EP1030341A1 - Générateur radiofréquence de très grande puissance - Google Patents

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EP1030341A1
EP1030341A1 EP00400406A EP00400406A EP1030341A1 EP 1030341 A1 EP1030341 A1 EP 1030341A1 EP 00400406 A EP00400406 A EP 00400406A EP 00400406 A EP00400406 A EP 00400406A EP 1030341 A1 EP1030341 A1 EP 1030341A1
Authority
EP
European Patent Office
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generator according
cathode
input
output
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00400406A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Thomson-CSF Prop. Int. Dept. Brevets Clerc
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales Electron Devices SA
Original Assignee
Thomson Tubes Electroniques
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson Tubes Electroniques filed Critical Thomson Tubes Electroniques
Publication of EP1030341A1 publication Critical patent/EP1030341A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/36—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy
    • H01J23/38—Coupling devices having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube, for introducing or removing wave energy to or from the discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/14—Leading-in arrangements; Seals therefor
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/34—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the tube and not otherwise provided for
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/04—Tubes having one or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the modulation produced in the modulator zone is mainly density modulation, e.g. Heaff tube

Definitions

  • the present invention relates to generators very high power radio frequency. These generators intended especially for scientific applications, must be able to operate at frequencies of the order of 20 to 200 MHz or possibly a little plus and provide, in pulse mode, peak powers of several tens of megawatts. In continuous mode the powers are significantly lower.
  • Klystrons can provide these powers but they work in microwave, that is to say at much higher frequencies.
  • An IOT has an axial electron beam and uses in input the principle of amplitude modulation as in the tubes grids and outlets the axial structure of the modulation tubes speed as in klystrons.
  • the tube successively comprises a barrel with electron 1 built around an axis of revolution XX 'and along the axis an anode 5 forming a first sliding tube which opens into an interaction space 6 of a single resonant output cavity 7, the interaction space 6 being delimited by a second sliding tube 8 which faces the first, then a collector 15.
  • the two spouts of the tubes of sliding are opposite.
  • the barrel 1 has a cathode 2, its heating filament 3 and a grid 4.
  • the cathode space 2 / grid 4 forms the tube input circuit and the routing of the input signal E to tube input circuit is usually done through a coaxial cavity resonant input 9 coupled to the cathode / grid space.
  • the signal input E to be amplified is introduced into the cavity 9 using means of inductive loop coupling in the example described.
  • This input signal E is supplied by means external to the tube generally including a preamplifier (not shown).
  • Grid 4 and cathode 2 are brought to high voltages negative continuous and the electrons emitted by the cathode emerge from the grid 4 in the form of a bundle 10 in bundles already modulated in density by the input signal E unlike what happens in a klystron.
  • the beam 10 is longitudinal with axis XX '.
  • the beam electrons 10 attracted and focused by the anode 5 enter the outlet cavity 7 and cross the interaction space 6 where they couple to the field electromagnetic of the resonant cavity 7. From this outlet cavity 7 an output signal S, of much higher power than that of the signal input E, can be extracted.
  • the electrons having given up a large part their energy is then collected by the wall of the collector 15.
  • the anode 5 is generally brought to ground, the collector 15 can be also to ground or to a voltage slightly different from the mass.
  • the input signal E carries the modulation.
  • the input coaxial cavity 9, formed of two cylinders 90, 91 coaxial conductors, is generally provided a device 11 for adjusting its resonant frequency, for example piston type whose position is adjustable. For safety reasons and to decouple the high voltage preamplifier, this cavity input coaxial 9 is brought to electrical ground.
  • a capacitor decoupling C1 ensures electrical isolation, from a continuous point of view, between the inner cylinder 90 and the cathode 2 and another capacitor of decoupling C2 provides electrical isolation between the outer cylinder 91 and the modulation grid 4.
  • These capacitors C1, C2 can be made by insulating sheets clamped respectively between a cavity cylinder 90, 91 and a cylindrical part 13, 16 connected to the respective electrode 2, 4.
  • the high voltages are of the order of a few tens of kilovolts, the cathode being less negative than the grid.
  • the output signal S amplified in power with respect to the input signal E is extracted from the output cavity 7 by capacitive coupling or selfic.
  • capacitive coupling or selfic.
  • it is an inductive coupling which is represented in the form of a conductor 12 which defines a loop in the cavity of output 7. It is transmitted to a user device such as an antenna (not shown).
  • the interior of the tube is conventionally subjected to vacuum.
  • the seal is ensured at the outlet cavity 7 by a dielectric sleeve 14 which allows the energy to be extracted to pass.
  • a part of the output cavity 7 is external. It is delimited by walls which come to rest on the sleeve on the side where it is not subjected to vacuum.
  • the klystrons operating either continuously or in pulses, can provide great powers because the barrel is raised to high voltages while the input signal to be amplified is introduced into the first cavity of the tube. There is no disturbance between the high voltage and the signal to be amplified.
  • the input signal to be amplified is injected into the cathode-grid space while the cathode and the grid are simultaneously brought to high voltages.
  • high voltages are no longer of the order of a few tens of kilovolts but must reach a few hundred kilovolts.
  • capacitors placed between the two walls of the input coaxial cavity and respectively the cathode and the grid of the same kind as those described in Figure 1 would be ineffective. Decoupling becomes very difficult to carry out because the risks of breakdowns are extremely important because of the very high levels tension and small dimensions involved.
  • the present invention solves this problem and reduce the risk of breakdown.
  • the present invention proposes to confine the means to produce the signal to be amplified, applied to the cathode / grid space, the means for routing it to the barrel and the barrel of the tube with inductive output (IOT) in a shielded enclosure electrostatically and electrically isolated from the potential of the anode, and connect this shielded enclosure to the means producing the high voltage.
  • IOT inductive output
  • the radio frequency generator object of the invention comprises an inductive outlet tube with an electron gun followed by an anode, the barrel being intended to be brought to a high voltage, means for producing an input radio frequency signal and means for routing it to the inductive outlet tube which provides a output signal amplified in power with respect to the input signal.
  • the means for producing the input radio frequency signal, means for route it to the inductive outlet tube and the barrel is confined in a electrostatically shielded enclosure, electrically isolated from potential of the anode and intended to be brought to high voltage, the barrel receiving high voltage through the shielded enclosure.
  • the anode is generally worn, for safety reasons, to the electrical ground (i.e. the ground potential) and the shielded enclosure may rest on at least one dielectric support placed on the ground.
  • Means for producing the radiofrequency input signal may include a radio frequency source which powers a preamplifier, the preamplifier delivering the radio frequency signal entry.
  • Means for routing the input radio frequency signal to the tube with inductive output may include a resonant input circuit connected between the grid and the cathode of the tube.
  • the resonant circuit can be with distributed constants or localized, the choice depends in particular on the frequency chosen.
  • Means for producing the input signal to be amplified can be supplied with electrical power by the secondary minus an isolation transformer, one point of which is connected to the enclosure shielded, its primary being connected at one point to earth.
  • the primary of transformer can be outside the shielded enclosure and the secondary inside.
  • the means for producing the input signal to be amplified are powered by at least one battery placed inside the enclosure shielded to limit the action of spurious signals due to the edges of voltage pulses.
  • the cathode of the tube with inductive output which is electrically connected to the shielded enclosure, and the grid is then polarized with respect to the cathode using a polarization source placed in the shielded enclosure.
  • the heater can receive the power it has the secondary needs at least one isolation transformer, of which a point is connected to the shielded enclosure, its primary being connected at a point to ground.
  • the transformer primary may be outside of the shielded enclosure and the secondary inside.
  • Isolation transformers can be combined into one alone.
  • the anode ends with a spout which delimits with a second spout coming opposite an interaction space for electrons produced by the barrel, this interaction space being coupled to an output resonant circuit from which the signal is extracted exit.
  • the resonant output circuit can be distributed constant or localized.
  • optical means to command and control the input signal to be amplified and / or the heating device.
  • the radiofrequency generator according to the invention illustrated in Figures 2 and 3 includes CE means for producing a signal input radio frequency E to be amplified and means 36 for routing it to an IOT (or tube with inductive output) referenced K which provides a signal output S amplified in power compared to the input signal E.
  • IOT or tube with inductive output
  • IOT K has some similarities to that classic described in Figure 1.
  • the barrel 25 is intended to emit an electron beam (not shown for clarity) through an isolated anode 29 electrically from the barrel 25 by a dielectric sleeve 30.
  • the anode 29 in the form of a sliding tube ends in a spout 31 contributing to define, with the help of a second spout 32 placed opposite, a space 33 between the electrons produced by cathode 26 and the field electromagnetic which is established there.
  • the second spout 32 extends into a collector 35 which collects the beam electrons at their exit from the interaction space 33.
  • the second spout 32 and the manifold 35 are electrically isolated from one of the other as shown in Figure 1.
  • Means for routing the input radio frequency signal E at IOT K are made by an input resonant circuit 36 coupled to space 34 cathode / grid of the IOT.
  • CE means to produce the input signal E, the input resonant circuit 36 and the barrel 25 are placed in an enclosure 37 electrostatically shielded, isolated electrically from the potential of the anode 29 of the IOT.
  • This shielded enclosure 37 is brought to a high voltage delivered by a power supply 39, this high voltage being intended for the barrel 25 of the IOT, the barrel 25 is carried at this high voltage via the shielded enclosure 37.
  • the high power supply 39 voltage is outside enclosure 37.
  • the anode 29 is brought to the electrical ground (ground potential) and therefore the shielded enclosure 37 is electrically isolated of this mass by at least one dielectric support 38 which provides a low capacity between enclosure 37 and earth.
  • the insulation electrical shielded enclosure 37 with respect to the anode 29 is done by two dielectric supports 38 which rest on the ground at the same potential as the anode. They then also have a mechanical role.
  • the sleeve dielectric 30 also contributes to this insulation.
  • Other configurations are conceivable for isolating the shielded enclosure 37 from the anode 29.
  • the means CE for producing the input signal E comprise a radiofrequency source 40 which supplies a preamplifier 41 whose output is connected to the input resonant circuit 36.
  • the source radio frequency 40 generates a low level signal in a band of desired frequency and it is this low level signal, preamplified by the preamplifier 41 which gives the radiofrequency input signal E to amplify in the IOT K.
  • the preamplifier 41 can be in solid state or with electron tube, by example include a plane triode, it depends on the frequency and the power of the input signal E to be produced.
  • the preamplifier 41 can have one or more amplification stages. The realization of such preamplifiers is well known to those skilled in the art.
  • the electrical supply of CE means to produce the radio signal input E can be done via secondary 42.2 minus an isolation transformer 42.
  • the secondary 42.2 of the transformer is connected at one point to the shielded enclosure 37 and its primary 42.1 is connected at one point to earth.
  • secondary 42.2 of the transformer is located inside the shielded enclosure 37 and the primary 42.1 is outside. We can consider placing differently the primary and secondary of the transformer. Primary 42.1 and secondary 42.2 of transformer 42 will be sufficiently isolated one of the other to withstand the high voltage applied to the shielded enclosure 37.
  • the resonant input circuit 36 can be constant distributed, i.e. formed of a coaxial cavity comprising a cylinder internal 36.1 and an external cylinder 36.2, the internal cylinder 36.1 being connected electrically at cathode 26 and external cylinder 36.2 at grid 28.
  • the input signal E is transmitted to the grid / cathode space 34 by coupling means 43 capacitive or inductive in a conventional manner in LOTs or grid tubes.
  • an inductive loop is shown, its end being in contact with the internal cylinder 36.1. This configuration can be used advantageously if the dimensions of the grid / cathode space 34 are relatively large in front of the wavelength of the signal to be amplified.
  • FIG. 3 shows a parallel resonant circuit 36.3 represented by a circuit R, L, C mounted between grid 28 and cathode 26.
  • a parallel resonant circuit 36.3 represented by a circuit R, L, C mounted between grid 28 and cathode 26.
  • CE means to produce the input signal E to the resonant circuit.
  • Figure 3 in give an example.
  • Circuit 36.3 has two capacitors in series C3, C4 and the output of the preamplifier 41 is connected to the common point between the two capacitors C3, C4.
  • the barrel 25 is brought to the negative voltage delivered by the power supply 39 by its cathode 26 which is connected to the shielded enclosure 37.
  • This voltage can be of the order of -300 kVolts.
  • the heating device 27 shown as a filament has a of its ends connected to the cathode. It is powered by a source of power 45 which cooperates with the secondary 42.2 of a transformer isolation 42, this secondary 42.2 being connected at one point to the enclosure shielded 37.
  • the primary 42.1 of the transformer is connected at one point to the mass.
  • This transformer 42 can be common with that used for the supply of CE means to produce the input signal as illustrated in figure 2 but it is not an obligation (see figure 3).
  • the transformer secondary is located inside the enclosure and the primary outside but other arrangements are possible here too.
  • the gate 28 is brought to a more negative voltage than that of the cathode using a bias source 44 mounted between the grid and the cathode.
  • the necessary power is supplied to this source 44 by the secondary 42.2 of an isolation transformer 42, this secondary being connected at one point to the shielded enclosure 37.
  • the primary 42.1 of transformer is connected at a point to ground.
  • the transformer 42 is common with that serving for the heating device 27 and that serving for the means CE to produce the input signal but it is not an obligation.
  • a portion of the secondary serves to the CE means to produce the input signal, another portion is used for the heater 27 and yet another portion serves for the grid 28.
  • high-voltage power supply 39 connected to enclosure 37 shielded is a DC power supply.
  • high power voltage is a power supply which delivers pulses of duration appropriate. This characteristic is found in Figure 3. The power output of the radio frequency generator is much higher when the generator operates in pulses.
  • the supply of CE means to produce the signal E to amplify are made by at least one battery 46 located in the shielded enclosure 37. Indeed, during the voltage pulses of the parasites may appear in secondary 42.2 of the transformer 42 which risk damaging source components radio frequency 40 or preamplifier 41. Such disadvantages do not appear with battery 46. This characteristic is illustrated in figure 3.
  • optical means 47 for carry out command and control inside the enclosure, by example, order the start-up of the radiofrequency source 40, and / or the preamplifier 41 and / or the heating device 27, and / or the frequency of the radio frequency source 40 and / or the frequency of the preamplifier if it is tube.
  • These means 47 are made on the basis of 47.1 optical fiber, part of which penetrates and extends inside the shielded enclosure 37.
  • One end of the fiber 47.1 outside the speaker receives a light signal which is transported to the other end in the shielded enclosure. This other end illuminates a photosensitive device 47.2 which contributes to achieving the corresponding command.
  • the component can be a photodiode which when illuminated closes a circuit adapted to what must be ordered.
  • the photosensitive device 47.2 shown is connected only to CE means to produce the input signal, for the sake of clarity. Of such optical means 47 are perfectly insensitive to high tensions.
  • the very high power output signal S is extracted from a resonant output circuit located at the interaction space 33.
  • the output resonant circuit has distributed constants and takes the form of a resonant cavity 48 comparable to that shown in Figure 1.
  • a dielectric sleeve 49 integral with one side of the anode 29 and the other of the second nozzle 32.
  • the extraction of the output signal S is done by a inductive coupling.
  • a conductive loop 50 plunges into the cavity 48 and comes into contact with its wall. Outside the cavity 48, the energy taken by the loop 50 can be transmitted to an antenna (not shown) by a coaxial line 51 which extends the loop 50.
  • the resonant output circuit 52 is a parallel resonant circuit connected between the anode 29 and the second nozzle 32.
  • This parallel resonant circuit 52 is represented by a circuit L, C.
  • the means for extracting the output signal S are shown diagrammatically by a load 53, connected in parallel with the resonant output circuit 52.
  • the resonant circuits contained in the generator are set to sound at the desired frequency. In this category, we must not forget those of the CE means to produce the input signal E which have not been detailed. If among the circuits resonant of the generator, some with distributed constants, the tuning in frequency can be done by modifying the resonance volume by known means for moving walls, these means are shown diagrammatically by the double arrow in figure 2. If some are constant localized; the agreement is made by the choice of their components such as variable chokes or capacitors. This characteristic is shown schematically in Figure 3.

Landscapes

  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Microwave Amplifiers (AREA)

Abstract

La présente invention est relative a un générateur radiofréquence comportant :
  • un tube à sortie inductive (K) avec un canon à électrons (25) suivi d'une anode (29), le canon étant destiné à être porté à une haute tension,
  • des moyens (CE) pour produire un signal radiofréquence d'entrée (E) et des moyens (36) pour l'acheminer au tube à sortie inductive (K) de manière à ce qu'il fournisse un signal de sortie (S) amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée (E). Les moyens (CE) pour produire le signal radiofréquence d'entrée, les moyens (36) pour l'acheminer au tube à sortie inductive et le canon sont confinés dans une enceinte (37) blindée électrostatiquement, isolée électriquement du potentiel de l'anode et destinée à être portée à la haute tension, le canon recevant la haute tension par l'enceinte blindée.
Application : générateur radiofréquence de très grande puissance.

Description

La présente invention est relative aux générateurs radiofréquence de très grande puissance. Ces générateurs destinés notamment à des applications scientifiques, doivent pouvoir fonctionner à des fréquences de l'ordre de 20 à 200 MHz voire éventuellement un peu plus et fournir, en régime d'impulsions, des puissances crêtes de plusieurs dizaines de mégawatts. En régime continu les puissances sont nettement inférieures.
Ces générateurs sont réalisés à partir de tubes électroniques. Les tubes à grille classiques tels que les tubes de la famille des tétrodes, à ces fréquences, sont limités à quelques mégawatts de puissance et ne peuvent dépasser actuellement la dizaine de mégawatts.
Les klystrons peuvent fournir ces puissances mais ils travaillent en hyperfréquence, c'est à dire à des fréquences bien plus grandes.
Les lOTs abréviation de la dénomination anglaise « Inductive Output Tube » soit tube à sortie inductive en langue française, sont utilisés dans la gamme de fréquences des tubes à grille à puissances beaucoup plus faibles. Leur domaine est principalement celui des émetteurs de télévision dans la bande UHF. Ils sont configurés comme celui représenté sur la figure 1. Leur structure permet, en adaptant leurs circuits résonnants d'entrée et de sortie à la fréquence désirée de les utiliser également dans les bandes ondes courtes et VHF. Ces tubes sembleraient être les plus appropriés pour obtenir les performances recherchées car ils sont dérivés de la technologie des klystrons. Mais des difficultés sont à surmonter.
Un IOT possède un faisceau électronique axial et utilise en entrée le principe de la modulation d'amplitude comme dans les tubes classiques à grille et en sortie la structure axiale des tubes à modulation de vitesse comme dans les klystrons.
Plus précisément, le tube comporte successivement un canon à électrons 1 construit autour d'un axe de révolution XX' et le long de l'axe une anode 5 formant un premier tube de glissement qui débouche dans un espace d'interaction 6 d'une unique cavité résonnante 7 de sortie, l'espace d'interaction 6 étant délimité par un second tube de glissement 8 qui fait face au premier, puis un collecteur 15. Les deux becs des tubes de glissement sont en vis à vis. Le canon 1 comporte une cathode 2, son filament de chauffage 3 et une grille 4. L'espace cathode 2/grille 4 forme le circuit d'entrée du tube et l'acheminement du signal d'entrée E au circuit d'entrée du tube se fait généralement par une cavité coaxiale résonnante d'entrée 9 couplée à l'espace cathode/grille. Le signal d'entrée E à amplifier est introduit dans la cavité 9 à l'aide de moyens de couplage inductifs en boucle dans l'exemple décrit. Ce signal d'entrée E est fourni par des moyens extérieurs au tube incluant généralement un préamplificateur (non représenté).
La grille 4 et la cathode 2 sont portées à des hautes tensions continues négatives et les électrons émis par la cathode émergent de la grille 4 sous forme d'un faisceau 10 en paquets déjà modulé en densité par le signal d'entrée E contrairement à ce qui se passe dans un klystron. Le faisceau 10 est longitudinal d'axe XX'. Les électrons du faisceau 10 attirés et focalisés par l'anode 5 pénètrent dans la cavité de sortie 7 et traversent l'espace d'interaction 6 où ils se couplent au champ électromagnétique de la cavité résonnante 7. De cette cavité de sortie 7 un signal de sortie S, de puissance bien supérieure à celle du signal d'entrée E, peut être extrait. Les électrons ayant cédé une grande partie de leur énergie sont ensuite recueillis par la paroi du collecteur 15. L'anode 5 est généralement portée à la masse, le collecteur 15 peut être également à la masse ou à une tension légèrement différente de la masse.
Lorsque l'IOT est destiné à fonctionner avec une puissance de sortie modulée comme dans les émetteurs de télévision, le signal d'entrée E est porteur de la modulation. La cavité coaxiale d'entrée 9, formée de deux cylindres 90, 91 conducteurs coaxiaux, est généralement pourvue d'un dispositif 11 de réglage de sa fréquence de résonance, par exemple de type piston dont la position est réglable. Pour des raisons de sécurité et pour découpler le préamplificateur de la haute tension, cette cavité coaxiale d'entrée 9 est portée à la masse électrique. Un condensateur de découplage C1 assure un isolement électrique, du point de vue continu, entre le cylindre intérieur 90 et la cathode 2 et un autre condensateur de découplage C2 assure un isolement électrique entre le cylindre extérieur 91 et la grille de modulation 4. Ces condensateurs C1, C2 peuvent être réalisés par des feuilles isolantes serrées entre respectivement un cylindre 90, 91 de cavité et une pièce cylindrique 13, 16 connectée à l'électrode respective 2, 4.
Dans cette application en tant qu'émetteur dans la bande UHF, les hautes tensions sont de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts, la cathode étant moins négative que la grille.
Le signal de sortie S amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée E est extrait de la cavité de sortie 7 par couplage capacitif ou selfique. Sur la figure c'est un couplage inductif qui est représenté sous la forme d'un conducteur 12 qui définit une boucle dans la cavité de sortie 7. Il est transmis à un dispositif utilisateur tel qu'une antenne (non représentée).
L'intérieur du tube est classiquement soumis au vide. L'étanchéité est assurée au niveau de la cavité de sortie 7 par un manchon diélectrique 14 qui laisse passer l'énergie à extraire. Une partie de la cavité de sortie 7 est externe. Elle est délimitée par des parois qui viennent s'appuyer sur le manchon du côté où il n'est pas soumis au vide.
Les klystrons, fonctionnant soit en continu, soit en impulsions, peuvent fournir de grandes puissances, car le canon est porté à de hautes tensions alors que le signal d'entrée à amplifier est introduit dans la première cavité du tube. Il n'y a pas de perturbations entre la haute tension et le signal à amplifier.
Au contraire dans les lOTs, le signal d'entrée à amplifier est injecté dans l'espace cathode-grille alors que la cathode et la grille sont simultanément portées à de hautes tensions. Pour espérer obtenir les puissances désirées en sortie, plusieurs dizaines voire une centaine de mégawatts, les hautes tensions ne sont plus de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts mais doivent atteindre quelques centaines de kilovolts. Dans de telles conditions, des condensateurs placés entre les deux parois de la cavité coaxiale d'entrée et respectivement la cathode et la grille de même nature que ceux décrits à la figure 1 seraient inefficaces. Le découplage devient très difficile à réaliser car les risques de claquages sont extrêmement importants à cause des très forts niveaux de tension et des faibles dimensions mis en jeu.
La présente invention permet de résoudre ce problème et de réduire les risques de claquage. Pour y parvenir la présente invention propose de confiner les moyens pour produire le signal à amplifier, appliqué à l'espace cathode/grille, les moyens pour l'acheminer au canon et le canon du tube à sortie inductive (IOT) dans une enceinte blindée électrostatiquement et isolée électriquement du potentiel de l'anode, et de relier cette enceinte blindée aux moyens produisant la haute tension. Avec une telle structure les moyens de découplage, entre le circuit résonnant d'entrée et soit la grille soit la cathode, qui posaient problème sont inutiles.
Plus précisément le générateur radiofréquence objet de l'invention comporte un tube à sortie inductive avec un canon à électrons suivi d'une anode, le canon étant destiné à être porté à une haute tension, des moyens pour produire un signal radiofréquence d'entrée et des moyens pour l'acheminer au tube à sortie inductive qui fournit un signal de sortie amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée. Les moyens pour produire le signal radiofréquence d'entrée, les moyens pour l'acheminer au tube à sortie inductive et le canon sont confinés dans une enceinte blindée électrostatiquement, isolée électriquement du potentiel de l'anode et destinée à être portée à la haute tension, le canon recevant la haute tension par l'enceinte blindée.
L'anode est généralement portée, pour des raisons de sécurité, à la masse électrique (c'est à dire le potentiel du sol) et l'enceinte blindée peut reposer sur au moins un support diélectrique posé au sol.
Les moyens pour produire le signal radiofréquence d'entrée peuvent comporter une source radiofréquence qui alimente un préamplificateur, le préamplificateur délivrant le signal radiofréquence d'entrée.
Les moyens pour acheminer le signal radiofréquence d'entrée au tube à sortie inductive peuvent comporter un circuit résonnant d'entrée connecté entre la grille et la cathode du tube.
Le circuit résonnant peut être à constantes réparties ou localisées, le choix dépend notamment de la fréquence choisie.
Les moyens pour produire le signal d'entrée à amplifier peuvent être alimentés en puissance électrique par le secondaire d'au moins un transformateur d'isolement, dont un point est relié à l'enceinte blindée, son primaire étant relié en un point à la masse. Le primaire du transformateur peut être à l'extérieur de l'enceinte blindée et le secondaire à l'intérieur.
Si le générateur est destiné à fonctionner en régime d'impulsions, la haute tension étant alors en impulsions, il est concevable que les moyens pour produire le signal d'entrée à amplifier soient alimentés par au moins une batterie placée à l'intérieur de l'enceinte blindée pour limiter l'action de signaux parasites dus aux fronts des impulsions de tension.
C'est de préférence la cathode du tube à sortie inductive qui est reliée électriquement à l'enceinte blindée, et la grille est alors polarisée par rapport à la cathode à l'aide d'une source de polarisation placée dans l'enceinte blindée.
Le dispositif de chauffage peut recevoir la puissance dont il a besoin par le secondaire d'au moins un transformateur d'isolement, dont un point est relié à l'enceinte blindée, son primaire étant relié en un point à la masse. Le primaire du transformateur peut être à l'extérieur de l'enceinte blindée et le secondaire à l'intérieur.
Les transformateurs d'isolement peuvent être confondus en un seul.
Dans les tubes à sortie inductive, l'anode se termine par un bec qui délimite avec un second bec venant en face un espace d'interaction pour des électrons produits par le canon, cet espace d'interaction étant couplé à un circuit résonnant de sortie duquel est extrait le signal de sortie.
Le circuit résonnant de sortie peut être à constantes réparties ou localisées.
Pour éviter tous problèmes liés à la haute tension, il est préférable de prévoir des moyens optiques pour commander et contrôler le signal d'entrée à amplifier et/ou le dispositif de chauffage.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemples non limitatifs et illustrée par les figures annexées qui représentent :
  • la figure 1 (déjà décrite) une coupe longitudinale d'un tube à sortie inductive, selon l'art antérieur capable de fonctionner en amplificateur de signaux ;
  • la figure 2 une coupe longitudinale schématique partielle d'un générateur radiofréquence selon l'invention comportant un tube à sortie inductive ;
  • la figure 3 une coupe longitudinale schématique partielle d'une variante d'un générateur radiofréquence selon l'invention.
Les différentes caractéristiques du générateur selon l'invention pourraient s'agencer de manières différentes par rapport aux agencements représentés sur les figures 2 et 3, notamment d'autres combinaisons sont possibles entre les figures 2 et 3.
Le générateur radiofréquence selon l'invention illustré aux figures 2 et 3 comporte des moyens CE pour produire un signal radiofréquence d'entrée E à amplifier et des moyens 36 pour l'acheminer à un IOT (ou tube à sortie inductive) référencé K qui fournit un signal de sortie S amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée E. Dans le reste de la description l'abréviation IOT est employée à la place de tube à sortie inductive. L'IOT K présente quelques similitudes avec celui classique décrit à la figure 1. On retrouve le canon 25 avec une cathode 26 pourvue d'un dispositif de chauffage 27 et une grille 28 espacée de la cathode 26. Le canon 25 est destiné à émettre un faisceau d'électrons (non représenté dans un souci de clarté) à travers une anode 29 isolée électriquement du canon 25 par un manchon diélectrique 30. L'anode 29 en forme de tube de glissement se termine par un bec 31 contribuant à délimiter, avec l'aide d'un second bec 32 placé en face, un espace d'interaction 33 entre les électrons produits par la cathode 26 et le champ électromagnétiquequi s'y établit. Le second bec 32 se prolonge en un collecteur 35 qui recueille les électrons du faisceau à leur sortie de l'espace d'interaction 33. Dans l'exemple, il y a une continuité électrique entre le second bec 32 et le collecteur 35. On aurait pu envisager que le second bec 32 et le collecteur 35 soient isolés électriquement l'un de l'autre comme illustré à la figure 1.
Les moyens pour acheminer le signal radiofréquence d'entrée E à l'IOT K sont réalisés par un circuit résonnant d'entrée 36 couplé à l'espace 34 cathode/grille de l'IOT. Les moyens CE pour produire le signal d'entrée E, le circuit résonnant d'entrée 36 et le canon 25 sont placés dans une enceinte 37 blindée électrostatiquement, isolée électriquement du potentiel de l'anode 29 de l'IOT. Cette enceinte blindée 37 est portée à une haute tension délivrée par une alimentation 39, cette haute tension étant destinée au canon 25 de l'IOT, le canon 25 est porté à cette haute tension via l'enceinte blindée 37. L'alimentation 39 haute tension est à l'extérieur de l'enceinte 37.
Généralement l'anode 29 est portée à la masse électrique (potentiel du sol) et donc l'enceinte blindée 37 est isolée électriquement de cette masse par au moins un support diélectrique 38 qui assure une faible capacité entre l'enceinte 37 et la masse. Sur la figure 2, l'isolation électrique de l'enceinte blindée 37 vis à vis de l'anode 29 se fait par deux supports diélectriques 38 qui reposent sur le sol au même potentiel que l'anode. Ils ont alors également un rôle mécanique. Le manchon diélectrique 30 contribue aussi à cette isolation. D'autres configurations sont envisageables pour isoler l'enceinte blindée 37 de l'anode 29.
Les moyens CE pour produire le signal d'entrée E comportent une source radiofréquence 40 qui alimente un préamplificateur 41 dont la sortie est reliée au circuit résonnant d'entrée 36. La source radiofréquence 40 génère un signal bas niveau dans une bande de fréquence souhaitée et c'est ce signal bas niveau, préamplifié par le préamplificateur 41 qui donne le signal radiofréquence d'entrée E à amplifier dans l'IOT K. On peut envisager d'omettre le préamplificateur 41, si on dispose d'une source radiofréquence 40 de puissance suffisante. Le préamplificateur 41 peut être à état solide ou à tube électronique, par exemple comporter une triode plane, cela dépend de la fréquence et de la puissance du signal d'entrée E à produire. Le préamplificateur 41 peut comporter un ou plusieurs étages d'amplification. La réalisation de tels préamplificateurs est bien connue de l'homme du métier.
L'alimentation électrique des moyens CE pour produire le signal radiofréquence d'entrée E peut se faire via le secondaire 42.2 d'au moins un transformateur d'isolement 42. Le secondaire 42.2 du transformateur est relié en un point à l'enceinte blindée 37 et son primaire 42.1 est relié en un point à la masse. Dans l'exemple, le secondaire 42.2 du transformateur est situé à l'intérieur de l'enceinte blindée 37 et le primaire 42.1 est à l'extérieur. On peut envisager de placer différemment le primaire et le secondaire du transformateur. Le primaire 42.1 et le secondaire 42.2 du transformateur 42 seront suffisamment isolés l'un de l'autre pour tenir la haute tension appliquée à l'enceinte blindée 37.
Le circuit résonnant d'entrée 36 peut être à constantes réparties, c'est à dire formé d'une cavité coaxiale comprenant un cylindre interne 36.1 et un cylindre externe 36.2, le cylindre interne 36.1 étant relié électriquement à la cathode 26 et le cylindre externe 36.2 à la grille 28. Le signal d'entrée E est transmis à l'espace 34 grille/cathode par des moyens de couplage 43 capacitifs ou inductifs de manière classique dans les lOTs ou tubes à grille. Sur la figure 2, une boucle inductive est représentée, son extrémité étant en contact avec le cylindre interne 36.1. Cette configuration est utilisable de manière avantageuse si les dimensions de l'espace 34 grille/cathode sont relativement grandes devant la longueur d'onde du signal à amplifier. Au contraire, on peut envisager, si les dimensions de l'espace grille/cathode 34 sont petites devant la longueur d'onde du signal à amplifier, que le circuit résonnant d'entrée 36 soit à constantes localisées. Cette variante est illustrée à la figure 3 qui montre un circuit résonnant parallèle 36.3 représenté par un circuit R, L, C monté entre la grille 28 et la cathode 26. Plusieurs dispositions connues peuvent être utilisées pour coupler les moyens CE pour produire le signal d'entrée E au circuit résonnant. La figure 3 en donne un exemple. Le circuit 36.3 comporte deux condensateurs en série C3, C4 et la sortie du préamplificateur 41 est connectée au point commun entre les deux condensateurs C3, C4.
Le canon 25 est porté à la tension négative délivrée par l'alimentation 39 par sa cathode 26 qui est connectée à l'enceinte blindée 37. Cette tension peut être de l'ordre de -300 kVolts.
Le dispositif de chauffage 27 représenté tel un filament a une de ses extrémités reliée à la cathode. Il est alimenté à l'aide d'une source de puissance 45 qui coopère avec le secondaire 42.2 d'un transformateur d'isolement 42, ce secondaire 42.2 étant relié en un point à l'enceinte blindée 37. Le primaire 42.1 du transformateur est relié en un point à la masse. Ce transformateur 42 peut être commun avec celui utilisé pour l'alimentation des moyens CE pour produire le signal d'entrée comme l'illustre la figure 2 mais ce n'est pas une obligation (voir figure 3). Dans les exemples, le secondaire du transformateur est situé à l'intérieur de l'enceinte et le primaire à l'extérieur mais d'autres agencements sont possibles ici aussi.
La grille 28 est portée à une tension plus négative que celle de la cathode à l'aide d'une source de polarisation 44 montée entre la grille et la cathode. La puissance nécessaire est fournie à cette source 44 par le secondaire 42.2 d'un transformateur d'isolement 42, ce secondaire étant relié en un point à l'enceinte blindée 37. Le primaire 42.1 du transformateur est relié en un point à la masse.
Dans l'exemple, le transformateur 42 est commun avec celui servant au dispositif de chauffage 27 et celui servant aux moyens CE pour produire le signal d'entrée mais ce n'est pas une obligation. Dans cette configuration illustrée à la figure 2, une portion du secondaire sert aux moyens CE pour produire le signal d'entrée, une autre portion sert pour le dispositif de chauffage 27 et encore une autre portion sert pour la grille 28.
Si le générateur selon l'invention est destiné à fonctionner en mode continu, l'alimentation 39 haute tension connectée à l'enceinte 37 blindée est une alimentation à courant continu. Par contre si le générateur est destiné à fonctionner en mode impulsion l'alimentation 39 haute tension est une alimentation qui délivre des impulsions de durée appropriée. Cette caractéristique se trouve sur la figure 3. La puissance de sortie du générateur radiofréquence est bien plus importante lorsque le générateur fonctionne en impulsions.
Lorsque le générateur fonctionne en impulsions, il est préférable que l'alimentation des moyens CE pour produire le signal E à amplifier soient réalisés par au moins une batterie 46 située dans l'enceinte blindée 37. En effet, lors des impulsions de tension des parasites peuvent apparaítre dans le secondaire 42.2 du transformateur d'isolement 42 qui risquent de détériorer des composants de la source radiofréquence 40 ou du préamplificateur 41. De tels inconvénients n'apparaissent pas avec la batterie 46. Cette caractéristique est illustrée sur la figure 3.
Il est préférable de prévoir des moyens optiques 47 pour réaliser une commande et un contrôle à l'intérieur de l'enceinte, par exemple, commander la mise en route de la source radiofréquence 40, et/ou du préamplificateur 41 et/ou du dispositif de chauffage 27, et/ou la fréquence de la source radiofréquence 40 et/ou la fréquence du préamplificateur s'il est à tube. Ces moyens 47 sont réalisés à base de fibre 47.1 optique dont une partie pénètre et s'étend à l'intérieur de l'enceinte blindée 37. Une extrémité de la fibre 47.1 extérieure à l'enceinte reçoit un signal lumineux qui est transporté jusqu'à l'autre extrémité dans l'enceinte blindée. Cette autre extrémité vient éclairer un dispositif photosensible 47.2 qui contribue à la réalisation de la commande correspondante. Le composant peut être une photodiode qui lorsqu'elle est illuminée ferme un circuit adapté à ce qui doit être commandé. Le dispositif photosensible 47.2 représenté n'est relié qu'aux moyens CE pour produire le signal d'entrée, dans un souci de clarté. De tels moyens optiques 47 sont parfaitement insensibles aux hautes tensions.
Le signal de sortie S à très grande puissance est extrait d'un circuit résonnant de sortie se trouvant au niveau de l'espace d'interaction 33. Sur la figure 2, le circuit résonnant de sortie est à constantes réparties et prend la forme d'une cavité résonnante 48 comparable à celle représentée à la figure 1. On retrouve autour de l'espace d'interaction 33 un manchon diélectrique 49 solidaire d'un côté de l'anode 29 et de l'autre du second bec 32. L'extraction du signal de sortie S se fait par un couplage selfique. A cet effet une boucle conductrice 50 plonge dans la cavité 48 et vient en contact avec sa paroi. A l'extérieur de la cavité 48, l'énergie prélevée par la boucle 50 peut être transmise vers une antenne (non représentée) par une ligne coaxiale 51 qui prolonge la boucle 50.
Au lieu que le circuit résonnant de sortie soit à constantes réparties, on peut envisager qu'il soit à constantes localisées. Cette variante est illustrée à la figure 3. Le circuit résonnant de sortie 52 est un circuit résonnant parallèle connecté entre l'anode 29 et le second bec 32. Ce circuit résonnant parallèle 52 est représenté par un circuit L, C. Les moyens d'extraction du signal de sortie S sont schématisés par une charge 53, montée en parallèle avec le circuit résonnant de sortie 52.
Les circuits résonnants contenus dans le générateur sont réglés de manière à résonner à la fréquence souhaitée. Dans cette catégorie, il ne faut pas oublier ceux des moyens CE pour produire le signal d'entrée E qui n'ont pas été détaillés. Si parmi les circuits résonnants du générateur, certains sont à constantes réparties, l'accord en fréquence peut se faire en modifiant le volume de résonnance par des moyens connus de déplacement de parois, ces moyens sont schématisés par la double flèche sur la figure 2. Si certains sont à constantes localisées ; l'accord se fait par le choix de leurs composants tels que des selfs ou des condensateurs variables. Cette caractéristique est schématisée sur la figure 3.

Claims (17)

  1. Générateur radiofréquence comportant :
    un tube à sortie inductive (K) avec un canon à électrons (25) suivi d'une anode (29), le canon étant destiné à être porté à une haute tension,
    des moyens (CE) pour produire un signal radiofréquence d'entrée (E) et des moyens (36) pour l'acheminer au tube à sortie inductive (K) de manière à ce qu'il fournisse un signal de sortie (S) amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée (E), caractérisé en ce que les moyens (CE) pour produire le signal radiofréquence d'entrée, les moyens (36) pour l'acheminer au tube à sortie inductive et le canon sont confinés dans une enceinte (37) blindée électrostatiquement, isolée électriquement du potentiel de l'anode et destinée à être portée à la haute tension, le canon recevant la haute tension par l'enceinte blindée.
  2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anode (29) est portée à la masse électrique, l'enceinte blindée (37) reposant sur au moins un support (38) diélectrique posé au sol.
  3. Générateur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens (CE) pour produire le signal radiofréquence d'entrée (E) comportent une source radiofréquence (40) qui alimente un préamplificateur (41), le préamplificateur délivrant le signal radiofréquence d'entrée (E).
  4. Générateur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le canon (25) du tube à sortie inductive comporte une cathode (26) et une grille (28), caractérisé en ce que les moyens (36) pour acheminer le signal radiofréquence d'entrée au tube à sortie inductive comportent un circuit résonnant d'entrée relié entre la grille et la cathode.
  5. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit résonnant d'entrée (36) est une cavité résonnante coaxiale délimitée par un cylindre interne (36.1) et un cylindre externe (36.2), le cylindre interne étant relié à la cathode et le cylindre externe à la grille.
  6. Générateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit résonnant d'entrée est un circuit résonnant parallèle (36.3) à constantes localisées, connecté entre la cathode et la grille.
  7. Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens (CE) pour produire le signal d'entrée à amplifier reçoivent de la puissance du secondaire (42.2) d'au moins un transformateur (42) d'isolement, le secondaire étant relié en un point à l'enceinte blindée et le primaire (42.1) étant relié en un point à la masse.
  8. Générateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens (CE) pour produire le signal d'entrée à amplifier sont alimentés en électricité à l'aide d'au moins une batterie (46) placée à l'intérieur de l'enceinte blindée.
  9. Générateur selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le canon (25) du tube à sortie inductive comporte une cathode (26) et une grille (28), caractérisé en ce que la cathode est reliée électriquement à l'enceinte blindée (37).
  10. Générateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la grille (28) est polarisée par rapport à la cathode (26) à l'aide d'une source de polarisation (44) placée dans l'enceinte blindée (37).
  11. Générateur selon l'une des revendication 9 ou 10, dans lequel la cathode (26) est pourvue d'un dispositif de chauffage (27), caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est relié à la cathode.
  12. Générateur selon l'une des revendications 9 à 11, dans lequel la cathode est pourvue d'un dispositif de chauffage (27), caractérisé en ce que le dispositif de chauffage reçoit de la puissance du secondaire (42.2) d'un transformateur d'isolement (42), le secondaire (42.2) étant relié en un point à l'enceinte blindée et le primaire (42.1) étant relié en un point à la masse.
  13. Générateur selon l'une des revendications 7 ou 12, caractérisé en ce que le transformateur d'isolement alimentant les moyens (CE) pour produire le signal d'entrée et celui alimentant le dispositif de chauffage (27) sont confondus.
  14. Générateur selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'anode (29) se termine par un bec (31) qui délimite, avec un second bec (32) venant en face un espace d'interaction (33) pour des électrons produits par le canon, caractérisé en ce que cet espace d'interaction est couplé à un circuit résonnant de sortie (48,52) duquel est extrait le signal de sortie (S).
  15. Générateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit résonnant de sortie est une cavité résonnante (48).
  16. Générateur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le circuit résonnant de sortie est un circuit résonnant (52) parallèle à constantes localisées.
  17. Générateur selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens optiques (47) de commande pénétrant intérieur de l'enceinte blindée (37).
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