Brevet FR2360985A1 — publié le 19780303

La présente invention concerne les tubes électroniques hyperfréquences et se rapporte plus particulierement à de tels tubes qui comprennent au moins deux cavités résonnantes couplées de façon à réaliser une interaction étendue. Un tube amplificateur à faisceau linéaire hyperfréquen- ces de grande puissance a été décrit dans le brevet des EUA nO 3.375.397 Ce tube est du type klystron et est muni de cavités résonnantes couplées par des fentes formées dans une paroi commune ainsi que par les intervalles d'interaction du faisceau électronique normaux pour fournir une partie "d'interaction étendue".Des articles décrivant la technique du couplage par fentes formées dans une paroi commune et les perfectionnements en gain, en largeur de bande et en rendement obtenus, écrits par les inventeurs du brevet des EUA nO 3.375.397 ont été publiés dans les numéros de la publication "IEEE Transactions on Electron Devices" demai 7963, p, 201 à 211, et d'ait 1964, p. 369 à 373, et montrent que les paramètres des cavités et les intervalles d'interaction du faisceau électronique utilisés par les auteurs sont du type classique, c1 est-à- dire choisis pour provoquer le fonctionnement dans le mode 26;. Il y a une brève référence dans le brevet des EUA nO 3.375.397 (col. 4 lignes 60-72) à une amélioration de la largeur de bande de la partie d'entrée ou "rhumbatron" d'entrée en espaçant les centres des intervalles des cavités de la partie d'entrée plus largement que les centres des intervalles des cavités de la partie de sortie. Cependant, ceci se rapporte au besoin d'accrot- tre la longueur des tubes de glissement au-delà de celle produite par des cavités disposés côte à côte. Cet accroissement est lié aux améliorations du groupement des électrons du faisceau dans les premiers étages du klystron. L'un des buts de la- présente invention est de réaliser un tube électronique hyperfréquences comportant une structure d'interaction étendue. Conformément à l'invention, il est prévu un tube électronique hyperfréquences qui comporte, dans une enceinte sous vide, un groupe d'au moins deux cavités résonnantes disposées le long du trajet du flux d'un faisceau de courant électronique s'étendant d'un émetteur d'électrons jusqu'à un collecteur d'é lectrons, chaque cavité comprenant un intervalle d'interaction couplant, au cours du fonctionnement, le faisceau et la cavité respective, le tube comprenant des moyens supplémentaires de couplage des cavités couplant les cavités entre elles en des emplacements autres que le long du trajet du flux de courant du faisceau électronique et îa géométrie des cavites ayant pour effet que les phases relatives de la tension de résonnance d'un intervalle d'interaction à un autre sont différentes pour différentes fréquences comprises à l'intérieur de la bande de fréquences de fonctionnement du tube. Les cavités au moins au nombre de deux peuvent former l'étage de sortie du tube. La géométrie qui a pour effet de produire les phases relatives différentes peut être l'espacement des intervalles le long du trajet du faisceau. La géométrie peut Btre la forme relative des cavités. La géométrie peut permettre l'absortion réactive d'énergie du faisceau à un intervalle de cavité antérieur pour accroître le déphasage, d'un intervalle à un autre, au-delà de la valeur établie par la géométrie. Le tube peut comporter un étage d'entrée ayant la même largeur de bande de fonctionnement que l'étage de sortie, par exemple, une partie de tube à ondes progressives. Les moyens de couplage supplémentaires peuvent être constitués par une fente formée dans une paroi de cavité commune. Les moyens de couplage supplémentaires peuvent être constitués par un circuit passif raccordé entre les cavités adjacentes, réglable de manière à commander le transfert d'énergie entre elles. Les moyens de couplage supplémentaires peuvent être constitués par un flux électronique dans la région du trajet du flux du faisceau autre que le courant de faisceau. Le flux électronique peut être formé par des électrons secondaires. On décrira maintenant l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un étage de sortie à deux cavités d'un tube klystron la figure 2 est une représentation schématique d'un tel tube la figure 3 est une vue en coupe d'un tube électronique complet. Un tube amplificateur à hyperfréquences "klystron" comporte habituellement dans une enveloppe sous vide, un canon engendrant un faisceau électronique et un collecteur d'électrons disposés aux extrémités opposées d'un trajet de faisceau électronique à l'intérieur de l'enveloppe. Le trajet traverse des cavités résonnantes formant les parties entrée et de sortie de l'amplificateur. Dans la partie d'entrée, le faisceau électronique est modulé en vitesse conformément à un signal d'entrée et, dans la partie de sortie, l'énergie est prélevée du faisceau modulé en vitesse sous forme d'un signal amplifié en vue de son utilisation d'une manière appropriée quelconque. La figure 2 montre les éléments du tube dans la disposition décrite. La figure 1 représente deux cavités 10, 20 ayant chacune un intervalle 11, 21 permettant son interaction avec un faisceau électronique 1 et une fente 30 assurant le couplage des cavités formée dans une paroi commune des cavités. 'Les cavités sont construites de la maniere classique en métal et scellées de façon à former une région susceptible d'être mise sous vide pour le trajet du faisceau 1. Des tubes de glissement 31, 32, 33 sont montés dans les cavités, comme représenté, de manière à délimiter les intervalles d'interaction 11, 21. Les centres des intervalles sont espacés l'un de l'autre, comme décrit ci-dessous, d'une distance d. Des moyens d'accord des cavités 14 ou analogues peuvent être prévus d'une manière connue. Un coupleur de sortie à guide d'ondes 22 dtune forme connue est également prévu raccordé à la cavité 20. Lors du fonctionnement des cavités représentées sur la figure 1 comme rhumbatron de sortie, un faisceau électronique groupé par modulation de vitesse dans une entrée ou rhumbatron d'entrée est injecté, d'une manière connue par le tube de glissement 31. La partie d'entrée peut également être formée par un dispositif à interaction étendue mettant en oeuvre l'invention ou par une partie ou des parties de tube à ondes progressives ou autre dispositif approprié. La chambre à vide peut titre prolongée d'une manière connue en direction de l'entrée et du collecteur (non représentés). Un schéma d'un Eystron comportant la sortie représentée sur la figure 1 a été représenté sur la figure 2. L'agencement de la figure 1 a été représenté avec seulement deux cavités et a été spécifiquement décrit comme constituant une sortie. Cependant, il est possible d'utiliser plus de deux cavités et l'agencement peut être utilisé comme une entrée. Lorsque trois cavités ou davantage sont utilisées, une fente telle que la fente 30 est formée dans chacune des parois communes et l'espacement d est conservé. En outre, chaque cavité a une fréquence de résonance différente de -celle des autres. Les cavités couplées par des fentes ou autres moyens d'interaction supplémentaires forment un "groupe" et l'espace- ment des intervalles à l'intérieur de ce groupe est établi de la manière qui vient d'être décrite.Cependant, deux groupes ou davantage peuvent être disposés le long du trajet du faisceau électronique à des intervalles choisis pour améliorer le groupement du faisceau, Ainsi, un groupe de cavités mettant en oeuvre l'invention peut être considéré, à certains égards, comme une unique cavité ayant une réponse de fréquence plus complexe que celle d'une cavité unique classique. Les procédés de construction et d'utilisation connus de tels klystrons visent à produire un déphasage similaire de la tension de résonance d'un intervalle d'interaction à un autre sur toute la bande de fonctionnement. Deux valeurs de déphasage sont faciles à obtenir, à savoir un déphasage de W ou un déphasage de 2tiet les modes de fonctionnement respectifs sont connus comme les modes X et 2) va, leur de déphasage choisie se produit sont en dehors de la bande de fonctionnement, c'est-à-dire que le gain du tube est faible à ces fréquences.L'utilisation d'une interaction étendue dans l'un ou l'autre de ces modes étend la bande des fréquences de fonctionnement du tube jusqu'à une valeur comprise entre 5 et 8% de la fréquence centrale. Un accroissement supplémentaire de la largeur de la bande de fréquences provoque une oscillation, ha- bituellement dans l'autre mode. Tout ceci est décrit dans les articles ci-dessus mentionnés. La présente invention prévoit que la géométrie des cavités est telle qu'aux fréquences comprises à l'intérieur de la bande de fonctionnement, des déphasages de plusieurs valeurs se produisent. Dans une sortie mettant en oeuvre la présente invention, les déphasages ont des valeurs comprises a l'lnté- rieur d'une plage de quelques6radians. Les cavités sont réalisées de façon à avoir des fréquences de résonance respectives différentes. Dans un mode de réalisation du tube selon l'invention, destiné à fonctionner sur une bande de fréquences comprise entre environ 2700 et environ 3100 MHz, une amplification stable est obtenue dans les deux modes, les réponses dans les modes se superposant pour produire une réponse de fréquence d'un niveau raisonnable. Deux cavités combinées fournissent la réponse dans les deux modes, trois cavités combinées fournissent une réponse plus égale, une cavité remplissant l'intervalle entre les deux autres. Les intervalles des cavités sont dimensionnés de telle sorte que le changement de phase d'un intervalle à un autre est d'environ 2200, à la pleine puissance du faisceau. Cette valeur est choisie de façon à être inférieure à la valeur la plus susceptible de produire une oscillation ; habituellement, la fréquence du mode 2Xest d'environ 3055 MHz et la distance d entre les centres des intervalles est fixée à 29,5 mm, correspondant à un changement de phase d'environ 220 . On pense que l'oscillation à la fréquence de mode 2Xest supprimée par le fait que l'absorption progressive de l'énergie du faisceau au premier intervalle accrott le changement de phase utile au-delà du changement de 2000 jusqu'à environ 2700. La sortie décrite ci-dessus fournit une largeur de bande de fonctionnement utile d'environ 14% à 3000 Hz ce qui représente un progrès important par rapport aux klystrons à interaction à mode unique existants et d'une valeur similaire à celle d'un tube à ondes progressives qui était jusqu'ici le seul amplificateur hyperfréquences à large bande, sans les difficultés de fabrication rencontrées pour la fabrication des tubes à ondes progressives. Le tube décrit a été utilisé à une puissance d'environ 1 MW sur des parties de la bande de fonctionnement mais, étant donné que les entrées classiques utilisant des rhumbatrons ne peuvent produire une telle largeur de bande, il nta pas été utilisé sur toute la bande à un moment donné quelconque à cette puissance. La figure 3 représente un tube électronique mettant en oeuvre l'invention. Le tube est enfermé à l'intérieur d'une enveloppe sous vide formée par l'assemblage des cavités et mise sous vide par un queusot 60 et il comporte, en tant que parties principales, une partie d'entrée 5, une partie intermédiaire 6 et une partie de sortie 7. La partie de sortie présente la caractéristique d'interaction étendue et la géométrie des cavités appropriée pour provoquer la différence de phase relative. La partie intermédiaire comporte six cavités 61 à 66 pour produire le degré requis de groupement des électrons. Les longueurs des tubes de glissement entre ces cavités varient d'une manière connue pour améliorer l'action de groupement. La partie d'entrée comprend une cathode 51, une grille de commande 52, un écran cathodique 53 et une anode 54. La cavité d'entrée est désignée par la référence 56. L'entrée est raccordée à la partie intermédiaire 6 pour diriger un faisceau électronique le long d'un trajet de flux de courant de faisceau sur l'axe du tube successivement à travers chacune des cavités 61 à 66 pour accrottre son énergie. Le faisceau d'électrons groupés entre dans la partie de sortie 7 et a son énergie à nouveau accrue comme décrit ci-dessus.L'énergie est extraite du faisceau au niveau de la cavité 72 et est transmise par le raccord 74 afin d'être utilisée d'une manière appropriée. Les électrons du faisceau sont recueillis par le collecteur 75 d'une manière connue. Des chemises de refroidissement par eau 55 et 73 sont utilisées. Un corps métallique 40 fournit un trajet de retour du champ magnétique. Des éléments d'accord sont prévus dans les cavités 56, 61 à 66 et 71. En utilisant le rhumbatron d'entrée à multiples cavités et des longueurs appropriées de tubes de glissement, la réponse de fréquence de la partie d1entrée et de la partie intermédiaire est suffisamment large pour commander l'étage de sortie sur la totalité de la bande passante dans laquelle la puissance de sortie est disponible. Dans un autre mode de réalisation, la partie d'entrée et la partie intermédiaire (figure 2) sont constituées chacune par une ou plusieurs parties de tube à ondes progressives à la place de la structure à cavité résonnante tandis que la partie de sortie (figure 2) est telle que décrite en se reférant à la figure 3. Le tube à ondes progressives a une réponse de fréquence plus large et moins nettement définie que la sortie à cavité résonnante qui est généralement égale entre des limites nettement définies. Cependant, la structure de sortie à cavité résonnante mettant en oeuvre l'invention présente fréquemment des bosses" dans la réponse de fréquence à la fréquence de chaque "mode" et la crête de la réponse du tube à ondes progressives peut être utilisée pour remplir le creux entre les bosses tout en assurant une excitation sur une bande d'une largéur convenable de la sortie.De cette manière, un tube électronique mixte peut être réalisé qui utilise avantageusement les caractéristiques de chaque élément pour pallier les insuffisances de l'autre et utiliser ainsi chaque élément au maximum de ses capacités. Le tube mixte ci-dessus est différent de l'agencement d'un klystron utilisé pour fournir un faisceau bien'groupé à un étage de sortie à tube à ondes progressives qui fournit la plus grande partie de l'amplificateur ou gain de puissance et est excité par un klystron à multiples cavités à accord décalé àfaible gain pour éviter la limitation de la sortie du klystron à bande étroite. Tels que décrits jusqutici, les moyens supplémentaires de couplage des cavités ont été constitués par une fente formée dans la paroi comme séparant les cavités4 Les dimensions et la forme de la fente sont importantes et déterminent l'interaction entre les cavités4 Etant donné que les dimensions et la forme de la cavité et de son intervalle changent légèrement lorsque la cavité est chauffée au cours du fonctionnement, la cavité ne produit pas toujours le résultat désiré. il n'est pas possible en pratique de régler la fente au cours du fonctionnement en -- partie du fait qu'elle se trouve à l'intérieur de l'enveloppe sous vide. Par conséquent, la figure 1 représente un circuit externe servant à compléter ou à remplacer la fente 30 et à fournir les moyens de couplage supplémentaires.Les boucles de couplage 12 et 23 sont prévues respectivement dans la cavité 10 et dans la cavité 20. Les boucles sont raccordées par des guides d'ondes ou autres moyens de raccordement appropriés à une unité de commande 34. L'unité 34 peut être constituée par un coupleur directionnel ou dispositif analogue au moyen duquel une proportion choisie de l'énergie d'une cavité à l'entrée de l'unité 34 peut être fournie à une sortie afin d'être retournée à l'autre cavité. En réglant l'unité 34 de façon à faire varier le couplage ou déphasage des signaux traversant les cavités, 11 action des cavités et l'interaction étendue obtenue peuvent être commandées de l'extérieur de l'enveloppe sous vide.-En réglant l'espacement des groupes de cavités un créneau peut être formé dans la réponse de fréquence.Ainsi, au moyen d'une combinaison de l'élément 34 et de la technique du "créneau", une grande diversité de réponses de fréquence peut être obtenue. Un agencement de tube extrêmement utile et économique est maintenant possible pour certains types d'émetteurs radio. Les signaux de télévision sont transmis sous forme d'un signal vidéo de 3 à 6 4Hz de large environ avec un signal sonore adjacent de 20 à 50 kHz environ espacé de 100 à 500 kHz environ du signal vidéo. Lorsque plusieurs signaux de télévision sont transmis à partir d'un emplaoement, ces signaux sont espacés de 15 à 40 NHz environ, pour éviter les interférences entre eux. Jusqu'ici, un tube électronique séparé, habituellement un klystron, a étésutilisé pour -chacun des deux signaux sonore et vidée. Pour assurer un circuit de secours, chaque tube est prévu en double. Ainsi quatre tubes sont nécessaires pour un canal ou signal de télévision et huit tubes pour deux canaux4 En réalisant un tube, par exemple de la manière décrite ci-dessus, de façon qu'il ait une réponse de fréquence pour le signal vidéo d'un canalvet pour le signal sonore de l'autre et un autre tube de façon qu'il ait une réponse de fréquence pour le signal sonore du premier canal et pour le signal vidéo du second canal, les deux canaux peuvent 8tre transmis en utilisant seulement deux tubes4 Deux tubes montés d'une manière similaire forment le circuit de secours.Ainsi, deux canaux peuvent être transmis de façon store avec seulement quatre tubes, ce qui représente une économie considérable qui ne pouvait pas jusqu'à présent être obtenue avec les klystrons, les tubes à ondes progressives ou les tubes hybrides connus. Tel que décrit jusqu'à ce point, le couplage supplémentaire a été effectué entre les cavités et en un emplacement éloigné du trajet du faisceau électronique. il est cependant possible de réaliser un couplage supplémentaire qui n'interfère pas avec le trajet du flux de courant de faisceau mais qui passe à travers les intervalles d'interaction. Ainsi, le flux d'électrons secondaires émis par le collecteur peut autre dirigé en retour à travers les intervalles d'interaction pour produire l'interaction étendue. Alternativement, les intervalles peuvent avoir un plus grand diamètre et avoir une forme similaire à celle d'un guide d'ondes-formant un tunnel à faisceau avec un espace pour l'interaction du champ des cavités d'un intervalle à un autre sans agir sur le faisceau électronique. il est évident que les techniques décrites ci-dessus peuvent être appliquées à des tubes en vue d'un fonctionnement à d'autres fréquences par des modifications appropriées qui viendront immédiatement à l'esprit des spécialistes de la technique. REVENDICATIONS 1. Tube électronique à hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte, dans une enceinte sous vide, un groupe d'au moins deux cavités résonnantes disposées le long du trajet du flux d'un faisceau électronique s'étendant d'un émetteur d'électrons jusqu'à un collecteur d'électrons, chaque cavité comprenant un intervalle d'interaction couplant, au cours du fonctionnement, le faisceau et la cavité respective, le tube comprenant des moyens supplémentaires de couplage des cavités couplant les cavités entre elles en des emplacements autres que le long du trajet du flux de courant du faisceau électronique et la géométrie des cavités ayant pour effet que les phases relatives de la tension de résonance d'un intervalle d'interaction à un autre sont différentes pour différentes fréquences comprises à l'intérieur de la bande de fréquences de fonctionnement du tube. 2. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe d'au moins deux cavités couplées forme étage de sortie du tube. 3. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un autre groupe de cavités résonnantes disposées sur le trajet du faisceau électronique pour fournir une entrée pour ledit groupe de cavités. 4. Tube électronique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des parties d'un tube à ondes progressives disposées sur le trajet du faisceau électronique pour fournir une entrée pour ladite sortie. 5. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de couplage supplémentaires sont constitués par une fente formée dans une paroi commune aux cavités. 6. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de couplage supplémentaires sont constitués par un circuit passif connecté entre les cavités adjacentes et comportant des moyens réglables pour commander le transfert d'énergie entre elles4 7. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de couplage supplémentaires comprennent des moyens pour produire un flux électronique dans la région du trajet du flux du faisceau autre que celle du courant de faisceau. 8. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la géométrie des cavités du groupe de cavités est réalisée de telle sorte que chaque cavité a une fréquence de résonance différente respective dans la bande de fréquences de fonctionnement. 9. Tube électronique selon l'une des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la géométrie des cavités du groupe est réalisée ai moyen dé l'espacement des intervalles d'interaction, 10. Tube électronique selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un premier intervalle de cavité est positionné de façon à provoquer l'absorbtion d'énergie réactive pour ac rostre le déphasage d'un intervalle à un autre au-delà de la différence établie géométriquement. 11. Tube électronique selon la revendication 1, caractérisé-en ce que chaque cavité d'un groupe de cavités est accordée à une fréquence de résonance différente et en ce que les cavités coopèrent pour amplifier les signaux au moins d'une fréquence du modes et du mode 27C, les réponses de chaque mode se chevauchant pour amplifier les signaux sur une bande de fréquence plus large que l'une ou l'autre des cavités considérées individuellement. 12. Dispositif amplificateur à tube électronique pour amplifier deux signaux ayant chacun deux composantes qui diffèrent au moins en fréquence ou en amplitude, caractérisé en ce que deux tubes électroniques selon l'une des revendications 1 à Il amplifient respectivement une composante de chaque signal. 13. Amplificateur à tube électronique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les composantes des signaux sont respectivement les signaux de son et d'image d'un signal de télévision.