Brevet FR2940851A1 — publié le 20100709

FENÊTRE DE SORTIE La présente invention concerne des fenêtres de sortie de dispositifs électroniques sous vide. Dans les dispositifs électroniques sous vide avec des conceptions de guide d'onde de sortie circulaire multimode, la fenêtre de sortie est normalement constituée d'une ou plusieurs couches de diélectrique dont une au moins est raccordée au guide d'onde de sortie du dispositif au moyen d'une liaison étanche au vide habituellement réalisée en brasant le diélectrique sur le guide d'ondes métallique. Bien qu'une fenêtre simple couche fournisse une excellente transmission pour une séquence de longueurs d'ondes définie, pour obtenir des performances à large bande, on doit utiliser une fenêtre multicouche. Les performances à large bande d'une conception de fenêtre unique d'une épaisseur d'une demi-longueur d'onde peuvent théoriquement être améliorées en utilisant des transformateurs d'un quart de longueur d'onde en butée contre les deux faces de la fenêtre pour adapter l'impédance de la fenêtre à l'impédance en espace libre. Espacer les trois couches de la fenêtre fait encore progresser ce concept, et des fenêtres à trois couches espacées ont été proposées pour des tubes électroniques. Des couches minces en céramique peuvent être espacées de la fenêtre centrale d'une épaisseur d'une demi-longueur d'onde afin de former des cavités � d'adaptation �. Ces cavités permettent d'augmenter de manière significative la largeur de bande de la fenêtre au-delà de 20 0/0 (d'une plage s'étendant de 10 % au-dessous de la fréquence centrale jusqu'à 10 % au-dessus de la fréquence centrale) avec un affaiblissement de réflexion meilleur que -25 dB. Ceci est vrai à la fois pour des guides d'ondes circulaires simple mode et multimodes. L'invention concerne particulièrement des fenêtres de sortie pour des dispositifs électroniques à tubes à ondes progressives gyrotron, bien qu'elle s'applique également à d'autres dispositifs électroniques sous vide à large bande. En se référant à la figure 1 des dessins annexés, qui est une section transversale axiale schématique d'un tube à ondes progressives gyrotron connu (gyrotron-TWT) avec une fenêtre de sortie classique à large bande, ainsi qu'à la figure 2, qui est une section transversale axiale schématique de la fenêtre de sortie à une échelle agrandie (tournée de 90 degrés), le gyrotron-TWT est constitué d'un guide d'onde 1 qui est la région d'interaction entre un faisceau d'électrons provenant d'un canon à électrons 2 et une onde électromagnétique RF d'entrée, envoyée sur un bras latéral de guide d'onde 3 que l'on souhaite amplifier. Le faisceau d'électrons passe par un chemin hélicoïdal le long du guide d'onde 1 sous l'influence d'un solénoïde 4. On fait le vide dans le guide d'onde 1, une extrémité étant fermée par une paroi 5 et par une autre paroi (non représentée) située derrière le canon à électrons 2, et une région évasée 6 relie l'autre extrémité à un guide d'onde de sortie 7, qui est hermétiquement fermé par une fenêtre de sortie triple classique, indiquée de façon générale par le numéro de référence 8, depuis laquelle le signal RF amplifié est envoyé. L'intérieur du guide d'onde 1 peut être munie d'une ondulation hélicoïdale (non représenté) - "Gyro-TWT with a Helical Operating Waveguide: New Possibilities to Enhance Efficiency and Frequency Bandwidth", Gregory G. Denisov, Vladimir L. Bratman, Alan D R Phelps et Sergei V. Samsonov, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 26, No. 3, Juin 1998. Considérant la nature à large bande de la sortie, on utilise une fenêtre à trois couches espacées. Pour des performances optimales, la conception doit être symétrique par rapport à la fenêtre centrale. Les performances d'une telle conception sont très sensibles aux variations de dimension, avec des tolérances d'espacement et d'épaisseur de la céramique inférieures à �0,05 mm, nécessaires pour garantir que des performances à large bande à 20 % ne se dégradent pas au-delà d'un affaiblissement de réflexion de -20 dB. L'approche classique pour fabriquer une telle fenêtre à trois couches espacées est similaire à celle qui est utilisée pour des fenêtres de type boîte à pilules utilisées pour des guides d'ondes rectangulaires à joints hermétiques, c'est-à-dire que chaque disque en céramique est d'abord brasé dans un tube en cuivre que l'on fait ensuite dépasser de la longueur désirée. Pour la fenêtre triple couche, qui est représentée à une échelle agrandie sur la figure 2, trois de ces disques en céramique 9 à 11 sont brasés sur des tubes en cuivre respectifs. Les tubes en cuivre sont ensuite brasés ensemble en 12, 13 afin de former l'ensemble complet. Une telle approche de fabrication présente un risque significatif d'introduction d'une inclinaison entre les disques en céramique et une conversion de mode conséquente lorsque la fenêtre triple couche est montée dans un guide d'onde multimode. De plus, la nature de la conception de la fenêtre à trois couches espacées 8 a pour conséquence le piégeage de volumes entre les couches de céramique. Si ceux-ci ne sont pas mis à l'air libre par un moyen quelconque, ils peuvent conduire à une défaillance de la liaison sous vide durant le traitement qui suit de l'assemblage de la fenêtre. Une autre approche qui a été utilisée consiste à intercaler en sandwich des cylindres de cuivre usinés avec précision entre les couches de céramique et à placer l'ensemble complet à l'intérieur d'un tube de cuivre extérieur, de sorte que les couches en céramique apparaissent au signal micro-ondes comme étant placées en retrait dans un tube en cuivre. Malheureusement, pour des guides d'ondes avec un grand nombre de modes de propagation possibles, la dilatation différentielle entre le cuivre et les matériaux en céramique nécessite l'utilisation de profondeurs de retrait significatives, qui dégradent les performances en micro-ondes de l'assemblage de fenêtre, de sorte qu'il n'est pas possible d'obtenir facilement la largeur de bande à 20 % avec un affaiblissement de réflexion meilleur que -20 dB. La présente invention fournit une fenêtre de sortie pour un dispositif électronique sous vide, comprenant un guide d'onde de sortie, une couche intermédiaire de matériau diélectrique raccordée à l'intérieur du guide d'onde de sortie avec un scellement étanche au vide, des couches de matériau diélectrique séparées de la couche intermédiaire et qui, dans une orientation du guide d'onde de sortie dans laquelle le scellement a été effectué, sont au-dessus et au-dessous de la couche intermédiaire, des supports étant prévus s'étendant vers l'intérieur dans le guide d'onde extérieur et des ouvertures étant prévues dans les couches supérieure et inférieure, de sorte que, dans l'orientation dans laquelle se trouve la jonction étanche de la couche intermédiaire, les couches supérieure et inférieure sont supportées par les supports et la couche intermédiaire est capable d'être supportée à travers les ouvertures dans la couche inférieure par des colonnes, alors que dans le même temps, les régions entre la couche intermédiaire et les couches supérieure et inférieure sont capables d'être mises à l'air libre. L'invention fournit également un procédé de réalisation d'une fenêtre de sortie pour un dispositif électronique sous vide, comprenant les étapes consistant à supporter des couches supérieure et inférieure de matériau diélectrique sur des supports s'étendant dans un guide d'onde de sortie, supporter une couche intermédiaire de matériau diélectrique entre les couches supérieure et inférieure en relation espacée avec celles-ci sur des colonnes s'étendant à travers des ouvertures dans la couche inférieure, et réaliser un scellement étanche au vide entre la couche intermédiaire et l'intérieur du guide d'onde de sortie. Les ouvertures dans les couches de matériau diélectrique conjointement avec les supports permettent aux trois couches diélectriques d'être fixées simultanément, simplifiant ainsi le processus de fabrication. Une manière de réaliser l'invention va maintenant être décrite en détail, au moyen d'un exemple, en référence aux figures 3 à 5 des dessins annexés, dans lesquels : la figure 3 est une section transversale axiale schématique de la fenêtre de sortie selon l'invention ; la figure 4 est une vue plane de la couche inférieure de matériau diélectrique représentée sur la figure 3 ; et la figure 5 est une vue plane de la couche supérieure de matériau diélectrique représentée sur la figure 3. On a donné à des parties analogues des numéros de référence analogues dans l'ensemble des dessins. La fenêtre de sortie représentée sur les figures 3 à 5 forme la fenêtre de sortie d'un gyrotron-TWT comme représenté sur la figure 1. La fenêtre est constituée de trois couches de matériau diélectrique montées dans un guide d'onde de sortie 7, à savoir, une couche intermédiaire 10 et des couches supérieure et inférieure 9, 11. L'épaisseur de la couche intermédiaire est approximativement le quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande de fréquences transmise par la fenêtre et l'épaisseur des couches supérieure et inférieure est approximativement le vingtième de la fréquence centrale. L'espacement entre la couche supérieure et la couche intermédiaire et entre la couche intermédiaire et la couche inférieure est approximativement le huitième de la fréquence centrale. Ces dimensions satisfont l'exigence de largeur de bande de 20 % pour les dimensions d'un guide d'onde particulier et du matériau céramique et si le diamètre du guide d'onde doit être modifié, l'épaisseur et les rapports d'espacement sont différents. En se référant aux figures 3 à 5, la fenêtre de sortie est constituée des mêmes couches de matériau diélectrique que celles qui ont été utilisées pour la conception triple couche connue de la figure 2. Selon l'invention, la fabrication de la fenêtre est fortement simplifiée. Ainsi, la fenêtre de sortie est fabriquée avec le guide d'onde de sortie 7 dans l'orientation verticale représentée sur la figure 3. En outre, le guide d'onde de sortie comporte deux ensembles de quatre supports en projection vers l'intérieur également espacés (corbeaux), un ensemble 14 pour la couche supérieure 9 et l'autre ensemble 15 pour la couche inférieure 11. De plus, la couche supérieure comporte quatre ouvertures également espacées 16 décalées dans la périphérie et la couche inférieure comporte quatre ouvertures également espacées 17 à l'intérieur par rapport à la périphérie. Pour disposer la couche intermédiaire dans la position correcte durant la fabrication, celle-ci est supportée sur un montage 18 qui inclut quatre colonnes verticales 19 (l'une d'entre elles ne peut pas être vue sur la section de la figure 3), qui sont dimensionnées de manière à être capables de traverser les ouvertures d'insertion 17. Les couches 9, 11 étant supportées sur les ensembles de corbeaux 14, 15 et la couche intermédiaire supportée sur les colonnes 19, les trois couches sont brasées simultanément sur l'intérieur du guide d'onde de sortie. Les ouvertures 17 ont un plus grand diamètre que les colonnes et ainsi, les régions situées au-dessus et au-dessous de la couche intermédiaire sont mises à l'air libre durant le processus de brasage. Les trous de mise à l'air libre dans les deux couches en céramique mince éliminent les problèmes de volumes piégés qui se produiraient dans le cas contraire et permettent aux colonnes de traverser la céramique et d'éloigner la couche intermédiaire avec l'espacement désiré durant le brasage. Avec une conception soigneuse, les corbeaux, même s'ils ne sont pas symétriques, ne dégradent pas les performances en micro-ondes et en particulier, ne provoquent pas de conversion de mode, permettant ainsi d'introduire les corbeaux sur la paroi intérieure du guide d'onde de sortie afin de supporter la couche mince supérieure. En choisissant soigneusement les coefficients de dilatation des matériaux, l'utilisation de corbeaux et de colonnes, l'assemblage de fenêtre à trois couches espacées peut être brasé dans sa totalité, permettant d'obtenir l'espacement requis des couches diélectriques sans qu'il soit nécessaire d'effectuer un réglage mécanique ultérieur et ainsi, les performances désirées en micro-ondes tout en réduisant la probabilité de conversion de mode induite par l'assemblage. Le guide d'onde de sortie peut être un tube en cuivre. Les couches de matériau diélectrique peuvent être des disques en céramique par exemple en alumine. Bien que le guide d'onde de sortie fasse partie d'un gyrotron-TWT comme décrit, celui-ci peut être utilisé avec d'autres tubes électroniques à large bande, par exemple des tubes à ondes progressives à cavité couplée. REVENDICATIONS1. Fenêtre de sortie pour un dispositif électronique sous vide, comprenant un guide d'onde de sortie, une couche intermédiaire de matériau diélectrique raccordée à l'intérieur du guide d'onde de sortie avec un scellement étanche au vide, des couches de matériau diélectrique séparées de la couche intermédiaire et qui, dans une orientation du guide d'onde de sortie dans laquelle le scellement a été effectué, sont au-dessus et au-dessous de la couche intermédiaire, des supports étant prévus s'étendant vers l'intérieur dans le guide d'onde extérieur et des ouvertures étant prévues dans les couches supérieure et inférieure, de sorte que, dans l'orientation dans laquelle se trouve la jonction étanche de la couche intermédiaire, les couches supérieure et inférieure sont supportées par les supports et la couche intermédiaire est capable d'être supportée à travers les ouvertures dans la couche inférieure par des colonnes, alors que dans le même temps, les régions entre la couche intermédiaire et les couches supérieure et inférieure sont capables d'être mises à l'air libre. 2. Fenêtre de sortie selon la revendication 1, dans laquelle les couches supérieure et inférieure sont également raccordées à l'intérieur du guide d'onde de sortie. 3. Fenêtre de sortie selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans laquelle la jonction de la couche ou de chaque couche à l'intérieur du guide d'onde de sortie s'effectue au moyen d'un brasage. 4. Fenêtre de sortie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'épaisseur de la couche intermédiaire est approximativement le quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 5. Fenêtre de sortie selon la revendication 4, dans laquelle l'espacement entre chacune des couches supérieure et inférieure et la couche intermédiaire est approximativement le huitième de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 6. Fenêtre de sortie selon la revendication 4 ou la revendication 5, dans laquelle l'épaisseur de chacune des couches supérieure et inférieure est approximativement le vingtième de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 7. Fenêtre de sortie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle chacune des couches de matériau diélectrique est faite d'un matériau en céramique. 8. Dispositif électronique comportant une fenêtre de sortie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9. Dispositif électronique selon la revendication 8, dans lequel le dispositif est un tube à ondes progressives gyrotron. 10. Procédé de réalisation d'une fenêtre de sortie pour un dispositif électronique sous vide, comprenant les étapes consistant à supporter des couches supérieure et inférieure de matériau diélectrique sur des supports s'étendant dans un guide d'onde de sortie, supporter une couche intermédiaire de matériau diélectrique entre les couches supérieure et inférieure en relation espacée avec celles-ci sur des colonnes s'étendant à travers des ouvertures dans la couche inférieure, et réaliser un scellement étanche au vide entre la couche intermédiaire et l'intérieur du guide d'onde de sortie. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel des ouvertures dans les couches supérieure et inférieure permettent de mettre à l'air libre les régions comprises entre la couche intermédiaire et les couches supérieure et inférieure durant l'étape de fermeture hermétique. 12. Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11, dans lequel les couches supérieure et inférieure sont également raccordées à l'intérieur du guide d'onde de sortie. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, incluant les étapes de brasage de la couche ou de chaque couche à l'intérieur du guide d'onde de sortie. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel l'épaisseur de la couche intermédiaire est approximativement le quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'espacement entre chacune des couches supérieure et inférieure et la couche intermédiaire est approximativement le huitième de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 16. Procédé selon la revendication 14 ou la revendication 15, dans lequel l'épaisseur de chacune des couches supérieure et inférieureest approximativement le vingtième de la fréquence centrale de la bande transmise par la fenêtre. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, dans lequel chacune des couches de matériau diélectrique est faite d'un matériau en céramique. 18. Procédé de réalisation d'un dispositif électronique incluant les étapes de réalisation d'une fenêtre de sortie selon l'une quelconque des revendications 10 à 17. 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel le dispositif électronique est un tube à ondes progressives gyrotron.