EP0040998B1 - Oscillateur hyperfréquence à interaction étendue - Google Patents
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- H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
- H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator
- H01J25/11—Extended interaction klystrons
Definitions
- the present invention relates to an extended interaction microwave oscillator.
- Extended interaction oscillators are well known in the prior art. In English, refer to them as "extended interaction oscillators" or E.I.O.
- oscillators are mainly used towards millimeter wavelengths as measurement oscillators or as heterodyne radar transmitters and receivers. They consist of a relatively short periodical line section, since it generally only comprises around ten identical stages. This line generally comprises a succession of metal bars and slots or a series of metal valves, identical or not (case of the structure of the "rising sun” type). This line section is contained in a vacuum-tight housing.
- a linear electron beam crosses the line or licks it, however, a microwave wave is created which propagates inside the housing.
- the oscillation generally occurs in the 7 r mode.
- the present invention relates to an extended interaction oscillator which does not have these drawbacks.
- the extended interaction oscillator comprises a line with periodic structure constituted by a succession of valves, these valves being traversed or licked by a linear electron beam.
- Coupling orifices between the valves and the cavity are provided on the cavity, between two successive valves and at regular intervals.
- the beam anode voltage, the distances between two successive valves and between two successive coupling orifices are fixed so that the transit time of the electron beam from one coupling orifice to the next is close depending on the operating mode chosen ( ⁇ , 2 ⁇ , 3 ⁇ ), the period, or a multiple of the period, of the electric field whose wavelength is the cut-off wavelength of the cavity (Ac), the frequency of oscillations of the oscillator being equal to the cut-off frequency of the cavity.
- a coupling device makes it possible to draw from the cavity the energy output from the oscillator.
- Figure 1 relates to a perspective view of an extended interaction oscillator according to the prior art.
- This oscillator comprises a delay line 1 which consists of two identical metal plates which face each other. Each of these plates comprises the succession at regular intervals of two types of slots of unequal lengths: a small slot 2 and a large slot 3; the slots of the same name of the two plates are opposite. This is therefore a delay line 1 which comprises a succession of metal bars and slots.
- This delay line 1 is contained in a vacuum-tight housing 4.
- a linear electron beam is produced by an electron gun, not shown in the figure and which is located at one end of the housing 4.
- This electron beam propagates between the two plates which constitute the delay line 1 according to an axis 00 'which is the longitudinal axis of the housing 4.
- this electron beam is collected on a collector which is not shown.
- a magnetic focus not shown and constituted in a completely conventional manner by a solenoid or a permanent magnet, guides the electron beam along the axis 00 '.
- FIG. 2 relates to a perspective view of an embodiment of an extended interaction oscillator according to the invention and FIG. 3 relates to a cross-sectional view of another embodiment of the oscillator according to the invention .
- the extended interaction oscillator according to the invention comprises a line with periodic structure 1 which is constituted by the succession at regular intervals of valves 5.
- Each valve is pierced with an orifice 6, as shown in FIG. 2, or has a slot 11, as in FIG. 3.
- a linear electron beam propagates along the axis 00 'which passes through the middle of the slots or holes.
- This electron beam is emitted by an electron gun, focused along the axis 00 'by a magnetic focuser and finally, received by a collector; all these elements, barrel, focusing and collector, are well known in the prior art and are not shown in the figures.
- the electron beam can also be a flat beam which licks the upper edge of the valves 5 which then have neither orifice nor slot.
- Line 1 surmounts an almost completely closed cavity 7 which is rectilinear.
- the section of this cavity can take various forms; it can be circular for example. However, the cavity is most often formed by a straight parallelepiped whose section is a rectangle or a square. This is the case in FIG. 3 where the section of the cavity has the dimensions a along the horizontal and b along the vertical.
- the oscillator according to the invention comprises coupling orifices 8 between the valves and the cavity. These orifices are formed by slots drilled in the cavity between two successive valves and at regular intervals. In Figure 2, there is a coupling slot 8 in a gap between two valves.
- a coupling device makes it possible to take the output energy from the oscillator: this device can be constituted by a rectangular guide 9 connected to the cavity via an iris and extended by a flange 10.
- the cavity behaving like a waveguide at the cutoff frequency along the axis 00 'and in a tm min mode, the electric field which prevails inside the cavity is invariant along the longitudinal axis PP 'of the cavity which is parallel to 00'.
- the electric field E is symbolically represented in FIG. 2 by an arrow in broken line carried by the axis PP '.
- the coupling orifices 8 are therefore excited in phase by the electric field
- the anode voltage which determines the speed of the electron beam and the distance between two successive valves are chosen so that the transit time of the electron beam from one coupling orifice to the next is close to the period of the electric field whose wavelength is ⁇ c .
- the electron beam is thus braked by the electric field to which it transfers energy at the level of the coupling orifices, producing the useful microwave energy and maintaining oscillation.
- a resonant regime is thus established in the cavity at the cutoff frequency of the waveguide to which the cavity can be assimilated.
- the oscillation frequency of the oscillator according to the invention is the cutoff frequency of the waveguide to which the cavity 7 pierced with coupling orifices 8 can be assimilated. These are therefore the dimensions of the cavity which are important for setting the frequency of oscillations and not those of the valves as is the case for the oscillator of the prior art.
- Figure 3 there is shown schematically how it is possible to vary the horizontal dimension a of the base of the cavity formed by a right parallelepiped using a vertical piston 12. It would also be possible to vary the dimension b of the cavity.
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
- La présente invention concerne un oscillateur hyperfréquence à interaction étendue.
- Les oscillateurs à interaction étendue sont bien connus de l'art antérieur. En anglais, en les désigne par "extended interaction oscillators" ou E.I.O.
- Ces oscillateurs sont surtout utilisés vers les longueurs d'onde millimétriques comme oscillateurs de mesure ou comme émetteurs et récepteurs hétérodynes radars. Ils sont constitués par un tronçon de ligne à structure périodique, relativement court, puisqu'il ne comporte généralement qu'une dizaine d'étages indentiques. Cette ligne comporte généralement une succession de barreaux métalliques et de fentes ou une suite de vannes métalliques, identiques ou non (cas de la structure du type "rising sun"). Ce tronçon de ligne est contenu dans un boîtier étanche au vide.
- Un faisceau d'électrons linéaire traverse la ligne ou la lèche, cependant qu'est créée une onde hyperfréquence qui se propage dans le boîtier.
- Il y a interaction entre l'onde et le faisceau, et l'ensemble de la ligne et du boîtier se met en résonance. L'oscillation se produit généralement sur le mode 7r.
- Les oscillateurs à interaction étendue selon l'art antérieur présentent les inconvénients suivants:
- - les tolérances mécaniques concernant la ligne à structure périodique sont très strictes. En effet, on peut considérer que l'oscillateur à interaction étendue est constitué par une suite de cavités à la résonance. Il est très. important, notamment pour éviter les oscillations parasites, que ces cavités aient exactement la même structure géométrique; ce qui impose des tolérances mécaniques très strictes surtout pour la ligne;
- - les oscillateurs à interaction étendue sont accordables mécaniquement dans une bande de fréquence relativement faible;
- - les divers modes d'oscillation sont très pro- ches les uns des autres et des sauts de modes aléatoires se produisent. La qualité du spectre de fréquence engendré est donc médiocre d'autant plus que la surtension est faible. A cause de cette faible surtension, les pertes sont importantes et le rendement peu élevé.
- La présente invention concerne un oscillateur à interaction étendue qui ne présente pas ces inconvénients.
- L'oscillateur à interaction étendue selon la présente invention comporte une ligne à structure périodique constituée par une succession de vannes, ces vannes étant traversées ou léchées par un faisceau d'électrons linéaire. Cette ligne surmonte une cavité rectiligne donts les dimensions de la section transversale sont déterminées pour qu'elle se comporte comme un guide d'onde à la fréquence de coupure, selon l'axe longitudinal de ta ligne et sur un mode transverse magnétique, TMmm, avec m=1, 3, 5 ... et n= 1, 2, 3, 4 ... Des orifices de couplage entre les vannes et la cavités sont prévus sur la cavité, entre deux vannes successives et à intervalles reguliers. La tension d'anode du faisceau, les distances entre deux vannes successives et entre deux orifices de couplage successifs sont fixées pour que le temps de transit du faisceau d'électrons d'un orifice de couplage au suivant soit voisin selon la mode de fonctionnement choisi (π, 2π, 3π), de la période, ou d'un multiple de la période, du champ électrique dont la longueur d'onde est la longueur d'onde de coupure de la cavité (Ac), la fréquence d'oscillations de l'oscillateur étant égale à la fréquence de coupure de la cavité. Enfin, un dispositif de couplage permet de prélever sur la cavité l'énergie de sortie de l'oscillateur.
- Parmi les principaux avantages de l'oscillateur selon l'invention, on peut citer:
- - le fait que les tolérances mécaniques sur les dimensions des vannes de la ligne ne soient plus critiques comme c'était le cas pour la ligne à retard de l'oscillateur selon l'art antérieur; par contre, les tolérances mécaniques sur les dimensions de la cavité percée d'orifices de couplages sont assez strictes mais cela pose moins de problèmes que pour les vannes;
- - le fait qu'une grande gamme d'accord mécanique puisse être obtenue, particulièrement dans les modes de réalisation de l'oscillateur où la cavité est un parallélépipède;
- - enfin, le fait qu'on obtienne une résonance unique à très haute surtension, et donc une grande pureté spectrale de l'oscillation; ainsi les sauts de mode aléatoires sont inexistants et le rendement excellent.
- D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent:
- - La figure 1, une vue en perspective d'un oscillateur à interaction étendue selon l'art antérieur;
- - La figure 2, une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un oscillateur à interaction étendue selon l'invention;
- - La figure 3, une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation d'un oscillateur à interaction étendue selon l'invention.
- Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divers éléments ne sont pas respectées.
- La figure 1 concerne une vue en perspective d'un oscillateur à interaction étendue selon l'art antérieur.
- Cet oscillateur comporte une ligne à retard 1 qui est constituée de deux plaques métalliques identiques qui se font face. Chacune de ces plaques comporte la succession à intervalles réguliers de deux types de fentes d'inégales longueurs: une petite fente 2 et une grande fente 3; les fentes de même nom des deux plaques sont en vis-à-vis. Il s'agit donc là d'une ligne à retard 1 qui comporte une succession de barreaux métalliques et de fentes.
- Cette ligne à retard 1 est contenue dans un boîtier 4 étanche au vide.
- Un faisceau d'électrons linéaire est produit par un canon à électrons, non représenté sur la figure et qui se trouve situé à une extrêmité du boîtier 4. Ce faisceau d'électrons se propage entre les deux plaques qui constituent la ligne à retard 1 selon un axe 00' qui est l'axe longitudinal du boîtier 4. A l'autre extrêmité du boîtier 4, ce faisceau d'électrons est recueilli sur une collecteur qui n'est pas représenté. Enfin, un focalisateur magnétique, non représenté et constitué de façon tout à fait classique par un solénoïde ou un aimant permanent, guide le faisceau d'électrons selon l'axe 00'.
- La figure 2 concerne une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un oscillateur à interaction étendue selon l'invention et la figure 3 concerne une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'oscillateur selon l'invention.
- L'oscillateur à interaction étendue selon l'invention comporte une ligne à structure périodique 1 qui est constituée par la succession à intervalles réguliers de vannes 5.
- Chaque vanne est percée d'un orifice 6, comme cela est représenté sur la figure 2, ou comporte une fente 11, comme sur la figure 3. A travers ces orifices ou ces fentes, se propage un faisceau d'électrons linéaire selon l'axe 00' qui passe par le milieu des fentes ou des trous. Ce faisceau d'électrons est émis par un canon à électrons, focalisé selon l'axe 00' par un focalisateur magnétique et enfin, reçu par un collecteur; tous ces éléments, canon, focalisateur et collecteur, sont bien connus de l'art antérieur et ne sont pas représentés sur les figures.
- Le faisceau d'électrons peut aussi être un faisceau plat qui lèche le bord supérieur des vannes 5 qui ne comportent alors ni orifice, ni fente.
- La ligne 1 surmonte une cavité 7 presque entièrement fermée qui est rectiligne. La section de cette cavité peut prendre diverses formes; elle peut être circulaire par exemple. Mais, la cavité est le plus souvent constituée par un parallélépipède droit dont la section est un rectangle ou un carré. C'est le cas sur la figure 3 où la section de la cavité a pour dimensions a selon l'horizontale et b selon la verticale.
- Les dimensions de la cavité sont déterminées pour qu'elle se comporte comme un guide d'onde à la fréquence de coupure, selon l'axe longitudinal 00' de la ligne et sur un mode transverse magnétique, TMmm, avec m=1, 3, 5 ... et n=1, 2, 3, 4 ...
- En se limitant aux modes TMmm avec m=1, 3, 5 ... et n=1, 2, 3, 4 ..., on sélectionne les modes pour lesquels le champ électrique est maximal selon le plan médian de la cavité qui contient l'axe 00'. On rapelle en effet que les indices m et n correspondent au nombre de demi-périodes du champ électrique selon les dimensions a et b du guide, dans le cas d'un guide rectangulaire. En choisissant m impair, on obtient donc un champ maximal dans le plan médian en ce qui concerne le champ selon la dimension a. En ce qui concerne le champ selon la dimension b, le fait que n soit pair ou impair ne réagit pas sur la valeur du champ dans le plan médian indiqué.
- Sur la figure 3, on a choisi m et n égaux à 1 et les variations du champ électrique, dans la section droite sont représentées en trait fin.
- L'oscillateur selon l'invention comporte des orifices de couplage 8 entre les vannes et la cavité. Ces orifices sont constitués par des fentes percées sur la cavité entre deux vannes successives et à intervalles réguliers. Sur la figure 2, on trouve une fente de couplage 8 dans un intervalle entre vannes sur deux.
- Un dispositif de couplage permet de prélever l'énergie de sortie de l'oscillateur: ce dispositif peut être constitué par un guide rectangulaire 9 relié à la cavité via un iris et prolongé par une bride 10.
- Enfin, il est bien entendu que l'oscillateur représenté sur la figure 2 est contenu dans un boîtier étanche au vide qui n'est pas représenté.
- On va maintenant examiner le fonctionnement de l'oscillateur selon l'invention. Ce fonctionnement présente des analogies avec celui d'un magnétron coaxial.
- On rapelle que la cavité se comportant comme un guide d'onde à la fréquence de coupure selon l'axe 00' et sur un mode tmmn, le champ électrique qui règne à l'intérieur de la cavité est invariant selon l'axe longitudinal PP' de la cavité qui est parallèle à 00'. Le champ électrique E est représenté symboliquement sur la figure 2 par une flèche en trait discontinu portée par l'axe PP'.
- Les orifices de couplage 8 sont donc excités en phase par le champ électrique
- Dans le cas de la figure 2, où on trouve un orifice de couplage 8 dans un intervalle entre vannes sur deux, on peut fonctionner sur les modes 7r ou 37r. Au-delà, c'est-à-dire pour les modes 5π, 77r ..., l'impédance de l'oscillateur n'est plus acceptable. On ne va donc pas au-delà du mode 3π.
- On rappelle que pour le mode π, le champ électrique est déphasé de π d'une vanne à l'autre, alors que le déphasage est de 37r pour le mode 3π.
- Dans le cas de la figure 2, pour fonctionner selon le mode π, qui est le mode le plus couramment utilisé, la tension d'anode qui détermine la vitesse du faisceau d'électrons et la distance entre deux vannes successives sont choisies pour que le temps de transit du faisceau d'électrons d'un orifice de couplage au suivant soit voisin de la période du champ électrique dont la longueur d'onde est λc.
- Il y a ainsi un déphasage de π sur le champ électrique d'une vanne à l'autre.
- Le faisceau d'électrons est ainsi freiné par le champ électrique auquel il cède de l'énergie au niveau des orifices de couplage en produisant l'énergie hyperfréquence utile et en entretenant l'oscillation.
- Un régime résonnant est ainsi établi dans la cavité à la fréquence de coupure du guide d'onde auquel peut être assimilée la cavité.
- Dans le cas de la figure 2, on peut aussi fonctionner selon le mode 37r. Le temps de transit du faisceau d'électrons d'un orifice de couplage au suivant doit être alors voisin de trois fois la période du champ électrique dont la longueur d'onde est λc. Il faut modifier la tension d'anode.
- On peut aussi fonctionner sur le mode 2π en prévoyant un orifice de couplage 8 dans chaque intervalle entre vannes. Le temps de transit du faisceau d'électrons d'un orifice de couplage au suivant doit être alors voisin de la période du champ électrique.
- On constate donc que la fréquence d'oscillation de l'oscillateur selon l'invention est la fréquence de coupure du guide d'onde auquel peut être assimilée la cavité 7 percée d'orifices de couplage 8. Ce sont donc les dimensions de la cavité qui sont importantes pour fixer la fréquence d'oscillations et non celles des vannes comme c'est le cas pour l'oscillateur de l'art antérieur.
- On conçoit donc qu'une grande gramme d'accord mécanique de la fréquence d'oscillation puisse être obtenue très simplement, particulièrement dans les modes de réalisation de l'oscillateur où la cavité est un parallélépipède droit.
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- En faisant varier a ou b (voir figure 3), on obtient un réglage mécanique de la fréquence d'oscillations.
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- Sur la figure 3, on a représenté schématiquement comment il est possible de faire varier la dimension horizontale a de la base de la cavité constituée par un parallélépipède droit en utilisant un piston 12 vertical. Il serait tout aussi possible de faire varier la dimension b de la cavité.
- Le champ électrique E dans la cavité et les lignes de courant dans ses parois latérales sont perpendiculaires au plan de la figure 3. Il n'est donc pas utile que le piston 12 soit en contact avec les parois horizontales 16 et 17 de la cavité. Par contre, le piston doit être en contact avec les parois verticales qui ferment la cavité et qui sont perpendiculaires à l'axe PP' car des lignes de courant traversent ces parois.
- De plus, grâce à cette répartition particulière des lignes de courant, il est possible de supprimer tous les modes parasites. On distingue essentiellement deux types de modes parasites:
- - les modes de cavité. Ces modes sont des modes TE et des modes TM présentant une variation longitudinale, c'est-à-dire des modes TMmno avec p≠O. Tous ces modes présentent des composantes de courant transversales. Il est donc aisé de les atténuer en disposant au niveau des arêtes longitudinales de la cavité une substance atténuante 13 protégée par un cache métallique 14 comme cela est représenté sur la figure 3 pour deux arêtes. En effet, dans les modes TMmno qui sont utilisés dans l'oscillateur selon l'invention, même la composante longitudinale du courant est nulle sur ces arêtes. On peut également disposer de la substance atténuante 13 dans l'épaisseur du piston mobile;
- - les modes dus aux orifices de couplage. Les fentes 8 qui constituent les orifices de couplage présentent des fréquences de résonance que l'on atténue en disposant une substance atténuante 13 protégée par un cache métallique 15 aux extrémités de ces fentes de part et d'autre des vannes.
- Enfin, on peut disposer de la substance atténuante à l'intérieur du boîtier étanche au vide qui contient l'oscillateur pour amortir les modes parasites qui pourraient s'y propager.
- Cette élimination des modes parasites permet d'obtenir une résonance unique à très haute surtension et une grande pureté spectrale de l'oscillation. Ainsi, les sauts de mode aléatoires sont pratiquement inexistants et le rendement excellent.
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