Brevet FR2460539A1 — publié le 19810123

À- La présente invention concerne une ligne à retard pour tube à onde progressive de structure cylindrique, amplifica- teur notamment, ainsi que le tube muni de cette ligne. Elle a trait plus particulièrement à la réalisation du pas varia- ble dans une telle ligne. La ligne à retard de l'invention sera dite dans la suite du type à plafond(s) et anneaux. Elle comporte un guide métallique cylindrique par exemple et, dans les sections droites de ce guide, des anneaux métalli- ques coaxiaux fixés chacun à la paroi du guide par au moins une tige métallique; elle comporte, en outre, au moins un pla- fond constitué par une cale métallique fixée à la paroi inté- rieure du guide et s'étendant sur toute la longueur de celui-ci toute section de ce plafond par un plan perpendiculaire à l'axe du guide ayant la forme d'un secteur de couronne circu- laire. Dans le tube, le faiscea. d'électrons se propage le long de l'axe du guide précédent, qui peut, sans que cela soit obligatoire, constituer l'enveloppe à vide du tube. Le fonctionnement du tube est basé sur l'interaction entre les ondes électromagnétiquesaui se piropagen:t Le l:oig de la ligne à retard et le faisceau d'électrons. De telles lignes sont Connues de 'uart ds tubes à onde progressive, notamment du brevet fran ais!.6-,425. Elles apparaissent comme formées d'une succession de tronçons élé- mentaires, ou cellules, tous identiques, se repêant périon- diquement le long de l'axe de propagation du faisceau d'élec-- trons. Elles ont donné lieu à diverses variantes dont l'une prévoit, pour l'élimination de certains modes parasites de fonctionnement, et lorsque la ligne comporte plusieurs pla- fonds, de relier électriquement entre eux ces plafonds, par un simple fil métallique, notamment formant une boucle fermée; voir la premiere addition au brevet précéden4 portant le numéro 82.236. De cette façon, l'on obtient, sirnow la suppres- sion de ces modes parasites, du moins leur rejet à des fré- quences situées en dehors de-la bande de fonctionnement du tube sur le mode principal; c'est ainsi par exemple que pour un tube fonctionnant dans la bande S vers 3 gigahertz, les modes parasites en question sont rejetés généralement vers 6 gigahertz. On a vite reconnu, d'autre part, dans la technique des tubes à onde progressive, l'intérêt d'un pas variable pour ces lignes, notamment pour des raisons de rendement des tubes auxquels elles sont incorporées. Le pas d'une ligne à retard constituée, comme celles dont il a été question, d'un alignement régulier d'éléments identiques entre eux,-est la distance entre les points homologues de deux tels éléments consécutifs. La présente invention. concerne une ligne à retard pour tube à onde progressive du type à plafond(s) et anneaux, présentant un tel pas variable. L'invention sera mieux comprise, en se reportant à la description-qui suit et aux figures jointes qui repré- sentent: - Figure 1: Une vue d'ensemble en perspective de la cellule constitutive de la ligne à retard de l'invention; - Figure 2: Une vue schématique en coupe d'un tube à onde progressive incorporant une ligne à retard de l'invention. Le résultat recherché par l'invention est l'amé- lioration du rendement des tubes à onde prodressive. A cette fin l'invention prévoit de réaliser la ligne à retard de ces tubes avec un pas variable, dans les conditions qui vont être exposées. La figure 1, représente, en perspective, une cel- lule élémentaire 10 d'une ligne à retard de l'invention. Cha- cune de ces cellules consiste, conformément à l'art des brevets cités, en un tronçon de guide métallique à section circulaire, 11, comportant deux plafonds métalliques 1 s'étendant symétri- quement de la paroi du tronçon de guide jusqu'à une certaine distance du centre de la section droite de celui-ci. Dans un plan parallèle à celui des plafonds, est disposé un anneau mé- tallique circulaire 3 supporté par deux tiges 4 diamétralemen opposées fixées à la paroi du tronçon de guide. Les deux plafonds 1 sont reliés entre eux par une boucle 2 en un matériau conducteur de l'électricité. Dans l'exemple, cette boucle, ou courtcircuit est constituée par un conducteur linéaire appliqué sur les deux plafonds et entiè- rement situé dans leur plan; la figure montre, sans repères, les quatre trous servant dans l'exemple au refroidissement de la ligne par circulation de fluide; les différents tronçons de guide semblables à celui décrit sont montés et serrés les uns contre les autres, pour former la ligne à retard de l'in- ventton, les tiges 4 toutes parallèles entre elles, ainsi que les piafonds 1; l'ensemble est rendu étanche au vide, par brasage. le résultat d'un exemple de cet assemblage est montré en coupe sur la figure 2, o l'on retrouve, avec les mêmes repères, des cellules présentant la même structure géné- rale que celle de la figure précédente. La figure comporte le long de l'axe Oz de propagation du faisceau, de la gauche vers la droite, trois sections désignées par I, II, et III, dans lesquelles le pas, L de la ligne, constant dans chacune d'elles, a des valeurs différentes. Ce pas L à l'intérieur d'une section est égal à l'épaisseur de la cellule. La variation du pas L est réalisée, suivant l'in- vention, en modifiant, à l'intérieur de chaque cellule, soit les cotes des éléments constitutifs de la cellule, épaisseur de l'ensemble anneau et tiges supports, soit la distance entre anneau et court-circuit, notamment. Il est ainsi possible de faire varier lentement et de façon éventuellement continue, suivant la loi désirée, le pas de la ligne à retard. le taux de retard imprimé à l'onde électromagnétique se propageant le long de la ligne varie en sens inverse du pas. Dans l'exemple de la figure 2, on a représenté une ligne à trois tronçons principaux de pas différents, ce pas étant constant à l'intérieur de chacun des tronçons; ces derniers sont reliés entre eux par d'autres portions de ligne, non représentées, ou le pas varie de façon progressive- de sa valeur dans le tronçon de gauche à celle dans le tronçon de droite. On a exagéré volontairement sur la figure les différences de cote pour faire apparaître la variation de pas d'une section à l'autre. On notera qu'en bande S la ligne à retard présente une longueur de quelques dizaines de centimètres, alors que l'épaisseur d'une cellule est de quelques millimètres seuLement. Comme on le voit sur la figure 2, le pas de la structure diminue d'abord (section II) par rapport à celui dans la première section, I, près du canon à électrons, puis augmente dans la section III, au dela de- sa valeur dans la section I. l'épaisseur de l'ensemble formé par l'anneau 3 et ses tiges supports 4, à peu près uniforme dans l'exemple de la figure 1, est désigné par d sur cette figure; la distance entre anneau 3 et court-circuit 2 par d' sur la figure 2. On notera que sur cette dernière figure, qui correspond à l'une des variantespossibles de l'invention, l'épaisseur des tiges supports est très sensiblement supé- rieure à celle de l'anneau lui-même. Les travaux expérimentaux de la demanderesse ont, en effet, démontré que pour obtenir l'augmentation de rendement recherchée, toutes choses égales par ailleurs, le pas de la ligne à retard en s'éloignant du canon à électrons, doit d'abord diminuer, puis augmenter dans la dernière partie de la ligne, contrairement à la conception de l'art antérieur selon laquelle le pas de la structure à retard devait dimi- nuer dans la dernière partie de celle-ci, à l'opposé du canon à électrons. En outre,il apparait que la dispersion des vitesses des électrons au sein du faisceau n'augmente pas de façon prohibitive dans la dernière section, malgré l'augmen- tation importante de rendement obtenue avec les lignes à retard de l'invention. Ce rendement a atteint des valeurs de 50 % au cours des essais de la demanderesse, avec des variations extrêmes de pas de + 9 % par rapport au pas initial, c'est-à-dire le pas de la section I. Le rendement dont il s'agit est le rapport de la puissance haute fréquence recueil- lie à la sortie du tube à la puissance continue appliquée au tube. Dans le cadre de l'invention, ces variations peuvent aller de quelques centièmes du pas à plusieurs fois ce pas. Comme on l'a dit, la variation du pas de la ligne de l'invention peut &tre obtenue de deux façons: soit en mo- difiant l'épaisseur de l'ensemble, 3-4, formé par l'anneau et ses supports, soit en modifiant la distance de ltanneau 3 au court-circuit 2. La première façon de procéder s'avère la plus efficace pour faire varier le pas; elle a l'avantage en outre d'entraîner une faible perturbation de l'impédance de couplage entre le faisceau d'électrons et la ligne à retard. L'amélioration du rendement obtenu avec la ligne à retard de l'invention se trouve encore accrue du fait précisément de cette impédance de couplage. Avec la dispo- sition de l'invention, en effet, l'augmentation de pas dans la dernière partie, de la ligne n'est pas incompatible avec une diminution de l'impédance de couplage dans cette partie, d'oh une moindre dispersion des vitesses électroniques, confirmée par le calcul. la focalisation du faisceau d'électrons s'en trouve facilitée et le coefficient de transmission du fais- ceau amélioré: les pertes d'électrons le long de la ligne sont moins grandes, ce qui permet un facteur d'utilisation du faisceau meilleur et une puissance moyenne haute fréquence disponible à la sortie du tube plus forte, toutes choses étant égales par ailleurs. En outre, en "grossissant" les cellules élémen- taires -pour augmenter leur pas, on diminue l'impédance ther- mique de la ligne à l'endroit de ces cellules, tout en augmen- tant ses possibilités de dissipation, ce qui est doublement avantageux. On notera enfin qu'une faible impédance de cou- plage correspond en général à une structure peu dispersive, c'est-à-dire une large bande passante. les dispositions pré- vues par l'invention pour augmenter le rendement du tube vont donc dans le sens d'une plus grande largeur de bande, ce qui, comme on sait, est l'une des caractéristiques principales des tubes à onde progressive. D'autres modifications à l'intérieur de la cellule permettent, en même temps que la variation du pas, d'abaisser l'impédance de couplage, notamment l'augmentation de: - l'épaisseur des anneux 3 - cote a - pouvant notamment aller du simple au double, - la largeur des tiges supports d'anneau 4 -cote b, - la largeur des plafonds 1 -cote c. On peut ajouter des cannelures aux plafonds, c'est- à-dire prévoir pour ceux-ci des bords en gradins. Par ces moyens, il est possible aisément de réduire cette impédance au tiers ou au quart de sa valeur. 7 2460539 La structure de la ligne à retard à pas variable de l'invention présente de nombreux avantages, qui résultent de ce qui précéde, sans entraîner de complications technolo- giques de réalisation. On a énuméré dans ce qui précéde un certain nombre des dispositions prévues par l'invention pour faire varier les caractéristiques de la cellule constitutive de la ligne. Il va sans dire que l'on peut, dans le cadre de l'invention, combiner ces dispositions. L'invention'n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés mais s'applique,,de façon générale, à toute ligne à retard à plafond(s) et anneaux, notamment au cas des li- gnes qui comprendraient un nombre de plafonds, différent de celui de l'exemple représenté, disposés dans les intervalles entre les tiges supports des anneaux. Elle s'ap- plique entre autres,aussi au cas de guides d'ondes ayant une section autre que la section circulaire représentée et, de façon générale, elle comprend toutes les variantes accessibles à l'homme de l'art à partir de celle représentée. La figure 2 à laquelle on s'est référé pour la description de la ligne à retard de l'invention montre en coupe l'ensemble d'un tube construit avec cette ligne; cette dernière, formée des trois sections I, II et III,porte le repère 20. Le tube comporte une enveloppe métallique 21 fermée à ses deux extrémités par un collecteur d'électrons 22 et par un pied isolant 23 dans lequel est logé un canon à électrons dont on a représenté la cathode en 24 et son filament chauffant en 25, une électrode de focalisation 26, ainsi qu'une électrode d'accé- lération 27. La cathode émet, sous l'action de la source d'alimentation 28,un faisceau d'électrons 29 dont le contour est représenté en pointillé. La ligne à retard est couplée aux circuits d'entrée et de sortie du tube, amplificateur dans l'exemple, par les antennes 30 et 31. Sur la figure, le repère 32 désigne le jonc de brasure assurant l'assemblage étanche au vide des cellules 10 entre elles. Pour la clarté, enfin, on à limité, dans chaque section, les cellules à un petit nombre, alors qu'en réalité chacune de ces sections peut en comprendre de l'ordre de plusieurs dizaines. Un tube équipé d'une ligne à retard selon l'in- vention a fourni sur la fréquence de 3 gigahertz une puissance haute fréquence de 300 kilowatts crête, pour une puissance crête totale appliquée de 600 kilowatts, sous la forme d'impulsions de 251is avec un facteur deforme de 60 et une intensité de faisceau de 17 ampères. La ligne comportait une centaine de cellules. L'invention s'applique de façon générale à la production de hauts niveaux de puissance à grande bande pas- sante et avec un rendement élevé dans le domaine des micro- ondes, centimétriques notamment. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Ligne à retard à pas variable pour tube à onde progressive constituée de cellules jointives composée cha- cune des éléments suivants: - un tronçon de guide d'ondes métallique comportant des plafonds de même épaisseur que le tronçon occupant, chacun, une partie de sa section, et s'étendant d'une fraction de son pourtour à une certaine distance de son centre, - un anneau métallique coaxial fixé à la paroi du tronçon de guide par des tiges-supports disposées dans les espaces libres entre les plafonds, - un conducteur métallique en contact avec les plafonds sur l'une des faces du tronçon, et formant court- circuit entre eux, l'ensemble des cellules constituant un guide d'ondes de sec- tion uniforme, dans lequel les plafonds d'une part, et les tiges supports d'autre part, sont alignés, s'étendant autour du faisceau d'électrons le long de son trajet dans le tube, ligne à retard, caractérisée en ce que, poux une section de guide donnée, les cellules présentent entre elles des diffé- rences de dimensions obtenues par dilatation ou contraction d'au moins une de leurs cotes à l'intérieur de cette section. 2. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de cote-consiste en une variation de la distance entre anneaux et courts-circuits. 3. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de cote consiste en une variation de l'épaisseur des anneaux et de leurs tiges supports, tous de même épaisseur. 4. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la variation de cote consiste en une variation de l'épaisseur des anneaux. 5. ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée.en ce que la variation de cote consiste en une 2460539 variation de la fraction du pourtour de là section à partir de laquelle s'étendent les plafonds. 6. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de cote consiste en une variation de la largeur occupée par les tiges supports entre les plafonds. 7. Ligne à retard suivant la revendication 1, caractérisée en ce que, le tronçon de guide d'onde ayant une section circulaire, les anneaux sont circulaires, en ce que les plafonds ainsi que les tiges supports ont la forme de secteurs de couronnes circulaires, et en ce que les courts- circuits sont constituées de boucles circulaires. 8. Ligne à retard à pas variable pour tube à onde progressive, suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend trois parties de pas différents, se succédant sur le trajet du faisceau d'électrons, dans chacune desquelles le pas est constant, et dont la se- conde présente un pas inférieur et la troisième un pas supé- rieur à celui de la première, deux parties successives étant éventuellement séparées par des séries de cellules assurant le raccordement progressif de leurs pas. 9. Tube à onde progressive, amplificateur notam- ment, comprenant des moyens pour produire un faisceau d'élec- trons et pour assurer sa propagation vers un collecteur par lequel il est capté, et une ligne à retard disposée le long du trajet du faisceau,le long de laquelle se propagent les ondes électromagnétiques qui sont en interaction, en fonction- nement,avec le faisceau,caractérisé en ce que la ligne à retard en question est une ligne suivant la revendication 8.