FR2563390A1 - Dispositifs amplificateurs et oscillateurs micro-ondes - Google Patents

Abstract

UN DISPOSITIF MICRO-ONDES POSSEDE UN GUIDE D'ONDES CIRCULAIRE WG, UN SOLENOIDE 46 POUR PRODUIRE UN CHAMP MAGNETIQUE AXIAL DANS CE GUIDE, ET UN CANON A ELECTRONS 40 QUI ORIENTE DES ELECTRONS SELON UNE LIGNE INCLINEE PAR RAPPORT AU CHAMP AXIAL, AFIN DE PRODUIRE UN FAISCEAU QUI PRESENTE UN ESPACEMENT VARIABLE PERIODIQUEMENT PAR RAPPORT A L'AXE. AFIN DE REDUIRE L'INTENSITE DU CHAMP REQUIS, ON UTILISE UNE STRUCTURE MAGNETIQUE PERIODIQUE. CETTE FIGURE PEUT COMPRENDRE DES ANNEAUX ALTERNES DE MATERIAUX MAGNETIQUE ET NON MAGNETIQUE FORMANT LE GUIDE D'ONDES WG. DES VARIANTES FONT INTERVENIR DES ANNEAUX SUPRACONDUCTEURS ET UNE STRUCTURE PERIODIQUE A AIMANTS PERMANENTS.

Description

La présente invention concerne des amplifi-

cateurs et oscillateurs micro-ondes.

On a décrit dans un article situé aux pages 374 à 376 de I.E.E.E. Transactions on Electron Devices Vol. ED-13 mars 1966 une "interaction entre un faisceau d'élec- tronsde diamètre périodiquement variable et des ondes électromagnétiques dans un guide cylindrique" (Interaction between an Electron Beam of Periodically Varying Diameter and EM Waves in a Cylindrical Guide). Cet article décrit un dispositif qui comprend un guide d'ondes de section

droite circulaire, le long duquel on fait passer-un fais-

ceau d'électrons, ainsi qu'une onde électromagnétique, ce guide d'ondes fonctionnant dans un mode magnétique transverse (mode TM). On fait en sorte que le faisceau varie périodiquement en diamètre, et interagisse avec l'onde. La variation périodique du diamètre est produite par une interaction du faisceau d'électrons avec un champ

axial produit par un solénoide.

Selon la présente invention, on prévoit un dispositif micro-ondesqui comprend un guide d'ondes, des moyens pour former un faisceau d'électrons qui s'étend dans la direction de l'axe du guide d'ondes, et qui possède un espacement à variation périodique à l'égard de l'axe, ces moyens de formation de faisceau comprenant une structure magnétique périodique, qui permet au moins partiellement un espacement périodique entre ce faisceau et l'axe, et des moyens pour amener le guide à faire propager une onde électromagnétique du mode TMo1 ou TM2

afin qu'elle interagisse avec le faisceau.

D'autres caractéristiques et avantages de

l'invention apparaîtront à la lecture de la description

détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une illustration schématique du mode TMo1 dans un guide d'ondes circulaire;

À les figures 2a à 2c définissent une illustra-

tion schématique du fonctionnement d'un dispositif micro-

ondesdu type intéressé par la présente invention; la figure 3 est une illustration schématique du mode TMo2 d'un guide d'ondes circulaire; la figure 4 est un schéma d'un amplificateur selon la présente invention; 10. la figure 5 est un schéma du canon a électrons de l'amplificateur;

la figure 6 est un diagramme schématique expli-

quant le fonctionnement du canon à électrons; et

es figures7a à 74 montrent, sous forme schéma-

tique, des variantes de l'amplificateur de la figure 4.

On décrira maintenant, tel qu'il est connu jusqu'à présent, le fonctionnement d'un amplificateur a micro-ondes auquel on se référera dans la suite comme étant un amplificateur à faisceau "ondulé". Dans ce type

de fonctionnement connu, l'amplification de l'amplifi-

cateur à faisceau ondulé est fondée sur l'interaction des électrons avec la composante z du champ électrique d'un mode de guide d'ondes circulaire TMo1, comme le montre la figure 1. Cette configuration de mode présente un maximum Ez sur l'axe AX, pour tomber à zero sur le bord ED du guide. Les ondulations du faisceau d'électrons (figure 2a) permettent à des régions de synchronisme de

s'établir, là o le faisceau est proche de l'axe, c'est-

à-dire avec un fort champ Ez, tandis que des régions de non-synchronisme apparaissent là o le faisceau est proche de la paroi ou tunnel de faisceau, c'est-à-dire là o le champ électrique E est faible. Cette méthode de zsynchronisation peut tre comprise e considrant la synchronisation peut être comprise en considérant la figure 2. La figure 2a montre le faisceau d'électrons creux et ondulé. Aux points A, B, C, D, etc., le rayon du faisceau se situe à un minimum, et par conséquent les électrons sont dans une valeur élevée de E. A mi-chemin z entre ces points, le rayon du faisceau est un maximum, et par conséquent les électrons sont dans une région de faible E z Les points A, B, C, etc., définissent la période du faisceau ondulé, et comme les ondulations sont fixes

dans l'espace, l'interaction est considérée sur cette pé-

riode. La figure 2c montre la phase instantanée du signal radiofréquence du faisceau d'électrons, c'est-à-dire la composante fondamentale du groupement d'électrons, au sens d'un courant d'électrons à vitesse modulée. Comme le signal se déplace plus lentement dans le faisceau que sur la structure, le signal de faisceau subit un changement de phase plus grand à chaque période. Toutefois, dans un état de synchronisme, la tension de faisceau, et par consequent la vitesse électronique, est choisie de telle

sorte que le changement de phase sur le faisceau par pé-

riode soit 2 + 8 (ou plus généralement 2n X + 8, avec ici

n = 1.).

Cela signifie que si le signal sur la structure et celui du faisceau sont en phase au point A, ils sont également en phase au point B. A mi-chemin entre A et B, la phase du signal de structure est 0/2, et la phase du signal de faisceau est 0/2 + s. En conséquence, les deux signaux se trotvrent maintenant en opposition de phase et on observe une inter action destructive. Cette interaction destructive se produit lorsque les électrons ont ondulé jusqu'à une position de champ faible. Cependant, comme l'interaction constructive intervient lorsque les électrons ont ondulé jusqu'à une région de champ élevé, de ce fait, il y a sur une période une interaction globale constructive. Le dispositif décrit fonctionne dans le mode de guide d'ondes circulaire TMol. Le mécanisme d'interaction souffre de deux inconvénients, dont chacun se serait éliminé en prenant un fonctionnement dans le mode de guide d'ondes TMo2 Comme le montre la figure 3, dans le mode de guide d'ondes circulaire TM02, la composante EZ du champ électrique possède une valeur élevée sur l'axe AX, tout en tombant vers zéro lorsqu'on s'éloigne de l'axe, jusqu'à un point intermédiaire IP. Cette composante Ez s'inverse ensuite entre le point IP et le bord ED ou

paroi du guide d'ondes.

Premièrement, comme on l'a montré plus haut, un demi-cycle de l'interaction est destructif. C'est seulement le fait que ceci intervient dans un faible champ électrique qui amène l'interaction globale sur le cycle à se trouver constructive. Toutefois, en fonctionnant dans le mode TMo2, comme le montre la figure 3, les ondulations de faisceau peuvent être agencées de telle sorte que le demi-cycle constructif peut-interagir avec le champ électrique près de l'axe comme précédemment, mais ce qui était auparavant le demi-cycle destructif vient maintenant interagir avec la configuration de champ externe, qui est en opposition de phase avec le champ axial, et produit de la sorte une nouvelle interaction constructive. En conséquence, si l'ondulation de faisceau est choisie pour s'accorder avec la configuration de mode

TMo2 il n'y a pas d'interaction destructive.

Secondement, dans le mode de fonctionnement TMo1, les électrons du demicycle constructif seront retardés, tandis que ceux du demi-cycle destructif seront accélérés,

ce qui se traduit globalement par un morcellement ou rup-

ture qui intervient dans la structure d'ondulation. Au contraire, dans le mode de fonctionnement TMo2, les deux

demi cycles sont retardés, ce qui se traduit par un ra-

lentissement global des électrons sans rupture de la structure ondulée. Le changement dans l'interaction qui est dU au ralentissement global des électrons peut être compensé en prévoyant un variateur de vitesses progressif, qui prendra la forme d'un évasement contrôlé du guide

d'ondes vers son extrémité de sortie.

De manière à fonctionner dans le mode TMo2 différents moyens sont prévus pour supprimer tous les modes intermédiaires concurrents, qui sont: TEll TMo01 TE21 TEo1, TMll TE3 TM21 TE4

41

TE12 TM02 Tous les modes TE sont supprimes facilement par une fente longitudinale ménagée dans la paroi du

guide d'ondes.

La figure 4 illustre un exemple d'amplificateur

à faisceau ondulé selon la présente invention.

L'amplificateur comprend une section de canon à électrons et d'entrée radiofréquence notée 40, une section d'interaction 41, et une section de sortie et de

collection de faisceau notée 42.

L'amplificateur fait usage d'un faisceau d'élec- trons cylindrique creux 45, qui possède un diamètre à

variation périodique comme c'est illustré.

La section d'interaction 41 comprend un guide d'ondes circulaire WG agencé pour fonctionner dans le mode TM02. Le guide possède un nombre impair de fentes longitudinales ( dont une seule 43 est illustrée) dans sa paroi, pour supprimer tous les modes TE. Les fentes 43 communiquent avec une cavité annulaire C, dont les parois sont revêtues d'un matériau dit Kanthal (marque déposée), noté K sur le dessin, et qui dissipe tous les modes qui passent à travers les fentes. A l'intérieur du guide sont supportés, sur des supports minces isolants, des anneaux conducteurs 44 qui suppriment tous les modes TM autres que le mode TM02. Comme le montre la figure 4 et la figure 3, les anneaux sont positionnés de telle sorte que le faisceau d'électrons 45 ondule à travers eux,

et qu'ainsi leurs parois sont agencées sur le point in-

termédiaire IP de champ zéro dans le mode TM02.

Un solénoide 46 possédant des pièces polaires 46' et 46" entoure le guide d'ondes afin de produire un

champ magnétique uniforme orienté axialement à l'inté-

rieur du guide d'ondes.

Le collecteur de faisceau d'électrons dans la section 42 comprend une anode 47, qui est entourée par une chemise d'eau 48 à des fins de refroidissement. Un couplage 49 transmet le signal radiofréquence amplifié

à un guide d'ondes de sortie 50.

Un exemple de la façon selon laquelle le faisceau ondulé est produit, selon la présente invention, sera maintenant décrit. Premièrement, on décrira tout d'abord la section de canon à électrons et d'entrée 40, en référence à la figure détaillée 5, qui montre une construction de même nature générale que celle de la

figure 4, mais différente dans le détail.

Dans un canon à électrons proposé antérieure-

ment pour utilisation dans le dispositif connu fonctionnant suivant le mode TMo1, l'énergie longitudinale dans un faisceau d'électrons cylindrique était convertie en énergie transverse, par une opération de conversion qui utilise un champ magnétique afin d'amener le faisceau à

onduler, c'est-à-dire à varier périodiquement en dia-

mètre. Toutefois, dans le canon à électrons de la

figure 5 (et de la figure 4), au lieu de convertir l'éner-

gie longitudinale en énergie transverse au moyen d'une étape de champ magnétique, un faisceau linéaire, qui de préférence converge, et possède à peu près la proportion correcte d'énergie longitudinale et d'énergie transverse, est lancé le long d'un champ magnétique de convergence similaire. Les proportions de l'énergie longitudinale et de l'énergie transverse sont définies par l'angle que

forme le faisceau linéaire avec l'axe du guide d'ondes.

Le faisceau entre alors dans la région de champ magné-

tique uniforme, produit par le solénoide, et est alors le siège d'orbites électroniques spirales, aec une énergie longitudinale non modifiée. Ainsi, si les trajectoires

interne et externe démarrent avec la méme vitesse longi-

tudinale, un faisceau ondulé de phase cohérente se trouve produit. Une approximation du champ requis est trouvée à l'entrée sur la pièce polaire 46' du solénoïde

46, avec le trajet de retour et les autres pièces po-

laires de retour. L'homme de l'art comprendra que ce qui précède implique que toutes les trajectoires soient

lancées avec le même angle sur l'axe, et que la diffé-

rence fondamentale entre cette approche et les proposi-

tions antérieures, est que l'on évite le transfert d'énergie, au lieu de s'appuyer sur lui pour produire l'ondulation. De plus, de nombreux problèmes pratiques sont éliminés par cette approche - un canon plus grand, extérieur au solénoïde, peut être utilisé, et un coupleur radiofréquence d'entrée peut être introduit par le centre

du canon.

Cette réalisation se prête bien plus que toute

autre à une réduction de taille pour atteindre une fré-

quence plus élevée de fonctionnement. Pourvu que le champ magnétique puisse être convenablement mis en forme, il n'est pas nécessaire de réduire la taille du canon du même facteur que le reste du tube, comme cela était

requis dans les propositions antérieures.

Si l'on se réfère aux figures 5 et 6, le canon à électrons comprend une cathode à distribution annulaire

, avec une électrode-de focalisation P du type "Pierce".

Cette cathode est coaxiale à l'axe AX du guide d'ondes WG, et comprend un anneau de tungstène poreux, possédant une section droite triangulaire 52, la face de l'anneau étant orientée vers une ligne N, avec un angle a par rapport à l'axe AX. Un anneau 53, avec une rainure qui correspond à un chauffage, est placé en contact avec le dos de l'anneau de tungstène. La cathode est supportée

sur un cylindre intérieur de molybdène 54, par l'inter-

médiaire d'un écran thermique 57.

L'ensemble des grilles 55 comporte un organe

tubulaire, dont une partie 55' est évasée vers l'exté-

rieur parallèlement à la face de l'anneau de tungstène 52.

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i O grilles 55 sont supportes sur des cylindres coaxiaux séparés respectifs 56 et 54, l'un (54) en molybdène, et l'autre (56) en acier inoxydable, afin de donner un certain degré de compensation en température. Toutes les liaisons de chauffage et de grilles sont faites dans l'espace intermédiaire entre ceux-ci. Les connexions (non représentées) s'étendent entre les cylindres ainsi qu'à travers un anneau de céramique 61, qui isole les cylindres l'un de l'autre, et à travers un anneau d'acier inoxydable 62 qui va vers des connexions externes (non représentées). Si l'on se réfère à la figure 6, le canon à électrons fonctionne pour produire un faisceau creux qui

possède un diamètre périodiquement variable de la ma-

nière suivante.

L'angle a existant entre la normale N à la surface de la cathode distributrice 52 par rapport à l'axe AX définit les proportions entre l'énergie transverse (c'est-à-dire perpendiculaire à AX) et l'énergie axiale dans le faisceau d'électrons. Le faisceau forme ainsi un cône creux, comme indiqué par les lignes N. Le solénoide produit un champ axial F dans le guide d'ondes WG parallèle à l'axe AX et l'interaction du faisceau avec le champ F amène les électrons du faisceau à suivre des trajets spiraux le long du champ,

ce qui produit ainsi le diamètre a variation périodique.

A l'extérieur du guide d'ondes, c'est-à-dire de façon adjacente à l'anode 63 et à la cathode 52, le champ n'est pas parallèle à l'axe, mais s'incurverait

en arrondi, si le modificateur 64 n'était pas prévu.

Le but de ce modificateur est d'amener le champ à être parallèle aux lignes N dans la région située entre l'anode 63 et la cathode 52, avec une transition aussi abrupte 1i que possible entre les lignes de champ qui sont parallèles à l'axe AX et celles qui sont parallèles aux lignes N. I1 a été observé qu'il est souhaitable de rendre le faisceau d'électrons convergent selon les lignes N. A cet effet, des moyens de focalisation élec- trostatiques peuvent être prévus sur la grille 55. Comme on le voit en 66, ces moyens peuvent être constitués par des bossages sur la grille, ou bien en variante, comme cela est illustré en 67, une lentille électrostatique dont le potentiel est contrôlé de l'extérieur peut être utilisée. Le canon à électrons décrit jusqu'à présent produit, en association avec le solénoide 46, un faisceau électronique spiralé. Toutefois, le champ magnétique requis est intense. Ainsi, selon la présente invention,

une structure magnétique périodique est prévue pour ré-

duire l'intensité du champ.

Dans l'exemple de la figure 4, la paroi-du guide d'ondes WG est formée en alternance d'anneaux de matériau magnétique doux, par exemple en fer, 70, et d'anneaux de matériau non magnétique, par exemple du cuivre, 71. Les anneaux de fer réduisent localement l'intensité du champ magnétique axial dans le guide d'ondes en raison du

solénoïde. Ceci aide la production d'un faisceau ondulant.

Dans l'exemple illustré, les largeurs des anneaux de cuivre et de fer sont égales, et valent la moitié de la période de l'ondulation du faisceau d'électrons. Toutefois, ces largeurs peuvent être inégales. De plus, les anneaux sont illustrés avec une section droite rectangulaire, mais, comme le montre la figure 7a, les anneaux de fer peuvent avoir une largeur qui diminue lorsqu'on va radiale-ment vers l'intérieur, ou bien être de toute autre section droite. Les anneaux de fer peuvent, comme le montre la figure 7d, être remplacés par des anneaux supraconducteurs 72, qui produisent également une perturbation périodique dans le champ axial (indiqué par Ba sur les figures 7a et 7d) tel qu'il est produit par le solénolde. Les figures 7b et 7c montrent des structures

magnétiques périodiques qui ne nécessitent pas l'utili-

sation d'un solénoide et la production d'un champ axial.

Ainsi, le solénoide 46 peut être supprimé. Toutefois, des moyens doivent alors être prévus pour produire le champ magnétique parallèlement aux lignes N des figures et 6.

Sur la figure 7b, on voit un arrangement pério-

dique d'aimants permanents PM. Les aimants sont tenus en-

semble avec leur pôles semblables adjacents, tout en étant séparés par des pièces polaires 73. L'utilisation seule des aimants PM et des pièces polaires 73 produirait un champ magnétique variant grossièrement de façon sinusoïdale le long de l'axe. Le champ peut être rendu plus "carré"

en ajoutant d'autres pièces polaires 74 dans les inter-

valles entre les pièces polaires 73, afin d'introduire un harmonique trois de la sinusoide de base. Les aimants sont du type utilisant un matériau magnétique cobalt-terre rare. Sur la figure 7c, la structure magnétique périodique comprend des boucles de courant périodique supraconductrices. Une structure anneau-barre ou une structure en hélicebifilaire est utilisée pour produire des boucles de courant qui alternent dans la direction de l'écoulement du courant, produisant ainsi le champ

magnétique périodique requis.

On comprendra que le solénoide 46 de la figure

4 peut être supraconducteur.

On comprendra également que la structure magné-

tique périodique des figures 4 et 7 peut être appliquée au dispositif utilisant le mode TMo1, aussi bien que celui qui utilise le mode TMo2 De plus, bien que l'invention est été décrite en liaison avec un amplificateur, elle peut manifestement

être appliquée à un oscillateur.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Dispositif micro-ondescaractérisé par le fait qu'il comprend en combinaison un guide d'ondes, des moyens pour former un faisceau d'électrons qui s'étend

dans la direction de l'axe du guide d'ondes, et qui pré-

sente un espacement à variation périodique à l'égard de l'axe, ces moyens de formation du faisceau comportant une structure magnétique périodique qui amène au moins partiellement un espacement périodique du faisceau par rapport à l'axe, et par le fait que sont prévus des moyens pour amener le guide à une propagation d'une onde électromagnétique du mode TMo1 ou TM02, afin qu'elle

interagisse avec le faisceau.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de formation de faisceau comprennent des moyens pour former dans le guide d'ondes un champ magnétique parallèle a l'axe, et des moyens pour produire une perturbation périodique dans ledit champ, afin d'amener au moins partiellement l'espacement à variation périodique du faisceau par

rapport à l'axe.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens pour produire une perturbation périodique comprennent des anneaux alternés

en matériauxmagnétique et non magnétique.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la paroi du guide d'ondes

est formée desdits anneaux.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les anneaux de matériau

magnétique sont supraconducteurs.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de formation du faisceau comprennent un agencement périodique d'aimants permanents.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens de formation du

faisceau comprennent des aimants permanents tenus en-

semble avec leurs poles semblables adjacents, mais

séparés par des pièces polaires.

8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant d'autres pièces polaires entre lesdites

pièces polaires qui séparent les aimants.

9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de formation du faisceau comprennent des moyens pour produire des boucles

de courant supraconductrices périodiques.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les moyens de formation du

faisceau comprennent une structure anneau-barre supra-

conductrice ou une structure en hélice bifilaire.

11. Dispositif selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé par le fait que les moyens qui amènent une propagation dans le guide sont agencés pour

que le guide soit le siège du mode TMo2 tout en suppri-

mant les autres modes.

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les moyens cui amènent ladite propagation comprennent des anneaux conducteurs agencés à l'intérieur du guide d'ondes poursuppri-er tous les

modes TM autres que le mode TM02.

13. Dispositif selon l'une des revendications

11 et 12, caractérisé par le fait que les moyens amenant une propagation comprennent des fentes longituddinales dans la paroi du guide d'ondes pour supprimer tous les

modes TE.

14. Dispositif selon la revendication 13; caractérisé par le fait que les fentes communiquent avec une cavité annulaire dont les parois sont munies d'un revêtement qui dissipe tous les modes qui passent à

travers les fentes.

15. Dispositif selon l'une des revendications

précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de formation de faisceau comprennent des moyens pour diriger un faisceau d'électrons selon une ligne inclinée par rapport audit axe, et intersectant le champ magnétique formé dans le guide d'ondes par la structure magnétique

périodique, afin de produire ledit espacement périodique.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens pour amener le champ à être parallèle à ladite ligne dans

la région adjacente à la ligne.

17. Dispositif selon l'une des revendications

15 et 16, caractérisé par le fait qu'il comprend des

moyens qui amènent le faisceau d'électrons à être conver-

gent le long de ladite ligne.

18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé par le fait que les moyens qui amènent la propagation comportent une lentille électrostatique dont

le potentiel est commandé de l'extérieur.

19. Dispositif selon l'une des revendications

à 18, caractérisé par le fait que les moyens de production du faisceau d'électrons comprennent une cathode annulaire coaxiale audit axe, et possédant une surface émissive annulaire qui fait face à l'axe le

long de ladite ligne.

20. Dispositif selon la revendication.19, caractérisé par le fait que ladite surface de la cathode

annulaire est plane et perpendiculaire à ladite ligne.

21. Dispositif selon l'une des revendications

19 et 20, caractérisé par le fait que la cathode est supportée par un support annulaire qui est coaxial audit axe.

22. Dispositif selon l'une des revendications

19 à 21, caractérisé par le fait qu'il est prévu une entrée pour introduire un signal radiofréquence dans le guide d'ondes, de manière coaxiale à la cathode annulaire,

et ce moyen étant disposé autour de cette cathode.