CA2026111C - Dispositif amplificateur ou oscillateur fonctionnant en hyperfrequence - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
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- H01J25/74—Tubes specially designed to act as transit-time diode oscillators, e.g. monotrons
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Abstract
L'invention a pour objet un dispositif destiné à produire une énergie hyperfréquence à partir d'un faisceau d'électrons. Il comporte principalement : - un canon électronique (1), permettant de produire un faisceau d'électrons (8) dans une zone dite d'injection (3) ; - un circuit hyperfréquence de modulation (7), permettant de superposer une tension alternative à une fréquence donnée à la tension du faisceau dans la zone d'injection ; l'amplitude de cette tension est suffisante pour, lors de l'une de ses alternances, assurer la transition entre l'état passant et l'état de cathode virtuelle, provoquant ainsi une modulation du courant porté par le faisceau d'électrons ; - un circuit hyperfréquence de sortie (4), fonctionnant à la fréquence du signal de modulation et excité par le courant modulé précédent.
Description
DIS~SI~IF AIb~LI~iC:~TED~ OL1 OSC
FONC:B'IOi'~J~dT l:Yâ FIïP C~
La présent~ invention a pour objet un dispositif , amplificateur d'ondes hyperfréquences, ainsi qu'un oscillateur obtenu ~ partir du dispositif précédent.
Four générer et ampllfler des ondes hyperfréquences, ü est connu d'util.iser notamment des toues électroniques dits ~
modulation d~ vitesse, tels que klystrons ou tubes ~ ondes progressives. Ce type de tube comporte un canon ~ électrons, fournissant un faisceau d'électrons ; les électrons du faisceau subissent une modification périodique de vitesse qui entrains leur regroupement en paquets dans certaines zones de l'espace ;
ces paquets excitent alors par Impulsion, solvant leur période P~Pre, les oscillations d'un circuit hyperfréquence (cavité
résonnante ou ligne) en empruntant l'énergie nécessaire é leur propre énergie clnétiqu~.
1 j Dans les faissceaux d'él~cir~ns d~ tels tubes, les effets de la charge d'espace sont trés ïmPortants. Ce sont en particulier eux qui, fixent, pour des tensions données, une raleu~~ maximale au courant qui peut étre produit par 1~ canon é
élQCtrona, ou encor~ quï peut étai transport~ dans un espace donné, pour un ensemble d'électrodes de géométrie donnée. Daaxs les tubes du type mentionné ci-dessus, pour obtenir des résultats sat~.;faisants en gain, rendement; qualité de signai, on est amené ~ Liandter le courant transporté par 1~ faisceau d'électrons é pane intensit~ inférieure d'un ordre de grandeur au moins é l'intnnsit~ anaximale. Par suiffa, et coanpte-tenu du principe mémo de la modulation de vitesse, ces tubes doivea~t utiliser des âaisceaux lonigs, néce5si2~nt 1~ plus souvent une
FONC:B'IOi'~J~dT l:Yâ FIïP C~
La présent~ invention a pour objet un dispositif , amplificateur d'ondes hyperfréquences, ainsi qu'un oscillateur obtenu ~ partir du dispositif précédent.
Four générer et ampllfler des ondes hyperfréquences, ü est connu d'util.iser notamment des toues électroniques dits ~
modulation d~ vitesse, tels que klystrons ou tubes ~ ondes progressives. Ce type de tube comporte un canon ~ électrons, fournissant un faisceau d'électrons ; les électrons du faisceau subissent une modification périodique de vitesse qui entrains leur regroupement en paquets dans certaines zones de l'espace ;
ces paquets excitent alors par Impulsion, solvant leur période P~Pre, les oscillations d'un circuit hyperfréquence (cavité
résonnante ou ligne) en empruntant l'énergie nécessaire é leur propre énergie clnétiqu~.
1 j Dans les faissceaux d'él~cir~ns d~ tels tubes, les effets de la charge d'espace sont trés ïmPortants. Ce sont en particulier eux qui, fixent, pour des tensions données, une raleu~~ maximale au courant qui peut étre produit par 1~ canon é
élQCtrona, ou encor~ quï peut étai transport~ dans un espace donné, pour un ensemble d'électrodes de géométrie donnée. Daaxs les tubes du type mentionné ci-dessus, pour obtenir des résultats sat~.;faisants en gain, rendement; qualité de signai, on est amené ~ Liandter le courant transporté par 1~ faisceau d'électrons é pane intensit~ inférieure d'un ordre de grandeur au moins é l'intnnsit~ anaximale. Par suiffa, et coanpte-tenu du principe mémo de la modulation de vitesse, ces tubes doivea~t utiliser des âaisceaux lonigs, néce5si2~nt 1~ plus souvent une
2 focalisation magnétique ; ces générateurs sont alors lourds et encombrants.
On connaït également cies dispositifs appelés vircators qui, contrairement aux tubes précédents, meaent à profit las effets de charge d'espace. Dans un vircator, an in'ecte dans un espace un courant d'électrons, égal le plus souvent d plusieurs fois le courant maximum qui pourrait effectivement franchir cet espace. TI y a alors accumulation des électrons, qui forment une cathode virtuelle. Cette cathode virtueT.ee est instabl~, 1 p c'est-à-dire qu'elle oscille dans l'espace, créant ainsi des champs électromagnétiques. Avec un tel dispositif, 11 est possible d'obtenir des puissances hyperfréquences élevées et, ce, sous un volume réduit. Toutefois, on cox~°.~tm que le signal émis est da qualité médiocre, c'est-é-dire que la puissance est 15 émise sur de nombreux modes en une su~..e de fréquences simultanées ou successives, et les applicatior~ de ce type de signaux sont assez réduïtes. Par ailleurs, ie rendement de conversiota est mauvais {de l'ordre d~ 2 à :'~ au mieux) par rapport su rendement qu'il est passible d'obter~ avec des tubes à modulation de vitesse {souvent supérieurs é ).
La présente invention a pour ol:~et un dispositif destiné d produire de l'énergie hyperfréquer~ é partir d'un faisceau d'électrons, qui permette d'évite~ les limitations précédentes, s'est--dire un rendement de conversion de l'énergie du faiscoau d'électrons en énergie ~yperfréquenc~ et une qualité du signal émis comparables é cxux des tubes é
modulaüon de vitesse, avec un poids ét dans un volume compa°
tables é ceux des vircators.
3p A cet effet, le dispositif selon l'invez~on comporte - un canon électronique, susceptib~ de produire un faisceau d'électroaa~ tai cgue le saurant qu'i transport~ soit lég~rernent inférieur su courant maximum susceptible d'êta°e transporté dans le générateur ;
On connaït également cies dispositifs appelés vircators qui, contrairement aux tubes précédents, meaent à profit las effets de charge d'espace. Dans un vircator, an in'ecte dans un espace un courant d'électrons, égal le plus souvent d plusieurs fois le courant maximum qui pourrait effectivement franchir cet espace. TI y a alors accumulation des électrons, qui forment une cathode virtuelle. Cette cathode virtueT.ee est instabl~, 1 p c'est-à-dire qu'elle oscille dans l'espace, créant ainsi des champs électromagnétiques. Avec un tel dispositif, 11 est possible d'obtenir des puissances hyperfréquences élevées et, ce, sous un volume réduit. Toutefois, on cox~°.~tm que le signal émis est da qualité médiocre, c'est-é-dire que la puissance est 15 émise sur de nombreux modes en une su~..e de fréquences simultanées ou successives, et les applicatior~ de ce type de signaux sont assez réduïtes. Par ailleurs, ie rendement de conversiota est mauvais {de l'ordre d~ 2 à :'~ au mieux) par rapport su rendement qu'il est passible d'obter~ avec des tubes à modulation de vitesse {souvent supérieurs é ).
La présente invention a pour ol:~et un dispositif destiné d produire de l'énergie hyperfréquer~ é partir d'un faisceau d'électrons, qui permette d'évite~ les limitations précédentes, s'est--dire un rendement de conversion de l'énergie du faiscoau d'électrons en énergie ~yperfréquenc~ et une qualité du signal émis comparables é cxux des tubes é
modulaüon de vitesse, avec un poids ét dans un volume compa°
tables é ceux des vircators.
3p A cet effet, le dispositif selon l'invez~on comporte - un canon électronique, susceptib~ de produire un faisceau d'électroaa~ tai cgue le saurant qu'i transport~ soit lég~rernent inférieur su courant maximum susceptible d'êta°e transporté dans le générateur ;
3 - un eiacult hyperfréquence dit de znc~lulatlon, permettant d'appltquer une tension alternative dont l'arnplltude est suffisante pour déclencher, lors d~ l'une de ~s alter-nances, la formation d°une cathode virtuelle n'autorixs.nt plus le passage des électrons, le courant transporté par ~ faisceau se trouvant ainsi modulé ~ la fréquence dite de modulation de La tension alternative ;
- un circuit hyperfréquence de sortie destiné à
fonctionner sensiblement ~ la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple d~ celle-ci, c~ circuit c3e sortie étant excité par ie courant modulé précëdent.
D°autres obJets, particularités et résui2ats de l'invention rassortiront de la description suivante, donnée ~
titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; ' la figure 2, un second mode de réaüsstion du dispositif selon l'invention, dans lequel li c~nporte des moyens conférant au faisceau d'électrons axas post-accélération ;
la figure 3, un troisisme pie de réaü~tion du dispositiî selon 1°invention, dans lequel le faisceau d'électrons utilisé est un faisceau cylüadrlque plein.
Sur ces diîférentes figua~s, les mémes références se rapportent aux Mmes éléments.
La figure 1 représente d~nc un premier made de réalisation ciu dispositif selon 1'invenüon, vu an coupe sehématiqug longitudinale.
LE ~énéx°ateur selon l'invention est uné stx~rcture de révolution autour cà'un axe longitudinal ZZ. Il comporte usa canon à ëlectrons 1, fox~aé d°uno cathocàe li et d'une anode composée d'une armature 20 et d'un écran 2i. La cathode 11 se présénte sous la forE~ne d'un cylindre conducteur d'ax~ ZZ, dont ia :~. ~. ~.
- un circuit hyperfréquence de sortie destiné à
fonctionner sensiblement ~ la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple d~ celle-ci, c~ circuit c3e sortie étant excité par ie courant modulé précëdent.
D°autres obJets, particularités et résui2ats de l'invention rassortiront de la description suivante, donnée ~
titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; ' la figure 2, un second mode de réaüsstion du dispositif selon l'invention, dans lequel li c~nporte des moyens conférant au faisceau d'électrons axas post-accélération ;
la figure 3, un troisisme pie de réaü~tion du dispositiî selon 1°invention, dans lequel le faisceau d'électrons utilisé est un faisceau cylüadrlque plein.
Sur ces diîférentes figua~s, les mémes références se rapportent aux Mmes éléments.
La figure 1 représente d~nc un premier made de réalisation ciu dispositif selon 1'invenüon, vu an coupe sehématiqug longitudinale.
LE ~énéx°ateur selon l'invention est uné stx~rcture de révolution autour cà'un axe longitudinal ZZ. Il comporte usa canon à ëlectrons 1, fox~aé d°uno cathocàe li et d'une anode composée d'une armature 20 et d'un écran 2i. La cathode 11 se présénte sous la forE~ne d'un cylindre conducteur d'ax~ ZZ, dont ia :~. ~. ~.
4 circonférence fait une saillie i0 da Façon ë ce que les électrons émis par cette cathode forment un faisceau annulaire, représenté par une zone pointillée 8 sur la figure. ~On a représenté par des flèches le secs d~ propagation des électrons du faisceau 8. L'armature 20 da l'anode est eonstituée par un cylindre creux, de mër~ sacs ~~ quo la cathode ; elle est ferme par un ëpauleanent annulaire 23 et un écran 21 en forme de disque, laissant subsister une fente annulaire 22 pour le passage du faisceau d'électrons !3 ; l'écran 21 est par exemple fixé par trois pattes sur 1'ëpaulement 23.
ie générateur selon l'invention co~oporte encore un circuit hyperfréquence de sortie 4 qui est, dans c~ mode de réalisation, de typa coa~al, formé par un cylindre conducteur intérieur 5 et un conducteur extérieur 4, disposé dans le prolongement da l'armature 20, entra lesquels est défini un espace annulaire 44. Le circuit da sortie est sensiblement symétrique du canon d'électrons 1 par rapport ë un plan normal au Plan da la figure, c'est-é-dire que le conducteur extérieur 40 comporte un épaulement 43 ànnulaire et un écran 41 prenant aPPui. Par exeraspie par des pattes, sur l'épaulement 43 et définissant avec set ëpauïement une fente eSrculaire 42 pour le passage du faisceau électxonlqua 8 ; ce d~rnier est reçu par une saillie annulaire 5~ du conducteur intérieur 5.
Entre ies glénaents 21, 23 d'une part, et 41, 43 d'autre part, sa situe u3ae zone 3 dite . région d'injection ;
cette zone est lina~itée latéralement par des Prolongements ZS et 45 des parois 20 et 40 respectivement, sans contact l'un avec l'autre de façon é ménager entre euac une fente 71.
Le générateur selon l'invention com~rt~ an outra un circuit hyperfréquence de ~oduiatlon 7; qui est dans ce mode de réalisation ds~ type coaxial ; la conducteur central du circuit est formé par la paa~oi ~ et le conducteur extérieur par une Paroi 70 an form~ de cylindre créux, toujours d'axe ~Z, définissant avec la paroi 40 un espace annulaire 74, le
ie générateur selon l'invention co~oporte encore un circuit hyperfréquence de sortie 4 qui est, dans c~ mode de réalisation, de typa coa~al, formé par un cylindre conducteur intérieur 5 et un conducteur extérieur 4, disposé dans le prolongement da l'armature 20, entra lesquels est défini un espace annulaire 44. Le circuit da sortie est sensiblement symétrique du canon d'électrons 1 par rapport ë un plan normal au Plan da la figure, c'est-é-dire que le conducteur extérieur 40 comporte un épaulement 43 ànnulaire et un écran 41 prenant aPPui. Par exeraspie par des pattes, sur l'épaulement 43 et définissant avec set ëpauïement une fente eSrculaire 42 pour le passage du faisceau électxonlqua 8 ; ce d~rnier est reçu par une saillie annulaire 5~ du conducteur intérieur 5.
Entre ies glénaents 21, 23 d'une part, et 41, 43 d'autre part, sa situe u3ae zone 3 dite . région d'injection ;
cette zone est lina~itée latéralement par des Prolongements ZS et 45 des parois 20 et 40 respectivement, sans contact l'un avec l'autre de façon é ménager entre euac une fente 71.
Le générateur selon l'invention com~rt~ an outra un circuit hyperfréquence de ~oduiatlon 7; qui est dans ce mode de réalisation ds~ type coaxial ; la conducteur central du circuit est formé par la paa~oi ~ et le conducteur extérieur par une Paroi 70 an form~ de cylindre créux, toujours d'axe ~Z, définissant avec la paroi 40 un espace annulaire 74, le
5 conducteur extérieur 70 venant sua raccorder è 1a partie 25 de l'armature 20.
Ide fonctionnement de ee dispositif est le suivant.
l:.'appltcation ~ la cathoade 11 d'une tension négative par rapport è celle d~ l'anode pa-ovoqu~ i'émtssion du faisceau d'électrons annulaire 8. A titre d'exemple, l'armature 20, l'écran 21 et les éléments du .circuit d~ sortie ~ sont au potentiel de la masse et on appüqlue tl la cathode 11 une tension -Vo. On applique de préférence d la structure, ~ l'aide de molréns non représentés, un champ magnétique longitudinal (selon 1°ax~ ZZ) pour focalls~r le faisceau 8 ainsi produit.
On rappelle ci-après le mécanisme da formation d'une cathode virtuelle. A l'Intérieur d'un faisceau électronique existe une charge d°espace : sur l'axe du faisceau, le potentiel et la vitesse des électrons soat plus faibles qu'rl la péri-phérie. St la densité d°électrons et par suite la courant transporté augmentent, le potentiel et la vitesse des électrons diminuent gusqu'~ zéro : les électrons forment alors un amas, chargé négativement, appel~ cathode virtuelle. Cet amas d'électrons oscille sur l'axe longitudinal, donnant naissance è
un champ électromagnétiqu~. T~ fréquence des oscillations dépend notamment du courant d'injection et elle se mesure couramment en Gigahertz. Par ailleurs, l'intensité d~ courant - maximale au-delé de laquelle les électrons foeqnent une cathode virtuelle est fonctian du potentiel du faisceau d'êlectrons ainsi que des dimensions du faiscceau et da la région d°injection 3 ; plus Précisément, le couraaat maximum pour un faisceau d'électrons donné est plus faible lorsque la aune d'in jection 3 est d~ plus grand diamètre.
Seloiz l'invention, on choisit les dimensions du dispositif (cartoan é électx°ons et zone d'injection) et le courant du faisceau d°électx~ons de sorte qu°il soit lëgêrer~nt inférieur au courant nnaximunn susceptible d~ Paroourlr la régian 8, courant au-delà duquel il y a forcaation d~ cathode virtuelle.
s par le circuit de modulation 7 est amené un champ électrique alternatü. La tension entre les parties 25 et 45 résultant de ce champ doit être d'amplitude suffisante pour qu~, pour l'une des alternances, le faisceau d'électrons 8 soit stoppé par un mécanlsm~ du type cathode virtuelle et n'atteigne plus le circuit d~ sortie 4, les électrons étant alors absorbés par les parois délimitant la zone d'in'ection 3 ; é l'alternance suivante, la tension appliquée enta°e les msmes éléments 25 et A5 rétablit le faisceau ; le courant du faisceau se trouve ainsi modulé en intensité à la fréquence du signal de modulation, Le circuit de sortie 4 est alors excité par le courant modulé
précédent et assure ainsi la transformation en énergie hyper-fréquence d'une partie au moins d~ l'énergie des électrons du faisceau. Les écrans 21 et 41 ont elassiqueeaent pour fonction d'absorber les électrons divergents. Il est ~ noter que les circuits hyperfréquences d~ modulation (7) et de sortie (4~
permettent, par le choix d~ leurs dimensions, de définir précisément la fréquence du signal de modui~ct~n et, ce qui ast le but recherché, la fréquence du signal de sortie, permettant ainsi l'obtention d'un signai de bonne qualüé.
Il est é nbter encore que, pour obtenir un fonction-nement satisfaisant, 11 n'est pas nécessaire de provoquer is formation complète d'une cathode virtuelle ; la période maximum du champ alternatif ds modulation peut n°étare cyu'une fractïon du temps d~ basculement du faisceau ~ntre état passant et cathode virtuelle ; en pratique elle peut étr~ de l'ordr~ du temps de transti des électrons dans la structure. Ix générateur décrit ici est, comme un vlreator, particuliè~ment co~paet ; la longueur d~ ia région d'injection 3, lünit~a par les écrans 21 et ~1 se trouve ~tre en effet, en pratique, de l'ordre de Ia longueur d'onde de fonctionnement.
Par ailleurs 1°applicatlon d'umme tension eontinue V
peut poser des problèmes technologiques du fait de Tordre de grandeur des. tensions (MVj et eourants (&.A.) utilisés. Il est alors possible d°utlliser des Lmpulslons de tension, d'une durée par exemple de l'ordre de la centaine de nanosecondes, transmises à la cathode par la structure coaxiale 12-20, par exemple. La durée de ces impulsions reste longue par rapport à
la période des impulsions produites, typiquement de l'ordre de la centaine de picosecondes.
On a décrit ci-dessu;s un dispositif assurant l'amplification du signal fourni par le circuit d~ modulation.
Comme ff est bien connu, ll est possible de réaliser avec cette structure un oscillateur, en lui ajoutant des moyens do réinjection dans le circuit de modulation d'une partie du signal fourni par le circuit d~ sortie et, ce, avec une phase convenable, qui est liëe aux dimensions du circuit, ainsi qu'il est connu. Les moyens de rélnjection peuvent être rëallsés par tout moyen connu, tel que boucle de couplage réalisée dans une ouverture ménagée dans la paroi 40 ou circuit extérieur au générateur r~présenté.
La figure 2 représente un deuxiéme mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel sont prwus des moyens de post-accélération du faisceau après modulation, afin d'améliorer le rendement de l'ensembl~.
Sur cette figure, on retrouve I~ canon é éiectrans 1, le circuit da modulation î et le circuit de sorti~ 4, mais l'ensemble du circuit 4 a été isolê électriquement des éléments précédents.
Plus précisément; an retrouve le canon 1 identique à
ee qui a été décrit figure 1, c'est--dire composé de la cathode 11, l'armature 20 ~t l'écran 21. Le cirCUit de sortie 4 est formé également comme sur la figure 1 par Ie conducteur intérieur eylindriqu~ 5 entouré par I~ conducteur 40, l'êpaulement 43 et l'écran 41: Toutefois dans ce mode de réalisation, la zone d'inj~etion n'est plus fermée par l'écran 21 et l'épaulement 43 mais par un élément oonductebr 61 semblable à l'écran pli et un conducteur 60 extérieur, disposé
dans le prolongement de i'armatura 20 et ménageant avec cïette dernière la fente îi à laquelle est connecté le circuit de modulation ; l'élément 60 ménal;e par ailleurs une fent~
annulaire 62 avec 1°écran 61 pour permettre le passage du faisceau électronique 8. Les éléments 60 et 61 sont donc électriquement isolés tant du canon i que du circuit de sortie 4.
En fonctionnement, on applique conune précédemment une tension -Vo à la eathode par rapport A l'anode, le signal de modulation pas l'intermédiaire du circuit 7 et, en outre, une tension +Vl de post-accélération au eLrcuit de sortie par rapport à ia paroi 60, qui est par exemple au potentiel d~
l'anode. De la sorte est réalisée une accélération des électrons au sortir de la zone d'injection 3.
La figure 3 représente un troisiëa~ mode de réali-sation du dispositif selon l'invention, dans lequel le faisceau électronique est un cylindre plein.
Sur cette fi~uxe, on re$rouve à türe d'exemple les mémes éléments que sur l~ figure 1, excepté la cathode du eanon i, le conducteur intér~ur du circuit de sortie 4 et les écrans du canon et du circuit de sortie.
Dans ce mode de réalisation, la surface émissive de Ia cathode, maintenant regrée 12, du canon i est en fors d~
disque dg sorte à émettre un faisceau électranlque cylindrique plein. De la méme m~niéx~, I~ conducteur intérieur du circuit de sortie 4, maintenant repéré 51, est constitué par une surface plane an forme de disque. Les écrans 21 et 91 de la figure 1 ont été remplacés ici par les éléments rep~rés 26 et 46, constitués 0 par des grilles ou des feuillas métalliques suffisamment minces pour qua leur absorption d'électrons sait trés faible.
II e;~t é noter que, pour qu'un fonctionnement satin-falsant puisse être obtenu, le diamétr~ de las cathode 12 dodt être sensiblement Inférieur é ia longueur d'onde de l'énergie ~~~w!~~ :~.:~
hyperfréquence obtenue en sortie, par exemple de l'ordre dg la demi-longueur d'ond~.
La description faite ci-dessus 1°a ét~ bien entendu à
titre d'exemple non Llm.itat3i. C'est ainsi, notamment, que différents circuits hyperfréquence ont été représent~s comme étant do type coaxial mais sont remplaçables par des guides d'ondes.
1~
2~
Ide fonctionnement de ee dispositif est le suivant.
l:.'appltcation ~ la cathoade 11 d'une tension négative par rapport è celle d~ l'anode pa-ovoqu~ i'émtssion du faisceau d'électrons annulaire 8. A titre d'exemple, l'armature 20, l'écran 21 et les éléments du .circuit d~ sortie ~ sont au potentiel de la masse et on appüqlue tl la cathode 11 une tension -Vo. On applique de préférence d la structure, ~ l'aide de molréns non représentés, un champ magnétique longitudinal (selon 1°ax~ ZZ) pour focalls~r le faisceau 8 ainsi produit.
On rappelle ci-après le mécanisme da formation d'une cathode virtuelle. A l'Intérieur d'un faisceau électronique existe une charge d°espace : sur l'axe du faisceau, le potentiel et la vitesse des électrons soat plus faibles qu'rl la péri-phérie. St la densité d°électrons et par suite la courant transporté augmentent, le potentiel et la vitesse des électrons diminuent gusqu'~ zéro : les électrons forment alors un amas, chargé négativement, appel~ cathode virtuelle. Cet amas d'électrons oscille sur l'axe longitudinal, donnant naissance è
un champ électromagnétiqu~. T~ fréquence des oscillations dépend notamment du courant d'injection et elle se mesure couramment en Gigahertz. Par ailleurs, l'intensité d~ courant - maximale au-delé de laquelle les électrons foeqnent une cathode virtuelle est fonctian du potentiel du faisceau d'êlectrons ainsi que des dimensions du faiscceau et da la région d°injection 3 ; plus Précisément, le couraaat maximum pour un faisceau d'électrons donné est plus faible lorsque la aune d'in jection 3 est d~ plus grand diamètre.
Seloiz l'invention, on choisit les dimensions du dispositif (cartoan é électx°ons et zone d'injection) et le courant du faisceau d°électx~ons de sorte qu°il soit lëgêrer~nt inférieur au courant nnaximunn susceptible d~ Paroourlr la régian 8, courant au-delà duquel il y a forcaation d~ cathode virtuelle.
s par le circuit de modulation 7 est amené un champ électrique alternatü. La tension entre les parties 25 et 45 résultant de ce champ doit être d'amplitude suffisante pour qu~, pour l'une des alternances, le faisceau d'électrons 8 soit stoppé par un mécanlsm~ du type cathode virtuelle et n'atteigne plus le circuit d~ sortie 4, les électrons étant alors absorbés par les parois délimitant la zone d'in'ection 3 ; é l'alternance suivante, la tension appliquée enta°e les msmes éléments 25 et A5 rétablit le faisceau ; le courant du faisceau se trouve ainsi modulé en intensité à la fréquence du signal de modulation, Le circuit de sortie 4 est alors excité par le courant modulé
précédent et assure ainsi la transformation en énergie hyper-fréquence d'une partie au moins d~ l'énergie des électrons du faisceau. Les écrans 21 et 41 ont elassiqueeaent pour fonction d'absorber les électrons divergents. Il est ~ noter que les circuits hyperfréquences d~ modulation (7) et de sortie (4~
permettent, par le choix d~ leurs dimensions, de définir précisément la fréquence du signal de modui~ct~n et, ce qui ast le but recherché, la fréquence du signal de sortie, permettant ainsi l'obtention d'un signai de bonne qualüé.
Il est é nbter encore que, pour obtenir un fonction-nement satisfaisant, 11 n'est pas nécessaire de provoquer is formation complète d'une cathode virtuelle ; la période maximum du champ alternatif ds modulation peut n°étare cyu'une fractïon du temps d~ basculement du faisceau ~ntre état passant et cathode virtuelle ; en pratique elle peut étr~ de l'ordr~ du temps de transti des électrons dans la structure. Ix générateur décrit ici est, comme un vlreator, particuliè~ment co~paet ; la longueur d~ ia région d'injection 3, lünit~a par les écrans 21 et ~1 se trouve ~tre en effet, en pratique, de l'ordre de Ia longueur d'onde de fonctionnement.
Par ailleurs 1°applicatlon d'umme tension eontinue V
peut poser des problèmes technologiques du fait de Tordre de grandeur des. tensions (MVj et eourants (&.A.) utilisés. Il est alors possible d°utlliser des Lmpulslons de tension, d'une durée par exemple de l'ordre de la centaine de nanosecondes, transmises à la cathode par la structure coaxiale 12-20, par exemple. La durée de ces impulsions reste longue par rapport à
la période des impulsions produites, typiquement de l'ordre de la centaine de picosecondes.
On a décrit ci-dessu;s un dispositif assurant l'amplification du signal fourni par le circuit d~ modulation.
Comme ff est bien connu, ll est possible de réaliser avec cette structure un oscillateur, en lui ajoutant des moyens do réinjection dans le circuit de modulation d'une partie du signal fourni par le circuit d~ sortie et, ce, avec une phase convenable, qui est liëe aux dimensions du circuit, ainsi qu'il est connu. Les moyens de rélnjection peuvent être rëallsés par tout moyen connu, tel que boucle de couplage réalisée dans une ouverture ménagée dans la paroi 40 ou circuit extérieur au générateur r~présenté.
La figure 2 représente un deuxiéme mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel sont prwus des moyens de post-accélération du faisceau après modulation, afin d'améliorer le rendement de l'ensembl~.
Sur cette figure, on retrouve I~ canon é éiectrans 1, le circuit da modulation î et le circuit de sorti~ 4, mais l'ensemble du circuit 4 a été isolê électriquement des éléments précédents.
Plus précisément; an retrouve le canon 1 identique à
ee qui a été décrit figure 1, c'est--dire composé de la cathode 11, l'armature 20 ~t l'écran 21. Le cirCUit de sortie 4 est formé également comme sur la figure 1 par Ie conducteur intérieur eylindriqu~ 5 entouré par I~ conducteur 40, l'êpaulement 43 et l'écran 41: Toutefois dans ce mode de réalisation, la zone d'inj~etion n'est plus fermée par l'écran 21 et l'épaulement 43 mais par un élément oonductebr 61 semblable à l'écran pli et un conducteur 60 extérieur, disposé
dans le prolongement de i'armatura 20 et ménageant avec cïette dernière la fente îi à laquelle est connecté le circuit de modulation ; l'élément 60 ménal;e par ailleurs une fent~
annulaire 62 avec 1°écran 61 pour permettre le passage du faisceau électronique 8. Les éléments 60 et 61 sont donc électriquement isolés tant du canon i que du circuit de sortie 4.
En fonctionnement, on applique conune précédemment une tension -Vo à la eathode par rapport A l'anode, le signal de modulation pas l'intermédiaire du circuit 7 et, en outre, une tension +Vl de post-accélération au eLrcuit de sortie par rapport à ia paroi 60, qui est par exemple au potentiel d~
l'anode. De la sorte est réalisée une accélération des électrons au sortir de la zone d'injection 3.
La figure 3 représente un troisiëa~ mode de réali-sation du dispositif selon l'invention, dans lequel le faisceau électronique est un cylindre plein.
Sur cette fi~uxe, on re$rouve à türe d'exemple les mémes éléments que sur l~ figure 1, excepté la cathode du eanon i, le conducteur intér~ur du circuit de sortie 4 et les écrans du canon et du circuit de sortie.
Dans ce mode de réalisation, la surface émissive de Ia cathode, maintenant regrée 12, du canon i est en fors d~
disque dg sorte à émettre un faisceau électranlque cylindrique plein. De la méme m~niéx~, I~ conducteur intérieur du circuit de sortie 4, maintenant repéré 51, est constitué par une surface plane an forme de disque. Les écrans 21 et 91 de la figure 1 ont été remplacés ici par les éléments rep~rés 26 et 46, constitués 0 par des grilles ou des feuillas métalliques suffisamment minces pour qua leur absorption d'électrons sait trés faible.
II e;~t é noter que, pour qu'un fonctionnement satin-falsant puisse être obtenu, le diamétr~ de las cathode 12 dodt être sensiblement Inférieur é ia longueur d'onde de l'énergie ~~~w!~~ :~.:~
hyperfréquence obtenue en sortie, par exemple de l'ordre dg la demi-longueur d'ond~.
La description faite ci-dessus 1°a ét~ bien entendu à
titre d'exemple non Llm.itat3i. C'est ainsi, notamment, que différents circuits hyperfréquence ont été représent~s comme étant do type coaxial mais sont remplaçables par des guides d'ondes.
1~
2~
Claims (9)
1. Dispositif amplificateur d'ondes hyperfréquences, caractérisé par le fait qu'il comporte:
- un canon électronique (1), susceptible de produire un faisceau d'électrons (8) dans une région d'injection (3), le courant transporté
par le faisceau étant légèrement inférieur au courant maximum susceptible d'être transporté dans la région d'injection;
- un circuit hyperfréquence dit de modulation (7), permettant d'appliquer dans la région d'injection une tension alternative dont l'amplitude est suffisante pour déclencher, lors de l'une de ses alternances, la formation d'une cathode virtuelle n'autorisant plus le passage des électrons, le courant transporté par le faisceau se trouvant ainsi modulé à la fréquence dite de modulation de la tension alternative;
- un circuit hyperfréquence de sortie (4) destiné à
fonctionner sensiblement à la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple de celle-ci, ce circuit de sortie étant excité par le courant modulé précédent, permettant ainsi la transformation en énergie hyperfréquence d'une partie au moins de l'énergie des électrons du faisceau.
- un canon électronique (1), susceptible de produire un faisceau d'électrons (8) dans une région d'injection (3), le courant transporté
par le faisceau étant légèrement inférieur au courant maximum susceptible d'être transporté dans la région d'injection;
- un circuit hyperfréquence dit de modulation (7), permettant d'appliquer dans la région d'injection une tension alternative dont l'amplitude est suffisante pour déclencher, lors de l'une de ses alternances, la formation d'une cathode virtuelle n'autorisant plus le passage des électrons, le courant transporté par le faisceau se trouvant ainsi modulé à la fréquence dite de modulation de la tension alternative;
- un circuit hyperfréquence de sortie (4) destiné à
fonctionner sensiblement à la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple de celle-ci, ce circuit de sortie étant excité par le courant modulé précédent, permettant ainsi la transformation en énergie hyperfréquence d'une partie au moins de l'énergie des électrons du faisceau.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie est du type coaxial.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit de modulation est du type coaxial.
4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le circuit de modulation comporte un conducteur central constitué
par un conducteur extérieur du circuit de sortie.
par un conducteur extérieur du circuit de sortie.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le circuit de sortie est isolé électriquement de la région d'injection et qu'une tension d'accélération des électrons est appliquée entre région d'injection et circuit de sortie.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons est en forme de cylindre creux.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons est en forme de cylindre plein.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de ré-injection dans le circuit de modulation d'une partie du signal fourni par le circuit de sortie formant ainsi un oscillateur.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens d'application d'un champ magnétique de focalisation du faisceau d'électrons.
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