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" Dispositifs amplificateurs à haute fréquence ".
La présente invention est relative à des dis- positifs pour l'amplification d'ondes électriques à haute fréquence, particulièremeht des dispositifs, dans lesquels l'amplification est obtenue par l'interaction entre un faisceau électronique et un champ électrique de haute fréquence associés aux ondes à amplifier, sur une distance étendue telle qu'une distance de plus d'une longueur dtonde le long du parcours de transmission de l'onde.
Elle est aussi particulièrement relative à une ligne coaxiale et à des transducteurs de guidage d'ondes agen- cés pour être utilisés sur une large bande de fréquences.
L'invention a pour but principal d'élargir la bande de transmission effective dans des dispositifs à
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haute fréquence, du type utilisant l'interaction entre un faisceau électronique et le champ à haute fréquence d'ondes circulant le long d'un parcours commun*
Un autre but de l'invention consiste à remédier aux effets d'incompatibilité d'impédance entre un dispo- sitif du caractère décrit et les citcuits de transmission y associés.
L'invention a encore pour but de prévoir un transducteur 'd'ondes électriques convenant pour adapter l'impédance entre un guide d'ondes et une ligne de trans- mission coaxiale du type comprenant un conducteur inté- rieur hélicoïdal sur une large bande de fréquences.
Un dispositif connu comprend un appareil ampli- ficateur électronique pour hautes fréquences,dans lequel le parcours de transmission de l'onde à amplifier est incorporé dans l'appareil amplificateur. L'onde mobile suit un parcours tel que le champ électrique associé peut être traversé par un faisceau ou courant électro- nique ayant une vitesse de même ordre de grandeur que celle à laquelle l'onde mobile se meut à travers l',appa- reil amplificateur. Dans ces conditions, le courant élec- tronique réagit sur le champ électrique et le champ élec- trique réagit sur le courant électronique de telle façon que l'onde circulant le long du parcours, dans la même direction que le courant électronique, augmente en ampli- tude avec la distance, tandis qu'une onde circulant à l'encontre du courant est peu effectée par la présence des électrons.
Le dispositif agit donc comme un amplifi- cateur pour les ondes circulant dans la même direction que le courant électronique.
Un dispositif amplificateur d'ondes du carac- tère décrit est essentiellement de nature non-résonnante, c'est-à-dire qu'il ne dépend,pas au point de vue ampli- fication des effets de résonance dans la structure tu-
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bulaire, comme c'était nécessaire dans les dispositifs précédemment utilisés pour la partie de fréquence très élevée du spectre. Pour cette raison, le dispositif convient excellemment à des applications, dans lesquelles il est nécessaire d'amplifier des signaux, qui couvrent une large bande de fréquences, par exemple de ltordre de plusieurs centaines de mégacycles, c'est-à-dire à des longueurs d'ondes de l'ordre de trois à dix centimètres.
L'utilité dui dispositif dans l'amplification de tels signaux de large bande a, toutefois, été limitée par la nature des dispositifs de couplage d'entrée et de sortie, connus antérieurement. Bien que les types de guides d'on- des employés pour conduire le signal à lifier au dispo- sitif, et le signal de sortie amplifié au circuit de charge soient, par leur nature, adaptés pour être employés avec des signaux à large bande, les transducteurs employés pour coupler les guides d'ondes au parcours de transmis- sion dans le dispositif ont encore une caractéristique .-, fréquence.impédance relativement aigu' et ne conviennent, dès lors, pas très bien pour la transmission.de signaux à large bande.
Une construction préférée pour le dispositif d'amplification utilisé un parcours de transmission d'ondes sous forme d'une ligne de transmission concentrique, dans laquelle le conducteur central est une hélice allongée.
Des guides d'ondes sont utilisés pour la transmission de et signaux vers le dispositif/à partir de celui-ci et des barrettes de couplage de l'ordre d'un cinquième de lon- gueur d'onde des signaul à amplifier en longueur dans le champ existant à l'intérieur du guide d'ondes, servent à communiquer le signal à amplifier à l'hélice, et le signal amplifié de.'l'hélice au guide d'ondes de sortie. Bien que le bout de la barrette de couplage soit un point d'impé- dance relativement élevé, alors que l'impédance naturelle
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du conducteur hélicoïdal est relativement faible, il y a une discontinuité d'impédance qui aurait, lorsque le dis- positif fonctionne, pour effet de réfléchir une partie des ondes.incidentes.
Bien que la discontinuité puisse être éliminée par un placement adéquat de la barrette de couplage, la impédance-fréquence caractéristique/résultante du système est relativement étroite et non-adéquate à l'utilisation des capacités totales du dispositif d'amplificationé
La.présente invention préconise un couplage entre le guide d'ondes et l'hélice, dans lequel l'impédance naturelle, à l'extrémité de pointe de la barrette de couplage, est adoptée à celle de l'hélice par l'emploi d'une structure possédant une caractéristique d'impédance variant lentement ou "ffilée", entre la barrette de couplage et l'hélice. Une telle caractéristique est obte- nue en changeant l'espacement entre les spires d'une section de l'hélice,, de préférence, suivant une fonction exponentielle.
Une particularité également importante de l'invention consiste dans le fait que la barrette de couplage est située à une distance de l'ordre d'un cin- quième de la longueur des ondes à amplifier à partir d'une extrémité fermée du guide d'ondes. On produit ainsi une caractéristique de réactance qui varie en direction opposée à celle de la barrette de couplage, lorsque la fréquence varie de façon à produire une très large carac- téristique impédance-fréquence.
L'invention ainsi que d'autres objets et avanta- ges apparattront plus clairement au cours de la descrip- tion détaillée suivante en référence aux dessins annexés dans lesquels : la Figure 1 montre un dispositif amplificateur d'ondes du type auquel la présente invention appartient, certaines parties étant brisées et d'autres en coupe,
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la Figure 2 montre une vue extérieure du dispo- qitif d'amplification d'ondes; la Figure 3 est, à plus grande échelle, une coupe du dispositif d'amplification d'ondes suivant la ligne 3-3 de la Figure 2,qui illustre la manière dont sont disposées les tiges de support en céramique entre l'hélice et l'enveloppe; la Figure 4 est une vue agrandie de la section de couplage montrant la sonde de couplage, le cylindre support et la section de transformation d'impédance.et;
la Figure 5 est une vue illustrative d'un guide d'ondes au transducteur de ligne de transmission concen= trique, utilisant le transformateur d'impédance suivant l'invention,
La figure 1 représente une forme de réalisation d'un dispositif de décharge convenant pour être utilisé comme amplificateur pour fréquencES ultra-élevées. Le à dispositif représenté, comprend un tube/faisceau élec- tronique comportant une enveloppe à vide présentant une partie allongée 10. Cette partie, qui est d'un diamètre uniforme sur toute sa longueur, communique avec une électrode élargie, contenant la partie 11.
L'enveloppe est constituée par une matière isolante à faible perte, telle que du quartz ou du verre. ,
La partie tubulaire de l'enveloppe 10 est pour- vue, à une extrémité, d'un dispositif du type appelé canon cathodique pour produire un faisceau électronique.
La combinaison indiquée comprend un dispositif de chauf- fage 12, alimenté en énergie par une source 13, une cathode 14, et un disque métallique 15 pourvu d'une ou- verture 16 pour confiner les électrons émis par la cathode én un faisceau concentré. Un anneau 17, maintenu en rela- tion d'esspacement non conductrice par rapport au disque 15 par des anneaux en céramique non conducteurs 18 et 19 et une bride 20 supporter,-, un cylindre 21 dont la confiT,
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guration est telle qu'elle donne des formes de.
champ convenables pour accélérer et concentrer le courant ou faisceau électronique, lorsque le cylindre est polarisé à un potentiel convenable.Le courant électronique est, de plus, concentré et guidé le long d9un parcours ou trajet axial dans l'espace entouré d'une hélice 22 par une bobine de concentration magnétique 23 excitée par une batterie 27, par l'intermédiaire d'un rhéostat 28.
Le champ magnétique intense formé par la bobine 26 sert également, grâce à une influence magnétique extérieure, à éviter la déviation du faisceau électronique du par- cours ou trajet désiré. L'anode 29 sert à recueillir les électrons arrivant à l'extrémité de l'enveloppe
Au cours du fonctionnement du dispositif, le cylindre de concentration 21 et l'hélice 22 sont main- tenus à un potentiel de l'ordre de quinze cents à deux mille volts au dessus de celui de la cathode, grâce à la source de potentiel représentée conventionnellement par la batterie 30. Un conducteur 31 prévu à l'intérieur de l'enveloppe 10 sert à appliquer le potentiel relevé à l'hélice 22, tandis qu un conducteur 32 sert, de façon similaire, à appliquer le potentiel élevé au cylindre de concentration 21.
Le collecteur 29 est maintenu à un potentiel quelque peu inférieur par une prise à la même source de potentiel, dans le but de ralentir le faisceau électronique avant qu'il n'atteigne le collecteur. Ceci n'est en aucune manière essentiel à la réalisation du dispositif et le collecteur peut être maintenu à un po- tentiel plus élevé que celui de l'hélice.
lies parties du dispositif qui viennent d'être décrites, sont seulement relatives à la création d'un faisceau électronique et à son guidage à travers l'enve- loppeo Les électrodes, qui forment le système à haute fréquence du dispositif, servent à introduire les ondes
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à haute fréquence à amplifier dans l'enveloppe à four- /pour agir/ nir un trajet le long duquel les ondes peuvent circuler/ le sur/courant électronique et à transférer les ondes am- plifiées aux circuits de sortie associés au dispositif,
Le but normal du dispositif est l'amplification uniforme d'une large bande d'ondes à haute fréquence à des lon- gueurs d'onde de l'ordre de trois à dix centimètres et les parties à haute fréquence du dispositif doivent nécessairement avoir des dimensions convenables pour être utilisées à la longueur d'onde/. particulière à amplifier.
Puisque la largeur de bande des ondes à ampli- fier peut 'être de l'ordre de plusieurs centaines de méga- cycles, l'expression "longueur d'onde à amplifier" dé- signe,dans le présent mémoire, la longueur d'onde de la fréquence au centre de la bande.
L'hélice 21 sert de trajet le long duquel les ondes à amplifier sont propagées afin qu'elles puissent réagir avec le courant électronique circulant à travers ladite hélice. Pour réaliser cette fonction, les dimen- sions de l'hélice doivent être telles que la vitesse linéaire à laquelle une onde,se déplaçant le.long de la circonférence de l'hélice, avance le long de l'axe, à une certaine valeur, pour laquelle le courant électroni- que peut être accéléré par l'emploi de voltages modérés.
Pour accélérer des voltages de l'ordre de quinze cents à deux mille volts, l'hélice peut être enroulée de façon à comporter plusieurs spires par longueur d'ondes le long de l'axe, qui peut, à son tour, avoir une longueur de l'ordre de trente ou quarante longueurs d'ondes de l'onde à amplifier en longueur.
L'hélice est supportée par une série de tiges en céramique 33 non conductrices de l'électricité, qui
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sont disposées entre l'hélice 22 et l'enveloppe 10. Cette construction préférée est mieux illustrée, d'une part, à la Figure 2, qui est, après coupe et brisures partiel- les, une vue extérieur du dispositif représenté à la
Figure 1 et, d'autre part, à la figure 3, qui est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2. Comme indiqué à la Figure 3, les tiges de support 33 servent à main- tenir fermement l'hélice 22 dans une position concentri- que à l'enveloppe tubulaire 10.
On a prévu des pa-rcours ou trajets de guidage d'ondes extérieurs au dispositif d'amplification pour conduire les ondes à amplifier au dispositif et les on- des amplifiées à un circuit de transmission ou de charge.
A l'extrémité d'entrée de l'hélice 22, un guide d'ondes
34 de section transversale rectangulaire et, de préfé- rence, de dimensions telles que les ondes à amplifier soient propagées à travers l'intérieur du guide suivant le mode TE10, est couplé à une source de signalisation d'entrée 35 des ondes à amplifier. Le couplage est conven- tionnellement représenté par une ligne de transmission coaxiale 33 et une sonde 37, mais peut être d'un type convenable pour la transmission de signaux à larges ban- des.
Le dispositif d'amplification est inséré transver- salement dans le guide d'ondes de façon que l'axe de l'hélice 22 passe perpendiculairement par le centre des parois latérales 38 et 39 et la distance du côté inté- rieur de la paroi terminale 40 à la barrette de couplage
49, indiquée par la flèche 58, est égale à environ un cinquième de la longueur d'ondes des ondes à amplifier.
A l'extrémité de sortie de l'hélice 22, le dispositif d'amplification est similairement disposé en travers d'un guide d'ondes de sortie 41, qui est couplé à une charge 42, par l'intermédiaire d'une ligne de transmis- sion 43 et d'une sonde 44.
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Le guide d'ondes d'entrée 34 est connecté à un guide d'ondes de sortie 41, par un cylindre métal- lique 45 en matière non magnétique entourant l'enveloppe 10. Ce cylindre coopère avec l'hélice 22 pour former une ligne de transmission concentrique et sert également à empêcher des champs électriques extérieurs d'influencer le trajet de transmission du courant ou faisceau électro- nique à travers l'hélice, sans affecter l'action du solénoide 25. Une partie cylindrique en matière conduc- trice non magnétique 46, est attachée au guide d'ondes d'entrée 34 et la paroi métallique 47 d'un résonateur d'ondes 48 est connectée électriquement au guide d'ondes de sortie 41, de façon à étendre électriquement la lon- gueur du conducteur extérieur de la ligne de transmis- sion.
Bien que ce conducteur extérieur ne puisse pas for- mer une ligne de transmission concentrique au sens con- ventionnel de l'expression, étant données les caractéris- tiques de propagation des ondes à haute fréquence dans la bande de longueurs d'ondes,auxquelles le dispositif est destiné à fonctionner, une telle dénomination sera utilisée pour les facilités de l'exposé et de la description, sans aucune intention de limitation du fonctionnement de l'am- plificateur.
Le résonateur d'ondes 48 est couplé au conduc- teur d'alimentation à haute tension 31 de l'hélice et agit en qualité de self de choc, pour éviter la radiation de l'énergie à haute fréquence fournie au conducteur par l'hélice 22. Le résonateur est ajusté à une fréquence voisine du milieu de la bande de fréquences à amplifier et son action permet d'atteindre le but visé sur la bande entière.
Suivant la présente invention, on a prévu un dispositif pour le transfert d'énergie d'ondes à haute fréquence entre les parcours ou trajets de transmission/
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d'ondes extérieurs au dispositif d'amplification et le parcours ou trajet de transmission d'ondes à l'intérieur du dispositif d'amplification, le dispositif de transfert précité faisant office de connexion d'adaptation d'impé- dance sur une large bande de fréquences.
L'énergie ondu- latoire est ainsi transférée entre le système de trans- mission extérieur et les parties d'entrée et de sortie de l'amplificateur sur un parcours ou trajet électrique- ment "doux" et les effets de réflexion sont évités Ceci constitue un avantage important, étant donné que la présenced'ondes réfléchies le long du parcours ou trajet de transmission du dispositif peut être cause de la formation d'oscillations se soutenant par elles-mêmes.
A l'extrémité d'entrée de l'hélice 22, une barrette de couplage d'entrée 49 est disposée à l'inté- rieur de l'enveloppe dans une direction parallèle aux lignes de champ électrique des ondes à haute fréquence propagées à travers le guide d'ondes 34, en sorte qu'un potentiel électrique correspondant est formé le long de la barrette de couplage. Celle-ci est supportée par un cylindre métallique creux 50, qui s'ajuste étroite- ment à l'intérieur de l'enveloppe 10 et coopère avec le cylindre métallique 46 extérieur à l'enveloppe 10, de façon à former une ligne de transmission d'une longueur électrique égale à un quart de la longueur d'onde des ondes à amplifier.
Etant donné que l'impédance d'entrée d'une ligne de transmission à circuit ouvert d'un quart de longueur d'onde est très petite, le point de support de la barrette de couplage est, électriquement, un point de faible impédance. Les ondes à fréquence élevée indui- tes le long de la barrette de couplage sont appliquées à l'hélice par l'intermédiaire d'une section transforma- trice d'impédance 51, qui produit une caractéristique dtimpédance variant lentement d'une haute impédance à
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la pointe de la barrette de couplage 49 à l'impédance relativement petite de l'hélice 22, en sorte que l'onde ne rencontre aucune discontinuité d'impédance pendant son transfert de la sonde à l'hélice.
A l'extrémité de sortie de l'hélice, l'onde amplifiée traverse similaire- ment une section d'adaptation d'impédance 52 allant à une barrette de' couplage de sortie 53, qui est supportée par un cylindre métallique 54 également d'une longueur électrique égale à un quart de longueur d'onde et asso- ciée avec la paroi métallique enveloppante 47, pour pro- duire un point de support de faible impédance, comme dans le cas de l'élément correspondant prévu à l'extrémi- té d'entrée de l'hélice 22, de façon à communiquer des ondes à haute fréquence correspondantes au guide d'ondes de sortie 41. Une adaptation dtimpédance est ainsi pro- duite de la même manière qu'à l'extrémité d'entrée de l'hélice 22.
La Figure 4 donne une vue agrandie d'un assem- blage de couplage comprenant la barrette de couplage 49, le cylindre de support 50 et la section d'adaptation d'impédance 51. La barrette de couplage peut avoir une longueur de l'ordre de un huitième de la longueur d'onde des ondes à amplifier, en sorte qu'en conjonction avec l'effet diélectrique de l'enveloppe 10 entourant la bar- rette, elle aura une longueur électrique effective de l'ordre de un cinquièmede longueur d'onde.
Similairement, le cylindre supportant la barrette de couplage 50 a une longueur de l'ordre de un huitième de longueur d'onde des ondes à amplifier, mais dans ce cas la disposition plus serrée de l'enveloppe entre le cylindre de support 50 et lq cylindre extérieur 46 produit une longueur électrique équivalente d'un quart de la longueur d'onde des ondes à amplifier. Comme indiqué dans la vue en bout de la Figure 3 et comme illustré en pointillé à la Figure 4, le cylin-
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dre de support peut, de préférence, être pourvu d'une fente étroite 55 opposée à la sonde de prélèvement*' Cette fente permettra un certain taux d'élasticité mécanique, en sorte que le cylindre sera maintenu fermement dans l'enveloppe 10.
La capacitance aux bornes de l'écartement est d'une valeur telle que cet écartement n'aura pas d'effet sur le fonctionnement propre du cylindre, pour le but désiré.
Pour obtenir la caractéristique de passe-bande optimum entre le guide d'ondes 34 et l'hélice 22, il est désirable que la barrette de couplage 49 soit placée, dans le guide d'ondes, à une certaine distance de l'inté- rieur de la paroi terminale 40 fermant le guide d'ondes 34, laquelle distance est équivalente à la longueur élec- trique de la barrette de couplage.
Etant donné que la section du guide d'ondes entre la barrette de couplage et la paroi terminale du guide d'ondes agit comme ligne de transmission court-cir- cuitée, tandis que la barrette de couplage agit comme ligne en circuit ouvert, les composants de réactance de l'impédance de chacun des éléments précités'varieront en directions opposées lors de changements de la fréquence, en sorte que les conditions optimum pour l'adaptation d'impédance seront relativement indépendantes de la fré- quence.
La section d'adaptation d'impédance 51 est une extension de l'hélice 22, dans laquelle l'intervalle entre les spires est augmenté uniformément à partir de celui de la portion principale de l'hélice jusqu'à une valeur maximum à l'extrémité de la barrette de couplage 49. Bien que l'intervalle exact à employer doie être déterminé expérimentalement dans toute structure donnée, il apparaît que l'intervalle entre les spires doit, de préférence, varier selon une courbe logarithmique comme
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on peut le déduire de l'examen de la théorie des lignes de transmission.
Dans un amplificateur typique, destiné à fonctionner à des longueurs d'ondes de l'ordre de huit centimètres, l'hélice est enroulée à l'aide de fils de
0,069 cm. de diamètre, les spires de l'hélice étant espa- cées à raison de 20 par pouce mesuré le long de l'axe longitudinal et ayant un diamètre intérieur de 0,424 cm.
Des caractéristiques passe-bande maximum sont obtenues avec une section d'adaptation d'impédance, dans laquelle et l'espacement de la première spire est de 0,356 cm./l'es- pacement entre les spires est réduit à celui de l'hélice sur une distance de cinq spires.
Lors du fonctionnement du dispositif d'amplifi- cation de la manière désirée, le signal d'entrée,prove- nant de la source de signaux 35, produit une onde qui est propagée à travers le guide d'ondes 34 selon un mode tel qu'il y ait un vecteur de champ électrique parallèle à la barrette de couplage d'entrée 49. Une onde correspon- dante est ainsi produite dans la barrette de couplage d'entrée et transmise à l'hélice 22 par l'intermédiaire de la section d'adaptation d'impédance 51. L'onde circule alors le long de la circonférence de l'hélice à une vites- se approchant celle de la lumière, mais à une vitesse linéaire, le long de l'axe du tube, qui est moindre en proportion du rapport de la distance entre les spires à la circonférence par spire.
L'interaction initiale entre l'onde mobile et le faisceau électronique est fai- ment/ ble, l'onde servant initialement à produire seul des ondes de densité de charge et de vitesse de charge dans Toutefois, comme l'onde et le faisceau électronique/ le faisceau électroniques/se déplacentle long de l'axe de l'hélice, et qu'une onde est établie dans le faisceau électronique, une condition est établie grâce à laquelle l'onde se déplace quelque peu plus lentement que les électrons formant le courant modulé et les électrons transmettent de l'énergie à l'onde, d'une manière qui
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augmente l'amplitude de l'onde à une vitesse rapidement croissante.
Lorsque l'onde amplifiée atteint l'extrémité de sortie de l'hélice, elle traverse la section d'adapta- tion d'impédance de sortie 52 vers la barrette de couplage de sortie 33 et induit une onde correspondante dans le guide d'ondes de sortie 41.
Bien que les considérations générales de construc- tion du dispositif de couplage aient été signalées, il sera noté que des variations extrêmement faibles dans les dimen- sions ou même dans la nature des surfaces conductrices affectent grandement le rendement d'un élémentdonné.
Ainsi, on a constaté que des variations dans la soudure par point à la jonction de la sonde de prélèvement et de la première spire de la section d'adaptation d'impédance peut produire une grande variation dans les caractéristi- que@ de passe-bande de l'élément. Pour cette raison, il est préférable que chaque assemblage comprenant l'hélice, les sections d'adaptation d'impédance d'entrée et de sor- tie, les sondes d'entrée et de sortie et les cylindres de support soient ajustés par des essais de proportion d'ondes stationnaires, afin d'obtenir la courbe des caractéristiques impédance-fréquence, avant que l'assembla- ge ne soit incorporé à un .amplificateur.
Le couplage entre le dispositif d'amplification et les guides d'ondes associés doit, en général, être ajusté de façon à obtenir les caractéristiques de passe- bande maximum pour la condition de fonctionnement particu- envisagée lière @@@@@@ D'une façon générale, les valeurs de l'impé- dance, c'est-à-dire, la grandeur de l'impédance du guide d'ondes au point ou l'amplificateur est inséré en travers du guide et la grandeur de l'impédance de l'hélice, telle qu'elle apparaît à la barrette de couplage, peuvent être latéralement/ adaptées en réglant/la position de la sonde en travers du guide d'ondes, par exemple, à l'extrémité d'entrée de
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.l'hélice 22 entre les parois 38 et 39,
tandis que les réactances correspondantes peuvent être adaptées par un ajustement angulaire de la position de la sonde autour de l'axe longitudinal du dispositif d'amplification. En principe, l'ajustement angulaire est important d'abord au point de vue de la variation de la distance de la sonde à l'extrémité du guide d'ondes et, de plus, pour obtenir une caractéristique de réactance..,fréquence désirable, comme il a été expliqué ci-dessus. Bien que les ajustements ne soient pas complètement indépendants, ils le sont pres- que et le couplage maximum peut être obtenu très facile- ment. Il a été jugé possible d'ajuster un amplificateur du type décrit précédemment de façon à avoir une proportion d'ondes stationnaires de deux dééibels sur une largeur de bande de 900 mégacycles.
Bien que l'invention ait été décrite en se réfé- rant à une application spécifique, on notera que le prin- cipe est sujet à une application plus générale. Ainsi la Figure 5 montre à titre d'illustration, un transducteur à large bande convenant pour coupler un guide d'ondes creux à une ligne de transmission concentrique possédant un con- ducteur intérieur hélicoïdal. Ce transducteur fonctionne comme indiqué ci-dessus à propos du dispositif d'amplifica- tion, sauf que, en raison du fai que la barrette de cou- plage 56 est fixée,les ajustements de réactance pour les caractéristiques de passe-bande désirées d'uhe structure particulière peuvent être exécutés au moyen du piston d'accord 57.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"High frequency amplifying devices".
The present invention relates to devices for the amplification of high frequency electric waves, particularly devices, in which the amplification is obtained by the interaction between an electron beam and a high frequency electric field associated with them. waves to be amplified, over an extended distance such as a distance of more than one wavelength along the transmission path of the wave.
It is also particularly relative to a coaxial line and to waveguiding transducers arranged to be used over a wide frequency band.
The main object of the invention is to widen the effective transmission band in devices with
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high frequency, of the type using the interaction between an electron beam and the high frequency field of waves traveling along a common path *
Another object of the invention consists in remedying the effects of impedance incompatibility between a device of the character described and the associated transmission circuits.
Another object of the invention is to provide an electrical wave transducer suitable for matching the impedance between a waveguide and a coaxial transmission line of the type comprising a helical inner conductor over a wide band of. frequencies.
A known device comprises an electronic amplifier apparatus for high frequencies, in which the transmission path of the wave to be amplified is incorporated in the amplifier apparatus. The moving wave follows a path such that the associated electric field can be crossed by an electronic beam or current having a speed of the same order of magnitude as that at which the moving wave moves through the apparatus. amplifier. Under these conditions, the electronic current reacts on the electric field and the electric field reacts on the electronic current in such a way that the wave flowing along the path, in the same direction as the electronic current, increases in amplitude. - study with distance, while a wave circulating against the current is little effected by the presence of electrons.
The device therefore acts as an amplifier for the waves flowing in the same direction as the electronic current.
A wave amplifying device of the character described is essentially non-resonant in nature, that is to say, it is not dependent on the effects of resonance in the tubular structure for amplification.
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bular, as was necessary in devices previously used for the very high frequency part of the spectrum. For this reason, the device is excellently suited for applications, in which it is necessary to amplify signals, which cover a wide band of frequencies, for example of the order of several hundred megacycles, i.e. wavelengths of the order of three to ten centimeters.
The utility of the device in amplifying such wideband signals has, however, been limited by the nature of the previously known input and output coupling devices. Although the types of waveguides employed to conduct the signal to be lified to the device, and the amplified output signal to the load circuit are, by their nature, suitable for use with wideband signals, the transducers employed to couple the waveguides to the transmission path in the device still have a relatively sharp frequency.impedance characteristic and are therefore not very suitable for the transmission of wide-ranging signals. bandaged.
A preferred construction for the amplifying device utilizes a wave transmission path in the form of a concentric transmission line, in which the center conductor is an elongated helix.
Waveguides are used for the transmission of and signals to / from the device and coupling arrays of the order of one-fifth of the wavelength of the signals to be amplified in length in. the field existing inside the waveguide, serve to communicate the signal to be amplified to the helix, and the amplified signal from the helix to the output waveguide. Although the end of the coupling bar is a relatively high impedance point, while the natural impedance
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of the helical conductor is relatively small, there is an impedance discontinuity which, when the device is in operation, would have the effect of reflecting some of the incident waves.
Although the discontinuity can be eliminated by proper placement of the coupling bar, the characteristic / resulting impedance-frequency of the system is relatively narrow and not adequate for utilizing the full capabilities of the amplification device.
The present invention advocates a coupling between the waveguide and the helix, in which the natural impedance, at the tip end of the coupling bar, is adopted from that of the helix by the use of A structure having a slowly varying or "threaded" impedance characteristic between the coupling bar and the helix. Such a characteristic is obtained by changing the spacing between the turns of a section of the helix, preferably in an exponential function.
An equally important feature of the invention consists in the fact that the coupling bar is located at a distance of the order of one fifth of the length of the waves to be amplified from a closed end of the waveguide. waves. This produces a reactance characteristic which varies in the direction opposite to that of the coupling bar, as the frequency varies so as to produce a very large impedance-frequency characteristic.
The invention as well as other objects and advantages will emerge more clearly from the following detailed description with reference to the appended drawings in which: Figure 1 shows a wave amplifier device of the type to which the present invention belongs , some parts being broken and others in section,
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Figure 2 shows an exterior view of the wave amplification device; Figure 3 is, on a larger scale, a sectional view of the wave amplification device taken on line 3-3 of Figure 2, which illustrates the manner in which the ceramic support rods are arranged between the propeller and the 'envelope; Figure 4 is an enlarged view of the coupling section showing the coupling probe, the support cylinder and the impedance transformation section. and;
Figure 5 is an illustrative view of a waveguide to the concen = tric transmission line transducer, using the impedance transformer according to the invention,
Figure 1 shows one embodiment of a discharge device suitable for use as an amplifier for ultra-high frequencies. The device shown comprises an electronic tube / bundle comprising a vacuum envelope having an elongated portion 10. This portion, which is of uniform diameter over its entire length, communicates with an enlarged electrode, containing the portion 11.
The envelope is made of a low loss insulating material, such as quartz or glass. ,
The tubular part of the casing 10 is provided at one end with a device of the type called a cathode ray gun for producing an electron beam.
The combination shown comprises a heater 12, supplied with energy by a source 13, a cathode 14, and a metal disc 15 provided with an opening 16 to confine the electrons emitted by the cathode in a concentrated beam. A ring 17, maintained in a non-conductive spacing relation with respect to the disc 15 by non-conductive ceramic rings 18 and 19 and a flange 20 supporting, -, a cylinder 21 whose confiT,
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guration is such that it gives forms of.
suitable field to accelerate and concentrate the electron current or beam, when the cylinder is polarized to a suitable potential. The electronic current is, moreover, concentrated and guided along an axial path or path in the space surrounded by a helix 22 by a magnetic concentration coil 23 energized by a battery 27, via a rheostat 28.
The intense magnetic field formed by the coil 26 also serves, thanks to an external magnetic influence, to prevent the deflection of the electron beam from the desired course or path. The anode 29 is used to collect the electrons arriving at the end of the envelope
During the operation of the device, the concentration cylinder 21 and the helix 22 are maintained at a potential of the order of fifteen hundred to two thousand volts above that of the cathode, thanks to the potential source shown. conventionally by the battery 30. A conductor 31 provided inside the casing 10 serves to apply the potential detected to the propeller 22, while a conductor 32 serves, in a similar manner, to apply the high potential to the cylinder of. concentration 21.
Collector 29 is maintained at a somewhat lower potential by tapping at the same potential source, in order to slow down the electron beam before it reaches the collector. This is in no way essential to the realization of the device and the collector can be maintained at a higher potential than that of the propeller.
The parts of the device which have just been described relate only to the creation of an electron beam and its guidance through the envelope. The electrodes, which form the high frequency system of the device, serve to introduce the waves
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high frequency to be amplified in the furnace- / to act / nir a path along which the waves can circulate / the electronic sur / current and to transfer the amplified waves to the output circuits associated with the device,
The normal aim of the device is the uniform amplification of a wide band of high frequency waves at wavelengths of the order of three to ten centimeters and the high frequency parts of the device must necessarily have dimensions suitable for use at wavelength /. particular to amplify.
Since the bandwidth of the waves to be amplified may be on the order of several hundred mega cycles, the term "wavelength to be amplified" is used herein as the length of the wave to be amplified. frequency wave at the center of the band.
The helix 21 serves as a path along which the waves to be amplified are propagated so that they can react with the electronic current flowing through said helix. To achieve this function, the dimensions of the propeller must be such that the linear speed at which a wave, moving along the circumference of the propeller, advances along the axis, at a certain value. , for which the electronic current can be accelerated by the use of moderate voltages.
To accelerate voltages of the order of fifteen hundred to two thousand volts, the propeller can be wound so as to have several turns per wavelength along the axis, which in turn can have a length of the order of thirty or forty wavelengths of the wavelength to be amplified in length.
The propeller is supported by a series of 33 non-electrically conductive ceramic rods, which
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are arranged between the propeller 22 and the casing 10. This preferred construction is better illustrated, on the one hand, in FIG. 2, which is, after partial cutting and breakage, an external view of the device shown in FIG.
Figure 1 and, on the other hand, Figure 3, which is a section taken along line 3-3 of Figure 2. As shown in Figure 3, the support rods 33 serve to hold the propeller firmly. 22 in a position concentric with the tubular casing 10.
Pathways or waveguiding paths external to the amplification device have been provided to conduct the waves to be amplified to the device and the amplified waves to a transmission or load circuit.
At the input end of the helix 22, a waveguide
34 of rectangular cross-section and, preferably, of dimensions such that the waves to be amplified are propagated through the interior of the guide in the TE10 mode, is coupled to an input signaling source 35 of the waves to be amplified. The coupling is conventionally represented by a coaxial transmission line 33 and a probe 37, but may be of a type suitable for transmitting wide band signals.
The amplification device is inserted transversely into the waveguide so that the axis of the helix 22 passes perpendicularly through the center of the side walls 38 and 39 and the distance from the inside of the end wall. 40 to the coupling bar
49, indicated by arrow 58, is equal to about one fifth of the wavelength of the waves to be amplified.
At the output end of the helix 22, the amplifying device is similarly disposed across an output waveguide 41, which is coupled to a load 42, via a line of transmission 43 and a probe 44.
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The input waveguide 34 is connected to an output waveguide 41, by a metal cylinder 45 of non-magnetic material surrounding the casing 10. This cylinder cooperates with the helix 22 to form a line. concentric transmission and also serves to prevent external electric fields from influencing the transmission path of the current or electron beam through the propeller, without affecting the action of solenoid 25. A cylindrical part of non-conductive material magnetic 46, is attached to the input waveguide 34 and the metal wall 47 of a wave resonator 48 is electrically connected to the output waveguide 41, so as to electrically extend the length of the conductor. outside the transmission line.
Although this outer conductor cannot form a concentric transmission line in the conventional sense of the term, given the characteristics of high frequency wave propagation in the wavelength band, to which the device is intended to operate, such a name will be used for the convenience of the description and description, without any intention of limiting the operation of the amplifier.
The wave resonator 48 is coupled to the high voltage supply conductor 31 of the propeller and acts as a shock choke, to avoid the radiation of the high frequency energy supplied to the conductor by the propeller. 22. The resonator is adjusted to a frequency close to the middle of the frequency band to be amplified and its action makes it possible to achieve the desired goal over the entire band.
According to the present invention, there is provided a device for the transfer of high-frequency wave energy between the paths or transmission paths /
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of waves outside the amplification device and the path or wave transmission path inside the amplification device, the aforesaid transfer device acting as an impedance matching connection over a wide band frequencies.
The wave energy is thus transferred between the external transmission system and the input and output parts of the amplifier on an electrically "soft" path or path and the effects of reflection are avoided. an important advantage, since the presence of reflected waves along the path or transmission path of the device can be the cause of the formation of oscillations supporting themselves.
At the input end of the helix 22, an input coupling bar 49 is disposed within the casing in a direction parallel to the electric field lines of the high frequency waves propagated through. the waveguide 34, so that a corresponding electric potential is formed along the coupling bar. This is supported by a hollow metal cylinder 50, which fits closely inside the casing 10 and cooperates with the metal cylinder 46 outside the casing 10, so as to form a transmission line. of an electrical length equal to a quarter of the wavelength of the waves to be amplified.
Since the input impedance of a quarter wavelength open circuit transmission line is very small, the support point of the coupling bar is electrically a point of low impedance. The high frequency waves induced along the coupling bar are applied to the helix through an impedance transformer section 51, which produces a slowly varying impedance characteristic from high impedance to high impedance.
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the tip of the coupling bar 49 to the relatively small impedance of the helix 22, so that the wave does not encounter any impedance discontinuity during its transfer from the probe to the helix.
At the output end of the helix, the amplified wave similarly passes through an impedance matching section 52 going to an output coupling bar 53, which is supported by a metal cylinder 54 also of. an electrical length equal to a quarter of a wavelength and associated with the enveloping metal wall 47, to produce a low impedance support point, as in the case of the corresponding element provided at the end. input tee of the helix 22, so as to communicate corresponding high frequency waves to the output waveguide 41. Impedance matching is thus produced in the same way as at the input end. of the propeller 22.
Figure 4 gives an enlarged view of a coupling assembly comprising the coupling bar 49, the support cylinder 50 and the impedance matching section 51. The coupling bar may be of the order of length. of one-eighth of the wavelength of the waves to be amplified, so that in conjunction with the dielectric effect of the envelope 10 surrounding the bar, it will have an effective electrical length of the order of one-fifth of length wave.
Similarly, the cylinder supporting the coupling bar 50 has a length of the order of one eighth of the wavelength of the waves to be amplified, but in this case the tighter arrangement of the envelope between the support cylinder 50 and lq outer cylinder 46 produces an equivalent electrical length of a quarter of the wavelength of the waves to be amplified. As shown in the end view of Figure 3 and as shown in dotted lines in Figure 4, the cylinder
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The support dre may preferably be provided with a narrow slot 55 opposite to the sampling probe * 'This slot will allow a certain level of mechanical elasticity, so that the cylinder will be held firmly in the casing 10.
The capacitance across the gap is of a value such that this gap will have no effect on the proper functioning of the cylinder, for the desired purpose.
To achieve the optimum bandpass characteristic between waveguide 34 and helix 22, it is desirable that coupling bar 49 be placed, in the waveguide, some distance from the interior. between the end wall 40 closing the waveguide 34, which distance is equivalent to the electrical length of the coupling bar.
Since the section of the waveguide between the coupling bar and the end wall of the waveguide acts as a short-circuited transmission line, while the coupling bar acts as an open circuit line, the components Reactance values of the impedance of each of the foregoing will vary in opposite directions with changes in frequency, so that the optimum conditions for impedance matching will be relatively independent of the frequency.
The impedance matching section 51 is an extension of the helix 22, in which the interval between the turns is increased uniformly from that of the main portion of the helix to a maximum value at the end of coupling bar 49. Although the exact interval to be employed must be determined experimentally in any given structure, it appears that the interval between turns should preferably vary along a logarithmic curve as
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this can be deduced from an examination of the theory of transmission lines.
In a typical amplifier, intended to operate at wavelengths of the order of eight centimeters, the propeller is wound using wires of
0.069 cm. in diameter, the helix turns being spaced at 20 per inch measured along the longitudinal axis and having an inside diameter of 0.424 cm.
Maximum bandpass characteristics are obtained with an impedance matching section, in which and the spacing of the first turn is 0.356 cm. / The spacing between the turns is reduced to that of the helix over a distance of five turns.
When operating the amplification device in the desired manner, the input signal from signal source 35 produces a wave which is propagated through waveguide 34 in a mode such as 'There is an electric field vector parallel to the input coupling bar 49. A corresponding wave is thus produced in the input coupling bar and transmitted to the helix 22 via the section. impedance matching 51. The wave then travels along the circumference of the helix at a speed approaching that of light, but at a linear speed, along the axis of the tube, which is less in proportion to the ratio of the distance between the turns to the circumference per turn.
The initial interaction between the moving wave and the electron beam is weak, the wave initially serving on its own to produce waves of charge density and charge velocity in However, like the wave and the electron beam / the electron beam / move along the axis of the helix, and a wave is established in the electron beam, a condition is established whereby the wave travels somewhat slower than the electrons forming the modulated current and electrons transmit energy to the wave, in a way that
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increases the amplitude of the wave at a rapidly increasing rate.
When the amplified wave reaches the output end of the helix, it passes through the output impedance matching section 52 to the output coupling bar 33 and induces a corresponding wave in the waveguide. output 41.
Although the general construction considerations of the coupling device have been pointed out, it will be appreciated that extremely small variations in the dimensions or even in the nature of the conductive surfaces greatly affect the performance of a given element.
Thus, it has been found that variations in the spot weld at the junction of the sampling probe and the first turn of the impedance matching section can produce a large variation in the bandpass characteristics. of the element. For this reason, it is preferable that each assembly including the propeller, input and output impedance matching sections, input and output probes, and support cylinders be adjusted by testing. of standing wave proportion, in order to obtain the curve of the impedance-frequency characteristics, before the assembly is incorporated into an amplifier.
The coupling between the amplification device and the associated waveguides should, in general, be adjusted so as to obtain the maximum bandpass characteristics for the particular operating condition envisaged. generally, the values of the impedance, that is to say, the magnitude of the impedance of the waveguide at the point where the amplifier is inserted across the guide and the magnitude of the waveguide. impedance of the helix, as seen at the coupling bar, can be laterally / matched by adjusting / the position of the probe across the waveguide, for example, at the input end of
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. the propeller 22 between the walls 38 and 39,
while the corresponding reactances can be adapted by angular adjustment of the position of the probe around the longitudinal axis of the amplification device. In principle, the angular adjustment is important first from the point of view of varying the distance from the probe to the end of the waveguide and, further, to obtain a reactance characteristic .., desirable frequency. , as explained above. Although the adjustments are not completely independent, they almost are and maximum coupling can be achieved very easily. It has been found possible to adjust an amplifier of the type described above so as to have a standing wave ratio of two deeibels over a bandwidth of 900 megacycles.
Although the invention has been described with reference to a specific application, it will be appreciated that the principle is subject to more general application. Thus, Figure 5 shows by way of illustration a broadband transducer suitable for coupling a hollow waveguide to a concentric transmission line having a helical inner conductor. This transducer operates as discussed above with respect to the amplifier device except that, due to the fact that coupling bar 56 is attached, the reactance adjustments for the desired bandpass characteristics of uhe particular structure can be executed by means of the tuning piston 57.
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