis dans chacune des cavités.

   La vitesse moyenne des électrons est une fonction du rapport   E,   E & H étant respectivement les intensités des champs 
H électrique et magnétique continus.   L'on   a parlé de vitesse moyenne des élec-   trons   il est bien entendu que, si l'on revient de la vue développée de la figure la à la structure réelle cylindrique, il faut remplacer le terme "vi- tesse moyenne!! par le terme !vitesse angulaire   moyenne!!   
La figure 2 représente d'une façon très simplifiée une caracté- ristique de fonctionnement d'un magnétron oscillateuro On a porté en abscis- se le courant anodique unidirectionnel,   c'est-à-dire   le courant fourni par la source d'énergie à haute tension et, en ordonnée,

   le potentiel de   l'ano-     de.   Lorsque l'on augmente le potentiel anodique à partir d'une valeur nulle (l'origine des potentiels étant la cathode) jusqu'à une certaine valeur, le courant unidirectionnel anodique augmente mais il n'y a pas d'échange d'éner- gie entre la source continue et le champ à haute fréquence établi dans les cavités.

   Lorsque la tension atteint la valeur correspondant au point 4 de la courbe, la vitesse angulaire des électrons atteint la valeur correspon- dant au synchronisme et l'échange d'énergie   commence.   A mesure que la ten- sion anodique augmente, la quantité d'énergie cédée au champ à haute fréquen-   ce augmenteo On a atteint la valeur du champ, pour lequel le rapport µ dont il a été question plus haut est suffisant, pour amener la charge d'espace   au synchronisme. On peut supposer qu'une source de tension continue permet d'établir entre l'anode et la cathode un potentiel dont la valeur correspon- de au point 5 de la courbe; le point 5 étant situé au-dessous du point 4. il n'y a pas d'échange d'énergie entre les nuages électriques et les   cavités.   



  Si, maintenant, l'on dispose une seconde source de tension en série avec la première, de sorte que la différence de potentiel totale corresponde au point 6, il y a échange d'énergie entre les cavités et le nuage électronique. L'é- nergie consommée par le magnétron est égale à (V +   A   V) x I. L'énergie à haute fréquence fournie par le magnétron est égale à ce produit multiplié par le rendement du tube, la seconde source fournit une énergie égale à   # V   x I. 



  L'on peut, en choisissant convenablement la valeur de V, s'arranger pour que la puissance haute fréquence fournie par le magnétron, soit grande devant l'é- nergie fournie par la seconde source. A titre d'exemple, on peut choisir un magnétron oscillant lorsque sa tension anodique est de   10000   V.; dans ces con- ditions, il débite deux ampères, en admettant un rendement de 50%, on obtient   10000   W.   (10000   x 2 x 0,5) d'énergie à ultra haute fréquence. Si   le V   re- latif à la deuxième source est égal à 50V., celle-ci fournit au magnétron une énergie de 100 W. (50 x 2).

   Le procédé selon l'invention consiste essentielle- ment à utiliser comme deuxième source de tension, une source délivrant le si- gnal à amplifier; dans ces conditions, le magnétron délivre une énergie modu- lée en amplitude au rythme du signal de modulation. L'énergie à ultra haute fréquence délivrée par le magnétron varie au rythme de l'énergie fournie par la dite deuxième   sourceo   Dans l'exemple numérique donné plus haut, le magnétron assure une amplification en puissance par un facteur 10. 



   On a représenté, sur la figure 1b, un magnétron à anode fendue dans lequel une pile établit une différence de potentiel entre la cathode 2 et l'anode 1b. Dans ce qui précède, on avait supposé, pour simplifier l'ex- posé, que la source fournissant la différence de potentiel supplémentaire   # V   était une seconde pile, pratiquement, l'énergie issue de la source de modula- tion n'est pas appliquée en série entre la cathode et l'anode, mais entre les deux unités ainsi qu'il est représenté par la flèche; la tension d'appoint   # V   qui en résulte est une tension variable. Dans ces conditions, le champ électrique entre l'un des éléments anodiques et la cathode est augmenté, alors qu'il est diminué entre la cathode et l'autre anode, le sens des variations étant inversé à l'alternance suivante du signal à amplifier. 



   En se reportant à la figure 2, on remarquera qu'il est possible de choisir   une   valeur de la tension V différente de celle correspondant au point de fonctionnement 5. Toutefoissi le point de fonctionnement est choi- si nettement en-dessous du point   4,1'¯'énergie   fournie par la source de signaux à amplifier doit être élevée, ce qui constitue un désavantageo D'autre part, 

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 si le point de fonctionnement statique est choisi au-delà du point   4,   le ma- gnétron ne consomme qu'une énergie très faible sinon nulle avant de délivrer une énergie en ultra haute fréquenceo Dans ces conditions en effet, le ma- gnétron oscille en l'absence de signal   # V.   Cependant, il fonctionne quand même en amplificateur;

   en effet, la demanderesse a trouvé que même si le ma- gnétron délivre, en l'absence de signal, une énergie à ultra haute fréquence correspondant à l'énergie maximum qu'il peut normalement délivrer lorsqu'il fonctionne en   auto-oscillateur,   l'introduction d'un signal de modulation aug- mente encore l'énergie délivrée,, 
Les remarques faites plus haut s'appliquent à un magnétron fonc-   tionnant dans un mode particulier, par exemple le mode #. . Si la courbe de   la figure 2 correspond à ce mode de fonctionnement du magnétron, il est bon de remarquer qu'il est possible que, pour une valeur de la tension comprise entre 0 et V, autre que celle correspondant au point 5, le magnétron oscille sur un mode différent.

   Il est bien entendu qu'il est nécessaire de choisir le point de fonctionnement 5 de façon à éviter toute possibilité d'oscilla- tion du magnétron sur un mode différent. 



   On a représenté schématiquement, sur la figure 1, des résonateurs connectés aux différents segments anodiqueso Il est bien entendu que, dans le magnétron amplificateur selon l'invention, ces résonateurs ne sont pas essentiels, une impédance de charge élevée pouvant les remplacer. En effet, dans le cas d'un magnétron fonctionnant en auto-oscillateur, le circuit ré- sonant définit la fréquence d'oscillation du dispositif" Dans le cas d'un magnétron amplificateur, la fréquence est définie par le signal incident Si l'impédance de charge élevée se présente sous la forme d'un résonateur, il est bien entendu qu'il doit être accordé sur la fréquence du signal à am- plifier. 



   La figure 3 représente un exemple de réalisation de l'invention utilisable notamment dans le cas où l'on désire obtenir des niveaux d'énergie élevés. Le circuit représenté sur cette figure comporte essentiellement un magnétron à propagation d'onde amplifiant' l'énergie issue d'une source 18 connectée au circuit du magnétron par l'intermédiaire d'un amplificateur sé- parateur 18'. Le magnétron à lignes représenté sur la figure est donné à titre d'exemple non limitatif, étant bien entendu qu'un type quelconque de magnétron comportant notamment plus de deux segments anodiques peut être uti- lisé; on peut par exemple, utiliser un magnétron du type de celui décrit dans le brevet principal. Dans certains cas, on peut également se passer du cir- cuit séparateur 18'.

   Le circuit associé au magnétron comporte essentiellement un tronçon de ligne de transmission 7   court-circuité   à l'une de ses extrémités 8; un court-circuit mobile 9 peut se déplacer à l'autre extrémité et permet ainsi d'accorder la ligneo Des points intermédiaires du tronçon de ligne sont connectés à une charge 10, le point de connexion pouvant être également dépla- cé le long de la ligneo La charge a été représentée d'une façon schématique par la résistance 10. Il est bien entendu qu'elle est constituée par le cir- cuit d'utilisation. L'impédance de charge peut notamment présenter une com- posante réactive importante, sans modifier le fonctionnement de base de l'am- plificateur.

   Au voisinage de l'extrémité court-circuitée 8 de la ligne 7 sont disposés deux segments anodiques 11 & 12 connectés électriquement à la ligne. 



  Les faces internes de ces segments présentent deux ouvertures qui, mises en regard, définissent une ouverture cylindrique dans laquelle est disposée la cathode 13. On a représenté par la pile 14 la source d'énergie de chauffage de la cathode, et par la pile 15 la source d'énergie à haute tension. 



   On a représenté d'une façon schématique, en 16, une bobine as- surant l'établissement d'un champ magnétique axial H dans l'espace inter-ano-   diqueo   Le signal à amplifier est appliqué par l'intermédiaire d'un collier mobile 17 en un point de la ligne de transmission. La position du collier 17 est choisie de façon qu'un transfert de puissance maximum puisse s'effectuer entre le circuit accordé et l'amplificateur 18' connecté au magnétron par l'intermédiaire d'une section de ligne de transmission coaxiale 17a.

   Il est bien entendu que l'on peut utiliser comme circuit de couplage, l'un quelcon- que des circuits bien connus de l'homme de   l'arto   Le fonctionnement du cir- 

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 cuit amplificateur de la figure 3 est assuré en règlant la fréquence d'accord de la ligne   7.   à l'aide du court-circuit mobile 9 de façon que, à la fréquen- ce du signal à amplifier,

   l'impédance présentée par la ligne au droit des seg- ments anodiques soit élevéeo Les tensions d'alimentation du magnétron sont choisies de façon que le rapport de l'amplitude du champ électrique continu entre la cathode et l'anode à celle du champ magnétique axial soit tel que la vitesse angulaire des électrons reste voisine ou inférieure   à   la vitesse correspondant au fonctionnement en oscillateuro Lorsque le signal à amplifier est appliqué au magnétron, le champ électrique interélectrode augmente jusqu'à une valeur telle que le magnétron délivre de l'énergie au circuit d'utilisa- tion.

   Il résulte de la linéarité de la courbe de la figure 2, que l'amplifi- cation apportée par le magnétron est linéaireo L'on vient de décrire comment un magnétron oscillateur   d'un   type connu peut être adapté à fonctionner en amplificateur de puissance présentant un rendement élevée Dans un tel mon- tage, le magnétron est entièrement commandé par la source d'énergie   à   ampli- fiero Un tel circuit peut assurer un gain en puissance compris entre deux et dix; l'on a obtenu des puissances de sortie de   10000   Wo dans la gamme des fréquences comprises   entre-$00   et   10000   MHz. 



   Ces amplificateurs fonctionnent avec un rendement compris entre   40   et 80 % suivant le type de magnétron utilisée Il est'bon de remarquer que le signal à amplifier étant appliqué également directement à la charge et non seulement à l'amplificateur, l'énergie fournie par le circuit d'entrée n'est pas perdue et que les rendements réels sont supérieurs aux nombres in- diqués plus haut. 



   On a conservé sur la réalisation de la figure 4, les mêmes numé- ros de référence pour indiquer des éléments identiques à ceux de la réalisation précédente. La partie droite du circuit de la figure 4 est identique à celui que l'on vient de décrire et fonctionne de la même façon; la partie gauche du circuit constitue une source de signal à amplifier, c'est-à-dire que le se- cond magnétron fonctionne en auto-oscillateur. Le couplage entre l'auto-os- cillateur et l'amplificateur est assuré à l'aide de la ligne accordée 7 com- mune aux deux circuits; cette ligne, courtcircuitée en ses deux extrémités 8 & 9, constitue un résonateur. Une impédance de charge 10, analogue à celle représentée sur la figure 3, est connectée entre les deux magnétrons.

   Un élément d'accord, constitué par la ligne de transmission 20 connectée aux bor- nes de la charge 10 et présentant un piston mobile de court-circuit 21, per- met de régler la fréquence d'accord du circuito La source 22 fournit l'éner- gie de chauffage de la cathode du magnétron auto-oscillateur. La source 23 établit entre les anodes lla à 12a et la cathode 13a du magnétron oscillateur, une différence de potentiel suffisante pour le faire oscillera Le champ ma- gnétique continu nécessaire au fonctionnement, est fourni par un circuit con- nu en soi, représenté d'une façon schématique par la bobine 24.

   L'amplitude de la tension anodique, celle du champ magnétique et la valeur de la fréquen- ce de résonance sont fonction les unes des autres et ces différents paramètres sont choisis de façon que des oscillations soient développées dans la section "oscillateur" du circuit. Les différents paramètres relatifs à la section amplificatrice du circuit sont choisis comme il a été dit plus   hauto   Si l'on utilise deux magnétrons identiques, respectivement comme oscillateur et comme amplificateur, l'on obtient un gain en puissance de 2 et la puissance déli- vrée à la charge augmente linéairement en fonction de la puissance fournie par l'oscillateur. 



   La figure 5 représente, avec un peu plus de détails, le magné- tron représenté d'une façon schématique sur les figures 3 & 4. Il est bien entendu, par ailleursqu'un type quelconque de magnétron peut être utilisé selon l'invention comme amplificateuro 
Le magnétron représenté sur la figure 5 comporte   essentiellement   une enveloppe vitreuse 25, dans laquelle est disposé un conducteur 28 en forme d'U, formé en tube de   cuivre,,   Les branches parallèles du circuit tra- versent l'extrémité de l'enveloppe et sont scellées à celle-ci ainsi qu'il est connu, par l'intermédiaire, par exemple, de deux manchons soudés 28 et 27,

   scellés respectivement au fond de   l'ampoule.   Ils doivent être réalisés en 

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 un métal présentant   vis-à-vis   du verre de l'enveloppe, un coefficient de di- latation convenableo Le conducteur 26 est prolongé à l'extérieur de   l'en-   veloppe par les conducteurs 29 & 30 constituant le tronçon de ligne de trans- mission 7 des réalisations précédentes. A l'intérieur de l'ampoule sont dis- posés deux éléments anodiques 30 & 31 correspondant respectivement aux corps anodiques 11 & 12 des figures 3 & 4. Ces éléments sont maintenus en face l'un de l'autre solidaires des deux bras du conducteur en Uo Les faces internes des blocs anodiques sont creusées de deux gorges 32 & 33 qui définissent un espace cylindrique de décharge dans lequel est disposée la cathode 34.

   Cel- le-ci, qui peut être constituée par un fil de tungstène, est supportée par les conducteurs 35 & 36 présentant une certaine élasticité, ces conducteurs sont eux-mêmes fixés aux conducteurs rigides d'amenée 37 & 38 scellés à travers la paroi de l'enveloppe par tout moyen connu. Des écrans circulaires 39 & 40, supportés respectivement par les conducteurs flexibles 35 & 36, sont dis- posés de part et d'autre de la structure anodique pour éviter que les élec- trons s'échappant de l'espace interélectrode, ne frappent les parois vitreu- ses de l'enveloppe. L'on peut également disposer un écran   41   connecté au segment anodique 30, qui recouvre l'espace interélectrode de façon à collec- ter les électrons qui s'en échapperaient.

   Un getter 43 est supporté par un conducteur 44 au voisinage de la paroi de l'enveloppeo Le conducteur 44 est fixé à l'extrémité fermée du conducteur 26.

Claims (1)

  1. RESUME,, La présente invention concerne un procédé d'amplification des on- des à ultra-haute fréquence utilisant un tube du type magnétron dont les con- ditions de fonctionnement sont constituées par une combinaison convenable des conditions suivantes a) Les intensités relatives des champs magnétique.-. et électrique continus appliqués sont choisies de façon qu'il n'y ait pas d'échange d'éner- gie entre la charge d'espace et la structure anodique.
    b) Le signal à amplifier établit dans le ou les circuits accor- dés, associés à la structure anodique, un champ hyperfréquence qui réagit sur la charge d'espace de façon que celle-ci cède de l'énergie au moins pendant des fractions du signal au circuit de charge présentant une impédance élevéeo c) Les intensités relatives.des champs magnétique et électrique continus appliqués, sont choisies de façon que la charge d'espace excite le ou les circuits accordés de la structure anodique, le signal à amplifier étant appliqué aux dits circuits accordés, l'énergie délivrée par le tube à une im- pédance de charge élevée étant fonction linéaire de dit signal;,
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