Brevet FR2597265A1 — publié le 19871016

La présente invention se rapporte aux tubes à ondes progressives et concerne plus particulièrement une structure à ondes lentes d'un tube à ondes progressives qui est nécessaire pour coupler l'énergie entrante en hyperfréquences à plusieurs dizaines de gigahertz avec le faisceau d'électrons du tube à ondes progressives afin d'amplifier l'énergie entrante en hyperfréquences et de récupérer l'énergie en hyperfréquences amplifiée à l'autre extrémité de la structure à'ondes 10 lentes. Le besoin d'un guide d'ondes hélicoïdal pour former une structure à ondes lentes a été reconnu depuis de nombreuses années. La structure d'un guide d'ondes hélicoïdal de l'invention consiste en une moitié d'un 15 guide d'ondes à nervure centrale rectangulaire enroulé en hélice avec une ouverture au centre pour un faisceau d'électrons. Le mode fondamental de propagation du guide d'ondes est effectivement ralenti par rapport au mouvement axial des électrons en faisant en sorte que l'énergie à 20 haute fréquence qui se propage suive le trajet hélicoïdal. Bien que le concept en soit simple, le problème réside dans la manière de réaliser une telle structure de guide d'ondes hélicoïdal, spécialement pour des tubes à haute fréquence dans lesquels les dimensions du guide d'ondes sont mesurées en dixièmes de millimètres. Une structure à ondes lentes hélicoldale en guide d'ondes est faite d'une tige pleine de cuivre dans laquelle est usinée une rainure hélicoïdale é30 troite et profonde. Un manchon de cuivre est brasé sur la périphérie de l'hélice résultante pour former un trajet en hélice autour d'une partie centrale pleine, disposée axialement. La partie centrale est ensuite partiellement éliminée pour former une structure à ondes lentes ayant 35 une partie hélicoïdale disposée radialement avec un reood intérieur hélicoïdal s'étendant axialement formant un intervalle hélocoldal centré axialement entre des rerebords voisins. La structure à ondes lentes contient l'énergie en hyperfréquences qui suit le trajet hélicoïdal de lastructure et qui produit une tension à haute fréquence dans l'intervalle entre des parties voisines des rebords pour former ainsi une paroi séparée qui entoure une ouverture axiale pour une interaction entre un champ électrique dans l'intervalle et un faisceau axial d'électrons 10 d'un tube à ondes progressives dont fait partie la structure à ondes lentes. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à 15 titre d'exemple: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle suivant l'axe d'un tube à ondes progressives, montrant la structure à ondes lentes à guide d'ondes hélicoidal de l'invention, la figure 2 est une vue en bout, suivant une ligne de coupe II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue de côté de la structure à ondes lentes de la figure 1 avant que sa fabrication soit terminée, et la figure 4 est une coupe longitudinale de la structure à ondes lentes selon l'invention, lorsqu'elle est terminée. La figure 1 est donc une coupe longitudinale d'un tube à ondes progressives 1 comportant une cathode ll qui est représentée schématiquement mais dont il est entendu qu'elle comporte l'ensemble des électrodes de focalisation, une anode 35 et un collecteur 23 qui est aussi représenté schématiquement, étant bien entendu qu'il comporte un dissipateur thermique. La cathode 11 et l'a35 node 12 produisent un faisceau d'électrons 14 le long de l'axe 15 de la structure à ondes lentes représentée sous forme du guide d'ondes hélicoïdal 50. Le faisceau 14 est concentré de la manière habituelle par un ensemble d'aimants permanents 16 de forme toroTdale et intercalés a5 vec des disques 17 qui sont représentés sous une forme simplifiée sur la figure 1; les anneaux 17 sont faits d'un matériau de haute perméabilité, comme en fer, pour mettre en forme le champ magnétique au niveau du faisceau d'électrons 14. Le couplage d'énergie électromagné10 tique à chaque extrémité de la structure à ondes lentes est assuré par des coupleurs d'entrée et de sortie 7, 8 respectivement. Chaque coupleur 7, 8 consiste en un guide d'ondes 42 disposé transversalement par rapport au tube 1 et à son axe 15 et avec sa plus petite dimension 15 3 parallèle à cet axe 15. LIe guide d'ondes 42-comporte un manchon cylindrique 43 aligné axialement avec l'axe de la structure à ondes lentes 50. Le.manchon 43 a le même diamètre intérieur que le rebord 13 de la structure à ondes lentes 50 à guide d'ondes hélicoIdal. Le man20 chon 43 est supporté à une extrémité 45 par une paroi 44 du guide d'ondes 42 et à son autre extrémité 46 se trouve une ouverture circulaire 47 dans une paroi 48, limitée par le périmètre circulaire 49 de l'ouverture de la paroi 48. Le guide d'ondes 42 est terminé par une paroi d'ex25 trémité de court-circuit 49 décalée dans la direction longitudinale par rapport au manchon 43. Le décalage (généralement entre un huitième et un quart de longueur d'onde) et le diamètre ainsi que la longueur du manchon 43 déterminent l'impédance et le couplage du guide d'on30 des 42 avec la structure à ondes lentes 50. La figure 2 est une vue en bout et en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 montrant la largeur 4 du guide d'ondes 42 par rapport à la paroi 3 du tube 1 et les aimants toroTdaux ainsi que les disques 35 de fer 16, 17. Le manchon 43 couple l'énergie électromagnétique de la source de signaux 26 avec la structure à ondes lentes 50 dans laquelle l'énergie électromagnétique dans l'intervalle 31 réagit avec le faisceau d'é5 lectrons 14 pour être amplifiée et pour se propager le long de la structure à ondes lentes 50 vers le coupleur de sortie 17 dans lequel l'énergie est couplée avec la charge 27. L'énergie se propage en hélice dans le tube à ondes progressives 1, dans l'espace hélicoIdal 30 qui existe entre les filets 12 dirigés radialement en hélice. Le trajet en hélice emprunté par l'énergie électromagnétique en descendant la structure à ondes lentes 50 depuis l'extrémité d'entrée vers l'extrémité de sortie du tube à ondes progressives réduit la vitesse axiale effec15 tive de la tension développée dans l'intervalle 31 entre des bords voisins 32, 33 du rebord hélicoldal 13, à peu prés à la même vitesse que celle des électrons du faisceau 14 lorsqu'il se propage axialement en descendant le tube à ondes progressives. Il résulte de l'égali20 té approximative entre la vitesse axiale du champ électrique dans l'intervalle 31 entre les rebords voisins 13 et la vitesse du faisceau d'électrons 14 qu'il existe un couplage de l'énergie électromagnétique d'entrée avec le faiceau d'électrons de manière à entrainer une ampli25 fication de l'énergie électromagnétique quand le faisceau se propage suivant l'axe 15 du tube 10, comme cela est bien connu du spécialiste de la tecnhique des tubes à ondes progressives. La fabrication d'une structure à ondes 30 lentes à guide d'ondes 50, telle que celle représentée sur la figure 1, peut être difficile même dans les cas ou un tube à ondes progressives fonctionne à des fréquences relativement basses, permettant que la dimension de la structure à ondes lentes 50 soit relativement gran35 de. La réalisation d'une structure à ondes lentes 50 pour des tubes à ondes progressives qui fonctionnent à des fréquences très élevées, c'est à dire au-dessus de 20 à gigahertz comme selon l'invention, nécessite de nouvelles techniques de fabrication. A ces fréquences, une structure à ondes lentes 50 a comme dimensions typiques: un diamètre d'hélice 12 d'environ 6,35 mm, une longueur totale d'environ 25,4 mm, un pas d'environ 2,54 mm et un diamètre du trou central 34 d'environ 1,016mm pour le passage du faisceau axial d'électrons 14. La fabrication O10 d'une structure à ondes lentes 50 avec ces dimensions impose des techniques de fabrication qui s'éloignent considérablement des techniques habituelles de fabrication des structures à ondes lentes connues des spécialistes en la matière de fabrication des tubes à ondes progressives. Le processus de fabrication de la structure à ondes lentes 50 selon l'invention commence avec une barre pleine de cuivre d'un diamètre et d'une longueur légèrement supérieures aux dimensions correspondantes de la structure à ondes lentes, soit respectivement un peu 20 plus de 6,35 mm et un peu plus de 25,4 mm pour l'exemple présent. La longueur de la barre est supérieure à la longueur de la structure à ondes lentes 50 terminée pour faciliter l'usinage de cette barre. La première phase dans le processus de fabrication consiste à réduire le diamè25 tre de la barre jusqu'au diamètre précis (dans les tolérences permises, dans le cas présent 6,233 mm max./6,213 mm min.) de la structure à ondes lentes 50 par des techniques conventionnelles d'usinage au tour. L'usinage de la tige en forme cylindrique établit son axe central 15. La tige est fixée par ses deux extrémités 40, 41 tout en étant usinée délicatement sur un tour pour former la structure hélicoïdale 10 représentée en pointillés sur la figure 3. La délicatesse de l'usinage imposée pour fabriquer la structure 10 apparait de façon évidente en regard des dimensions typiques suivantes dans lesquelles la largeur 11 des filets est 0,513 mm max./O, 503 min. Les filets 12 se terminent sur un -rebord 13 dont le diamètre est 1,351 mm max./1,341 min min. Une rainure 5 est usinée de manière à être située au centre en5 tre les filets 12, avec un diamètre de 0,990 mm max./ 0, 940 mm min. et une largeur de 0, 818 mm max./0,808mm min. La structure hélicoIdale 10 s'étend au moins sur la longueur de la structure à ondes lentes voulue et terminée qui, dans cet exemple, est 25, 45 mm max./25, 35 mm min. 10 La phase suivante de la fabrication de la structure à ondes lentes consiste à former, par des techniques courantes d'usinage au tour, un manchon cylindrique en cuivre 38 ayant un diamètre extérieur de 8,737 mm max./ 8, 71 mm min et un diamètre intérieur de 6,236 mm max. / 6,228 mm min. Le diamètre intérieur et le diamètre extérieur du manchon 38sont concentriques à 0,0025 mm prés. La longueur du manchon 38 est 25,42 mm max./ 25, 37 mm min. Le manchon 38 est glissé sur la structure à ondes lentes 10 de la figure 3 après quoi le manchon 38 20 est brasé sur la périphérie des filets 12. Le manchon 38 constitue un support structurel pour la structure hélicoIdale 10 permettant ainsi que les extrémités 40, 41 soient éliminées par usinage pour que la structure hêlicoldale 10 soit enfermée dans le manchon 38. La phase suivante de la fabrication de la structure à ondes lentes 50 terminée de la figure 4 consiste à éliminer le noyau 5 de la structure à ondes lentes 10 en laissant les nervures 13 et leurs filets associés 12, comme le montre la figure 4. La matière à éli30 miner a un diamètre de 0, 991 mm max./ 0,940 mm min. ce qui correspond au diamètre du noyau central 5 formant la base de la rainure 6. Le noyau 5 est éliminé en utilisant une machine à électro-érosion qui utilise une électrode pointue, centrée sur l'axe 35 pour éroder le noyau cen35 tral 5 de la structure 10 de la figure 3 de manière que tout ce noyau 5 jusqu'au fond de la rainure 6 soit éliminé en ne laissant que le rebord 13 et le filet 12 associé. Un fluide est utilisé pour éliminer les particules qui ont été érodées par l'électrode quand l'opération d'usinage par électro-érosion se déroule. Le contrôle de l'usinage par électro-érosion peut être maintenu en observant l'uniformité de l'érosion de la matière 5 entre des bords voisins des rebords 13. Si cela est souhaité, la matière 5 peut être éliminée en une passe de l'élec10 trode le long de l'axe 15 de la structure hélicoïdale 10 ou la matière peut être éliminée en 2 ou plusieurs passes de l'électrode en fonction de la compétence de l'opérateur de la machine à électro-érosion. La structure à ondes lentes 50 dont le noyau central 5 est éliminé et avec le man15 chon 18 brasé sur la périphérie 9 des filets 12 est représentée en coupe sur la figure 4. La structure 50 de la figure 4 est la structure à ondes lentes du tube à ondes progressives 1 de la figure 1. Après avoir décrit un mode préféré de 20 réalisation de l'invention, il apparait à l'homme de l'art que d'autres modes de réalisation selon ce concept peuvent être utilisés. Il apparait donc que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit mais uniquement par l'esprit et le cadre des revendications annexées. 25 REVENDICATIONS. 1-Procédé de fabrication d'une structure à ondes lentes (50) à guide d'ondes hélicoïdal, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à usiner une première rainure profonde et étroite dans une barre cylindrique d'une matière conductrice de l'électricité pour former un filet hélicoïdal {12) entre les extrémités de la barre, centré autour d'un axe (15), ledit filet formant les parois supérieure et inférieure hélicoïdales d'une structure de guide d'ondes hélicoïdal, à usiner une seconde rainure (6) au fond de la première rainure pour former au moins un rebord (13) dirigé transversalement vers au moins une face dudit filet, ladite seconde rainure ayant un fond sur un noyau central (5) disposé axiale15 ment le long dudit filet, à braser un manchon (38, 43) conducteur de l'électricité sur la périphérie dudit filet pour former une paroi extérieure reliant lesdites parois des filets de la structure de guide d'ondes hélicoIdal, à éliminer par usinage lesdites extrémités (40, 41) de 20 la barre cylindrique pour que les parois des filets se terminent à l'extrémité dudit manchon et à usiner un trou (34) le long de l'axe de ladite barre cylindrique pour éliminer le noyau central de manière à produire un guide d'ondes hélicoïdal ayant des parois hélicoïdales dirigées 25 radialement, une paroi extérieure cylindrique et une paroi intérieure consistant en au moins un rebord hélicoïdal dirigé axialement avec un intervalle axial entre des parties voisines dudit rebord. 2-Procédé selon la revendication 1, ca30 ractérisé en ce que l'usinage de ladite seconde rainure (6) au fond dudit filet forme deux rebords (13) dirigés axialement l'un vers l'autre à partir de faces en opposition dudit filet. 3-Procédé selon la revendication 1, ca35 ractérisé en ce que ledit usinage dudit trou (34) consiste en un usinage par électro-érosion. 4-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit usinage d'une première rainure 5 profonde et étroite, ledit usinage de la seconde rainure et ledit usinage des extrémités de la barre cylindrique consistent en un usinage au tour de précision. -Procédé selon la revendicationl, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à usiner sur un tour un morceau de matière première en forme de barre pour produire ladite barre cylindrique ayant une symétrie circulaire par rapport audit axe. 6-Procédé selon la. revendication 1, caractérisé en ce que ledit manchon (38) est usiné sur un 15 tour pour avoir un diamètre intérieur suffisamment plus grand que le diamètre extérieur dudit filet hélicoîdal (12) afin de permettre que ledit manchon passe sur la périphérie dudit filet pour être pratiquement concentrique avec lui, et de permettre de braser ladite périphérie du 20 filet sur ledit manchon. 7-Procédé selon la revendication 6, caractérisé en que ledit manchon et ledit filet sont faits du même type de matière. 8-Procédé selon la revendication 7, ca25 ractérisé en ce que ladite matière est du cuivre. 9-Structure à ondes lentes (50) à guide d'ondes hélicoïdal, caractérisée en ce qu'elle comporte une paroi de filet hélicoldal (12) dirigée radialement, centrée sur un axe (15), ladite paroi de filet ayant une 30 ouverture (34) centrée axialement dans toute sa longueur, ladite paroi de filet comportant un rebord (13) dirigé axialement à la limite de ladite ouverture, ledit rebord dirigé axialement formant un intervalle hélicoïdal centré sur ledit axe, et ladite paroi de filet comprenant une paroi extérieure (38) fixée sur la périphérie extérieure desdites parois de filet, lesdites parois et ledit rebord formant un guide d'ondes hélicoïdal avec un intervalle axial en hélice autour de l'axe central de ladite structure à ondes lentes à guide d'ondes hélicoïdal. 10-Structure à ondes lentes selon la revendication 9, catactérisée en ce que ledit rebord (13) est dirigé également dans deux directions axiales par rapport à la paroi de filet voisine de ladite ouverture dont fait partie ladite paroi. il-Structure à ondes lentes (50), caractérisée en ce qu'elle comporte une moitié d'un guide d'on- des rectangulaire à Febord enroulé en hélice autour d'un axe (15) pour former un guide d'ondes hélicoïdal, la partie à rebord (13) dudit guide d'ondes étant plus proche 15 dudit axe que le reste dudit guide d'ondes et ladite partie à rebord formant un conducteur électrique hélicoïdal espacé d'un intervalle hélicoïdal sur une surface cylindrique. 12-Tube à ondes progressives (1), carac20 térisé en ce qu'il comporte une cathode (11), une anode (35) et un collecteur (23) disposés le long d'un axe (15), ladite cathode et ladite anode produisant un faisceau d'électrons (14) le long dudit axe qui frappe 1 e d i t collecteur, une structure à ondes lentes (50) par laquel25 le passe ledit faisceau, ladite structure à ondes lentes comprenant un axe de symétrie qui coincide avec ledit axe (15) le long duquel passe ledit faisceau d'électrons, un circuit de couplage d'entrée (7) connecté à une extrémité de ladite structure à ondes lentes pour un couplage avec 30 une source d'un signal d'entrée, un circuit de couplage de sortie (8) connecté à l'autre extrémité de ladite structure à ondes lentes pour un couplage avec une charge, ladite structure à ondes lentes comprenant une paroi de filet hélicoïdale (12) disposée radialement, centrée sur ledit axe, ladite paroi de filet comprenant une ouverture 1l1 (34) centrée axialement sur toute sa longueur, ladite paroi de filet comprenant un rebord (13) dirigé axialement à la limite de ladite ouverture, ledit rebord dirigé axialement formant un intervalle hélicoïdal centré sur ledit axe, ladite paroi de filet comprenant une paroi extérieure (38) fixée sur la périphérie extérieure desdites parois de filet pour former un guide d'ondes hélicoïdal comprenant un intervalle en hélice autour de l'axe central dudit guide d'ondes hélicoIdal, ledit intervalle supportant une tension d'intervalle lorsqu'un signal d'entrée est appliqué audit circuit de couplage d'entrée, ladite tension d'intervalle réagissant avec ledit faisceau d'électrons de manière à amplifier un signal d'entrée appliqué et le circuit de couplage de sortie produisant 15 un signal d'entrée amplifié pour une charge (27). 13-Tube à ondes progressives (1), caractérisé en ce qu'il comporte une cathode (11), une anode (35) et un collecteur (23) disposés le long d'un axe, ladite cathode et ladite anode produisant un faisceau d'é20 lectrons (14) le long dudit axe, qui frappe ledit collecteur, une structure à ondes lentes (50) par laquelle passe ledit faisceau, ladite structure à ondes lentes ayant un axe de symétrie qui coïncide avec ledit axe (15) le long duquel passe ledit faisceau d'électrons, un cir25 cuit de couplage d'entrée (7) connecté à une extrémité de ladite structure à ondes lentes pour le couplage avec une source d'un signal d'entrée, un circuit de couplage de sortie (8) connecté à l'autre extrémité de ladite structure à ondes lentes pour le couplage avec une charge (27), 30 ladite structure à ondes lentes comprenant une moitié de guide d'ondes rectangulaire (12) à rebord enroulé en hélice autour d'un axe pour former un guide d'ondes hélicoldal, ladite partie à rebord (13) dudit guide d'ondes étant plus proche dudit axe que le reste dudit guide d'on35 des, ladite partie à rebord formant un conducteur élec- trique hélicoïdal espacé d'un intervalle hélicoïdal sur une surface cylindrique, ledit intervalle supportant une tension d'intervalle lorsqu'un signal d'entrée est appliqué audit circuit de couplage d'entrée, ladite tension d'intervalle réagissant avec ledit faisceau d'électrons en amplifiant le signal d'entrée appliqué et le circuit de couplage de sortie produisant un signal d'entrée amplifié pour une charge.