EP0454540A1 - Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, et tube électronique comportant un tel convertisseur - Google Patents

Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, et tube électronique comportant un tel convertisseur Download PDF

Info

Publication number
EP0454540A1
EP0454540A1 EP91401002A EP91401002A EP0454540A1 EP 0454540 A1 EP0454540 A1 EP 0454540A1 EP 91401002 A EP91401002 A EP 91401002A EP 91401002 A EP91401002 A EP 91401002A EP 0454540 A1 EP0454540 A1 EP 0454540A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mode
microwave
guides
guide
transition structure
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Withdrawn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
EP91401002A
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 EP0454540A1 publication Critical patent/EP0454540A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • H01P1/163—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion specifically adapted for selection or promotion of the TE01 circular-electric mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy

Definitions

  • the present invention relates to a guided propagation mode converter of electromagnetic waves. It finds its applications in any microwave energy transport system by waveguide, and more particularly in systems where the microwave energy source supplies its energy in a complex structure mode.
  • the mode converter forming the subject of the present invention can be used on a microwave energy transmission line, but it can also be used directly at the output circuit of an electronic tube generating microwave energy; in this configuration, the converter is an integral part of the tube.
  • the invention also relates to a microwave tube comprising a mode converter according to the invention.
  • the source is often quite far from the plasma machine (Tokamak, Stellarator 7), which requires waveguides a few tens of meters long. Consequently, the propagation circuit must be designed to minimize the power losses in the metallic parts mirrors or walls of the waveguide, which obliges to choose propagation modes of simple structure and above all, in waveguide , TE01 mode ( Figure 1).
  • the waveguide must be greatly oversized in diameter relative to the wavelength of the energy at carry.
  • a guide of 6 cm in diameter for example, is capable of conveying this high power; however, this diameter represents 20 wavelengths, which means that the guide is capable of conveying very numerous modes of more or less complex structure.
  • the slightest anomaly in the guide structure easily causes a transition between modes of complex structure and identical high numbers or identical.
  • the propagation mode is further characterized by a quantity which is called the natural number n .
  • n 2 ⁇ .a.fc / C
  • microwave uses in the aforementioned case, plasma machines prefer the supply of microwave energy in a simple structure mode (such as TE01 mode, for example) (see fig. 1).
  • a simple structure mode such as TE01 mode, for example
  • the propagation in waveguide generates the least significant losses for the TE01 mode.
  • high power and high frequency sources generally provide their energy in a complex structure mode (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 12) hence the need for a very high efficiency guided propagation mode converter.
  • mode transformers are known in oversized circular guide.
  • the mode transformation is obtained by periodic deformations of the walls of the waveguide over 1 or 2 meters in length (see Figure 4).
  • the object of the present invention is to produce a mode converter for electromagnetic waves which may be of high power or of high frequency or both, which does not have the drawbacks of the converters known from the prior art, as described below. above.
  • a converter according to the invention has a manufacture which is less complicated to carry out industrially: on the one hand, by its forms which are more accessible to traditional machining methods, and on the other hand, because the manufacturing tolerances are less critical by design converter.
  • a converter according to the invention makes it possible to obtain other advantages in a use at the output of a microwave tube of very high power of electromagnetic energy, which add to the advantages of converter alone when energy is produced at the source with a complex mode structure.
  • one of the problems in the design of a gyrotron is that the output of microwave energy is generally done by a microwave window positioned at the end of the electron collector (see Figure 5) on the axis of revolution of the tube and perpendicular to the mean direction of electron propagation in the tube; the microwave window must be able to withstand the very great power to be conveyed, on the one hand, and on the other hand it must be protected against accidental bombardment by energetic electrons which circulate in the tube from the electron gun to the collector.
  • a propagation mode converter is integrated in the construction of a microwave tube such as the gyrotron, for example.
  • the coupling of this converter is done on the side walls of the outlet cavity, and the power is conveyed by these couplings. That is to say that the single window, in the axis as shown in FIG. 5, is no longer necessary, because it can thus be replaced by several windows installed on the lateral guides which form part of the converter according to the invention (see Figure 9).
  • This characteristic of the invention adds to the advantages specific to the mode converter according to the invention, additional advantages such as the reduction in power to be conveyed through each window (on average), and the impossibility of electronic bombardment of these windows thanks to at their position far from the main axis of the tube and the average trajectory of the electrons along the axis.
  • the present invention proposes a converter for the mode of guided propagation of electromagnetic waves, comprising a so-called transition structure and coupling means between said transition structure and a waveguide capable of propagating the mode resulting from the mode conversion to be effected by said mode converter, and also comprising coupling means between said transition structure and a waveguide or a source of microwave electromagnetic energy, these coupling means being capable of propagating the mode to be converted using the converter object of the invention.
  • said transition structure comprises l waveguides, l being an integer greater than one, chosen as a function of the TE lm mode to be converted (m also being an integer greater than or equal to 1); these l guides being coupled at their two ends, by coupling holes, respectively to a source of microwave electromagnetic energy or to a waveguide in which a TE lm wave of complex structure is propagated, on the one hand, and on the other hand to a waveguide capable of propagating the mode resulting from the mode conversion.
  • said transition structure comprising l waveguides is coupled directly to the output cavity of a microwave tube generating microwave electromagnetic energy in a TE lm mode; and, according to another characteristic, said microwave tube is a gyrotron.
  • these guides are coupled to a second single central guide operating in a mode different from that of the first guide (or cavity).
  • the l guides are coupled directly to the outlet cavity of a microwave tube operating in TE lm mode and each waveguide comprises a sealed microwave window in vacuo and transparent to the electromagnetic microwave energy, so that microwave power P produced by said tube is conveyed by the guides through the windows and therefore the power that passes through each window is P / l on average.
  • the coupling between the azimuthal kinetic energy of the electrons and the microwave energy occurs in the cavity 55. After this interaction the electrons are collected on the walls of the collector 57 where their residual energy is converted into heat on impact with the walls, and evacuated by the cooling circuit 510,512.
  • the microwave energy is propagated in the collector, and must pass through the microwave window 58. This window is generally made of ceramic, and must be sealed against the internal vacuum of the turbe but transparent to the microwave energy.
  • the HF microwave energy is then delivered in the direction of the arrow, using the output guide 59, to the use circuit not shown.
  • FIG. 6a shows the physical coupler schematically in longitudinal section
  • FIG. 6b graphically shows the power transfer according to the length of the coupler.
  • the power P1 is introduced into the waveguide 1 which is oriented parallel to another waveguide 2, and the two guides are made integral in the coupling region of so that part of the wall of the guide 1 is contiguous with a corresponding part of the guide 2, at least over the entire length of the coupling region; practically, this can be achieved with a single wall which separates the two guides at least in the coupling region.
  • the graph in FIG. 6b shows, for an ideal coupler, the transfer of power P1 in the guide 1 to the guide 2 according to the length of the coupler; at the end of the coupling region of length L, the power P2 (L) is found in guide 2.
  • FIG. 7 schematically represents in cross section (7a) and perspective (7b) an example of an embodiment of a mode converter according to the invention; the section in FIG. 7a is representative and shows the configuration, for example, at the two points 7a indicated in FIG. 7b.
  • the circular guide G1 is supposed, in this embodiment of a mode converter according to the invention, to convey a microwave electromagnetic wave of complex mode, for example the TE41 mode shown in thumbnail, which will be converted into the desired mode in the guide circular G2 using the converter according to the invention, for example the TE01 mode shown in a thumbnail.
  • a number l of rectangular guides are attached to the wall of the guide G1, oriented parallel to the axis of the latter and distributed symmetrically around the periphery such that shown in Figure 7a.
  • the four rectangular guides are indicated by the references g1, g2, g3, g4; but only the guide g1 is shown completely, the other rectangular guides being identical to the latter.
  • the dimensions of the holes and the length L of the coupling are chosen according to several criteria, in particular: the intensity of the electric fields in the holes, which can lead to arcs, which is avoided by using a large number of small holes over a long length: presence of other modes in the guides at the operating frequency.
  • the excitation of these parasitic modes can be avoided if their phase speed is different from the phase speed of the modes used, because the phase differences with the unwanted modes change sign several times along the guides, which prevents the local excitations from constructively adding up.
  • the four rectangular guides are excited in phase because the field maps around the coupling points are identical, as seen on the thumbnail which represents the TE41 mode field lines.
  • the conversion from the excited mode in G1 to the four guides g1, g2, g3, g4 is complete; there is therefore no more power in G1.
  • a load constituted by an absorbent (hatched part on the abscissa drawing of B), preferably without reflection on any mode so as to avoid any reflection towards the generator, according to a usual technique for couplers .
  • the four guides g1, g2, g3, g4 are connected at A and at D to suitable loads, and the guide G2 is terminated by a load suitable for the abscissa of C.
  • the four guides g1, g2, g3, g4 are extended along a course generally having a sinuosity so as to be able to be joined to a guide G2 whose diameter will be different from that of G1.
  • these two guides theoretically propagate different modes and must have the same phase speed, which is also that of the four guides g1, g2, g3, g4.
  • G1 and G2 have the same diameter, but the four guides g1, g2, g3, g4 must then gradually change section between G1 and G2 instead of having a sinuosity.
  • the rule is that the four guides g1, g2, g3, g4 must have in the region between A and B the same phase speed as the mode transported by G1 (TE41 in the example of Figure 7) and, in that between C and D, the same phase speed as that transported by G2 (TE01 in this example).
  • the four guides can excite any mode having identical phases to regions separated by 90 °. But the local excitations of all the holes are added in phase only for the modes which have the same phase speed as the modes of the guides g1, g2, g3, g4 in this region.
  • TM11 mode (shown in thumbnail in Figure 7b) has the same cutoff frequency as the TE01 mode, therefore the same phase speed and, in this regard, is likely to draw part of the power intended for the mode TE01.
  • TM11 mode diametrically opposite points are in phase opposition, and the excitations by diametrically opposite holes in phase cancel each other out. This mode cannot therefore be excited.
  • G1 is excited in TE51 mode (shown in Figure 12) and still has four peripheral guides.
  • a mode converter according to the invention constructed with g lateral guides regularly spaced around the main guide (separated by 2 ⁇ / g radians), makes it possible to obtain a mode conversion between two initial and final modes whose indices azimuths differ from a multiple of g.
  • FIG. 8 represents an exemplary embodiment of a mode converter according to the invention.
  • the mode converter is connected to the not shown cavity of a gyrotron by the guide G1.
  • the space between B and C can be extended so that receive the electrons from the beams on the collector 87 which can be easily sized to dissipate the heat generated.
  • the circular guide G1 is supposed, in this embodiment of a mode converter according to the invention, to convey a microwave electromagnetic wave of complex mode originating from the cavity of a gyrotron, for example the TE41 mode shown in a thumbnail, which will be converted into the desired mode in the circular guide G2 using the converter according to the invention, for example the TE01 mode shown in thumbnail.
  • a number l of rectangular guides are attached to the wall of the guide G1, oriented parallel to the axis of this last and distributed around the edge symmetrically.
  • the four rectangular guides are indicated by the references g1, g2, g3, g4; but only the guide g1 is shown completely, the other rectangular guides being identical to the latter.
  • the microwave power is transferred from the guide G1 into the four guides g1, g2, g3, g4 by coupling holes; the azimuthal symmetry of order l of the propagation mode to be converted dictates an identical power distribution in the l rectangular guides.
  • the microwave power injected into the guide G1 can be found in full in the rectangular guides if the conditions listed in the description of Figure 7 above are met.
  • the dimensions of the holes and the length L of the coupling are chosen according to the same criteria as in the previous case.
  • the conversion from the excite mode in G1 to the four guides g1, g2, g3, g4 is complete; there is therefore no more power in G1. It is therefore not necessary, in the case of a converter connected directly to the output of a gyrotron as shown in Figure 8, to put a suitable load after region B, but it is preferable in the case where unwanted modes are generated by the gyrotron.
  • the distance between B and C can be chosen to give a sufficient dimension to the electron collector 87, depending on the power to be dissipated.
  • the four guides g1, g2, g3, g4 are connected at A and at D to suitable loads, as well as the guide G2 is connected to a load suitable for the abscissa of C.
  • the four guides g1, g2, g3, g4 are extended along a course generally comprising a sinuosity so as to be able to be joined to a guide G2 whose diameter will be different from that of G1.
  • these two guides theoretically propagate different modes and must have the same phase speed, which is also that of the four guides g1, g2, g3, g4.
  • G1 and G2 have the same diameter, but the four guides g1, g2, g3, g4 must then gradually change section between G1 and G2 instead of having a sinuosity.
  • the rule is that the four guides g1, g2, g3, g4 must have in the region between A and B the same phase speed as the mode transported by G1 (TE41 in the example of Figure 8) and, in that between C and D, the same phase speed as that transported by G2 (TE01 in this example).
  • FIG. 9 represents another example of embodiment of a mode converter according to the invention, identical to the embodiment of FIG. 8 with the exception of the microwave windows 98 placed on the lateral guides.
  • a mode converter is connected to the cavity (not shown) of a gyrotron by the guide G1, as in the previous example illustrated in FIG. 8, but in the embodiment in FIG. 9, the lateral guides g1, g2, g3, g4 are provided with microwave windows 98 which are sealed against the internal vacuum of the gyrotron, but which are transparent to microwave energy.
  • This solution makes it possible to cool the windows more easily than the conventional solution of a single microwave power output window, due to the reduced dimensions of these multiple windows and the lower power to be conveyed by each window, on the one hand, and on the other hand, peripheral access to these remote windows from the gyrotron itself is much easier to install the cooling equipment.
  • FIG. 10 shows another example of embodiment of a mode converter according to the invention, in a characteristic according to which the lateral guides are bent by 90 ° between the guides G1 and G2, so as to reduce the space requirement of the system along the axis of G1.
  • a problem to be solved in practical installations of gyrotrons is that the gyrotron operates, in general, in a vertical position, but distant from the load by distances of a few tens of meters in a lateral direction. Therefore, it is desirable to make a bend in the guide which connects the vertical outlet of the gyrotron with the load distant from the gyrotron.
  • making the elbows as an oversized guide is very delicate because these guides can propagate microwave energy in many modes.
  • the bend can easily cause mode conversions between these modes propagated by the oversized guide, to unwanted modes.
  • the elbows are made with a very large radius of curvature, which considerably increases the size of the system.
  • the guides g1, g2, ... g n are provided between G1 and G2 with phase shifters, or with additional lengths, so to modify the phases around G2, which offers numerous possibilities for changing the mode azimuthal index.
  • two lateral guides g1, g3 can be seen diagrammatically in longitudinal section, in the same configuration as in preceding FIGS. 7 to 9, with absorbent fillers A and D at the ends as in these previous cases.
  • a cut on the abscissa S shows that in this example, we consider a mode converter with three lateral guides. If we start with a wave in TE34 mode, for example, we can obtain TE10 mode at abscissa P.
  • phase shifters 111 By inserting different phase shifters 111 in the different lateral guides g1, g2, ... g n , it is possible to introduce different electrical lengths on the different guides; the same effect can be obtained with different physical lengths.
  • the resulting phase shift between the components carried in the different guides is chosen so as to change the azimuth index of the propagated wave; in the example in figure 11, the resulting wave after phase shift at P will be in TE01 mode.
  • the invention therefore has many applications which can be easily imagined by those skilled in the art.
  • the invention can be used as a mode converter on a microwave circuit, for example as an oversized waveguide for high powers and high frequencies, or directly on the output of a microwave source to obtain the mode of preferred propagation, or even as a mode filter because it prevents the propagation of unwanted modes.
  • the use of the invention in complicated systems intended to convey high powers of microwave energy at high frequencies can make it possible to simplify the practical implementation of its systems because the invention allows a certain freedom in the choices of the relative geometry of microwave sources and loads, without increasing the risk of conversion to parasitic modes.
  • the invention When used directly at the output of a gyrotron or other very high power microwave sources, the invention also makes it possible to overcome certain problems associated with microwave windows.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

La présente invention propose un convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, comprenant une structure de transition et des moyens de couplage entre cette structure et un guide d'onde apte à propager le mode résultant de la conversion de mode, et comprenant également des moyens de couplage entre la structure de transition et un guide d'ondes ou une source d'énergie électromagnétique hyperfréquence.
Selon une caractéristique importante de l'invention, ladite structure de transition comprend l guides d'ondes, (g₁, g₂,... gl), l étant un nombre entier supérieur à un, choisi en fonction du mode TElm à convertir (m étant également un nombre entier supérieur ou égal à 1) ; ces l guides étant couplés à leurs deux extrémités, par des trous de couplage, respectivement à une source d'énergie électromagnétique hyperfréquence ou à un guide (G1) dans lequel se propage une onde TElm de structure complexe, d'une part, et d'autre part à un guide d'ondes (G2) apte à propager le mode résultant de la conversion.
Selon une autre caractéristique importante de l'invention, la structure de transition comprenant l guides d'onde est couplée directement sur la cavité de sortie d'un tube hyperfréquence ; et, selon une autre caractéristique, ledit tube hyperfréquence est un gyrotron.

Description

  • La présente invention concerne un convertisseur de mode de propagation guidée d'ondes électromagnétiques. Elle trouve ses applications dans tout système de transport de l'énergie hyperfréquence par guide d'ondes, et plus particulièrement dans les systèmes où la source d'énergie hyperfréquence fournit son énergie dans un mode de structure complexe.
  • Le convertisseur de mode faisant objet de la présente invention peut être utilisé sur une ligne de transmission d'énergie hyperfréquence, mais il peut être aussi utilisé directement au niveau du circuit de sortie d'un tube électronique générateur de l'énergie hyperfréquence ; dans cette configuration, le convertisseur fait partie intégrante du tube. Ainsi l'invention a également pour objet un tube hyperfréquence comportant un convertisseur de mode selon l'invention.
  • En effet, il existe maintenant des générateurs de grande puissance en ondes millimétriques ou submillimétriques utilisées notamment pour le chauffage des plasmas en vue de réaliser la fusion thermonucléaire contrôlée. Les puissances fournies peuvent atteindre déjà les 200 kW à 100 Ghz par exemple.
  • Pour ces applications, la source se trouve souvent assez éloignée de la machine à plasma (Tokamak, Stellarator... ), ce qui nécessite des guides d'ondes longs de quelques dizaines de mètres. En conséquence, le circuit de propagation doit être conçu pour minimiser les pertes de puissance dans les parties métalliques miroirs ou parois du guide d'onde, ce qui oblige à choisir des modes de propagation de structure simple et avant tout, en guide d'ondes, le mode TE₀₁ (figure 1).
  • Pour véhiculer de si grandes puissances à très haute fréquence le guide d'onde doit être largement surdimensionné en diamètre par rapport à la longueur d'onde de l'énergie à transporter. Pour la source 200 kW, 100 GHz citée plus haut, un guide de 6 cm de diamètre, par exemple, est capable de véhiculer cette puissance élevée ; néanmoins ce diamètre représente 20 longueurs d'onde, ce qui veut dire que le guide est capable de véhiculer de très nombreux modes de structure plus ou moins complexe. De plus, la moindre anomalie dans la structure de guidage provoque facilement une transition entre des modes de structure complexe et de nombres propres élevés identiques ou voisins.
  • Rappelons que dans un guide d'onde de section donnée, il peut se propager un nombre infini de modes propres caractérisés par une répartition bien déterminée des champs, et une vitesse de phase Vp qui dépend de la fréquence f suivant une loi bien déterminée: Vp/C = 1/(1 - (f/fc)²) 1/2 ,
    Figure imgb0001
     C étant la vitesse de la lumière, et fc étant la fréquence de coupure du mode considéré, au-dessus de laquelle les ondes peuvent se propager dans ce mode.
  • Le mode de propagation est en outre caractérisé par une quantité que l'on appelle le nombre propre n. Dans le cas d'un guide circulaire de rayon a, n = 2π.a.fc/C
    Figure imgb0002
  • Finalement, les utilisations hyperfréquences (dans le cas précité, les machines à plasma) préfèrent l'alimentation en énergie hyperfréquence dans un mode de structure simple (tel le mode TE₀₁, par exemple) (voir fig. 1). D'autre part la propagation en guide d'onde engendre les pertes les moins importantes pour le mode TE₀₁.
  • Or, comme expliqué précédemment, les sources haute puissance et haute fréquence fournissent en général leur énergie dans un mode de structure complexe (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 12) d'où le besoin d'un convertisseur de mode de propagation guidée de très haut rendement.
  • Dans l'art antérieur, l'on connaît des transformateurs de mode en guide circulaire surdimensionné. La transformation de mode est obtenue par des déformations périodiques des parois du guide d'onde sur 1 ou 2 mètres de longueur (voir figure 4).
  • La réalisation d'un convertisseur selon cette méthode de l'art antérieur est difficile, coûteuse, et délicate. Les ondulations des parois sont d'abord calculées sur ordinateur. Ensuite deux blocs de la matière des guides (du cuivre, par exemple) doivent être usinés dans la masse pour dégager le conduit creux d'énergie, la moitié dans chaque bloc (dans le sens de la propagation). Enfin les deux moitiés sont montées ensemble de façon à former le conduit creux avec les parois déformées périodiquement suivant la longueur. Ensuite, la production industrielle peut être envisagée en utilisant la technique de l'électroformage, par exemple, après réalisation d'un mandrin.
  • Du fait que le guide est largement surdimensionné en diamètre pour supporter la puissance à véhiculer, il existe un danger de conversion parasite vers de nombreux modes qui peuvent se propager. Le moindre défaut de surface ou de géométrie des ondulations des parois engendre immanquablement une perte de rendement de conversion vers le mode de propagation recherché.
  • La présente invention a pour but de réaliser un convertisseur de modes pour des ondes électromagnétiques qui peuvent être de forte puissance ou de haute fréquence ou les deux, qui ne présente pas les inconvénients des convertisseurs connus de l'art antérieur, tels que décrits ci-dessus.
  • Notamment, un convertisseur selon l'invention présente une fabrication moins compliquée à réaliser industriellement : d'une part, par ses formes plus accessibles aux méthodes d'usinage traditionnel, et d'autre part, du fait que les tolérances de fabrication sont moins critiques de par la conception du convertisseur.
  • Par ailleurs, la construction d'un convertisseur selon l'invention permet d'obtenir d'autres avantages dans une utilisation à la sortie d'un tube hyperfréquence de très grande puissance d'énergie électromagnétique, qui s'ajoutent aux avantages de convertisseur seul quand l'énergie est produite à la source avec une structure de mode complexe.
  • En effet, l'un des problèmes dans la conception d'un gyrotron, par exemple, est que la sortie de l'énergie hyperfréquence se fait généralement par une fenêtre hyperfréquence positionnée à l'extrémité du collecteur d'électrons (voir figure 5) sur l'axe de révolution du tube et perpendiculaire à la direction moyenne de propagation d'électrons dans le tube ; la fenêtre hyperfréquence doit pouvoir supporter la très grande puissance à véhiculer, d'une part, et d'autre part elle doit être protégée contre le bombardement accidentel par des électrons énergétiques qui circulent dans le tube depuis le canon à électrons vers le collecteur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, un convertisseur de mode de propagation est intégré dans la construction d'un tube hyperfréquence tel le gyrotron, par exemple. Le couplage de ce convertisseur se fait sur les parois latérales de la cavité de sortie, et la puissance est véhiculée par ces couplages. C'est-à-dire que la fenêtre unique, dans l'axe telle que montrée sur la figure 5, n'est plus nécessaire, car elle peut ainsi être remplacée par plusieurs fenêtres installées sur les guides latéraux qui font partie du convertisseur selon l'invention (voir figure 9).
  • Cette caractéristique de l'invention ajoute aux avantages propres au convertisseur de mode selon l'invention, des avantages complémentaires tels que la baisse de puissance à véhiculer à travers chaque fenêtre (en moyenne), et l'impossibilité de bombardement électronique de ces fenêtres grâce à leur position éloignée de l'axe principal du tube et de la trajectoire moyenne des électrons selon l'axe.
  • Pour atteindre ces buts, la présente invention propose un convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, comprenant une structure dite de transition et des moyens de couplage entre ladite structure de transition et un guide d'onde apte à propager le mode résultant de la conversion de mode à effectuer par ledit convertisseur de mode, et comprenant également des moyens de couplage entre ladite structure de transition et un guide d'ondes ou une source d'énergie électromagnétique hyperfréquence, ces moyens de couplage étant aptes à propager le mode à convertir à l'aide du convertisseur faisant objet de l'invention.
  • Selon une caractéristique importante non limitative de l'invention, ladite structure de transition comprend l guides d'ondes, l étant un nombre entier supérieur à un, choisi en fonction du mode TElm à convertir (m étant également un nombre entier supérieur ou égal à 1) ; ces l guides étant couplés à leurs deux extrémités, par des trous de couplage, respectivement à une source d'énergie électromagnétique hyperfréquence ou à un guide d'onde dans lequel se propage une onde TElm de structure complexe, d'une part, et d'autre part à un guide d'ondes apte à propager le mode résultant de la conversion de mode.
  • Selon une autre caractéristique importante de l'invention, ladite structure de transition comprenant l guides d'onde est couplée directement sur la cavité de sortie d'un tube hyperfréquence générateur d'énergie électromagnétique hyperfréquence dans un mode TElm ; et, selon une autre caractéristique, ledit tube hyperfréquence est un gyrotron.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, on couple ces guides à un deuxième guide central unique fonctionnant dans un mode différent de celui du premier guide (ou cavité).
  • Selon une autre caractéristique importante de l'invention, les l guides sont couplés directement sur la cavité de sortie d'un tube hyperfréquence fonctionnant en mode TElm et chaque guide d'onde comporte une fenêtre hyperfréquence étanche au vide et transparent à l'énergie électromagnétique hyperfréquence, de façon à ce que la puissance hyperfréquence P produit par ledit tube soit véhiculée par les l guides à travers l fenêtres et donc la puissance qui traverse chaque fenêtre est de P/l en moyenne.
  • De cette manière le chauffage de chaque fenêtre par des pertes diélectriques de transmission de l'énergie électromagnétique peut être réduit vis-à-vis d'une construction à fenêtre unique, et par ailleurs les possibilités de refroidissement de ces l fenêtres sont plus faciles à réaliser, en raison de leurs dimensions réduites et d'une facilité accrue d'accès périphérique pour le refroidissement de ces fenêtres.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de quelques réalisations données à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
    • La figure 1 représente les lignes de champ électrique du mode de propagation TE₀₁ ;
    • la figure 2 représente les lignes de champ électrique du mode de propagation TE₃₄ ;
    • la figure 3 représente les lignes de champ électrique du mode de propagation TE₉₃ ;
    • la figure 4 représente en coupe longitudinale, dessinée par ordinateur, un convertisseur de mode selon l'art antérieur ;
    • la figure 5 représente schématiquement et en coupe longitudinale un gyrotron selon l'art antérieur ;
    • la figure 6a représente schématiquement et en coupe longitudinale un coupleur hyperfréquence connu de l'art antérieur ;
    • la figure 6b représente schématiquement le transfert de puissance selon la direction de propagation dans le coupleur de la figure 6a ;
    • la figure 7a représente schématiquement en coupe transversale un exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention ;
    • la figure 7b montre schématiquement en perspective un exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention ;
    • le figure 8 montre schématiquement en perspective un exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention intégré sur la cavité d'un gyrotron ;
    • la figure 9 montre schématiquement en perspective un autre exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention, intégré sur la cavité d'un gyrotron, avec des fenêtres hyperfréquences intégrées sur les guides de couplage ;
    • la figure 10 montre schématiquement en perspective un exemple d'une réalisation d'un convertisseur de ce mode selon l'invention, coude en 90° ;
    • la figure 11 montre schématiquement en plan un exemple des guides d'onde faisant partie d'un convertisseur de mode selon l'invention, dans lesquels un déphaseur permet d'obtenir une variation de phase dans le convertisseur selon la longueur ;
    • La figure 12 représente les lignes de champ électrique du mode de propagation TE₅₁.
  • Les figures représentent des exemples non limitatifs de réalisations, sur lesquelles les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur les différentes figures. D'autres réalisations selon l'invention ou ses principales caractéristiques seront facilement imaginées par l'homme de l'art.
  • Sur la figure 1, l'on voit que les lignes de champ électrique de mode TE₀₁ en propagation en guide de section circulaire sont des cercles concentriques et coaxiaux avec l'axe du guide. La simplicité de ce diagramme correspond avec l'efficacité de livraison de puissance hyperfréquence en ce mode de propagation.
  • Sur la figure 2, l'on voit que les lignes de champ électrique du mode TE₃₄ en propagation en guide de section circulaire sont considérablement plus compliquées, car elles présentent une symétrie azimutale d'ordre 3, ainsi que quatre lignes nodales radiales. Ce diagramme correspond au mode de propagation d'une source gyrotron fonctionnant à des fréquences modérées.
  • Sur la figure 3, l'on voit que les lignes de champ électrique du mode TE₉₃ en propagation en guide de section circulaire sont considérablement plus compliquées encore, car elles présentent une symétrie azimutale d'ordre 9, ainsi que trois noeuds radiaux. Ce diagramme correspond au mode de propagation d'une source gyrotron fonctionnant à des fréquences élevées.
  • Sur la figure 4, l'on voit en coupe longitudinale un tronçon d'un convertisseur de mode connu de l'art antérieur. Il s'agit d'un tronçon de guide circulaire avec des corrugations ou des ondulations sur les parois selon la longueur. Ces ondulations sont calculées par ordinateur de façon à déterminer les modes de propagation qui seront supportés dans le guide, compatibles avec les équations de Maxwell et les conditions imposées sur les champs électromagnétiques à l'interface air/métal, par exemple la nullité des champs électriques parallèles à la surface d'un conducteur électrique.
  • Sur la figure 5, l'on voit en coupe longitudinale un gyrotron connu de l'art antérieur. Ce gyrotron est d'une géométrie symétrique autour d'un axe de révolution indiqué en pointillé sur la figure. Un fort courant électronique est généré à la surface émissive 52 de la cathode 51 et accéléré par les première 53 et deuxième 54 anodes. La divergence du faisceau électronique dans le canon à électrons due à la charge d'espace est évitée par l'application d'un champ magnétique axial produit par un courant électrique circulant dans les bobines 513. Les hautes tensions d'accélération sont appliquées aux conducteurs du canon à électrons qui sont isolés électriquement les uns des autres à l'aide des éléments céramiques 514. Les électrons décrivent un mouvement cyclotronique relativiste autour des lignes de champ magnétique générées par des bobines supraconductrices 511. Le couplage entre l'énergie cinétique azimutale des électrons et l'énergie hyperfréquence se produit dans la cavité 55. Après cette interaction les électrons sont récoltés sur les parois du collecteur 57 où leur énergie résiduelle est convertie en chaleur à l'impact avec les parois, et évacuée par le circuit de refroidissement 510,512. L'énergie hyperfréquence est propagée dans le collecteur, et doit traverser la fenêtre hyperfréquence 58. Cette fenêtre est généralement réalisée en céramique, et doit être étanche au vide interne du turbe mais transparente à l'énergie hyperfréquence. L'énergie hyperfréquence HF est ensuite livrée dans le sens de la flèche, à l'aide du guide de sortie 59, au circuit d'utilisation non montré.
  • Comme l'on voit sur la figure et d'après l'explication schématique que l'on vient de donner, la propagation des électrons du canon au collecteur est selon l'axe du gyrotron, donc vers la fenêtre céramique qui se trouve à l'extrémité du collecteur. Cependant, il est impératif que les trajectoires des électrons soient assez divergentes dans le collecteur 57 pour finir toutes sur les parois du collecteur, car l'impact éventuel des électrons sur la fenêtre 58 la détruirait et rendrait le tube inutilisable. Ce problème est en fait assez difficile à résoudre, et diverses méthodes sont mises en oeuvre dans les réalisations pratiques du gyrotrons. Une des réalisations caractéristiques de convertisseur de mode selon l'invention permet de résoudre ce problème comme l'on verra plus loin.
  • Sur la figure 6, l'on voit un coupleur hyperfréquence à trous connu de l'art antérieur ; la figure 6a montre le coupleur physique de façon schématique en coupe longitudinale, et la figure 6b montre graphiquement le transfert de puissance selon la longueur du coupleur. Comme l'on voit sur la figure 6a, la puissance P1 est introduite dans le guide d'onde 1 qui est orienté parallèlement à un autre guide d'onde 2, et les deux guides sont rendus solidaires dans la région de couplage de façon à ce qu'une partie de la paroi du guide 1 est contiguë avec une partie correspondante du guide 2, au moins sur toute la longueur de la région de couplage ; pratiquement, ceci peut être réalisé avec une seule et unique paroi qui sépare les deux guides au moins dans la région de couplage. Aussi, sur toute la longueur de la région de couplage, des trous de couplage sont pratiqués dans la paroi qui sépare les deux guides, et le couplage électromagnétique à travers ces trous de couplage permet le transfert de la puissance hyperfréquence P1 du guide 1 vers le guide 2. Le graphique de la figure 6b montre, pour un coupleur idéal, le transfert de puissance P1 dans le guide 1 vers le guide 2 selon la longueur du coupleur ; à la fin de la région de couplage de longueur L, l'on retrouve la puissance P2(L) dans le guide 2. Dans le cas d'un coupleur idéal, P1(0) = P2(L) = P, et le transfert de puissance selon la direction de propagation z suit approximativement : P1 ( z) = Pcos² (π. z/2L), P2 (z) = Psin²(π. z/2L).
  • La figure 7 représente schématiquement en coupe transversale (7a) et perspective (7b) un exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention ; la coupe de la figure 7a est représentative et montre la configuration, par exemple, aux deux points 7a indiqués sur la figure 7b.
  • Le guide circulaire G1 est censé, dans cet exemple de réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention, véhiculer une onde électromagnétique hyperfréquence de mode complexe, par exemple le mode TE₄₁ montré en vignette, qui sera convertie en mode désiré dans le guide circulaire G2 à l'aide du convertisseur selon l'invention, par exemple le mode TE₀₁ montré en vignette.
  • Selon la symétrie azimutale d'ordre l du mode à convertir en mode TE₀₁, un nombre l de guides rectangulaires sont accolés sur la paroi du guide G1, orientés parallèlement à l'axe de ce dernier et distribués sur le pourtour de façon symétrique tel que montré sur la figure 7a. Dans cet exemple non limitatif d'une réalisation de convertisseur de mode selon l'invention, le mode à convertir TE ₄₁ montre une symétrie azimutale d'ordre 4 ; ainsi tel que montré sur la figure 7a, les l guides rectangulaires sont au nombre de quatre (l = 4), et sont placés équidistant les uns des autres sur la paroi du guide circulaire G1, c'est-à-dire à l'intervalle de 90° ou de façon équivalente 2π/4 radians. Sur la figure 7b, les quatre guides rectangulaires sont indiqués par les repères g1, g2, g3, g4 ; mais seulement le guide g1 est montré complétement, les autres guides rectangulaires étant identiques à ce dernier.
  • La puissance hyperfréquence est transférée du guide G1 dans les quatre guides g1, g2, g3, g4 par des trous de couplage ; la symétrie azimutale d'ordre l du mode de propagation à convertir dicte une répartition de puissance identique dans les l guides rectangulaires. La puissance hyperfréquence injectée dans le guide G1 peut se retrouver intégralement dans les l guides rectangulaires si plusieurs conditions sont remplies :
    • Les pertes ohmiques ou autres doivent être négligeables.
    • Les vitesses de phase des deux modes propagés dans le guide circulaire et dans les l guides rectangulaires doivent être égales, compte tenu de leur modification par la présence des trous.
    • La longueur L sur laquelle les trous s'étendent doit avoir une valeur bien précise qui dépend de l'intensité du couplage produit par les trous et de leur nombre par unité de longueur.
  • Les dimensions des trous et la longueur L du couplage sont choisies en fonction de plusieurs critères, notamment : l'intensité des champs électriques dans les trous, qui peut conduire à des arcs, ce que l'on évite en utilisant un grand nombre de petits trous sur une grande longueur : présence d'autre modes dans les guides à la fréquence de fonctionnement. On peut éviter l'excitation de ces modes parasites si leur vitesse de phase est différente de la vitesse de phase des modes utilisés, car les différences de phase avec les modes indésirés changent de signe plusieurs fois le long des guides, ce qui empêche les excitations locales de s'additionner de manière constructive.
  • Dans l'exemple d'une réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention telle que montrée sur la figure 7, l'on voit que les quatre guides rectangulaires sont excités en phase car les cartes de champs autour des points de couplage sont identiques, comme l'on voit sur la vignette qui représente les lignes de champ de mode TE₄₁. A l'abscisse de B, le long de l'axe principal, la conversion du mode excité en G1 vers les quatre guides g1, g2, g3, g4 est complète ; il n'y a donc plus de puissance dans G1. Il est toutefois indiqué de placer une charge constituée par un absorbant (partie hachurée sur le dessin à l'abscisse de B), de préférence sans réflexion sur aucun mode de manière à éviter toute réflexion vers le générateur, suivant une technique habituelle pour les coupleurs. De même, les quatre guide g1, g2, g3, g4 sont reliés en A et en D à des charges adaptées, et le guide G2 est terminé par une charge adaptée à l'abscisse de C.
  • Au-delà de B, les quatre guides g1, g2, g3, g4 sont prolongés suivant un parcours comportant en général une sinuosité de manière à pouvoir être accolés à un guide G2 dont le diamètre sera différent de celui de G1. En effet, ces deux guides propagent par hypothèse des modes différents et doivent avoir la même vitesse de phase, qui est aussi celle des quatre guides g1, g2, g3, g4. Il est également possible que G1 et G2 aient le même diamètre, mais les quatre guides g1, g2, g3, g4 doivent alors changer progressivement de section entre G1 et G2 au lieu de présenter une sinuosité. La règle est que les quatre guides g1, g2, g3, g4 doivent avoir dans la région comprise entre A et B la même vitesse de phase que le mode transporté par G1 (TE₄₁ dans l'exemple de la figure 7) et, dans celle comprise entre C et D, la même vitesse de phase que celui transporté par G2 (TE₀₁ dans cet exemple).
  • Le fonctionnement est assuré de la manière suivante : dans la section de G1, les quatre guides répartis sur la circonférence sont couplés au mode TE₄₁ à des points qui sont en phase car les cartes de champs autour de ces points sont identiques. Les quatre guides sont donc excités en phase, et, comme indiqué plus haut, les dimensions des trous et la longueur AB sont choisies pour permettre le transfert complet de la puissance vers ces quatre guides.
  • Dans le guide G2, les quatre guides peuvent exciter tout mode présentant des phases identiques à des régions séparées de 90°. Mais les excitations locales de tous les trous ne s'ajoutent en phase que pour les modes qui possèdent la même vitesse de phase que les modes des guides g1, g2, g3, g4 dans cette région. On aura choisi le diamètre de manière que le mode TE₀₁ remplisse cette condition, dans l'exemple de la Fig. 7 ; on aura choisi les dimensions des trous et la longueur CD de manière que toute la puissance propagée dans les quatre guides g1, g2, g3, g4 soit transférée dans G2.
  • Cet exemple illustre une autre propriété de filtre de mode de l'arrangement objet de l'invention. En effet, le mode TM₁₁ (montré en vignette sur la figure 7b) possède la même fréquence de coupure que le mode TE₀₁, donc la même vitesse de phase et, à cet égard, est susceptible de prélever une partie de la puissance destiné au mode TE₀₁. Mais, dans le mode TM₁₁ des points diamétralement opposés sont en opposition de phase, et les excitations par des trous diamétralement opposés en phase s'annulent. Ce mode ne pourra donc être excité.
  • Il existe de nombreuses variantes que l'on peut caractériser par des règles mathématiques précises, mais dont nous ferons simplement comprendre la nature par un exemple.
  • Supposons que G1 est excité dans le mode TE₅₁ (montré sur la figure 12) et comporte encore quatre guides périphériques.
  • Une composante de champ de G1 par exemple Hz, varie à la paroi comme H z = H₀cos(ωt - βz - 5 ⌀),
    Figure imgb0003
     en polarisation tournante H z = H o (ωt - βz)cos 5 ⌀,
    Figure imgb0004
     en polarisation fixe (ondes progressives vers + z).
  • Au quatre guides g1, g2, g3, g4, on aura
    Figure imgb0005
    ou
    Figure imgb0006
    car 5π 2 =2π+ π 2
    Figure imgb0007
  • Les caractéristiques de phase obtenues sont les mêmes que celle d'un mode : TE1m H₂ = H₀cos(ωt -βz - ⌀)
    Figure imgb0008
     ou H₂ = H₀cos (ωt -⌀z)cos ⌀
    Figure imgb0009
  • Ainsi, il est possible de transformer le mode TE₅₁ tournant ou fixe en mode TE₁₁ tournant ou fixe, par exemple.
  • De façon générale, un convertisseur de mode selon l'invention, construit avec g guides latéraux régulièrement espacés autour du guide principal (séparé par 2π/g radians), permet d'obtenir une conversion de mode entre deux modes initiaux et finaux dont les indices azimutaux diffèrent d'un multiple de g.
  • La figure 8 représente un exemple de réalisation de convertisseur de mode selon l'invention. Selon une caractéristique importante de l'invention, le convertisseur de mode est relié à la cavité non montrée d'un gyrotron par le guide G1. L'espace entre B et C peut être prolongé de manière à recevoir les électrons du faisceaux sur le collecteur 87 qui peut être aisément dimensionné pour dissiper la chaleur générée.
  • Le guide circulaire G1 est censé, dans cet exemple de réalisation d'un convertisseur de mode selon l'invention, véhiculer une onde électromagnétique hyperfréquence de mode complexe provenant de la cavité d'un gyrotron, par exemple le mode TE₄₁ montre en vignette, qui sera converti en mode désiré dans le guide circulaire G2 à l'aide du convertisseur selon l'invention, par exemple le mode TE₀₁ montré en vignette.
  • Comme dans le cas illustré précédemment sur la figure 7, selon la symétrie azimutale d'ordre l du mode à convertir en mode TE₀₁, un nombre l de guides rectangulaires sont accolés sur le paroi du guide G1, orientés parallélement à l'axe de ce dernier et distribués sur le pourtour de façon symétrique. Comme dans le cas précèdent, nous avons choisi dans cet exemple non limitatif d'une réalisation de convertisseur de mode selon l'invention, le mode à convertir TE₄₁ qui montre une symétrie azimutale d'ordre 4 ; ainsi tel que montré sur la figure 8, les l guides rectangulaires sont au nombre de quatre (l = 4), et sont placés équidistant les uns des autres sur la paroi du guide circulaire G1, c'est-à-dire à l'intervalle de 90° ou de façon équivalent 2π/4 radians. Sur la figure 8, les quatre guides rectangulaires sont indiqués par les repères g1, g2, g3, g4 ; mais seulement le guide g1 est montré complètement, les autres guides rectangulaires étant identiques à ce dernier.
  • Comme dans le cas précèdent, la puissance hyperfréquence est transférée du guide G1 dans les quatre guides g1, g2, g3, g4 par des trous de couplage ; la symétrie azimutale d'ordre l du mode de propagation à convertir dicte une répartition de puissance identique dans les l guides rectangulaires. La puissance hyperfréquence injectée dans le guide G1 peut se retrouver intégralement dans les l guides rectangulaires si les conditions énumérées dans la description de la figure 7 ci-dessus sont remplies.
  • Les dimensions des trous et la longueur L du couplage sont choisies en fonction des mêmes critères que dans le cas précédent.
  • A l'abscisse de B le long de l'axe principal, la conversion du mode excite en G1 vers les quatre guides g1, g2, g3, g4 est complète ; il n'y a donc plus de puissance dans G1. Il n'est donc pas nécessaire, dans le cas d'un convertisseur relié directement à la sortie d'un gyrotron tel que montré sur la figure 8, de mettre une charge adaptée après la région B, mais c'est préférable dans le cas où des modes indésirables sont engendrés par le gyrotron. La distance entre B et C peut être choisie pour donner une dimension suffisante au collecteur 87 d'électrons, suivant la puissance à dissiper. De même que dans le cas précèdent, les quatre guides g1, g2, g3, g4 sont reliés en A et en D à des charges adaptées, ainsi que le guide G2 est relié à une charge adaptée à l'abscisse de C.
  • Comme dans l'exemple d'un convertisseur de mode montré sur la figure 7, au-delà de B, les quatre guides g1, g2, g3, g4 sont prolongés suivant un parcours comportant en général une sinuosité de manière à pouvoir être accolés à un guide G2 dont le diamètre sera différente de celui de G1. En effet, ces deux guides propagent par hypothèse des modes différents et doivent avoir la même vitesse de phase, qui est aussi celui des quatre guides g1, g2, g3, g4 . Il est également possible que G1 et G2 ait la même diamètre, mais les quatre guides g1, g2, g3, g4 doivent alors changer progressivement de section entre G1 et G2 au lieu de présenter une sinuosité. La règle est que les quatre guides g1, g2, g3, g4 doivent avoir dans la région comprise entre A et B la même vitesse de phase que le mode transporte par G1 (TE₄₁ dans l'exemple de la figure 8) et, dans celle comprise entre C et D, la même vitesse de phase que celui transporte par G2 (TE₀₁ dans cet exemple).
  • La figure 9 représente un autre exemple de réalisation de convertisseur de mode selon l'invention, identique à la réalisation de la figure 8 à l'exception des fenêtres hyperfréquence 98 placées sur les guides latéraux. Selon une caractéristique importante de l'invention, un convertisseur de mode est relie à la cavité (non montrée) d'un gyrotron par le guide G1, comme dans l'exemple précédent illustre sur la figure 8, mais dans l'exemple de réalisation de la figure 9, les guides latéraux g1, g2, g3, g4 sont munis des fenêtres hyperfréquence 98 étanches au vide interne du gyrotron, mais transparentes à l'énergie hyperfréquence. Cette solution permet de refroidir les fenêtres plus aisément que la solution classique d'une seule fenêtre de sortie de puissance hyperfréquence, en raison de dimensions réduites de ces multiples fenêtres et de la moindre puissance à véhiculer par chaque fenêtre, d'une part, et d'autre part l'accès périphérique à ces fenêtres éloignées du gyrotron lui-même est bien plus facile pour installer l'équipement de refroidissement.
  • Un autre avantage de cette configuration provient de l'action filtre de mode du convertisseur : les modes réfléchis ne pourront en général pas atteindre les fenêtres ni le guide G1 car seul les modes ayant la vitesse de phase du mode désiré dans G2 peuvent exciter les petits guides g1,....
  • La figure 10 montre un autre exemple de réalisation de convertisseur de modes selon l'invention, dans une caractéristique selon laquelle les guides latéraux sont courbés de 90° entre les guides G1 et G2, de façon à réduire l'encombrement du systèmele long de l'axe de G1. En effet, un problème à résoudre dans des installations pratiques de gyrotrons est que le gyrotron fonctionne, en général, en position verticale, mais éloigné de la charge par des distances de quelques dizaines de mètres dans un sens latéral. Donc, il est souhaitable de réaliser un coude dans le guide qui relie la sortie verticale du gyrotron avec la charge éloignée du gyrotron. Mais la réalisation des coudes en guide surdimensionné est très délicat car ces guides peuvent propager l'énergie hyperfréquence dans de nombreux modes plus ou moins compliqués, et le coude peut facilement entraîner des conversions de modes entre ces modes propagés par le guide surdimensionné, vers des modes non désirés. Pour éviter ceci dans des réalisations selon l'art antérieur, les coudes sont effectués avec un rayon de courbure très grand, qui accroît considérablement l'encombrement du système.
  • L'avantage de la réalisation montrée sur la figure 10 provient du fait que les guides latéraux ne propagent qu'un mode unique, donc il n'y a pas possibilité de conversion parasite vers des modes non désirées. La propagation sera peu sensible aux coudes des guides latéraux à condition de respecter les conditions de phase énumérées précédemment. Bien entendu, des courbures autre que 90° peuvent être facilement réalisées selon le même principe.
  • Dans d'autres variantes de convertisseur de mode selon l'invention, telles que montrées schématiquement sur la figure 11, les guides g1, g2, ... gn sont munis entre G1 et G2 de déphaseurs, ou de longueurs supplémentaires, de manière à modifier les phases autour de G2, ce qui offre des possibilités nombreuses pour le changement d'indice azimutal de mode. Sur la figure 11 l'on voit schématiquement deux guides latéraux g1, g3 en coupe longitudinal, dans la même configuration que sur les figures 7 a 9 précédentes, avec des charges absorbantes A et D aux extrémités comme dans ces cas précédents. Une coupe à l'abscisse S montre que dans cet exemple, l'on considère un convertisseur de mode avec trois guides latéraux. Si l'on commence avec une onde en mode TE₃₄, par exemple, l'on peut obtenir le mode TE₁₀ à l'abscisse P. En insérant des déphaseurs 111 différents dans les différents guides latéraux g1, g2, ... gn, l'on peut introduire des longueurs électriques différentes sur les différents guides ; le même effet peut être obtenu avec des longueurs physiques différentes. Le résultant décalage de phase entre les composants véhiculés dans les différents guides est choisi de façon à changer l'indice azimutal de l'onde propagé; dans l'exemple de la figure 11, l'onde résultante après déphasage à P sera dans le mode TE₀₁.
  • Sur la figure 12, l'on voit que les lignes de champ électrique du mode TE₅₁ en propagation en guide de section circulaire sont assez compliquées, car elles présentent une symétrie azimutale d'ordre 5, avec un seul noeud radial au niveau de la paroi. Ce diagramme correspond au mode de propagation d'une source discutée dans l'exemple de la figure 7 précédemment.
  • L'invention a donc de nombreuses applications qui peuvent être facilement imaginées par l'homme de l'art. Par exemple, l'invention peut être utilisée comme convertisseur de mode sur un circuit hyperfréquence, par exemple en guide d'onde surdimensionné pour des hautes puissances et des hautes fréquences, ou directement sur la sortie d'une source hyperfréquence pour obtenir le mode de propagation préféré, ou encore comme filtre de mode car elle empêche la propagation des modes non désirés. De plus, l'utilisation de l'invention dans des systèmes compliqués destinés à véhiculer de fortes puissances d'énergie hyperfréquence à des fréquences élevées peut permettre de simplifier la réalisation pratique de ses systèmes car l'invention permet une certaine liberté dans les choix de la géométrie relative des sources et charges hyperfréquences, sans augmenter pour autant les risques de conversion vers des modes parasites. Quand utilisée directement en sortie d'un gyrotron ou d'autres sources hyperfréquences de très haute puissance, l'invention permet aussi de s'affranchir de certains problèmes associés aux fenêtres hyperfréquences.

Claims (8)

  1. Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, comprenant : une structure dite "de transition" et des moyens de couplage par trous entre ladite structure de transition et un guide d'ondes circulaire G2 dit "guide aval" apt à propager le mode résultant de la conversion de mode à effectuer par ledit convertisseur de mode, dit le "mode cible" ; et comprenant également des moyens de couplage par trous entre ladite structure de transition et une source d'énergie électromagnetique hyperfréquence ou un guide d'ondes circulaire G1 dit "guide amont" qui apporte de l'énergie électromagnétique hyperfréquence, dans un mode de propagation de nombre propre élevé à convertir par ledit convertisseur de mode, dit le "mode source", vers ladite structure de transition ; caractérisé en ce que ladite structure de transition comprenne plusieurs guides d'ondes g₁... gn (n étant un nombre entier supérieur à 2) apt à propager le mode cible ; le nombre, la forme et l'espacement des trous de couplage, ainsi que le nombre n de guides compris dans ladite structure de transition, étant choisis selon la conversion de mode à effectuer.
  2. Convertisseur de mode selon la revendication 1, caractérisé en ce que les guides d'onde g1,... gn compris dans ladite structure de transition sont courbés selon leur longueur pour suivre un parcours comportant une sinuosité de manière à pouvoir être accolés à leurs extrémités à un guide aval G2 et à un guide amont G1 dont les diamètres peuvent être différents.
  3. Convertisseur de mode selon la revendication 1, caractérisé en ce que les guides d'onde g1,... gn compris dans ladite structure de transition présentent une section qui change progressivement selon leur longueur pour accorder la vitesse de phase de propagation dans la région de couplage A a B avec le guide amont G1 avec la vitesse de phase du mode source, et à l'autre extrémité dans la région de couplage C à D avec le guide aval G2 avec la vitesse de phase du mode cible, dans le cas où les diamètres du guides amont G1 et aval G2 sont les mêmes.
  4. Convertisseur de mode selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que ledit guide amont G1 est la cavité de sortie d'un tube électronique hyperfréquence source de l'énergie électromagnétique hyperfréquence.
  5. Convertisseur de mode selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que ladite structure de transition est constituée de plusieurs guides d'ondes g1,... gn comportant chacun une fenêtre hyperfréquence 98 transparente à l'énergie hyperfréquence mais étanche au vide.
  6. Convertisseur de mode selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit tube hyperfréquence est un gyrotron.
  7. Convertisseur de mode selon l'une quelconque des revendications 1, 3, 4, 5, ou 6 caractérisé en ce que les guides donde g1,... gn compris dans ladite structure de transition sont courbés selon leur longueur, tous dans le même sens et par le même angle pour suivre un parcours comportant une courbure de manière à effectuer un changement de l'orientation de l'axe de propagation en même temps que la conversion de mode.
  8. Convertisseur de mode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les guides d'onde g1,... gn compris dans ladite structure sont de longueurs électriques différentes de manière à obtenir une différence de phase entre les ondes qui se propagent dans lesdits guides d'onde g1,...gn compris dans ladite structure, ce qui permet d'obtenir encore d'autres possibilités de modes azimutaux.
EP91401002A 1990-04-27 1991-04-16 Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, et tube électronique comportant un tel convertisseur Withdrawn EP0454540A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9005402 1990-04-27
FR9005402A FR2661559A1 (fr) 1990-04-27 1990-04-27 Convertisseur de mode de propagation guidee des ondes electromagnetiques et tube electronique comportant un tel convertisseur.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0454540A1 true EP0454540A1 (fr) 1991-10-30

Family

ID=9396171

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP91401002A Withdrawn EP0454540A1 (fr) 1990-04-27 1991-04-16 Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, et tube électronique comportant un tel convertisseur

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0454540A1 (fr)
FR (1) FR2661559A1 (fr)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0499514A1 (fr) * 1991-02-12 1992-08-19 Thomson Tubes Electroniques Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance pour tube hyperfréquence, et tube hyperfréquence comprenant un tel dispositif
US5652554A (en) * 1993-06-15 1997-07-29 Thomson Tubes Electroniques Quasi-optical coupler with reduced diffraction
CN105869973A (zh) * 2016-05-11 2016-08-17 中国人民解放军国防科学技术大学 轴向输出圆极化te11同轴波导模式的紧凑型磁控管
CN115133242A (zh) * 2022-06-10 2022-09-30 中国人民解放军国防科技大学 一种从二极管方向注入的单端口模式转换器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE964882C (de) * 1955-07-23 1957-05-29 Siemens Ag Vorrichtung zur Richtungsaenderung von Oberflaechenwellenleitungen
EP0122834A1 (fr) * 1983-03-18 1984-10-24 Thomson-Csf Transformateur de modes de propagation hyperfréquence

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59131201A (ja) * 1983-08-04 1984-07-28 Nec Corp 広帯域モ−ド変換器
JPS6460001A (en) * 1987-08-31 1989-03-07 Nec Corp Polarized wave converting waveguide device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE964882C (de) * 1955-07-23 1957-05-29 Siemens Ag Vorrichtung zur Richtungsaenderung von Oberflaechenwellenleitungen
EP0122834A1 (fr) * 1983-03-18 1984-10-24 Thomson-Csf Transformateur de modes de propagation hyperfréquence

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 13, no. 270 (E-776)(3618) 21 juin 1989, & JP-A-1 60001 (NEC CORP.) 07 mars 1989, *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 8, no. 261 (E-281)(1698) 30 novembre 1984, & JP-A-59 131201 (NIPPON DENKI K.K.) 28 juillet 1984, *
RADIO ENGINEERING AND ELECTRONICS. vol. 2, no. 1, janvier 1957, WASHINGTON US pages 96 - 111; M.V.PERSIKOV: "Directional coupler for H01_waves in circular guide" *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0499514A1 (fr) * 1991-02-12 1992-08-19 Thomson Tubes Electroniques Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance pour tube hyperfréquence, et tube hyperfréquence comprenant un tel dispositif
US5652554A (en) * 1993-06-15 1997-07-29 Thomson Tubes Electroniques Quasi-optical coupler with reduced diffraction
CN105869973A (zh) * 2016-05-11 2016-08-17 中国人民解放军国防科学技术大学 轴向输出圆极化te11同轴波导模式的紧凑型磁控管
CN105869973B (zh) * 2016-05-11 2017-06-16 中国人民解放军国防科学技术大学 轴向输出圆极化te11同轴波导模式的紧凑型磁控管
CN115133242A (zh) * 2022-06-10 2022-09-30 中国人民解放军国防科技大学 一种从二极管方向注入的单端口模式转换器
CN115133242B (zh) * 2022-06-10 2023-09-26 中国人民解放军国防科技大学 一种从二极管方向注入的单端口模式转换器

Also Published As

Publication number Publication date
FR2661559A1 (fr) 1991-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3489987B1 (fr) Charge interne pour tube à ondes progressives utilisant une ligne à retard en guide replie
EP0487387A1 (fr) Antenne hyperfréquence à fente à structure de faible épaisseur
FR2706681A1 (fr) Coupleur quasi-optique à diffraction réduite et tube électronique utilisant un tel coupleur.
EP3136499B1 (fr) Système diviseur/combineur pour onde hyperféquence
Yao et al. Dielectric nanoaperture metasurfaces in silicon waveguides for efficient and broadband mode conversion with an ultrasmall footprint
EP0995345B1 (fr) Dispositif d'excitation d'un gaz par plasma d'onde de surface
EP2873306B1 (fr) Applicateur micro-onde coaxial pour la production de plasma
Wang et al. Millimetre‐wave design and verification of a meta‐surface dielectric window made of polytetrafluoroethylene in Ka‐and Q‐band
WO2001020710A1 (fr) Diviseur de puissance pour dispositif a plasma
EP0454540A1 (fr) Convertisseur de mode de propagation guidée des ondes électromagnétiques, et tube électronique comportant un tel convertisseur
EP0499514B1 (fr) Dispositif convertisseur de modes et diviseur de puissance pour tube hyperfréquence, et tube hyperfréquence comprenant un tel dispositif
EP0377155A1 (fr) Dispositif rayonnant bifréquence
EP2936537B1 (fr) Générateur de microondes à cathode virtuelle oscillante et à réflecteurs ouverts
FR2501413A1 (fr) Tube a vide du type gyrotron a stabilite elevee
EP0401065A1 (fr) Mode de construction d'une ligne à retard à hélice
WO2009077407A1 (fr) Structure hyperfrequences pour tube microondes avec dispositif de confinement du faisceau a aimants permanents et refroidissement ameliore
EP0475802A1 (fr) Klystron à large bande passante instantanée
FR2563389A1 (fr) Dispositifs amplificateurs et oscillateurs micro-ondes
EP0813223B1 (fr) Dispositif pour engendrer un champ magnétique et source ecr comportant ce dispositif
FR2563390A1 (fr) Dispositifs amplificateurs et oscillateurs micro-ondes
EP1251544B1 (fr) Tube électronique amplificateur hyperfréquence avec fiche d'entrée miniature et procédé de fabrication
FR2543368A1 (fr) Transformateur de modes
FR2597265A1 (fr) Structure de guide d'ondes helicoidale pour un tube a ondes progressives et son procede de fabrication
FR2833748A1 (fr) Tube electronique a collecteur simplifie
Choi et al. Design of an Antireflection Coating for High-efficiency Superconducting Nanowire Single-photon Detectors

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CH DE FR GB IT LI

17P Request for examination filed

Effective date: 19911123

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 19931103