WO2004100204A2 - Tube hyperfrequence a faible rayonnement parasite - Google Patents

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WO2004100204A2
WO2004100204A2 PCT/EP2004/050557 EP2004050557W WO2004100204A2 WO 2004100204 A2 WO2004100204 A2 WO 2004100204A2 EP 2004050557 W EP2004050557 W EP 2004050557W WO 2004100204 A2 WO2004100204 A2 WO 2004100204A2
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tube
radial guide
collector
groove
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PCT/EP2004/050557
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Claude Bearzatto
Jean-Luc Piquet
Daniel Plard
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Thales
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy
    • H01J23/54—Filtering devices preventing unwanted frequencies or modes to be coupled to, or out of, the interaction circuit; Prevention of high frequency leakage in the environment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge

Definitions

  • the invention relates to microwave tubes, in particular the 5 klystrons or the TOP (traveling wave tubes).
  • FIG. 1 represents a simplified diagram of a microwave electronic tube essentially comprising three main subassemblies an electron gun 12, a microwave structure 14 and a collector 16.
  • the electron gun 12 comprises a cathode 18 generating a beam of electrons 20 in the microwave structure 14 where the interaction takes place between the electron beam 20 and an electromagnetic wave created in the microwave structure. More precisely, the electron beam gives up part of its energy to the electromagnetic wave.
  • the collector 16 thermally dissipates the kinetic energy of the electrons of the beam 20 remaining after interaction with the electromagnetic wave.
  • the electrons emitted by the cathode are accelerated under a voltage Vo applied between the cathode and the anode of the tube and are characterized by a current Ia.
  • the microwave structure is made up of resonant cavities and sliding tubes in the case of klystrons and a helix or coupled cavities in the case of a TOP.
  • the microwave structure of the TOP comprises an inlet window 22, on the side of the barrel of the tube, for injecting the power to be amplified Pe into the structure and an outlet window 24, on the side of the collector, for extracting the outlet power Ps amplified.
  • These input and output windows are dielectric members, often alumina, which transmit, almost without losses, in the operating frequency band of the tube, the microwave input power Pe, towards the interior of the structure, and the power output Ps, to the outside of the structure, as the case may be, while isolating the inside of the tube 35 under vacuum (residual pressure ⁇ 1 ⁇ orr) from the outside atmosphere.
  • Another equally essential sub-assembly of the tube is a magnetic circuit 40 (see FIG.
  • An ion pump 42 shown in Figure 1, is used to maintain the vacuum inside the tube; it is not always necessary.
  • the manifold 16 is a hollow cylinder, as shown in FIG. 1.
  • the beam electrons bombard the internal walls 44 of the collector 16, which heat up.
  • the heat is then evacuated by the external walls of the collector which are cooled according to the power densities considered by forced air, by water circulation, by radiation.
  • the collector is at the potential of the body of the structure 14 of the tube, that is to say of the mass, the cathode being at the potential -Vo.
  • FIG. 2 shows a partial view of a TOP comprising a microwave structure 50 having coupled cavities 52 and a manifold 58 attached to the microwave structure 50 electrically isolated from the body of the tube, and in particular from an upper pole piece 60, by a directory insulator 62.
  • the collector is isolated from the body by the insulator 62, for example ceramic, often alumina (see Figure 2).
  • Figures 3a and 3b schematically represent the electrical connections of the different elements of the tube of FIG. 1, with the Al 70 power supplies. It is the body of the tube which, generally, is connected directly to the ground M or to the ground, and this for practical reasons, because it is naturally connected to outdoor installation by the input and output waveguides, often by the armature of the electromagnet, and sometimes by the tuning systems of the cavities, thermal probes.
  • the collector's hydraulic connections, when they exist, must then be sufficiently insulating to force the Icoll current not to take them as a return path to the + pole of the supply, via earth.
  • the collector is isolated from the body by an annular ceramic 62 (FIG. 2), or any other insulator, in general, which plays several important roles:
  • this body 60-collector 58 isolation appears, from the microwave point of view, as a true radial line, itself composed of several lines of different impedances Z1, Z2, ... Zi in series.
  • FIG. 4 shows a detailed view of the space Gd of connection between a body 80 and the collector 82 of a microwave tube.
  • This space is presented as a series of lines of impedances Z1, Z2, Z3 in series between the inside and the outside of the tube.
  • the value of these impedances is related to the geometric characteristics (h, d %) of the lines and to the presence or absence of ceramic insulation ( ⁇ o, ⁇ ).
  • the presence of electromagnetic energy at the inlet of the collector may be due to leaks from the outlet cavity (or the propeller), although the sliding tube connecting it to the collector either at the cut-off at the operating frequency F and, generally, at 2. F. But this tube is often too short then allowing transmission by evanescent mode.
  • This electromagnetic energy can also come from one of the many resonances of the collector excited at F, 2. F ... by the electron beam, still a little modulated.
  • the radial guide can reduce to the level of the electron beam an impedance Zed sufficient for the beam, still a little modulated, to yield microwave energy to it, at a low, non-negligible level, which is then radiated outwards via the radial guide between body and collector.
  • the specifications often impose a very low microwave leakage level, for example Pr ⁇ 0.1 mw / cm 2 to 10 cm from any external surface of the tube.
  • Pr the parasitic radiated power Pr, which comes from the input of the collector via the body / collector isolation, comparable to a radial guide.
  • the invention provides a microwave tube comprising an electron gun generating an electron beam in a cylindrical microwave structure of the tube, the microwave structure providing an output with a microwave wave, an electron collector of the beam comprising at least one electrode being mechanically connected to the microwave structure by a dielectric, the mechanical connection forming a radial guide for propagation of parasitic microwave radiation from the tube, characterized in that that, to attenuate the parasitic radiation of the tube, the radial guide comprises at least one quarter-wave microwave trap having, at at least the operating frequency F of the tube, an open circuit for the microwave wave propagating in said radial guide propagation of parasitic radiation.
  • ⁇ / 4 traps at the level of the radial guide appearing in the mechanical connection between the body of the tube containing the microwave structure and the collector.
  • These guides are those used, for example, on the connection flanges of waveguides or in the mounting of antennas or detector crystals.
  • the radial guide comprises a microwave trap at the operating frequency F of the tube having a cylindrical groove collinear with the axis of revolution ZZ 'of the tube opening into said radial guide for connecting the body with the manifold of the tube.
  • the radial guide comprises another microwave trap at frequency 2.
  • F having another cylindrical groove collinear with the axis of revolution ZZ 'of the tube opening into said radial guide connecting the body with the manifold of the tube.
  • collectors There is another type of collector which is not only isolated from the body but also composed of several electrodes, each being brought to an intermediate potential between -Vo and ground. The potentials are then chosen so that the electrons are braked before their impact on the internal walls and so that the dissipated thermal power is as small as possible. After interaction, the dispersion of the speeds at the input of the collector is important: this is why there are several electrodes, each slowing down the electrons occupying this or that part of the speed spectrum.
  • This technique called “depressed collectors” is mainly applied to air-cooled or radiation-cooled TWTs. It allows a significant increase in efficiency by reducing the dissipated power, equal to Vo.lo without a depressed collector, as we saw earlier.
  • the proposed invention applies to all types of collectors, in particular, between the different electrodes of the “depressed” type collectors, comprising several electrodes connected mechanically, each connection between two consecutive electrodes forming a radial guide for propagation of microwave frequencies.
  • parasitic (Pr) of the tube in addition to the microwave trap between the body and a first electrode, and to attenuate the parasitic radiation of the tube, the radial guide between two consecutive electrodes comprises at least one quarter-wave microwave trap having, at least the operating frequency F of the tube, an open circuit for the microwave wave propagating in said radial guide of propagation of parasitic radiation.
  • the following presentation will refer to a collector "not depressed", that is to say standard, for the sake of simplification of the presentation.
  • FIG. 5a represents, a simplified partial view in section, of the connection zone between a body and a collector of a microwave tube;
  • FIG. 5b shows a first embodiment of the microwave trap of a microwave tube according to the invention
  • - Figure 5c shows a variant of the microwave tube according to the invention
  • - Figure 5d shows another variant of the microwave tube according to the invention
  • FIG. 6 and 7 respectively show partial views of the connection zone between the body and the collector of a tube of the state of the art without trap, and of a tube with trap according to the invention
  • - Figure 8a shows an arrangement for measuring the stray power radiated in the coupling zone between the body and the collector of a tube according to the invention
  • - Figure 8b shows a first measurement in the case of a collector having two grooves; - Figure 8c shows the same measurements but with manifold having a single groove.
  • FIG. 5a represents, a simplified partial view in section, along a plane passing through the axis ZZ ′ of revolution of the microwave structure of the tube, of the connection zone between a body 90 and a collector 92 of a microwave tube.
  • the collector 92 is mechanically connected to the body of the tube containing the microwave structure by an insulator 94.
  • the electron beam 20 at the outlet of the microwave structure penetrates, along the axis
  • the space Gd between the body 90 and the collector 92 behaves, as has been said previously, like a line or a microwave radial guide.
  • This space is presented in FIG. 5a as a toroidal volume of very small thickness comprised between a face 100 of the body and a face 102 of the collector spaced apart by the insulator 94.
  • FIG. 5b shows a first embodiment of a microwave trap of a microwave tube according to the invention.
  • traps are machined or attached to the base, or better, machined in the base of the manifold cylinder, the thickness of which, at this location, is often sufficient to receive one or more coaxial grooves.
  • the wavelength ⁇ g in the radial guide depends on the considered portion of the guide, and in particular, on the radial abscissa r relative to the axis ZZ 'of the tube.
  • the widths of the guides represented respectively by the width Ed of the groove, (distance ab in FIG. 5b) and the thickness Eg of the radial guide (distance bc) are not infinitely small compared to the lengths of these same guides: the position of the “brought back” open circuit (infinite impedance) is then poorly defined, and the electromagnetic waves can then partially cross the trap thanks to the local presence of higher order modes. Consequently, the widths Ed and Eg must be as small as possible in order to have the best possible blocking of the stray radiated power.
  • the electron beam is modulated not only at the frequency
  • FIG. 5c shows a variant of the tube according to the invention.
  • F see figure 5c).
  • the voltage Ved can be such that it reflects electrons towards the microwave structure, thus producing parasitic modulations and oscillations.
  • the solution giving rise to the embodiments, according to the invention, described above is then that the guide, at its entry into "ed” has a zero or very low value impedance (Ved # o).
  • the base of the collector 92 is machined, so as to create one or more grooves or traps "quarter wave" which bring back fictitious open circuits across the radial guide formed by the isolation of body 90 collector 92.
  • These circuits fictitious openings prevent much of the power to pass from the inside of the tube to the outside and therefore blocks any stray radiation.
  • FIGS. 6 and 7 respectively show partial views of the connection zone between the body 110 and the collector 112 of a tube without microwave traps and the same tube connection zone produced according to the invention comprising two traps having two grooves 114 , 116 respectively for frequencies F and 2.
  • This is generally vacuum, but the grooves can also be filled with dielectric of reduced dielectric constant, ⁇ r (> 1).
  • ⁇ as well as the length of the grooves, is reduced in the ratio of the square root of ⁇ r compared to the case where the grooves are under vacuum.
  • One can then envisage a reduction in length of the grooves in a ratio of about three, if one fills this one with alumina ( ⁇ r 9).
  • FIG. 5d it is possible to place the insulator 62 of FIG. 2 or the insulator 94 of FIG. 5b, that is to say say the insulator connecting the body to the collector (or connecting two electrodes of an insulated collector), closer to the axis ZZ ', so that one or more grooves are no longer under vacuum, as in the case of Figure 5b, but in the air.
  • FIG. 8a shows an arrangement for measuring the stray power radiated in the connection zone between the body and the collector of a tube according to the invention.
  • the assembly comprises a body 120 and a collector 122 separated by an insulator 124.
  • the collector comprises a first groove 126 for the operating frequency F of the tube and a second groove 128 for frequency 2. F, the grooves being coaxial with the axis ZZ 'of the tube.
  • the internal diameters of the body 120 and of the collector 122 have a diameter D of 33 mm.
  • the distance Dec separating the body of the collector is 5 mm.
  • depth P2 7.65 mm.
  • a microwave signal Pe is injected by a transmitter 130 at the axis ZZ 'of the tube, in the coupling body collector zone, a probe 132 is placed outside the tube at the connection zone to measure the radiated stray power Pr.
  • FIG. 8b shows a first curve in the case of a tube having a manifold comprising two grooves 126, 128, one for the frequency F and the other for the frequency 2.
  • F There is an attenuation between the power injected by l transmitter 130 and the parasitic power picked up by the probe 132 of approximately:
  • Figure 8c shows the same measurements with the same tube of Figure 8a tube, the collector having a single groove 126 to trap the frequency F.
  • the invention in addition to the significant attenuation of parasitic radiation, has the advantage of easy removal of the collector from the body. of the tube, which is not the case of the embodiments of the tubes of the state of the art using insulating resins to mechanically secure the collector to the body of the tube at the outlet of the microwave structure.

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Abstract

L'invention concerne un tube hyperfréquence comportant un canon à électrons (12) générant un faisceau d'électrons (20) dans d'une structure hyperfréquence (14, 50) cylindrique du tube. La structure hyperfréquence fournit à une sortie une onde hyperfréquence. Un collecteur (16, 58, 82, 96) d'électrons du faisceau comportant au moins une électrode est raccordée mécaniquement à la structure hyperfréquence par un diélectrique (62, 94), le raccordement mécanique formant un guide radial de Io propagation de rayonnements hyperfréquences parasites (Pr) du tube. Pour atténuer les rayonnements parasites du tube, le guide radial (Gd) comporte au moins un piège hyperfréquence quart d'onde présentant, à au moins la fréquence F de fonctionnement du tube, un circuit ouvert pour l'onde hyperfréquence se propageant dans ledit guide radial de propagation 15 de rayonnements parasites. Applications : tubes hyperfréquences, notamment klystrons, TOP.

Description

TUBE HYPERFREQUENCE A FAIBLE RAYONNEMENT PARASITE
L'invention concerne les tubes hyperfréquences notamment les 5 klystrons ou les TOP (tubes à ondes progressives).
La figure 1 représente un schéma simplifié d'un tube électronique hyperfréquences comportant essentiellement trois sous-ensembles principaux un canon à électrons 12, une structure hyperfréquences 14 et un collecteur 16. 10 Le canon à électrons 12 comporte une cathode 18 générant un faisceau d'électrons 20 dans la structure hyperfréquence 14 où s'effectue l'interaction entre le faisceau d'électrons 20 et une onde électromagnétique crée dans la structure hyperfréquence. Plus précisément, le faisceau d'électrons cède une partie de son énergie à l'onde électromagnétique. 15 Le collecteur 16 dissipe thermiquement l'énergie cinétique des électrons du faisceau 20 restant après interaction avec l'onde électromagnétique.
Les électrons émis par la cathode sont accélérés sous une tension Vo appliquée entre cathode et l'anode du tube et sont caractérisés par un 20 courant la.
La structure hyperfréquence est composée de cavités résonnantes et de tubes de glissement dans le cas des klystrons et d'une hélice ou de cavités couplées dans le cas d'un TOP.
La structure hyperfréquence du TOP comporte une fenêtre 25 d'entrée 22, du côté du canon du tube, pour injecter la puissance à amplifier Pe dans la structure et une fenêtre de sortie 24, du coté du collecteur, pour extraire la puissance de sortie Ps amplifiée.
Les gains G = 10 Iog10 (Ps/Pe) sont de l'ordre de 40 à 50 dB et les rendements d'interaction ηi = Ps Vo lo généralement compris entre 30 et 30 60 %. Ces fenêtres d'entrée et de sortie sont des organes en diélectrique, souvent de l'alumine, qui transmettent, presque sans pertes, dans la bande de fréquences de fonctionnement du tube, la puissance hyperfréquence d'entrée Pe, vers l'intérieur de la structure, et la puissance de sortie Ps, vers l'extérieur de la structure, suivant le cas, tout en isolant l'intérieur du tube 35 sous vide (pression résiduelle < 1θΑorr) de l'atmosphère extérieure. Un autre sous-ensembie également essentiel du tube est un circuit magnétique 40 (voir figure 1 ) entourant la structure hyperfréquence 14 comprenant un électro-aimant ou des aimants permanents associés à des pièces polaires permettant de conduire le flux magnétique au niveau du faisceau d'électrons 20 qui, ainsi, est focalisé c'est-à-dire maintenu à un diamètre petit et sensiblement constant. Ce circuit magnétique est extérieur à l'enceinte à vide du tube sauf parfois certaines pièces polaires.
Une pompe ionique 42, indiquée sur la figure 1 , sert à entretenir le vide à l'intérieur du tube ; elle n'est pas toujours nécessaire. Le collecteur 16 est un cylindre creux, comme indiqué en figure 1.
Les électrons du faisceau en bombardent les parois internes 44 du collecteur 16, qui s'échauffent. La chaleur est alors évacuée par les parois extérieures du collecteur qui sont refroidies suivant les densités de puissance considérées par air forcé, par circulation d'eau, par rayonnement. Le collecteur est au potentiel du corps de la structure 14 du tube, c'est-à-dire de la masse, la cathode étant au potentiel -Vo.
Le collecteur 16 peut être directement rapporté sur le corps 14 comme indiqué en figure 1. Le collecteur peut aussi être isolé électriquement du corps, mais relié à ce dernier par une connexion électrique extérieure. La figure 2 montre une vue partielle d'un TOP comportant une structure hyperfréquence 50 ayant des cavités couplées 52 et un collecteur 58 rapporté sur la structure hyperfréquence 50 isolé électriquement du corps du tube, et notamment d'une pièce polaire supérieure 60, par un isolant annuaire 62. Le faisceau d'électrons 20, en sortie de la structure hyperfréquence, pénètre dans le collecteur 58 par une ouverture 64. Des électrons selon différentes trajectoires 66 sont collectés par les parois internes 68 du collecteur.
Il est souvent nécessaire de mesurer séparément le courant Ib des électrons qui sont interceptés par la structure hyperfréquence et le courant Icoll des électrons qui vont jusqu'au collecteur. Ces deux courants sont d'amplitudes très différentes, souvent un rapport Ib/lcoll de quelques %, voire de 1 % ou moins.
Pour ce faire, le collecteur est isolé du corps par l'isolant 62 par exemple en céramique, souvent en alumine (voir figure 2). Les figures 3a et 3b représentent schématiquement les connexions électriques des différents éléments du tube de la figure 1 , avec les alimentations Al 70. C'est le corps du tube qui, généralement, est connecté directement à la masse M ou à la terre, et ceci pour des raisons pratiques, car il est relié naturellement à l'installation extérieure par les guides d'ondes d'entrée et de sortie, souvent par l'armature de l'électroaimant, et parfois par les systèmes d'accord des cavités, des sondes thermiques. Les connexions hydrauliques du collecteur, quand elles existent, doivent alors être suffisamment isolantes pour obliger le courant Icoll à ne pas les emprunter comme chemin de retour vers le pôle + de l'alimentation, via la masse. L'isolement du collecteur par rapport au corps se fait grâce à une céramique annulaire 62 (figure 2), ou tout autre isolant, de façon générale, qui joue plusieurs rôles importants :
- isolement électrique entre corps (ou pièce polaire) 60 et collecteur 58 ; - étanchéité et maintien du vide à l'intérieur du tube ;
- solidité mécanique pour maintenir fermement le collecteur sur le corps, malgré parfois certaines vibrations provenant du système de refroidissement et malgré les chocs pouvant provenir du transport et de l'installation. Mais cet isolement corps 60-collecteur 58 apparaît, du point de vue des hyperfréquences, comme une véritable ligne radiale, composée elle- même de plusieurs lignes d'impédances différentes Z1 , Z2, ...Zi en série.
La figure 4 montre une vue de détail de l'espace Gd de raccordement entre un corps 80 et le collecteur 82 d'un tube hyperfréquence. Cet espace se présente comme une suite de lignes d'impédances Z1 , Z2, Z3 en série entre l'intérieur et l'extérieur du tube. La valeur de ces impédances est reliée aux caractéristiques géométriques (h, d...) des lignes et à la présence ou non d'isolant en céramique (εo, σ). Nous pouvons faire référence à l'ouvrage « Field and waves in communications electronics de Ramo, Whinnery et al (Ed : John Wiley & Sons) ».
Il en résulte que si de l'énergie électromagnétique est présente à l'entrée Ecl du collecteur, elle peut se coupler à ce guide radial et rayonner vers l'extérieur (Pr).
La présence d'énergie électromagnétique à l'entrée du collecteur peut être due à des fuites de la cavité de sortie (ou de l'hélice), bien que le tube de glissement la reliant au collecteur soit à la coupure à la fréquence de fonctionnement F et, généralement, à 2. F. Mais ce tube est souvent trop court permettant alors une transmission par mode évanescent.
Cette énergie électromagnétique peut également provenir d'une des nombreuses résonances du collecteur excitées à F, 2. F... par le faisceau d'électrons, encore un peu modulé.
En d'autres termes, le guide radial peut ramener au niveau du faisceau d'électrons une impédance Zed suffisante pour que le faisceau, encore un peu modulé, y cède de l'énergie hyperfréquence, à un niveau faible, non négligeable, qui est alors rayonnée vers l'extérieur via le guide radial entre corps et collecteur.
Or, les spécifications imposent souvent un niveau de fuite hyperfréquence très faible, par exemple Pr < 0.1 mw/cm2 à 10 cm de toute surface extérieure du tube. Le problème est donc de minimiser la puissance rayonnée parasite Pr, qui provient de l'entrée du collecteur via l'isolement corps/collecteur, assimilable à un guide radial.
Afin d 'atténuer le rayonnement parasite des tubes hyperfréquences de l'état de l'art, l'invention propose un tube hyperfréquence comportant un canon à électrons générant un faisceau d'électrons dans d'une structure hyperfréquence cylindrique du tube, la structure hyperfréquence fournissant à une sortie une onde hyperfréquence, un collecteur d'électrons du faisceau comportant au moins une électrode étant raccordée mécaniquement à la structure hyperfréquence par un diélectrique, le raccordement mécanique formant un guide radial de propagation de rayonnements hyperfréquences parasites du tube, caractérisé en ce que, pour atténuer les rayonnements parasites du tube, le guide radial comporte au moins un piège hyperfréquence quart d'onde présentant, à au moins la fréquence F de fonctionnement du tube, un circuit ouvert pour l'onde hyperfréquence se propageant dans ledit guide radial de propagation de rayonnements parasites.
L'idée est de mettre en œuvre des « pièges λ/4, au niveau du guide radial apparaissant dans le raccordement mécanique entre le corps du tube contenant la structure hyperfréquence et le collecteur. Ces guides sont ceux utilisés, par exemple, sur les brides de raccordement des guides d'ondes ou dans le montage d'antennes ou de cristaux détecteurs.
Dans une première réalisation du tube hyperfréquence selon l'invention, le guide radial comporte un piège hyperfréquence à la fréquence F de fonctionnement du tube ayant une rainure cylindrique colinéaire avec l'axe de révolution ZZ' du tube débouchant dans ledit guide radial de raccordement du corps avec le collecteur du tube.
Dans une variante de cette première réalisation du tube hyperfréquences selon l'invention, le guide radial comporte un autre piège hyperfréquences à la fréquence 2. F ayant une autre rainure cylindrique colinéaire avec l'axe de révolution ZZ' du tube débouchant dans ledit guide radial de raccordement du corps avec le collecteur du tube.
Il existe un autre type de collecteur qui non seulement est isolé du corps mais aussi composé de plusieurs électrodes, chacune étant portée à un potentiel intermédiaire entre -Vo et la masse. Les potentiels sont alors choisis pour que les électrons soient freinés avant leur impact sur les parois internes et qu'ainsi la puissance thermique dissipée soit la plus réduite possible. Après interaction, la dispersion des vitesses à l'entrée du collecteur est importante : c'est pourquoi on dispose de plusieurs électrodes, chacune ralentissant les électrons occupant telle ou telle partie du spectre de vitesse. Cette technique appelée « collecteurs déprimés » (depressed collectors en anglais) est surtout appliquée aux TOP refroidis par air ou par rayonnement. Elle permet une augmentation notable du rendement par réduction de la puissance dissipée, égale à Vo.lo sans collecteur déprimé, comme nous l'avons vu précédemment.
L'invention proposée s'applique à tous les types de collecteurs, en particulier, entre les différentes électrodes des collecteurs de type « déprimés », comportant plusieurs électrodes raccordées mécaniquement, chaque raccordement entre deux électrodes consécutives formant un guide radial de propagation de rayonnements hyperfréquences parasites (Pr) du tube, outre le piège hyperfréquence entre le corps et une première électrode, et pour atténuer les rayonnements parasites du tube, le guide radial entre deux électrodes consécutives comporte au moins un piège hyperfréquence quart d'onde présentant, à au moins la fréquence F de fonctionnement du tube, un circuit ouvert pour l'onde hyperfréquence se propageant dans ledit guide radial de propagation de rayonnements parasites. Mais la présentation qui suit se référera à un collecteur « non déprimé « , c'est-à-dire standard, pour un souci de simplification de l'exposé.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation selon l'invention, en référence aux dessins indexés dans lesquels :
- la figure 1 , déjà décrite représente un schéma simplifié d'un tube électronique hyperfréquences ;
- la figure 2, déjà décrite, montre une vue partielle d'un TOP ;
- les figures 3a et 3b, déjà décrites, représentent les connexions d'alimentation électrique des différents éléments du tube de la figure 1 ;
- la figure 4, déjà décrite, montre une vue de détail de la zone de raccordement d'un tube hyperfréquences ;
-la figure 5a représente, une vue partielle simplifiée en coupe, de la zone de raccordement entre un corps et un collecteur d'un tube hyperfréquences ;
- la figure 5b montre une première réalisation du piège hyperfréquence d'un tube hyperfréquence selon l'invention ;
- la figure 5c montre une variante du tube hyperfréquences selon l'invention ; - la figure 5d montre une autre variante du tube hyperfréquences selon l'invention ;
- les figures 6 et 7 montrent respectivement des vues partielles de la zone de raccordement entre le corps et le collecteur d'un tube de l'état de l'art sans piège, et d'un tube avec piège suivant l'invention ; - la figure 8a, montre un montage de mesure de la puissance parasite rayonnée dans la zone de couplage entre le corps et le collecteur d'un tube selon l'invention ;
- la figure 8b montre une première mesure dans le cas d'un collecteur comportant deux rainures ; - la figure 8c montre les mêmes mesures mais avec collecteur comportant une seule rainure.
La figure 5a représente, une vue partielle simplifiée en coupe, selon un plan passant par l'axe ZZ' de révolution de la structure hyperfréquences du tube, de la zone de raccordement entre un corps 90 et un collecteur 92 d'un tube hyperfréquences. Le collecteur 92 est raccordé mécaniquement au corps du tube contenant la structure hyperfréquence par un isolant 94. Le faisceau d'électrons 20 en sortie de la structure hyperfréquence pénètre, selon l'axe
ZZ', par une ouverture 95 dans le collecteur puis se dissipe thermiquement en frappant les parois internes 96 du collecteur (lignes el).
L'espace Gd entre le corps 90 et le collecteur 92 se comporte, comme cela a été dit précédemment, comme une ligne ou un guide radial hyperfréquences. Cet espace se présente dans la figure 5a comme un volume de forme torique de très faible épaisseur compris entre une face 100 du corps et une face 102 du collecteur écartées par l'isolant 94.
La figure 5b montre une première réalisation de piège hyperfréquence d'un tube hyperfréquence selon l'invention.
Ces pièges sont usinés ou rapportés à la base, ou mieux, usinés dans la base du cylindre du collecteur, dont l'épaisseur, à cet endroit, est souvent suffisante pour recevoir une ou plusieurs rainures coaxiales.
Le collecteur 92 comporte une rainure 104 de forme circulaire au tour de l'axe ZZ' de section rectangulaire et de profondeur égale à λ/4, la rainure débouchant par un côté, dans le guide radial (espace Gd de la figure 5a), λ = c/F étant la longueur d'onde dans la rainure coaxiale à la fréquence de fonctionnement F du tube, la rainure étant à une distance d1 de l'endroit d où débouche le guide radial du coté de l'ouverture interne 95 du collecteur 92, telle que : d1 = (λg/4 + k λg/2)
- λg étant la longueur d'onde dans le guide radial (espace Gd), - k étant un nombre nul ou entier ;
- c étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré, ici, le vide, de façon à créer une impédance infinie, au niveau de la rainure 104, donc, une violente désadaptation qui réfléchit, en grande partie, la puissance hyperfréquence venant de la ligne radiale à la fréquence F. La puissance transmise, donc rayonnée Pr vers l'extérieur du tube, à travers l'isolant 94 devient alors très petite.
La longueur d'onde λg dans le guide radial dépend de la portion considérée du guide, et en particulier, de l'abscisse radiale r par rapport à l'axe ZZ' du tube. Mais remarquons que les largeurs des guides représentés respectivement par la largeur Ed de la rainure, (distance ab sur la figure 5b) et l'épaisseur Eg du guide radial (distance bc) ne sont infiniment petites devant les longueurs de ces mêmes guides : la position du circuit ouvert « ramené » (impédance infinie) est alors mal définie, et les ondes électromagnétiques peuvent alors franchir partiellement le piège grâce à la présence locale de modes d'ordres supérieurs. Par conséquent, les largeurs Ed et Eg doivent être les plus petites possibles pour avoir le meilleur blocage possible de la puissance parasite rayonnée Le faisceau d'électrons est modulé non seulement à la fréquence
F de fonctionnement du tube mais aussi, dans une moindre mesure, à 2. F et au-delà, étant entendu qu'à 3. F, 4. F... cette modulation est tout à fait négligeable.
La figure 5c montre une variante du tube selon l'invention. Dans cette variante du tube, le collecteur 92 comporte une deuxième rainure 108, comme la première 104, de forme circulaire au tour de l'axe ZZ' de section rectangulaire et de profondeur égale à λ/8 débouchant de la même façon d'un coté de la rainure dans le guide radial (espace Gd de la figure 5a), la deuxième rainure 108 étant à une distance d2 de l'endroit d où débouche le guide radial du coté de l'ouverture interne 95 du collecteur 92 telle que : d2 = (λ'g/4 + k'.λ'g/2), avec k' entier, λ'g étant la longueur d'onde dans le guide radial (espace Gd) à la fréquence 2. F (voir figure 5c).
Ainsi, toute puissance à la fréquence 2. F sera également bloquée et ne pourra pas rayonner à l'extérieur du tube.
Nous pouvons remarquer que la ligne radiale entre le « circuit ouvert au niveau de la rainure 104 « bc » et son ouverture « de », à l'entrée 95 du collecteur 92 est le siège d'ondes stationnaires, d'autant plus intenses que l'impédance de couplage Zed entre le corps et le collecteur (voir figure 5a) est proche de l'impédance interne du générateur hyperfréquence équivalent au faisceau modulé en entrée du collecteur.
En d'autres termes, une tension Ved = Zed.M.if (F), avec :
M représentant le couplage faisceau/guide radial,
If (F) la composante du courant faisceau à la fréquence F ; Zed, l'impédance à l'entrée de la ligne radiale est induite à l'entrée de la ligne radiale et du fait de la réflexion presque totale par le circuit ouvert en « bc ». Cette portion de la ligne radiale est le siège d'ondes stationnaires.
A certains endroits des champs importants peuvent donc apparaître, avec risque de claquage ou de phénomène de multifacteur toujours très bruiteux.
En outre, la tension Ved peut être telle qu'elle réfléchisse des électrons vers la structure hyperfréquence produisant alors des modulations et oscillations parasites. La solution donnant lieu aux réalisations, selon l'invention, décrites précédemment est alors que le guide, présente au niveau de son entrée en « ed » une impédance nulle ou très faible valeur (Ved # o).
Ceci justifie la valeur de la distance d1 , déjà indiquée précédemment, entre la première rainure 104 du piège et l'entrée « e » du guide au niveau de l'ouverture 95 du collecteur. Cette longueur d1 ou
« ce » dans la figure 5b est telle que le circuit ouvert au niveau de la rainure 104 en « cb » est ramené au niveau de l'entrée du guide, en « de » en un court-circuit .
Rappelons que la longueur « ce » vaut donc : λg/4 (ou λg/4 + k.λg/2), k étant nul ou entier) avec λg, la longueur d'onde dans le guide radial, qui varie suivant le rayon r considéré, λg (r). Les calculs analytiques de λg sont très complexes et les ajustements de longueur et de façon générale les dimensions du piège se font par simulation expérimentale et par ordinateur. Suivant le même raisonnement transposé à la fréquence 2. F, on placera la deuxième rainure 108 à un endroit « c' » du guide, tel que la distance « c'e » (soit d2, voir figure 5c) entre la position « c' » de cette deuxième rainure 108 dans le guide radial et l'entrée « e » du guide soit ; longueur c'e = λ'g/4 ou λ'g/4 + k'.λ'g/2, avec k' entier et λ'g longueur d'onde dans le guide radial à la fréquence 2. F.
En résumé, la base du collecteur 92 est usinée, de façon à créer une ou plusieurs rainures ou pièges « quart d'onde » qui ramènent des circuits ouverts fictifs en travers du guide radial formé par l'isolement corps 90 collecteur 92. Ces circuits ouverts fictifs empêchent une grande partie de la puissance de passer de l'intérieur du tube vers l'extérieur et bloque donc tout rayonnement parasite.
En outre, les positions de ces pièges sont choisies de façon à ce que l'impédance ramenée en « ed », à l'entrée du guide radial, soit nulle aux fréquences considérées, généralement la fréquence de fonctionnement F du tube et 2.F, (distance ce =λg/4 ou λg/4 +k.λg/2 avec k entier et λg longueur d'onde du guide radial à la fréquence F et de la même façon à 2.F avec λ'g longueur d'onde dans le guide radial à la fréquence 2. F).
Les figures 6 et 7 montrent respectivement des vues partielles de la zone de raccordement entre le corps 110 et le collecteur 112 d'un tube sans pièges hyperfréquences et la même zone de raccordement du tube réalisées selon l'invention comportant deux pièges ayant deux rainures 114, 116 respectivement pour les fréquences F et 2. F.
La longueur des rainures est λ/4 avec λ =c/F, ou encore λ/8, c étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré, c'est-à-dire celui de la rainure. Celui-ci est généralement du vide, mais les rainures peuvent être aussi remplies de diélectrique de constante diélectrique réduite, εr (>1 ). Dans ce cas, λ, ainsi que la longueur des rainures, est réduite dans le rapport de la racine carrée de εr par rapport au cas où les rainures sont sous vide. On peut alors envisager une réduction de longueur des rainures dans un rapport de trois environ, si on remplit celle-cis d'alumine (εr = 9).
D'autre part, dans une autre variante du tube hyperfréquence selon l'invention, montrée à la figure 5d, on peut placer l'isolant 62 de la figure 2 ou l'isolant 94 de la figure 5b, c'est-à-dire l'isolant reliant le corps au collecteur (ou reliant deux électrodes d'un collecteur isolé), plus près de l'axe ZZ', de telle sorte qu'une ou plusieurs rainures ne soient plus sous vide, comme dans le cas de la figure 5b, mais dans l'air.
Toute fois, la constante diélectrique de l'air étant pratiquement de celle du vide, cette disposition ne change rien à l'invention, mais en est une variante technologique.
La figure 8a, montre un montage de mesure de la puissance parasite rayonnée dans la zone de raccordement entre le corps et le collecteur d'un tube selon l'invention. Le montage comporte un corps 120 et un collecteur 122 séparés par un isolant 124. Le collecteur comporte une première rainure 126 pour la fréquence F de fonctionnement du tube et une deuxième rainure128 pour la fréquence 2. F, les rainures étant coaxiales à l'axe ZZ' du tube.
Dans le montage de mesure de la figure 8a, la fréquence de fonctionnement est F= 4900 MHz, les diamètres intérieurs du corps 120 et du collecteur 122 ont un diamètre D de 33 mm. La distance Dec séparant le corps du collecteur est de 5 mm.
Les positions et dimensions des rainures sont les suivantes : Première rainure 116 : diamètre D1 = 105 mm profondeur P1 = 15,3 mm. deuxième rainure 116 : diamètre D2 = 63,7 mm. profondeur P2 =7,65 mm. D1 et D2 autour de l'axe ZZ'.
Un signal hyperfréquence Pe est injecté par un émetteur 130 au niveau de l'axe ZZ' du tube, dans la zone de couplage corps collecteur, une sonde 132 est placée à l'extérieur du tube au niveau de la zone de raccordement pour mesurer la puissance parasite rayonnée Pr.
Les figures 8b et 8c montrent des courbes d'atténuation Att. en fonction de la fréquence de mesure Fm, entre le signal injecté Ue par l'émetteur dans le montage de mesure de la figure 8a et le signal parasité Pr rayonné par le tube capté par une sonde 132. Soit Att =Pr/Pe.
La figure 8b montre une première courbe dans le cas d'un tube ayant un collecteur comportant deux rainures 126, 128, une pour la fréquence F et l'autre pour la fréquence 2. F. On note une atténuation entre la puissance injectée par l'émetteur 130 et la puissance parasite captée par la sonde 132 d'environ :
-35 dB à la fréquence F -25 dB à la fréquence 2. F
La figure 8c montre les mêmes mesures avec le même tube de la figure 8a tube, le collecteur comportant une seule rainure 126 pour piéger la fréquence F.
On note toujours une atténuation d'environ -35dB à la fréquence F mais aucune atténuation à la fréquence 2. F.
L'invention, outre l'atténuation importante des rayonnements parasites, présente l'avantage d'un démontage aisé du collecteur du corps du tube, ce qui n'est pas le cas des réalisations des tubes de l'état de l'art utilisant des résines isolantes pour solidariser mécaniquement le collecteur au corps du tube en sortie de la structure hyperfréquences.

Claims

REVENDICATIONS
1. Tube hyperfréquence comportant un canon à électrons (12) générant un faisceau d'électrons (20) dans d'une structure hyperfréquence (14, 50) cylindrique du tube, la structure hyperfréquence fournissant à une sortie une onde hyperfréquence, un collecteur (16, 58, 82, 92) d'électrons du faisceau comportant au moins une électrode étant raccordée mécaniquement à la structure hyperfréquence par un diélectrique (62, 94), le raccordement mécanique formant un guide radial de propagation de rayonnements hyperfréquences parasites (Pr) du tube, caractérisé en ce que, pour atténuer les rayonnements parasites du tube, le guide radial comporte au moins un piège hyperfréquence quart d'onde présentant, à au moins la fréquence F de fonctionnement du tube, un circuit ouvert pour l'onde hyperfréquence se propageant dans ledit guide radial de propagation de rayonnements parasites.
2. Tube hyperfréquence selon la revendicationl , caractérisé en ce qu'il comporte un piège hyperfréquences à la fréquence F de fonctionnement du tube ayant une rainure (104,114) cylindrique colinéaire avec l'axe de révolution ZZ' du tube débouchant dans ledit guide radial de raccordement du corps (90) avec le collecteur (92) du tube.
3. Tube hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un autre piège hyperfréquences à la fréquence 2.F ayant une autre rainure (108, 116) cylindrique colinéaire avec l'axe de révolution ZZ' du tube débouchant dans le guide radial de raccordement du corps avec le collecteur du tube.
4. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le collecteur (96) comporte une rainure (104, 114) de forme circulaire au tour de l'axe ZZ' de section rectangulaire et de profondeur égale à λ/4, la rainure débouchant par un côté, dans le guide radial (Gd), λ = c/F étant la longueur d'onde à la fréquence de fonctionnement F du tube, la rainure étant à une distance d1 de l'endroit d ou débouche le guide radial du coté de l'ouverture interne (95) du collecteur (92), telle que : d1 = (λg/4 + k λg/2)
- λg étant la longueur d'onde dans le guide radial
- k étant un nombre nul ou entier.
- c étant la vitesse de la lumière dans le milieu considéré.
5. Tube hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur (92) comporte une deuxième rainure (108, 116), de forme circulaire au tour de l'axe ZZ' de section rectangulaire et de profondeur égale à λ/8 débouchant d'un coté de la rainure dans le guide radial, la deuxième rainure étant à une distance d2 de l'endroit d où débouche le guide radial du coté de l'ouverture interne (95) du collecteur (92) telle que : d2 = (λ'g/4 + k'.λ'g/2), avec k' entier, λ'g étant la longueur d'onde dans le guide radial (Gd) à la fréquence 2. F.
6. Tube hyperfréquence selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le guide présente, au niveau de son entrée en « ed », une impédance nulle ou très faible valeur (Ved # o).
7. Tube hyperfréquences selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le collecteur est de type « collecteur déprimé » comportant plusieurs électrodes raccordées mécaniquement, chaque raccordement entre deux électrodes consécutives formant un guide radial de propagation de rayonnements hyperfréquences parasites (Pr) du tube, caractérisé en ce que, pour atténuer les rayonnements parasites du tube, le guide radial entre deux électrodes consécutives comporte au moins un piège hyperfréquence quart d'onde présentant, à au moins la fréquence F de fonctionnement du tube, un circuit ouvert pour l'onde hyperfréquence se propageant dans ledit guide radial de propagation de rayonnements parasites.
8. Tube hyperfréquences selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que mais les rainures sont remplies de diélectrique, de constante diélectrique réduite, εr (>1 ), λ, ainsi que la longueur des rainures, étant réduite dans le rapport de la racine carrée de εr par rapport au cas où les rainures sont sous vide
9. Tube hyperfréquences selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs rainures sont dans l'air.
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