Brevet FR2510814A1 — publié le 19830204

I L'invention se rapporte aux circuits à ondes lentes tels que sont ceux qui sont utilisés dans les tubes à ondes progressives (TWT) pour réaliser une interaction avec un faisceau linéaire d'électrons Un circuit extrêmement utile pour engendrer une puissance élevée à des fréquences très élevées entre IO et I 00 G Hz, est le circuit dit "guide d'ondes en zig-zag" (dénomination anglaise '"fo Ided wiave- guide" ou circuit à cavités à couplages décalés (dénomi- nation anglaise "stagger-coupled cavity circuit"). IO L'invention se rapporte à un équivalent électrique de ce circuit qui possède des propriétés structurelles et électriques améliorées. Différentes caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaitront au cours de la description qui va I 5 suivre Aux dessins annexés, donnés unlmiquement à titre d'exemple. La Fig IA est une vue en coupe perpendiculaire à l'axe d'un circuit à ondes lentes de technique antérieure; La Fig IB est une coupe axiale du circuit de la Fig IA La Fig 2 A est une coupe perpendiculaire à l'axe d'un circuit suivant l'invention; Les Fig 2 B et 2 C sont des coupes axiales du circuit de la Fig 2 A La Fig 3 est un schéma en perspective éclatée des Fig 2 A, 2 B, 2 C; La Fig 4 est une vue en perspective éclatée d'une variante du circuit de la Fig 3. Le circuit à ondes lentes à cavités couplées est déjà utilisé largement dans les tubes à ondes progressives de grandes puissance et de largeurs de bandes modérées. Aux fréquences relativement basses, par exemple au-dessous de 20 G Hz, une contruction typique d'un tel circuit est celle représentée sur les Fig IA et IB Les cavités d'interaction IO sont formées par des bagues entretoises I 2, en cuivre, qui sont empilées en alternance avec des plaques d'extrémités I 4, également en cuivre L'ensemble est assemblé par brasage à des joints 16, au moyen d'un alliage argent-cuivre ou or-cuivre, pour former une enveloppe étanche au vide Chaque plaque I 4 présente une ouverture axiale I 8 pour donner passage à un faisceau d'électrons (non représenté) qui interagit avec la compo- sante axiale du champ électrique à haute fréquence dans les cavités L'ouverture I 8 est fréquemment allongée dans la direction axiale par des lèvres saillantes 20 qui confinent le champ électrique dans un intervalle axial 22 plus Io court, en élevant ainsi l'impédance d'interaction et le facteur de coupage de faisceau de la cavité Les cavités IO adjacentes sont couplées les unes aux autres par une fente de couplage 24 ménagée dans chaque plaque d'extré- mité I 4, cette fente étant placée à proximité du bord exté- I 5 rieur de la cavité IO là ou le champ magnétique à haute fréquence est le plus élevé, en assurant ainsi un couplage par inductance mutuelle Les fentes de couplage 24 sont disposées en quinconce sur les deux côtés opposés des cavi- tés IO Ceci donne la caractéristique de guide d'ondes en zig-zag qui donne une grande largeur de bande d'interaction. Avec ce type de couplage, l'onde fondamentale du circuit est une onde de retour On fait travailler le tube dans le mode d'onde d'harmonique spatialepremier qui est une onde avant se propageant vers l'avant, de sorte que l'on peut obtenir une interaction presque synchrone avec un faisceau d'électrons à vitesse constante sur une bande de fréquence relativement large. Le circuit de la technique antérieure des fig IA IB est satisfaisant aux fréquences relativement basses mais, lorsqu'il est construit pour des fréquences élevées telles que 20 G Hz et plus, il provoque de graves difficultés. La plupart des pièces de ce circuit sont petites et sont coûteuses à usiner avec précision L'espacement axial est sujet à des erreurs cumulatives lors de l'empilement. Lorsque les erreurs d'empilement se trouvent dans l'espa- cement périodique des éléments I 4, elles détériorent la caractéristique de bande passante et l'impédance du circuit. Lorsqu'il y a des erreurs d'alignement sur l'axe, ces erreurs peuvent provoquer une interception du faisceau, en entrainant ainsi une perte de puissance ou même une défaillance du tube. En outre, les joints brasés I 6 peuvent entraîner deux sortes de difficultés, Si l'alliage de brasure ne s'écoule pas entièrement, il'existe une fente qui peut opposer une haute résistance au courant circulant dans les cavités, qui doit alors traverser la fente Si, au J O contraire, l'alliage de brasure s'écoule sur la surface interne de la cavité, la haute résistance électrique des alliages de brasure habituels accroit l'atténuation du circuit Si l'alliage forme un congé dans l'angle, le volume de la cavité diminue, ce qui désaccorde la résonance I 5 de la cavité et détériore l'impédance du circuit et la largeur de bande De cette façon, s'il n'est pas possible d'éviter totalement les joints, on doit au moins chercher à réduire leur nombre et leur longueur et également à les placer aux endroits o le courant qui les traverse est faible. Les Fig 2 A, 2 B et 2 C illustrent une structure sui- vant l'invention qui possède des caractéristiques mécaniques et électriques très améliorées et qui peut être fabriquée plus facilement à des tolérances serrées La structure comprend un élément métallique 30 en échelle et en une seule pièce qui est composé de deux prolongements latéraux 32 réunis par une série d'échelons transversaux 34 Au centre de chaque échelon 34 est ménagée une ouverture 36 alignée axialement sur les autres ouvertures Les espaces trans- versaux 34 qui séparent les échelons 34 forment des cavités analogues aux cavités I O de la Fig I Ces cavités suppor- tent l'onde électromagnétique du circuit qui interagit avec le faisceau de particules chargées, par exemple d'électrons, qui passent à travers les ouvertures 36. L'élément d'interaction 30 est constitué par une pièce unitaire faite d'un métal tel que le cuivre Les espaces 38 sont ménagés, par exemple par étincelage De cette façon, leur largeur peut être étroitement réglée et elle n'est pas obtenue par un empilement de pièces. A peu près la moitié du courant superficiel à haute fré- quence qui circule dans les cavités 38 se propage sur des surfaces métalliques d'une seule pièce, et non pas en tra- versant des joints d'assemblage Les ouvertures 36 de passage du faisoeau peuvent également être formées par étincelage avec une électrode rectiligne de grande longueur, Les côtés ouverts des cavités 38 sont sélectivement fermés en réunissant une paire d'éléments 40 de couplage IJ des échelles au c 8 tés de l'échelle d'interaction 30 Chaque élément de couplage latéral 40 est constitué par une plaque métallique unique qui contient une échelle d'ouvertures de couplage 42 qui sont espacés axialement avec un pas double de celui des échelons 34 de l'échelle d'interaction 30 Les I 5 éléments de couplage 40 sont alignés axialement de telle manière que chaque ouverture de couplage 42 forme pont entre deux cavités d'interaction 38 successives Les éche- lons 34 de l'échelle de couplage 40 sont fixés aux échelons 34 de l'élément d'échelle d'interaction 30 sur un c 8 té de chacun des échelons 34 Les ouvertures 42 forment ainsi l'équivalent des fentes de couplage 24 du circuit de la technique antérieure représenté sur les Fig IA, IB. Les deux éléments de couplage 40 sont alignés de telle ma- nière que les ouvertures de couplage 42 soient décalées en quinconce dans la direction axiale avec un décalage égal au pas des échelons d'interaction 34 De cette façon, les ouvertures de couplage 42 alternent entre elles sur les deux c 6 tés opposés des cavités 38 pour former une structure "de guide d'ondes en zig zag"'. Pour compléter l'enveloppe étanche au vide et enfer- mer électriquement les ouvertures de couplage 42, deux plaques de fermeture 46 sont scellées sur les faces externes des échelles de couplage 40 Les cinq éléments sont assem- blés par brasage ou frittage Les joints brasés n'inter- ceptent qu'une partie du courant total de paroi à haute fréquence, de sorte que la structure résultante possède une atténuation relativement basse. La Fig 3 montre une forme modifiée d'un circuit qui est électriquement équivalent à celui des Fig 2 A, 2 B et 2 C La principale différence consiste dans le fait que l'élément d'échelle d'interaction 30 ' est composé de deux moitiés 50 symétriques l'une de l'autre et dont chacune est faite d'une seule pièce Comme dans la forme de réali- sation précédente, des rangées de fentes transversales 38 ' formant les cavités sont formées dans les éléments en échel- le 50 Chaque ouverture 36 ' de passage du faisceau est for- I Omée par une paire d'encoches 52 opposé"s qui sont ménagées respectivement dans les échelons alignés 54 des demi-échel- les 50 L'avantage de cette construction consiste en ce que les encoches 52 peuvent 9 tre usinées avec une grande précision, ce qu'il est difficile d'obtenir lorsqu'on I 5 usine un trou rectiligne de grande longueur comme dans le cas des Fig 2 A, 2 B et 2 C Les ouvertures 36 ' de passage du faisceau peuvent être carrées, comme on l'a représenté ou encore cylindriques, pour un faisceau cylindrique dans chaque cas. Ici, également les éléments assemblés sont réunis, par exemple par brasage ou par frittage En raison de la symétrie des échelles d'interaction 30 ' par rapport à un plan, qui n'est que partiellement perturbée par le décalage en quinconce des fentes de couplage il n'y a que de faibles courants sur les jonctions des deux moitiés 50 La qualité de l'assemblage n'est donc pas critique. La Fig 4 montre une forme de réalisation légère- ment différente, les fonctions des échelles de couplage 40 ' et des plaques de recouvrement 46 ' sont combinées en une paire d'échelles de couplage 60 fermées Les ouvertures de couplage sont formées par des évidements 62 qui ne sont ménagés que sur une partie de l'épaisseur des plaques de recouvrement 60 ' Ces évidements peuvent être formés par électroérosion (ou étincelage) à une profondeur réglée ou encore par frappe ou par photogravure, par exemple La structure complète de l'échelle peut être assemblée comme dans les exemples précédents, par brasage ou frittage du jeu de plaques La structure assemblée est exactement équiva- lente à celle des Figures 2 A, 23, 20 et 3 mais elle ne comporte qu'un plus petit nombre de pièces et un nombre encore plus petit de joints. Le principe de l'invention n'est pas limité par l'application ou l'omission de restrictions sur les diffé- rentes relations liant les dimensions P, HI, H 2, WI, W 2, TI et T 2 de la Fig 3 Toutefois, on peut montrer que, par exemple, en adoptant HI = P/2 approximativement, on peut 1 o obtenir un gain maximal Il a également été montré expé- rimentalement qu'en adoptant W 2 = WI et H 2 = P on peut obtenir la largeur de bande maximale d'amplification Dans ce cas, les fréquences qui marquent les bords de la bande passante du circuit sont faciles à calculer pour l'établis- I 5 sement du projet d'une application donnée. En outre dans le cas représenté, on a constaté qu'en prenant pour T 2 une valeur légèrement inférieure à TI/2, on obtenait une largeur de bande maximale. REVENDICATIONS I Circuit à ondes lentes caractérisé en ce qu'il com rend un premier élément unitaire d'interaction métal- lique ( 30, 30 ') qui possède une série d'ouvertures ( 38, 38 ') formant cavités espacées axialement d'un pas périodique pour former deux éléments latéraux ( 32) continus dans la direction axiale, reliés par une série d'échelons parallèles ( 34), deux éléments de couplage latéraux métalliques ( 40, 40 ') dont chacun Drésente une série de lumières ( 42, 42 ')esp-oacées axialement d'une distance égale à deux fois ledit pas, ces éléments de couplage étant fixés sur les deux faces opposées dudit élément d'interaction ( 30, 30 ') de telle manière que chacune desdites lumières ( 42, 42 ') forme sont entre deux ouver- tures de cavité successives ( 38,38 ') et les branches ( 44)défi- nissant la lirite axiale de chacune de ces luières ( 42,42 ')rejoignent les édielons ( 34) délimitant deux des ouvertures de cavité ( 38,38 '), les lumières ( 42, 42 ') formées dans un premier desdits éléments de couplage latéraux( 40, 40 ') étant décalés axialement dudit pas par rapport aux lumières ménagées dans le deuxième des dits éléments de couplage latéraux ( 40, 40 '), de sorte que les ouvertures de cavité successive ( 38, 38 ') sont reliées par lesdites lumières alternativement sur les deux c 8 tés des ouvertures de cavité. 2 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce que les échelons ( 34) sont pourvus d'ouvertures ( 36,36 ') alignées axialement pour donner passage à un faisceau de C particules charg 6 es. 3 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce que lesdites lumières traversent lesdits éléments la- téraux de couplage 40, 40 ' de part en part et en ce qu'il comprend en outre deux éléments de fermeture ( 46 46 ') réunis auxditis éléments de couplage latéraux ( 40, 40 ') pour couvrir les lumières du c 8 té opposé à celui tourné vers ledit élé- ment d'interaction ( 30, 30 '). 4 Circuit suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend enr outre un deuxième élément unitaire d'interaction métallique ( 50) formé symétriquement par rapport audit premier élément d'interaction, et une série de rainures ( 52) alignées axialement dans un côté desdits échelons ( 34), lesdits éléments d'interaction ( 50) étant disposés de telle manière que leurs échelons soient alignés axialement et que lesdites rainures ( 52) se fassent mu- tuellement face pour former des ouvertures donnant passage à un faisceau de particules chargées.