Brevet FR2471041A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne un tube à ondes progressives qui fonctionne dans de très larges bandes de fréquences, de l'ordre d'une octave. Les tubes de ce genre comportent des circuita d'ac- tion mutuelle à ondes lentes qui sont des hélices ou des circuits similaires dérivés de l'hélice, et qui n'ont généralement pas de fréquence de coupure inférieure. Il se produit normalement dans ces tubes de très larges varia- tions du gain dans toute la bande de fréquence de fonc- tionnement, résultant en grande partie du fait que le nombre des longueurs d'ondes électriques dans la longueur physique fixée d'action mutuelle du tube varie à peu près proportionnellement à la fréquence du signal. Il est bien connu, dans les tubes à ondes progres- sives à large bande, de compenser la variation du gain avec la fréquence en intercalant, dans la ligne de trans- mission du signaL d'attaque, à l'entrée du tube, un atté- nuateur dont la perte est adaptée par des circuits sensi- - bles à la fréquence en raison inverse de la variation du gain. De très nombreux circuits ont été conçus pour ces correcteurs, utilisant les circuits résonnants ou des pro- priétés de sensibilité à la fréquence des lignes de trans- mission. Les Brevets des Etats Unis d'Amérique N 3 548 344 et 3 510 720 en sont de bons exemples. Ces correcteurs appelés extérieurs sont coiteux à fabriquer et présentent l'inconvénient inhérent qu'ils atténuent le signal avant qu'il soit amplifié par le tube à ondes progressives. L'abaissement de puissance d'entrée qui en résulte augmpentenaturellement la quantité de bruit de l'amplificateur combiné car cette quantité est déterminée pour la plus grande partie par la partie d'entrée du tube à ondes progressives. Le Brevet des Etats Unis d'Amérique N 3 755 754 décrit une autre solution pour la correction. Selon ce Brevet, une partie du signal d'entrée passe par un ampli- ficateur auxiliaire possédant les m8mes caractéristiques de distorsion que l'amplificateur principal, et il est ensuite ramené à l'entrée du tube à ondes progressives en opposition de phase avec ce signal initial afin de com- penser les variations de gain. Cette disposition présente les mêmes inconvénients que les atténuateurs de ligne d'entrée décrits ci-dessus, en ce qu'elle réduit le signal d'entrée du tube. Il faut remarquer qu'un correcteur dans la ligne de sortie du tube à ondes progressives est également mauvais car aux fréquences à gain élevé, le signal de sortie du tube peut ttre sursaturé. O10 Le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 4 15S 791 décrit des atténuateurs à perte fixés sur des tiges diélec- triques dans un tube à ondes progressives du type à hélice et qui résonnent à une fréquence à laquelle les oscilla- tions sont possibles, par exemple l.a fréquence d'oscilla- tions par ondes de retour, lorsque le déphasage est 180 par spire d'hélice. Ces fréquences se situent à l'extérieur de la bande de fonctionnement du tube de sorte que tout ce qui est nécessaire est une atténuation suffisante à ces fréquences. Etant donné que les fréquences atténuées ne sont pas dans la bande des fréquences de fonctionnement, elles n'affectent pas de façon appréciable la variation de gain avec la fréquence dans cette bande et le problème de la correction persiste encore. L'invention a donc pour objet de proposer un cor- 2D recteur de gain pour un tube à ondes progressives du type à hélice, incorporé dans la structure du tube; un correc- teur peu coûteux; et un correcteur qui ne dégrade pas le rapport sig.nal-bruit. Cesrésultats sont obtenus en modifiant automatique- ment la lonueur du circuit d'action mutuelle qui réagit avec le faisceau d'électrons, pour produire l'amplifica- tion. Bien entendu, le gain augmente directement avec cette longueur d'action mutuelle. La longueur est modifiée en introduisant une atténuation interne qui est effective sur une longueur physique prescrite distante des extrémi- tés d'entrée et desortie du circuit d'action mutuelle. Les atténuateurs sont sélectifs en fréquences et sont dis- posés le long du circuit d'action mutuelle de manière que, la distance sur laquelle le signal est atténué jusqu'à zéro ou un gain négatif est fonction de la fréquence chdsie pour corriger le gain du tube. Les atténuateurs sont de préférence des sections en résonance d'un circuit à ondes lentes qui propage des ondes électromagnétiques dans la direction de propagationdu circuit d'action mutuelle, de sorte qu'ils sont couplés électromagnétiquement avec lui. Ces atténuateurs sont de préférence fixés sur des tiges de céramique disposées dans la direction de propagation des ondes. Les tiges peuvent tre les tiges support du circuit d'action mutuelle du type à hélice. La longueur occupée par les atténuateurs est de préférence éloignée des extrémités d'entrée et de sortie du circuit d'action mutuelle, de sorte que le chiffre de bruit n'est pas dégradé et que le rende- ment de sortie reste élevé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention tion apparaetront au cours de la description qui va suivre.- Au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs: La figure 1 est une coupe schématique d'un tube à ondes progressives selon l'invention, la figure 2 est une vue à grande échelle d'une par- tie de la figure 1 montrant la distribution du champ à haute fréquence et la longueur préférée de l'atténuateur, la figure 3 est une coupe d'un mode de réalisation légèrement différent, et la figure 4 montre un ensemble de trois atténuateurs séparés. Les tubes à ondes progressives à gain élevé compor- tent généralement, prèsdu centre de leur circuit d'action mutuelle, un dispositif appelé- un "séparateur" qui élimine l'onde électromagnétique se propageant dans le circuit, de sorte que 1'energie ondulatoire transmise par le séparateur n'est constituée que par la composante à haute fréquence du courant du faisceau d'électrons. Les séparateurs sont nécessaires pour éviter les oscillations dues à des réfle- xions de L'onde résultant d'un couplage d'adaptation im- parfait du circuit d'action mutuelle avec les lignes de transmission d'entrée et de sortie. Sinon, l'onde réflé- chie circule dans un sens et dans l'autre le long du cir- cuit, pour être amplifiée à chaque passage direct jusqu'à ce que des oscillations seproduisent. Deux types de séparateur sont connus. Dans l'un, le circuit d'action mutuelle est divisé physiquement, les extrémités voisines de chaque partie étant couplée avec des atténuateurs pour absorber l'onde électromagnétique. Dans l'autre cas, l'atténuateur est simplement couplé avec le circuit d'interaction et s'étend sur une distance axiale suffisante pour produire une atténuation qui convient. Dans ce dernier type de séparateur, non seulement l'onde du circuit est éliminée, mais en outre, le gain du tube est réduit sur la longueur de lâtténuateur. La discontinui- té électrique et l'atténuateur étendu peuvent être combinés. Le séparateur à lQngueur variable selon l'invention est associé avec l'atténuateur étendu. Il peut assurer la suppression d'oscillations mais sa fonction principale est très différente, à savoir de corriger le gain du tube à ondes progressives, variable avec sa fréquence. Une atténuation est apportée sur une longueur du circuit d'action mutuelle de manière que sur cette longueur, le gain soit substantiellement réduit, de préférence jus- qu'à zéro et même une valeur négative. Plusieurs atténua- teurs sont prévus, couvrant plusieurs longueurs physiques du circuit d'action mutuelle. Chaque atténuateur est sélec- tif en fréquence, n'assurant l'atténuation que sur une par- tie de la lar.eur de bande du tube. La longueur de chaque atténuateur est choisie en forction de sa fréquence effec- tive ou de résonance pour supprimer le pain sur une lon- ?ueur de circuit suffisante pour réduire le gain total du tube à la valeur souhaitée. D'une façon générale, un atté- nuateur effectifaàune fréquence élevée doit ttre plus long qu'un atténuateur effectif à une fréquence plus basse. La lonueur d'amplification du circuit non atténué est donc plus courte pour les fréquences plus élevées. Etant donné que le nombre de longueurs d'onde électrique par unité de longueur du circuit d'action mutuelle est supérieure aux hautes fréquences le gain par unité de longueur est plus grand. Ce plus grand gain est compensé par la plus courte lonrueur d'action effective apportée par l'invention. Les atténuateurs sont de préférence voisins du centre du circuit d'action mutuelle. Etant donné qu'ils sont éloig- nés de l'extrémité d'tentrée, la quantité de bruit n'est pas aug- mentée comme avec les correcteurs courants, car le signal est amplifié, établissant le rapport signal-bruit avant d'Otre atténué. Etant donné qu'ils sont éloignés de l'ex- t.émité de sortie, le rendement de sortie est maintenu élevé car un certain gain minimal non atténué précede la sortie. La figure 1 représente schématiquement un mode sim- plifié de réalisation selon l'invention. C'est une coupe suivant l'axe d'un tube à ondes progressives à hélice. Une enveloppe métallique 10 sous vide est fermée à une extrémi- té par un isolateur 12 en céramique qui supporte et isole une cathode 14 ther-w-ionique concave. Une électrode conique 16 de focalisation du type Pizice entoure la cathode 14, au m9me potentiel qu'elle. La cathode 14 et l'électrode de focalisation 16 sont connectées à un conducteur de traversée 18 qui leur applique la tension cathodique négative. Der- rière la cathode 14 se trouve un filament 20 chauffant par rayonnement, recevant un courante% chauffage par des con- ducteurs isolés 21. Devant la cathode 14, se trouve une élec- trode annulaire 22 d'accélération, également connue sous le nom d'anode. Un faisceau convergent d8électrons provenant de la cathode 14 est focalisé par un champ magnétique axial, non représenté, dans la partie centrale creuse du circuit 24 d'action mutuelle, représentée ici sous la forme d'un ruban conducteur enroulé en hélice. Le signal d'entrée de l'hélice 24est introduit par un fil conducteur 26 qui tra- verse l'enveloppe 10 par un isolateur de céramique Z8 scellé hermétiquement. L'hélice 24 est supportée et refroidie par plusieurs ties diélectriques 30, par exemple en céramique d' alumine ou d'oxyde de béryllium qui sont ajustées exactement dans l'enveloppe 10 pour assurer le contact thermique et le support mécanique. L'extrémité de sortie de l'hélice 24 est connectée par un fil conducteur 32 à une charge utile à haute fréquence. Le fil 32 sort de l'enveloppe sous vide par un isolateur 34. Au-delà de la sortie 32, l'envelop- pe 10 est scelléepar l'intermédiaire d'un isolateur annu- laire 35 sur un collecteur métallique 36. Le faisceau d'électrons peut s'étaler après avoir quitté l'hélice 24 et il est recueilli à l'intérieur creux du collecteur 36 et la chaleur développée à cet endroit est éliminée par un dissipateur extérieur. Deux tiges support 30 sont repré- sentées comme si la coupe était faite directement devant elles. La tige supérieure porte un atténuateur constitué par quatre éléments résonnants 37, chaque élément étant un circuit à ondes lentes à perte d'une demilongueur d'onde fixée sur la tige 30. Dans le cas présent, le circuit à ondes lentes est une ligne sinueuse dans la direction de propagation du circuit d'action mutuelle 24, cette ligne étant déposée par une opération de métallisation sur la tige de céramique. L'atténuateur sur la tige inférieure consiste en deux sections résonnantes 38 d'une demi- longueur d'onde. Leur fréquence de résonance est infé- rieure à celle des sections 37 sur la tige supérieure et ces sections occupent une plus courte distance axiale. Ainsi, à la fréquence inférieure, une plus grande longueur d'hélice non atténuée est disponible pour l'amplification du signal. La figure 2 indique les dimensions préférées du cir- cuit 3, à ondes lentes à résonance, tel qu'il sera utilisé pour l'atténuation en milieu de bande. Au centre de la bande de fonctionnement, il se produit dans un tube à ondes progressives un déphasage d'environ 90 par spire d'hélice. Cela veut dire qu'une spire sur deux, le champ électrique instantané à haute fréquence 42 s'inverse. Par conséquent, pour un couplage maximal du résonateur 38 avec l'hélice 24 lalongueur physique globale LIdu résonateur 38 doit être égale au double du pas de l'hélice 24. La fréquence de ré- sonance du résonateur 38 à lignes sinueuses est déterminée par sa largeur transversale h et sa période k. Une onde approximativement en mode TEM se propage suivant la lon- p.ueur sinueuse du conducteur de manière telle que cette longueur est à peu près une demi-longueur d'onde de ligne sur une base de céramique. Aux autres fréquences d'atténua- tion, la longueur physique L de l élément résonnant peut être choisie à environ une cdemi-longueur d'onde dans le circuit d'action mutuelle à propagation axiale pour cette fréquence. La figure 3 montre un mode de réalisation légèrement différent dans lequel les éléments 3R' d'atténuateur à ré- sonance sont supportés non pas sur les tiges supports 30' mais sur les faces intérieures 52 de tiges diélectriques spéciales 50 allonées. Dans cette configuration, les cir- cuits 38' peuvent 9tre plus proches et leur couplage avec le circuit d'action mutuelle 24' peut être plus grand. La figure 4 montre trois atténuateurs séparés qui peuvent être utilisés dans le tube de la figure 3. Chaque atténuateur est supporté par sa propre tige diélectrique 301". L'atténuateur 54 à fréquence basse consiste en un seul élément résonnant 53 de courte longueur axiale 56. L'atté- nuateur 57 de fréquence intermédiaire consiste en deux élé- ments résonnants 58 qui s'étendent sur une plus grande longueur axiale 59. L'atténuateur de fréquence élevée 60 consiste en trois éléments résonnants 61 occupant une lon- gueur axiale 62 encore plus grande. Dans la longueur totale 64 du circuit d'action mutuelle, les parties 66, 68, 70 non atténuées dans lesquelles le gain est produit, diminuent progressivement quand les fréquences sur lesquelles les at- ténuateurs 54, 67, 60 résonnent augmentent progressivement ce qui supprime donc le gain. Ainsi, le nombre de lon- gueurs d'ondes électriques sur les parties non atténuées du circuit d'action mutuelle peut être constant ou être en variante une fonction choisie de la fréquence pour corriger le gain. Il est bien évident que de nombreuses modifications peuvent 'tre apportées aux modes de réalisation décrits et illustrés sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, il existe plusieurs formes de circuits d'action mutuelle dérivés de l'héLice qui peuvent convenir, par exemple des hélices à anneaux et barrettes, deslélices à pas croisés, des hélices à pas multiples, etc. Les éléments d'atténua- tion par résonance peuvent Ltre d'une large diversité de types, par exemple des circuits imprimés à constante loca- lisée, ou des sections d:hélice de fil fixées sur des tipes de céramique. Plusieurs atténuateurs peuvent résonner à une fréquence donnée si une plus forte atténuation est souhai- tée. Plusieurs atténuateurs peuvent ttre fixés sur une même tige diélectrique. Le circuit dérivé de l'hélice peut être physiquement séparé. L'atténuateur.séparateur variable peut être combiné avec un atténuateur non sélectif en fréquence pour la suppression d'oscillations. REVENDICATIONS I - Tube à ondes progressives, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (24) d'action mutuelle du type à hélice, un premier atténuateur (37) résonnant à une première fréquence dans la bande de fonctionnement dudit tube, et couplé avec ledit circuit d'action mutuelle sur une première longueur de ce circuit, et un second atténua- teur (38) résonnant à une seconde fréquence dans ladite bande et couplé avec ledit circuit d'action mutuelle sur une seconde longueur. 2 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits atténuateurs (37, 38) consistent en une section résonnante d'un circuit à ondes lentes agencé pour propager les ondes électromagnétiques dans la direc- tion de propagation dudit circuit d'action mutuelle. 3 - Tube selon la revendication 1,caractérisé en ce que lesdits atténuateurs (37, 38) consistent en des cir- cuits conducteurs résonnants fixés sur au moins une tige diélectrique (30) disposée dans la direction de la propa- gation dudit circuit d'action mutuelle (24). 4 -Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits circuits conducteurs (37, 38) sont des sections résonnantes d'un circuit à ondes lentes agencé pour la propagation dans ladite direction de propagation dudit circuit d'action mutuelle (24). 5 - Tube selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits circuits conducteurs (37, 38) sont des conducteurs métallisés sur la surface de ladite tiee (30). 6 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier atténuateur (37) consiste en plusieurs circuits conducteurs résonnant à peu près à la même fré- quence et distribués sur ladite première longueur. 7 - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première fréquence est supérieure à ladite se- conde fréquence et ladite première longueur est supérieure à ladite seconde longueur. R - Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites longueurs sont éloignées des extrémités d'en- trée et de sortie (26, 32) dudit circuit d'action mutuelle (24).