Brevet FR2490872A1 — publié le 19820326

La présente invention est relative aux lignes à retard à cavités couplées pour tube à ondes progressives ainsi qu'aux tubes hyperfré- quences comportant une telle ligne. Les lignes à retard à cavités couplées sont plus particu- lièrement utilisées dans les tubes à ondes progressives o elles assurent l'intéraction entre un faisceau d'électrons se déplaçant selon l'axe de la ligne et une onde électromagnétique parcourant la ligne. Lorsque des conditions de synchronisme de l'onde et du faisceau sont réalisées, les électrons cèdent de Pénergie à l'onde électromagnétique. Les lignes à retard à cavités couplées sont constituées par une suite de cavités résonnantes, séparées les unes des autres par des parois percées, par au moins une ouverture de couplage entre cavités et par une ouverture pour le passage du faisceau d'électrons, focalisé selon l'axe de la ligne. Il est avantageux d'obtenir avec ce type de ligne un rendement de conversion d'énergie élevé, plus particulièrement dans le cas de tube à onde progressive à forte puissance moyenne. Un rendement de conversion élevé s'obtient habituellement avec une forte impé- dance de couplage entre le faisceau et la ligne. Dans le cas des lignes périodiques à cavités couplées, cette impédance de couplage est proportionnelle au produit du quotient V t (V = vitesse de phase de l'harmonique d'espace avec lequel Vg interagit le faisceau; Vg = vitesse de groupe de l'onde électro- magnétique) par le quotient R/Q de la cavité. R = résistance shunt de la cavité Q = son coefficient de surtension. Une impédance de couplage élevée conduit à une valeur élevée du quotient V, ce qui entraîne une ligne dispersive et une faible bande passante, et/ou -à une valeur élevée du quotient R/Q, ce qui entraîne une robustesse thermique médiocre. Or, dans le cas d'un tube à ondes progressives à fort rendement d'interaction, le faisceau d'électrons. est fortement perturbé, par- ticulièrement dans la partie finale de la ligne à retard o l'amplitude de la tension hyperfréquence entre becs de cavités devient une fraction élevée de la tension d'accélération des électrons qui leur a donné leur vitesse initiale. Cette perturbation se traduit par une défocalisation du fais- ceau et par un bombardement électronique intense des becs de cavités qui élève leur température, d'autant plus que la résistance thermique de ces zones est importante, ce qui est le cas de l'hypothèse considérée. Cette élévation de température limite la puissance moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives. On peut envisager de repousser cette limite de puissance moyenne en faisant passer un liquide de refroidissement dans des canaux percés dans la paroi de séparation des cavités; cette solution conduit à une complication technologique dans la réalisation de la structure. Ainsi, un tube à ondes progressives muni d'une ligne à retard à cavités couplées conçu selon l'art antérieur, aura un fort rendement d'interaction au détriment soit de la bande d'amplification qui sera faible vis à vis de ce qu'il est possible d'atteindre avec ce type de ligne, soit de la puissance moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives. La présente invention concerne une ligne à retard à cavités couplées de robustesse thermique accrue et présentant un aussi bon rendement de conversion que les lignes à cavités couplées de l'art antérieur, sans diminution de la bande d'amplification. Cette amélioration est obtenue grâce à une diminution pro- gressive de l'impédance de couplage dans la partie finale de la ligne à retard du tube à ondes progressives, contrairement à l'art anté- rieur. Cette baisse de l'impédance de couplage s'obtient principa- lement en diminuant progressivement le rapport R/Q des cavités. Pour garder une valeur aussi élevée du rendement de conversion malgré la diminution de l'impédance de couplage, il est nécessaire d'utiliser conjointement à la diminution progressive de l'impédance de couplage, une variation calculée par ordinateur du taux de retard C/Vq? de la ligne en fonction de l'abscisse z de la ligne. C: vitesse de la lumière Vy: vitesse de phase de l'harmonique d'espace avec lequel interagit le faisceau. La présente invention concerne une ligne à retard à cavités couplées de forme rentrante, limitées extérieurement par une paroi cylindrique dont l'axe est confondu avec celui le long duquel se propage le faisceau d'électrons du tube, et limitées latéralement par des parois perpendiculaires à cet axe, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage entre cavités et, en leur centre, par une ouverture bordée par une collerette de même axe formant la partie rentrante de la cavité, ligne à retard caractérisée en ce que au moins l'une des dimensions des éléments constitutifs de ces cavités augmente dans la direction de propagation du faisceau d'électrons. L'invention sera mieux comprise, en se reportant à la descrip- tion qui suit et aux figures jointes qui représentent: - Figure la: une vue en perpective d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'art antérieur. - Figure lb: une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'art antérieur. - Figure 2: une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées selon l'invention. La figure la représente une vue en perspective d'une ligne à retard à cavités couplées, selon, l'art antérieur. La ligne à retard, représentée sur la figure la comporte des disques 1, alignés parallèlement les uns aux autres le long d'un même axe QO' confondu avec l'axe de propagation du faisceau d'électrons, disques formant la paroi commune à deux cavités voisines 10. Chaque disque est percé d'une part par deux ouvertures de couplage entre cavités 2, symétriques par rapport à l'axe de la ligne 0O', d'autre part par l'ouverture 3 pour le passage du faisceau d'électrons 6, généralement circulaire, située au centre du disque. Cette ouverture est bordée par une collerette 4 de même axe appelée bec de cavité. 5. Les cavités 10 au nombre de trois sur la figure sont limitées par une paroi cylindrique 5. La figure lb représente une coupe transversale de la ligne à retard à cavités couplées de la figure la. Sur cette figure sont indiqués les paramètres géométriques de la ligne à retard, soient: D1 le diamètre intérieur des collerettes 4 D2 leur diamètre extérieur, au niveau de leur jonction avec les disques 1; D3 et D4 les diamètres intérieur et extérieur de la paroi cylindrique entourant les cavités; E, l'épaisseur des disques 1, H, la largeur des cavités; la somme E + H étant égale au pas P de la ligne à retard. La figure 2 représente une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'invention. La ligne à retard à cavités couplées selon l'invention présente dans son dernier tronçon appelé ligne de sortie une augmentation progressive dans le sens de propagation du faisceau d'électrons, de certains de ses paramètres à savoir: - le diamètre D1 de l'ouverture pour le passage du faisceau d'électrons, ce qui permet d'assurer une meilleure transmission du faisceau et par là même d'assurer un meilleur rendement, avec un échauffement moins important de la ligne. - la largeur D2 - D1 des becs de cavités - l'épaisseur E des parois communes à deux cavités. 36 Un apport supplémentaire de la présente invention réside dans le fait que l'extraction d'énergie hyperfréquence du faisceau vers la charge utile étant réalisée avec une section de sortie dont l'impé- dance de couplage décroît, la dispersion des vitesses électroniques est moins importante et la focalisation du faisceau est rendue plus facile. Cela ajoute un facteur supplémentaire à la capacité de puissance moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives. De plus, en rendant la structure moins dispersive, non seu- lement on affaiblit l'impédance de couplage, mais on augmente aussi la bande passante; les dispositions prévues par la présente invention vont donc dans le sens d'une augmentation de la largeur de la bande d'amplification, ce qui constitue une des caractéritiques les plus intéressantes des tubes à ondes progressives. L'inventiori s'applique de façon générale à la production de hauts niveaux de puissance à grande bande passante et avec un rendement élevé dans le domaine des microondes, centimétriques notamment. REVENDICATIONS 1. Ligne à retard, pour tube à ondes progressives, à cavités couplées de forme rentrante, limitées extérieurement par une paroi cylindrique dont l'axe est confondu avec celui le long duquel se propage le faisceau d'électrons du tube, et limitées latéralement par des parois perpendiculaires à cet axe, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage entre cavités et, en leur centre, par une ouverture bordée par une collerette de même axe formant la partie rentrante de la cavité, ligne à retard caractérisée en ce que au moins l'une des dimensions des éléments constitutifs de ces cavités va en augmentant dans la direction de propagation du faisceau d'élec trons. 2. Ligne à retard pour tube à ondes progressives, selon la revendication 1, caractérisée en ce que cette dimension est le diamètre intérieur D1 des collerettes. 3. Ligne à retard, pour tube à ondes progressives, selon la revendication 1, caractérisée en ce que cette dimension est la différence entre le diamètre extérieur D2 et le diamètre intérieur D des collerettes. 4. Ligne à retard, pour tube à ondes progressives, selon la revendication 1, caractérisée en ce que cette dimension est l'épais- seur E des parois communes à deux cavités. 5. Tube à ondes progressives, amplificateur notamment, com- prenant des moyens pour produire un faisceau d'électrons 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 fonctionnement, avec le faisceau, tube caractérisé en ce que la ligne à retard en, question est une ligne suivant l'une des revendications 1 à 4.