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EMI1.1
06CILLAT'I3R A TIM HAUTE FBEQ.mNCE.
La présente invention est relative à des appareils à décharges électriques à très haute fréquence, du type à espace résonnant.
Par suite des demandes croissantes d'appareils à décharges électriques à très haute fréquence, il est apparu que beaucoup de dispositifs utilisés jusqu'à présent ne donnent pas satisfaction par suite de la forte diminution de l'impédance d'entrée, lorsque la fréquence de fonctionnement criît. La présente invention a pour objet un appareil à décharges électriques opérant d'une manière satisfaisante aux fréquences ultra-élevées et ne présentant pas les nombreux désavantages des dispositions précédentes.
Un autre objet de l'invention est de présenter une triode nouvelle et per- . fectionnée, à très haute fréquence, oscillatrice ou amplificatrice, du type à es-
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-pace résonnant, comprenant une cavité résonnante ou des cavités, qui peuvent être considérées comme constituées par des parties isolées d'un-guide d'ondes dié- lectrique.
Un autre objet de l'invention est de présenter une triode oscillatrice à très haute fréquence du type à espace résonnant comprenant plusieurs cavités réson- nantes accordées, liées métalliquement, des moyens pour effectuer une concentration des différences de potentiel dues aux ondes électromagnétiques à l'intérieur des cavités respectives et d'un chemin de décharge électrique maintenant en oscillations l'appareil électrique.
En résumé, la présente invention fournit un appareil à décharges électri- ques, de fréquence élevée, tel qu'une triode oscillatrice à haute fréquence, compre- nant une paire de cavités résonnantes reliées métalliquement, de dimensions telles qu'elles supportent des ondes électromagnétiques de fréquence prédéterminée. Les cavités possèdent une liaison métallique commune et cette liaison est munie d'une ouverture de communication.
Des moyens, tels qu'une ouverture ou fente résonnante, sont prévus dans les parois transversales de chacune des cavités pour effectuer une concentration de la différence de potentiel due aux ondes électromagnétiques, dans chacune des cavités, et des dispositifs à décharges électriques sont associés à l'ouverture de la liaison métallique et aux ouvertures résonnantes pour produire et maintenir en oscillations l'appareil à décharges électriques dans son ensemble, pour que l'énergie puisse être dérivée de m'une quelconque des cavités.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un amplificateur à haute fréquence, nouveau et perfectionné, du type à espace résonnant, comprenant deux cavités accordées ou parties d'un guide d'ondes diélectrique du type tube creux chacune des cavités ou de ces parties comprenant des moyens, comme par exemple une ouverture ou fente résonnante, pour concentrer la différence de potentiel due aux ondes électromagnétiques et au chemin associé de décharges contrôlées. Une élec- trode d'entrée est associée à la cavité grille-cathode et une électrode de débit à la cavité anode-grille.
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompa- gnent donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale faite dans une triode oscillatrice à haute fréquence, construite en accord avec la pré- sente invention;
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- la figure 2 est une coupe faite par la ligne 2-2 de la fig.l repré- sentant en particulier les parois transversales comprenant les ouvertures résonnantes et les anode et cathode associées qui constituent un chemin de décharges électriques;
- la figure 3 est'une modification de l'invention, appliquée à un amplifi- cateur à haute fréquence du type à espace résonnant.
Comme il a été dit plus haut, les cavités résonnantes employées dans l'ap- pareil à décharges électriques présenté par l'invention, peuvent être considérées comme étant des parties isolées ou accordées d'un guide d'ondes diélectrique du type tube creux. Par conséquent, il est utile de revoir brièvement certains aspects fon- damentaux des guides d'ondes diélectriques du type tube creux.
Il est maintenant généralement connu que des ondes électromagnétiques à haute fréquence peuvent être transmises par des guides d'ondes diélectriques du type tube creux, telsdque ceux construits en une substance conductrice ,comme du cuivre ou du laiton, la fréquence à laquelle le guide est excité étant plus grande que la fréquence critique ou de coupure.
Les types d'ondes pouvant être transmis diéleo- triquement par les guides de ce type sont nombreux et ont été classés en types E et H ,Bien que la présente invention puisse être appliquée aux ondes électromagné- tiques de différents types, on se réfère particulièrement dans la description qui suit au type d'onde HO1 vu qu'il est d'ordre et de mode moins complexe et qu'il est est plus facile à produire et à utiliser que certaines ondes d'ordre plus élevé,
Lorsque le guide d'ondes diélectrique ou une partie de celui-ci est excité à une fréquence plus grande que la fréquence critique ou minimum, l'onde se propage le long du guide de section rectangulaire de hauteur a et de base b et aura une constante de phase pouvant être exprimée comme suit :
EMI3.1
où W est la vitesse angulaire de l'onde qui se propage dans le milieu égale à 2 # f, où f est la fréquence de l'onde ou, dans le cas d'une cavité, la fréquence naturelle de la cavité; est la perméabilité du milieu existant dans le guide ou dans la cavité; # 1 est la constante diélectrique effective du milieu ; n et m sont respectivement l'ordre et le mode de propagation de l'onde électromagnétique considérée,
On notera que, dans l'équation (1), #1 est défini comme étant la constante diélectrique effective du milieu.
Les appareils à décharge électrique présentés par
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l'invention, comprennent un chemin de décharge électrique, o'est-à-dire une région de particules électriques chargées qui affecte la constante' diélectrique du milieu à l'intérieur des cavités. Plus particulièrement, la présence de particu- les chargées électriquement, telles que les électrons, donnent lieu à une diminution de la constante diélectrique du milieu et affectent la constante de phase et la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de phase supportées par les cavités res- pectives. Il est, par conséquent, nécessaire, lors du calcul de la constante de pha- se et de la longueur d'onde de phase, d'employer la valeur effective de la constante diélectrique, modifiée par la présence des particules chargées.
D'une manière géné- rale, on peut dire que la constante diélectrique effective du milieu est une fonction de la modification de constante diélectrique du milieu dans lequel n'est présente aucune particule chargée, d'une quantité directement proportionnelle au nombre de particules chargées par unité de volume et au carré de la charge élémentaire de cha- que particule, et inversement proportionnelle à la masse de chaque charge et à une certaine fonction de la fréquence*
La fréquence critique fo peut être définie comme suit
EMI4.1
Par conséquent, la longueur d'onde de phase des ondes électromagnétiques se propa- geant à travers le guide, ou la longueur d'onde de phase des ondes électromagnétiques dans une cavité, peut être définie comme étant :
EMI4.2
La fig,l des dessins annexes représente schématiquement l'application de l'invention à un appareil à décharges électriques, tel qu'une triode oscillatrice à haute fréquence, comprenant une paire de cavités résonnantes accordées 1 & 2, re- liées métalliquement par un métal de conductibilité électrique relativement élevée, tel que le cuivre.
Les cavités 1 & 2 possèdent une liaison métallique commune, tel- le qu'une plaque 3, les autres liaisons longitudinales des cavités 1 & 2 étant four- nies par une plaque métallique 4 de base et une claque métallique 5 de recouvrement, Les extrémités des cavités sont munies de plaques métalliques 6 & 7 et les faces la- térales représentées fig.2 sont soudées de manière à former un volume scellé hermé- tiquement.
La dimensions longitudinale des cavités résonnantes 1 et 2 est choisie de manière à être un multiple entier, pair ou impair, d'une demi-longueur d'onde de l'onde électromagnétique qui se propagerait à travers les cavités si ces dernières étaient
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étaient constituées de parties d'un guide d'ondes diélectrique du type cylin- dre creux. Par conséquent, une valeur qui peut être choisie comme dimension longitu- dinale, est #g/2, où #g est définie par l'équation (3) ci-dessus.
La liaison métallique commune 3 est munie d'une ouverture 8 servant comme chemin de communication entre les cavités et permettant l'établissement d'une déchar- ge électrique, ce qui va être décrit ci-après.
A l'intérieur de chacune des cavités acoordées 1 et 2, sont prévus des moyens pour accentuer ou concentrer la différence de potentiel due aux ondes électro- magnétiques à l'intérieur des cavités respectives. Ces moyens sont constitués d'une paroi munie d'ouvertures accordées ou résonnantes, de fentes résonnantes par exemple, accordées sensiblement à la fréquence naturelle des cavités.
Par exemple, à l'inté- rieur des cavités 1 et 2, sont placées des parois transversales comprenant les dif- férentes parties 9,10, 11 & 12, également représentées à la fig.2, définissant en conjonction avec la plaque métallique 2 ,des ouvertures ou fentes résonnantes 13 & 14 de hauteur h et de longueur L . Ces ouvertures ont leur plus grande dimension sen- siblement transversale par rapport à la composante électrique du champ électromagné- tique à l'intérieur des cavités et, en vertu de leurs dimensions, elles sont réson- nantes, c'est-à-dire qu'elles possèdent une Inductance et une capacitance effective de distribution, établissant des fréquences de résonance naturelle correspondant aux fréquences naturelles des cavités respectives,
Il existe une relation définie entre la hauteur h et la longueur L des ouvertures résonnantes pour que la condition de résonance soit semplie, qui est im- portante, non seulement pour obtenir une concentration de la tension due aux ondes à l'intérieur des cavités, mais également pour maintenir sensiblement non réfléchissan- tes les parois transversales de manière à ne pas troubler les caractéristiques réson- nantes des cavités. L'impédance totale #o d'un guide d'ondes diélectrique ou dtune cavité rectangulaire constituée d'une partie d'un guide d'ondes diélectrique, utili- sant un milieu diélectrique}' peut être exprimée comme suit
EMI5.1
où # 1 est la constante diélectrique effective du milieu et c la vitesse de la lumière.
Si cette impédance totale est constante le long du guide, l'onde ne sera pas réfléchie. Pour maintenir constante cette impêdance lors de variations des dimen- sions a et b , la relation suivante doit exister à toute longueur d'onde ou fré- quence particulière :
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EMI6.1
a >\ 1 g - constante -= k -m; - (5) b
Comme expliqué plus haut, les ouvertures 13 et 14 sont résonnantes. Il est évident que la fréquence naturelle ou fréquence de résonance, ou les fréquences des ouvertures ou fentes 13 et 14, seront affectées par la constante diélectrique du milieu dans lequel ces fentes sont placées.
De plus, ces fréquences sont fonctions de la constante diélectrique effective du milieu, comme modifié par la présence d'une région de particules électriques chargées, des électrons par exemple, qui constituent le faisceau transmis de la cathode 16 à l'anode 15. Cette variation de la constante diélectrique sera comprise en tenant compte du fait que la capacité de distribution effective des fentes 13 & l4,lorsqutun faisceau électronique est présent, est moindre que lorsqu'aucun faisceau n'est présent. Il en résulte que, lors du choix des dimen- sions, h et L des fentes 13 et 14, l'effet de la région de particules chargées doit être pris en considération.
Considéré d'une façon générale, on peut dire que pour une fente d'une hauteur et d'une largeur données, l'établissement d'une région de particules chargées va réduire la valeur de la capacité de distribution de la fente, puisque ,comme il est bien connu, la capacité est directement proportionnelle à la constante diélectrique et inversement proportionnelle à la distance entre les surfaces considérées. Par conséquent, si la fente est résonnante pour une onde élec- tromagnétique d'une fréquence particulière, aucune région de particules chargées n'é- tant présente, lors de l'établissement d'une telle région, la hauteur effective h de la fente doit être diminuée de façon à ce que la capacité résultante résonne avec l'inductance distribuée.
En d'autres mots, le rapport de là dimension h à la lon- gueur L doit être diminué par suite de l'existence de la région de particules char- gées.
Si la variation des dimensions du guide est une très petite fraction de la longueur d'onde )\ g, il y aura réflexion à la discontinuité ainsi produite, mais cette réflexion est inefficace par suite d'une réflexion à une seconde discontinuité située à une fai'ble distance le long du guide ou de la cavité de la première discon- tinuité. Par l'utilisation d'une fente résonnante rectangulaire, ou son équivalent, l'impédance totale de la fente est rendue exactement égale à l'impédance totale du guide ou de la cavité, puisque la réflexion produite à l'entrée de la fente est exac- tement annulée par la réflexion à la sortie.
Les relations ci-dessus relatives au choix des dimensions h et L pour maintenir la fente dans des conditions de résonance, sont indépendantes de la posi- tion de la fente dans la cloison transversale, Dans le dispositif des figures 1 et 2
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les ouvertures résonnantes 13 & 14 sont adjacentes à et partiellement définies par la plaque métallique 3 de liaison.
Des dispositifs de décharge électrique sont prévus pour établir une région de particules chargées, un flux électronique par exemple, de façon à maintenir en oscillations l'appareil à décharges électriques dans son ensemble,, Ce dernier com- prend une anode 15 et une cathode taermionique 16 placées des deux côtés de la pla- que de liaison 3, en alignement avec l'ouverture 8. L'anode 15 et la cathode 16 sont maintenues espacées l'une de l'autre et des cloisons 9, 10, et 11, 12, respec- tivement, au moyen d'isolateurs vitreux 17 et 18 de section cylindrique.
La cathode 16 est munie d'un élément de chauffage 19 et l'anode 15 et la cathode 16 sont dispo- sées de telle manière que leurs faces constituent une liaison longitudinale pour la fente résonnante, les surfaces extérieures de ces éléments étant sensiblement parai- lèles aux bords des ouvertures ou éléments 9-12, inclusivement.
L'anode 15 et la cathode 16 sont électriquement isolées non seulement des cloisons 9-12 mais aussi des parois délimitant les cavités; des isolateurs de scel- lement en verre 20 & 21 sont prévus à cet effet et traversent la plaque supérieure 5 et la plaque inférieure 4, respectivement, Ces scellements sont importants pour maintenir les cavités à faible pression désirée, laquelle facilite l'établissement et le contrôle du chemin de décharge électrique. Les conducteurs 22 et 23 traversent les isolateurs 20 et 21 et sont reliés à l'anode 15 et à la cathode 16, respective- ment,
Pour moduler ou contrôler le flux électronique, une grille électrostatique 24 est placée entre l'anode 15 et la cathode 16 et est reliée conductivement à la plaque de liaison 3.
Pour fournir de la puissance à l'appareil à décharge électrique dans son en- semble, une source de tension continue, telle qu'une batterie 25, à son extrémité po- sitive reliée à l'anode 15 et son extrémité négative à la cathode 16. L'enveloppe métallique de l'appareil à décharge est reliée au sol, auquel cas les potentiels haute fréquence d'anode et de cathode peuvent être considérés comme étant en phase l'un par rapport à l'autre, le potentiel de la grille restant fixe par suite de sa liaison à la terre.
Des moyens sont prévus pour coupler les cavités 1 et 2 de telle manière que de l'énergie puisse être dérivée de la cavité anode-grille 1 et transmise à la cavité grille-cathode 2 pour maintenir en oscillations l'appareil à décharge. Lorsque l'é- lément de contrôle électrostatique ou grille 24 est maintenu au potentiel de grille,
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ce qui correspond à une mise en phase des potentiels d'anode et de cathode, on peut employer des moyens de couplage entre les cavités anode-grille et grille- cathode, comprenant un élément de couplage inverseur de phase, tels qiune double bou- cle 26, placée dans une ouverture 27 pratiquée dans la plaque métallique 3 de liaison De cette manière, un déphasage convenable est obtenu entre les tensions des cavités anode-grille et grille-cathode.
L'énergie peut être extraite des cavités de l'appareil à décharges par une variété d'électrodes et, dans le but d'illustrer l'une de ces formes, le dispositif d'électrode employé a été représenté schématiquement comme étant constitue d'une ligne de'transmission concentrique ou coaxiale comprenant un conducteur tubulaire 28 et un conducteur concentrique 29, ce dernier formant une boucle 30 à l'intérieur de la cavité anode-grille 1. Evidemment, un isolateur de scellement, tel que ldisola- teur vitreux 31 peut être placé à l'intérieur du conducteur 28 et scellé aux deux conducteurs 28 et 29.
L'élément de chauffage 19 de la cathode 16 est muni de conducteurs terminaux 32 & 33, accessibles de l'extérieur et supportés par des isolateurs de verre 34 & 35.
Le dispositif représenté aux figure 1 & 2 fournit des ondes électromagnéti- ques à haute fréquence, l'énergie de l'appareil étant extraite de l'une des cavités résonnantes, la cavité 1, par exemple, par l'intermédiaire de la ligne de transmis- sion concentrique comprenant les conducteurs 28 et 29. L'énergie servant au fonc- tionnement de l'appareil à décharges électriques est prise aux bornes de la batterie 25 par le circuit anode-cathode du chemin de décharge électrique comprenant l'anode 15 et la cathode 16.
Les tensions périodiques d'excitation et de maintien en oscil- lations des cavités résonnantes 1 & 2 sont produites par le contrôle ou la modulation du flux électronique du chemin de décharges, ce contr8le ou cette modulation étant produits princinalement par variations périodiques de potentiel de la grille de con- trôle électrostatique 24.
Par suite du fait que l'assemblage de parois transversales comprenant les cloisons 9-10 ,inclusivement, et le chemin de décharge électrique qui leur est as- socié, sont logés dans le voisinage du maximum du boucle de potentiel, la modulation du flux électronique est effective pour produire des ondes électromagnétiques à l'in- térieur de la cavité 1 qui peut être considérée, dans un but d'analyse élémentaire, comme étant alimenêe aux bords horizontaux de la fente résonnante 13. Par suite de la-nature résonnante de la cavité 1, une onde électromagnétique entretenue y est maintenue.
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La réaction ou couplage entre les cavités 1 & 2 est obtenue par l'inter- médiaire de la boucle 26, c'est-à-dire que de l'énergie est dérivée de la cavité anode-grille 1 et transmise à la cavité grille-cathode 2, de manière à maintenir cette dernière cavité en oscillations.
Les oscillations établies à l'intérieur de la cavité 2 produisent une onde électromagnétique entretenue, dont le maximum de po- tentiel est situé dans le voisinage des cloisons transversales 11 et 12, concentrant ainsi la différence de potentiel due à l'onde par l'action d'une fente résonnante 14 pour utiliser d'une façon plus effective cette différence de potentiel pour le con- trôle ou la modulation du flux électronique, par suite de l'effet électrostatique de la grille 24,, La variation du potentiel de grille 24, provoquée par la variation de tension aux bords horizontaux de la fente 14, module le flux électronique qui, à son tour, produit des variations périodiques de potentiel aux bords horizontaux de la fente 13,
maintenant ainsi en oscillations les deux cavités 1 & 2, par une série de phénomènes décrits plus haut.
Comme expliqué plus haut, lorsque l'enveloppe métallique entière, c'est-à- dire le dispositif de liaison, est relié au potentiel de terre, la grille 24 peut être considérée comme étant à un potentiel fixe, et les potentiels d'anode et de ca- thode peuvent être considérés comme variant en phase par rapport à la grille 24., Par conséquent, lorsqu'un tel dispositif est utilisé, la double boucle 26 produit l'in- version de phase désirée de sorte que les tensions des cavités grille-catbode et anode-grille sont déphasées de la valeur nécessaire au maintien en oscillations de l'appareil à décharges dans son ensemble,
La figure 3 représente schématiquement une modification de l'intention appliquée à un amplificateur haute fréquence du type à espace résonnant, ce disposi- tif étant similaire,
sous beaucoup de points de vue, à celui de la fig.l; les éléments correspondants ont été désignés par les mêmes numéros de référence. Dans le dispo- sitif de la fig.3, on notera que la liaison métallique 3 est continue, excepté en ce qui concerne l'ouverture 8 et des moyens additionnels de couplage ne sont pas né- cessaires entre les cavités résonnantes 1 & 2. Dans le'dispositif de la figure 3, des moyens sont prévus pour établir dans la cavité grille-cathode 2 des ondes élec- tromagnétiques de fréquence prédéterminée sur laquelle est accordé la cavité 2. Ces moyens comprennent une ligné de transmission concentrique ou coaxiale à haute fré- quence, comprenant un conducteur extérieur 36 et un conducteur Intérieur 37, munis d'un isolateur de scellement 38.
Dans cette modification de l'invention, le dispo- sitif d'électrodes comprenant les conducteurs 28 et 29 constitue une électrode de débit.
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Le dispositif de la figure 3 fonctionne comme un amplificateur de tensions ou signaux à haute fréquence fournis par l'électrode d'entrée comprenant les conducteurs 36 & 37, D'un point de vue élémentaire, le fonctionnement de ce dis- positif peut être considéré de la manière suivante, L'excitation dela cavité grille- cathode 2 par les électrodesdéntrée 36 & 37, établit à l'intérieur de la cavité 2 une onde électromagnétique entretenue, par suite des conditions de résonance de la cavité pour la fréquence de l'excitation d'entrée, La fente résonnante 14 effectue une concentration de la différence de potentiel due à l'onde entretenue dans la ca- vité 2 et, par conséquent, module le flux électronique transmis entre la cathode 16 et l'anode 15,
de telle sorte que des tensions amplifiées apparaissent aux bornes horizontales de la fente résonnante 13 dans la cavité anode-grille 1. Il en résulte qu'une onde électromagnétique entretenue est établie à l'intérieur de la cavité 2, cette onde possédant une valeur amplifiée, laquelle est transmise à un circuit de dé- bit ou d'utilisation qui peut être relié à l'électrode de débit comprenant les con- ducteurs 28 & 29.
Il est évident que l'amplificateur à haute fréquence de la fig,3 peut être employé de plusieurs façons* Par exemple, l'appareil peut servir à amplifier de faibles signaux à haute fréquence. Il peut êgalement être modifié pour être utilisé comme amplificateur de régénération dans lequel une composante prédéterminée de la tension débitée ,dé rivée des conducteurs 28 & 29, réagit avec l'électrode d'entrée comprenant les conducteurs 36 & 37.
Bien qu'on ait décrit et représenté plusieurs formes de réalisation de l'in- vention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données simplement à titre d'exemples non limitatifs et que , par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci- dessvs rentret'aient comme elles dans le cadre de l'invention.
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- RE:SU - 1)ICATIONS -
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06CILLAT'I3R A TIM HAUTE FBEQ.mNCE.
The present invention relates to very high frequency electrical discharge devices, of the resonant space type.
As a result of the increasing demands of very high frequency electric discharge devices, it has appeared that many devices used up to now do not give satisfaction due to the sharp decrease in input impedance when the frequency of operation screamed. The present invention relates to an electric discharge apparatus operating satisfactorily at ultra-high frequencies and not exhibiting the numerous disadvantages of the preceding arrangements.
Another object of the invention is to present a new and permanent triode. designed, at very high frequency, oscillating or amplifying, of the es-
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-resonant space, comprising a resonant cavity or cavities, which can be considered as constituted by isolated parts of a dielectric waveguide.
Another object of the invention is to present a very high frequency oscillating triode of the resonant space type comprising several tuned resonant cavities, metallically linked, means for effecting a concentration of the potential differences due to electromagnetic waves at the interior of the respective cavities and of an electric discharge path maintaining the electric apparatus in oscillations.
In summary, the present invention provides a high frequency electric discharge apparatus, such as a high frequency oscillating triode, comprising a pair of metallically connected resonant cavities, sized to support electromagnetic waves. of predetermined frequency. The cavities have a common metal connection and this connection is provided with a communication opening.
Means, such as a resonant opening or slit, are provided in the transverse walls of each of the cavities for effecting a concentration of the potential difference due to the electromagnetic waves, in each of the cavities, and electrical discharge devices are associated with it. the opening of the metal link and the resonant openings to produce and keep oscillating the electrical discharge apparatus as a whole, so that energy can be derived from any of the cavities.
Another object of the present invention is to provide a new and improved high-frequency amplifier of the resonant space type, comprising two tuned cavities or parts of a dielectric waveguide of the hollow tube type each of the cavities or of these. parts comprising means, such as for example a resonant opening or slit, for concentrating the potential difference due to electromagnetic waves and the associated path of controlled discharges. An input electrode is associated with the grid-cathode cavity and a flow electrode with the anode-grid cavity.
The advantages and new features of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given simply by way of non-limiting example and in which: FIG. 1 diagrammatically represents a sectional view. longitudinal made in a high frequency oscillating triode, constructed in accordance with the present invention;
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FIG. 2 is a section taken on line 2-2 of FIG. 1, showing in particular the transverse walls comprising the resonant openings and the associated anode and cathode which constitute an electric discharge path;
FIG. 3 is a modification of the invention, applied to a high frequency amplifier of the resonant space type.
As mentioned above, the resonant cavities employed in the electric discharge apparatus presented by the invention can be considered to be isolated or tuned parts of a hollow tube type dielectric waveguide. Therefore, it is useful to briefly review some basic aspects of hollow tube type dielectric waveguides.
It is now generally known that high frequency electromagnetic waves can be transmitted through hollow tube type dielectric waveguides, such as those constructed of a conductive substance, such as copper or brass, at the frequency at which the guide is excited. being greater than the critical or cutoff frequency.
The types of waves which can be dielectrically transmitted by guides of this type are numerous and have been classified into types E and H. Although the present invention can be applied to electromagnetic waves of different types, particular reference is made to in the following description to the HO1 wave type since it is less complex in order and mode and is easier to produce and use than certain higher order waves,
When the dielectric waveguide or a part of it is excited at a frequency greater than the critical or minimum frequency, the wave propagates along the guide of rectangular section of height a and base b and will have a phase constant which can be expressed as follows:
EMI3.1
where W is the angular speed of the wave propagating in the medium equal to 2 # f, where f is the frequency of the wave or, in the case of a cavity, the natural frequency of the cavity; is the permeability of the medium existing in the guide or in the cavity; # 1 is the effective dielectric constant of the medium; n and m are respectively the order and the mode of propagation of the electromagnetic wave considered,
Note that in equation (1), # 1 is defined as the effective dielectric constant of the medium.
Electric discharge devices presented by
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The invention comprises an electric discharge path, i.e. a region of charged electric particles which affects the dielectric constant of the medium within the cavities. More particularly, the presence of electrically charged particles, such as electrons, results in a decrease in the dielectric constant of the medium and affects the phase constant and the wavelength of the phase electromagnetic waves supported by the res cavities. - pectives. It is, therefore, necessary, when calculating the phase constant and the phase wavelength, to use the effective value of the dielectric constant, modified by the presence of the charged particles.
In general, we can say that the effective dielectric constant of the medium is a function of the modification of the dielectric constant of the medium in which no charged particle is present, by an amount directly proportional to the number of charged particles. per unit of volume and squared of the elementary charge of each particle, and inversely proportional to the mass of each charge and to a certain function of the frequency *
The critical frequency fo can be defined as follows
EMI4.1
Therefore, the phase wavelength of electromagnetic waves propagating through the guide, or the phase wavelength of electromagnetic waves in a cavity, can be defined as:
EMI4.2
Fig, 1 of the accompanying drawings schematically shows the application of the invention to an electric discharge apparatus, such as a high frequency oscillating triode, comprising a pair of tuned resonant cavities 1 & 2, metallically connected by a relatively high electrically conductive metal, such as copper.
Cavities 1 & 2 have a common metal connection, such as a plate 3, the other longitudinal connections of cavities 1 & 2 being provided by a base metal plate 4 and a metal cover 5. cavities are provided with metal plates 6 & 7 and the side faces shown in fig.2 are welded so as to form a hermetically sealed volume.
The longitudinal dimensions of the resonant cavities 1 and 2 are chosen so as to be an integer multiple, even or odd, of a half wavelength of the electromagnetic wave which would propagate through the cavities if the latter were
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consisted of parts of a hollow cylinder type dielectric waveguide. Therefore, a value that can be chosen as the longitudinal dimension, is # g / 2, where #g is defined by equation (3) above.
The common metal link 3 is provided with an opening 8 serving as a communication path between the cavities and allowing the establishment of an electric discharge, which will be described below.
Inside each of the coordinated cavities 1 and 2, there are provided means for accentuating or concentrating the potential difference due to the electromagnetic waves inside the respective cavities. These means consist of a wall provided with tuned or resonant openings, resonant slots for example, tuned substantially to the natural frequency of the cavities.
For example, inside the cavities 1 and 2, are placed transverse walls comprising the various parts 9,10, 11 & 12, also shown in fig. 2, defining in conjunction with the metal plate 2 , resonant openings or slits 13 & 14 of height h and length L. These openings have their largest dimension which is substantially transverse to the electric component of the electromagnetic field inside the cavities and, by virtue of their dimensions, they are resonant, i.e. 'they have an Inductance and an effective distribution capacitance, establishing natural resonant frequencies corresponding to the natural frequencies of the respective cavities,
There is a definite relation between the height h and the length L of the resonant openings so that the resonance condition is fulfilled, which is important, not only to obtain a concentration of the voltage due to the waves inside the cavities, but also to keep the transverse walls substantially non-reflective so as not to disturb the resonant characteristics of the cavities. The total impedance #o of a dielectric waveguide or rectangular cavity made up of part of a dielectric waveguide, using a dielectric medium} 'can be expressed as follows
EMI5.1
where # 1 is the effective dielectric constant of the medium and c is the speed of light.
If this total impedance is constant along the guide, the wave will not be reflected. To keep this impedance constant during variations of the dimensions a and b, the following relation must exist at any particular wavelength or frequency:
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EMI6.1
a> \ 1 g - constant - = k -m; - (5) b
As explained above, the openings 13 and 14 are resonant. It is obvious that the natural frequency or resonant frequency, or the frequencies of the apertures or slits 13 and 14, will be affected by the dielectric constant of the medium in which these slits are placed.
In addition, these frequencies are functions of the effective dielectric constant of the medium, as modified by the presence of a region of charged electric particles, electrons for example, which constitute the beam transmitted from cathode 16 to anode 15. This variation of the dielectric constant will be understood taking into account the fact that the effective distribution capacity of the slits 13 & 14, when an electron beam is present, is less than when no beam is present. As a result, when choosing the dimensions, h and L of the slits 13 and 14, the effect of the charged particle region must be taken into account.
Considered in general terms, it can be said that for a slit of a given height and width, the establishment of a region of charged particles will reduce the value of the slit distribution capacity, since, as is well known, the capacitance is directly proportional to the dielectric constant and inversely proportional to the distance between the surfaces considered. Therefore, if the slit is resonant for an electromagnetic wave of a particular frequency, no region of charged particles is present, when such a region is established, the effective height h of the slit. must be decreased so that the resulting capacitance resonates with the distributed inductance.
In other words, the ratio of dimension h to length L must be decreased due to the existence of the region of charged particles.
If the variation in guide dimensions is a very small fraction of the wavelength) \ g, there will be reflection at the discontinuity thus produced, but this reflection is inefficient as a result of reflection at a second discontinuity located at a short distance along the guide or the cavity of the first discontinuity. By the use of a rectangular resonant slit, or its equivalent, the total impedance of the slit is made exactly equal to the total impedance of the guide or cavity, since the reflection produced at the entrance of the slit is exactly canceled by the reflection at the exit.
The above relations relating to the choice of dimensions h and L to maintain the slot in resonant conditions, are independent of the position of the slot in the transverse partition, In the device of Figures 1 and 2
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the resonant openings 13 & 14 are adjacent to and partially defined by the metal connecting plate 3.
Electric discharge devices are provided for establishing a region of charged particles, for example an electronic flux, so as to keep the electric discharge apparatus as a whole oscillating. The latter comprises an anode and a taermionic cathode. 16 placed on both sides of the connecting plate 3, in alignment with the opening 8. The anode 15 and the cathode 16 are kept spaced from each other and from the partitions 9, 10, and 11, 12, respectively, by means of glass insulators 17 and 18 of cylindrical section.
Cathode 16 is provided with a heating element 19 and the anode 15 and cathode 16 are so arranged that their faces form a longitudinal connection to the resonant slot, the outer surfaces of these elements being substantially parallel. lels at the edges of openings or elements 9-12, inclusive.
The anode 15 and the cathode 16 are electrically insulated not only from the partitions 9-12 but also from the walls delimiting the cavities; glass seal insulators 20 & 21 are provided for this purpose and pass through the upper plate 5 and the lower plate 4, respectively. These seals are important in maintaining the cavities at the desired low pressure, which facilitates the establishment and removal. electric discharge path control. The conductors 22 and 23 pass through the insulators 20 and 21 and are connected to the anode 15 and to the cathode 16, respectively,
To modulate or control the electronic flux, an electrostatic grid 24 is placed between the anode 15 and the cathode 16 and is conductively connected to the connection plate 3.
To supply power to the electric discharge apparatus as a whole, a direct voltage source, such as a battery 25, at its positive end connected to the anode 15 and its negative end to the cathode 16. The metal casing of the discharge apparatus is connected to the ground, in which case the high frequency potentials of anode and cathode can be considered to be in phase with each other, the potential of the grid remaining fixed due to its connection to the earth.
Means are provided for coupling the cavities 1 and 2 in such a way that energy can be derived from the anode-grid cavity 1 and transmitted to the grid-cathode cavity 2 in order to keep the discharge apparatus oscillating. When the electrostatic control element or gate 24 is maintained at gate potential,
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which corresponds to a phasing of the anode and cathode potentials, it is possible to use coupling means between the anode-grid and grid-cathode cavities, comprising a phase inverting coupling element, such as a double loop 26, placed in an opening 27 made in the metal connecting plate 3. In this way, a suitable phase shift is obtained between the voltages of the anode-grid and grid-cathode cavities.
Energy can be extracted from the cavities of the discharge apparatus by a variety of electrodes and, for the purpose of illustrating one of these forms, the electrode device employed has been shown schematically as being constituted by a concentric or coaxial transmission line comprising a tubular conductor 28 and a concentric conductor 29, the latter forming a loop 30 inside the anode-grid cavity 1. Obviously, a sealing insulator, such as the glass insulator 31 can be placed inside the conductor 28 and sealed to the two conductors 28 and 29.
The heating element 19 of the cathode 16 is provided with terminal conductors 32 & 33, accessible from the outside and supported by glass insulators 34 & 35.
The device shown in Figures 1 & 2 supplies high frequency electromagnetic waves, the energy of the device being extracted from one of the resonant cavities, cavity 1, for example, via the power line. Concentric transmission comprising conductors 28 and 29. The energy used to operate the electric discharge apparatus is taken at the terminals of the battery 25 by the anode-cathode circuit of the electric discharge path comprising the anode 15 and cathode 16.
The periodic voltages of excitation and maintenance in oscillation of the resonant cavities 1 & 2 are produced by the control or the modulation of the electronic flux of the discharge path, this control or this modulation being produced mainly by periodic variations of the potential of the electrostatic control grid 24.
As a result of the fact that the assembly of transverse walls comprising the partitions 9-10, inclusive, and the electric discharge path which is associated with them, are housed in the vicinity of the maximum of the potential loop, the modulation of the electronic flux is effective to produce electromagnetic waves inside cavity 1 which can be considered, for the purpose of elementary analysis, to be fed to the horizontal edges of the resonant slot 13. As a result of the resonant nature of the cavity 1, a maintained electromagnetic wave is maintained there.
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The reaction or coupling between the cavities 1 & 2 is obtained through the intermediary of the loop 26, that is to say that energy is derived from the anode-grid cavity 1 and transmitted to the grid cavity -cathode 2, so as to maintain this latter cavity in oscillations.
The oscillations established inside the cavity 2 produce a sustained electromagnetic wave, whose maximum potential is situated in the vicinity of the transverse partitions 11 and 12, thus concentrating the potential difference due to the wave by the action of a resonant slot 14 in order to use this potential difference more effectively for the control or the modulation of the electronic flux, as a result of the electrostatic effect of the gate 24 ,, The variation of the gate potential 24, caused by the voltage variation at the horizontal edges of the slot 14, modulates the electronic flux which, in turn, produces periodic variations in potential at the horizontal edges of the slot 13,
thus maintaining the two cavities 1 & 2 in oscillations, by a series of phenomena described above.
As explained above, when the entire metal casing, i.e. the connecting device, is connected to the earth potential, the gate 24 can be considered to be at a fixed potential, and the anode potentials and cathode can be considered to vary in phase with respect to gate 24. Therefore, when such a device is used, double loop 26 produces the desired phase inversion so that the voltages of the grid-catbode and anode-grid cavities are out of phase by the value necessary to maintain the oscillations of the discharge device as a whole,
FIG. 3 schematically shows a modification of the intention applied to a high frequency amplifier of the resonant space type, this device being similar,
from many points of view, to that of fig.l; the corresponding elements have been designated by the same reference numbers. In the arrangement of FIG. 3, it will be noted that the metallic connection 3 is continuous, except as regards the opening 8 and additional coupling means are not necessary between the resonant cavities 1 & 2. In the device of FIG. 3, means are provided for establishing in the grid-cathode cavity 2 electromagnetic waves of predetermined frequency to which the cavity 2 is tuned. These means comprise a concentric or coaxial transmission line at high. frequency, comprising an outer conductor 36 and an inner conductor 37, provided with a sealing insulator 38.
In this modification of the invention, the electrode arrangement comprising the conductors 28 and 29 constitutes a flow electrode.
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The device of figure 3 operates as an amplifier of voltages or high frequency signals supplied by the input electrode comprising the conductors 36 & 37. From an elementary point of view, the operation of this device can be considered in the following manner, The excitation of the grid-cathode cavity 2 by the input electrodes 36 & 37, establishes inside the cavity 2 a sustained electromagnetic wave, as a result of the resonance conditions of the cavity for the frequency of the input excitation, The resonant slot 14 performs a concentration of the potential difference due to the continuous wave in the cavity 2 and, consequently, modulates the electronic flux transmitted between the cathode 16 and the anode 15,
such that amplified voltages appear at the horizontal terminals of the resonant slot 13 in the anode-gate cavity 1. As a result, a sustained electromagnetic wave is established inside the cavity 2, this wave having an amplified value , which is transmitted to a flow or utilization circuit which can be connected to the flow electrode comprising the conductors 28 & 29.
It is obvious that the high frequency amplifier of Fig, 3 can be employed in several ways * For example, the apparatus can be used to amplify weak high frequency signals. It can also be modified for use as a regeneration amplifier in which a predetermined component of the voltage output, derived from leads 28 & 29, reacts with the input electrode including leads 36 & 37.
Although several embodiments of the invention have been described and shown, it is obvious that one does not wish to limit oneself to these particular forms given merely by way of non-limiting examples and that, therefore, all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated above would fall within the scope of the invention as they do.
EMI10.1
- RE: SU - 1) ICATIONS -
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