Brevet FR2678107A1 — publié le 19921224

MAGNETRONS STRAPES A STABILISATION DE FREQUENCE L'invention concerne des tubes électroniques du type magnétron et plus particulièrement des magnétrons dits "strapés", dont les éléments de l'anode sont reliés entre eux par des anneaux métalliques (les "straps") pour conférer certaines propriétés au spectre de fréquences de fonctionnement de ces magnétrons. Un magnétron strapé, bien connu de l'art antérieur, comprend une cathode centrale de section circulaire, entourée d'une anode comprenant une multiplicité de cavités résonantes ( 1) accordées à la fréquence de fonctionnement du magnétron. Ces cavités résonantes sont des espaces évidés à l'intérieur de l'anode peuvent avoir différentes formes, par exemple circulaire ou trapézoïdale ou autres, quand vues en coupe perpendiculaire à l'axe de symétrie (voir figure 1) Les cavités sont séparées par la matière de l'anode, du cuivre par exemple Dans un exemple de réalisation de géométrie simple (fig lb), les cavités trapézoïdales sont séparées par des ailettes ( 21,22). La forme et les dimensions des cavités déterminent les fréquences résonantes de celles-ci Un problème déjà rencontré dans l'art antérieur est que de nombreux modes de fonctionnement d'un tel dispositif, ayant une multiplicité de cavités (quasi) identiques, sont possibles à des fréquences très voisines, car ces modes sont pratiquement dégénérés. Parmi les solutions pour enlever cette dégénérescence, sont connues notamment l'anode en "soleil levant" (fig le), et les straps ( 3) Les straps sont des paires d'anneaux métalliques ( 3) qui relient électriquement, respectivement, les ailettes paires 22 entre elles, et les ailettes impaires 21 entre elles. Les straps ( 3) peuvent être du même diamètre et disposés de part et d'autre de l'anode tel que montré sur les figures la et lb, ou bien les straps peuvent être de diamètres différents, disposés concentriquement sur un seul côté ou sur les deux côtés du bloc anode (voir figure 2). Ces magnétrons fonctionnent normalement en mode 1 Â, ce qui veut dire que les phases d'oscillations dans deux cavités voisines différent de Âf radians, autrement dit les ailettes paires 22 sont à la même tension à un moment donné, et les ailettes impaires 21 sont elles aussi à une autre tension qui est la même pour toutes ces ailettes impaires. L'adjonction des straps a donc pour effet de modifier la capacité du magnétron par la charge capacitive que représente la capacité entre les straps (Le schéma électrique équivalent est donné sur la figure 3) Ceci a pour effet d'écarter les modes indésirés du mode principal dans le spectre de fréquences possibles de fonctionnement, et ainsi, d'enlever la dégénérescence. Pour de nombreuses applications, en particulier celles o un magnétron est piloté en fréquence ou bien celles o un système de récepteur incorporant le magnétron est à fréquence fixe, il est souhaitable que la dérive de fréquence du magnétron due à l'échauffement de ses éléments pendant la période transitoire de mise en route soit aussi réduite que possible, voire annulée Cette exigence devient absolument impérative pour certains systèmes, tels les autodirecteurs d'engins, par exemple. Or, l'échauffement des différents éléments constitutifs d'un magnétron engendre des dilatations thermiques différentielles qui modifient la fréquence naturelle de résonance des cavités. On peut exprimer la fréquence dans le mode Âà en termes des capacités et des inductances selfiques des cavités et des straps (voir figure 3): (j) Âi = 2 ÂTf = lL(C +( 1) L = l'inductance selfique et C = capacité de la cavité sans straps, Y et) sont, respectivement, la capacité et l'inductance selfique par cellule des straps seuls Cette équation reflète qu'en mode Â 1, on peut négliger l'influence de l'inductance selfique 2 qui est connectée à des points équipotentiels Cette formule montre qu'il est possible d'agir sur la fréquence du mode 1 T en agissant sur la capacité ô/, la capacité inter-straps par cellule Une variation à \J de cette capacité t donnera une variation relative de la fréquence angulaire If Â suivant la relation: 5 â) = /\ g- ( 2) U) IY 2 C+& Pendant la période transitoire de mise en route du magnétron, l'échauffement des éléments internes et leur dilatation réduisent les écarts entre ces pièces et augmentent donc la capacité C, diminuant la fréquence (dans le cas d'un échauffement suffisamment homogène). Un but de l'invention est de remédier à ce problème, en minimisant ou en annulant la dérive de fréquence due à la dilatation thermique des éléments internes à un magnétron Un autre but de l'invention est de proposer un système simple à réaliser et peu coûteux pour annuler cette dérive en fréquence. A ces fins, l'invention propose un dispositif de stabilisation de fréquence des magnétrons strapés, notamment aux fins de stabilisation en régimes transitoires, pour annuler des dérives en fréquence dues à l'échauffement et à la dilatation thermique t des pièces internes du magnétron, caractérisé en ce que la capacité (J) entre les straps est contrainte à varier en amplitude égale et en sens inverse à la variation de la capacité (c) des cavités non strapées. Dans une variante de l'invention, les straps sont des anneaux circulaires concentriques, réalisés en métaux différents avec des coefficients de dilatation thermique différents avec le coefficient de l'anneau interne très largement inférieur à celui de l'anneau externe, de façon à ce que l'échauffement des deux augmente l'écart entre les deux et réduit donc la capacité (ô) entre les deux. Dans une autre variante de l'invention, les straps qui sont fixés respectivement sur les ailettes d'anode paires et impaires, sont contraints de s'écarter à cause de la dilatation différentielle entre les ailettes paries et impaires. Dans une autre réalisation, la variation de la capacité entre les straps, d'amplitude égale et en sens inverse à la variation de la capacité (c) des cavités non strapées est obtenue par une combinaison des moyens utilisés dans les autres variantes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention et de ses principales réalisations ressortiront de la description détaillée qui suit, avec ses figures annexées, dont: la figure 1, déjà mentionnée, montre schématiquement et en perspective, trois anodes de magnétron connues de l'art antérieur; la figure 2 a, montre schématiquement et en plan perpendiculaire à l'axe un autre exemple de l'anode strapée connue de l'art antérieur; la figure 2 b, montre schématiquement et en perspective un détail de la figure 2 a; la figure 3, montre un schéma électrique équivalent à la structure de la figure 2; la figure 4, montre schématiquement et en perspective un détail d'un magnétron strapé réalisé selon l'invention; la figure 5, mâontre un détail d'un exemple, en coupe perpendiculaire à l'axe du magnétron, d'une autre réalisation selon l'invention. Les figures 4 et 5 sont données à titre d'exemples non limitatifs de réalisations selon les principes de l'invention; d'autres réalisations selon ces mêmes principes seront facilement imaginées par l'homme de l'art Les mêmes repères désignent les mêmes éléments sur les différents dessins. Sur la figure 1, on voit trois anodes de magnétrons connues de l'art antérieur qui incorporent des moyens pour écarter des fréquences parasites de la fréquence de fonctionnement désirée. Sur la figure la, on voit une anode dont les cavités ( 1) ont la forme de trous circulaires parallèles à l'axe du magnétron, couplés par des fentes radiales ( 4) séparées par des parois épaisses ( 11,12) ayant une forme particulière entre ces trous circulaires et ces fentes radiales Deux straps ( 3), des anneaux circulaires métalliques, sont disposés de part et d'autre de l'anode (vers le haut et vers le bas sur la figure), et centrés sur l'axe Le strap ( 3) en haut de l'anode dans la figure la est connecté électriquement aux parois paires ( 12), et le strap d'en bas est connecté électriquement aux parois impaires ( 11) La capacité entre ces deux anneaux introduit le terme gamma dans les équations 1 et 2 ci-dessus. Sur la figure lb, on voit une anode dont les cavités ( 1) ont une forme trapézoïdale, ( 4) séparées par des ailettes radiales ( 21,22) Deux straps ( 3), des anneaux circulaires métalliques, sont disposés de part et d'autre de l'anode (vers le haut et vers le bas), et centrés sur l'axe Le strap ( 3) en haut de l'anode dans la figure lb est connecté électriquement aux ailettes paires ( 22), et le strap d'en bas est connecté électriquement aux ailettes impaires ( 21) La capacité entre ces deux anneaux introduit le terme gamma dans les équations 1 et 2 ci-dessus. Un autre exemple d'une anode connue de l'art antérieur est montré sur la figure llc, l'anode dite "en soleil levant" Dans cette réalisation, les cavités ( 111,112) ont la forme des fentes radiales, couplées par l'ouverture sur un côté vers la cathode centrale (non montrée) Dans cette construction, les fréquences parasites sont écartées de la fréquence de fonctionnement par la longueur différente dans le sens radial des fentes paires ( 112), plus longues que les fentes impaires ( 111) Cette configuration n'utilise pas des straps, et donc ne nous concerne pas dans le cadre de la présente invention. Sur la figure 2 a, l'on voit schématiquement et en plan, d'un point sur l'axe du magnétron, l'anode d'un magnétron très semblable à celle de la figure lb, avec une paire de straps ( 3) de chaque côté de l'anode Ayant respectivement des diamètres différents, les deux straps visibles sur la figure sont disposés concentriquement, l'un faisant contact électrique avec les ailettes paires ( 22), et l'autre faisant contact électrique avec les ailettes impaires ( 21) Ces points de contact sont indiqués sur le dessin par des petits cercles Cet exemple nous sera utile par la suite pour expliquer notre invention dans une réalisation particulièrement simple qui est montrée sur la figure 4. Sur la figure 2 b, on voit schématiquement et en perspective un détail de la figure 2 a, qui représente une ailette paire ( 22) On voit deux paires de straps ( 3) de part et d'autre (supérieur et inférieur) de l'ailette ( 22), avec sur la partie supérieure, un contact électrique entre l'ailette ( 22) et le strap de diamètre plus grand de la paire supérieure, et sur la partie inférieure, un contact électrique entre l'ailette ( 22) et le strap de diamètre moins grand de la paire inférieure. Sur la figure 3, on montre le schéma électrique équivalent pour la structure de la figure 2 L'inductance selfique L et la capacité C sont des valeurs par cavité L et C placés en parallèle représentent donc une cavité, constituant la cellule de base du schéma équivalent qui sera répétée autant de fois qu'il y a des cavités dans le magnétron Entre les extrémités de chaque paire de cellules (représentant deux cavités), il existe des connections qui représentent les deux straps, connectés aux ailettes paires et impaires respectivement (les ailettes ne figurent pas sur le schéma équivalent) Chacune de ces connections aura une inductance selfique de 211 clambda (par cellule), mais dans le mode ÂT, lambda est sensiblement nulle comme nous l'avons décrit plus haut Entre les deux straps de chaque paire, nous avons également la capacité de gamma par cellule. Sur la figure 4, on voit en coupe et en perspective un détail d'une anode de magnétron strapé selon l'invention Il s'agit d'une anode ayant sensiblement la même forme que l'anode de la figure 2, à une différence près: sur l'ailette montrée dans le détail de la figure 4, le strap intérieur (de diamètre plus faible que le strap extérieur) est d'un métal de faible coefficient de dilatation thermique, tel le molybdène, le tungstène, le titane, ou similaire, alors que le strap externe est d'un métal de fort coefficient de dilatation thermique comme le cuivre par exemple L'ailette représentée sur la figure 4 est une ailette "impaire" car le strap interne fait contact électrique avec cette ailette, alors que le strap externe ne fait pas contact électrique avec l'ailette Le principe de l'invention peut être appliqué sur une seule face de l'anode, ou sur les deux faces à la fois Nous limitons notre discussion ici à une seule face, mais l'invention peut être appliquée aux deux faces avec une disposition analogue à celle montrée sur la figure 2 b Pour pallier aux contraintes mécaniques dues à la dilatation différentielle entre le strap interne et l'ailette d'anode, ce strap est joint à l'ailette par l'intermédiaire d'une languette de souplesse, une espèce de socle en métal suffisamment ductile pour se déformer sous ces contraintes sans se casser, du cuivre par exemple Quelques dimensions sont portées sur la figure 4 pour permettre le calcul de la capacité théorique entre les deux straps: la distance radiale moyenne entre l'axe du tube et le diamètre des straps (r s), la distance entre les deux straps (e), et la hauteur des straps (a), hormis la languette de souplesse Lors de l'échauffement de l'ensemble, la dilatation du strap externe est plus forte que celle du strap interne dans cet exemple de réalisation selon l'invention, donc les straps s'écartent (la distance e augmente), et la capacité entre les straps diminue Par un choix judicieux des dimensions, cette réduction de capacité peut annuler l'augmentation de capacité due à l'échauffement du reste du magnétron Si l'importance de la capacité d'annulation requise le mérite, deux paires de straps peuvent être utilisées, de part et d'autre de l'anode comme montré sur la figure 2 b. Sur la figure 5, on voit en coupe partielle et en perspective, un autre exemple d'une réalisation d'anode de magnétron strapé selon les principes de l'invention, dans laquelle l'écartement des straps lors de l'échauffement de l'anode est obtenue d'une autre manière Dans cet exemple d'une réalisation, il y a une paire de straps seulement, de la même matière, disposés concentriquement sur le même côté de l'anode. Les ailettes sont alors profilées de façon à présenter une surface égale vers la cathode au centre du magnétron, mais une résistance thermique différente à cause de leurs largeurs différentes: les ailettes paires sont amincies pour augmenter leur résistance thermique, tandis que les ailettes impaires sont épaissies pour réduire leur résistance thermique Puisque les ailettes paires et impaires présentent la même surface face à la cathode elles seront chauffées de la même manière, mais la chaleur sera évacuée plus rapidement des ailettes épaissies impaires que des autres ailettes amincies paires La dilatation thermique sera alors plus grande pour les ailettes amincies paires que pour les ailettes épaissies impaires, donc les straps s'écarteront lors de l'échauffement du magnétron Les dimensions des straps seront calculées comme dans le cas précédent pour donner une variation de capacité inter-straps lors de l'échauffement pour annuler la dérive en fréquence due à la dilatation thermique des autres parties du magnétron. Dans cet exemple d'une réalisation selon une caractéristique de l'wivention, les languettes de souplesse et les straps en anneaux de métaux différents ne sont pas nécessaires pour obtenir l'effet recherché Toutefois, il est possible de faire une réalisation selon l'invention qui présente une combinaison des caractéristiques de l'exemple de la réalisation de la figure 4 et celles de l'exemple de la figure 5. Suivant les mêmes principes, dans d'autres exemples de réalisations (non montrées) selon l'invention, les ailettes peuvent être réalisées de matériaux métalliques différents, ayant soit des coefficients de dilatation thermique différents, soit des coefficients de dilatation thermique semblables, mais avec des coefficients de résistance thermique différents Le résultat est le même que dans les autres réalisations montrées sur les figures précédentes: l'échauffement provoque une variation de capacité entre les straps qui annule la dérive en fréquence due à la dilatation thermique des autres parties du magnétron. Dans toutes les formes et réalisations selon l'invention o ses principes, les méthodes d'assemblage employées sont sensiblement les mêmes que celles utilisées de manière classique dans les magnétrons strapés connus de l'art antérieur: principalement par brasages et ou soudures entre les différentes pièces métalliques Les exemples de réalisations selon l'invention donnés ci-dessus ne requièrent pas un nombre de pièces plus élevé que les réalisations de l'art antérieur, ni des procédés, ni des méthodes sensiblement plus compliquées que ceux de l'art antérieur L'invention permet donc d'obtenir des résultats sensiblement meilleurs en termes de performances hyperfréquence lors de l'échauffement du magnétron par rapport à celles de l'art antérieur, et ceci pratiquement sans sur-coûts, ni de matière première, ni de procédé industriel. REVEND I CATIONS 1 Magnétron dit "strapé'r, ayant au moins une cathode et une anode disposées coaxialement par rapport à l'axe du magnétron, cette anode ayant un nombre pair de cavités résonantes qui sont des espaces évidés à l'intérieur de l'anode, ces cavités résonantes étant séparées par un nombre pair de parois ou des ailettes disposées radialement autour de la cathode, la disposition de ces cavités et de ces ailettes ou parois étant d'une symétrie azimutale autour de l'axe du magnétron, le magnétron strapé ayant en outre une ou plusieurs paires d'anneaux métalliques (appelés "straps") qui relient électriquement entre elles certaines ailettes ou certaines parois à travers des contacts électriques entre les straps et les ailettes les deux straps de chaque paire étant disposés concentriquement dans un plan perpendiculaire à l'axe du magnétron, un premier strap de diamètre plus faible étant disposé à l'intérieur d'un deuxième strap de diamètre plus grand, et chaque paire de straps ayant une capacité électrique qui dépend des dimensions et de la disposition relative des deux straps, caractérisé en ce que la réalisation de l'anode, des ailettes ou parois, et des straps est telle que, lors de l'échauffement du magnétron, la dilatation thermique de ces parties sus-mentionnées entraîne une variation de ladite capacité électrique des straps, de façon à réduire ou annuler la dérive en fréquence due à la dilatation thermique du magnétron connu de l'art antérieur. 2 Magnétron selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une paire de straps est réalisée en deux matériaux métalliques différents, un premier strap de ladite paire ayant un diamètre plus faible étant réalisé dans un matériau ayant un faible coefficient de dilatation thermique relativement au deuxième strap d'un diamètre plus grand réalisé d'un matériau ayant un fort coefficient de dilatation thermique, les deux il straps de ladite paire étant disposés concentriquement, de façon à ce que, lors de l'échauffement desdites pièces sus-mentionnées, lesdits straps s'écartent, réduisant ladite capacité entre lesdits deux straps. 3 Magnétron selon la revendication 1, dont lesdites parois ou lesdites ailettes sont réalisées de façon à présenter la même surface vers la cathode, à leur extrémité la plus proche de celle-ci, de façon à assurer un échauffement égal pour toutes les ailettes ou les parois, caractérisé en ce que la résistance thermique des ailettes ou parois est différente pour l'un(e) sur deux en alternance, donc entre deux ailettes avec une résistance thermique relativement plus forte, on place une ailette avec une résistance thermique relativement plus faible, et entre deux ailettes avec une résistance thermique plus faible on place une ailette avec une résistance thermique plus forte, de façon à obtenir une dilatation thermique différentielle entre les ailettes à résistance thermique forte et celles à résistance thermique faible. 4 Magnétron selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites ailettes à résistance thermique relativement plus forte sont réalisées en amincissant ces ailettes, prenant soin toutefois de garder la même section en face de et à proximité de la cathode, et en ce que lesdites ailettes à résistance relativement plus faible sont réalisées en épaississant ces derniers, toutefois prenant soin de garder la même section en face de, et à proximité de la cathode. 5 Magnétron coaxial selon la revendication 3, caractérisé en de que lesdites ailettes à résistance thermique relativement plus forte sont réalisées d'un matériaux métallique ayant une résistance thermique relativement plus forte, et en ce que les ailettes à résistance thermique relativement plus faible sont réalisées d'un autre matériau métallique ayant une résistance thermique relativement plus faible. 6 Magnétron coaxial selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ailettes ou parois sont réalisés de deux matériaux métalliques différents en alternance, un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique relativement plus fort et un autre matériau ayant un coefficient de dilatation thermique relativement plus faible, chaque ailette ou paroi ayant un coefficient de dilatation thermique plus faible étant disposée entre deux ailettes aux parois ayant un coefficient de dilatation thermique plus fort, et chaque ailette ou paroi ayant un coefficient de dilatation thermique plus fort étant disposée entre deux ailettes ou parois ayant un coefficient de dilatation thermique plus faible, de façon à provoquer un écartement des straps lors de l'échauffement du magnétron. 7 Magnétron coaxial selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que au moins une paire de straps est réalisée en deux matériaux métalliques différents, un premier strap de ladite paire ayant un diamètre plus faible étant réalisé dans un matériau ayant un faible coefficient de dilatation thermique relativement au deuxième strap d'un diamètre plus grand réalisé d'un matériau ayant un fort coefficient de dilatation thermique, les deux straps de ladite paire étant disposés concentriquement, de façon à ce que, lors de l'échauffement desdites pièces sus -mentionnées, lesdits straps s'écartent, réduisant ladite capacité entre lesdits deux straps. 8 Magnétron coaxial selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs languette(s) de souplesse est (sont) utilisée(s) pour assurer lesdits contacts électriques entre lesdites ailettes et ledit(s) strap(s) ayant un coefficient de dilatation thermique différente des ailettes, de façon à pallier aux contraintes mécaniques entre les ailettes et le(s) straps dus à la dilatation différentielle. 9 Magnétron coaxial selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs languette(s) de souplesse est (sont) utilisée(s) pour assurer lesdits contacts électriques entre lesdit(s) strap (s) et lesdites ailettes ayant un coefficient de dilatation thermique différent du(des) straps, de façon à pallier aux contraintes mécaniques entre les ailettes et le(s) strap(s) dues à la dilatation différentielle. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'anode est réalisée en cuivre. 11 Magnétron selon l'une quelconque des revendications 2, , 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit matériau de coefficient de dilatation thermique relativement le plus fort est le cuivre. 12 Magnétron selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que ladite langue de souplesse est réalisée en cuivre. 13 Magnétron selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ledit matériau de coefficient de dilatation thermique le plus faible est le tungstène. 14 Magnétron selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ledit matériau de coefficient de dilatation thermique le plus faible est le molybdène. Magnétron selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que ledit matériau de coefficient de dilatation thermique le plus faible est le titane.