Brevet FR2643506A1 — publié le 19900824

DISPOSITIF GENERATEUR D'ONDES HYPERFREQUENCES A CATHODE VIRTUELLE La présente invention a pour objet un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences utilisant le phénomène de cathode virtuelle. Pour engendrer des ondes hyperfréquences, il est connu notamment d'utiliser des dispositifs appelés vircators, qui mettent à profit les effets de charge d'espace existant dans des faisceaux d'électrons produits par le canon d'un tube électronique. En effet, ainsi qu'il est connu, ce sont ces effets qui fixent, pour des tensions données, une valeur maximale au courant qui peut être produit par un canon à électrons, ou encore qui peut être transporté dans un espace donné pour un ensemble d'électrodes de géométrie donnée. Dans un vircator, on injecte dans un espace défini 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 un puits de potentiel, appelé cathode virtuelle, et qui provoque la réflexion d'une fraction plus ou moins importante des électrons du faisceau. Cette cathode virtuelle est instable, c'est-à-dire que l'amplitude de son creux de potentiel et sa position oscillent, entraînant une variation périodique du nombre des électrons réfléchis ou transmis. Un tel dispositif permet de créer des champs électromagnétiques avec des puissances hyperfréquences élevées et 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; les applications de ce type de signaux s'en trouvent 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 d'autres générateurs, tels que les tubes électroniques à modulation de vitesse conventionnels. La présente invention a pour objet un générateur d'ondes hyperfréquences qui utilise le phénomène de cathode virtuelle oscillante mais qui permette d'obtenir une énergie hyperfréquence de meilleure qualité spectrale et avec un meilleur rendement de conversion que les vircators classiques. Cela est réalisé en utilisant séparément les électrons d'une phase donnée (c'est-à-dire électrons transmis ou électrons réfléchis) pour transformer leur énergie cinétique en une énergie hyperfréquence. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences comportant: - un canon électronique, susceptible de produire un faisceau d'électrons dans une région d'injection, le courant transporté étant suffisant pour provoquer la formation d'une cathode virtuelle; - un circuit hyperfréquence de sortie, réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en une énergie hyperfréquence, tel que l'énergie des électrons qu'il prélève soit en phase, soit qu'il utilise uniquement l'énergie des électrons transmis, soit qu'il utilise uniquement l'énergie des électrons réfléchis par la cathode virtuelle, soit encore qu'il utilise à la fois l'énergie des électrons transmis et celle des électrons réfléchis, mais convenablement déphasée. 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 figures annexées, qui représentent: - la figure 1, un premier mode de réalisation du dispositif générateur selon l'invention, dans lequel le circuit hyperfréquence de sortie utilise les électrons transmis par la cathode virtuelle; - la figure 2, un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel le circuit hyper- fréquence de sortie assure en outre une post-accélération des électrons utilisés - la figure 3, un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel le circuit hyper- fréquence de sortie utilise d'une part les électrons transmis par la cathode virtuelle et, d'autre part, les électrons réfléchis par cette cathode virtuelle mais convenablement déphasés; - les figures 4, 5 et 6 représentent des variantes des modes de réalisation précédents dans lesquelles le faisceau élec- tronique présente une section différente. 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 de 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 les électrons émis par cette cathode forment un faisceau annulaire, représenté par une zone pointillée 8 sur la figure. 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 fixé par trois pattes (non représentées) sur l'épaulement 23. Le générateur selon I'invention comporte encore un circuit hyperfréquence de sortie 4 qui est, dans ce mode de réalisation, de type coaxial; il est formé par un cylindre conducteur intérieur 5 et un conducteur extérieur constitué par le prolongement de l'armature 20, entre lesquels est défini un espace annulaire 44. Le circuit de sortie est sensiblement symétrique du canon à 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 lC G appui par exemple par des pattes sur l'épaulement 43 et définissant avec cet épaulement une fente circulaire 42 pour le passage des électrons du faisceau 8. Ce dernier est reçu par une saillie annulaire 50 du conducteur intérieur 5. Plus généralement, les dessins du circuit de sortie 4 et du canon 1 sont tels que les deux impédances soient voisines. 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 la paroi 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'armature 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 -V0. Les paramètres sont choisis de sorte que se forme, dans la région d'injection 3, une cathode virtuelle 80. On a représenté par une flèche 82 les électrons transmis par la cathode virtuelle 80 et par des flèches 81, les électrons réfléchis par cette cathode virtuelle. En outre, on applique de préférence à la structure, à l'aide de moyens non représentés, un champ magnétique longitudinal (selon l'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 qu'à la périphérie de ce faisceau. Si la densité d'électrons et, par suite, le courant transporté augmentent, le potentiel et la vitesse des électrons diminuent jusqu'à atteindre zéro: les électrons forment alors un amas chargé négativement, formant un puits de potentiel appelé cathode virtuelle. Cette cathode virtuelle oscille et la fréquence des oscillations dépend notamment du courant d'injection; elle se mesure couramment en Gigahertz. Par ailleurs, l'intensité de courant maximale au-delà 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: le courant maximum pour un faisceau d'électrons donné est plus faible lorsque la zone d'injection est de plus grand diamètre. Selon l'invention, on choisit les dimensions du dispositif (canon à électrons et zone d'injection) et le courant du faisceau d'électrons de sorte qu'il soit supérieur au courant maximum susceptible de parcourir la région 3, entraînant ainsi la formation d'une cathode virtuelle. De la sorte, les électrons transmis représentent un courant modulé à la fréquence d'oscillation de la cathode virtuelle. Les électrons transmis, et eux seuls, voient leur énergie cinétique convertie en un champ électromagnétique par le circuit de sortie 4 et, plus précisément, dans l'espace de freinage compris entre le conducteur 5 et l'écran 41. L'énergie produite est transmise par le circuit coaxial de sortie 4 vers l'extérieur. Il apparaît que l'énergie ainsi produite l'est avec un rendement très supérieur à celui des vircators classiques. En effet, les recherches de la Déposante ont montré qu'une des raisons du faible rendement des vircators classiques était le fait d'utiliser un circuit de couplage qui impose un champ électromagnétique de phase sensiblement égale à tous les électrons, aussi bien transmis que réfléchis par la cathode virtuelle; or ces deux sortes d'électrons sont sensiblement en opposition de phase et les énergies qu'ils créent s'annulent en grande partie. Selon l'invention, on utilise done séparément l'énergie des électrons transmis ou réfléchis. Dans le présent mode de réalisation, on n'utilise que les électrons transmis. En outre, le fait d'utiliser, selon l'invention, séparément les électrons de même phase a pour effet de permettre la réalisation d'un couplage plus étroit entre électrons, et circuit de sortie et, par suite, l'obtention d'une énergie électromagnétique de meilleure qualité spectrale. Une variante de réalisation (non représentée) consiste à disposer le circuit de sortie 4 de sorte que ne soient utili- sés que les électrons réfléchis par la cathode virtuelle. Il est à noter par ailleurs qu'on choisit de préférence les dimensions du canon et de la région d'injection pour que le courant du faisceau soit supérieur au, mais voisin du courant maximum, de sorte que le courant transmis soit en moyenne une fraction importante du courant total injecté dans la région d'injection. La figure 2 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, qui comporte des moyens de post-accélération des électrons utilisés, vu également en coupe schématique longitudinale. A titre d'exemple, le générateur représenté figure 2 reprend la structure de celui de la figure 1, à ceci près que le circuit de sortie 4 est électriquement isolé du canon à électrons 1. Plus précisément, l'armature 20 formant l'anode du canon à électrons est sans contact électrique avec le conducteur extérieur, maintenant repéré 40, du circuit de sortie 4. A titre d'exemple, le conducteur 40 se prolonge autour de l'armature 20 en forme de cylindre creux de même axe ZZ que cette armature; Ce mode de réalisation comporte en outre des moyens 7 pour appliquer entre la cathode 11 et le circuit de sortie 4 une tension V1, supérieure à la tension cathode/anode V0. A titre d'exemple, les moyens 7 sont constitués par un transformateur dont le primaire 71 reçoit la tension d'alimentation et le secondaire 72 est relié: - à l'une de ses extrémités à la paroi 40 (potentiel de masse); - à son autre extrémité à la cathode 11 (potentiel -Vl); - en un point intermédiaire à l'anode 20, point tel que le potentiel y soit égal à -V1 + V0. Il est à noter que, ainsi qu'il est connu, pour que la formation d'une cathode virtuelle reste possible lorsque la tension V1 utilisée est supérieure à la tension V0 du mode de réalisation précédent, il est nécessaire d'augmenter la longueur de la région d'injection 3 et ceci d'autant plus que le rapport V1/V0 choisi est plus élevé. La figure 3 représente un autre mode de réalisation du générateur selon l'invention, dans lequel on utilise à la fois les électrons transmis et les électrons réfléchis par la cathode virtuelle. Sur cette figure, on retrouve le canon à électrons 1 formé de la cathode 11 et de l'anode 20, 21. Le canon 1 produit, ici aussi, un faisceau d'électrons 8 dans des conditions telles qu'il y a formation d'une cathode virtuelle 80 avec réflexion (flèches 81) d'une partie des électrons et transmission (flèche 82) d'une autre partie des électrons vers, à titre d'exemple, une paroi métallique 50 délimitant la région d'injection 3. Dans ce mode de réalisation, le circuit hyperfréquence de sortie 4 comporte deux voies: l'une débouche dans une région repérée 4A, comprise entre l'anode 20 et la cathode virtuelle 80 et destinée à récupérer l'énergie des électrons réfléchis 81; l'autre débouche dans une région repérée 4B, comprise entre la cathode virtuelle 80 et la paroi 50 et elle est destinée à récupérer l'énergie de électrons transmis 82. Les électrons 81 réfléchis par la cathode virtuelle l'étant avec un décalage moyen dans le temps de l'ordre d'une demi-période d'oscillations de cette cathode virtuelle par rapport aux électrons 82 transmis, il est nécessaire, afin de cumuler leurs effets, de déphaser l'énergie produite par Ies uns d'une valeur sensiblement égale à 180 par rapport aux autres; cela est schématisé par un déphaseur 45, réalisable par tout moyen connu et connecté sur l'une des voles, 4A ou 4B, avant que les énergies existant dans les deux voies ne se combinent pour former l'énergie de sortie. Il est à noter que la paroi 46, entre les voies 4A et ( 4B, doit être d'une épaisseur suffisante pour éviter que les champs présents dans les deux voles ne se couplent avant la cathode virtuelle 80, cette épaisseur étant de l'ordre de grandeur de la distance de la paroi 46 à la cathode virtuelle. On a représenté, sur la figure 3, un mode particulier de réalisation du circuit 4. - D'autres variantes sont bien entendu possibles, qui consistent par exemple à réaliser, pour chacune des voies 4A et 4B, une structure de type coaxial telle que décrite figure i pour le circuit 4. La figure 4 représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel le faisceau produit par le canon à électrons est un cylindre plein, toujours vu en coupe schématique longitudinale. Sur cette figure, à titre d'exemple, on retrouve une structure voisine de celle de la figure 1, à ceci près que la surface émissive de la cathode, maintenant repérée 12, du canon 1 est en forme de disque, de sorte à émettre un faisceau électronique 88 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 i ont été remplacés ici par des éléments, repérés 26 et 46, constitués par des grilles ou des feuilles métalliques suffisamment minces pour que leur absorption d'électrons soit très faible. Le fonctionnement de ce dispositif est analogue à ce qui a été décrit pour la figure 1, avec formation d'une cathode virtuelle 83, électrons réfléchis 84 et électrons transmis 85 dont l'énergie cinétique est convertie en énergie hyperfréquence par le circuit de sortie 4. Il est A noter que, pour qu'un fonctionnement satisfaisant 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. En pratique, toutefois, des cathodes de plus grand diamètre sont utilisables, du fait que les électrons ont tendance à se grouper à la périphérie de la cathode virtuelle. La figure 5 représente un autre mode de réalisation du générateur selon l'invention, dans lequel le faisceau électronique utilisé est un faisceau cylindrique plein et o le générateur comporte en outre des moyens de post-accélération. Sur cette figure, on retrouve une structure analogue à celle de la figure 2, sauf en ce qui concerne la cathode 11 du canon 1, le conducteur central 5 du circuit de sortie 4 et les écrans 21 et 41, remplacés respectivement par les éléments 12, 51, 26 et 46 tels que décrits figure 4. Les mêmes remarques que celles faites à propos de la figure 4 peuvent être faites ici. De la même manière, la figure 6 représente un mode de réalisation analogue A celui de la figure 3, mais dans lequel le faisceau électronique annulaire est remplacé par un faisceau électronique cylindrique plein. On retrouve donc une structure analogue à celle de la figure 3, sauf en ce qui concerne la structure de la cathode 11, maintenant repérée 12, et le faisceau électronique 8 qui devient un cylindre plein repéré 88, comme dans le cas des figures 4 et 5. REVEND I CATI O NS 1. Dispositif générateur d'ondes hyperfréquences, caractérisé par le fait qu'il comporte: - un canon électronique (1), susceptible de produire un faisceau d'électrons (8; 88) dans une région d'injection (3), le courant transporté étant suffisant pour provoquer la formation d'une cathode virtuelle (80; 83); - un circuit hyperfréquence de sortie (4), réalisant la transformation de l'énergie cinétique des électrons en une énergie hyperfréquence, le circuit étant tel que l'énergie des électrons qu'il prélève soit sensiblement en phase. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie (4) est disposé de sorte à ne recevoir que les électrons transmis (82; 85) par la cathode virtuelle (80; 83). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie (4) est disposé de sorte à ne recevoir que les électrons réfléchis (81; 84) par la cathode virtuelle (80; 83). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie (4) comporte une première voie (4A), recevant les électrons transmis (81; 84) et une deuxième voie (4B), recevant Ies électrons réfléchis (82; 85), et un déphaseur (45) déphasant l'énergie produite par l'une des voies de sensiblement 180 . 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le circuit de sortie (4) est du type coaxial. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le circuit de sortie (4) est isolé électriquement du canon électronique (1) et qu'une tension d'accélération (V1) des électrons est appliquée entre canon et circuit de sortie. 7. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons (8) est en forme de cylindre creux. 8. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait que le faisceau d'électrons (88) est en forme de cylindre plein. 9. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens d'application d'un champ magnétique de focalisation du faisceau d'électrons.