Brevet FR2539554A1 — publié le 19840720

La présente invention se rapporte aux oscillateurs à décharge d'électrons à champs croisés avec des caracté- ristigues améliorées au démarrage, et concerne plus parti- culièrement une structure de cathode qui apporte de meilleures caractéristiques au démarrage dans des magnétrons coaxiaux. Les oscillateurs a magnétron sont largement utilisés dans des radars à grande puissance pour produire des impulsions d'hyperfréquences Des impulsions à haute tension appliquées à la cathode du magnétron excitent le tube et provoquent des oscillations Le magnétron doit commencer à osciller à la tension de sortie et la fréquence voulues avec un retard minimal sur l'application d'une impulsion de haute tension Cela est particulièrement impor- tant lorsque l'impulsion de sortie est très courte, par exemple 0,1 As. Jusqu'à présent, des problèmes se sont posés au démarrage des magnétrons coaxiaux A l'application de la tension, le magnétron peut osciller dans le mode TE 121 indésirable, ce qui retarde le démarrage du mode TE 011 voulu Différentes techniques ont été appliquées avec succès pour inhiber les modes indésirables après le démarrage Mais la réponse transitoire pendant le démarrage reste un problème. Diverses techniques ont été appliquées pour supprime: le démarrage du mode TE 121 ' La cathode a été positionnée avec un léger décalage par rapport à l'axe du tube, ce qui réduit les dimensions de l'espace d'action mutuelle dans une direction Les performances au démarrage en sont améliorées mais la puissance de sortie du magnétron est nettement réduite Le diamètre de la cathode a également été augmenté Mais une plus grande cathode nécessite une forte augmentation du champ magnétique pour maintenir la même tension d'alimentation Des anneaux symétriques ont été ajoutés autour de la cathode mais se sont généralement avérés inefficaces en ce qui concerne les performances au démarrage. Un objet général de l'invention est donc de proposer un nouvel oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés. Un autre objet de l'invention est de proposer un oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés avec de meilleures performances en impulsions au démarrage. Un autre objet encore de l'invention est de proposer un oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés avec un meilleur démarrage dans le mode voulu sans réduire substantiellement la puissance de sortie de l'oscillateur. Un autre objet enfin de l'invention est de proposer un oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés dans lequel l'oscillation dans des modes indésirables dans le démarrage est supprimé. Selon l'invention, ces objets et avantages-ainsi que d'autres sont obtenus dans un oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés comprenant une cathode qui produit un flux d'électrons, une enveloppe sous vide pour maintenir le vide autour du flux d'électrons, un circuit à hyperfréquences pour supporter les champs élec- tromagnétiques en relation d'action mutuelle avec le flux d'électrons et un dispositif de couplage de l'énergie électromagnétique provenant du circuit d'hyperfréquences. Le dispositif comporte en outre un dispositif d'application d'un champ électrique entre la cathode et le circuit et un dispositif d'application d'un champ magnétique perpendi- culaire au champ électrique dans la région du flux des électrons La cathode comporte un émetteur d'électrons avec une surface de forme généralement cyclindrique avec au moins une partie en saillie radiale dissymétrique par rapport à l'axe de la-surface du cylindre La partie en saillie améliore le démarrage du dispositif dans le mode voulu sans en réduire sensiblement la puissance de sortie. Dans un mode de réalisation, la partie en saillie a la -forme d'une nervure circonférentielle autour d'une partie seulement de la circonférence complète de la surface cy - lindrique de l'émetteur d'électrons. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés La figure 1 est une coupe partielle d'un oscillateur à magnétron selon l'invention, La figure 2 est une vue en perspective d'une cathode avec une nervure circonférentielle pour améliorer le démarrage du magnétron selon l'invention, La figure 3 est une coupe schématique transversale d'un oscillateur à magnétron selon l'invention, et La figure 4 illustre graphiquement les performances au démarrage d'un magnétron selon l'invention, compara- tivement avec des magnétrons antérieurs. La figure 1 est donc une coupe d'un magnétron - coaxial selon l'invention Le magnétron comporte une cathode d'émission d'électrons 10, comme en tungstène imprégné d'aluminate de baryium, avec une surface de forme générale cylindrique A chaque extrémité de l'émetteur 10, se trouve un-capuchon d'extrémité 12 de cathode en saillie en une matière non émettrice, comme en hafnium La cathode est supportée à une extrémité sur une structure de-tige de cathode L'émetteur d'électrons 10 est chauffé par un élément de chauffage 14 par rayonnement, comme une hélice en fil de tungstène. Autour de l'émetteur 10, se trouve un ensemble circulaire coaxial d'ailettes d'anode 16 qui s'étendent vers l'intérieur à partir d'une enveloppe d'anode 18 Les extrémités intérieures des ailettes 16 se situent sur un cylindre définissant la surface extérieure d'un espace toroldal 20 d'action mutuelle Les ailettes 16 sont espacées régulièrement suivant la circonférence pour définir entre ailettes voisines des cavités résonnantes, à peu près à la fréquence d'oscillation voulue. Sur la surface extérieure de cavités alternées, des fentes axiales sont découpé-es dans l'enveloppe d'anode 18, assurant la liaison avec une cavité toroldale 24 de stabilisation La cavité 24 comporte des parois 26, 27 qui sont de préférence en cuivre pour refroidir par conduction 2539 J 54 les ailettes d'anode 16 et pour assurer un facteur de qualité Q élevé pour la stabilisation de fréquence La cavité 24 est accordée par un plongeur d'accord annulaire 28, qui peut être déplacé axialement par plusieurs tiges poussoir 30 entraînées en même temps par un ensemble d'accord La cavité 24 est couplée par un diaphragme 32 avec un guide d'ondes de sortie 34 dont l'étanchéité au vide est assurée par une fenêtre diélectrique 36. Des pièces polaires ferromagnétiques coaxiales 38,39, sont décalées axialement sur les côtés opposés de l'émetteur 10 et des ailettes d'anode 16 Les pièces polaires 38, 39 sont scellées sur le corps du tube et sont couplées avec un aimant permanent 40 L'aimant permanent 40 et les pièces polaires 38, 39 sont réalisés de manière à présenter des pôles opposés aux extrémités opposées de l'espace d'interaction 20 et un champ magné- tique axial, généralement uniforme, est produit dans cet espace 20. Pendant le fonctionnement du magnétron représenté sur la figure 1, un courant alternatif de chauffage est fourni à l'élément de chauffage de cathode 14 et la cathode reçoit des impulsions négatives par rapport au corps du tube à la masse et aux ailettes d'anode 16 Des électrons sont arrachés de l'émetteur de cathode 10 vers les ailettes 16 et sont dirigés par le champ magnétique dans-des trajets de circulation autour de l'espace toroidal 20 d'action mutuelle dans lequel ils réagissent avec les champs électriques d'hyperfréquences de fuite des cavités entre les ailettes, en produisant de l'énergie en hyperfréquences Cette dernière est couplée à partir des cavités entre les ailettes par les fentes axiales avec la cavité de stabilisation 24 Le mode électrique circulaire dans la cavité 24 verrouille la fréquence du mode a I des ailettes d'anode 16 excitées sur la fréquence de résonance de la cavité 24 Ainsi, quand la fréquence de résonance de la cavité de stabilisation 24 est modifiée par le mouvement du plongeur d'accord 28, la fréquence de fonctionnement du magnétron est modifiée de la même manière. Comme le montrent les figures 1 à 3, l'émetteur d'électrons 10 comporte une surface extérieure-de forme générale cylindrique coaxiale avec l'axe principal du magnétron Selon l'invention, l'émetteur d'électrons 10 comporte au moins une partie en saillie radiale 50, dissymé- trique par rapport à l'axe de la surface cylindrique De préférence, la partie en saillie 50 a une surface qui est petite comparativement à la surface cylindrique de l'émetteur d'électrons 10 Le but de la partie en saillie 50 est d'améliorer le démarrage du magnétron dans le mode voulu sans réduire sensiblement sa puissance de sortie Ces conditions sont remplies par une partie en saillie dissymé- trique, petite par rapport à l'émetteur d'électrons. Dans un mode de réalisation, la partie en saillie 50 a la forme d'une nervure circonférentielle sur la surface cylindrique de l'émetteur d'électrons 10 La nervure est formée sur environ la moitié de la circonférence de la surface cylindrique et elle est disposée en son milieu. L'épaisseur de la nervure peut diminuer jusqu'à s'annuler aux deux extrémités Il est préférable que la surface de la partie en saillie 50 soit inférieure à 20 % de la surface cylindrique de l'émetteur d'électrons 10 Il est en outre préférable que la partie en saillie 50 soit disposée radialement dans l'espace toroidal 20 d'action mutuelle, d'environ 10 % à 20 % de la dimension radiale de cet espace Dans un mode spécifique de réalisation de magnétron en bande C, l'émetteur d'électrons 10 a un diamètre de 22,45 mm et une longueur de 7,87 mm La partie en saillie a une largeur W (voir figure 2) de 0,76 mm et une épaisseur t (voir figure 3) de 0,51 mm la partie en saillie est de préférence orientée sous un angle 9 de 450 par rapport au guide d'ondes de sortie 34 (voir figure 3). Dans d'autres modes de réalisation, l'émetteur d'électrons 10 peut comporter plus d'une seule partie en saillie radiale En outre, la partie en saillie radiale peut être située axialement sur la surface cylindrique de l'émetteur d'électrons 10 en n'importe quel point de sa longueur La partie en saillie peut également avoir la forme d'une nervure axiale sur la surface Gylindrique, p}ltôt qu'une nervure circonférentielle. La cavité du magnétron coaxial fonctionne dans le mode TEO 11 Dans ce mode, le champ électrique est seulement présent en un anneau continu Ce mode est couplé dans l'anode par des fentes alternées de l'enveloppe d'anode 18, formant un champ de mode XC dans l'anode. L'expérience a montré que le mode TE 121 est le mode de cavité présentant la plus grande compétition dans le démarrage de l'oscillation Il a été admis théoriquement que dans un oscillateur avec deux ou plusieurs degrés de liberté, chaque oscillation possible démarre Cela veut dire que dans le faisceau d'électrons du magnétron, des électrons commencent à se déplacer en synchronisme avec le mode TE 011, d'autres en synchronisme avec le mode TE et d'autres encore en synchronisme avec d'autres modes possibles de fonctionnement Lorsqu'une oscillation atteint la condition non-linéaire, c'est-à-dire une condition dans laquelle des rayons remplis d'électrons, bien définis, sont formés, des forces de focalisation de phase détruisent les rayons les plus faibles associés avec tous les autres modes, en laissant un mode dominant. Pendant la période de démarrage, le modb TE 121 peut osciller fortement Ce phénomène est illustré graphi- quement sur la figure 4 La tension d'entrée du magnétron est représentée par la courbe 60 L'amplitude du mode TE 01 dans les magnétrons antérieurs est illustrée par la courbe 62 tandis que l'amplitude dans le mode TE 121 est illustrée par la courbe 64 Les amplitudes relatives des modes TE 011 et TE 121 sont exagérées sur la figure 4 à titre d'illustration En réalité, une amplitude de mode TE 121 à 30 d B au-dessous de l'amplitude du mode TE 011 est courante dans les magnétrons antérieurs et peut être inacceptable dans certaines applications Une différence de 50 à 60 d B est fréquemment imposée Comme l'indique la courbe 64, l'amplitude dans le mode TE 121 est substantielle pendant le démarrage Lorsque la partie en saillie décrite ci-dessus est ajoutée à l'émetteur d'électrons, le mode TE 011 atteint la pleine amplitude en un temps plus court comme l'indique la courbe 70 sur la figure 4 De plus, l'amplitude du mode T 121 est réduite comme l'indique la courbe 72 Etant donné que la partie en saillie est petite comparativement à l'émetteur d'électrons, l'effet sur la puissance de sortie du magnétron est négligeable Il semble que la partie en saillie sur l'émetteur d'électrons soit efficace pour supprimer le mode TE 121 en raison de la dépendance angulaire du champ électriquedans le mode TE 121 ' Au contraire, le mode TE 11 ne varie pas avec l'angle autour de la cavité et il n'est pratiquement pas affecté par la partie en saillie. Bien entendu, de nombreuses modifications et variantes peuvent être apportées au mode de réalisation décrit et illustré sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. 8 2539554 REVENDICATIONS 1 Oscillateur à décharge d'électrons à champs croisés, caractérisé en ce qu'il comporte une cathode destinée à produire un flux d'électrons, comprenant un émetteur d'électrons ( 10) avec une surface de forme générale cylindrique, comprenant au moins une partie en saillie radiale ( 50) dissymétrique par rapport à l'axe de ladite surface cylindrique, une enveloppe sous vide pour maintenir le vide autour dudit flux d'électrons, un circuit d'hyperfré- quences ( 20) destiné à supporter des champs électromagné- tiques en relation d'action mutuelle avec ledit flux d'électrons, un dispositif ( 24) de couplage de l'énergie d'ondes électromagnétiques provenant dudit circuit, un dispositif ( 16) destiné à appliquer un champ électrique entre ladite cathode et ledit circuit et un dispositif ( 38,39,40) destiné à appliquer un champ magnétique perpen- diculaire audit champ électrique dans la région dudit flux d'électrons, ladite partie en saillie ( 50) sur ledit émetteur d'électrons ( 10) ayant pour fonction d'améliorer le démarrage dudit oscillateur dans le mode voulu sans réduire sensiblement la puissance de sortie dudit oscillateur. 2.Oscillateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite partie en saillie ( 50) a la forme d'une nervure circonfërentielle sur ladite surface cylin- drique. 3 Oscillateur selon la revendication 1, rarac- térisé en ce que la surface de ladite partie en saille ( 50) est inférieure à 20 % de celle de ladite surface-cylin- drique. 4 Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite nervure ( 50) s'étend autour de moins de la circonférence complète de ladite surface cylindri Que, son épaisseur diminuant jusqu'à s'annuler à ses extrémités. Oscillateur selon la revendication 4, carac- térisé en ce que ladite cathode ( 10) et ledit circuit ( 20) définissent entre eux un espace toroldal d'action mutuelle, ladite partie en saillie s'étendant radialement dans ledit espace d'action mutuelle d'environ 10 à 20 % de la dimension radiale de cet espace d'action mutuelle. 6 Oscillateur selon la revendication 4, carac- térisé en ce que ledit dispositif ( 24) de couplage de l'énergie électromagnétique provenant dudit circuit comporte une cavité de stabilisation couplée avec lesdits champs électromagnétiques dudit circuit et un diaphragme ( 32) de couplage de sortie destiné à coupler les champs électromagnétiques de ladite cavité, ladite partie en saillie étant orientée sous un angle d'environ 450 par rapport audit diaphragme. -7 Oscillateur selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ladite nervure ( 50) est centrée axialement sur ladite surface cylindrique. 8 Oscillateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite partie en saillie ( 50) sur ledit émetteur d'électrons est adaptéepour supprimer le démarrage dudit oscillateur dans un mode TE 121.