Brevet FR2486710A1 — publié le 19820115

1. La présente invention concerne un tube à ondes pro- gressives du type à cavités couplées, et plus particulière- ment, une structure d'extrémité non réfléchissante pour un circuit à ondes lentes d'un tel tube. De façon générale, un tube à ondes progressives ou à propagation d'ondes du type à cavités couplées comprend un canon à électrons pour projeter et former un faisceau d'élec- trons, un circuit à ondes lentes du type à cavités couplées dans lequel une onde électromagnétique interagit avec le faisceau d'électrons et se trouve ainsi simplifiée, un moyen d'extrémité non réfléchissante pour diviser le circuit à on- des lentes vis-à-vis d'une onde haute fréquence et empêcher des oscillations, un collecteur pour capturer les électrons ayant fini d'interagir avec l'onde électromagnétique et pour dissiper l'énergie calorifique absorbée, et un dispositif de focalisation pour maintenir le diamètre du faisceau d'élec- trons à une dimension fixe déterminée le long du circuit à ondes lentes. Il est connu d'utiliser comme dispositif de foca- lisation dans un tube à ondes progressives du type à cavités couplées un électro-aimant ou un système d'aimant permanent périodique (PPM) composé d'un réseau périodique alterné d'ai- mants permanents et de pièces polaires. Parmi ces disposi- tifs de focalisation, celui utilisant un système d'aimant 2. permanent périodique (PPM) est le plus couramment utilisé en raison-de ses capactéristijqIes de compacité et de faible poids et en rai- son du fait queil permet de s'affanchir d'une source de puissance néces- saire par ailleurs à l'excitation d'un électro-aimant. L'utilisation d'un système d'aimant PPM comme dis- positif de focalisation dans un tube à ondes progressives du type à cavités couplées, soulève toutefois un certain nom- bre de problèmes. Le problème majeur réside dans le fait que l'intensité de champ magnétique nécessaire pour focaliser un faisceau d'électrons suivant un -diamètre fixe déterminé est essentiellement imposé par le diamètre interne des piè- ces polaires, et, dans le cas o on réalise indépendamment un système d'aimant PPM pour un circuit à ondes lentes du type à cavités couplées, le diamètre interne des pièces po- laires du système d'aimant PPM est limité par le diamètre des cavités du circuit à cavités couplées, d'o il s'en suit des difficultés certaines pour obtenir l'intensité de champ ma- gnétique nécessaire pour focaliser le faisceau électronique. Il est tout particulièrement difficile d'obtenir l'intensité de champ magnétique nécessaire au niveau d'une section d'en- tree de guide d'onde pour guider une onde électromagnétique d'entrée vers le circuit à ondes lentes du type à cavités couplées, de même qu'au niveau d'une section de sortie de guide d'onde pour dériver vers l'extérieur une onde élec- tromagnétique depuis le circuit à ondes lentes progressives du type à cavités couplées, ainsi qu'également au niveau d'une section d'extrémité non réfléchissante pour cloison- ner le circuit à ondes lentes du type à cavités couplées vis-à-vis d'une onde haute fréquence, du fait qu'au moins un des aimants du système d'aimant PPM doit généralement être supprimé au niveau de ces différentes sections. Les problè- mes touchant à l'aménagement des sections d'entrée et de sortie d'un guide d'onde peuvent être résolus par la tech- nique décrite, par exemple, dans la demande de brevet amé- ricain Serial n0 137.799 du 7 avril 1980. On n'a toutefois pas proposé jusqu'à présent de solution au problème posé par l'aménagement de sections d'extrémité non réfléchissantes. 3. La revue Siemens Review, volume 4, nc 2, pages 60 à 68 décrit, notamment en relation avec la figure 1, une tentative d'approche pour éviter la suppression d'.un aimant du système d'aimant PPM au niveau de la section d'extrémité non réfléchissante, c'est-à-dire pour éviter les imperfec- tions afférentes du système d'aimant PPM au niveau de cette section d'extrémité non réfléchissante. Sur la figure 1 de ce document, deux corps en céramique dissipative en forme de coin sont aménagés pour former une extrémité non réflé- chissante pour une onde progressant vers l'avant, deux corps similaires étant également aménagés pour former une extré- mité non réfléchissante pour une onde progressant vers l'arrière. Les corps en céramique dissipative en forme de coin appelés atténuateurs sont disposés de façon à s'éten- dre sur plusieurs cavités pour tenter d'améliorer les ca- ractéristiques d'adaptation d'impédance. Cette tentative d'approche présente toutefois un inconvénient tenant au fait que les corps en céramique dissipative sont de facto placés dans des cavités résonantes, modifiant ainsi grandement l'impédance du circuit et rendant l'adaptation extrêmejment difficile. Le brevet américain "Reissue" n0 25,329 décrit une autre approche, notamment en relation avec la figure 2, consistant à disposer dans une cavité deux corps dissipatifs ayant la même configuration en section transversale que la forme du trou de couplage dans le circuit à ondes lentes, un de ces corps intéressant les ondes progressant vers l'avant, l'autre corps intéressant les ondes progressant vers l'arrière. Dans cette approche également, l'aménagement des corps dissipatifs provoque des variations brutales im- portantes de l'impédance du circuit à ondes lentes, d'o il s'en suit des difficultés notables pour obtenir des bonnes caractéristiques d'adaptation. La présente invention a précisément pour objet de proposer un tube à ondes progressives du type à cavités couplées, comprenant un circuit à ondes lentes avec une sec- tion d'extrémité non réfléchissante pourvue dtun système 4. d'aimant PPM, permettant d'éviter la suppression d'un ai- mant dans ce système PPM tout en augmentant les caractéris- tiques d'adaptation. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, deux circuits à ondes lentes progressi- ves du type à cavités couplées sont physiquement séparés pour former entre eux une section d'espace de glissement dans laquelle un faisceau électronique et une onde électro- magnétique n'interagissent pas l'un avec l'autre sur une cer- taine longueur, et une structure d'extrémité non réfléchis-- sante du type guide d'onde, comprenant un axe de guidage d'onde dirigé dans la même direction que le faisceau d'élec- trons et couplée aux circuits à ondes lentes du type à cavi- tés couplées vis-à-vis d'une onde à haute fréquence, est disposée dans cette section d'espace de glissement. Avec un tel arrangement, on réalise ainsi un tube à ondes progres- sives du type à cavités couplées avec un système d'aimant PPM de focalisation,comprenant une extrémité non réfléchis- sante, et parfaitement adapté en impédance. La structure d'extrémité non réfléchissante du ty- pe à guide d'onde comprend typiquement un élément de guide d'onde ayant un trou traversant pour le passage d'un fais- ceau d'électrons et deux guides d'onde formés sur les côtés opposés du trou traversant, un élément dissipatif en cérami- que pour une onde progressant vers l'avant disposé dans l'un des deux guides d'onde et un élément dissipatif en cé- ramique pour une onde progressant vers l'arrière disposé dans l'autre guide d'onde. Dans un mode de réalisation pré- féré, les deux guides d'onde ont leurs premières extrémités respectives fermées de façon étanche et les éléments de cé- ramique en biseau absorbant les ondes progressant vers l'avant et vers l'arrière sont fixés sur les parois des gui- des d'onde respectifs. Une onde électromagnétique entrant dans le guide d'onde depuis son extrémité ouverte est parfai- tement absorbée par l'élément en céramique dissipative cor- respondant lors de sa propagation dans le guide d'onde. Un exemple typique d'une telle céramique dissipative est à base 5. de béryllium contenant du carbone. La longueur des éléments de céramique dissipative diffère selon la bande de fréquence utilisée et est de préférence de l'ordre d'une longueur d'onde. Ainsi, pour un tube à ondes progressives fonctionnant dans la bande 14 GHz, les éléments de céramique ont une lon- gueur de 15 à 20 mm. D'autres caractéristiques et avantages de la présen- te invention ressortiront de la description suivante de mo- des de réalisation, donnés à titre illustratif mais nulle- ment limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une section d'extrémité non réfléchissante dans un circuit à on- des lentes du type à cavités couplées selon un premier mode de réalisation de l'invention; Les figures 2 et 3 sont des coupes transversales sui- vant les flèches A-A' et B-B' de la figure 1, respective- ment; La figure 4 est une coupe longitudinale d'un second mode de réalisation de l'invention; et La figure 5 est un diagramme montrant les caracté- ristiques de réflexion d'une extrémité non réfléchissante selon l'invention. La figure 1 représente une structure d'extrémité non réfléchissante dans un tube à ondes progressives du type à cavités couplées selon la présente invention. La réalisation des autres sections du tube à ondes progressives à cavités couplées est identique ou similaire à celles rencontrées habituellement dans les tubes de ce type, de sorte qu'on en omettra ici une description détaillée, inutile pour l'homme de métier. Sur la figure 1, on voit une pluralité de cavités résonantes 3 séparées par des cloisons 4 présentant chacune un trou traversant central 10 pour le passage d'un faisceau d'électrons, ces cavités étant couplées l'une à l'autre dans une enveloppe sous-vide 9 et formant ainsi un circuit à on- des lentes.Dans la zone médiane do ce circuit à ondes len- tes est disposé un élément de guide d'onde 8 pourvu d'élé- ments absorbeurs d'onde électromagnétique, en l'espèce des 6. corps en céramique dissipative 6 et 7, pour former une extré- mité non réfléchissante dans le tube. La référence 4 5 dési- gne les parois périphériques externes des cavités, des trous de couplage d'onde électromagnétique Il étant en outre for- més dans les différentes cloisons de séparation 4 pour per- mettre la propagation d'une onde électromagnétique depuis la gauche vers la droite. sur la figure 1, au travers de ces trous de couplage 11. Le long de la périphérie externe de l'enveloppe sous vide 9 est disposé un système d'aimant permanent périodique (PPM-) dans lequel les aimants perma- nents 1 et les pièces polaires 2 sont répartis suivant un réseau alterné pour focaliser le faisceau d'électrons cen- tral 12. La structure d'extrémité non réfléchissante est représentée plus en détail sur les figures 2 et 3. Cette ex- trémité non réfléchissante est constituée de l'élément de guide d'onde 8 et des corps en céramique dissipative 6 et 7. L'élément de guide d'onde 8 est constitué d'un élément de cuivre à section circulaire présentant un trou traversant central pour le passage du faisceau d'électrons et de deux guides d'onde 20 et 21 formés respectivement sur les côtés opposés de ce trou traversant et ayant sensiblement la même configuration en coupe transversale que les trous de coupla- ge d'onde électromagnétique 11 dans les cloisons 4 entre les cavités résonantes 3 et s'étendant dans la direction axiale du tube. Le premier guide d'onde 20, intéressant une onde progressant vers l'avant dans l'élément de guide d'onde 8 (c'est-à-dire dans la direction normale de pro- pagation des ondes lentes) est fermé à son extrémité droi- te (sur la figure 1) tandis que l'autre guide d'onde 21,in- téressant une onde progressant vers l'arrière, est fermé à son extrémité gauche. Corrélativement, l'élément de cérami- que dissipative 6 pour l'onde progressant vers l'arrière est monté dans le guide d'onde 21, tandis que l'élément de céramique dissipative 7 intéressant l'onde progressant vers l'avant est monté dans le guide dionde 20, En se reportant de nouveau à la figure 1, on sup- 7. pose que le fasiceau électronique est généré, de la gauche, par un canon à électrons (non représenté) pour être dirigé vers un collecteur (non représenté) sur le côté droit du tu- be, le faisceau d'électrons 12 émis par le canon à électrons, passant par les trous centraux 10, intéragit avec l'onde électromagnétique progressant au travers des trous de coupla- ge d'ondes électromagnétiques 11 entre les cavités résonan- tes 3 de la gauche vers la droite, le faisceau d'électrons 12 se trouvant ainsi modulé et l'onde électromagnétique amplifiée. L'onde électromagnétique arrivant au niveau de l'extrémité non réfléchissante pénètre dans le guide d'onde et est entièrement absorbée par l'élément de céramique dissipative 7 absorbeur d'onde progressant vers l'avant. Quoique l'onde électromagnétique amplifiée soit entièrement absorbée par l'extrémité non réfléchissante, le faisceau d'électrons 12 passant au travers de cette extrémité non ré- fléchissante et qui a déjà été modulé par l'onde électroma- gnétique amplifiée, induit une onde électromagnétique dans les cavités résonantes 3 au-delà de l'extrémité non réflé- chissante, cette onde électromagnétique induite étant à son tour amplifiée par interaction avec le faisceau d'élec- trons 12. L'onde électromagnétique amplifiée est éventuelle- ment dérivée vers l'extérieur au travers d'un guide d'onde de sortie (non représenté). S'il existe une inadaptation d'impédance au ni- veau des extrémités de sortie,,il se crée une onde électro- magnétique progressant vers l'arrière depuis le côté collec- teur, rétro-activement vers le canon à électrons. Cette on- de électromagnétique progressive vers l'arrière, c'est-à-dire réfléchie, est, quant à elle, entièrement absorbée par l'élé- ment de céramique dissipative 6 absorbeur d'onde progressant vers l'arrière dans l'élément de guide d'onde 21 de l'extré- mité non réfléchissante. Comme mentionné plus haut, une ex- trémité non réfléchissante est toujours constituée d'une ex- trémité non réfléchissante pour une onde progressant vers l'avant et d'une extrémité non réfléchissante pour une onde progressant vers l'arrière. Dans le mode de réalisation re- 9. les configurations des trous de couplage d'onde électromagné- tique 11 au voisinage de l'extrémité non réfléchissante. Comme précédemment mentionné, du béryllium contenant du carbone convient tout particulièrement pour la réalisa- tion de la céramique dissipative des éléments absorbeurs 6 et 7,la longueur de ces éléments de céramique dissipative étant déterminée pour être sensiblement égale à une longueur d'onde. De ce fait, la longueur des éléments de céramique dissipative diffère selon la fréquence de l'onde électroma- gnétique pour laquelle le tube est mis en oeuvre.Dans le tube à onde progressive représenté, fonctionnant à 14 GHz,la lon- gueur de ces éléments de céramique dissipative est choisie entre 15 et 20 mm. Le point important de la présente invention réside dans le fait que l'extrémité non réfléchissante formée par la paire de guides d'onde 20 et 21, avec aménagement, dans ceux-ci, d'éléments de céramique dissipative 7 et 6, peut être entièrement disposée dans l'enveloppe à vide 9. Il s'en suit donc, qu'il n'est pas nécessaire, pour un tube à ondes progressives du type à cavités couplées utilisant une extré- mité non réfléchissante selon l'invention, de supprimer par- tiellement un ou plusieurs aimants du système de focalisa- tion PPM, permettant ainsi une parfaite focalisation du fais- ceau d'électrons tout au long du tube. L'extrémité non ré- fléchissante selon l'invention peut bien évidemment être uti- lisée dans un tube à ondes progressives utilisant un électro- aimant de focalisation. Dans le second mode de réalisation représenté sur la figure 4, les éléments identiques ou analogues sont repé- rés par les mêmes chiffres de référence. Dans ce mode de réalisation, la référence 13 désigne des tiges métalliques d'adaptation d'impédance., En général, il est souhaitable que la longueur L d'une extrémité non réfléchissante montée dans un tube à on- des progressives du type à cavités couplées,et divisant ce tube,soit la plus petite possible, Toutefois, cette longueur L est trop petite, les caractéristiques dtadaptation d'impé- 24867 1 0 8. présenté, l'extrémité non réfléchissante constituée de l'élément de céramique dissipative 7 et du guide d'onde 20 est l'extrémité non réfléchissante pour l'onde progressant vers l'avant, l'autre extrémité non réfléchissante formée de l'élément de céramique dissipative 6 et du guide d'onde 21 étant l'extrémité non réfléchissante pour l'onde progres- sant vers l'arrière. Ces deux extrémités non réfléchissantes sont disposées dans des positions diamétralement opposées par rapport à l'axe défini par le faisceau 12. L'élément de cé- ramique dissipative 7 pour l'onde progressant vers l'avant et l'élément de céramique dissipative 8 pour l'onde progres- sant vers l'arrière sont fixés par leurs côtés sur les élé- ments de guide d'onde respectives 20 et 21, dans l'enveloppe à vide 9, par exemple par un procédé d'alliage, de façon à dissiper effectivement vers l'extérieur la chaleur engendrée dans l'extrémité non réfléchissante. Les extrémités ouvertes des éléments de guide d'onde 20 et 21 de l'extrémité non réfléchissante sont repré- sentées sur les figures 2 et 3. Si la configuration de l'ex- trémité ouverte est déterminée de façon à être identique à celle des trous de couplage d'onde électromagnétique 11 dans les cloisons adjacentes de séparation 4 entre les cavités résonantes 3, l'extrémité non réfléchissante peut être en elle-même adaptée en impédance avec les circuits à ondes lentes adjacents qu'elle sépare, ce qui permet de réaliser une extrémité non réfléchissante d'un tube à ondes progres- sives du type à cavités couplées ayant des caractéristiques d'adaptation d'impédance remarquables sans modifier la struc- ture des cavités résonantes 3 au voisinage de l'extrémité non réfléchissante pour réaliser cette adaptation d'impédance et sans devoir supprimer, à son niveau, un ou plusieurs éléments du système d'aimant PPM. On notera que, même si les configu- rations en section transversale des-extrémités ouvertes des guides d'onde 20 et 21 de l'extrémité non réfléchissante sont légèrement différentes de celles des trous de coupla- ge 11 dans les cloisons de séparation 4, il est possible de réaliser l'adaptation d'impédance en modifiant légèrement 10. dance peuvent être notablement détériorées. Dans le mode de réalisation représenté sur la figu- re 4, un élément de céramique-dissipative 7' d'absorption d'onde progressant vers l'avant et un élément de céramique dissipative 6' d'absorption d'onde progressant vers l'arriè- re sont montés dans l'élément de guide d'onde 8 suivant ses côtés internes faisant face au faisceau d'électrons 12. Des tiges métalliques ayant des longueurs variables sont dispo- sées dans la paroi de l'élément de guide d'onde 8 du côté de l'enveloppe à vide 9, de sorte que même si la longueur L de l'extrémité non réfléchissante s'avère relativement fai- ble, des bonnes caractéristiques d'adaptation d'impédance peuvent être obtenues en réglant la longueur des tiges métal- liques 13. Une caractéristique de réflexion d'une extrémité non réfléchissante selon le premier mode de réalisation de la figure 1 de l'invention est représentée sur la figure 5. La fréquence de fonctionnement est indiquée-en GHz en abscis- ses, la perte d'énergie électromagnétique provoquée par la réflexion provenant du circuit à onde lente et par l'extré- mité non réfléchissantec'est-à-dire la perte dite "de retour" est indiquée en dB en ordonnées. Comme on -le voit bien sur la figure 5, l'extrémité non réfléchissante selon la présente invention peut fonctionner efficacement sur une-gamme de fré- quences relativement large avec une faible perte de retour. Ainsi, dans un mode de réalisation concret, l'extrémité non réfléchissante peut fonctionner de 14 à 16 GHz avec une per- te de retour inférieure à environ -15 dB, et de 14 à 15 GHz avec une perte de retour ne dépassant pas -20 dB. Quoique la présente invention ait été décrite en re- lation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. - 2486710 11. REVENDICATIONS 1 - Tube à ondes progressives du type à cavités cou- plées comprenant un canon à électrons, un collecteur, un dispositif de focalisation de faisceau d'électrons, une plu- ralité de circuits à ondes lentes du type à cavités couplées et au moins une extrémité non réfléchissante comprenant des corps absorbeurs en matériau dissipatif, caractérisé en ce que deux de ces circuits à ondes lentes du tube sont séparés l'un de l'autre pour former entre eux un espace de glisse- ment de faisceau d'électrons, au moins un moyen d'extrémité nonréfléchissante comprenant un moyen de guide d'onde non réfléchissant (8; 6, 7) disposé dans l'espace de glissement de faisceau d'électrons, l'axe du moyen de guide d'ondes étant dirigé dans la même direction que le faisceau d'élec- trons (12) dans le tube, le moyen de guide d'onde non réflé- chissant étant couplé aux circuits à ondes lentes adjacents (3) vis-à-vis d'une onde haute fréquence. 2 - Tube à ondes progressives selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une tige métallique d'adap- tation d'impédance (13) est disposée sur les surfaces de pa- roi du moyen de guide d'onde. 3 - Tube à ondes progressives selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en-ce que le moyen d'ex- trémité non réfléchissante comprend deux guides d'onde (20, 21) disposés le long du faisceau d'électrons (12), de part et d'autre de celui-ci, et des éléments de-céramique dissipa- tive (7,6) montés respectivement dans ces guides d'onde.- 4 - Tube à ondes progressives selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de céramique dissipa- tive sont constitués de béryllium contenant du carbone.