Brevet FR2525812A1 — publié le 19831028

La présente invention concerne les tubes à ondes progressives destinés à fonctionner à des fréquences très élevées, comme des longueurs d'onde millimétriques, avec une puissance de sortie relativement élevée A ces fréquences, les circuits à onde lente deviennent très petits Les erreurs correspondant aux tolérances dimensionnelles dans leur fabrication et leur assemblage peuvent conduire à des difficultés importantes, en particulier si elles sont cumula- tives De plus les structures miniatures présentent des pro- blèmes de mauvaise conductivité thermique et électrique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - La figure l A est une coupe schématique d'un cir- cuit à onde lente et à cavités couplées de l'art antérieur. La figure l B est une coupe axiale du circuit de la figure l A. La figure 2 est une vue en perspective d'un circuit perfectionné de l'art antérieur. La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un circuit à onde lente conforme à l'invention. La figure 4 est une coupe perpendiculairement à l'axe-du faisceau d'un circuit similaire à celui de la figure 3. La figure 5 est une coupe axiale du circuit de la figure 4. Dans l'art antérieur, les tubes à ondes progressives (TOP) fonctionnant à puissance élevée ont généralement utili- sé un circuit à onde lente du type à "guide d'ondes replié" ou "cavités couplées" Le circuit à onde lente à cavités couplées a été largement utilisé dans les TOP de puissance élevée ayant une largeur de bande modérée Les figures l A, 1 B montrent une structure caractéristique pour un tel circuit, fonctionnant à des fréquences basses, par exemple à moins de 20 G Hz Les cavités d'interaction 10 sont formées par des anneaux d'espace- ment 12, par exemple en cuivre, empilés en alternance avec des plaques d'extrémités 14, également en cuivre Les élé- ments de la structure sont accouplés ensemble par brasage au niveau de joints 16, avec un alliage argent-cuivre ou or- cuivre, pour former une enceinte hermétique dans laquelle règne le vide Chaque plaque 14 comporte une ouverture axiale 18 pour le passage d'un faisceau d'électrons (non-représenté) qui donne lieu à une interaction avec la composante axiale du champ électrique RF dans les cavités L'ouverture 18 est sou- vent allongée axialement par des lèvres en saillie 20 qui con- finent le champ électrique sur un plus court espace axial 22, ce qui élève l'impédance d'interaction et le facteur de cou- plage de faisceaude la cavité Les cavités 10 adjacentes sont couplées mutuellement par une fente de couplage 24 dans chaque plaque d'extrémité 14, et cette fente se trouve près du bord extérieur de la cavité 10, à l'endroit auquel le champ magnétique RF est le plus élevé, ce qui produit un cou- plage par inductance mutuelle Les fentes de couplage 24 sont décalées de façon à se trouver en alternance sur des c 8 tés opposés des cavités 10 Ceci procure la caractéristique de "guide d'ondes replié" qui donne une grande largeur de bande d'interaction Avec ce type de couplage, l'onde fondamentale du circuit est une onde régressive On fait fonctionner le tube dans le mode de l'onde correspondant au premier harmoni- que spatial, qui est une onde progressive, ce qui permet d'obtenir une interaction presque synchrone avec un faisceau d'électrons à vitesse constante, sur une bande de fréquences relativement étendue. Le circuit de l'art antérieur, des figures 1 A, 1 B donne satisfaction aux fréquences basses Il présente cepen- dant des difficultés importantes lorsqu'il est construit pour des fréquences telles que 20 G Hz et plus Les nombreux compo- sants sont très petits et leur usinage précis est coûteux. L'écartement axial est sujet à erreurs cumulatives dans l'empilage Lorsque les erreurs d'empilage portent sur l'écar- tement périodique des éléments 14, elles dégradent la carac- téristique de bande passante et l'impédance du circuit. Lorsqu'il y a des erreurs d'alignement par rapport à l'axe, ces erreurs peuvent entraîner une interception du faisceau, avec la perte de puissance ou la défaillance du tube qui en résultent. De plus, les joints brasés 16 peuvent produire deux sortes de défauts Si l'alliage de brasage ne coule pas com- plètement, il apparaît une fissure qui peut présenter une -LO ésistanxe C ievee à la circulation du courant de la cavité, qui doit traverser la fissure Si au contraire l'alliage de àrasage déborde et coule sur la surface intérieure de la cavité, la Lsistance électrique élevée des alliages de bra- sage courants augmente l'atténuation du circuit Si l'allia- g f rrmc un ourrelet dans le coin, le volume de la cavité esi; diminué, ce qui désaccorde la résonance de la cavité et dégrade l'impédance et la largeur de bande du circuit. tin sr * -n ne peut pas éviter complètement ces joints, on doit au moins réduire leur nombre et leur longueur et les placer à un endroit auquel le courant qui circule en le S tra- versant est faible. La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un circuit à cavités couplées, d'un type approprié pour des TOP fonctionnant à des fréquences élevées, qui supprime un certain nombre des problèmes mécaniques du circuit des figures l A, l B Ce circuit est décrit dans le brevet U S 3 711 943. Les cavités s Qnt formées par l'insertion de'plaques métalli- ques 30 dans des fentes 32 fraisées dans un canal métallique 34 Chaque plaque 30 comporte un trou central 36 pour laisser passer le faisceau d'électrons et une fente de couplage 38 pour le couplage électromagnétique entre les cavités 40 adjacentes Toutes les fentes de couplage 38 sont alignées du même côté des plaques 30, ce qui correspond à la configura- tion dite "en ligne" Cette configuration donne une caracté- ristique de transmission deonde quelque peu différente de celle des fentes "décalées" des figures l A, 1 B Les plaques 3 O sont brasées au canal 34 et l'enceinte à-vide est termi- née par le brasage d'une plaque (non représentée) qui consti- tue un couvercle métallique. Le circuit de la figure 2 présente l'avantage con- sistant en ce que l'écartement périodique des cavités 40 est déterminé par les positions des fentes 32, qui peuvent être usinées avec précision Les erreurs cumulatives dues à l'empi lement d'éléments, comme sur les figures l A, 1 B, sont ainsi considérablement réduites Il demeure cependant certains pro- blèmes Un grand nombre de joints doivent être brasés de manière hermétique, pour préserver le vide De plus, l'alliage -de brasage peut former des bourrelets dans les coins des cavités 40, changeant ainsi leur volume et leur fréquence de résonance De plus, les alliages de brasage ont une résistan- ce électrique élevée, ce qui fait que les courants de surface micro-ondes créent une perte d'énergie indésirable. L'invention a pour but de procurer un circuit à onde lente pour un TOP convenant pour-des ondes millimétriques, ayant une meilleure précision mécanique. L'invention a également pour but de procurer un circuit ayant de plus faibles pertes électriques. L'invention a également pour but de procurer un cir- cuit dont la fabrication soit aisée. On-parvient à ces buts grâce à un circuit comprenant au moins un élément en forme de peigne fabriqué à partir d'un seul bloc de métal, qui est emprisonné à l'intérieur d'une paire d'éléments formant des canaux qui sont accouplés hermé- tiquement pour former une enceinte à vide Un couplage "en ligne" est établi par une ou plusieurs rainures supplémentai- res dans l'un des-éléments formant des canaux. Sur la figure 3, les cavités 50 sont formées par un réseau périodique d'ouvertures ou de fentes 51 entre des dents complémentaires opposées 52 d'une paire d'éléments en peigne unitaires 54 Les fentes 51 sont usinées dans le peigne 54 et peuvent donc être espacées avec une grande précision et sans les erreurs cumulatives qui sont inhérentes à un ensemble d'éléments empilés axialement, comme sur les figures l A, 1 B. Les fentes 51 peuvent avoir des fonds rectangulaires comme sur la figure 5, ou bien elles peuvent avoir les fonds arron- dis de la figure 3, donnant un rendement légèrement supérieur. Les deux peignes 54 sont alignés axialement de façon que les dents 52 se rencontrent avec précision Dans chaque peigne, une rainure semicirculaire 58 est usinée à l'extrémité des dents 52 (de préférence avant l'usinage des fentes 51 définissant les cavités) Une ligne de trous 56 est ainsi formée au centre des cavités 50 au moment de l'assemblage des peignes Ces trous définissent une série de passages fermés qui définissent conjointement le chemin du faisceau d'élec- trons Les peignes 54 sont en cuivre à conductivité élevée, exempt d'oxygène On peut former les fentes 51 par fraisage classique ou par usinage par électro-érosion Lesextrémités des dents 52 sont réunies à leurs homologues en regard avant ou pendant l'assemblage final du circuit, comme décrit ci-après Les cavités 50 sont formées symétriquement par rapport au plan des extrémités libres des dents 52, de façon qu'au cours du fonctionnement, aucun courant RF ni aucun flux de chaleur ne traverse ce plan Un contact parfait n'est donc pas nécessaire. On termine les cavités 50 en enfermant les structu- res de peigne 54 à l'intérieur d'une paire d'éléments de cou- verèle ou d'enveloppe 60, 62 L'élément 60 comporte un canal 64, relativement large, qui est taillé de façon à avoir une forme complémentaire de celle des peignes 54 Au moment de l'assemblage, l'élément 60 s'ajuste ainsi exactement sur les peignes 54 L'élément 62 comporte un canal large similaire 64 ' et il comporte de plus une rainure ou un canal central 66, plus étroit, qui laisse des espaces 68 entre lui et les pei- gnes 54 Les espaces, 68 alignés forment les diaphragmes de couplage entre cavités qui font du réseau de cavités un cir- cuit à onde lente à propagation de type passe-bande. Lorsqu'on assemble le circuit, on amène l'un contre l'autre les éléments 60, 62 constituant des couvercles, pour enfermer les peignes 54 de façon serrée, et on les réunit ensemble par exemple par brasage ou frittage pour former l'enceinte à vide Au cours de la même opération, les élé- ments 60, 62 sont réunis aux peignes 54 par brasage ou fritta- ge, pour former les parois d'extrémité des cavités 50 Ces parois ont également pour fonction d'acheminer-efficacement la chaleur provenant des peignes 54 Le plan de jonction 70 des éléments 60, 62 définissant des canaux est de préférence un plan de symétrie par rapport à l'axe, de façon qu'aucun courant RF des cavités de traverse le joint Les canaux 64 et 64 ' ont également de préférence des formes mutuellement complémentaires, de façon qu'ils soient de manière générale symétriques par rapport au plan des extrémités libres des dents 52 Les divers joints de la structure sont formés par brasage, par exemple avec un alliage eutectique argent- cuivre ou un alliage or-cuivre Selon une variante, les sur- faces des joints peuvent recevoir un placage électrolytique d'or ou d'argent pour former l'alliage exactement aux endroits appropriés, lorsque ces surfaces sont chauffées Un procédé préféré pour les fréquences très élevées consiste à fritter ensemble les pièces en cuivre sous l'effet d'une pression appliquée de façon externe, à une température un peu inférieure au point de fusion Avec ce procédé, il n'y a plus du tout d'alliage à résistivité élevée Un procédé consti- tuant un compromis consiste à dorer les surfaces de contact et à les fritter ensemble à une température inférieure au point de fusion de l'or (il n'y a pas d'eutectique or-cuivre). Avec ce procédé, il ne peut pas y avoir d'alliage liquide susceptible de s'écouler vers des régions non désirées. De nombreux autres modes de réalisation apparal- tront de façon évidente à l'homme de l'art On peut remplacer la paire de peignes 54 par un bloc ou une barre d'un seul tenant, avec des cavités complètes percées dans le bloc et avec le trou du faisceau percé dans tout le bloc (Il est cependant très difficile de percer un trou long et rectili- gne) Il n'est pas obligatoire que les éléments 60, 62 for- mant des couvercles définissent des canaux symétriques; un élément pourrait consister en un bloc plat (la configuration symétrique est cependant meilleure, comme décrit ci-dessus). Pour obtenir un couplage plus élevé, on peut également tailler dans l'élément de couvercle 60 une seconde rainure de couplage, similaire à la rainure 66 De plus, i-l n'est pas obligatoire que la ou les rainures axiales de couplage soient définies dans les éléments de couvercle, et elles pourraient et:re définic a la place dans les peignes 54 ou dans la barre unitaire contenant les cavités qu'il est également possible demployer U ter mode de réalisation aurait l'avantage de permettre d'utiliser une configuration identique pour les deux éléments de couvercle, et il procurerait également un meilleur couplage entre cavités dans certaines applications, du fait que le chemin RF entre cavités adjacentes serait plus court. I 1 va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Circuit à onde lente et à cavités couplées caractérisé en ce qu'il comprend: une première barre à cavités ( 54) qui est une barre métallique allongée définis- sant un axe, un premier passage pour faisceau d'électrons ( 58) parallèle à cet axe, un premier réseau d'ouvertures de cavités ( 51) traversant la barre dans une direction per- pendiculaire à l'axe, ces ouvertures de cavités étant espa- cées axialement, la barre comportant deux surfaces unifor- mes et lisses sur des côtés qui sont de façon générale oppo- sés, chacune des ouvertures de cavités définissant des ouver- tures dans ces surfaces; et deux éléments de couvercle métalliques ( 60, 62) ayant des surfaces uniformes et lisses -qui recouvrent les surfaces lisses de la barre ( 54), l'un au moins des éléments de couvercle ( 62) comportant un premier canal axial uniforme ( 66) qui est aligné avec les ouvertures de cavités ( 51) et qui est plus étroit que ces ouvertures de cavités, les éléments de couvercle ( 60, 62) étant réunis à la-barre ( 54) de façon à recouvrir au moins partiellement les ouvertures de cavités ( 51) pour former des cavités creuses ( 50) et pour achever une enceinte à vide entourant les cavi- tés. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison entre-les éléments de couvercle ( 60, 62) et la barre ( 54) est réalisée par frittage. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une seconde barre à cavités ( 54) qui est symétrique par rapport à un plan de la première barre à cavités ( 54) et qui définit un second passage des faisceaux d'électrons ( 58), complémentaire du premier, et un second réseau d'ouvertures de cavités ( 51) complémentaire du premier, les ouvertures de cavités ( 51) et les passages de faisceau ( 58) consistant en rainures formées dans les barres à cavités ( 54), ces barres étant alignées sur le plan de symétrie de façon que lesdites rainures s'alignent pour former des cavi- tés ( 50), et que les passages de faisceau d'électrons ( 58) s'alignent pour former un chemin de faisceau d'électrons ( 56) centré sur l'axe, les éléments de couvercle ( 60, 62) recou- 5.vrant les deux barres ( 54) tandis que le premier canal axial ( 66) ne couvre qu'une partie des cavités ( 50) des deux réseaux. 4 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments de couvercle ( 60, 62) défi- nit un canal ( 64, 64 ') de forme complémentaire à celle de la barre ( 54) , de façon à s'ajuster de manière serrée autour de la barre à cavités et à se réunir à l'autre élément de cou- vercle. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que la'barre ( 54) présente un plan de symétrie qui contient l'axe et qui est perpendiculaire aux surfaces lisses, et en ce que les première et seconde barres à cavités définissent des premier et second réseaux respectifs de dents ( 52), mutuelle- ment complémentaires, ces réseaux de dents définissant les rainures des ouvertures dé cavités ( 51), et les dents ( 52) du premier réseau étant réunies aux dents du second réseau dans le plan de symétrie. 6 Circuit selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux éléments de couvercle ( 60, 62) définissent des canaux ( 64, 64 ') de forme complémentaire à celle de la barre ( 54), afin de s'ajuster de façon serrée autour de la barre, et en ce que ces formes sont de façon générale symé- triques par rapport au plan de symétrie. 7 Circuit selon la revendication 3, caractérisé en ce que les barres à cavités ( 54) ont un second plan cde symé- trie qui contient l'axe et qui est parallèle aux surfaces lisses, et en ce que chacun des éléments de couvercle ( 60, 62) définit respectivement despremière et seconde faces adaptées, planes, lisses et complémentaires, ces faces étant positionnées de façon à se réunir dans le second plan de symétrie. 8 Circuit à onde lente et à cavités couplées, caractérisé en ce qu'il comprend: une première barre à cavi- tés ( 54) qui est une barre -métallique allongée définissant un axe, un premier passage de faisceau d'électron ( 58) parallèle à l'axe, un premier réseau d'ouvertures de cavités ( 51) qui traverse la barre dans une direction perpendiculaire à l'axe, ces ouvertures de cavités étant espacées axialement, la barre ( 54) comportant deux surfaces uniformes et lisses sur des côtés qui sont de façon générale opposés, et chacune des ouvertures de cavités ( 51) définissant des ouvertures dans ces surfaces; un premier canal axial uniforme défini dans l'une des surfaces lisses de la barre ( 54), en alignement avec les ouvertures de cavités ( 51) et plus étroit que ces ouvertures de cavités; et deux éléments de couvercle métalli- ques ( 60, 62) ayant des surfaces uniformes et lisses qui recouvrent les surfaces lisses de la barre ( 54), ces éléments de couvercle ( 60, 62) étant réunis à la barre de façon à recouvrir au moins partiellement les ouvertures de cavités ( 51) pour former des cavités creuses ( 50) et pour achever une enveloppe à vide qui entoure ces cavités.