Brevet FR2118859A1 — publié le 19720804

La présente invention concerne une cavité résonnante pour tubes hyperfréquence. On connait, dans la technique radio-électrique, les tubes hyperfréquence fonctionnant par interaction entre le champ électromagnétique régnant à l'intérieur de cavités résonnantes, ou résonateurs, métalliques, creux et un faisceau électronique qui les traverse. On ne s'étendra pas davantage sur le principe de fonctionnement de ces tubes qui ont fait l'objet, à ce jour, de très nombreuses études et d'importantes réalisations industrielles. On rappellera simplement que, dans ces tubes, il est nécessaire de coupler certaines de ces cavités résonnantes à des charges extérieures. C'est le cas, par exemple, de la cavité sur laquelle est prélevée l'énergie hyperfréquence du tube. Cette cavité, communément appelée cavité de sortie, est couplée à une charge d'impédance convenable pour dissiper cette énergie. Ce couplage est quelquefois réalisé par un tronçon de ligne coaxiale reliée à l'une de ses extrémités à la charge et, à son autre extrémité, à lacavité de sortie en question, généralement par une boucle de couplage. I1 apparait, cependant, que rares sontles cas où le seul problème qui se pose aux réalisateurs soit celui de la dissipation dans la charge de la puissance disponible aux bornes de la cavité de sortie. la plupart du temps, au contraire, d'autres considérations se mêlent à ce problème et en particulier celle de la bande passante de la cavité de sortie, et en définitive du tube tout entier, c'est-àdire la variation de cette puissance avec la fréquence de fonctionnement. On sait que d'une façon générale la bande passante d'un résonateur et en particulier des résonateurs dont il est question ici, est inversement proportionnelle à sa surtension, facteur dont la définition est bien connue dans la technique radioélectrique.Cette bande passante est définie comme l'intervalle de fréquence, autour de la fréquence centrale,dans lequel la puissance recueillie dans la charge reste supérieure ou égale à une fraction donnée de la puissance obtenue à cette fréquence. la bande passante en question dépend, entre autres, des caractéristiques de la boucle de couplage entre la cavité et la charge. Or il s'avère, qu'avec les boucles de couplage de l'art connu, cette bande est relativement étroite : la puissance recueillie aux bornes de la charge ne peut être maintenue supérieure à une fraction donnée de la puissance maxima disponible aux bornes de celle-ci, pour la fréquence centrale de fonctionnement, que dans un intervalle relativement étroit autour de cette dernière. La présente invention a pour objet une cavité résonnante pour hyperfréquences munie d'une boucle de couplage permettant, toutes choses égales d'ailleurs, d'améliorer la bande passante en question. Par voie de conséquence, l'invention a aussi pour objet les tubes hyperfréquence utilisant des cavités résonnantes munies de telles boucles. L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent, les mêmes repères désignant les mêmes éldments - figure 1 : schématiquement, un exemple d'utilisation d'une cavité résonnante pour hyperfréquences à laquelle s'applique l'invention - figure 2 : un schéma explicatif du comportement d'une cavité résonnante pour hyperfréquence - figures 3 et 4 : des vues partielles en perspective montrant schématiquement une cavité résonnante hyperfréquence, munie d'une boucle de couplage suivant l'art connu et suivant l'invention - figure 5 : une autre vue de la boucle de couplage de la figure 4. - figure 6 : une vue schématique d'un exemple tube utili- sant une cavité résonnante de l'invention - figure 7a : un diagramme montrant l'amélioration apportée par Iinvention ; - figure 7b : une coupe schématique de la cavité résonnante à laquelle se rapporte le diagramme de la figure 7a. La figure 1 montre schématiquement un exemple de réalisation selon l'art antérieur du couplage entre une cavité résonnante pour hyperfréquences d'une forme classique de révolution, 1, représentée par sa méridienne traversée par un faisceau d'électrons 2 se dirigeant suivant son axe dans le sens de la floche et couplée à une charge 3 au moyen d'un coaxial 4. Ce coaxial comprend un conducteur extérieur 41, un conducteur central constitué d'un fil 42, à section circulaire, par exemple, relié à l'une de ses extrémités, à gauche sur la figure, à la charge 3 et terminé à son autre extrémité, à droite sur la figure, par une boucle 43 fermée sur la pa roi 10 de la cavité ; dans l'exemple de la figure, cette boucle est constituée par un fil de même diamètre que le fil 42. Dans un tel couplage, par boucle, le couplage entre le résonateur 1 et la charge 3 résulte du flux, à travers la surface 44 de la boucle, de la composante magnétique du champ électromagnétique régnant à l'intérieur du résonateur 1. Cette composante, perpendiculaire au plan de la figure, est représentée par des points cerelés dans la partie décrite, où elle est dirigée vers l'avant de la figure et par des croix cerclées dans la partie gauche, où elle est dirigée vers l'arrière. On insiste particulièrement sur le caractère filiforme, sur toute sa longueur, du conducteur formant la boucle de couplage 43, de l'art connu. La figure 2 est un schéma explicatif du comportement d'un résonateur hyperfréquence. Dans la technique des hyperfréquences, on admet qu'il est possible de rendre compte du comportement des cavités résonnantes, dont le volume intérieur est le siège d'un champ électromagnétique, à l'aide d'un schéma emprunté à la technique des circuits conventionnels à constantes localisées. Ce schéma, appelé schéma équivalent, est donné en figure 2 pour la cavité de la figure 1, couplée à la charge 3. Sur cette figure, les éléments réactifs de la cavité sont représentés en L et C tandis que r désigne la résistance, en série avec L et C, de perte par effet Joule dans les parois de la cavité et de charge par le faisceau. Rx est la charge extérieure couplée à la cavité par la boucle 1 dont le couplage avec la cavité est symbolisé par la double flêche M. Revenant maintenant au problème de la bande passante évoqué plus haut, on précise que l'on entend par là la bande de fréquence définie ci-dessus et obtenue en l'absence de toute modification de réglage de la cavité, X, C, r, de la charge Rx ou du couplage M entre la boucle et la cavité (figure 2). Ces conditions correspondent au cas typique, par exemple, d'un faisceau d'électrons modulé en amplitude, à basse fréquence, présentant, de ce fait, mne composante alternative comprenant une fréquence centrale et deux bandes latérales, comme ceux utilisés dans les transmissions radiophoniques hyperfréquence, et à de nombreux autres cas. La présente invention prévoit, pour augmenter la bande passante d'agir sur la boucle de couplage et plus exactement sur la selfinduction de celle-ci. Le problème consiste, pour une charge donnée, un réglage de la cavité donné et une valeur du coefficient de couplage M donné, à abaisser la surtension de la cavité chargée par la charge donnée en question, de façon à augmenter la bande passante de la cavité chargée. Un calcul théorique montre que la surtension de la cavité 1, chargée par la charge 3 couplée à la cavité par la boucle 43, figure 1, décroit en même temps que la self-induction de la boucle 43, autrement dit que, pour diminuer cette surtension et par voie de conséquence augmenter la bande passante, on doit diminuer, toutes choses égales par ailleurs, la self-induction de la boucle de couplage entre la cavité et la charge. L'expérience confirme, ce résultat théorique. Une structure de la boucle de couplage, telle que la prévoit l'invention, est donnée en figure 4 alors que la figure 3 représente la boucle prévue dans les mêmes conditions dans l'art antérieur. La boucle de la figure 4 est constituée par un conducteur filiforme comme le conducteur 42 de la figure 1, mais jusqu'au polit 50 seulement de cette figure, et, d'autre part, au delà de ce point, par des plaques conductrices minces en forme de triangle isocèle 45, et de rectangle 46, disposées par rapport à la cavité 1 comme l'indique la figure 4. Cette boucle est représentée plus en détail sur la figure 5, par rapport à trois axes de coordonnées DX DY DZ, orthogonaux d'origine D, dirigés respectivement suivant la ligne 47 de raccordement entre la face 46 de la boucle et la paroi 10 de la cavité résonnante 1, figure 4, et perpendiculairement à cette ligne dans les plans de la feuille conductrice 46 et de la paroi 10, même figure. Le calcul de la self-induction de la boucle des figures 4 et 5 a été fait, moyennant un certain nombre d'hypothèses simplificatrices, en décomposant le courant circulant dans les parois 45 et 46 de la boucle en un certain nombre de filets de courant parcourant chacun des tranches comme celle hachurée de la figure 5, comprise en tre les abscisses X et X + dH. 1 1 1* Sans entrer dans le détail de ce calcul, on signalera que l'abais sement de la valeur de la self-induction obtenue grâce à la structure des figures 4 et 5 est due au fait que, pour une boucle dont la surface 44 offerte au champ magnétique est donnée, la self-induction est d'autant plus faible, dans certaines limites, que le courant parcourant cette boucle est plus étalé dans la direction des lignes de force de ce champ, ctest-à-dire, dans le cas de la figure 5 dans la direction parallèle à l'aie des X. Sur cette figure le champ magnétique en question à l'intérieur de la surface 44 est représenté symboliquement et globalement par une croix cerclée.En d'autres termes la self de cette boucle est plus faible que celle d'une boucle de même surface 44 mais constituée par un fil qui suivrait le contour ABCD et dans lequel tout le courant serait concentré. La figure 7a est un diagramme expérimental montrant 1' amélio- ration apportée par l'invention par rapport à l'art antérieur. Ce diagramme donne, en ordonnée, la surtension Q de la cavité chargée et, en abscisse, la largeur d en millimètres (figure 4) de la boucle, pour le résonateur et la boucle représentés schématiquement en coupe sur la figure 7b, le résonateur, de révolution autour de l'axe en trait mixte, étant représenté sur cette figure par sa méridienne. La portion de boucle comprise entre la paroi 10 et le point 50 était, dans le cas de cet exemple, constituée par un fil rond de trois millimètres de diamètre. On voit sur ce diagramme que la surtension Q décroit rapidement lorsque la largeur d de la boucle augmente. Ceci montre que, plus la largeur d de la boucle augmente, c'est-à-dire plus les conducteurs la constituant s'écartent de la forme filiforme, et plus la surtension de la cavité chargée decroit, toutes choses égales, c'est àdire plus la bande passante croit. Cette surtension passe, dans l'exemple considéré de 68 pour une largeur d de 5mm, à 24 environ pour une largeur de 20 mm. On voit en particulier que pour une largeur d de 3mm, c'està-dire pratiquement pour les boucles en fil de l'art connu, la surtension Q serait alors de près de 80. La figure 6 représente schématiquement un tube hyperfréquence utilisant un résonateur 1 perfectionné de l'invention associé aux résonateurs 11 et 21, ce dernier couplé à la charge d'utilisation 22, traversés par le faisceau 2 Bsu du canon 20. Dans cette figure le résonateur 1 n'occupe pas la place de la cavité de sortie dont il a été question ci-dessus. Une telle cavité de sortie n'avait été considérée dans la description précédente qu'à titre d'exemple non limitatif, étant entendu que le perfectionnement de l'invention s'applique à tous les cas où une augmentation de la bande des résonateurs est recherchée. De même l'invention décrite dans le cas d'un résonateur de forme particulière s'applique à des résonateurs hyperfréquence de formes variées, moyennant toutes les adaptations nécessaires accessibles à lthomme de l'art. De même, enfin, la boucle des résonateurs selon l'invention peut épouser plusieurs autres formes que celle de la figure 4 par exemple celle dans laquelle le triangle 45 serait remplacé par un rectangle dont l'un des cotés serait confondu avec la base du triangle 45 et dont le côté opposé aurait le point 50 pour milieu. REVENDICATIONS . 1. Cavité résonnante pour hyperfréquences consistant en un volume fermé limité par des parois, volume dans lequel règne en fonctionnement un champ électromagnétique, munie d'une boucle de couplage pour le couplage à une charge extérieure, par l'intermédiaire d' un tronçon de ligne coaxiale, dont le conducteur extérieur est en contact à l'une de ses extrémités avec la paroi de ladite cavité et dont le conducteur central constitue une partie de ladite boucle, caractérisée en ce que ladite boucle est constituée au moins en partie par des vaques conductrices minces. 2. Cavité résonnante pour hyperfréquences suivant la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites plaques conductrices minces s'étendent dans la direction de la composante magnétique du champ électromagnétique régnant, en fonctionnement, dans ladite cavité, à l'endroit de l'insertion de la boucle dans ladite cavité. 3. Cavité résonnante suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites plaques consistent en une première plaque en forme de triangle raccordé en son sommet audit conducteur central et en une seconde plaque raccordée à la base dudit triangle et se raccordant par l'un de ses côtés à la paroi de ladite cavité résonnante. 4. Cavité résonnante suivant la revendication 3, caractérisée en ce que ladite première plaque a la forme d'un triangle isocèle parallèle à ladite paroi, et ladite deuxième plaque a la forme d'un rectangle. 5. Cavité résonnante suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites plaques conductrices consiste en une première plaque en forme de rectangle raccordée audit conducteur central en un point situé au milieu de l'un de ses côtés et par son c8té opposé à une seconde plaque se raccordant par l'un de ses c8tés à la paroi de la dite cavité résonnante. 6. Tube hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend une cavité résonnante suivant l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5.