Brevet FR2795559A1 — publié le 20001229

MODULE D'EMISSION COMPACT La présente invention est relative à un module d'émission d'énergie hyperfréquence. Le développement rapide des techniques de télécommunications, notamment à cause des techniques dites multimédia fait apparaître un besoin en modules d'émission compacts, à faible coût, dont les puissances seraient, par exemple de quelques watts à quelques dizaines de watts à des fréquences de 20 à 30 gigahertz. Actuellement les modules d'émission existants tels que celui représenté à la figure 1, comportent un tube à ondes progressives 1 dont la structure amplificatrice 2 produit de l'énergie hyperfréquence amplifiée. Cette énergie est extraite de la structure amplificatrice à sa sortie et transmise à l'aide d'un circuit externe 3 de transmission vers une antenne 13. Plus précisément, l'extrémité 4 de sortie de la structure amplificatrice 2, généralement en hélice, se prolonge à l'extérieur de l'enveloppe 5 du tube en devenant l'âme 7 d'une ligne coaxiale 6 et se termine par une transition 8 dite bouton de porte. La transition 8 pénètre à une première extrémité 9 d'un guide d'onde 10 rectangulaire. Ce guide d'onde 10 subit généralement plusieurs changements de section entre sa première extrémité 9 et sa seconde extrémité 11 qui s'évase en cornet. Ce cornet 12 constitue la source d'une antenne 13 et il rayonne vers un réflecteur 14. L'énergie, avant amplification dans le tube, est injectée à l'entrée 15 de la structure amplificatrice à l'aide d'une ligne de transmission 16 généralement de type coaxiale. Ce type de module d'émission représente un ensemble encombrant, rigide et n'est pas vraiment approprié aux applications envisagées où l'on recherche une très grande facilité d'installation, notamment sur les toits de bâtiments, ou une très grande rapidité d'installation. De plus, malgré les soins que l'on peut apporter à la réalisation du tronçon situé entre la sortie 4 de la structure amplificatrice 2 et le cornet 12, il se produit inévitablement des pertes de puissance. Ces pertes sont dues aux deux transitions existant entre la structure amplificatrice 2 et le cornet 12 à savoir la ligne coaxiale 6 et le guide d'onde 10. Ces deux transitions sont sources de mauvaise adaptation et de réflexions de puissance. De plus, le guide d'onde qui peut atteindre facilement plusieurs dizaines de centimètres, voire un mètre introduit un affaiblissement non négligeable. Pour un mode TE01, l'affaiblissement dans un guide rectangulaire vaut environ 0,7 dB par mètre ce qui représente une perte de puissance d'environ 8% sur 50 centimètres et 16 % sur un mètre. La présente invention vise à proposer un module d'émission qui ne comporte pas les inconvénients énumérés ci-dessus et donc qui soit facile à installer et bon marché tout en conservant des performances convenables. Pour y parvenir la présente invention concerne un module d'émission comportant un tube hyperfréquence contenant une structure amplificatrice destinée amplifier de l'énergie injectée à son entrée et extraite à sa sortie et une antenne comportant une source rayonnant l'énergie amplifiée. Selon une caractéristique de l'invention la source de l'antenne avoisine la sortie de la structure amplificatrice. . De manière à obtenir la simplicité et la compacité recherchées, l'antenne comporte un réflecteur illuminé par la source, le réflecteur et le tube étant solidarisés l'un à l'autre par un support. On choisit de préférence un réflecteur en forme d'un paraboloïde de révolution éventuellement tronqué tandis que la source est placée au foyer du paraboloïde. De manière à éviter des problèmes d'ombre et d'adaptation, il est préférable que le montage entre la source et le réflecteur soit excentré. De préférence, le tube hyperfréquence est de la famille des tubes à ondes progressives, ce qui permet de disposer d'un bloc amplificateur de petite taille. On choisira de préférence une structure amplificatrice en hélice car elle est bon marché. On peut prolonger la structure amplificatrice par un conducteur qui émerge du tube au niveau de la sortie de la structure amplificatrice et se termine par un élément rayonnant externe constituant la source rayonnante. Cet élément rayonnant externe peut avoir une extrémité libre ou être en boucle. Dans une variante, on peut prolonger la structure amplificatrice par un conducteur qui reste confiné dans le tube et se termine au voisinage de la sortie de la structure amplificatrice par un élément rayonnant interne constituant la source rayonnante. Dans cette configuration la structure amplificatrice est pourvue, en vis à vis de l'élément rayonnant interne, d'une fenêtre diélectrique. Pour rendre le module d'émission plus robuste, le canon et le collecteur sont reliés l'un à l'autre rigidement par une armature de forme appropriée. Pour augmenter le gain d'émission et la directivité, un réflecteur auxiliaire peut coopérer avec l'élément rayonnant interne et réfléchir de l'énergie reçue de l'élément rayonnant dans la direction de l'antenne. Pour faciliter le montage du tube, des broches émergeant du tube toutes d'un même côté, contribuent à l'alimentation électrique à la fois du canon et/ou du collecteur. Ces broches peuvent se prolonger par un cable multibrin. Dans le même but, l'entrée de la structure amplificatrice est destinée à être raccordée à un câble coaxial souple destiné à lui apporter l'énergie avant amplification. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemples non limitatifs et illustrée par les figures qui représentent - la figure 1, déjà décrite, un module d'émission selon l'art antérieur ; - la figure 2, en coupe longitudinale, un module d'émission selon l'invention ; - les figures 3a, 3b, 3c, 3d des exemples d'éléments rayonnants constituant la source de l'antenne du module d'émission ; - les figures 4a, 4b respectivement une vue extérieure et une coupe longitudinale du tube hyperfréquence utilisé dans un module d'émission selon l'invention. On va maintenant décrire en détails des exemples de réalisation de modules d'émission conformes à l'invention. On se réfère à la figure 2 qui montre en coupe longitudinale un exemple d'un tel module. Sur cette figure, le tube hyperfréquence porte la référence 20. Ce tube hyperfréquence sera décrit plus en détail en référence aux figures 3a, 3b, 3c, 3d et 4a, 4b. L'antenne porte la référence 30. Le tube hyperfréquence 20 est représenté comme un tube à ondes progressives. II comporte une structure amplificatrice 21 contenue dans un focalisateur 22. Cette structure amplificatrice 21 est de préférence en hélice 24 car les hélices donnent une bande passante satisfaisante tout en étant économiques. Le focalisateur 22 est, de préférence, de type à aimants alternés à cause du niveau de puissance mis en jeu. L'hélice 24 est maintenue serrée dans un fourreau conducteur 25 par des supports 26 généralement au nombre de trois. La structure amplificatrice 21 est située entre un canon 27 et un collecteur 28. Elle comporte du côté du canon une entrée E par laquelle est injectée de l'énergie hyperfréquence à amplifier et du côté du collecteur une sortie S de laquelle est extraite l'énergie hyperfréquence amplifiée. Les détails du canon et du collecteur se voient mieux sur la figure 4b. Le canon 27 comporte classiquement une cathode 27.1 et son dispositif de chauffage 27.2, suivie d'une électrode de formation de faisceau 27.3 ou wehnelt et une anode 27.4 qui accélère les électrons formant un faisceau F vers la structure amplificatrice 21. Les électrodes du canon sont regroupées dans une enceinte 40.1 qui peut être isolante et qui est connue sous le terme de 'potting' en langue anglaise. Le faisceau d'électrons F est un faisceau longitudinal dirigé selon un axe XX qui est aussi l'axe de la structure amplificatrice 21. Il parcourt la structure amplificatrice 21 depuis le canon 27 jusqu'au collecteur 28. Le collecteur 28 est destiné à recueillir les électrons du faisceau après avoir traversé la structure amplificatrice 21. II est de préférence déprimé de manière à posséder un rendement satisfaisant. II comporte plusieurs électrodes collectrices successives 28.1, 28.2, 28.3 dont la première 28.1 est au même potentiel que celui de la structure amplificatrice 21 qui est généralement la masse et les autres à des potentiels successifs décroissants compris entre celui de la structure amplificatrice 21 et celui de la cathode 27.1. Le potentiel de l'électrode collectrice 28.3 la plus éloignée de la structure amplificatrice 21 est plus proche de celui de la cathode 27.1 que celui de l'électrode collectrice 28.1 la plus voisine de la structure amplificatrice 21. Les électrodes collectrices 28.1 à 28.3 sont isolées les unes des autres par des isolants tels que 28.4 généralement en céramique qui peuvent soit contribuer à former une enceinte étanche 40.2 du collecteur, soit être logées à l'intérieur de l'enveloppe étanche 40.2 L'énergie calorifique provenant du bombardement électronique sur les électrodes collectrices est dissipée par rayonnement ou par convection à travers l'enceinte 40.2. Le module émetteur selon l'invention est destiné à émettre de l'énergie hyperfréquence qui a été amplifiée dans le tube à ondes progressives 20. L'énergie hyperfréquence, avant amplification, est injectée à l'entrée E de la structure amplificatrice 21. A cet effet, le fil d'hélice 24 se termine par un connecteur coaxial d'un type 29.1 destiné à être accouplé à un connecteur coaxial 29.2 de l'autre type placé en bout d'un câble coaxial 29.3 destiné à apporter l'énergie hyperfréquence à amplifier. De préférence, le câble coaxial 29.3 est souple. On se réfère plus particulièrement à la figure 2. L'énergie hyperfréquence après amplification dans la structure amplificatrice 21 est extraite à la sortie S de la structure amplificatrice 21. Cette énergie extraite est destinée à alimenter une antenne d'émission 30 et selon une caractéristique de l'invention la source 31 de l'antenne 30 rayonnant cette énergie est située sensiblement à la sortie S de la structure amplificatrice 21. Dans l'exemple décrit à la figure 2, l'antenne 30 possède un réflecteur 32 relié au tube à ondes progressives 20 par un montant 33 et la source 31 illumine ce réflecteur 32. La structure amplificatrice et plus précisément, dans l'exemple décrit de la figure 2, le fil d'hélice 24 se prolonge par un conducteur 24.1 qui, au niveau de la sortie S de la structure amplificatrice 21, émerge du tube 20 en traversant un passage électriquement isolant 201 appelé fenêtre. Le conducteur se termine par un élément rayonnant externe 202 au tube. La source 31 de l'antenne 30 est constituée par cet élément rayonnant externe 202. Elle est placée au foyer du réflecteur 32 qui est réalisé à partir d'un paraboloïde de révolution. Dans les configurations représentées aux figures 2 et 3a l'élément rayonnant externe 202 a une extrémité libre. C'est un tronçon rectiligne, dirigé parallèlement à l'axe XX du faisceau d'électrons pour obtenir un rayonnement optimal. On peut noter sur la figure 2 que le montage entre l'élément rayonnant externe 202 et le réflecteur 32 est un montage excentré ou "off set" en langue anglaise. L'élément rayonnant 202 est orienté de manière à illuminer le réflecteur 32 dans une zone latérale du paraboloïde complet au lieu de l'illuminer dans sa zone centrale comme dans un montage centré. Dans un montage centré, une partie de l'énergie réfléchie par le réflecteur revient vers la source et provoque une désadaptation. Un montage excentré permet d'améliorer le rayonnement et la directivité de la source, diminue des effets de diffraction parasite et ne nécessite qu'un paraboloïde tronqué comme réflecteur. C'est ce qui est représenté. Des détails de la sortie S de la structure amplificatrice 21 et de l'élément rayonnant 202 sont illustrés sur la figure 3a. Pour obtenir des puissances de l'ordre de quelques dizaines de watts dans les bandes Ku ou Ka, un élément rayonnant 202 de l'ordre du centimètre est suffisant. Au lieu que la source 31 soit constituée par l'élément rayonnant 202 à extrémité libre, elle peut être constituée par un élément rayonnant 203 en boucle comme l'illustre la figure 3b. On retrouve comme dans l'exemple précédent, le fil d'hélice 24 qui se prolonge par un conducteur 24.1. Le conducteur 24.1 émerge du tube, au niveau de la sortie S de la structure amplificatrice 21, en traversant un passage électriquement isolant 201 appelé fenêtre et se termine par un élément rayonnant externe 203 en boucle. L'extrémité de l'élément rayonnant 203 en boucle est solidaire du tube. Une autre variante est illustrée à la figure 3c. On retrouve comme dans l'exemple précédent le fil d'hélice 24 qui se prolonge par un conducteur mais ce conducteur forme un élément rayonnant 204 interne au tube situé au voisinage de la sortie S de la structure amplificatrice et constitue la source 31. Dans l'exemple, l'élément rayonnant 204 est rectiligne et dirigé selon l'axe XX. L'extrémité de l'élément rayonnant 204 est reliée à la structure amplificatrice 21. La structure amplificatrice 21 est pourvue latéralement au niveau de la sortie S, en vis à vis de l'élément rayonnant interne 204, d'une ouverture 205 obturée par une fenêtre diélectrique 206 tubulaire. L'énergie rayonnée par l'élément rayonnant 204 interne peut traverser la fenêtre diélectrique 206 tandis que l'étanchéité au milieu ambiant est garantie. Dans l'exemple c'est le fourreau 25 dans lequel est logée l'hélice 24, qui est pourvu de la fenêtre 206 et le focalisateur 22 qui entoure le fourreau 25 comporte au niveau de la fenêtre 206 une ouverture 22.1 pour que l'énergie rayonnée puisse atteindre le réflecteur (non visible sur la figure 3c). Au moins une portion d'aimant a été ôtée. La fenêtre 206 peut être fixée par une brasure au fourreau 25. On s'arrange pour que les dimensions de la fenêtre 206 soient relativement restreintes afin que la discontinuité dans l'agencement des aimants du focalisateur ne perturbe pas trop le champ magnétique en sortie S de la structure amplificatrice 21. La figure 3d présente une autre variante de l'invention, Au niveau de la sortie S et de la fenêtre 206 tous les aimants ont été ôtés et un réflecteur auxiliaire 23 permet aux ondes émises par l'ouverture 205 et qui traversent la fenêtre 206 dans une direction opposée à celle de l'antenne 30 d'être réfléchies et renvoyées vers cette dernière. Un tel artifice augmente le gain d'émission et la directivité de la source. On va voir maintenant certains détails du tube à ondes progressives utilisé dans le module d'émission conforme à l'invention. On se réfère aux figures 4a et 4b. Les différents éléments du canon 27 de la structure amplificatrice 21 et du collecteur 28 sont conformes à la description qui vient d'être faite. Le canon 27 et le collecteur 28 sont logés chacun dans une enceinte respectivement 40.1, 40.2. Ces enceintes 40.1, 40.2 qui peuvent être isolantes se raccordent à la structure amplificatrice 21 par des parois conductrices respectivement 41.1 du côté de l'entrée et 41.2 du côté de la sortie de la structure amplificatrice 21. Pour rigidifier l'ensemble du tube, il est préférable que les deux enceintes 40.1, 40.2 soient solidarisées l'une à l'autre rigidement par une armature 43 de forme appropriée. La structure amplificatrice 21 laisse libre la sortie S de la structure amplificatrice 21 et donc l'élément rayonnant 202 s'il est externe. Elle laisse également libre l'entrée E de la structure amplificatrice et le connecteur coaxial 29.1 pour pouvoir le raccorder au câble coaxial souple. Pour rendre le montage du tube rapide et facile, il est préférable qu'en vue de leur alimentation électrique les électrodes 27.1, 27.3, 27.4 du canon 27, le dispositif de chauffage 27.2, les électrodes 28.1, 28.2, 28.3 du collecteur 28 soient reliées à des broches 400 qui sont rassemblées toutes d'un même côté du tube à l'endroit où elles en sortent. Il est préférable que cet endroit se trouve au niveau du canon 27. Ces broches 400 peuvent se prolonger directement par un Gable multibrin référencé 500 sur les figures 2 et 4b_ Des conducteurs 40 appropriés courent le long de la structure amplificatrice 21 depuis les électrodes 28.1, 28.2, 28.3 du collecteur 28 vers les broches 400 du canon 27 ou vers le Gable multibrin 500. Le montant 33 servant à relier le réflecteur 32 et le tube prend appui sur le tube, de préférence au niveau de son canon, la sortie de la structure amplificatrice se trouvant du côté du collecteur. Le module d'émission qui vient d'être décrit est particulièrement simple à réaliser. En éliminant les guides d'ondes et les différentes transitions entre le tube et la source, on réduit de manière très appréciable les coûts mais également les affaiblissements hyperfréquences et les problèmes d'adaptation. La puissance rayonnée est celle fournie par le tube. On gagne aussi en facilité d'installation : le tube est fixé au réflecteur, les broches toutes d'un même côté permettent une alimentation en tension continue aisée à l'aide du Gable multibrin unique se prêtant à diverses configurations, le câble coaxial souple amène une maniabilité appréciable. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'utiliser un autre type de tube qu'un tube à ondes progressives, un réflecteur autre que parabolique, une structure amplificatrice avec une ligne à retard autre qu'une hélice. REVENDICATIONS 1. Module d'émission d'énergie hyperfréquence comportant un tube hyperfréquence (20) contenant une structure amplificatrice (21) destinée à amplifier de l'énergie injectée à son entrée (E) et extraite à sa sortie (S), et une antenne (30) comportant une source (31) rayonnant l'énergie amplifiée, caractérisé en ce que la source (31) avoisine la sortie (S) de la structure amplificatrice (21). 2. Module d'émission selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne (30) comporte un réflecteur (32) illuminé par la source (31), le réflecteur (32) et le tube (20) étant solidarisés l'un à l'autre par un support (33). 3. Module d'émission selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'antenne (30) comporte un réflecteur (32) illuminé par la source (31), ce réflecteur étant un paraboloïde de révolution éventuellement tronqué. 4. Module d'émission selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source (31) est placée au foyer du paraboloïde. 5. Module d'émission selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le montage entre la source (31) et le réflecteur (32) est excentré. 6. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence (20) est de la famille des tubes à ondes progressives. 7. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la structure amplificatrice (21) comporte une hélice (24). 8. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure amplificatrice (21) se prolonge par un conducteur (24.1) qui émerge du tube au niveau de la sortie (S) de la structure amplificatrice (21) et se termine par un élément rayonnant externe (202, 203) constituant la source rayonnante. 9. Module d'émission selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément rayonnant externe (202) a une extrémité libre. 10. Module d'émission selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément rayonnant externe (203) est configuré en boucle. 11. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure amplificatrice (21) se prolonge par un conducteur (24.1) qui reste confiné dans le tube et se termine au voisinage de la sortie (S) de la structure amplificatrice (21) par un élément rayonnant interne (204) constituant la source rayonnante. 12. Module d'émission selon la revendication 11, caractérisé en ce que la structure amplificatrice (21) est pourvue en vis à vis de l'élément rayonnant interne (204) d'une fenêtre diélectrique (206). 13. Module d'émission selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'un réflecteur auxiliaire (23) coopère avec l'élément rayonnant interne (204) et réfléchit de l'énergie reçue de l'élément rayonnant dans la direction de l'antenne (30). 14. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le tube (20) comporte un canon (27) dont les électrodes (27.1, 27.3, 27.4) sont confinées dans une enveloppe (40.1) et un collecteur (28) avec une enveloppe (40.2), les enveloppes (40.1, 40.2) sont reliées rigidement l'une à l'autre par une armature (43). 15. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que des broches (400) émergeant du tube toutes d'un même côté contribuent à l'alimentation électrique du canon (27) et/ou du collecteur (28) du tube. 16. Module d'émission selon la revendication 15, caractérisé en ce que les broches (400) se prolongent par un cable multibrin (500). 17. Module d'émission selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'entrée (E) de la structure amplificatrice est destinée à être raccordée à un câble coaxial souple (29.3) destiné à lui apporter l'énergie avant amplification.