Brevet FR2942348A1 — publié le 20100820

DISPOSITIF POUR GÉNÉRER DES MICRO-ONDES La présente invention concerne un dispositif pour générer des micro-ondes comprenant un oscillateur coaxial à cathode virtuelle (� vircator �) ayant un tube cylindrique externe à symétrie de rotation autour d'un axe central formant une cathode et connecté à une ligne de transmission pour fournir à la cathode des impulsions de tension, et un tube cylindrique interne, au moins partiellement transparent pour des électrons, formant une anode et connecté à un dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde généré par la formation d'une cathode virtuelle à l'intérieur d'une zone enfermée par l'anode. Des générateurs de micro-ondes de ce type peuvent, entre autres utilisations, être utilisés pour rendre inutilisable un dispositif électronique en utilisant la sortie de crête élevée qui peut être brièvement générée. Un dispositif tel que décrit dans le premier paragraphe est principalement déjà connu du document US-4 751 429 et de l'article "Numerical Simulation Studies of Coaxial Vircators", de Hao Shao, Guozhi Liu, Zhimin Song, Yajun Fan, Xiaoxin Song, Northwest Institute of Nuclear Technology, pages 792-795. Des sources micro-ondes avec des oscillateurs à cathode virtuelle sont généralement à bande étroite et ont un faible rendement. II est alors souhaitable de pouvoir accroître le rendement énergétique et la largeur de bande du dispositif. La présente invention a pour dessein l'obtention d'un dispositif pour générer des micro-ondes présentant un rendement énergétique accru et de meilleures performances large bande. Le dessein de l'invention est atteint par un dispositif pour générer des micro-ondes selon le premier paragraphe dans lequel la cathode comprend un conducteur central cylindrique agencé pour coïncider avec l'axe central du tube cylindrique externe et en connexion électrique avec le tube cylindrique externe. La fréquence du rayonnement électromagnétique généré est originairement déterminée par la relation entre l'anode et la cathode ainsi que la tension de commande du dispositif. La largeur de bande du rayonnement électromagnétique généré est de quelques pourcents, mais il y a en plus des harmoniques accentués dans le spectre fréquentiel qui sont générés aux multiples pairs de la fréquence fondamentale. En introduisant le conducteur central cylindrique au centre du tube cylindrique externe et en connectant électriquement le tube avec le conducteur central, une source de rayonnement large bande est créée. Le rayonnement électromagnétique généré contient en partie une composante générée par la cathode virtuelle de même qu'une composante ayant un contenu en fréquence plus basse généré par un processus passager dans la source de tension de commande qui alimente la cathode du dispositif en impulsions de tension. La composante en fréquence plus basse a une largeur de bande de fréquence plus large que la composante en fréquence plus élevée. Le conducteur central cylindrique a de préférence une forme cylindrique circulaire. Cette forme contribue à une configuration symétrique. Une proposition de configuration présente un conducteur central creux. En rendant le conducteur central creux, on réduit le poids et la consommation de matériau sans compromettre les fonctions du dispositif. Selon un mode favorable de réalisation du dispositif, le conducteur central cylindrique circulaire est au moins partiellement entouré d'un matériau diélectrique connecté au guide d'onde de l'anode pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde. Le matériau diélectrique peut alors être composé d'un matériau plastique. En alternative, le matériau diélectrique peut être composé de matériau céramique. Selon un autre mode favorable de réalisation du dispositif, l'extrémité du conducteur central cylindrique est électriquement et mécaniquement connectée à une partie centrale d'une première paroi électriquement conductrice agencée, sur l'intérieur du tube cylindrique de la cathode, transversale à la direction longitudinale du tube à une distance du tube, au moins partiellement transparent aux électrons, de l'anode. En introduisant une telle paroi, la cathode virtuelle peut être renforcée par rétroaction. Selon un mode favorable additionnel de réalisation du dispositif, une autre paroi électriquement conductrice est agencée, sur l'extérieur du tube, au moins partiellement transparent aux électrons, de l'anode, transversale à la direction longitudinale et à une distance du tube cylindrique de la cathode. L'introduction de cette paroi et particulièrement en combinaison avec la paroi selon la réalisation du paragraphe précédent renforce encore la cathode virtuelle par rétroaction. Le conducteur central cylindrique peut substantiellement consister en du métal, tel que de l'aluminium, du cuivre, ou de l'acier. Un générateur haute tension connecté à la ligne de transmission de la cathode convient pour alimenter la cathode. Un générateur haute tension approprié est un générateur Marx. En outre, le guide d'ondes pour la sortie du rayonnement micro-onde est connecté à une antenne. L'antenne peut être, par exemple, une antenne à cornet. Dans un mode de réalisation proposé, l'anode est composée, au moins partiellement, d'un maillage. En alternative, l'anode peut être partiellement composée d'une feuille mince. Le dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-ondes peut être configuré de différentes façons. Selon un mode de réalisation proposé, le dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde à une charge comprend au moins des parties du tube cylindrique interne et un diélectrique agencé sur l'intérieur du tube. Selon une autre configuration proposée, le dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde à une charge comprend un guide d'ondes disposé entre l'anode et la charge. Les deux modes de réalisation se révèlent propices à produire un rayonnement micro-onde large bande. La présente invention sera décrite ci-après plus en détail en référence aux figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un exemple d'un oscillateur connu coaxial à cathode virtuelle compris dans un dispositif pour générer des micro-ondes ; - la figure 2 représente schématiquement un premier exemple d'un oscillateur coaxial à cathode virtuelle selon la présente invention compris dans un dispositif pour générer des micro-ondes ; - la figure 3 représente schématiquement un deuxième exemple d'un oscillateur coaxial à cathode virtuelle selon la présente invention compris dans un dispositif pour générer des micro-ondes ; - la figure 4 représente schématiquement un exemple plus détaillé d'un oscillateur coaxial à cathode virtuelle selon la présente invention compris dans un dispositif pour générer des micro-ondes ; - la figure 5 est une représentation schématique en blocs d'un dispositif complet pour générer des micro-ondes comprenant un oscillateur coaxial à cathode virtuelle selon la présente invention. L'oscillateur coaxial à cathode virtuelle connu 1 schématiquement représenté dans la figure 1 contient une cathode 2 ayant la forme d'un tube cylindrique externe et une anode 3 ayant la forme d'un tube cylindrique interne. L'oscillateur à cathode a une configuration géométrique très simple et est basé sur une cathode dite virtuelle 4 se produisant à l'intérieur de l'anode sous certaines conditions. La figure 2 représente, à un niveau schématique, une modification de l'oscillateur coaxial à cathode virtuelle connu, vircator, pour accroître le rendement et la largeur de bande. Selon ce mode de réalisation, un conducteur central 5 est agencé pour coïncider avec l'axe central (non représenté) de la cathode 2 sous forme de tube cylindrique externe. Le conducteur central 5 est connecté électriquement à la cathode 2 et dans le mode de réalisation représenté dans la figure 2 au travers d'une structure électriquement conductrice 6 disposée sur l'intérieur du tube cylindrique de l'anode et transversale à la direction longitudinale du tube. La paroi électriquement conductrice de la structure 6 crée des rétroactions qui peuvent contribuer à renforcer la cathode virtuelle 4. Une structure conductrice additionnelle 7 ayant la forme d'une paroi électriquement conductrice est pour la même raison, à savoir créer des rétroactions, disposée sur l'extérieur de l'anode à la forme de tube 3 ou lui est connecté un dispositif de transmission 8. Le dispositif de transmission 8 est composé d'un tube 9 ayant une extrémité vers la cathode, partiellement transparente, formant l'anode 3 et l'autre extrémité dotée d'un matériau diélectrique 10. Le matériau diélectrique peut, en guide de suggestion, est composé d'un matériau céramique ou plastique. Le conducteur central 5 connecté à la cathode 2 du dispositif s'étend au centre du tube 9. Le dispositif de transmission transmet l'énergie électromagnétique générée à une charge connectée (non représentée) ayant la forme, par exemple, d'une structure d'antenne. Alternativement, le dispositif de transmission 8 peut être conçu avec un guide d'ondes entre l'anode 3 et la charge en question qui guide l'énergie électromagnétique générée. La figure 3 représente un mode de réalisation schématique. Dans celui-ci, une.ligne de transmission est formée par le tube 9 et le conducteur central 5. Le diélectrique 10 dans le tube 9 est, dans ce cas, constitué par un vide. L'oscillateur coaxial à cathode virtuelle 1 peut être inclus dans un dispositif pour générer des micro-ondes représenté dans la figure 5 et comprenant un générateur haute tension 11 connecté à l'entrée de l'oscillateur à cathode et une antenne 12 connectée à la sortie de l'oscillateur à cathode. L'antenne peut être une antenne à cornet. L'oscillateur à cathode avec des périphériques est représenté et décrit plus en détail en référence à la figure 4, en ce qui concerne à la fois la configuration et la fonction. Les mêmes références que celles qui correspondent aux figures décrites précédemment ont été utilisées dans la figure 4. Comme représentées dans la figure 4, l'anode 3 et la cathode 2 sont disposées dans une chambre sous vide 13 ayant un raccordement 14 pour une pompe à vide (non représentée sur la figure). Un assemblage par vissage 15 permet l'ajustement de la distance de la structure 6 à l'anode 3 par rotation. Un assemblage par vissage correspondant peut être disposé pour ajuster la distance de la structure 7 à la cathode 2. L'anode 3 est dotée d'un maillage 16 qui est partiellement transparent à des particules libres chargées électriquement. En alternative, l'anode peut être composée d'une feuille mince. L'anode 3 s'étend jusqu'à un guide d'ondes sortant 17, alors que la cathode 2 est alimentée par une ligne de transmission 18. Selon le mode de réalisation représenté, un conducteur central creux 5 est disposé pour coïncider avec l'axe central 19 du tube cylindrique de la cathode 2. Le conducteur central 5 s'étend au moins depuis la structure 6 à travers l'anode 3 jusqu'au dispositif de transmission 8. La configuration de l'oscillateur à cathode est basée sur une cathode dite virtuelle qui se produit sous certaines conditions. Lorsqu'une impulsion de tension ayant un potentiel négatif est fournie, par exemple par un générateur Marx, au travers de la ligne de transmission 18 à la cathode 2, un champ électrique élevé se produit entre la cathode 2 et l'anode 3. Cela provoque l'émission d'un champ d'électrons depuis le matériau de cathode. Les électrons accélèrent après cela vers la structure d'anode et la majorité des électrons passera même l'anode et commencera à décélérer. Si certaines conditions sont remplies, une cathode virtuelle 4 se produira à l'intérieur de la structure d'anode. Puisque le processus est fortement non linéaire, le phénomène qui provoque la génération du rayonnement micro-onde se produit. Les conditions plus détaillées pour la génération de micro-ondes ne sont pas décrites ici parce qu'elles font parties des compétences d'un expert du domaine. Sous des conditions correctes, une sortie très élevée est générée pendant une courte période avec une amplitude typique de 50-100 ns avant de court-circuiter. Des micro-ondes générées sont rayonnées depuis l'anode de l'oscillateur à cathode au travers du guide d'ondes 17 connecté à l'anode qui a sensiblement le même rayon que l'anode 3. À travers l'introduction du conducteur central 5, une source de rayonnement est obtenue avec une largeur de bande plus étendue. Pour améliorer la génération d'une énergie électromagnétique ayant un contenu en fréquence étendue, le rayon du conducteur central 5 est adapté pour commander une tension et la distance entre l'anode et la cathode. Une adaptation peut être réalisée par calcul ou test ou les deux. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de configuration décrits ci-dessus, mais peut être sujet à des modifications à l'intérieur du cadre 5 des revendications qui suivent. REVENDICATIONS1. Dispositif pour générer des micro-ondes comprenant un oscillateur coaxial à cathode virtuelle (vircator) ayant un tube cylindrique externe à symétrie de rotation autour d'un axe central formant une cathode et connecté à une ligne de transmission pour fournir à la cathode des impulsions de tension, et un tube cylindrique interne, au moins partiellement transparent pour des électrons, formant une anode et connecté à un dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde généré par la formation d'une cathode virtuelle à l'intérieur d'une zone enfermée par l'anode, dans lequel la cathode comprend un conducteur central cylindrique agencé pour coïncider avec l'axe central du tube cylindrique externe et en connexion électrique avec le tube cylindrique externe. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le conducteur central cylindrique a une forme cylindrique circulaire. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le conducteur central cylindrique et circulaire est au moins partiellement entouré d'un matériau diélectrique disposé dans le guide d'ondes de l'anode pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le diélectrique est composé de matière plastique. 5. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le diélectrique est composé de matière céramique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'extrémité du conducteur central cylindrique est électriquement et mécaniquement connectée à une partie centrale d'une première paroi électriquement conductrice agencée, sur l'intérieur du tube cylindrique de la cathode, transversale à la direction longitudinale du tube à une distance du tube, au moins partiellement transparent aux électrons, de l'anode. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une autre paroi électriquement conductrice est agencée, sur l'extérieur du tube, au moins partiellement transparent aux électrons, de l'anode, transversale à la direction longitudinale et à une distance du tube cylindrique de la cathode. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur central cylindrique consiste essentiellement en du métal, tel que de l'aluminium, du cuivre, ou de l'acier. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la ligne de transmission pour alimenter la cathode est connectée à une générateur haute tension. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le générateur haute tension est un générateur Marx. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de transmission pour produire un rayonnement micro-onde est connecté à une antenne. 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel l'antenne est une antenne à cornet. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'anode est composée, au moins partiellement, d'un maillage. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'anode est composée, au moins partiellement, d'une feuille minde. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnement micro-onde à une charge comprend au moins des parties du tube cylindrique interne ainsi qu'un diélectrique agencé sur l'intérieur du tube. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de transmission pour émettre en sortie un rayonnementmicro-onde à une charge comprend un guide d'ondes disposé entre l'anode et la charge 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur central est creux.5