EP2472555A1

EP2472555A1 - Dispositif de génération d'ondes hyperfréquence comprenant une pluralité de magnétrons

Info

Publication number: EP2472555A1
Application number: EP11306793A
Authority: EP
Inventors: Jean-Pierre Brasile; Dominique Fasse; Patrick Sirot; Dominique Jousse
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: FR2970113B1; FR2970113A1; US20120200223A1; EP2472555B1

Abstract

Ce dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence du type comprend une pluralité de magnétrons (12, 14), chaque magnétron (12, 14) comprenant :
- une cathode (20), et
- une anode (22), entourant la cathode (20) et comprenant une surface intérieure (40) délimitant une pluralité de cavités résonnantes (42) réparties suivant sa périphérie.

Le dispositif de génération (10) comprend en outre au moins un guide d'onde (24), le ou chaque guide d'onde (24) s'étendant depuis l'anode (22) d'un magnétron (12, 14) vers l'extérieur dudit magnétron (12, 14). La pluralité de cavités résonnantes (42) de chaque magnétron (12, 14) comprend une pluralité de cavités résonnantes de raccordement (50), ou au moins une cavité résonnante de raccordement (50) et au moins une cavité résonnante de sortie (52).

La ou chaque cavité résonnante de raccordement (50) de chaque magnétron (12, 14) est identique à la ou chaque autre cavité résonnante de raccordement (50) et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), à la ou chaque cavité résonnante de sortie (52) dudit magnétron

Description

La présente invention concerne un dispositif de génération d'ondes hyperfréquence, du type comprenant une pluralité de magnétrons, chaque magnétron comprenant :

une cathode, s'étendant selon un axe longitudinal, et
une anode, entourant la cathode et comprenant une surface intérieure délimitant une pluralité de cavités résonnantes réparties suivant sa périphérie, l'anode comprenant en outre une surface extérieure, opposée à la surface intérieure,

le dispositif de génération comprenant en outre au moins un guide d'onde, le ou chaque guide d'onde s'étendant depuis la surface extérieure de l'anode d'un magnétron vers l'extérieur dudit magnétron, la pluralité de cavités résonnantes de chaque magnétron comprenant une pluralité de cavités résonnantes de raccordement, ou au moins une cavité résonnante de raccordement et au moins une cavité résonnante de sortie, telles que :

la ou chaque cavité résonnante de raccordement comprend une portion de raccordement à une cavité résonnante de raccordement d'un autre magnétron, ladite portion de raccordement débouchant dans la surface extérieure de l'anode,
la ou chaque cavité résonnante de sortie comprend une portion de sortie débouchant dans la surface extérieure de l'anode, en regard d'un guide d'onde.

De tels dispositifs de génération d'ondes hyperfréquence sont connus et sont notamment utilisés dans des systèmes de radar. Le magnétron est un dispositif particulier de génération d'ondes hyperfréquence pour lequel la cathode est portée à un potentiel inférieur à celui de l'anode, et se comporte comme une source d'électrons émettant radialement des électrons en direction de l'anode, dans un espace central entre la cathode et l'anode. Sous l'effet d'un champ magnétique longitudinal, les électrons émis se mettent à tourner transversalement entre la cathode et l'anode, ce qui permet de générer l'onde hyperfréquence par interaction avec les cavités du magnétron.
II est également connu de coupler différents magnétrons entre eux au sein d'un même dispositif de génération d'ondes hyperfréquence, de façon à augmenter la puissance extraite du dispositif. FR 2 462 777 décrit ainsi un tel dispositif de génération d'ondes hyperfréquence.
Cependant, les dispositifs connus n'offrent pas entière satisfaction.
En effet, les dispositifs connus sont conçus pour générer des ondes hyperfréquence à une fréquence prédéterminée, et il est impossible de changer la fréquence des ondes générées par un dispositif sans occasionner un déphasage des magnétrons dudit dispositif entre eux, ce qui provoque un fonctionnement chaotique du dispositif de génération.
Un objectif de l'invention est donc de proposer un dispositif de génération d'ondes hyperfréquence de très forte puissance à rendement optimisé, adapté pour permettre une extraction en phase sur un grand nombre de voies. Un autre objectif de l'invention est de pouvoir, avec un même dispositif de génération, générer des ondes sur un large spectre de fréquence.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de génération d'ondes hyperfréquence du type précité, caractérisé en ce que la ou chaque cavité résonnante de raccordement de chaque magnétron est identique à la ou chaque autre cavité résonnante de raccordement et/ou à la ou chaque cavité résonnante de sortie dudit magnétron.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de génération selon l'invention comprend également l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) :

chaque magnétron comprend un dispositif de réglage de la longueur longitudinale de chaque cavité résonnante, la longueur longitudinale étant définie entre des extrémités longitudinales de la cavité résonnante, le dispositif de réglage comprenant au moins un élément mobile définissant une extrémité longitudinale d'au moins une cavité résonnante,
la pluralité de cavités résonnantes de chaque magnétron comprend une pluralité de cavités résonnantes intermédiaires interposées entre les cavités résonnantes de raccordement ou de sortie, le nombre de cavités résonnantes intermédiaires interposées entre deux cavités résonnantes de raccordement ou de sortie consécutives étant égal pour chaque paire de cavités résonnantes de raccordement ou de sortie consécutives,
la pluralité de cavités résonnantes de chaque magnétron comprend une pluralité de petites cavités résonnantes et une pluralité de grandes cavités résonnantes, la section radiale de chaque petite cavité résonnante étant inférieure à la section radiale de chaque grande cavité résonnante, les grandes cavités résonnantes constituant les cavités résonnantes de raccordement et/ou de sortie, les petites cavités résonnantes constituant les cavités résonnantes intermédiaires,
il comprend un unique focalisateur pour générer un champ magnétique longitudinal dans chacun des magnétrons, le focalisateur s'étendant autour de l'ensemble des magnétrons,
la surface intérieure de l'anode de chaque magnétron définit une pluralité de surfaces annulaires de liaison entre la portion principale et la portion de raccordement ou de sortie de chaque cavité de raccordement ou de sortie, chaque surface annulaire de liaison étant courbe en tout point,
la portion de raccordement de chaque cavité résonnante de raccordement est directement en contact avec la portion de raccordement d'une autre cavité résonnante de raccordement,
l'anode de chaque magnétron est invariante par rotation d'un angle 2π/n autour de l'axe longitudinal de la cathode du magnétron, n étant un entier,
l'anode de chaque magnétron comprend au moins une première partie comprise entre la ou chaque cavité de raccordement et la surface extérieure, et, le cas échéant, au moins une deuxième partie comprise entre la ou chaque cavité résonnante de sortie et la surface extérieure, la ou chaque première partie étant identique à la ou chaque autre première partie et/ou à la ou chaque deuxième partie,
l'anode de chaque magnétron comprend au moins un premier orifice de fixation du magnétron à un autre magnétron, et, le cas échéant, au moins deuxième orifice de fixation d'une bride de liaison d'un guide d'onde à l'anode, le ou chaque premier orifice de fixation étant identique au ou à chaque autre premier orifice de fixation et/ou au ou à chaque deuxième orifice de fixation.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

la Figure 1 est une vue en coupe partielle selon un plan longitudinal du dispositif de génération selon l'invention,
la Figure 2 est une vue en coupe du dispositif, selon un plan radial marqué II-II sur la Figure 1,
la Figure 3 est une vue en perspective d'un élément d'un dispositif de réglage de la longueur des cavités résonnantes du dispositif de la Figure 1,
la Figure 4 est une vue schématique en élévation d'une cathode d'un dispositif de génération, selon une variante de l'invention, et
la Figure 5 est une vue en perspective d'une portion de la cathode de la Figure 4.

Comme visible sur la Figure 1, le dispositif 10 selon l'invention comprend deux magnétrons 12, 14, disposés sensiblement parallèlement l'un à l'autre et accolés l'un contre l'autre, et une pluralité de guides d'onde 24.
Chaque magnétron 12, 14 comprend une cathode 20 et une anode 22 entourant la cathode 20.
Dans la suite, on utilisera les termes d'orientation « longitudinal », « radial » et « transversal », qui s'entendent de la façon suivante :

la cathode 20 de chaque magnétron 12, 14 est allongée suivant la direction longitudinale,
la direction radiale est orientée de la cathode 20 de chaque magnétron 12, 14 vers l'anode 22 du magnétron 12, 14, perpendiculairement à la direction longitudinale, et
la direction transversale est orthogonale aux directions longitudinale et radiale et définit avec la direction radiale un plan radial perpendiculaire à la direction longitudinale.

La cathode 20 du magnétron 12, respectivement du magnétron 14, s'étend selon un axe longitudinal Z, respectivement selon un axe longitudinal Z', d'une première extrémité longitudinale 30 jusqu'à une deuxième extrémité longitudinale 32. Elle est de préférence de révolution autour de l'axe longitudinal Z, Z'.
Chaque cathode 20 comprend une source d'électrons 34 enserrée entre deux doigts tronconiques 35A, 35B. La source d'électrons 34 est typiquement à équidistance des extrémités longitudinales 30, 32 de la cathode 20, formées aux extrémités opposées des doigts 35A, 35B.
La source d'électrons 34 est adaptée pour émettre des électrons. Typiquement, la source d'électrons 34 est adaptée pour émettre des électrons sous l'effet d'un fort champ électrique. La source d'électrons 34 est par exemple un cylindre en tungstène ou, comme représenté en carbone pyrolytique.
La cathode 20 est à un potentiel électrique inférieur au potentiel électrique de l'anode 22, de sorte qu'il existe un champ électrique entre la cathode 20 et l'anode 22, orienté de la cathode 20 vers l'anode 22.
L'anode 22 de chaque magnétron 12, 14 entoure la cathode 20 du magnétron 12, 14. L'anode 22 s'étend sensiblement longitudinalement, co-axialement avec la cathode 20. Elle présente une surface intérieure 40, orientée vers la cathode 20, délimitant une pluralité de cavités résonnantes 42 réparties sur la périphérie de l'anode 22, et une surface extérieure 44, opposée à la surface intérieure 40. L'anode 22 est formée dans un matériau conducteur, typiquement en acier, en graphite ou en cuivre.
Dans l'exemple représenté, l'anode 22 est symétrique par rapport à un plan radial médian, perpendiculaire à l'axe longitudinal Z. Dans une variante préférée de l'invention, la source d'électrons 34 est, comme représenté, située dans le plan radial médian de l'anode 22.
Comme visible sur la Figure 2, l'anode 22 comprend un corps cylindrique 46 et une pluralité d'ailettes 48 s'étendant radialement vers la cathode 20. Le corps cylindrique 46 délimite la surface extérieure 44 et une partie de la surface intérieure 40. Les ailettes 48 font saillie depuis le corps cylindrique 46 vers l'intérieur de l'anode 22 et délimitent une partie de la surface intérieure 40. Les ailettes 48 sont identiques les unes aux autres.
On notera que le terme « cylindrique » est ici à entendre au sens large et couvre aussi bien des cylindres de révolution que des cylindres à section carrée, hexagonale, ou autre.
Chaque cavité 42 débouche dans un espace central 49 sensiblement cylindrique s'étendant au centre de l'anode 22. L'espace central 49 s'étend sensiblement longitudinalement. La cathode 20 est disposée sensiblement au centre de l'espace central 49.
Dans l'exemple représenté, la pluralité de cavités résonnantes 42 de chaque magnétron 12, 14 comprend une pluralité de grandes cavités résonnantes 56 et de petites cavités résonnantes 54, disposées en alternance les unes des autres autour de la cathode 20. La section radiale de chaque petite cavité résonnante 54 est inférieure à la section radiale de chaque grande cavité résonnante 56. De préférence, les petites 54 et les grandes 56 cavités résonnantes ont toutes la même longueur longitudinale I.
Chaque grande cavité 56 est délimitée par deux ailettes 48 et par le corps cylindrique 46. Chaque petite cavité 54 est délimitée à l'intérieur d'une ailette 48 par un orifice radial s'ouvrant en regard de la cathode 20. L'anode 22 présente ainsi une configuration du type « soleil levant » (en anglais « rising sun »). Cette configuration permet de limiter le risque d'oscillations sur des fréquences parasites, et ainsi d'augmenter le rendement du dispositif 10.
Selon une variante, chaque grande cavité 56 constitue une cavité résonnante de raccordement 50 ou de sortie 52, et chaque petite cavité 54 constitue une cavité résonnante intermédiaire. Dans l'exemple représenté, chaque magnétron 12, 14 comprend une unique cavité de raccordement 50 et une pluralité de cavités de sortie 52.
Les cavités 42 sont disposées de sorte que le nombre de cavités intermédiaires 54 disposées entre deux cavités de raccordement 50 ou de sortie 52 consécutives soit égal pour chaque paire de cavités de raccordement 50 ou de sortie 52 consécutives.
Par « paire de cavités de raccordement ou de sortie », on comprend aussi bien une paire constituée d'une cavité de raccordement 50 et d'une cavité de sortie 52, ou de deux cavités de raccordement 50, ou de deux cavités de sortie 52.
La cavité de raccordement 50 comprend une portion principale 50A, délimitée par le corps cylindrique 46 et par deux ailettes 48, et une portion 50B de raccordement à la cavité de raccordement 50 de l'autre magnétron 12, 14. La portion de raccordement 50B s'étend depuis la portion principale 50A vers l'extérieur de l'anode 22, à travers le corps cylindrique 46, et débouche dans la surface extérieure 44. La portion de sortie 50B est constituée d'un orifice radial ménagé dans le corps cylindrique 46 suivant un axe de symétrie radial de la cavité 50.
La surface intérieure 40 de l'anode 22 définit une surface annulaire 51 de liaison entre la portion principale 50A et la portion de raccordement 50B. De préférence, cette surface annulaire 51 est courbe en tout point, c'est-à-dire qu'elle ne présente pas d'arête ou de point saillant, de façon à éviter les risques de claquage.
Dans l'exemple représenté sur les Figures 1 et 2, la portion de raccordement 50B a une section transversale constante. En variante, la portion de raccordement 50B présente une section transversale croissante depuis la face intérieure 40 vers la face extérieure 44.
Chaque portion de raccordement 50B est symétrique par rapport à un plan radial médian de la portion 50B. Dans une variante préférée de l'invention, le plan radial médian de la portion 50B est confondu avec le plan radial médian de l'anode 22.
La portion de raccordement 50B de la cavité de raccordement 50 de chaque magnétron 12, 14 est directement en contact avec la portion de raccordement 50B de la cavité de raccordement 50 de l'autre magnétron 12, 14. En d'autres termes, les magnétrons 12, 14 sont accolés l'un contre l'autre de sorte que la surface extérieure 44 de chaque anode 22 est directement en contact avec la surface extérieure 44 de l'autre anode 22, sans qu'un élément ne soit intercalé entre les deux surfaces extérieures 44. La surface de liaison entre les magnétrons 12, 14 est donc constituée par la surface extérieure 44 de l'anode 22 chaque magnétron 12, 14.
Chaque cavité de sortie 52 comprend une portion principale 52A, délimitée par le corps cylindrique 46 et par deux ailettes 48, et une portion 52B de sortie. La portion de sortie 52B s'étend depuis la portion principale 52A vers l'extérieur de l'anode 22, à travers le corps cylindrique 46, et débouche dans la surface extérieure 44, en regard d'un guide d'onde 24. La portion de sortie 52B est constituée d'un orifice radial ménagé dans le corps cylindrique 46 suivant un axe de symétrie radial de la cavité 52.
La surface intérieure 40 de l'anode 22 définit une surface annulaire 53 de liaison entre la portion principale 52A et la portion de sortie 52B. De préférence, cette surface annulaire 53 est courbe en tout point, c'est-à-dire qu'elle ne présente pas d'arête ou de point saillant, de façon à éviter l'amplification de fréquences d'oscillation parasites.
Dans l'exemple représenté sur les Figures 1 et 2, la portion de sortie 52B a une section transversale constante. En variante, la portion de sortie 52B présente une section transversale croissante depuis la face intérieure 40 vers la face extérieure 44.
Chaque portion de sortie 52B est symétrique par rapport à un plan radial médian de la portion 52B. Dans une variante préférée de l'invention, le plan radial médian de la portion de sortie 52B de chaque cavité de sortie 52 est confondu avec le plan radial médian de la portion de sortie 52B de chaque autre cavité de sortie 52, et avec le plan radial médian de la portion de raccordement 50B de la cavité de raccordement 50.
Aucune cavité intermédiaire 54 ne débouche dans la face extérieure 44.
La cavité de raccordement 50 est identique à chaque cavité de sortie 52 et, de préférence, chaque cavité intermédiaire 54 est identique à chaque autre cavité intermédiaire 54.
L'anode 22 comprend un première partie 58 comprise entre la cavité de raccordement 50 et la surface extérieure 44, et une pluralité de deuxièmes parties 59, chacune étant comprise entre une cavité de sortie 52 et la surface extérieure 44. Chacune desdites première 58 et deuxième 59 parties est constitué par une partie du corps cylindrique 46 s'étendant entre deux ailettes 48 consécutives.
La première partie 58 est identique à chaque deuxième partie 59. Ainsi, le comportement de l'anode 22 vis-à-vis des électrons émis par la source d'électrons 34 est semblable au niveau de la cavité de raccordement 50 comme au niveau de chaque cavité de sortie 52.
En variante, chaque magnétron 12, 14 ne comprend aucune cavité intermédiaire 54, toutes les cavités 42 du magnétron 12, 14 étant alors des cavités de raccordement 50 ou de sortie 52.
De retour à la Figure 1, l'anode 22 comprend également deux anneaux 60 de fermeture longitudinale des cavités 42. Chaque anneau 60 délimite ainsi une extrémité longitudinale de l'anode 22.
De préférence, l'anode 22 de chaque magnétron, respectivement 12, 14, est invariante par rotation d'un angle 2π/n autour de l'axe longitudinal, respectivement Z, Z', où n est le nombre de cavités de raccordement ou de sortie 50, 52.
Chaque guide d'onde 24 s'étend depuis la surface extérieure 44 de l'anode 22 d'un magnétron 12, 14 vers l'extérieur dudit magnétron 12, 14.
Comme visible sur les Figures 1 et 2, l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14 comprend des premiers orifices 66 de fixation du magnétron 12, 14 à l'autre magnétron 12, 14. Chaque premier orifice 66 s'étend sensiblement radialement depuis la surface extérieure 44, sans déboucher dans la surface intérieure 40. Chaque premier orifice 66 est adapté pour recevoir une vis ou une goupille de fixation des magnétrons 12, 14 l'un à l'autre.
Le dispositif de génération 10 comprend également des brides 62 de liaison de chaque guide d'onde 24 à l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14. Chaque bride 62 est adaptée pour maintenir une extrémité d'un guide d'onde 24 en contact contre la face extérieure 44 d'une anode 22.
A cet effet, chaque anode 22 comprend des deuxièmes orifices 64 de fixation des brides 62. Chaque deuxième orifice 64 s'étend sensiblement radialement depuis la surface extérieure 44, sans déboucher dans la surface intérieure 40. Chaque deuxième orifice 64 est adapté pour recevoir une vis ou une goupille de fixation de la bride 62 à l'anode 22.
Chaque premier orifice 66 est identique à chaque deuxième orifice 64.
Comme visible sur la Figure 1, le dispositif de génération 10 comprend également des dispositifs 70 de réglage de la longueur longitudinale I de chaque cavité résonnante 42 de chaque magnétron 12, 14. La longueur longitudinale I de chaque cavité résonnante 42 est définie entre deux extrémités longitudinales 74, 78 de la cavité 42.
Chaque dispositif de réglage 70 comprend un premier élément mobile 72 délimitant une première extrémité longitudinale 74 de chaque cavité résonnante 42 d'un magnétron 12, 14, un deuxième élément mobile 76 délimitant une deuxième extrémité longitudinale 78 de chaque cavité 42 dudit magnétron 12, 14, et des moyens 80, 82 de déplacement longitudinal de chaque élément mobile 72, 76.
En variante, chaque dispositif de réglage 70 comprend un unique élément mobile 72, 76, une extrémité longitudinale 74, 78 de chaque cavité 42 étant alors définie par un anneau 60.
Les moyens de déplacement 80, 82 sont adaptés pour déplacer chaque élément mobile 72, 76 de sorte que chaque cavité résonnante de sortie 52 reste symétrique par rapport au plan radial médian de sa portion de sortie 52B, et que la cavité de raccordement 50 reste symétrique par rapport au plan radial médian de sa portion de raccordement 50B. De préférence, les moyens de déplacement 80, 82 sont adaptés pour déplacer chaque élément mobile 72, 76 de sorte que chaque cavité résonnante 42 reste symétrique par rapport au plan radial médian des portions de sortie 52B.
En variante, les moyens de déplacement 80, 82 sont manoeuvrables indépendamment l'un de l'autre, pour un déplacement indépendant des éléments mobiles 72,76.
Les moyens de déplacement longitudinal 80, 82 de chaque élément mobile 72, 76 sont typiquement formés par une pluralité de systèmes vis-écrou 84, chaque système vis-écrou 84 comprenant une vis 86 entraînée en rotation et collaborant avec un taraudage de l'un des anneaux 60 pour transformer le mouvement de rotation de la vis 86 en un mouvement de translation de celle-ci le long de l'axe Z, Z'. A une extrémité, la vis 86 est solidaire en translation de l'élément mobile 72, 76, de sorte que la translation longitudinale de la vis 86 entraîne la translation de l'élément mobile 72, 76.
De préférence, les moyens de déplacement longitudinal 80, 82 comprennent chacun trois systèmes vis-écrou 84 répartis sur la périphérie de l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14, autour de l'axe longitudinal Z, Z', de façon à ce que l'effort soit réparti de façon homogène sur chaque élément mobile 72, 76.
Dans une variante préférée de l'invention, les moyens de déplacement longitudinal 80, 82 comprennent également un système (non représenté) d'entraînement conjoint des trois vis 86 en rotation, par une courroie. Ainsi, les systèmes vis-écrou 84 sont tous entraînés simultanément, ce qui permet de faire varier simultanément la longueur longitudinale de chaque cavité 42.
La Figure 3 présente l'élément mobile 72. On notera que l'élément mobile 76 est identique à l'élément mobile 72 et que la description donnée ci-dessous est également valable pour l'élément mobile 76.
L'élément mobile 72 comprend une base cylindrique 90, s'étendant longitudinalement, et un collet d'extrémité 92, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la base 90. La base 90 et le collet 92 sont solidaires l'un de l'autre et sont de préférence venus de matière.
La base 90 comprend une pluralité de bras longitudinaux 94 séparés par des fentes longitudinales 96. Les bras 94 sont adaptés pour s'engager dans les cavités 42. Les fentes 96 sont adaptées pour accueillir les ailettes 48.
Le collet 92 est constitué d'une pluralité de panneaux 98. Chaque panneau 98 est lié à un bras 94. Chaque panneau 98 a une forme complémentaire de la section radiale d'une cavité 42. Pour chaque cavité de sortie 52, le panneau 98 associé a une forme complémentaire de la seule partie principale 52A, de la cavité 52.
Comme visible sur les Figures 1 et 2, le dispositif de génération 10 comprend également un unique focalisateur 100, commun aux deux magnétrons 12, 14.
Le focalisateur 100 est adapté pour générer un champ magnétique longitudinal dans chaque magnétron 12, 14, pour provoquer la rotation des électrons émis par la source d'électrons 34. De manière connue, le focalisateur 100 comprend, comme représenté, deux bobines de Helmholtz 102 disposées parallèlement l'une à l'autre, chaque bobine 102 s'étendant dans un plan radial. De façon spécifique, le focalisateur 100 s'étend autour de l'ensemble constitué des deux magnétrons 12, 14, sans qu'une portion du focalisateur 100 ne s'étende entre les magnétrons 12, 14.
Ainsi, le dispositif de génération 10 est allégé, et l'encombrement du dispositif 10 est réduit.
Comme visible sur la Figure 1, le dispositif de génération comprend en outre une source 110 de tension entre la cathode 20 et l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14. La source de tension 110 est adaptée pour établir une différence de potentiel négative entre la cathode 20 et l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14.
Dans l'exemple représenté, chaque cathode 20 est raccordée électriquement à la source de tension 110 par chacune de ses extrémités longitudinales 30, 32 de sorte que le potentiel électrique de chaque extrémité 30, 32 est égal au potentiel électrique de l'autre extrémité 30, 32. La source de tension 110 est ainsi adaptée pour alimenter la cathode 20 en courant par chacune de ces extrémités longitudinales 30, 32. Ainsi, lors du fonctionnement du dispositif de génération 10, le courant circulant entre la première extrémité 30 et la source d'électrons 34 génère un premier champ magnétique transversal dans l'espace central 39, entre la première extrémité 30 et la source d'électrons 34, alors que le courant circulant entre la deuxième extrémité 32 et la source d'électrons 34 génère dans l'espace central 39, entre la deuxième extrémité 32 et la source d'électrons 34, un deuxième champ magnétique transversal, de sens opposé au premier champ magnétique transversal.
La source de tension 110 est de préférence une source de tension continue, de sorte que, en fonctionnement, le potentiel électrique de chaque extrémité 30, 32 de la cathode 20 reste sensiblement constant. La source de tension 110 est adaptée pour établir une différence de potentiel V entre la cathode 20 et l'anode 22 telle que : $V = \sqrt{\frac{P \times R}{η}}$

où P est la puissance de l'onde hyperfréquence générée par le dispositif 10, R est l'impédance électrique du magnétron 12, et η est le rendement du magnétron 12. Typiquement, l'impédance électrique du magnétron est comprise entre 45 et 55 ohms, et le rendement est compris entre 35% et 45%.
La source de tension comprend deux branches (non représentées) d'alimentation d'une extrémité de la cathode 20. Chaque branche s'étend de l'anode 22 jusqu'à une extrémité 30, 32 de la cathode 20. De préférence, chaque branche est électriquement identique à l'autre branche c'est-à-dire que les caractéristiques électriques (impédance, inductance) de chaque branche sont similaires aux caractéristiques électriques de l'autre branche. Ainsi, en fonctionnement, le courant circulant dans chaque branche est sensiblement égal au courant circulant dans l'autre branche, ce qui permet que les champs magnétiques transversaux aient des valeurs sensiblement égales l'une à l'autre.
Dans une variante préférée de l'invention, représenté sur la Figure 1, la source de tension 110 comprend deux générateurs de tension 111, 112.
Chaque générateur de tension 111, 112 comprend une première borne 114 de branchement électrique d'une extrémité longitudinale 30, 32 de la cathode 20 d'un premier magnétron 12, et une deuxième borne 116 de branchement électrique d'une extrémité longitudinale 30, 32 de la cathode 20 du deuxième magnétron 14. Ces deux bornes 114, 116 sont au même potentiel électrique l'une que l'autre.
Chaque extrémité longitudinale 30, 32 de la cathode 20 est raccordée électriquement à la borne 114 d'un générateur de tension 111, 112 via une broche de conduction allongée (non représentée) sensiblement longitudinalement, co-axialement avec la cathode 20. Chaque broche de conduction est isolée de l'anode 22 par une couche isolante 118 la broche de conduction. Chaque couche isolante 118 est typiquement formée par du polyéthylène haute densité, ou par une céramique.
Chaque générateur de tension 111,112 est adapté pour établir une différence de potentiel négative entre le potentiel des anodes 22 et le potentiel de chaque borne 114, 116.
Chaque générateur de tension 111, 112 est adapté pour que sa borne 114, respectivement sa borne 116, soit au même potentiel électrique que la borne 114, respectivement la borne 116, de l'autre générateur de tension 111, 112.
Dans une autre variante, la source de tension 110 est constituée par un unique générateur de tension établissant un différentiel de tension entre deux bornes, les deux extrémités longitudinales 30, 32 de chaque cathode 20 étant raccordées électriquement à une même première borne desdites deux bornes, l'anode 22 de chaque magnétron 12, 14 étant raccordée électriquement à l'autre borne desdites deux bornes.
Dans une troisième variante, une seule extrémité longitudinale 30, 32 de chaque cathode 20 est raccordée à la source de tension 110, l'autre extrémité longitudinale 30, 32 étant typiquement définie par la source d'électrons 34.
Dans une quatrième variante, le dispositif 10 comprend une source de tension spécifique à chaque magnétron 12, 14. Ainsi, il est possible de piloter le potentiel de la cathode 20 d'un magnétron 12, 14 indépendamment de la cathode 20 de l'autre magnétron 12, 14. Cela permet notamment de générer des impulsions d'onde plus longues, en démarrant un magnétron 12, 14 lors de la phase d'arrêt de l'autre magnétron 12, 14. Cela permet également d'accélérer le démarrage de l'un des deux magnétrons 12, 14 en le démarrant peu après l'autre magnétron.
Un exemple de fonctionnement du dispositif 10 va maintenant être décrit, en regard des Figures 1 et 2.
La source de tension 110 établit une différence de potentiel négative entre l'anode 22 et la cathode 20. Cette différence de potentiel génère un champ électrique radial orienté de la cathode 20 vers l'anode 22 et sous l'effet duquel la source d'électrons 34 émet des électrons.
Ces électrons, libérés dans l'espace central 49, sont alors soumis au champ électrique radial et au champ magnétique longitudinal. Sous l'effet de la combinaison de ces deux champs, les électrons tournent sur eux-mêmes et se déplacent transversalement dans l'espace central 49, entre la cathode 20 et l'anode 22. Ce déplacement des électrons génère une onde électromagnétique radiofréquence dans chaque magnétron 12, 14. Cette onde est amplifiée grâce aux cavités résonnantes 42 et est captée pour être utilisée, par exemple pour alimenter une antenne d'arme hyperfréquence, grâce aux guides d'onde 24.
De préférence, chaque magnétron 12, 14 est adapté pour amplifier un mode π de l'onde radiofréquence, c'est-à-dire un mode de l'onde tel que deux cavités résonnante 42 consécutives oscillent en opposition de phase. Du fait de la configuration « rising sun » de chaque magnétron 12, 14, les grandes cavités 56 oscillent ainsi toutes en phase les unes avec les autres et les petites cavités 54 oscillent également toutes en phase les unes avec les autres, chaque grande cavité 56 oscillant en opposition de phase avec chaque petite cavité 54.
En prélevant l'onde radiofréquence au niveau de plusieurs cavités de sortie 52, il est possible d'extraire une plus grande puissance du dispositif 10, tout en gardant une puissance extraite par cavité de sortie 52 relativement faible, ce qui permet de limiter les risques de claquage au niveau de chaque cavité de sortie 52.
Les grandes cavités 56 constituant les cavités de sortie 52 de chaque magnétron 12, 14, la portion de l'onde radiofréquence captée au niveau de chaque guide d'onde 24 de chaque magnétron 12, 14 est ainsi en phase avec la portion de l'onde captée au niveau de chaque autre guide d'onde 24 du magnétron 12, 14. II est ainsi particulièrement aisé de sommer lesdites portions d'onde de façon à reconstituer l'onde radiofréquence sans interférence entre les différentes portions d'onde et donc sans perte de signal.
Cela permet d'augmenter le rendement de chaque magnétron 12, 14.
Le fait que les cavités de raccordement 50 et de sortie 52 de chaque magnétron 12, 14 soient identiques les unes aux autres contribue également à l'augmentation du rendement de chaque magnétron 12, 14.
En outre, la cavité de raccordement 50 de chaque magnétron 12, 14 étant constituée par une grande cavité 56, elle oscille en phase avec chaque cavité de sortie 52 du magnétron 12, 14. Or, les cavités de raccordement 50 des deux magnétrons 12, 14 étant directement en contact l'une avec l'autre à travers leurs portions de raccordement 50B, sans cavité de liaison interposée entre les cavités de raccordement, les deux cavités de raccordement 50 oscillent en phase l'une avec l'autre, quelle que soit la longueur d'onde de l'onde radiofréquence. Ainsi, quelle que soit la longueur d'onde de l'onde radiofréquence, chaque cavité de sortie 52 de chaque magnétron 12, 14 oscille également en phase avec chaque cavité de sortie 52 de l'autre magnétron 12, 14.
Cela permet de réduire les interférences entre les portions d'onde captées au niveau des cavités de sortie 52 des différents magnétrons 12, 14, et ainsi d'augmenter le rendement du dispositif 10.
Cela permet également de faire varier la longueur d'onde de l'onde radiofréquence générée sur une grande plage de longueurs d'onde, sans diminuer le rendement du dispositif 10.
De plus, les dispositifs de réglage 70 permettent de faire varier la longueur d'onde de l'onde radiofréquence, en changeant la longueur longitudinale I des cavités 42.
Comme le dispositif de réglage 70 de chaque magnétron 12, 14 comprend un unique premier élément 72 pour déplacer simultanément la première extrémité longitudinale 74 de chaque cavité résonnante 42, et un unique deuxième élément 76 pour déplacer simultanément la deuxième extrémité 78 de chaque cavité 42, chaque cavité 42 du magnétron 12, 14 présente toujours la même longueur longitudinale que chaque autre cavité 42 du magnétron 12, 14, ce qui évite l'amplification de longueurs d'onde parasites qui réduiraient le rendement du magnétron 12, 14.
En outre, les moyens de déplacement 80, 82 étant adaptés pour que chaque cavité résonnante 42 reste symétrique par rapport au plan radial médian de l'anode 22, l'amplitude de la portion de l'onde radiofréquence captée au niveau de chaque guide d'onde 24 est maximale. Le rendement du dispositif 10 est ainsi amélioré.
Enfin, les premier et deuxième champs magnétiques transversaux, de sens opposés, générés par les courants circulants dans la cathode 20, permettent de confiner les électrons circulant dans l'espace central 39 à proximité du plan radial médian de l'anode 22.
Il est ainsi possible de réduire la longueur longitudinale de l'anode 22 et de réduire l'intensité du champ magnétique longitudinal. Cela a pour conséquence de réduire le poids et l'encombrement de chaque magnétron 12, 14.
Pour finir, grâce à la combinaison de l'alimentation électrique symétrique des cathodes 20 avec les dispositifs de réglage 70, il est possible de faire varier la longueur d'onde de l'onde générée d'une grande valeur avec de relativement petits déplacements des éléments mobiles 72, 76, et donc de faire varier la longueur d'onde de l'onde générée sur une grande plage de longueur d'onde, en conservant un dispositif 10 à l'encombrement réduit.
Dans la variante représentée sur les Figures 4 et 5, la cathode 20 comprend deux portions 120, 121 indépendantes et isolées électriquement l'une de l'autre. Une première portion 120 définit la première extrémité 30 de la cathode 20, et une deuxième portion 121 définit la deuxième extrémité 32 de la cathode 20.
Chaque portion 120, 121, comprend un tronçon d'extrémité cylindrique 122 plein, et un tronçon ajouré 124. Les portions 120, 121 sont disposées tête-bêche, et les tronçons ajourés 124 sont engagés l'un dans l'autre, de sorte qu'ils forment ensemble un tronçon central ajouré 125 de la cathode 20, et que chaque tronçon d'extrémité 122 définit une extrémité longitudinale 30, 32, de la cathode 20.
Le tronçon ajouré 124 de chaque portion 120, 121 comprend une pluralité de barreaux 126 s'étendant longitudinalement depuis une extrémité longitudinale du tronçon d'extrémité 122 vers le tronçon d'extrémité 122 de l'autre portion 120, 121. Chaque barreau 126 est lié par une première extrémité 126a avec le tronçon d'extrémité 122 de la portion 120, 121, la deuxième extrémité 126b de chaque barreau 126 étant libre. Un espace 127 vide est ménagé entre l'extrémité libre 126b de chaque barreau 126 et le tronçon d'extrémité 122 de l'autre portion 120, 121 de la cathode 20.
Chaque barreau 126 s'étend le long de la périphérie de l'anode 20, de sorte que les barreaux 126 définissent ensemble et avec les tronçons d'extrémité 122 une chambre intérieure 128 vide. Chaque barreau 126 définit une portion de la surface extérieure 130 de la cathode 20.
Une fenêtre 132 s'étend entre chaque paire de barreaux 126 consécutifs. Chaque fenêtre 132 débouche dans la surface extérieure 130 et dans la chambre intérieure 128.
Les portions 120, 121 sont disposées de sorte que leurs tronçons ajourés 124 sont entrelacés, c'est-à-dire que chaque barreau 126 de chaque paire de barreaux consécutifs fait partie d'une portion 120, 121 différente de la portion 120, 121 dont fait partie l'autre barreau 126 de ladite paire de barreaux consécutifs.
Comme visible sur la Figure 5, chaque barreau 126 a une section radiale sensiblement trapézoïdale, le petit côté 134 du trapèze étant orienté vers la chambre 128 et le grand côté 136 étant orienté vers l'extérieur.
Ainsi, les deux extrémités 30, 32 de la cathode 20 sont isolées électriquement l'une de l'autre, ce qui permet d'éviter la circulation d'un courant électrique d'une extrémité 30, 32 à l'autre.
En outre, la disposition entrelacée des barreaux 126 de chaque portion 120, 121 permet, à intensité de champ magnétique longitudinal constante, d'augmenter la différence de potentiel entre la cathode 20 et l'anode 22, ce qui permet d'augmenter la puissance de l'onde générée par le dispositif 10 en conservant un dispositif de génération 10 à poids et encombrement réduits.
Enfin, les deux portions 120, 121 constituent ensemble une cathode dite transparente (en anglais « transparent cathode ») qui permet d'accélérer le démarrage du dispositif de génération 10, en accédant notamment plus rapidement à un régime stable de génération d'onde radiofréquence que les cathodes classiques.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, le nombre de magnétrons est de deux. Cependant, ce nombre n'est pas limitatif, et l'invention vise également les dispositifs de génération d'ondes hyperfréquence comprenant un nombre quelconque, supérieur ou égal à trois, de magnétrons. Dans ce cas, certains magnétrons ont un nombre de cavités résonnantes de raccordement supérieur ou égal à deux, et ces cavités résonnantes de raccordement sont alors identiques les unes aux autres.

Claims

Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence comprenant une pluralité de magnétrons (12, 14), chaque magnétron (12, 14) comprenant :
- une cathode (20), s'étendant selon un axe longitudinal (Z, Z'), et

- une anode (22), entourant la cathode (20) et comprenant une surface intérieure (40) délimitant une pluralité de cavités résonnantes (42) réparties suivant sa périphérie, l'anode (22) comprenant en outre une surface extérieure (44), opposée à la surface intérieure (42),
le dispositif de génération (10) comprenant en outre au moins un guide d'onde (24), le ou chaque guide d'onde (24) s'étendant depuis la surface extérieure (44) de l'anode (22) d'un magnétron (12, 14) vers l'extérieur dudit magnétron (12, 14), la pluralité de cavités résonnantes (42) de chaque magnétron (12, 14) comprenant une pluralité de cavités résonnantes de raccordement (50), ou au moins une cavité résonnante de raccordement (50) et au moins une cavité résonnante de sortie (52), telles que :

- la ou chaque cavité résonnante de raccordement (50) comprend une portion (50B) de raccordement à une cavité résonnante de raccordement (50) d'un autre magnétron (12, 14), ladite portion de raccordement (50B) débouchant dans la surface extérieure (44) de l'anode (22),

- la ou chaque cavité résonnante de sortie (52) comprend une portion de sortie (52B) débouchant dans la surface extérieure (44) de l'anode (22), en regard d'un guide d'onde (24),
caractérisé en ce que la ou chaque cavité résonnante de raccordement (50) de chaque magnétron (12, 14) est identique à la ou chaque autre cavité résonnante de raccordement (50) et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), à la ou chaque cavité résonnante de sortie (52) dudit magnétron (12, 14).
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque magnétron (12, 14) comprend un dispositif (70) de réglage de la longueur longitudinale (I) de chaque cavité résonnante (42), la longueur longitudinale (I) étant définie entre des extrémités longitudinales (74, 78) de la cavité résonnante (42), le dispositif de réglage (70) comprenant au moins un élément mobile (72, 76) définissant une extrémité longitudinale (74, 78) d'au moins une cavité résonnante (42).
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la pluralité de cavités résonnantes (42) de chaque magnétron (12, 14) comprend une pluralité de cavités résonnantes intermédiaires (54) interposées entre les cavités résonnantes de raccordement (50) ou de sortie (52), le nombre de cavités résonnantes intermédiaires (54) interposées entre deux cavités résonnantes de raccordement (50) ou de sortie (52) consécutives étant égal pour chaque paire de cavités résonnantes de raccordement (50) ou de sortie (52) consécutives.
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pluralité de cavités résonnantes (42) de chaque magnétron (12, 14) comprend une pluralité de petites cavités résonnantes (54) et une pluralité de grandes cavités résonnantes (56), la section radiale de chaque petite cavité résonnante (54) étant inférieure à la section radiale de chaque grande cavité résonnante (56), les grandes cavités résonnantes (56) constituant les cavités résonnantes de raccordement (50) et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), la ou chaque cavité de sortie (52), les petites cavités résonnantes (54) constituant les cavités résonnantes intermédiaires.
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un unique focalisateur (100) pour générer un champ magnétique longitudinal dans chacun des magnétrons (12, 14), le focalisateur (100) s'étendant autour de l'ensemble des magnétrons (12, 14).
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface intérieure (40) de l'anode (22) de chaque magnétron (12, 14) définit une pluralité de surfaces annulaires de liaison (51, 53) entre la portion principale (50A, 52A) et la portion de raccordement (50B) ou de sortie (52B) de chaque cavité de raccordement (50) ou de sortie (52), chaque surface annulaire de liaison (51, 53) étant courbe en tout point.
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion de raccordement (50B) de chaque cavité résonnante de raccordement (50) est directement en contact avec la portion de raccordement (50B) d'une autre cavité résonnante de raccordement (50).
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (22) de chaque magnétron (12, 14) est invariante par rotation d'un angle 2π/n autour de l'axe longitudinal (Z, Z') de la cathode (20) du magnétron (12, 14), n étant un entier.
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (22) de chaque magnétron (12, 14) comprend au moins une première partie (58) comprise entre la ou chaque cavité de raccordement (50) et la surface extérieure (44), et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), au moins une deuxième partie (59) comprise entre la ou chaque cavité résonnante de sortie (52) et la surface extérieure (44), la ou chaque première partie (58) étant identique à la ou chaque autre première partie (58) et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), à la ou chaque deuxième partie (59).
Dispositif (10) de génération d'ondes hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (22) de chaque magnétron (12, 14) comprend au moins un premier orifice (66) de fixation du magnétron (12, 14) à un autre magnétron (12, 14), et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), au moins un deuxième orifice (64) de fixation d'une bride de liaison (62) d'un guide d'onde (24) à l'anode (22), le ou chaque premier orifice de fixation (66) étant identique au ou à chaque autre premier orifice de fixation (66) et, si ledit magnétron (12, 14) comprend au moins une cavité de sortie (52), au ou à chaque deuxième orifice de fixation (64).