Brevet FR2486305A1 — publié le 19820108

La présente invention concerne un tube amplificateur à champs croisés à grand gain. Les tubes amplificateurs à champs croisés équipent généralement l'étage de puissance des émetteurs radars. L'invention concerne également les ensembles - d'émission radioélectrique munis d'un tel tube. Ces tubes sont essentiellement contitués par deux électrodes cylindriques et concentriques placées sous vide entre lesquelles est établie une différence de potentiel créant un champ electrique continu Eo. Un champ magnétique B est appliqué parallèlment à l'axe du tube et donc perpendiculairement au champ électrique. L'électrode intérieure est une cathode, source du courant électronique. L'électrode extérieure est une ligne à retard dont le rôle est de propager l'onde HF avec une vitesse de- phase VI de l'ordre d'une frac- tion de la vitesse de la lumière. Sous les actions conjuguées du champ électrique et du champ magnétique, les électrons issus de la cathode suivent des trajectoires cycloidales avec une vitesse moyenne azimutale Ve Il est démontré que l'amplification de la puissance HF se produit lorsque Ve = V. On distingue les tubes à champs croisés à onde directe ou inverse selon que l'énergie HF s'écoule suivant le sens du faisceau électronique ou en sens inverse. Le gain des amplificateurs à champscroisés est donné par l'expression g = 101og Ps -Pe' Augmenter le gain revient à diminuer la puissan- ce d'entrée Pe ou à augmenter la puissance de sortie Ps. Concernant la première solution, il existe une valeur de Pe minimum au-dessous de laouelle le tube ne fonctionne pas car la puissance est insuffisante pour créer le premier bras de charge d'espace. Cette valeur dépend des caractéristiques géométriques de la ligne à retard, des caractéristiques électriques et magnétiques et du coefficient d'émission secondaire de la cathode. Si Pe est égal à Pe minimum, le gain peut atteindre 18 dB mais dans ce cas, le rapport signal/ bruit est trop faible ( augmenter légèrement la puissance d'entrée. Dans ce cas, la valeur du gain ne dépasse guère 13 dB. Un autre moyen d'augmenter le gain est d'aug- menter la puissance de sortie Ps. Cette dernière est donnée par la relation Ps = 5.I.Uc l1 étant le rendement global du tube, de l'ordre de % environ. La puissance de sortie Ps est donc essentiel- lement proportionnelle au courant électronique I, la tension de fonctionnement Uc'variant très peu avec le courant. Le courant total I est proportionnel au nombre N de bras de charge d'espace, chaque bras transportant un courant sensiblement égal à I/N. Si l'on cherche à augmenter le gain d'un amplificateur à champs croisés en doublant, par exemple, la longueur de la ligne, on gagne tout au plus 3 dB. Cette opération est donc inéfficace et peut causer des instabilités car les modes oscillatoires parasites sont sensibles à la longueur de la ligne. Si l'on cherche à obtenir le même résultat en augmentant la tension de fonctionnement de façon à doubler le courant total, on multiplie par deux le courant transporté dans chaque bras de charge d'espace, y compris le premier et l'on doit augmenter la puissan- ce d'entrée dans les mêmes proportions pour stabiliser cebras. Il ne convient donc pas d'augmenter le gain de cette façon. La présente invention se propose d'augmenter le gain des amplificateurs à champs croisés en diminu- ant la valeur du courant transporté par le premier bras de charge d'espace dans le but de diminuer proportion- nellement la puissance 1F nécessaire à la formation et à la stabilisation de ce bras. - Pour cela, on modifie la structure de la ligne à retard pour réduire le courant calculé au niveau de l'entrée HF. La présente invention concerne un tube amplifi- cateur à champs croisés comprenant dans un espace sous vide une cathode cylindrique et une ligne à retard concentrique à celle-ci lui faisant vis à vis sur toute sa hauteur, tube comprenant en outre une entrée située à l'une des extrémités de la ligne et une sortie située à l'autre extrémité, séparée par un espace de dégroupe- ment, ladite ligne recevant par cette entrée le signal à amplifier et délivrant par cette sortie le signal amplifié, tube caractérisé en ce que la ligne à retard présente une hauteur plus faible à l'entrée qu'à la sortie. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustré par les figures annexées qui représentént: figure 1: la vue en coupe transversale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés de l'art antérieur. figure 2a: la vue en coupe transversale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés auquel s'appli- que l'invention dans le cas d'un tube à deux lignes à retard uniformes. figure 2b: un exemple de cathode utilisée dans le cas d'un tube à deux lignes à retard uniformes. figure 3: un exemple de cathode utilisée dans le cas d'un tube à une ligne à retard continuement variable. figure 4: la vue en coupe transversale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés auquel s'appli- que l'invention dans le cas d'un tube à deux régimes de fonctionnement. lia figure 1 représente la vue en coupe trans- versale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés de l'art antérieur. Ce tube est de structure cylindrique. Il comporte, dans une enceinte à vide 1, deux électrodes concentriques 2 et 3. Une source de tension-continue, non représentée, établit un champ électrique Eo entre ces électrodes. L'électrode positive 3 est constituée par une ligne à retard à structure périodique qui comporte une suite de doigts dont le pas est constant, qui font face à l'électrode négative ou cathode 2 constituéeelle- même d'un support en molybdène 21, recouvert d'une partie émissive en tungstène imprégné 22 par exemple. Deux connexions 4 et 5 sont prévues sur la ligne à retard pour permettre l'entrée et la sortie de l'onde HF, séparées l'une de l'autre par un espace de dégroupement 9. Un champ magnétique B est établi dans un plan perpendiculaire à la figure. le tube représenté sur la figure 1 est un ampli- ficateur à émission électronique distribuée par une cathode 2 et dont les bras de charge d'espace sont représentés par l'indice 6. Ce tube est à onde inverse car le faisceau électronique tourne dans un sens indiqué par une flèche 7 inverse de celui de l'énergie électroma- gn6tiaue dirigée selon une flèche 8. la figure 2a représente la vue en coupe transver- sale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés auquel s'applique l'invention dans le cas d'un tube à deux lignes à retard uniformes à propagation directe. Si le courant caractéristique I calculé au niveau de l'entrée HF est inférieur à celui I02 calculé au niveau de la sortie HF, l'accroissement de gain en puissance correspondant sera sensiblement égal à 10 log 1 02 I01 Rappelorsque le courant caractéritique Io est donné par la formule (1) Io =m V3 ra4 [1 (rJ)2J2 2 + 1î Il se trouve que le courant caractéristique I0 est toujours très voisin du courant de fonctionnement, le rapport I/Io étant compris entre 0,3 et 1,2..Ia formule(1) montre que le courant caractéritique I0 dépend des paramètres géométriques suivants h: largeur commune de la ligne à retard et de la cathode. ra rayon de l'anode (ligne à retard et espace de dégroupement) rc: rayon de la cathode. ainsi que de la vitesse de phase de l'onde le long de la ligne à retarddépendant elle-même du pas de la ligne à retard. L'invention prévoit de diminuer le courant carac- téristique au niveau du premier bras de charge d'espace, ce qui revient donc à diminuer les dimensions de la ligne à retard à ce niveau. Or toute modification de la ligne à retard entraîne des variations de la vitesse de phase Vf de l'onde; comme il faut maintenir partout le synchronisme Ve = Vc et que l'on a la relation ve = Bo Eo étant le champ électrique continu, il faut B donc faire varier, également le champ magnétique B appli- qué le long de la ligne à retard. le tube amplificateur à champs croisés selon l'invention représenté sur la figure 2a se distingue du tube amplificateur à champs croisés de l'art antérieur par le fait qu'il comprend deux lignes à retard en série de dimensions différentes, mais uni- formes et séparées par deux espaces de dégroupement 91 et 92. 2486!05 La première ligne 31 a une largeur hi inférieure à la largeur h2 de la deuxième ligne 32, h1et h2 sont choisis de telle manière que les puissances moyen- nes transportées puissent être par exemple dans un rapport 20, ce qui correspond à un accroissement de gain de 13 dB. Le champ magnétique est plus fort sur la ligne d'entrée 31 que sur la ligne de sortie 32. Les pièces polaires appropriées seront utilisées pour l'obtention du résultat recherché. Le deuxième espace de dégroupement 92 permet de séparer nettement les deux lignes à retard. Cet espace a pour but d'éviter les oscillations parasites se propageant dans le faisceau électronique. La puissance 1F est transmise à l'entrée de la ligne à retard 32 par une connexion 11 située à l'intérieur de l'enceinte à vide 1. Cette connexion peut être avantageusement constituée par un guide d'onde contenant une ferrite. le tout, étant placé dans le champ magnétique du tube, constitue un isolateur qui absorbe la puissance réfléchie par la ligne de sortie. On peut, à l'aide de ce dispositif, obtenir des gains de l'ordre de 26 dB. Au delà de cette valeur, un découplage suffisant entrée HF-sortie HF, sera plus difficile à obtenir. Le tube décrit ci-dessus est à propagation directe. Des résultats similaires sont valables pour les tubes à propagation inverse. L'invention s'applique également au cas des tubes amplificateurs à champs croisés contenant une ligne à dispersion directe et une ligne à dispersion inverse en série avec la première. L'avantage d'un tel dispositif est que les entrées et sorties HF en regard soient des puissances HF qui ne diffèrent que de 13 dB bien que le gain de l'ensemble soit de 26 dB. Ce tube aura donc peut tendance-à osciller par couplage direct entre deux extrémités de ligne. Par contre, il pourra osciller sur le rapport d'ondes stationnaires de sortie et l'on devra également incor- porer une ferrite entre la sortie de la ligne d'entrée et l'entrée de la ligne de sortie. La figure 2b représente un exemple de cathode utilisée dans le cas d'un tube à deux lignes à retard uniformes. - Une telle cathode est constituée d'un support en molybdène recouvert d'une partie émissive en tungstène imprégné par exemple 229 munie de déflecteurs 23 pola- risés négativement ayant pour rôle de focaliser le faisceau d'électrons. Seules les parties émissives ont la forme variable épousée par la ligne à retard. La partie émissive 221 qui fait face à la ligne d'entrée à une hauteur hi inférieure à la hauteur h2 de la partie émissive 222 qui fait face à la ligne de sortie, hi et h2 étant respectivement égales aux largeurs de la ligne d'entrée et de la ligne de sortie. la figure 3 représente un exemple de cathode utilisée dans le cas d'un tube à ligne à retard continuement variable. Dans un tel tube, on fait varier quatre paramètres entre l'entrée et la sortie HF: - la hauteur h commune à la cathode et à la ligne à retard, la distance cathode ligne d, - le taux de retard c/Vc? (c'est-à-dire le pas de la ligne p) - le champ magnétique B. La variation de ces paramètres est choisie de telle sorte que le courant transporté par bras de charge d'espace varie dans un repport 20 par exemple entre l'entrée HF et la sortie HF. La cathode d'un tube à ligne continuement varia- ble représentée sur la figure 3 à une partie émissive 22 de hauteur continuement croissante de l'entrée HF à la sortie HF. La partie émissive 225 face à l'espace de dégroupement assure la continuité entre les parties 223 et 224. La figure 4 représente une vue en coupe transver- sale d'un exemple de tube amplificateur à champs croisés auquel s'applique l'invention dans le cas d'un tube à deux régimes de fonctionnement. En ajoutant une grille 100 au tube à deux lignes à propagation directe par exemple, face à la ligne de sortie 32, on obtient un tube à deux régimes de fonctionnement. Cette grille, isolée électriquement de la cathode 2, peut être polarisée négativement par rapport à celle-ci (-Vg) Il n'est pas nécessaire dé bloquer complètement le courant, il s'agit de diminuer suffi- samment l'émission cathodique pour diminuer le gain du tube de 10 dB, tout en conservant la résistance du faisceau. On obtient deux régimes de fonctionnement pour une puissance d'entrée Po donnée: 1) Vg=O Puissance de sortie crête: Po+26dB 2) VgLO Puissance de sortie crête: Po+16dB Dans le deuxième régime, et dans le cas d'un fonctionnement pulsé, on peut augmenter la fréquence de répétition de façon à -égaler la puissance moyenne du premier régime. La grille peut être constituée de barreaux de carbone pyrolytique réunis au même potentiel. Elle recouvre tout ou partie de la surface de la cathode face à la ligne de sortie. Elle ne peut être placée devant la ligne d'entrée 3, car'cela diminuerait la puissance disponible à l'entrée de la ligne de sortie, ce qui risquerait d'empêcher la formation du bras de charge d'espace. 1 1 REVENDICATIONS 1) Tube amplificateur à champs croisés comprenant dans un espace sous vide (1) une cathode cylindrique (2) et une ligne à retard (3) concentrique à celle-ci lui faisant vis à vis sur toute sa hauteur, tube comprenant en outre une entrée (4) située à l'une des extrémités de la ligne et une sortie (5) située à l'autre extrémité, séparées par un espace de dégrou- pement (91),ladite ligne recevant par cette entrée le signal à amplifier et délivrant par cette sortie le signal amplifié, caractérisé en ce que la ligne à retard présente une hauteur plus faible à l'entrée qu'à la sortie. 2) Tube amplificateur à champs croisés selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne à retard est interrompue sur une fraction de sa longueur et constituée de deux portions (31) et (32) de hauteurs différentes reliées électriquement entre elles. 3.).ube amplificateur à champs croisés selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne à retard présente une hauteur continuement variable de l'entrée à la sortie. 4) Tube amplificateur à champs croisés comprenant une ligne à retard selon l'une des revendications 1 à 3 et comprenant en outre une grille (100) située entre la cathode et la ligne à retard, dans la partie finale du tube. ) Ensemble d'émission radioélectrique caractérisé en ce qu'il comporte un tube amplificateur à champs croisés selon l'une des revendications 1 à 4.