Brevet FR2461371A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne l'électronique des hyper- fréquences et, plus particulièrement, les appareils électroni- oues hyperfréquences. La présente invention peut être appliquée plus particuliè- rement pour générer ou amplifier l'énergie électromagnétique dans la gamme des hyperfréquences dans le cas o les exigences de stabilité de la fréquence de travail (ou d'une gamme de fré- quences) ou d'un régime de fonctionnement à un seul mode sont particulièrement élevées. D'autre part, l'invention peut être appliquée à des dispo- sitifs radio de diverses destinations lorsque des exigences supplémentaires sont présentes en ce qui concerne le niveau d'émissions non essentielles car ceci permet de résoudre le pro- blème de compatibilité électromagnétique de l'appareillage ra- dio. L'un des problèmes principaux qui se présente lors de la création d'un dispositif hyperfréquence est le problème de la suppression de l'excitation de modes d'oscillations autres que les oscillations de travail. Leur présence dans le spectre du signal de sortie haute fréquence entraîne la dégradation des caractéristiques de l'appareil, par exemple la diminution de la zone de fonctionnement stable et la diminution du rendement, du gain, etc... Actuellement, pour améliorer la stabilité de la fréquence de travail (ou de la gamme de fréquences), on utilise des appa- reils générateurs-amplificateurs hyperfréquences dotés de dis- positifs pour supprimer l'excitation des oscillations autres que les oscillations de travail. On connaît un appareil électronique hyperfréquence compor- tant des résonateurs et des chambres supplémentaires avec des absorbeurs de l'énergie hyperfréquence. Les dimensions des cavités des chambres sont choisies de telle manière que la gamme des fréquences ne recouvre pas la gamme des fréquences de travail hyperfréquences de l'appareil, ce qui n'assure pas l'élimination des ondes voisines autres que les ondes de travail. On connaît également un appareil électronique hyperfré- quence comportant une cathode dont l'émission hyperfréquence pénètre dans l'espace formé par la cathode et les cellules du système électrodynamique. Aux cellules sont raccordés en pa- rallèle, par l'intermédiaire d'éléments de couplage, des fil- tres séparés, reliés électriquement aux absorbeurs de l'énergie hyperfréquence pour supprimer les oscillations autres que les oscillations de travail. Comme filtres, on utilise dans l'appareil connu des li- gnes de transmission de différentes structures (guide d'onde, câble coaxial, guide d'onde périodiquement chargé). Cependant, l'utilisation des filtres indiqués n'assure pas la suppression des oscillations autres que les oscillations de travail simultanément des deux côtés de la bande de travail ou de la fréquence de travail de l'appareil. D'autre part, ces filtres introduisent un affaiblissement dans la bande de fré- quences de travail, ce qui réduit le rendement des circuits oscillants et le rendement de l'appareil en entier. L'invention vise à mettre au point un appareil électroni- que hyperfréquence dans lequel sont utilisés des filtres assu- rant la suppression des oscillations autres que les oscilla- tions de travail des deux côtés de la bande de fréquences de travail ou de la fréquence de travail de l'appareil, tout en maintenant le niveau du rendement de l'appareil électronique hyperfréquence. Le problème posé est résolu à l'aide d'un appareil élec- tronique hyperfréquence comportant une cathode dont le fais- ceau électronique est dirigé dans l'espace délimité par la ca- thode et des cellules d'un système électrodynamique, cellules auxquelles sont raccordées en parallèle, par l'intermédiaire d'éléments de couplage, des filtres séparés couplés électrique- ment à des absorbeurs de l'énergie hyperfréquence, afin de sup- primer les oscillations autres que les oscillations de travail, ledit appareil hyperfréquence étant caractérisé en ce que, en qualité de filtres, on utilise des filtres coupe-bande ayant une bande de coupure recouvrant la fréquence de travail ou la bande des fréquences de travail de l'anpareil hyperfréquence, et en ce que, en qualité d'absorbeurs d'énergie hyperfréquence, on utilise des charges hyperfrêquences à large bande réalisées sous la forme de tronçons court-circuités de ligne de transmis- sion à impédance d'onde variable, à la surface desquels est ap- pliqué un revêtement absorbant l'énergie hyperfréquence, ce qui assure la suppression des oscillations autres que les oscilla- tions de travail des deux côtés de la fréquence de travail ou de la bande des fréquences de travail de l'appareil hyperfré- quence. Il est avantageux que, dans l'appareil électronique hyper- fréquence, soit prévue une multitude de filtres d'arrêt et, respectivement, une multitude de charges hyperfréquences à lar- ge bande dont chacune fait partie d'une cellule du système é- lectrodynamique, qui assurent ensemble la suppression totale de toutes les oscillations autres que les oscillations de tra- vail. De préférence, lorsqu'on utilise dans l'appareil électro- nique hyperfréquence un système électrodynamique à structure fine, les filtres coupe-bande sont disposés de telle manière que la périodicité de leur disposition ne dépasse pas la di- mension transversale d'un filtre, les charges hyperfréquences à large bande étant réalisées comme un tout et raccordées à au moins une partie de filtres, tandis que le revêtement absor- beur est appliqué sur un tronçon de la ligne de transmission entre les points de raccordement des filtres voisins. Avec l'appareil électronique hyperfréquence suivant l'in- vention, il résulte du raccordement au système électrodynami- que de l'appareil de filtres coupe-bande ayant une bande de coupure correspondant à la bande des fréquences de travail et de la présence de charges hyperfréquences à large bande possé- dant les propriétés indiquées ci-dessus que la limite de la bande passante du système disparaît et que la bande transpa- rente du système électrodynamique se rétrécit jusqu'à la bande de travail de l'appareil, tandis que le signal hyperfréquence de tous les types d'oscillations, exclusion faite des oscilla- tions de travail, est absorbé dans les charges hyperfréquences à large bande. Le rendement de l'appareil hyperfréquence pro- posé possède donc une valeur suffisamment élevée. Lorsque le système électrodynamique est raccordé à une multitude de filtres coupe-bande identiques, on atteint une haute reproductibilité des paramètres électriques et on réduit le coût spécifique de la construction de l'appareil hyperfré- quence. Lorsque les charges hyperfréquences à large bande sont assemblées pour former une charge hyperfréquence commune, on réduit sensiblement l'encombrement de l'appareil hyperfréquen- ce et son poids. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre d'exemples de réali- sation donnés à titre d'exemple et illustrés par les dessins annexés sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un appareil électronique hyperfréquence selon l'invention comportant une multitude de filtres et de charges hyperfréquences; la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'une partie du système électrodynamique de l'appareil hyperfréquence avec des filtres raccordés à une charge hyperfréquence commune; et, la Fig. 3 est un graphique qui montre la relation entre les paramètres caractéristiques du système électrodynamique de l'appareil hyperfréquence de la Fig. 1 et la fréquence. L'appareil électronique hyperfréquence comporte une catho- de 1 (Fig. 1) dont le faisceau électronique est dirigé dans l'espace délimité par la cathode 1 et des cellules 2 d'un sys- tème électrodynamique 3. Dans l'exemple décrit, on utilise com- me appareil électronique hyperfréquence un magnétron prévu pour fonctionner en régime de générateur ou d'amplificateur. En de- hors des magnétrons, on peut utiliser d'autres appareils élec- troniques hyperfréquences: des klystrons, des tubes à ondes progressive, des tubes à onde régressive, des accélérateurs, etc.. Aux cellules 2 du système électrodynamique 3 sont rac- cordés en parallèle des filtres 5 par l'intermédiaire d'élé- ments de couplage 4. En tant que filtres 5 pour la suppression des oscillations autres que les oscillations de travail des deux côtés de la fréquence de travail ou de la bande des fré- quences de travail, on utilise des filtres coupe-bande (appelés ci-après filtres coupe-bande 5) ayant une bande de coupure re- couvrant la fréquence de travail ou la bande de fréquences de travail de l'appareil hyperfréquence. Le filtre coupe-bande 5 se compose d'un tronçon de ligne coaxiale 6 et de résonateurs 7 recourbés plusieurs fois à l'entrée 8 et à la sortie 9. L'im- pédance des tronçons des résonateurs 7 et l'interstice à haute fréquence entre les parois des résonateurs 7 varient suivant la longueur des résonateurs 7. De tels filtres 5 possèdent des di- mensions commensurables à 1/4 de la longueur d'onde moyenne de la gamme hyperfréquence de travail de l'appareil. L'appareil électronique hyperfréquence comporte également des absorbeurs de l'énergie hyperfréquence reliés électriquement aux filtres 5. En qualité d'absorbeurs, on utilise des charges hyperfré- quences 10 à large bande réalisées sous forme de tronçons court- circuités d'une ligne de transmission, avec un espacement dimi- nuant à mesure que l'on s'éloigne de l'entrée 11 de la charge 10, en allant vers son extrémité court-circuitée 12. A la sur- face des tronçons court-circuités est appliqué un revêtement 13 absorbant l'énergie hyperfréquence, par exemple une poudre à dispersion fine d'alliage Al, Si, Fe. L'accord des résistan- ces de la charge 10 et du filtre 5 est réalisé au moyen d'un raccord transformateur 14. Dans le présent exemple, on utilise comme élément de couplage 4 un tronçon de ligne coaxiale, mais le couplage des filtres 5 avec les cellules 2 du système élec- trodynamique 3 peut être réalisé par l'intermédiaire de tron- çons de guide d'ondes, au moyen de boucles inductives ou par l'intermédiaire de capacités. La réactance de l'élément de cou- plage 4 est compensée par un choix judicieux de la composante réactive de l'admittance d'entrée du filtre 5. La cellule 2 du système électrodynamique 3 est formée par une cavité résonante limitée par des ner-rures 16, et une partie d'un raccord 17. Les filtres 5 et les charges 10 possèdent une jonction étanche au vide avec le bloc anodique 18. Dans le système électrodynamique 3, lorsque la séparation entre les types d'oscillations de travail et les oscillations étrangères est suffisamment importante, ou lorsqu'il y a peu de types d'oscillations de travail, on installe plusieurs fil- tres coupe-bande 5. La Fig. 1 représente un appareil hyperfréquence dont le système électrodynamique possède une multitude d'ondes de tra- vail et dans lequel est prévu une multitude de filtres 5 (huit dans le cas examiné) et un nombre identique de charges hyperfré- quences 10. Les filtres 5 et les charges 10 associées sont reliés aux divers raccords 17, et font ensemble partie de chaque cellule 2 du système électrodynamique 3. L'introduction et la sortie de l'énergie de l'appareil hyperfréquence est réalisée dans toutes les variantes examinées au moyen de bornes d'énergie raccordées au système électrodynamique (non représenté sur les-dessins). Dans le cas d'un appareil hyperfréquence à système élec- trodynamique à structure fine 19 (Fig. 2), les filtres coupe- bande sont disposés de manière que la périodicité de leur dis- position dans le sens azimutal, coïncidant dans le cas examiné avec la distance entre les cellules adjacantes 2, soit infé- rieure à la dimension transversale du filtre 5. Des charges hyperfréquences 20 sont réalisées comme un ensemble et raccor- dées à au moins une partie des filtres 5. Dans la variante de réalisation de l'appareil hyperfréquence examinée, la charge est raccordée à trois filtres 5 dans la direction azimutale ou transversale et à une multitude de filtres 5 dans la direc- tion longitudinale. Le revêtement absorbeur 13 est appliqué sur un tronçon de la ligne de transmission entre les points 21 et 22 de raccordement des filtres adjacents 5. le système élec- trodynamique à structure fine 19 se compose de conducteurs 23 formant une ligne à plusieurs conducteurs bouclés dans un cy- lindre et chargée périodiquement dans le sens de la longueur de l'appareil hyperfréquence par des raccords 24. les raccords 24 ont une configuration azimutale identique et sont tournés l'un par rapport à l'autre d'un angle 2 S'/ n, n étant le nom- bre de conducteurs. L'appareil électronique hyperfréquence suivant l'inven- tion fonctionne de la façon. suivante. Le faisceau d'électrons émis par la cathode 1 (Fig. 1), arrive dans l'espace délimité par la cathode 1 et les cellules 2 du système électrodynamique 3 et dans lequel, en plus des os- cillations de travail, se produisent des types d'oscillations n'appartenant pas à celles-ci. Pour supprimer les oscillations n'appartenant pas aux os- cillations de travail, on réduit leur facteur de qualité en charge en introduisant un affaiblissement dans le système é- lectrodynamique 3. A cet effet, aux cellules 2 du système é- lectrodynamique 3 sont raccordées, par l'intermédiaire des fil- tres coupe-bande 5, les charges 10 à large bande. L'énergie hyperfréquence située des deux côtés de la fréquence de travail ou de la bande des fréquences de travail passe à travers les filtres 5 vers les charges 10 à large bande, o elle est ab- sorbée et dégagée sous forme de chaleur. Les filtres 5 possè- dent dans la bande des fréquences de travail un coefficient élevé de réflexion de l'énergie hyperfréquence et les charges 10 n'introduisent en pratique aucun affaiblissement dans le système électrodynamique 3, de sorte que le rendement du cir- cuit oscillant et le rendement de l'appareil hyperfréquence dans son ensemble ne varient pas. Les filtres 5 possèdent une caractéristique amplitude-fréquence de forme rectangulaire à coefficient élevé, ce qui permet de supprimer les oscillations autres que les oscillations de travail se situant à proximité de la limite de la bande des fréquences de travail. Dans les systèmes électrodynamiques à faible quantité de filtres 5, ces derniers sont disposés aux endroits des maxima des champs électromagnétiques autres que ceux de travail, et les filtres 5 et les charges 10 associées remplissent le râle d'absorbeurs séparés sélecteurs de fréquence. Dans le cas o le système électrodynamique 3 est raccordé à une multitude de filtres 5, ceux-ci appartiennent avec les charges hyperfréquenceset les éléments de couplage au système électrodynamique 3, qui acquiert alors les propriétés d'un filtre coupe-bandes absorbeur avec une bande passante égale à la bande de travail de l'appareil hyperfréquence. la Fig. 3 est un graphique montrant l'affaiblissement N du système électrodynamique 3 en fonction du rapport f/f0 en- tre la fréquence f et la fréquence de travail ou la fréquence moyenne de la bande des fréquences de travail f. La valeur de l'affaiblissement N est exprimée en décibels et représente le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée; la courbe en traits discontinus 25 représente la valeur de l'affaiblissement N sans les filtres 5, et la courbe en trait plein 26 la valeur N de ce même système électrodynamique 3 avec les filtres 5. la valeur et le caractère de la relation entre la grandeur N et la fréquence est déterminé par le rapport en- tre le nombre de filtres coupe-bande 5, la valeur de leur cou- plage avec le système électrodynamique 3 et la grandeur du fac- teur de qualité en charge du filtre coupe-bande 5. A titre d'exemple, sur la Fig. 3 sont données les caracté- ristiques du système électrodynamique 3 d'un appareil électro- nique hyperfréquence amplificateur auquel sont raccordés trente filtres 5 avec un coefficient de couplage entre le filtre 5 et la cellule 2 inférieur à l'unité, ce coefficient étant déter- miné comme le rapport entre les impédances d'onde du filtre 5 et de la cellule 2. Lia courbe 26 montre que l'affaiblissement introduit dans le système électrodynamique 3 par les filtres 5 est pratique- ment nul dans la bande de fréquences utile. En dehors des limi- tes de la bande des fréquences de travail, des deux c8tés de cette dernière, l'affaiblissement augmente notablement. Le coefficient de forme rectangulaire de la caractéristi- que amplitude-fréquence K, qui caractérise les propriétés du système électrodynamique 3 en tant que filtre coupe-bande, est donné par la relation: oà a fi est la bande des fréquen- A f2 ces au niveau N=0,4 dB K fa & f2 est la bande de la zone de passage au niveau N=10 dB 246 137 1 Dans l'appareil hyperfréquence examiné, on emploie des filtres 5 à facteur de qualité en charge égal à dix, et K ne dépasse alors pas deux. La. valeur minimale NJmm de l'affaiblis- sement introduit par les filtres 5 dans la bande d'absorption est supérieure à 20 dB. Sur la Fig. 3 sont également représentées des courbes 27 et 28 donnant les relations entre le coefficient d'onde sta- tionnaire en tension K1 et le rapport entre les fréquences f/f0; la courbe 27 en traits interrompus représente K1 pour un système électrodynamique 3 sans filtres 5 et la courbe 28 en trait plein El pour un système électrodynamique 3 avec des fil- tres 5. Les courbes 27 et 28 mettent en évidence le fait que, dans la bande des fréquences de travail, la valeur K1 du sys- tème 3 avec des filtres 5 ne diffère pas de la valeur K1 d'un système 3 sans filtres 5. L'appareil électronique hyperfréquence à système électro- dynamique 19 à structure mince (Fig. 2) fonctionne de façon analogue. Pour supprimer les oscillations autres que celles de tra- vail dans une large bande de fréquences, la charge 20 du sys- tème électrodynamique 19 remplit deux rôles: elle sert de ré- sistance accordée avec la résistance de sortiedes filtres 5 dans une large bande de fréquences, et sert également au dé- couplage des filtres 5 voisins. Etant donné que le revêtement 13 absorbant l'énergie hyperfréquence possède un coefficient d'absorption de valeur réduite, pour faire croltre la bande de suppression des oscillations autres que celles de travail il faut accroître l'aire du revêtement absorbant 13. Ceci peut être réalisé en raccordant plusieurs filtres 5 à la charge com- mune 20. Ainsi, un même tronçon de la charge 20 absorbe l'éner- gie hyperfréquenceprovenant de deux filtres 5 et plus et, res- pectivement, l'aire active de la charge 20 diminue. Ceci, à son tour, entraîne une réduction du poids et de l'encombrement de l'appareil hyperfréquence. L'appareil électronique hyperfréquence proposé est insen- sible à la forme de la tension de modulation en régime de fonc- tionnement impulsionnel, il possède une haute stabilité de fonctionnement lorsque les paramètres de la charge hyperfré- quence varient dans de larges limites et est remarquable par sa longévité et sa fiabilité. Revendications 1- Appareil électronique hyperfréquence, comportant une cathode dont le faisceau électronique est dirigé dans l'espace délimité par la cathode et des cellules d'un système électrody- namique, cellules auxquelles sont raccordées en parallèle, par b l'intermédiaire d'éléments de couplage, des filtres séparés couplés électriquement à des absorbeurs d'énergie hyperfréquen- ce afin de supprimer les oscillations autres que les oscilla- tions de travail, caractérisé en ce que, en tant que filtres, 0 on utilise des filtres coupe-bande ayant une bande de coupure recouvrant le fréquence de travail ou la bande des fréquences de travail de l'appareil hyperfréquence, et en ce que, en tant qu'absorbeurs d'énergie hyperfréquence, on utilise des charges hyperfréquence à large bande réalisées sous la forme de tron- çons court-circuités d'une ligne de transmission à impédance d'ondes variable, à la surface desquels est appliqué un revê- tement absorbant l'énergie hyperfréquence, ce qui assure la suppression des oscillations non essentielles des deux côtés de la fréquence de travail ou de la bande des fréquences de travail de l'appareil hyperfréquence. 2 - Appareil électronique hyperfréquence selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte une multitude de filtres coupe-bande et, respectivement, une multitude de char- ges hyperfréquences à large bande dont chacune fait partie d'une cellule du système électrodynamique, qui assurent ensem- ble la suppression totale de toutes les oscillations autres que celles de travail. 3 - Appareil électronique hyperfréquence selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que dans le cas d'un système élec- trodynamique à structure mince, les filtres coupe-bande sont disposés de manière à ce que la périodicité de leur disrosi- tion soit inférieure à la dimension transversale d'un filtre, que les charges hyperfréquencesà'large bande étant réalisées comme un tout et étant accouplées à au moins une partie des filtres, tandis que le revêtement d'absorption est appliqué sur un tronçon de la ligne de transmission entre les points de raccordement des filtres voisins.