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06CILLAT'I3R A TIM HAUTE FBEQ.mNCE.
La présente invention est relative à des appareils à décharges électriques à très haute fréquence, du type à espace résonnant.
Par suite des demandes croissantes d'appareils à décharges électriques à très haute fréquence, il est apparu que beaucoup de dispositifs utilisés jusqu'à présent ne donnent pas satisfaction par suite de la forte diminution de l'impédance d'entrée, lorsque la fréquence de fonctionnement criît. La présente invention a pour objet un appareil à décharges électriques opérant d'une manière satisfaisante aux fréquences ultra-élevées et ne présentant pas les nombreux désavantages des dispositions précédentes.
Un autre objet de l'invention est de présenter une triode nouvelle et per- . fectionnée, à très haute fréquence, oscillatrice ou amplificatrice, du type à es-
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-pace résonnant, comprenant une cavité résonnante ou des cavités, qui peuvent être considérées comme constituées par des parties isolées d'un-guide d'ondes dié- lectrique.
Un autre objet de l'invention est de présenter une triode oscillatrice à très haute fréquence du type à espace résonnant comprenant plusieurs cavités réson- nantes accordées, liées métalliquement, des moyens pour effectuer une concentration des différences de potentiel dues aux ondes électromagnétiques à l'intérieur des cavités respectives et d'un chemin de décharge électrique maintenant en oscillations l'appareil électrique.
En résumé, la présente invention fournit un appareil à décharges électri- ques, de fréquence élevée, tel qu'une triode oscillatrice à haute fréquence, compre- nant une paire de cavités résonnantes reliées métalliquement, de dimensions telles qu'elles supportent des ondes électromagnétiques de fréquence prédéterminée. Les cavités possèdent une liaison métallique commune et cette liaison est munie d'une ouverture de communication.
Des moyens, tels qu'une ouverture ou fente résonnante, sont prévus dans les parois transversales de chacune des cavités pour effectuer une concentration de la différence de potentiel due aux ondes électromagnétiques, dans chacune des cavités, et des dispositifs à décharges électriques sont associés à l'ouverture de la liaison métallique et aux ouvertures résonnantes pour produire et maintenir en oscillations l'appareil à décharges électriques dans son ensemble, pour que l'énergie puisse être dérivée de m'une quelconque des cavités.
Un autre objet de la présente invention est de fournir un amplificateur à haute fréquence, nouveau et perfectionné, du type à espace résonnant, comprenant deux cavités accordées ou parties d'un guide d'ondes diélectrique du type tube creux chacune des cavités ou de ces parties comprenant des moyens, comme par exemple une ouverture ou fente résonnante, pour concentrer la différence de potentiel due aux ondes électromagnétiques et au chemin associé de décharges contrôlées. Une élec- trode d'entrée est associée à la cavité grille-cathode et une électrode de débit à la cavité anode-grille.
On comprendra mieux les avantages et les caractéristiques nouvelles de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompa- gnent donnés simplement à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale faite dans une triode oscillatrice à haute fréquence, construite en accord avec la pré- sente invention;
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- la figure 2 est une coupe faite par la ligne 2-2 de la fig.l repré- sentant en particulier les parois transversales comprenant les ouvertures résonnantes et les anode et cathode associées qui constituent un chemin de décharges électriques;
- la figure 3 est'une modification de l'invention, appliquée à un amplifi- cateur à haute fréquence du type à espace résonnant.
Comme il a été dit plus haut, les cavités résonnantes employées dans l'ap- pareil à décharges électriques présenté par l'invention, peuvent être considérées comme étant des parties isolées ou accordées d'un guide d'ondes diélectrique du type tube creux. Par conséquent, il est utile de revoir brièvement certains aspects fon- damentaux des guides d'ondes diélectriques du type tube creux.
Il est maintenant généralement connu que des ondes électromagnétiques à haute fréquence peuvent être transmises par des guides d'ondes diélectriques du type tube creux, telsdque ceux construits en une substance conductrice ,comme du cuivre ou du laiton, la fréquence à laquelle le guide est excité étant plus grande que la fréquence critique ou de coupure.
Les types d'ondes pouvant être transmis diéleo- triquement par les guides de ce type sont nombreux et ont été classés en types E et H ,Bien que la présente invention puisse être appliquée aux ondes électromagné- tiques de différents types, on se réfère particulièrement dans la description qui suit au type d'onde HO1 vu qu'il est d'ordre et de mode moins complexe et qu'il est est plus facile à produire et à utiliser que certaines ondes d'ordre plus élevé,
Lorsque le guide d'ondes diélectrique ou une partie de celui-ci est excité à une fréquence plus grande que la fréquence critique ou minimum, l'onde se propage le long du guide de section rectangulaire de hauteur a et de base b et aura une constante de phase pouvant être exprimée comme suit :
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où W est la vitesse angulaire de l'onde qui se propage dans le milieu égale à 2 # f, où f est la fréquence de l'onde ou, dans le cas d'une cavité, la fréquence naturelle de la cavité; est la perméabilité du milieu existant dans le guide ou dans la cavité; # 1 est la constante diélectrique effective du milieu ; n et m sont respectivement l'ordre et le mode de propagation de l'onde électromagnétique considérée,
On notera que, dans l'équation (1), #1 est défini comme étant la constante diélectrique effective du milieu.
Les appareils à décharge électrique présentés par
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l'invention, comprennent un chemin de décharge électrique, o'est-à-dire une région de particules électriques chargées qui affecte la constante' diélectrique du milieu à l'intérieur des cavités. Plus particulièrement, la présence de particu- les chargées électriquement, telles que les électrons, donnent lieu à une diminution de la constante diélectrique du milieu et affectent la constante de phase et la longueur d'onde des ondes électromagnétiques de phase supportées par les cavités res- pectives. Il est, par conséquent, nécessaire, lors du calcul de la constante de pha- se et de la longueur d'onde de phase, d'employer la valeur effective de la constante diélectrique, modifiée par la présence des particules chargées.
D'une manière géné- rale, on peut dire que la constante diélectrique effective du milieu est une fonction de la modification de constante diélectrique du milieu dans lequel n'est présente aucune particule chargée, d'une quantité directement proportionnelle au nombre de particules chargées par unité de volume et au carré de la charge élémentaire de cha- que particule, et inversement proportionnelle à la masse de chaque charge et à une certaine fonction de la fréquence*
La fréquence critique fo peut être définie comme suit
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Par conséquent, la longueur d'onde de phase des ondes électromagnétiques se propa- geant à travers le guide, ou la longueur d'onde de phase des ondes électromagnétiques dans une cavité, peut être définie comme étant :
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La fig,l des dessins annexes représente schématiquement l'application de l'invention à un appareil à décharges électriques, tel qu'une triode oscillatrice à haute fréquence, comprenant une paire de cavités résonnantes accordées 1 & 2, re- liées métalliquement par un métal de conductibilité électrique relativement élevée, tel que le cuivre.
Les cavités 1 & 2 possèdent une liaison métallique commune, tel- le qu'une plaque 3, les autres liaisons longitudinales des cavités 1 & 2 étant four- nies par une plaque métallique 4 de base et une claque métallique 5 de recouvrement, Les extrémités des cavités sont munies de plaques métalliques 6 & 7 et les faces la- térales représentées fig.2 sont soudées de manière à former un volume scellé hermé- tiquement.
La dimensions longitudinale des cavités résonnantes 1 et 2 est choisie de manière à être un multiple entier, pair ou impair, d'une demi-longueur d'onde de l'onde électromagnétique qui se propagerait à travers les cavités si ces dernières étaient
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étaient constituées de parties d'un guide d'ondes diélectrique du type cylin- dre creux. Par conséquent, une valeur qui peut être choisie comme dimension longitu- dinale, est #g/2, où #g est définie par l'équation (3) ci-dessus.
La liaison métallique commune 3 est munie d'une ouverture 8 servant comme chemin de communication entre les cavités et permettant l'établissement d'une déchar- ge électrique, ce qui va être décrit ci-après.
A l'intérieur de chacune des cavités acoordées 1 et 2, sont prévus des moyens pour accentuer ou concentrer la différence de potentiel due aux ondes électro- magnétiques à l'intérieur des cavités respectives. Ces moyens sont constitués d'une paroi munie d'ouvertures accordées ou résonnantes, de fentes résonnantes par exemple, accordées sensiblement à la fréquence naturelle des cavités.
Par exemple, à l'inté- rieur des cavités 1 et 2, sont placées des parois transversales comprenant les dif- férentes parties 9,10, 11 & 12, également représentées à la fig.2, définissant en conjonction avec la plaque métallique 2 ,des ouvertures ou fentes résonnantes 13 & 14 de hauteur h et de longueur L . Ces ouvertures ont leur plus grande dimension sen- siblement transversale par rapport à la composante électrique du champ électromagné- tique à l'intérieur des cavités et, en vertu de leurs dimensions, elles sont réson- nantes, c'est-à-dire qu'elles possèdent une Inductance et une capacitance effective de distribution, établissant des fréquences de résonance naturelle correspondant aux fréquences naturelles des cavités respectives,
Il existe une relation définie entre la hauteur h et la longueur L des ouvertures résonnantes pour que la condition de résonance soit semplie, qui est im- portante, non seulement pour obtenir une concentration de la tension due aux ondes à l'intérieur des cavités, mais également pour maintenir sensiblement non réfléchissan- tes les parois transversales de manière à ne pas troubler les caractéristiques réson- nantes des cavités. L'impédance totale #o d'un guide d'ondes diélectrique ou dtune cavité rectangulaire constituée d'une partie d'un guide d'ondes diélectrique, utili- sant un milieu diélectrique}' peut être exprimée comme suit
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où # 1 est la constante diélectrique effective du milieu et c la vitesse de la lumière.
Si cette impédance totale est constante le long du guide, l'onde ne sera pas réfléchie. Pour maintenir constante cette impêdance lors de variations des dimen- sions a et b , la relation suivante doit exister à toute longueur d'onde ou fré- quence particulière :
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a >\ 1 g - constante -= k -m; - (5) b
Comme expliqué plus haut, les ouvertures 13 et 14 sont résonnantes. Il est évident que la fréquence naturelle ou fréquence de résonance, ou les fréquences des ouvertures ou fentes 13 et 14, seront affectées par la constante diélectrique du milieu dans lequel ces fentes sont placées.
De plus, ces fréquences sont fonctions de la constante diélectrique effective du milieu, comme modifié par la présence d'une région de particules électriques chargées, des électrons par exemple, qui constituent le faisceau transmis de la cathode 16 à l'anode 15. Cette variation de la constante diélectrique sera comprise en tenant compte du fait que la capacité de distribution effective des fentes 13 & l4,lorsqutun faisceau électronique est présent, est moindre que lorsqu'aucun faisceau n'est présent. Il en résulte que, lors du choix des dimen- sions, h et L des fentes 13 et 14, l'effet de la région de particules chargées doit être pris en considération.
Considéré d'une façon générale, on peut dire que pour une fente d'une hauteur et d'une largeur données, l'établissement d'une région de particules chargées va réduire la valeur de la capacité de distribution de la fente, puisque ,comme il est bien connu, la capacité est directement proportionnelle à la constante diélectrique et inversement proportionnelle à la distance entre les surfaces considérées. Par conséquent, si la fente est résonnante pour une onde élec- tromagnétique d'une fréquence particulière, aucune région de particules chargées n'é- tant présente, lors de l'établissement d'une telle région, la hauteur effective h de la fente doit être diminuée de façon à ce que la capacité résultante résonne avec l'inductance distribuée.
En d'autres mots, le rapport de là dimension h à la lon- gueur L doit être diminué par suite de l'existence de la région de particules char- gées.
Si la variation des dimensions du guide est une très petite fraction de la longueur d'onde )\ g, il y aura réflexion à la discontinuité ainsi produite, mais cette réflexion est inefficace par suite d'une réflexion à une seconde discontinuité située à une fai'ble distance le long du guide ou de la cavité de la première discon- tinuité. Par l'utilisation d'une fente résonnante rectangulaire, ou son équivalent, l'impédance totale de la fente est rendue exactement égale à l'impédance totale du guide ou de la cavité, puisque la réflexion produite à l'entrée de la fente est exac- tement annulée par la réflexion à la sortie.
Les relations ci-dessus relatives au choix des dimensions h et L pour maintenir la fente dans des conditions de résonance, sont indépendantes de la posi- tion de la fente dans la cloison transversale, Dans le dispositif des figures 1 et 2
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les ouvertures résonnantes 13 & 14 sont adjacentes à et partiellement définies par la plaque métallique 3 de liaison.
Des dispositifs de décharge électrique sont prévus pour établir une région de particules chargées, un flux électronique par exemple, de façon à maintenir en oscillations l'appareil à décharges électriques dans son ensemble,, Ce dernier com- prend une anode 15 et une cathode taermionique 16 placées des deux côtés de la pla- que de liaison 3, en alignement avec l'ouverture 8. L'anode 15 et la cathode 16 sont maintenues espacées l'une de l'autre et des cloisons 9, 10, et 11, 12, respec- tivement, au moyen d'isolateurs vitreux 17 et 18 de section cylindrique.
La cathode 16 est munie d'un élément de chauffage 19 et l'anode 15 et la cathode 16 sont dispo- sées de telle manière que leurs faces constituent une liaison longitudinale pour la fente résonnante, les surfaces extérieures de ces éléments étant sensiblement parai- lèles aux bords des ouvertures ou éléments 9-12, inclusivement.
L'anode 15 et la cathode 16 sont électriquement isolées non seulement des cloisons 9-12 mais aussi des parois délimitant les cavités; des isolateurs de scel- lement en verre 20 & 21 sont prévus à cet effet et traversent la plaque supérieure 5 et la plaque inférieure 4, respectivement, Ces scellements sont importants pour maintenir les cavités à faible pression désirée, laquelle facilite l'établissement et le contrôle du chemin de décharge électrique. Les conducteurs 22 et 23 traversent les isolateurs 20 et 21 et sont reliés à l'anode 15 et à la cathode 16, respective- ment,
Pour moduler ou contrôler le flux électronique, une grille électrostatique 24 est placée entre l'anode 15 et la cathode 16 et est reliée conductivement à la plaque de liaison 3.
Pour fournir de la puissance à l'appareil à décharge électrique dans son en- semble, une source de tension continue, telle qu'une batterie 25, à son extrémité po- sitive reliée à l'anode 15 et son extrémité négative à la cathode 16. L'enveloppe métallique de l'appareil à décharge est reliée au sol, auquel cas les potentiels haute fréquence d'anode et de cathode peuvent être considérés comme étant en phase l'un par rapport à l'autre, le potentiel de la grille restant fixe par suite de sa liaison à la terre.
Des moyens sont prévus pour coupler les cavités 1 et 2 de telle manière que de l'énergie puisse être dérivée de la cavité anode-grille 1 et transmise à la cavité grille-cathode 2 pour maintenir en oscillations l'appareil à décharge. Lorsque l'é- lément de contrôle électrostatique ou grille 24 est maintenu au potentiel de grille,
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ce qui correspond à une mise en phase des potentiels d'anode et de cathode, on peut employer des moyens de couplage entre les cavités anode-grille et grille- cathode, comprenant un élément de couplage inverseur de phase, tels qiune double bou- cle 26, placée dans une ouverture 27 pratiquée dans la plaque métallique 3 de liaison De cette manière, un déphasage convenable est obtenu entre les tensions des cavités anode-grille et grille-cathode.
L'énergie peut être extraite des cavités de l'appareil à décharges par une variété d'électrodes et, dans le but d'illustrer l'une de ces formes, le dispositif d'électrode employé a été représenté schématiquement comme étant constitue d'une ligne de'transmission concentrique ou coaxiale comprenant un conducteur tubulaire 28 et un conducteur concentrique 29, ce dernier formant une boucle 30 à l'intérieur de la cavité anode-grille 1. Evidemment, un isolateur de scellement, tel que ldisola- teur vitreux 31 peut être placé à l'intérieur du conducteur 28 et scellé aux deux conducteurs 28 et 29.
L'élément de chauffage 19 de la cathode 16 est muni de conducteurs terminaux 32 & 33, accessibles de l'extérieur et supportés par des isolateurs de verre 34 & 35.
Le dispositif représenté aux figure 1 & 2 fournit des ondes électromagnéti- ques à haute fréquence, l'énergie de l'appareil étant extraite de l'une des cavités résonnantes, la cavité 1, par exemple, par l'intermédiaire de la ligne de transmis- sion concentrique comprenant les conducteurs 28 et 29. L'énergie servant au fonc- tionnement de l'appareil à décharges électriques est prise aux bornes de la batterie 25 par le circuit anode-cathode du chemin de décharge électrique comprenant l'anode 15 et la cathode 16.
Les tensions périodiques d'excitation et de maintien en oscil- lations des cavités résonnantes 1 & 2 sont produites par le contrôle ou la modulation du flux électronique du chemin de décharges, ce contr8le ou cette modulation étant produits princinalement par variations périodiques de potentiel de la grille de con- trôle électrostatique 24.
Par suite du fait que l'assemblage de parois transversales comprenant les cloisons 9-10 ,inclusivement, et le chemin de décharge électrique qui leur est as- socié, sont logés dans le voisinage du maximum du boucle de potentiel, la modulation du flux électronique est effective pour produire des ondes électromagnétiques à l'in- térieur de la cavité 1 qui peut être considérée, dans un but d'analyse élémentaire, comme étant alimenêe aux bords horizontaux de la fente résonnante 13. Par suite de la-nature résonnante de la cavité 1, une onde électromagnétique entretenue y est maintenue.
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La réaction ou couplage entre les cavités 1 & 2 est obtenue par l'inter- médiaire de la boucle 26, c'est-à-dire que de l'énergie est dérivée de la cavité anode-grille 1 et transmise à la cavité grille-cathode 2, de manière à maintenir cette dernière cavité en oscillations.
Les oscillations établies à l'intérieur de la cavité 2 produisent une onde électromagnétique entretenue, dont le maximum de po- tentiel est situé dans le voisinage des cloisons transversales 11 et 12, concentrant ainsi la différence de potentiel due à l'onde par l'action d'une fente résonnante 14 pour utiliser d'une façon plus effective cette différence de potentiel pour le con- trôle ou la modulation du flux électronique, par suite de l'effet électrostatique de la grille 24,, La variation du potentiel de grille 24, provoquée par la variation de tension aux bords horizontaux de la fente 14, module le flux électronique qui, à son tour, produit des variations périodiques de potentiel aux bords horizontaux de la fente 13,
maintenant ainsi en oscillations les deux cavités 1 & 2, par une série de phénomènes décrits plus haut.
Comme expliqué plus haut, lorsque l'enveloppe métallique entière, c'est-à- dire le dispositif de liaison, est relié au potentiel de terre, la grille 24 peut être considérée comme étant à un potentiel fixe, et les potentiels d'anode et de ca- thode peuvent être considérés comme variant en phase par rapport à la grille 24., Par conséquent, lorsqu'un tel dispositif est utilisé, la double boucle 26 produit l'in- version de phase désirée de sorte que les tensions des cavités grille-catbode et anode-grille sont déphasées de la valeur nécessaire au maintien en oscillations de l'appareil à décharges dans son ensemble,
La figure 3 représente schématiquement une modification de l'intention appliquée à un amplificateur haute fréquence du type à espace résonnant, ce disposi- tif étant similaire,
sous beaucoup de points de vue, à celui de la fig.l; les éléments correspondants ont été désignés par les mêmes numéros de référence. Dans le dispo- sitif de la fig.3, on notera que la liaison métallique 3 est continue, excepté en ce qui concerne l'ouverture 8 et des moyens additionnels de couplage ne sont pas né- cessaires entre les cavités résonnantes 1 & 2. Dans le'dispositif de la figure 3, des moyens sont prévus pour établir dans la cavité grille-cathode 2 des ondes élec- tromagnétiques de fréquence prédéterminée sur laquelle est accordé la cavité 2. Ces moyens comprennent une ligné de transmission concentrique ou coaxiale à haute fré- quence, comprenant un conducteur extérieur 36 et un conducteur Intérieur 37, munis d'un isolateur de scellement 38.
Dans cette modification de l'invention, le dispo- sitif d'électrodes comprenant les conducteurs 28 et 29 constitue une électrode de débit.
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Le dispositif de la figure 3 fonctionne comme un amplificateur de tensions ou signaux à haute fréquence fournis par l'électrode d'entrée comprenant les conducteurs 36 & 37, D'un point de vue élémentaire, le fonctionnement de ce dis- positif peut être considéré de la manière suivante, L'excitation dela cavité grille- cathode 2 par les électrodesdéntrée 36 & 37, établit à l'intérieur de la cavité 2 une onde électromagnétique entretenue, par suite des conditions de résonance de la cavité pour la fréquence de l'excitation d'entrée, La fente résonnante 14 effectue une concentration de la différence de potentiel due à l'onde entretenue dans la ca- vité 2 et, par conséquent, module le flux électronique transmis entre la cathode 16 et l'anode 15,
de telle sorte que des tensions amplifiées apparaissent aux bornes horizontales de la fente résonnante 13 dans la cavité anode-grille 1. Il en résulte qu'une onde électromagnétique entretenue est établie à l'intérieur de la cavité 2, cette onde possédant une valeur amplifiée, laquelle est transmise à un circuit de dé- bit ou d'utilisation qui peut être relié à l'électrode de débit comprenant les con- ducteurs 28 & 29.
Il est évident que l'amplificateur à haute fréquence de la fig,3 peut être employé de plusieurs façons* Par exemple, l'appareil peut servir à amplifier de faibles signaux à haute fréquence. Il peut êgalement être modifié pour être utilisé comme amplificateur de régénération dans lequel une composante prédéterminée de la tension débitée ,dé rivée des conducteurs 28 & 29, réagit avec l'électrode d'entrée comprenant les conducteurs 36 & 37.
Bien qu'on ait décrit et représenté plusieurs formes de réalisation de l'in- vention, il est évident qu'on ne désire pas se limiter à ces formes particulières données simplement à titre d'exemples non limitatifs et que , par conséquent, toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci- dessvs rentret'aient comme elles dans le cadre de l'invention.
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- RE:SU - 1)ICATIONS -
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.