EP0022016B1 - Ligne à retard à pas variable pour tube à onde progressive, et tube à onde progressive muni d'une telle ligne - Google Patents

Ligne à retard à pas variable pour tube à onde progressive, et tube à onde progressive muni d'une telle ligne Download PDF

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EP0022016B1
EP0022016B1 EP80400940A EP80400940A EP0022016B1 EP 0022016 B1 EP0022016 B1 EP 0022016B1 EP 80400940 A EP80400940 A EP 80400940A EP 80400940 A EP80400940 A EP 80400940A EP 0022016 B1 EP0022016 B1 EP 0022016B1
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EP
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delay line
section
pitch
variation
structures
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EP80400940A
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Christian Deville
Philippe Lafuma
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
    • H01J25/36—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/38—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field the forward travelling wave being utilised

Definitions

  • the present invention relates to a delay line for traveling wave tube of cylindrical structure, more particularly a delay line of the type with ceiling (s) and rings.
  • a delay line of the above type consisting of a cylindrical metal guide for example and, in the straight sections of this guide, coaxial metal rings each fixed to the wall of the guide by at least one metal rod; it further comprises at least one ceiling constituted by a metallic wedge fixed to the inner wall of the guide and extending over the entire length of the latter any section of this ceiling by a plane perpendicular to the axis of the guide having the shape of a circular crown sector.
  • the delay lines of the above type, used in traveling wave tubes appear as formed by a succession of elementary sections or cells made up of the elements described above, all identical, repeating periodically along of the electron beam propagation axis.
  • traveling wave tubes using this type of constant pitch line have an HF power available at the tube outlet, limited to about a third of that applied by the power supplies.
  • the object of the present invention is to increase the interaction efficiency of traveling wave tubes using lines of the ceiling (s) and ring type by providing a new line structure.
  • the present invention can also be applied to delay lines of the above type comprising a metallic conductor in contact with the ceilings on one of the faces of the section and forming a short circuit between them, as described in the first addition to the patent. number 82.236.
  • This feature eliminates certain parasitic operating modes. In this case, the variation of the pitch can be achieved by modifying the distance between rings and short-circuits.
  • FIG. 1 represents, in perspective, an elementary cell 10 of a delay line of the invention.
  • Each of these cells consists, in accordance with the art of the cited patents, in a metal guide section with circular section 11, comprising two metal ceilings 1 extending symmetrically from the wall of the guide section up to a certain distance from the center from the right section of it.
  • a circular metal ring 3 In a plane parallel to that of the ceilings, is disposed a circular metal ring 3 supported by two diametrically opposite rods 4 fixed to the wall of the guide section.
  • the two ceilings 1 are interconnected by a loop 2 made of an electrically conductive material.
  • this loop, or short circuit consists of a linear conductor applied to the two ceilings and entirely located in their plane; the figure shows, without markers, the four holes used in the example for cooling the line by circulation of fluid; the different guide sections similar to that described are mounted and clamped against each other, to form the delay line of the invention, the rods 4 all parallel to each other, as well as the ceilings 1; the assembly is made vacuum tight by brazing.
  • step L is carried out, according to the invention, by modifying, inside each cell, or the dimensions of the constituent elements of the cell, thickness of the ring and support rod assembly, or the distance between ring and short circuit, in particular.
  • the delay rate imparted to the electromagnetic wave propagating along the line varies in opposite direction to the pitch.
  • the pitch of the structure decreases first (section II) compared to that in the first section, I, near the electron gun, then increases in section III , beyond its value in section I.
  • the thickness of the assembly formed by the ring 3 and its support rods 4, roughly uniform in the example of Figure 1, is designated by d in this figure; the distance between ring 3 and short circuit 2 by d 'in Figure 2.
  • the thickness of the support rods is very substantially greater than that of the ring itself.
  • the variation of the pitch of the line of the invention can be obtained in two ways: either by modifying the thickness of the assembly, 3-4, formed by the ring and its supports, or by modifying the distance from the ring 3 to the short circuit 2.
  • the first way of proceeding proves to be the most effective for varying the pitch; it also has the advantage of causing a slight disturbance in the coupling impedance between the electron beam and the delay line.
  • the improvement in efficiency obtained with the delay line of the invention is further increased precisely because of this coupling impedance.
  • the increase in pitch in the last part of the line is not incompatible with a reduction in the coupling impedance in this part, and a lesser dispersion of the electronic speeds, confirmed by calculation.
  • the focusing of the electron beam is thereby facilitated and the transmission coefficient of the beam improved: the losses of electrons along the line are less, which allows a better beam utilization factor and an average power. higher frequency available at the outlet of the stronger tube, all other things being equal.
  • a low coupling impedance generally corresponds to a poorly dispersive structure, that is to say a large passband.
  • the arrangements provided by the invention to increase the efficiency of the tube therefore go in the direction of a greater bandwidth, which, as is known, is one of the main characteristics of traveling wave tubes.
  • variable-pitch delay line of the invention has many advantages, which result from the above, without causing technological complications of implementation.
  • the invention is not limited to the examples described and shown but applies, in general, to any delay line with ceiling (s) and rings, in particular in the case of lines which would include a number of ceilings, different from that of the example shown, arranged in the intervals between the support rods of the rings. It applies, inter alia, also to the case of waveguides having a section other than the circular section shown and, in general, it includes all the variants accessible to those skilled in the art from that shown .
  • FIG. 2 to which reference has been made for the description of the delay line of the invention shows in section the whole of a tube constructed with this line, the latter, formed of three sections l, II and III, bears the reference 20.
  • the tube comprises a metal envelope 21 closed at its two ends by an electron collector 22 and by an insulating foot 23 in which is housed an electron gun whose cathode has been shown at 24 and its heating filament at 25, a focusing electrode 26, as well as an acceleration electrode 27.
  • the cathode emits, under the action of the power source 28, an electron beam 29 whose outline is shown in dotted lines.
  • the delay line is coupled to the input and output circuits of the tube, amplifier in the example, by the antennas 30 and 31.
  • the reference 32 designates the solder ring ensuring the vacuum-tight assembly of the cells 10 between them.
  • the cells For clarity, finally, we have limited, in each section, the cells to a small number, when in reality each of these sections can comprise of the order of several tens.
  • a tube equipped with a delay line according to the invention supplied on the frequency of 3 gigahertz for high frequency power of 300 kilowatts peak, for a total applied peak power of 600 kilowatts, in the form of pulses of 25 fJS with a form factor of 60 and a beam intensity of 17 amps.
  • the line included a hundred cells.
  • the invention is generally applicable to the production of high power levels with a large bandwidth and with a high efficiency in the microwave field, particularly in the centimeter range.

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  • Microwave Tubes (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Description

  • La présente invention concerne une ligne à retard pour tube à onde progressive de structure cylindrique, plus particulièrement une ligne à retard du type à plafond(s) et anneaux.
  • On connaît notamment par le brevet français 1.162.425 une ligne à retard du type ci-dessus constituée d'un guide métallique cylindrique par exemple et, dans les sections droites de ce guide, d'anneaux métalliques coaxiaux fixés chacun à la paroi du guide par au moins une tige métallique ; elle comporte, en outre, au moins un plafond constitué par une cale métallique fixée à la paroi intérieure du guide et s'étendant sur toute la longueur de celui-ci toute section de ce plafond par un plan perpendiculaire à l'axe du guide ayant la forme d'un secteur de couronne circulaire.
  • D'autre part, les lignes à retard du type ci-dessus, utilisées dans les tubes à onde progressive apparaissent comme formées d'une succession de tronçons élémentaires ou cellules constituées des éléments décrits ci-dessus, tous identiques, se répétant périodiquement le long de l'axe de propagation du faisceau d'électrons. Toutefois, les tubes à onde progressive utilisant ce type de ligne à pas constant présentent une puissance HF disponible en sortie du tube, limitée au tiers environ de celle appliquée par les alimentations.
  • En conséquence, la présente invention a pour but, d'accroître le rendement d'interaction des tubes à ondes progressives utilisant des lignes du type à plafond(s) et anneaux en fournissant une nouvelle structure de ligne.
  • La présente invention a donc pour objet une ligne à retard pour tube à onde progressive constituée de cellules jointives composée chacune des éléments suivants :
    • - un tronçon de guide d'ondes métallique comportant des plafonds de même épaisseur que le tronçon, occupant, chacun, une partie de sa section, et s'étendant d'une fraction de son pourtour à une certaine distance de son centre ;
    • - un anneau métallique coaxial fixé à la paroi du tronçon de guide par des tiges-supports disposées dans les espaces libres entre les plafonds ; l'ensemble des cellules constituant un guide d'ondes de section uniforme, dans lequel les plafonds d'une part, et les tiges supports d'autre part, sont alignés, s'étendant autour du faisceau d'électrons le long de son trajet dans le tube, caractérisée en ce que la ligne se subdivise en trois groupes de cellules à l'intérieur de chacun desquels le pas est constant, les pas des second et troisième groupes de cellules étant respectivement plus petits et plus grands que celui du premier groupe de cellules lorsqu'on se déplace le long de la ligne en partant du canon à électrons et la variation du pas étant obtenue par dilatation ou contraction d'au moins une cote des cellules. Selon un mode de réalisation préférentiel la variation du pas est réalisée en modifiant à l'intérieur de chaque cellule les cotes des éléments constitutifs de la cellule, à savoir l'épaisseur de l'ensemble anneaux et tiges supports.
  • La présente invention peut aussi s'appliquer aux lignes à retard du type ci-dessus comportant un conducteur métallique en contact avec les plafonds sur l'une des faces du tronçon et formant court-circuit entre eux, comme décrit dans la première addition au brevet précédent portant le numéro 82.236. Cette caractéristique permet l'élimination de certains modes parasites de fonctionnement. Dans ce cas, la variation du pas peut être réalisée en modifiant la distance entre anneaux et court-circuits.
  • L'invention sera mieux comprise, en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent :
    • Figure 1 Une vue d'ensemble en perspective de la cellule constitutive de la ligne à retard de l'invention ;
    • Figure 2 Une vue schématique en coupe d'un tube à onde progressive incorporant une ligne à retard de l'invention.
  • La figure 1, représente, en perspective, une cellule élémentaire 10 d'une ligne à retard de l'invention. Chacune de ces cellules consiste, conformément à l'art des brevets cités, en un tronçon de guide métallique à section circulaire 11, comportant deux plafonds métalliques 1 s'étendant symétriquement de la paroi du tronçon de guide jusqu'à une certaine distance du centre de la section droite de celle-ci. Dans un plan parallèle à celui des plafonds, est disposé un anneau métallique circulaire 3 supporté par deux tiges 4 diamétralement opposées fixées à la paroi du tronçon de guide.
  • Les deux plafonds 1 sont reliés entre eux par une boucle 2 en un matériau conducteur de l'électricité. Dans l'exemple, cette boucle, ou court-circuit est constituée par un conducteur linéaire appliqué sur les deux plafonds et entièrement situé dans leur plan ; la figure montre, sans repères, les quatre trous servant dans l'exemple au refroidissement de la ligne par circulation de fluide ; les différents tronçons de guide semblables à celui décrit sont montés et serrés les uns contre les autres, pour former la ligne à retard de l'invention, les tiges 4 toutes parallèles entre elles, ainsi que les plafonds 1 ; l'ensemble est rendu étanche au vide, par brasage.
  • Le résultat d'un exemple de cet assemblage est montré en coupe sur la figure 2, où l'on retrouve, avec les mêmes repères, des cellules présentant la même structure générale que celle de la figure précédente. La figure comporte le long de l'axe Oz de propagation du faisceau, de la gauche vers la droite, trois sections désignées par I, II, et III. dans lesquelles le pas, L de la ligne, constant dans chacune d'elles, a des valeurs différentes. Ce pas L à l'intérieur d'une section est égal à l'épaisseur de la cellule.
  • La variation du pas L est réalisée, suivant l'invention, en modifiant, à rintérieur de chaque cellule, soit les cotes des éléments constitutifs de la cellule, épaisseur de l'ensemble anneau et tiges supports, soit la distance entre anneau et court-circuit, notamment.
  • Il est ainsi possible de faire varier lentement et de façon éventuellement continue, suivant la loi désirée, le pas de la ligne à retard. Le taux de retard imprimé à l'onde électromagnétique se propagent le long de la ligne varie en sens inverse du pas.
  • Dans l'exemple de la figure 2, on a représenté une ligne à trois tronçons principaux de pas différents, ce pas étant constant à l'intérieur de chacun des tronçons ; ces derniers sont reliés entre eux par d'autres portions de ligne, non représentées, où le pas varie de façon progressive de sa valeur dans le tronçon de droite. On a exagéré volontairement sur la figure les différences de cote pour faire apparaître la variation de pas d'une section à l'autre. On notera qu'en bande S la ligne à retard présente une longueur de quelques dizaines de centimètres, alors que l'épaisseur d'une cellule est de quelques millimètres seulement.
  • Comme on le voit sur la figure 2 et conformément à la présente invention le pas de la structure diminue d'abord (section II) par rapport à celui dans la première section, I, près du canon à électrons, puis augmente dans la section III, au-delà de sa valeur dans la section I.
  • L'épaisseur de l'ensemble formé par l'anneau 3 et ses tiges supports 4, à peu près uniforme dans l'exemple de la figure 1, est désigné par d sur cette figure ; la distance entre anneau 3 et court-circuit 2 par d' sur la figure 2.
  • On notera que sur cette dernière figure, qui correspond à l'une des variantes possibles de l'invention, l'épaisseur des tiges supports est très sensiblement supérieure à celle de l'anneau lui- même.
  • Les travaux expérimentaux de la demanderesse ont, en effet, démontré que pour obtenir l'augmentation de rendement recherchée, toutes choses égales par ailleurs, le pas de la ligne à retard en s'éloignant du canon à électrons, doit d'abord diminuer, puis augmenter dans la dernière partie de la ligne, contrairement à la conception de l'art antérieur selon laquelle le pas de la structure à retard devait diminuer dans la dernière partie de celle-ci, à l'opposé du canon à électrons. En outre, il apparaît que la dispersion des vitesses des électrons au sein du faisceau n'augmente pas de façon prohibitive dans la dernière section, malgré l'augmentation importante de rendement obtenue avec les lignes à retard de l'invention.
  • Ce rendement a atteint des valeurs de 50 % au cours des essais de la demanderesse, avec des variations extrêmes de pas de + 9 % par rapport au pas initial, c'est-à-dire le pas de la section I. Le rendement dont il s'agit est le rapport de la puissance haute fréquence recueillie à la sortie du tube à la puissance continue appliquée au tube. Dans le cadre de l'invention, ces variations peuvent aller de quelques centimètres du pas à plusieurs fois ce pas.
  • Comme on l'a dit, la variation du pas de la ligne de l'invention peut être obtenue de deux façons : soit en modifiant l'épaisseur de l'ensemble, 3-4, formé par l'anneau et ses supports, soit en modifiant la distance de l'anneau 3 au court-circuit 2. La première façon de procéder s'avère la plus efficace pour faire varier le pas ; elle a l'avantage en outre d'entraîner une faible perturbation de l'impédance de couplage entre le faisceau d'électrons et la ligne à retard.
  • L'amélioration du rendement obtenu avec la ligne à retard de l'invention se trouve encore accrue du fait précisément de cette impédance de couplage. Avec la disposition de l'invention, en effet, l'augmentation de pas dans la dernière partie de la ligne n'est pas incompatible avec une diminution de l'impédance de couplage dans cette partie, et une moindre dispersion des vitesses électroniques, confirmée par le calcul.
  • La focalisation du faisceau d'électrons s'en trouve facilitée et le coefficient de transmission du faisceau amélioré : les pertes d'électrons le long de la ligne sont moins grandes, ce qui permet un facteur d'utilisation du faisceau meilleur et une puissance moyenne haute fréquence disponible à la sortie du tube plus forte, toutes choses étant égales par ailleurs.
  • En outre, en «grossissant» les cellules élémentaires pour augmenter leur pas, on diminue l'impédance thermique de la ligne à l'endroit de ces cellules, tout en augmentant ses possibilités de dissipation, ce qui est doublement avantageux.
  • On notera enfin qu'une faible impédance de couplage correspond en général à une structure peu dispersive, c'est-à-dire une large bande passante. Les dispositions prévues par l'invention pour augmenter le rendement du tube vont donc dans le sens d'une plus grande largeur de bande, ce qui, comme on sait, est l'une des caractéristiques principales des tubes à onde progressive.
  • D'autres modifications à l'intérieur de la cellule permettent, en même temps que la variation du pas, d'abaisser l'impédance de couplage, notamment l'augmentation de :
    • - l'épaisseur des anneaux 3 - cote a - pouvant notamment aller du simple au double ;
    • - la largeur des tiges supports d'anneau 4 - cote b ;
    • - la largeur des plafonds 1 - cote c.
  • On peut ajouter des cannelures aux plafonds, c'est-à-dire prévoir pour ceux-ci des bords en gradins. Par ces moyens, il est possible aisément de réduire cette impédance au tiers ou au quart de sa valeur.
  • La structure de la ligne à retard à pas variable de l'invention présente de nombreux avantages, qui résultent de ce qui précède, sans entraîner de complications technologiques de réalisation.
  • On a énuméré dans ce qui précède un certain nombre des dispositions prévues par l'invention pour faire varier les caractéristiques de la cellule constitutive de la ligne. Il va sans dire que l'on peut, dans le cadre de l'invention, combiner ces dispositions.
  • L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés mais s'applique, de façon générale, à toute ligne à retard à plafond(s) et anneaux, notamment au cas des lignes qui comprendraient un nombre de plafonds, différent de celui de l'exemple représenté, disposés dans les intervalles entre les tiges supports des anneaux. Elle s'applique, entre autres, aussi au cas de guides d'ondes ayant une section autre que la section circulaire représentée et, de façon générale, elle comprend toutes les variantes accessibles à l'homme de l'art à partir de celle représentée.
  • La figure 2 à laquelle on s'est référé pour la description de la ligne à retard de l'invention montre en coupe l'ensemble d'un tube construit avec cette ligne , cette dernière, formée de trois sections l, Il et III, porte le repère 20. Le tube comporte une enveloppe métallique 21 fermée à ses deux extrémités par un collecteur d'électrons 22 et par un pied isolant 23 dans lequel est logé un canon à électrons dont on a représenté la cathode en 24 et son filament chauffant en 25, une électrode de focalisation 26, ainsi qu'une électrode d'accélération 27. La cathode émet, sous l'action de la source d'alimentation 28, un faisceau d'électrons 29 dont le contour est représenté en pointillé. La ligne à retard est couplée aux circuits d'entrée et de sortie du tube, amplificateur dans l'exemple, par les antennes 30 et 31. Sur la figure, le repère 32 désigne le jonc de brasure assurant l'assemblage étanche au vide des cellules 10 entre elles. Pour la clarté, enfin, on a limité, dans chaque section, les cellules à un petit nombre, alors qu'en réalité chacune de ces sections peut en comprendre de l'ordre de plusieurs dizaines.
  • Un tube équipé d'une ligne à retard selon l'invention a fourni sur la fréquence de 3 giga- hertz pour puissance haute fréquence de 300 kilowatts crête, pour une puissance crête totale appliquée de 600 kilowatts, sous la forme d'impulsions de 25 fJS avec un facteur de forme de 60 et une intensité de faisceau de 17 ampères. La ligne comportait une centaire de cellules.
  • L'invention s'applique de façon générale à la production de hauts niveaux de puissance à grande bande passante et avec un rendement élevé dans le domaine des micro-ondes, centimétriques notamment.

Claims (7)

1. Ligne à retard pour tube à onde progressive constituée de cellules jointives (10) composées chacune des éléments suivants :
- un tronçon de guide d'ondes métallique (11) comportant des plafonds (1) de même épaisseur que le tronçon, occupant, chacun, une partie de sa section, et s'étendant d'une fraction de son pourtour à une certaine distance de son centre ;
- un anneau métallique coaxial (3) fixé à la paroi du tronçon de guide par des tiges-supports (4) disposées dans les espaces libres entre les plafonds ; l'ensemble des cellules constituant un guide d'ondes de section uniforme, dans lequel les plafonds d'une part, et les tiges supports d'autre part, sont alignés, s'étendant autour du faisceau d'électrons le long de son trajet dans le tube, caractérisée en ce que la ligne se subdivise en trois groupes de cellules (I, Il, III) à l'intérieur de chacun desquels le pas est constant, les pas des second et troisième groupes de cellules étant respectivement plus petits et plus grands que celui du premier groupe de cellules lorsqu'on se déplace le long de la ligne en partant du canon à électrons et la variation du pas étant obtenue par dilatation ou contraction d'au moins une cote des cellules.
2. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de cote consiste en une variation de l'épaisseur des anneaux (3) et de leurs tiges supports (4), tous le même épaisseur d.
3. Ligne à retard suivant la revendication 1 caractérisée en ce que, dans le cas où la ligne à retard comporte de plus un conducteur métallique (2) en contact avec les plafonds (1) sur l'une des faces du tronçon et formant court-circuit entre eux, la variation de cote consiste en une variation de la distance entre anneaux (3) en court-circuits (2).
4. Ligne à retard suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que conjointement on abaisse l'impédance de couplage.
5. Ligne à retard suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'abaissement de l'impédance de couplage est obtenu en augmentant l'épaisseur (a) des anneaux (3).
6. Ligne à retard suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'abaissement de l'impédance de couplage est obtenu en augmentant la largeur (b) des tiges supports (4) d'anneaux.
7. Tube à onde progressive, amplificateur notamment, comprenant des moyens pour produire un faisceau d'électrons et pour assurer sa propagation vers un collecteur par lequel il est capté, et une ligne à retard disposée le long du trajet du faisceau, le long de laquelle se propagent les ondes électromagnétiques qui sont en interaction, en fonctionnement, avec le faisceau, caractérisé en ce que la ligne à retard en question est une ligne suivant la revendication 1.
EP80400940A 1979-07-03 1980-06-24 Ligne à retard à pas variable pour tube à onde progressive, et tube à onde progressive muni d'une telle ligne Expired EP0022016B1 (fr)

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