Brevet FR2542504A1 — publié le 19840914

CAVITE RESONNANTE POUR HYPERFREQUENCES, EN PARTICULIER POUR GENERATEURS D'ENERGIE ELECTROMAGNETIQUE La présente invention concerne une cavité résonnante pour hyperfréquences, plus particulièrement une cavité résonnante uti- lisée dans un générateur fonctionnant à plusieurs dizaines de giga- hertz, c'est-à-dire, en ondes millimétriques et submillimétriques. Parmi les générateurs de ce type, on connait en particulier des générateurs dans lesquels un faisceau d'électrons se propage selon des trajets hélico Tdaux en étant guidé par un champ magnétique uniforme suivant laxe de l'hélice Le faisceau traverse une cavité résonnante dans laquelle les composantes de vitesse transversales des électrons interagissent avec une composante de champ élec- trique transversale de l'onde de manière à Pamplifier Les cavités habituellement employées dans ce type de générateurs sont cons- tituées par des cavités cylindriques ou à 'deux miroirs sphériques dont les dimensions sont calculées pour fonctionner en mode T Eon. L'un des problèmes rencontrés avec ce type de cavités, en particulier lorsque l'on désire fonctionner en mode élevé, provient de la coexistence de plusieurs modes dans la cavité, ce qui entraîne une probabilité importante d'oscillations sur un mode non désiré. En conséquence, le but de la présente invention est de fournir une cavité résonnante permettant d'augmenter la séparation en fréquence des modes électromagnétiques, à savoir d'éliminer un certain nombre de modes parasites. Ainsi, la présente invention a pour objet une cavité résonnante pour hyperfréquences formée par une surface de révolution carac- térisée en ce que, dans un plan méridien, la surface de révolution forme au moins quatre zones-miroir se faisant face, positionnées de sorte que le contre de chaque zone-miroir définisse le sommet d'un polygone et que la normale à la dite zone-miroir au niveau du centre soit dirigée suivant la bissectrice correspondante dudit polygone. Avec une telle structure en utilisant les propriétés de ré- flexion et de diffraction des ondes se propageant dans la cavité, il est possible d'éliminer un certain nombre de modes non-radiaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une cavité conforme à la présent invention; les figures 2 a et 2 b représentent schématiquement une vue en coupe et une vue en plan de dessus d'un miroir annulaire utilisé dans la cavité de la figure 1, vues sur lesquelles on a représenté certains trajets d'ondes; la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation d'une cavité conforme à la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation d'une cavité conforme à la présente invention. On rappelera tout d'abord pour bien comprendre la présente invention que les modes se propageant dans une cavité résonnante peuvent être analysés comme des ondes planes qui se réfléchissent un certain nombre de fois sur les parois de la cavité. D'autre part, dans le cas des modes TE on, les ondes se propagent selon des-rayons. Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la cavité résonnante 1 conforme à la présente invention est constituée principalement par deux miroirs annulaires incurvés 3-4 de même axe ZZ', plus particulièrement en forme de zone sphérique. Les deux miroirs 3, 4 qui se font face, sont positionnés de telle sorte que, dans un plan méridien, ils délimitent quatre zones-miroir 3 a, 3 b, 4 a, 4 b se faisant face dont les centres respectifs 3 'a, 3 'b, 4 'a, 4 'b forment les sommets d'un polygone, à savoir les quatre sommets d'un rectangle dans le mode de réalisation représenté D'autre part, les quatre zones sont inclinées dans le plan rnméridien de telle sorte que la normale 5 a, 5 b, 6 a, 6 b aux dites zones-miroir au niveau des centres correspond à la bissectrice de l'angle au sommet corres- pondant du rectangle Ainsi dans le mode de réalisation représenté, les miroirs sont inclinés à 45 par rapport à l'axe ZZ' De ce fait les ondes électromagnétiques utiles, comme expliqué ci-après, qui se réfléchissent successivement sur les différentes zones-miroir suivent les trajets représentés par des flèches sur la figure 1, les hachures représentant les zones o l'énergie correspondante est concentrée D'autre part, comme mentionné ci-dessus, les zones- miroir 3 a, 3 b, 4 a, 4 b présentent une courbure appropriée dans le plan contenant l'axe dont le but est de concentrer Pénergie au niveau de l'axe ZZ' sur deux zones cd, cf de longueur limitée par un effet secondaire du à la diffraction. De plus entre les deux miroirs annulaires, la cavité est constituée par des surfaces 7 absorbant le rayonnement électro- magnétique considéré, ce qui évite la réflexion des rayons diffractés hors de la cavité. On expliquera maintenant le fonctionnement de la cavité objet de la présente invention avec référence aux figures 2 qui illustrent la réflexion de deux rayons incidents sur la surface d'un des miroirs 3 ou 4 constituant la cavité de la figure 1 Dans le cas d'un rayon centrifuge A, celui-ci frappe la zone-miroir 3 a en A' et est réfléchi verticalement en A" du fait de l'inclinaison du miroir à 450 comme représenté sur la figure 2 a, le rayon suivant ensuite le trajet de propagation représenté sur la figure 1 Dans le cas d'un rayon b ne passant pas par l'axe et frappant la zone miroir également en A', celui-ci se réfléchit suivant une direction B" Il en résulte que les rayons B" ne viendront pas tous frapper le second miroir annulaire et que les modes non radiaux subiront des pertes par diffraction plus importantes que les modes radiaux, ce qui empêchera leur exci- tation On obtient donc avec ce type de cavités une augmentation de la séparation des fréquences -par élimination d'une partie des modes autres que les modes T Eon Dans le cas de la cavité représentée à la figure 1, celle-ci présente deux zones d'interaction cd, *ef avec le faisceau élec- tronique Il est ainsi possible de réaliser une prémodulation du faisceau électronique au cours de la première interaction, à savoir au niveau de la zond cd, l'essentiel de la cession d'énergie du faisceau à l'onde se produisant au cours de la seconde interaction, a savoir au niveau de la zone cf Pour améliorer, l'efficacité de ce processus, les miroirs annulaires peuvent être, comme représente sur la figure 3, constitués par deux miroirs annulaires dissymétriques 8, 9 possédant des rayons différents dans le plan méridien Dans ce cas, le polygone des centres des zones-miroir 8 a, 8 b, 9 a, 9 b est constitué par un trapèze isocele Sur la figure 3, on a représenté de la même manière que sur la figure 1, le trajet de la propagation électromagnétique et les zones o l'énergie est concentrée Le trajet suivi par les ondes électromagnétiques dans la cavité de la figure 3 est identique à celui de la figure 1, la seule différence résidant dans le fait que la zone d'interaction cd est plus importante que la zone d'interaction cf, ce qui entraine une concentration d'énergie plus importante au niveau de la zone cf. Dans certains cas, il est avantageux de n'avoir qu'une seule zone d'interaction Pour réaliser cette condition, les zones-miroir 10, 11, 12, 13 sont positionnées comme représenté sur la figure 4. Les zones-miroir 10, 11, 12, 13 sont obtenues à partir de quatre miroirs en calotte sphérique ou parabolique par exemple disposés autour de l'axe ZZ' qui reste l'axe de symmétrie du faisceau électronique et du champ magnétique Chaque miroir possède main- tenant son axe propre 1 Oa 10 a', 11 b Ilb', 12 c 12 c', 13 d 13 d' et le polygone ayant les axes ci-dessus pour bissectrice est formé par deux triangles opposés par le sommet. Il est aussi possible d'obtenir une zone d'interaction unique, en utilisant à la place de quatre miroirs en calotte sphérique ayant chacun leur axe de symmétrie, deux miroirs en forme de zone sphérique, inclinés de manière appropriée dans le plan méridien. Avec cette disposition on obtient une concentration plus importante de l'énergie électromagnétique dans la région gh du faisceau électronique En outre, à la résonnance, les modes radiaux successifs correspondent à une variation de la phase de 2 f lors- qu'elle est comptée le long d'un parcours complet du rayon sur lui- même Il en résulte qu'un mode radial sur deux correspond à des champs en opposition de phase dans la région de l'axe Ainsi, seulement un mode radial sur deux peut interagir. Dans les cavités des figures 3 et 4 les surfaces entourant les miroirs sont constituées par des éléments absorbant le rayonnement électromagnétique présent ou par des surfaces recouvertes d'une couche absorbante réalisée par exemple en "carberlox". Les cavités décrites ci-dessus sont utilisées plus particu- lièrement dans des générateurs d'ondes radioélectriques du type gyrotrons Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que ces cavités peuvent être utilisées dans d'autres applications nécessitant une séparation des modes. REVENDICATIONS I Une cavité résonnante pour hyperfréquences formée par une surface de révolution caractérisée en ce que, dans un plan méridien, la surface de révolution forme au moins quatre zones-miroirs ( 3 a, 3 b, 4 a, 4 b, 8, 9, 10, 11, 12, 13) se faisant face, positionnées de sorte que le centre ( 3 'a, 3 'b, 4 'b; 8 a, 8 b, 9 a, 9 b) de chaque zone-miroir définisse le sommet d'un polygone et que la normale ( 5 a, 5 b, 6 a, 6 b, l O a l Oa', 1 lb lib', 12 c 12 c', 13 d 13 d') à ladite zone-miroir au niveau du centre soit dirigée suivant la bissectrice correspondante dudit polygone. 2 Une cavité résonnante selon la revendication 1 caractérisée en ce que les zones-miroir sont réalisées par des miroirs annulaires ( 3, 4; 8, 9). 3 Une cavité résonnante selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2 caractérisée en ce que les zones-miroir sont incurvées. 4 Une cavité résonnante selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3 caractérisée en ce que le polygone est un carré, un rectangle ou un trapèze. Une cavité résonnante selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque zone-miroir ( 10, 11, 12, 13) est constituée par un miroir en calotte sphérique, paraboliquejélliptique ou en ellipsoide. 6 Une cavité résonnante selon l'une quelconque des reven- dications 2 et 5 caractérisé en ce que le polygone est constitué par deux triangles opposés par le sommet. 7 Une cavité résonnante selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6 caractérisée en ce que les surfaces de la cavité autres que les miroirs sont des surfaces absorbant le rayonnement électromagnétique considéré.