Brevet FR2706681A1 — publié le 19941223

COUPLEUR QUASI-OPTIQUE A DIFFRACTION REDUITE ET TUBE ELECTRONIQUE UTILISANT UN TEL COUPLEUR. La présente invention concerne un coupleur quasi-optique à diffraction réduite. Ce coupleur peut-être utilisé notamment en sortie de tubes hyperfréquences fonctionnant à fréquence et puissance élevées tels que des gyrotubes. Les gyrotrons ou gyroklystrons font notamment partie de ces tubes. Les tubes de la famille des gyrotrons utilisent l'interaction d'un faisceau d'électrons avec la composante transverse à l'axe de propagation du faisceau d'électrons d'une onde hyperfréquence. Cette interaction a lieu dans une cavité en forme de conducteur creux cylindrique. Dans un conducteur creux, la répartition des champs électriques et magnétiques est fonction entre autre de la fréquence. Une propagation de l'onde hyperfréquence pratiquement sans pertes peut avoir lieu si les champs électriques et magnétiques satisfont aux conditions aux limites. La composante tangentielle du champ électrique est nulle sur les parois du conducteur creux et le champ magnétique est maximum au niveau des parois. Ces tubes hyperfréquences sont généralement employés dans des applications d'accélérateurs de particules ou pour la fusion nucléaire. Ces domaines requièrent des puissances de l'ordre de plusieurs mégawatts et des fréquences millimétriques voir inframillimétriques. Lorsque la fréquence est si élevée, I'amplitude du champ électrique présente, dans une section droite du conducteur creux le long de la paroi, une pluralité de maxima et de minima. II devient alors difficile de relier le conducteur creux à un coupleur permettant d'extraire l'énergie hyperfréquence du tube dans un mode permettant son utilisation aisée. Du fait de la puissance élevée, on est obligé d'utiliser comme coupleur un guide d'onde surdimensionné en diamètre par rapport à la longueur d'onde de l'énergie à extraire. Son diamètre représente plusieurs longueur d'ondes et le guide est capable de véhiculer de très nombreux modes plus ou moins complexes en plus du mode souhaité. Les fréquences et les puissances nécessaires à de telles applications ont amené les concepteurs des tubes à construire des tubes fournissant en sortie de l'énergie hyperfréquence dans un mode d'ordre élevé, à structure complexe et à la transformer en faisceau quasi optique. Le mode d'ordre élevé est de type TEm,n ou TMm,n. (m et n sont des nombres entiers, n non nul, ils représentent respectivement les indices azimutaux et radiaux). Généralement, au moins un de ces indices est supérieur à l'unité. Dans un faisceau quasi optique, on ne peut plus définir de mode et la densité de puissance est maximale au voisinage de l'axe du faisceau; elle décroît régulièrement au fur et à mesure que l'on s'en éloigne. Sous forme d'un faisceau quasi optique l'énergie hyperfréquence peut être transportée sur de grandes distances avec peu de pertes. Des miroirs sont généralement utilisés pour guider le faisceau quasi optique. Cette transformation est généralement réalisée dans un coupleur dit de Vlasov. II est formé d'un tronçon de guide d'onde circulaire qui reçoit à une première extrémité l'énergie hyperfréquence dans le mode d'ordre élevé et qui fournit à une seconde extrémité le faisceau quasi optique. La seconde extrémité à une ouverture sensiblement hélicoïdale. L'énergie qui sort du coupleur de Vlasov est interceptée par un miroir dont le profil est choisi pour focaliser cette énergie ou la diriger dans une direction déterminée. La limitation essentielle de ce coupleur est son rendement médiocre; il est de l'ordre de 85 %. Cela est dù au phénomène de diffraction qui se produit le long de l'ouverture hélicoïdale du tronçon de guide d'onde. L'énergie diffractée n'est pas interceptée par le miroir et elle n'est pas utilisée. Elle peut même être très gênante si le coupleur fait partie intégrante d'un tube. L'énergie diffractée peut se propager vers le canon à électrons du tube ou vers le collecteur et entraîner la destruction de certaines parties du tube. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle propose un coupleur quasi optique à diffraction réduite. Ce coupleur a un rendement nettement supérieur à celui du coupleur de Vlasov classique. Le rendement du coupleur selon l'invention peut atteindre et même dépasser les 95 La présente invention propose un coupleur hyperfréquence recevant de l'énergie hyperfréquence dans un mode principal TEm,n (m et n entiers et n non nul) et fournissant cette énergie sous forme d'un faisceau quasi optique. II comporte un élément rayonnant ayant une première extrémité au niveau de laquelle émerge le faisceau quasi optique et un convertisseur de mode relié à une seconde extrémité de l'élément rayonnant. Le convertisseur de mode reçoit l'énergie dans le mode principal et en transforme une fraction en un mode auxiliaire TE p,q (p et q entiers, q voisin de l'unité et non nul, p supérieur à q) dont l'énergie est concentrée au voisinage de la paroi du convertisseur de mode. Ces deux modes se propagent dans l'élément rayonnant. De plus, la première extrémité de l'élément rayonnant comporte une ouverture qui coïncide avec un minimum de champ électrique résultant de la superposition du champ électrique du mode principal et du champ électrique du mode auxiliaire. Cette ouverture coïncidant avec un minimum de champ électrique, la diffraction du faisceau quasi optique est réduite le long de l'ouverture. Le convertisseur de mode sera de préférence réalisé par un tronçon de guide d'onde sensiblement cylindrique dont la surface intérieure comporte des déformations engendrées par des fonctions splines cubiques. Dans une variante préférée, les déformations sont sensiblement hélicoïdales le long de l'axe principal du tronçon de guide d'onde. On s'arrange pour que la fraction d'énergie convertie dans le mode auxiliaire soit la plus faible possible car cette énergie est perdue. De préférence, I'élément rayonnant est découpé dans un tronçon de guide d'onde sensiblement cylindrique dont l'axe principal est dans le prolongement de celui du convertisseur de mode. Son diamètre est sensiblement égal à celui du convertisseur de mode. Avec ce coupleur, le faisceau quasi optique émerge de l'élément rayonnant dans une direction oblique par rapport à l'axe de l'élément rayonnant. Si le coupleur est intégré dans un tube hyperfréquence et si un faisceau d'électrons traverse le coupleur selon l'axe du coupleur, il est alors aisé de séparer le faisceau quasi optique du faisceau d'électrons. La présente invention concerne aussi un tube hyperfréquence intégrant un tel coup leur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'aide de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les figures jointes qui représentent: - la figure 1 un coupleur quasi optique dit de Vlasov intégré dans un gyrotron selon l'art connu; - la figure 2 un coupleur selon l'invention; - la figure 3 un élément dont la surface extérieure est identique à la surface intérieure du convertisseur de modes appartenant au coupleur selon l'invention; - la figure 4 un coupleur selon l'invention, intégré dans un gyrotron. Sur toutes ces figures les mêmes références désignent les mêmes éléments. La figure 1 représente un coupleur quasi optique de Vlasov intégré en sortie d'un gyrotron. La référence 2 représente la cavité de sortie du gyrotron. Elle a la forme d'un conducteur creux, cylindrique, d'axe principal Xx'. Un mode d'ordre élevé TE k,l (k et I entiers et I non nul), avec au moins un des indices bien supérieur à l'unité est généré dans la cavité. Ce mode a une structure complexe. Le coupleur de Vlasov référencé 3 prolonge la cavité de sortie. Il est formé d'un tronçon de guide d'onde circulaire de même diamètre que la cavité de sortie 2. Sa première extrémité 4 est reliée à la cavité 2 tandis que sa seconde extrémité 5 comporte une ouverture sensiblement hélicoïdale. L'énergie dans le mode d'ordre élevé pénètre dans le coupleur par la première extrémité avec un certain angle. Elle va être transformée en un faisceau quasi optique. Le faisceau quasi optique est envoyé sur un miroir 6 et est réfléchi vers un point F. Ce faisceau sort du tube en traversant une fenêtre 7. Cette fenêtre est étanche à l'air mais laisse passer les hyperfréquences. Elle est intégrée dans une paroi latérale du tube. Le profil du miroir 6 est adapté de manière à focaliser les rayons du faisceau issus du coupleur avec une même phase. Le pas de l'hélice de l'ouverture est de l'ordre de la longueur d'onde de l'énergie injectée dans le coupleur. Un faisceau d'électrons référencé 1, en forme de cylindre creux, centré sur l'axe Xx', sort de la cavité de sortie 2. Il traverse le coupleur 3 et est recueilli dans un collecteur 9. La figure 2 représente un coupleur selon l'invention associé à un miroir. Ce coupleur comporte un premier tronçon de guide d'onde 20 relié à un second tronçon de guide d'onde 30. Les deux tronçons sont sensiblement circulaires d'axe ZZ' et de même diamètre. Le second tronçon 30 de guide d'onde est un élément rayonnant. Le premier tronçon 20 de guide d'onde est un convertisseur de mode. II reçoit par une première extrémité 21 de l'énergie hyperfréquence dans un mode principal TEm,n avec m et n entiers, n est non nul. De préférence, le mode est d'ordre élevé et au moins un des indices est supérieur à un. Ce mode a une structure complexe. On peut bien sur envisager d'utiliser ce coupleur avec des modes simples. Sa seconde extrémité 22 est reliée à une première extrémité 31 du second tronçon 30. L'autre extrémité 32 du second tronçon 30 rayonne l'énergie sous forme d'un faisceau 33 quasi optique. Le faisceau quasi optique 33 est intercepté par un miroir 40 qui peut focaliser le faisceau vers un point F ou le diriger dans une direction souhaitée. Le convertisseur de mode est un tronçon de guide d'ondes dont la paroi intérieure comporte des déformations de manière à convertir une fraction du mode principal en un mode auxiliaire de type TE p,q avec p et q entiers, q proche de l'unité et non nul, p supérieur à q. Ce mode est un mode connu sous la dénomination anglaise "whispering gallery" et sa densité de puissance est concentrée à proximité de la paroi du premier tronçon de guide d'onde. De préférence, p est supérieur à m. Ce mode auxiliaire est généré en faible quantité de l'ordre de quelques pour cents ( 1 ou 2 pour cents par exemple). II ne modifie que faiblement le mode principal TEm,n. L'énergie correspondant à ce mode auxiliaire n'est pas récupérée. Pour obtenir un faible pourcentage du mode auxiliaire, la surface intérieure du convertisseur de mode 20 comporte des déformations générées par des fonctions splines cubiques se déplaçant en rotation et translation autour de l'axe principal ZZ'. Une fonction spline est une fonction formée de morceaux de polynômes qui se raccordent et de certaines de leurs dérivées aux points de jonction. La section droite du convertisseur de mode est une courbe fermée du troisième degré. Un cas de déformation particulièrement intéressant car relativement simple à réaliser est l'approximation par fonctions splines cubiques d'une déformation hélicoïdale de la forme: R =Ro(1+8cos(sO - Z)) R, 0 et z sont des variables Ro: est le rayon moyen du convertisseur s: est l'amplitude relative de la déformation s: est la valeur absolue de la différence entre l'indice azimutal du mode principal et l'indice azimutal du mode auxiliaire: s=Im-pI kB est la longueur d'onde de battement entre le mode principal et le mode auxiliaire. Cette valeur correspond au pas de l'hélice. La figure 3 représente un élément dont la surface extérieure est identique à la surface intérieure du convertisseur de mode 20. Ses déformations sont hélicoïdales. Dans le second tronçon de guide d'onde 30, le mode principal et le mode auxiliaire se propagent en se superposant. Dans une section droite du second tronçon de guide d'onde, le champ électrique résultant présente le long de la paroi une succession de minima et de maxima. II y en a s. Chaque minimum est représenté par sa position angulaire a qui varie en fonction de son abscisse z sur l'axe Zi: avec: o la pulsation dans le second tronçon de guide d'onde; c la vitesse de la lumière; a le rayon du second tronçon de guide d'onde; vmn le nombre propre du mode principal; vpq le nombre propre du mode auxiliaire. On rappelle que le nombre propre d'un mode dans un guide d'onde circulaire de rayon a est: v = 2X.a.fc/c fc étant la fréquence de coupure du mode considéré. On s'arrange pour que la seconde extrémité 32 du second tronçon 30 de guide d'onde comporte une ouverture qui coïncide avec une ligne de champ électrique minimum. Puisque l'ouverture correspond à un minimum de champ électrique la diffraction est réduite. Sur les figures 2 et 4 (la figure 4 est décrite ultérieurement) I'ouverture de l'élément rayonnant suit sensiblement une hélice qui vérifie la relation a(z) ci-dessus. Le bilan énergétique d'un coupleur de Vlasov classique est, en pour cents, 100-C1 si C1 représente le pourcentage de pertes dues à la diffraction sur l'ouverture du coupleur. Le rendement du coupleur selon l'invention est de 100 - ((Cl 1k) + C2) si C2 est le pourcentage de mode auxiliaire généré et non utilisé et k le rapport de réduction du champ électrique (c'est à dire le rapport de l'amplitude moyenne du champ électrique dans le second tronçon de guide d'onde sur l'amplitude minimale). Le rendement du coupleur selon l'invention est d'autant meilleur que k est grand. L'introduction de 1 % de mode auxiliaire peut donner un rendement de 94 % et même 98 %. Par exemple, avec un mode principal TE6,4 et un mode auxiliaire TE 22,2 on peut arriver à un rendement de 94%. Les déformations à réaliser dans la paroi intérieure du convertisseur de mode pourront être calculées par ordinateur pour générer le mode auxiliaire voulu. On pourra réaliser un mandrin portant extérieurement ces déformations et utiliser la technique de l'électroformage, par exemple, pour obtenir le convertisseur de mode. Un tel mandrin aura l'aspect, par exemple, de l'élément représenté à la figure 3. Le coupleur selon l'invention peut bien sûr faire partie intégrante d'un tube hyperfréquence fournissant de l'énergie dans un mode à structure complexe d'ordre élevé. La figure 4 illustre le cas où le coupleur selon l'invention est intégré dans un gyrotron. La cavité de sortie du gyrotron référencée 2 est prolongée par le coupleur selon l'invention. Ses divers éléments portent les mêmes références qu'à la figure 2. Le faisceau quasi optique référencé 33 émerge de l'élément rayonnant 30 selon une direction qui est oblique par rapport à l'axe principal du tube ZZ'. Cet axe est aussi l'axe du coupleur selon l'invention. Le faisceau quasi optique se réfléchit sur un miroir référencé 40 puis traverse une fenêtre 7 avant de sortir du tube. Cette fenêtre 7 est transparente au faisceau quasi optique mais est étanche au vide interne du gyrotron. Elle est placée sur une paroi latérale du tube et est relativement éloignée du faisceau d'électrons référencé 8 dirigé selon l'axe ZZ'. Elle ne risque pas d'être bombardée par les électrons. Ce coupleur permet une bonne séparation du faisceau quasi optique 33 et du faisceau d'électrons 8. Le faisceau d'électrons 8 sort de la cavité de sortie 2 du gyrotron, traverse le coupleur selon l'invention et est recueilli dans un collecteur 9 placé au delà du miroir 40 par rapport à l'élément rayonnant 30. REVENDICATIONS I - Coupleur hyperfréquence recevant de l'énergie hyperfréquence dans un mode principal TEm,n (m,n entiers et n non nul), fournissant un faisceau quasi optique (33) et comportant un élément rayonnant (30) ayant une première extrémité (32) par laquelle émerge le faisceau quasi optique (33), caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur (20) de mode relié à une seconde extrémité (31) de l'élément rayonnant (30), recevant l'énergie hyperfréquence dans le mode principal et en transformant une fraction en un mode auxiliaire TEpq (p,q entiers, q voisin de un et non nul, p supérieur à q) dont la densité de puissance est concentrée à proximité de la paroi du convertisseur de mode de manière à ce que l'énergie hyperfréquence dans le mode principal et dans le mode auxiliaire se propage dans l'élément rayonnant, et en ce que la première extrémité (32) de l'élément rayonnant (30) comporte une ouverture qui coïncide avec un minimum de champ électrique résultant de la superposition du champ électrique du mode principal et du champ électrique du mode auxiliaire. 2 - Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur (20) de mode est un tronçon de guide d'onde sensiblement cylindrique dont la surface intérieure comporte des déformations engendrées par des fonctions splines cubiques. 3 - Coupleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les déformations sont sensiblement hélicoïdales. 4 - Coupleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fraction d'énergie transformée en mode auxiliaire représente quelques pour cents. 5 - Coupleur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément rayonnant (30) est un tronçon de guide d'onde sensiblement cylindrique dont l'axe principal est dans le prolongement de celui du convertisseur de mode (20). 6 - Coupleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le diamètre de l'élément rayonnant (30) est sensiblement égal à celui du convertisseur de mode (20). 7 - Coupleur selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'ouverture de la première extrémité (32) de l'élément rayonnant (30) suit sensiblement une hélice. 8 - Coupleur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le faisceau quasi optique (33) émerge de l'élément rayonnant (30), dans une direction oblique par rapport à l'axe de l'élément rayonnant (30). 9 - Tube électronique caractérisé en ce qu'il comporte un coupleur selon l'une des revendications 1 à 8.