FR3069659B1 - Guide a onde lente pour tube a ondes progressives - Google Patents

Abstract

Guide à onde lente pour tube à ondes progressives comprenant : - une plaque centrale (1) comprenant un trou de glissement de faisceau (2), rectiligne de même direction que l'axe longitudinal de la plaque centrale (1), - une plaque inférieure (6) et une plaque supérieure (7) fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale (1), et - une fente (3) repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de l'épaisseur du guide.

Description

Guide à onde lente pour tube à ondes progressives

La présente invention concerne une ligne à retard ou guide à ondelente pour tube à ondes progressives d'acronyme TOP.

Dans la plupart des tubes hyperfréquence l’interaction entre l’ondeet 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 faisceauau rythme du signal hyperfréquence; et - une deuxième étape: placer les paquets d’électrons ainsi obtenusdans une phase où ils sont ralentis par le champ afin de céder leurénergie à l’onde.

Dans le cas des TOP, le groupement des électrons en paquet estobtenu en plaçant le faisceau dans le champ d’une ondes progressives dontla vitesse de phase est égale à la vitesse des électrons. Dans un repèremobile les électrons voient le champ d’une onde stationnaire. Les électronssont ralentis sur une alternance et accélérés sur la suivante. Un paquetd’électrons se forme autour de la phase pour laquelle on passe d’un champaccélérateur à un champ décélérateur.

Un guide d’onde classique, de section rectangulaire ou cylindriquene convient pas pour l’interaction car la vitesse de phase de l’onde qui sepropage dans ce guide est supérieure à la vitesse de la lumière alors que lavitesse des électrons est inférieure à la vitesse de la lumière. De plus il fautun champ électrique parallèle au déplacement des électrons alors que lemode fondamental des guides rectilignes de section rectangulaire oucylindrique est perpendiculaire à l’axe du guide. Pour obtenir une vitesse dephase inférieure à celle de la lumière il faut un guide spécial appelé guide àondes lentes ou ligne à retard. Le plus souvent la ligne à retard est une lignepériodique obtenue en translatant une cellule de base. C’est le cas del’hélice, de la ligne à cavités couplées, de la ligne interdigitale, ...

Dans le domaine des TOP fonctionnant aux longueurs d’ondemillimétriques on utilise souvent une ligne à retard dite en guide replié. Cetteligne est obtenue en positionnant de manière périodique des sections deguide d’onde rectangulaire perpendiculaires à l’axe du faisceau, et en reliantde manière alternative les sections de guide droit par des coudes plan E à180°. La vue de travers du guide replié a la forme d’un serpentin. Le trou deglissement du faisceau est situé au milieu de la section droite de guiderectangulaire. Le champ électrique dans le guide est perpendiculaire augrand coté du guide, et donc parallèle au déplacement des électrons, ce quipermet de moduler le faisceau. L’électron se déplace donc dans le trou deglissement, débouche dans la section de guide droit où il subit l’action duchamp électrique (espace d’interaction), retraverse le trou de glissement etdébouche dans l’espace d’interaction suivant. L’électron voit donc lesespaces d’interaction successifs avec une période égale au pas de la lignealors que la période géométrique de la ligne est égale à deux fois le pas. Lalongueur du guide d'onde replié (partie droite et coudes) est déterminée pourque le déphasage de l’onde dans le guide corresponde à la variation dephase liée au déplacement des électrons d’un espace d’interaction ausuivant.

Cette ligne en guide replié présente une analogie avec la ligne àcavités couplées par des iris alternés si l’on assimile la section droite deguide rectangulaire à une cavité où se produit l’interaction onde faisceau, etles coudes plan E aux iris de couplage (voir figure 11a). La particularité decette ligne est d’imposer la même dimension pour la largeur de la cavité et lalargeur de l’iris ( le grand côté du guide rectangulaire), ce qui ne permet pasd’ajuster la bande passante.

Il est connu de réaliser des lignes à retard comme illustré sur lesfigures 1 à 5, qui représentent schématiquement la réalisation plaquecentrale qui est ensuite mise entre une plaque inférieure et une plaquesupérieure permettant de fermer le guide d'onde.

La figure 1 représente une plaque centrale 1, dans laquelle esteffectué un perçage d'un trou de glissement 2 du faisceau d'électrons dans le sens de la longueur de la plaque centrale 1. La plaque centrale 1 a uneforme de parallélépipède rectangle dont les faces sont parallèles à l'axe dutrou de glissement 2 et symétriques par rapport à l'axe du trou de glissement 2.

Comme représenté sur la figure 2, une fente débouchante 3, ayantune forme de serpentin, est réalisée dans la plaque centrale 1, ou end'autres termes sur toute l'épaisseur de la plaque 1, sur l'essentiel de lalongueur de la plaque centrale 1, ayant ses replis ou méandres dans le sensde la largeur de la plaque centrale 1.

La plaque centrale 1 usinée est équivalente à deux peignes 4, 5imbriqués, comme illustré sur la figure 3, reliés aux extrémités (hachuresdifférentes). C’est d’ailleurs une technologie alternative pour réaliser cetteligne (en utilisant deux peignes et deux règles pour positionner les peignes).Le pas de la fente 3 est la distance entre portions successives de la fente 3(ou trous successifs) selon l'axe longitudinal. La période géométrique de lafente 3 est égale à deux fois le pas. L’enlèvement de matière qui accompagne l’usinage de la fente 3de la plaque centrale 1 libère les contraintes qui peuvent se traduire par desdéformations de la plaque centrale 1. Ainsi, il peut apparaître en particulierun déplacement longitudinal ou un déplacement transverse d’un peigne parrapport à l’autre, comme illustré respectivement sur les figures 4 et 5.

Le déplacement longitudinal d’un peigne par rapport à l'autre,comme illustré sur la figure 4, modifie la largeur de la fente 3 qui n'est plusrégulière. En se déplaçant le long de l’axe du faisceau, dans le trou deglissement 2, un électron voit un espace d'interaction court suivi d’un espaced'interaction long (portions de la fente 3). La période du guide d'onde replié,ou en d'autres termes la période de la fente 3, vue par le faisceau d'électronsn’est plus le pas de la fente 3 mais environ le double. On a donc unebipériodicité qui peut se traduire par une forte désadaptation et des risquesd’oscillations.

Le déplacement transverse d’un peigne par rapport à l’autre,comme illustré sur la figure 5, se traduit par un décalage du tunnel deglissement d’une dent d'un peigne à la dent suivante de l'autre peigne. Il y aalors bipériodicité et risque d’oscillation. De plus, le défaut d’alignementréduit la section utile pour le transport du faisceau, car il induit des portionsdécalées du trou de glissement 2, et se traduit par une interception plusimportante du faisceau d'électrons, ce qui limite la puissance moyenne dutube à ondes progressives utilisant un tel guide d'onde.

En outre une combinaison des problèmes induits par unglissement longitudinal et par un glissement transverse des deux peignesl'un par rapport à l'autre est également possible.

Les figures 6 et 7 représentent schématiquement un guide d'onderespectivement en vue éclatée et en vue de coupe selon l'axe longitudinal dela plaque centrale 1.

Sur l'exemple représenté, le guide d'onde comprend une plaquecentrale 1 munie d'un trou de glissement de faisceau 2, rectiligne de mêmedirection que l'axe longitudinal de la plaque centrale 1, et comprend unefente 3, usinée au travers de la plaque centrale 1. Une plaque inférieure 6 etune plaque supérieure 7 ferment le guide d'onde, la fente 3 ayant ses replisdans le sens de la largeur de la plaque centrale 1. Sur cet exemple,nullement limitatif, les replis ou méandres du guide d'onde replié ou fente 3sont en forme de créneaux ou rectangulaires.

Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemmentcités.

Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un guide à ondelente pour tube à ondes progressives comprenant : - une plaque centrale comprenant un trou de glissement de faisceau,rectiligne de même direction que l'axe longitudinal de la plaquecentrale, une plaque inférieure et une plaque supérieure fermant le guided'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans lesens de l'épaisseur du guide, i.e. dans le sens de l'épaisseur de laplaque centrale, soit à 90° du sens de la largeur de l'état de l'art.

Un guide à onde lente pour tube à ondes progressives ou guided'onde replié dont les replis ou iris sont dans le sens de l'épaisseur de laplaque centrale, i.e. dans le sens de l'épaisseur du guide, permet de ne pasavoir les problèmes de déplacement longitudinal et/ou transverse.

Selon un mode de réalisation, les replis du guide à onde lentepour tube à ondes progressives sont réalisés par des iris présentsalternativement dans les lames successives sur une face puis l'autre de laplaque ligne à retard, et/ou présents alternativement dans les plaquesinférieure et supérieure en regard des fentes.

Les iris ou replis peuvent être réalisés dans la plaque centrale,dans les plaques supérieure et inférieure, ou pour partie dans chaque.

Dans un mode de réalisation, un repli est en forme de créneau, ouen d'autres termes de forme rectangulaire.

Une telle forme permet d'avoir un usinage aisé.

En variante, un repli est de forme arrondie ou circulaire.

Selon un mode de réalisation, la plaque centrale est en cuivre, enalliage de cuivre ou en molybdène.

La plaque ligne à retard peut être faite de cuivre, d'alliage decuivre (tungstène-cuivre W-Cu, molybdène-cuivre Mo-Cu), de molybdène, oude tout autre matériau ayant une bonne conductivité thermique, et non magnétisable afin de ne pas perturber le champ magnétique de focalisationdu faisceau. L’utilisation du molybdène ou d’un matériau réfractaire permetd’avoir une température de fusion élevée, ce qui est avantageux en cas debombardement par le faisceau d’électrons.

Dans un mode de réalisation, les plaques inférieure et supérieuresont en cuivre, en alliage de cuivre ou en molybdène. Réaliser les plaques inférieure et supérieure dans le mêmematériau que la plaque centrale permet d’éviter les problèmes de dilatationdifférentielle lors du brasage.

Selon un autre aspect de l'invention, il est également proposé unprocédé de fabrication d'un guide à onde lente pour tube à ondesprogressives comprenant les étapes consistant à: - percer un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même directionque l'axe longitudinal d'une plaque centrale; - percer une série de fentes débouchantes parallèles dans la plaquecentrale, les fentes étant perpendiculaires au trou de glissement,formant une série de lames entre deux fentes consécutives parallèles;et - réaliser des iris formant les replis d'une fente repliée, en usinantalternativement les lames successives sur une face puis l'autre de laplaque centrale, ou en usinant alternativement les plaques inférieure etsupérieure en regard des fentes parallèles.

Dans un mode de réalisation, le procédé comprend, en outre, uneétape consistant à fermer le guide par la plaque inférieure et la plaquesupérieure, fixées respectivement sur la face inférieure et sur la facesupérieure de la plaque centrale. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes deréalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par lesdessins annexés sur lesquels : - la figure 1 à 7, 11a et 11b illustrent schématiquement des exemples deréalisation de guides d'onde replié, selon l'état de la technique; - les figures 8 à 10, 11c, 12a à 12c illustrent schématiquement diversmodes de réalisation d'un guide à onde lente, selon divers aspects del'invention.

Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des référencesidentiques sont similaires.

Dans la présente description, les modes de réalisation décrits sontnullement limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues del'homme du métier ne sont pas décrites en détails.

Les figures 8 et 9 représentent un guide d'onde replié dont lesreplis sont en forme de créneaux.

On perce un trou de glissement de faisceau 2, rectiligne, de mêmedirection que Taxe longitudinal d'une plaque centrale 1, et on perce une sériede fentes débouchantes parallèles dans la plaque centrale 1, les fentes étantperpendiculaires au trou de glissement 2, formant une série de lames entredeux fentes consécutives, et on réalise des iris formant les replis d'une fenterepliée 3, en usinant alternativement les lames successives sur une facepuis l'autre de la plaque ligne à retard 1, ou en usinant alternativement desplaques inférieure 6 et supérieure 7 en regard des fentes, ou pour partie lesdeux.

Ainsi, on obtient un guide d'onde comprenant une plaque centrale1 comprenant un trou de glissement de faisceau 2, rectiligne de mêmedirection que l'axe longitudinal de la plaque centrale 1, et comprenant unefente repliée 3, la plaque centrale 1 étant disposée entre une plaqueinférieure 6 et une plaque supérieure 7 fermant le guide d'onde, la fenterepliée 3 ayant ses replis dans le sens de l'épaisseur de la plaque centrale 1.

Sur cet exemple non limitatif, les replis du guide d'onde replié 3 sont réaliséspar des iris usinés alternativement dans des lames successives de la plaquecentrale 1 sur une face puis l'autre de la plaque centrale 1, ou usinésalternativement dans les plaques inférieure 6 et supérieure 7 en regard desfentes séparant les lames, ou alternativement partiellement dans une lamede la plaque centrale 1 et une des plaque inférieure 6 ou supérieure 7.

Cet exemple n'est pas limitatif, car toute variante de fente repliée3 dont les replis ou méandres sont dans le sens de l'épaisseur de la plaquecentrale 1 convient, par exemple avec des iris formant les replis pouvant êtreusinés tout ou partiellement dans les plaques inférieure 6 et supérieure 7. Untel exemple de replis de forme arrondie ou circulaire est illustré sur la figure10, réalisés alternativement dans les plaques inférieure 6 et supérieure 7.

Les figures 11a et 11b concernent des lignes selon l’état de l’art,avec des iris en forme de coude plan E à 180° pour la figure 11a et avec desiris droits de longueur inférieure au pas pour le figure 11b. Ces figuresreprésentent, une vue de coupe de la ligne de la plaque centrale 1,assemblées, selon un plan parallèle aux faces supérieure et inférieure de laplaque centrale 1, passant par l'axe longitudinal du trou de glissement defaisceau 2. Les iris 9 formant les replis sont représentés en grisé par despetits points.

La figure 11c représente une vue de coupe des plaques 1, 6 et 7assemblées, selon un plan perpendiculaire aux faces supérieure et inférieurede la plaque centrale 1, passant par l'axe longitudinal du trou de glissementde faisceau 2. Les iris 9 formant les replis sont représentés en grisé par despetits points.

Les figures 12a, 12b et 12c représentent divers modes deréalisation d'un guide d'onde selon un aspect de l'invention, avec des replisou iris de la fente repliée 3 en forme de créneaux, i.e. avec des coudes à90°. On peut considérer, dans ces cas, que les replis de la fente replié 3 sontréalisés au moyen de fentes débouchantes parallèles dans la plaque centrale1, les fentes 10 étant perpendiculaires au trou de glissement 2, formant une série de lames entre deux fentes consécutives. Sur les figures 12b et 12c,les graphes de droite représentent le diagramme de dispersion de la lignepériodique, également appelé diagramme de Brillouin, qui présente enabscisse le déphasage de l’onde pour un pas p (donc d’un espaced’interaction au suivant) et en ordonnée la pulsation ω = 2kF, Freprésentant la fréquence en Hz et β la constante de propagation de l’ondeen rad/m.

En ce cas, il est possible de considérer la fente repliée 3 commeune suite de cavités parallélépipédiques 10 couplées par des iris 9également parallélépipédiques.

Dans le cas de la figure 12a, la caractéristique de la fente repliée3, est que la largeur de la cavité est égale à la largeur de l'iris, i.e. l'épaisseurde la plaque centrale 1, quand la fente repliée 3 est entièrement usinée dansla plaque centrale 1. En variante, il est possible de choisir une largeur d’irisdifférente de la largeur de la cavité afin de choisir le mode sur lequels’effectue l’interaction et d’ajuster la largeur de bande du tube.

Il est possible, en variante, comme illustré sur la figure 12b, deprendre une largeur d'iris inférieure à celle de la cavité, ce qui implique unefréquence de résonance de l'iris supérieure à celle de la cavité: dans ce casle mode le plus bas en fréquence (celui avec lequel interagit le faisceau) estle mode de cavité. Réduire la largeur de l'iris diminue la bande passante dumode (et celle du tube à ondes progressives correspondant), mais augmentela marge par rapport à l'oscillation à fréquence 2tt.

On ne peut pas usiner un iris plus large que le reste de la fenterepliée 3, mais il est possible, comme illustré sur la figure 12c, d'usiner un irisen lui donnant la forme d'un guide à nervure (ou guide ridgé) pour obtenirune fréquence de résonance de l'iris inférieure à celle de la cavité. Le modele plus bas est alors le mode d'iris.

Claims (3)

1. REVENDICATIONS

   1. Guide à onde lente pour tube à ondes progressivescomprenant : - une plaque centrale (1) comprenant un trou de glissement de faisceau(2), rectiligne de même direction que l'axe longitudinal de la plaquecentrale (1), - une plaque inférieure (6) et une plaque supérieure (7) fermant le guided'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale (1), et - une fente (3) repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans lesens de l'épaisseur du guide.
2. 2. Guide selon la revendication 1, dans lequel les replis dela fente (3) sont réalisés par des iris présents alternativement dans deslames successives de la plaque centrale (1) sur une face puis l'autre de laplaque centrale (1), et/ou présents alternativement dans les plaquesinférieure (6) et supérieure (7) en regard des fentes séparant les lames. 3. Guide selon la revendication 1, dans lequel un repli esten forme de créneau. 4. Guide selon la revendication 1, dans lequel un repli estde forme arrondie ou circulaire. 5. Guide selon l'une des revendications précédentes, danslequel la plaque centrale (1) est en cuivre, en alliage de cuivre ou enmolybdène. 6. Guide selon l'une des revendications précédentes, danslequel les plaques inférieure (6) et supérieure (7) sont en cuivre, en alliagede cuivre ou en molybdène. 7. Procédé de fabrication d’un guide à onde lente pour tubeà ondes progressives comprenant des étapes consistant à : - percer un trou de glissement de faisceau (2), rectiligne de mêmedirection que l'axe longitudinal d'une plaque centrale (1) ; - percer une série de fentes débouchantes parallèles dans la plaque decentrale (1), les fentes étant perpendiculaires au trou de glissement(2), formant une série de lames entre deux fentes consécutivesparallèles ; et - réaliser des iris formant les replis d'une fente repliée (3), en usinantalternativement les lames successives sur une face puis l'autre de laplaque centrale (1), et/ou en usinant alternativement des plaquesinférieure (6) et supérieure (7) en regard des fentes parallèles.
3. 8. Procédé selon la revendication 7, comprenant, en outreune étape consistant à fermer le guide par la plaque inférieure (6) et laplaque supérieure (7), fixées respectivement sur la face inférieure (6) etsur la face supérieure (7) de la plaque centrale (1).