Brevet FR2703508A1 — publié le 19941007

La présente invention concerne les tubes amplificateurs pour hyper- fréquences, ou micro-ondes, et, plus particulièrement, un système de focalisation à aimants permanents périodiques destiné à un tube à onde progressive utilisé dans un radar à groupement d'éléments rayonnants à déphasage, que l'on appelle radar à balayage électronique, ou un autre système électronique utilisant des tubes à onde progressive en étroite proximité mutuelle. Les tubes amplificateurs pour micro-ondes, par exemple les tubes à onde progressive (TOP) sont efficaces lorsqu'il s'agit d'augmenter le gain d'un signal d'onde électromagnétique appartenant à la gamme de fréquence des micro- ondes Un TOP est un dispositif à faisceau droit qui utilise un faisceau d'électrons, provenant d'un canon à électrons, se propagent dans un tunnel, ou tube de regroupement, généralement contenu à l'intérieur d'une structure d'interaction A la fin de son déplacement, le faisceau d'électrons se dépose à l'intérieur d'un collecteur, ou moyen de décharge de faisceau, qui capture efficacement le faisceau d'électrons utilisé Généralement, le faisceau est focalisé par des champs magnétiques ou électrostatiques dans la structure d'interaction du dispositif afin que celui-ci soit efficacement transporté du canon à électrons au collecteur sans pertes d'énergie au profil de la structure d'interaction L'onde électromagnétique peut être amenée à se propager dans la structure d'interaction dans laquelle elle interagit avec le faisceau d'électrons Le faisceau cède de l'énergie à l'onde qui se propage, ce qui augmente la puissance de l'onde. Un type particulier de TOP utilise un fil en hélice qui s'étend suivant la direction axiale du tube de regroupement Le faisceau d'électrons est injecté le long de l'axe de l'hélice, et l'onde électromagnétique se déplace le long de l'hélice avec approximativement la même vitesse que le faisceau d'électrons Dans un TOP à hélice, l'interaction entre le faisceau et l'onde électromagnétique est continue sur toute la longueur du tube de regroupement Les TOP à hélice sont largement utilisés en raison de leur caractéristique de bande passante extrêmement larges. Une application souhaitable des TOP à hélice est de servir d'élément utilisable dans un radar à balayage électronique Un radar à balayage électronique est un groupement d'antennes dont les signaux de sortie sont combinés de façon cohérente dans un réseau de formation de faisceau Les signaux de sortie peuvent être produits par une matrice bidimensionnelle de TOP, produisant chacun un signal de sortie micro- ondes distinct Pour agir efficacement dans un radar à balayage électronique, les TOP doivent être suffisamment compacts pour pouvoir être installés derrière l'élément d'antenne du radar à balayage électronique et avoir un refroidissement suffisant pour permettre la création d'une quantité notable de puissance. Un problème important qui se pose lorsqu'on utilise des TOP à hélice classiques dans un radar à balayage électronique est celui de la régulation des fuites du champ magnétique utilisé pour la focalisation du faisceau Dans le cas de TOP disposés en étroite proximité à l'intérieur de la matrice, toute fuite de champ magnétique provenant d'un TOP pourrait avoir un effet négatif sur la focalisation magnétique d'un TOP adjacent Le problème des fuites magnétiques combine les efforts à déployer pour contrôler à un niveau suffisant les éléments TOP respectifs, puisque chaque élément doit être contrôlé après installation à l'intérieur de la matrice pour qu'on puisse mesurer avec précision la dégradation de ses performances qui est due aux fuites magnétiques des TOP adjacents. Un problème secondaire qui se pose avec les TOP à hélice classiques est celui de prévoir un trajet thermique suffisant entre l'intérieur du tube et un radiateur, ou puits thermique, externe Les TOP classiques utilisent pour focaliser le faisceau des aimants de samarium-cobalt de forme toroidale magnétisés axialement, qui présentent généralement une médiocre conductivité thermique dans la direction axiale De ce fait, les TOP classiques font généralement appel à un trajet de conduction thermique sensiblement radial, qui passe par le tube pour aller à une chemise réfrigérante, ou puits thermique, externe Dans le cas de TOP disposés suivant une étroite proximité latérale mutuelle, il n'y a pas suffisamment de place pour installer un puits thermique extérieur au TOP Au lieu de cela, il faut extraire la chaleur depuis une extrémité du TOP, par exemple au niveau de la face du radar à balayage électronique, et il faut que la conductivité thermique axiale du TOP soit élevée pour qu'on puisse extraire la chaleur à l'extrémité du TOP pour l'amener au puits thermique. Il est donc nécessaire de produire un TOP à hélice qui puisse être utilisé avantageusement dans un radar à balayage électronique ou un autre système électronique utilisant des TOP étroitement rapprochés les uns des autres. Egalement, le TOP ne doit présenter sensiblement pas de fuites de champ magnétique en même temps qu'il doit présenter une conductivité thermique élevée dans la direction axiale. Eu égard aux besoins et aux insuffisances de la technique antérieure, il est proposé un système de focalisation à aimants permanents périodiques perfectionné destiné à un TOP à hélice. Le système de focalisation selon l'invention comprend une structure de pièces polaires servant à conduire le flux magnétique jusqu'à un tube de regroupe- ment du TOP suivant une première direction générale et à conduire le flux magnétique partant du tube à regroupement suivant une deuxième direction générale, qui est perpendiculaire à la première direction générale Des aimants permanents radialement magnétisés sont disposés au niveau de parties externes de la structure de pièces polaires et fournissent le flux magnétique Une première paire d'aimants présente une première direction de polarité, et une deuxième paire d'aimants possède une deuxième direction de polarité, qui est opposée à la première direction Une enveloppe externe encapsule la structure de pièces polaires et les aimants, et fournit un trajet de retour de flux magnétique pour les aimants. Un faisceau électronique se déplace dans le tube de regroupement et le flux magnétique assure la focalisation pour le faisceau d'électron. Plus spécialement, la structure de pièce polaire comporte des premières pièces polaires magnétiques orientées radialement dans le tube de regroupement et parallèles entre elles Des deuxièmes pièces polaires magnétiques sont également orientées radialement dans le tube de regroupement et sont parallèles entre elles. Les deuxièmes pièces polaires sont entrelacées avec les premières pièces polaires, perpendiculairement à ces dernières Une première paire de panneaux terminaux relie respectivement les parties terminales opposées des premières pièces polaires. Les premières pièces polaires et les premier panneaux terminaux réalisent un premier élément en forme d'échelle De même, une deuxième paire de panneaux terminaux relie respectivement les parties terminales opposées des deuxièmes pièces polaires Les deuxièmes pièces polaires et les deuxièmes panneaux terminaux réalisent un deuxième élément en forme d'échelle Des éléments d'écartement non magnétiques s'interposent respectivement entre les premières et deuxièmes pièces polaires, ces éléments d'écartement ayant sensiblement la forme d'une croix Le premier élément en forme d'échelle et le deuxième élément en forme d'échelle sont entrelacés et perpendiculaires entre eux. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les pièces polaires sont sensiblement rectangulaires Pour une première partie d'entre eux, les aimants sont adjacents aux premières pièces polaires et ont la première direction de polarité, tandis que les aimants adjacents aux deuxièmes pièces polaires ont la deuxième direction de polarité La perpendicularité des pièces polaires permet de former un coin constitué par une partie interne des parties des premières et deuxièmes pièces polaires, à l'intérieur de l'enveloppe externe Ce coin permet d'utiliser une barre de refroidissement qui s'étend axialement suivant la longueur de la structure de pièces polaires et extrait la chaleur de la structure suivant la direction axiale Des coins vides supplémentaires peuvent offrir une place accessible servant à l'insertion de câbles coaxiaux. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma de principe illustrant un tube à onde progressive (TOP) du type à hélice selon la technique antérieure; la figure 2 est une vue en perspective partiellement découpée d'un TOP à hélice à aimants permanents périodiques selon la technique antérieure; la figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant les pièces polaires et les éléments d'écartement d'une structure de focalisation selon l'invention; la figure 4 est une vue en perspective de la structure de focalisation de la figure 3, qui montre les aimants permanents radialement magnétisés qui sont fixés aux pièces polaires; et la figure 5 est une vue en perspective de la structure de focalisation selon l'invention, comme représenté sur les figures 3 et 4, qui montre l'enveloppe externe encapsulant la structure de focalisation. On se reporte d'abord à la figure 1, qui représente un TOP à hélice à focalisation par aimants permanents périodiques 10 Le TOP à hélice 10 possède un canon à électron 12 ayant une surface de cathode 14 et un élément chauffant thermo-ionique 16 disposé sous la surface Un faisceau d'électrons 18 est extrait de la surface de cathode 14 par activation de l'élément chauffant 16 et application à la cathode d'une tension fortement négative Le faisceau d'électrons 18 se déplace axialement dans un tube à regroupement 20 du TOP à hélice 10, et se dépose dans un collecteur 28. Un signal d'entrée formé d'une onde électromagnétique de haute fréquence (RF) est fourni via un orifice d'entrée RF 22 Le signal d'entrée se déplace le long d'une hélice 26 qui s'étend suivant la longueur du tube de regrou- pement 20 L'hélice 26 est typiquement formée d'une longueur de fil de tungstène enroulée en hélice, et le faisceau d'électrons 18 se déplace axialement en passant par le centre radial de l'hélice Le champ électrique produit par le signal d'entrée RF produit un regroupement périodique en paquets des électrons du faisceau d'électron 18, ce qui autorise un transfert d'énergie efficace des électrons au signal. L'interaction électronique ayant lieu à l'intérieur du TOP à hélice 10 produit un signal de sortie RF amplifié, qui est alors fourni à un orifice de sortie RF 24. Pour guider le faisceau électronique 18 dans le tube de regroupement , on prévoit typiquement une focalisation magnétique On passe maintenant à la figure 2, qui montre une structure de focalisation classique pour le TOP à hélice L'hélice 26 est suspendue à l'intérieur du tube de regroupement 20 par des tiges de support axiales 42 et est entourée par des aimants 38 et des pièces polaires 36 en forme de rondelles Les pièces polaires 26 sont typiquement formées d'un matériau à perméabilité magnétique élevée, par exemple du fer doux, ou d'autres alliages de fer magnétiquement conducteurs Les aimants 38 sont magnétisés axialement et sont typiquement formés en samarium-cobalt De plus, des éléments d'écartement 34 qui ne sont pas magnétiquement conducteurs sont disposés entre les pièces polaires adjacentes 36 et sont formés en cuivre ou en cupronickel Les éléments d'écartement 34 assurent la conduction de la chaleur du tube de regroupement aux pièces polaires 36 Les aimants 38 sont maintenus extérieurement par des bagues de retenue 32 Typiquement, un puits thermique externe, ou une chemise réfrigérante, (non représenté) entoure extérieurement la structure de focalisation. On utilise couramment des aimants permanents pour focaliser le faisceau d'électrons en raison de leur poids relativement faible par comparaison à un aimant du type solénoïde Dans la focalisation par aimants permanents périodiques, les pièces polaires 36 dirigent le flux magnétique des aimants 38 au tube de regroupement suivant un trajet qui passe axialement dans les aimants 38 pour arriver aux pièces polaires 36 Ensuite, le flux se déplace radialement vers l'intérieur, à travers les pièces polaires 36, pour arriver au tube de regroupement, et franchit l'intervalle formé par les éléments d'écartement non magnétiques 34 pour arriver aux pièces polaires adjacentes Le flux revient alors radialement vers l'extérieur à travers les pièces polaires 36 pour arriver aux aimants 38 Le fait de faire alterner la direction de polarité des aimants 38 produit un champ magnétique périodiquement alterné dans le tube de regroupement 20 Lorsque le faisceau traverse le champ magnétique alterné, il prend un mouvement de rotation qui oscille vers l'arrière et l'avant dans des sens alternés Cette rotation comprime le faisceau de façon à contrebalancer les forces de la charge d'espace qui, sinon, amènerait une dilatation non voulue du faisceau. Il faut comprendre que l'utilisation du TOP à hélice 10 de la technique antérieure, représenté sur les figures 1 et 2, serait inacceptable dans une matrice d'un groupement d'éléments rayonnants à déphasage La structure de focalisation n'empêche pas le flux magnétique de fuir à l'extérieur de la structure; au contraire, le flux magnétique peut facilement établir un pont entre pièces polaires adjacentes 36 par- dessus les bagues de retenue 32 De plus, la conductivité thermique est généralement radiale dans les pièces polaires 36, et la conduction thermique axiale via les éléments d'écartement 34 est limitée Ces conditions rendraient le TOP à hélice 10 impossible à utiliser à proximité étroite d'autres TOP semblables. L'invention résout chacun de ces problèmes à l'aide d'une structure simple et compacte La structure de focalisation 50 de l'invention est illustrée sur les figures 3 à 5 La structure 50 comprend plusieurs pièces polaires sensiblement rectangulaires 52, qui sont alternativement empilées Les pièces polaires 52 sont formées d'un matériau électriquement et magnétiquement conducteur, par exemple du fer Les éléments d'écartement non magnétiques 56 enlacent chacune des pièces polaires 52 adjacentes et sont généralement en forme de croix Chaque pièce polaire adjacente 52 présente un décalage angulaire de 90 ' par rapport à la pièce polaire précédente, et est liée à des éléments d'écartement non magnétiques rectangulaires 57 venant s'ajouter sur les parties latérales des pièces polaires 52. Les éléments d'écartements 56 et 57 sont formés en un matériau thermiquement conducteur et magnétiquement isolant, comme le cuivre La structure de focalisation assemblée 50 présente une configuration sensiblement en forme de croix Un tunnel 48 pour le faisceau traverse axialement chacune des pièces polaires 52 et chacun des éléments d'écartement 56, et forme un tube de regroupement pour le faisceau et une hélice. Des panneaux terminaux électriquement et magnétiquement conducteurs 62 sont liés à chacune des parties terminales 54 des pièces polaires respectives 52 en chacune des quatre extrémités exposées Les panneaux terminaux 62 étant en place, la structure de focalisation 50 ressemble à une paire d'échelles entrelacées, dont les pièces polaires 52 constituent les "barreaux" et les panneaux terminaux 62 constituent les "montants" Des aimants permanents radialement magnétisés 58, qui ont sensiblement une forme rectangulaire plate sont fixés à la surface exposée extérieure des panneaux terminaux 62 Ensuite, toute la structure de focalisation se trouve encapsulée à l'intérieur d'une enveloppe sensiblement rectangulaire 64 formée d'un matériau magnétiquement conducteur. Alors qu'ils ont été déjà largement utilisés dans les tubes à faisceau droit, les aimants permanents radialement magnétisés ont perdu la faveur des utilisateurs avec l'arrivée des aimants de samarium-cobalt Antérieurement, on utilisait couramment des aimants radialement magnétisés faits d'alnico (aluminium-nickel-cobalt) Les aimants en alnico ont un produit d'énergie maximal pour une densité de flux qui est élevée par comparaison à l'aimantation. De ce fait, il était nécessaire d'augmenter le diamètre des aimants permanents en fonction de la longueur de l'entrefer lorsqu'un champ intense était nécessaire dans l'entrefer Avec l'arrivée des aimants de samarium-cobalt, les aimants radiaux sont devenus inutiles, puisque la densité de flux et l'aimantation étaient pratiquement égales pour le produit d'énergie maximal Des aimants permanents axialement magnétisés en forme de rondelles ont permis de façon générale la création d'une structure de TOP plus compacte. Toutefois, un aimant de samarium-cobalt radialement magnétisé produit des résultats avantageux lorsqu'on l'utilise avec la structure de focalisation selon l'invention La direction de polarité des aimants 58 alterne autour de la circonférence de la structure de focalisation 50 En particulier, les aimants 581 et 583 ont leur pôle sud tourné vers l'extérieur de la structure 50, tandis que leur pôle nord est tourné vers l'intérieur Inversement, les aimants 582 et 584 ont leur pôle nord tourné vers l'extérieur de la structure 50 et leur pôle sud vers l'intérieur. Le flux magnétique provenant de la première paire d'aimants, 581 et 583, se déplace de façon générale vers l'intérieur dans les pièces polaires 52 d'une première des échelles Lorsqu'il atteint le tunnel 48 du faisceau, le flux enjambe l'intervalle de l'élément d'écartement adjacent 56 pour arriver à la pièce polaire adjacente 52 de la deuxième échelle Le flux rayonne alors vers l'extérieur à travers la pièce polaire 52 de la deuxième échelle, qui est décalée de 90 par rapport à la première échelle, pour arriver au deuxième groupe d'aimants, 582 et 584. L'enveloppe externe 64 assure un trajet de retour pour le flux magnétique, afin de maintenir la structure de focalisation en équilibre magnétique Par conséquent, aucun flux ne va au-delà de l'enveloppe externe 64 Grâce à l'entrelacement des éléments d'échelles des pièces polaires, le champ magnétique présent dans le tube de regroupement 20 exerce une action alternée dans la focalisation du faisceau d'électrons, comme le TOP à hélice 10 de la technique antérieure décrit ci-dessus. La structure de focalisation sensiblement en forme de croix 50 offre quatre espaces rectangulaires 66 une fois qu'elle a été placée à l'intérieur de l'enveloppe externe 64 Ces espaces 66 jouent un rôle auxiliaire utile à diverses fins possibles Des conducteurs thermiques, par exemple des barres de refroidissement 68, peuvent être insérés dans les espaces 66, lesquels conducteurs extrairont la chaleur de chacune des pièces polaires 52 La chaleur extraite par les barres de refroidissement 68 peut donc être enlevée axialement de la structure de focalisa- tion, plutôt que radialement comme dans la technique antérieure Les espaces 66 peuvent en outre servir de conduit pour des connexions électriques, par exemple la connexion coaxiale à l'hélice 26 destinée à réaliser l'application des signaux d'entrée et de sortie RF Des connexions électriques peuvent également être prévues pour le collecteur et, ou bien, la cathode Comme cela est bien connu dans la technique, un blindage adéquat des interconnexions avec le collecteur doit être réalisé pour empêcher une variation non voulue du champ magnétique à l'intérieur du tube de regroupement. Il est envisagé que la structure de focalisation 50 puisse fournir l'enceinte sous vide nécessaire au TOP 10 Une construction solidaire des pièces polaires est typiquement utilisée, dans laquelle on brase ensemble les pièces polaires et les éléments d'écartement de manière à réaliser un joint hermétique dans le tunnel 48 du faisceau afin de permettre la formation d'un vide à l'intérieur du tunnel du faisceau Toutefois, selon une autre construction possible, on ne brase pas ensemble les composants du TOP, mais on les presse simplement ensemble, et aucun joint hermétique n'est formé à l'intérieur du tunnel 48 du faisceau Dans un tel cas, on peut glisser un tube distinct dans le tunnel du faisceau, et disposer l'hélice 26 à l'intérieur du tube Puisque la compacité de la structure de focalisation est un but de l'invention, il est préférable que le TOP soit réalisé suivant la configuration à pièces polaires solidaires. Un mode de réalisation préféré de structure de focalisation à aimants permanents périodiques pour TOP à hélice ayant donc été décrit, il apparaît maintenant clairement que certains avantages du système décrit ont été obtenus. L'invention produit une structure de focalisation n'ayant sensiblement pas de fuites de flux magnétique par comparaison avec les TOP à hélice classiques, ainsi qu'une conductivité thermique axiale améliorée, si bien qu'elle pourrait être spécialement utilisée dans une configuration de radar à balayage électronique. Diverses variantes peuvent être envisagées Par exemple, la structure de focalisation 50 a été illustrée en liaison avec un TOP à hélice, mais il est clair que les concepts de l'invention pourraient également être appliqués à d'autres dispositifs à faisceau droit, par exemple des tubes à cavités couplées et des klystrons De plus, l'enveloppe externe 64 pourrait comprendre des parois en commun avec d'autres TOP d'une matrice à utiliser dans le groupement d'éléments rayonnants à déphasage d'un radar à balayage électronique, au lieu de n'appartenir qu'à un seul TOP, comme décrit ci-dessus. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du système dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Système de focalisation magnétique destiné au faisceau d'électrons d'un tube à onde progressive, ou TOP, à hélice, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure de focalisation ( 50) comportant plusieurs pièces polaires ( 52), plusieurs éléments d'écartement non magnétiques ( 56) s'interposant entre lesdites pièces polaires, et des aimants permanents radialement magnétisés ( 58) qui sont adjacents aux extrémités les plus externes desdites pièces polaires, une première partie desdites pièces polaires étant disposées, de façon alternée, à angle droit par rapport à une deuxième partie desdites pièces polaires; un tunnel ( 48) de faisceau qui s'étend axialement dans ladite structure de focalisation et est destiné à recevoir ledit faisceau d'électrons; et une enveloppe externe ( 64) qui encapsule ladite structure de focalisa- tion; et en ce que lesdites pièces polaires dirigent le flux magnétique desdits aimants audit tunnel de faisceau afin de focaliser ledit faisceau, tandis que ladite enveloppe externe fournit un trajet de retour auxdits aimants pour ledit flux magnétique. 2 Système de focalisation magnétique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdites pièces polaires sont sensiblement rectangulaires. 3 Système de focalisation magnétique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits aimants ( 581, 583) qui sont adjacents aux pièces polaires de ladite première partie dirigent ledit flux en direction dudit tunnel du faisceau, et lesdits aimants ( 582, 584) qui sont adjacents aux pièces polaires de ladite deuxième partie dirigent ledit flux à l'extérieur dudit tunnel du faisceau. 4 Système de focalisation magnétique selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits aimants sont constitués d'un matériau de samarium- cobalt. Système de focalisation magnétique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits éléments d'écartement sont constitués de cuivre. 6 Système de focalisation magnétique selon l'une quelconque des reven- dication 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une barre de refroidissement disposée axialement dans un espace formé par une intersection des pièces polaires desdites première et deuxième parties à l'intérieur de ladite enveloppe externe, ladite barre de refroidissement extrayant la chaleur de ladite structure de focalisation suivant une direction sensiblement axiale. 7 Système de focalisation magnétique selon la revendication 6, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre un espace supplémentaire dans lequel il est possible d'insérer des câbles coaxiaux. 8 Système de focalisation magnétique selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre: une première paire de panneaux terminaux reliant ensemble chacune des pièces polaires de ladite première partie, au niveau de leurs parties terminales; et en ce que lesdites premières pièces polaires forment les barreaux d'une configuration en forme d'échelle tandis que lesdits panneaux terminaux forment les montants de ladite configuration en forme d'échelle. 9 Système de focalisation magnétique selon la revendication 8, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre: une deuxième paire de panneaux terminaux reliant chacune des pièces polaires de ladite deuxième partie, au niveau de leurs parties terminales; et en ce que lesdites deuxièmes pièces polaires forment les barreaux de ladite configuration en forme d'échelle tandis que lesdits panneaux terminaux forment les montants de ladite configuration en forme d'échelle. 10 Système de focalisation magnétique selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits aimants adjacents aux pièces polaires de ladite première partie ont une première direction de polarité, tandis que lesdits aimants adjacents aux pièces polaires de ladite deuxième partie ont une deuxième direction de polarité, opposée à ladite première direction.