Brevet FR2489588A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne des tubes à ondes progressives utilisant des circuits d'interaction du type dérivé d'hélice. Plus particulièrement, elle concerne l'é- galisation de la variation du gain sur une large bande de fréquencesde tels tubes. Il est connu de réduire la variation de gain avec la fréquence dans les tubes à ondes progressives à large bande en incorporant un atténuateur dans la ligne de trans- mission du signal. Les brevets américains n0 3 548 344, 3 510 720 et 3 414 844 dont les deux premiers appartiennent à la Demanderesse, illustrent de tels dispositifs d'égalisa- tion de gain utilisant des circuits résonnants ou les pro- priétés de sensibilité à la fréquence des lignes de trans- mission. Ces dispositifs d'égalisation qui sont générale- ment connectés en série à l'entrée du tube à ondes progres- sives, extérieurement à l'enveloppe sous vide dudit tube sont de fabrication onéreuse en dehors du fait qu'ils sont désavantageux du point de vue de la densité de bruit produi- te à la sortie du tube. Etant donné que le signal est atté- nué avant d'être amplifié, de telles combinaisons dispositif d'égalisation-amplificateur sont incapables d'influencer la densité d'énergie de bruit à la sortie du tube bien qu'elles puissent réduire avec succès la variation globale de gain. Cette technique fait en sorte que le rapport d'ondes station- naires de la tension d'entrée de la combinaison est moins bon que celui du tube seul et elle provoque généralement un accroissement de la pente du gain de l'amplificateur ou de l'amplitude d'ondulation. Des dispositifs d'égalisation sans gain en vue de l'atténuation des ondes, qui doivent être placés à l'intérieur des tubes à ondes progressives, ont été décrits par exemple au brevet américain no 4 158 791 appartenant à la Demanderes- se ainsi qu'aux brevets américains n0 3 368 103 et 3 397 339. Ces inventions découlent de la fixation de plusieurs bandes métalliques ou bandes d'atténuation de pertesau voisinage de l'hélice en utilisant un élément résistif constitué par une couche conductrice discontinue entre l'hélice et les ti- ges de support, et ensuite de l'utilisation d'atténuateursde pertes rendus résonnants à une fréquence pour laquelle le déphasage est de 1800 par tour d'hélice. Cependant, toutes les inventions concernaient principalement les problèmes qui apparaissent avec les instabilités et les oscillations à des fréquences voisines des bords de bande du circuit lorsque la vitesse du groupe d'ondes devient très faible et que l'impédance d'interaction devient importantede fa- çon correspondante. Pour cette raison, ces dispositifs étaient conçus pour réduire les pertes en énergie du cir- cuit à l'intérieur de la bande passange et ceci nécessi- tait que l'atténuation résultante soit rendue dépendante de façon sélective de la fréquence, en ayant une caracté- ristique de résonances relativement étroite. Ainsi, ilsne convenaient pas en tant que dispositifsd'égalisation de gain. L'invention vise à créer un tube à ondes progres- sives du type à hélice qui présenterait des variations de gain réduitesen fonction de la fréquence. L'invention vise également à créer un dispositif d'égalisation de gain pour un tube à ondesprogressivesdu type à hélice, incorporé à l'intérieur de la structure du tube. L'invention vise en outre à créer un dispositif d'égalisation de gain pour un tube à ondes progressives du type à hélice qui réduise la densité d'énergie de bruit produi- te à la sortie du tube. Les objectifs précités sont atteints en créant à l'intérieur de l'enveloppe sous vide d'un tube à ondes progressives du type à hélice, une ligne de trans- mission à texninaisons, non résonante, d'égalisation d'ondes len- tes, qui couple l'énergie vers ou à partir du circuit d'in- teraction (hélice) et qui absorbe l'énergie provenant de celle-ci de façon sélective en fréquence. Un mode approprié d'appliquer cette technique est de déposer par photogravure ou autre procédé, une ligne de transmission du type à méan- dressur une ou plusieurs tiges supports diélectriques uti- lisées pour monter le circuit d'interaction du tube à l'in- térieur de l'enveloppe sous vide, chacune des lignes de transmission du type à méandres étant terminée de façon à être sans réflexion par exemple en déposant du carbone pyrolytique à chaque extrémité. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, - la Fig.1 est une coupe schématique suivant l'axe d'un tube à ondes progressives utilisant un circuit en hé- lice; - la Fig.2 est une coupe perpendiculaire à l'axe du tube à ondes progressives de la Fig.1; - la Fig.3 est une coupe semblable de la Fig.2 représentant un autre mode de réalisation de l'invention; - la Fig.4 est une vue à plus grande échelle d'une partie d'un tube à ondes progressives semblable à celui de la Fig.1, comportant un autre type de ligne de transmis- sion; - la Fig.5 montre des courbes typiques de la vi- tesse de phase du circuit du mode de réalisation préféré du dispositif de l'invention; et - la Fig.6-est une illustration typique du gain et de l'atténuation pour un petit signal du dispositif de l'invention ainsi que du gain résultant égalisé en fonc- tion de la fréquence. La Fig.1 est une coupe schématique simplifiée d'un tube à ondes progressives auquel est incorporée la présente invention. Un faisceau d'électrons est produit à partir d'une cathode thermoionique 1C0 telle qu'une cathode classi- que en tungstène imprégnée.La cathode 10 est par exemple de forme circulaire concave et supportée par une embase 12 au moyen d'un élément de support 13 conducteur de l'é- lectricité mais isolant thermique. Une électrode de focali- sation 14 entourant la cathode 10 est également supportée par l'embase 12. La cathode 10 est chauffée par rayonnement à partir d'un filament chauffant 15, par exemple un fil de tungstène isolé à l'aide d'un revêtement d'alumine. Une branche 16 de l'élément chauffant 15 est reliée à l'embase 12 et l'autre branche 18 est reliée à l'extérieur à travers l'enveloppe sous vide en vue d'une connexion-externe, par l'intermédiaire d'un joint isolant 20. L'embase 12 est scellée à l'enveloppe principale sous vide 22 par un isola- teur à haute tension 24. A l'intérieur de l'enveloppe 22 une électrode d'anode en saillie 26 actionnée par un poten- tiel continu positif par rapport à la cathode 10 extrait le faisceau d'électron 28 de la cathode 10 en le faisant converger par une ouverture 29 qu'elle comporte et en le dirigeant sous la forme d'un faisceau cylindrique. Au-delà de l'anode 26, le faisceau 28 est maintenu focalisé par un champ magnétique axial produit par un solénoïde ou par un dispositif à aimant permanent ( non représenté). Le fais- ceau 28 passe à l'intérieur d'un circuit d'interaction à ondes lentes 30 qui est conçu de manière à propager une on- de électromagnétique à une vitesse à peu près synchro- ne avec la vitesse du faisceau d'électrors28. Le circuit peut être constitué par un fil ou un ruban métallique de section rectangulaire enroulé en hélice. Il peut être en outre séparé en deux tronçons (comme représenté à la Fig.1) ou plus. Le circuit 30 est supporté selon sa lon- gueur par plusieurs tiges diélectriques 32 s'étendant axia- lement, par exemple en nitrure de bore déposé par pyrolyse ou en céramique d'alumine. Le support peut être maintenu par des moyens purement mécaniques ou bien les tiges 32 peuvent être liées au circuit 30 par collage ou par brasage. Les tiges de support 32 sont maintenues mécaniquement à l'in- térieur d'une portion cylindrique 34 de l'enveloppe sous vide. Les tiges de support 32 peuvent être constituées par des cylindres de section circulaire qui conviennent pour les tubes à ondes progressives à faible puissance ou bien lorsqu'il s'agit de tubes à puissance élevée, elles peuvent être, comme représenté à la Fig.2, de section transversale rectangulaire, avec des surfaces extérieures incurvées pour s'adapter à l'hélice et à l'enveloppe tubulaire en vue d'une meilleure conduction thermique. Les extrémités de l'hélice 30 sont connectées à des lignes de transmission extérieures par des chevilles métalliques 36, 40 soudées aux extrémités de l'hélice 30 et s'étendant à travers l'en- veloppe sous vide 34 par l'intermédiaire de joints diélec- triques isolants 38,42. Dans un amplificateur à tubes à ondes progressives, à ondes directes, le signal d'entrée serait appliqué à une borne d'entrée 36 et la sortie de l'amplificateur serait prélevCepar la borne de sortie 40. Si l'hélice 30 est divisée en tronçons, comme représenté à la Fig.1, les extrémités qui ne sont pas connectées à la borne d'entrée 36 ou la borne de sortie 40, sont connectées à l'enveloppe sous vide 34 par l'intermédiaire de barrettes métalliques 54 ou par tout autre moyen approprié. Dans un tel cas, les tiges de support 32 sont également coupées en des tronçons correspondants, l'extrémité coupée de ces tron- çons étant rendue non réfléchissante, par exemple en plaçcant sur cellîCci un dépôt de susbtances dissipatives 53. Après avoir quitté l'hélice 30, le faisceau d'électrors28 pénètre à l'intérieur d'un collecteur métallique creux 44 et le cou- rant est prélevé par une alimentation en énergie extérieure (non représentée). Le collecteur 44 est monté sur l'envelop- pe 34 par l'intermédiaire d'un joint diélectrique 46 étan- che au vide, par exemple en céramique d'alumine, complétant ainsi l'enveloppe sous vide. Sur au moins une des tiges de support 32, se trou- ve une ligne de transmission non résonnante d'égalisation des ondes lentes. Comme représenté à la Fig.1, les tiges de support 32 ne sont pas empêchées de porter deux ou plu- sieurs lignes de transmission d'égalisation chacune. En ou- tre, sur la Fig.1, des lignes de transmission d'égalisation sont représentées comme des lignes en méandres50 formées de bandes conductrices qui sont fixées sur la surface de la tige de support 32 et terminées à chaque extrémité par un dépôt 51 d'une pellicule dissipative, par exemple en car- bone pyrolytique. Un moyen approprié pour appliquer cette technique est de déposer un matériau conducteur et de for- mer la ligne en méandre par la technique de la photogravure. Le pas de la ligne en méandreset sa proximité par rapport au circuit d'interaction 30 sont réglés de manière que sa vitesse de phase, sa dispersion et son facteur de couplage présentent des valeurs appropriées ainsi que cela va être exposé de manière plus complète ci-après. A la Fig.2, la ligne de transmission d'égalisation est représentée comme se trouvant sur la surface d'une tige de support diélectrique 32. La Fig. 3 montre un autre mode de réalisation dans lequel la ligne de transmisssion d'égalisation 50' est portée par une tige de support diélec- trique indépendante 52 qui à son tour est supportée à l'in- térieur de l'enveloppe 34. Cette construction est avantageu- se en ce que la surface supportant la ligne de transmission 50' peut être rendue plus importante et que la ligne de transmission 50' peut être placée plus près de l'hélice 30'. La Fig.4 montre un autre mode de réalisation de la ligne de transmission d'égalisation 56. Ici, une petite hélice métallique, par exemple, en fil de tungstène, est fixée sur une tige de support 32" par exemple, par collage. Le circuit en hélice à ondes lentes 56 est rendu non réflé- chissant, par exemple par un dépôt de carbone pyrolytique 51" à chacune de ses extrémités. Les principes mis en oeuvre dans l'égalisation de la variation du gain seront maintenant expliqués en ré- férence aux Fig.5 et 6. A la Fig.5, un exemple typique de la relation de dispersion, c'est-à-dire la relation fonc- tionnelle entre la vitesse de phase et la fréquence d'un circuit d'interaction 30 est représentée par la courbe 64. Dans le cas d'un circuit non dispersif, la courbe serait naturellement horizontale et droite. La courbe 65 montre un exemple de la relation de dispersion d'une ligne de trans- mission non résonnante, telle que la ligne 50 de la Fig.l. En vue d'égaliser la variation de gain, les lignes de transmission 50 sont réglées en tenant compte des carac- téristiques de performancesdu circuit d'interaction 30, de sorte que les deux courbes 64 et 65 se coupent à l'intérieur de la bande passante du circuit d'interaction 30, ou au voi- sinage du centre de celle-ci. Le point d'intersection déter- mine la fréquence à laquelle le couplage est le plus fort entre le circuit d'interaction 30 et la ligne de transmis- sion-50. Le couplage est par exemple réalisé au mode de fonc- tionnement ou au mode fondamental afin d'égaliser la varia- tion de gain. Ainsi, le couplage est assuré de façon sélec- tive en fréquence et l'énergie est généralement couplée à partir de la ligne de transmission principale à des fréquen- ces faibles et elle est absorbée dans la terminaison 51 de la ligne, tandis qu'aux fréquences élevées, les signaux dé- couplés sont ramenés à la ligne de transmission principale sans réduire le gain au bord supérieur de la bande. Une conséquence tvzpicue d'un tel réglage est illus- trée à la Fig.6. La courbe 67 de cette figure, représente une dépendance de la fréquence particulière du faible gain de signal sans égalisation, tandis que la courbe 68 repré- sente l'atténuation résultant du signal couplé à la ligne de transmission d'égalisation 50. La courbe 69 est le résul- tat du gain de faible signal global du tube à ondes progres- sives à auto-égalisation. On notera la réduction considéra- ble de la variation du gain sur une large bande de fréquen- ces. Il est évident pour les spécialistes de la techni- que que de nombreux autres modes de réalisation de l'in- vention sont possibles, sans sortir de son cadre. Par exem- ple, plusieurs formes de circuit d'interaction pour ondes lentes dérivées d'hélices seraient appropriées. On peut ci- ter la boucle en anneau ou l'hélice à enroulement croisé, des hélices à pas multiples,etc. La ligne de transmission d'égalisation non résonnante peut être réalisée sous un grand nombre de formes et elle peut être déposée par un procédé quelconque bien connu de dépôt d'un réseau métallisé sur un corps en céramique. Dans certains cas, par exemple, lors- que le dispositif peut ne pas être compact, la ligne de transmission 50 peut être placée à l'extérieur de l'enveloppe sous vide 34, si l'enveloppe n'est pas métalli- que. REVENDICATIONS 1. Tube à ondes progressives présentant une varia- tion de gain réduite sur la bande passante, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'interaction (30) du type à hélice, un élément diélectrique allongé (32) et une ligne de transmission d'égalisation non résonnante couplée (50) fixée audit élément diélectrique allongé (32). 2. Tube suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission (50) présente des terminaisons (53). 3. Tube suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission est adaptée pour coopérer avec ledit circuit d'interaction (30) afin d'absorber l'énergie provenant dudit circuit d'in- teraction et retournant à celui-ci de façon sélective en fréquence. 4. Tube suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission (30) et ledit élément diélectrique allongé (32) s'étendent en direction axiale dudit tube. 5. Tube suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission (50) est réaliséesous forme d'une ligne en méandres.- 6. Tube suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite ligne en méandresest un réseau métallisé sur ledit élément diélectrique allongé (32). 7. Tube suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau de ladite ligne en méandresest déposé et en ce que ladite ligne en méandresest formée par photogravu- re. 8. Tube suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission (30) est une ligne non réfléchissante. 9. Tube suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dépôt de carbone pyrolytique (53) à chaque extrémité de la ligne de transmission à termi- naisons. 10. Tube suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément diélectrique allongé (32) supporte ledit circuit d'interaction du type en hélice. 11. Tube suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe sous vide (34), ledit élément diélectrique allongé (32) étant disposé à l'intérieur de ladite enveloppe sous vide. 12. Tube suivant la revendication 11, caractérisé en ce que ladite enveloppe sous vide (34) est métallique. 13. Tube suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'intérieur de ladite enveloppe est un cylindre droit de section circulaire. 14. Tube suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la ligne de transmission est fixée audit élément diélectrique allongé (32) isolé de ladite enveloppe (34). 15. Tube suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit d'interaction et ladite ligne de transmission sont dispersifs. 16. Tube suivant la revendication 15, caractérisé en ce que ledit circuit d'interaction et ladite ligne de transmission présentent une fréquence de couplage maximal à l'intérieur de la bande passante dudit tube. 17. Tube à ondes progressives, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison, une enveloppe sous vide (34), un circuit d'interaction (30) du type à hélice à l'intérieur de ladite enveloppe et des moyens comportant une ligne de transmission non résonnante (50) adjacente audit circuit d'in- teraction (30) et absorbant ladite énergie de façon sélecti- ve en fréquence. 18. Tube suivant la revendication 17, caractérisé en ce que le circuit d'interaction et la ligne de transmis- sion sont dispersifs. 19. Tube suivant l'une quelconque des revendica- tions 17 ou 18, caractérisé en ce que ladite ligne de trans- mission présente des terminaisons. 20. Tube suivant l'une quelconque des revendica- tions 17 et 18, caractérisé en ce que lescaractéristiques de couplage entre ledit circuit d'interaction (30) et ladite ligne de transmission (50) sont réglées de manière que les vitesses de phase dudit circuit d'interaction et de la li- gne de transmission soient égales au voisinage de la fré- quence moyenne de la bande de fonctionnement dudit circuit d'interaction et différentes à d'autres fréquences dans ladite bande de fonctionnement. 21. Tube suivant la revendication 17, caractérisé en ce que ladite ligne de transmission est à l'intérieur de ladite enveloppe sous vide. 22. Tube suivant la revendication 17, caractérisé en ce que ladite enveloppe est métallique. 23. Tube à ondes progressives, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit d'interaction (30) du type à hé- lice à ondes lentes en vue d'une interaction avec un fais- ceau linéaire d'électrons sur une bande choisie de fréquen- ces, un élément diélectrique, s'étendant dans la direction dudit faisceau, et une ligne de transmission (50) non ré- sonnante, à terminaisons associée avec l'élément diélectri- que (32) et couplée au circuit d'interaction pour atténuer des fréquences inférieures choisies dans ladite bande tout en n'affectant pas les fréquences élevées, de sorte que le gain des tubes dans ladite bande de fréquences est égalisé.