Brevet FR2543368A1 — publié le 19840928

TRANSFORMATEUR DE MODES La présente invention concerne un transformateur de modes. Les transformateurs de modes sont bien connus de l'art anté- rieur On connait notamment par l'article de H G UNGER intitulé "Circular electric wave transmission through serpentine bands", paru dans la revue "The Bell System Technical Journal", Volume XXXVI, septembre 1957, Ne 5, des transformateurs de modes constitués par des guides circulaires dont la section varie de manière périodique O On dispose de deux paramètres indépendants, à savoir le diamètre du guide, et l'amplitude des variations du diamètre Ces trans- formateurs permettent de passer aisément d'un mode TE 02 circu- laire à un mode TEO 1 circulaire Par contre, on rencontre des difficultés pour passer par exemple d'un mode TE 05 circulaire à un mode TE 01 circulaire En effet, on engendre les modes TE 0,, TE 02, TE 03 et TE 04 et il est difficile de conserver seulement le mode TE,1 en ne disposant que de deux paramètres. Le problème que la présente invention se propose de résoudre est l Pélaboration d'un transformateur de modes qui permette de passer d'un mode TE mn à un mode T Emp, avec p inférieur à N et cela même si N est élevé et égal par exemple à 5 ou 6. Certains tubes, tels que par exemple les gyrotrons ou les lasers à électrons libres, fonctionnent sur des modes élevés Si l'on prend pour exemple le cas des gyrotrons, il faut passer du champ dis- ponible à la sortie du gyrotron à un champ qui permette de rayonner dans une machine thermo-nucléaire par exemple, c'est-à-dire qu'il faut passer à un champ électrique aussi uniforme que possible pour avoir un rayonnement élevé. Le transformateur de modes selon l'invention lorsqu'il est associé aux gyrotrons permet de passer par exemple d'un mode TE 05 circulaire à la sortie du gyrotron à un mode TEO 1 circulaire. On a intérêt à conserver le mode T Eo O circulaire sur le parcours compris entre le gyrotron et la machine thermo-nucléaire 2 2543368 car ce parcours est généralement de plusieurs mètres et le mode TE 01 circulaire ne présente que de très faible pertes. Près de la machine, on passe généralement du mode TE 01 circulaire au mode TE 01 rectangulaire ou carré à l'aide d'un transformateur de modes connu, dont la section est déformée et passe progressivement d'une section circulaire à une section rectan- gulaire ou carrée En effet, ce mode TE 01 a une carte de champ plus simple que le mode TE 01 circulaire et présente un champ électrique plus uniforme. L'invention concerne un transformateur de modes recevant un mode TE mn' et caractérisé en ce qu'il est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux ayant la même section, le guide interne occupant l'une des zones o dans le guide externe le champ électrique tangentiel s'annule et renfermant un mode TE mp, avec p inférieur à n, et en ce que ces deux guides ont, dans une première partie une section constante, des moyens déphasant de 1 concentrer toute Pénergie dans le guide interne. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: la figure 1, un schéma général montrant la position du transformateur de modes selon l'invention dans le cas o il est associé à un gyrotron; les figures 2 et 3, les configurations du champ à l'entrée du transformateur de modes et à l'entrée du cornet de sortie; les figures 4 et 5, deux modes de réalisation d'un trans- formateur de modes selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées. La figure 1 est un schéma général montrant la position du transformateur de modes selon l'invention -dans le cas o il est associé à un gyrotron. De gauche à droite sur la figure 1, on trouve le gyrotron désigné par-le repère 1, suivi par le transformateur de modes selon l'invention désigné par le repère 2, puis par un transformateur de modes selon l'art connu désigné par le repère 3 et enfin par -le cornet de sortie désigné par le répère 4 Entre le gyrotron 1 et le transformateur de modes selon l'invention 2 peut se trouver un tronçon plus ou moins long de guide de section uniforme. On a distingué trois parties dans le gyrotron, d'abord le canon à électrons 5, puis la cavité 6 et l'adaptateur 7 Cet adaptateur assure la charge convenable de la cavité du gyrotron par le circuit de sortie Il peut être constitué par un cornet d'une ouverture d'une dizaine de degrès, qui ne modifie pas la répartition transversale du mode, mais transforme l'onde stationnaire régnant dans la cavité 6 en une onde progressive à la sortie de l'adaptateur On choisit l'angle du cornet pour réaliser l'adaptation voulue L'adaptateur 7 comporte la fenêtre de sortie étanche 8 assurant le vide dans le gyrotron et reçoit dans sa partie médiane les électrons après leur passage dans la cavité 6. Sur la figure 1, à titre d'exemple, le transformateur de modes 3 est relié à un cornet de sortie 4 mais le transformateur pourrait aussi par exemple être relié à un guide d'ondes conduisant à une machine thermo-nucléaire ou à tout autre circuit de sortie. A la sortie de Padaptateur, c'est-à-dire àl Pentrée du trans- formateur de modes 2, la configuration du champ électrique est la même que dans la cavité 5 du gyrotron, mais se trouve dilatée radialement pour remplir un diamètre plus grand Par exemple, pour un gyrotron de 100 -G Hz, le diamètre de la cavité 6 pourrait être d'environ 1,6 cm tandis que les dimensions de l'ouverture du cornet 7 pourraient être de 6 x 6 cm On constate donc que ces dimensions sont bien plus grandes que la longueur d'onde qui est de 3 mm Le circuit peut donc propager beaucoup de modes différents C'est l'interaction avec les électrons qui doit sélectionner le mode choisi. Les transformateurs de modes doivent assurer le passage de la cavité du gyrotron au circuit de sortie sans engendrer de modes indésirables dans la cavité ni dans le circuit de sortie Ils doivent en outre être compatibles avec la grande puissance atteignant par exemple 200 KV/cm dans la cavité et quelques kilo-Volts par centimètre à l'entrée du circuit de sortie. Les figures 2 et 3 montrent des configurations possibles du champ à l'entrée du transformateur de modes 2 et à l'entrée du cornet de sortie 4. Sur la figure 2, on a représenté un mode TE 03 circulaire Les cercles en trait plein indiquent les zones o le champ électrique est maximum Les cercles en pointillés indiquent les zones o le champ électrique azimutal ou tangentiel s'annule. Sur la figure 3, on a représenté un mode T Eo O carré L'inten- sité du champ électrique se répartit selon une demi-sinusoîde, c'est- à-dire que le champ est maximum au milieu de la section et nul sur les bords. Les figures 4 et 5 représentent deux modes de réalisation d'un transformateur de modes 2 selon l'invention, qui dans le cas parti- culier pris comme exemple, permet de passer du mode TE 03 circulaire régnant dans l'adaptateur 7 du gyrotron 1 à un mode TE, circulaire Ce mode TE 01 circulaire est transformé en mode TE 01 carré par un transformateur de modes 3 connu de l'art antérieur, et qui fait l'intermédiaire entre le transformateur selon l'invention 2 et le cornet de sortie 4. Sur la partie gauche de la figure 4, on a représenté la forme des lignes de champ électrique et en pointillés l'intersection avec le plan de la figure des surfaces cylindriques o le champ électrique azimutal ou tangentiel s'annule. Le transformateur de modes selon l'invention est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux G 1 et G 2, de section circulaire Le guide interne G 2 occupe l'une des zones o dans le guide interne G 1 le champ électrique tangentiel s'annule Ce guide interne G 2 n'ap- 2543368 porte pas de perturbation à la configuration des champs à condition que sa paroi ne soit pas trop épaisse A titre d'exemple, on utilise un guide interne G 2 dont -l'épaisseur de la paroi en cuivre est de 0,5 mm environ. Pour obtenir en sortie du transformateur selon l'invention un mode TE 01 circulaire, on place le guide interne sur la première surface o le champ électrique tangentiel s'annule en partant de l'axe OO' Le guide d'ondes interne renferme alors le mode TE 01 circulaire alors que l'intervalle compris entre les guides G 1 et G 2 renferme le mode TE 02 circulaire coaxial. Le transformateur de modes selon l'invention comporte en fait deux parties Dans une première partie, les deux guides ont une section constante et des moyens déphasent de -/2 l'énergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides. Sur l'exemple de la figure 4, on a retardé de 7/E /2 l'énergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides en utilisant un guide d'onde interne G 2 dont le diamètre intérieur est plus faible dans la première partie que son diamètre intérieur le plus faible, au début de la deuxième partie et dont l'épaisseur reste la même dans la première et la deuxième partie D'une façon plus générale pour des guides de section quelconque, le déphasage de 7 C/2 est réalisé en utilisant un guide d'onde interne dont la section dans la première partie du transformateur diffère de sa section la plus faible au début de la deuxième partie du transformateur. Dans une seconde partie, ces deux guides ont une section croissante et des orifices de couplage 13 réalisés sur le guide interne G 2 permettent de concentrer l'énergie dans le guide interne Le guide interne G 2 peut d'ailleurs être constitué par une grille métallique. On sait que lorsqu'on dispose de deux guides d'ondes coaxiaux, on peut assurer un couplage entre les deux guides au moyen d'un grand nombre de petits trous réalisés sur le guide interne Il se produit alors un battement entre les ondes des deux guides qui provoque à certaines positions le long de l'axe, l'annulation des 6 2543368 champs électromagnétiques dans l'une des guides C'est ce qui se passe dans la seconde partie du transformateur selon l'invention. Il faut choisir la' longueur de cette seconde partie du trans- formateur, qui est comprise entre les plans A et B sur la figure 4, en fonction du coefficient de couplage normalisé dans le guide d'onde interne G 1 Pour qu'il soit possible de con- centrer toute l'énergie dans le guide d'onde interne G 2, il faut que les ondes dans le guide d'onde interne et dans l'intervalle entre les guides soient intialement déphasées de 7 C/2 c'est ce qui se passe dans la première partie du transformateur. La longueur critique de la seconde partie du transformateur dépend aussi du rapport des amplitudes des deux ondes. Dans la seconde partie du transformateur, toute l'énergie qui était présente à l'entrée du transformateur 2, c'est-à-dire dans le plan A, est progressivement concentrée dans le guide interne G 1 Il faut augmenter progressivement la section des guides dans la seconde partie de façon à conserver une densité de puissance raisonnable, c'est-à-dire de l'ordre de 5 à 10 k W/cm 2,dans le guide d'onde interne De plus on ajuste les diamètres des deux guides de façon que les vitesses de phase des deux ondes restent voisines. A l'extrémité de la second partie du transformateur de modes selon l'invention, on dispose dans l'espace compris entre les deux guides coaxiaux un corps absorbant 9 bien qu'en principe, il ne doive pas y avoir de puissance dans l'intervalle compris entre les guides à cet endroit. Sur la figure 5, on a représenté un autre mode de réalisation du déphaseur de la première partie du transformateur ce déphaseur est constitué par au moins une cavité 10 débouchant dans le guide d'onde externe Tout déphaseur connu peut être utilisé à cet endroit. Ainsi, on peut utiliser un diélectrique par exemple. Sur la figure 5, on a donné à l'extrêmité Il du guide d'onde interne G 2 une forme arrondie pour minimiser les réflexions aux points anguleux On prévoit des renflements 12 sur la paroi du guide d'onde-externe G 1 pour compenser les arrondis du guide d'onde interne. La description précédente a été faite à titre d'exemple dans le cas d'un transformateur permettant de passer d'un mode TE 3 circulaire à un mode TE 01 circulaire. Le transformateur selon l'invention permet le passage d'un mode T Emn quelconque, c'est-à-dire d'un mode qui n'est pas néces- sairement circulaire et qui peut être par exemple rectangulaire, carre à un mode TE de même nom, m étant un nombre entier quelconque, p étant inférieur à n, et N et p étant des nombres entiers qui peuvent prendre des valeurs élevées. Dans tous les cas, le transformateur de modes selon l'invention est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux, ayant la même section, circulaire, rectangulaire, carrée Le guide interne occupe l'une des zones o dans le guide externe le champ électrique tangentiel s'annule Ainsi ce guide, alors que le transformateur reçoit un mode TE mn, renferme un mode TE, avec p inférieur à n, car il est positionné sur la p zone à partir de l'axe QO' o le champ électrique tangentiel s'annule. Dans une première partie, les deux guides ont une section constante et des moyens déphasent de tf /2 Pénergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides / Ce déphasage peut être de + -r /2 ou de et selon l'ordre des modes. Dans une seconde partie, les deux guides ont une section croissante, et le guide d'onde interne comporte des orifices de couplage permettant de concentrer toute l'énergie dans le guide d'onde interne. Dans le cas de guides d'ondes rectangulaires et pour certains modes, il arrive que le guide d'onde interne ait deux de ses parois constituées par une partie des parois du guide d'onde externe. REVENDICATIONS 1 Transformateur de modes recevant un mode circulaire TE mn, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux guides d'ondes coaxiaux (G 1, G 2) ayant la même section, le guide interne (G 2) occupant l'une des zones ou dans le guide externe (G 1) le champ electrique tangentiel s'annule et renfermant un mode TE mpy avec p inférieur à n, et en ce que ces deux guides ont, dans une première partie, une section constante, des moyens (e, 10) déphasant de 7 r/2 dans cette première partie l'énergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides, et en ce que ces deux guides ont, dans une seconde partie, une section croissante, le guide d'onde interne (G 2) comportant, dans cette seconde partie, des orifices de couplage ( 13) permettant de concentrer toute lénergie dans le guide interne. 2 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens déphasant de '/2 dans la première partie l'énergie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides (G 1, G 2) sont constitués par une section du guide d'onde interne (G 2) dans la première partie du transformateur differant de sa section la plus faible au début de la deuxième partie du transformateur. 3 Transformateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens déphasant de (/2 dans la première partie l'energie transportée dans l'intervalle compris entre les deux guides sont constitués par au moins une cavité ( 10) débouchant dans le guide d'onde externe. 4 Tranformateur selon l'une des revendications I à 3, carac- térisé en ce que, à l'extrêmité de la second partie du transformateur de modes selon l'invention, on dispose dans l'espace compris entre les deux guides coaxiaux un corps absorbant ( 9). Transformateur selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le guide d'onde interne (G 2) est constitué par une grille métallique. 6 Transformateur selon l'une des revendications I à 5, carac- térisé en ce que l'extrêmité ( 11) du guide d'onde interne (G 2) o o ' 9 2543368 présente une forme arrondie et en ce que la paroi du guide d'onde externe comporte des renflements ( 12) pour compenser ces arrondis. 7 Transformateur selon l'une des revendications 1 à 6, carac- térisé en ce que la longueur de la seconde partie du transformateur est déterminée en fonction du coefficient de couplage normalisé (X) entre les deux guides et en fonction de rapport des amplitudes des ondes dans le guide d'onde interne (G 2) et dans l'intervalle entre les guides. 8 Transformateur selon l'une des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que les dimensions des guides dans la seconde partie sont choisis de façon à conserver une densité de puissance de l'ordre de 5 à 10 k W/cm 2 dans le guide d'onde interne et de façon à ce que les vitesses de phase des ondes dans le guide d'onde interne et dans l'intervalle entre lcs guides soient voisines. 9 Transformateur selon l'une des revendications 1 a 8, carac- térisé en ce que les deux guides (G 1, G 2) ont une section circulaire, rectangulaire ou carrée.