<Desc/Clms Page number 1>
CIRCUITS DE TUBES A VIDE POUR ONDES TRES COURTES
La présente invention est relative à des perfectionnements aux circuits de tubes à vide pour ondes très courtes.
Dans les circuits généralement utilisés dans le domaine des ondes très courtes et en particulier des ondes métriques et décimétriques, on rencontre des difficultés dues d'une part aux dimensions relativement grandes des circuits associés aux tubes à vide, en particulier lorsque ceux-ci sont constitués par des éléments à impédances distribuées et, d'autre part, au fait qu'il devient difficile de réaliser les couplages utiles entre divers circuits de tubes à vide et en particulier entre le circuit grille et le circuit filament.
Une autre difficulté que l'on rencontre dans de tels circuits réside dans le fait qu'il est difficile d'associer plusieurs tubes à un même circuit bien que ceci soit souvent utile
<Desc/Clms Page number 2>
pour obtenir une puissance considérable sans avoir à recourir à de gros tubes qui, en raison de leurs dimensions géométriques, mettraient en jeu des phénomènes nuisibles due au temps de transit des électrons entre les diverses électrodes du tube.
L'invention prévoit des moyens permettant de surmonter ces diverses difficultés ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, par de nouvelles dispositions de circuits et par de nouveaux dimensionnements de ceux-ci en tenant compte des caractéristiques des tubes associés.
Dans ce but, l'invention met en oeuvre diverses caractéristiques dont l'une consiste à utiliser des circuits à impédance distribuée placée dans le prolongement des électrodes d'un tube à vide et à replier ces circuits de façon qu'ils constituent des éléments entrant les uns dans les autres pour produire une structure compacte dont l'enveloppe extérieure constitue à la fois un écran protecteur mécanique et électrique et un des éléments du circuit associé audit tube à vide.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, ledit repliement des circuits est exécuté de telle façon qu'il facilite l'introduction d'une résistance dans le circuit d'une des électrodes dudit tube en vue de réaliser notamment les conditions de rendement optimum et de stabilité de fréquences maximum par les moyens qui seront indiqués par la suite.
Les plans de potentiel nul haute fréquence de circuit grille et filament d'un oscillateur à tube coaxial sont amenés à se confondre par un repliement adéquat de la ligne coaxiale de façon à assurer la sortie du fil d'alimentation du circuit intérieur sans réaction nuisible sur le circuit oscillant.
Une autre caractéristique de l'invention consiste à placer de part et d'autre desdits plans neutres, soit un tube et un circuit replié associés avec des éléments à ligne coaxiale concentrique en constituant l'image électrique, soit à associer ainsi
<Desc/Clms Page number 3>
deux tubes et leur circuit replié.
Pour réaliser des oscillateurs fonctionnant par réaction sur les ondes très courtes, il est nécessaire d'une part d'utiliser des circuits associés à grand coefficient de surtension et, d'autre part, suivant une des caractéristiques de l'invention, de prévoir dans le circuit d'une ou de plusieurs électrodes associées au tube des éléments de réactanoe convenablement dimensionnés de façon à permettre l'excitation de la grille avec une phase correcte par rapport à celle de l'anode.
Ces différents objets et caractéristiques seront décrits en relation avec des exemples de réalisation illustrés dans les dessins ci-joints dans lesquels :
La figure 1 représente un oscillateur incorporant des caractéristiques de l'invention.
La figure 2 représente un schéma utilisé dans la description.
La figure 3 représente une variante de la figure 1 .
La figure 4 représente une réalisation comprenant deux tubes.
La figure 5 représente une autre réalisation.
La figure 6 représente une variante de la figure 5 .
Les figures 7 à 11 représentent des diagrammes et schémas utilisés dans la description.
Les figures 12 à 24 représentent divers exemples de réalisation de l'invention.
Se reportant aux dessins, la figure 1 représente un oscillateur mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention.
Cet oscillateur comprend un tube triode 1 du type à deux ballons.
Dans l'exemple choisi, l'anode externe du tube est associée électriquement à des ailettes de refroidissement 2 . Ce tube est placé à l'intérieur d'une cavité cylindrique 3, constituant un des éléments d'un circuit résonnant à caractéristiques réparties
<Desc/Clms Page number 4>
appelé parfois résonateur à cavité ou rhumbatron.
Le tube à deux ballons utilisé permet d'employer une grille de diamètre relativement gros qui est prolongée à l'extérieur du tube par une tige 4 dont le diamètre est choisi par rapport au diamètre de la ca.vité 3, de façon à réaliser une valeur élevée du coefficient de surtension du circuit résonnant constitué par l'enveloppe 3 et le conducteur 4 . L'extrémité inférieure du conducteur 4 ne vient pas au contact de la cavité 3 mais est associée électriquement à celle-ci par exemple par une pièce cylindrique terminée par une demi-sphère terminant le tube 4 .
Les connexions à la cathode du tube 1 passent à l'intérieur d'un tube 6 traversant une cavité cylindrique 7 enveloppant la partie supérieure de l'oscillateur comme il est montré. Une cavité enveloppante analogue 8 est prévue symétriquement à la partie inférieure.
Les alimentations du tube 1 sont alors réalisées de la manière suivante :la cavité 3 est directement reliée à la source haute tension. La polarisation de grille est amenée par un conducteur 9 passant à travers des ouvertures ménagées dans les cavités 3 et 8 .
Pour exposer le fonctionnement du tube, il est utile de se référer au diagramme de la figure 2 . Dans ce diagramme Ó, w et Ù représentent les capacités inter-électrodes du tube triode 1 . Les lettres g et f représentent les réactances des éléments extérieurs associés à la grille et au filament. Les lettres représentent :A l'anode, G la grille, F le filament.
Les réseaux ainsi décrits présentent deux fréquences de résonance, la fréquence d'oscillation est celle pour laquelle la réaction sur la grille est de signe opposé à la tension haute fréquence. Cette condition impose une réactance entre anode et grille de signe opposé aux réactances intercalées entre anode et filament et filament et grille.
<Desc/Clms Page number 5>
La réactance entre filament et grille étant celle de la capacité cette condition donne entre anode et grille une réactance résultante de self-inductance et entre anode et filament une réactance résultante de capacité, c'est-à-dire que la fréquence d'oscillation du circuit résonnant constitué par la capacité et la self-induction g sera supérieure à celle de l'oscillation. La fréquence de résonance du circuit constitué par la capacité et la self-induction f sera inférieure à celle de l'oscillation.
Ces conditions peuvent être réalisées au moyen du circuit représenté sur la figure 1 de la manière suivante :
Le conducteur de grille est choisi de longueur égale à 1/4 de la longueur d'onde d'oscillation désirée plus une fraction de longueur d'onde représentée par la longueur g de façon que le potentiel soit nul au point c'est-à-dire au point de jonction du conducteur de grille et du conducteur d'alimentation 9 .
La longueur g de la connexion grille est choisie de façon à présenter une réactance d'e self-induction correspondant à la valeur g indiquée dans le schéma de la fig. 2 . L'ensemble du tube 1 et de sa connexion grille 4 est placé à l'intérieur d'un réceptable cylindrique 3 dont la longueur totale est approximativement égale à la demi longueur d'onde de la fréquence de travail de l'oscillateur.
On remarquera que la connexion 10 à la source haute tension est faite en un point distant d'un quart de longueur d'onde de l'extrémité inférieure de l'enveloppe 3 . Ce point est un point de potentiel haute fréquence nul.
La partie supérieure de l'enveloppe 3 dont la réactance est représentée par l'élément fa une longueur égale approximativement à 1/4 de longueur d'onde de façon à réaliser avec la capacité Ù, une capacité résultante entre l'anode et le filament.
Le réoeptable 3 est terminé à sa partie supérieure par
<Desc/Clms Page number 6>
un anneau toroidal 30 de façon à distribuer le champ électrique en vue de réduire les possibilités d'amorçage d'étincelles entre cette enveloppe 3, qui se trouve au potentiel haute fréquence le plus élevé, et l'enveloppe 7 dont le rôle va maintenant être exposé.
L'intérieur de l'enveloppe 7 avec l'extérieur de l'enveloppe 3 constituent le circuit résonnant filament anode.
Un avantage' important de la construction montrée sur la fig. 1 est que l'enveloppe 7 entoure complètement tout le dispositif et que sa surface extérieure est au potentiel zéro tant en ce qui concerne la haute fréquence qu'en ce qui concerne le potentiel continu d'alimentation.
Un autre avantage de cette structure est de constituer un ensemble extrêment compact par rapport à celles connues antérieurement.
On rappellera que le point P est un point de potentiel haute fréquence nul, ainsi que le point P' sur l'enveloppe 3 ; la structure 3 étant de révolution autour de son axe vertical, ce sont tous les points du plan dont la trace sur la figure est N N' qui se trouvent à un potentiel haute fréquence nul pourvu que les considérations de dimensionnement précédemment exposées soient remplies.
Lorsque ces conditions ne sont pas satisfaites, on peut les réaliser en dimensionnant convenablement d'une part la partie inférieure de l'enveloppe 3 et d'autre part le conducteur de connexion de grille 4 .
La figure 3 représente une modification de la fig. 1 dans laquelle la longueur d'onde utilisée est suffisamment courte pour que le point P"de potentiel haute fréquence nul sur la connexion grille rentre à l'intérieur du ballon de verre du tube 1 .
Dans ce cas pour obtenir un point P" de potentiel nul sur la connexion grille, il est nécessaire d'introduire entre les
<Desc/Clms Page number 7>
points P et P" des éléments à impédance massée présentant sous un faible volume une longueur électrique équivalente à 1/2 longueur d'onde. Cet élément à impédanoe massée est réalisé dans l'exemple montré dans la figure 3 au moyen d'un disque 12 sur la périphérie duquel se trouve montée une portion cylindrique ou mieux toroldale 13 .
La capacité entre la portion toroldale 13 et l'enveloppe 3 constitue un des éléments de ce circuit à impédance massée. La portion toroldale 13 augmente la capacité entre l'enveloppe 3 et le conducteur de grille 4 ce qui permet d'obtenir la réduction de la longueur physique du circuit.
Les autres éléments du circuit sont disposés et proportionnés comme il est indiqué dans le cas de la figure 1 .
Une des propriétés des plans neutres, tel que N - N' est de permettre d'accoupler plusieurs demi systèmes tels que celui représenté dans la figure 1 . Cette propriété est utilisée, suivant une des caractéristiques de l'invention, pour accoupler deux tubes à vide, cette disposition conduit à un agencement dont les dimensions géométriques sont réduites, comme il est visible dans la figure 4 .
Sur cette figure les tubes à accoupler sont représentés en I et I' ; ces tubes sont munis d'ailettes de refroidissement 2 et 2' . La trace du plan neutre est représentée en N-N' . La disposition d'ensemble est tout à fait analogue à celle décrite dans les figures précédentes, et les éléments analogues sont représentés par des références numériques correspondant à celles utilisées dans les figures 1 et 3 .
On remarquera que la longueur des connexions grille et filament est indiquée par les références g et f .
Pour la sortie de l'alimentation de la grille, les points de potentiel haute fréquence nul se trouvent dans le plan N-N' par raison de symétrie. L'enveloppe extérieure 7 est à la masse,
<Desc/Clms Page number 8>
comme dans les dispositions décrites, en relation avec les figures 1 et 3 .
Cette disposition est très importante au point de vue industriel, puisqu'elle permet de réaliser des ensembles compacte dont la surface extérieure est à un potentiel haute tension nul.
Comme dans le cas des figures 1 et 3, des circuits Push-Pull peuvent être obtenus en remplaçant la partie inférieure au plan neutre NN' de potentiel haute fréquence nul par une partie symétrique de la partie supérieure, comme il est montré dans la figure 4 .
Une autre disposition facile à réaliser industriellement est représentée dans la figure 5 . Cette disposition est obtenue en repliant les circuits qui seraient eux-mêmes obtenus en accouplant deux tubes, comme il vient d'être indiqué, et en disposant l'ensemble par rapport au plan de symétrie, de façon à ramener les deux tubes côte à côte. Les lignes parallèles ainsi obtenues sont mises dans le blindage commun relié à l'anode.
La figure 5 représente le résultat ainsi obtenue. Sur cette figure, le blindage extérieur est figuré en 7 et les deux tubes en 1 et 1'. La. connexion de grille est représentée en 4 et le fil d'alimentation 9 est relié à cette connexion en un point de potentiel haute fréquence nul situé dans le plan de symétrie, de même pour ces connexions de filament représentées en 6' et 6" et les conducteurs d'amenée du courant filament 6 .
La figure 6 est une variante de la disposition précédente. Sur cette figure, les éléments analogues aux figures précédentes sont désignés par les mêmes références numériques.
On remarquera que les fils d'alimentation des deux grilles forment une ligne 4 à deux fils qui sortent par un trou 20 du blindage ou enveloppe 7 . Cette ligne est court-circuitée en 14, ce point de court-circuit est placé à 1/4 de longueur d'onde du point d'attaque des grilles. Il n'est plus nécessaire de faire
<Desc/Clms Page number 9>
coïncider ce point avec le point de potentiel haute fréquence nul en raison de l'impédance élevée offerte par la ligne d'alimentation. Pour les fréquences élevées, le point de potentiel haute fréquence nul rentre à l'intérieur du ballon des tubes 1 et l'et le point de connexion de la ligne d'alimentation reste à l'extérieur.
Dans ces dispositions, on doit prendre garde de réduire les courants de circulation dans le blindage. Il est à remarquer également que le coefficient de surtension de l'ensemble est inférieur à celui des circuits précédemment décrits en raison de leur symétrie coaxiale.
Une des caractéristiques de l'invention réside en la prévision de réactances dimensionnées convenablement et associées à une ou plusieurs électrodes de tubes à vide fonctionnant par exemple, en oscillateur pour ondes très courtes.
Les oscillateurs qui viennent d'être décrits présentent des circuits oscillants à coefficient de surtension très élevé en raison, en particulier, de la structure de révolution utilisée.
Ce coefficient de surtension élevée a plusieurs avantages et notamment : 1 ) - Il favorise la stabilité de fréquence ; 2 ) - il facilite le couplage de l'oscillateur,avec une charge extérieure ; 3 ) - il permet d'obtenir, pour les oscillateurs alimentés en impulsions, une résistance élevée entre anode et filament avec un bon rendement du circuit oscillant.
Une autre condition importante à satisfaire est celle de l'excitation de la grille avec une phase voisine de l'opposition par rapport à la tension d'anode.
La disposition figurée par le schéma équivalent à la figure 2 est insuffisante pour assurer cette condition, lorsque la résistance entre grille et filament cesse d'être grande,
<Desc/Clms Page number 10>
c'est-à-dire lorsque, par suite de l'insuffisance de la tension d'alimentation de l'oscillateur, le temps de transit des électrons devient appréciable par rapport à la période d'oscillation. Lorsque cette résistance désignée par r-g diminue, le vecteur représentant le potentiel de grille tourne, c'est-à-dire que la phase varie. Le facteur de réaction Vg/Vp = -m cesse donc d'être réel.
Les figures 7 à 11 représentent soit vectoriellement, soit sous forme de schémas équivalents divers éléments utiles dans les explications qui précèdent ou qui suivent.
Comme il est bien connu, la fréquence d'oscillation dérive de la fréquence de résonance du circuit oscillant et le rendement de l'oscillateur devient mauvais parce que le maximum de courant anodique ne coïncide pas avec le minimum de tension anodique.
Ces conditions sont représentées sur les figures 7 et 8, en ce qui concerne, à la partie inférieure les éléments de circuits en jeu, et à la partie supérieure le diagramme des tensions de grille, de plaque et de filament.
Dans ces conditions, l'invention prévoit l'introduction d'un nouveau paramètre permettant de régler la phase de la grille indépendamment de son module; il suffit pour cela de créer un couplage convenable entre les circuits de grille et de filament, ou encore d'introduire une certaine réactance entre l'anode et la masse.
La figure 9 représente le circuit équivalent dans lequel les différentes lettres ont la même signification que sur la figure 2 .
Un autre avantage de l'introduction d'une réactance est le suivant :Avec le schéma. classique réprésenté sur la figure 2, le filament est à un potentiel élevé par rapport à la ma,sse, il en résulte en général un courant haute fréquence important dans les spires du filament, la longueur de la ligne filament f étant
<Desc/Clms Page number 11>
en général différente du 1/4 de longueur d'onde. Au contraire, avec l'introduction de réactances convenables, comme figurée en 9, le filament est à un potentiel voisin du potentiel de la masse et le oourant haute fréquence qui parcourt le filament est faible.
Ces dispositions peuvent être figurées veotoriellement par les représentations des figures 10 et 11 . En particulier, la détermination des valeurs à donner aux différentes réactanoes associées aux conducteurs d'amenée du tube peut se faire pour ob- tenir, en particulier, l'opposition de phase désirée entre les tensions haute fréquence de grille et d'anode, indépendamment de la valeur de la résistance de grille, en résolvant les équations suivantes :
1) g = m a
2) f = m a m+1 3) Ó m2 + Ù + y (1 + m) a w 2 = 1 1+m 1+m dans laquelle : g est la réactance entre l'anode et la grille m est le coefficient de réaction précédemment défini ; m est un nombre positif. Ce nombre est déterminé par la ca- ractéristique de fonctionnement du tube, les tensions d'ali- mentation et le régime choisi.
Ó,Ù,Ó sont les capacités inter-électrodes représentées sur la fi- gure 2 ; a est le coefficient de self-induction de l'anode, w=2Ò fois la fréquence.
On a donc a.insi un système de trois équations à trois inconnues a, g et f que l'on doit résoudre pour déterminer les réactances à associer à chacune des électrodes du tube.
L'excitation en phase correcte de la grille est celle qui nécessite le minimum d'excitation de grille. Pour un mauvais réglage de cette phase l'excitation plus importante de la grille
<Desc/Clms Page number 12>
favorise l'émission secondaire, le fonctionnement en devient in- ,stable. Il peut même se produire le blocage de l'oscillateur lorsque le courant résultant de la grille s'inverse, l'oscillateur étant ordinairement polarisé par une résistance insérée dans le circuit d'alimentation de la grille.
D'autres dispositions de circuits de tubes à vide utilisant des caractéristiques de l'invention sont représentées dans les figures 12 à 24 .
Avec les dispositions de circuits à ligne de transmission repliée des figures 1, 3 et 4, la réaction entre les circuits de filament et de grille peut être facilement produite par couplage magnétique ou électro-statique en pratiquant des fentes ou ouvertures convenables dans le circuit d'anode.
La figure 12 représente un oscillateur dans lequel la réaction est produite par une réactance à. insérer dans le circuit d'anode.
Le dispositif montré dans la figure 12 peut être réalisé au moyen de lignes de transmission repliées comme montré dans la figure 13, on introduisant dans le conducteur anodique une réac- tance formée par un circuit de révolution 21 commun au circuit de grille et de filament; les courants de grille et de filament parcourant ensemble cette réactance commune. Cette disposition peut d'ailleurs être ajoutée aux oscillateurs montrés sur les figures 1, 3 et 4 .
Les mêmes dispositions peuvent être étendues au cas de plusieurs tubes à vide ainsi qu'il est montré dans les figures 14, 15, 16 et 17 .
Dans la figure 14, les deux tubes à accoupler, 1 et 1' peuvent l'être par l'un des trois circuits :grille, filament ou anode.
La figure 14 montre le couplage par le circuit grille.
Le couplage par le filament pourrait s'obtenir de fa-
<Desc/Clms Page number 13>
çon analogue.
Le couplage par l'anode conduit à un montage des tubes cote à côte, ainsi qu'il est représenté dans les figures 15 et 16 ,
On remarquera que le plan de la ligne des conducteurs d'anode est perpendiculaire à celui qui contient les filaments et les grilles comme le montre la figure 16 de profil.
Le montage replié de révolution s'obtient facilement en remplaçant dans la figure 13 la partie inférieure au plan neutre par la partie symétrique de la partie supérieure.
La figure 17 montre le montage ainsi obtenu.
Il est possible d'allonger le circuit de grille à l'aide d'une ligne de transmission d'une demi longueur d'onde concentrée, lorsque le minimum de potentiel haute fréquence pénètre à l'inté- rieur du ballon de grille pour les fréquences élevées, comme dans le cas de la figure 3 . Il est aussi possible de replier le cir- cuit de grille à l'extérieur, le circuit de filament se trouvant à l'intérieur, comme dans le cas de la figure 3 .
Différents dispositifs de réglage de la fréquence peu- vent être utilisées. L'accord des circuits de grille et de fila- ment des oscillateurs ci-dessus peut être obtenu suivant un grand nombre de manières en faisant varier la capacité des parties du circuit à potentiel haute fréquence élevé ou par la self des par- ties parcourues par des courants haute fréquence intenses.
Des dispositions particulièrement utiles industrielle- ment peuvent être obtenues en appliquant à des éléments concen- triques la méthode d'accord par capacité communément utilisée dans les circuits à deux fils.
La fig. 18 montre une ligne à deux fils accordés par capacité 0 .
La figure 19 représente un circuit à élément coaxiaux.
Dans cette figure la ligne pointillée P-P' désigne un plan de
<Desc/Clms Page number 14>
symétrie. Dans cette figure également, la, capacité de réglage est réalisée au moyen de deux demi coquilles cylindriques (22) et (22') qui se déplacent perpendiculairement à l'axe central. Les coquilles peuvent également être logées dans le circuit coaxial intérieur comme montré en pointillé en (23) et (23'). Les cavités résonnantes ainsi créées réduisent sensiblement la longueur des circuits coaxiaux. Dans la figure 19, cette longueur serait pratiquement réduite de moitié ( sans tenir compte de l'action de la capacité ) si l'impédance caractéristique du circuit extérieur était égale à celle du circuit intérieur.
Cette disposition est applicable à n'importe quel type de circuit coaxial. A titre d'exemple, la figure 20 montre l'application de ces moyens au réglage du circuit filament de l'oscillateur représenté dans la figure 1 .
Les connexions d'alimentation ne sont pas représentées pour alléger le dessin.
La ligne de transmission 4 en quart de longueur d'onde associée à l'extrémité de la grille dans la fig. 1 est réduite en longueur par l'action de la capacité du bout 5 du conducteur de grille et de la cavité 25 à l'intérieur du conducteur anodique 3'.
Comme généralisation de la méthode d'accouplement de tubes à vide, on montrera à titre d'exemple l'extension de certaines caractéristiques de l'invention à la réalisation d' oscil- lateurs push-pull à quatre tubes.
Par exemple, dans la figure 21 on remplace la partie de l'oscillateur de la figure 6 située au-dessus du plan de potentiel haute fréquence de grille nul par le symétrique de la partie située en-dessous de ce plan.
Les tubes situés sur une diagonale se trouvent en phase; les tubes situés sur un côté du rectangle se trouvent en opposition de phase.
Les figures 22 et 23 représentent un montage de 4 tubes
<Desc/Clms Page number 15>
en double push-pull utilisant des caractéristiques de l'invention.
Dans la figure 22 les lampes sont disposées côte à côte par deux, chaque paire de lampes fonctionne comme oscillateurs push-pull, les connexions de grille, de filament et d'anode de chaque paire de lampes étant reliées entre elles pour assurer le couplage des deux groupes de lampes.
.La figure 23 est le schéma électrique équivalent au montage de la figure 22 2; Vans ces deux figures : a désigne la ligne d'anodes f désigne la ligne de filaments g désigne la ligne de grille e désigne la ligne d'équilibrage de longueur égale à une demi longueur d'onde ou un circuit équivalent de même longueur électrique s désigne la ligne de sortie.
La figure 24 montre un oscillateur obtenu en juxtaposant bout à bout sur le même axe deux oscillateurs analogues en opposition de phase.