Brevet FR2547455A1 — publié le 19841214

La présente invention concerne des tubes à ondes progressives employant un circuit d'interaction à onde lente qu'on appelle le "circuit à quatre peignes" Ce circuit consiste fondamentalement en deux échelles conductrices dont les barreaux sont mutuellement entrelacés et croisés. Le circuit à quatre peignes est décrit dans le brevet US 4 237 402 On décrira également ci-après ce circuit qui est représenté sur la figure 1 (fondamentalement identique à la figure 5 du brevet précité). Un but de l'invention est de procurer un circuit à onde lente du type à quatre peignes, dans lequel la vitesse de l'onde soit modifiée près d'une extrémité. Un autre but est de procurer un circuit ayant une vitesse d'onde qui va en diminuant, dans lequel les éléments 15 périodiques soient néanmoins tous semblables. Un but supplémentaire est de procurer un circuit qui confère un rendement accru au tube à onde progressive dans lequel il est incorporé, sur une largeur de bande modérée. On parvient à ces buts en augmentant progressivement 20 le volume entre les éléments de support extérieurs et les échelles croisées, au fur et à mesure qu'on s'approche de l'extrémité de sortie du circuit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se 25 référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en perspective des échelles d'un circuit à onde lente à quatre peignes. La figure 2 A est une coupe axiale d'un circuit conforme à l'invention. Les figures 2 B, 2 C, 2 D sont une série de coupes transversales du circuit de la figure 2 A. La figure 3 est un diagramme de dispersion qui illustre un effet favorable de l'invention. La figure 1 représente le circuit à onde lente à quatre peignes de base, décrit ci-dessus comme appartenant à l'art antérieur Dans un but de clarté, on a supprimé l'ernceinte conductrice contenant les échelles représentées L'enceinte environnante procure un support, confine le champ RF, fait fonction de radiateur thermique et maintient le vide Du fait que les champs électromagnétiques du circuit s'étendent vers l'extérieur jusqu'à cette enceinte, sa forme interne affecte les propriétés de la ligne à retard, comme on le montrera ci-après. Le circuit interne de la figure 1 est formé à partir 10 de quatre éléments métalliques en une seule pièce, en forne de peigne, 10, 12, 14, 16, qui peuvent être en cuivre OFHC Chaque paire de peignes 10, 12 et 14, 16 est positionnée avec les dents 18 face à face et alignés axialement pour former l'équivalent électrique d'une échelle 20, 22 Selon une variante, les dents des peignes peuvent ne pas se rencontrer, mais former un espace entre des dents en regard, ce qui laisse pratiquement inchangées les propriétés d'amplification par onde progressive Les deux échelles 20, 22 sont disposées de façon que leurs barreaux 24 soient croisés et mutuellement entrela20 cés, les barreaux 24 d'une échelle traversant les ouvertures de l'autre échelle Chaque barreau 24 comporte un trou central 26 pour le passage du faisceau délectrons Tous les trous 26 sont alignés axialement et espacés de façon périodique le long de l'axe, pour donner lieu à une interaction périodique du' 25 faisceau avec l'onde du circuit électromagnétique. Le circuit à quatre peignes possède d'importants avantages pour le fonctionnement à forte puissance à des fréquences élevées Les peignes symétriques sont usinés à partir de barres de métal en une seule pièce, ce qui fait qu'il y a 30 finalement très peu de joints de soudure qui doivent être traversés par les courants RF circulants; on aboutit ainsi à une dissipation réduite du circuit et à une moindre probabilité de perturbation des paramètres électriques par des cordons de soudure De plus, la circulation de la chaleur n'est pas interrompue par des joints à résistance élevée Ia plupart des dimensions critiques du circuit, et en particulier les écartements axiaux, sont établies par l'usinage des échelles, ce qui fait qu'il n'y a pas d'accumulation d'écarts susceptibles de dégrader la périodicité précise des structures à un grand nombre de périodes qui sont nécessaires pour les fréquences élevées. On sait depuis longtemps qu'on peut augmenter le rendement des tubes à ondes progressives en donnant au circuit une configuration qui réduit progressivement la vitesse de 10 l'onde On diminue progressivement la vitesse de phase de l'onde du circuit à l'approche de l'extrémité de sortie Du fait que la vitesse moyenne du faisceau d'électrons diminue au fur et à mesure que ce faisceau apporte de l'énergie à l'onde croissante du circuit, la diminution de la vitesse de 15 l'onde du circuit maintient mieux le synchronisme exigé avec le faisceau. Divers moyens pour réduire la vitesse de phase de l'onde ont été inventés pour les diverses sortes de circuits à onde lente On diminue généralement la longueur de périodi20 cité Ceci rend le circuit complexe et difficile à fabriquer; en effet, des éléments individuels doivent souvent être réalisés avec une gamme complète de dimensions critiques différentes. L'invention supprime de nombreuses difficultés dans 25 la réalisation d'un circuit à quatre peignes avec diminution progressive de vitesse Les éléments périodiques du circuit demeurent tous exactement semblables, sans variation sur la longueur La figure 2 montre la structure de l'inventiono La figure 2 A est une coupe axiale du circuit à onde lente Ce circuit comprend le circuit de la figure 1 incorporé dans une enceinte 30 dont la partie principale possède la section transversale qui est représentée sur la figure 2 B, On a prévu de façon théorique et démontré expérimentalement que la vitesse de phase du circuit à quatre peignes est fonction de la 35 taille et de la forme des quatre espaces axiaux ouverts 32 qui sont situés entre des peignes adjacents 10 ', 12 ' et 14 ', 16 ', et sont limités par l'intérieur de l'enceinte 30. En général, l'onde est d'autant plus lente que la section transversale de ces espaces 32 est plus grande Con5 formément à l'invention, on augmente progressivement les dimensions des espaces 32 près de l'extrémité de sortie du tube. Dans le mode de réalisation représenté, on réalise ceci en éloignant davantage vers l'extérieur la paroi diagonale 34, par rapport aux peignes 10, 12, 14, 16, ce qui donne des pa10 rois 36 ayant un profil octogonal Ia figure 20 est une coupe en position médiane de la partie évasée des parois diagonales 34 la figure 2 D est une coupe au niveau de l'extrémité de sortie de la partie évasée, dans laquelle les espaces s'étendent vers l'extérieur jusqu'à la limite 36 exigée. On a représenté la structure des figures 2 A 2 D du fait qu'elle est facile à concevoir et à fabriquer Il existe cependant une variété presque illimitée de configurations géométriques produisant le résultat désiré L'invention englobe toutes ces configurations et n'est limitée que par 20 les revendications et leurs équivalents légatux la forme exacte des espaces ouverts n'est pas vitale le facteur important consiste en ce qu'on augmente progressivement ces espaces près de l'extrémité de sortie du circuit Il n'est pas nécessaire que la forme présente une variation progressi25 ve, comme il est représenté, et on peut la changer en un ou plusieurs sauts discrets. la figure 3 est un diagramme de dispersion qui illustre l'effet du procédé de diminution de vitesse de l'invention et un avantage supplémentaire que procure ce procédé 30 particulier Ce type de diagramme est également appelé "Diagramme de Brillouin" ou diagramme " O méga-beta" L'échelle horizontale correspond à la constante de propagation, beta; l'échelle verticale correspond à la fréquence, F Ia dimension axiale P est la distance périodique d'un espace d'in35 teraction au suivant Ia vitesse de phase du circuit à quatre peignes possède une composante fondamentale régressive, ce qui fait que la partie de la caractéristique de dispersion utile pour une interaction à large bande avec le faisceau d'électrons à vitesse fixe est centrée sur un déphasage d'environ 3 Tr/2 radians par longueur périodique La largeur de bande totale du circuit s'étend depuis la fréquence de coupure inférieure FL, à laquelle le déphasage par période est de It radians, jusqu'à la fréquence de coupure supérieure FH, à laquelle le déphasage est de 21 r Pour des fréquen10 ces intermédiaires, le déphasage du circuit sans diminution de vitesse suit la courbe régulière 40, approximativement sinusoïdale La largeur de bande utile du tube à onde progressive correspond à une plage de fréquence allant de F 1 à F 2 sur laquelle la courbe 40 est relativement linéaire. La courbe 42 montre l'effet de l'agrandissement des espaces axiaux ouverts 32 La courbe 42 est située au-dessous de la courbe 40 et elle a une plus forte pente la vitesse de phase est le rapport entre la fréquence et bêta, et on voit donc que cette vitesse est diminuée par les espaces 32 plus 20 grands, comme on le désire. Une autre considération importante réside dans la manière selon laquelle la vitesse est diminuée sur la bande de fonctionnement 9 F 1 à F 2 Le brevet US 3 846 664 décrit une diminution de vitesse optimale obtenue en diminuant la 25 fréquence de coupure inférieure FL seulement, tandis que la fréquence de coupure supérieure FH est maintenue constante. Ceci donne l'avantage d'augmenter la variation de vitesse aux fréquences inférieures, ce qui égalise le rendement sur la bande La figure 3 montre que la technique de l'invention produit essentiellement cet effet recommandé La diminution relative du déphasage A 1/ 1 à l'extrémité inférieure de la bande, F 1, est supérieure à cette diminution (A t 2/ 2) à l'extrémité supérieure F 2. Une explication simplifiée de cet effet dans l'in35 vention est la suivante: à la fréquence de coupure supérieu- re FH, à laquelle = 2 ir/P, les champs électriques dans tous les espaces d'interaction sont en phase (instantanément dans la même direction) Ces champs sont produits par une onde stationnaire à la fréquence de résonance de la cavité située entre des barreaux croisés adjacents des deux échelles. Ces champs axiaux sont faibles à l'extérieur de la région qui entoure le trou central, ce qui fait que cette fréquence de résonance FH est peu affectée par la taille ou la forme de l'ouverture 32 entre des peignes et l'enceinte qui les sup10 porte A la fréquence de coupure inférieure FL, les champs électriques dans des espaces d'interaction successifs sont inversés Ceci est produit par une résonance d'onde stationnaire dans laquelle les barreaux d'une échelle sont en phase les uns avec les autres et tous les barreaux de l'autre échelle sont en phase les uns avec les autres, mais sont déphasés de Ir radians par rapport au premier ensemble de barreaux Cette résonance se produit donc avec des courants élevés qui circulent autour des ouvertures 32 entre les peignes, et avec des composantes supplémentaires de champ élec20 trique, tous dans des directions perpendiculaires à l'axe du circuit Le fait d'agrandir les ouvertures 32 augmente l'inductance qui affecte ces courants et diminue considérablement la fréquence de résonance précitée. N'importe quel moyen capable de diminuer de façon 25 différentielle la fréquence de coupure inférieure procurera l'effet désiré Les moyens représentés consistant à faire varier la taille des ouvertures latérales 32 sont mécaniquement simples et économiques et ils permettent de laisser tous les éléments de circuit périodiques semblables Ia forme exacte des ouvertures 32 peut correspondre à une grande variété de configurations Comme décrit ci-dessus, on peut augmenter la taille des ouvertures latérales par des sauts discrets au lieu d'évaser progressivement ces ouvertures. Il va de soi que de nombreuses autres modifications 35 peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 1: REVERDICU TIONS 1 Circuit à onde lente pour un tube à onde progressive, comprenant: une enceinte conductrice creuse ( 30) qui s'étend le long d'un axe; au moins deux ensembles de barreaux parallèles qui s'étendent transversalement par rapport à l'enceinte ( 30), les barreaux d'un premier ensemble étant croisés par rapport aux barreaux d'urn second ensemble, et les barreaux du premier ensemble étant intercalés dans les espaces formés entre les barreaux du second ensemble; un 10 passage axial ( 26 ') qui traverse les barreaux pour permettre le passage d'un faisceau linéaire d'électrons; et des ouvertures axiales ( 32) qui sont limitées par les bases des barreaux du premier ensemble et des barreaux du second ensemble, et par l'enceinte ( 30); caractérisé en ce que la section 15 transversale de l'une au moins des ouvertures-axiales ( 32) augmente en direction de l'extrémité de sortie du circuit. 2 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des barreaux consiste en une paire de dents alignées ( 18 ') s'étendant vers l'intérieur à partir de l'en20 ceinte ( 30), en direction du passage de faisceau ( 26 '), mais qui ne se touchent pas. 3 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section transversale de l'ouverture axiale ( 32) augmente progressivement en direction de l'extrémité de sor25 tie. 4 Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des ensembles de barreaux forme une paire de peignes métalliques d'un seul tenant ( 10 ', 12 ', 14 ', 16 ') disposés en relation avec l'axe et avec les dents ( 18 ') ali30 gnées axialement. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que les barreaux sont espacés uniformément et périodiquement le long de l'axe.