Brevet FR2006662A1 — publié le 19700102

On connaît déjà des amplificateurs à tube' à onde progressive de puissance assez grande fonctionnant à dés fréquences très élevées. Ces amplificateurs à tube à onde progressive ont un gain assez élevé, de l'ordre de 4-0 dB, avec-une puissance de sortie assez élevée, de l'ordre de 8 kW en onde entretenue dans la bande C, autrement dit dans une bande de fréquences s'étendant d'environ 5,925 gigahertz à 6,425 gigahertz. Ces tubes sont du type dans lesquels le circuit à propagation ralentie de l'onde comporte deux ou trois éléments de circuit séparés, terminés par une résistance à leurs extrémités de façon à fournir un gain relativement élevé tout en maintenant au minimum l'amplitude de certaines oscillations indésirables. Quand ces tubes sont réalisés de façon à fournir un gain relativement élevée par élément périodique du circuit à propagation d'onde ralentie, à savoir un gain supérieur à 2 dB par élément, on observe que la courbe caractéristique de gain du tube présente certaines fluctuations indésirables avec la fréquence dans la bande de fonctionnement du tube. Ces variations de gain sont de nature périodique et il y a H-1 maxima de gain dans la bande passant# du circuit, N représentant le nombre d'éléments périodiques dans le circuit de sortie du tube. On admet que ces fluctuations du gain sont dues à la réaction de l'énergie de l'oûde en provenance de l'extrémité de sortie du circuit en direction de l'extrémité amont de l'élément séparé du circuit à onde à propagation ralentie. On admet que cette réaction est provoquée par l'influercs d'une onde à propagation rétrograde sur le circuit de sortie. Cette onde rétrograde transmet presque exclusivement de l'énergie provenant de la fente de sortie du circuit, là ou l'onde progressive directe a l'amplitude maximale vers l'arrière en direction de la première fente d'interaction dans l'élément de sortie. On admet que chacun des maxima de la caractéristique de gain du tube correspond à un nombre entier de longueur d'onde peur le parcours de réaction, le long du circuit partant de la fente de sortie du tube en direction de chacun des intervalles d'interaction amont successifs de l'élément de sortie du circuit à onde à propagation ralentie. Ces fluctuations, fonction de la fréquence, du gain du tube provoquent me non linéarité de la caractéristique de gain, ce qui a pour conséquence une intermodulation indésirable quand le tube est utilisé pour amplifier des signaux dans une 69 12416 2 2006662 bande passante contenant un certain nombre de canaux séparés. Il est donc intéressant d'avoir à sa disposition un montage relativement simple et peu coûteux destiné à réduire les fluctuations du gain dans la bande passante du tube, en vue 5 de réduire l'intermodulation dans le circuit de sortie du tube amplificateur. La présente invention a pour objet principal la réalisation d'un tube amplificateur à onde progressive perfectionné. 10 Une caractéristique de la présente invention est l'in corporation dans un tube amplificateur à onde progressive d'un élément de réglage du gain par réflexion d'onde disposé à proximité de l'extrémité amont de la partie du circuit à propagation d'onde ralentie du tube en vue de réfléchir une fraction de 15 l'onde à propagation rétrograde en direction du circuit à propagation d'onde ralentie de façon qu'elle se propage le long du circuit dans le sens direct afin d'agir sur le gain du tube. Avantageusement, l'élément réflecteur d'onde est placé et dimensionné de façon à engendrer une onde réfléchie 20 qui réduit sensiblement les variations du gain du tube dans la bande passante de celui-ci, réduisant sensiblement par ce moyen l'intermodulation à la sortie du tube amplificateur. De préférence, le circuit à propagation d'onde ralentie comprend plusieurs résonateurs à cavités couplées,lesdits 25 résonateurs comportant chacun un intervalle d'interaction entre le faisceau et le champ, et l'élément de réglage du gain par réflexion d'onde est placé à peu près à l'emplacement de l'intervalle d'interaction du résonateur amont à cavités du circuit à propagation d'onde ralentie, ce qui permet à l'élément de ré-30 glage du gain de fonctionner dans une large bande. De plus, le résonateur, à cavités amont contenant l'élément de réglage du gain par réflexion d'une onde peut être disposé à l'extrémité de l'élément séparé correspondant à la sortie du circuit à propagation d'onde ralentie, et chacun des 35 résonateurs à cavités couplées de la partie du circuit à .propagation d'onde ralentie est dimensionné et disposé de façon à obtenir un gain supérieur à 1,5 dB par élément à cavités couplées. La description qui va suivre en regard du dessin 40 annexé* donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien com 69 12416 3 2006662 prendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe longitudinale schématique d'un amplificateur à tube à onde progressive conforme à la présente invention. 5 La figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle d'une partie de l'amplificateur de la figure 1 délimitée par la ligne 2-2. La figure 3 est une coupe à plus grande échelle d'une partie de la structure de la figure 2 effectuée le long de la 10 ligne 3-3 dans le sens des flèches. La figure 4 est une coupe à plus grande échelle d'une partie de la structure de la figure 3 effectuée le long de la ligne 4-4 dans le sens des flèches. La figure 5 est une courbe représentant le gain en 15 décibels en fonction de la fréquence (en gigahertz) pour un amplificateur à tube à onde progressive selon les figures 1 à 4 et représente la caractéristique de gain dans la bande de fonctionnement B avec et sans l'incorporation de l'élément de réglage du gain par réflexion. 20 L'amplificateur 1 à tube à onde progressive conforme à 1'invention et montré par la figure 1, comprend une enveloppe allongée 2 où règne le vide, comportant tin canon3 àélectron monté à une extrémité afin d'engendrer et de projeter un faisceau d'électrons 4 sur un parcours allongé en direction d'un 25 ensemble collecteur 5 placé à l'extrémité opposée de l'enveloppe 2.Un circuit ôpériodique à propagation ralentie de l'onde est placé à l'intérieur de l'enveloppe 2 entre le canon à électrons 3 et le collecteur de faisceau pour réaliser une interaction électromagnétique cumulative avec le faisceau 4 d'élec-30 trons de façon à engendrer un signal de sortie amplifié. Le signal à amplifier est appliqué à l'extrémité amont du circuit 6 à propagation d'onde ralentie par l'intermédiaire d'un guide d'onde d'entrée 7 comportant une fenêtre 8 étanche au vider laissant passer l'onde et scellée en travers dudit guide d'onde. 35 Le signal hyperfréquence de sortie amplifié est extrait de l'extrémité aval du circuit 6 à propagation d'onde'ralentie par 1'intermédiaire d'un guide d'onde 9 de sortie comportant une fenêtre 11 étanche au vide, laissant passer l'onde et scellée en travers dudit guide d'onde. Le signal de sortie est 40 fourni à un dispositif d'utilisation approprié, ou charge, non représenté. 69 12416 L\. 2006662 Un bloc d'alimentation 12 fournit des tensions de fonctionnement appropriées à l'ensemble 3 du canon à éleetrons, le potentiel de base étant celui de l'enveloppe 2, du circuit 6 à propagation d'onde ralentie et de l'ensemble 5 collecteur 5 de faisceau, lesdites dernières électrodes étant par exemple portées au potentiel de la masse. Un électro-aimant 13 de concentration du faisceau entoure l'enveloppe 2 pour engendrer un champ magnétique de concentration du faisceau orientié parallèlement à l'axe, afin de limiter le faisceau à un faisceau de 10 faible section autour de l'axe de l'enveloppe 2. Le circuit 6 à propagation d'onde ralentie est de préférence constitué par plusieurs éléments à cavités couplées disposés l'un à côté de l'autre le long du trajet du faisceau. Le circuit à propagation d'onde ralentie est de préférence 15 subdivisé par des séparâtéurs de circuit 14, de manière à fractionner ainsi le circuit 6 en trois éléments 6', 6" et 6'" séparées. Des terminaisons résistives 15 sont incorporées pour terminer chacun des éléments séparés 6', 6" et 6"', à proximité des séparateurs de c;rcuit 14-. Un élément 16 de réglage du 20 gain par réflexion d'onde, décrit plus en détail ci-après, est placé dans l'élément à cavités couplées en amont de l'élément de sortie 6"'. En cours d'utilisation, les signaux à amplifier sont appliqués au tube 1 par l'intermédiaire du guide d'ondes d'en-25 trée 7- Ces signaux d'entrée réagissent sur le courant d'électrons 4 dans le premier élément 6' de façon à provoquer un groupement du faisceau 4. Le faisceau ainsi groupé transmet de l'énergie au second élément 6" pour j exciter une onde. L'onde dans le second élément 6" a une interaction cumulative sur le 30 courant d'électrons de façon à augmenter encore le groupement et le gain. On fait alors passer le faisceau ainsi groupé dans l'élément 6"' de sortie pour exciter une onde amplifiée dans ledit élément de sortie 61" . L'ondé de sortie est extraite de l1extrémité aval de l'élément 6"' par l'intermédiaire d'un 35 guide d'ondes de sortie et transmise à un dispositif d'utilisation approprié, non représenté. Dans un exemple "de réalisation de tube selon la figure 1, ce dernier engendre 8 3cW de puissance en ondes entretenues, dans une bande de fonctionnement s'étendant de 5,925 à 40 6,425 gigahertz, avec un gain d'environ 40 dB au minimum dans 69 12416 5 2006662 cette "bande. Dans un mode de réalisation le premier élément 6' comporte six résonateurs à cavités couplées, le second élément 6" comprend 9 résonateurs à cavités et l'élément 6"' de sortie finale comprend dix résonateurs à cavités. 5 La structure et le mode de fonction nement de 11 élément 6"' sont décrits plus en détail ci-après en regard des figures 2 à 5» L'élément 6"' comprend une pièce cylindrique creuse conductrice 21, par exemple en cuivre, comportant plusieurs disques conducteurs 22 montés transversa-10 lement par rapport à ladite pièce, de façon à définir plusieurs éléments de résonateurs à cavités 23 dans les espaces intérieurs entre les disques 22. Les disques 22 comportent des trous centraux alignés avec l'axe du trajet du faisceau 4, de façon à permettre le passage dudit faisceau à travers l'élément 15 de sortie 6"'. Des éléments 24 de tube d^lissement, orientés parallèlement à l'axe, par exemple en cuivre, font saillie en direction de chacun des él ments 23 de résonateur à cavités en partant des disques 22 pour délimiter des intervalles 25 d'interaction dans les espaces compris entre les éléments ren-20 trants 24 opposés l'un à l'autre. Chacun des disques transversaux 22 comprend un diaphragme 26 de couplage induRtif, établissant une communication par son intermédiaire entre des résonateurs contigus 23. Les diaphragmes 26 de couplage sont ménagés dans les disques 22 conducteurs alternativement d'un côté 25 et de l'autre du faisceau.Une pièce polaire 27 collectrice comportant un trou œntral, par exemple en fer doux, est placée à l'extrémité aval de l'élément 6"', pour rassembler le champ magnétique de concentration du faisceau et permettre au faisceau de s'étaler dans l'ensemble collecteur 5* 30 Le type de circuit 6 à ralentissement d'onde est dé crit plus en détail dans un ouvrage intitulé : "Traveling-Wave Tubes" par J.R. Pierce, Vax, Nostrand (1950) voir page 61, Figure 4.11. En bref, le circuit 6"' possède une caractéristique de dispersion de l'onde rétrograde fondamentale et fonctionne sur 35 le premier harmonique de l'onde spatiale dans le sens direct, avec un déphasage par période du circuit à propagation d'onde ralentie compris entre 7t*et 2^ radians. L'élément 6'" a un gain compris entre 2 et 3 dB par élément 23 de cavité. La cavité amont 23f de l'élément 6'" de 40 sortie est associée à un tronçon de guide d'ondes rectangu— 69 12416 6 2006662 laire 28 qui lui est couplé par l'intermédiaire d'un diaphragme 29 de couplage capacitif. Une fenêtre en matière isolante, cylindrique creuse 31 est scellée à ses extrémités aux parois les plus larges du guide d'onde 28 et un liquide dissipatif, 5 par exemple de l'eau, circule dans une conduite disposée axia-lement et passant par le centre de la fenêtre cylindrique creuse 31 pour absorber l'énergie de l'onde provenant de la cavité amont 23', et transmise par l'intermédiaire du diaphragme 29 et du guide d'ondes 28 au liquide dissipatif. Le liquide dissipa-10 tif à l'intérieur de l'élément 28 de guide d'ondes constitue la terminaison résistive 15 et ne réfléchit pratiquement pas l'énergie de l'onde à l'intérieur de la bande passante de l'ér lément 6'" . On observe que lorsque l'élément 6"' de sortie est 15 terminé par une charge non réfléchissante à son extrémité de sortie et est terminée par une charge 15 non réfléchissante à son extrémité de séparation que la caractéristique de gain comprend (N-1) maxima dans la bande passante du circuit 6"f à propagation ralentie de l'onde, N étant égal au nombre de ca-20 vités 23 couplées. Un certain nombre de ces maxima apparaissant à 1'intérieur de la bande de fonctionnement du circuit 6"', et ils sont représentés par la courbe 32 de la figure 5-Ces: maxima de la caractéristique de gain constituent une non-linéarité provoquant une intermodulation entre les signaux dans 25 les canaux de fréquences voisines amplifiées par le tube. On admet que ces fluctuations de la courbe caractéristique représentant le gain sont provoquées par -une réaction de l'énergie de l'onde de signal en provenance de l'intervalle 25" de sortie de l'élément 6'" en direction de l'intervalle 25' d'interaction 30 amont, ayant pour origine le fait qu'une certaine fraction du signal de sortie est couplée rétroactivement et se propage dans la direction rétrograde, c'est-à-dire dans une direction opposée à la direction de propagation du courant d'électrons à travers l'élément 6'". L'onde rétrograde a également pour origine 35 la nature discontinue de l'interaction par la cavité couplée. Cette onde peut être engendrée par unë discontinuité ou une désadaptation. On admet que les maxima de la caractéristique de gain 32 se produisent à raison d'un chaque fois que le nombre de longueurs d'onde électrique comptées le long du circuit 6"' 4-0 d'interaction, entre l'intervalle de sortie 25" et l'intervalle amont 25', est entier. 69 12416 7 2006662 On a observé que les fluctuations de la courbe caractéristique du gain peuvent être considérablement réduites en incorporant un élément 16 de réglage du gain par réflexion d'onde à proximité de l'intervalle 25' d'interaction amont de 5 l'élément 6"' de sortie. Si l'on désire réduire les fluctuations de la caractéristique de gain provoquées par la réaction de l'onde à propagation rétrograde, l'élément réfléchissant l'onde est dimensionné et disposé de façon à provoquer une réflexion de l'onde qui annule l'onde à propagation rétrograde dans le 10 circuit 6"'. Lorsque l'onde réfléchie en provenance de la discontinuité 16 annule exactement l'onde à propagation rétrograde, la caractéristique de gain est nettement aplatie, et. tend vers celle représentée par la courbe en trait interrompu 33 de la 15 figure 5* De cette manière, l'intermodulation est a peu près complètement éliminée dans la bande d'utilisation du tube. L'élément 16 de réglage comprend de préférence une tige conductrice 34-, par exemple en acier inoxydable, qui passe à travers line partie 35 de l'enveloppe 2 constituée par une 20 membrane déformable» La tige 34- est incurvée à son extrémité intérieure, de manière à passer autour du faisceau 4- d'électrons, tout près de l'intervalle d'interaction 25. De cette manière, l'onde réfléchie produite à partir de la réflexioh par la tige conductrice 34- est injectée en grande partie à proxi-25 mité de l'intervalle d'interaction 25, de sorte que l'onde réfléchie est introduite sensiblement au point où la réaction provoquée par l'onde rétrograde est appliquée au faisceau. En introduisant cette onde réfléchie à proximité de l'endroit où la réaction indésirable est appliquée au faisceau, l'ajuste-30 ment fonction de la fréquence du gain obtenue grâce à l'électrode 16 s'étend sur une largeur de bande maximale. En fait, l'élément 16 de réglage du gain peut être placé en un certain nombre de positions à proximité de l'extrémité amont de l'élément 6"', par exemple dans l'élément de guide d'onde 28 ou dans 55 les deux ou trois premières cavités à l'extrémité amont de l'élément 6'" . Cependant, quand l'élément 16 est placé en des points qui ne se trouvent pas précisément sur l'intervalle d'interaction 25', la largeur de bande d'utilisation de l'élément de réglage du gain est fortement réduite. En fait, plus l'élé-^ ment réflecteur 16 est placé loin de l'intervalle 25'd'inte- 69 12416 8 2006662 raction amont, plus l'élément de réglage du gain agit dans une bande étroite. La membrane 35 permet d'ajuster la tige 34 de façon à obtenir l'amplitude et la phase correcte pour l'onde réflé— 5 chie afin d'annuler exactement la réaction et obtenir un aplatissement maximal de la caractéristique de gain dans la bande de fonctionnement du tube. Une fois que la tige 34 a été correctement ajustée, elle peut être scellée, de façon à l'immobiliser, par un ciment à base de résine époxyde ou par un disposi-10 tif approprié à contre-écrou, ' non représenté. La tige 16 n'exigera pas d'autre réglage pendant la durée d'utilisation du tube et elle est de préférence réglée en usine. Dans un exemple représentatif du tube tel qu'il est décrit, et fonctionnant dans la bande de fréquence s'étendant 15 de 5,925 à 6,425 gigahertz, la tige conductrice 34 a un diamètre 1,52 mm et l'intervalle d'interaction 25' a une largeur d'environ 1,4 mm® Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décritsv 20 notamment par substitution de moyens techniques équivalents sans sortie pour cela du cadre de la présente invention. 69 12416 9 2006662 REVENDICATIONS 1.- Amplificateur à tube à onde progressive comprenant des moyens pour engendrer et projeter un faisceau d'électrons le long d'un parcours de grande longueur par rapport à 5 ses dimensions transversales; des moyens formant un circuit périodique à propagation d'cnde ralentie disposé le long du faisceau d'électrons pour provoquer une interaction électromagnétique entre une onde se propageant dans le sens direct sur ledit circuit et ledit faisceau d'électrons, de façon à engendrer un 10 signal de sortie amplifié sur ledit circuit, et des moyens à l'extrémité aval dudit circuit à propagation d'onde ralentie constituant une borne de sortie pour extraire le signal de sortie amplifié en vue de le transmettre à une charge appropriée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens, à l'extrémité amont 15 dudit circuit à propagation d'onde ralentie, formant une discontinuité réfléchissant une fraction de l'onde à propagation rétrograde, renvoyée sur ledit circuit à propagation ralentie de l'onde, le long dudit circuit vers l'arrière, donc dans le sens direct, afin de réaliser un ajustement variable en fonction de la fréquence du gain du tube. 20 2.- Amplificateur selon la revendication 1 caracté risé en ce que ladite discontinuité réfléchissant l'onde est placée et dimensionnée de façon à engendrer une onde réfléchie qui réduit sensiblement les fluctuations du gain du tube provoquées par l'onde rétrograde, de façon à réduire certaines 25 fluctuations fonction de la fréquence du gain dudit amplificateur. 3.- Amplificateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit à propagation ralentie de 1'onde comprend plusieurs résonateurs à cavités couplées, lesdits 30 résonateurs à cavités comportant chacun deux trous de couplage du faisceau alignés le long de l'axe, ménagés dans leurs parois pour permettre le passage du faisceau à travers chacun desdits résonateurs à cavités et pour délimiter un intervalle d1intéraction entre eux dans chaque résonateur à cavités, et 35 des moyens constituant une charge résistive couplée au résonateur à cavité amont dudit circuit à cavités couplées, de façon à former une terminaison résistive ne réfléchissant pas d'ondes, afin d'absorber les ondes rétrogrades parvenant à l'extré 12416 10 2006662 mité amont dudit circuit à propagation ralentie de l'onde. 4.- amplificateur selon la revendication 3% caractérisé en ce que ladite discontinuité réfléchissant l'onde est placée à proximité de l'intervalle d'interaction dudit résonateur à cavité amont» amplificateur selon la revendication A-, caractérisé en ce que ladite discontinuité réfléchissant l'onde est une tige électriquement conductrice => 6.- amplificateur selon la revendication 5? caractérisé en ce que ledit circuit à cavités couplées à propagation ralentie de l'onde, est dimensionné et disposé de façon à obtenir un gain supérieur à 1,5 dB par résonateur à cavités couplées. BAO ORIGINAL