EP0407252A1 - Tube à grille à sortie sur cavités couplées avec élément de couplage intégré au tube - Google Patents

Tube à grille à sortie sur cavités couplées avec élément de couplage intégré au tube Download PDF

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EP0407252A1
EP0407252A1 EP90401716A EP90401716A EP0407252A1 EP 0407252 A1 EP0407252 A1 EP 0407252A1 EP 90401716 A EP90401716 A EP 90401716A EP 90401716 A EP90401716 A EP 90401716A EP 0407252 A1 EP0407252 A1 EP 0407252A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
grid
tube
anode
coupled
coupling means
Prior art date
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Ceased
Application number
EP90401716A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Gerlach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson Tubes Electroniques filed Critical Thomson Tubes Electroniques
Publication of EP0407252A1 publication Critical patent/EP0407252A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/04—Coaxial resonators

Definitions

  • the invention relates to electronic vacuum tubes, and more precisely to grid amplification tubes, such as triodes and especially tetrodes.
  • the invention relates in particular to grid tubes operating at high frequency (several tens to several hundred megahertz) whose power output is effected through a structure with coupled cavities.
  • the application of these tubes is notably the hertzian emission for radio and television broadcasting, in bands going up to approximately 1000 Megahertz and for powers of several kilowatts to several tens of kilowatts.
  • the electronic tube and the coupled cavities on which it is mounted form two mechanically distinct assemblies which are assembled to operate them.
  • the tube is the amplifying element, the main part of which is hermetically sealed in an enclosure in which a vacuum has been created.
  • the coupled cavities form a mechanical structure distinct from the tube and on which the tube is mounted; they are not in an empty enclosure; they operate in the open air; they are used to extract high frequency energy to transmit it, through waveguides or coaxial cables, for example to a transmitting antenna, amplified by the tube.
  • the operations of the tube and of the coupled cavities are not independent of each other.
  • the coupled cavities must be tuned to a working frequency.
  • the resonant primary circuit is not entirely included in the structure with coupled cavities; it is partly included in this structure, but also partly included in the vacuum tube itself; in other words, the cavity resonant of the primary circuit includes the entire vacuum tube area in which the high frequency power energy is generated, and part of the structure with coupled cavities.
  • FIG. 1 represents a typical construction of a grid tube (tetrode) intended to be mounted on an output circuit with coupled cavities.
  • the tetrode is shown in partially cutaway view.
  • the output circuit with coupled cavities is not shown in this figure.
  • the tube includes an anode 10, which is a hollow cylindrical copper block whose inner wall partially delimits the vacuum enclosure 11 of the tube.
  • This block is conventionally provided with peripheral fins 12 serving as a radiator for cooling the tube, or else the external door of the anode is cooled by a circulation of water by means of an appropriate jacket.
  • An anode contact connection 14, intended to establish contact with the output circuit with coupled cavities, is formed by a flange located at the base of the anode block 10.
  • the general structure of the tube is of revolution around a central axis.
  • the screen grid is designated by the reference G2 in FIG. 1. It can be connected to the output circuit by a screen grid connection 16, constituted here by a collar coaxial with the anode contact collar 14.
  • This ceramic spacer 18 has in this example a cylinder shape, of the same axis as the connection flanges 14 and 16.
  • the invention relates to the high frequency energy output of the tube, and in this type of tube the output is between anode and screen grid.
  • FIG. 2 very schematically represents the same tube, but this time mounted on its output circuit with coupled cavities.
  • the assembly with coupled cavities comprises a coaxial conductive structure having a first wall 20 in electrical contact with the anode 10, and a second wall 22 in contact with the grid connection flange 16.
  • This structure defines two resonant circuits separated by means electromagnetic coupling 24.
  • the coupling means 24 is a capacitive piston which can move between the walls of the structure with coupled cavities.
  • the piston could be fixed if the tube were to operate at a single frequency; it is movable to allow tuning on a chosen frequency, within an adjustment adjustment range linked to the length over which the piston can move; the piston 24 in fact defines the downstream end of the first cavity of the structure.
  • the primary resonant circuit intended to transmit high frequency energy to the secondary circuit through the coupling means 24, includes not only the zone situated above the coupling piston, between the walls 20 and 22 of the structure with coupled cavities, but also the entire area inside the tube, between the screen grid and the anode, where the high frequency fields develop when the tube operates as an amplifier.
  • the secondary resonant circuit includes the entire area below the capacitive coupling piston 24, between the walls 20 and 22 of the structure, up to a conductive piston 26 which can move between the walls to adjust the resonance frequency of the circuit ; the capacitive coupling piston 24 defines the upstream end of the second cavity; the conductive piston 26 defines the downstream end in short circuit of the second resonant cavity.
  • An electromagnetic coupling means 28 is provided in the secondary circuit to take the high frequency energy from the secondary circuit and send it to a use circuit not shown, for example through waveguides or coaxial cables.
  • the tuning of the primary circuit is done in quarter wavelength mode (lambda / 4), that is to say that the electrical length between the top of the anode, where the most important fields, and the coupling piston 24, corresponds to a quarter wavelength at the tuning frequency.
  • the tuning of the secondary circuit is rather done in half-wavelength mode (lambda / 2), which corresponds to an electric half-wavelength between the two pistons 24 and 26.
  • the high frequency energy passes through the ceramic spacer 18 which constitutes a high frequency vacuum tight dielectric window.
  • this window has a non-negligible surface for reasons relating to the high voltage insulation which must be produced. between anode and grid. And it is generally made of alumina which has a very high dielectric constant (epsilon) (nine times that of vacuum).
  • This ceramic then has a significant capacity.
  • This capacity can for example reach 3.5 picofarads for a 10 kilowatt tube operating at around 800 megahertz, while the total output capacity of the tube, measured between screen-grid and anode, is of the order of 13 picofarads.
  • the harmful influence of the ceramic window 18 is all the more felt since this ceramic is placed in an area fairly close to the space (under vacuum) between the grid and the anode, space in which the large electric fields resulting develop.
  • the ceramic window occupies an electrical length in this space which is all the greater the higher its dielectric constant; this increases the electrical dimensions of the resonant cavity of the primary circuit and therefore reduces the maximum frequency of use.
  • the coupling means is no longer in the same place; for example, in an embodiment such as that of FIGS. 1 and 2, it will no longer be constituted at all like a piston movable between two coaxial walls. It must necessarily be constituted otherwise.
  • the coupling means can itself serve to locally establish the vacuum tightness of the tube at the location where it is located.
  • the coupling means can be a capacitance produced from a dielectric disc or cylinder (alumina) brazed on metallic parts, the dielectric, the metallic parts and the soldering ensuring the vacuum tightness of the 'enclosure of the tube.
  • the coupling means can completely replace the ceramic spacer 18 of FIG. 1, which has the double role of electrical insulator and window sealed against vacuum and transparent to high frequency energy. But it can also be provided in addition to this window, particularly when it is desired to be able to ensure frequency matching of the primary circuit from the outside of the tube.
  • the ceramic window is constituted as in FIG. 1 and is always present, it becomes much less annoying because it can be located further from the interaction space between grid and anode, beyond coupling means, in an area with weak electric fields where its influence on the overall output capacity of the tube is much weaker.
  • the ceramic window was always located upstream of the coupling means since the latter was part of the structure with coupled cavities and not of the tube.
  • the capacitive coupling means will generally be produced from a dielectric constituted by a plane annular disc of coaxial alumina at the anode and grid connections. It could also consist of a tubular alumina ring, with a cylindrical wall.
  • the coupling means can also very well be of the inductive type (coupling by the magnetic field).
  • it can be constituted by a conductive cylinder pierced with small eyelets distributed radially all around the cylinder, eyelets in which are placed ceramic windows sealing the vacuum between the inside and the outside of the tube.
  • the tube comprises a cylindrical anode connection flange allowing the connection of the anode with an external wall of structure with coupled cavities; a flat ceramic ring constituting the dielectric of the capacity of the coupling means; the ring is brazed by its flat faces on the one hand on this anode connection flange and on the other hand on an intermediate conductive flange, cylindrical and coaxial with the dielectric ring, allowing connection with an intermediate wall of the structure with coupled cavities; a cylindrical grid connection flange allowing the grid to be connected with an internal wall of structure with coupled cavities; a dielectric window between the grid connection flange and the intermediate flange.
  • this window is then placed further from the interaction space between anode and grid than is the coupling capacity; it is in a weaker field area and plays little role in the value of the overall output capacity of the tube.
  • An anode connection is formed from a metal part 30 of revolution, coaxial with the general axis of the tube; this part is made of a conductive alloy such as kovar, which can be brazed both on copper and on alumina; this part 30 is fixed in a vacuum-tight manner to the anode block 10, for example by an end 31 welded to the base of this block; the part 30 comprises an annular part 32 extending substantially in a plane transverse to the axis of the tube; this annular part 34 has a boss 33 extending downward, that is to say towards the gate connection G2 which will be described later; the part 30 is also curved at its other end, to form a cylindrical wall 34 parallel to the axis of the tube; this wall defines the outer periphery of the anode connection, and it is intended to come into contact with an outer conductive wall of a coaxial structure with coupled cavities shown in dotted lines.
  • a metal part 30 of revolution coaxial with the general axis of the tube
  • this part is made of a
  • the grid connection is formed from another metal part 35, which is also made of a conductive alloy which can be soldered on both copper and alumina.
  • This part comprises a cylindrical part 36 brazed on a part 37 for supporting the grid G2; and it comprises a flat annular part 38 coming opposite the boss 33 of the anode connection.
  • the grid support part 37 is intended to come into contact with an interior conductive wall of a structure with coupled cavities.
  • a planar dielectric ring 39 preferably made of alumina, is soldered by its planar faces between the anode connection and the grid connection, more precisely between the boss 33 and the planar annular part 38 of the grid connection.
  • This ring constitutes the dielectric of a coupling capacitor integrated into the vacuum tube and serving as a coupling means between the two resonant circuits of a structure with coupled cavities on which the tube will be mounted.
  • This coupling capacity is located very close to the electronic interaction space between gate and anode; it practically takes the place of the sealing window 18 in FIG. 1. The coupling capacity itself locally ensures vacuum sealing.
  • the tube is intended to operate at a single frequency; there is no frequency adjustment possible; the tuning frequency is determined by the characteristics of the vacuum tube since the primary resonant circuit is formed exclusively inside the vacuum tube by the space extending between the anode, the grid, and the coupling capacity integrated into the tube.
  • the tube is therefore mounted on a structure with coupled cavities which here comprises only a secondary circuit; this structure is coaxial and includes two walls 20 and 22 coming respectively in contact one with the cylindrical wall 34 of the anode connection and the other with the support part 37 of the grid.
  • a short-circuit piston 26 closes the cavity of the secondary circuit, and a coupling means 28 is provided for extracting energy from this cavity and sending it outside.
  • the piston 26 is movable to tune the resonance of the secondary circuit to the resonance frequency of the primary circuit constituted by the tube.
  • the dielectric ring 39 has a relatively small thickness (of the order of a millimeter); the width of the boss 33, defining the width over which this ring is welded, may be a few millimeters to ensure a value of sufficient coupling capacity. But the ring itself has a greater width (several centimeters), to ensure a sufficient bypass voltage withstand between the metal parts 38 and 30, one of which is connected to the grid and the other to the anode. The cylindrical periphery 34 of the anode connection projects outside beyond the dielectric ring 39.
  • FIG. 4 represents a tube according to the invention, suitable for operation at adjustable frequency. This embodiment is inspired by the general structure of Figure 3 and we will therefore use the same references for similar elements.
  • FIG. 3 The difference between FIG. 3 and FIG. 4 lies in the interposition of a ceramic window 40 (vacuum tight, transparent to high frequency energy) between the grid connection and the coupling capacity.
  • a ceramic window 40 vacuum tight, transparent to high frequency energy
  • the metal part 35 fixedly closed the resonant cavity formed by the tube and prevented this cavity from being given variable dimensions; this cavity could therefore only be tuned to a fixed frequency.
  • the cavity for high frequency energy is opened, while leaving it vacuum tight, thanks to the window 40. It will therefore be possible to connect this window to a portion of primary, tunable resonant circuit, part of a structure with coupled cavities.
  • the construction can be carried out in the following manner: the anode connection is exactly identical to that of FIG. 3 (references 30, 31, 32, 33, 34).
  • the grid connection comprises a support piece 37 as in FIG. 3, made of copper; on this flange is brazed an alloy cylinder (kovar) 41 serving as an intermediary between the part 37 and the alumina window 40.
  • Window 40 is a flat annular disc of alumina, a few millimeters thick (thick enough to be brazed on its edges). This disc is brazed by its inner edge on the cylinder 41, and by its outer edge on an intermediate piece of material (kovar) which can be brazed on alumina.
  • This intermediate piece is here composed of two parts 42 and 43 brazed together.
  • Part 42 is that which is brazed to window 40; the part 43 is shaped so as to be brazed on one side on the part 42 and on the other on the dielectric ring 39 of the coupling capacitor.
  • This ring 39 is arranged exactly as in FIG. 3, welded by its planar faces between a boss 33 of the anode connection 30 and the part 43 which comes opposite this boss.
  • the dielectric ring is significantly wider than the boss to ensure sufficient voltage resistance in bypass.
  • the cylindrical periphery 34 of the anode connection projects outside beyond the dielectric ring 39.
  • the assembly 42, 43 also comprises at least one surface defining a cylinder against which an intermediate wall of a structure with coupled cavities can bear.
  • the primary circuit comprises on the one hand the portion of vacuum space between the anode and the grid G2 up to the window 40; and it further comprises a portion of cavity forming part of the structure with coupled cavities; this portion of cavity is delimited by two walls 21 and 22 and extends between the window 40 and a conductive piston 25 serving for the tuning of the primary circuit.
  • the wall 21 is an intermediate wall of the structure with coupled cavities; it is in contact with the intermediate piece 42 which is located radially between the support 37 of the grid G2 and the outer periphery 34 of the anode connection.
  • the wall 22 is an inner wall of the structure with coupled cavities; it rests on part 37 of grid support G2.
  • the secondary circuit is delimited by the intermediate wall 21 and an external wall 20 of the structure with coupled cavities; the wall 20 is in contact with the cylindrical periphery 34 of the anode connection.
  • the resonant cavity of this secondary circuit is delimited by these walls and extends between the coupling means (capacity, the dielectric of which is the alumina ring 39) and a tuning conductive piston 26.
  • the secondary cavity is provided with an energy extraction means 28.
  • the ceramic window 40 is relatively far from the space between the anode and the grid.
  • the coupling means is closer to this space. It follows that the loss of voltage introduced by the capacity of this window is relatively low, and that this capacity therefore has little effect on the value of the overall output capacity of the tube; it very slightly increases the electrical dimension of the primary resonant cavity so that a maximum frequency of use of the tube can be obtained which is higher than that obtained with the construction of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 5 represents an alternative embodiment.
  • the tube operates at a fixed frequency. But this time the dielectric of the coupling capacitance is not a plane ring, it is a cylinder 50 of the same axis as the general axis of the tube. This cylinder is brazed between a conductive part 51 connected to the grid connection (more precisely to the support 37 of the grid) and a conductive part 52 connected to the anode connection 30.
  • the parts 50, 51, 52 provide: - vacuum tightness, - electrical insulation between anode and grid, - and the coupling of high frequency energy between a primary circuit (inside the tube) and a secondary circuit (a structure with resonant cavity on which the tube is mounted).
  • FIG. 5 An adaptation of the diagram of FIG. 5 for an adjustable frequency operation can easily be made, in the same way as we have gone from the diagram of FIG. 3 to FIG. 4, by replacing the conductive closure (constituted by the part 51 ) by an alumina sealed window assembly which opens onto a portion of primary resonant cavity of a structure with coupled cavities.
  • This assembly would include a part similar to part 41 of FIG. 4, a window similar to window 40, and a part similar to part 42 (or to assembly 42, 43), brazed between the sealed window and the cylinder. 50.
  • FIG. 6 represents an alternative embodiment showing that an inductive type coupling (coupling by the magnetic field) is possible as a replacement for the capacitive coupling, including in a construction where the tube can operate at adjustable frequency.
  • the construction is inspired by that of FIG. 4.
  • the grid connection G2 is connected to a sealed window 40 intended to lead to a portion of primary cavity tunable in frequency when the tube is mounted on a structure with coupled cavities.
  • the anode connection electrically isolated from the grid connection by the entire width of the window 40, is constituted by a conductive cylindrical wall 60 pierced with small eyelets 61 distributed all around this wall, each eyelet being closed by a dielectric window 62 vacuum tight. These eyelets open onto a secondary cavity of the structure with coupled cavities on which the tube will be mounted. This cavity is adjustable in frequency by a piston 26 (see Figure 4).
  • the primary cavity again comprises a portion which is the vacuum space inside the tube and an external portion forming part of the structure with coupled cavities and tunable by a piston 25 as in FIG. 4. These two portions are separated one on the other by the vacuum tight dielectric window 40.
  • the ceramic window 40 is further away than the coupling means with respect to the development zone of the high frequency fields between the anode and the grid. It is therefore not a problem, even if its capacity is high.

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)
  • Surgical Instruments (AREA)

Abstract

L'invention concerne les tubes électroniques tels que triodes et tétrodes, destinés à l'amplification haute fréquence, notamment pour la diffusion hertzienne de radio et télévision. Pour monter en fréquence sans restreindre la puissance et réciproquement, on est fréquemment limité par la capacité de sortie relativement élevée entre anode (10) et grille (G2) du tube. Pour réduire cette capacité, dans le cas où le tube est monté sur un circuit d'extraction d'énergie à cavités couplées; on propose selon l'invention d'intégrer le moyen de couplage des cavités au tube lui-même, alors qu'il est tout naturellement monté habituellement dans une structure à cavités couplées. Le moyen de couplage (39) des cavités accordées est alors à proximité immédiate de la zone active entre grille et anode; il participe même directement à l'étanchéité du tube, étant constitué de parties métalliques brasées sur des parties diélectriques. Si une fenêtre diélectrique (40) est prévue pour déboucher sur une cavité primaire d'accord de la structure à cavités couplées, cette fenêtre est plus loin de la zone active entre grille et anode, le moyen de couplage étant plus près de cette zone, il en résulte que l'influence néfaste de la capacité de cette fenêtre (40) est beaucoup plus réduite que dans la technique antérieure où la fenêtre était en amont du moyen de couplage puisque ce dernier faisait partie de la structure à cavités couplées et non du tube.

Description

  • L'invention concerne les tubes électroniques à vides, et plus précisément les tubes d'amplification à grille, tels que les triodes et surtout les tétrodes.
  • L'invention concerne en particulier les tubes à grille fonctionnant à haute fréquence (plusieurs dizaines à plusieurs centaines de mégahertz) dont la sortie de puissance s'effectue à travers une structure à cavités couplées. L'application de ces tubes est notamment l'émission hertzienne pour la radiodiffusion et la télédiffusion, dans des bandes allant jusqu'à 1000 Mégahertz environ et pour des puissances de plusieurs kilowatts à plusieurs dizaines de kilowatts.
  • Le tube électronique et les cavités couplées sur lesquelles il est monté forment deux ensembles mécaniquement distincts que l'on assemble pour les faire fonctionner. Le tube est l'élément amplificateur dont la partie principale est hermétiquement enfermée dans une enceinte dans laquelle on a fait le vide. Les cavités couplées forment une structure mécanique distincte du tube et sur laquelle on vient monter le tube; elles ne sont pas dans une enceinte à vide; elles fonctionnent à l'air libre; elles servent à extraire l'énergie haute fréquence pour la transmettre, à travers des guides d'onde ou des câbles coaxiaux, par exemple à une antenne d'émission, amplifiée par le tube.
  • Mais les fonctionnements du tube et des cavités couplées ne sont pas indépendants l'un de l'autre. Pour fonctionner, les cavités couplées doivent être accordées à une fréquence de travail. Il y a donc un circuit primaire résonnant, un circuit secondaire résonnant à la même fréquence, et un moyen de couplage entre les deux. Le circuit primaire résonnant n'est pas entièrement compris dans la structure à cavités couplées; il est en partie compris dans cette structure, mais aussi en partie compris dans le tube à vide lui-même; autrement dit, la cavité résonnante du circuit primaire inclut toute la zone de tube à vide dans laquelle l'énergie haute fréquence de puissance est engendrée, et une partie de la structure à cavités couplées.
  • En particulier, dans une tétrode montée sur un circuit de sortie à cavités couplées, tout l'espace entre anode et grille-écran (usuellement dénommée grille G2) forme une partie intégrante du circuit résonnant primaire et on doit évidemment prendre en compte cette partie pour définir la constitution de l'ensemble à cavités couplées.
  • La figure 1 représente une construction typique de tube à grille (tétrode) destiné à être monté sur un circuit de sortie à cavités couplées. Le tétrode est montrée en vue partiellement écorchée. Le circuit de sortie à cavités couplées n'est pas représenté sur cette figure.
  • Le tube comprend une anode 10, qui est un bloc de cuivre cylindrique creux dont la paroi intérieure délimite en partie l'enceinte à vide 11 du tube. Ce bloc est classiquement pourvu d'ailettes périphériques 12 servant de radiateur pour le refroidissement du tube ou bien la porte extérieure de l'anode est refroidie par une circulation d'eau au moyen d'une chemise appropriée. Une connexion de contact d'anode 14, destinée à établir le contact avec le circuit de sortie à cavités couplées, est formée par une collerette située à la base du bloc d'anode 10. La structure générale du tube est de révolution autour d'un axe central.
  • La grille-écran est désignée par la référence G2 sur la figure 1. Elle peut être raccordée au circuit de sortie par une connexion de grille-écran 16, constituée ici par une collerette coaxiale à la collerette de contact d'anode 14.
  • Il peut y avoir plusieurs milliers de volts entre l'anode et la grille-écran. Il faut donc isoler électriquement les deux collerettes 14 et 16. Cet isolement est réalisé par une entretoise de céramique 18 sur laquelle sont brasées d'un côté la collerette d'anode 14 et de l'autre la collerette de grille-écran 16.
  • Cette entretoise de céramique 18 a dans cet exemple une forme de cylindre, de même axe que les collerettes de connexion 14 et 16.
  • Elle assure la fonction d'isolement électrique entre anode et grille-écran sur plusieurs milliers de volts; mais elle doit aussi assurer l'étanchéité parfaite au vide de l'enceinte 11; et elle assure une fonction de maintien mécanique des pièces du tube (liaison rigide entre l'anode et la grille); enfin, on verra qu'elle joue le rôle de fenêtre diélectrique pour laisser passer l'énergie haute fréquence vers le circuit de sortie.
  • Il n'est pas nécessaire de décrire le reste du tube, et notamment les autres électrodes qui sont de construction classique. L'invention s'intéresse à la sortie d'énergie haute fréquence du tube, et dans ce type de tube la sortie se fait entre anode et grille-écran.
  • La figure 2 représente, d'une manière très schématique le même tube, mais cette fois monté sur son circuit de sortie à cavités couplées.
  • Le montage à cavités couplées comprend une structure conductrice coaxiale ayant une première paroi 20 en contact électrique avec l'anode 10, et une deuxième paroi 22 en contact avec la collerette de connexion de grille 16. Cette structure définit deux circuits résonnants séparés par un moyen de couplage électromagnétique 24. Dans cet exemple, le moyen de couplage 24 est un piston capacitif qui peut se déplacer entre les parois de la structure à cavités couplées. Le piston pourrait être fixe si le tube devait fonctionner à une seule fréquence; il est mobile pour permettre l'accord sur une fréquence choisie, dans une plage de réglage de réglage liée à la longueur sur laquelle peut se déplacer le piston; le piston 24 définit en effet l'extrémité aval de la première cavité de la structure.
  • Le circuit résonnant primaire, destiné à transmettre l'énergie haute fréquence au circuit secondaire à travers le moyen de couplage 24, comprend non seulement la zone située au dessus du piston de couplage, entre les parois 20 et 22 de la structure à cavités couplées, mais aussi toute la zone située à l'intérieur du tube, entre la grille-écran et l'anode, là où se développent les champs haute fréquence lorsque le tube fonctionne en amplificateur.
  • L'accord de résonnance de ce circuit primaire tient compte par conséquent de toute cette zone faisant partie de l'enceinte à vide du tube et ne faisant pas partie de la structure à cavités couplées qui est à l'air libre.
  • Le circuit résonnant secondaire comprend toute la zone située au dessous du piston capacitif de couplage 24, entre les parois 20 et 22 de la structure, jusqu'à un piston conducteur 26 qui peut se déplacer entre les parois pour régler la fréquence de résonnance du circuit; le piston de couplage capacitif 24 définit l'extrémité amont de la deuxième cavité; le piston conducteur 26 définit l'extrémité aval en court-circuit de la deuxième cavité résonnante.
  • Un moyen de couplage électromagnétique 28 est prévu dans le circuit secondaire pour prélever l'énergie haute fréquence du circuit secondaire et l'envoyer vers un circuit d'utilisation non représenté, par exemple à travers des guides d'onde ou des cables coaxiaux.
  • En général, l'accord du circuit primaire se fait en mode de quart de longueur d'onde (lambda/4), c'est-à-dire que la longueur électrique entre le sommet de l'anode, là où se développent les champs les plus importants, et le piston de couplage 24, correspond à un quart de longueur d'onde à la fréquence d'accord. L'accord du circuit secondaire se fait plutôt en mode de demi-longueur d'onde (lambda/2), qui correspond à une demi-longueur d'onde électrique entre les deux pistons 24 et 26.
  • L'énergie haute fréquence passe à travers l'entretoise de céramique 18 qui constitue une fenêtre diélectrique haute fréquence, étanche au vide.
  • Mais cette fenêtre a une surface non négligeable pour des raisons tenant à l'isolement haute tension qu'il faut réaliser entre anode et grille. Et elle est en général réalisée en alumine qui a une constante diélectrique (epsilon) très élevée (neuf fois celle du vide).
  • Cette céramique présente alors une capacité importante. Cette capacité peut par exemple atteindre 3,5 picofarads pour un tube de 10 kilowatts fonctionnant vers 800 mégahertz, alors que la capacité totale de sortie du tube, mesurée entre grille-écran et anode, est de l'ordre de 13 picofarads.
  • L'influence de cette capacité est donc très importante, et elle est gênante car on souhaite avoir une capacité de sortie aussi réduite que possible; en effet, le facteur de qualité important pour le tube est son produit gain x bande-passante, et ce produit est en pratique inversement proportionnel à la capacité de sortie.
  • L'influence néfaste de la fenêtre de céramique 18 se fait d'autant plus sentir que cette céramique est placée dans une zone assez proche de l'espace (sous vide) entre grille et anode, espace dans lequel se développent les champs électriques importants résultant du fonctionnement du tube en amplificateur, La fenêtre de céramique occupe dans cet espace une longueur électrique d'autant plus importante que sa constante diélectrique est plus élevée ; cela augmente les dimensions électriques de la cavité résonnante du circuit primaire et cela réduit donc la fréquence maximale d'utilisation.
  • Pour réduire cette capacité de sortie, on a pu penser à remplacer la fenêtre d'alumine par une fenêtre en oxyde de béryllium dont la constante diélectrique est plus faible, mais ce matériau est cher et toxique et on souhaite ne pas avoir à l'employer.
  • Pour réduire la capacité de sortie du tube destiné à être monté sur un circuit de sortie à cavités couplées, on propose selon l'invention de réaliser le moyen de couplage des cavités couplées comme partie intégrante du tube à vide, à proximité immédiate de l'espace sous vide entre anode et grille, au lieu de le reporter dans le circuit de sortie à cavités couplées extérieur au tube.
  • Autrement dit, au lieu de réaliser, comme c'est tout naturel et comme on le fait toujours, d'une part un tube à vide et d'autre part un circuit à cavités couplées pourvu d'un moyen de couplage, on réalise selon l'invention d'un part un tube à vide pourvu du moyen de couplage qui servira à coupler les cavités couplées, et d'autre part une structure à cavités couplées dépourvue de moyen de couplage.
  • Cela veut dire bien entendu, comme on le comprendra, que le moyen de couplage n'est plus du tout à la même place; par exemple, dans une réalisation telle que celle des figures 1 et 2, il ne sera plus du tout constitué comme un piston mobile entre deux parois coaxiales. Il doit nécessairement être constitué autrement.
  • Le moyen de couplage peut servir lui-même à établir localement l'étanchéité au vide du tube à l'endroit où il est situé.
  • En particulier, le moyen de couplage peut être une capacité réalisée à partir d'un disque ou d'un cylindre diélectrique (alumine) brasé sur des parties métalliques, le diélectrique, les parties métalliques et les brasages assurant l'étanchéité au vide de l'enceinte du tube.
  • Le moyen de couplage peut remplacer complètement l'entretoise 18 de céramique de la figure 1, qui a le double rôle d'isolant électrique et de fenêtre étanche au vide et transparente à l'énergie haute fréquence. Mais il peut aussi être prévu en plus de cette fenêtre, particulièrement lorsqu'on veut pouvoir assurer un accord de fréquence du circuit primaire par l'extérieur du tube. Cependant, dans ce cas, bien que la fenêtre de céramique soit constituée comme à la figure 1 et soit toujours présente, elle devient beaucoup moins gênante car elle peut être située plus loin de l'espace d'interaction entre grille et anode, au delà du moyen de couplage, dans une zone à faibles champs électriques où son influence sur la capacité globale de sortie du tube est beaucoup plus faible. Dans la technique antérieure, la fenêtre de céramique était toujours située en amont du moyen de couplage puisque ce dernier faisait partie de la structure à cavités couplées et non du tube.
  • Le moyen de couplage capacitif sera en général réalisé à partir d'un diélectrique constitué par un disque annulaire plan d'alumine coaxial aux connexions d'anode et de grille. Il pourrait aussi être constitué par un anneau tubulaire d'alumine, à paroi cylindrique.
  • Le moyen de couplage peut très bien aussi être de type inductif (couplage par le champ magnétique). Dans ce cas, il peut être constitué par un cylindre conducteur percé de petits oeillets répartis radialement tout autour du cylindre, oeillets dans lesquels sont placées des fenêtres de céramique réalisant l'étanchéité au vide entre l'intérieur et l'extérieur du tube.
  • Dans un exemple de réalisation préféré, le tube comprend une collerette cylindrique de connexion d'anode permettant la connexion de l'anode avec une paroi externe de structure à cavités couplées; un anneau plat de céramique constituant le diélectrique de la capacité du moyen de couplage; l'anneau est brasé par ses faces planes d'une part sur cette collerette de connexion d'anode et d'autre part sur une collerette conductrice intermédiaire, cylindrique et coaxiale à l'anneau diélectrique, permettant la connexion avec une paroi intermédiaire de la structure à cavités couplées; une collerette cylindrique de connexion de grille permettant la connexion de la grille avec une paroi interne de structure à cavités couplées; une fenêtre diélectrique entre la collerette de connexion de grille et la collerette intermédiaire. Par construction, cette fenêtre est alors placée plus loin de l'espace d'interaction entre anode et grille que ne l'est la capacité de couplage; elle est dans une zone de champ plus faible et intervient peu dans la valeur de la capacité globale de sortie du tube.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent un tube à grille classique et un schéma de montage de ce tube sur une structure à cavités couplées;
    • - la figure 3 représente un premier mode de réalisation de l'invention, valable pour une fréquence de travail fixe;
    • - la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, utilisable dans une plage de fréquences;
    • - la figure 5 représente un troisième mode de réalisation de l'invention;
    • - la figure 6 représente un quatrième mode de réalisation, avec couplage inductif et non capacitif.
  • Sur les figures, les mêmes références qu'à la figure 1 ont été utilisées pour les éléments ayant la même fonction.
  • Sur la figure 3 on reconnaît le bloc cylindrique d'anode 10 avec ses ailettes de refroidissement 12, l'enceinte à vide 11 dans laquelle s'effectue l'interaction électronique aboutissant à une amplification d'énergie haute fréquence, et la grille-écran G2.
  • Une connexion d'anode est formée à partir d'une pièce métallique 30 de révolution, coaxiale à l'axe général du tube; cette pièce est en alliage conducteur tel que du kovar, pouvant être brasé à la fois sur du cuivre et sur de l'alumine; cette pièce 30 est fixée de manière étanche au vide au bloc d'anode 10, par exemple par une extrémité 31 soudée à la base de ce bloc; la pièce 30 comporte une partie annulaire 32 s'étendant sensiblement dans un plan transversal à l'axe du tube; cette partie annulaire 34 comporte un bossage 33 s'étendant vers le bas, c'est-à-dire vers la connexion de grille G2 qu'on décrira après; la pièce 30 est par ailleurs recourbée à son autre extrémité, pour former une paroi cylindrique 34 parallèle à l'axe du tube; cette paroi définit la périphérie extérieure de la connexion d'anode, et elle est destinée à venir en contact avec une paroi conductrice extérieure d'une structure coaxiale à cavités couplées représentée en pointillés.
  • La connexion de grille est formée à partir d'une autre pièce métallique 35, qui est aussi en alliage conducteur pouvant être brasé à la fois sur le cuivre et sur l'alumine. Cette pièce comporte une partie cylindrique 36 brasée sur une pièce 37 de support de la grille G2; et elle comporte une partie annulaire plane 38 venant en regard du bossage 33 de la connexion d'anode.
  • La pièce 37 de support de grille est destinée à venir en contact avec une paroi conductrice intérieure d'une structure à cavités couplées.
  • Un anneau diélectrique plan 39, de préférence en alumine, est brasé par ses faces planes entre la connexion d'anode et la connexion de grille, plus précisément entre le bossage 33 et la partie annulaire plane 38 de la connexion de grille. Cet anneau constitue le diélectrique d'une capacité de couplage intégrée au tube à vide et servant de moyen de couplage entre les deux circuits résonnants d'une structure à cavités couplées sur laquelle sera monté le tube. Cette capacité de couplage est située très près de l'espace d'interaction électronique entre grille et anode; elle occupe pratiquement la place de la fenêtre d'étanchéité 18 de la figure 1. La capacité de couplage assure elle-même localement l'étanchéité au vide.
  • Dans cette réalisation de la figure 3, le tube est destiné à fonctionner à une seule fréquence; il n'y a pas de réglage de fréquence possible; la fréquence d'accord est déterminée par les caractéristiques du tube à vide puisque le circuit résonnant primaire est constitué exclusivement à l'intérieur du tube à vide par l'espace s'étendant entre l'anode, la grille, et la capacité de couplage intégrée au tube.
  • Le tube est donc monté sur une structure à cavités couplées qui ne comprend ici qu'un circuit secondaire; cette structure est coaxiale et comprend deux parois 20 et 22 venant respectivement en contact l'une avec la paroi cylindrique 34 de la connexion d'anode et l'autre avec la pièce de support 37 de grille. Un piston de court-circuit 26 ferme la cavité du circuit secondaire, et un moyen de couplage 28 est prévu pour extraire l'énergie de cette cavité et l'envoyer à l'extérieur. Le piston 26 est mobile pour accorder la résonnance du circuit secondaire sur la fréquence de résonnance du circuit primaire constitué par le tube.
  • On notera que l'anneau diélectrique 39 a une épaisseur relativement faible (de l'ordre du millimètre); la largeur du bossage 33, définissant la largeur sur laquelle est soudé cet anneau peut être de quelques millimètres pour assurer une valeur de capacité de couplage suffisante. Mais l'anneau lui même a une largeur plus importante (plusieurs centimètres), pour assurer une tenue en tension en contournement suffisante entre les pièces métalliques 38 et 30 dont l'une est connectée à la grille et l'autre à l'anode. La périphérie cylindrique 34 de la connexion d'anode déborde à l'extérieur au delà de l'anneau diélectrique 39.
  • La figure 4 représente un tube selon l'invention, adapté à un fonctionnement à fréquence réglable. Cette réalisation s'inspire de la structure générale de la figure 3 et on reprendra donc les mêmes références pour les élements similaires.
  • La différence entre la figure 3 et la figure 4 réside dans l'interposition d'une fenêtre de céramique 40 (étanche au vide, transparente à l'énergie haute fréquence) entre la connexion de grille et la capacité de couplage.
  • Dans la figure 3, la pièce métallique 35 fermait de manière fixe la cavité résonnante constituée par le tube et empêchait de donner à cette cavité des dimensions variables; cette cavité ne pouvait donc être accordée qu'a une fréquence fixe.
  • A la figure 4, on ouvre la cavité pour l'énergie haute fréquence, tout en la laissant étanche au vide, grâce à la fenêtre 40. On pourra donc relier cette fenêtre à une portion de circuit résonnant primaire, accordable, faisant partie d'une structure à cavités couplées.
  • Plus précisément, la construction peut être réalisée de la manière suivante : la connexion d'anode est exactement identique à celle de la figure 3 (références 30, 31, 32, 33, 34).
  • La connexion de grille comprend une pièce de support 37 comme à la figure 3, en cuivre; sur cette collerette est brasé un cylindre d'alliage (kovar) 41 servant d'intermédiaire entre la pièce 37 et la fenêtre d'alumine 40.
  • La fenêtre 40 est un disque annulaire plan d'alumine, de quelques millimètres d'épaisseur (assez épais pour pouvoir être brasé sur ses tranches). Ce disque est brasé par sa tranche intérieure sur le cylindre 41, et par sa tranche extérieure sur une pièce intermédiaire en matériau (kovar) pouvant être brasé sur l'alumine. Cette pièce intermédiaire est ici composée de deux parties 42 et 43 brasées ensemble. La partie 42 est celle qui est brasée sur la fenêtre 40; la partie 43 est conformée de manière à être brasée d'un côté sur la partie 42 et de l'autre sur l'anneau diélectrique 39 de la capacité de couplage. Cet anneau 39 est disposé exactement comme à la figure 3, soudé par ses faces planes entre un bossage 33 de la connexion d'anode 30 et la pièce 43 qui vient en regard de ce bossage. L'anneau diélectrique est nettement plus large que le bossage pour assurer une tenue en tension suffisante en contournement. La périphérie cylindrique 34 de la connexion d'anode déborde à l'extérieur au delà de l'anneau diélectrique 39.
  • L'ensemble 42, 43 comprend par ailleurs au moins une surface définissant un cylindre contre lequel peut venir prendre appui une paroi intermédiaire d'une structure à cavités couplées.
  • La structure à cavités couplées sur laquelle va être monté ce tube est représentée en pointillés sur la figure 4.
  • Elle comprend deux circuits résonnants, un circuit primaire (tout au moins une partie de ce circuit) et un circuit secondaire, mais pas de moyen de couplage entre ces deux circuits puisque le moyen de couplage est une partie intégrante du tube.
  • Le circuit primaire comprend d'une part la portion d'espace sous vide entre l'anode et la grille G2 jusqu'à la fenêtre 40; et il comprend d'autre part une portion de cavité faisant partie de la structure à cavités couplées; cette portion de cavité est délimitée par deux parois 21 et 22 et s'étend entre la fenêtre 40 et un piston conducteur 25 servant à l'accord du circuit primaire. La paroi 21 est une paroi intermédiaire de la structure à cavités couplées; elle est en contact avec la pièce intermédiaire 42 qui se situe radialement entre le support 37 de grille G2 et la périphérie extérieure 34 de la connexion d'anode. La paroi 22 est un paroi intérieure de la structure à cavités couplées; elle prend appui sur la pièce 37 de support de grille G2.
  • Le circuit secondaire est délimité par la paroi intermédiaire 21 et une paroi extérieure 20 de la structure à cavités couplées; la paroi 20 est en contact avec la périphérie cylindrique 34 de la connexion d'anode. La cavité résonnante de ce circuit secondaire est délimitée par ces parois et s'étend entre le moyen de couplage (capacité dont le diélectrique est l'anneau d'alumine 39) et un piston conducteur d'accord 26.
  • La cavité secondaire est pourvue d'un moyen d'extraction d'énergie 28.
  • Il est très important de remarquer qu'avec cette construction de tube la fenêtre de céramique 40 est relativement éloignée de l'espace entre anode et grille. Le moyen de couplage est plus près de cet espace. Il en résulte que la perte de tension introduite par la capacité de cette fenêtre est relativement faible, et que cette capacité joue donc peu sur la valeur de la capacité globale de sortie du tube; elle augmente très peu la dimension électrique de la cavité résonnante primaire de sorte que l'on peut obtenir une fréquence maximale d'utilisation du tube supérieure à celle qu'on obtient avec la construction des figures 1 et 2.
  • La figure 5 représente une variante de réalisation. Comme à la figure 3, le tube fonctionne à fréquence fixe. Mais cette fois le diélectrique de la capacité de couplage n'est pas un anneau plan, c'est un cylindre 50 de même axe que l'axe général du tube. Ce cylindre est brasé entre une pièce conductrice 51 reliée à la connexion de grille (plus précisément au support 37 de la grille) et une pièce conductrice 52 reliée à la connexion d'anode 30. Les pièces 50, 51, 52 assurent :
    - l'étanchéité au vide,
    - l'isolement électrique entre anode et grille,
    - et le couplage d'énergie haute fréquence entre un circuit primaire (l'intérieur du tube) et un circuit secondaire (une structure à cavité résonante sur laquelle est monté le tube).
  • Une adaptation du schéma de la figure 5 pour un fonctionnement à fréquence réglable peut facilement être faite, de la même manière qu'on est passé du schéma de la figure 3 à la figure 4, en remplaçant la fermeture conductrice (constituée par la pièce 51) par un montage à fenêtre étanche d'alumine qui débouche sur une portion de cavité résonnante primaire d'une structure à cavités couplées. Ce montage comprendrait une pièce analogue à la pièce 41 de la figure 4, une fenêtre analogue à la fenêtre 40, et une pièce analogue à la pièce 42 (ou à l'ensemble 42, 43), brasée entre la fenêtre étanche et le cylindre 50.
  • La figure 6 représente une variante de réalisation montrant qu'un couplage de type inductif (couplage par le champ magnétique) est possible en remplacement du couplage capacitif, y compris dans une construction où le tube peut fonctionner à fréquence réglable.
  • La construction s'inspire de celle de la figure 4. La connexion de grille G2 est reliée à une fenêtre étanche 40 destinée à déboucher sur une portion de cavité primaire accordable en fréquence lorsque le tube est monté sur une structure à cavités couplées.
  • La connexion d'anode, isolée électriquement de la connexion de grille par toute la largeur de la fenêtre 40, est constituée par une paroi cylindrique conductrice 60 percée de petits oeillets 61 répartis tout autour de cette paroi, chaque oeillet étant fermé par une fenêtre diélectrique 62 étanche au vide. Ces oeillets débouchent sur une cavité secondaire de la structure à cavités couplées sur laquelle le tube sera monté. Cette cavité est réglable en fréquence par un piston 26 (cf. figure 4). La cavité primaire comprend là encore une portion qui est l'espace sous vide intérieur au tube et une portion externe faisant partie de la structure à cavités couplées et accordable par un piston 25 comme à la figure 4. Ces deux portions sont séparées l'une de l'autre par la fenêtre diélectrique 40 étanche au vide.
  • Comme à la figure 4, la fenêtre de céramique 40 est plus loin que le moyen de couplage par rapport à la zone de développement des champs haute fréquence entra anode et grille. Elle est donc peu gênante même si sa capacité est importante.

Claims (9)

1. Tube électronique à grille destiné à être monté sur une structure à cavités couplées (20, 21, 22, 25, 26, 28) pour extraire de l'énergie haute fréquence du tube, caractérisé en ce que le moyen de couplage des cavités couplées est une partie intégrante (30, 42, 43) du tube à vide, à proximité immédiate de l'espace sous vide entre anode (10) et grille (G2).
2. Tube électronique selon la revendication, caractérisé en ce que le moyen de couplage sert à établir localement l'étanchéité au vide du tube à l'endroit où il est situé.
3. Tube électronique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moyen de couplage est une capacité réalisée à partir d'un disque diélectrique (39) ou d'un cylindre diélectrique (50) brasé sur des parties métalliques, le diélectrique, les parties métalliques et les brasages assurant l'étanchéité au vide de l'enceinte du tube.
4. Tube électronique selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le moyen de couplage est un moyen de couplage inductif tel qu'un cylindre conducteur (60) percé de petites fenêtres diélectriques (62) étanches au vide.
5. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de couplage (39) est situé entre une connexion d'anode (30) destinée à venir en contact avec une première paroi conductrice (20) d'une structure à cavités couplées et une pièce métallique (42, 43) destinée à venir en contact avec une deuxième paroi conductrice (21) de cette structure.
6. Tube électronique selon la revendication 5,
caractérisé en ce que la pièce métallique (35) est en contact électrique avec une connexion de grille (37).
7. Tube électronique selon la revendication 5,
caractérisé en ce que la pièce métallique est une pièce intermédiaire (42, 43), et en ce qu'une fenêtre diélectrique (40) étanche au vide est fixée entre cette pièce intermédiaire et une connexion de grille destinée à venir en contact avec une troisième paroi conductrice (22) de la structure à cavités couplées.
8. Tube électronique selon la revendication 7,
caractérisé en ce que la fenêtre diélectrique (40) est située plus loin de l'espace d'interaction électronique entre grille et anode que le moyen de couplage (39).
9. Tube électronique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube comprend une collerette cylindrique (34) de connexion d'anode permettant la connexion de l'anode avec une paroi externe (20) de structure à cavités couplées; un anneau plat de céramique (39) constituant un diélectrique pour le moyen de couplage, celui-ci étant de type capacitif, l'anneau étant brasé par ses faces planes d'une part sur cette collerette de connexion d'anode et d'autre part sur une collerette conductrice intermédiaire permettant la connexion avec une paroi intermédiaire (21) de la structure à cavités couplées; une collerette cylindrique de connexion de grille permettant la connexion de la grille avec une paroi interne (22) de la structure à cavités couplées; une fenêtre diélectrique (40) entre la collerette de connexion de grille et la collerette intermédiaire.
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