Brevet FR2719944A1 — publié le 19951117

La présente invention se rapporte à des magnétrons, et plus particulièrement à une structure d'anode utilisant une nouvelle configuration d'ailette pour un rendement, une capacité thermique et une durée de vie opérationnelle améliorés. Les magnétrons sont utilisés depuis de nombreuses années dans des systèmes électroniques qui nécessitent une puissance élevée de fréquence radioélectrique, telle que les systèmes radars. Un magnétron comprend de manière typique une cathode centrale de forme cylindrique disposée coaxialement dans une structure d'anode annulaire ayant une zone d'interaction prévue entre la surface de cathode et l'anode. La structure d'anode peut comprendre un réseau d'ailettes qui procure une qualifité résonnante accordée afin de procurer un mode d'oscillation pour le magnétron. Lors de l'application d'un champ électrique entre la cathode et l'anode, la surface de cathode émet un nuage d'électrons à charge spatiale. Un champ magnétique est prévu le long de l'axe de cathode, perpendiculairement aux champs électriques, ce qui amène les électrons émis à spiraler le long de passages cycloïdes en orbite autour de la cathode. Lorsque les champs de fréquence radioélectrique sont présents sur la structure d'ailette, le nuage à charge spatiale qui tourne est concentré avec un dessin en forme de rayon, du fait de l'accélération et du retard des électrons dans des zones à l'écart des rayons. Le regroupement d'électrons induit des tensions de fréquence radioélectrique élevées sur le circuit d'anode, et les niveaux de fréquence radioélectrique sur l'anode s'accumulent jusqu'à ce que le magnétron délivre un courant de crête plein pour une tension opérationnelle donnée quelconque. Un courant d'électrons s'écoule à travers les rayons de la cathode jusqu'à l'anode, en produisant un signal de sortie de fréquence radioélectrique à puissance élevée avec le mode d'oscillation souhaité. Un type particulier de magnétron, connu sous le nom de magnétron à verrouillage à injection, utilise un oscillateur externe afin d'injecter un signal sinusoïdal dans la structure d'anode du magnétron à une fréquence proche de sa fréquence de résonance naturelle. Ces magnétrons à verrouillage à injection peuvent alors être amenés à fonctionner dans le mode x d'oscillation à une fréquence précise déterminée par l'oscillateur externe. L'avènement d'oscillateurs à l'état solide de puissance plus élevée a augmenté la possibilité des magnétrons à verrouillage à injection. Les magnétrons & verrouillage à injection sont davantage décrits dans le brevet US numéro 5045814, d'English et autres, qui est au nom du présent demandeur. Il est souhaitable depuis longtemps dans les magnétrons d'augmenter la stabilité de fréquence des magnétrons. La stabilité de fréquence se trouve dépendre en partie de l'épaisseur des ailettes. Des ailettes plus minces se dilatent davantage que des ailettes plus épaisses pour une charge thermique donnée, et ont par conséquent pour résultat une stabilité de fréquence plus faible pour le magnétron. Cet effet est plus sérieux pour le fonctionnement à forte charge associé à des vitesses de répétition élevées dans le mode à verrouillage à injection, du fait que le changement de fréquence du magnétron réduit la largeur de bande effective du système. L'incorporation d'une ailette d'anode aussi épaisse que possible est évidemment souhaitable pour les raisons ci-dessus, mais présente deux autres inconvénients. L'ailette plus épaisse a pour résultat un rendement électronique plus faible, et est également davantage susceptible de provoquer des changements de fréquence par dépôt d'évaporation de cathode. Ce dernier effet se produit du fait que l'émetteur thermoionique fonctionne à une température suffisamment élevée pour amener sa matière à s'évaporer et une partie de cette matière se dépose sur les extrémités d'ailette face à la cathode. Cette matière augmente l'épaisseur des ailettes, et ce faisant, réduit l'espace entre les ailettes adjacentes. L'augmentation progressive de l'épaisseur d'ailette tend à augmenter la capacité des ailettes avec le temps, en dégradant la durée de vie opérationnelle du magnétron. Les ailettes minces sont moins sujettes d'un dépôt de matière de cathode, du fait qu'elles ont déjà un jeu plus grand entre ailettes adjacentes. Par conséquent, il existe un besoin en structure d'anode pour un magnétron ayant un rendement accru, une stabilité thermique accrue et une durée de vie opérationnelle accrue. De manière idéale, la structure d'anode combine les bénéfices des ailettes épaisses et minces sans les inconvénients associés. Une structure d'anode à ailette conique pour un magnétron à verrouillage à injection est prévue afin de traiter ces besoins et défauts de l'état de la technique. La structure d'anode de la présente invention comporte des premières ailettes disposées radialement et des deuxièmes ailettes disposées radialement entrelacées entre les premières ailettes. Les premières ailettes et les deuxièmes ailettes sont reliées chacune par une première bande et une deuxième bande respectivement. La première bande et la deuxième bande sont disposées coaxialement sur le même côté de la structure d'ailette et sont d'une section globalement rectangulaire. Les ailettes ont une épaisseur qui diminue au niveau des extrémités en partant d'une épaisseur uniforme jusqu'à une épaisseur sensiblement réduite. La partie conique peut apparaître à l'intérieur du diamètre de la bande interne. Plus particulièrement, chacune des ailettes est d'une forme globalement en T. Chaque ailette possède une première partie relativement large disposée à proximité d'un axe de la cavité et une deuxième partie relativement étroite s'étendant radialement à l'extérieur de celle-ci. La première partie est relativement courte par rapport à la longueur globale de l'ailette. Une meilleure compréhension du circuit d'anode à ailette conique pour un magnétron à verrouillage à injection, ainsi qu'une réalisation des avantages et buts additionnels de celui-ci, seront obtenues en considérant la description détaillée suivante de la forme de réalisation préférée. Il va être fait référence aux dessins annexés qui vont être décrits brièvement. La figure I est un dessin schématique d'un circuit oscillateur de magnétron typique utilisé dans l'état de la technique; La figure 2 est une vue de dessus d'un circuit d'anode construit selon les principes de la présente invention; La figure 3 est une vue de côté le long de la ligne 3-3 de la figure 2; La figure 4 est une vue de côté d'une première ailette d'anode; La figure 5 est une vue de côté d'une deuxième ailette d'anode; La figure 6 est une vue en bout d'une unique ailette d'anode; et Les figures 7A à 7D sont des vues en bout partiellement agrandies de variantes de réalisation des extrémités d'ailette conique de la présente invention. s La présente invention procure une structure d'anode pour un magnétron ayant un rendement accru, une stabilité thermique accrue et une durée de vie opérationnelle accrue. Si l'on se réfère tout d'abord à la figure 1, il y est représenté un dessin schématique illustrant l'utilisation d'un magnétron à verrouillage à injection 10. Une source 12 d'énergie hyperfréquence cohérente délivre un signal sinusoïdal à faible puissance a un circulateur 14. La source 12 peut comprendre un oscillateur résonant diélectrique à l'état solide. Le circulateur injecte le signal à faible puissance dans le magnétron 10. Le signal à faible puissance est amplifié par le magnétron 10 comme cela est bien connu dans l'état de la technique. L'énergie amplifiée développée par le magnétron 10 est alors redirigée vers le circulateur 14. L'énergie hyperfréquence à forte puissance est alors couplée à une antenne 16 afin de rayonner l'énergie de sortie cohérente à forte puissance. Si l'on se réfère ensuite à la figure 2, un circuit d'anode 20 pour le magnétron 10 y est illustré. Le circuit 20 comprend une bague d'anode 22 et plusieurs ailettes d'anode radiales 24 qui s'étendent vers l'intérieur depuis la bague d'anode. Un passage 26 s'étend radialement à travers une partie de la bague d'anode 22 et procure un passage pour le signal à faible puissance injecté et le signal de sortie amplifié. Les ailettes d'anode radiales 24 comprennent plusieurs premières ailettes radiales 241 et plusieurs deuxièmes ailettes radiales 242 illustrées sur les figures 3 à 5. Les premières ailettes radiales 241 sont entrelacées avec les deuxièmes ailettes radiales 242. Chacune des premières ailettes 241 et deuxièmes ailettes 242 possède une première partie 32 relativement large, et une deuxième partie 34 relativement étroite. La première partie 32 est proche radialement d'un axe 38 du circuit d'anode 20 autour duquel est disposée la cathode de magnétron, et est relativement courte par rapport à la longueur globale de l'ailette d'anode radiale 24. La combinaison de la première partie 32 large avec la deuxième partie 34 étroite produit une ailette d'anode 24 globalement en forme de T qui procure des caractéristiques uniques par rapport aux ailettes conventionnelles ayant une largeur uniforme. En maintenant la première partie 32 relativement courte, les ailettes 24 ont une capacité totale relativement faible. La deuxième partie étroite 34 concentre les lignes de champ magnétique autour de l'ailette 24 afin de créer une zone & forte inductance. La faible capacitance d'ailette avec la forte inductance donnent une impédance de circuit relativement élevée. Le circuit d'anode 20 comporte en outre une première bande 42 et une deuxième bande 44. La première bande 42 et la deuxième bande 44 sont chacune coaxiales à l'axe 38, et sont toutes deux illustrées comme étant disposées le long d'un unique bord des premières et deuxièmes ailettes 24! et 242. En variante, les bandes 42, 44 peuvent être disposées sur des bords opposés des ailettes 241, 242. La première bande 42 relie les premières ailettes 241 et la deuxième bande 44 relie les deuxièmes ailettes 242. Les bandes 42 et 44 ont chacune une section globalement rectangulaire, bien que des variantes de forme soient également prévues. Les premières ailettes d'anode 241 possèdent une première partie 32 relativement large et une deuxième partie 34 étroite comme cela est représenté sur la figure 5. Une partie conique 54 au niveau d'un bord inférieur de l'ailette 241 réduit la largeur de l'ailette depuis la largeur de la première partie 32 jusqu'à la largeur de la deuxième partie 34. A l'opposé de la partie conique inférieure 54, une partie de patte 62 s'étend axialement jusqu'à une dimension équivalente à celle de la première partie 32. Un premier canal 64 est disposé dans la partie de patte 62, procurant un point de fixation pour la première bande 42. Un espace 66 est prévu de façon adjacente à la partie de patte 62 afin de permettre le passage de la deuxième bande 44. Une deuxième partie de patte 68 s'étend vers le haut par rapport & la deuxième partie étroite 34, et repose sur un arc englobant la partie de patte 56 de la deuxième ailette d'anode 242 décrite ci-dessous. La première bande 42 peut être fixée dans le canal 58 par des techniques conventionnelles, par exemple par brasage, et l'extrémité de la deuxième partie 34 peut être fixée de la même manière sur la bague d'anode 22. Les deuxièmes ailettes d'anode 242 possèdent également une première partie 32 relativement large et une deuxième partie 34 étroite comme cela est représenté sur la figure 4. Une partie conique 52 au niveau d'un bord supérieur de l'ailette 242 et une partie conique 54 au niveau d'un bord inférieur de l'ailette réduisent la largeur de l'ailette de la largeur de la première partie 32 jusqu'à la largeur de la deuxième partie 34. La partie conique supérieure 52 procure un accès pour le passage de la première bande 42. Une partie de patte 56 s'étend depuis la deuxième partie étroite 34 jusqu'à une dimension axiale équivalente à celle de la première partie 32. Un premier canal 58 est disposé dans la partie de patte 56, procurant un point de fixation pour la deuxième bande 44. La bande 44 peut être fixée sur le canal 58 par des techniques conventionnelles, telles que le brasage, et l'extrémité de la deuxième partie 34 peut également être brasée sur la bague d'anode 22. L'utilisation de bandes est connue pour améliorer globalement la séparation de mode dans un magnétron. Dans le mode n souhaité de fonctionnement, les ailettes d'anode 24 alternées sont au même potentiel de fréquence radioélectrique. Le champ électrique entre les ailettes change de direction entre chacune des premières ailettes 241 et des deuxièmes ailettes 242. En reliant les ailettes d'anode 24 alternées par les bandes 42 et 44, aucune inductance additionnelle n'est introduite du fait que les extrémités des bandes sont au même potentiel. De manière typique, les bandes ajoutent une capacité au circuit d'anode 20, de sorte que la fréquence de mode x est modifiée. Dans des modes autres que le mode K, les différences de tension entre les ailettes d'anode 24 alternées ne sont pas nulles, de sorte que les bandes introduisent une inductance ainsi qu'une capacité, avec pour résultat des décalages de fréquence différents que ceux qui apparaissent pour le mode s. Ainsi, les modes indésirables sont suffisamment décalés en fréquence pour être enlevés du mode x de sorte que le magnétron peut être empêché de fonctionner dans ces modes. Au niveau de l'extrémité radiale la plus & l'intérieur des ailettes 24! et 242 est prévue une extrémité radialement conique 70. L'extrémité conique s'étend depuis un bord inférieur des ailettes jusqu'à un bord supérieur des ailettes, à l'intérieur de la première partie large 32 des ailettes. Comme cela est illustré sur la figure 6, l'extrémité conique 70 comporte une surface conique 74 sur un premier côté des ailettes, et une surface conique 76 sur un deuxième côté des ailettes. Les surfaces coniques 74, 76 sont globalement plates et diminuent l'épaisseur des ailettes depuis une épaisseur uniforme appliquée sur la partie étroite des ailettes jusqu'à une épaisseur sensiblement réduite & l'extrémité de l'ailette. L'extrémité conique 70 est illustrée comme étant totalement contenue dans un diamètre défini par la première bande 42, qui est le diamètre le plus à l'intérieur des bandes, bien que l'extrémité conique puisse s'étendre au-delà de la bande. Dans la forme de réalisation de la figure 6, les surfaces coniques 74, 76 se coupent avec une surface aplatie 72 comportant un bord le plus à l'intérieur des ailettes. Des variantes de forme de l'extrémité conique 70 sont également prévues, comme cela est illustré sur les figures 7A à 7D. La figure 7A illustre une ailette 24 qui est similaire à celle de la figure 6, ayant une surface aplatie 72 et des surfaces inclinées 74, 76. La figure 7B illustre une ailette 24 ayant une forme de lame de couteau qui arrive jusqu'à un bord effilé 86 avec des surfaces inclinées 82, 84. La figure 7C illustre une ailette 24 ayant une surface arrondie 88 et une extrémité 92. La figure 7D illustre une ailette 24 ayant une conicité composite comportant plusieurs paliers 94, 96 qui réduisent de manière incrémentale l'épaisseur depuis l'épaisseur uniforme jusqu'à l'épaisseur la plus étroite au niveau d'une extrémité 98. En réduisant l'épaisseur des ailettes au niveau de la zone d'extrémité, l'espace entre des extrémités d'ailettes adjacentes est augmenté, ce qui rend les ailettes plus tolérantes au dépôt de matière pulvérisée depuis la surface de cathode. Les ailettes plus minces au niveau de la zone d'extrémité augmentent l'interaction de champ de fréquence radioélectrique, en donnant une augmentation du rendement électronique, ce qui procure une augmentation globale du rendement de magnétron. Dans le même temps, les bénéfices thermiques d'une ailette épaisse sont préservés en ayant l'épaisseur d'ailette uniforme au niveau de la partie étroite des ailettes. Chacune des ailettes 241, 242, la première bande 42 et la deuxième bande 44 sont dimensionnées de telle sorte que le circuit 20 a une unique impédance de cavité en rapport avec une impédance d'interaction prédéterminée pour le magnétron qui est suffisante pour soutenir l'oscillation de magnétron pour une largeur de bande de verrouillage à injection présélectionnée. L'utilisation des ailettes d'anode 24 en forme de T à forte impédance permet à un plus grand nombre d'ailettes d'être utilisé sans réduire la stabilité de mode global. Ayant ainsi décrit une forme de réalisation préférée d'un circuit d'anode à forte impédance pour un magnétron à verrouillage à injection, il est évident pour les gens du métier que certains avantages du système ont été obtenus. Il est également à noter que différentes modifications, adaptations et variantes de réalisation peuvent être réalisées dans la portée et l'esprit de la présente invention. Par exemple, un magnétron à verrouillage à injection a été illustré, mais il est évident que les concepts de l'invention décrits ici sont également applicables à d'autres types de magnétrons. Il REVENDICATIONS 1. Circuit d'anode à forte impédance pour un magnétron, caractérisé en ce qu'il comporte: une bague d'anode (22); plusieurs premières ailettes radiales (241) s'étendant depuis ladite bague d'anode (22); plusieurs deuxièmes ailettes radiales (242) entrelacées avec lesdites premières ailettes (241) et s'étendant depuis ladite bague d'anode (22); une première bande (42) disposée coaxialement le long d'un côté desdites premières ailettes (241) et reliant lesdites premières ailettes (241); une deuxième bande (44) disposée coaxialement le long d'un côté desdites deuxièmes ailettes face & ladite première bande (42), ladite deuxième bande (44) reliant lesdites deuxièmes ailettes (242); et lesdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242) ayant une épaisseur globalement uniforme avec une zone radialement conique à une extrémité desdites ailettes (24). 2. Circuit à forte impédance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième bandes (42, 44) présentent chacune une section globalement rectangulaire. 3. Circuit à forte impédance selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone conique se trouve à l'intérieur d'un diamètre défini par celle la plus à l'intérieur desdites première et deuxième bandes (42, 44). 4. Circuit à forte impédance selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites premières ailettes (241) et desdites deuxièmes ailettes (242) possède une première partie relativement large (32) radialement à proximité d'un axe (38) de ladite cavité et une deuxième partie relativement étroite (34) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ladite première partie (32) o ladite deuxième partie étroite (34) relie lesdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242) à ladite bague d'anode (22). 5. Circuit à forte impédance selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite première partie (32) est relativement courte par rapport & la longueur globale desdites ailettes (24), ce qui donne une capacité totale relativement faible pour lesdites ailettes (24). 6. Circuit & forte impédance selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites premières ailettes (241) et lesdites deuxièmes ailettes (242) ont une forme globalement en T. 7. Circuit d'anode pour un magnétron, caractérisé en ce qu'il comporte: plusieurs premières ailettes radiales (241), plusieurs deuxièmes ailettes radiales (242) entrelacées avec lesdites premières ailettes radiales (241), et une bague d'anode (22), lesdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis ladite bague d'anode (22) afin de procurer une structure d'ailette; au moins une bande (42, 44) reliant chacune desdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242), lesdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242) ayant chacune une épaisseur globalement uniforme avec une zone radialement conique au niveau d'un bord le plus à l'intérieur desdites ailettes (24). 8. Circuit d'anode selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une première bande (42) relie lesdites premières ailettes (241) et une deuxième bande (44) relie lesdites deuxièmes ailettes (242). 9. Circuit d'anode selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacune desdites premières ailettes (241) et desdites deuxièmes ailettes (242) possède une première partie relativement large (32) radialement à proximité d'un axe (38) de ladite cavité et une deuxième partie relativement étroite (34) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ladite première partie (32) o ladite deuxième partie étroite (34) relie lesdites premières et deuxièmes ailettes (241, 242) à ladite bague d'anode (22). 10. Circuit d'anode selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite zone conique se trouve à l'intérieur d'un diamètre défini par celle la plus & l'intérieur desdites première et deuxième bandes (42, 44). 11. Circuit d'anode selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite première partie (32) est relativement courte par rapport à la longueur globale desdites ailettes (24). 12. Circuit d'anode selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites premières ailettes (241) et lesdites deuxièmes ailettes (242) ont une forme globalement en T. 13. Circuit d'anode pour un magnétron, caractérisé en ce qu'il comporte: plusieurs ailettes d'anode en forme de T (24) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis une bague d'anode (22), lesdites ailettes (24) ayant une partie relativement large (32) et une deuxième partie relativement étroite (34) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis ladite partie large (32), lesdites ailettes (24) se raccordant & ladite bague d'anode (22) à une extrémité de ladite partie étroite opposée & ladite partie large (32); au moins une bande (42, 44) disposée coaxialement le long d'un côté desdites ailettes (24), ladite bande (42, 44) reliant de manière alternée chacune desdites ailettes (24); et lesdites ailettes (24) ayant une zone conique disposée à une extrémité de ladite partie large (32). 14. Circuit d'anode selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite zone conique comporte au moins une première et une deuxième surfaces inclinées (74, 76) qui se raccordent suivant un bord aplati (72). 15. Circuit d'anode de selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite zone conique comporte un bord en lame de couteau (86). 16. Circuit d'anode selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite zone conique comporte un bord arrondi (92). 17. Circuit d'anode selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite zone conique présente une conicité composite.