EP0119902A1 - Microwave cavity resonator, especially for electromagnetic energy generators - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a resonant cavity for microwaves, more particularly a resonant cavity used in a generator operating at several tens of gigahertz, that is to say, in millimeter and submillimeter waves.
- generators of this type there are in particular generators in which an electron beam propagates along helical paths while being guided by a uniform magnetic field along the axis of the propeller.
- the beam passes through a resonant cavity in which the transverse velocity components of the electrons interact with a transverse electric field component of the wave so as to amplify it.
- the cavities usually used in this type of generator are constituted by cylindrical cavities or with two spherical mirrors whose dimensions are calculated to operate in TE on mode.
- the aim of the present invention is to provide a resonant cavity making it possible to increase the frequency separation of the electromagnetic modes, namely to eliminate a certain number of parasitic modes.
- the subject of the present invention is a resonant microwave cavity formed by a surface of revolution characterized in that, in a meridian plane, the surface of revolution forms at least four mirror zones facing each other, positioned so that the center of each mirror zone defines the vertex of a polygon and that the normal to said mirror zone at the center is directed along the corresponding bisector of said polygon.
- the modes propagating in a resonant cavity can be analyzed as plane waves which are reflected a number of times on the walls of the cavity.
- the waves propagate according to rays.
- the resonant cavity 1 consists mainly of two curved annular mirrors 3-4 of the same axis ZZ ', more particularly in the form of a spherical zone.
- the two mirrors 3, 4 which face each other, are positioned so that, in a meridian plane, they delimit four mirror rods 3a, 3b, 4a, 4b facing each other whose respective centers 3'a, 3'b , 4'a, 4'b form the vertices of a polygon, namely the four vertices of a rectangle in the embodiment shown.
- the four zones are inclined in the meridian plane so that the normal 5a, 5b, 6a, 6b to the said mirror zones at the level of the centers corresponds to the bisector of the angle at the corresponding vertex of the rectangle.
- the mirrors are inclined at 45 ° relative to the axis ZZ '.
- the mirror zones 3a, 3b, 4a, 4b have an appropriate curvature in the plane containing the axis whose purpose is to concentrate the energy at the level of the axis ZZ ' on two cd zones, cf of length limited by a side effect due to diffraction.
- the cavity is constituted by surfaces 7 absorbing the electromagnetic radiation considered, which avoids the reflection of the diffracted rays outside the cavity.
- the cavity shown in Figure 1 it has two areas of interaction cd, cf with the beam elcc- tronic. It is thus possible to carry out a premodulation of the electron beam during the first interaction, namely at the level of the cd area, most of the energy transfer from the beam to the wave occurring during the second interaction. , namely at the level of the ef zone.
- the annular mirrors may be, as shown in FIG. 3, constituted by two asymmetrical annular mirrors 8, 9 having different radii in the meridian plane.
- the polygon of the centers of the mirror zones 8a, 8b, 9a, 9b is constituted by an isosceles trapezoid.
- Figure 3 there is shown in the same manner as in Figure 1, the path of the electromagnetic propagation and the areas where the energy is concentrated.
- the path followed by the electromagnetic waves in the cavity of FIG. 3 is identical to that of FIG. 1, the only difference residing in the fact that the interaction zone cd is more important than the interaction zone ef, which causes a greater concentration of energy in the ef zone.
- the mirror zones 10, 11, 12, 13 are positioned as shown in FIG. 4.
- the mirror zones 10, 11, 12, 13 are obtained from four mirrors in a spherical or parabolic cap for example arranged around the axis ZZ 'which remains the axis of symmetry of the electron beam and the magnetic field.
- Each mirror now has its own axis 10a - 10a ', llb - llb', 12c - 12c ', 13d - 13d' and the polygon having the above axes for bisector is formed by two triangles opposite by the vertex.
- the radial modes successive correspond to a variation of the phase of 2 when it is counted along a complete course of the ray on itself. It follows that one in two radial modes corresponds to fields in phase opposition in the region of the axis. Thus, only one in two radial modes can interact.
- the surfaces surrounding the mirrors are constituted by elements absorbing the electromagnetic radiation present or by surfaces covered with an absorbent layer produced for example in "carberlox".
- the cavities described above are used more particularly in generators of radio waves of the gyrotron type. However, it is obvious to those skilled in the art that these cavities can be used in other applications requiring mode separation.
Abstract
La présente invention concerne une nouvelle cavité résonnante pour hyperfréquences. Cette cavité est constituée par une surface de révolution. Dans un plan méridien, la surface de révolution forme au moins quatre zones-miroirs (3a, 3b, 4a, 4b) se faisant face, positionnée de sorte que le centre (3'a, 3'b, 4'a, 4'b) de chaque zone-miroir définisse le sommet d'un polygone et que la normale (5a, 5b, 6a, 6b) à ladite zone-miroir au niveau du centre soit dirigée suivant la bissectrice correspondante dudit polygone. La cavité objet de la présente invention est utilisée en particulier dans les gyrotrons.The present invention relates to a new resonant cavity for microwave frequencies. This cavity is constituted by a surface of revolution. In a meridian plane, the surface of revolution forms at least four mirror zones (3a, 3b, 4a, 4b) facing each other, positioned so that the center (3'a, 3'b, 4'a, 4 ' b) of each mirror zone defines the vertex of a polygon and that the normal (5a, 5b, 6a, 6b) to said mirror zone at the center is directed along the corresponding bisector of said polygon. The cavity which is the subject of the present invention is used in particular in gyrotrons.
Description
La présente invention concerne une cavité résonnante pour hyperfréquences, plus particulièrement une cavité résonnante utilisée dans un générateur fonctionnant à plusieurs dizaines de giga- hertz, c'est-à-dire, en ondes millimétriques et submillimétriques.The present invention relates to a resonant cavity for microwaves, more particularly a resonant cavity used in a generator operating at several tens of gigahertz, that is to say, in millimeter and submillimeter waves.
Parmi les générateurs de ce type, on connait en particulier des générateurs dans lesquels un faisceau d'électrons se propage selon des trajets hélicoïdaux en étant guidé par un champ magnétique uniforme suivant l'axe de l'hélice. Le faisceau traverse une cavité résonnante dans laquelle les composantes de vitesse transversales des électrons interagissent avec une composante de champ électrique transversale de l'onde de manière à l'amplifier. Les cavités habituellement employées dans ce type de générateurs sont constituées par des cavités cylindriques ou à deux miroirs sphériques dont les dimensions sont calculées pour fonctionner en mode TEon.Among generators of this type, there are in particular generators in which an electron beam propagates along helical paths while being guided by a uniform magnetic field along the axis of the propeller. The beam passes through a resonant cavity in which the transverse velocity components of the electrons interact with a transverse electric field component of the wave so as to amplify it. The cavities usually used in this type of generator are constituted by cylindrical cavities or with two spherical mirrors whose dimensions are calculated to operate in TE on mode.
L'un des problèmes rencontrés avec ce type de cavités, en particulier lorsque l'on désire fonctionner en mode élevé, provient de la coexistence de plusieurs modes dans la cavité, ce qui entraine une probabilité importante d'oscillations sur un mode non désiré.One of the problems encountered with this type of cavity, in particular when it is desired to operate in high mode, stems from the coexistence of several modes in the cavity, which gives rise to a significant probability of oscillations in an unwanted mode.
En conséquence, le but de la présente invention est de fournir une cavité résonnante permettant d'augmenter la séparation en fréquence des modes électromagnétiques, à savoir d'éliminer un certain nombre de modes parasites.Consequently, the aim of the present invention is to provide a resonant cavity making it possible to increase the frequency separation of the electromagnetic modes, namely to eliminate a certain number of parasitic modes.
Ainsi, la présente invention a pour objet une cavité résonnante pour hyperfréquences formée par une surface de révolution caractérisée en ce que, dans un plan méridien, la surface de révolution forme au moins quatre zones-miroir se faisant face, positionnées de sorte que le centre de chaque zone-miroir définisse le sommet d'un polygone et que la normale à la dite zone-miroir au niveau du centre soit dirigée suivant la bissectrice correspondante dudit polygone.Thus, the subject of the present invention is a resonant microwave cavity formed by a surface of revolution characterized in that, in a meridian plane, the surface of revolution forms at least four mirror zones facing each other, positioned so that the center of each mirror zone defines the vertex of a polygon and that the normal to said mirror zone at the center is directed along the corresponding bisector of said polygon.
Avec une telle structure en utilisant les propriétés de réflexion et de diffraction des ondes se propageant dans la cavité, il est possible d'éliminer un certain nombre de modes non-radiaux.With such a structure using the reflection and diffraction properties of the waves propagating in the cavity, it is possible to eliminate a certain number of non-radial modes.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
- - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une cavité conforme à la présent invention ;
- - les figures 2a et 2b représentent schématiquement une vue en coupe et une vue en plan de dessus d'un miroir annulaire utilisé dans la cavité de la figure 1, vues sur lesquelles on a représenté certains trajets d'ondes ;
- - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'une cavité conforme à la présente invention ;
- - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation d'une cavité conforme à la présente invention.
- - Figure 1 is an axial sectional view of a first embodiment of a cavity according to the present invention;
- - Figures 2a and 2b schematically show a sectional view and a top plan view of an annular mirror used in the cavity of Figure 1, views on which some wave paths have been shown;
- - Figure 3 is an axial sectional view of a second embodiment of a cavity according to the present invention;
- - Figure 4 is an axial sectional view of a third embodiment of a cavity according to the present invention.
On rappelera tout d'abord pour bien comprendre la présente invention que les modes se propageant dans une cavité résonnante peuvent être analysés comme des ondes planes qui se réfléchissent un certain nombre de fois sur les parois de la cavité.It will be recalled first of all in order to fully understand the present invention that the modes propagating in a resonant cavity can be analyzed as plane waves which are reflected a number of times on the walls of the cavity.
D'autre part, dans le cas des modes TE , les ondes se propagent selon des rayons.On the other hand, in the case of TE modes, the waves propagate according to rays.
Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la cavité résonnante 1 conforme à la présente invention est constituée principalement par deux miroirs annulaires incurvés 3-4 de même axe ZZ', plus particulièrement en forme de zone sphérique. Les deux miroirs 3, 4 qui se font face, sont positionnés de telle sorte que, dans un plan méridien, ils délimitent quatre zoncs-miroir 3a, 3b, 4a, 4b se faisant face dont les centres respectifs 3'a, 3'b, 4'a, 4'b forment les sommets d'un polygone, à savoir les quatre sommets d'un rectangle dans le mode de réalisation représenté. D'autre part, les quatre zones sont inclinées dans le plan méridien de telle sorte que la normale 5a, 5b, 6a, 6b aux dites zones-miroir au niveau des centres correspond à la bissectrice de l'angle au sommet correspondant du rectangle. Ainsi dans le mode de réalisation représenté, les miroirs sont inclinés à 45° par rapport à l'axe ZZ'. De ce fait les ondes électromagnétiques utiles, comme expliqué ci-après, qui se réfléchissent successivement sur les différentes zones-miroir suivent les trajets représentés par des flèches sur la figure 1, les hachures représentant les zones où l'énergie correspondante est concentrée. D'autre part, comme mentionné ci-dessus, les zones-miroir 3a, 3b, 4a, 4b présentent une courbure appropriée dans le plan contenant l'axe dont le but est de concentrer l'énergie au niveau de l'axe ZZ' sur deux zones cd, cf de longueur limitée par un effet secondaire du à la diffraction.According to a first embodiment shown in Figure 1, the resonant cavity 1 according to the present invention consists mainly of two curved annular mirrors 3-4 of the same axis ZZ ', more particularly in the form of a spherical zone. The two mirrors 3, 4 which face each other, are positioned so that, in a meridian plane, they delimit four
De plus entre les deux miroirs annulaires, la cavité est constituée par des surfaces 7 absorbant le rayonnement électromagnétique considéré, ce qui évite la réflexion des rayons diffractés hors de la cavité.In addition, between the two annular mirrors, the cavity is constituted by surfaces 7 absorbing the electromagnetic radiation considered, which avoids the reflection of the diffracted rays outside the cavity.
On expliquera maintenant le fonctionnement de la cavité objet de la présente invention avec référence aux figures 2 qui illustrent la réflexion de deux rayons incidents sur la surface d'un des miroirs 3 ou 4 constituant la cavité de la figure 1. Dans le cas d'un rayon centrifuge A, celui-ci frappe la zone-miroir 3a en A' et est réfléchi verticalement en A" du fait de l'inclinaison du miroir à 45° comme représenté sur la figure 2a, le rayon suivant ensuite le trajet de propagation représenté sur la figure 1. Dans le cas d'un rayon B ne passant pas par l'axe et frappant la zone miroir également en A', celui-ci se réfléchit suivant une direction B". Il en résulte que les rayons B" ne viendront pas tous frapper le second miroir annulaire et que les modes non radiaux subiront des pertes par diffraction plus importantes que les modes radiaux, ce qui empèchera leur excitation. On obtient donc avec ce type de cavités une augmentation de la séparation des fréquences par élimination d'une partie des modes autres que les modes TEon.We will now explain the operation of the cavity object of the present invention with reference to Figures 2 which illustrate the reflection of two rays incident on the surface of one of the mirrors 3 or 4 constituting the cavity of Figure 1. In the case of a centrifugal ray A, this strikes the mirror zone 3a at A 'and is reflected vertically at A "due to the inclination of the mirror at 45 ° as shown in FIG. 2a, the ray then following the propagation path shown in Figure 1. In the case of a radius B not passing through the axis and striking the mirror area also at A ', it is reflected in a direction B ". It follows that the rays B "will not all come to strike the second annular mirror and that the non-radial modes will undergo losses by diffraction more important than the radial modes, which will prevent their excitation. One thus obtains with this type of cavities increased frequency separation by eliminating part of the modes other than TE on modes.
Dans le cas de la cavité représentée à la figure 1, celle-ci présente deux zones d'interaction cd, cf avec le faisceau élcc- tronique. Il est ainsi possible de réaliser une prémodulation du faisceau électronique au cours de la première interaction, à savoir au niveau de la zone cd, l'essentiel de la cession d'énergie du faisceau à l'onde se produisant au cours de la seconde interaction, a savoir au niveau de la zone ef. Pour améliorer, l'efficacité de ce processus, les miroirs annulaires peuvent être, comme représente sur la figure 3, constitués par deux miroirs annulaires dissymétriques 8, 9 possédant des rayons différents dans le plan méridien. Dans ce cas, le polygone des centres des zones-miroir 8a, 8b, 9a, 9b est constitué par un trapèze isocele. Sur la figure 3, on a représenté de la même manière que sur la figure 1, le trajet de la propagation électromagnétique et les zones où l'énergie est concentrée. Le trajet suivi par les ondes électromagnétiques dans la cavité de la figure 3 est identique à celui de la figure 1, la seule différence résidant dans le fait que la zone d'interaction cd est plus importante que la zone d'interaction ef, ce qui entraine une concentration d'énergie plus importante au niveau de la zone ef.In the case of the cavity shown in Figure 1, it has two areas of interaction cd, cf with the beam elcc- tronic. It is thus possible to carry out a premodulation of the electron beam during the first interaction, namely at the level of the cd area, most of the energy transfer from the beam to the wave occurring during the second interaction. , namely at the level of the ef zone. To improve the efficiency of this process, the annular mirrors may be, as shown in FIG. 3, constituted by two asymmetrical annular mirrors 8, 9 having different radii in the meridian plane. In this case, the polygon of the centers of the
Dans certains cas, il est avantageux de n'avoir qu'une seule zone d'interaction. Pour réaliser cette condition, les zones-miroir 10, 11, 12, 13 sont positionnées comme représenté sur la figure 4. Les zones-miroir 10, 11, 12, 13 sont obtenues à partir de quatre miroirs en calotte sphérique ou parabolique par exemple disposés autour de l'axe ZZ' qui reste l'axe de symmétrie du faisceau électronique et du champ magnétique. Chaque miroir possède maintenant son axe propre lOa - 10a', llb - llb', 12c - 12c', 13d - 13d' et le polygone ayant les axes ci-dessus pour bissectrice est formé par deux triangles opposés par le sommet.In some cases, it is advantageous to have only one interaction zone. To achieve this condition, the
Il est aussi possible d'obtenir une zone d'interaction unique, en utilisant à la place de quatre miroirs en calotte spherique ayant chacun leur axe de symmétrie, deux miroirs en forme de zone sphérique, inclinés de manière appropriée dans le plan méridien.It is also possible to obtain a single interaction zone, using instead of four spherical cap mirrors, each having their axis of symmetry, two mirrors in the form of a spherical zone, appropriately inclined in the meridian plane.
Avec cette disposition on obtient une concentration plus importante de l'énergie électromagnétique dans la région gh du faisceau électronique. En outre, à la résonnancc, les modes radiaux successifs correspondent à une variation de la phase de 2 lorsqu'elle est comptée le long d'un parcours complet du rayon sur lui- même. Il en résulte qu'un mode radial sur deux correspond à des champs en opposition de phase dans la région de l'axe. Ainsi, seulement un mode radial sur deux peut interagir.With this arrangement, a higher concentration of electromagnetic energy is obtained in the gh region of the electron beam. In addition, upon resonance, the radial modes successive correspond to a variation of the phase of 2 when it is counted along a complete course of the ray on itself. It follows that one in two radial modes corresponds to fields in phase opposition in the region of the axis. Thus, only one in two radial modes can interact.
Dans les cavités des figures 3 et 4 les surfaces entourant les miroirs sont constituées par des éléments absorbant le rayonnement électromagnétique présent ou par des surfaces recouvertes d'une couche absorbante réalisée par exemple en "carberlox".In the cavities of FIGS. 3 and 4, the surfaces surrounding the mirrors are constituted by elements absorbing the electromagnetic radiation present or by surfaces covered with an absorbent layer produced for example in "carberlox".
Les cavités décrites ci-dessus sont utilisées plus particulièrement dans des générateurs d'ondes radioélectriques du type gyrotrons. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que ces cavités peuvent être utilisées dans d'autres applications nécessitant une séparation des modes.The cavities described above are used more particularly in generators of radio waves of the gyrotron type. However, it is obvious to those skilled in the art that these cavities can be used in other applications requiring mode separation.
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