EP1251544A1 - Tube électronique amplificateur hyperfréquence avec fiche d'entrée miniature et procédé de fabrication - Google Patents

Tube électronique amplificateur hyperfréquence avec fiche d'entrée miniature et procédé de fabrication Download PDF

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EP1251544A1
EP1251544A1 EP02290963A EP02290963A EP1251544A1 EP 1251544 A1 EP1251544 A1 EP 1251544A1 EP 02290963 A EP02290963 A EP 02290963A EP 02290963 A EP02290963 A EP 02290963A EP 1251544 A1 EP1251544 A1 EP 1251544A1
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EP
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tube
sheath
magnets
metallization
window
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Alain Thales Intellectual Property Laurent
Gildas Thales Intellectual Property Gauthier
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Thales SA
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Thales SA
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    • H01J25/36—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/38—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field the forward travelling wave being utilised
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/24—Manufacture or joining of vessels, leading-in conductors or bases

Definitions

  • the invention relates to electronic amplifier tubes operating in microwave. It applies more particularly to traveling wave tubes (TOP) also called TWT (from English Wave Tube), and it is therefore about such a tube that it will be described.
  • TOP traveling wave tubes
  • the invention is useful in particular for making small TOPs radials operating at high frequencies (typically 30 GHz). Of such tubes are used for example for the transmission of telecommunication between earth and satellites.
  • a TOP is a vacuum tube using the principle of the interaction between an electron beam and a wave electromagnetic microwave, to transmit to the wave microwave part of the energy contained in the beam of electrons, so as to obtain at the outlet of the tube a microwave wave energy greater than that of the wave injected at the inlet of the tube.
  • Figure 1 recalls the general principle of a TOP.
  • the TOP shown is a propeller TOP, but other types of TOP such as TOP with coupled cavities, TOP with guides folded in meanders, etc., are equally concerned with the invention.
  • TOPs have an elongated tubular sheath 10 in which vacuum is created, with an electron gun at one end 11 emitting an electron beam 12 and, at a second end, a collector 14; the collector collects the electrons which have yielded part of their starting energy to the electromagnetic wave that we want to amplify.
  • the electron beam is substantially cylindrical over most of the length of the tube between the barrel 11 and the manifold 14. This shape cylindrical beam is obtained on the one hand thanks to the shape of the cathode 16 of the barrel (converging cathode in the shape of a bowl), and on the other hand by means of magnetic focusing provided over the entire length sheath between the exit of the electron gun 11 and the entry of the collector 14.
  • These focusing means are annular permanent magnets 18, axially magnetized and magnetized alternately from one magnet to the next; these magnets surround the sheath and are separated from each other by pole pieces 20 with high magnetic permeability.
  • the electron beam changes to inside a helical conductive structure 22 along which flows the microwave electromagnetic wave to be amplified; amplification of microwave energy occurs by interaction between this wave and the electron beam passing through the center of it.
  • the propeller is used to slow down the microwave, in the sense that if the speed of the propagating wave along the helix is substantially the speed of light, the speed of the wave along the axis of the propeller will be only a fraction of the speed of the light ; this fraction is determined by the angular pitch of the propeller.
  • a meander guide or coupled cavities can play the same role of retarder than the propeller.
  • a microwave signal input, 24, is connected to a first end of the propeller, on the side of the electron gun 11, and an outlet signal 26 is provided at a second end of the propeller, on the manifold side 14.
  • Entry 24 of the TOP is most often made up of a form coaxial whose central core is electrically connected to the end of the propeller.
  • the plug is brazed or welded to the tube, and a ceramic window, brazed or soldered into the body of the plug, is intended to seal the vacuum between the inside of the tube (under vacuum) and the outside (in the open air) while allowing the passage of the microwave wave from the outside to the propeller.
  • the exit 26 of the TOP can be constituted by a coaxial plug provided with vacuum sealing means.
  • she can also consist of a section waveguide for example rectangular.
  • a vacuum-tight structure, with a ceramic piece allowing the microwave waves, must in all cases be provided.
  • the microwave signal input and output parts are bulky and difficult to set up.
  • the magnets also pose set-up problems. These difficulties result in particular from the fact that vacuum tubes require brazing operations to ensure sealing at different points, and high steaming operations temperature with pumping, for vacuuming.
  • the operations steaming takes place at temperatures up to, for example, 500 ° C. and for periods of up to several tens of hours.
  • the brazing operations include brazing between pieces of ceramic and pieces of metal, and these solderings are done by passage in an oven at even higher temperatures (780 ° C typically, or more). Magnets cannot normally support these operations and the placement of the magnets must therefore take this into account.
  • the mounting of such a TOP is in principle done in the order of the following steps: installation of the helical structure 22 in the tube sheath, positioning of the pole pieces along the sheath, fitting and soldering on the tube of the input and output plugs, soldering connections between the ends of the propeller and the input and output plugs ; welding of the electron gun on one side, of the collector on the other side; then pumping / steaming the tube to degas the internal parts, closing or sealing the tube when the vacuum is created; then set up permanent magnets in the periodic intervals between rooms polar: each magnet is cylindrical and made up of two half-rings placed around the sheath between two consecutive pole pieces; the half-rings are tightened against each other to reconstitute a cylinder complete, for example thanks to an elastic banding around each magnet.
  • the present invention aims to propose a method of manufacturing and a tube structure which makes production less expensive without deteriorate the quality of the tube produced, and even improve it from the point of view of the regularity of the distribution of the magnetic fields obtained along scabbard.
  • the invention proposes a process for manufacturing vacuum electron tube, in which the tube comprises on the one hand a barrel with electrons capable of emitting an electron beam in the axis of a sheath cylindrical and on the other hand a series of permanent magnets for focusing the beam, distributed around the sheath between a signal input to be amplified and a signal output, this method being characterized in that annular magnets, each made in one piece, these magnets are put on in one piece on the scabbard together with pole pieces between magnets, and we proceed to a pumping / steaming operation of the tube to high temperature in the presence of magnets, for degassing of internal parts of the tube, the magnets being made of a capable material recover most of its magnetization properties after a cycle thermal at the high temperature reached during the operation of Pumping / baking.
  • the high temperature is several hundred degrees, up to around 500 ° C.
  • the electron gun is preferably placed in the sleeve by local welding or brazing. We don't need to pass the tube in a high temperature brazing furnace after installation magnets and before the steaming operation (i.e. the operation of high temperature pumping).
  • the magnets having this resistance at high temperatures can be based on samarium-cobalt including transition metals (copper, iron, zirconium in particular). They are typically made of a material of the Sm 2 X 17 type in particular, or X is a combination of several transition metals, including cobalt, copper, iron and zirconium; they are sold in particular by the company Electron Energy Corporation in Landisville USA and can withstand temperatures up to at least 550 ° C.
  • the invention offers an original tube input / output structure; this structure allows the introduction of monobloc annular magnets after completion solderings which are necessary to ensure both vacuum tightness and the passage of microwave waves at the location of the input structure and of the output structure.
  • input / output structure With the input / output structure according to the invention, it is typically possible to perform all soldering at 780 ° C or more before the placement of the magnets, and this although the magnets are made of single annular piece.
  • input / output structure here is meant a structure allowing the passage of microwave signal between the interior and outside the tube, either at the entrance of the tube or at the exit. The invention applies either to entry, exit, or both.
  • the invention provides a vacuum microwave tube, having an electron gun capable of emitting an electron beam in the axis of a metallic cylindrical sheath which extends between an entry signal to be amplified and an amplified signal output, this tube being characterized in that at least one of the signal input and output includes a dielectric plate forming an energy transmission window microwave, this plate being embedded and brazed in an opening formed in the wall of the sheath, the plate not projecting beyond the outer perimeter of the cylindrical sheath and sealingly sealed empty the said opening.
  • magnets can be put on the sleeve passing over the entry (or exit) window after the soldering operations of this window. The magnets will suffer the temperature but not the soldering temperature (s).
  • the dielectric plate is preferably made up of a tri-plate structure with two dielectric layers and three levels of metallization separated by these two layers; metallizations include a first metallization level comprising (in the direction of the energy propagation) an input conductor, a second level intermediate comprising a metallization connected to an electrical ground and a coupling slot made in this metallization, and a third metallization level comprising an output conductor.
  • the driver input and output conductor each have a part opposite of the coupling slot and the passage of energy is through the slot coupling, between the input conductor and the output conductor.
  • the inlet metallization is outside the tube, and receives a microwave signal to be amplified.
  • the output metallization is located inside the tube and is connected for example to the inlet of a propeller of the TOP or another wave propagation slowdown structure.
  • the realization of the window and the connection between the interior of the tube and the outside is particularly easy. In addition, it allows reduction of dimensions of the entire tube, minimizing space occupied by connections, so this structure can be used advantageously only because of this reduction in dimensions and not only because of the greater ease of manufacturing the tube.
  • the sheet access to the window will in principle be a coaxial plug, the core of which will connected to a metallized part of the plate on the side located outside the tube. But an external connection to a waveguide is also possible.
  • Figure 2 shows an example of construction of TOP at propeller in the prior art.
  • the same references as in Figure 1 are used for the same items. Only the upstream part of the tube is represented.
  • the electron gun is not shown.
  • the barrel is fixed, on the left of the figure, on a metal pole piece 30 which ends the sheath 10.
  • the conductive propeller 22, carried by an insulating structure 23, extends all along the sheath, and is centered with respect to the sheath.
  • the electron gun emits an electron beam centered on the axis of the propeller.
  • the annular magnets 18, each consisting of two half-rings, are evenly distributed throughout the tube and separated by pole pieces 20 made of material with high magnetic permeability. These parts polar 20, fixed before mounting the magnets, are all shown, but only a few 18 magnets were shown to show how they fit, after steaming the tube, in the spaces separating two pole pieces 20 consecutive.
  • the two half-rings constituting a magnet 18 are held in place around the sheath by elastic clips or straps, not shown so as not to weigh down the figure.
  • the microwave wave is brought to the entrance of the tube by a input plug 24, here a coaxial plug.
  • This entry form is located at a end of the sheath, on the side of the electron gun, opposite the end propeller 22.
  • the coaxial input plug comprises a conductive core 25 to inside an envelope 27.
  • the end of the core is generally welded to the upstream end of the propeller to establish a conductive connection for the wave microwave between the core of the plug and the propeller.
  • a microwave window must be provided somewhere in the form.
  • the window is a cylindrical or rectangular dielectric part 32 in ceramic brazed in a vacuum-tight manner inside the plug.
  • the construction may be similar for microwave output.
  • FIG 2 we have not shown the coaxial cable which brings energy to the plug input. This cable is screwed on the end of the plug in a way such that the core of the cable comes into contact with the core of the plug and that the cable envelope comes into contact with the envelope 27 of the plug completely surrounding the dielectric window 32.
  • the window 40 is constituted by a dielectric plate with several metallization levels, of which we see a metallic track upper 42 intended to be electrically connected to the end of the core 38 of the coaxial cable 36.
  • the window seals an opening pierced in the wall of the sheath to the space inside the tube.
  • the window is brazed against the edges of this opening.
  • Notches and / or flats 46 are machined on the outer wall of the sheath to form flat surfaces on which flat surfaces are adapted body 34.
  • the receiving body 34 is for example welded by welding with laser on the wall of the sheath 10, but this welding only occurs in a late manufacturing stage and more precisely, it only occurs after steaming of the tube.
  • the dielectric plate 40 constituting the microwave window is actually preferably made up of two or more several dielectric plates as will be explained later, with interposition of metal layers between the dielectric plates.
  • FIG 3 there is shown at the end of the sheath a section smaller diameter sheath on which a piece can be threaded end polar, not shown, serving to support the barrel electrons (also not shown) and serving as magnetic shielding to prevent any influence of the magnets on the barrel.
  • the pole piece end will be laser welded on the end of the sleeve for example (after threading the magnets 18 and the pole pieces 20).
  • the electron gun will be laser welded for example on this pole piece of support before emptying and drying the tube, the magnets being in place. The soldering at high temperatures not acceptable for the magnets will avoided both for fixing the support piece and for fixing the barrel, and this in order not to damage the magnets in place.
  • FIG. 4 is a section along line A-A 'of FIG. 5.
  • An opening 50 has been formed in the wall of the sheath 10 at level of the upstream end of the propeller 22; this opening makes communicate the interior 52 of the sleeve (interior under vacuum) with the exterior.
  • This opening 50 is sealed off by the microwave window 40.
  • This includes a metallized dielectric plate, with three levels metallization which are respectively an external metallization 42 for the arrival of the input signal, an interior metallization 58 for the signal transmission to the propeller, and a central metallization 64 constituting a ground plan provided with a local demetallization in the form narrow slot 62.
  • the slot is a microwave coupling slot between exterior metallization and interior metallization.
  • the window consists of two dielectric plates 54 and 56 superimposed, all two metallized, one of which may be metallized at least partially on its two faces (the upper plate 56 preferably).
  • Exterior metallization, on the upper dielectric plate 56, constitutes the conductive track 42 already mentioned, intended for the arrival of the input signal. It preferably has an L shape, including a branch (the one which is perpendicular to the longitudinal axis of the sheath, will be connected to the core 38 of the coaxial cable 36 (FIG. 3), and the other branch of which (the one which extends parallel to the sheath) crosses the demetallized slot 62 of the central metallization 64.
  • the length of free branch of L remaining beyond of the intersection with the slot is preferably equal to about a quarter the wavelength of the central operating frequency of the tube, to maximize energy coupling through slot 62.
  • Internal metallization 58 on the lower dielectric plate 54 and located on the inner side of the tube, is connected to the conductive propeller 22 by a conductor 60.
  • This metallization 58 consists of a small area located below of the crossing between the upper track 42 and the central slot 62.
  • the internal metallization 58 and external metallization (42) therefore comprise parts located opposite each other on either side of the slot of coupling 62. Microwave energy can pass from the external conductor to the inner conductor through the slot.
  • the set of two plates rests on a peripheral rim 66 of the wall of the sheath, this rim surrounding the opening 50; the plaque dielectric is soldered on this edge in a vacuum tight manner.
  • one of the two plates projects beyond the other, the wall of the peripheral rim having a corresponding setback, this of so that the central metallization 64 comes directly into contact with the wall of the sheath. This allows the central metallization to be linked to ground potential represented by the sheath, the shield of the coaxial cable also being connected to ground via the receiving body 34.
  • the window thus constituted and brazed in the opening 50 does not extend beyond the circular perimeter of the sleeve and that magnets and pole pieces can be put on the sheath after soldering the window.
  • Figure 6 shows the complete connection between the propeller and the cable coaxial to form the inlet structure of the tube.
  • the flat faces of the receiving body 34 are applied against the sleeve 10, and more precisely against the notches and machined flats in the wall of the sheath (46 in Figure 3).
  • the receiving body 34 is welded, preferably by laser, to the sheath 10 (welding point 70 on the figure 6).
  • the coaxial cable 36 is screwed into the receiving body 34.
  • the core 38 of the coaxial cable passes through the reception body and comes opposite the conductive pad 42; it is welded either directly on this surface or connected by a conductor 68 to this range.
  • the receiving body 34 is in electrical contact with both the outer casing of the coaxial cable 36, with the sheath 10, and with the central metallization 64 of the window microwave.
  • This microwave tube entry structure is little bulky and allows the production of very small tubes, useful for example for TOP working at very high frequencies (30 GHz for example).
  • the outside diameter of the sheath 10 is about 5 millimeters, and the inside diameter about 2 millimeters.

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Abstract

L'invention concerne les tubes hyperfréquences à vide, et plus particulièrement les tubes à ondes progressives. Le tube comporte un canon à électrons capable d'émettre un faisceau d'électrons dans l'axe d'un fourreau cylindrique métallique (10) qui s'étend entre une entrée (24) de signal hyperfréquence à amplifier et une sortie (26) de signal amplifié. L'entrée de signal comprend une plaque diélectrique (40) formant fenêtre de transmission d'énergie hyperfréquence, cette plaque étant encastrée et brasée dans une ouverture ménagée dans la paroi du fourreau, la plaque ne débordant pas au-delà du périmètre extérieur du fourreau cylindrique et fermant de manière étanche au vide la dite ouverture. Une embase (34) de réception de câble coaxial est soudée sur le fourreau et une connexion est faite entre l'âme du câble coaxial et un conducteur d'entrée (42) formé sur la fenêtre (40). Avec une telle fenêtre, on peut enfiler des aimants (18) cylindriques d'une seule pièce sur le fourreau, après brasure de la fenêtre. Les aimants résistent à la température d'étuvage du tube et l'étuvage peut être fait après soudure du canon à électrons et du collecteur du tube. <IMAGE>

Description

L'invention concerne les tubes électroniques amplificateurs fonctionnant en hyperfréquence. Elle s'applique plus particulièrement aux tubes à ondes progressives (TOP) appelés aussi TWT (de l'anglais Traveling Wave Tube), et c'est donc à propos d'un tel tube qu'elle sera décrite. L'invention est utile notamment pour réaliser des TOP de petites dimensions radiales fonctionnant à des fréquences élevées (typiquement 30 GHz). De tels tubes servent par exemple à la transmission de signaux de télécommunication entre la terre et des satellites.
On rappelle sommairement qu'un TOP est un tube à vide utilisant le principe de l'interaction entre un faisceau d'électrons et une onde électromagnétique hyperfréquence, pour transmettre à l'onde hyperfréquence une partie de l'énergie contenue dans le faisceau d'électrons, de manière à obtenir en sortie du tube une onde hyperfréquence d'énergie plus grande que celle de l'onde injectée à l'entrée du tube.
La figure 1 rappelle le principe général d'un TOP. Le TOP représenté est un TOP à hélice, mais d'autres types de TOP tels que les TOP à cavités couplées, les TOP à guides repliés en méandres, etc., sont tout aussi bien concernés par l'invention.
Les TOP comportent un fourreau tubulaire allongé 10 dans lequel le vide est fait, avec à une première extrémité un canon à électrons 11 émettant un faisceau d'électrons 12 et, à une deuxième extrémité, un collecteur 14 ; le collecteur recueille les électrons qui ont cédé une partie de leur énergie de départ à l'onde électromagnétique qu'on veut amplifier. Le faisceau d'électrons est sensiblement cylindrique sur presque toute la longueur du tube entre le canon 11 et le collecteur 14. Cette forme cylindrique de faisceau est obtenue d'une part grâce à la forme de la cathode 16 du canon (cathode convergente en forme de cuvette), et d'autre part grâce à des moyens de focalisation magnétique prévus sur toute la longueur du fourreau entre la sortie du canon à électrons 11 et l'entrée du collecteur 14. Ces moyens de focalisation sont des aimants permanents annulaires 18, aimantés axialement et d'aimantation alternée d'un aimant au suivant ; ces aimants entourent le fourreau et sont séparés les uns des autres par des pièces polaires 20 à forte perméabilité magnétique.
Dans le cas d'un TOP à hélice, le faisceau d'électrons passe à l'intérieur d'une structure conductrice en hélice 22 le long de laquelle circule l'onde électromagnétique hyperfréquence à amplifier ; l'amplification d'énergie hyperfréquence se produit par interaction entre cette onde et le faisceau d'électrons passant au centre de celle-ci. L'hélice sert à ralentir l'onde hyperfréquence, en ce sens que si la vitesse de l'onde qui se propage le long de l'hélice est sensiblement la vitesse de la lumière, la vitesse de l'onde le long de l'axe de l'hélice sera seulement une fraction de la vitesse de la lumière ; cette fraction est déterminée par le pas angulaire de l'hélice. Un guide en méandre ou des cavités couplées peuvent jouer le même rôle de ralentisseur que l'hélice.
Une entrée de signal hyperfréquence, 24, est connectée à une première extrémité de l'hélice, du côté du canon à électrons 11, et une sortie de signal hyperfréquence 26 est prévue à une deuxième extrémité de l'hélice, du côté du collecteur 14.
L'entrée 24 du TOP est le plus souvent constituée par une fiche coaxiale dont l'âme centrale est reliée électriquement à l'extrémité de l'hélice. La fiche est brasée ou soudée au tube, et une fenêtre de céramique, brasée ou soudée dans le corps de la fiche, est prévue pour assurer l'étanchéité au vide entre l'intérieur du tube (sous vide) et l'extérieur (à l'air libre) tout en permettant le passage de l'onde hyperfréquence de l'extérieur vers l'hélice.
De la même manière la sortie 26 du TOP peut être constituée par une fiche coaxiale pourvue de moyens d'étanchéité au vide. Mais elle peut être constituée également par un guide d'onde de section par exemple rectangulaire. Dans la fiche de sortie comme dans la fiche d'entrée, une structure étanche au vide, avec une pièce de céramique laissant passer les ondes hyperfréquences, doit dans tous les cas être prévue.
Les pièces d'entrée et de sortie de signal hyperfréquence sont encombrantes et difficiles à mettre en place. Les aimants posent également des problèmes de mise en place. Ces difficultés résultent notamment du fait que les tubes à vide nécessitent des opérations de brasage pour assurer l'étanchéité en différents points, et des opérations d'étuvage à haute température avec pompage, pour la mise sous vide. Les opérations d'étuvage se font à des températures pouvant atteindre par exemple 500°C et pendant des durées pouvant atteindre plusieurs dizaines d'heures. Les opérations de brasage comprennent notamment des brasages entre des pièces de céramique et des pièces de métal, et ces brasages se font par passage dans un four à des températures encore plus élevées (780°C typiquement, ou plus). Les aimants ne peuvent normalement pas supporter ces opérations et la mise en place des aimants doit donc en tenir compte.
En pratique le montage d'un tel TOP se fait en principe dans l'ordre des étapes suivantes : mise en place de la structure en hélice 22 dans le fourreau du tube, mise en place des pièces polaires le long du fourreau, mise en place et soudure sur le tube des fiches d'entrée et sortie, soudure des connexions entre les extrémités de l'hélice et les fiches d'entrée et sortie ; soudure du canon à électrons d'un côté, du collecteur de l'autre côté ; puis pompage/étuvage du tube pour assurer le dégazage des pièces internes, fermeture ou scellement du tube lorsque le vide est fait ; puis mise en place des aimants permanents dans les intervalles périodiques entre pièces polaires : chaque aimant est cylindrique et constitué de deux demi-anneaux placés autour du fourreau entre deux pièces polaires consécutives ; les demi-anneaux sont serrés l'un contre l'autre pour reconstituer un cylindre complet, par exemple grâce à un cerclage élastique autour de chaque aimant.
Etant donné que le bon fonctionnement du TOP repose sur la qualité du champ magnétique alternatif axial à l'intérieur de l'hélice, et que cette qualité dépend de celle des aimants permanents, on est souvent obligé de procéder ensuite à des réglages extérieurs manuels en collant ici ou là des pièces magnétiques supplémentaires qui corrigent d'une manière empirique les irrégularités de répartition du champ magnétique.
Globalement, il faut retenir de cette description que la fabrication de tels tubes est une opération difficile et coûteuse.
La présente invention vise à proposer un procédé de fabrication et une structure de tube qui rendent la réalisation moins coûteuse sans détériorer la qualité du tube réalisé, et même en l'améliorant du point de vue de la régularité de la distribution des champs magnétiques obtenus le long du fourreau.
Pour y parvenir l'invention propose un procédé de fabrication de tube électronique à vide, dans lequel le tube comporte d'une part un canon à électrons capable d'émettre un faisceau d'électrons dans l'axe d'un fourreau cylindrique et d'autre part une série d'aimants permanents de focalisation du faisceau, répartis autour du fourreau entre une entrée de signal à amplifier et une sortie de signal, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on utilise des aimants annulaires réalisés chacun d'une seule pièce, on enfile ces aimants d'une seule pièce sur le fourreau en même temps que des pièces polaires entre aimants, et on procède à une opération de pompage/étuvage du tube à haute température en présence des aimants, en vue du dégazage des pièces internes du tube, les aimants étant réalisés en un matériau capable de retrouver l'essentiel de ses propriétés d'aimantation après un cycle thermique à la haute température atteinte lors de l'opération de pompage/étuvage.
La haute température est de plusieurs centaines de degrés, jusqu'à environ 500°C.
Le canon à électrons est de préférence mis en place dans le fourreau par une soudure ou un brasage local. On n'a pas besoin de passer le tube dans un four de brasage à haute température après mise en place des aimants et avant l'opération d'étuvage (c'est-à-dire l'opération de pompage à haute température).
Cette utilisation d'aimants étuvables à plusieurs centaines de degrés celsius permet d'éviter d'avoir à couper en deux les aimants annulaires pour les assembler ensuite autour du fourreau ; dans la technique antérieure, l'assemblage de deux demi-aimants annulaires détériorait la qualité du champ magnétique de focalisation présent à l'intérieur de l'hélice et obligeait à faire des corrections empiriques et parfois fastidieuses après fabrication, lors des essais du tube.
Les aimants ayant cette tenue aux hautes températures peuvent être à base de samarium-cobalt incluant des métaux de transition (cuivre, fer, zirconium notamment). Ils sont typiquement en un matériau du type Sm2X17 notamment, ou X est une combinaison de plusieurs métaux de transition, incluant le cobalt, le cuivre, le fer et le zirconium ; ils sont vendus notamment par la société Electron Energy Corporation à Landisville USA et peuvent supporter des températures jusqu'à 550°C au moins.
Pour utiliser au mieux ce procédé de fabrication, l'invention propose une structure d'entrée/sortie de tube originale ; cette structure permet l'introduction des aimants annulaires monobloc après la réalisation des brasages qui sont nécessaires pour assurer à la fois l'étanchéité au vide et le passage des ondes hyperfréquence à l'endroit de la structure d'entrée et de la structure de sortie. Avec la structure d'entrée/sortie selon l'invention, il est possible de réaliser typiquement tous les brasages à 780°C ou plus avant la mise en place des aimants, et ceci bien que les aimants soient faits d'une seule pièce annulaire. Par structure d'entrée/sortie, on entend ici une structure permettant le passage de signal hyperfréquence entre l'intérieur et l'extérieur du tube, soit à l'entrée du tube, soit à la sortie. L'invention s'applique soit à l'entrée, soit à la sortie, soit aux deux.
Ainsi, l'invention propose un tube hyperfréquence à vide, comportant un canon à électrons capable d'émettre un faisceau d'électrons dans l'axe d'un fourreau cylindrique métallique qui s'étend entre une entrée de signal hyperfréquence à amplifier et une sortie de signal amplifié, ce tube étant caractérisé en ce que l'une au moins de l'entrée et de la sortie de signal comprend une plaque diélectrique formant fenêtre de transmission d'énergie hyperfréquence, cette plaque étant encastrée et brasée dans une ouverture ménagée dans la paroi du fourreau, la plaque ne débordant pas au delà du périmètre extérieur du fourreau cylindrique et fermant de manière étanche au vide la dite ouverture. De cette manière, des aimants peuvent être enfilés sur le fourreau en passant par dessus la fenêtre d'entrée (ou de sortie) après les opérations de brasage de cette fenêtre. Les aimants subiront la température d'étuvage, mais pas la ou les températures de brasage.
La plaque diélectrique est de préférence constituée en une structure tri-plaque à deux couches diélectriques et trois niveaux de métallisation séparés par ces deux couches ; les métallisations comprennent un premier niveau de métallisation comprenant (dans le sens de la propagation de l'énergie) un conducteur d'entrée, un deuxième niveau intermédiaire comprenant une métallisation reliée à une masse électrique et une fente de couplage ménagée dans cette métallisation, et un troisième niveau de métallisation comprenant un conducteur de sortie. Le conducteur d'entrée et le conducteur de sortie comportent chacun une partie en regard de la fente de couplage et le passage d'énergie se fait par la fente de couplage, entre le conducteur d'entrée et le conducteur de sortie.
Si la structure selon l'invention se situe à l'entrée du tube, ce qui sera le cas le plus fréquent, la métallisation d'entrée est à l'extérieur du tube, et reçoit un signal hyperfréquence à amplifier. La métallisation de sortie est située à l'intérieur du tube et est reliée par exemple à l'entrée d'une hélice du TOP ou d'une autre structure de ralentissement de propagation d'onde.
Avec cette structure d'entrée ou de sortie, on peut glisser les aimants sur le fourreau après avoir brasé sur celui-ci les plaques diélectriques constituant des fenêtres de transmission étanches au vide, après quoi, avant ou après étuvage du tube, on soude une fiche d'accès à la fenêtre (par exemple une fiche coaxiale soudée au laser).
La réalisation de la fenêtre et de la connexion entre l'intérieur du tube et l'extérieur est particulièrement facile. De plus, elle permet une réduction de dimensions de l'ensemble du tube, en minimisant la place occupée par les connexions, de sorte que cette structure peut être utilisée avantageusement uniquement en raison de cette réduction de dimensions et pas seulement en raison de la plus grande facilité de fabrication du tube.
Dans le cas général, c'est surtout l'entrée de signal hyperfréquence qu'il pourra être utile de réaliser de cette manière. La fiche d'accès à la fenêtre sera en principe une fiche coaxiale, dont l'âme sera reliée à une partie métallisée de la plaque du côté situé à l'extérieur du tube. Mais une connexion extérieure à un guide d'onde est également possible.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1, déjà décrite, représente la structure générale d'un TOP;
  • la figure 2 représente une réalisation pratique de l'entrée d'un TOP de l'art antérieur ;
  • la figure 3 représente en perspective la structure générale d'entrée du tube selon l'invention ;
  • la figure 4 représente une vue en coupe de la structure d'entrée ;
  • la figure 5 représente une vue de dessus ;
  • la figure 6 représente en coupe la structure d'entrée à laquelle est raccordée une fiche coaxiale.
La figure 2 représente un exemple de construction de TOP à hélice dans l'art antérieur. Les mêmes références qu'à la figure 1 sont utilisées pour les mêmes éléments. Seule la partie amont du tube est représentée. Le canon à électrons n'est pas représenté. Le canon est fixé, sur la gauche de la figure, sur une pièce polaire métallique 30 qui termine le fourreau 10. L'hélice conductrice 22, portée par une structure isolante 23, s'étend tout le long du fourreau, et est centrée par rapport au fourreau. Le canon à électrons émet un faisceau d'électrons centré dans l'axe de l'hélice.
Les aimants annulaires 18, chacun constitué par deux demi-anneau, sont répartis régulièrement tout au long du tube et séparés par des pièces polaires 20 en matériau à forte perméabilité magnétique. Ces pièces polaires 20, fixées préalablement au montage des aimants, sont toutes représentées, mais seuls quelques aimants 18 ont été représentés pour montrer comment ils s'insèrent, après étuvage du tube, dans les espaces séparant deux pièces polaires 20 consécutives. Les deux demi-anneaux constituant un aimant 18 sont maintenus en place autour du fourreau par des clips ou cerclages élastiques, non représentés pour ne pas alourdir la figure.
L'onde hyperfréquence est amenée à l'entrée du tube par une fiche d'entrée 24, ici une fiche coaxiale. Cette fiche d'entrée est située à une extrémité du fourreau, du côté du canon à électrons, en regard de l'extrémité de l'hélice 22.
La fiche d'entrée coaxiale comporte une âme conductrice 25 à l'intérieur d'une enveloppe 27. L'extrémité de l'âme est en général soudée à l'extrémité amont de l'hélice pour établir une liaison conductrice pour l'onde hyperfréquence entre l'âme de la fiche et l'hélice. Dans tous les cas, une fenêtre hyperfréquence doit être prévue quelque part dans la fiche. La fenêtre est une pièce diélectrique cylindrique ou rectangulaire 32 en céramique brasée d'une manière étanche au vide à l'intérieur de la fiche. La construction peut être similaire pour la sortie hyperfréquence. Sur la figure 2 on n'a pas représenté le câble coaxial qui amène l'énergie vers la fiche d'entrée. Ce câble vient se visser sur l'extrémité de la fiche d'une manière telle que l'âme du câble vienne en contact avec l'âme de la fiche et que l'enveloppe du câble vienne en contact avec l'enveloppe 27 de la fiche en entourant complètement la fenêtre diélectrique 32.
La figure 3 représente une vue générale du montage d'entrée du tube selon l'invention. La vue est représentée partiellement éclatée en trois éléments :
  • le fourreau 10 avec une fenêtre de transmission hyperfréquence 40, étanche au vide, intégrée à l'intérieur du périmètre du cylindre constituant le fourreau de sorte qu'aucun élément de la fenêtre ne dépasse de ce périmètre ; un aimant 18 ou une pièce polaire 20 peuvent ainsi être enfilés sur le fourreau en passant par-dessus la fenêtre ;
  • un corps 34 de réception de câble coaxial, destiné à être soudé à la paroi du fourreau au niveau de la fenêtre d'entrée ;
  • et une extrémité de câble coaxial 36, destinée à être vissée dans le corps de réception 34.
La fenêtre 40 est constituée par une plaque diélectrique à plusieurs niveaux de métallisation, dont on voit une piste métallique supérieure 42 destinée à être reliée électriquement à l'extrémité de l'âme 38 du câble coaxial 36. La fenêtre obture de manière étanche une ouverture percée dans la paroi du fourreau jusqu'à l'espace intérieur au tube. La fenêtre est brasée contre les bords de cette ouverture. Des encoches et/ou des méplats 46 sont usinés sur la paroi extérieure du fourreau pour former des surfaces planes sur lesquelles viennent s'adapter des surfaces planes correspondantes du corps 34.
Le corps de réception 34 est par exemple soudé par soudure au laser sur la paroi du fourreau 10, mais cette soudure n'intervient que dans une étape tardive de fabrication et plus précisément, elle n'intervient qu'après étuvage du tube.
La plaque diélectrique 40 constituant la fenêtre hyperfréquence est en réalité constituée de préférence par une superposition de deux ou plusieurs plaques diélectriques comme on l'expliquera plus loin, avec interposition de couches métalliques entre les plaques diélectriques.
Sur la figure 3, on a représenté en bout de fourreau une section de fourreau à diamètre plus faible sur laquelle on peut enfiler une pièce polaire d'extrémité, non représentée, servant de support au canon à électrons (également non représenté) et servant de blindage magnétique pour empêcher toute influence des aimants sur le canon. La pièce polaire d'extrémité sera soudée par exemple au laser sur l'extrémité du fourreau (après enfilage des aimants 18 et des pièces polaires 20). De même, le canon à électrons sera soudé par exemple au laser sur cette pièce polaire de support avant de vider et étuver le tube, les aimants étant en place. Les brasures à hautes températures non acceptables pour les aimants seront évitées aussi bien pour fixer la pièce de support que pour fixer le canon, et ceci afin de ne pas détériorer les aimants en place.
La figure 4 et la figure 5, respectivement en coupe et en vue de dessus, représentent plus en détail la constitution de la fenêtre hyperfréquence 40 encastrée à l'intérieur du périmètre extérieur du fourreau. La figure 4 est une coupe selon la ligne A-A' de la figure 5.
Une ouverture 50 a été formée dans la paroi du fourreau 10 au niveau de l'extrémité amont de l'hélice 22 ; cette ouverture fait communiquer l'intérieur 52 du fourreau (intérieur sous vide) avec l'extérieur. Cette ouverture 50 est obturée de manière étanche par la fenêtre hyperfréquence 40. Celle-ci comprend une plaque diélectrique métallisée, avec trois niveaux de métallisation qui sont respectivement une métallisation extérieure 42 pour l'arrivée du signal d'entrée, une métallisation intérieure 58 pour la transmission de signal vers l'hélice, et une métallisation centrale 64 constituant un plan de masse pourvu d'une démétallisation locale en forme de fente étroite 62. La fente est une fente de couplage hyperfréquence entre la métallisation extérieure et la métallisation intérieure. En pratique, la fenêtre est constituée de deux plaques diélectriques 54 et 56 superposées, toutes deux métallisées, l'une pouvant être métallisée au moins partiellement sur ses deux faces (la plaque supérieure 56 de préférence).
La métallisation extérieure, sur la plaque diélectrique supérieure 56, constitue la piste conductrice 42 déjà mentionnée, destinée à l'arrivée du signal d'entrée. Elle a de préférence une forme en L, dont une branche (celle qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du fourreau, sera reliée à l'âme 38 du câble coaxial 36 (figure 3), et dont l'autre branche (celle qui s'étend parallèlement au fourreau) croise la fente démétallisée 62 de la métallisation centrale 64. La longueur de branche libre du L subsistant au-delà du croisement avec la fente est de préférence égale à environ un quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de fonctionnement du tube, pour maximiser le couplage d'énergie à travers la fente 62.
La métallisation interne 58, sur la plaque diélectrique inférieure 54 et située du côté intérieur au tube, est reliée à l'hélice conductrice 22 par un conducteur 60. Cette métallisation 58 consiste en une petite zone située au-dessous du croisement entre la piste supérieure 42 et la fente centrale 62. La métallisation interne 58 et la métallisation extérieure (42) comprennent donc des parties situées en regard l'une de l'autre de part et d'autre de la fente de couplage 62. L'énergie hyperfréquence peut passer du conducteur extérieur au conducteur intérieur à travers la fente.
L'ensemble des deux plaques repose sur un rebord périphérique 66 de la paroi du fourreau, ce rebord entourant l'ouverture 50 ; la plaque diélectrique est brasée sur ce rebord d'une manière étanche au vide. De préférence l'une des deux plaques déborde par rapport à l'autre, la paroi du rebord périphérique présentant un décrochement correspondant, ceci de manière que la métallisation centrale 64 vienne directement en contact avec la paroi du fourreau. Ceci permet de relier la métallisation centrale au potentiel de masse représenté par le fourreau, le blindage du câble coaxial étant lui aussi relié à la masse par l'intermédiaire du corps de réception 34.
On voit clairement sur la figure 4 que la fenêtre ainsi constituée et brasée dans l'ouverture 50 ne déborde pas du périmètre circulaire du fourreau et que des aimants et pièces polaires pourront être enfilés sur le fourreau après brasure de la fenêtre.
La plaque diélectrique métallisée constituant la fenêtre d'entrée peut être constituée
  • soit par une superposition de deux plaques diélectriques métallisées ; la métallisation centrale peut être déposée sur la surface inférieure de la plaque supérieure ; elle peut également être formée par une plaquette de métal découpée indépendante des plaques diélectriques et situées entre ces plaques.
  • soit par une structure de céramique à couches métallisées sérigraphiées, superposées et cocuites.
La figure 6 montre la liaison complète entre l'hélice et le câble coaxial pour former la structure d'entrée du tube.
Les faces planes du corps de réception 34, sont appliquées contre le fourreau 10, et plus précisément contre les encoches et méplats usinés dans la paroi du fourreau (46 sur la figure 3). Le corps de réception 34 est soudé, de préférence au laser, sur le fourreau 10 (point de soudure 70 sur la figure 6). Le câble coaxial 36 est vissé dans le corps de réception 34. L'âme 38 du câble coaxial traverse le corps de réception et vient en regard de la plage conductrice 42 ; elle est soudée soit directement sur cette plage soit reliée par un conducteur 68 à cette plage. Le corps de réception 34 est en contact électrique à la fois avec l'enveloppe extérieure du câble coaxial 36, avec le fourreau 10, et avec la métallisation centrale 64 de la fenêtre hyperfréquence.
Cette structure d'entrée de tube hyperfréquence est peu encombrante et permet la réalisation de tubes de très petites dimensions, utiles par exemple pour des TOP travaillant à fréquences très élevées (30 GHz par exemple). A titre d'exemple, le diamètre extérieur du fourreau 10 est d'environ 5 millimètres, et le diamètre intérieur environ 2 millimètres.
Le procédé de fabrication du tube pourra être le suivant, les sous-ensembles tels que le fourreau avec son ouverture 50, l'hélice, le canon à électrons, le collecteur, les pièces polaires, etc., étant considérés comme fabriqués avant les opérations qui suivent :
  • brasure de la fenêtre dans l'ouverture 50 du fourreau (température d'au moins 780°C par exemple) ;
  • mise en place de l'hélice dans le fourreau, et soudure de l'extrémité de l'hélice à la plage conductrice intérieure 58 ;
  • enfilage des aimants monoblocs cylindriques sur le fourreau, alternés avec des pièces polaires également enfilées sur le fourreau ; cette opération peut intervenir avant mise en place de l'hélice ;
  • soudure au laser du collecteur et du canon à électrons (ou de l'un des deux seulement si l'autre avait déjà été soudé ou brasé avant l'enfilage des aimants) ;
  • étuvage du tube pendant plusieurs heures à une température de 500° C environ, puis fermeture de l'ouverture de pompage ;
  • soudure au laser du corps de réception 34 du câble coaxial ; toutefois, cette soudure peut être faite avant l'étuvage, et plus précisément entre l'enfilage des aimants et l'étuvage ;
  • soudure de l'âme du câble coaxial sur le conducteur d'entrée 42 de la fenêtre d'entrée.

Claims (8)

  1. Procédé de fabrication de tube électronique à vide, dans lequel le tube comporte d'une part un canon à électrons capable d'émettre un faisceau d'électrons dans l'axe d'un fourreau cylindrique (10) et d'autre part une série d'aimants permanents (18) pour la focalisation du faisceau, répartis autour du fourreau entre une entrée (24) de signal à amplifier et une sortie (26) de signal, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on utilise des aimants annulaires réalisés chacun d'une seule pièce, on enfile ces aimants d'une seule pièce sur le fourreau en même temps que des pièces polaires (20) entre aimants, et on procède à une opération de pompage/étuvage du tube à haute température en présence des aimants, en vue du dégazage des pièces internes du tube, les aimants étant réalisés en un matériau capable de retrouver l'essentiel de ses propriétés d'aimantation après un cycle thermique à la haute température de pompage/étuvage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la haute température est de plusieurs centaines de degrés, jusqu'à environ 500°C.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le canon à électrons est mis en place par une soudure à une température qui n'excède pas la température d'étuvage.
  4. Tube hyperfréquence à vide, comportant un canon à électrons capable d'émettre un faisceau d'électrons dans l'axe d'un fourreau cylindrique métallique (10) qui s'étend entre une entrée (24) de signal hyperfréquence à amplifier et une sortie (26) de signal amplifié, ce tube étant caractérisé en ce que l'une au moins de l'entrée et de la sortie de signal comprend une plaque diélectrique (40) formant fenêtre de transmission d'énergie hyperfréquence, cette plaque étant encastrée et brasée dans une ouverture (50) ménagée dans la paroi du fourreau, la plaque ne débordant pas au-delà du périmètre extérieur du fourreau cylindrique et fermant de manière étanche au vide la dite ouverture.
  5. Tube selon la revendication 4, caractérisé en ce que des aimants cylindriques monobloc (18) entourent le fourreau.
  6. Tube selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la plaque diélectrique est constituée en une structure tri-plaque à deux couches diélectriques (54, 56) et trois niveaux de métallisation (42, 58, 64) séparés par ces deux couches diélectriques.
  7. Tube selon la revendication 6, caractérisé en ce que les métallisations comprennent un premier niveau de métallisation comprenant un conducteur d'entrée, un deuxième niveau intermédiaire comprenant une métallisation reliée à une masse électrique et une fente de couplage (62) ménagée dans cette métallisation, et un troisième niveau de métallisation comprenant un conducteur de sortie, le conducteur d'entrée et le conducteur de sortie comportant chacun une partie en regard de la fente de couplage et le passage d'énergie se faisant par la fente de couplage, entre le conducteur d'entrée et le conducteur de sortie.
  8. Tube selon la revendication 7, caractérisé en ce que la fenêtre est une fenêtre d'entrée de signal du tube, le premier niveau de métallisation étant une métallisation extérieure au tube et le troisième niveau étant une métallisation intérieure au tube, reliée à une structure de ralentissement de propagation d'onde, telle qu'une hélice.
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