Brevet FR2893180A1 — publié le 20070511

TUBE OSCILLATEUR HYPERFREQUENCES A ANNEAU RESONNANT L'invention concerne les tubes à hyperfréquences fonctionnant dans les domaines du Térahertz soit, dans une région spectrale se situant entre 0,3 et 10 Terahertz. Les domaines du Térahertz, fournissant des ondes à très haute 5 fréquence ou rayons T , ont des applications notamment dans la radio astronomie, l'optique, la spectroscopie, l'imagerie, la médecine. Le domaine du Térahertz est très peu développé à cause de la faible disponibilité de sources puissantes à faible coût. Dans l'état de l'art une source Térahertz peut être réalisée à partir 10 d'un battement de signaux optiques émis par deux lasers. Des sources à tubes, plus économiques, peuvent être aussi utilisées telles que les carcinotrons qui sont des tubes à ondes lentes utilisés en oscillateurs dont la fréquence d'oscillation peut être contrôlée par la modification de la vitesse des électrons du faisceau dans une structure 15 hyperfréquences du tube. Dans un carcinotron l'onde électromagnétique se propage dans le sens inverse du déplacement du faisceau d'électrons dans la structure hyperfréquence du tube. La figure 1 montre un schéma de principe d'un tube oscillateur de l'état de l'art de type carcinotron comportant notamment un canon à 20 électrons 10 ayant une cathode 11 émettant un faisceau d'électrons 12 dans une structure hyperfréquence 14. La structure hyperfréquences 14 du carcinotron comporte une ligne hyperfréquence 16 à structure périodique constituée généralement d'obstacles 17, le passage du faisceau 12 d'électrons créant dans cette ligne 25 une onde électromagnétique 18 se propageant dans le sens inverse du déplacement des électrons du faisceau. La puissance aux fréquences Térahertz est extraite à une sortie S du carcinotron du coté de l'extrémité de la ligne proche de la cathode, en général à l'aide d'un guide d'onde. 30 Dans un carcinotron, la puissance fournie dans la bande du Térahertz reste faible par le fait que le champ électrique E et le courant 1 dans le faisceau d'électrons 12 varient en sens inverse contrairement à des tubes, par exemple, de type TOP qui présentent du côté de leur sortie hyperfréquence un champ E et un courant de faisceau I maximum. La puissance des carcinotrons diminue lorsque la fréquence augmente du fait qu'un fonctionnement à des fréquences plus élevées conduit à la réalisation d'une structure hyperfréquences plus petite et donc a moins de place pour le passage du faisceau d'électrons dont l'intensité doit être réduite. Un courant faisceau moins intense a pour conséquence la diminution de la puissance du faisceau et par conséquence de la puissance de sortie du carcinotron. La puissance des carcinotrons de l'état de l'art ne dépasse pas 1 watt à 300 GHz. D'autres solutions pour réaliser un oscillateur à des très hautes fréquences consistent à utiliser des tubes amplificateurs et d'injecter en contre réaction à l'aide d'un guide d'onde une partie de l'énergie en sortie du tube de façon à le faire osciller., mais les pertes produites dans le guide sont importantes ce qui réduit la puissance de sortie du tube. Sur ces aspects, il peut être fait référence au document investigation on a microfabricated FWTWT oscillator , Seong-Tae Han et al., IEEE Electron Devices, vol 52 , n 5 , mai 2005, pp 702 û 708. Afin de palier aux inconvénients des oscillateurs à tubes dans le domaine de fréquences du Térahertz, l'invention propose un tube oscillateur hyperfréquences comportant une structure amplificatrice hyperfréquences à ondes lentes ayant une entrée de signal hyperfréquences et une sortie de signal hyperfréquence amplifié, une partie du signal en sortie étant injecté à l'entrée de signal de la structure amplificatrice de façon à produire une auto-oscillation par contre réaction, caractérisé en ce que cette contre réaction est réalisée par réflexion optique du signal électromagnétique en sortie de la structure amplificatrice du tube. Dans une réalisation préférentielle du tube oscillateur hyperfréquences, la réflexion optique injectant une partie du signal de sortie à l'entrée de la structure amplificatrice hyperfréquences est réalisée à l'aide d'au moins un prisme et un miroir électromagnétiques. L'ensemble constitué par la structure amplificatrice à ondes lentes, le prisme et le miroir forment un résonateur à ondes progressives (ou 35 anneau résonnant ). Un premier objectif du tube oscillateur à anneau résonnant est de limiter les pertes au minimum par rapport à celles qui se produisent dans un tube utilisant une contre réaction classique guidée et ainsi de fournir une puissance de sortie plus importante. Un autre objectif est de fournir la puissance de sortie du tube par rayonnement électromagnétique ce qui permet de diminuer les pertes par rapport à une sortie hyperfréquence classique par guide d'onde. La solution apportée par cette invention est un composant qui combine la technologie des tubes hyperfréquences classiques et la technologie de l'optique applicable à ces faibles longueurs d'onde. L'invention sera mieux comprise par la description d'un exemple de réalisation d'un tube oscillateur hyperfréquences selon l'invention, à l'aide de dessins indexés dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, montre un schéma de principe d'un 15 carcinotron de l'état de l'art ; - la figure 2 représente un exemple de réalisation d'un tube oscillateur, selon l'invention. La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un tube oscillateur à anneau résonnant, selon l'invention, fournissant une onde 20 électromagnétique dans la bande de fréquences du Terahertz. Le tube de la figure 2 comporte notamment : - un canon à électrons 30 ayant une cathode 32 générant un faisceau d'électrons 34 dans une structure hyperfréquences 36 du tube selon une direction XX' principale. De façon connue, le faisceau d'électrons est 25 focalisé par un champ magnétique généré par des pièces polaires et des aimants et des bobines non représentés sur la figure. Le faisceau d'électrons 34 après interaction avec la structure hyperfréquence 36 pénètre dans un collecteur déprimé 38 récupérant les électrons du faisceau. La structure hyperfréquence amplificatrice 36 comporte une 30 ligne hyperfréquence 42 de structure périodique constituée par des obstacles périodiques 46 générant, par l'interaction avec le faisceau d'électrons 34, sur la longueur d'interaction, une onde 48 à la fréquence de sortie du tube oscillateur. La structure amplificatrice 36 est une structure à ondes lentes, en 35 général, qui guide l'onde 48 en surface sur la longueur d'interaction. La ligne hyperfréquences 42 selon la direction XX' comporte deux extrémités, une extrémité d'entrée 50 du coté de la cathode 32 et, l'autre extrémité de sortie 52 du coté du collecteur 38 du tube. La géométrie des extrémités de la ligne 42 est réalisée de sorte que l'onde se propageant dans la ligne soit rayonnée par son extrémité de sortie 52, si l'onde est progressive ou, par son extrémité d'entrée 50, si l'onde est régressive. La structure des extrémités 50, 52 de la ligne sont réalisées de façon à rayonner selon des angles prédéterminés, par son extrémité de sortie 52 selon un angle de sortie a par rapport à la direction XX' principale et par son extrémité d'entrée 50 selon un angle d'entrée e par rapport à cette même direction XX'. L'onde rayonnée 56 par l'extrémité de sortie 52 de la ligne hyperfréquences 42 selon l'angle de sortie a est, en partie, réfléchie par un prisme électromagnétique 60 formant une onde de contre-réaction 62 dirigée, selon une direction ZZ' opposée à celle de l'axe XX', vers un miroir électromagnétique 64 réfléchissant à son tour cette onde de contre-réaction 62 vers l'extrémité d'entrée 50 de la structure amplificatrice selon l'angle d'entrée 0, l'autre partie de l'onde rayonnée 56 par l'extrémité de sortie 52 de la ligne hyperfréquences 42 est transmise par le prisme 60 vers une sortie hyperfréquence S du tube formant une onde électromagnétique émise 66 par l'oscillateur. L'onde de contre-réaction 62 réfléchie par le prisme 60 est dirigée vers le miroir 64 avec une incidence telle que l'onde réfléchie par le miroir formant l'onde de contre-réaction 62 vienne frapper la structure à ondes lentes 42 avec la bonne incidence d'entrée 0 pour être guidée par la structure amplificatrice 42. L'ensemble constitué par la structure à ondes lentes 42 avec ses deux extrémités rayonnantes 50, 52, le prisme 60 et le miroir 64 est un 30 résonateur à ondes progressives (ou anneau résonnant ). Le trajet de l'onde électromagnétique dans le tube oscillateur comporte une partie guidée le long de la ligne hyperfréquences 42 et, une partie rayonnée dans le vide du tube puis dirigée par le prisme et le miroir pour former l'onde de contre-réaction 62. Ce trajet dans le vide réduit les pertes par rapport à une onde entièrement guidée par des parois métalliques d'un guide. Les fréquences de résonances sont obtenues lorsque le trajet de l'onde dans l'anneau résonnant est égal à un nombre entier de longueurs 5 d'onde. La position du miroir 64 est ajustable afin de régler la longueur électrique du trajet et obtenir la puissance maximale à la fréquence de résonance désirée. A cet effet un réglage de la distance Dm, par exemple selon la direction ZZ,' entre le prisme et le miroir est prévu pour obtenir 10 l'oscillation à la fréquence souhaitée et régler la puissance maximum de sortie du tube. Les pertes de propagation sur un tour d'anneau résonnant se décomposent en : - pertes résistives (effet de peau) pour la propagation sur la 15 structure amplificatrice 36 (ligne 42) ; - pertes de rayonnement lorsque l'énergie est envoyée dans des directions qui n'aboutissent au prisme ou au miroir ; - pertes dues à l'onde réfractée dans le prisme 60 représentant le couplage externe du tube ; 20 - pertes résistives dues aux courants induits sur le miroir 64 ; - pertes dues aux réflexions lors de la propagation sur la structure 42, qui augmentent l'onde inverse. Le signal hyperfréquence 66 en sortie du tube peut être rayonné par une sortie Ft à fente au niveau du prisme 60. Un soin particulier doit être 25 apporté à cette sortie. Par exemple le prisme peut constituer la fenêtre de sortie du tube. Dans une réalisation, la fenêtre hyperfréquence Ft est en diamant. L'oscillateur fonctionne de la façon suivante : lorsque le gain de la structure amplificatrice 36 est supérieur aux pertes, il y a oscillation. Le gain 30 de la structure amplificatrice peut être obtenu sur une onde directe (par exemple fonctionnement de type tube à ondes progressives ou TOP) ou sur onde inverse (fonctionnement de type Carcinotron). En modifiant la tension d'accélération des électrons (source de tension E), on déplace le point de fonctionnement sur la courbe de dispersion fonction de la structure, et l'on a 35 donc un oscillateur accordable en tension. La courbe de dispersion de façon connue représente la variation de la fréquence F du signal hyperfréquences en fonction de la constante de propagation 13. La vitesse de phase du signal Vcp est définie : Vcp= w/ R , w = 2 rrF étant la pulsation du signal Les structures périodiques des lignes peuvent être obtenues en réalisant des obstacles le long de la ligne hyperfréquences, par exemple, une suite de dents métalliques espacées et distribuées régulièrement sur un support métallique, selon la direction du faisceau XX' dans le tube. Dans cette réalisation du tube oscillateur de la figure 2, la ligne 42 est portée à un potentiel E réglable permettant d'obtenir la fréquence fondamentale d'oscillation. Ce type d'oscillateur est particulièrement bien adapté aux fréquences très elevées notamment dans le domaine du Térahertz.15 REVENDICATIONS 1. Tube oscillateur hyperfréquences comportant une structure amplificatrice hyperfréquences (14, 36) à ondes lentes ayant une entrée de signal hyperfréquences (50) et une sortie de signal hyperfréquence amplifié (52), une partie du signal en sortie (62) étant injecté à l'entrée de signal (50) de la structure amplificatrice de façon à produire une autooscillation par contre réaction, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réflexion optique (60, 64) pour renvoyer vers l'entrée de la structure amplificatrice une partie d'une onde hyperfréquence se propageant de l'entrée vers la sortie de la structure. 2. Tube oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réflexion optique injectant une partie du signal de sortie à l'entrée de la structure amplificatrice hyperfréquences comportent au moins un prisme (60) et un miroir (64) électromagnétiques. 3. Tube oscillateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure amplificatrice (36) est une structure à ondes lentes qui guide l'onde en surface sur la longueur d'interaction. 4. Tube oscillateur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'ensemble constitué par la structure amplificatrice à ondes lentes (36) le prisme (60) et le miroir (64) forment un résonateur à ondes progressives (ou anneau résonnant ). 30 5. Tube oscillateur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la structure hyperfréquences amplificatrice (36) comporte une ligne hyperfréquence (42) de structure périodique constituée par des obstacles périodiques (46) générant, par l'interaction avec un 35 faisceau d'électrons (34), sur la longueur d'interaction, une onde (48) à la fréquence de sortie du tube oscillateur.25 6. Tube oscillateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la ligne hyperfréquences (42) selon la direction XX' comporte deux extrémités, une extrémité d'entrée (50) du coté de la cathode et l'autre extrémité de sortie (52) du coté du collecteur du tube, la géométrie des extrémités de la ligne étant réalisée de sorte que l'onde se propageant dans la ligne soit rayonnée par son extrémité de sortie (52) si l'onde est progressive ou, par son extrémité d'entrée (50), si l'onde est régressive. 7. Tube oscillateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la structure des extrémités de la ligne (42) est une structure rayonnante selon des angles prédéterminés, par son extrémité de sortie (52), selon un angle de sortie a par rapport à la direction XX' principale, et par son extrémité d'entrée (50) selon un angle d'entrée 8 par rapport à cette même direction XX'. 8. Tube oscillateur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le prisme (60) est orienté de manière à réfléchir, selon une direction ZZ' opposée à celle de l'axe XX', une partie de l'onde rayonnée par l'extrémité de sortie (52) de la ligne hyperfréquences, et le miroir est orienté de manière à réfléchir vers l'extrémité d'entrée (50) de la structure amplificatrice cette partie de l'onde réfléchie par le prisme, l'autre partie de l'onde rayonnée (56) par l'extrémité de sortie (52) de la ligne hyperfréquences (46) étant transmise par le prisme (60) vers une sortie hyperfréquence S du tube. 9. Tube oscillateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le prisme (60) est orienté de manière à ce que l'onde (62) réflechie par le prisme soit dirigée vers le miroir (64) avec une incidence telle que l'onde réfléchie par le miroir vienne frapper la structure à ondes lentes (42) avec la bonne incidence d'entrée 8 pour être guidée par la structure amplificatrice (42). 10. Tube oscillateur selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la distance Dm 10entre le prisme (60) et le miroir (64) pour obtenir l'oscillation à la fréquence souhaitée et régler la puissance maximum de sortie du tube. 11. Tube oscillateur selon l'une des revendications 1 à 10, 5 caractérisé en ce que le signal hyperfréquence (66) en sortie du tube est rayonné par une sortie Ft à fente au niveau du prisme (60). 12. Tube oscillateur selon la revendication 11, caractérisé en ce que la fenêtre hyperfréquence Ft est en diamant. 13. Tube oscillateur selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de modification de la tension d'accélération des électrons, pour obtenir la fréquence désirée. 15