Tube à ondes progressives muni d'une ligne à retard en hélice bimétallique

Abstract

 L'invention concerne un tube à ondes progressives à hélice (30). L'hélice est maintenue par serrage dans un manchon (31) et est centrée par au moins trois bâtonnets (32) diélectriques. Elle possède des parties (35) de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets (32). Au lieu d'être réalisée à partir d'une bande mince d'un métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité, l'hélice (30) est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche (34) d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties (35) de l'hélice (30) en contact avec les bâtonnets (32), d'une couche (33) d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. La résistance d'interface entre l'hélice (30) et les bâtonnets (32) est alors réduite. L'invention s'applique à des tubes ondes progressives fonctionnant à large bande et à puissances moyenne et/ou crête élevées.

Description

[0001] La présente invention concerne les tubes à ondes progressives fonctionnant à large bande et à puissances moyenne et/ou crête élevées. Un tube à ondes progressives est constitué par l'association d'un faisceau d'électrons long et fin et d'une structure, telle qu'une ligne à retard, destinée à guider une onde hyperfréquence devant être amplifiée. Cette ligne à retard est bien souvent réalisée à partir d'une bande métallique mince de section rectangulaire, bobinée hélicoïdalement en formant des spires non jointives. On obtient ainsi une hélice.

[0002] Cette hélice est maintenue, centrée par des bâtonnets diélectriques, dans un manchon métallique qui forme le corps du tube à ondes progressives. Le nombres des bâtonnets est généralement supérieur ou égal à trois.

[0003] Selon une première construction connue l'hélice est réalisée dans un métal élastique et réfractaire tel que le tungstène ou le molybdène.

[0004] Elle est maintenue par serrage dans le manchon. Le serrage peut se faire par divers procédés. Il est possible de chauffer le manchon afin qu'il se dilate et d'introduire l'hélice et les bâtonnets dans le manchon chauffé; son refroidissement produira le serrage de l'ensemble hélice-bâtonnets-manchon.

[0005] Dans cette réalisation on utilise bien souvent un manchon en acier inoxydable et des bâtonnets en glucine ou en nitrure de bore. La choc du tungstène et de l'acier inoxydable résulte de leur élasticité. Le serrage permet de diminuer la résistance thermique d'interface entre l'hélice et les bâtonnets d'une part et entre les bâtonnets et le manchon d'autre part. En effet la résistance thermique d'interface entre deux solides varie de façon inversement proportionnelle à la pression appliquée sur ces deux solides.

[0006] Mais lorsque le tube à ondes progressives fonctionne en régime continu, l'hélice s'échauffe de manière très importante. Cet échauffement est du à la puissance libérée par les électrons du faisceau d'électrons qui percutent l'hélice et également à l'effet Joule. En effet, la résistivité électrique de l'hélice est alors relativement importante. La chaleur doit être évacuée vers le manchon. Il n'est pas rare que dans un tube à ondes progressives fonctionnant à 15 GHz et produisant une puissance moyenne de 300 W, la température de l'hélice soit de l'ordre de 250° C au dessus de la température du manchon.

[0007] En revanche lorsque le tube à ondes progressives fonctionne en impulsions courtes et peu fréquentes, le faisceau d'électrons étant produit pendant de brefs moments, l'hélice s'échauffe moins. Les tubes à ondes progressives utilisant une hélice serrée peuvent fonctionner en impulsions à puissance crête élevée mais en régime continu sont limités en puissance moyenne.

[0008] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un tube à ondes progressives comportant une ligne à retard en hélice, ce tube pouvant fonctionner à des puissances moyenne et/ou crête élevées. Pour cela on a cherché à augmenter la conductivité thermique de l'hélice.

[0009] La présente invention propose un tube à ondes progresslves comportant une ligne à retard en hélice, insérée dans un manchon métallique, centrée par au moins trois bâtonnets diélectriques et maintenue par simple serrage, l'hélice ayant des parties de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets, caractérisé en ce que l'hélice est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties de l'hélice en contact avec les bâtonnets, d'une couche d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.

[0010] L'hélice ainsi réalisée sera donc bimétallique. La couche de second métal sera continue et recouvrira sensiblement toute la longueur de la couche de premier métal. Selon une variante la couche de second métal sera discontinue et recouvrira la couche de premier métal seulement au niveau de toutes les parties de l'hélice en contact avec les bâtonnets.

[0011] Selon une autre caractéristique de l'invention la couche de second métal sera située à l'extérieur de l'hélice.

[0012] Selon une autre caractéristique de l'invention le premier métal utilisé sera choisi de préférence réfractaire afin de résister à l'échauffement superficiel du à l'impact d'électrons issus du faisceau.
Las deux couches seront assemblées par brasage ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art.

[0013] Le second métal sera choisi de préférence malléable.

[0014] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, et aux figures jointes qui représentent :

- la figure 1 : une vue en coupe transversale de la ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives, cette ligne étant montée par serrage selon l'art antérieur.

- la figure 2 : une vue en coupe longitudinale de la ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives selon l'invention.

- la figure 3 : une vue en coupe longitudinale d'une variante de la ligne à retard d'un tube à ondes progressives selon l'invention.

[0015] La figure 1 est une vue en coupe transversale de la ligne à retard d'un tube à ondes progressives selon l'art antérieur. La référence 1 représente une ligne à retard en forme d'hélice. Cette hélice 1 est maintenue centrée et serrée dans un manchon 2 métallique. La centrage est réalisé par des bâtonnets 3 en matériau diélectrique. La nombre de bâtonnets 3 est au moins de trois. L'hélice 1 a des parties 13 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 3. L'hélice 1 est réalisée à partir d'une bande mince d'un métal réfractaire et élastique tel que le tungstène ou le molybdène. Cette bande a de préférence, une section rectangulaire. La manchon 2 est souvent réalisé en acier inoxydable et les bâtonnets 3 en quartz, glucine ou nitrure de bore. La montage de l'hélice 1 dans le manchon 2 se fait à chaud. Pour cela, on chauffe fortement le manchon 2, il se dilate, on introduit l'hélice 1 entourée des bâtonnets 3. Le refroidissement du manchon 2 provoque le serrage de l'hélice 1 et des bâtonnets 3.

[0016] Lorsque le tube à ondes progressives transmet une puissance élevée l'hélice 1 chauffe fortement à cause des pertes par effet Joule et à cause du bombardement parasite de l'hélice 1 par des électrons issus du faisceau d'électrons produit par le tube à ondes progressives. Le tungstène ou le molybdène ont en effet une résistance thermique et une résistivité électrique relativement élevées.

[0017] Par exemple, dans un tube à ondes progressives fonctionnant à 15 GHz et produisant une puissance moyenne de 300 W, l'hélice montée par serrage aura une température supérieure de 250° C environ à celle du manchon. Une puissance moyenne de 300 W est tout à fait insuffisante pour les amplificateurs des stations de télécommunications par satellites par exemple.

[0018] Un tube à ondes progressives comportant une telle ligne à retard en hélice sera limité en puissance moyenne en régime continu mais pourra fonctionner en impulsions à puissance crête élevée. Dans ce cas, le faisceau d'électrons n'est émis que pendant des temps très courts, l'échauffement de l'hélice est donc moins important.

[0019] La figure 2 représente en coupe longitudinale une ligne à retard en hélice d'un tube à ondes progressives montée par serrage selon l'invention. La référence 30 représente l'hélice. L'hélice est maintenue centrée et serrée dans un manchon 31 métallique par des bâtonnets 32 en matériau diélectrique dont le nombre est au moins de trois. L'hélice 30 a des parties 35 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 32.

[0020] L'hélice 30 est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'un empilement d'une couche 34 d'un premier métal et d'une couche 33 d'un second métal. Ces deux couches 33,34 sont assemblées par brasage ou tout autre moyen connu de l'homme de l'art. Las deux couches 33,34 ont sensiblement la même longueur. Sur cette figure les deux couches sont de même largeur. On pourrait envisager qu'elles aient des largeurs différentes.

[0021] La couche 33 du second métal est placée à l'extérieur de l'hélice 30, tandis que la couche 34 du premier métal est placée à l'intérieur de l'hélice 30.

[0022] On réalisera de préférence la couche 34 placée à l'intérieur de l'héllce dans un premier métal élastique même à température élevée. La couche 34 en métal élastique permet de maintenir le serrage nécessaire pour que la résistance thermique à l'interface hélice-bâtonnets reste faible. De préférence le premier métal sera choisi aussi réfractaire afin qu'il conserve ses propriétés même à température élevée. Il devra résister à un échauffement superficiel du à l'impact d'électrons issu du faisceau. La tungstène ou le molybdène sont des métaux répondant à ces deux conditions.

[0023] On réalisera de préférence la couche 33 placée à l'extérieur de l'hélice 30 dans un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité tel que le cuivre ou l'aluminium.

[0024] Cette couche 33 est en contact avec les bâtonnets 32 diélectriques. En profitant des propriétés plastiques du cuivre on améliore lors du serrage, le contact entre l'hélice 30 et les bâtonnets 32. Cela permet de diminuer considérablement la résistance thermique à l'interface hélice-bâtonnets. En conséquence, le second métal sera choisi de préférence malléable.

[0025] La présence de la couche 33 en métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité permet aussi de diminuer la résistance thermique de l'hélice 30 ainsi que sa résistivité électrique. En conséquence, la température maximale de l'hélice 30 est réduite ainsi que les pertes par effet Joule.

[0026] Pour un même échauffement de l'hélice, une hélice selon l'invention transmet une puissance beaucoup plus élevée que l'hélice représentée à la figure 1.

[0027] De façon avantageuse le manchon 31 sera en acier inoxydable et les bâtonnets 32 en nitrure de bore.

[0028] Selon une variante représentée sur la figure 3, la couche de second métal peut être discontinue. La référence 40 représente l'hélice. L'hélice est maintenue centrée et serrée dans un manchon 41 métallique par des bâtonnets 42 en matériau diélectrique dont le nombre est au moins de trois. L'hélice 40 a des parties 45 de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets 42. L'hélice 40 est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche 44 d'un premier métal élastique recouverte d'une couche 43 d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.

[0029] La couche 43 de second métal est déposée seulement au niveau de toutes les parties 45 de l'héllce 40 en contact avec les bâtonnets 42. La couche 43 de second métal est alors à l'extérieur de l'hélice. On choisit les mêmes métaux que dans le cas précédent.

[0030] La limitation en puissance moyenne des hélices classiques montées par serrage est considérablement repoussée avec une hélice conforme à l'invention.

[0031] Par mesure de prudence, la section droite de la bande utilisée pour réaliser l'hélice ne comportera que des angles arrondis ainsi qu'il est d'usage lorsque l'on travaille à des niveaux de puissance élevés.

[0032] Avec une telle hélice on pourra maintenant travailler à puissance moyenne élevée. Cette hélice permet toujours de travailler à puissance crête élevée puisque la couche de métal élastique assure le serrage de l'hélice dans le manchon.

[0033] La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits notamment en ce qui concerne les dimensions et matériaux de l'hélice.

Revendications

1 - Tube à ondes progressives comportant une ligne à retard en hélice (30), insérée dans un manchon métallique (31), centrée par au moins trois bâtonnets (32) diélectriques et maintenue par simple serrage, l'hélice ayant des parties (35) de sa surface extérieure en contact avec les bâtonnets (32), caractérisé en ce que l'hélice (30) est réalisée à partir d'une bande mince constituée d'une couche (34) d'un premier métal élastique recouverte, au moins au niveau de toutes les parties (35) de l'hélice en contact avec les bâtonnets (32), d'une couche (33) d'un second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité.

2 - Tube à ondes progresslves selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité est continue et s'étend sensiblement sur toute la longueur de la couche (34) du premier métal élastique.

3 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal est située à l'extérieur de l'hélice (30).

4 - Tube ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier métal élastique est aussi réfractaire.

5 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second métal bon conducteur de la chaleur et de l'électricité est aussi malléable.

6 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal sont assemblées par brasage ou tout autre moyen.

7 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal ont la même largeur.

8 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal et la couche (34) du premier métal ont des largeurs différentes.

9 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche (33) du second métal est en cuivre ou en aluminium.

10 - Tube à ondes progressives selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la couche (34) du premier métal est en tungstène ou en molybdène.

Dessins