Brevet FR2510815A1 — publié le 19830204

La présente invention se rapporte aux circuits à ondes lentes tels que ceux utilisés dans les tubes à ondes progressives Une forme particulière de circuits de ce type est une structure métallique en échelle dont les échelons forment les éléments d'interaction périodique qui sont montés en travers d'une enveloppe métallique. Un but de l'invention est de réaliser un circuit à ondes lentes pour un tube à ondes progressives qui assure une hauteiimpédance d'interaction sur une bande utile de IO fréquences. Un autre but de l'invention est de réaliser un circuit pour très hautes fréquences qui soit facile à fa- briquer à des tolérances sérrées. Un autre but est de réaliser un circuit qui propage I 5 une onde fondamentale de retour conduisant finalement à des dimensions de conception qui assurent une bonne dissipation de la chaleur. Ces buts sont atteints par une structure en échelle métallique, l'espace enveloppe situé à côté-des échelons ayant une section en T pour assurer une caractéristique de propagation d'une onde fondamentale de retour Lorsqu'ils travaillent dans le premier régime d'ondes d'harmonique spatial se propageant vers l'avant, les échelons ont une épaisseur suffisante pour 9 tre mécaniquement solides et conduire convenablement la chaleur la largeur des échelons est au moins égale à la moitié de leur longueur de sorte que, dans la bande passante à la plus basse fréquence, il y a un pôle d'impédance à chaque bord de la bande De cette façon, l'impédance d'interaction est maintenue élevée sur une plus grande plage de fréquences de fonctionnement et elle est abaissée au bord de la bande passante immé- diatement supérieure, de sorte qu'on évite l'instabilité dans cette bande. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, La Fig I est une vue en perspective d'un circuit de principe en échelle de la technique antérieure; La Fig 2 est une vue en perspective d'un circuit en échelle de la technique antérieure supportant une onde fondamentale se propageant vers l'avant ou onde avant; Les Fig 3 A et 3 B sont respectivement une vue en coupe transversale et une vue en coupe axiale d'un circuit en échelle de la technique antérieure supportant une onde fondamentale de retour; La Fig 4 est le diagramme -I, de Brillouin du circuit des Fig 3 A et 3 B; Io Les Fig 5 A et 5 B sont respectivement une vue en coupe transversale et une vue en coupe axiale d'un circuit sui- vant l'invention; La Fig 6 est le diagramme -3 correspondant à un circuit modifié par rapport à celui des Fig 5 A et 5 B et qui I 5 est également suivant l'invention; La Fig 7 est le diagramme w-1 _ correspondant au circuit des Fig 5 A et 5 B; La Fig 8 est une vue en perspective illustrant un procédé de construction du circuit des Fig 5 A et 5 B; La Fig 9 est une vue en coupe transversale d'une forme de réalisation différente. On décrira maintenant la technique antérieure Le prin- cipe d'un circuit d'interaction en échelle à tube à ondes progressives est représenté sur la Fig I Ce circuit est constitué par un guide d'ondes rectangulaire creux IO comportant une série d'échelons I 2 disposés dans son plan médian Un faisceau plat d'électrons I 4 est projeté axiale- ment le long du guide d'ondes, à proximité des échelons I 2 qui forment les éléments d'interaction périodique du cir- cuit Ce circuit est connu sous la désignation de "Easitron" (parcequ'il était considéré comme facile à construire). Toutefois, il présente une largeur de bande nulle, de sorte qu'il n'est approprié que pour un oscillateur à fréquence fixe - La Fig 2 montre une variante du circuit de la Fig I qui peut être considérée comme une variante du circuit connu sous la désignation de "circuit de Karp ". En prévoyant des nervures I 6 de charge capacitive dans la région proche du milieu des échelons I 2 ', on produit un circuit possédant une largeur de bande modérée Toutefois, son onde fondamentale est une onde se propageant vers l'avant de sorte que, pour obtenir une interaction synchrone avec un faisceau d'électrons à vitesse fixe sur une certaine plage de fréquence, le déphasage, p P par longueur périodique doit être compris dans l'intervalle entre zéro et JT radians Si l'on a à amplifier des fréquences micro- Io onde très élevées, par exemple de I O à I 00 G Hz, la période nécessairement courte rend la section des échelons si petite que les échelons sont incapables de travailler à grande puissance et qu'ils sont très difficiles à fabri- quer Au contraire on pourrait considérer un principe I 5 d'amplificateur basé sur 2 TT régime d'harmonique spatial d'ordre élevé. Les circuits en échelle de la technique antérieure représentés sur les Fig 3 A et 3 B sont chargés dans un sens opposé Au lieu d'une ou de deux nervures I 6 de charge capacitive prévue(s) au milieu des échelons, le dispositif comporte des paires de saillies I 8 formant écran inductif plaçées à proximité des extrémités des échelons I 2 ", o les champs magnétiques à haute fréquence sont élevés Ceci produit une caractéristique d'onde fondamentale de retour, comme on l'a indiqué dans le dia- gramme Ci p de la Fig 4 Pour obtenir une interaction syndrone avec un faisceau d'électrons à vitesse constante sur une certaine plage de fréquences, le déphasage par période P doit être compris entre i'et 2 t grande longueur périodique P permet d'accroître l'épais- seur D des échelons I 2 " En effet, la plus forte épaisseur est nécessaire parce que le faisceau interagit avec le premier harmonique spatial se propageant vers l'avant de l'onde du circuit et que, de cette façon, elle devrait être bien écartée lorsqu'elle se trouve à l'intérieur de l'échelon, des champs de l'onde pendant la partie du cycle dans laquelle l'onde est dans la mauvaise phase Le résul- tat net est une épaisseur d'échelon D beaucoup plus grande que celle qui est généralement possible avec le circuit à onde se propageant vers l'avant de la Fig 2 Par ailleurs, l'échelon n'a pas été réalisé à une épaisseur qui implique un régime d'interaction d'harmonique spartial d'ordre très élevé, et par conséquent, un gain très faible. On obtient une plus grande capacité de dissipation de la chaleur et une plus grande robustesse Pour obtenir le cou- plage entre l'onde et le faisceau, on projette un faisceau cylindrique à travers des trous 20 ménagés dans les éche- lons I 211. Le diagramme X 9 'de la Fig 4 illustre les caracté- ristiques de phase du circuit de la technique antérieure re- présenté sur les Fig 3 A et 3 B La fréquence wo est portée en ordonnées en fonction du déphasage par période t ? La pente de la ligne droite 22 représente la vitesse constante du faisceau d'électrons On obtient une interaction presque synchrone à des fréquences proches de celles existant à l'intersection 24 entre la ligne de vitesse 22 et la courbe 26 du déphasage par période dans la bande passante la plus basse Aux bords F et FT de la bande, l'impédance d'inte- raction du circuit prend des valeurs critiques L'impédance est une mesure de la composante axiale de la force du champ électrique à haute fréquence dans la direction de propagation des électrons Au bord inférieur FL (TT) de la bande 26, se trouve un pôle d'impédance d'interaction indiqué par une croix Les champs électriques sont tous axiaux et également très forts en amplitude pour un flux de puissance donné, relativement à la situation qu'on observe aux fréquences qui ne se trouvent pas au bord de la bande Au bord supérieur Fi ( 21), se trouve un zéro d'impédance d'interaction indiqué par un cercle Ici, les champs électriques sont forts mais entièrement transversaux La signification pratique de ceci est qu'aux fréquences qui se rapprochent de PT' l'impédance devient de plus en plus basse et que le gain et le rende- ment du tube à ondes progressives sont dégradés En outre, 25108 15 la bande passante de fréquence supérieure représentée par la courbe 28 possède un pôle d'impédance 34 dans sa fré- quence de coupure inférieure FC et au déphasage 21 La ligne de vitesse 22 coupe la ligne de déphasage 28 à pro- ximité de ce pôle, ce qui indique une interaction synchrone avec l'onde de circuit à haute impédance Ceci risque d'en- gendrer des oscillations indésirables en ce point. Les Fig 5 A et 5 B sont respectivement une vue en bout et une vue en coupe axiale d'un circuit à ondes lentes sui- vant l'invention La largeur T des échelons I 2 "' est nettement augmentée par rapport à celle qu'on trouve dans le circuit de la technique antérieure des zig 3 A et 3 B Toute- fois, les échelons I 2 "'ne sont pas en contact avec les saillies 18 "' du guide d'ondes, mais laissent au moins subsister une étroite fente 30 entre eux-mêmes et ces saillies 51 il n'y avait pas une telle fente, il y aurait un plus grand nombre de bords le long desquels il serait nécessaire de braser, ce qui accroitrait le risque de défauts du circuit en raison d'excès ou de manque de soudure Les échelons I 121 ? sont toujours chargés par des inductances négatives gràce aux saillies I 8 "' et ils ne sont pas court-circuités par ces dernières La dimension 52 doit invariablement 9 tre plusieurs fois supérieure à Si* Habituellement, il n'est pas possible de donner une analyse mathématique exacte des structures plus complexes qui sont utilisées comme circuit à ondes lentes En général, on détermine les caractéristiques de propagation par des mesures effectuées sur un modèle 'd'essai à froid' d'un segment de circuit La Fig 6 est un diagramme w obtenu par des mesures expérimentales pour un circuit possédant une largeur d'échelon critique T qui est intermédiaire entre celle des circuits de la technique antérieure représentés sur les Fig 3 A et 3 B et celles du circuit suivant l'invention, qui est représenté sur les Fig 5 A et 5 E Pour cette valeur critique de l'épaisseur, la fréquence FT du bord supérieur de la bande passants inférieure 26 ' devient égalem à la fré- quence FC du bord inférieur de la bande passante supérieure 28 ' Cette condition est connue sous la désignation de 'bandes passantes jointives', dénomination anglo-saxonne " 1 coalesced pass band" Les deux branches du diagramme Li semblent se croiser au point commun des bords de bandes T = FT Cette condition de bandes passantes join- tives esÂ fréquemment utile pour les tubes à ondes progressives du type considéré parce que l'impédance d'interaction reste haute en 24 ' mais elle est basse au point de jonction 32, ce qui évite les oscillations indésirables dans la région proche de 32 L'exposé des ban- jo des passantes jointives est donné dans le présent mémoire pour montrer que, lorsqu'on augmente la largeur T des échelons, on introduit un type d'effet entièrement nou- veau et différent L'intervalle utile du nouvel effet est obtenu lorsqu'on accroit la largeur T des échelons jus- I 5 qu'à ou même au-delà de la valeur critique nécessaire pour que les bandes se rejoignent comme sur la Fig 6, cette valeur utile s'est révélée être généralement plus grande que la moitié de la portée W des échelons I 2 "' Le dia- gramme X) 5 plus général correspondant à un circuit qui présente des dimensions suivant l'invention est illus- tré par la Fig 7. Les deux bandes passantes 26 " et 28 " ont à peu près les mêmes formes que pour le circuit de la technique antérieure représenté sur la Fig 4 Toutefois, il s'est produit une modification en ce sens que le circuit est transformé en ce qui concerne le point de jonc- tion des bandes Le pôle d'impédance 34 qui se trouvait au niveau du bord inférieur FC de la bande passante supé- rieure 28 a été transféré au point 36 du bord supérieure de la bande passante inférieure 26 " Le zéro de la courbe 26 a de même été transféré à la bande passante supérieur 28 ", le tout à ' -, = 2 T Le résultat de cette trans- formation remarquable est que l'impédance d'interaction est maintenant élevée aux deux bords de la bande passante inférieure utile et qu'il est donc beaucoup plus élevé entre ces deux bords De cette façon, on augmente le rendement et le gain du tube à ondes progressives. Un autre avantage essentiel de la structure suivant l'invention consiste dans la stabilité du tube à ondes progressives Avec le circuit de la technique antérieure représenté sur les Fig 3 A, 3 B et 4, la ligne de vitesse 22 s'approche très près de la courbe 28 de la bande passante supérieure à proximité de son point de coupure-inférieur 34 ou coupe cette bande en ce point Dans la technique antérieure, ce point correspond à un p 3 le d'impédance, de sorte que le tube à ondes progressives est sujet à osciller Iodans la bande passante supérieure 28 dans la région proche de sa fréquence de coupure FC Avec les circuits suivant l'invention des Fia 5 A, 5 B, 6 et 7, le point de coupure 34 " de la bande passante supérieure 28 " correspond au contraire à un zéro de l'impédance d'interaction de sorte que l'insta- I 5 bilité à cette fréquence est beaucoup moins à redouter En variante, le point de "jonction" 32 correspond à une valeur finie et basse de l'impédance d'interaction,-en assurant également une bonne protection contre l'instabilité. La Fig 8 illustre un procédé de construction des 2 Ocircuits en échelle suivant l'invention Les pièces de ce circuit sont de préférence en cuivre à haute conductibilité sans oxygène (OFHC) Pour les fréquences micro-onde très élevées (ondes millimétriques), les circuits sont très petits et délicats et peuvent être construits par exemple par la formation de perforations rectangulaires dans une simple pla- que de cuivre par usinage par étincelage Sur la Fig 8, deux demi-échelles 40 sont formées à partir de plaques de cuivre dont chacune contient des encoches 42 qui, lorsqu'elles sont alignées, forment les ouvertures 20 "" de passage du faisceau. 3 çLes encoches peuvent tout aussi bien être demi-rondes que demi-carrées; il est pratiquement sans importance que la section du tunnel soit ronde ou carrée Les deux demi- échelles 40 sont assemblées entre deux plaques de recouvre- ment 44 qui présentent les protubérances de charge sans con- tact I 8 "", lesquelles ont une dimension 52 égale à au moins plusieurs fois SI (Fig 5 A) Tes quatre pièces sont assem- blées, par exemple par brassage ou frittage, pour former le circuit en échelle et son enveloppe de mise sous vide. En variante, au lieu des deux demi-échelles, une seule plaque pourraitfetre découpée pour former l'échelle désirée, si la lame est obtenue avec un tunnel rond déjà formé, ce qu'on pourra obtenir, par exemple, en coulant du cuivre fondu autour d'un fil d'acier tendu, et en enlevant ultérieurement le fil, par exemple par tirage ou à l'acide. L'opération de brasage ou de frittage mentionnée TO plus haut entraine des risques préjudiciables de défauts dans les circuits S'il se produit un trop grand écou- lement de métal, les dimensions intérieures sont faus- ses Si l'écoulement de métal est trop faible, il se développe une résistance du circuit (perte) Un impor- I 5 tant avantage de la présente invention consiste dans le fait que le principe de construction évite la nécessité de braser aux quatre angles de chacun des nombreux échelons Au contraire, la construction n'exige que qua- tre brasures de joints longitudinaux qui se trouvent juste à l'extérieur de la région échelons/perforations. La Fig 9 est une vue en bout d'une forme légè- rement différente de réalisation de l'invention, qui montre que le circuit peut présenter une grande variété de formes Les échelons 50 à pente peuvent avoir une meilleure conduction thermique que les échelons à section uniforme Les protubérances de charge 52 sont arrondies ce qui les place à un écartement non uniforme des éche- lons 50 La seule condition nécessaire est que l'espace 54 formé à proximité des extrémités 56 des échelons soit beaucoup plus petit qu'au milieu 58 des échelons. Il sera évident pour l'homme de l'art qu'on peut apporter de nombreuses modification au circuit sans sor- tir du cadre de l' nvention Les exemples ci-dessus doivent être considérés comme illustratifs et non pas limitatifs Les échelons ne doivent pas nécessairement avoir une section transversale uniforme mais ils peuvent être à pente ou à gradins Les protubérances de charge ne doivent pas nécessairement être rectangulaires mais elles peuvent présenter une large diversité de formes pourvu que l'espace qui les sépare des échelons soit plus petit dans la région de leurs extrémités que dans la région d e leur milieu. Io REVENDICATIONS I Circuit à ondes lentes caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe conductrice qui s'étend dans une direction axiale, une série d'échelons conducteurs pa- rallèles (I 2 "', I 2 "") espacés sur la longueur de ladite enveloppe, chaque échelon étant relié uniquement à ses extrémités aux deux côtés opposés de ladite enveloppe, ce circuit étant caractérisé en ce que la largeur d'au moins une partie des échelons (I 2 "', I 2 "") mesurée dans une direction perpendiculaire à la longueur de ces échelons IO et à ladite direction axiale, est supérieure à la moitié de la longueur des échelons, de sorte que la fréquence de coupure supérieure de la bande passante inférieure dudit circuit correspond à un pôle de l'impédance du circuit dans la direction axiale. I 5 2 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'au moins une paroi du circuit est d'une configuration telle que l'espace (I 8 "', I 81 "" 1) séparant cette paroi des échelons (I 2 "', I 2 "") à proximité d'au moins une extrémité des échelons soit plus petite que l'espace séparant cette paroi des échelons dans la région proche du milieu de la longueur des échelons, de sorte que l'onde fondamentale de la bande passante inférieure est une onde de retour. 3 Circuit suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'espace ( 30) qui sépare ladite paroi des éche- lons (I 2 "', I 2 "") présente une section en T dans la direc- tion perpendiculaire à ladite direction axiale. 4 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une série d'ouvertures ( 20 "' "") traversant lesdits échelons (I 2 "', I 2 "") et qui sont alignées pour former un canal ouvert dans ladite direction longitudinale, de sorte qu'un faisceau de particules char- gées peut passer dans le circuit pour réaliser une interac- tion avec des ondes progressives. Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'au moins l'un des échelons (I 2 "', I 2 "") est divisé en deux pièces allongées opposées par une fente située à II proximité de son point milieu. 6 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce que ladite largeur des échelons (I 2 "', I 2 "") varie sur leur longueur et en ce que l'épaisseur maximale mesurée dans ladite direction perpendiculaire à leur longueur et à ladite direction axiale se trouve à proximité des extrémités des échelons. 7 Circuit à ondes lentes comprenant une enveloppe conductrice qui s'étend dans une direction axiale, une série d'échelons conducteurs (I 2 "', I 2 "") espacés sur la lon- gueur de ladite enveloppe, chaque échelon étant relié à deux côtés opposés de ladite enveloppe, seulement à ses extrémités, ce circuit étant caractérisé en ce que la largeur d'au moins une partie des échelons, mesurée dans une I 5 direction perpendiculaire à la longueur des échelons et à ladite direction axiale est au moins aussi grande que l'épaisseur nécessaire pour joindre les deux bandes passantes inférieures dudit circuit. 8 Circuit suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une paroi dudit circuit est de forme telle que l'espace séparant ladite paroi des échelons (I 2 " 1 ") soit plus petite, dans la région proche d'au moins une extrémité des échelons, que l'espace séparant ladite paroi des échelons dans la région du milieu de ces échelons de sorte que l'onde fondamentale de ladite bande passante inférieure est une onde de retour.