EP0037309B1

EP0037309B1 - Tube à ondes progressives à cavités couplées et focalisation par aimants permanents alternés, et ensemble amplificateur comprenant un tel tube

Info

Publication number: EP0037309B1
Application number: EP81400418A
Authority: EP
Inventors: Georges Fleury; Francis Payen
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-04-01
Filing date: 1981-03-18
Publication date: 1983-12-28
Also published as: US4399389A; EP0037309A1; DE3161746D1; FR2479558B1; FR2479558A1

Description

L'invention concerne un tube à ondes progressives (TOP) en particulier un tube à ondes progressives à cavités couplées dont la focalisation du faisceau est assurée par un système d'aimants permanents du type « PPM à à savoir « Periodic Permanent tvtagnet'.
Un tel système de focalisation dit à « aimants permanents alternés est constitué, comme connu de l'art, par des anneaux serrés les uns contre les autres autour de l'axe du tube, consistant alternativement en aimants et pièces polaires. Dans ce cas, les masses polaires en fer doux, ou en tout autre matériau à faible reluctance, sont incorporées aux parois des cavités, en cuivre, de façon à conduire le flux magnétique le plus près possible du faisceau d'électrons.
La conductibilité thermique du fer doux étant environ 6 fois moins élevée que celle du cuivre, la résistance thermique entre le faisceau et le circuit de refroidissement du tube est au moins 6 fois plus élevée lorsque des masses polaires sont incorporées dans les parois des cavités. Si, d'autre part, on admet que le courant intercepté par la ligne à retard est, toutes choses égales par ailleurs, deux à quatre fois plus important dans le cas d'une focalisation par aimants permanent que dans celui d'une focalisation par un solénoïde, la puissance continue qu'il est possible d'appliquer au tube et, par voir de conséquence, la puissance haute fréquence (HF) maximale disponible à la sortie d'un tel tube est sensiblement plus faible que dans le cas d'une focalisation par solénoïde. Les hautes fréquences dont il est question sont celles correspondant à des ondes décimétriques et centimétriques ; elles vont de quelques gigahertz à plus de 10 gigahertz. Vers la sortie HF du tube, l'augmentation du diamètre du faisceau peut être telle, sous l'influence notamment du champ haute fréquence des cavités, que les becs de celles-ci fondent sous l'impact des électrons interceptés. Ceci limite impérativement la puissance appliquée au tube.
Malgré cela, la technique des tubes à ondes progressives s'oriente fréquemment vers la solution à aimants permanents pour la focalisation du faisceau, à cause des commodités qu'elle apporte, notamment du point de vue de la mise en place des pièces de focalisation et de l'exploitation du tube, par la suppression de la source continue nécessaire à l'alimentation du solénoïde.
Ainsi la figure 1 des dessins ci-joints représente un premier exemple de réalisation d'un tube à ondes progressives à cavités couplées du type ci-dessus.
Cette figure, comme les suivantes, représente la partie centrale du tube, constituée par la ligne à retard 1, siège de l'onde électromagnétique qui, en fonctionnement, est en interaction avec le faisceau d'électrons, non représenté, se propageant le long de l'axe Z'Z, entre un ensemble cathodique par lequel il est produit, situé à gauche de la figure, et un collecteur par lequel il est capté situé au-delà de la ligne à retard 1, à droite de la figure. Ces éléments n'ont pas été représentés sur ces figures, comme non nécessaires à la compréhension de l'invention.
Comme on le voit sur le dessin la ligne à retard 1 est constituée de cavités 10 couplées disposées suivant une succession régulière le long de l'axe Z'Z. Ces cavités sont des volumes résonnants, du type rentrant connu en hyperfréquences, de révolution autour de l'axe et ouvertes en 11, au voisinage de celui-ci, pour le couplage avec le faisceau. Quant aux moyens de couplage des cavités entre elles, ils n'apparaissent pas sur les vues en coupe des figures ; ces moyens relèvent de l'art connu. Les aimants permanents 2 sont disposés autour de ces cavités et les pièces polaires 3 entre celles-ci, comme le montre le dessin ; ces pièces, qui présentent la forme de rondelles, sont munies d'une collerette 30 ; ces collerettes, alignées délimitent l'espace dans lequel se propage le faisceau et forment le rentrant des cavités 10 ; leurs bords, généralement effilés dans la réalité, constituent les becs 31 de ces cavités ; ces becs peuvent aussi être à bords droits comme dans le cas des figures. La pièce 3, y compris la collerette 30, est faite d'un seul tenant dans un matériau à faible réluctance pour le champ magnétique des aimants 2, du fer doux par exemple. Comme indiqué sur le dessin, les aimants sont alternativement orientés sud nord et nord sud. Enfin deux pièces 20 et 21 limitent l'ensemble de focalisation à ses deux extrémités.
Dans l'exemple, les cavités 10 sont limitées, à leur périphérie, par la paroi cylindrique 12 en contact avec les aimants 2 et, latéralement, par les parois 13 et 14 planes, toutes en cuivre, bon conducteur électrique et thermique, les pièces polaires 3 étant insérées entre deux parois latérales successives. Ces parois sont figurées sans hachures sur les dessins pour la clarté.
Cette disposition assure, grace aux parties en cuivre, une bonne évacuation de la chaleur engendrée en fonctionnement dans le tube, vers un système de refroidissement extérieur, non représenté, disposé diversement, suivant les réalisations, autour du tube.
Elle présente, par contre, l'inconvénient de réduire, toutes choses égales, la hauteur H des cavités, de l'épaisseur des parois latérales en cuivre 13 et 14, et oblige, à fréquence donnée, à augmenter leur diamètre intérieur, c'est-à-dire le diamètre des collerettes 30, ce qui réduit, à son tour, le couplage des cavités avec le faisceau, et les performances du tube.
Dans une autre disposition de l'art antérieur représentée sur la figure 2, on évite cet inconvénient en constituant les parois latérales des cavités 10 par les pièces polaires 3 elles-mêmes ; on évite ainsi la réduction de la hauteur H, mais on rend plus difficile l'évacuation thermique de la ligne à retard. Pour réduire la quantité de chaleur à évacuer, on augmente alors le diamètre des collerettes 30 au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité du tube située du côté du collecteur, de façon à réduire l'interception du faisceau par celles-ci, notamment par leurs bords ou becs 31 qui sont des zones présentant une grande résistance au flux thermique. L'espace offert au faisceau va en s'évasant vers le collecteur, suivant les traits obliques. On est cependant limité dans cette voie par la nécessité de conserver un bon couplage entre l'onde et le faisceau. L'accroissement nécessaire du diamètre des collerettes 30 se situe généralement, dans ce cas, entre 10 et 25 %.
Dans une autre disposition connue de l'art antérieur décrite en particulier dans le brevet français 1.418.392, les pièces polaires telles que 3 jumelées sont séparées par deux cavités telles que 10 ; une collerette en fer doux est alors prévue aussi sur la paroi commune aux cavités jumelées placées entre deux pièces polaires successives. Dans cette nouvelle disposition, l'évacuation de la chaleur est rendue plus facile par la plus grande proportion de cuivre entrant dans la constitution de la ligne à retard. Quant à la collerette qui termine la paroi de cuivre en question elle constitue une pièce polaire flottante qui enrichit en harmonique 3 le champ magnétique dans l'espace où se propage le faisceau d'électrons. Le champ magnétique produit au centre du tube par le système d'aimants et de pièces polaires décrit a une valeur qui est une fonction périodique de l'abscisse le long de l'axe Z'Z ; l'harmonique en question est l'harmonique de cette répartition spatiale périodique. Ceci à pour effet, dans certaines conditions, de réduire les ondulations affectant le diamètre du faisceau le long de son trajet et, par voie de conséquence, les risques d'interception du faisceau par la ligne à retard.
L'invention a pour objet un tube à ondes progressives à focalisation par aimants permanents et pièces polaires présentant une structure qui permet d'éviter, ou tout au moins de réduire de façon appréciable, l'inconvénient précédent quant à la puissance maximale applicable au tube.
L'invention concerne en particulier un tube à onde progressive composé d'un ensemble cathodique produisant un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe et d'un collecteur par lequel le faisceau est capté, et, disposée autour de cet axe, entre l'ensemble cathodique et le collecteur, une ligne à retard composée de cavités résonnantes successives de forme rentrante centrées sur cet axe et couplées entre elles, ledit tube étant pourvu d'un système de focalisation du faisceau d'électrons, à aimants permanents alternés composé de rondelles aimantées entourant la paroi extérieure des cavités, et de pièces polaires serrées entre les cavités et alternées avec celles-ci, à raison d'une pièce polaire toutes les deux cavités, ces pièces polaires étant terminées du côté de l'axe par une collerette centrée sur cet axe, la paroi commune à deux cavités successives étant elle-même terminée du même côté par une collerette semblable, en matériau magnétique, ces collerettes constituant la partie rentrante des cavités résonnantes, l'ensemble de ces collerettes limitant, transversalement à l'axe, l'espace dans lequel se propage le faisceau, caractérisé en ce que le diamètre intérieur de ces collerettes va en croissant dans la direction de propagation du faisceau, notamment dans la dernière partie de la ligne, cet accroissement ayant lieu par paliers, toutes les deux collerettes, la collerette d'une pièce polaire et celle de la paroi commune qui la suit ayant même diamètre.
L'invention concerne aussi les dispositifs amplificateurs pour haute fréquence utilisant un tube selon l'invention.
L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes, qui représentent, avec les mêmes repères désignant les mêmes éléments.

Les figures 1 et 2 : deux vues schématiques en coupe de la partie centrale de tubes à ondes progressives à cavités couplées de l'art antérieur ;
la figure 3 : une vue analogue relative à un tube à ondes progressives à cavités couplées de l'invention.
La figure 3, montre un exemple de réalisation de la ligne à retard des tubes de l'invention. Comme dans l'exemple dont il vient d'être question, les cavités entre lesquelles sont serrées les pièces polaires 3 sont doubles ; elles portent le repère 15 sur le dessin, et leur paroi centrale le repère 16.

Pièces polaires et paroi centrale portent chacune une collerette comme la collerette 30 des dessins précédents, collerette faite en fer doux ou en matériau à faible réluctance. Les aimants 22 sont prévus avec des longueurs en proportion entre deux pièces polaires 3. Ces collerettes sont désignées dans le cas de la figure par le même repère 30 pour celles appartenant à une pièce polaire 3, et par 40 pour celles situées à l'extrémité des parois en cuivre 16.
Pour réduire l'interception d'électrons, le diamètre des collerettes 30 va en outre en croissant dans la direction de propagation du faisceau et notamment dans la dernière partie de la ligne.
Cet accroissement à lieu, selon l'invention par paliers, toutes les deux collerettes, la collerette 30 de l'une des pièces polaires et celle, 40 de la paroi centrale des deux cavités qui la suivent, sur le trajet de faisceau, ayant même diamètre. Ainsi se trouve élargi l'espace offert au faisceau dans son trajet vers le collecteur, espace dont le diamètre varie, dans le tronçon représenté de 0₁ à 0. Chacune des collerettes 30 se trouve protégée contre l'interception d'électrons par la rondelle 40 qui la précède. Une telle rondelle 40 porte ombre, en quelque sorte, sur la rondelle 30 qui la suit.
Le maximum de l'interception se produit sur les parties 40, en contact avec une pièce en cuivre 16, en général épaisse, qui permet une bonne évacuation vers l'extérieur de la chaleur reçue par la ligne.
En ondes centimétriques, on a constaté, toutes choses étant égales par ailleurs, une amélioration de 1 db sur le niveau de sortie d'un tube à ligne à retard selon l'art antérieur de la figure 2 munie du perfectionnement de l'invention.
L'invention trouve une application dans les ensembles amplificateurs à tubes à ondes progressives pour les télécommunications, par satellite notamment.

Claims

1. Tube à ondes progressives composé d'un ensemble cathodique produisant un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe (Z'Z) et d'un collecteur par lequel le faisceau est capté, et, disposé autour de cet axe, entre l'ensemble cathodique et le collecteur, une ligne à retard (1) composée de cavités résonnantes successives (15) de forme rentrante centrées sur cet axe et couplées entre elles, ledit tube étant pourvu d'un système de focalisation du faisceau d'électrons, à aimants permanents alternés (22) composé de rondelles aimantées entourant la paroi extérieure des cavités, et de pièces polaires (3) serrées entre les cavités et alternées avec celles-ci, à raison d'une pièce polaire toutes les deux cavités, ces pièces polaires étant terminées du côté de l'axe par une collerette (30) centrée sur cet axe, la paroi commune (16) à deux cavités successives étant elle-même terminée du même côté par une collerette semblable (40), en matériau magnétique, ces collerettes constituant la partie rentrante des cavités résonnantes, l'ensemble de ces collerettes limitant, transversalement à l'axe l'espace dans lequel se propage le faisceau, caractérisé en ce que le diamètre intérieur de ces collerettes va en croissant dans la direction de propagation du faisceau, notamment dans la dernière partie de la ligne, cet accroissement ayant lieu par paliers, toutes les deux collerettes, la collerette (30) d'une pièce polaire et celle (40) de la paroi commune qui la suit ayant même diamètre.

2. Ensemble amplificateur comprenant au moins un tube suivant la revendication 1.