TUBE OSCILLATEUR HYPERFREQUENCES A ANNEAU RESONNANT L'invention concerneThe present invention relates to a microvalve oscillator tube having a resonant ring.
les tubes à hyperfréquences fonctionnant dans les domaines du Térahertz soit, dans une région spectrale se situant entre 0,3 et 10 Terahertz. Les domaines du Térahertz, fournissant des ondes à très haute 5 fréquence ou rayons T , ont des applications notamment dans la radio astronomie, l'optique, la spectroscopie, l'imagerie, la médecine. Le domaine du Térahertz est très peu développé à cause de la faible disponibilité de sources puissantes à faible coût. Dans l'état de l'art une source Térahertz peut être réalisée à partir 10 d'un battement de signaux optiques émis par deux lasers. Des sources à tubes, plus économiques, peuvent être aussi utilisées telles que les carcinotrons qui sont des tubes à ondes lentes utilisés en oscillateurs dont la fréquence d'oscillation peut être contrôlée par la modification de la vitesse des électrons du faisceau dans une structure 15 hyperfréquences du tube. Dans un carcinotron l'onde électromagnétique se propage dans le sens inverse du déplacement du faisceau d'électrons dans la structure hyperfréquence du tube. La figure 1 montre un schéma de principe d'un tube oscillateur de l'état de l'art de type carcinotron comportant notamment un canon à 20 électrons 10 ayant une cathode 11 émettant un faisceau d'électrons 12 dans une structure hyperfréquence 14. La structure hyperfréquences 14 du carcinotron comporte une ligne hyperfréquence 16 à structure périodique constituée généralement d'obstacles 17, le passage du faisceau 12 d'électrons créant dans cette ligne 25 une onde électromagnétique 18 se propageant dans le sens inverse du déplacement des électrons du faisceau. La puissance aux fréquences Térahertz est extraite à une sortie S du carcinotron du coté de l'extrémité de la ligne proche de la cathode, en général à l'aide d'un guide d'onde. 30 Dans un carcinotron, la puissance fournie dans la bande du Térahertz reste faible par le fait que le champ électrique E et le courant 1 dans le faisceau d'électrons 12 varient en sens inverse contrairement à des tubes, par exemple, de type TOP qui présentent du côté de leur sortie hyperfréquence un champ E et un courant de faisceau I maximum. La puissance des carcinotrons diminue lorsque la fréquence augmente du fait qu'un fonctionnement à des fréquences plus élevées conduit à la réalisation d'une structure hyperfréquences plus petite et donc a moins de place pour le passage du faisceau d'électrons dont l'intensité doit être réduite. Un courant faisceau moins intense a pour conséquence la diminution de la puissance du faisceau et par conséquence de la puissance de sortie du carcinotron. La puissance des carcinotrons de l'état de l'art ne dépasse pas 1 watt à 300 GHz. D'autres solutions pour réaliser un oscillateur à des très hautes fréquences consistent à utiliser des tubes amplificateurs et d'injecter en contre réaction à l'aide d'un guide d'onde une partie de l'énergie en sortie du tube de façon à le faire osciller., mais les pertes produites dans le guide sont importantes ce qui réduit la puissance de sortie du tube. Sur ces aspects, il peut être fait référence au document investigation on a microfabricated FWTWT oscillator , Seong-Tae Han et al., IEEE Electron Devices, vol 52 , n 5 , mai 2005, pp 702 û 708. Microwave tubes operating in the terahertz domains are in a spectral region between 0.3 and 10 terrathertz. The terahertz domains, providing very high frequency waves or T-rays, have applications in radio astronomy, optics, spectroscopy, imaging and medicine. The terahertz domain is very underdeveloped because of the low availability of powerful sources at low cost. In the state of the art a terahertz source can be made from a beat of optical signals emitted by two lasers. More economical tube sources may also be used such as carcinotrons which are slow wave tubes used in oscillators whose oscillation frequency can be controlled by changing the electron velocity of the beam in a microwave structure. of the tube. In a carcinotron the electromagnetic wave propagates in the opposite direction of the displacement of the electron beam in the microwave structure of the tube. FIG. 1 shows a block diagram of a state-of-the-art oscillator tube of the carcinotron type comprising in particular an electron gun 10 having a cathode 11 emitting an electron beam 12 in a microwave structure 14. Microwave structure 14 of the carcinotron comprises a microwave line 16 with a periodic structure generally consisting of obstacles 17, the passage of the electron beam 12 creating in this line 25 an electromagnetic wave 18 propagating in the opposite direction of the electron displacement of the beam. The power at terahertz frequencies is extracted at an output S of the carcinotron near the end of the line near the cathode, usually with the aid of a waveguide. In a carcinotron, the power supplied in the terahertz band remains low in that the electric field E and the current 1 in the electron beam 12 vary inversely, unlike, for example, TOP tubes which present on their microwave output side a field E and a maximum beam current I. The power of the carcinotrons decreases as the frequency increases because operation at higher frequencies leads to the realization of a smaller microwave structure and therefore less room for the passage of the electron beam whose intensity must to be reduced. A less intense beam current has the consequence of reducing the power of the beam and consequently the power output of the carcinotron. The power of the carcinotrons of the state of the art does not exceed 1 watt at 300 GHz. Other solutions for producing an oscillator at very high frequencies consist of using amplifying tubes and of injecting into a counter-reaction using a waveguide a portion of the energy at the outlet of the tube so as to to make it oscillate, but the losses produced in the guide are important which reduces the output power of the tube. On these aspects, reference can be made to the document investigating the microfabricated FWTWT oscillator, Seong-Tae Han et al., IEEE Electron Devices, Vol 52, No. 5, May 2005, pp 702-708.
Afin de palier aux inconvénients des oscillateurs à tubes dans le domaine de fréquences du Térahertz, l'invention propose un tube oscillateur hyperfréquences comportant une structure amplificatrice hyperfréquences à ondes lentes ayant une entrée de signal hyperfréquences et une sortie de signal hyperfréquence amplifié, une partie du signal en sortie étant injecté à l'entrée de signal de la structure amplificatrice de façon à produire une auto-oscillation par contre réaction, caractérisé en ce que cette contre réaction est réalisée par réflexion optique du signal électromagnétique en sortie de la structure amplificatrice du tube. Dans une réalisation préférentielle du tube oscillateur hyperfréquences, la réflexion optique injectant une partie du signal de sortie à l'entrée de la structure amplificatrice hyperfréquences est réalisée à l'aide d'au moins un prisme et un miroir électromagnétiques. L'ensemble constitué par la structure amplificatrice à ondes lentes, le prisme et le miroir forment un résonateur à ondes progressives (ou 35 anneau résonnant ). In order to overcome the drawbacks of tube oscillators in the terahertz frequency range, the invention proposes a microwave oscillator tube comprising a microwave slow wave amplifying structure having a microwave signal input and an amplified microwave signal output, a portion of the microwave frequency oscillator. an output signal being injected into the signal input of the amplifying structure so as to produce a counter-reaction self-oscillation, characterized in that this counter-reaction is performed by optical reflection of the electromagnetic signal at the output of the amplifying structure of the tube . In a preferred embodiment of the microwave oscillator tube, the optical reflection injecting a part of the output signal at the input of the microwave amplifying structure is produced using at least one electromagnetic prism and mirror. The assembly consisting of the slow wave amplifying structure, the prism and the mirror form a traveling wave resonator (or resonant ring).
Un premier objectif du tube oscillateur à anneau résonnant est de limiter les pertes au minimum par rapport à celles qui se produisent dans un tube utilisant une contre réaction classique guidée et ainsi de fournir une puissance de sortie plus importante. A first objective of the resonant ring oscillator tube is to limit losses to a minimum of those occurring in a tube using conventional guided feedback and thus provide greater output power.
Un autre objectif est de fournir la puissance de sortie du tube par rayonnement électromagnétique ce qui permet de diminuer les pertes par rapport à une sortie hyperfréquence classique par guide d'onde. La solution apportée par cette invention est un composant qui combine la technologie des tubes hyperfréquences classiques et la technologie de l'optique applicable à ces faibles longueurs d'onde. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation d'un tube oscillateur hyperfréquences selon l'invention, à l'aide de dessins indexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, montre un schéma de principe d'un 15 carcinotron de l'état de l'art ; - la figure 2 représente un exemple de réalisation d'un tube oscillateur, selon l'invention. La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un tube oscillateur à anneau résonnant, selon l'invention, fournissant une onde 20 électromagnétique dans la bande de fréquences du Terahertz. Le tube de la figure 2 comporte notamment : - un canon à électrons 30 ayant une cathode 32 générant un faisceau d'électrons 34 dans une structure hyperfréquences 36 du tube selon une direction XX' principale. De façon connue, le faisceau d'électrons est 25 focalisé par un champ magnétique généré par des pièces polaires et des aimants et des bobines non représentés sur la figure. Le faisceau d'électrons 34 après interaction avec la structure hyperfréquence 36 pénètre dans un collecteur déprimé 38 récupérant les électrons du faisceau. La structure hyperfréquence amplificatrice 36 comporte une 30 ligne hyperfréquence 42 de structure périodique constituée par des obstacles périodiques 46 générant, par l'interaction avec le faisceau d'électrons 34, sur la longueur d'interaction, une onde 48 à la fréquence de sortie du tube oscillateur. La structure amplificatrice 36 est une structure à ondes lentes, en 35 général, qui guide l'onde 48 en surface sur la longueur d'interaction. Another objective is to provide the output power of the tube by electromagnetic radiation which reduces losses compared to a conventional microwave waveguide output. The solution provided by this invention is a component that combines conventional microwave tube technology and optical technology applicable to these low wavelengths. The invention will be better understood by the description of an exemplary embodiment of a microwave oscillator tube according to the invention, with the aid of indexed drawings in which: FIG. 1, already described, shows a schematic diagram of FIG. a carcinotron of the state of the art; FIG. 2 represents an exemplary embodiment of an oscillator tube, according to the invention. FIG. 2 represents an exemplary embodiment of a resonant ring oscillator tube, according to the invention, providing an electromagnetic wave in the Terahertz frequency band. The tube of FIG. 2 comprises in particular: an electron gun 30 having a cathode 32 generating an electron beam 34 in a microwave structure 36 of the tube in a principal direction XX '. In known manner, the electron beam is focused by a magnetic field generated by pole pieces and magnets and coils not shown in the figure. The electron beam 34 after interaction with the microwave structure 36 enters a depressed collector 38 recovering the electrons from the beam. The amplifying microwave structure 36 comprises a microwave line 42 of periodic structure constituted by periodic obstacles 46 generating, by the interaction with the electron beam 34, on the interaction length, a wave 48 at the output frequency of the Oscillator tube. The amplifying structure 36 is a slow wave structure, in general, which guides the surface wave 48 over the interaction length.
La ligne hyperfréquences 42 selon la direction XX' comporte deux extrémités, une extrémité d'entrée 50 du coté de la cathode 32 et, l'autre extrémité de sortie 52 du coté du collecteur 38 du tube. La géométrie des extrémités de la ligne 42 est réalisée de sorte que l'onde se propageant dans la ligne soit rayonnée par son extrémité de sortie 52, si l'onde est progressive ou, par son extrémité d'entrée 50, si l'onde est régressive. La structure des extrémités 50, 52 de la ligne sont réalisées de façon à rayonner selon des angles prédéterminés, par son extrémité de sortie 52 selon un angle de sortie a par rapport à la direction XX' principale et par son extrémité d'entrée 50 selon un angle d'entrée e par rapport à cette même direction XX'. L'onde rayonnée 56 par l'extrémité de sortie 52 de la ligne hyperfréquences 42 selon l'angle de sortie a est, en partie, réfléchie par un prisme électromagnétique 60 formant une onde de contre-réaction 62 dirigée, selon une direction ZZ' opposée à celle de l'axe XX', vers un miroir électromagnétique 64 réfléchissant à son tour cette onde de contre-réaction 62 vers l'extrémité d'entrée 50 de la structure amplificatrice selon l'angle d'entrée 0, l'autre partie de l'onde rayonnée 56 par l'extrémité de sortie 52 de la ligne hyperfréquences 42 est transmise par le prisme 60 vers une sortie hyperfréquence S du tube formant une onde électromagnétique émise 66 par l'oscillateur. L'onde de contre-réaction 62 réfléchie par le prisme 60 est dirigée vers le miroir 64 avec une incidence telle que l'onde réfléchie par le miroir formant l'onde de contre-réaction 62 vienne frapper la structure à ondes lentes 42 avec la bonne incidence d'entrée 0 pour être guidée par la structure amplificatrice 42. L'ensemble constitué par la structure à ondes lentes 42 avec ses deux extrémités rayonnantes 50, 52, le prisme 60 et le miroir 64 est un 30 résonateur à ondes progressives (ou anneau résonnant ). Le trajet de l'onde électromagnétique dans le tube oscillateur comporte une partie guidée le long de la ligne hyperfréquences 42 et, une partie rayonnée dans le vide du tube puis dirigée par le prisme et le miroir pour former l'onde de contre-réaction 62. Ce trajet dans le vide réduit les pertes par rapport à une onde entièrement guidée par des parois métalliques d'un guide. Les fréquences de résonances sont obtenues lorsque le trajet de l'onde dans l'anneau résonnant est égal à un nombre entier de longueurs 5 d'onde. La position du miroir 64 est ajustable afin de régler la longueur électrique du trajet et obtenir la puissance maximale à la fréquence de résonance désirée. A cet effet un réglage de la distance Dm, par exemple selon la direction ZZ,' entre le prisme et le miroir est prévu pour obtenir 10 l'oscillation à la fréquence souhaitée et régler la puissance maximum de sortie du tube. Les pertes de propagation sur un tour d'anneau résonnant se décomposent en : - pertes résistives (effet de peau) pour la propagation sur la 15 structure amplificatrice 36 (ligne 42) ; - pertes de rayonnement lorsque l'énergie est envoyée dans des directions qui n'aboutissent au prisme ou au miroir ; - pertes dues à l'onde réfractée dans le prisme 60 représentant le couplage externe du tube ; 20 - pertes résistives dues aux courants induits sur le miroir 64 ; - pertes dues aux réflexions lors de la propagation sur la structure 42, qui augmentent l'onde inverse. Le signal hyperfréquence 66 en sortie du tube peut être rayonné par une sortie Ft à fente au niveau du prisme 60. Un soin particulier doit être 25 apporté à cette sortie. Par exemple le prisme peut constituer la fenêtre de sortie du tube. Dans une réalisation, la fenêtre hyperfréquence Ft est en diamant. L'oscillateur fonctionne de la façon suivante : lorsque le gain de la structure amplificatrice 36 est supérieur aux pertes, il y a oscillation. Le gain 30 de la structure amplificatrice peut être obtenu sur une onde directe (par exemple fonctionnement de type tube à ondes progressives ou TOP) ou sur onde inverse (fonctionnement de type Carcinotron). En modifiant la tension d'accélération des électrons (source de tension E), on déplace le point de fonctionnement sur la courbe de dispersion fonction de la structure, et l'on a 35 donc un oscillateur accordable en tension. The microwave line 42 in the direction XX 'has two ends, an inlet end 50 on the side of the cathode 32 and the other outlet end 52 on the side of the manifold 38 of the tube. The geometry of the ends of the line 42 is made so that the wave propagating in the line is radiated by its output end 52, if the wave is progressive or, by its input end 50, if the wave is regressive. The structure of the ends 50, 52 of the line are made to radiate at predetermined angles, its outlet end 52 at an exit angle α with respect to the principal direction XX 'and at its inlet end 50 according to an entry angle e with respect to this same direction XX '. The radiated wave 56 from the output end 52 of the microwave line 42 according to the exit angle α is, in part, reflected by an electromagnetic prism 60 forming a directed feedback wave 62 in a direction ZZ ' opposite to that of the axis XX ', to an electromagnetic mirror 64 which in turn reflects this feedback wave 62 towards the input end 50 of the amplifying structure according to the input angle θ, the other part of the radiated wave 56 by the output end 52 of the microwave line 42 is transmitted by the prism 60 to a microwave output S of the tube forming an electromagnetic wave emitted 66 by the oscillator. The counter-reaction wave 62 reflected by the prism 60 is directed towards the mirror 64 with an incidence such that the wave reflected by the mirror forming the feedback wave 62 impinges on the slow wave structure 42 with the good incidence of input 0 to be guided by the amplifying structure 42. The assembly constituted by the slow wave structure 42 with its two radiating ends 50, 52, the prism 60 and the mirror 64 is a traveling wave resonator ( or resonant ring). The path of the electromagnetic wave in the oscillator tube comprises a guided portion along the microwave line 42 and a portion radiated into the vacuum of the tube and then directed by the prism and the mirror to form the feedback wave 62 This vacuum path reduces the losses with respect to a wave entirely guided by metal walls of a guide. The resonance frequencies are obtained when the path of the wave in the resonant ring is equal to an integer number of wavelengths. The position of the mirror 64 is adjustable to adjust the electrical path length and obtain the maximum power at the desired resonant frequency. For this purpose an adjustment of the distance Dm, for example in the direction ZZ, between the prism and the mirror is provided to obtain the oscillation at the desired frequency and to adjust the maximum output power of the tube. The propagation losses on a ring resonant circuit break down into: - resistive losses (skin effect) for propagation on the amplifying structure 36 (line 42); - radiation losses when the energy is sent in directions that do not lead to the prism or mirror; losses due to the refracted wave in the prism 60 representing the external coupling of the tube; 20 - resistive losses due to currents induced on the mirror 64; losses due to reflections during propagation on the structure 42, which increase the inverse wave. The microwave signal 66 at the outlet of the tube may be radiated by a slot outlet Ft at the prism 60. Particular care must be taken at this output. For example, the prism may constitute the exit window of the tube. In one embodiment, the microwave window Ft is diamond. The oscillator operates as follows: when the gain of the amplifying structure 36 is greater than the losses, there is oscillation. The gain of the amplifying structure can be obtained on a direct wave (for example, a traveling wave tube or TOP type of operation) or on an inverse wave (Carcinotron type operation). By changing the electron acceleration voltage (voltage source E), the operating point is moved over the structure-dependent dispersion curve, and thus a voltage tunable oscillator is provided.
La courbe de dispersion de façon connue représente la variation de la fréquence F du signal hyperfréquences en fonction de la constante de propagation 13. La vitesse de phase du signal Vcp est définie : Vcp= w/ R , w = 2 rrF étant la pulsation du signal Les structures périodiques des lignes peuvent être obtenues en réalisant des obstacles le long de la ligne hyperfréquences, par exemple, une suite de dents métalliques espacées et distribuées régulièrement sur un support métallique, selon la direction du faisceau XX' dans le tube. Dans cette réalisation du tube oscillateur de la figure 2, la ligne 42 est portée à un potentiel E réglable permettant d'obtenir la fréquence fondamentale d'oscillation. Ce type d'oscillateur est particulièrement bien adapté aux fréquences très elevées notamment dans le domaine du Térahertz.15 The dispersion curve in a known manner represents the variation of the frequency F of the microwave signal as a function of the propagation constant 13. The phase velocity of the signal Vcp is defined: Vcp = w / R, w = 2, where rrF is the pulsation of the signal The periodic structures of the lines can be obtained by creating obstacles along the microwave line, for example, a series of spaced apart metal teeth distributed regularly on a metal support, in the direction of the beam XX 'in the tube. In this embodiment of the oscillator tube of FIG. 2, the line 42 is brought to an adjustable potential E making it possible to obtain the fundamental frequency of oscillation. This type of oscillator is particularly well suited to very high frequencies especially in the terahertz domain.