EP2743962A2 - Générateur d'ondes hyperfréquences et procédé de génération d'ondes associé - Google Patents

Générateur d'ondes hyperfréquences et procédé de génération d'ondes associé Download PDF

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EP2743962A2
EP2743962A2 EP13194816.8A EP13194816A EP2743962A2 EP 2743962 A2 EP2743962 A2 EP 2743962A2 EP 13194816 A EP13194816 A EP 13194816A EP 2743962 A2 EP2743962 A2 EP 2743962A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
cathode
anode
tube
generator
Prior art date
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Pending
Application number
EP13194816.8A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP2743962A3 (fr
Inventor
Jean-Pierre Brasile
Anne-Sophie Chauchat
Dominique Jousse
Patrick Sirot
Dominique Fasse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP2743962A2 publication Critical patent/EP2743962A2/fr
Publication of EP2743962A3 publication Critical patent/EP2743962A3/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/50—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field
    • H01J25/52—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode
    • H01J25/58—Magnetrons, i.e. tubes with a magnet system producing an H-field crossing the E-field with an electron space having a shape that does not prevent any electron from moving completely around the cathode or guide electrode having a number of resonators; having a composite resonator, e.g. a helix
    • H01J25/587—Multi-cavity magnetrons

Definitions

  • the present invention relates to a microwave generator comprising a microwave generator, comprising a microwave generation tube extending along a longitudinal axis, comprising a cathode extending along the axis, an anode s' extending along the axis and radially surrounding the cathode, a cavity delimited by the cathode and the anode, and a voltage source for establishing a potential difference between the cathode and the anode, the cathode being adapted to emit electrons to inside the cavity when the tube is supplied with electrical energy.
  • the invention also relates to the method of generating microwave waves using the generator.
  • Microwave wave generators are known and are used in different systems, such as radar systems or electromagnetic weapons.
  • Electromagnetic weapons preferentially require high powers.
  • the known generators do not allow the emission of electromagnetic waves over long periods of time and are slow to start, which does not allow to use them to emit close pulses.
  • the result is poor coupling between the target and the generator, which reduces the efficiency of the generator.
  • coupling is meant an interaction between the frequencies of the target and the generator. The more important this interaction is, the better the coupling.
  • a microwave generator comprising a microwave generation tube extending along a longitudinal axis.
  • the tube includes an axially extending cathode, an anode extending axially and radially surrounding the cathode, a cavity defined by the cathode and the anode, and a voltage source for establishing a potential difference. between the cathode and the anode, the cathode being adapted to emit electrons inside the cavity when the tube is supplied with electrical energy.
  • the section of the cavity transversely to the axis varies along the axis.
  • the invention also relates to a method for generating an electromagnetic wave having a plurality of frequencies by means of a generator as described above, the generator comprising an electromagnetic wave source connected to the tube.
  • the process comprises the successive steps supplying the tube with electrical energy and emitting an electromagnetic wave from the source (14) to the tube (12).
  • the microwave wave generator 10 shown in FIG. figure 1 , comprises a microwave generation tube 12 called tube 12 in the following.
  • the generator 10 also comprises a source 14 of electromagnetic waves, different from the tube 12 and a plurality of extractors 16 of electromagnetic waves out of the tube 12.
  • the tube 12 comprises a cathode 18.
  • the cathode 18 is a truncated cone of revolution about a longitudinal axis L perpendicular to the plane of the figure 1 , the cathode 18 extending between a first base 20 and a second base 22.
  • the first base 20 is a disk having a first ray radius R C1 .
  • the second base 22 is a disc having as radius a second radius R C2 .
  • the first radius R C1 is greater than the second radius R C2.
  • the bases 20 and 22 are, in addition, in transverse planes perpendicular to the axis L.
  • the cathode 18 is delimited by a lateral wall 24 converging towards the axis L of the first base 20 towards the second base 22 along the axis L, ie from the left to the right on the figure 2 .
  • the wall 24 of the cathode 18 is characterized by a first average transverse distance d T1moy from the wall 24 to the axis L.
  • a mean transverse distance is defined as the arithmetic mean of the transverse distances of a point of the wall 24 to the axis L for each transverse plane perpendicular to the axis L when this point exists in the transverse plane considered.
  • the first average transverse distance d T1moy evolves linearly from the first radius R C1 to the second radius R C2 .
  • the cathode 18 comprises a material capable of emitting electrons under the effect of an electric field, while having a good conductivity, such as copper or pyrolytic carbon.
  • the tube 12 also comprises an anode 26.
  • the anode 26 also extends along the axis L and radially surrounds the cathode 18.
  • the anode 26 and the cathode 18 thus delimit between them a cavity 28.
  • the anode 26 is of cylindrical shape and comprises a body 30, oriented along the axis L and a certain number of fins (four on the figure 1 ) 32 extending radially from the body 30 to the cathode 18.
  • the term "cylindrical” is to be understood in the broad sense and covers both cylinders of revolution that cylinders square, hexagonal, or other.
  • the fins 32 are equidistributed angularly around the axis L.
  • the fins 32 also have the same shape.
  • a fin 32 is derived from a neighboring fin 32 by a rotation of an angle about the axis L (90 ° on the figure 1 ).
  • the fins 32 delimit with the body 30 a plurality of cavities 38, 40 resonating each opening into a substantially cylindrical central space 42 extending in the center of the anode 26.
  • the cavities 38, 40 and the central space 42 together constitute the cavity 28.
  • the cathode 18 is disposed in the center of the central space 42.
  • the plurality of cavities 38, 40 comprises a plurality of large cavities 38 and small cavities 40.
  • each small cavity 40 is smaller than the cross section of each large cavity 38.
  • small cavities 40 and large cavities 38 all have the same longitudinal length along the axis L.
  • the tube 12 has a number of large cavities 38 (four on the figure 1 ) and small cavities 40 (four on the figure 1 ).
  • the large cavities 38 and the small cavities 40 are alternately arranged around each other around the cathode 18. As the cavity 28 is traversed radially around the axis L, it appears that each large cavity 38 is surrounded by two small cavities 40 .
  • each large cavity 38 is equidistant from the two small cavities 40 which are adjacent to it.
  • Each large cavity 38 is delimited by two fins 32 and by the body 30.
  • Each small cavity 40 is delimited inside a fin 32 by a radial opening opening facing the cathode 18. The small cavities 40 do not open into the outer surface 36 of the anode 26.
  • the anode 26 thus has a configuration of the type “rising sun” (also referred to as “rising sun”). This configuration makes it possible to limit the risk of occurrence of oscillations on parasitic frequencies, and to increase the efficiency of the tube 12.
  • the cavities 38, 40 are all identical to each other. This variant is particularly advantageous when the number of cavities 38, 40 is reduced (typically six cavities), because then the risk of occurrence of oscillations on parasitic frequencies is greatly reduced.
  • the inner surface 34 of the anode 26 is characterized by a second average cross T2moy distance d from the inner surface 34 to the axis L.
  • the second mean transverse distance d T2moy is constant and equal to the anode radius noted R A.
  • the ratio between the first distance d T1moy and the second distance d T2moy varies according to the transverse plane considered. More precisely, in this case, this variation is decreasing along the longitudinal axis L. In this case, the variation is linear.
  • the anode 26 is made of a conductive material, typically steel, graphite or copper.
  • the tube 12 further comprises a plurality of extraction orifices 44 for the output from the tube 12 of an electromagnetic wave generated in the tube 12.
  • each extraction orifice 44 connects the cavity 28 to an extractor 16.
  • the anode 26 is thus provided with three extraction orifices 44.
  • the tube 12 also comprises a feed orifice 46 for feeding the cavity 28 of the tube 12 by means of an electromagnetic wave generated by the source 14.
  • Each orifice 44, 46 is through and opens into the inner 34 and outer 36 surfaces of the anode 26.
  • each orifice 44, 46 is constituted by a portion of a large cavity 38.
  • the tube 12 comprises a voltage source 47 establishing a potential difference between the cathode 18 and the anode 26.
  • the cathode 18 is connected to an electric potential of the voltage source 47 lower than the electric potential of the voltage source 47 to which the anode 26 is connected.
  • the tube 12 also comprises a focusser 48 adapted to generate a magnetic field inside the cavity 28, the magnetic field being along the longitudinal axis L.
  • the focusser 48 is formed by two coils Helmholtz configuration arranged parallel to each other, each coil being L-axis and extending in a transverse plane. These coils are arranged axially on each side of the extractors 16. Only a part of one of the two coils is visible on the figure 1 .
  • the tube 12 is a magnetron.
  • the tube 12 is a klystron, a monotron, a gyrotron, an insulated magnetic line oscillator or a virtual cathode oscillator.
  • klystron a monotron
  • gyrotron a gyrotron
  • insulated magnetic line oscillator a gyrotron
  • virtual cathode oscillator a klystron, a monotron, a gyrotron, an insulated magnetic line oscillator or a virtual cathode oscillator.
  • the source 14 of electromagnetic waves comprises an emitter 50 of electromagnetic waves and a supply waveguide 52 of the tube 12 in electromagnetic waves.
  • the transmitter 50 is capable of emitting an electromagnetic wave intended to feed the cavity 28 of the tube 12.
  • the emitter 50 is able to emit an electromagnetic wave towards the tube 12 during a starting phase of the tube 12 .
  • the transmitter 50 is adapted to emit an electromagnetic wave with a frequency and a predetermined phase. Its electromagnetic wave generation power is generally lower than that of the tube 12.
  • the emitter 50 is typically a magnetron or a klystron.
  • the transmitter 50 is connected to the tube 12 via the supply waveguide 52.
  • the supply waveguide 52 is connected to the cavity 28 through the supply port 46.
  • the guide Supply wave waves 52 are thus adapted to supply the cavity 28 with electromagnetic waves, in particular to guide a wave emitted by the emitter 50 to the cavity 28 of the tube 12.
  • the supply waveguide 52 is a hollow metal pipe adapted to transport an electromagnetic wave in a well-defined propagation mode from its source of emission.
  • the supply waveguide 52 is rectangular in cross section.
  • the waveguide 52 is equipped with a shutter of the power supply 54.
  • the shutter device of the power supply 54 is able to be in two configurations: a blocking configuration and a passing configuration.
  • the shutter device of the power supply 54 is able to oppose the supply of the cavity 28 in electromagnetic waves and the extraction of electromagnetic waves from the cavity 28 by the guide of the electromagnetic waves. 52 waves.
  • the feed closure device 54 is able to allow this supply and this extraction.
  • the closure device of the supply 54 is adapted to maintain a substantially zero electric field at the supply orifice 46 of the tube 12 into which the waveguide 52 opens when the device of shutting off the power supply 54 is in the blocking configuration.
  • the generator 10 is provided with three extractors 16, two being placed opposite one another and the third being opposite the waveguide 52.
  • the extractors 16 each comprise an extraction waveguide 56.
  • Each extraction waveguide 56 is typically a hollow metal pipe adapted to carry an electromagnetic wave according to a well-defined propagation mode from its source.
  • the waveguides 56 are rectangular in cross section.
  • Each extraction waveguide 56 is adapted to extract at least a portion of the electromagnetic wave generated by the tube 12 from the cavity 28 and guide it to a downstream system (not shown), such as a antenna system.
  • Each extraction waveguide 56 is equipped with an extraction shutter device 58.
  • the extraction shutter device 58 is capable of being in two configurations: a blocking configuration and a passing configuration .
  • This closure device of the extraction 58 is adapted to selectively oppose the circulation and the extraction of electromagnetic waves in the extraction waveguide 56 which it equips, when it is in the blocking configuration, and to allow this wave flow when in the passing configuration.
  • each closure device of the extraction 58 is adapted to maintain a substantially zero electric field at the extraction orifice 44 of the tube 12 into which the associated extraction waveguide 56 opens, when in the blocking configuration.
  • the extraction orifices 44 are dimensioned so that, when no device for closing the extraction 58 of an extraction waveguide 56 opposes the circulation of electromagnetic waves in the associated waveguide 56, the sum of the powers extracted from the cavity 28 by the extractors 16 and lost by the Joule effect in the anode 26 is equal to or greater than the power supplied to the cavity 28 by the electrical power supply of the tube 12.
  • a method of generating an electromagnetic wave of the generator 10 will now be described, with respect to the generator 10 of the Figures 1 and 2 and the flowchart of the figure 5 .
  • the method includes a step 100 of switching the power shutoff device 54 in the pass-through configuration and each output shutter device 58 in the blocking configuration.
  • the tube 12 is at a standstill, that is to say that it is not supplied with electrical energy, the shutter device of the power supply 54 being in the pass-through configuration and each closure device of the extraction 58 is in blocking configuration.
  • the method also comprises a step 102 for feeding the tube 12 with electrical energy.
  • the tube 12 is started, that is to say that it is supplied with electrical energy by the voltage source 47.
  • the cathode 18 is able to emit electrons in the cavity 28, destination of the anode 26, when the tube 12 is supplied with electrical energy.
  • the cathode 18 emits electrons inside the cavity 28.
  • an oriented electric field of the cathode 18 towards the anode 26 is created at the same time.
  • the electrons move inside the cavity 28 (rotation around the cathode 18) , and their displacement generates an electromagnetic wave.
  • This electromagnetic wave resonates in the cavity 28 and the electromagnetic energy contained in the cavity 28 increases progressively.
  • the electromagnetic wave produced in the cavity 28 is a superposition of a plurality of waves at different frequencies since, for each distance between the inner surface 34 of the anode 26 and the wall of the cathode 18, a wave frequency particular is associated.
  • the frequencies present in the wave generated are the set of frequencies between two frequencies: a first frequency f 1 and a second frequency f 2 .
  • the first frequency f 1 corresponds to the frequency that would be generated if the cathode 18 was a cylinder of revolution of axis L and whose base would be the first base 20.
  • the second frequency f 2 corresponds to the frequency that would be generated if the cathode 18 was a cylinder of revolution of axis L and whose base would be the second base 22.
  • the generator 10 is therefore a magnetron operating as an oscillator with a frequency drift between the first frequency f 1 and the second frequency f 2 .
  • the shutter devices of the extraction 58 being in blocking configuration during the start-up phase, the electromagnetic wave generated is kept confined inside the cavity 28.
  • the energy leaks out of the tube 12 are reduced and the electromagnetic energy contained in the cavity 28 increases more rapidly.
  • the duration of the start phase of the tube 12 is thus reduced.
  • the losses being reduced the efficiency of the generator 10 is improved.
  • the method also comprises a step 104 for emitting an electromagnetic wave by the source 14.
  • the source 14 is activated to emit an electromagnetic wave to the tube 12.
  • This wave excites the cavity 28 according to its eigenmode, so that the wave generated by the tube 12 is in phase with the wave emitted by the source 14. It is thus possible to control the phase of the wave generated by the tube 12.
  • This control of the phase of the wave generated by the tube 12 is particularly advantageous because it makes it possible to make a plurality of tubes coherent so as to be able to sum their output powers.
  • the starting phase of the tube 12 is finished.
  • the method also includes a step 106 of switching the power shutoff device 54 in the blocking configuration.
  • the electromagnetic wave generated by the tube 12 can not go up via the waveguide 52 to the source 14, which makes it possible to protect the source 14 and prevent it from being damaged by the wave.
  • a step 108 for extracting the electromagnetic wave generated outside the tube 12 takes place.
  • This step 108 comprises a first substep 110 of switching in the passing configuration of one or more closure devices of the extraction 58, the other devices 58 being maintained in blocking configuration.
  • Step 108 also includes a second substep 112 of switching in the pass-through configuration of at least one of the extraction shutter devices 58 that have been held in the blocking configuration.
  • Such a control mode makes it possible to select the output channels of the electromagnetic wave from the tube 12.
  • the tube 12 is stopped, then the previous steps 110 to 112 are repeated to emit a new electromagnetic wave.
  • an electromagnetic wave which comprises, in the same pulse, several frequencies.
  • the frequencies generated during the pulse depend on the ratio between the first distance from the wall of the cathode 18 with respect to the longitudinal axis L and the second distance from the inner surface 34 of the anode 26 with respect to the L axis
  • the shapes of the cathode 18 and the anode 26 are different, the other elements of the generator 10 being identical.
  • the cathode 18 has the shape of a cylinder of revolution whose axis of revolution is L.
  • the base of the cylinder is a disk of radius R C , the disk being centered on the axis L and lying in a perpendicular transverse plane to the axis L.
  • the first distance d T1moy is constant and equal to the cathode radius noted R C.
  • the section of the figure 3 is a section of the generator 10 according to the second embodiment similar to that of the figure 2 made along the axis of section II-II shown on the figure 1 . According to this view, it appears that the second distance d T2moy of the anode 26 to the axis L decreases from one end to the other. This reduction is continuous and in particular linear from a distance corresponding to a first anode radius R A1 to a second anode radius R A2 .
  • the inner surface 34 is inclined towards the axis L.
  • the ratio between the first distance d T1moy and the second distance d T2moy varies according to the transverse plane considered. As it happens, the variation is linear and decreasing from the first anode radius R A1 to the second anode radius R A2 .
  • the proposed form for the cathode 18 and the type of extraction are different.
  • the generators 10 of the first and second embodiments have a radial extraction (the extraction is in directions perpendicular to the longitudinal axis L) while the generator 10 of the third embodiment has a so-called axial extraction that is to say that the extraction is done along the axis L.
  • the cathode 18 has the shape of a cylinder of revolution whose axis of revolution is the axis L.
  • This cylinder has a section staggered along the axis L. This means that the cylinder comprises several portions of cylinder whose base is a disc, each disc having a different radius.
  • the cathode 18 successively comprises a certain number of portions of cylinders (four according to the figure 4 ) respectively called first portion 62, second portion 64, third portion 66 and fourth portion 68.
  • Each portion 62, 64, 66 and 68 is a cylinder of revolution whose axis of revolution is the axis L.
  • the base of the cylinder is a disc whose radius is highlighted on the figure 4 .
  • the radius R 1 is greater than the radius R 2 which is itself greater than the radius R 3 which is itself greater than the radius R 4 .
  • cathode 18 has a staircase profile.
  • the evolution of the first distance d T1moy is a monotonous and continuous evolution in pieces.
  • the generator 10 does not have extractors 16.
  • the generator 10 is also not provided with extraction ports 44 as in the first embodiment.
  • the generator 10 comprises a compressor 70 placed at the outlet of the tube 12 along the axis L.
  • the compressor 70 comprises a collector 72 and a dispersive line 74. As the compressor 70 does not have any active elements, it is described as "passive".
  • the collector 72 is able to collect the electrons generated in the cavity 28 of the tube 12.
  • the collector 72 is a cylindrical tube whose axis of revolution is the axis L.
  • the collector 72 is metallic. In this case, it is copper.
  • the collector 72 is placed facing the cavity 28 and the cathode 18.
  • the collector 72 is coaxial.
  • the radial extension of the collector 72 is greater than or equal to the radial extension of the cavity 28.
  • the dispersive line 74 is capable of reducing the dispersion of the group velocities of the different electrons entering the collector. This reduction results in a compression increasing the peak power of the wave generated at the output of the compressor 70 with respect to a configuration in which the compressor 70 is not present.
  • the dispersive line 74 comprises a dispersive medium, that is to say a medium whose propagation constant depends on the frequency. For example, the propagation constant decreases with frequency.
  • the dispersive line 74 also has a tubular shape and is radially surrounded by the internal walls of the manifold 72.
  • the wave output of the compressor 70 feeds an antenna 76 emitting the wave from the compressor 70 to the outside of the generator 10.
  • the antenna 76 is radially transmitted.
  • One of the four frequencies corresponds to the frequency that would be generated if the cathode 18 was a cylinder of revolution of axis L based on a disc of radius R 1 .
  • the other three frequencies correspond to the frequencies that would be generated if the cathode 18 was a cylinder of revolution of axis L respectively having as base a disk of radius R 2 , R 3 and R 4 .
  • the cathode 18 comprises five portions of cylinders.
  • the extraction of the electromagnetic wave and its four frequencies is axial. This is more favorable than a radial extraction. Indeed, up to 70% of yield is obtained.
  • the yield is here defined as the ratio between the electromagnetic energy of the wave generated by the tube 12 and the electrical energy supplied to create a potential difference between the cathode 18 and the anode 26.
  • the electromagnetic wave generated by the generator 10 is intrinsically wide band, which makes it particularly well suited to power a radial transmission antenna.
  • the generator 10 comprises a plurality of tubes 12 fed by the same source 14.
  • the electromagnetic waves emitted by the tubes 12 are then coherent in phase, and it is therefore possible to summing them to obtain at output of the generator 10 an electromagnetic wave of higher power.
  • the electromagnetic wave generated comprises, in the same pulse, several frequencies.
  • the generator 10 thus makes it possible to emit several frequencies in a single electromagnetic pulse. As a result, the generator 10 couples more effectively with the target than the generators of the state of the art.
  • the efficiency of the generator 10 is improved by a gain in power by a factor of about twenty-five.
  • the voltage applied to the tube 12 can be reduced by a factor of five for a wave emission of the same power. This makes it possible to obtain a more compact generator 10 and to reduce the emission of ionizing radiation from this generator 10.
  • this generator 10 applies to any type of cathode, and in particular to transparent cathodes. These cathodes are in particular defined in the document US-2008/0246385 .

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)
  • Microwave Tubes (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un générateur d'ondes hyperfréquences (10), comprenant un tube de génération d'ondes hyperfréquences s'étendant selon un axe longitudinal (L), comprenant : - une cathode (18) s'étendant selon l'axe (L), - une anode (26) s'étendant selon l'axe (L) et entourant radialement la cathode (18), - une cavité (28) délimitée par la cathode (18) et l'anode (26), et - une source de tension pour établir une différence de potentiel entre la cathode (18) et l'anode (26), la cathode (18) étant adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité (28) lorsque le tube est alimenté en énergie électrique, le générateur (10) étant caractérisé en ce que la section de la cavité (28) transversalement à l'axe (L) varie suivant l'axe (L).

Description

  • La présente invention concerne un générateur d'ondes hyperfréquences comprenant un générateur d'ondes hyperfréquences, comprenant un tube de génération d'ondes hyperfréquences s'étendant selon un axe longitudinal, comprenant une cathode s'étendant selon l'axe, une anode s'étendant selon l'axe et entourant radialement la cathode, une cavité délimitée par la cathode et l'anode, et une source de tension pour établir une différence de potentiel entre la cathode et l'anode, la cathode étant adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité lorsque le tube est alimenté en énergie électrique.
  • L'invention se rapporte également au procédé de génération d'ondes hyperfréquences utilisant le générateur.
  • Les générateurs d'ondes hyperfréquences sont connus et sont utilisés dans différents systèmes, tels que les systèmes radar ou les armes électromagnétiques.
  • Les armes électromagnétiques nécessitent préférentiellement des fortes puissances.
  • Les générateurs connus ne permettent pas l'émission d'ondes électromagnétiques sur de longues durées et sont lents à démarrer, ce qui ne permet pas de les utiliser pour émettre des impulsions rapprochées.
  • En outre, les générateurs connus présentent des rendements souvent faibles.
  • De ce fait, il en résulte un mauvais couplage entre la cible et le générateur, ce qui réduit l'efficacité du générateur. Par le terme « couplage », on entend une interaction entre les fréquences de la cible et du générateur. Plus cette interaction est importante, meilleur est le couplage.
  • Il existe donc un besoin pour un générateur d'ondes hyperfréquences de fortes puissances présentant un meilleur couplage avec la cible.
  • A cet effet, il est proposé un générateur d'ondes hyperfréquences, comprenant un tube de génération d'ondes hyperfréquences s'étendant selon un axe longitudinal. Le tube comprend une cathode s'étendant selon l'axe, une anode s'étendant selon l'axe et entourant radialement la cathode, une cavité délimitée par la cathode et l'anode, et une source de tension pour établir une différence de potentiel entre la cathode et l'anode, la cathode étant adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité lorsque le tube est alimenté en énergie électrique. La section de la cavité transversalement à l'axe varie suivant l'axe.
  • Selon des modes de réalisation préférés de l'invention, le générateur comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possibles(s) :
    • la variation de la section de la cavité transversalement à l'axe est sensiblement monotone suivant l'axe.
    • la cathode présente une paroi s'étendant autour de l'axe pour laquelle il peut être défini une première distance transversale moyenne dans chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe,
    • l'anode présente une surface intérieure s'étendant autour de l'axe pour laquelle il peut être défini une deuxième distance transversale moyenne dans chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe,
    • le rapport entre la première distance transversale moyenne et la deuxième distance transversale moyenne évolue de manière sensiblement monotone suivant l'axe.
    • l'anode présente une deuxième distance transversale moyenne sensiblement constante suivant l'axe.
    • l'anode présente une deuxième distance transversale moyenne évoluant de manière strictement monotone suivant l'axe.
    • la cathode présente une première distance transversale moyenne constante suivant l'axe.
    • la cathode présente une première distance transversale moyenne évoluant de manière monotone et continue par morceaux suivant l'axe.
    • la cathode présente une première distance transversale évoluant de manière strictement monotone suivant l'axe.
    • la cathode est un tronc de cône de révolution autour de l'axe s'étendant entre une première base et une deuxième base.
    • la surface intérieure de l'anode est inclinée vers l'axe.
    • l'une de la cathode et l'anode est un cylindre de révolution présentant une section étagée selon l'axe.
    • le générateur comprend un compresseur ayant pour axe l'axe longitudinal, le compresseur étant adapté pour extraire une onde du tube.
    • le générateur comprend un compresseur présentant une ligne dispersive.
  • L'invention concerne aussi un procédé de génération d'une onde électromagnétique présentant une pluralité de fréquences au moyen d'un générateur tel que décrit précédemment, le générateur comprenant une source d'ondes électromagnétiques raccordée au tube. Le procédé comprend les étapes successives d'alimentation du tube en énergie électrique, et d'émission d'une onde électromagnétique par la source (14), à destination du tube (12).
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
    • figure 1, une vue schématique en coupe d'un générateur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • figure 2, une vue schématique en section du générateur de la figure 1 selon l'axe II-II ;
    • figure 3, une vue schématique en section d'une partie d'un générateur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
    • figure 4, une vue schématique en section d'une partie d'un générateur selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
    • figure 5, un ordinogramme d'un exemple de procédé de génération d'une onde électromagnétique selon l'invention.
  • Le générateur 10 d'ondes hyperfréquences, représenté sur la figure 1, comprend un tube de génération d'ondes hyperfréquences 12 appelé tube 12 dans la suite. Le générateur 10 comprend également une source 14 d'ondes électromagnétiques, différente du tube 12 et une pluralité d'extracteurs 16 d'ondes électromagnétiques hors du tube 12.
  • Le tube 12 comprend une cathode 18.
  • La cathode 18 est un tronc de cône de révolution autour d'un axe L longitudinal perpendiculaire au plan de la figure 1, la cathode 18 s'étendant entre une première base 20 et une deuxième base 22. La première base 20 est un disque ayant pour rayon un premier rayon RC1. La deuxième base 22 est un disque ayant pour rayon un deuxième rayon RC2. Le premier rayon RC1 est supérieur au deuxième rayon RC2. Les bases 20 et 22 sont, en outre, dans des plans transversaux perpendiculaires à l'axe L.
  • La cathode 18 est délimitée par une paroi 24 latérale convergeant vers l'axe L de la première base 20 vers la deuxième base 22 suivant l'axe L, soit de la gauche vers la droite sur la figure 2.
  • De manière alternative, la paroi 24 de la cathode 18 est caractérisée par une première distance transversale moyenne dT1moy de la paroi 24 à l'axe L. Par exemple, une distance transversale moyenne est définie comme la moyenne arithmétique des distances transversales d'un point de la paroi 24 à l'axe L pour chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe L lorsque ce point existe dans le plan transversal considéré.
  • Dans l'exemple de la figure 1, la première distance transversale moyenne dT1moy évolue linéairement depuis le premier rayon RC1 vers le deuxième rayon RC2.
  • La cathode 18 comprend un matériau propre à émettre des électrons sous l'effet d'un champ électrique, tout en ayant une bonne conductivité, comme du cuivre ou du carbone pyrolytique.
  • Le tube 12 comporte également une anode 26.
  • L'anode 26 s'étend également selon l'axe L et entoure radialement la cathode 18. L'anode 26 et la cathode 18 délimitent ainsi entre elles une cavité 28.
  • L'anode 26 est de forme cylindrique et comprend un corps 30, orienté selon l'axe L et un certain nombre d'ailettes (quatre sur la figure 1) 32 s'étendant radialement depuis le corps 30 vers la cathode 18. Le terme « cylindrique » est à entendre au sens large et couvre aussi bien des cylindres de révolution que des cylindres à section carrée, hexagonale, ou autre.
  • Le corps 30 et les ailettes 32 définissent ensemble une surface intérieure 34 de l'anode 26, orientée vers la cavité 28. Le corps 30 délimite une surface extérieure 36 de l'anode 26, à l'opposée de la cavité 28.
  • Les ailettes 32 sont équiréparties angulairement autour de l'axe L. Les ailettes 32 ont également la même forme. Une ailette 32 se déduit d'une ailette 32 voisine par une rotation d'un certain angle autour de l'axe L (90° sur la figure 1).
  • Les ailettes 32 délimitent avec le corps 30 une pluralité de cavités 38, 40 résonnantes débouchant chacune dans un espace central 42 sensiblement cylindrique s'étendant au centre de l'anode 26. Les cavités 38, 40 et l'espace central 42 constituent ensemble la cavité 28. La cathode 18 est disposée au centre de l'espace central 42.
  • Dans l'exemple représenté, la pluralité de cavités 38, 40 comprend une pluralité de grandes cavités 38 et de petites cavités 40.
  • En effet, la section transversale, c'est-à-dire selon un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal L, de chaque petite cavité 40 est inférieure à la section transversale de chaque grande cavité 38. En outre, de préférence, les petites cavités 40 et les grandes cavités 38 ont toutes une même longueur longitudinale selon l'axe L.
  • Le tube 12 comporte un certain nombre de grandes cavités 38 (quatre sur la figure 1) et de petites cavités 40 (quatre sur la figure 1). Les grandes cavités 38 et les petites cavités 40 sont disposées en alternance les unes des autres autour de la cathode 18. En parcourant radialement la cavité 28 autour de l'axe L, il apparaît que chaque grande cavité 38 est entourée par deux petites cavités 40.
  • En outre, chaque grande cavité 38 est à équidistance des deux petites cavités 40 qui lui sont voisines.
  • Chaque grande cavité 38 est délimitée par deux ailettes 32 et par le corps 30. Chaque petite cavité 40 est délimitée à l'intérieur d'une ailette 32 par un orifice radial s'ouvrant en regard de la cathode 18. Les petites cavités 40 ne débouchent pas dans la surface extérieure 36 de l'anode 26.
  • L'anode 26 présente ainsi une configuration du type « soleil levant » (aussi désigné sous la dénomination anglaise « rising sun »). Cette configuration permet de limiter le risque d'apparition d'oscillations sur des fréquences parasites, et d'augmenter le rendement du tube 12.
  • En variante, les cavités 38, 40 sont toutes identiques les unes aux autres. Cette variante est particulièrement avantageuse lorsque le nombre de cavités 38, 40 est réduit (typiquement à six cavités), car alors le risque d'apparition d'oscillations sur des fréquences parasites est fortement réduit.
  • La surface intérieure 34 de l'anode 26 est caractérisée par une deuxième distance transversale moyenne dT2moy de la surface intérieure 34 à l'axe L.
  • Selon l'exemple de la figure 2, la deuxième distance transversale moyenne dT2moy est constante et égale au rayon d'anode noté RA.
  • Le rapport entre la première distance dT1moy et la deuxième distance dT2moy varie selon le plan transversal considéré. Plus précisément, dans ce cas, cette variation est décroissante le long de l'axe longitudinal L. En l'occurrence, la variation est linéaire.
  • Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, La section de la cavité 28 transversalement à l'axe L varie linéairement suivant l'axe L.
  • L'anode 26 est constituée d'un matériau conducteur, typiquement de l'acier, du graphite ou du cuivre.
  • Le tube 12 comprend en outre une pluralité d'orifices d'extraction 44 pour la sortie hors du tube 12 d'une onde électromagnétique générée dans le tube 12. A cet effet, chaque orifice d'extraction 44 relie la cavité 28 à un extracteur 16. Dans le cas de la figure 1, l'anode 26 est, ainsi, munie de trois orifices d'extraction 44.
  • Le tube 12 comprend également un orifice d'alimentation 46 pour l'alimentation de la cavité 28 du tube 12 au moyen d'une onde électromagnétique générée par la source 14.
  • Chaque orifice 44, 46 est traversant et débouche dans les surfaces intérieure 34 et extérieure 36 de l'anode 26. En particulier, chaque orifice 44, 46 est constitué par une portion d'une grande cavité 38.
  • Le tube 12 comporte une source de tension 47 établissant une différence de potentiel entre la cathode 18 et l'anode 26.
  • La cathode 18 est reliée à un potentiel électrique de la source de tension 47 inférieur au potentiel électrique de la source de tension 47 auquel est reliée l'anode 26.
  • Le tube 12 comprend également un focalisateur 48 adapté pour générer un champ magnétique à l'intérieur de la cavité 28, le champ magnétique étant selon l'axe longitudinal L.
  • Selon l'exemple de la figure 1, le focalisateur 48 est formé par deux bobines en configuration Helmholtz disposées parallèlement l'une à l'autre, chaque bobine étant d'axe L et s'étendant dans un plan transversal. Ces bobines sont disposées axialement de part à d'autre des extracteurs 16. Seule une partie d'une des deux bobines est visible sur la figure 1.
  • Dans l'exemple représenté, le tube 12 est un magnétron.
  • En variante, le tube 12 est un klystron, un monotron, un gyrotron, un oscillateur à ligne magnétique isolée ou un oscillateur à cathode virtuelle. Ces types de tubes sont connus de l'homme du métier et ne seront pas décrits plus précisément dans ce qui suit.
  • La source 14 d'ondes électromagnétiques comporte un émetteur 50 d'ondes électromagnétiques et un guide d'ondes d'alimentation 52 du tube 12 en ondes électromagnétiques.
  • L'émetteur 50 est propre à émettre une onde électromagnétique destinée à alimenter la cavité 28 du tube 12. En particulier, l'émetteur 50 est propre à émettre une onde électromagnétique à destination du tube 12 lors d'une phase de démarrage du tube 12.
  • L'émetteur 50 est adapté pour émettre une onde électromagnétique avec une fréquence et une phase prédéterminée. Sa puissance de génération d'ondes électromagnétiques est généralement inférieure à celle du tube 12. L'émetteur 50 est typiquement un magnétron ou un klystron.
  • L'émetteur 50 est raccordé au tube 12 par l'intermédiaire du guide d'ondes d'alimentation 52. Le guide d'ondes d'alimentation 52 est relié à la cavité 28 à travers l'orifice d'alimentation 46. Le guide d'ondes d'alimentation 52 est ainsi adapté pour alimenter la cavité 28 en ondes électromagnétiques, en particulier pour guider une onde émise par l'émetteur 50 jusqu'à la cavité 28 du tube 12.
  • Le guide d'ondes d'alimentation 52 est un tuyau métallique creux adapté pour transporter une onde électromagnétique suivant un mode de propagation bien défini depuis sa source d'émission. Dans l'exemple représenté en figure 1, le guide d'onde d'alimentation 52 est à section droite rectangulaire.
  • Le guide d'ondes 52 est équipé d'un dispositif d'obturation de l'alimentation 54. Le dispositif d'obturation de l'alimentation 54 est propre à se trouver dans deux configurations : une configuration bloquante et une configuration passante.
  • Dans la configuration bloquante, le dispositif d'obturation de l'alimentation 54 est propre à s'opposer à l'alimentation de la cavité 28 en ondes électromagnétiques et à l'extraction d'ondes électromagnétiques hors de la cavité 28 par le guide d'ondes 52.
  • Au contraire, dans la configuration passante, le dispositif d'obturation d'alimentation 54 est propre à permettre cette alimentation et cette extraction.
  • A cet effet, le dispositif d'obturation de l'alimentation 54 est adapté pour maintenir un champ électrique sensiblement nul au niveau de l'orifice d'alimentation 46 du tube 12 dans lequel débouche le guide d'ondes 52 lorsque le dispositif d'obturation de l'alimentation 54 est dans la configuration bloquante.
  • Dans l'exemple de la figure 1, le générateur 10 est muni de trois extracteurs 16, deux étant placés en regard l'un de l'autre et le troisième étant en regard du guide d'ondes 52.
  • Les extracteurs 16 comportent chacun un guide d'ondes d'extraction 56.
  • Chaque guide d'ondes d'extraction 56 est typiquement un tuyau métallique creux adapté pour transporter une onde électromagnétique suivant un mode de propagation bien défini depuis sa source. Les guides d'ondes 56 sont à section droite rectangulaire.
  • Chaque guide d'ondes d'extraction 56 est adapté pour extraire au moins une partie de l'onde électromagnétique générée par le tube 12 hors de la cavité 28 et la guider jusqu'à un système aval (non représenté), tel qu'un système d'antenne. Chaque guide d'ondes d'extraction 56 est équipé d'un dispositif d'obturation de l'extraction 58. Le dispositif d'obturation de l'extraction 58 est propre à se trouver dans deux configurations : une configuration bloquante et une configuration passante.
  • Ce dispositif d'obturation de l'extraction 58 est adapté pour sélectivement s'opposer à la circulation et à l'extraction d'ondes électromagnétiques dans le guide d'ondes d'extraction 56 qu'il équipe, lorsqu'il est dans la configuration bloquante, et pour permettre cette circulation d'ondes lorsqu'il est dans la configuration passante.
  • A cet effet, chaque dispositif d'obturation de l'extraction 58 est adapté pour maintenir un champ électrique sensiblement nul au niveau de l'orifice d'extraction 44 du tube 12 dans lequel débouche le guide d'ondes d'extraction 56 associé, lorsqu'il est dans la configuration bloquante.
  • De préférence, les orifices d'extraction 44 sont dimensionnés de sorte que, lorsque aucun dispositif d'obturation de l'extraction 58 d'un guide d'ondes d'extraction 56 ne s'oppose à la circulation d'ondes électromagnétiques dans le guide d'ondes 56 associé, la somme des puissances extraites de la cavité 28 par les extracteurs 16 et perdues par effet Joule dans l'anode 26 soit égale ou supérieure à la puissance apportée à la cavité 28 par l'énergie électrique d'alimentation du tube 12.
  • Ainsi, lorsque aucun dispositif d'obturation de l'extraction 58 ne s'oppose à la circulation d'ondes électromagnétiques dans le guide d'ondes d'extraction 56 associé, l'énergie contenue dans la cavité 28 se stabilise ou diminue, ce qui permet d'éviter un claquage diélectrique entre la cathode 18 et l'anode 26.
  • Un procédé de génération d'une onde électromagnétique du générateur 10 va maintenant être décrit, en regard du générateur 10 des figures 1 et 2 et de l'ordinogramme de la figure 5.
  • Le procédé comprend une étape 100 de commutation du dispositif d'obturation de l'alimentation 54 dans la configuration passante et de chaque dispositif d'obturation de l'extraction 58 dans la configuration bloquante.
  • Dans cette première étape 100 du procédé, le tube 12 est à l'arrêt, c'est-à-dire qu'il n'est pas alimenté en énergie électrique, le dispositif d'obturation de l'alimentation 54 étant en configuration passante et chaque dispositif d'obturation de l'extraction 58 est en configuration bloquante.
  • Le procédé comporte également une étape 102 d'alimentation du tube 12 en énergie électrique.
  • Lors de cette deuxième étape 102, le tube 12 est démarré, c'est-à-dire qu'il est alimenté en énergie électrique par la source de tension 47. La cathode 18 est propre à émettre des électrons dans la cavité 28, à destination de l'anode 26, lorsque le tube 12 est alimenté en énergie électrique. A l'étape 102, la cathode 18 émet des électrons à l'intérieur de la cavité 28. Ainsi, lorsque le tube 12 est alimenté en énergie électrique, un champ électrique orienté de la cathode 18 vers l'anode 26 se crée à l'intérieur de la cavité 28. Sous l'effet conjugué du champ électrique et du champ magnétique généré par le focalisateur 48 présents dans la cavité 28, les électrons se déplacent à l'intérieur de la cavité 28 (rotation autour de la cathode 18), et leur déplacement génère une onde électromagnétique.
  • Cette onde électromagnétique entre en résonance dans la cavité 28 et l'énergie électromagnétique contenue dans la cavité 28 augmente progressivement.
  • L'onde électromagnétique produite dans la cavité 28 est une superposition d'une pluralité d'ondes à différentes fréquences puisque, pour chaque distance entre la surface intérieure 34 de l'anode 26 et la paroi de la cathode 18, une fréquence d'onde particulière est associée.
  • Dans ce cas particulier, les fréquences présentes dans l'onde générée sont l'ensemble des fréquences comprises entre deux fréquences : une première fréquence f1 et une deuxième fréquence f2. La première fréquence f1 correspond à la fréquence qui serait générée si la cathode 18 était un cylindre de révolution d'axe L et dont la base serait la première base 20. La deuxième fréquence f2 correspond à la fréquence qui serait générée si la cathode 18 était un cylindre de révolution d'axe L et dont la base serait la deuxième base 22.
  • Le générateur 10 est donc un magnétron fonctionnant en oscillateur avec une dérive en fréquence entre la première fréquence f1 et la deuxième fréquence f2.
  • Les dispositifs d'obturation de l'extraction 58 étant en configuration bloquante lors de la phase de démarrage, l'onde électromagnétique générée est maintenue confinée à l'intérieur de la cavité 28. Ainsi, les fuites d'énergie hors du tube 12 sont réduites et l'énergie électromagnétique contenue dans la cavité 28 augmente plus rapidement. La durée de la phase de démarrage du tube 12 s'en trouve donc réduite. En outre, les pertes étant réduites, le rendement du générateur 10 est amélioré.
  • Le procédé comporte également une étape 104 d'émission d'une onde électromagnétique par la source 14.
  • Ainsi, lors de l'étape 104 simultanée (ou préalable en variante) à l'étape 102 de démarrage du tube 12, la source 14 est activée pour émettre une onde électromagnétique à destination du tube 12. Cette onde excite la cavité 28 selon son mode propre, de sorte que l'onde générée par le tube 12 se met en phase avec l'onde émise par la source 14. Il est ainsi possible de piloter la phase de l'onde générée par le tube 12.
  • Ce pilotage de la phase de l'onde générée par le tube 12 est particulièrement avantageux car il permet de rendre cohérents une pluralité de tubes de façon à pouvoir sommer leurs puissances de sortie.
  • Lorsque l'énergie électromagnétique stockée dans la cavité 28 atteint un seuil prédéterminé, la phase de démarrage du tube 12 est finie.
  • Le procédé comporte également une étape 106 de commutation du dispositif d'obturation d'alimentation 54 dans la configuration bloquante. Ainsi, l'onde électromagnétique générée par le tube 12 ne peut pas remonter via le guide d'ondes 52 jusqu'à la source 14, ce qui permet de protéger la source 14 et d'éviter qu'elle ne soit endommagée par l'onde.
  • Ensuite, une étape 108 d'extraction de l'onde électromagnétique générée hors du tube 12 a lieu.
  • Cette étape 108 comprend une première sous-étape 110 de commutation dans la configuration passante d'un ou de plusieurs dispositifs d'obturation de l'extraction 58, les autres dispositifs 58 étant maintenus en configuration bloquante.
  • L'étape 108 comporte également une deuxième sous-étape 112 de commutation dans la configuration passante d'au moins un des dispositifs d'obturation de l'extraction 58 qui ont été maintenus dans la configuration bloquante.
  • Un tel mode de pilotage permet de sélectionner les voies de sortie de l'onde électromagnétique hors du tube 12.
  • Une fois l'onde électromagnétique émise, le tube 12 est arrêté, puis les étapes 110 à 112 précédentes sont répétées pour émettre une nouvelle onde électromagnétique.
  • A l'issue du procédé, il est ainsi généré une onde électromagnétique qui comporte, dans la même impulsion, plusieurs fréquences.
  • Les fréquences générées au cours de l'impulsion dépendent du rapport entre la première distance de la paroi de la cathode 18 par rapport à l'axe longitudinal L et la deuxième distance de la surface intérieure 34 de l'anode 26 par rapport à l'axe L.
  • Comme ce rapport varie le long de l'axe L avec la géométrie particulière de la cathode 18, dans une même impulsion, plusieurs fréquences sont présentes. Par rapport à une impulsion monofréquence, la génération de plusieurs fréquences augmente la probabilité que le rayonnement émis par le générateur 10 soit résonnant avec la ou les fréquences de fonctionnement de la cible visée. Il en résulte un meilleure couplage de la cible au générateur 10.
  • Selon un deuxième mode de réalisation, les formes de la cathode 18 et de l'anode 26 sont différentes, les autres éléments du générateur 10 étant identiques.
  • La cathode 18 a la forme d'un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est L. La base du cylindre est un disque de rayon RC, le disque étant centré sur l'axe L et se situant dans un plan transversal perpendiculaire à l'axe L. Dans ce cas, la première distance dT1moy est constante et égale au rayon de cathode noté RC.
  • La section de la figure 3 est une section du générateur 10 selon le deuxième mode de réalisation analogue à celle de la figure 2 réalisée selon l'axe de coupe II-II représenté sur la figure 1. Selon cette vue, il apparaît que la deuxième distance dT2moy de l'anode 26 à l'axe L diminue d'une extrémité à l'autre. Cette diminution est continue et notamment linéaire depuis une distance correspondant à un premier rayon d'anode RA1 vers un deuxième rayon d'anode RA2.
  • Dans ce mode de réalisation, la surface intérieure 34 est inclinée vers l'axe L. Comme dans le premier mode de réalisation, le rapport entre la première distance dT1moy et la deuxième distance dT2moy varie selon le plan transversal considéré. En l'occurrence, la variation est linéaire et décroissante depuis le premier rayon d'anode RA1 vers le deuxième rayon d'anode RA2.
  • Dans un troisième mode de réalisation représenté à la figure 4, par rapport à l'exemple des figures 1 et 2, la forme proposée pour la cathode 18 et le type d'extraction sont différents. En effet, les générateurs 10 du premier et du deuxième modes de réalisation présentent une extraction radiale (l'extraction se fait selon des directions perpendiculaires à l'axe longitudinal L) tandis que le générateur 10 du troisième mode de réalisation présente une extraction dite axiale, c'est-à-dire que l'extraction se fait selon l'axe L.
  • Selon l'exemple de la figure 4, la cathode 18 a la forme d'un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est l'axe L. Ce cylindre présente une section étagée selon l'axe L. Cela signifie que le cylindre comprend plusieurs portions de cylindre dont la base est un disque, chaque disque ayant un rayon différent.
  • Plus précisément, d'une extrémité à l'autre, la cathode 18 comprend successivement un certain nombre de portions de cylindres, (quatre selon la figure 4) appelées respectivement première portion 62, deuxième portion 64, troisième portion 66 et quatrième portion 68. Chaque portion 62, 64, 66 et 68 est un cylindre de révolution dont l'axe de révolution est l'axe L. La base du cylindre est un disque dont le rayon est mis en évidence sur la figure 4. Ainsi, à la première portion 62 est associé le rayon R1, à la deuxième portion 64 le rayon R2, à la troisième portion 66 le rayon R3 et à la quatrième portion 68 le rayon R4. Le rayon R1 est supérieur au rayon R2 qui est lui-même supérieur au rayon R3 qui est lui-même supérieur au rayon R4. Dans la vue en section de la figure 4, la cathode 18 a un profil en marche d'escaliers.
  • L'évolution de la première distance dT1moy est une évolution monotone et continue par morceaux.
  • En outre, selon le mode de réalisation de la figure 4, le générateur 10 ne comporte pas d'extracteurs 16. De plus, le générateur 10 n'est pas non plus muni d'orifices d'extraction 44 comme dans le premier mode de réalisation.
  • A la place, le générateur 10 comporte un compresseur 70 placé en sortie du tube 12 suivant l'axe L.
  • Le compresseur 70 comprend un collecteur 72 et une ligne dispersive 74. Comme le compresseur 70 ne comporte pas d'éléments actifs, il est qualifié de « passif ».
  • Le collecteur 72 est propre à collecter les électrons générés dans la cavité 28 du tube 12.
  • Le collecteur 72 est un tube cylindrique ayant pour axe de révolution l'axe L. Le collecteur 72 est métallique. En l'occurrence, il est en cuivre.
  • Le collecteur 72 est placé en regard de la cavité 28 et de la cathode 18. Le collecteur 72 est donc coaxial.
  • De préférence, l'extension radiale du collecteur 72 est supérieure ou égale à la l'extension radiale de la cavité 28.
  • La ligne dispersive 74 est propre à réduire la dispersion des vitesses de groupes des différents électrons entrant dans le collecteur. Cette réduction résulte en une compression augmentant la puissance crête de l'onde générée en sortie du compresseur 70 par rapport à une configuration dans laquelle le compresseur 70 n'est pas présent.
  • Pour permettre une telle réduction de la dispersion, la ligne dispersive 74 comporte un milieu dispersif, c'est-à-dire un milieu dont la constante de propagation dépend de la fréquence. Par exemple, la constante de propagation décroît avec la fréquence.
  • La ligne dispersive 74 a également une forme tubulaire et est entourée radialement par les parois internes du collecteur 72.
  • L'onde en sortie du compresseur 70 alimente une antenne 76 émettant l'onde issue du compresseur 70 vers l'extérieur du générateur 10. L'antenne 76 est à transmission radiale.
  • Avec le procédé de génération d'une onde électromagnétique proposé en référence à l'ordinogramme de la figure 5 et appliqué à ce troisième mode de réalisation, quatre fréquences sont présentes dans l'onde générée. Une des quatre fréquences correspond à la fréquence qui serait générée si la cathode 18 était un cylindre de révolution d'axe L ayant pour base un disque de rayon R1. Les trois autres fréquences correspondent aux fréquences qui seraient générées si la cathode 18 était un cylindre de révolution d'axe L ayant respectivement pour base un disque de rayon R2, R3 et R4.
  • Ainsi, dans le cas de la figure 3, autant de fréquences sont présentes dans l'onde générée que de portions de cylindres dans la cathode 18. Pour générer une onde avec cinq fréquences, il suffit que la cathode 18 comprenne cinq portions de cylindres.
  • Selon cette configuration, l'extraction de l'onde électromagnétique et de ses quatre fréquences est axiale. Ceci est plus favorable qu'une extraction radiale. En effet, jusqu'à 70% de rendement est obtenu. Le rendement est ici défini comme le rapport entre l'énergie électromagnétique de l'onde générée par le tube 12 et l'énergie électrique fournie pour créer une différence de potentiel entre la cathode 18 et l'anode 26.
  • De plus, en extraction axiale, l'onde électromagnétique générée par le générateur 10 est intrinsèquement large bande, ce qui la rend particulièrement bien adaptée pour alimenter une antenne à transmission radiale.
  • Dans une variante préférée de l'invention (non représentée), le générateur 10 comprend une pluralité de tubes 12 alimentés par une même source 14. Les ondes électromagnétiques émises par les tubes 12 sont alors cohérentes en phase, et il est par conséquent possible de les sommer pour obtenir en sortie du générateur 10 une onde électromagnétique de puissance plus élevée.
  • Dans les différents modes de réalisation, avec le procédé proposé, du fait de la géométrie particulière de la cathode 18 et/ou de l'anode 26, l'onde électromagnétique générée comporte, dans la même impulsion, plusieurs fréquences.
  • Le générateur 10 permet ainsi d'émettre plusieurs fréquences en une seule impulsion électromagnétique. De ce fait, le générateur 10 se couple plus efficacement avec la cible que les générateurs de l'état de la technique.
  • En outre, le rendement du générateur 10 est amélioré d'un gain en puissance d'un facteur vingt-cinq environ. Il en résulte que la tension appliquée au tube 12 peut être réduite d'un facteur cinq pour une émission d'onde de même puissance. Cela permet d'obtenir un générateur 10 plus compact et de diminuer l'émission de rayonnement ionisant de ce générateur 10. Par la compression de l'impulsion consistant en l'association de la cathode 18 de géométrie indiquée figure 2 et du collecteur 72 ondulé en sortie axiale, il est possible de comprimer d'impulsion jusqu'à un facteur 25.
  • Enfin, ce générateur 10 s'applique à tout type de cathode, et notamment aux cathodes transparentes. Ces cathodes sont notamment définies dans le document US-A-2008/0246385 .

Claims (13)

  1. Générateur d'ondes hyperfréquences (10), comprenant un tube (12) de génération d'ondes hyperfréquences s'étendant selon un axe longitudinal (L), comprenant :
    - une cathode (18) s'étendant selon l'axe (L),
    - une anode (26) s'étendant selon l'axe (L) et entourant radialement la cathode (18),
    - une cavité (28) délimitée par la cathode (18) et l'anode (26), et
    - une source de tension (47) pour établir une différence de potentiel entre la cathode (18) et l'anode (26), la cathode (18) étant adaptée pour émettre des électrons à l'intérieur de la cavité (28) lorsque le tube (12) est alimenté en énergie électrique,
    le générateur (10) étant caractérisé en ce que la section de la cavité (28) transversalement à l'axe (L) varie suivant l'axe (L) et en ce que le générateur (10) comporte en outre un compresseur (70) ayant pour axe l'axe longitudinal (L), le compresseur (70) étant adapté pour extraire une onde du tube (12).
  2. Générateur selon la revendication 1, dans lequel la variation de la section de la cavité (28) transversalement à l'axe (L) est sensiblement monotone suivant l'axe (L).
  3. Générateur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel:
    - la cathode (18) présente une paroi (24) s'étendant autour de l'axe (L) pour laquelle il peut être défini une première distance transversale moyenne (dT1moy) dans chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe (L),
    - l'anode (26) présente une surface intérieure (34) s'étendant autour de l'axe (L) pour laquelle il peut être défini une deuxième distance transversale moyenne (dT2moy) dans chaque plan transversal perpendiculaire à l'axe (L),
    - le rapport entre la première distance transversale moyenne (dT1moy) et la deuxième distance transversale moyenne (dT2moy) évolue de manière sensiblement monotone suivant l'axe (L).
  4. Générateur selon la revendication 3, dans lequel l'anode (26) présente une deuxième distance transversale moyenne (dT2moy) sensiblement constante suivant l'axe (L).
  5. Générateur selon la revendication 3, dans lequel l'anode (26) présente une deuxième distance transversale moyenne (dT2moy) évoluant de manière strictement monotone suivant l'axe (L).
  6. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la cathode (18) présente une première distance transversale moyenne (dT1moy) constante suivant l'axe (L).
  7. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la cathode (18) présente une première distance transversale moyenne évoluant (dT1moy) de manière monotone et continue par morceaux suivant l'axe (L).
  8. Générateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la cathode (18) présente une première distance transversale (dT1moy) évoluant de manière strictement monotone suivant l'axe (L).
  9. Générateur selon les revendications 4 et 8, dans lequel la cathode (18) est un tronc de cône de révolution autour de l'axe (L) s'étendant entre une première base (20) et une deuxième base (22).
  10. Générateur selon les revendications 5 et 6, dans lequel la surface intérieure (34) de l'anode (26) est inclinée vers l'axe (L).
  11. Générateur selon les revendications 4 et 7, dans lequel l'une de la cathode (18) et l'anode (26) est un cylindre de révolution présentant une section étagée selon l'axe (L).
  12. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant en outre un compresseur (70) présentant une ligne dispersive (74).
  13. Procédé de génération d'une onde électromagnétique présentant une pluralité de fréquences au moyen d'un générateur (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, le générateur (10) comprenant une source d'ondes électromagnétiques (14) raccordée au tube (12),
    le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes :
    - alimentation du tube (12) en énergie électrique, et
    - émission d'une onde électromagnétique par la source (14), à destination du tube (12).
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