Brevet FR2001483A1 — publié le 19690926

L'invention concerne tin dispositif à décharge électronique amplificateur à champs croisés et, plus précisément, un amplificateur à champs croisés dont l'espace d'action réciproque a une longueur réduite. 5 Les dispositifs à décharge électronique à onde progressive ont été largement utilisés, aussi bien comme amplificateurs que comme oscillateurs et la catégorie générale des dispositifs à décharge de ce genre comprend, outre les amplificateurs à champs croisés, les tubes à onde progressive, les magnétrons et les os-10 cillateurs à onde inverse. Tous ces dispositifs font appel à 1* action mutuelle entre un faisceau d'électrons qui se déplace le long d'une trajectoire immédiatement voisine d'une structure périodique de propagation d'onde lente ou à l'intérieur de cette structure et une onde de haute fréquence qui se propage le long 15 de cette structure périodique. Les électrons du faisceau électronique qui sont en synchronisme avec la vitesse de phase du champ électromagnétique de l'onde de haute.fréquence vont.interagir avec celui-ci et une énergie va être transférée du faisceau électronique au champ électromagnétique. Dans un dispositif am-20 plificateur à champs croisés du type concerné par l'invention, le faisceau électronique est commandé par une combinaison d'un champ magnétique continu et d'un champ électrique continu, tous les deux étant orientés de façon à être perpendiculaires au faisceau électronique et à être orthogonaux l'un par rapport à l'autre. 25 D'où le terme "champs croisés", par opposition aux dispositifs qui sont couramment appelés tubes à onde progressive, dans lesquels le champ magnétique est orienté longitudinalement par rapport au faisceau électronique. Ces dispositifs peuvent être réalisés sous forme cylindrique ou linéaire. Toutefois, un amplifi-30 cateur à champs croisés de forme cylindrique, qui présente une ressemblance structurelle avec des oscillateurs à magnétron, peut en être facilement distingué par le fait que le circuit HF de l'oscillateur à magnétron est fermé sur lui-même, tandis que 1' amplificateur doit avoir un circuit qui se termine au niveau 35 de deux orifices, l'un pour l'entrée HF et l'autre pour la sortie HF. Comme on 1 'expliquera plus amplement ci-après, les dispositifs amplificateurs à champs croisés ont jusqu'ici souffert de ce défaut que l'espace d'action réciproque était long (ou, en cas 40 de forme cylindrique, avait une grande circonférence). Le but 69 02849 2 2001483 principal de l'invention est de fournir un dispositif à décharge électronique à champs croisés ayant une longueur d'action réciproque relativement courte. La longueur d'action réciproque plus courte se traduit par un tube dont les dimensions et le poids 5 sont réduits. Par suite, un autre but de l'invention est de fournir un dispositif à décharge électronique à champs croisés ayant des dimensions et un poids réduits. On comprendra aisément que plus la structure périodique nécessaire à un fonctionnement correct du dispositif est longue, 10 plus les pertes d'énergie par dissipation sont grandes. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif à décharge électronique à champs croisés ayant un rendement amélioré et une plus grande stabilité de phase. Conformément à l'invention, il est proposé un dispositif 15 à décharge électronique à champs croisés qui comprend une ligne à retard anodique périodique et une électrode négative ou plaque de base au voisinage de cette ligne à retard et délimitant avec elle un espace d'action réciproque. Un canon à électrons, destiné à fournir un faisceau cycloïdal d'électrons est prévu au voisi-20 nage immédiat de l'extrémité entrée HF de l'espace d'action réciproque et une électrode collectrice peut être disposée au niveau de l'autre extrémité, au voisinage de la sortie HF. 11 est prévu des moyens magnétiques qui entourent l'espace d'action réciproque et engendrent un champ magnétique qui est perpendicu-25 laire au faisceau d'électrons et au champ électrique entre la ligne à retard et la plaque de base, les intensités relatives des champs électrique et magnétique étant telles que le faisceau d'électrons en provenance du canon ait une trajectoire cycloïdale à travers l'espace d'action réciproque. D'autres buts et avanta-30 ges de l'invention ressortiront des dessins annexés. La fig. 1 est une représentation schématique d'un amplificateur à champs croisés linéaire selon l'état actuel de la technique ; la fig. 2 est une représentation schématique d'un amplifica-35 teur à champs croisés linéaire selon linvention ; la fig. 3 est un graphique de la puissance HF de ces dispositifs en fonction de leur longueur ; les fig. 4 et 5 représentent d'autres formes d'exécution de 1'invention ; 40 et la fig. 6 illustre un autre mode de réalisation de l'in 69 .2849 3 2001483 vention sous forme cylindrique. Un amplificateur à champs croisés du type antérieurement connu, tel que représenté dans la fig. 1, comprend une structure de canon à électrons 5 qui contient une cathode 6 garnie d'un re-5 vêtement émetteur 7, lequel est amené à sa température d'émission par un élément chauffant 8. Les électrons en provenance de la cathode 6 sont dirigés vers l'espace d'action mutuelle de l'amplificateur à champs croisés par une électrode 9 dont la forme et la tension sont propres à diriger, en liaison avec un champ ma-10 gnétique B, tin faisceau d'électrons plan ou laminaire dans l'espace d'action mutuelle en direction d'un collecteur 10. L'espace d'action mutuelle est constitué par l'intervalle entre la ligne à retard anodique 11 et une électrode négative ou base 12. Selon ce qui est indiqué, la ligne à retard est soumise à une tension 15 continue de l'ordre du double de la tension appliquée à l'anode 9 du canon à électrons 5, de façon à déterminer un champ électrique E entre la ligne 11 et la base 12 selon ce qui est indiqué par les flèches 13. Des moyens magnétiques B engendrent un champ magnétique perpendiculaire au faisceau d'électrons et au 20 champ électrique. Des lignes coaxiales 14 et 15 assurent respectivement les connexions d'entrée et de sortie pour le signal de haute fréquence qui doit être amplifié. Le canon à électrons 5 est construit de telle sorte qu'une lame ou faisceau d'électrons s'insère dans l'espace d'action mutuelle en position intermédiai-25 re entre la ligne à retard 11 et la base 12. Le champ magnétique B a une intensité prédéterminée par rapport au champ électrique E, de telle sorte que le faisceau d'électrons soit dirigé vers le collecteur 10, selon ce qui est indiqué par 16. Le faisceau d'électrons en provenance du canon 5 aura quelques électrons 30 qui sont en phase convenable ou favorable avec l'onde HF sur la ligne à retard 11 pour fournir une énergie potentielle à cette onde. C'est ce qui est illustré schématiquement par 18. Les autres électrons du faisceau ont une phase incorrecte ou défavorable et s'ils sont en phase opposée, ils soutireront de l'énergie 35 à l'onde . Ces électrons gagneront donc une énergie potentielle et se déplaceront plus près de l'électrode de base 12, comme indiqué en 17. Etant donné que la distribution de phase à partir du canon est aléatoire, on peut supposer que la moitié des électrons sont favorables, tandis que la moitié seront défavorables 40 Les électrons à phase favorable fournissent une énergie potentiel 6 9 J 2849 4 2001483 le au champ électromagnétique de l'onde HF portée par la ligne à retard 11, ce qui amplifie ledit signal. Par contre, les électronfe à phase défavorable, qui sont représentés globalement par la zone hachurée 19, ayant une phase incorrecte, extraient de l'énergie à 5 partir de l'onde électromagnétique du signal HF. Tandis que ces électrons à phase défavorable parcourent une trajectoire telle que représentée en 17, leur phase a tendance à glisser par rapport à l'onde du circuit jusqu'à ce qu'ils atteignent un état dans lequel eux aussi fournissent éventuellement une énergie po-10 tentielle à l'onde. Ainsi, les électrons du faisceau sont progressivement mis en phase par l'onde, de sorte que l'amplification est effectuée. Toutefois, afin de réaliser la mise en phase favorable des électrons à phase défavorable, il est nécessaire que la ligne à retard et la plaque de base 12 aient une longueur 15 relativement grande pour qu'une amplification du signal soit obtenue Si la ligne à retard 11 est courte, l'énergie extraite de l'onde électromagnétique sera approximativement égale à l'énergie ajoutée et le gain obtenu sera faible sinon nul. Etant donné que la dissipation de l'énergie est pratiquement proportionnelle à la 20 longueur du circuit, le long circuit nécessaire pour obtenir un gain élevé par remise en phase s'accompagne d'une réduction de rendement du fait de la puissance dissipée par le circuit. La structure du canon à électrons du dispositif antérieurement connu, utilisée pour introduire le faisceau d'électrons dans une direc-25 tion angulaire par rapport à l'espace d'action mutuelle et sous la forme d'une lame relativement plate d'électrons à travers cet espace, augmente encore le poids et la longueur d'un tel dispositif. Conformément à l'invention, il a été découvert que la struc-30 ture de canon à électrons usuelle pouvait être éliminée et qu' il était possible de réaliser un amplificateur à champs croisés de longueur et de poids sensiblement réduits si l'on établissait un champ d'électrons cycloïdal dans l'espace d'action mutuelle entre la ligne à retard et la plaque de base. 35 Le dispositif à décharge d'électrons à champs croisés cons truit selon l'invention est représenté schématiquement dans la fig. 2 et comprend une ligne à retard 20 et une électrode opposée ou plaque de base 21, laquelle présente une zone d'émission 22 à son extrémité. La zone d'émission de la plaque de base est ame-40 née à la température d'émission d'électrons par un élément chauf- 69 02849 5 2001483 fant 2 3. Un champ électrique E entre la ligne à retard et la plaque de base 21 est établi par l'application d'une tension positive élevée sur la ligne à retard, comme indiqué en 24, tandis que la plaque de base 21 peut être au potentiel de la terre. Un 5 champ magnétique transversal B est appliqué perpendiculairement au champ électrique , comme indiqué. Selon' 1'invention, les champs électrique et magnétique croisés sont réglés de telle sorte qu'un faisceau d'électrons cycloïdal soit établi, comme indiqué par la trajectoire 25. Si l'on néglige l'effet d'un signal HF appliqué 10 par la ligne coaxiale d'entrée 26, les champs électrique et magnétique sont tels que les électrons en provenance de la surface émettrice 22 se déplaceront à une vitesse maximale à proximité de la ligne à retard 20, au sommet de la boucle 2 7 indiquée par la trajectoire 25, et retourneront vers la plaque de base 21 à une 15 vitesse pratiquement nulle, comme indiqué en 29. Aucun signal HF n'étant appliqué, le faisceau d'électrons suivra à répétition la trajectoire indiquée, sans fourniture d'énergie à la ligne à retard ni collection d'électrons par la plaque de base jusqu'à ce que le faisceau soit recueilli au niveau du collecteur 30. Etant 20 donné que les champs électrique et magnétique croisés sont tels que le faisceau d'électrons atteint sa vitesse maximale à proximité de la ligne à retard 20 et atteint une vitesse nulle en s' approchant de la plaque de base 21 après chaque orbite, il est visible qu'une légère modification apportée au champ électrique 25 perturbera facilement cette condition. Ainsi, pour.un petit changement du champ électrique, ou bien les électrons seront entraînés à une vitesse plus grande de sorte qu'ils seront recueillis par la plaque de base, ou bien des électrons seront ralentis au point d'avoir une énergie insuffisante pour retourner à proximité 30 de la plaque de base. De même que dans le dispositif antérieurement connu de la fig. 1, que l'émission d'électrons en provenance de la surface émettrice 22 soit continue ou par impulsions, la distribution de la phase des électrons sera aléatoire et, par suite, il y aura 35 des électrons à phase favorable et des électrons à phase défavorable. Comme on l'a fait remarquer précédemment1, une légère modification du champ électrique déplacera la trajectoire orbitale du faisceau d'électrons. Ainsi, lorsqu'un signal HF est appliqué à la ligne coaxiale 26, les électrons à phase favorable fourni-40 ront une certaine énergie potentielle à l'onde HF. Cette perte 69 02849 e 2001483 d'énergie à partir des électrons à phase favorable se traduit par un déplacement vers le haut de leur trajectoire orbitale, les éloignant de la plaque de base 21 pour les rapprocher de la ligne à retard 20. Les électrons à phase défavorable prélèveront 5 de l'énergie sur l'onde HF et gagneront une énergie suffisante pour qu'au lieu d'atteindre une vitesse nulle immédiatement au-dessus de la plaque de base, ils soient entraînés à l'intérieur de celle-ci et recueillis. Ainsi, les électrons à phase défavorable sont renvoyés à la source du faisceau d'électrons, avec 10 pratiquement aucune perte consécutive de rendement du système et il en résultera un faisceau d'électrons dirigé vers le collecteur 30 qui ne contiendra que des électrons à phase favorable pour interagir avec l'onde HF, ce qui donne lieu à une amplification. Comme on l'a représenté schématiquement dans la fig. 2, la tra-15 jectoire résultante du faisceau cycloïdal d'électrons monte progressivement en se rapprochant de la ligne à retard, de sorte que l'interaction avec l'onde électromagnétique sur celle-ci est facilitée. Etant donné que les électrons à phase défavorable ne sont pas utilisés, la longueur complémentaire requise pour leur 20 mise en phase convenable est éliminée, et les rendements sont améliorés en conséquence, du fait de la structure plus courte. Le fonctionnement de l'amplificateur à champs croisés de l'invention, en comparaison de celui du dispositif actuellement connu, est illustré graphiquement par la fig. 3. Dans le dispo-25 sitif antérieur (courbe A), par suite de l'effet des électrons défavorables, on notera un gain de puissance relativement faible avant les cent premières ailettes de la structure périodique. Cela provient du fait que les électrons défavorables soutirent de l'onde HF une quantité d'énergie presque égale à celle qui 30 est ajoutée par les électrons favorables. Une fois que les électrons ont été convenablement mis en phase par les cent premières ailettes du parcours, l'amplification intervient rapidement à travers les cinquante ailettes suivantes. Dans l'amplificateur à champs croisés à faisceau cycloïdal selon l'invention (courbe 35 B), les électrons défavorables sont éliminés quasi immédiatement et un gain rapide se produit au iaout de très peu d'ailettes, une puissance de 900 watts étant atteinte pour la moitié environ du nombre d'ailettes en comparaison du dispositif antérieur. Pour permettre la comparaison, les pertes dues à la dissipation d'é-40 nergie dans la ligne à retard ont été ignorées. Mais, étant donné 69 Û2849 7 2001483 que les pertes sont pratiquement proportionnelles à la longueur de la ligne à retard, il en résultera une nouvelle réduction de la puissance dans le dispositif antérieur en comparaison du dispositif à faisceau cycloïdal, car la ligne à retard a au moins 5 une longueur double de celle du dispositif de l'invention. La seule différence posée par hypothèse est que, dans le dispositif de l'invention, le courant initial du faisceau d'électrons est égal à 900 milliampères, contre 450 milliampères pour le dispositif antérieur. Par contre, la puissance d'entrée HF dans les 10 deux dispositifs est égale à 6 watts. L'intervalle entre les ailettes dans l'autre dispositif serait égal à 1,90 mm pour une fréquence de 3520 MHz, la longueur du dispositif à faisceau cycloïdal selon 1'invention étant de quatre-vingt une ailettes,tandis que celle du dispositif antérieur serait de cent soixante 15 douze ailettes. Une autre forme d'exécution de l'invention est représentée dans la fig. 4, dans laquelle les éléments équivalents ont été désignés par les mêmes numéros de référence que dans la fig. 2. Dans cette forme d'exécution, la plaque de base 21* a été quelque 20 peu raccourcie et une plaque cathodique 31 est disposée à proximité de l'extrémité d'entrée du dispositif. La plaque cathodique 31 peut être garnie d'un revêtement émetteur 32 et un élément chauffant 23 amène la plaque cathodique à la température d'émission. Du fait de la séparation entre la plaque cathodique et la plaque 25 de base 21', l'énergie de chauffage appliquée à la plaque cathodique ne se dissipe pas dans la plaque de base, ce qui permet de réduire la puissance de l'élément chauffant. D'autre part, la plaque de base peut avoir une petite différence de potentiel par rapport à l'émetteur pour faciliter le contrôle de la collection 30 des électrons à phase défavorable. Si on le désire, la plaque de base peut être composée par une série de segments auxquels sont appliqués des potentiels appropriés. Selon ce qui est indiqué dans la fig. 6, l'amplificateur à champs croisés peut avoir une forme cylindrique, auquel cas la 35 ligne à retard 41 entoure une base ou cathode 42, des lignes co-axiales 43 et 44 assurant respectivement les connexions d'entrée et de sortie pour le signal HF. Un bloc collecteur 45 constitue une terminaison pour le faisceau d'électrons en provenance de l'émetteur 46, tout en assurant un découplage des ondes HF d'en-40 trée et de sortie. 69 02849 8 2001483 Dans la forme d'exécution de l'invention représentée dans la fig. 5, il est prévu un collecteur surbaissé 51, mis au potentiel continu nécessaire pour maintenir un champ électrique uniforme dans l'espace d'action mutuelle, la base 21" étant rac-5 courcie pour permettre l'introduction du collecteur surbaissé 51 dans l'espace d'interaction. Avec ce collecteur surbaissé, une fraction croissante des électrons à phase favorable peut être éliminée au fur et à mesure que l'entraînement diminue, selon un mode semblable à celui pour lequel les électrons à phase défavo— 10 rable ont été éliminés du faisceau au potentiel cathodique. Etant donné que la vitesse à laquelle les électrons progressent vers la ligne à retard dépend du niveau de l'énergie HF, le collecteur surbaissé interceptera des électrons lorsque le niveau d'entraînement est faible, ce qui aboutit à un gain plus constant dans 15 toutes les conditions variables de fonctionnement. Il est du reste bien entendu que les modes de réalisation de l'invention, qui ont été décrits ci-dessus, en référence aux dessins annexés, ont été donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif et que de nombreuses modifications peuvent 20 être apportées sans que l'on s'écarte pour cela du cadre de la présente invention. 69 02849 9 2001483 REVENDICATIONS 1. Amplificateur à champs croisés comportant un espace d'interaction de courte longueur et comprenant : une structure périodique de propagation d'onde lente ; une électrode écartée de cette struc- 5 ture et de longueur sensiblement égale, de façon à délimiter avec elle un espace d'action mutuelle ; des moyens d'entrée pour connecter une première extrémité de la structure de propagation d' onde lente à une source d'énergie HF ; des moyens de sortie qui connectent l'autre extrémité de la structure de propagation d'on-10 de lente à une charge ; et des moyens destinés à produire un faisceau cycloïdal d'électrons vers et à travers l'espace d'action Mutuelle. 2. Amplificateur à champs croisés selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens destinés à produire un fais- 15 ceau cycloïdal d'électrons dans l'espace d'action mutuelle comprennent des moyens pour établir un champ électrique d'intensité prédéterminée dans cet espace entre la structure de propagation d* onde et l'électrode et des moyens pour établir un champ magnétique perpendiculaire à ce champ électrique, ce champ magnétique 20 ayant une intensité prédéterminée, par rapport à l'intensité du champ électrique, nécessaire au maintien du faisceau d'électrons dans sa trajectoire cycloïdale. 3. Amplificateur à champs croisés selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens générateurs de faisceau 25 électronique comprennent une source d'électrons qui est contiguë à la première extrémité de la structure de propagation d'onde lente. 4. Amplificateur à champs croisés selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens générateurs de faisceau 30 électronique comprennent une source d'électrons disposée à l'intérieur des champs électrique et magnétique. 5. Amplificateur à champs croisés selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la source d'électrons est constituée par un revêtement de substance émissive sur une partie dé l'élec- 35 trode. 6. Amplificateur à champs croisés selon la Revendication 5, caractérisé par le fait que le revêtement de substance émissive se trouve sur une partie de l'électrode située en regard de la première extrémité de la structure de propagation d'onde lente.