EP0440529A1 - Tube hyperfréquence multifaisceau à groupes de cavités adjacentes - Google Patents

Tube hyperfréquence multifaisceau à groupes de cavités adjacentes Download PDF

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Publication number
EP0440529A1
EP0440529A1 EP91400169A EP91400169A EP0440529A1 EP 0440529 A1 EP0440529 A1 EP 0440529A1 EP 91400169 A EP91400169 A EP 91400169A EP 91400169 A EP91400169 A EP 91400169A EP 0440529 A1 EP0440529 A1 EP 0440529A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cavities
transmission line
group
microwave tube
coupled
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91400169A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Georges Mourier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson Tubes Electroniques filed Critical Thomson Tubes Electroniques
Publication of EP0440529A1 publication Critical patent/EP0440529A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
    • 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
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
    • H01J25/12—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator with pencil-like electron stream in the axis of the resonators

Definitions

  • the present invention relates to multi-beam microwave tubes, with longitudinal interaction, such as multi-beam klystrons.
  • a multibeam klystron has N parallel longitudinal electron beams produced by one or more electron guns.
  • the fact of splitting a beam into several elementary beams has the advantage of reducing the effects of space charges and of obtaining a tube with better efficiency. This also makes it possible to raise the current and the power of the tube or even to lower its operating voltage.
  • a classic monobeam klystron is built around an axis which is the axis of the electron beam.
  • a microwave wave to be amplified is introduced into the row 1 cavity which is on the side of the barrel. It is the entry cavity.
  • the last cavity or cavity of row m is connected to a member for external use, via a short transmission line. It is the outlet cavity.
  • the transmission line is generally arranged transversely to the axis of the tube. It receives the microwave wave after amplification.
  • the electron beam is collected in a collector coaxial with the axis of the tube. This collector is placed downstream of the row m cavity.
  • a focusing device surrounds the cavities. It prevents the electron beam from diverging.
  • the focusing device can be common to all the tubes.
  • this application describes a multibeam klystron built around an axis.
  • This klystron mainly comprises a cannon producing several electron beams, successive cavities and a collector. Each cavity is crossed by all the beams.
  • the collector located downstream of the last cavity is coaxial with the axis of the tube.
  • the last cavity is coupled to a transmission line which surrounds the collector and which is coaxial with the latter.
  • This transmission line is, for example, a coaxial waveguide.
  • the coupling between the outlet cavity and the transmission line is made by at least one coupling orifice.
  • this tube works properly but as soon as the frequency increases, the cavities can then contain a large number of modes, because they are oversized compared to the wavelength transmitted in free space.
  • the dimensions of the cavities should be reduced as soon as the frequency increases. However, these dimensions cannot be reduced sufficiently because of the size of the gun (s) producing the electron beams.
  • the present invention aims to remedy this drawback and proposes a multi-beam microwave tube comprising groups of cavities. Each group of cavities resonates on a single frequency. In addition, this tube can work at frequency high.
  • the present invention provides a microwave tube comprising: n (whole number greater than one) parallel longitudinal electron beams distributed over a ring centered on an axis XX ′.
  • the beams pass through several groups of n cavities.
  • the cavities of the same group operate in their fundamental mode, at the same frequency and are excited in phase so that each group resonates on a single frequency.
  • a cavity is produced by the coupling of several elementary cavities, only one of the elementary cavities being crossed by an electron beam.
  • the tube comprises a group of inlet cavities, the cavities of this group being excited in phase by a suitable device external to the tube.
  • the cavities of the input group are coupled together, the excitation device being produced by a transmission line coupled to one of the cavities.
  • the cavities of the input group are electrically isolated from each other. They are excited in phase by a transmission line dividing into n identical sections, each section being coupled to one of the cavities.
  • the transmission line can also be coupled to an additional cavity, coupled to all the cavities symmetrically.
  • the tube has a group of outlet cavities.
  • the cavities of the outlet group are electrically isolated from each other. They are coupled by at least one orifice to a transmission line coaxial with the axis of the tube.
  • the cavities of the group of output are coupled together.
  • One of the cavities is coupled to a lateral transmission line.
  • the multibeam klystron represented in FIGS. 1 and 2 is a klystron with n electron beams 2, n is an integer greater than one. Here n is equal to six.
  • the electron beams are each produced by an electron gun 1.
  • the electron beams 2 are longitudinal and parallel.
  • the klystron is built around an XX ′ axis of revolution.
  • the six electron guns 1 are distributed on a crown centered on the axis XX ′.
  • Each electron beam 2 passes through cavities 10,20,30,40, placed one after the other. Two successive cavities are separated by a sliding tube 3.
  • Each cavity 10 placed near each electron gun carries row 1, the following respectively rows 2,3, ... m, (m is an integer greater than 1). On the Figure 1, m is equal to 4.
  • the cavities 10 are said to be input.
  • the cavities 40 are said to be output.
  • Groups of 100,200,300,400 cavities can be defined. These groups of cavities include cavities of the same rank, crossed by different electron beams 2. Group 100 is the input group. Group 400 is the exit group.
  • the cavities 10, 20, 30, 40 belonging to the same group are identical. They can operate in their fundamental mode at the same frequency. We can imagine that this frequency is slightly different from one group to another.
  • a microwave wave to be amplified is introduced into the input group 100.
  • This wave excites the cavities of the input group 100 and then, step by step, the cavities of the other groups 200,300,400.
  • the output group 400 is connected to a device intended to collect the microwave wave after amplification.
  • This device is produced by a transmission line 6 which can be, for example, a circular waveguide or a coaxial.
  • a coaxial includes an inner conductor surrounded by an outer conductor.
  • the outer conductor is hollow.
  • the inner conductor can be full or hollow.
  • These two conductors are preferably cylinders of revolution mounted coaxially. The space between the two conductors can be filled with air, gas or vacuum.
  • a cavity 10,20,30,40 may consist of several elementary cavities 11,12,21,22,31,32 coupled together. Only one of the elementary cavities is crossed by an electron beam.
  • This group of outlet cavities 400 comprises six cavities 40 electrically isolated from each other.
  • Each cavity 40 is made up of two elementary cavities 41,42 coupled together. Only the elementary cavity 42 is crossed by a electron beam.
  • the two elementary cavities 41, 42 are coupled by a coupling orifice 19.
  • the output group 400 is coupled to the transmission line 6. All the cavities 40 are, for example, coupled by at least one coupling orifice 16 to the transmission line 6.
  • the couplings direct between cavities 40 are practically zero. However, there are indirect couplings via overflow fields in the coupling orifices 16. These couplings are weak compared to the couplings with the transmission line 6 but not negligible.
  • the cavities 40 are all coupled together.
  • the transmission line can then be coupled to only one of the cavities 40, at the level of an elementary cavity 41 or 42.
  • the present invention provides that the group of output cavities 400 resonates on a single frequency. Indeed, when one couples several identical cavities resonating at the same frequency, the group of cavities has as many resonant frequencies as cavities. These resonance frequencies are offset and correspond to phase shifts between neighboring cavities.
  • the group of output cavities 400 In order for the group of output cavities 400 to resonate on a single frequency, a simple means is that the output cavities 40 are all excited in phase. The phase difference between neighboring cavities is substantially zero. The group of output cavities 40 then resonates in the so-called "zero" mode.
  • the excitation in phase of the output cavities 40 depends on the excitation of the input cavities 10.
  • a phase excitation of the cavities 10 belonging to the input group 100 is provided.
  • the excitement in phase is transmitted step by step to the cavities of the other groups.
  • the cavities of the same group are then excited in phase.
  • Each group of cavities resonates on a single frequency.
  • a group 100,200,300,400 of cavities has a ring shape centered on the axis XX ′.
  • All the cavities 40 are identical and have the shape of a ring sector.
  • the cavities 40 consist of two elementary cavities 41, 42 which are identical in the sector of the ring.
  • Two first walls 9 are radial, two other walls 13,14 are transverse to the axis XX ′ and face each other.
  • An electron beam 2 enters an elementary cavity on the side of the wall 13 and leaves it on the side of the wall 14.
  • the wall 14 is an end wall.
  • the other two walls 15 in the form of a cylinder sector close the ring sector. They are lateral, one internal gives onto the dead space 5, the other external gives towards the outside of the tube.
  • the elementary cavities 11,12,21,22,. . . could have had a different shape; they could have been in the form of a cylinder or cylinder sector, for example. It is the same for the cavities 10,20,30,40.
  • the transmission line 6 extends in the extension of the axis XX '.
  • This transmission line 6 is connected on one side to the klystron and on the other to a member of use not shown.
  • Transmission line 6 is a coaxial. It has an inner conductor 17 and an outer conductor 18. Its axis and coincides with the axis XX ′.
  • the coaxial 6 has one end 7 connected to the member of use. It is its upper end. Its other end 8 is integral with the klystron. It's his lower end or its base.
  • the base 8 of the coaxial is secured to the end wall 14 of the elementary outlet cavities 41, 42. The connection between the coaxial 6 and the elementary output cavities 41, 42 must be sealed to avoid leakage of microwave energy to the outside.
  • Each outlet cavity 40 has a coupling orifice 16 which passes through its end wall 14 and which opens out inside the transmission line 6. It is located at the level of an elementary cavity 41 or an elementary cavity 42.
  • the coupling orifices 16 of the outlet cavities 40 are distributed over a ring centered on the axis XX ′. If the transmission line is a coaxial one, the coupling orifices 16 will open into the space between the inner conductor 17 and the outer conductor 18.
  • Each bundle 2 passes right through an elementary outlet cavity 42 and is collected in a single collector 4 for the tube.
  • This collector 4 surrounds the transmission line 6 and is concentric with it.
  • the manifold 4 generally has the form of a hollow cylinder. It is metallic. It is integral at its base with the end wall 14 of the outlet cavities 40. Its upper end is closed, it can rest on the transmission line 6.
  • the collector 4 has the shape of a dome. The electron beams 2 penetrate inside the collector 4 and strike its outer wall. The surface of the latter will be sufficient to allow effective cooling. Since the collector is placed outside the transmission line 6, its maximum dimensions are not limited.
  • the outside diameter of the transmission line 6 must be less than the inside diameter of the ring on which the electron beams are arranged. In addition, it is advantageous to limit the outside diameter of the transmission line 6 so as not to unnecessarily add a higher mode.
  • its internal conductor 17 can extend the dead space 5 located at the center of the groups of cavities.
  • a sealed microwave window 19 before the connection with the member of use.
  • This window 19 is intended to maintain a high vacuum inside the tube while letting microwave waves pass to the member of use.
  • a single window 19 one could also close all the coupling orifices 16 with windows.
  • the transmission line 6 is a circular waveguide, the latter will preferably operate in TM01 mode.
  • This TM01 mode is easily coupled to the cavity mode thanks to its axial symmetry.
  • the transmission line 6 is a coaxial, the latter will preferably operate in TEM mode, this mode being the most used.
  • Each outlet cavity 40 has only one cavity.
  • the cavities 40 are electrically isolated from each other.
  • the collector carries the reference 54. It is located in the extension of the axis XX ′, is coaxial with it. It is central. It has the shape of a hollow cylinder.
  • the transmission line has the reference 55. It is coaxial with the collector 54 and surrounds it.
  • the transmission line 55 is a coaxial. Its outer conductor 56 is supported on the outer wall of the cavities 40. Its inner conductor 57 is supported on the top of the collector 54. It has substantially the same diameter.
  • Each outlet cavity 40 has a coupling orifice 58 through its end wall.
  • This coupling orifice 58 is oblong and opens out inside the transmission line 55, in the space between the inner conductor 57 and the outer conductor 56.
  • FIG. 5 shows another variant of the outlet and of the collector of a klystron according to the invention.
  • the transmission line 46 is now lateral. It is shown in the figure, transverse to the axis XX ′.
  • the cavities 40 are all coupled together.
  • the transmission line 46 is coupled to a single cavity 40.
  • the coupling is made by at least one orifice through the external lateral wall 15 of the cavity 40. It is arranged so that the coupling is more intense between two adjacent cavities 40 than between the transmission line 46 and the cavity 40 to which it is coupled.
  • the collector 44 is placed, conventionally, in the extension of the axis XX′ and is concentric with it.
  • Each outlet cavity 40 excites electromagnetic fields in the transmission line 6,55 through the coupling orifice 16,58 when the klystron has the configuration of FIG. 1 or of FIG. 3.
  • the cavity 40 connected to the transmission line 46 excites electromagnetic fields inside this transmission line 46.
  • the input cavities 10 must also be energized in phase. To obtain a good yield, the amplitudes of excited fields in the inlet cavities must be substantially equal. There are several embodiments for energizing the input cavities in phase.
  • the inlet cavities 10 are coupled together by orifices or loops.
  • One of the input cavities is excited at the frequency F, by connecting it to a transmission line 25. This is the right cavity.
  • This transmission line is a waveguide which propagates a microwave wave to be amplified coming from a microwave source not shown. All the cavities 10 are then excited in phase if the frequency F is properly chosen.
  • the amplitudes of the fields excited in the cavities 10 are substantially equal, for this it is necessary that the coupling between neighboring cavities 10 is more intense than the coupling between the transmission line 25 and the elementary cavity 10 to which it is coupled.
  • the inlet cavities 10 are electrically isolated from each other. They are excited in phase, each separately, by a transmission line, all the lines being connected to the same microwave source. This variant makes it possible to obtain better electrical symmetry than previously, at the cost of mechanical complications.
  • FIG. 6 represents a first embodiment of this variant.
  • a transmission line 33 of small straight section is used, which penetrates inside the klystron substantially transversely to the axis XX ′, between two contiguous sliding tubes 3.
  • the transmission line 33 is divided at one end into small sections 34 which are each coupled to a cavity 10.
  • the other end of the transmission line 33 is connected to a microwave source, not shown.
  • the coupling takes place at the end walls 14 of the inlet cavities 10. This coupling is done by orifices or by loops.
  • the small sections 34 will preferably be placed symmetrically with respect to the axis XX ′. We can distribute them on a crown centered on the XX ′ axis.
  • the transmission line 33 and the sections 34 will preferably be either waveguides or coaxials.
  • Figure 7 shows a second embodiment of this variant.
  • all the cavities 10 have been coupled to an additional cavity 35.
  • the additional cavity 35 is arranged in a space delimited by the sliding tubes 3 separating the group of cavities 100 and the group of cavities 200.
  • This additional cavity 35 will, for example, be cylindrical and coaxial with the axis XX ′.
  • the additional cavity 35 is coupled on one side to all the input cavities 10, symmetrically and on the other to a transmission line 36 of small diameter.
  • This transmission line 36 will be arranged, for example, like the transmission line 33 described in FIG. 6.
  • the loops or orifices, making it possible to couple the additional cavity 35 and the inlet cavities 10, will pass through the end walls 14 of the cavities 10. These coupling holes or these loops will preferably be distributed on a ring centered on the axis XX ′.
  • the cavities 20, 30 will preferably be electrically isolated from each other, but they could also be coupled together.
  • the present invention is not limited to the examples described. Variants are possible, in particular as regards the number of cavities, the number of elementary cavities and their shapes, the number of groups, the coupling devices between adjacent cavities, the coupling devices between adjacent elementary cavities, the coupling devices between the cavities and the transmission lines.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un tube hyperfréquence à n (n entier supérieur à un) faisceaux d'électrons (2) longitudinaux parallèles, répartis sur une couronne centrée sur un axe XX'. Les faisceaux d'électrons (2) traversent plusieurs groupes (100,200,300...) de n cavités (10,20,30...). Pour que chaque groupe (100,200,300...) résonne sur une seule fréquence, on prévoit que les cavités d'un même groupe fonctionnent dans leur mode fondamental, à une même fréquence et soient excitées en phase. Pour cela on excite en phase les cavités du groupe d'entrée par un dispositif approprié extérieur au tube. Application aux klystrons multifaisceaux fonctionnant à fréquence élevée. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne les tubes hyperfréquences multifaisceaux, à interaction longitudinale, tels que les klystrons multifaisceaux.
  • Un klystron multifaisceau comporte N faisceaux d'électrons longitudinaux parallèles, produits par un ou plusieurs canons à électrons. Le fait de fractionner un faisceau en plusieurs faisceaux élémentaires a pour avantage de diminuer les effets de charges d'espace et d'obtenir un tube à rendement meilleur. Cela permet aussi d'élever le courant et la puissance du tube ou bien d'abaisser sa tension de fonctionnement.
  • On peut réunir ensemble dans une même enveloppe plusieurs klystrons monofaisceaux classiques et l'on obtient ainsi un klystron multifaisceau. Les klystrons monofaisceaux sont répartis sur une couronne centrée sur un axe. Cet axe est l'axe du klystron multifaisceau obtenu. Les différents faisceaux d'électrons sont alors parallèles à cet axe. Cette construction permet d'utiliser, sans modification notable, certaines pièces des klystrons monofaisceaux classiques. Les faisceaux produits par chacun des klystrons sont alors des faisceaux élémentaires, ils traversent des cavités successives, chacune étant traversée par tous les faisceaux.
  • Un klystron monofaisceau classique est construit autour d'un axe qui est l'axe du faisceau d'électrons. On introduit une onde hyperfréquence à amplifier, dans la cavité de rang 1 qui se trouve du côté du canon. C'est la cavité d'entrée. La dernière cavité ou cavité de rang m est reliée à une organe d'utilisation externe, par l'intermédiaire d'une courte ligne de transmission. C'est la cavité de sortie. La ligne de transmission est généralement disposée transversalement par rapport à l'axe du tube. Elle reçoit l'onde hyperfréquence après amplification. Le faisceau d'électrons est recueilli dans un collecteur coaxial avec l'axe du tube. Ce collecteur est placé en aval de la cavité de rang m. Un dispositif de focalisation entoure les cavités. Il empêche le faisceau d'électrons de diverger.
  • Dans un klystron multifaisceau constitué de plusieurs klystrons monofaisceaux réunis dans une même enveloppe, le dispositif de focalisation peut être commun à tous les tubes.
  • La demanderesse a déjà proposé, dans la demande de brevet n° 89 07784 déposée le 13 juin 1989, un tube hyperfréquence de type klystron à sortie coaxiale avec le collecteur. Selon un mode de réalisation, cette demande décrit un klystron multifaisceau construit autour d'un axe. Ce klystron comporte principalement, un canon produisant plusieurs faisceaux d'électrons, des cavités successives et un collecteur. Chaque cavité est traversée par tous les faisceaux. Le collecteur situé en aval de la dernière cavité est coaxial avec l'axe du tube. La dernière cavité est couplée à une ligne de transmission qui entoure le collecteur et qui est coaxiale avec ce dernier. Cette ligne de transmission est, par exemple, un guide d'onde coaxial. Le couplage entre la cavité de sortie et la ligne de transmission se fait par au moins un orifice de couplage.
  • A basse fréquence, ce tube fonctionne convenablement mais dès que la fréquence augmente, les cavités peuvent alors contenir un grand nombre de modes, car elles sont surdimensionnées par rapport à la longueur d'onde transmise dans l'espace libre.
  • Pour remédier à cet inconvénient, il faudrait diminuer les dimensions des cavités dès que la fréquence augmente. Mais ces dimensions ne peuvent être réduites suffisamment à cause de l'encombrement du ou des canons produisant les faisceaux d'électrons.
  • La présente invention vise à remédier à cet inconvénient et propose un tube hyperfréquence multifaisceau comportant des groupes de cavités. Chaque groupe de cavités résonne sur une seule fréquence. De plus, ce tube peut travailler à fréquence élevée.
  • La présente invention propose un tube hyperfréquence comportant :
    n (nombre entier supérieur à un ) faisceaux d'électrons longitudinaux parallèles répartis sur une couronne centrée sur un axe XX′. Les faisceaux traversent plusieurs groupes de n cavités. Les cavités d'un même groupe fonctionnent dans leur mode fondamental, à une même fréquence et sont excitées en phase de manière à ce que chaque groupe résonne sur une seule fréquence.
  • Selon une variante, une cavité est réalisée par le couplage de plusieurs cavités élémentaires, une seule des cavités élémentaires étant traversée par un faisceau d'électrons.
  • Le tube comporte un groupe de cavités d'entrée, les cavités de ce groupe étant excitées en phase par un dispositif approprié extérieur au tube.
  • Selon une première construction, les cavités du groupe d'entrée sont couplées entre elles, le dispositif d'excitation étant réalisé par une ligne de transmission couplée à une des cavités.
  • Selon une autre construction, les cavités du groupe d'entrée sont isolées électriquement les unes des autres. Elles sont excitées en phase par une ligne de transmission se divisant en n tronçons identiques, chaque tronçon étant couplé à une des cavités. La ligne de transmission peut aussi être couplée à une cavité supplémentaire, couplée à toutes les cavités de façon symétrique.
  • Le tube comporte un groupe de cavités de sortie.
  • Il y a aussi plusieurs variantes pour réaliser la sortie de l'énergie hyperfréquence.
  • Selon une première construction, les cavités du groupe de sortie sont isolées électriquement les unes des autres. Elles sont couplées par au moins un orifice à une ligne de transmission coaxiale avec l'axe du tube.
  • Selon une autre construction, les cavités du groupe de sortie sont couplées entre elles. Une des cavités est couplée à une ligne de transmission latérale.
  • L'invention va être expliquée en détail, au moyen de la description qui suit. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels :
    • la figure 1 est une vue partielle schématique, en coupe longitudinale, d'un klystron multifaisceau, à sortie coaxiale, conforme à l'invention;
    • la figure 2 représente en coupe transversale selon l'axe AA′ de la figure 1, le groupe de cavités de sortie;
    • la figure 3 représente en coupe longitudinale une variante de la sortie et du collecteur d'un klystron selon l'invention;
    • la figure 4 représente en coupe transversale selon l'axe BB′ de la figure 3, le collecteur du klystron;
    • la figure 5 représente en coupe longitudinale un klystron multifaisceau, à sortie latérale, conforme à l'invention;
    • la figure 6 représente en coupe longitudinale, l'excitation du groupe de cavités d'entrée d'un klystron selon l'invention;
    • la figure 7 représente en coupe longitudinale, une variante de l'excitation, du groupe de cavités d'entrée d'un klystron selon l'invention.
  • Le klystron multifaisceau représenté sur les figures 1 et 2 est un klystron à n faisceaux 2 d'électrons, n est un entier supérieur à un. Ici n est égal à six. Les faisceaux d'électrons sont produits chacun par un canon à électrons 1. Les faisceaux d'électrons 2 sont longitudinaux et parallèles.
  • Le klystron est construit autour d'un axe XX′ de révolution. Les six canons à électrons 1 sont répartis sur une couronne centrée sur l'axe XX′. Chaque faisceau d'électrons 2 traverse des cavités 10,20,30,40, placées à la suite les unes des autres. Deux cavités successives sont séparées par un tube de glissement 3.
  • Chaque cavité 10 placée à proximité de chaque canon à électrons porte le rang 1, les suivantes respectivement les rangs 2,3,...m, (m est un nombre entier supérieur à 1). Sur la figure 1, m est égal à 4. Les cavités 10 sont dites d'entrée. Les cavités 40 sont dites de sortie.
  • On peut définir des groupes 100,200,300,400 de cavités . Ces groupes de cavités comportent des cavités de même rang, traversées par des faisceaux d'électrons 2 différents. Le groupe 100 est le groupe d'entrée. Le groupe 400 est le groupe de sortie.
  • Les cavités 10, 20, 30, 40 appartenant à un même groupe, sont identiques. Elles peuvent fonctionner sur leur mode fondamental à une même fréquence. On peut envisager que cette fréquence soit légèrement différente d'un groupe à l'autre.
  • On introduit dans le groupe 100 d'entrée une onde hyperfréquence à amplifier. Cette onde excite les cavités du groupe 100 d'entrée puis, de proche en proche, les cavités des autres groupes 200,300,400. Le groupe de sortie 400 est relié à un dispositif destiné à recueillir l'onde hyperfréquence après amplification. Ce dispositif est réalisé par une ligne de transmission 6 qui peut être, par exemple, un guide d'onde circulaire ou un coaxial.
  • Un coaxial comprend un conducteur intérieur entouré d'un conducteur extérieur. Le conducteur extérieur est creux. Le conducteur intérieur peut être plein ou creux. Ces deux conducteurs sont de préférence des cylindres de révolution montés coaxialement. L'espace compris entre les deux conducteurs peut être rempli d'air, d'un gaz ou soumis au vide.
  • Une cavité 10,20,30,40 peut être constituée de plusieurs cavités élémentaires 11,12,21,22,31,32 couplées entre elles. Une seule des cavités élémentaires est traversée par un faisceau d'électrons.
  • On a représenté sur la figure 2, le groupe de cavités de sortie 400. La figure n'est pas à l'échelle.
  • Ce groupe de cavités de sortie 400 comporte six cavités 40 isolées électriquement les unes des autres. Chaque cavité 40 est constituée de deux cavités élémentaires 41,42 couplées entre elles. Seule la cavité élémentaire 42 est traversée par un faisceau d'électrons. Les deux cavités élémentaires 41,42 sont couplées par un orifice de couplage 19.
  • On se réfère maintenant à la figure 1. Le groupe de sortie 400 est couplé à la ligne de transmission 6. Toutes les cavités 40 sont, par exemple, couplées par au moins un orifice de couplage 16 à la ligne de transmission 6. Les couplages directs entre cavités 40 sont pratiquement nuls. Il existe toutefois des couplages indirects par l'intermédiaire de champs de débordement dans les orifices de couplage 16. Ces couplages sont faibles par rapport aux couplages avec la ligne de transmission 6 mais non négligeables.
  • Dans une autre configuration, représentée à la figure 5, les cavités 40 sont toutes couplées entre elles. La ligne de transmission peut alors être couplée à une seule des cavités 40, au niveau d'une cavité élémentaire 41 ou 42.
  • La présente invention prévoit que le groupe de cavités de sortie 400 résonne sur une fréquence unique. En effet, lorsque l'on couple plusieurs cavités identiques résonant à une même fréquence, le groupe de cavités possède autant de fréquences de résonance que de cavités. Ces fréquences de résonance sont décalées et correspondent à des déphasages entre cavités voisines.
  • Pour que le groupe de cavités de sortie 400 résonne sur une seule fréquence, un moyen simple est que les cavités 40 de sortie soient toutes excitées en phase. Le déphasage entre cavités voisines est sensiblement nul. Le groupe de cavités 40 de sortie résonne alors sur le mode dit "zéro".
  • L'excitation en phase des cavités 40 de sortie dépend de l'excitation des cavités 10 d'entrée.
  • Selon l'invention, on prévoit une excitation en phase des cavités 10 appartenant au groupe d'entrée 100.
  • L'excitation en phase se transmet de proche en proche aux cavités des autres groupes. Les cavités d'un même groupe sont alors excitées en phase. Chaque groupe de cavités résonne sur une seule fréquence.
  • Avant de voir différentes possibilités pour exciter les cavités 10 en phase on va décrire plus en détail, les cavités, la sortie et le collecteur de klystrons selon l'invention.
  • Comme on le voit sur les figures 1 et 2, un groupe 100,200,300,400 de cavités a une forme d'anneau centré sur l'axe XX′. On peut définir un espace mort 5, dans la partie centrale évidée de l'anneau. Cet espace mort est partiellement inutilisé.
  • Toutes les cavités 40 sont identiques et ont la forme d'un secteur d'anneau. Sur la figure 2, les cavités 40 sont constituées de deux cavités élémentaires 41,42 identiques en secteur d'anneau.
  • Toutes les cavités élémentaires 11,12,21,22,31,32... sont délimitées par six parois. Il en est de même pour les cavités 10,20,30,40.
  • Deux premières parois 9 sont radiales, deux autres parois 13,14 sont transversales à l'axe XX′ et sont en vis à vis. Un faisceau d'électrons 2 pénètre dans une cavité élémentaire du côté de la paroi 13 et en sort du côté de la paroi 14. La paroi 14 est une paroi terminale. Les deux autres parois 15 en forme de secteur de cylindre ferment le secteur d'anneau. Elles sont latérales, l'une interne donne sur l'espace mort 5, l'autre externe donne vers l'extérieur du tube.
  • Les cavités élémentaires 11,12,21,22, . . . auraient pu avoir une forme différente; elles auraient pu avoir la forme de cylindre ou de secteur de cylindre, par exemple. Il en est de même pour les cavités 10,20,30,40.
  • Selon une première construction, représentée sur la figure 1 la ligne de transmission 6 s'étend dans le prolongement de l'axe XX′. Cette ligne de transmission 6 est reliée d'un côté au klystron et de l'autre à un organe d'utilisation non représenté. La ligne de transmission 6 est un coaxial. Il comporte un conducteur intérieur 17 et un conducteur extérieur 18. Son axe et confondu avec l'axe XX′. Le coaxial 6 a une extrémité 7 reliée à l'organe d'utilisation. C'est son extrémité supérieure. Son autre extrémité 8 est solidaire du klystron. C'est son extrémité inférieure ou sa base. La base 8 du coaxial est solidaire de la paroi terminale 14 des cavités élémentaires 41,42 de sortie. La liaison entre le coaxial 6 et les cavités élémentaires 41,42 de sortie doit être étanche pour éviter des fuites d'énergie hyperfréquence vers l'extérieur.
  • Chaque cavité 40 de sortie comporte un orifice de couplage 16 qui traverse sa paroi terminale 14 et qui débouche à l'intérieur de la ligne de transmission 6. Il est situé au niveau d'une cavité élémentaire 41 ou d'une cavité élémentaire 42.
  • Les orifices de couplage 16 des cavités 40 de sortie sont répartis sur une couronne centrée sur l'axe XX′. Si la ligne de transmission est un coaxial, les orifices de couplage 16 déboucheront dans l'espace compris entre le conducteur intérieur 17 et le conducteur extérieur 18.
  • Chaque faisceau 2 traverse, de part en part, une cavité élémentaire 42 de sortie et est recueilli dans un collecteur 4 unique pour le tube. Ce collecteur 4 entoure la ligne de transmission 6 et est concentrique avec elle. Le collecteur 4 a généralement la forme d'un cylindre creux. Il est métallique. Il est solidaire à sa base de la paroi terminale 14 des cavités 40 de sortie. Son extrémité supérieure est fermée, elle peut prendre appui sur la ligne de transmission 6. Sur la figure 1, le collecteur 4 a la forme d'un dôme. Les faisceaux d'électrons 2 pénètrent à l'intérieur du collecteur 4 et percutent sa paroi extérieure. La surface de cette dernière sera suffisante pour permettre un refroidissement efficace. Puisque le collecteur est placé à l'extérieur de la ligne de transmission 6, ses dimensions maximales ne sont pas limitées.
  • On peut placer à l'intérieur du collecteur 4, autour de la ligne de transmission 6 par exemple, un circuit permettant la circulation d'un fluide réfrigérant. Cette construction sera surtout utilisée si le klystron travaille à puissance crête et/ou moyenne élevée.
  • Des contraintes de dimensions apparaissent seulement pour la ligne de transmission 6. Le diamètre extérieur de la ligne de transmission 6 doit être inférieur au diamètre intérieur de la couronne sur laquelle les faisceaux d'électrons sont disposés. De plus, on a intérêt à limiter le diamètre extérieur de la ligne de transmission 6 pour ne pas ajouter inutilement de mode supérieur. Lorsque la ligne de transmission 6 est un coaxial, son conducteur intérieur 17 pourra prolonger l'espace mort 5 situé au centre des groupes de cavités.
  • On placera, de préférence, à l'intérieur de la ligne de transmission 6, une fenêtre hyperfréquence 19 étanche, avant la liaison avec l'organe d'utilisation. Cette fenêtre 19 est destinée à maintenir un vide poussé à l'intérieur du tube tout en laissant passer les ondes hyperfréquences vers l'organe d'utilisation. Au lieu d'utiliser une seule fenêtre 19, on pourrait aussi obturer tous les orifices de couplage 16 avec des fenêtres.
  • Si la ligne de transmission 6 est un guide d'onde circulaire, ce dernier fonctionnera de préférence en mode TM₀₁. Ce mode TM₀₁ se couple aisément au mode des cavités grâce à sa symétrie axiale.
  • Si la ligne de transmission 6 est un coaxial, ce dernier fonctionnera de préférence, en mode TEM, ce mode étant le plus utilisé.
  • On a représenté aux figures 3 et 4 une première variante de la sortie et du collecteur d'un klystron conforme à l'invention. Chaque cavité de sortie 40 ne comporte qu'une seule cavité. Les cavités 40 sont isolées électriquement les unes des autres. Le collecteur porte la référence 54. Il est situé dans le prolongement de l'axe XX′, est coaxial avec lui. Il est central. Il a la forme d'un cylindre creux. La ligne de transmission porte la référence 55. Elle est coaxiale avec le collecteur 54 et l'entoure. La ligne de transmission 55 est un coaxial. Son conducteur extérieur 56 prend appui sur la paroi extérieure des cavités 40. Son conducteur intérieur 57 prend appui sur le sommet du collecteur 54. Il a sensiblement le même diamètre.
  • Chaque cavité de sortie 40 comporte un orifice de couplage 58 à travers sa paroi terminale. Cet orifice de couplage 58 est oblong et débouche à l'intérieur de la ligne de transmission 55, dans l'espace compris entre le conducteur intérieur 57 et le conducteur extérieur 56.
  • On pourra comme dans la construction décrite à la figure 1, placer une fenêtre étanche à l'intérieur de la ligne de transmission 55 ou bien plusieurs fenêtres étanches pour obturer les orifices de couplage 58. Elles ne sont pas représentées.
  • On a représenté à la figure 5 une autre variante de la sortie et du collecteur d'un klystron selon l'invention. La ligne de transmission 46 est maintenant latérale. Elle est représentée sur la figure, transversale à l'axe XX′. Les cavités 40 sont toutes couplées entre elles. La ligne de transmission 46 est couplée à une seule cavité 40.
  • Le couplage se fait par au moins un orifice à travers la paroi latérale externe 15 de la cavité 40. On s'arrange pour que le couplage soit plus intense entre deux cavités 40 adjacentes qu'entre la ligne de transmission 46 et la cavité 40 à laquelle elle est couplée.
  • Le collecteur 44 est placé, de manière classique, dans le prolongement de l'axe XX′et est concentrique avec lui.
  • Chaque cavité de sortie 40 excite par l'orifice de couplage 16,58 des champs électromagnétiques dans la ligne de transmission 6,55 lorsque le klystron a la configuration de la figure 1 ou de la figure 3.
  • Lorsque le klystron a la configuration de la figure 5, la cavité 40 reliée à la ligne de transmission 46 excite des champs électromagnétiques à l'intérieur de cette ligne de transmission 46.
  • On a vu que l'excitation des cavités 40 de sortie dépendait de l'excitation des cavités 10 d'entrée.
  • Les cavités 10 d'entrée doivent aussi être excitées en phase. Pour obtenir un bon rendement, les amplitudes des champs excités dans les cavités 10 d'entrée doivent être sensiblement égales. Il y a plusieurs modes de réalisation pour exciter en phase les cavités 10 d'entrée.
  • Sur la figure 1, les cavités 10 d'entrée sont couplées entre elles par des orifices ou des boucles. On excite une seule des cavités d'entrée à la fréquence F, en la reliant à une ligne de transmission 25. Il s'agit de la cavité de droite. Cette ligne de transmission est un guide d'onde qui propage une onde hyperfréquence à amplifier provenant d'une source hyperfréquence non représentée. Toutes les cavités 10 sont excitées alors en phase si l'on choisit convenablement la fréquence F. De plus, il est préférable que les amplitudes des champs excitées dans les cavités 10 soient sensiblement égales, pour cela il faut que le couplage entre cavités 10 voisines soit plus intense que le couplage entre la ligne de transmission 25 et la cavité élémentaire 10 à laquelle elle est couplée.
  • Selon une variante, les cavités 10 d'entrée sont isolées électriquement les unes des autres. On les excite en phase, chacune séparément, par une ligne de transmission, toutes les lignes étant reliées à une même source hyperfréquence. Cette variante permet d'obtenir une meilleure symétrie électrique que précédemment, au prix de complications mécaniques.
  • La figure 6 représente une première réalisation de cette variante. On utilise une ligne de transmission 33 de petite section droite, qui pénètre à l'intérieur du klystron sensiblement transversalement à l'axe XX′, entre deux tubes de glissements 3 contigus. La ligne de transmission 33 se divise à une extrémité, en petits tronçons 34 qui sont chacun couplés à une cavité 10.
  • L'autre extrémité de la ligne de transmission 33 est reliée à une source hyperfréquence, non représentée. Le couplage se fait au niveau des parois terminales 14 des cavités 10 d'entrée. Ce couplage se fait par orifices ou par boucles. Les petits tronçons 34 seront de préférence placés symétriquement par rapport à l'axe XX′. On pourra les répartir sur une couronne centrée sur l'axe XX′. La ligne de transmission 33 et les tronçons 34 seront de préférence soit des guides d'ondes, soit des coaxiaux.
  • La figure 7 représente une deuxième réalisation de cette variante. Dans cette construction, on a couplé toutes les cavités 10 à une cavité supplémentaire 35. La cavité supplémentaire 35 est disposée dans un espace délimité par les tubes de glissement 3 séparant le groupe de cavités 100 et le groupe de cavités 200. Cette cavité supplémentaire 35 sera, par exemple, cylindrique et coaxiale avec l'axe XX′. La cavité supplémentaire 35 est couplée d'un côté à toutes les cavités 10 d'entrée, de façon symétrique et de l'autre à une ligne de transmission 36 de faible diamètre. Cette ligne de transmission 36 sera disposée, par exemple, comme la ligne de transmission 33 décrite à la figure 6. Les boucles ou orifices, permettant de coupler la cavité supplémentaire 35 et les cavités 10 d'entrée, traverseront les parois terminales 14 des cavités 10. Ces orifices de couplage ou ces boucles seront répartis, de préférence, sur une couronne centrée sur l'axe XX′.
  • Dans les autres groupes de cavités 200, 300 les cavités 20,30 seront de préférence isolées électriquement les unes des autres, mais elles pourraient aussi être couplées entre elles.
  • La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits. Des variantes sont possibles, notamment en ce qui concerne le nombre de cavités, le nombre de cavités élémentaires et leurs formes, le nombre de groupes, les dispositifs de couplage entre cavités adjacentes, les dispositifs de couplage entre cavités élémentaires adjacentes, les dispositifs de couplage entre les cavités et les lignes de transmission.

Claims (14)

1 - Tube hyperfréquence comportant:
n (nombre entier supérieur à un) faisceaux d'électrons (2) longitudinaux parallèles répartis sur une couronne centrée sur un axe XX′, caractérisé en ce que les faisceaux (2) traversent plusieurs groupes (100,200,300,400) de n cavités (10,20,30,40,..), les cavités (10,20,30,40) d'un même groupe (100,200,300,400) fonctionnant dans leur mode fondamental, à une même fréquence, et étant excitées en phase de manière à ce que chaque groupe (100,200,300,400) résonne sur une seule fréquence.
2 - Tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cavités (10,20,30,40) comportent un ensemble de cavités élémentaires (11,12,21,22,...) couplées entre elles, une seule cavité élémentaire (12,22,...) étant traversée par un faisceau d'électrons (2).
3 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, comportant un groupe de cavités d'entrée (100) caractérisé en ce que les cavités (10) du groupe d'entrée (100) sont excitées en phase par un dispositif d'excitation approprié extérieur au tube, cette excitation en phase se transmettant de proche en proche aux cavités (20,30,40) des autres groupes (200,300,400).
4 - Tube hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que les cavités (10) du groupe d'entrée (100) sont couplées entre elles, le dispositif d'excitation étant réalisé par une ligne de transmission (25), couplée à une des cavités (10), la ligne de transmission étant reliée à une source hyperfréquence.
5 - Tube hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le couplage entre deux cavités (10) est plus intense que le couplage entre la ligne de transmission (25) et la cavité (10) à laquelle elle est couplée, de manière à ce que les amplitudes des champs excités dans les cavités soient sensiblement égales.
6 - Tube hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que les cavités (10) du groupe d'entrée (100) sont isolées électriquement les unes des autres.
7 - Tube hyperfréquence selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation est réalisé par une ligne de transmission (33) se divisant en n tronçons (34) identiques, chaque tronçon (34) étant couplé à une cavité (10).
8 - Tube hyperfréquence selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation est réalisé par une ligne de transmission (36) couplée à au moins une cavité supplémentaire (35), la cavité supplémentaire (35) étant couplée à chaque cavité (10).
9 - Tube hyperfréquence, selon l'une des revendications 1 à 8 comportant un groupe de cavités de sortie (400), caractérisé en ce que les cavités (40) du groupe de sortie (400) sont isolées électriquement les unes des autres.
10 - Tube hyperfréquence selon la revendication 9, caractérisé en ce que les cavités (40) du groupe de sortie (400) sont couplées, par au moins un orifice, à une ligne de transmission (6) coaxiale avec l'axe XX′, les faisceaux d'électrons (2) étant recueillis dans un collecteur (4) entourant la ligne de transmission (6) et coaxial avec l'axe XX′.
11 - Tube hyperfréquence selon la revendication 9, caractérisé en ce que les cavités élémentaires (40) du groupe de sortie (400) sont couplées par au moins un orifice (38), à une ligne de transmission (55) coaxiale avec l'axe XX′, les faisceaux d'électrons ( 2 ) étant recueillis dans un collecteur (54) central, coaxial avec l'axe XX′, la ligne de transmission (55) entourant le collecteur (34).
12 - Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8 comportant un groupe de cavités de sortie (400), caractérisé en ce que les cavités (40) du groupe de sortie (400) sont couplées entre elles.
13 - Tube hyperfréquence selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'une des cavités (40) est couplée à une ligne de transmission (46) latérale.
14 - Tube hyperfréquence selon la revendication 13 caractérisé en ce que le couplage entre deux cavités (40) est plus intense que le couplage entre la ligne de transmission (46) et la cavité (40) à laquelle elle est couplée.
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