Brevet FR2677170A1 — publié le 19921204

DISPOSITIF DE COUPLAGE ENTRE LA LIGNE A RETARD D'UN TUBE A ONDES PROGRESSIVES ET UN GUIDE D'ONDES, ET TUBE A ONDES PROGRESSIVES COMPORTANT CE DISPOSITIF. La présente invention concerne un dispositif de couplage entre la ligne à retard d'un tube à ondes progressives et un guide d'ondes. Le guide d'ondes est utilisé soit à injecter de I'énergie hyperfréquence à une extrémité de la ligne à retard, soit à extraire l'énergie amplifiée du tube; il est alors disposé à l'autre extrémité de la ligne à retard. L'invention concerne également les tubes à ondes progressives utilisant de tels dispositifs. L'invention est particulièrement adaptée aux tubes à ondes progressives de puissance, à large bande dont la ligne à retard est en hélice. Elle s'applique aussi aux tubes dont la ligne à retard est dérivée de l'hélice, telle que les lignes à retard connues sous les dénominations anglosaxonnes "ring and bar" ou ring and loop". Les problèmes rencontrés lorsque l'on veut coupler une ligne à retard à un guide d'ondes sont nombreux. La ligne à retard doit être convenablement refroidie du fait des pertes inévitables dues, d'une part à l'atténuation propre qu'elle apporte et d'autre part au bombardement par les électrons ayant échappé à l'action du dispositif de focalisation qui entoure la ligne. Cette nécessité d'un bon refroidissement se fait sentir surtout dans la zone où la densité de puissance est maximum, c est à dire en sortie du tube. La ligne à retard et le guide d'ondes doivent être correctement adaptés afin d'avoir un rapport d'ondes stationnaires (ROS) acceptable dans une large bande de fréquences. Le guide d'ondes doit assurer l'étanchéité au vide de l'intérieur du tube à ondes progressives. Lors de l'assemblage du tube à ondes progressives, on s aperçoit que la ligne à retard n'est pas facile d'accès et ses dimensions sont réduites. Des dispositifs de couplage sont connus, par exemple, par les brevets français FR 2 485 801 (déposé le 27 juin 1980) ou ER 2 608 835 (déposé le 19 décembre 1986). Ces dispositifs font appel à un élément de transmission intermédiaire comportant une âme conductrice interne reliée d'une part à la ligne à retard et d'autre part au guide d'ondes. L'élément de transmission intermédiaire est plus ou moins bien adapté à la ligne à retard et au guide d'ondes. Ces dispositifs de couplage ont une largeur de bande quelquefois insuffisante. Ils sont surtout limités en puissance par le faible refroidissement de l'âme conductrice interne. Ces dispositifs de couplage ntapportent donc pas toute satisfaction au niveau du refroidissement de la ligne à retard. Le montage des tubes à ondes progressives utilisant ces dispositifs de couplage est toujours très délicat. L'âme conductrice interne se prolonge par un doigt de couplage que l'on vient braser à l'extrémité de hélice. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose de supprimer l'élément de transmission intermédiaire. Cela permet d'améliorer très sensiblement la largeur de la bande de travail. Le dispositif de couplage selon l'invention assure un refroidissement efficace de l'extrémité de la ligne à retard. Il est particulièrement simple à réaliser avec peu de pièces. Son côut en conséquence est réduit. La présente invention propose un dispositif de couplage entre la ligne à retard d'un tube à ondes progressives et un guide d'ondes mouluré. Le dispositif de couplage comporte une bague d'adaptation en contact, intérieurement avec une extrêmité de la ligne à retard et extérieurement avec une pièce terminale prolongeant la moulure. De préférence, la pièce terminale est une bague terminale montée autour de la bague d'adaptation. Les dimensions transversales du guide d'ondes peuvent varier en se réduisant dans une première zone située autour de la pièce terminale. De préférence, la largeur de la moulure est constante dans le guide d'ondes. La bague d'adaptation peut comporter une butée intérieure pour bloquer la ligne à retard en translation. Elle peut aussi comporter un décrochement du côté de la ligne à retard. Le guide d'ondes peut comporter une seconde moulure faisant face à la première moulure, dans une seconde zone située au delà de la première zone. Les deux moulures peuvent réaliser un transformateur d'impédance. On choisira de préférence du molybdène pour faire la bague d'adaptation. La présente invention couvre aussi un tube à ondes progressives comportant un dispositif de couplage selon l'invention. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures qui représentent: - les figures la, lb, lc des coupes relatives à un dispositif de couplage selon l'art connu; - les figures 2a, 2b des coupes relatives à un dispositif de couplage selon l'invention; - la figure 3 une coupe en perspective du dispositif de couplage selon l'invention; - la figure 4 une coupe partielle du dispositif de couplage selon l'invention, montrant de façon détaillée la position de la bague d'adaptation par rapport à la ligne à retard et au guide d'ondes; - la figure 5 un diagramme montrant le rapport d'ondes stationnaires en fonction de la fréquence du dispositif de couplage selon l'invention. Les figures la, lb, lc sont des vues en coupe d'un dispositif de couplage selon le brevet français 2 485 801. La figure la montre une ligne à retard 1 d'un tube à ondes progressives, il s'agit d'une ligne en hélice d'axe XX', avec son hélice 10 et ses bâtonnets 3 de centrage. La ligne à retard 1 est disposée à l'intérieur d'un focalisateur 2 à aimants permanents alternés 5 séparés par des masses polaires 6. Un guide d'ondes 12 rectangulaire à deux moulures 13,18 est couplé à la ligne à retard 1. Le dispositif de couplage entre la ligne à retard 1 et le guide d'ondes 12 comporte un petit guide d'ondes 15 qui traverse l'aimant 5 sans déborder de la largeur, mesurée le long de l'axe XX', de cet aimant 5. Le petit guide d'ondes 15 comporte une seule moulure 16 qui est prolongée d'un côté par un doigt de couplage 17 fixé à l'extrémité de l'hélice 10 et qui, de l'autre côté, est raccordée à la moulure 18 du guide d'ondes 12. Les guides d'ondes 15 et 12 sont des guides d'ondes droits disposés sensiblement perpendiculairement à l'axe XX'. Leurs dimensions transversales sont constantes, si bien que la jonction entre les deux guides d'ondes se fait par une transition brusque. Les figures lb, lc sont respectivement des vues en coupe, du guide d'ondes 12 selon le plan AA et du guide d'ondes 15 selon le plan BB. Le brevet français FR 2 608 835 propose de supprimer la transition brusque pour élargir la bande passante. Il utilise pour cela un guide d'ondes intermédiaire plus long dont les dimensions transversales et celles de la moulure sont progressivement augmentées entre le dispositif de focalisation et le circuit externe de transmission. Cette réalisation améliore la bande passante mais est complexe et coûteuse. De plus elle est encombrante et mal refroidie. On va se référer maintenant aux figures 2a, 2b et 3 pour décrire le dispositif de couplage selon l'invention. La figure 2b est une coupe, selon le plan CC, du dispositif de couplage de la figure 2a. La figure 3 est une coupe partielle, en perpective, du même dispositif de couplage. La ligne à retard 20 est une ligne à hélice 21 disposée, selon un axe XX', à l'intérieur d'un focalisateur 22 à aimants permanents alternés 24 séparés par des masses polaires 25. L'hélice 21 est maintenue dans le focalisateur 22 par des bâtonnets isolants 23. La ligne à retard est couplée à un guide d'ondes 30 rectangulaire mouluré. Il comporte au moins une moulure 31. Les figures 2a, 3 montrent qulil est utilisé pour extraire l'énergie hyperfréquence et qu'il est placé en sortie de la ligne à retard 20. Il aurait pu être placé en entrée de la ligne à retard. Le guide d'ondes 30 a, dans une zone D1, des dimensions transversales standard, par exemple, et dans une zone D2 des dimensions transversales réduites. Pour passer de la zone D1 à la zone D2, le guide d'ondes 30 peut être simplement alésé, sensiblement perpendiculairement à son axe principal. Un espace 36 est aménagé entre les parois du guide d'ondes 30 et la moulure 31 aussi bien dans la zone D1 que dans la zone D2. La réduction de dimensions permet de disposer, dans la zone D2, un aimant 41 annulaire fendu qui contribue à assurer la focalisation de la ligne à retard 20. C'est au niveau de la zone D2 que va s'effectuer le couplage. Le dispositif de couplage comporte une bague d'adaptation 26. L'extrémité de l'hélice 21 est introduite dans la bague d'adaptation 26. La moulure 31 a une largeur sensiblement constante dans tout le guide d'ondes 30. Sa hauteur reste sensiblement constante dans la zone D2. Elle se prolonge par une pièce terminale 32 qui vient en contact avec de la bague d'adaptation 26. La pièce terminale 32 a la forme d'une bague montée autour de la bague d'adaptation 26. Par la suite, on la nommera bague terminale 32. Dans la zone D2, le guide d'ondes 30 entoure la bague terminale 32. La bague terminale 32, la bague d'adaptation 26 et l'hélice 21 sont coaxiales. La bague d'adaptation 26 est fixée intérieurement à l'hélice 21 et extérieurement à la bague terminale 32. Ces fixations se font, de préférence par brasage, de manière à réduire au minimum la résistance thermique entre 11 hélice 21 et le guide d'ondes 30 refroidis sable de l'extérieur. Il y a alors un transfert de chaleur satisfaisant entre l'hélice 21 et les parois du guide d'ondes 30 relié à une masse thermique. Un refroidissement efficace de l'hélice 21 est obtenu. Ces fixations sont étanches pour assurer l'étanchéité au vide de l'intérieur du tube à ondes progressives. La paroi externe du guide d'ondes 30, dans la zone D2, peut être fixée au focalisateur 22. L'hélice 21 et la moulure 31 sont situées de part et d'autre de l'axe principal du guide d'ondes 30. Les dimensions transversales du guide d'ondes 30 dans la zone D2 et celles de la moulure 31 sont choisies pour que l'impédance caractéristique du guide d'ondes soit proche de celle de l'hélice 21, afin de pouvoir bénéficier d'une adaptation à large bande. Une pièce 33, également en forme de bague, peut assurer une liaison entre la bague terminale 32 et le guide d'ondes 30. Cette pièce 33 sert de support à un collecteur (non représenté) destiné à recueillir les électrons sortant de la ligne à retard 20. La forme et la position de la bague d'adaptation 26 par rapport à l'hélice 21 et à la moulure 31 sont des paramètres importants pour I'adaptation de la ligne à retard 20 et du guide d'ondes 30. La figure 4 montre, de façon détaillée, une façon de réaliser et de placer la bague d'adaptation 26. Le diamètre intérieur de la bague d'adaptation 26 est sensiblement égal au diamètre extérieur de l'hélice 21. Le diamètre extérieur de la bague d'adaptation 26 est sensiblement égal au diamètre intérieur de la bague terminale 32. On peut prévoir, à l'intérieur de la bague d'adaptation 26, une butée 27 pour arrêter hélice 21 en translation. Le bord de la bague d'adapation 26 qui fait face à l'hélice 21 peut comporter un décrochement 28 comme sur les figures 2a, 2b où le décrochement est brutal. Il aurait pu être progressif. Le décrochement est une entaille qui s 'étend sur moins de la moitié de la circonférence de la bague. Le bord de la bague d'adaptation 26 qui fait face à l'hélice, du côté non entaillé, est en contact avec au moins un bâtonnet 23. Le bord de la bague d'adaptation 26 qui fait face à l'hélice, du côté entaillé, peut être aligné avec la face supérieure de la moulure 31. Le diamètre extérieur de la bague terminale 32 peut être sensiblement égal à la largeur de la moulure 31. Le bord de la bague terminale 32 qui fait face à l'hélice, peut être aligné avec le bord de la bague d'adaptation 26 et la face supérieure de la moulure 31. D'autres dispositions sont tout à fait possibles. Par exemple comme sur la figure 4, la bague d'adaptation 26 est sans décrochement et vient en contact avec les bâtonnets 23. La bague terminale 32, de forme cylindrique est en retrait par rapport à la face supérieure de la moulure 31 pour permettre d'ajuster l'adaptation. On se réfère de nouveau aux figures 2a, 2b et 3 pour décrire le guide d'ondes 30. Dans la zone D1, le guide d'ondes 30 pourrait avoir une seule moulure > en fait le prolongement de la moulure existant dans la zone D2. De préférence, pour élargir encore la bande passante, on aura interêt à placer une seconde moulure 35 qui fait face à la première 31. C'est cette variante qui est représentée sur la figure 2a. Dans la zone D1, en s'éloignant de la zone D2, la moulure 31 a, dans une première partie, une hauteur qui décroit par paliers successifs, elle disparaît même dans une seconde partie. La seconde moulure 35 garde une hauteur sensiblement constante, dans la première partie. Dans la seconde partie, sa hauteur décroît par paliers successifs. Le guide d'ondes 30 se termine par une bride 39, lorsque la seconde moulure 35 disparait. Les deux moulures sont décalées. Le guide d'ondes 30 pourra alors être raccordé à un élément de transmission non représenté. L'écartement croissant entre les deux moulures 31,35 permet de réaliser un changement d'impédance progressif entre la bague terminale 32 et la bride 39. Le changement d'impédance peut se faire comme on l'a décrit grâce à un transformateur à paliers successifs mais également par d'autres types de transformateur d'impédance par exemple de type linéaire, exponentiel, cosinusoïdal, parabolique. Le guide d'onde 30 représenté aux figures 2a,2b 3 est constitué de deux éléments 37,38 assemblés entre eux par brasage par exemple. Le premier élément 37, en forme de U comporte la première moulure 31. Dans la zone D2 cet élément 37 garde une forme de U. Le second élément 38, également en forme de U dans la zone D1, comporte la seconde moulure 35. Dans la zone D2, ce second élément 38 se transforme en un couvercle sensiblement plat, ses dimensions transversales étant réduites brusquement. Le second élément 38 vient en appui sur un rebord 40 amenagé dans l'épaisseur de la paroi latérale du premier élément 37. La figure 5 donne une représentation du rapport tondes stationnaires (ROS) en fonction de la fréquence, du dispositif de couplage selon l'invention. Ce rapport d'ondes stationnaires reste inférieur à 1,7 sur la bande de fréquences 8-11 GHz. Il reste même inférieur à 1,3 sur le tiers central de cette bande. Ce dispositif de couplage est particulièrement simple à réaliser avec peu de pièces. Son coût est bon marché. Le montage d'un tube à ondes progressives utilisant un dispositif de couplage selon l'invention est simple. Par exemple, on commence par assembler, au moyen brasure étanche le focalisateur 22, le guide d'ondes 30 et la pièce polaire 33 supportant le collecteur (non représenté). On introduit l'hélice 21 dans la bague d'adaptation 26 et on les brase. On monte ensuite l'hélice 21 entourée des bâtonnets dans l'ensemble focalisateur 22 - guide d'ondes 30 - pièce polaire 33. L'hélice 21 peut être soit serrée soit brasée aux bâtonnets 23. Les bâtonnets peuvent être en nitrure de bore, en glucine, en alumine.... L'hélice 21 est généralement en tungstène. La bague d'adaptation 26 peut être en molybdène. On choisit de préférence ce matériau à cause de ses caractéristiques thermiques et métallurgiques. On place la bague terminale 32 autour de la bague d'adaptation 26 et au contact de la moulure 31. On brase enfin la bague terminale 32 à la fois à la bague d'adaptation 26 et au guide d'ondes mouluré 30. La bague terminale 32 peut être réalisée dans le même matériau que le guide mouluré 30, en cuivre par exemple. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage entre la ligne à retard (20) d'un tube à ondes progressives et un guide d'ondes (30) mouluré, caractérisé en ce que le dispositif comporte une bague d'adaptation (26) en contact intérieurement avec une extrémité de la ligne à retard (20) et extérieurement avec une pièce terminale (32) prolongeant la moulure (31). 2 - Dispositif de couplage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce terminale (32) est une bague terminale montée autour de la bague d'adaptation (26); 3 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les dimensions transversales du guide d'ondes (30) varient en se réduisant, dans une première zone (D2) située autour de la pièce terminale (32). 4 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur de la moulure (31) est sensiblement constante dans le guide d'ondes (30). 5 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce terminale (32) est en retrait par rapport à la face supérieure de la moulure (31). 6 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bague d'adaptation (26) comporte une butée (27) intérieure pour bloquer la ligne à retard (20) en translation. 7 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la bague d'adaptation (26) comporte un décrochement (28) du côté de la ligne à retard (20). 8 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le guide d'ondes (30) comporte une seconde moulure (35) faisant face à la première (31), dans une seconde zone (D1) située au delà de la première zone (D2). 9 - Dispositif de couplage selon la revendication 8, caractérisé en ce que les deux moulures (31,35) réalisent un transformateur d'impédance. 10 - Dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la bague d'adaptation (26) est en molybdène. 11 - Tube à ondes progressives caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de couplage selon l'une des revendications 1 à 10.