La présente invention concerne un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle oscillante.

Un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle oscillante de l'art antérieur, communément appelé vircator (vircator pour « VIRtual CAthode oscillaTOR »), est représenté aux figures 1 à 3.

Le vircator comprend une diode constituée d'une cathode 2 et d'une anode 3, 4 et un guide d'onde cylindrique 5. L'anode est constituée d'une armature épaisse 3 et d'une feuille mince ou anode mince 4. Ce type de dispositif est connu pour produire des impulsions hyperfréquences de forte puissance.

A cette fin, une différence de potentiel dont l'amplitude croît en fonction du temps est appliquée aux bornes des deux électrodes de la diode. Au cours d'une première phase, un faisceau d'électrons 1 d'intensité croissante est émis par la cathode 2. Le faisceau d'électrons 1 s'écoule de façon laminaire selon l'axe ZZ du guide d'onde 5 (cf. figure 1). Lorsque la tension appliquée à la diode atteint une valeur de seuil, le faisceau commence à se pincer sous l'effet de son champ magnétique (cf. figure 2). Ce pincement résulte de l'annulation, au niveau de l'anode 4, des composantes transverses du champ électrique par rapport à l'axe ZZ. Alors que la tension continue à croître, le pincement du faisceau devient si fort et la densité électronique si élevée que le faisceau d'électrons ne peut plus se propager correctement dans le guide d'onde 5. Une accumulation de charges 6, communément appelée cathode virtuelle, se forme alors derrière l'anode mince 4 (cf. figure 3). La cathode virtuelle 6 dévie alors de nombreux électrons jusqu'à renvoyer certains d'entre eux (électrons E sur la figure 3) vers la cathode 2, à travers l'anode 4. Tout en se rapprochant de l'anode 4, la cathode virtuelle 6 accroît sa quantité de charges jusqu'au moment où elle éclate sous l'effet de sa charge d'espace et une nouvelle cathode virtuelle 6 se reconstitue un peu plus loin dans le guide d'onde 5. C'est ce principe d'oscillation de la cathode virtuelle 6 qui est à l'origine de l'émission d'une onde hyperfréquence 7.

La cathode virtuelle 6 oscille autour d'une position moyenne qui se situe à une distance de l'anode mince 4 égale à la distance qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2. Les électrons E qui sont renvoyés par la cathode virtuelle 6 vers l'anode 4 reviennent dans la diode, sont modulés par cette dernière à la fréquence de l'onde hyperfréquence et modulent légèrement à leur tour le faisceau d'électrons accélérés 1 dans l'espace cathode-anode. Ces électrons rétrodiffusés sont freinés entre l'anode 4 et la cathode 2 et sont déviés vers l'armature de l'anode 3. Les électrons qui franchissent la cathode virtuelle reprennent en moyenne de l'énergie à l'onde qui se propage dans le guide 5, diminuant ainsi son intensité.

Le dimensionnement d'un vircator de l'art connu va maintenant être explicité.

La fréquence f de l'onde émise (exprimée en GHz) est estimée à partir de la distance d (exprimée en cm) qui sépare la cathode 2 de l'anode mince 4 et du facteur relativiste y du faisceau d'électrons 1 par la formule suivante : $$\mathrm{f}\mathrm{=}\frac{\mathrm{4}\mathrm{,}\mathrm{77}}{\mathrm{d}}\log \left(\mathrm{\gamma }\mathrm{+}\sqrt{{\mathrm{\gamma }}^{\mathrm{2}}\mathrm{-}\mathrm{1}}\right)$$ avec γ= eV/mc² + 1, où e est la charge d'un électron, V la différence de potentiel appliquée entre les électrodes de la diode, m la masse de l'électron et c la vitesse de la lumière.

L'onde ayant une symétrie axiale de révolution évolue dans des modes dits transverses magnétiques TM_0n (la composante axiale de son champ magnétique est nulle). Pour qu'elle se propage à l'intérieur du guide circulaire 5 dans le seul mode fondamental TM₀₁, il faut que le rayon R du guide d'onde 5 soit supérieur à la longueur d'onde de coupure du mode TM₀₁ et inférieur à celui du mode suivant TM₀₂. L'équation ci-dessous rend compte de ces conditions de propagation : $$\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi c}}{{\mathrm{k}}_{\mathrm{01}}\mathrm{f}}\mathrm{\le }\mathrm{R}\mathrm{\le }\frac{\mathrm{2}\mathrm{\pi c}}{{\mathrm{k}}_{\mathrm{02}}\mathrm{f}}$$ où k_0n représente la racine de l'équation de la fonction de Bessel J₀(k_on)=0 (k₀₁=2,4048 et k₀₂=5,5201).

La longueur du guide d'onde 5 doit être égale à plusieurs fois la longueur d'onde λ de l'onde électromagnétique 7 (λ=c/f).

Un meilleur fonctionnement du couplage cathode virtuelle - onde électromagnétique est obtenu lorsque la position moyenne de la cathode virtuelle est située dans le voisinage du maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde électromagnétique. Considérant que l'onde électromagnétique se propage dans le seul mode TM₀₁, le rayon r de la cathode 2 doit alors vérifier la relation suivante : $$\mathrm{R}\mathrm{\ge }\mathrm{r}\mathrm{\ge }\frac{\mathrm{1}\mathrm{,}\mathrm{8412}\mathrm{R}}{{\mathrm{k}}_{\mathrm{01}}}\mathrm{\approx }\mathrm{0}\mathrm{,}\mathrm{75}\mathrm{R}$$

Le dispositif décrit ci-dessus est de conception simple et son fonctionnement est robuste. Par contre son rendement en puissance (rapport de la puissance maximale de l'onde émise sur la puissance électrique maximale injectée dans la diode) est très faible, de l'ordre de 1%. Par ailleurs, les fréquences de l'onde émise suivent directement les variations temporelles de la tension appliquée, ce qui conduit à l'obtention d'une onde électromagnétique de qualité spectrale médiocre.

L'invention ne présente pas ces inconvénients.

Un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle oscillante est décrit dans
US-4553068;
Eun-Ha Choi "High-Power Microwave Generation from an Axially Extracted Virtual Cathode Oscillator", IEEE 2000;
Mitsuyasu Yatsuzuka, "Plasma Effects on Electron Beam Focusing and Microwave Emission in a Virtual Cathode Oscillator", IEEE 1998; et
US-5113154.

L'utilisation d'un réflecteur dans un vircator coaxial est décrit dans Xupeng Chen, "Cavity resonance effect on a coaxial vircator", IEEE 2003; et J. Mankowski, "Efficiency results from a coaxial vircator using a simple feedback technique", IEEE 2003.

En effet, l'invention concerne un dispositif générateur d'ondes hyperfréquences comprenant une diode constituée d'une anode et d'une cathode et apte à créer une cathode virtuelle par accumulation d'électrons qui se propagent sensiblement selon un axe longitudinal d'un guide d'ondes circulaire apte à propager, selon ledit axe longitudinal, une onde hyperfréquence émise par oscillation de la cathode virtuelle, caractérisé en ce qu'il comprend un premier réflecteur transparent aux électrons et réfléchissant l'onde hyperfréquence et situé dans le guide d'ondes de façon que la cathode virtuelle soit positionnée entre l'anode et le premier réflecteur.

Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, le premier réflecteur est positionné à l'intérieur du guide d'ondes à une distance de l'anode égale à sensiblement deux fois la distance qui sépare l'anode de la cathode.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le premier réflecteur ferme entièrement une section droite du guide.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le premier réflecteur ferme une section droite du guide sur une partie centrale de ladite section droite de sorte qu'une ouverture sensiblement annulaire soit présente entre le réflecteur et la paroi du guide.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, la partie centrale du premier réflecteur qui ferme la section droite du guide a un rayon supérieur ou égal à sensiblement 0,75 fois le rayon interne du guide circulaire.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le premier réflecteur est réalisé en mylar aluminisé.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, le dispositif comprend un ensemble de N réflecteurs supplémentaires placés dans le guide d'ondes, N étant un entier supérieur ou égal à 1, chaque réflecteur supplémentaire étant un réflecteur ouvert ou fermé transparent aux électrons et réfléchissant l'onde hyperfréquence, le réflecteur supplémentaire de rang i (i=1, 2, ..., N) étant situé, dans le guide d'ondes, au-delà du premier réflecteur de sorte que la distance entre deux réflecteurs successifs soit sensiblement égale à deux fois la distance qui sépare l'anode de la cathode.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, dans le cas d'un réflecteur ouvert, la partie centrale du réflecteur ouvert ferme la section droite du guide sur un rayon supérieur ou égal à sensiblement 0,75 fois le rayon du guide circulaire.

Selon encore une caractéristique supplémentaire de l'invention, chaque réflecteur supplémentaire est réalisé en mylar aluminisé.

Le dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle selon l'invention permet d'obtenir des performances très sensiblement améliorées par rapport aux performances des dispositifs de l'art connu. L'onde hyperfréquence émise est de meilleure qualité spectrale et le rendement de conversion est très sensiblement amélioré.

D'autres caractéristiques préférées et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre faite en référence aux figures jointes, parmi lesquelles :

• les figures 1 à 3 représentent un vircator en fonctionnement selon l'art connu ;
• la figure 4 représente une vue longitudinale d'un exemple de dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle selon l'invention ;
• la figure 5 représente une première vue en coupe du dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle de la figure 4 ;
• la figure 6 représente une deuxième vue en coupe du dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle de la figure 4.

Les figures 1 à 3 ont été décrites précédemment. Il est donc inutile d'y revenir.

La figure 4 représente une vue longitudinale d'un exemple de dispositif générateur d'ondes hyperfréquences à cathode virtuelle selon l'invention. En plus des éléments décrits en référence aux figures 1 à 3, le dispositif comprend deux éléments réflecteurs 8 et 9 situés dans le guide d'ondes 5. Les réflecteurs 8 et 9 sont transparents aux électrons et aptes à réfléchir les ondes électromagnétiques générées dans le guide d'ondes. Ils sont réalisés, par exemple, en mylar aluminisé. A titre d'exemple non limitatif, le premier réflecteur 8, qui est le plus proche de l'anode mince 4, ferme sur toute sa surface une section droite du guide d'ondes 5 (cf. figure 5) alors que le deuxième réflecteur 9 ne ferme qu'une fraction centrée de section droite du guide d'ondes (cf. figure 6), laissant ainsi une ouverture sensiblement annulaire 10 entre sa périphérie et la paroi du guide. Dans la suite de la description, l'expression « réflecteur fermé » sera utilisée pour un réflecteur qui ferme sur toute sa surface une section droite du guide d'ondes et l'expression « réflecteur ouvert » pour tout réflecteur qui ne ferme qu'une fraction centrée de section droite du guide, laissant une ouverture sensiblement annulaire entre sa périphérie et la paroi interne du guide.

Le premier réflecteur 8 est positionné de façon que la cathode virtuelle 6 soit sensiblement au centre de la cavité cylindrique formée par l'anode mince 4, le guide d'ondes 5 et le premier réflecteur 8. La distance D1 qui sépare le premier réflecteur 8 de l'anode mince 4 est alors sensiblement égale au double de la distance d qui sépare l'anode mince 4 de la cathode 2. De même, la distance D2 qui sépare le deuxième réflecteur 9 du premier réflecteur 8 est sensiblement égale à la distance D1.

Le premier réflecteur 8 a pour fonction de réfléchir l'onde créée par la cathode virtuelle 6. L'onde réfléchie vient alors interagir à nouveau avec les électrons et la cathode virtuelle 6, accroissant l'onde hyperfréquence. La cavité cylindrique formée par le premier réflecteur fermé 8, l'anode mince 4 et le guide d'ondes 5 permet ainsi de renforcer la puissance de l'onde créée par la cathode virtuelle 6. Ce renforcement de la puissance de l'onde contribue à renforcer la mise en paquet des électrons de la cathode virtuelle à la fréquence d'oscillation souhaitée. Les électrons qui franchissent le premier réflecteur 8 pour se diriger vers le deuxième réflecteur 9 créent alors une deuxième cathode virtuelle dont la fréquence d'oscillation est optimisée dans la pseudo cavité constituée par le premier réflecteur 8, le guide d'ondes 5 et le deuxième réflecteur 9. L'onde électromagnétique émise par cette deuxième cathode virtuelle peut alors se propager dans le guide d'ondes 5, via l'ouverture sensiblement annulaire 10.

Le dispositif de l'invention selon l'exemple donné aux figures 4 à 6 comprend un premier réflecteur 8 fermé et un deuxième réflecteur 9 ouvert. De façon plus générale, le dispositif de l'invention comprend au moins un réflecteur fermé ou ouvert.

Quel que soit son mode de réalisation, le dispositif de l'invention permet une amélioration très sensible du rendement. Un dispositif à un seul réflecteur fermé conduit à une amélioration du rendement de l'ordre de 4%. Un dispositif à deux réflecteurs tel que celui représenté aux figures 4 à 6 conduit à une amélioration du rendement de l'ordre de 6%, l'adjonction de réflecteurs pouvant encore accroître le rendement.

De façon générale, les réflecteurs peuvent être fermés ou ouverts. Dans le cas d'une pluralité de réflecteurs, le réflecteur le plus éloigné de l'anode est préférentiellement ouvert, afin de permettre plus facilement à l'onde de se propager dans le guide. La distance entre les réflecteurs et celle entre l'anode mince et le premier réflecteur est sensiblement égale à deux fois la distance d entre anode et cathode. Le rayon interne d'un réflecteur ouvert est préférentiellement supérieur à 0,75 R pour réfléchir le maximum de la composante radiale du champ électrique de l'onde (cf. équation (3)).

Il faut également noter l'existence d'une autre pseudo cavité ouverte constituée par la diode, entre la cathode 2 et l'anode 3, 4. Si la fréquence fondamentale de résonance de cette autre pseudo cavité est identique à celle créée dans le guide d'onde où se trouvent les réflecteurs, le rendement est encore meilleur.

Le dispositif de l'invention peut avantageusement être utilisé dans de nombreuses configurations parmi lesquelles on peut citer :

• plusieurs vircators en phase couplés entre eux ;
• une structure maître/esclave(s) dans laquelle un ou plusieurs magnétrons ou klystrons relativistes en phase couplés entre eux (les esclaves) sont déclenchés par un vircator externe (le maître) ;
• un vircator alimenté par une source de rayonnement externe dans la région de la diode qui favorise la mise en paquets du faisceau d'électrons.