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DISPOSITIF AMPLIFICATEUR POUR MICROONDES.
La présente invention se rapporte à un dispositif pour l'am- plification d'oscillation électrique du domaine des microondes, lequel com- prend ici le domaine des ondes décimétriques courtes et des ondes centimétri- ques.
Les dispositifs connus jusqu'ici sont le tube dit à ondes progressives et l'amplificateur travaillant selon le principe du Klystron.
Dans un dispositif du premier genre, il se produit une action alternative entre une onde électromagnétique se propageant le long d'une ligne à retard et un faisceau électrique se propageant en ligne droite dans la même direction et avec la même vitesse. Un dispositif analogue connu, utilise un champ magné- tique pour donner aux électrons des trajectoires cycloidales passant entre la ligne à retard et une électrode de guidage parallèle à cette ligne. Dans le dispositif amplificateur travaillant selon le principe de Klystron. on appli- que l'oscillation à amplifier à un résonateur connu sous le nom de "Rumbatron" qui fait subir une modulation de vitesse à un faisceau électronique .
Le grou- pement plus ou moins marqué des électrons qui se produit à une certaine dis- tance de ce résonateur,, excite un second résonateur identique ou analogue au premier. Le groupement des électrons peut être amélioré en introduisant entre ces deux résonateurs d'autres résonateurs identiques ou semblables excités par le faisceau électronique, qui vibrent librement et dont la fréquence propre doit satisfaire à certaines conditions.
Le dispositif amplificateur selon l'invention est fondé sur l'action d'échange alternatif entre un faisceau électronique et une pluralité de résonateurs. constitués de telle sorte que chacun d'eux agisse plusieurs fois sur le faisceau électronique.
Ce dispositif est caractérisé par le fait que ces résonateurs, dont la fré- quence propre correspond au moins approximativement à celle des oscillations à amplifiera sont alignés en face de l'électrode de guidage, et ne présentent
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pas de couplage entre eux.
Chaque résonateur est constitué par une caisse métallique presque complètement fermée et dont la paroi regardant vers l'électrode de guidage est divisée en deux parties par une fente en zig-zag, de manière que chaque partie forme un groupe de segments, analogues à des dents, qui vien- nent se placer entre les dents de l'autre. La fente s'étend dans le sens de la longueur de la série de résonateurs. Une cathode est placée à l'un des bouts de l'électrode de guidage, et donc à proximité du premier résonateur de la rangée, tandis qu'à l'autre bout se trouve une électrode collectrice portée à un potentiel positif par rapport à la cathode. Alors que le poten- tiel de l'électrode de guidage est sensiblement égal à celui de la cathode, les résonateurs sont à un potentiel positif par rapport à cette dernière.
Sous l'influence d'un champ magnétique convenablement orienté-,' les électrons émis par la cathode passent entre l'électrode de guidage et le cité fendu des résonateurs° suivant des trajectoires d'allure cycloïdales. Le premier réso- nateur de la rangée contient des organes de couplage permettant l'introduc- tion de l'oscillation à amplifier; le dernier résonateur contient des organes a- nalogues permettant de prélever l'oscillation amplifiée.
L'invention sera décrite plus exactement à l'aide des figu- res 1 à 7. La Fig. 1 donne la vue en perspective d'un résonateur.
La paroi A, regardant l'électrode de guidage,est divisée par la fente B en deux groupes de segments C1 et C2. Ce résonateur est formé d'un métal non magnétique.
La Fig. 2 montre un résonateur en coupe longitudinale. Les flèches H donnent la direction du champ magnétique alternatif. La courbe des- sinée au-dessous du résonateur donne la valeur de la tension alternative à haute=fréquence U existant aux segments C1 et C2. en fonction de la position de ces segments. On voit que les segments d'extrémité ne présentent que de faibles tensions. la tension maximum existant aux segments voisins du milieu du résonateur.
La Fig. 3 montre un exemple de réalisation d'un dispositif amplificateur selon l'invention. L'enceinte D, dans laquelle on a fait le vide° contient trois résonateurs R1. R2 et R3 fixés sur une barre G en mé- tal non-magnétique et séparés les uns des autres par des petits intervalles F1 et F2.
En regard des segments C1 et C2 des résonateurs se trouve placée l'électrode de guidage L, qui prend la forme d'une bande.
A l'un des bouts de L se trouve située la cathode K et à l'autre bout l'élec- trode collectrice M.
On produit un champ magnétique entre l'électrode de guidage et les résonateurs dans la direction des flèches N, au moyen d'un aimant non représenté sur la Fig. et situé en dehors de l'enceinte D. Les résonateurs R1 et R3 contiennent des organes de couplage servant à l'entrée des oscilla- tions par la ligne P1 et à leur sortie par la ligne P2. Les organes de cou- plage sont constitués comme le montre la Fig. 4, par des boucles traversées par le champ magnétique haute-fréquence du résonateur.
Voici quel est le mode de fonctionnement d'un dispositif am- plificateur réalisé'selon l'invention.
Sous l'effet du champ magnétique N. et des potentiels posi- tifs de l'électrode collectrice M et des résonateurs R, les électrons émis par la cathode se dirigent vers l'électrode N en suivant des trajectoires cycloî-- dales. En chaque section du faisceau électronique, le courant d'électrons est cons- tant dans le temps. Si l'on excite le premier résonateur R1 par une oscillation introduite au moyen des organes de couplage, ses segments agissent sur le fais-
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ceau électronique passant devant eux ; lesélectrons, en sortant de la zone d'influence de ce résonateur,, sont groupés en paquets qui se suivent avec la fréquence de l'oscillation à amplifier.
Ce groupement par paquets est très marqué, car le faisceau agissant par influence, surtout au voisinage de la sortie du résonateur, augmente l'excitation produite par l'oscillation appli- quée. Ainsi. du fait de l'action multiple du résonateur, par tous ses segments l'amplification obtenue par un seul résonateur est beaucoup plus efficace que, par exemple;, pour un amplificateur du genre Klystron dont les résonateurs sont séparés par des distances relativement grandes, et n'agissent qu'une seule fois sur le faisceau électronique. Le nouvel amplificateur diffère donc des amplificateurs à résonateurs connus, par l'effet de réaction produit et uti- lisé dans chaque résonateur. Si l'on augmentait la longueur et donc le nom- bre de segments du résonateur, l'augmentation de la réaction produirait une oscillation.
Les paquets d'électrons quittant la zone du premier résonateur, excitent le résonateur suivant où l'action d'échange avec le faisceau électro- nique améliore encore leur groupement. L'énergie oscillante du faisceau est augmentée d'une certaine quantité à chaque passage d'un résonateur, et est facilement cédée au récepteur par les organes de couplage du dernier résona- teur. Le fait qu'il ne se produit pas de réaction entre le dernier résonateur et le premier, constitue un avantage particulier à ce genre d'amplificateur.
Une telle réaction sortie-entrée se fait par exemple sentir désagréablement dans les tubes à ondes progressives dès que le récepteur n'est pas adapté avec une exactitude suffisante à la caractéristique de sortie de l'amplificateur., Avec un amplificateur réalisé selon l'invention, des erreurs d'adaptation même consi- dérables ne peuvent produire d'instabilité. Un tel amplificateur convient donc particulièrement bien à l'amplification d'oscillations modulées en fréquence, alors qu'il est difficile de maintenir l'adaptation dans la bande de fréquence utilisée. Si l'amplificateur travaille sur une antenne, sa stabilité n'est pas troublée par les variations des propriétés électriques de celle-ci sous l'in- fluence de la glace ou du givre.
L9exemple de réalisation décrit ci-dessus peut subir certai- nes modifications sans que l'essentiel de l'invention soit touché.
On peut par exemple, selon la Fig. 5, disposer les résona- teurs et l'électrode de guidage suivant un cercle, ce qui parait présenter des avantages pour la réalisation.
L'électrode de guidage peut être constituée non par une ban- de, mais par un fil enroulé en spirale plate, comme le contre la Fig.6, ce qui permet d'augmenter l'impédance pour les oscillations de haute fréquence dans le sens longitudinal, et d'éviter un couplage entre les résonateurs.
Plusieurs cathodes peuvent être réparties le long de,l'élec- trode de guidage; afin que la valeur moyenne du courant du faisceau électroni- que, augmente vers la sortie en proportion de l'augmentation de l'énergie os- cillante contenue dans ce faisceau.
Cette disposition est particulièrement avantageuse lorsque l'amplificateur doit fournir une puissance notable.
Chaque résonateur peut être remplacé par deux résonateurs successifs, accordés sur des fréquences légèrement différentes, et présen- tant un couplage électrique ou magnétique. Ceci permet d'élargir la bande de fréquence transmise par l'amplificateur.
Enfin, les lignes d'amenée des oscillations au premier ré- sonateur, et de départ des oscillations amplifiées du dernier résonateur, peuvent être reliées directement à deux segments d'un résonateur, selon la Fig. 7, au lieu de constituer une boucle de couplage selon la Fig. 4.
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MICROWAVE AMPLIFIER DEVICE.
The present invention relates to a device for the amplification of electric oscillation in the microwave domain, which here comprises the domain of short decimeter waves and centimeter waves.
The devices known so far are the so-called traveling wave tube and the amplifier working according to the Klystron principle.
In a device of the first kind, there is an alternating action between an electromagnetic wave propagating along a delay line and an electric beam propagating in a straight line in the same direction and with the same speed. A known similar device uses a magnetic field to give the electrons cycloidal paths passing between the delay line and a guide electrode parallel to this line. In the amplifier device working according to the Klystron principle. the oscillation to be amplified is applied to a resonator known as a "Rumbatron" which modulates the speed of an electron beam.
The more or less marked grouping of electrons which occurs at a certain distance from this resonator, excites a second resonator identical or similar to the first. The grouping of electrons can be improved by introducing between these two resonators other identical or similar resonators excited by the electron beam, which vibrate freely and whose natural frequency must satisfy certain conditions.
The amplifier device according to the invention is based on the action of alternating exchange between an electron beam and a plurality of resonators. formed in such a way that each of them acts several times on the electron beam.
This device is characterized by the fact that these resonators, the natural frequency of which corresponds at least approximately to that of the oscillations to be amplified, are aligned opposite the guide electrode, and have no
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no coupling between them.
Each resonator consists of a metal box almost completely closed, the wall of which facing the guide electrode is divided into two parts by a zig-zag slot, so that each part forms a group of segments, similar to teeth. , which come to be placed between the teeth of the other. The slot extends lengthwise through the series of resonators. A cathode is placed at one end of the guide electrode, and therefore near the first resonator in the row, while at the other end is a collecting electrode brought to a positive potential with respect to the cathode. While the potential of the guide electrode is substantially equal to that of the cathode, the resonators are at a positive potential with respect to the latter.
Under the influence of a suitably oriented magnetic field, the electrons emitted by the cathode pass between the guide electrode and the split city of the resonators following cycloidal paths. The first resonator in the row contains coupling members allowing the introduction of the oscillation to be amplified; the last resonator contains analogous organs making it possible to take the amplified oscillation.
The invention will be described more exactly with the aid of Figures 1 to 7. FIG. 1 gives the perspective view of a resonator.
The wall A, looking at the guide electrode, is divided by the slot B into two groups of segments C1 and C2. This resonator is made of a non-magnetic metal.
Fig. 2 shows a resonator in longitudinal section. The arrows H give the direction of the alternating magnetic field. The curve drawn below the resonator gives the value of the alternating voltage at high = frequency U existing at segments C1 and C2. depending on the position of these segments. It can be seen that the end segments have only low tensions. the maximum voltage existing at the segments neighboring the middle of the resonator.
Fig. 3 shows an exemplary embodiment of an amplifier device according to the invention. Enclosure D, in which a vacuum has been made, contains three resonators R1. R2 and R3 attached to a non-magnetic metal bar G and separated from each other by small intervals F1 and F2.
Opposite the segments C1 and C2 of the resonators is placed the guide electrode L, which takes the form of a strip.
At one end of L is located the cathode K and at the other end the collecting electrode M.
A magnetic field is produced between the guide electrode and the resonators in the direction of the arrows N, by means of a magnet not shown in FIG. and located outside the enclosure D. The resonators R1 and R3 contain coupling members serving for the input of the oscillations via the line P1 and their output via the line P2. The coupling members are formed as shown in FIG. 4, by loops crossed by the high-frequency magnetic field of the resonator.
The following is the mode of operation of an amplifier device produced according to the invention.
Under the effect of the magnetic field N. and the positive potentials of the collector electrode M and of the resonators R, the electrons emitted by the cathode move towards the electrode N following cycloidal trajectories. In each section of the electron beam, the electron current is constant over time. If the first resonator R1 is excited by an oscillation introduced by means of the coupling members, its segments act on the beam.
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electronic water passing in front of them; the electrons, leaving the zone of influence of this resonator, are grouped into packets which follow one another with the frequency of the oscillation to be amplified.
This grouping in packets is very marked, because the beam acting by influence, especially in the vicinity of the output of the resonator, increases the excitation produced by the oscillation applied. So. due to the multiple action of the resonator, by all its segments the amplification obtained by a single resonator is much more efficient than, for example ;, for an amplifier of the Klystron type whose resonators are separated by relatively large distances, and act only once on the electron beam. The new amplifier therefore differs from known resonator amplifiers by the feedback effect produced and used in each resonator. If the length and therefore the number of segments of the resonator were increased, the increase in reaction would produce oscillation.
The electron packets leaving the zone of the first resonator excite the next resonator where the exchange action with the electron beam further improves their grouping. The oscillating energy of the beam is increased by a certain amount each time a resonator passes, and is easily transferred to the receiver by the coupling members of the last resonator. The fact that no reaction occurs between the last resonator and the first is a particular advantage of this type of amplifier.
Such an output-input reaction is for example unpleasantly felt in traveling wave tubes as soon as the receiver is not matched with sufficient accuracy to the output characteristic of the amplifier., With an amplifier produced according to the invention , even considerable adaptation errors cannot produce instability. Such an amplifier is therefore particularly suitable for amplifying frequency-modulated oscillations, while it is difficult to maintain the adaptation in the frequency band used. If the amplifier works on an antenna, its stability is not disturbed by variations in the electrical properties of the latter under the influence of ice or frost.
The exemplary embodiment described above can undergo certain modifications without affecting the essence of the invention.
It is possible, for example, according to FIG. 5, arrange the resonators and the guide electrode in a circle, which appears to present advantages for the implementation.
The guide electrode can be constituted not by a strip, but by a wire wound in a flat spiral, as against Fig. 6, which makes it possible to increase the impedance for high frequency oscillations in the direction longitudinal, and to avoid coupling between the resonators.
Several cathodes can be distributed along the guide electrode; so that the average value of the current of the electron beam increases towards the output in proportion to the increase in the oscillating energy contained in this beam.
This arrangement is particularly advantageous when the amplifier must provide significant power.
Each resonator can be replaced by two successive resonators, tuned to slightly different frequencies, and having an electrical or magnetic coupling. This makes it possible to widen the frequency band transmitted by the amplifier.
Finally, the lines for supplying the oscillations to the first resonator, and for starting the amplified oscillations of the last resonator, can be connected directly to two segments of a resonator, according to FIG. 7, instead of constituting a coupling loop according to FIG. 4.