EP3489987B1 - Internal load for travelling-wave tube using a delay line in a folded waveguide - Google Patents

Internal load for travelling-wave tube using a delay line in a folded waveguide Download PDF

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EP3489987B1
EP3489987B1 EP18205842.0A EP18205842A EP3489987B1 EP 3489987 B1 EP3489987 B1 EP 3489987B1 EP 18205842 A EP18205842 A EP 18205842A EP 3489987 B1 EP3489987 B1 EP 3489987B1
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Description

La présente invention concerne une ligne à retard ou guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives d'acronyme TOP.The present invention relates to a delay line or folded slow wave guide for traveling wave tube acronym TOP.

Dans la plupart des tubes hyperfréquence l'interaction entre l'onde et le faisceau est décomposée en deux étapes :

  • une première étape : obtenir un groupement des électrons en paquets, c'est-à-dire réaliser une modulation de densité du courant du faisceau au rythme du signal hyperfréquence ; et
  • une deuxième étape : placer les paquets d'électrons ainsi obtenus dans une phase où ils sont ralentis par le champ afin de céder leur énergie à l'onde.
In most microwave tubes, the interaction between the wave and the beam is broken down into two stages:
  • a first step: obtaining a grouping of electrons in packets, that is to say carrying out density modulation of the beam current at the rate of the microwave signal; and
  • a second step: placing the electron packets thus obtained in a phase where they are slowed down by the field in order to give up their energy to the wave.

Dans le cas des TOP, le groupement des électrons en paquet est obtenu en plaçant le faisceau dans le champ d'une onde progressive dont la vitesse de phase est égale à la vitesse des électrons. Dans un repère mobile les électrons voient le champ d'une onde stationnaire. Les électrons sont ralentis sur une alternance et accélérés sur la suivante. Un paquet d'électrons se forme autour de la phase pour laquelle on passe d'un champ accélérateur à un champ décélérateur.In the case of PTs, the grouping of electrons in a packet is obtained by placing the beam in the field of a traveling wave whose phase speed is equal to the speed of the electrons. In a moving frame the electrons see the field of a standing wave. The electrons are slowed down on one cycle and accelerated on the next. A bundle of electrons is formed around the phase for which we pass from an accelerating field to a decelerating field.

Un guide d'onde classique, de section rectangulaire ou cylindrique ne convient pas pour l'interaction car la vitesse de phase de l'onde qui se propage dans ce guide est supérieure à la vitesse de la lumière alors que la vitesse des électrons est inférieure à la vitesse de la lumière. De plus il faut un champ électrique parallèle au déplacement des électrons alors que le mode fondamental des guides rectilignes de section rectangulaire ou cylindrique est perpendiculaire à l'axe du guide. Pour obtenir une vitesse de phase inférieure à celle de la lumière il faut un guide spécial appelé guide à ondes lentes ou ligne à retard. Le plus souvent la ligne à retard est une ligne périodique obtenue en translatant de façon répétitive une cellule de base, pour obtenir une succession de cellules identiques. C'est le cas de l'hélice, de la ligne à cavités couplées, de la ligne interdigitale ...A conventional waveguide, of rectangular or cylindrical section is not suitable for the interaction because the phase speed of the wave which propagates in this guide is greater than the speed of light while the speed of the electrons is lower at the speed of light. In addition, an electric field parallel to the displacement of the electrons is required, while the fundamental mode of rectilinear guides of rectangular or cylindrical section is perpendicular to the axis of the guide. To obtain a phase velocity lower than that of light, you need a special guide called a slow wave guide or delay line. Most often the delay line is a periodic line obtained by repetitively translating a basic cell, to obtain a succession of identical cells. This is the case of the helix, the line with coupled cavities, the interdigital line ...

Dans le domaine des TOP fonctionnant aux longueurs d'onde millimétriques on utilise souvent une ligne à retard dite en guide replié. Cette ligne est obtenue en positionnant de manière périodique des sections de guide d'onde rectangulaire perpendiculaires à l'axe du faisceau, et en reliant de manière alternative les sections de guide droit par des coudes plan E à 180°. La vue de travers du guide replié a la forme d'un serpentin. Le trou de glissement du faisceau est situé au milieu de la section droite de guide rectangulaire. Le champ électrique dans le guide est perpendiculaire au grand coté du guide, et donc parallèle au déplacement des électrons, ce qui permet de moduler le faisceau. L'électron se déplace donc dans le trou de glissement, débouche dans la section de guide droit où il subit l'action du champ électrique (espace d'interaction), retraverse le trou de glissement et débouche dans l'espace d'interaction suivant. L'électron voit donc les espaces d'interaction successifs avec une période égale au pas de la ligne alors que la période géométrique de la ligne est égale à deux fois le pas. Le pas correspond à la distance entre deux guides droits séparés par un coude.In the field of PTs operating at millimeter wavelengths, a so-called folded guide delay line is often used. This line is obtained by periodically positioning rectangular waveguide sections perpendicular to the beam axis, and alternately connecting the straight guide sections by 180 ° E-plane elbows. The side view of the folded guide is shaped like a coil. The beam slip hole is located in the middle of the rectangular guide straight section. The electric field in the guide is perpendicular to the long side of the guide, and therefore parallel to the movement of the electrons, which makes it possible to modulate the beam. The electron therefore moves in the sliding hole, emerges in the right guide section where it is subjected to the action of the electric field (interaction space), crosses the sliding hole again and emerges in the following interaction space . The electron therefore sees the successive interaction spaces with a period equal to the pitch of the line while the geometric period of the line is equal to twice the pitch. The pitch corresponds to the distance between two straight guides separated by an elbow.

La longueur du guide d'onde replié (partie droite et coudes) est déterminée pour que le déphasage de l'onde dans le guide corresponde à la variation de phase liée au déplacement des électrons d'un espace d'interaction au suivant.The length of the folded waveguide (straight part and elbows) is determined so that the phase shift of the wave in the guide corresponds to the phase variation linked to the displacement of electrons from one interaction space to the next.

Les tubes à onde progressives utilisent une ligne à retard comportant un nombre de sections supérieur ou égal à 2. La section d'entrée est terminée par une charge et la section de sortie commence par une charge. Les sections intermédiaires commencent et se terminent par une charge. On appelle charge un volume contenant un matériau absorbant l'onde RF raccordé à la ligne à retard, tel que, dans le plan du raccord, l'impédance présentée par le volume soit la plus proche possible de l'impédance caractéristique de la ligne à retard afin de réaliser une bonne adaptation (c'est-à-dire minimiser l'onde réfléchie par la charge).Traveling wave tubes use a delay line with a number of sections greater than or equal to 2. The input section is terminated with a load and the output section begins with a load. Intermediate sections begin and end with a load. A load is called a volume containing a material absorbing the RF wave connected to the delay line, such that, in the plane of the connection, the impedance presented by the volume is as close as possible to the characteristic impedance of the line to delay in order to achieve a good adaptation (i.e. to minimize the wave reflected by the load).

La figure 1 représente schématiquement une ligne à retard ou guide à onde lente pour tube à ondes progressives comprenant trois sections 1, 2, 3. La ligne à retard représentée comprend une entrée 4 et une sortie 5.The figure 1 schematically represents a delay line or slow waveguide for traveling wave tube comprising three sections 1, 2, 3. The delay line shown comprises an input 4 and an output 5.

Les charges 6 en sortie de la première section 1, en entrée de la deuxième section 2, en sortie de la deuxième section 2, et en entrée de la troisième section 3 sont appelées charge à la coupure ou "sever loads" en langue anglaise. Entre la fin d'une ligne et le début de la suivante le faisceau d'électrons passe dans un trou de glissement sans champ RF, ce qui contribue à dégrouper le faisceau (c'est donc une perte de modulation).The loads 6 at the output of the first section 1, at the input of the second section 2, at the output of the second section 2, and at the input of the third section 3 are called breaking loads or "sever loads" in English. Between the end of one line and the start of the next, the electron beam passes through a sliding hole without an RF field, which contributes to unbundling the beam (it is therefore a loss of modulation).

Si les coefficients de réflexion aux deux extrémités d'une section et le gain de la section sont trop élevés, il est possible d'observer une oscillation dans la section de ligne à retard. C'est pourquoi la longueur des différentes sections est déterminée de manière à limiter le gain, compte tenu du coefficient de réflexion des charges à la coupure.If the reflection coefficients at both ends of a section and the gain of the section are too high, it is possible to observe oscillation in the delay line section. This is why the length of the different sections is determined so as to limit the gain, taking into account the reflection coefficient of the loads at breaking.

Les TOP les plus répandus, dont un exemple est illustré sur la figure 2, utilisent une ligne à retard comprenant une hélice 7 maintenue dans un fourreau 8 par trois montants diélectriques 9.The most common TOPs, an example of which is illustrated on figure 2 , use a delay line comprising a propeller 7 held in a sleeve 8 by three dielectric uprights 9.

Sur une ligne à retard de la figure 2, la charge est généralement réalisée en déposant, sur les montants 9 supportant l'hélice 7 une couche de matériau ayant des pertes hyperfréquences élevées, tel du graphite. Un matériau présentant des pertes hyperfréquences est caractérisé par une conductivité électrique finie σ (au contraire d'un conducteur parfait dont la conductivité électrique est infinie), ce qui se traduit par un courant de conduction σE (E étant le champ électrique) et des pertes résistives σE2. Dans un milieu présentant des pertes hyperfréquences l'onde subit une atténuation exponentielle en fonction de la distance. En faisant varier l'épaisseur du dépôt on réalise une charge dont l'atténuation (perte hyperfréquences) et le coefficient de réflexion augmentent progressivement, permettant ainsi d'obtenir une bonne adaptation dans une large bande de fréquences.On a delay line of the figure 2 , the load is generally carried out by depositing, on the uprights 9 supporting the propeller 7, a layer of material having high microwave losses, such as graphite. A material exhibiting microwave losses is characterized by a finite electrical conductivity σ (unlike a perfect conductor whose electrical conductivity is infinite), which results in a conduction current σE (E being the electric field) and losses resistive σE 2 . In a medium exhibiting microwave losses, the wave undergoes exponential attenuation as a function of the distance. By varying the thickness of the deposit, a load is produced, the attenuation (microwave loss) and the reflection coefficient of which gradually increase, thus making it possible to obtain good adaptation over a wide frequency band.

Dans une telle ligne à retard à hélice, la longueur de la charge conduit à une perte de modulation importante, donc à une perte de gain du TOP, qu'il faut compenser par une augmentation du gain des autres sections, donc à une augmentation de la longueur totale du TOP.In such a helical delay line, the length of the load leads to a significant loss of modulation, therefore to a loss of PT gain, which must be compensated by an increase in the gain of the other sections, therefore to an increase in the total length of the TOP.

La figure 3 représente schématiquement l'atténuation sur un montant 9, en fonction de l'épaisseur z du dépôt du matériau ayant des pertes hyperfréquences élevées, tel du graphite. Plus l'atténuation est élevée, plus la couleur grise qui la représente est foncée.The figure 3 schematically represents the attenuation on an upright 9, as a function of the thickness z of the deposit of the material having high microwave losses, such as graphite. The higher the attenuation, the darker the gray color that represents it.

Dans le cas de TOP utilisant une ligne à retard en guide replié, il est connu d'interrompre les ondulations pour passer d'un guide replié 10 à un guide droit 11, dans lequel est placée une charge absorbant de l'énergie électromagnétique. Un tel guide droit peut être soit parallèle, comme représenté sur les figures 4 et 5, soit perpendiculaire, comme représenté sur la figure 6, au trou de glissement 12 du faisceau.In the case of PT using a delay line with a folded guide, it is known practice to interrupt the corrugations to pass from a folded guide 10 to a straight guide 11, in which a load absorbing electromagnetic energy is placed. Such a straight guide can be either parallel, as shown in the figures 4 and 5 , or perpendicular, as shown in the figure 6 , to the sliding hole 12 of the beam.

Pour de tels modes de réalisation, bien qu'utilisant une même section de guide, la ligne périodique en guide replié et le guide droit contenant la charge n'ont pas la même impédance et il est nécessaire de réaliser une adaptation entre les deux, qui n'est pas à large bande, et limite la bande du TOP.For such embodiments, although using the same guide section, the periodic line in folded guide and the straight guide containing the load do not have the same impedance and it is necessary to make an adaptation between the two, which is not broadband, and limits the PT band.

En variante, comme représenté sur la figure 7, il est connu d'interrompre la ligne à retard en guide replié pour placer un bloc de diélectrique 13 à pertes d'une géométrie déterminée pour minimiser les réflexions de la charge.Alternatively, as shown in figure 7 , it is known practice to interrupt the delay line with a folded guide in order to place a block of lossy dielectric 13 with a determined geometry in order to minimize the reflections of the load.

Cette variante comprend une transition brutale entre le guide replié périodique 10 et le bloc diélectrique 13 à pertes hyperfréquences qui équivaut à charger le guide replié périodique 10 par un résonateur à pertes hyperfréquences possédant de nombreuses résonances, ce qui limite la bande de fréquences dans laquelle la charge est bien adaptée.This variant comprises an abrupt transition between the periodic folded guide 10 and the microwave loss dielectric block 13 which is equivalent to charging the periodic folded guide 10 by a microwave loss resonator having many resonances, which limits the frequency band in which the load is well suited.

Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités.An aim of the invention is to overcome the problems mentioned above.

Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une ligne à onde lente en guide replié munie d'une charge interne comprenant :

  • une plaque centrale comprenant un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal de la plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ;
  • une plaque inférieure et une plaque supérieure fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale ;
  • au moins une rainure de section pouvant être variable, réalisée selon l'axe longitudinal du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure, la plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ;
pour former un guide à onde lente fermé dans lequel se propage une onde lente hybride dont l'amplitude est atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes.It is proposed, according to one aspect of the invention, a slow wave line in folded guide provided with an internal load comprising:
  • a central plate comprising a beam sliding hole, rectilinear in the same direction as the longitudinal axis of the central plate, and a bent serpentine-shaped slot having its folds in the direction of the width of the guide;
  • a lower plate and an upper plate closing the waveguide, respectively disposed on and under the central plate;
  • at least one groove of section which can be variable, produced along the longitudinal axis of the guide, on at least one face inside the guide of the lower plate, the upper plate or the central plate, comprising at least partially a material exhibiting microwave losses ;
to form a closed slow waveguide in which propagates a hybrid slow wave whose amplitude is attenuated by at least 20 dB between the beginning and the end of the part of the groove or grooves containing lossy material.

Ainsi les réflexions de la charge sont minimisées, et l'atténuation de l'énergie électromagnétique n'est pas brutale.Thus the reflections of the load are minimized, and the attenuation of the electromagnetic energy is not abrupt.

On introduit progressivement les pertes dans la ligne en guide replié, ce qui présente une analogie avec l'augmentation progressive du dépôt de graphite sur les supports d'hélice.The losses are gradually introduced into the line as a folded guide, which presents an analogy with the progressive increase in the deposition of graphite on the propeller supports.

Dans un mode de réalisation, le matériau présentant des pertes hyperfréquences est un diélectrique à pertes hyperfréquences.In one embodiment, the material exhibiting microwave losses is a microwave loss dielectric.

Ainsi, l'onde subit une atténuation exponentielle avec un maximum de puissance dissipée au début de la zone atténuée si la répartition du matériau à pertes est uniforme.Thus, the wave undergoes exponential attenuation with a maximum of power dissipated at the start of the attenuated zone if the distribution of the lossy material is uniform.

Selon un mode de réalisation, au moins une rainure a une section constante et comprend une quantité croissante d'un même diélectrique à pertes hyperfréquences lorsque l'abscisse augmente selon l'axe du guide orienté dans le sens de propagation d'onde.According to one embodiment, at least one groove has a constant section and comprises an increasing quantity of the same microwave-loss dielectric when the abscissa increases along the axis of the guide oriented in the direction of wave propagation.

Ainsi, une faible proportion de la puissance peut être absorbée au début de la charge et une proportion plus élevée ensuite, avec pour avantage de mieux répartir la puissance dissipée sur la longueur de la charge.Thus, a small proportion of the power can be absorbed at the start of the charge and a higher proportion thereafter, with the advantage of better distributing the power dissipated over the length of the load.

Dans un mode de réalisation, au moins une rainure a une section constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et est pleine de diélectrique à pertes hyperfréquences dont le niveau de pertes hyperfréquences augmente quand ladite abscisse augmente.In one embodiment, at least one groove has a constant or increasing section when said abscissa increases and is filled with microwave loss dielectric whose level of microwave losses increases when said abscissa increases.

Ainsi, une faible proportion de la puissance peut être absorbée au début de la charge et une proportion plus élevée ensuite, avec pour avantage de mieux répartir la puissance dissipée sur la longueur de la charge.Thus, a small proportion of the power can be absorbed at the start of the charge and a higher proportion thereafter, with the advantage of better distributing the power dissipated over the length of the load.

En variante, le matériau à pertes hyperfréquences est une couche d'un mélange de métaux choisis parmi fer, nickel, molybdène, et titane, recouvrant au moins partiellement la surface interne d'une rainure.As a variant, the microwave loss material is a layer of a mixture of metals selected from iron, nickel, molybdenum, and titanium, at least partially covering the internal surface of a groove.

Ainsi, il n'est pas nécessaire d'usiner un bloc diélectrique, puis de braser ce bloc ou de le sertir dans les plaques inférieures ou supérieures afin d'assurer l'écoulement de la chaleur entre le bloc diélectrique où la puissance est dissipée et la source froide placée autour de la ligne à retard.Thus, it is not necessary to machine a dielectric block, then solder this block or crimp it into the lower or upper plates in order to ensure the flow of heat between the dielectric block where the power is dissipated and the cold source placed around the delay line.

Par exemple, au moins une rainure a une section dont la longueur d'arrête est constante et comprend une quantité croissante d'une couche de même dit mélange de métaux lorsque ladite abscisse augmente.For example, at least one groove has a section of which the edge length is constant and comprises an increasing amount of a layer of the same said mixture of metals as said abscissa increases.

En variante, au moins une rainure a une section dont la longueur d'arrête est constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et comprend une couche de même dit mélange de métaux.As a variant, at least one groove has a section whose ridge length is constant or increasing as said abscissa increases and comprises a layer of the same said mixture of metals.

Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'une ligne à onde lente en guide replié munie d'une charge interne comprenant des étapes consistant à :

  • percer dans une plaque centrale un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal d'une plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ;
  • réaliser au moins une rainure de section pouvant être variable, selon l'axe longitudinal du guide, sur au moins une face interne au guide d'une plaque inférieure, une plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ;
  • disposer la plaque inférieure et la plaque supérieure fermant le guide d'onde, respectivement sous et sur la plaque centrale ;
de manière à former un guide à onde lente fermé dans lequel se propage une onde lente hybride dont l'amplitude est atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes.It is also proposed, according to another aspect of the invention, a method of manufacturing a slow wave line in folded guide provided with an internal load comprising steps consisting in:
  • drilling in a central plate a beam sliding hole, rectilinear in the same direction as the longitudinal axis of a central plate, and a folded slot in the form of a serpentine having its folds in the direction of the width of the guide;
  • produce at least one section groove that can be variable, along the longitudinal axis of the guide, on at least one face inside the guide of a lower plate, an upper plate or the central plate, comprising at least partially a material exhibiting losses microwave frequencies;
  • arranging the lower plate and the upper plate closing the waveguide, respectively under and on the central plate;
so as to form a closed slow waveguide in which propagates a hybrid slow wave whose amplitude is attenuated by at least 20 dB between the beginning and the end of the part of the groove or grooves containing a lossy material.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :

  • la figure 1 illustre schématiquement une ligne à retard ou guide à onde lente pour tube à ondes progressives comprenant trois sections, selon l'état de la technique ;
  • la figure 2 illustre schématiquement une ligne à retard comprenant une hélice maintenue dans un fourreau par trois montants diélectriques, selon l'état de la technique ;
  • la figure 3 illustre schématiquement l'atténuation sur un montant d'une ligne à retard de la figure 2, en fonction de l'épaisseur du dépôt du matériau ayant des pertes hyperfréquences élevée, selon l'état de la technique ;
  • la figure 4 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit parallèle au trou de glissement du faisceau, selon l'état de la technique ;
  • la figure 5 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit parallèle au trou de glissement du faisceau et replié vers les cellules de la ligne , selon l'état de la technique ;
  • la figure 6 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit perpendiculaire au trou de glissement du faisceau, selon l'état de la technique ;
  • la figure 7 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié interrompue par un bloc de diélectrique à pertes d'une géométrie déterminée pour minimiser les réflexions de la charge, selon l'état de la technique ; et
  • les figures 8, 9 et 10 illustrent schématiquement une vue d'ensemble et des vues en coupe d'un guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives, selon un aspect de l'invention.
The invention will be better understood by studying a few embodiments described by way of non-limiting examples and illustrated by the appended drawings in which:
  • the figure 1 schematically illustrates a delay line or slow wave guide for traveling wave tube comprising three sections, according to the state of the art;
  • the figure 2 schematically illustrates a delay line comprising a helix held in a sheath by three dielectric uprights, according to the state of the art;
  • the figure 3 schematically illustrates the attenuation on an amount of a delay line of the figure 2 , depending on the thickness of the deposit of the material having high microwave losses, according to the state of the art;
  • the figure 4 schematically illustrates a delay line in folded guide, comprising a load absorbing electromagnetic energy in a straight guide parallel to the beam sliding hole, according to the state of the art;
  • the figure 5 schematically illustrates a delay line in folded guide, comprising a load absorbing electromagnetic energy in a straight guide parallel to the beam sliding hole and folded towards the cells of the line, according to the state of the art;
  • the figure 6 schematically illustrates a delay line in folded guide, comprising a load absorbing electromagnetic energy in a straight guide perpendicular to the beam sliding hole, according to the state of the art;
  • the figure 7 schematically illustrates a folded-guide delay line interrupted by a lossy dielectric block of a determined geometry to minimize the reflections of the load, according to the state of the art; and
  • the figures 8 , 9 and 10 schematically illustrate an overall view and sectional views of a folded slow wave guide for traveling wave tube, according to one aspect of the invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires.In all of the figures, the elements having identical references are similar.

Dans la présente description, les modes de réalisation décrits sont nullement limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails.In the present description, the embodiments described are in no way limiting, and the characteristics and functions well known to those skilled in the art are not described in detail.

Sur la figure 8 est représenté schématiquement une ligne à onde lente en guide replié pour tube à ondes progressives, munie d'une charge interne comprenant :

  • une plaque centrale 20 comprenant un trou 21 de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal z de la plaque centrale 20, et une fente 22 repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ;
  • une plaque inférieure 23 et une plaque supérieure 24 fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale 20 ;
  • au moins une rainure 25 de section pouvant être variable, réalisée selon l'axe longitudinal z du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure 23, la plaque supérieure 24 ou la plaque centrale 20, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ;
pour former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes.On the figure 8 is schematically represented a slow wave line in folded guide for traveling wave tube, provided with an internal load comprising:
  • a central plate 20 comprising a beam sliding hole 21, rectilinear in the same direction as the longitudinal axis z of the central plate 20, and a slit 22 folded in the form of a serpentine having its folds in the direction of the width of the guide;
  • a lower plate 23 and an upper plate 24 closing the waveguide, respectively arranged on and under the central plate 20;
  • at least one groove 25 of variable section, produced along the longitudinal axis z of the guide, on at least one face internal to the guide of the lower plate 23, the upper plate 24 or the central plate 20, comprising at least partially a material exhibiting microwave losses;
to form a hybrid slow waveguide such that the amplitude of a wave is attenuated by at least 20 dB between the start and the end of the part of the groove (s) containing lossy material.

En d'autres termes, la présente invention consiste à introduire de façon progressive des pertes électromagnétiques dans la ligne à retard en guide replié pour éviter une transition brutale entre la ligne périodique et un guide rectangulaire, ou entre la ligne périodique et un bloc de diélectrique, de manière équivalente à l'augmentation du dépôt de graphite sur les montants d'une ligne à retard à hélice connu de l'état de l'art.In other words, the present invention consists in gradually introducing electromagnetic losses into the delay line in folded guide to avoid a sudden transition between the periodic line and a rectangular guide, or between the periodic line and a dielectric block. , in a manner equivalent to the increase in the deposit of graphite on the uprights of a delay line with a helix known from the state of the art.

Pour ce faire la ligne à retard en guide replié est couplée à une autre ligne de transmission qui possède des pertes importantes, et le couplage entre les deux lignes augmente dans le sens de propagation de l'onde. Si l'on définit une cellule comme le volume délimité par deux plans perpendiculaires à l'axe du faisceau distant d'un pas (c'est-à-dire la distance entre deux guides droits séparés par un coude), l'amplitude de l'onde diminue d'une cellule à la suivante.To do this, the folded-guide delay line is coupled to another transmission line which has significant losses, and the coupling between the two lines increases in the direction of wave propagation. If we define a cell as the volume delimited by two planes perpendicular to the axis of the beam distant by one step (that is to say the distance between two straight guides separated by an elbow), the amplitude of the wave decreases from one cell to the next.

Sur l'exemple de la figure 8, deux rainures 25 de section variable, croissante avec l'abscisse de l'axe z du guide, en l'espèce symétriques par rapport au plan moyen de la plaque centrale 20, sont réalisées sur la face interne au guide de la plaque inférieure 23 et sur la face interne au guide de la plaque supérieure 24, et sont remplies de matériau diélectrique à pertes hyperfréquences, tel qu'un matériau céramique (alumine, oxyde de béryllium, nitrure d'aluminium) fritté avec des éléments ajoutant des pertes hyperfréquences (carbone, fer, titane, ...).On the example of figure 8 , two grooves 25 of variable section, increasing with the abscissa of the axis z of the guide, in this case symmetrical with respect to the mean plane of the central plate 20, are made on the internal face of the guide of the lower plate 23 and on the inner face of the guide of the top plate 24, and are filled with microwave loss dielectric material, such as a ceramic material (alumina, beryllium oxide, aluminum nitride) sintered with elements adding microwave losses ( carbon, iron, titanium, ...).

La ligne de transmission à fortes pertes électromagnétiques peut être usinée dans les plaques inférieure 23 et/ou supérieures 24 qui sont brasées avec la plaque centrale 20 dans laquelle est usiné le serpentin 22 afin de constituer la ligne à retard en guide replié. Il s'agit donc d'un guide d'onde usiné en creux dans les plaques inférieure 23 et/ou supérieures 24. Il peut également être usiné en partie ou totalement dans la plaque centrale 20.The transmission line with high electromagnetic losses can be machined in the lower 23 and / or upper 24 plates which are brazed with the central plate 20 in which the coil 22 is machined in order to constitute the delay line as a folded guide. It is therefore a waveguide machined hollow in the lower 23 and / or upper 24 plates. It can also be partially or totally machined in the central plate 20.

Sur l'exemple de la figure 8, la rainure de section variable effectuée sur la face interne au guide de la plaque supérieure 24 n'est pas visible.On the example of figure 8 , the variable section groove made on the internal face of the guide of the upper plate 24 is not visible.

La figure 9 représente une vue en coupe d'un guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives, selon un aspect de l'invention.The figure 9 shows a sectional view of a folded slow wave guide for traveling wave tube, according to one aspect of the invention.

La figure 10 représente différentes sections de coupe de l'exemple de la figure 9.The figure 10 shows different cross sections of the example of the figure 9 .

En variante, tout mode de réalisation comprenant au moins une rainure 25 de section pouvant être variable (variable ou constante), réalisée selon l'axe longitudinal z du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure, la plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences, est possible.As a variant, any embodiment comprising at least one groove 25 of section which may be variable (variable or constant), produced along the longitudinal axis z of the guide, on at least one face internal to the guide of the lower plate, the upper plate or the central plate, comprising at least partially a material exhibiting microwave losses, is possible.

Pour réaliser ces pertes électromagnétiques, il est possible de remplir en partie ou en totalité les rainures 25 avec un ou différents diélectriques à pertes hyperfréquences, ou déposer sur les parois un ou différents matériaux à pertes hyperfréquences, de sorte que selon ledit axe longitudinal orienté dans le sens de propagation de l'onde, lorsque l'abscisse augmente, l'amplitude de l'onde soit atténuée de 20 dB entre le début et la fin de la charge.To achieve these electromagnetic losses, it is possible to partially or completely fill the grooves 25 with one or more dielectrics with microwave losses, or deposit on the walls one or different materials with microwave losses, so that along said longitudinal axis oriented in the direction of propagation of the wave, when the abscissa increases, the amplitude of the wave is attenuated by 20 dB between the start and the end of the load.

Les cas les plus explicites sont les suivants.The most explicit cases are as follows.

Au moins une rainure 25 peut avoir une section constante et comprendre une quantité croissante d'un même diélectrique à pertes hyperfréquences lorsque ladite abscisse augmente.At least one groove 25 may have a constant section and comprise an increasing quantity of the same microwave-loss dielectric as said abscissa increases.

En variante, au moins une rainure 25 peut avoir une section constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et être pleine de diélectrique à pertes hyperfréquences dont le niveau de pertes hyperfréquences augmente quand l'abscisse augmente.As a variant, at least one groove 25 may have a constant or increasing section when said abscissa increases and be full of microwave loss dielectric whose level of microwave losses increases when the abscissa increases.

En variante, au moins une rainure 25 peut avoir une section dont la longueur d'arrête est constante et comprendre une quantité croissante d'une couche de même mélange de métaux choisis parmi: fer, nickel, molybdène, titane, recouvrant au moins partiellement la surface interne d'une rainure lorsque l'abscisse augmente.As a variant, at least one groove 25 may have a section whose edge length is constant and comprise an increasing amount of a layer of the same mixture of metals chosen from: iron, nickel, molybdenum, titanium, at least partially covering the surface. internal surface of a groove as the abscissa increases.

En variante, au moins une rainure 25 peut avoir une section dont la longueur d'arrête est constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et comprendre une couche de même mélange de métaux choisis parmi: fer, nickel, molybdène, titane.As a variant, at least one groove 25 may have a cross section whose stopping length is constant or increasing when said abscissa increases and comprise a layer of the same mixture of metals chosen from: iron, nickel, molybdenum, titanium.

Le grand coté du guide usiné dans les plaques inférieures et supérieures détermine l'ouverture dans la ligne en guide replié, et donc le couplage entre les deux lignes de transmission. Une faible hauteur du guide à pertes peut correspondre à un guide fonctionnant en dessous de la fréquence de coupure et donc à une énergie ne se propageant pas dans le guide à pertes. Dans ce cas le guide se comporte plutôt comme une cavité résonante amortie couplée au guide replié.The large side of the guide machined in the lower and upper plates determines the opening in the folded guide line, and therefore the coupling between the two transmission lines. A low height of the lossy guide may correspond to a guide operating below the cut-off frequency and therefore to an energy not propagating in the lossy guide. In this case, the guide behaves more like a damped resonant cavity coupled to the folded guide.

Le procédé de fabrication d'une telle ligne à onde lente en guide replié munie d'une charge interne comprend des étapes consistant à :

  • percer dans une plaque centrale (20) un trou (21) de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal (z) d'une plaque centrale (20), et une fente (22) repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ;
  • réaliser au moins une rainure (25) de section pouvant être variable, selon l'axe longitudinal (z) du guide, sur au moins une face interne au guide d'une plaque inférieure (23), d'une plaque supérieure (24) ou de la plaque centrale (20), comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ;
  • disposer la plaque inférieure (23) et la plaque supérieure (24) fermant le guide d'onde, respectivement sous et sur la plaque centrale (20) ;
de manière à former un guide à onde lente fermé dans lequel se propage une onde lente hybride dont l'amplitude est atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes.The method of manufacturing such a slow wave folded guide line provided with an internal load comprises steps consisting of:
  • drill in a central plate (20) a beam sliding hole (21), rectilinear in the same direction as the longitudinal axis (z) of a central plate (20), and a slit (22) bent in the form of a serpentine having its folds in the direction of the width of the guide;
  • making at least one groove (25) of section which can be variable, along the longitudinal axis (z) of the guide, on at least one face inside the guide of a lower plate (23), of an upper plate (24) or the central plate (20), comprising at least partially a material exhibiting microwave losses;
  • arranging the lower plate (23) and the upper plate (24) closing the waveguide, respectively under and on the central plate (20);
so as to form a closed slow waveguide in which propagates a hybrid slow wave whose amplitude is attenuated by at least 20 dB between the beginning and the end of the part of the groove or grooves containing a lossy material.

Les plaques, généralement parallélépipédiques peuvent être réalisées par des procédés classiques de laminage ou fraisage.The plates, generally parallelepipedal, can be produced by conventional rolling or milling processes.

Le trou 21 de glissement de faisceau peut être réalisé par électroérosion, et la fente 22 dans la plaque centrale peut être réalisée par électroérosion à fil.The beam sliding hole 21 can be made by EDM, and the slot 22 in the central plate can be made by wire EDM.

Les rainures 25 peuvent être réalisées par micro-fraisage ou par électroérosion.The grooves 25 can be produced by micro-milling or by electroerosion.

Claims (8)

  1. A folded-waveguide slow-wave structure equipped with an internal load, comprising:
    - a central plate (20) comprising a rectilinear beam slip hole (21) of same direction as the longitudinal axis (z) of the central plate (20), and a serpentine- shaped folded slit (22) having its folds in the direction of the width of the waveguide;
    - a lower plate (23) and an upper plate (24) closing the waveguide, placed on and under the central plate (20), respectively;
    - at least one groove (25) with a cross section that may be variable or constant along the longitudinal axis (z) of the waveguide, in at least one face internal to the waveguide of the lower plate (23), the upper plate (24) or the central plate (20), at least partially comprising a material with hyperfrequency losses;
    in order to form a closed slow-wave structure in which a hybrid slow wave propagates, the amplitude of which is attenuated by at least 20 dB between the start and the end of the portion of the groove(s) containing a lossy material
  2. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 1, wherein the material with hyperfrequency losses is a dielectric with hyperfrequency losses.
  3. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 2, wherein at least one groove (25) has a constant cross-section and comprises an amount of a given dielectric with hyperfrequency losses that increases as the abscissa increases along the axis of the waveguide, which is oriented in the direction of wave propagation.
  4. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 2, wherein at least one groove (25) has a cross section that remains constant or increases as said abscissa increases and is filled with dielectric with hyperfrequency losses, the level of microwave losses of which increases as said abscissa increases.
  5. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 1, wherein the material with hyperfrequency losses is a layer of a mixture of metals chosen from iron, nickel, molybdenum and titanium, at least partially covering the internal surface of a groove (25).
  6. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 5, wherein at least one groove (25) has a cross section the edge length of which remains constant and comprises an amount of a layer of said same mixture of metals that increases as said abscissa increases.
  7. The folded-waveguide slow-wave structure according to claim 5, wherein at least one groove (25) has a cross section the edge length of which remains constant or increases as said abscissa increases and comprises a layer of said same mixture of metals.
  8. A process for manufacturing a folded-waveguide slow-wave structure equipped with an internal load, comprising:
    - drilling in a central plate (20) a rectilinear beam slip hole (21) extending in the same direction as the longitudinal axis (z) of a central plate (20), and a serpentine-shaped folded slit (22) having its folds in the direction of the width of the waveguide;
    - producing at least one groove (25) with a cross section that may be variable or constant, along the longitudinal axis (z) of the waveguide, in at least one face internal to the waveguide of a lower plate (23), of an upper plate (24) or of the central plate (20), and at least partially comprising a material with hyperfrequency losses;
    - placing the lower plate (23) and the upper plate (24) closing the waveguide, under and on the central plate (20), respectively; so as to form a closed slow-wave structure through which propagates a hybrid slow wave the amplitude of which is attenuated by at least 20 dB between the start and the end of the portion of groove(s) containing a lossy material.
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