EP0048648B1 - Ligne à retard à cavités couplées pour tube à ondes progressives et tube à ondes progressives comportant une telle ligne - Google Patents

Ligne à retard à cavités couplées pour tube à ondes progressives et tube à ondes progressives comportant une telle ligne Download PDF

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EP0048648B1
EP0048648B1 EP81401351A EP81401351A EP0048648B1 EP 0048648 B1 EP0048648 B1 EP 0048648B1 EP 81401351 A EP81401351 A EP 81401351A EP 81401351 A EP81401351 A EP 81401351A EP 0048648 B1 EP0048648 B1 EP 0048648B1
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cavities
delay line
line
wave tube
travelling
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Christian Deville
Francis Payen
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems

Definitions

  • the present invention relates to delay lines with coupled cavities for traveling wave tubes as well as microwave tubes comprising such a line.
  • Delayed lines with coupled cavities are more particularly used in traveling wave tubes where they provide the interaction between an electron beam moving along the line axis and an electromagnetic wave traversing the line. When conditions of synchronism of the wave and the beam are fulfilled, the electrons yield energy to the electromagnetic wave.
  • the delay lines with coupled cavities consist of a series of resonant cavities, separated from each other by pierced walls, by at least one coupling opening between cavities and by an opening for the passage of the electron beam, focused according to the axis of the line.
  • a high coupling impedance leads to a high value of the quotient which results in a dispersive line and low bandwidth, and / or a high value of the R / Q quotient, which results in poor thermal robustness.
  • the electron beam is highly disturbed, particularly in the final part of the delay line where the amplitude of the microwave voltage between the mouthpieces of cavities becomes a high fraction of the acceleration voltage of the electrons which gave them their initial speed.
  • a traveling wave tube provided with a delay line with coupled cavities designed according to the prior art will only have a strong interaction efficiency at the expense of either the amplification band which will be weak vis-à-vis -vis what is possible to achieve with this type of line, that is to say the average power that can provide the traveling wave tube.
  • the present invention relates to a delay line with coupled cavities of increased thermal robustness and having as good a conversion efficiency as the lines with coupled cavities of the prior art, without reduction of the amplification band.
  • This reduction in the coupling impedance is mainly obtained by gradually decreasing the R / Q ratio of the cavities.
  • a computer-calculated variation of the delay rate C / Vr p of the line as a function of the abscissa z of the line is necessary to use, in conjunction with the progressive decrease in the coupling impedance, a computer-calculated variation of the delay rate C / Vr p of the line as a function of the abscissa z of the line.
  • the present invention relates to a delay line, for traveling wave tube, with cavities re-entrant complexes, externally limited by a cylindrical wall whose axis coincides with that along which the electron beam of the tube propagates, and laterally limited by walls perpendicular to this axis, each wall being common to two cavities , said walls being pierced by at least one coupling opening between cavities and, in their center, by an opening bordered by a flange of the same axis forming the re-entrant part of the cavity, the internal diameter of the flanges increasing in the direction of propagation of the electron beam, characterized in that this delay line has in its final part a progressive reduction in its coupling impedance as well as a variation in its delay rate, this progressive reduction in the coupling impedance being obtained in particular by a progressive increase in the direction of propagation of the electron beam of the width (D 2 -D,) / 2 of the mouthpieces of cavities, where D i is the diameter be inside the flanges and
  • Figure la represents a perspective view of a delay line with coupled cavities, according to the prior art.
  • the delay line shown in FIG. 1 a, comprises disks 1, aligned parallel to each other along the same axis 00 'coinciding with the axis of propagation of the electron beam, disks forming the wall common to two neighboring cavities 10.
  • Each disc is pierced on the one hand by two coupling openings between cavities 2, symmetrical with respect to the axis of the line 00 ′, on the other hand by the opening 3 for the passage of the electron beam 6, generally circular, located in the center of the disc.
  • This opening is bordered by a flange 4 of the same axis called the cavity spout.
  • the cavities 10, three in number in the figure, are limited by a cylindrical wall 5.
  • FIG. 2 represents a cross section of a delay line with coupled cavities, according to the invention.
  • An additional contribution of the present invention resides in the fact that the extraction of microwave energy from the beam towards the payload being carried out with an output section whose coupling impedance decreases, the availability of electronic speeds is less important and focusing the beam is made easier. This adds an additional factor to the average power capacity that the traveling wave tube can provide.
  • the structure less dispersive, not only does it weaken the coupling impedance, but it also increases the bandwidth; the arrangements provided by the present invention therefore go in the direction of an increase in the width of the amplification band, which constitutes one of the most advantageous characteristics of traveling wave tubes.
  • the invention is generally applicable to the production of high power levels with a large bandwidth and with a high efficiency in the microwave field, particularly in the centimeter range.

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  • Microwave Tubes (AREA)

Description

  • La présente invention est relative aux lignes à retard à cavités couplées pour tube à ondes progressives ainsi qu'aux tubes hyperfréquences comportant une telle ligne.
  • Les lignes à retard à cavités couplées sont plus particulièrement utilisées dans les tubes à ondes progressives où elles assurent l'intérac- tion entre un faisceau d'électrons se déplaçant selon l'axe de la ligne et une onde électromagnétique parcourant la ligne. Lorsque des conditions de synchronisme de l'onde et du faisceau sont réalisées, les électrons cèdent de l'énergie à l'onde électromagnétique.
  • Les lignes à retard à cavités couplées sont constituées par une suite de cavités résonnantes, séparées les unes des autres par des parois percées, par au moins une ouverture de couplage entre cavités et par une ouverture pour le passage du faisceau d'électrons, focalisé selon l'axe de la ligne.
  • Il est avantageux d'obtenir avec ce type de ligne un rendement de conversion d'énergie élevé, plus particulièrement dans le cas de tube à onde progressive à forte puissance moyenne. Un rendement de conversion élevé s'obtient habituellement avec une forte impédance de couplage entr le faisceau et la ligne.
  • Dans le cas de lignes périodiques à cavités couplées, cette impédance de couplage est pro- portionelle au produit du quotient
    Figure imgb0001
    • (Vrp = vitesse de phase de l'harmonique d'espace avec lequel interagit le faisceau;
    • Vg = vitesse de groupe de l'onde électromagnétique)
    • par le quotient R/Q de la cavité.
    • R = résistance shut de la cavité,
    • Q = son coefficient de surtension.
  • Une impédance de couplage élevée conduit à une valeur élevée du quotient
    Figure imgb0002
    ce qui entraîne une ligne dispersive et une faible bande passante, et/ou à une valeur élevée du quotient R/Q, ce qui entraîne une robustesse thermique médiocre.
  • Or, dans le cas d'un tube à ondes progressives à fort rendement d'intéraction, le faisceau d'électrons est fortement perturbé, particulièrement dans la partie finale de la ligne à retard où l'amplitude de la tension hyperfréquence entre becs de cavités devient une fraction élevée de la tension d'accélération des électrons qui leur a donné leur vitesse initiale.
  • Cette perturbation se traduit par une défocali- sation du faisceau et par un bombardement électronique intense des becs de cavités qui élève leur température, d'autant plus que la résistance thermique des ces zones est importante, ce qui est le cas de l'hyphothèse considérée.
  • Cette élévation de température limite la puissance moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives.
  • On peut envisager de repousser cette limite de puissance moyenne en faisant passer un liquide de refroidissement dans des canaux percés dans la paroi de séparation des cavités; cette solution conduit à une complication technologique dans la réalisation de la structure.
  • Par le document EP-A-0 037 309, qui fait partie de l'état de la technique conformément à l'article 54-3 de la Convention sur le Brevet Européen, on connaît une ligne à retard à cavités couplées dans laquelle - voir figure 2 - le diamètre des collerettes bordant l'ouverture pour le passage du faisceau d'électrons augmente au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité du tube à onde progressive située du côté du collecteur. On est cependant limité dans la voie de l'accroissement du diamètre des collerettes par la nécessité de conserver un bon couplage entre l'onde et le faisceau.
  • Ainsi, un tube à ondes progressives muni d'une ligne à retard à cavités couplées conçu selon l'art antérieur, n'aura un fort rendement d'intéraction qu'au détriment soit de la bande d'amplification qui sera faible vis-à-vis de ce qu'il est possible d'atteindre avec ce type de ligne, soit de la puissacne moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives.
  • La présente invention concerne une ligne à retard à cavités couplées de robustesse thermique accrue et présentant un aussi bon rendement de conversion que les lignes à cavités couplées de l'art antérieur, sans diminution de la bande d'amplification.
  • Cette amélioration est obtenue grâce à une diminution progressive de l'impédance de couplage dans la partie finale de la ligne à retard du tube à ondes progressives, contrairement à l'art antérieur.
  • Cette baisse de l'impédance de couplage s'obtient principalement en diminuant progressivement le rapport R/Q des cavités. Pour garder une valeur aussi élevée du rendement de conversion malgré la diminution de l'impédance de couplage, il est nécessaire d'utiliser conjointement à la diminution progressive de l'impédance de couplage, une variation calculée par ordinateur du taux de retard C/Vrp de la ligne en fonction de l'abscisse z de la ligne.
    • C: vitesse de la lumière,
    • Vl p: vitesse de phase de l'harmonique d'espace avec lequel interagit le faisceau.
  • La présente invention concerne une ligne à retard, pour tube à ondes progressives, à cavités complées de forme rentrante, limitées extérieurement par une paroi cylindrique dont l'axe est confondu avec celui le long duquel se propage le faisceau d'électrons du tube, et limitées latéralement par des parois perpendiculaires à cet axe, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage entre cavités et, en leur centre, par une ouverture bordée par une collerette de même axe formant la partie rentrante de la cavité, le diamètre intérieur des collerettes augmentant dans la direction de propagation du faisceau d'électrons, caractérisée en ce que cette ligne à retard présente dans sa partie finale une diminution progressive de son impédance de couplage ainsi qu'une variation de son taux de retard, cette diminution progressive de l'impédance de couplage étant notamment obtenue par une augmentation progressive dans le sens de propagation du faisceau d'électrons de la largeur (D2-D,)/2 des becs de cavités, où Di est le diamètre intérieur des collerettes et D2 leur diamètre extérieur.
  • L'invention sera mieux comprise, en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes qui représentent
    • - Figure 1a: une vue en perspective d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'art antérieur.
    • - Figure 1b: une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'art antérieur.
    • - Figure 2: une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées selon l'invention.
  • La figure la représente une vue en perspective d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'art antérieur.
  • La ligne à retard, représentée sur la figure la comporte des disques 1, alignés parallèlement les uns aux autres le long d'un même axe 00' convondu avec l'axe de propagation du faisceau d'électrons, disques formant la paroi commune à deux cavités voisines 10.
  • Chaque disque est percé dune part par deux ouvertures de couplage entre cavités 2, symétriques par rapport à l'axe de la ligne 00', d'autre part par l'ouverture 3 pour le passage du faisceau d'électrons 6, généralement circulaire, située au centre du disque. Cette ouverture est bordée par une collerette 4 de même axe appelée bec de cavité.
  • Les cavités 10 au nombre de trois sur la figure sont limitées par une paroi cylindrique 5.
  • La figure 1b représente une coupe transversale de la ligne à retard à cavités couplées de la figure 1 a. Sur cette figure sont indiqués les paramètres géométriques de la ligne à retard, soient:
    • D1 le diamètre intérieur des collerettes 4,
    • D2 leur diamètre extérieur, au niveau de leur jonction avec les disques 1,
    • D3 et D4 les diamètres intérieur et extérieur de la paroi cylindrique entourant les cavités,
    • E, l'épaisseur des disques 1,
    • H, la largeur des cavités la somme E + H étant égale au pas P de la ligne à retard.
  • La figure 2 représente une coupe transversale d'une ligne à retard à cavités couplées, selon l'invention.
  • La ligne à retard à cavités couplées selon l'invention présente dans son dernier tronçon appelé ligne de sortie une augmentation progressive dans le sens de propagation du faisceau d'électrons, de certains de ses paramètres à savoir:
    • - le diamètre D1 de l'ouverture pour le passage du faisceau d'électrons, ce qui permet d'assurer une meilleure transmission du faisceau et par là même d'assurer un meilleur rendement, avec un échauffement moins important de la ligne.
    • - la largeurD2-D1 2 des becs de cavités, 2
    • - l'épaisseur E des parois communes à deux cavités.
  • Un apport supplémentaire de la présente invention réside dans le fait que l'extraction d'énergie hyperfréquence du faisceau vers la charge utile étant réalisée avec une section de sortie dont l'impédance de couplage décroît, la dispe- rison des vitesses électroniques est moins importante et la focalisation du faisceau est rendue plus facile. Cela ajoute un facteur supplémentaire à la capacité de puissance moyenne que peut fournir le tube à ondes progressives.
  • De plus, en rendant la structure moins dispersive, non seulement on affaiblit l'impédance de couplage, mais on augmente aussi la bande passsante; les dispositions prévues par la présente invention vont donc dans le sens d'une augmentation de la largeur de la bande d'amplification, ce qui constitue une des caractéristiques les plus intéressantes des tubes à ondes progressives.
  • L'invention s'applique de façon générale à la production de hauts niveaux de puissance à grande bande passante et avec un rendement élevé dans le domaine des microondes, centimétriques notamment.

Claims (2)

1. Ligne à retard, pour tube à ondes progressives, à cavités, couplées de forme rentrante, limitées extérieurement par une paroi cylindrique dont l'axe est confondu avec celui le long duquel se propage le faisceau d'électrons du tube, et limitées latéralement par des parois perpendiculaires à cet axe, chaque paroi étant commune à deux cavités, lesdites parois étant percées par au moins une ouverture de couplage entre cavités et, en leur centre, par une ouverture bordée par une collerette de même axe formant la partie rentrante de la cavité, le diamètre intérieur (Di) des collerettes augmentant dans la direction de propagation du faisceau d'électrons, caractérisée en ce que cette ligne à retard présente dans sa partie finale une diminution progressive de son impédance de couplage ainsi qu'une variation de son taux de retard, cette diminution progressive de l'impédance de couplage étant notamment obtenue par une augmentation progressive, dans le sens de propagation du faisceau d'électrons, de la largeur (D2-D,)/2 des becs de cavités, où Dl est le diamètre intérieur des collerettes et D2 leur diamètre extérieur.
2. Ligne à retard selon la revendication 1, caractérisée en ce que la diminution progressive de l'impédance de couplage est aussi obtenue par une augmentation progressive, dans le sens de propagation du faisceau d'électrons, de l'épaisseur (E) des parois communes à deux cavités.
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