Brevet FR3074364A1 — publié le 20190531

I Charge interne pour tube à ondes progressives utilisant une ligne à retard en guide replié La présente invention concerne une ligne à retard ou guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives d'acronyme TOP. Dans la plupart des tubes hyperfréquence l'interaction entre l'onde et le faisceau est décomposée en deux étapes : une première étape: obtenir un groupement des électrons en paquets, c'est-à-dire réaliser une modulation de densité du courant du faisceau au rythme du signal hyperfréquence ; et une deuxième étape: placer les paquets d'électrons ainsi obtenus dans une phase où ils sont ralentis par le champ afin de céder leur énergie à l'onde. Dans le cas des TOP, le groupement des électrons en paquet est obtenu en plaçant le faisceau dans le champ d'une onde progressive dont la vitesse de phase est égale à la vitesse des électrons. Dans un repère mobile les électrons voient le champ d'une onde stationnaire. Les électrons sont ralentis sur une alternance et accélérés sur la suivante. Un paquet d'électrons se forme autour de la phase pour laquelle on passe d'un champ accélérateur à un champ décélérateur. Un guide d'onde classique, de section rectangulaire ou cylindrique ne convient pas pour l'interaction car la vitesse de phase de l'onde qui se propage dans ce guide est supérieure à la vitesse de la lumière alors que la vitesse des électrons est inférieure à la vitesse de la lumière. De plus il faut un champ électrique parallèle au déplacement des électrons alors que le mode fondamental des guides rectilignes de section rectangulaire ou cylindrique est perpendiculaire à l'axe du guide. Pour obtenir une vitesse de phase inférieure à celle de la lumière il faut un guide spécial appelé guide à ondes lentes ou ligne à retard. Le plus souvent la ligne à retard est une ligne périodique obtenue en translatant de façon répétitive une cellule de base, 2 pour obtenir une succession de cellules identiques. C'est le cas de l'hélice, de la ligne à cavités couplées, de la ligne interdigitale, ... Dans le domaine des TOP fonctionnant aux longueurs d'onde 5 millimétriques on utilise souvent une ligne à retard dite en guide replié. Cette ligne est obtenue en positionnant de manière périodique des sections de guide d'onde rectangulaire perpendiculaires à l'axe du faisceau, et en reliant de manière alternative les sections de guide droit par des coudes plan E à 1800. La vue de travers du guide replié a la forme d'un serpentin. Le trou de 10 glissement du faisceau est situé au milieu de la section droite de guide rectangulaire. Le champ électrique dans le guide est perpendiculaire au grand coté du guide, et donc parallèle au déplacement des électrons, ce qui permet de moduler le faisceau. L'électron se déplace donc dans le trou de glissement, débouche dans la section de guide droit où il subit l'action du 15 champ électrique (espace d'interaction), retraverse le trou de glissement et débouche dans l'espace d'interaction suivant. L'électron voit donc les espaces d'interaction successifs avec une période égale au pas de la ligne alors que la période géométrique de la ligne est égale à deux fois le pas. Le pas correspond à la distance entre deux guides droits séparés par un coude. 20 La longueur du guide d'onde replié (partie droite et coudes) est déterminée pour que le déphasage de l'onde dans le guide corresponde à la variation de phase liée au déplacement des électrons d'un espace d'interaction au suivant. 25 Les tubes à onde progressives utilisent une ligne à retard comportant un nombre de sections supérieur ou égal à 2. La section d'entrée est terminée par une charge et la section de sortie commence par une charge. Les sections intermédiaires commencent et se terminent par une 30 charge. On appelle charge un volume contenant un matériau absorbant l'onde RF raccordé à la ligne à retard, tel que, dans le plan du raccord, l'impédance présentée par le volume soit la plus proche possible de l'impédance caractéristique de la ligne à retard afin de réaliser une bonne adaptation (c'est-à-dire minimiser l'onde réfléchie par la charge). 3 La figure 1 représente schématiquement une ligne à retard ou guide à onde lente pour tube à ondes progressives comprenant trois sections 1, 2, 3. La ligne à retard représentée comprend une entrée 4 et une sortie 5. 5 Les charges 6 en sortie de la première section 1, en entrée de la deuxième section 2, en sortie de la deuxième section 2, et en entrée de la troisième section 3 sont appelées charge à la coupure ou "sever loads" en langue anglaise. Entre la fin d'une ligne et le début de la suivante le faisceau d'électrons passe dans un trou de glissement sans champ RF, ce qui 10 contribue à dégrouper le faisceau (c'est donc une perte de modulation). Si les coefficients de réflexion aux deux extrémités d'une section et le gain de la section sont trop élevés, il est possible d'observer une oscillation dans la section de ligne à retard. C'est pourquoi la longueur des 15 différentes sections est déterminée de manière à limiter le gain, compte tenu du coefficient de réflexion des charges à la coupure. Les TOP les plus répandus, dont un exemple est illustré sur la figure 2, utilisent une ligne à retard comprenant une hélice 7 maintenue dans 20 un fourreau 8 par trois montants diélectriques 9. Sur une ligne à retard de la figure 2, la charge est généralement réalisée en déposant, sur les montants 9 supportant l'hélice 7 une couche de matériau ayant des pertes hyperfréquences élevées, tel du graphite. Un 25 matériau présentant des pertes hyperfréquences est caractérisé par une conductivité électrique finie a (au contraire d'un conducteur parfait dont la conductivité électrique est infinie), ce qui se traduit par un courant de conduction aE (E étant le champ électrique) et des pertes résistives aE2. Dans un milieu présentant des pertes hyperfréquences l'onde subit une 30 atténuation exponentielle en fonction de la distance. En faisant varier l'épaisseur du dépôt on réalise une charge dont l'atténuation (perte hyperfréquences) et le coefficient de réflexion augmentent progressivement, permettant ainsi d'obtenir une bonne adaptation dans une large bande de fréquences. 35 4 Dans une telle ligne à retard à hélice, la longueur de la charge conduit à une perte de modulation importante, donc à une perte de gain du TOP, qu'il faut compenser par une augmentation du gain des autres sections, donc à une augmentation de la longueur totale du TOP. 5 La figure 3 représente schématiquement l'atténuation sur un montant 9, en fonction de l'épaisseur z du dépôt du matériau ayant des pertes hyperfréquences élevées, tel du graphite. Plus l'atténuation est élevée, plus la couleur grise qui la représente est foncée. 10 Dans le cas de TOP utilisant une ligne à retard en guide replié, il est connu d'interrompre les ondulations pour passer d'un guide replié 10 à un guide droit 11, dans lequel est placée une charge absorbant de l'énergie électromagnétique. Un tel guide droit peut être soit parallèle, comme 15 représenté sur les figures 4 et 5, soit perpendiculaire, comme représenté sur la figure 6, au trou de glissement 12 du faisceau. Pour de tels modes de réalisation, bien qu'utilisant une même section de guide, la ligne périodique en guide replié et le guide droit 20 contenant la charge n'ont pas la même impédance et il est nécessaire de réaliser une adaptation entre les deux, qui n'est pas à large bande, et limite la bande du TOP. En variante, comme représenté sur la figure 7, il est connu 25 d'interrompre la ligne à retard en guide replié pour placer un bloc de diélectrique 13 à pertes d'une géométrie déterminée pour minimiser les réflexions de la charge. Cette variante comprend une transition brutale entre le guide 30 replié périodique 10 et le bloc diélectrique 13 à pertes hyperfréquences qui équivaut à charger le guide replié périodique 10 par un résonateur à pertes hyperfréquences possédant de nombreuses résonances, ce qui limite la bande de fréquences dans laquelle la charge est bien adaptée. 5 Un but de l'invention est de pallier les problèmes précédemment cités. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, une ligne à onde 5 lente en guide replié munie d'une charge interne comprenant : une plaque centrale comprenant un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal de la plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ; 10 une plaque inférieure et une plaque supérieure fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale ; au moins une rainure de section pouvant être variable, réalisée selon l'axe longitudinal du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure, la plaque supérieure ou la plaque centrale, 15 comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ; pour former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. 20 Ainsi les réflexions de la charge sont minimisées, et l'atténuation de l'énergie électromagnétique n'est pas brutale. 25 On introduit progressivement les pertes dans la ligne en guide replié, ce qui présente une analogie avec l'augmentation progressive du dépôt de graphite sur les supports d'hélice. Dans un mode de réalisation, le matériau présentant des pertes 30 hyperfréquences est un diélectrique à pertes hyperfréquences. Ainsi, l'onde subit une atténuation exponentielle avec un maximum de puissance dissipée au début de la zone atténuée si la répartition du matériau à pertes est uniforme. 35 Selon un mode de réalisation, au moins une rainure a une section constante et comprend une quantité croissante d'un même diélectrique à pertes hyperfréquences lorsque l'abscisse augmente selon l'axe du guide orienté dans le sens de propagation d'onde. Ainsi, une faible proportion de la puissance peut être absorbée au début de la charge et une proportion plus élevée ensuite, avec pour avantage de mieux répartir la puissance dissipée sur la longueur de la charge. Dans un mode de réalisation, au moins une rainure a une section constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et est pleine de diélectrique à pertes hyperfréquences dont le niveau de pertes hyperfréquences augmente quand ladite abscisse augmente. Ainsi, une faible proportion de la puissance peut être absorbée au début de la charge et une proportion plus élevée ensuite, avec pour avantage de mieux répartir la puissance dissipée sur la longueur de la charge. En variante, le matériau à pertes hyperfréquences est une couche d'un mélange de métaux choisis parmi fer, nickel, molybdène, et titane, recouvrant au moins partiellement la surface interne d'une rainure. 25 Ainsi, il n'est pas nécessaire d'usiner un bloc diélectrique, puis de braser ce bloc ou de le sertir dans les plaques inférieures ou supérieures afin d'assurer l'écoulement de la chaleur entre le bloc diélectrique où la puissance est dissipée et la source froide placée autour de la ligne à retard. 30 Par exemple, au moins une rainure a une section dont la longueur d'arrête est constante et comprend une quantité croissante d'une couche de même dit mélange de métaux lorsque ladite abscisse augmente. En variante, au moins une rainure a une section dont la longueur 35 d'arrête est constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et comprend une couche de même dit mélange de métaux. 5 10 15 20 7 Il est également proposé, selon un autre aspect de l'invention, un procédé de fabrication d'une ligne à onde lente en guide replié munie d'une charge interne comprenant des étapes consistant à : 5 percer un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal d'une plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ; réaliser au moins une rainure de section pouvant être variable, selon 10 l'axe longitudinal du guide, sur au moins une face interne au guide d'une plaque inférieure, une plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences; de manière à former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude 15 d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. Dans un mode de mise en oeuvre, le procédé comprend, en outre, une étape consistant à fermer le guide par la plaque inférieure et la plaque 20 supérieure, fixées respectivement sur la face inférieure et sur la face supérieure de la plaque centrale. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les 25 dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement une ligne à retard ou guide à onde lente pour tube à ondes progressives comprenant trois sections, selon l'état de la technique ; la figure 2 illustre schématiquement une ligne à retard comprenant une 30 hélice maintenue dans un fourreau par trois montants diélectriques, selon l'état de la technique ; la figure 3 illustre schématiquement l'atténuation sur un montant d'une ligne à retard de la figure 2, en fonction de l'épaisseur du dépôt du matériau ayant des pertes hyperfréquences élevée, selon l'état de la 35 technique ; 8 la figure 4 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit parallèle au trou de glissement du faisceau, selon l'état de la technique ; 5 la figure 5 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit parallèle au trou de glissement du faisceau et replié vers les cellules de la ligne, selon l'état de la technique ; la figure 6 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié, 10 comprenant une charge absorbant de l'énergie électromagnétique dans un guide droit perpendiculaire au trou de glissement du faisceau, selon l'état de la technique ; - la figure 7 illustre schématiquement une ligne à retard en guide replié interrompue par un bloc de diélectrique à pertes d'une géométrie 15 déterminée pour minimiser les réflexions de la charge, selon l'état de la technique ; et - les figures 8, 9 et 10 illustrent schématiquement une vue d'ensemble et des vues en coupe d'un guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives, selon un aspect de l'invention. 20 Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. Dans la présente description, les modes de réalisation décrits sont 25 nullement limitatifs, et les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails. Sur la figure 8 est représenté schématiquement une ligne à onde lente en guide replié pour tube à ondes progressives, munie d'une charge 30 interne comprenant : une plaque centrale 20 comprenant un trou 21 de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal z de la plaque centrale 20, et une fente 22 repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ; 9 une plaque inférieure 23 et une plaque supérieure 24 fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale 20; au moins une rainure 25 de section pouvant être variable, réalisée selon l'axe longitudinal z du guide, sur au moins une face interne au 5 guide de la plaque inférieure 23, la plaque supérieure 24 ou la plaque centrale 20, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ; pour former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie 10 de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. En d'autres termes, la présente invention consiste à introduire de façon progressive des pertes électromagnétiques dans la ligne à retard en guide replié pour éviter une transition brutale entre la ligne périodique et un 15 guide rectangulaire, ou entre la ligne périodique et un bloc de diélectrique, de manière équivalente à l'augmentation du dépôt de graphite sur les montants d'une ligne à retard à hélice connu de l'état de l'art. Pour ce faire la ligne à retard en guide replié est couplée à une 20 autre ligne de transmission qui possède des pertes importantes, et le couplage entre les deux lignes augmente dans le sens de propagation de l'onde. Si l'on définit une cellule comme le volume délimité par deux plans perpendiculaires à l'axe du faisceau distant d'un pas (c'est-à-dire la distance entre deux guides droits séparés par un coude), l'amplitude de l'onde 25 diminue d'une cellule à la suivante. Sur l'exemple de la figure 8, deux rainures 25 de section variable, croissante avec l'abscisse de l'axe z du guide, en l'espèce symétriques par rapport au plan moyen de la plaque centrale 20, sont réalisées sur la face 30 interne au guide de la plaque inférieure 23 et sur la face interne au guide de la plaque supérieure 24, et sont remplies de matériau diélectrique à pertes hyperfréquences, tel qu'un matériau céramique (alumine, oxyde de béryllium, nitrure d'aluminium) fritté avec des éléments ajoutant des pertes hyperfréquences (carbone, fer, titane, ...). 35 10 La ligne de transmission à fortes pertes électromagnétiques peut être usinée dans les plaques inférieure 23 et/ou supérieures 24 qui sont brasées avec la plaque centrale 20 dans laquelle est usiné le serpentin 22 afin de constituer la ligne à retard en guide replié. Il s'agit donc d'un guide 5 d'onde usiné en creux dans les plaques inférieure 23 et/ou supérieures 24. Il peut également être usiné en partie ou totalement dans la plaque centrale 20. Sur l'exemple de la figure 8, la rainure de section variable effectuée sur la face interne au guide de la plaque supérieure 24 n'est pas 10 visible. La figure 9 représente une vue en coupe d'un guide à onde lente replié pour tube à ondes progressives, selon un aspect de l'invention. 15 La figure 10 représente différentes sections de coupe de l'exemple de la figure 9. En variante, tout mode de réalisation comprenant au moins une rainure 25 de section pouvant être variable (variable ou constante), réalisée 20 selon l'axe longitudinal z du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure, la plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences, est possible. 25 Pour réaliser ces pertes électromagnétiques, il est possible de remplir en partie ou en totalité les rainures 25 avec un ou différents diélectriques à pertes hyperfréquences, ou déposer sur les parois un ou différents matériaux à pertes hyperfréquences, de sorte que selon ledit axe longitudinal orienté dans le sens de propagation de l'onde, lorsque l'abscisse 30 augmente, l'amplitude de l'onde soit atténuée de 20 dB entre le début et la fin de la charge. Les cas les plus explicites sont les suivants. 11 Au moins une rainure 25 peut avoir une section constante et comprendre une quantité croissante d'un même diélectrique à pertes hyperfréquences lorsque ladite abscisse augmente. 5 En variante, au moins une rainure peut avoir une section constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et être pleine de diélectrique à pertes hyperfréquences dont le niveau de pertes hyperfréquences augmente quand l'abscisse augmente. 10 En variante, au moins une rainure peut avoir une section dont la longueur d'arrête est constante et comprendre une quantité croissante d'une couche de même mélange de métaux choisis parmi: fer, nickel, molybdène, titane, recouvrant au moins partiellement la surface interne d'une rainure lorsque l'abscisse augmente. 15 En variante, au moins une rainure peut avoir une section dont la longueur d'arrête est constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et comprendre une couche de même mélange de métaux choisis parmi: fer, nickel, molybdène, titane. 20 Le grand coté du guide usiné dans les plaques inférieures et supérieures détermine l'ouverture dans la ligne en guide replié, et donc le couplage entre les deux lignes de transmission. Une faible hauteur du guide à pertes peut correspondre à un guide fonctionnant en dessous de la 25 fréquence de coupure et donc à une énergie ne se propageant pas dans le guide à pertes. Dans ce cas le guide se comporte plutôt comme une cavité résonante amortie couplée au guide replié. Le procédé de fabrication d'une telle ligne à onde lente en guide 30 replié munie d'une charge interne comprend des étapes consistant à: percer un trou de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal d'une plaque centrale, et une fente repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du 35 guide ; 12 réaliser au moins une rainure de section pouvant être variable, selon l'axe longitudinal du guide, sur au moins une face interne au guide d'une plaque inférieure, une plaque supérieure ou la plaque centrale, comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes 5 hyperfréquences ; de manière à former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. 10 Il comprend également une étape consistant à fermer le guide par la plaque inférieure et la plaque supérieure, REVENDICATIONS1. Ligne à onde lente en guide replié munie d'une charge interne comprenant : une plaque centrale (20) comprenant un trou (21) de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal (z) de la plaque centrale (20), et une fente (22) repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens de la largeur du guide ; une plaque inférieure (23) et une plaque supérieure (24) fermant le guide d'onde, respectivement disposées sur et sous la plaque centrale (20) ; au moins une rainure (25) de section pouvant être variable, réalisée selon l'axe longitudinal (z) du guide, sur au moins une face interne au guide de la plaque inférieure (23), la plaque supérieure (24) ou la plaque centrale (20), comprenant au moins partiellement un matériau présentant des pertes hyperfréquences ; pour former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. 2. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 1, dans lequel le matériau présentant des pertes hyperfréquences est un diélectrique à pertes hyperfréquences. 3. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 2, dans lequel au moins une rainure (25) a une section constante et comprend une quantité croissante d'un même diélectrique à pertes hyperfréquences lorsque l'abscisse augmente selon l'axe du guide orienté dans le sens de propagation d'onde. 4. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 2, dans lequel au moins une rainure (25) a une section constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et est pleine de 14 diélectrique à pertes hyperfréquences dont le niveau de pertes hyperfréquences augmente quand ladite abscisse augmente. 5. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 5 1, dans lequel le matériau à pertes hyperfréquences est une couche d'un mélange de métaux choisis parmi fer, nickel, molybdène, et titane, recouvrant au moins partiellement la surface interne d'une rainure (25). 6. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 10 5, dans lequel au moins une rainure (25) a une section dont la longueur d'arrête est constante et comprend une quantité croissante d'une couche de même dit mélange de métaux lorsque ladite abscisse augmente. 7. Ligne à onde lente en guide replié selon la revendication 15 5, dans lequel au moins une rainure (25) a une section dont la longueur d'arrête est constante ou croissante lorsque ladite abscisse augmente et comprend une couche de même dit mélange de métaux. 8. Procédé de fabrication d'une ligne à onde lente en guide 20 replié munie d'une charge interne comprenant des étapes consistant à: percer un trou (21) de glissement de faisceau, rectiligne de même direction que l'axe longitudinal (z) d'une plaque centrale (20), et une fente (22) repliée en forme de serpentin ayant ses replis dans le sens 25 de la largeur du guide ; réaliser au moins une rainure (25) de section pouvant être variable, selon l'axe longitudinal (z) du guide, sur au moins une face interne au guide d'une plaque inférieure (23), une plaque supérieure (24) ou la plaque centrale (20), comprenant au moins partiellement un matériau 30 présentant des pertes hyperfréquences ; de manière à former un guide à onde lente hybride tel que l'amplitude d'une onde soit atténuée d'au moins 20 dB entre le début et la fin de la partie de la ou les rainures contenant un matériau à pertes. 35 15 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant, en outre une étape consistant à fermer le guide par la plaque inférieure (23) et la plaque supérieure (24), fixées respectivement sur la face inférieure et sur la face supérieure de la plaque centrale (20). 5