Brevet FR2642584A1 — publié le 19900803

DISPOSITIF AMPLIFICATEUR OU OSCILLATEUR FONCTIONNANT EN HYPERFEREQUENCE La présente invention a pour objet un dispositif amplificateur d'ondes hyperfréquences, ainsi qu'un oscillateur obtenu à partir du dispositif précédent. Pour générer et amplifier des ondes hyperfréquences, il est connu d'utiliser notamment des tubes électroniques dits à modulation de vitesse, tels que klystrons ou tubes à ondes progressives. Ce type de tube comporte un canon à électrons, fournissant un faisceau d'électrons; les électrons du faisceau subissent une modification périodique de vitesse qui entraîne -10 leur regroupement en paquets dans certaines zones de l'espace; ces paquets excitent alors par impulsion, suivant leur période propre, les oscillations d'un circuit hyperfréquence (cavité résonnante ou ligne) en empruntant l'énergie nécessaire à leur propre énergie cinétique. Dans les faisceaux d'électrons de tels tubes, les effets de la charge d'espace sont très importants. Ce sont en particulier eux qui fixent, pour des tensions données, une valeur maximale au courant qui peut être produit par le canon à électrons, ou encore qui peut être transporté dans un espace donné, pour un ensemble d'électrodes de géométrie donnée. Dans les tubes du type mentionné ci-dessus, pour obtenir des résultats satisfaisants en gain, rendement, qualité de signal, on est amené à limiter le courant transporté par le falt -au d'électrons à une intensité inférieure d'un ordre de grandeur au moins à l'intensité maximale. Par suite, et compte-tenu du principe même de la modulation de vitesse, ces tubes doivent utiliser des faisceaux longs, - nécessitant le plus souvent une focalisation magnétique; ces générateurs sont alors lourds et encombrants. On connaît également des dispositifs appelés vircators qui, contrairement aux tubes précédents, mettent à profit les effets de charge d'espace. Dans un vircator, on Injecte dans un espace un courant d'électrons, égal le plus souvent à plusieurs fois le courant maximum qui pourrait effectivement franchir cet espace. Il y a alors accumulation des électrons, qui forment une cathode virtuelle. Cette cathode virtuelle est instable, c'est-à-dire qu'elle oscille dans l'espace, créant ainsi des champs électromagnétiques. Avec un tel dispositif, il est possible d'obtenir des puissances hyperfréquences élevées et, ce, sous un volume réduit. Toutefois, on constate que le signal émis est de qualité médiocre, c'est-à-dire que la puissance est émise sur de nombreux modes en une suite de fréquences simultanées ou successives, et les applications de ce type de signaux sont assez réduites. Par ailleurs, le rendement de conversion est mauvais (de l'ordre de 2 à 3% au mieux) par rapport au rendement qu'il est possible d'obtenir avec des tubes à modulation de vitesse (souvent supérieurs à 40%). La présente invention a pour objet un dispositif destiné à produire de l'énergie hyperfréquence à partir d'un faisceau d'électrons, qui permette d'éviter les limitations précédentes, c'est-à-dire un rendement de conversion de l'énergie du faisceau d'électrons en énergie hyperfréquence et une qualité du signal émis comparables à ceux des tubes à modulation de vitesse, avec un poids et dans un volume compa- rables à ceux des vircators. A cet effet, le dispositif selon l'invention comporte - un canon électronique, susceptible de produire un faisceau d'électrons tel que le courant qu'il transporte soit légèrement Inférieur au courant maximum susceptible d'être transporté dans le générateur; - un circuit hyperfréquence dit de modulation, permettant d'appliquer une tension alternative dont l'amplitude est suffisante pour déclencher, lors de l'une de ses alter- nances, la formation d'une cathode virtuelle n'autorisant plus le passage des électrons, le -courant transporté par le faisceau se trouvant ainsi modulé A la fréquence dite de modulation de la tension alternative; - un circuit hyperfréquence de sortie destiné A fonctionner sensiblement A la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple de celle-ci, ce circuit de sortie étant excité par le courant modulé précédent. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et Illustrée par les dessins annexés, qui représentent - la figure 1, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 2, un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel il comporte des moyens conférant au faisceau d'électrons une post-accélération; - la figure 3, un troisième mode de réalisation du dispositif selon I'invention, dans lequel le faisceau d'électrons utilisé est un faisceau cylindrique plein. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 représente donc un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, vu en coupe schématique longitudinale. Le générateur selon l'invention est une structure d!e révolution autour d'un axe longitudinal ZZ. Il comporte un canon à électrons 1, formé d'une cathode 11 et d'une anode composée d'une armature 20 et d'un écran 21. La cathode 11 se présente sous la forme d'un cylindre conducteur d'axe ZZ, dont la circonférence fait une saillie 10 de façon à ce que Ies électrons émis par cette cathode forment un faisceau annulaire, représenté par une zone pointillée 8 sur la figure. On a représenté par des flèches le sens de propagation des électrons du faisceau 8. L'armature 20 de l'anode est constituée par un cylindre creux, de même axe ZZ que la cathode; elle est fermée par un épaulement annulaire 23 et un écran 21 en forme de disque, laissant subsister une fente annulaire 22 pour le passage du faisceau d'électrons 8; l'écran 21 est par exemple i fixé par trois pattes sur l'épaulement 23. Le générateur selon l'invention comporte encore un circuit hyperfréquence de sortie 4 qui est, dans ce mode de réalisation, de type coaxial, formé par un cylindre conducteur intérieur 5 et un conducteur extérieur 4, disposé dans le prolongement de l'armature 20, entre lesquels est défini un espace annulaire 44. Le circuit de sortie est sensiblement symétrlque du canon d'électrons 1 par rapport à un plan normal au plan de la figure, c'est-à-dire que le conducteur extérieur comporte un épaulement 43 annulaire et un écran 41 prenant appui, par exemple par des pattes, sur l'épaulement 43 et définissant avec cet épaulement une fente circulaire 42 pour le passage du faisceau électronique 8; ce dernier est reçu par une saillie annulaire 50 du conducteur intérieur 5. Entre les éléments 21, 23 d'une part, et 41, 43 d'autre part, se situe une zone 3 dite région d'injection; cette zone est limitée latéralement par des prolongements 25 et des parois 20 et 40 respectivement, sans contact l'un avec l'autre de façon A ménager entre eux une fente 71. Le générateur selon l'invention comporte en outre un circuit hyperfréquence de modulation 7, qui est dans ce mode de réalisation de type coaxial; le conducteur central du circuit est formé par la paroi 40 et le conducteur extérieur par une paroi 70 en forme de cylindre creux, toujours d'axe ZZ, définissant avec la paroi 40 un espace annulaire 74, le conducteur extérieur 70 venant se raccorder à la partie 25 de l'armature 20. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. L'application à la cathode 11 d'une tension négative par rapport à celle de l'anode provoque l'émission du faisceau d'électrons annulaire 8. A titre d'exemple, l'armatu*e 20, l'écran 21 et les éléments du circuit de sortie 4 sont au potentiel de la masse et on applique à la cathode 11 une tension -V. On applique de préférence à la structure, à l'aide de O moyens non représentés, un champ magnétique longitudinal (selon I'axe ZZ) pour focaliser le faisceau 8 ainsi produit. On rappelle ci-après le mécanisme de formation d'une cathode virtuelle. A l'intérieur d'un faisceau électronique existe une charge d'espace: sur l'axe du faisceau, le potentiel et la vitesse des électrons sont plus faibles qua'à la péri- phérie. Si la densité d'électrons et par suite le courant transporté augmentent, le potentiel et la vitesse des électrons diminuent jusqua'à zéro: les électrons forment alors un amas, chargé négativement, appelé cathode virtuelle. Cet amas d'électrons oscille sur l'axe longitudinal, donnant naissance à un champ électromagnétique. La fréquence des oscillations dépend notamment du courant d'injection et elle se mesure couramment en Gigahertz. Par ailleurs, l'intensité de courant maximale audelà de laquelle les électrons forment une cathode virtuelle est fonction du potentiel du faisceau d'électrons ainsi que des dimensions du faisceau et de la région d'injection 3; plus précisément, le courant maximum pour un faisceau d'électrons donné est plus faible lorsque la zone d'injection 3 est de plus grand diamètre. Selon l'invention, on choisit les dimensions du dispositif (canon à électrons et zone d'injection) et le cou.nt du faisceau d'électrons de sorte qu'il soit légèrement inférieur au courant maximum susceptible de parcourir la région 3, courant au-delà duquel il y a formation de cathode virtuelle. Par le circuit de modulation 7 est amené un champ électrique alternatif. La tension entre les parties 25 et 45 résultant de ce champ doit être d'amplitude suffisante pour que, pour l'une des alternances, le faisceau d'électrons 8 soit stoppé par un mécanisme du type cathode virtuelle et n'atteigne plus le circuit de sortie 4, les électrons étant alors absorbés par les parois délimitant la zone d'injection 3; à l'alternance suivante, la tension appliquée entre les mêmes éléments 25 et 45 rétablit le faisceau; le courant du faisceau se trouve ainsi modulé en intensité a la fréquence du signal de modulation. Le circuit de sortie 4 est alors excité par le courant modulé précédent et assure ainsi la transformation en énergie hyper- fréquence d'une partie au moins de l'énergie des électrons du faisceau. Les écrans 21 et 41 ont classiquement pour fonction d'absorber les électrons divergents. Il est à noter que les circuits hyperfréquences de modulation (7) et de sortie (4) permettent, par le choix de leurs dimensions, de définir précisément la fréquence du signal de modulation et, ce qui est le but recherché, la fréquence du signal de sortie, permettant ainsi l'obtention d'un signal de bonne qualité. Il est à noter encore que, pour obtenir un fonction- nement satisfaisant, il n'est pas nécessaire de provoquer la formation complète d'une cathode virtuelle; la période maximum du champ alternatif de modulation peut n'être qu'une fraction du temps de basculement du faisceau entre état passant et cathode virtuelle; en pratique elle peut être de l'ordre du temps de transit des électrons dans la structure. Le générateur décrit ici est, comme un vircator, particulièrement compact; la longueur de la région d'injection 3, limitée par les écrans 21 et 41 se trouve être en effet, en pratique, de l'ordre de la longueur d'onde de fonctionnement. Par ailleurs l'application d'une tension continue V0 peut poser des problèmes technologiques du fait de l'ordre de grandeur des tensions (MV) et courants (kA) utilisés. Il est alors possible d'utiliser des Impulsions de tension, d'une durée par exemple de l'ordre de la centaine de nanosecondes, transmises A la cathode par la structure coaxiale 12-20, par exemple. La durée de ces Impulsions reste longue par rapport à la période des impulsions produites, typiquement de l'ordre de la centaine de microsecondes. On a décrit ci-dessus un dispositif assurant l'amplification du signal fourni par le circuit de modulation. Comme il est bien connu, il est possible de réaliser avec cette structure un oscillateur, en lui ajoutant des moyens de réinjection dans le circuit de modulation d'une partie du signal fourni par le circuit de sortie et, ce, avec une phase convenable, qui est liée aux dimensions du circuit, ainsi qu'il est connu. Les moyens de réinjection peuvent être réalisés par tout moyen connu, tel que boucle de couplage réalisée dans une ouverture ménagée dans la paroi 40 ou circuit extérieur au générateur représenté. La figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel sont prévus des moyens de post- accélération du faisceau après modulation, afin d'améliorer le rendement de l'ensemble. Sur cette figure,on retrouve le canon à électrons 1, le circuit de modulation 7 et le circuit de sortie 4, mais l'ensemble du circuit 4 a été isolé électriquement des éléments précédents. Plus précisément, on retrouve le canon 1 identique à ce qui a été décrit figure 1, c'est-àdire composé de la cathode 11, l'armature 20 et l'écran 21. Le circuit de sortie 4 est formé également comme sur la figure 1 par le conduct':r intérieur cylindrique 5 entouré par le conducteur 40, l'épaulement 43 et l'écran 41. Toutefois, dans ce mode de réalisation, la zone d'injection n'est plus fermée par l'écran 21 et l'épaulement 43 mals par un élément conducteur 61 semblable à l'écran 41 et un conducteur 60 extérieur, disposé dans le prolongement de l'armature 20 et ménageant avec cette dernière la fente 71 à laquelle est connecté le circuit de modulation; l'élément 60 ménage par ailleurs une fente annulaire 62 avec l'écran 61 pour permettre le passage du faisceau électronique 8. Les éléments 60 et 61 sont donc électriquement Isolés tant du canon 1 que du circuit de sortie 4. En fonctionnement, on applique comme précédemment une tension -V0 à la cathode par rapport à l'anode, le signal de modulation par l'intermédiaire du circuit 7 et, en outre, une tension +V de post- accélération au circuit de sortie par rapport à la paroi 60, qui est par exemple au potentiel de l'anode. De la sorte est réalisée une accélération des électrons au sortir de la zone d'injection 3. La figure 3 représente un troisième mode de réali- sation du dispositif selon l'invention, dans lequel le faisceau électronique est un cylindre plein. Sur cette figure, on retrouve à titre d'exemple les mêmes éléments que sur la figure 1, excepté la cathode du canon 1, le conducteur intérieur du circuit de sortie 4 et les écrans du canon et du circuit de sortie. Dans ce mode de réalisation, la surface émissive de la cathode, maintenant repérée 12, du canon 1 est en forme de disque de sorte à émettre un faisceau électronique cylindrique plein. De la même manière, le conducteur intérieur du circuit de sortie 4, maintenant repéré 51, est constitué par une surface plane en forme de disque. Les écrans 21 et 41 de la figure 1 ont été remplacés ici par les éléments repérés 26 et 46, constitués par des grilles ou des feuilles métalliques suffisamment minces pour que leur absorption d'électrons soit très faible. Il est à noter que, pour- qu'un fonctionnement satis- faisant puisse être obtenu, le diamètre de la cathode 12 doit être sensiblement inférieur à la longueur d'onde de l'énergie hyperfréquence obtenue en sortie, par exemple de l'ordre de la demi-longueur d'onde. La description faite ci-dessus l'a été bien entendu à titre d'exemple non limitatif. C'est ainsi, notamment, que différents circuits hyperfréquence ont été représentés comme étant de type coaxial mais sont remplaçables par des guides d'ondes. REVENDI CATIONS 1. Dispositif amplificateur d'ondes hyperfréquences, caractérisé par le fait qu'il comporte: - un canon électronique (1), susceptible de produire un faisceau d'électrons (8) dans une région d'injection (3), le courant transporté par le faisceau étant légèrement inférieur au courant maximum susceptible d'être transporté dans la région d'injection; - un circuit hyperfréquence dit de modulation (7), permettant d'appliquer dans la région d'injection une tension alternative dont l'amplitude est suffisante pour déclencher, lors de l'une de ses alternances, la formation d'une cathode virtuelle n'autorisant plus le passage des électrons, le courant transporté par le faisceau se trouvant ainsi modulé à la fréquence dite de modulation de la tension alternative; - un circuit hyperfréquence de sortie (4) destiné à fonctionner sensiblement à la fréquence de modulation, ou un multiple ou sous-multiple de celle-ci, ce circuit de sortie étant excité par le courant modulé précédent, permettant ainsi la transformation en énergie hyperfréquence d'une partie au moins de l'énergie des électrons du faisceau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie est du type coaxial. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit de modulation est du type coaxial. 4. Dispositif selon les revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le conducteur central (40) du il circuit de modulation est constitué par le conducteur extérieur du circuit de sortie. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le circuit de sortie *est isolé électriquement de la région d'injection et qu'une tension d'accélération des électrons est appliquée entre région d'injection et circuit de sortie. 6. Dispositif selon I'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons est I ' en forme de cylindre creux. 7. Dispositif selon I'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons est en forme de cylindre plein. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de ré-injection dans le circuit de modulation d'une partie du signal fourni par le circuit de sortie, formant ainsi un oscillateur. 9. Dispositif selon l'une des revendications précé- 2 dentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens d'application d'un champ magnétique de focalisation du faisceau d'électrons.