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STRUCTURE DE CIRCUIT A CONSTANTES REPARTIES) ET TUBE ELECTRONIQUE POUR LA
PRODUCTION D'ONDES A TRES HAUTE FREQUENCE.
La présente invention est relative à des perfectionnements, chan- gements et additions à celle objet du brevet principal et concerne plus par- ticulièrement les dispositions destinées au couplage;, par l'intermédiaire de circuits à constantes réparties tels que,ceux faisant l'objet du brevet principal, de plusieurs tubes électroniques à haute fréquence tels que, par exemple, ceux décrits dans le brevet principal. Il est ainsi possible d'ob- tenir une puissance délivrée supérieure à celle normalement débitée par un seul tube.
Des tubes à haute fréquence fournissant une puissance assez fai- ble sont disponibles à des prix modérés. Mais, dans de nombreuses applica- tions,on a besoin d'une puissance supérieure à celle que peut fournir un seul tube. Selon l'art antérieur, on résolvait ce problème, soit en réali- sant un tube spécial délivrant une puissance élevée, soit en utilisant deux chaines d'amplificateurs ou d'oscillateurs connectés en parallèle. Ces deux solutions présentent chacune un inconvénient; les tubes spéciaux coûtent très cher et l'emploi de deux chaines occasionne une dépense inutile d'équi- pement et augmente l'encombrement du dispositif.
Toutefois, si l'on veut réaliser un appareil combinant les puis- sances de sortie de plusieurs tubes ordinaires il se pose un certain nombre de problèmes très difficiles. Pour obtenir une performance optimum, il faut que le fonctionnement des différents tubes soit synchronisé exactement, de sorte que le signal délivré par chacun d'eux ait, par rapport à celui du tube suivant, une phase donnant un vecteur-somme d'amplitude maximum.
Il faut, en ou tre, réduire au minimum -interréaction entre les tubes, afin que la caractéristique de fréquence du signal total reste semblable à celle du signal issus d'un seul tube. D'autre part, il est tout-à-fait souhaitable
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de pouvoir utiliser, dans un dispositif de ce genre, des tubes ordinaires dont les caractéristiques ne sont pas en général identiques. Parmi les autres conditions requises et difficiles à satisfaire,on peut citer la ré- duction au minimum du nombre des éléments de commande et de réglage, l'ab- sence de distorsion dans le signal de sortie et la possibilité d'adapter un système de refroidissement par air soufflé au dispositif de couplage lorsque la puissance que l'on veut recueillir est très grande.
Conformément au présent perfectionnement, on réalise un disposi- tif de couplage où sont résolus avantageusement les différents problèmes po- sés ci-dessus. La puissance de sortie dudit dispositif est à peu près égale à la somme des puissances délivrées par chacun des tubes, puissances qui sont, par exemple, égales entre elles.
Le dispositif selon l'invention est constitué par un guide d'on- des dans lequel s'établit un réseau d'ondes stationnaires dans le sens de la largeur et qui atténue les ondes s'y propageant dans le sens de la longueur.
On dispose le long de ce guide, des connexions équidistantes pour les élec- trodes des tubes. Le guide se comporte alors comme une cavité résonnante associée aux tubes, la propagation se faisant selon la largeur du guide.
La distance entre deux tubes successifs est, de préférence, inférieure à la longueur provoquant une atténuation prédéterminée, de façon que la synchro- nisation des distributions d'ondes relatives aux différents tubes soit assu- rée automatiquement. Selon une variante de l'invention, la distance consi- dérée est supérieure à cette atténuation, mais des dispositifs de couplage d'énergie appropriés sont introduits le long du guide pour diminuer ladite atténuation.
Si l'on utilise un guide d'ondes ouvert à ses deux extrémités, les tubes doivent être suffisamment éloignés des-extrémités du guide pour que l'énergie perdue soit négligeable. Si l'on utilise une ligne de trans- mission fermée, la distance doit être la même, sinon supérieure, pour éviter la réflexion des ondes électromagnétiques sur les parois extrêmes. On pré- fère utiliser un guide ouvert pour laisser passer, si besoin est, un fluide réfrigérant, tel que l'air.
Lorsqu'on utilise plusieurs tubes à haute fréquence, on peut, par exemple, introduire l'énergie dans le guide et l'en extraire par l'in- termédiaire d'une fente longitudinale pratiquée dans une paroi latérale.
Cette fente s'étend de préférence sur la même longueur que l'ensemble des tubes pour assurer un couplage direct au champ établi par les différents tubes, sans introduire de distorsions dans la distribution des ondes dans le guide. Ladite fente communique également, de préférence, avec un autre guide d'ondes assurant le transfert d'énergie à un circuit extérieur.
La présente invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante et aux figures qui l'accompagnent, données à titre d'exemples de réalisation non limitatifs.
La figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif de cou- plage selon l'invention, où l'on utilise des tubes connus sous le nom de "lampes-phares" ("lighthouse-tubes").
La figure 2 est une coupe transversale de la figure 1 selon la droite 2-2.
La figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif de coupla- ge selon l'invention.
La figure 4 est une vue longitudinale d'une partie du dispositif de la figure 1 illustrant une autre variante de l'invention, selon laquelle on peut espacer davantage les tubes que dans les exemples précédents.
La figure 5 est une coupe trans rsale selon la droite 5-5 de la figure 4 montrant un moyen d'assurer la synchronisation des tubes couplés par le dispositif de la figure précédente.
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Sur la figure l, on a représenté deux guides d'ondes 10 et 11, de section rectangulaire, ayant une paroi longitudinale commune 12, et'cons- tituant de fait un élément unique. Dans leur partie centrale, on introduit, perpendiculairement aux parois, deux tubes à haute fréquence 15 & 16, par exemple, du type "lampe-phare". Ces tubes s'adaptent dans des ouvertures, telles 20, 21 & 22, pratiquées respectivement dans la paroi supérieure 13, la paroi intermédiaire 12 et la paroi inférieure 14 des guides. Lesdites ouvertures portent des doigts élastiques 17, 18 & 19, qui entrent en con- tact respectivement avec les électrodes 23, 24 & 25 des tubes. Dans l'exem- ple choisie 23 est la cathode, 24 l'électrode de commande, et 25 l'anode de chaque tube.
La portion du guide 10 sitnée au voisinage de 15 et de 16 peut donc être considérée comme la cavité résonnante l'électrode de commande-catho- de". De même, la portion correspondante du guide 11 peut jouer le rôle de cavité résonnante "électrode de commande-anode" du tube considéré. Il est bien évident que, pour pouvoir mettre en fonctionnement le dispositif de la figure 1, il faudrait introduire un tube équivalent à 15 et à 16 dans les ouvertures 20, 21 & 22. La dimension et la position des contacts 17, 18 & 19 sont naturellement variables suivant le type des tubes utilisés. D'autre part, si, au lieu de se servir de triodes, on se sert de dyotrons, de klys- trons ou d'autres tubes associés à une seule cavité, le dispositif de coupla- ge se réduit à un seul guide d'ondes.
De même, si l'on veut utiliser des tubes à électrodes multiples, il faut disposer d'autant de guides qu'il existe d'espaces interélectrodes. Comme on le verra plus loin, chaque guide consti- tue un dispositif de couplage complet et indépendant. On peut toutefois as- surer une interaction entre les guides adjacents pour effectuer une réaction positive ou négative suivant le type de circuit considéréo
On choisit les dimensions des guides d'ondes 10 & 11 de façon qu'il s'établisse un réseau d'ondes stationnaires le long de leur axe trans- versal, représenté par la droite X sur la figure 2. Pour le mode TE01, la dimension transversale doit être égale à une demi-longueur d'onde à la fré- quence de fonctionnement choisie.
Lorsqu'un tube est introduit dans les gui- des d'ondes, sa capacité interélectrode a pour effet de raccourcir cette di- mension du point de vue de son comportement électrique;de la sorte, la dimensions . équivalant à la largeur X est inférieure à la moitié de la longueur d'onde à la fréquence de travail au droit du tube. L'atténuation des ondes se pro- pageant selon la longueur du guide se produit à partir d'une fréquence telle que la longueur d'onde soit égale au double de la dimension transversale équi- valente du guide. Donc il y a déjà atténuation à la fréquence des ondes éta- blissant un réseau transversal d'ondes stationnaires dans le guide. La di- mension transversale X, raccourcie par l'insertion des tubes, détermine la fréquence de résonance du système.
La Hauteur des guides, représentée par l'axe Y sur la figure 2, est fixée par les conditions de réalisation, bien connues de l'homme de l'art, d'un résonateur dont l'impédance s'adapte à celle des tubes associés.
La distance qui sépare les différents tubes doit être comprise entre, certaines limites pour un fonctionnement optimum. En raison des condi- tions de propagation du guide, les ondes électromagnétiques, produites au voisinage des tubes par les impulsions du courant électronique qui circule entre les électrodes sont atténuées. Cette atténuation est assez rapide, sans toutefois l'être extrêmement, car la fréquence est voisine de la fréquen- ce de coupure. Avec un type donné de guide, on obtient une atténuation de 20 décibels par unité de longueur, égale à la demi-longueur d'onde à 1a fré- quence de fonctionnement.
Si toutefois, les tubes sont assez rapprochés, ils sont maintenus en synchronisme par suite du couplage assuré par l'énergie qui, bien qu'atténuée, se propage de l'un à l'autre le long des guides. Cette synchronisation de l'énergie cédée au guide est rendue possible puisque l'at- ténuation est uniquement fonction de la longueur. Elle ne peut toutefois se produire que si la distance qui sépare les tubes, est inférieure à celle qui'correspond à une atténuation en énergie de 20 décibels. En d'autres ter-
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mes, on choisit une distance entre tubes adjacents telle qu'il se produise une atténuation maximum de 10 décibels de l'énergie se propageant entre les deux tubes, ladite atténuation maximum. se produisant dans la zone médiane séparant les tubes.
Si la distance est inférieure à la limite prescrite ci-dessus, on obtient un couplage plus serré et une meilleure synchronisa- tion des distributions de champs. Si la distance correspond, par exemple, à une atténuation d'énergie de l'ordre de 5 décibels, la synchronisation est très bonne. En pratique, on a remarqué qu'une distance entre tubes adjacents de l'ordre de une ou deux fois le diamètre du tube donne de bons résultats.
Il faut que tous les tubes introduits dans le dispositif de cou- plage soient semblables; il n'est pas nécessaire qu'ils soient identiques, car la fréquence de résonance et les autres caractéristiques des distributions d'ondes sont déterminées surtout par les dimensions des guides 10 & 11. En particulier,il importe que les capacités interélectrodes des différents tu- bes soient approximativement les mêmes pour que chaque tube produise une di- minution du même ordre de;la dimension transversale du guide. Toutefois., les tolérances industrielles atteintes pour les tubes à haute fréquence sont suffisantes et permettent de réaliser une bonne synchronisation.
La distance d, entre les extrémités respectives 26-27 et 28-29 des guides 10 & 11 et le tube le plus proche, doit être suffisamment grande pour éviter une perte sensible d'énergie vers l'extérieur. Si les guides sont ouverts ce qui est préférable pour le refroidissement de l'ensemble., cette distance doit être de beaucoup supérieure à celle qui correspond à une atténuation de 10 décibels. Lorsqu'elle correspond à une atténuation de 30 décibels,la perte d'énergie aux extrémités est négligeable. En pratique., d doit être égale approximativement au double de la largeur des guides.
Si l'on emploie des guides fermés on peut être amené, dans certains cas,, à donner à d une valeur supérieure à celle définie ci-dessus pour empêcher la propagation des modes longitudinaux indésirables et pour réduire au minimum les réflexions de l'énergie sur les parois extrêmes.
La figure 2 représente le dispositif de la figure 1 utilisé comme circuit amplificateur à haute fréquence. Les guides 10 & 11 sont connectés aux lignés coaxiales 30 & 31 par l'intermédiaire des boucles de couplage 32 & 33 respectivement. Pour permettre l'alimentation des électrodes des tubes en potentiels continus, sans perturber la propagation dans le guide, il est prévu de disposer des condensateurs de découplage 34, constitués par une ban- de isolante 35 que l'on insère entre deux parois adjacentes de chaque guide.
En variante, on peut se servir d'autres dispositifs de découplage., telspar exemple, des bobines d'arrêt à haute fréquence.
Lorsque le dispositif joue le rôle d'amplificateur, comme il ap- parait sur la figure 2, une batterie 36 maintient;, par l'intermédiaire de l'impédance ajustable 36a, la paroi 14 du guide 11, connectée à l'anode des tubes, à un potentiel positif continu. La paroi commune 12, connectée aux électrodes de commande, est réunie à la borne négative 37, mise à la masse, d'une source de tension de polarisation 38; la paroi 13, connectée aux catho- desest reliée au pôle négatif de la batterie 36 et au pôle positif de la source 38.
Si on ne couple qu'un petit nombre de tubesdeux ou trois par exemple, il suffit d'utiliser un seul circuit de transmission de l'énergie par guide; ce circuit figuré par les lignes coaxiales 30 & 31, est inséré de préférence dans la partie centrale du guide, de telle sorte que la boucle 32 se trouve en face du deuxième tube, si le dispositif en comprend trois, et à mi-distance entre les tubes, si le dispositif n'en comprend que deux.
Si l'on couple un nombre plus élevé de tubes, il faut prévoir des circuits de transmission supplémentaires que l'on dispose de façon que leurs actions s'ajoutent, en des points convenables des guides.
Au cours du fonctionnement, de l'énergie à haute fréquence est délivrée au guide 10 par l'intermédiaire de la ligne 30. Si la dimension transversale X de 10, raccourcie par la capacité d'entrée du deuxième tube, est approximativement égale à la moitié de la longueur d'onde d'entrée, il s'établit dans le guide 10, suivant son axe transversal, un réseau d'ondes
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stationnaires. Ce réseau d'ondes transversales est couplé aux deux tubes adjacents à 16 par l'énergie qui se propage en s'atténuante suivant l'axé longitudinal du guide, et il établit ainsi un réseau transversal correspon- dant au voisinage desdits tubes.
Le champ électromagnétique à haute fréquen- ce ainsi établi à proximité de la cathode 23 et de l'électrode de commande 24 des tubes respectifs, crée une variation correspondante du courant électro- nique allant de la cathode 23 à l'anode 25 de chaque tube ; cette variation, à son tour, crée une distribution d'énergie dans le guide 11. L'énergie to- tale délivrée dans le guide 11 par les tubes couplés, est transmise à un cir- cuit d'utilisation extérieur par l'intermédiaire de la boucle 33 et de la ligne coaxiale 31. Si l'on emploie des tubes semblables, on recueille une puissance de sortie à peu près égale à la somme des puissances délivrées par chaque tube individuellement.
Le dispositif selon i'invention vient d'être décrit comme circuit amplificateur,uniquement à titre d'exemple; il est bien certain que l'on peut l'utiliser aussi comme circuit oscillateur, en modifiant les connexions, ainsi qu'il est bien connu de l'homme de l'art. Il faut assurer une réaction appropriée entre la cavité résonnante de sortie;, constituée par le guide 11 et la cavité d'entrée;, constituée par le guide10. Comme représenté sur la figure 4, on prévoit, dans la paroi 12, des ouvertures, telles 38, ou d'autres dispositifs de couplage à haute fréquence.
Sur la figure 3, on a représenté une variante du dispositif selon l'invention; dans ce système, l'énergie est injectée et extraite des guides 10 & 11 sans que les champs ne subissent de distorsion excessive, même si plu- sieurs tubes sont couplés. Un guide d'entrée 40 remplace la ligne coaxiale 30 et une fente de couplage 41 remplace la boucle 32. De même;,, un guide de sortie 42 remplace la ligne 31 et une fente 43, la boucle 33. Dans une réa- lisation de ce genre;, on obtient une répartition plus uniforme de l'énergie à haute fréquence entre les différents tubes associés. Ainsi qu'il est bien connuon peut régler la forme et surtout la hauteurdes fentes 41 & 43 pour commander le degré de couplage entre les guides.
Les guides 40 & 41 sont réalisés d'après les principes connus de la propagation des ondes électroma- gnétiques le long de leur axe longitudinale à la fréquence de fonctionnement des-tubesdéterminée par la dimension transversale effective des guides 10 & 11.
Si. pour une raison quelconque, on doit espacer les tubes d'une distance supérieure à celle qui correspond à l'atténuation maximum permise, on dispose entre les tubes des éléments conducteurs 45 (figure 4), qui faci- litent la propagation de l'énergie électromagnétique le long des guides.
Les éléments 45 peuvent se présenter sous la forme de simples pistons mé- talliques ou diélectriques.
Sur la figure 5, on a représenté le dispositif selon l'invention muni d'éléments d'accord 46, constitués par des volets insérés dans les gui- des parallèlement aux parois 13 & 14 ils assurent le réglage de la fréquen- ce de résonance des régions du guide dans lesquelles ils sont situés. En faisant tourner le volet de la position horizontale à la position verticale, on produit une variation de la charge réactive du tube adjacent et par suite, une variation correspondante de da fréquence d'accord des régions du guide constituant les cavités résonnantes des tubes. Au lieu de volets., on peut utiliser d'autres éléments d'accord bien connus, tels, par exemple., de sim- ples pistons introduits dans les guides.
Si les tubes que l'on désire cou- pler présentent des caractéristiques électriques quelque peu dissemblables, ces éléments d'accord servent à rétablir la synchronisation,. pour que les distributions de l'énergie des divers tubes coïncident.
R é s um é.
EMI5.1
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La présente invention concerne un dispositif de couplage perfec- tionné pour tubes fonctionnant dans la gamme des ultra-hautes-fréquences.
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