Brevet FR2691856A1 — publié le 19931203

La présente invention concerne des amplificateurs à champs croisés et plus précisément, un amplificateur à champs croisés utilisant des ailettes d'anode à ondes avant refroidies de façon interne. Les amplificateurs à champs croisés ont été utilisés pendant plusieurs années dans des systèmes électroniques qui nécessitent une puissance haute fréquence (RF) tels que des systèmes de radar Un amplificateur à champs croisés fonctionne en faisant passer un signal RF au travers d'un champ électrique haute tension formé entre une cathode et une anode La cathode émet des électrons qui interagissent avec une onde RF lorsqu'elle se déplace au travers d'une voie d'onde lente ménagée dans la structure d'anode entourant la cathode L'onde RF est guidée par un champ magnétique qui traverse le champ électrique perpendiculairement. Traditionnellement, la cathode prévue dans un tel amplificateur est basée sur un émetteur du type thermionique qui fonctionne sur le principe d'un chauffage direct afin d'évacuer des électrons par "ébullition". Les cathodes d'émetteur non thermionique peuvent également être utilisées Ces cathodes sont formées à partir d'un métal pur tel que du molybdène, que du platine ou que du nickel, lequel émet des électrons secondaires du fait du bombardement du métal avec des électrons primaires Puisqu'il n'y a pas de chauffage de la cathode, les cathodes d'émetteur non thermionique présentent une durée de vie plus longue que les cathodes d'émetteur thermionique. La structure d'anode comprend une pluralité d'ailettes disposées coaxialement autour de la cathode. Lorsque les électrons quittent la cathode de l'amplificateur à champs croisés suivant une direction perpendiculaire au champ magnétique, le champ crée une force qui agit à angle droit sur le déplacement des électrons Les électrons suivent alors une trajectoire en spirale qui décrit une orbite autour de la cathode au lieu de se déplacer avec le champ électrique La plupart des électrons se déplacent progressivement en direction de l'anode, ce qui confère une énergie de potentiel à l'onde RF lorsqu'ils interagissent avec la structure d'onde lente d'anode. Cependant, un problème concernant les amplificateurs de champs croisés est constitué par le fait que leur durée de vie est relativement courte, tout particulièrement lorsqu'ils sont actionnés à une puissance moyenne élevée Afin d'imprimer de l'énergie à l'onde RF, il doit y avoir une décharge électronique importante dans la structure d'anode, ce qui génère de la chaleur interne A des niveaux de puissance élevée, la décharge électronique peut endommager les ailettes d'anode et le revêtement en molybdène protecteur situé sur les extrémités des ailettes peut être grillé. Afin de porter remède à ce problème, des systèmes de refroidissement par liquide ont été utilisés dans les amplificateurs à champs croisés classiques Un exemple d'un amplificateur à champs croisés refroidi par liquide est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 700 109 délivré le 13 octobre 1987 à G. R Mac Phail Habituellement, un agent de refroidissement constitué par de l'huile ou par de l'eau est appliqué sur la paroi arrière des ailettes d'anode Mais cette conception standard d'anode refroidie par paroi arrière s'avère quelquefois inadéquate pour répondre à certaines exigences du système puisque les extrémités des ailettes ne sont pas suffisamment proches de la paroi arrière pour obtenir les effets bénéfiques de l'agent de refroidissement liquide. Par conséquent, il existe un besoin d'un refroidissement amélioré de chaque ailette d'un amplificateur à champs croisés à ailettes couplées en double hélice standard. Par conséquent, au vu de ce qui précède, un objet de la présente invention consiste à proposer un amplificateur à champs croisés comportant un refroidissement par ailette amélioré afin d'obtenir un fonctionnement à puissance moyenne plus élevée. Afin d'atteindre cet objet, la présente invention propose un amplificateur à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice classique comportant des ailettes refroidies de façon interne. L'amplificateur à champs croisés comprend une cathode qui émet des électrons qui se déplacent au travers d'un champ magnétique établi par des pièces polaires magnétiques puis qui se déplacent en direction d'une anode positionnée de façon centrale L'anode est conformée à l'intérieur des ailettes individuelles présentant une conformation fine, les ailettes étant agencées coaxialement autour de la cathode. Chaque ailette d'anode est munie d'un passage de transport d'agent de refroidissement individuel afin de canaliser un agent de refroidissement au travers de l'ailette Plus particulièrement, chaque ailette est usinée de manière à créer un canal présentant la conformation d'un "U" Un tube formé dans la conformation en U identique est placé dans le canal et il est réalisé d'un seul tenant avec l'ailette, ceci au30 moyen de techniques connues telles que le brasage Les ailettes sont fixées à une structure d'anode qui inclut une paroi arrière recevant les extrémités ouvertes de chaque tube Des canaux d'agent de refroidissement brasés sur l'extérieur de l'anode permettent à l'agent de refroidissement de circuler depuis le canal d'agent de refroidissement à l'intérieur et à l'extérieur du tube conformé en U de chaque ailette L'agent de refroidissement circule le long d'un canal d'agent de refroidissement puis au travers du tube conformé en U de l'ailette et pour finir, il sort via un autre canal d'agent de refroidissement. Des tests empiriques ont montré qu'un amplificateur à champs croisés construit selon la présente invention peut fonctionner à 150 kilowatts pour un taux d'utilisation de 3,7 % Ceci est plus que deux fois la capacité de puissance moyenne des amplificateurs à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice classiques. Une compréhension davantage complète de l'ailette d'anode de l'amplificateur à champs croisés à ondes avant refroidie de façon interne de la présente invention est proposée à l'homme de l'art ainsi qu'une appréciation des avantages individuels et objets s'y rapportant, ceci au moyen de la considération de la description détaillée qui suit du mode de réalisation particulier Référence est faite aux dessins annexés qui sont tout d'abord brièvement décrits. La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un amplificateur à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice incorporant une ailette refroidie de façon interne. La figure 2 est une vue en plan d'une structure d'anode à ailettes couplées en double hélice. La figure 3 représente un tube d'ailette. La figure 4 A est une vue en plan qui représente un assemblage d'ailette dans lequel le tube d'ailette est inséré à l'intérieur d'un canal ménagé dans l'ailette. La figure 4 B est une vue d'extrémité de l'assemblage d'ailette représenté sur la figure 4 A. La description qui suit présente un amplificateur à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice utilisant un agent de refroidissement d'ailettes individuelles, des passages d'agent de refroidissement conformés en U étant incorporés à l'intérieur des ailettes Dans la description, les matériaux et configurations spécifiques sont mis en exergue afin d'assurer une compréhension davantage complète de la présente invention Il bien entendu par l'homme de l'art que la présente invention peut être mise en oeuvre sans ces détails spécifiques Dans certains cas, des éléments bien connus ne sont pas décrits avec précision de manière à ne pas rendre l'invention confuse. La figure 1 propose une vue en coupe transversale partielle d'un amplificateur à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice classique conçu pour fonctionner dans le mode ondes avant Cet amplificateur à champs croisés de mode de réalisation particulier 10 comporte une structure d'anode de forme annulaire indiquée de façon générale au moyen d'un index de référence 16 qui entoure de façon coaxiale une cathode indiquée de façon générale au moyen d'un index de référence 14 La cathode 14 est positionnée sensiblement au centre de l'anode de forme annulaire 16 Au-dessus et au-dessous de l'anode 16 et de la cathode 14 se trouvent des aimants permanents 12 qui appliquent un champ magnétique. La cathode 14 est de préférence réalisée en béryllium recouvert d'un revêtement d'oxyde La cathode 14 est en outre constituée par un matériau d'âme non émissif et par une base de cathode en un matériau réfractaire Si l'on considère l'émetteur de cathode en oxyde de béryllium, des calculs basés sur la géométrie et sur les points de fonctionnement du tube indiquent qu'un rapport d'émission secondaire d'environ 2,3 est nécessaire L'oxyde de béryllium est le seul matériau d'émission secondaire qui s'est avéré présenter une durée de vie élevée pour ce rapport d'émission secondaire Moyennant l'émetteur en oxyde de béryllium, une source d'oxygène contenue dans l'enveloppe sous vide est nécessaire pour maintenir un revêtement de surface d'oxyde qui sinon serait appauvri du fait du bombardement d'électrons et d'ions En outre, une pompe ionique de 0,2 litre peut en option être utilisée pour surveiller et contrôler la pression interne Deux alimentations auxiliaires sont utilisées dans le mode de réalisation particulier (non représentées) Les alimentations peuvent être des alimentations alternatives ou continues nominalement à 6 volts, 1,5 ampères pour la source d'oxygène et une alimentation continue à 3,5 kilovolts, 300 microampères pour la pompe ionique Les deux tensions sont appliquées au potentiel de masse. Des électrons émis depuis la cathode 14 se déplacent au travers d'un espace d'interaction 22 qui s'étend sur la même longueur qu'un champ magnétique établi par les aimants permanents 12 Sous l'influence du champ magnétique aligné perpendiculairement, le déplacement électronique est re-dirigé de manière à ne pas se déplacer directement vers l'anode 16 mais à tourner autour de la cathode 14 Lorsque les électrons tournent autour de la cathode, ils interagissent avec l'onde de sortie RF et ils transfèrent de l'énergie à cette onde L'onde de sortie RF amplifiée se propage au travers de coupleurs d'entrée/sortie 46 dans l'assemblage de guide d'ondes fixé à une charge externe. La structure d'anode 16 utilise de préférence une conception d'ailettes couplées en double hélice Une vue de dessus de l'anode 16 est proposée sur la figure 2 et elle représente seulement l'hélice supérieure découplée de l'hélice inférieure Plus spécifiquement, l'anode 16 comprend une structure d'onde lente qui inclut une pluralité d'ailettes s'étendant radialement 38 De préférence, il y a 62 ailettes individuelles 38. Comme il est commun dans ces conceptions, les ailettes 38 sont jointes à une paroi arrière 32 au niveau d'une extrémité proximale 50 Une zone de dérive 34 présentant une dimension d'approximativement 10 pas entre les coupleurs d'entrée et de sortie 46 est utilisée pour l'entrée et la sortie de l'onde RF. L'avantage d'un nombre aussi important d'ailettes et d'une région de dérive longue est qu'une zone d'anode importante est ménagée, ce qui augmente en correspondance la capacité de puissance moyenne du circuit. Le système destiné à refroidir les ailettes individuelles 38 est unique à la présente invention. Comme on peut le voir sur la figure 1, chaque ailette inclut un tube d'agent de refroidissement d'ailettes conformé en U 24 Un canal d'entrée d'agent de refroidissement d'anode inférieure 20 positionné à l'extérieur de la paroi arrière 32 à proximité d'une circonférence externe de l'anode 16 applique un agent de refroidissement au tube 24 L'écoulement d'agent de refroidissement en provenance du tube 24 se déplace -à l'intérieur d'un canal de sortie d'agent de refroidissement d'anode supérieure 18 à l'extérieur de la paroi arrière 32, ce qui fait que l'écoulement est dirigé jusqu'à un réservoir Des trous 54 sont ménagés au travers de la paroi arrière 32 pour permettre au tube d'agent de refroidissement 24 d'atteindre le canal d'entrée 20 et le canal de sortie 18 Par conséquent le canal d'entrée d'agent de refroidissement 20 est en communication de fluide avec le canal de sortie d'agent de refroidissement 18 via le tube d'agent de refroidissement conformé en U 24 placé dans chaque ailette 38 Le réservoir d'agent de refroidissement et une pompe qui entraîne le système d'agent de refroidissement sont bien connus de l'art et ils ne sont donc pas représentés. En outre, les canaux d'agent de refroidissement 18 et 20 s'étendent autour d'une circonférence externe de la structure d'anode annulaire 16 de telle sorte que l'agent de refroidissement puisse être recyclé au travers du tube d'agent de refroidissement d'ailette 24 de chaque ailette 38 De préférence, l'agent de refroidissement est un mélange moitié moitié d'éthylène glycol et d'eau.5 Des données d'analyse thermique et de test de fonctionnement ont déterminé que des conceptions d'anodes refroidies par paroi arrière classiques s'avéraient inadéquates pour contrôler de façon appropriée la température d'un amplificateur à champs croisés à ondes avant et à ailettes couplées en double hélice Dans la présente invention cependant, en vertu du tube d'agent de refroidissement conformé en U 24 placé dans chaque ailette 38, une voie de conduction plus courte est établie entre l'extrémité d'ailette de15 circuit 28 et les canaux d'agent de refroidissement liquide 18 et 20 Le problème de surchauffe est donc surmonté au moyen du système de refroidissement de la présente invention. Les figures 3 et 4 représentent une construction d'une ailette de mode de réalisation particulier 38 munie de son tube d'agent de refroidissement d'ailette conformé en U 24 La figure 3 représente le mode de réalisation particulier du tube d'agent de refroidissement d'ailette conformé en U 24 Le tube 2425 est de préférence conformé à partir d'un alliage non magnétique tel que du monel et il comporte deux jambages joints au moyen d'une partie intermédiaire incurvée Bien entendu, d'autres conformations pour le tube sont possibles Puisque la fonction de base du30 tube 24 consiste à délivrer de l'agent de refroidissement directement à chaque ailette, sa conformation peut varier en fonction des besoins de refroidissement et de conception spécifiques. Les figures 4 A et 4 B représentent un assemblage d'ailettes 36 dans lequel le tube d'agent de refroidissement d'ailette 24 a été formé d'un seul tenant avec l'ailette 38 L'ailette 38 présente de préférence une conformation fine et elle comporte des supports de montage étirés vers l'extérieur 40 qui sont utilisés pendant l'assemblage de l'anode 16 Avant de joindre le tube 24 à l'ailette 38, un canal 42 est usiné à l'intérieur d'une surface 52 de l'ailette 38, lequel canal 42 coïncide avec la conformation du tube d'agent de refroidissement d'ailette 24 Plus précisément, la profondeur du canal 42 s'approche de façon générale du diamètre externe du tube d'agent de refroidissement 24 Après que le tube d'agent de refroidissement d'ailette 24 est inséré à l'intérieur du canal 42, le tube 24 est brasé dessus et un matériau de remplissage de brasage 44 est rempli dans les espaces interstitiels. Ce processus de fabrication spécifique d'une ailette est connu de l'art De façon générale, toutes les ailettes 38 sont usinées à partir d'un unique bloc de cuivre en forme de barreau Puis chaque ailette est tranchée à partir du barreau en effectuant des découpes selon une direction radiale L'extrémité d'ailette 28 est recouverte de molybdène comme mentionné ci-avant. Chaque ailette 38 présente une conformation de forme générale effilée dans laquelle l'extrémité proximale 50 de l'ailette est plus épaisse que l'extrémité d'ailette 28. Un mode de réalisation particulier d'une ailette d'anode d'amplificateur à champs croisés à ondes avant refroidie de façon interne a donc été décrit et il apparaît maintenant à l'homme de l'art que les objets et avantages mis en exergue ci-avant pour le système considéré ont été obtenus Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec le mode de réalisation particulier, il est bien évident que de nombreuses variantes, modifications, alternatives et utilisations apparaîtront à l'homme de l'art à la lumière de la description qui précède. REVENDICATIONS 1 Amplificateur à champs croisés ( 10) caractérisé en ce qu'il comprend: une anode ( 16) et une cathode ( 14), ladite anode ( 16) étant disposée radialement le long d'une paroi arrière ( 32) à l'intérieur de l'amplificateur ( 10) et coaxialement autour de ladite cathode ( 14), ladite anode ( 16) comprenant une pluralité d'ailettes disposées radialement ( 38) comportant un passage d'agent de refroidissement interne; et10 un moyen pour alimenter un agent de refroidissement dans le passage d'agent de refroidissement interne. 2 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit passage d'agent de refroidissement comprend en outre un tube ( 24) disposé dans ledit passage d'agent de refroidissement et en communication de fluide avec ledit moyen pour alimenter l'agent de refroidissement. 3 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit passage d'agent de refroidissement ( 24) est conformé sensiblement en U comportant deux jambages joints par une partie incurvée. 4 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites ailettes ( 38) comprennent en outre une extrémité proximale ( 50) connectée à la paroi arrière ( 32), laquelle extrémité proximale ( 50) contient lesdits jambages dudit passage d'agent de refroidissement conformé en U ( 24). Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit agent de refroidissement est un mélange d'éthylène glycol et d'eau. il 6 Amplificateur à champs croisés selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit tube ( 24) est réalisé en un alliage métallique non magnétique. 7 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite ailette ( 38) présente une conformation fine. 8 Ailette couplée en double hélice ( 38) destinée à une utilisation dans un circuit onde lente haute fréquence (RF) d'un amplificateur à champs croisés à ondes avant ( 10), ladite ailette ( 38) étant caractérisée en ce qu'elle comprend: un corps à conformation fine; et un passage de transport d'agent de refroidissement ( 24) disposé dans le corps à conformation fine. 9 Ailette couplée à double hélice ( 38) selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit passage d'agent de refroidissement ( 24) comprend en outre un tube ( 24) disposé dans ledit passage d'agent de refroidissement et en communication de fluide avec une source d'agent de refroidissement. Ailette couplée à double hélice ( 38) selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit passage d'agent de refroidissement est sensiblement conformé en U comportant deux jambages joints par une partie incurvée. 11 Ailette couplée à double hélice ( 38) selon la revendication 10, caractérisée en ce que lesdites ailettes ( 38) comprennent en outre une extrémité proximale ( 50) connectée à une paroi arrière ( 32) dudit amplificateur ( 10), laquelle extrémité proximale ( 50) contient lesdits deux jambages dudit passage d'agent de refroidissement conformé en U. 12 Ailette couplée à double hélice ( 38) selon la revendication 11, caractérisée en ce que ledit agent de refroidissement est un mélange d'éthylène glycol et d'eau. 13 Ailette couplée à double hélice ( 38) selon la revendication 12, caractérisée en ce que ledit tube ( 24) est réalisé en un alliage métallique non magnétique. 14 Amplificateur à champs croisés ( 10) comportant une paire de pièces polaires magnétiques produisant un champ magnétique qui traverse un champ électrique établi entre une cathode ( 14) et une anode ( 16), ladite anode ( 16) étant disposée radialement le long d'une paroi arrière ( 32) à l'intérieur de l'amplificateur ( 10) et coaxialement par rapport au dos de la cathode ( 14), caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen pour refroidir l'anode ( 16), ladite anode ( 16) comprenant en outre une pluralité d'ailettes disposées radialement ( 38), ledit moyen de refroidissement comprenant un passage d'agent de refroidissement disposé dans lesdites ailettes ( 38); et une source d'agent de refroidissement alimentant ledit moyen d'agent de refroidissement à l'extérieur de ladite paroi arrière ( 32). Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit passage d'agent de refroidissement comprend un tube ( 24) disposé dans ledit passage d'agent de refroidissement et en communication de fluide avec ladite source d'agent de refroidissement. 16 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit passage d'agent de refroidissement est conformé sensiblement en U comportant deux jambages joints par une partie incurvée. 17 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdites ailettes ( 38) comprennent en outre une extrémité proximale ( 50) connectée à la paroi arrière ( 32) et une extrémité d'ailette ( 28), ladite extrémité proximale ( 50) contenant lesdits deux jambages dudit passage d'agent de refroidissement conformé en U. 18 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit agent de refroidissement est un mélange d'éthylène glycol et d'eau. 19 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit tube ( 24) est réalisé en un alliage métallique non magnétique. 20 Amplificateur à champs croisés ( 10) selon la revendication 19, caractérisé en ce que ladite ailette ( 38) présente une conformation fine, ladite extrémité proximale ( 50) étant sensiblement plus épaisse que ladite extrémité d'ailette ( 28).