Brevet FR2601530A1 — publié le 19880115

PROCEDE ET APPAREIL POUR LE TRANSFERT ET L'INJECTION D'ENERGIE RF D'UN GENERATEUR VERS UNE CHARGE RESONNANTE La présente invention concerne un procédé et un appareil pour l'amplification d'énergie radiofréquence (rf) afin de l'injecter dans une charge située à proximité et, plus particulièrement, elle concerne 5 un procédé et un appareil pour effectuer une injection rf cohérente avec une pluralité de tubes amplificateurs. Cette invention est l'aboutissement d'un contrat avec le Département de l'Energie des Etats-Unis d'Amérique (Contrat NO W-7405-ENG-36). Il est souvent nécessaire d'utiliser une pluralité d'amplificateurs qui fonctionnent en parallèle pour délivrer un signal de sortie ayant l'intensité souhaitée, vers une cavité résonnante. Dans ces cas, les amplificateurs parallèles peuvent être situés à distance de la cavité résonnante, la sortie des amplificateurs étant combinée en vue d'être transmise vers La cavité résonnante. Dans d'autres cas, des dispositifs amplificateurs sont montés en parallèle sur la cavité résonnante afin d'injecter directement les signaux 20 amplifiés à l'intérieur de la cavité. Dans le cas o les amplificateurs sont situés à distance, on notera que la puissance fournie peut être affectée par des pertes de transmission. On notera également que les caractéristiques de la ligne de transmission peuvent se modifier avec Le vieillissement et en fonction des conditions ambiantes, ce qui conduit à des modifications de l'impédance de la ligne, à des variations de la phase du signal, à des fréquences de résonance, etc. Afin de pouvoir monter directement des 30 amplificateurs à proximité d'une cavité résonnante, des cavités d'entrée coaxiales indépendantes sont classiquement utilisées avec des tubes amplificateurs et doivent être montées individuellement et commandées à proximité de La charge. Un grand nombre d'équipements auxiliaires est nécessaire pour contrôler et maintenir les sorties des amplificateurs de façon à ce qu'elles présentent une relation de phase cohérente. Par conséquent, la présente invention a pour but de coupler directement une entrée et une sortie 10 radio-fréquences à une charge résonnante. La présente invention a également pour but de minimiser le nombre d'équipements auxiliaires servant à la conservation des relations de phases cohérentes entre les amplificateurs en parallèle. Un autre but de la présente invention est de simplifier l'installation d'une pluralité de tubes amplificateurs au voisinage d'une charge résonnante. Un autre but de la présente invention est de conserver l'adaption d'impédance entrée-sortie dans une 20 large gamme de conditions de fonctionnement des circuits. D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention ressortiront d'une part de la description ci-après, et apparaitront d'autre part à l'homme de l'art à l'examen de ce qui suit ou lors de la mise en oeuvre de l'invention. Les buts et avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints au moyen des dispositifs et combinaisons cités plus particulièrement dans les revendications annexées. Pour atteindre les buts mentionnés précédemment et autres, 30 et conformément aux fins de la présente invention, telle qu'elle est illustrée et globalement décrite ici, l'appareil de l'invention peut comprendre un amplificateur pour le transfert d'énergie radio-fréquence (rf) vers une cavité formant charge située à proximité. Un réso35 nateur à ruban d'entrée définit une cavité d'entrée continue destinée à la réception de L'énergie rf d'attaque. Une pluralité de tubes amplificateurs est montée dans la cavité d'entrée et est destinée à être utilisée pour amplifier de façon cohérente l'énergie rf transmise au travers de La cavité continue. Une cavité formant charge est ensuite disposée au voisinage du résonateur à ruban pour recevoir l'énergie rf amplifiée par les tubes amplificateurs. Dans une autre forme de la présente invention, 10 un amplificateur est prévu pour transférer l'énergie rf vers une cavité adjacente formant charge, comportant une pluralité de résonateurs à ruban qui sont latéralement liés pour définir une cavité fermée continue. Les résonateurs à ruban englobent un volume dont la forme est proche de celle d'un résonateur cylindrique servant de cavité formant charge. Un tube amplificateur est monté à L'intérieur de chacun des éléments à résonateur à ruban. Des moyens d'injection d'énergie rf sont disposés à L'intérieur de l'un des résonateurs à 20 ruban afin d'injecter de l'énergie rf à l'intérieur de La cavité fermée continue pour le transfert vers la pluralité de tubes amplificateurs. Chaque tube amplificateur comprend en outre un moyen de sortie à boucle pour Le couplage des sorties des tubes amplificateurs 25 avec La cavité cylindrique formant charge. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci fournit un procédé pour le transfert cohérent d'énergie rf vers une cavité formant charge située à proximité. Une pLuraLité de résonateurs à ruban sont liés pour définir une cavité fermée continue, un tube amplificateur correspondant étant monté sur chacun des résonateurs à ruban. L'énergie rf est injectée dans la cavité fermée continue à partir d'un point unique situé sur la pluralité de résonateurs à ruban. L'énergie de sortie rf amplifiée sortant de chacun des tubes est couplée avec la cavité formant charge. Les dessins annexés, qui font partie du présent fascicule, illustrent les modes de réalisation de la présente invention et, associés à la présente description, servent à expliquer les principes de l'invention. Dans ces dessins: - la figure 1 est une vue schématique simplifiée illustrant divers concepts de la présente 10 invention; - la figure 2 est une représentation d'un mode de réalisation de l'invention; - la figure 3A est une section droite simplîfiée d'un mode de réalisation de la présente invention; 15 la figure 3B est une vue schématique du circuit électrique équivalent du mode de réalisation illustré figure 3A. Pour atteindre les buts et avantages de la présente invention, un résonateur à ruban est utilisé 20 en remplacement d'une cavité coaxiale classique pour fournir en entrée une puissance rf à un tube amplificateur afin de l'injecter dans une cavité adjacente formant charge. La figure 1 représente un résonateur à ruban 10 dans lequel est monté un tube amplificateur 25 12. L'impédance caractéristique du ruban 10 est une fonction linéaire de la hauteur de la cavité S, et une fonction inverse de la largeur de la ligne W. Par conséquent, on peut montrer que l'impédance caractéristique est Z0 = 377 (S/W). -30 L'impédance en tout point le long de la ligne à ruban 10 est égale à Z = Z0 tg L o "L" est la distance à un point à zéro de référence ou extrémité court-circuitée. Par conséquent, le tube 12 peut être situé le Long du ruban 10 afin d'optimiser l'adaptation d'impédance entre ceux-ci. La fréquence de résonance du ruban 10 est déterminée uniquement par la dimension "L", de sorte qu'il est possible de déduire un ensemble optimal de dimensions pour la fréquence souhaitée et l'adaptation d'impédance. Dans le cas o un un ruban unique 10 aLimente un tube amplificateur unique 12, les lignes 10 de flux magnétique 22 encerclent les éLéments du ruban afin d'assurer le couplage à l'intérieur du tube 12. Comme Le montre La figure 1, le tube 12 comporte une cathode 14 et und grille 16 qui sont polarisées négativement et une plaque 18 qui est couplée à la cavité résonnante 24. Une boucLe de transfert d'énergie 26 est dimensionnée de façon à fournir une charge adaptée pour la plaque 18, si l'on considère en outre la géométrie de la cavité 24 formant charge, comme cela est expliqué ci-dessous. On n'a représenté dans la figure 1 qu'un tube unique 12 monté à l'intérieur du résonateur à ruban 10. Dans le cas o l'on doit satisfaire à des exigences d'amplification d'énergie supplémentaires, il est possible de monter une pluralité de tubes 12 à l'inté25 rieur du résonateur à ruban 10. Lorsque des tubes amplificateurs 12 sont montés en parallèle, l'impédance d'entrée des tubes en parallèLe est inversement proportionnelle au nombre de tubes, à savoir: Z = Z/n pour n "n" tubes. Un résonateur à ruban présente L'avantage d'avoir une impédance de sortie qui varie en raison inverse de la largeur W du résonateur. En augmentant La largeur W du résonateur à ruban 10 d'un facteur égal au nombre de tubes en parallèle 12, l'impédance de sortie du ruban 10 est réduite d'un facteur identique, 1/n, à l'impédance d'entrée de la pluralité de tubes amplificateurs en parallèle 12.. Par conséquent, on appréciera qu'une pluralité de tubes amplificateurs 12 peut être montée dans un résonateur à ruban unique 10 et être alimentée par une cavité d'entrée unique afin d'obtenir des sorties cohérentes 26 dans une cavité formant charge située à proximité. L'adaptation d'impédance est conservée Lorsqu'on augmente la largeur W du résonateur à ruban 10 afin d'obtenir un transfert 10 d'énergie optimal. Si l'on se réfère à présent à la figure 2, celle-ci représente un mode de réalisation préféré de la présente invention dans lequel un résonateur à ruban a été configuré de façon à former une cavité fermée 76 dont la forme peut être prochede celle d'une cavité cylindrique. A des fins d'illustration, on a représenté une cavité à.huit faces, alors qu'on aurait pu utiliser un nombre de faces plus important ou plus faible pour réaliser la cavité fermée 76. Dans une autre description du 20 mode de réalisation représenté à la figure 2, une pluralité de résonateurs à ruban 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 et 44 sont reliés latéralement afin de former une cavité interne continue 48 renfermant une cavité formant charge 76, qui est sensiblement cylindrique. Dans ce cas, l'espacement S de la cavité continue 48 et la Largeur W d'un résonateur unique, définissent l'impédance permettant L'adaptation aux tubes amplificateurs individuels sélectionnés 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 et 64.On apprécieraque la structure iLLustrée à La figure 2 peut 30 en outre comporter un agencement symétrique des résonateurs à ruban par rapport aux tubes amplificateurs afin d'atteindre des performances optimales d'énergie radio-fréquence. Dans tous Les cas, une entrée rf unique 70 fournit une entrée au travers de la cavité continue 48, vers Les tubes 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 et 64 formant un champ fermé cohérent d'attaque 72 à L'intérieur de La cavité.48 et autour de la cavité cylindrique 76, permettant d'attaquer les tubes ampLificateurs. Chaque tube amplificateur 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 et 64 est chargé par une boucle 80, 82, 84, 86, 88, 90, 92 et 94, respectivement, qui est dimensionnée de façon à assurer l'adaptation d'impédance 10 permettant un transfert d'énergie optimal. Un résultat avantageux de l'appareil décrit précédemment, est ta stabilité fonctionnelle même en cas de panne d'un tube amplificateur d'entrée. Comme on le montre ci-dessous, si l'un des "n" tubes 15 tombe en panne, et si une boucle est perdue alimentant la cavité formant charge 76, l'impédance de chacune des boucles restantes serait réduite d'un facteur (n-1)/n. Les (n-1) tubes restants fournissant la même puissance que "n" tubes, la puissence délivrée 20 par chaque tube doit augmenter d'un facteur égal à (n/(n-1)). Par conséquent, les tubes sont attaqués avec une tension de grille et des courants de plaque légèrement plus élevés, mais en raison de la diminution de l'impédance de charge, la tension de plaque 25 varie très peu aux puissances élevées. Dans ces conditions, l'impédance de sortie du tube chûte presque du même rapport (n-1)/n, afin de maintenir une adaptation d'impédance sensiblement normale. Ces conclusions peuverrtêtre 30 démontrées de la manière suivante: soit: AL = Surface de la boucle A = surface de la section droite d'une- demiC cavité R = résistance de dérivation de la cavité s Zn = impédance de La boucle (également égale à l'impédance de sortie du tube) Alors: A A (Z IR) 1/2 L c n/Rs) Pour "n" entrées: A = surface par boucle avec "n" entrées t10 n = AL/(n)2 = A (Z /nR)1/2 (2) L 2 c n s Zn = n(An/Ac) R (3) s S'il n'y a que (n-1) entrées, alors: Zn-1 = nouvelle impédance des boucles d'entrée = (n-1)(A /A)2R (4) n c s En divisant l'équation (3) par l'équation (4) et en cherchant la solution pour Z n-1: Z n-1 = Zn[(n-1)/n] (5) L'équation (5) montre que, lorsque le nombre d'entrées passe de "n" à (n- 1), l'impédance de chaque boucle chûte d'un facteur correspondant à (n-1)/n. Pour déterminer l'influence d'une panne dR tube sur Les tensions et les courants d'entrée dans 25 les boucles de couplage lorsque le nombre d'entrées passe de "n" boucles à (n-1) boucles, on posera: P = puissance d'entrée par boucle avec "n" n entrées. P(n-1) = puissance d'entrée par boucle avec (n-1) entrées. En = tension de boucle avec "n" entrées E(n-1) = tension de boucle avec (n-l) entrées In = courant de boucle avec "n" entrées I(n-1) = courant de boucle avec (n-1) entrées. 260 1 530 ALors: P = E2 /Z ou E = (P Z)1/2 (6) n n o n no Lorsqu'on n'a que (n-1) entrées, la puissance d'entrée fournie à chaque boucle doit être accrue du 5 rapport n/(n-1) pour maintenir la puissance d'entrée totale. Comme on le montre ci-dessus, chaque impédance de boucle d'entrée a également diminué dans le rapport (n-1)/n: 1n p n-1 ou En-i n p n- z n n nE-i Pn X.... 1 / 2 (7) Pn n l ZO n = [nZO] Il ressort de (6) et (7), que En = En, c'est-à-dire que la tension d'entrée de chaque boucle ne varie pas lors de la perte d'un tube amplificateur. Pour déterminer les relations de courant, on posera: 20 P = 12 z n n n P = 12 Z n-1 n-1 n-1 On a montré que: p = n p n-1 n-1 n _ n-1 n-1 n n en substituant: nn-/2 n 1/2 (8) In-J. i1 z. 1 = Zn_ n n-1 n (9) Par conséquent, La panne d'un tube conduit à une augmentation de courant dans les tubes restants, d'un facteur égal à n/(n-1). A titre d'illustration plus détaillée, on considèrera un dispositif comportant dix (10) entrées, dont un des tubes est en panne, ce qui laisse neuf (9) entrées. Chacun des tubes restants aurait une puissance de sortie accrue de 10/9, c'est-à-dire d'un facteur égal à 1,11, afin de conserver la pleine puis10 sance fournie à la charge. L'impédance d'entrée de chaque boucle restante décroît de 9/10, c'est-à-dire d'un facteur égal à 0,9. La tension d'entrée correspondante de chaque boucle reste inchangée, mais Le courant augmente de 10/9, c'est-à-dire d'un facteur 15 1,11. Les paramètres fonctionnels des tubes ont été calcuLés dans La condition d'une puissance normale et pour une augmentation de puissance de 1,11. Dans le cas d'une augmentation de puissance, on a supposé que la puissance d'attaque augmenterait d'un facteur 1,11 et que l'oscillation de la tension de grille augmenterait de >/T7fl, c'est-à-dire d'un facteur 1,054. La ligne de charge a été décalée de façon à conserver l'oscillation de la tension de plaque, cette exigence résultant des équations (6) et (7). Lorsque la puissance de sortie augmente, une analyse de la ligne de charge montre que le courant de plaque augmente d'un facteur 1,13 et que l'impédance de sortie diminue d'un facteur 1,12, ce à quoi on pouvait s'attendre d'après l'analyse précédente. On indique une augmentation de puissance de 1,13. 1 1 L'analyse de la ligne de charge montre également qu'une augmentation du courant de cathode conduit à une diminution de l'impédance d'entrée de 25 à 23 ohms. L'impédance d'entrée parallèLe de dix tubes est de 2,5 et de 2,55 pour neuf tubes. Par conséquent, les paramètres fonctionnels des tubes avant et après la perte d'un amplificateur permettent de conserver une bonne adaptation entrée-sortie lorsque le système délivre une puissance globalement 10 normale. Un autre avantage d'un amplificateur et d'un système d'injection d'énergie rf de la présente invention, est qu'une structure sensiblement monolithique peut être réalisée comme l'illustrent les 15 figures 3A et 3B. Un résonateur à ruban 98 définit une cavité d'entrée rf 100. Le résonateur à ruban 98 ferme une cavité formant charge 116 pour le transfert de puissance direct à l'intérieur de la cavité formant charge 116. Un tube 20 amplificateur 102 est monté à l'intérieur du ruban 98 au travers de l'orifice de montage 114,avec une cathode 104, un filament chauffé (non représenté), une grille 106, une plaque 108, étant scellés sous vide dans un bottier (non représenté). Comme le montre 25 la figure 3, la plaque 108 est directement connectée à une boucle 110 définissant une surface de boucLe 112 pour le transfert de puissance dans la cavité formant charge 116. Comme expliqué précédemment, le résonateur à ruban 98 comporte une pluralité de tubes 102. Une antenne d'entrée radio-fréquence 118 est représentée à l'intérieur du résonateur à ruban 98 et la puissance rf est couplée de façon cohérente au travers d'une cavité unique 100 vers les tubes ampli35 ficateurs 102 espacés d'une distance fixe 96 de l'antenne 118. La figure 3 indique de façon schématique que des conducteurs de sortie de L'antenne d'entrée 118, de la cathode 104 et de La grille 106 sortent d'isoLateurs 130 dans Le résonateur 98. Des composants de circuits externes 120 sont raccordés à la cathode 104 et à La grille 106 pour poLariser de façon appropriée le tube 102 afin de permettre un transfert d'énergie de l'entrée 118 vers L'intérieur de la cavité 116. L'accord entre l'amplificateur rf 10 et le système d'injectin de la figure 3 est obtenu au moyen d'éléments d'accord 126 et 128 qui peuvent être des plaques constituant des éléments courtcircuitants coulissants permettant de modifier La longueur effective de La cavité 100 et d'adapter l'impédance. La structure monolithique transmet et amplifiè de façon cohérente l'énergie rf provenant de l'entrée 118 afin de la transférer depuis la cavité continue 100, au travers des boucles 112, vers l'intérieur de la cavité formant charge 116. Comme montré précédemment, la structure monolithique obtenue permet de conserver des paramètres fonctionnels sensiblement uniformes même en cas de pannes internes. Les tubes de puissance 102 peuvent être sélectionnés parmi divers tubesde triodes ayant des 25 puissances de sortie et des caractéristiques fonctionneLles appropriées. On citera à titre d'exemple les tubes suivants que l'on considère comme étant appropriés: Fabricant N'-du modèle Machlett Lab. ML-8539 Eimac 8940 Eimac 8941/Y690 Eimac 3CX800U7 Les tubes de puissance 102 sont classiquement montés à l'intérieur du résonateur à ruban 98 et de la cavité formant charge adjacente 116. Le fonctionnement de la structure illustrée figure 3B sera mieux compris en se référant en outre au circuit électrique équivalent représenté schématiquement dans la figure 3B. L'accord est fourni par couplage capacitif 124 entre la cathode 104 et le résonateur 98 et par des éléments d'accord ajustables 126, 128 situés à 10 l'intérieur du résonateur 98. Les éléments d'accord 126, 128 permettent l'accord du ruban 98 pour l'adaptation d'impédance avec le tube 102, et l'ajustement du rapport de couplage d'entrée assurant un transfert maximal d'énergie d'entrée entre l'entrée 118 et les tubes 102. La plaque 122 de dérivation de grille est disposée au-delà de l'emplacement des éLéments d'accord 126, 128 et est ramenée à la masse à l'extérieur de la section du ruban 98. Par conséquent, une tension de grille peut être appliquée à partir d'un point d'alimentation situé à l'extérieur 20 des champs radio-fréquence en vue d'un fonctionnement et d'une stabilité plus efficaces. La description ci-dessus des modes de*réalisation préférés de l'invention a été présentée à titre d'illustration et d'explication. Elle -ne peut pas être 25 considérée comme étant exhaustive ou comme limitant l'invention à la forme particulière décrite, de nombreuses modifications et variantes étant bien sûr possibles à la lumière des directives fournies ci-dessus. Les modes de réalisation ont été choisis et décrits 30 afin de mieux expliquer Les principes de l'invention et sa mise en oeuvre pratique pour permettre ainsi à l'homme du métier d'exploiter au mieux l'invention sous diverses formes de réalisation et en y apportant diverses modifications selon l'utilisation particulière envisagée. On doit considérer que le cadre de l'invention est défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Amplificateur pour Le transfert d'énergie rf vers une charge adjacente comprenant: un résonateur à ruban d'entrée (10; 30,32...44) définissant une cavité d'entrée continue (48) recevant ladite énergie rf; une pluralité de tubes amplificateurs (12; 50, 52...64) montés dans ladite cavité d'entrée pour amplifier de façon cohérente Ladite énergie rf transmise au travers de Ladite cavité continue; et une cavité (24; 76) formant charge située à proximité dudit résonateur à ruban pour recevoir Ladite énergie rf amplifiée. 2. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit résonateur à ruban (10; 30, 32...44) a une Largeur permettant d'obtenir une impédance de sortie adaptée à l'impédance d'entrée de ladite pluralité de tubes amplificateurs (12; 50, 52...64). 3. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cavité d'entrée continue (48) 20 définit un circuit fermé autour de ladite cavité formant charge (76). 4. Amplificateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit fermé a une forme approximativement cylindrique. 5. Amplificateur selon la revendication 4, caractériséen ce que ledit circuit fermé est formé par une pluralité de résonateurs à ruban (30, 32.. . 44) reliés latéralement. 6. Amplificateur selon la revendication 5, 30 caractérisé en ce que chacun de ladite pluralité de résonateurs à ruban (30, 32... 44) a une impédance de sortie adaptée à l'impédance d'entrée de l'un de ladite pluralité de tubes amplificateurs montés sur ledit résonateur à ruban. 7. Amplificateur pour le transfert d'énergie rf vers une charge adjacente comprenant: une pluralité de résonateurs à ruban (30, 32... 44) latéralement reliés pour définir une cavité fermée continue (48) et englobant un volume ayant approximativement la forme d'une cavité cylindrique jouant le rôle d'une charge; un tube amplificateur (50, 52... 64) monté à l'intérieur de chacun desdits résonateurs à ruban; -10 un moyen (70) d'injection d'énergie rf situé à l'intérieur de l'un desdits résonateurs à ruban pour l'injection d'énergie rf à l'intérieur de ladite cavité fermée continue en vue de-son transfert vers ladite pluralité de tubes amplificateurs; et un moyen de sortie à boucle (80, 82... 94> pour Le couplage des sorties desdits tubes amplificateurs avec ladite charge de cavité cylindrique. 8. Amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun desdits résonateurs à ruban 20 (30, 32... 44) a une impédance de sortie adaptée à l'impédance d'entrée dudit tube amplificateur (50, 52... 64) monté sur celui-ci. 9. Amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacun desdits tubes ampLifi25 cateurs fait partie intégrante d'un résonateur à ruban correspondant. 10. Amplificateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite pluralité de résonateurs à ruban, Lesdits tubes amplificateurs et ladite charge 30 de cavité, définissent une structure sensiblement monolithique. 11. Procédé pour le transfert cohérent d'énergie rf vers une charge de cavité, caractérisé en ce qu'il consiste: à relier une pluralité de résonateurs à ruban (30, 32... 44) de façon à définir une cavité fermée continue (48) et à définir en outre ladite charge de cavité; à monter un tube amplificateur correspondant (50, 52... 64) sur chacun desdits résonateurs à ruban; à injecter de l'énergie rf dans ladite cavité fermée continue en provenance d'un endroit unique situé 10 sur ladite pluralité de résonateurs à ruban; et à coupler L'énergie de sortie radio-fréquence amplifiée provenant de chacun desdits tubes, avec ladite charge de cavité. 12. Procédé de transfert d'énergie selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant: à définir Ladite charge de cavité à L'intérieur de Ladite pluralité reliée de résonateurs à ruban (30, 32... 44), de façon à ce qu'elle soit une charge 20 résonante. 13. Procédé de transfert d'énergie selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape consistant: à adapter l'impédance de sortie de chacun de ladite pLuralité de résonateurs à ruban (30, 32... 44) avec l'impédance d'entrée dudit tube amplificateur correspondant (50, 52... 64).