[0001] L'invention concerne un générateur d'ondes radioélectriques pour le domaine des hyperfréquences.
Elle concerne plus particulièrement un générateur fonctionnant dans le haut de ce
domaine, à savoir sur quelques dizaines de gigahertz, c'est-à-dire en ondes millimétriques
et submillimétriques.
[0002] On connaît d'après l'art antérieur divers types de tubes électroniques destinés à
cet usage et, notamment, ceux dans lesquels le faisceau d'électrons progresse le long
d'un axe le long duquel il est soumis à l'action d'un champ magnétique uniforme, constant
dans le temps, dirigé suivant cet axe, et à celle d'un champ électrique de haute fréquence
dirigé transversalement au précédent et dont la fréquence est égale à la fréquence
cyclotronique des électrons dans le champ magnétique en question.
[0003] Dans les tubes de ce type, les électrons sont produits par un dispositif qui leur
imprime une composante de vitesse dirigée transversalement à cet axe. Ce dispositif
est généralement un canon à électrons dont la cathode a la forme d'un anneau et produit
un faisceau cylindrique creux.
[0004] Quant au champ électrique de haute fréquence, il consiste dans la composante électrique
du champ électromagnétique régnant à l'intérieur de volumes résonnants placés sur
le trajet du faisceau, tout le long de celui-ci, et couplés à ce dernier.
[0005] Dans ces conditions, les électrons progressent le long de l'axe sur des trajectoires
en spirale et son capables sur la dernière partie de leur trajet de céder de l'énergie
radioélectrique sur la fréquence du champ électromagnétique ou sur un multiple de
celle-ci grâce aux composantes alternatives de haute fréquence formées au sein du
faisceau dans la première partie du trajet. L'énergie radioélectrique produite sur
cette fréquence est recueillie dans une ou plusieurs charges couplées au dernier volume
résonant.
[0006] Dans les tubes de ce type de l'art antérieur, l'énergie est fournie aux électrons
exclusivement par la source continue qui les accélère ; aucune autre source d'énergie
n'est présente dans le système.
[0007] Ge type du tube a fait l'objet ces dernières années de développements sur lesquels
on trouvera des informations dans la communication de V.A. FLYAGIN,A.V. GAPONOV, M.I.
PETELIN, V.K. JULPATOV "The Gyrotron" Second International Conférence and Winter School
on Submillimeter Waves and their Applications Dec. 6-11, 1976 - Puerto-Rico.
[0008] Ces tubes se caractérisent donc par des valeurs élevées de la tension continue d'accélération
appliquée au faisceau pour lui conférer _rï haut niveau d'énergie désiré. Ils se caractérisent
aussi par des champ magnétiques de grande intensité. On sait que l'intensité du champ
magnétique B et la fréquence cyclotronique f (ω
c = 2 πf
c) sont deux grandeurs proportionnelles : ω
c =
, e et m représentant respectivement la charge et la masse de l'électron au repos.
[0009] Or, l'application de tensions continues élevées se heurte à des difficultés d'isolement
dans le cas de ces longueurs d'ondes, où'les circuits sont de très petites dimensions.Qant
à l'application des champs magnétiques nécessaires, elle conduit généralement, si
l'on veut pouvoir atteindre les valeurs nécessaires, qui dépassent celles maximales
réalisables dans les conditions normales, à utiliser des circuits supraconducteurs,
dont on sait que la réalisation et la mise en oeuvre sont difficiles.
[0010] L'invention a pour objet un générateur d'ondes millimétriques du type de ceux auxquels
il a été fait référence ci-dessus, utilisant un champ magne- tique longitudinal et
un champ électrique haute fréquence dont les lignes de force sont disposées transversalement
à celui-ci, permettant de réduire les difficultés signalées.
[0011] Dans ce but, le générateur de l'invention est divisé en deux sections se succédant
le long de l'axe. Dans la première, celle par où entre le faisceau, les volumes résonnants
ont une fréquence de résonance égale à la fréquence cyclotronique des électrons dans
le champ magnétique B. De plus, ces volumes sont alimentés en haute fréquence, par
une onde à la fréquence cyclotronique f . Dans la deuxième section, qui résonne à
une fréquence multiple ou harmonique nf de cette dernière (n étant le rang de l'harmonique),
a leu le prélèvement d'énergie. Par cette disposition, une part de leur énergie est
communiquée aux électrons par le champ électrique haute fréquence régnant dans la
première section. Il est ainsi possible, toutes choses égales par ailleurs, de réduire
la tension continue appliquée au faisceau et de réduire les difficultés résultant
de cette application.
[0012] Le générateur de l'invention apparaît donc comme un système à deux sections, l'une,
accélératrice, dans laquelle un champ haute fréquence sur la fréquence f communique
de l'énergie aux électrons, et l'autre, collectrice, dans laquelle est prélevée une
part de l'énergie de ces électrons. Le dispositif de l'invention se présente, en d'autres
termes, comme un générateur sur la fréquence nf auquel a été incorporé un accélérateur
à basse fréquence f . L'intérêt du transfert d'énergie au faisceau d'électrons sur
cette fréquence basse réside dans le fait que ces transferts présentent en général
un rendement plus élevé à basse fréquence.
[0013] Le champ magnétique appliqué a une intensité correspondant à la fréquence cyclotronique
f
c et, de ce fait, se trouve lui aussi réduit par rapport à celui que nécessiterait
la fréquenée nf .
[0014] Enfin, il n'est plus nécessaire dans les générateurs de l'invention de prévoir, comme
dans l'art antérieur, une disposition du canon à électrons permettant de conférer
aux électrons une vitesse transversale, à savoir, comme il a été dit, un canon à cathode
en anneau. Cette vitesse transversale leur est conférée, dans le générateur de l'invention,
par le champ haute fréquence régnant dans la première section.
[0015] Ces possibilités constituent des avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur.
[0016] Comme on le verra, les volumes résonnants des deux sections peuvent, dans le cadre
de l'invention, être parties intégrantes d'une seule et même enceinte résonnante.
[0017] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et des figures
jointes qui représentent :
- figure 1 : des exemples de sections de guides d'ondes utilisées dans les générateurs
de l'invention ;
- figure 2 : une vue générale schématique d'un générateur de l'invention ;
- figure 3 : un schéma d'une autre variante du générateur de l'invention.
[0018] Il apparaît que dans les générateurs de ce type, utilisant un champ magnétique et
un champ électrique de haute fréquence croisés, le fonctionnement est effectivement
possible sur un harmonique de la fréquence cyclotronique des particules, de pulsation
w
c, suivant les notations précédentes. Pour que ce fonctionnement présente une efficacité
suffisante, il est cependant nécessaire que la champ haute fréquence présente, comme
on l'a dit, une grande amplitude sur l'harmonique en question.
[0019] Dans une variante de l'invention, le volume résonnant unique est choisi de façon
à présenter des harmoniques d'espace de grande amplitude sur la fréquence de fonctionnement
désirée. A cette fin, on utilise, par exemple, comme volume résonnant, un guide d'ondes
du type connu en hyperfréquence, résonnant sur la fréquence cyclotronique, et dont
la section a été déformée de façon à favoriser la présence de ces harmoniques dans
la configuration du champ électromagnétique qui y règne.
[0020] Un tel guide est donc du type de l'un de ceux utilisés en hyperfréquence ; il présente
une section régulière dont les dimensions sont grandes par rapport à la longueur d'onde
de l'onde à engendrer.
[0021] Il permet l'utilisation d'un faisceau cylindrique facile à produire, se propageant
suivant son axe, le long et au voisinage duquel, vu les dimensions du guide, il faut
bien remarquer que les champs sont de petite amplitude.
[0022] Mais grâce aux déformations de cette section du guide utilisé dans l'invention, il
est possible de localiser les lignes de force des harmoniques d'espace de manière
que leur amplitude dans la région du faisceau présente une valeur suffisante pour
une interaction efficace entre le faisceau d'électrons et ces harmoniques.
[0023] On donne ci-dessous un exemple de ces déformations dans le cas de guides originellement
circulaires. Cet exemple est donné à titre non limitatif, pour fixer les idées, étant
entendu que d'autres formes de guides, et notamment les guides à section rectangulaire,
offriraient des possibilités analogues.
[0024] La figure 1 (a,b,c,) montre certaines des formes présentant des harmoniques d'espace
d'amplitude élevée sur la fréquence nf dans le cas d'un guide circulaire : les lignes
avec les flèches représentent les lignes de force du champ électrique comportant une
composante de valeur élevée sur les harmoniques 3 et 5 dans le mode TE
10.
[0025] Le faisceau se propage dans ce guide, sous l'action d'une haute tension continue
appliquée entre la cathode par laquelle il est produit et une anode placée devant.
Comme on l'a dit, cette haute tension lui fournit une partie de son énergie, longitudinale,
l'autre, transversale, lui étant fournie par le champ électrique de haute fréquence
régnant dans le guide d'ondes dans lequel il se propage au delà de cette anode, guide
qui est lui-même à la tension de cette anode, avec laquelle il forme un espace équipotentiel
dans lequel le faisceau est introduit par divers moyens connus de la technique, et
qui ne seront pas mentionnés. Il y décrit, dans les conditions de fonctionnement,
une trajectoire en spirale dont le rayon va en grandissant au fur et à mesure que
le faisceau progresse et qu'il acquiert de l'énergie. Cette trajectoire suit une surface
de forme générale conique, de révolution autour de l'axe du système, dont la direction
est confondue avec celle du champ magnétique. Elle peut être assimilée à une série
de spires circulaires successives, dont le rayon croît, en gros, linéairement en fonction
de l'abscisse sur l'axe, et décrites chacune en un temps égal à la période cyclotronique
dans le champ B.
[0026] Cette trajectoire doit demeurer tout entière à l'intérieur du guide d'ondes.
[0027] On a comparé ci-dessous le rayon a minimum que doit présenter, sur le mode TE
10, le guide utilisé pour pouvoir fonctionner à la pulsation cyclotronique ω
c, c'est-à-dire la valeur de ce rayon correspondant à la coupure à cette fréquence,
et le rayon r de la trajectoire des électrons à leur énergie maximale.
[0028] On a admis, dans cette évaluation, que toute l'énergie des électrons leur est conférée
par le champ électrique haute fréquence, ce qui est une hypothèse idéale faite dans
le seul but de permettre cette évaluation ; on a supposé en outre une énergie transmise
aux électrons par le champ haute fréquence de 50 keV au dessus de leur énergie au
repos, c'est-à-dire un accroissement d'un dixième environ de cette dernière. On a
dans ces conditions
, Wo représentant l'énergie de l'électron au repos et
[0029] W son gain d'énergie sur sa trajectoire ; t représente le facteur relativiste, égal
au rapport
de la vitesse, ici entièrement transversale, de l'électron, à celle de la lumière
. On a
.
[0030] On a rapporté ces rayons a et r à la longueur d'ond λ
o correspondant à cet harmonique.
[0031] A titre d'exemple pour n=3, le rapport 2 π
est égal à 1,238, alors que celui correspondant au rayon a, c'est-à-dire 2π
vaut 1,841.
[0032] Le rayon du guide est donc largement plus grand que le rayon maximal de la trajectoire.
Le guide est ensuite déformé pour obtenir les harmoniques d'espace sur la pulsation
nω
c dans celui-ci.
[0033] Le générateur d'ondes de cette variante de l'invention se présente suivant le schéma
général de la figure 2.
[0034] Un faisceau d'électrons 1 est dirigé suivant l'axe XX d'un guide d'ondes 20 dont
la section 2, circulaire dans l'exemple présente les deux-prolongements, de section
rectangulaire, 3 et 4, diamétralement opposés. Ces volumes latéraux guident préférentiellement
un harmonique de la fréquence du guide sur le mode TE
10 ; les lignes de champ de la composante électrique sur le mode en question sont représentées
par les flèches.
[0035] Un champ magnétique B (flèche) est dirigé longitudinalement suivant l'axe XX du guide.
Un oscillateur excite le guide à la pulsation ω
c, égalera la pulsation cyclotronique des électrons du frisceau dans le champ magnétique
B. Cet oscillateur 7 est couplé au guide par l'antenne 5, que l'on a schématisée par
sa boucle. Une seconde antenne, représentée schématiquement en 6 , permet de recueillir
la puissance engendrée dans le guide à la fréquence nω
c. Sur la figure, on a représenté le début de la trajectoire du faisceau 1 dans les
limites du dessin, montrant les première spires de celle-ci ; l'antenne 6, placée
au niveau de la dernière d'entre elles, devrait se trouver placée plus loin, comme
on le verra sur un exemple numérique. Dans l'exemple, le faisceau d'électrons est
produit par un canon qui comprend une cathode 10, circulaire, une électrode de Pierce
12, et une anode 14 accélérant le faisceau.
[0036] Dans ces conditions, les électrons cèdent de l'énergie haute fréquence à une charge
8 couplée à l'antenne de sortie 6. L'énergie qu'ils recoivent sous forme continue
et haute fréquence les place dans des conditions relativistes, c'est-à-dire telles
que leur variation de masse consécutive à l'augmentation de leur énergie dans la section
accélératrice entraîne une variation de leur phase par rapport au champ électromagnétique
; à ces vitesses on constate que l'électron en mouvement est capable de céder de l'énergie
à un champ électromagnétique haute fréquence. Il en est ainsi pour des valeurs de
la pulsation, ou vitesse angulaire, w
s, des électrons comprises dans une certaine plage autour de la pulsation du champ
é lectromagnétique avec lequel ils sont en interaction. Ceci peut conduire, dans les
générateurs de l'invention, à utiliser un champ magnétique dont l'intensité varie
avec l'abscisse le long de l'axe XX.
[0037] Le générateur de l'invention apparaît comme un multiplicateur de fréquence de haute
puissance.
[0038] Ceci amène à souligner, pour être rigoureux, qu'il n'y a pas exactement multiplication
de la pulsation cyclotronique w
c par le facteur n précédent, mais multiplication par un facteur légèrement différent
de n, du fait que la condition w
s = nω
c n'est pas rigoureusement remplie.
[0039] Ci-dessous sont donnés trois exemples de caractéristiques de fonctionnement du dispositif
de l'invention.
[0040] Un premier exemple concerne le fonctionnement en impulsions du générateur de l'invention.
Celui-ci se présente comme montré sur la figure 2. Le guide d'ondes cylindrique présente
dans sa partie centrale un rayon de 5 mm environ et deux extensions diamétralement
opposées, rectangulaires, et proportionnées comme dans l'exemple de cette figure.
Un canon de type ordinaire fournit un faisceau de 1 ampère, accéléré sous 10 kilovolts
par l'anode 14.
[0041] L'oscillateur est un magnétron fonctionnant en impulsions à la fréquence de 16 gigahertz
; il excite le guide avec une puissance de 60 kilowatts, dans lequel s'établit un
champ dont les lignes de force sur le mode TE
10 sont celles des flèches en trait plein. La valeur du champ magnétique est de 0,6
tesla ; le faisceau d'électrons décrit, dans ces conditions, autour de l'axe XX du
système, une spirale située sur une surface de forme généralement conique, s'évasant
dans la direction de propagation. Il est modulé le long de sa trajectoire, et le courant
modulé présente des composantes aux fréquences n x 16 gigahertz. Les extensions latérales
guident préférentiellement l'une de ces fréquences, la fréquence de 80 GHz notamment,
sur le même mode que la fréquence fondamentale. L'énergie maximale qu'il atteint est
de 60 kilovolts au bout de 10 périodes. A 16 GHz, la longueur de guide nécessaire
est de 4 centimètres environ, ce qui correspond à une puissance consommée de 3 kw
pour un guide présentant une surtension de 800, soit 5% de.la puissance communiquée
aux électrons. Des paquets sont créés au sein du faisceau d'électrons cylindrique
dont le diamètre est de 1,2 mm, alors que le rayon de leur orbite est de 1,35 mm.
La composante de courant à l'harmonique. 5 est, sans autre moyen de focalisation,
d'environ 0,21 I
o, I
o étant le courant du faisceau. La puissance de sortie est de 300 kw.
[0042] Les deux autres exemples concernent un fonctionnement en continu du générateur de
l'invention. L'oscillateur utilisé à l'excitation haute fréquence est ici un klystron
fonctionnant à 10 GHz. Dans le tableau ci-dessous sont données les caractéristiques
correspondant à deux niveaux d'excitation différents.
[0043] Comme dans l'exemple précédent, la structure du générateur peut être celle de la
figure 2, utilisant un seul et même volume résonnant, le guide d'ondes, pour la fréquence
d'excitation et son harmonique.
[0044] Mais il est possible aussi d'utiliser deux cavités successives alignées le long du
champ magnétique, pour l'excitation puis pour le prélèvement d'énergie sur l'harmonique,
ces cavités fonctionnant sur le mode TM
10, moyennant un raccordement adapté, entre les deux cavités.
[0045] Ce cas est représenté schématiquement sur la figure 3.
[0046] Dans l'exemple de cette figure, le faisceau d'électrons passe dans le premier volume
résonnant, ou cavité, 40, alimenté en haute fréquence par un Jclystron, et le prélèvement
d'énergie sur la fréquence harmonique se fait dans une seconde cavité 60, séparée
de la première, 40, par un dispositif d'adaptation 70. Le faisceau est produit par
l'accélérateur BO.
[0047] On notera que la section d'adaptation, représentée en 70 sur la figure 3, pourrait
comporter un dispositif d'injection d'un signal à amplifier de fréquence nω
c Dans ce cas, elle comporterait un élément résonnant couplé au dispositif d'injection
du signal.
[0048] On a décrit dans ce qui précède une structure du générateur de l'invention à guide
d'ondes cylindrique utilisant un faisceau d'électrons également cylindrique. Le générateur
de l'invention peut aussi être réalisé avec un faisceau plat, présentant une section
rectangulaire, et un guide d'ondes dont la section à la même forme, et dont la largeur
peut atteindre jusqu'à 1,5 fois la longueur d'onde λo. Dans ce cas, le faisceau est
mince et large et permet des puissances appliquées élevées.
[0049] Enfin, le faisceau peut être fourni par une cathode et accéléré par une anode à l'entrée
de la partie hyperfréquence, comme dans l'exemple de la figure 2. Il peut aussi être
produit dans une installation séparée, avant son entrée dans le guide d'ondes ou dans
les cavités du générateur, c'est-à-dire dans la partie hyperfréquence ; une telle
installation est par exemple un bétatron, un anneau de stockage etc. (figure 3).
[0050] Le générateur de l'invention a les mêmes applications que les générateurs de l'art
antérieur pour ondes millimétriques, à savoir la mesure dans les installations de
plasma, l'émission radar, les télécommunications, etc.
1. Générateur d'ondes radioélectriques pour hyperfréquence utilisant un faisceau d'électrons
se propageant suivant un axe,soumis à un champ magnétique dirigé suivant cet axe et
au champ électromagnétique de volumes résonnants disposés le long de cet axe caractérisé
en ce qu'il comprend, couplées à ces volumes résonnants, une source d'ondes à une
fréquence égale à la fréquence cyclotronique fc des électrons du faisceau dans le champ magnétique, et une charge dans laquelle est
prélevée une énergie sur une fréquence voisine d'un multiple nf de cette fréquence
cyclotronique.
2. Générateur d'ondes radioélectriques suivant la revendication 1, caractérisé en
ce que ces volumes résonnants consistent en un guide cylindrique unique dont la section
est déformée de façon à présenter deux extensions, de section rectangulaire, diamètra-
lement opposées, et couplé à la source à l'une de ses extrémités et à la charge à
l'autre.
3. Générateur d'ondes radioélectriques suivant la revendication 1, caractérisé en
ce que les volumes résonnants consistent en deux enceintes résonnantes séparées, traversées
successivement par le faisceau d'électrons, la première, couplée à la source, résonnant
sur la fréquence cyclotronique, et la seconde, couplée à la charge, résonnant sur
la fréquence voisine en question.
4. Générateur d'ondes radioélectriques suivant la revendication 1, caractérisé en
ce que les volumes résonnants consistent en trois enceintes résonnantes séparées,
traversées successivement par le faisceau d'électrons, la première, couplée à la source,
résonnant sur la fréquence cyclotronique, la troisième, couplée à la charge, résonnant
sur la fréquence voisine en question, et la seconde, couplée à un générateur d'un
signal radioélectrique à amplifier, sur la fréquence voisine en question.
5. Générateur d'ondes radioélectriques suivant la revendiacation 1, caractérisé en
ce que le champ magnétique a une valeur qui varie le long de l'axe de propagation.