FR2462777A1 - Appareil a hyperfrequences du type magnetron - Google Patents

Abstract

APPAREIL A HYPERFREQUENCES DU TYPE MAGNETRON QUI COMPORTE DEUX BLOCS ANODIQUES 1 MUNIS DE BARRETTES D'INTERCONNEXION 8, 9. LES BARRETTES 8, 9 DANS CHAQUE BLOC ANODIQUE 1 SONT RELIEES A DES LAMELLES 4 RESPECTIVES DES RESONATEURS 3 AYANT LA MEME POLARITE EN MODEP D'OSCILLATIONS. LES BARRETTES 8, 9 DE POLARITE OPPOSEE RELIANT DES LAMELLES 4 DE MEME POLARITE SONT REUNIES DANS CHAQUE BLOC ANODIQUE 1 EN PAIRES. CHAQUE PAIRE 8, 9 D'UN BLOC ANODIQUE 1 EST APPROXIMATIVEMENT AU MEME NIVEAU QUE LES PAIRES CORRESPONDANTES DE BARRETTES D'INTERCONNEXION 8, 9 DES AUTRES BLOCS 1. LES PAIRES 8, 9 SONT REPARTIES SUR LA HAUTEUR DES BLOCS AVEC UN PAS NE DEPASSANT PAS LA MOITIE DE LA LONGUEUR D'ONDE, CHAQUE DEUX PAIRES DE BARRETTES 8, 9 APPARTENANT AUX BLOCS ANODIQUES 1 VOISINS. LA LONGUEUR DU DISPOSITIF DE COUPLAGE 11 SUIVANT LA HAUTEUR DU BLOC 1 EST EGALE AU MOINS AU DOUBLE DU PAS ENTRE PAIRES DE BARRETTES 8, 9. APPLICATION AUX INSTALLATIONS THERMONUCLEAIRES A CHAUFFAGE DE PLASMA.

Description

La présente invention concerne le domaine des appa-

reils à vide à hyperfréquences, et plus particulièrement

un appareil à hyperfréquences du type magnétron.

La présente invention peut être utilisée avantageu-

sement en électronique hyperfréquence industrielle à puis- sance élevée, et notamment dans les grandes installations mettant en oeuvre l'énergie hyperfréquence pour le chauffage

de plasma et pour l'obtention de la réaction de fusion ther-

monucléaire, dans les grands accélérateurs d'électrons li-

néaires à haute énergie, dans les grandes installations in-

dustrielles en hyperfréquences, en chimie des plasmas pour

obtenir des nouveaux matériaux, ainsi que dans d'autres ma-

chines industrielles et agricoles.

A l'heure actuelle, l'électronique hyperfréquence

de puissance se développe en augmentant la puissance de sor-

tie impulsionnelle et continue (ou moyenne) et la quantité d'énergie par impulsion lors de la génération de micro-ondes par les appareils électroniques. Ces appareils convertissent

l'énergie de sources de courant continu en énergie hyperfré-

quence par interaction de faisceaux électroniques émis par

une cathode et accélérés sous l'action du potentiel de l'ano-

de et d'un champ électromagnétique hyperfréquence produit

par le système de ralentissement de l'anode.

La puissance de sortie des appareils à hyperfréquence et, en particulier. des appareils à hyperfréquences du type

magnétron, est limitée par les propriétés des matériaux cons-

titutifs de la cathode, de l'anode et de la fenêtre de sor-

tie, par leur capacité de supporter et de dissiper les char

ges électriques et thermiques durant le travail de l'appa-

reil et par le rendement électronique de conversion d'énergie.

A l'heure actuelle, ces limitations sont partielle-

ment contournées par un ensemble de mesures: élévation du

rendement de conversion de l'énergie, utilisation de maté-

riaux spéciaux à caractéristiques d'émission élevées pour les cathodes, à hautes conductivités électrique et thermique

et à bonne capacité calorifique pour les anodes et les ca-

thodes, et supportant de hautes charges limites pour les

anodes, faibles pertes diélectriques et à capacité de trans-

mission élevée des fenêtres de sortie d'énergie hyperfré-

quence.

Parmi ces mesures, on peut aussi citer: le refroi-

dissement efficace des surfaces chaudes des électrodes par mise en mouvement turbulent des fluides caloporteurs, l'uti- lisation du refroidissement des électrodes par évaporation

et du refroidissement à l'aide de tubes d'échange de cha-

leur, etc. Pourtant, comme les propriétés des matériaux ont

des limitations physiques correspondant à des valeurs li-

mites déterminées, une augmentation supplémentaire de gé-

nération d'énergie hyperfréquences doit se faire par aug-

mentation du rendement et de la densité de conversion de l'énergie, ainsi que par accroissement des dimensions

du système de ralentissement et, par conséquent, des sur-

faces utiles des électrodes, anode et cathode, dans l'es-

pace o les électrons entrent en interaction avec le champ électromagnétique du système de ralentissement. Ceci est bien montré par la formule donnant la puissance de sortie moyenne (continue) limite du magnétron P = qS t B) (1) o P est la puissance moyenne limite de génération, q est la valeur limite admissible de la charge spécifique sur l'anode,

S est la surface utile de l'anode.

neest le rendement électronique de conversion d',énergie.

Comme le rendement électronique de conversion d'éner-

gie (rendement électronique) dans les appareils à hyperfré-

quences du type magnétron peut être très élevé (90 % et plus) au rendement électronique maximal possible n. les deux seuls

paramètres sur lesquels on peut agir pour obtenir une augmen-

tation supplémentaire de la puissance hyperfréquence de sor-

tie sont la surface de l'anode (et de la cathode) et leur

densité de dissipation d'énergie. Lorsque les densités maxi-

males de dissipation sont atteintes, il ne reste qu'un seul paramètre variable, la surface de l'anode. Le coefficient fréquentiel énergétique Pf2, qui reflète le niveau obtenu dans le développement de l'électronique hyperfréquence de grande puissance, est déterminé, conformément à la formule (1), par l'augmentation du rapport de la surface utile de l'anode au carré de la longueur d'onde S/À, c'est-à-dire 2 s fl2 Pf =-2 Cq ( - n e C2) À2 o C est la vitesse de la lumière,

X est la longueur d'onde.

Ainsi, la surface de l'anode est le paramètre le plus

important pour créer des appareils à hyperfréquences puis-

sants du type magnétron.

Dans les appareils à hyperfréquences du type magné-

tron, on augmente les surfaces utiles des électrodes et, en particulier, de la cathode et de l'anode, par accroissement de leurs cotes en azimut (augmentation du diamètre de la cathode, de l'orifice de l'anode et du nombre N de cavités du système de ralentisseur dans le sens azimutal) et de

leurs cotes axiales.

Mais une telle augmentation de la surface utile de l'anode et du système de ralentissement du magnétron a des limitations physiques certaines, ce qui se traduit surtout par le fait que les propriétés électrodynamiques du système de ralentissement à plusieurs cavités sont telles qu'en cas d'augmentation du nombre N de cavités et de la hauteur H de l'anode, sa caractéristique de dispersion s'altère et se trouve plus saturée par les oscillations de résonance. Au

cas o la séparation en fréquence et en tension d'excita-

tion entre le mode d'oscillation essentiel (en général, mode vr) et les modes d'oscillation non essentiels devient inférieure à une certaine valeur critique, le fonctionnement stable de l'appareil du type magnétron n'est plus assuré

par suite de leur concurrence.

C'est pourquoi, à l'heure actuelle, on étudie, pour

augmenter la puissance en hyperfréquences générée des appa-

reils du type magnétron, les possibilités d'addition des

puissances de plusieurs magnétrons montés en parallèle élec-

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triquement soit par des liaisons externes, soit à l'aide de barrettes d'interconnexion des systèmes de ralentissement à

l'intérieur d'une seule enceinte à vide. A ce jour, ce pro-

blème n'est résolu que partiellement parce qu'on n'arrive pas à établir un couplage entre les magnétrons et leurs sys-

tèmes de ralentissement assez fort pour obtenir un haut ren-

dement d'addition des puissances, c'est-à-dire pour obtenir un bon rendement de conversion de l'énergie et une puissance

élevée de génération des oscillations en hyperfréquences.

On n'obtient une addition efficace des puissances que

par fonctionnement en parallèle de deux appareils à hyper-

fréquences du type magnétron, avec un rendement d'addition

allant jusqu'à 90 à 98 %. C'est pourquoi une deuxième va-

riante dans laquelle les systèmes de ralentissement des ano-

des des appareils du type magnétron sont reliés électrique-

ment pour former un seul bloc anodique à l'intérieur d'une

seule enceinte à vide ouvre plus de perspectives pour l'aug-

mentation de la puissance en hyperfréquences que l'augmen-

tation du nombre d'appareils fonctionnant en parallèle.

On connait un appareil à hyperfréquences du type magnétron qui comporte un bloc anodique servant de base pour

le système de ralentissement et muni de deux barrettes d'in-

terconnexion de deux bornes de ce système de ralentissement.

Les barrettes d'interconnexion sont reliées électriquement à des lamelles respectives des cavités réalisées dans le

bloc anodique et ayant la même polarité en mode s.

fans cet appareil électronique à hyperfréquences du type magnétron, il est impossible d'augmenter la puissance de sortie générée par augmentation de la surface de l'anode (aux rapports S/X > 0,1 à 0,2) par accroissement du nombre

de lamelles de cavités. En ce cas, la séparation en f*équen-

ce du mode d'oscillations essentiel par rapport au mode N- - 1) azimutal le plus proche se dégrade encore, ce qui

rend l'appareil pratiquement inutilisable.

Lorsqu'on augmente la hauteur du bloc anodique dans l'appareil au point qu'elle dépasse la moitié de la longueur d'onde X/2, la vitesse de groupe de l'onde électromagnétique TEO" N/2 (mode Â0) le long de l'axe devient proche de zéro et, par conséquent, l'amplitude du champ HF dans l'espace d'interaction avec oscillations de mode r0 (onde TE., N/2) diminue suivant la hauteur du bloc anodique et l'appareil

cesse de fonctionner.

On connaît également un appareil à hyperfréquences

du type magnétron qui comporte un bloc anodique dont la lon-

gueur est supérieure à X/4, servant de base pour un système

de ralentissement multiétage avec doubles barrettes d'inter-

connexion disposées l'une au-dessus de l'autre à une distari-

ce inférieure à X/6.

Dans cette organisation d'appareil à hyperfréquences

du type magnétron, il est impossible d'augmenter la puissan-

ce de sortie générée par augmentation de la surface de l'ano-

de (pour un rapport S- > 1 à 2) en augmentant la hauteur du bloc anodique d'une valeur supérieure à 1 à 1,5 X. En ce cas, la vitesse de groupe de l'onde électromagnétique TE0, N/2

(mode 0) le long de l'axe est proche de zéro et la sépara-

tion en fréquence du mode ' essentiel par rapport aux modes

TEm, N/2, (o m = 1. 2... pour modes n) se dégrade et l'ap-

pareil ne fonctionne plus.

On connaît également un appareil à hyperfréquence du type magnétron qui comporte au moins deux blocs anodiques avec barrettes d'interconnexion reliées électriquement et couplées entre elles à l'aide de dispositifs de couplage en quantité égale à celle des paires de blocs anodiques voisins formés des cavités de deux résonateurs des blocs anodiques voisins et d'une fente reliant ces cavités et pratiquée cûté parties inductives des résonateurs, alors que les barrettes d'interconnexion de chaque bloc anodique sont électriquement reliées aux lamelles respectives des

résonateurs ayant la même polarité en modes s.

Dans cet appareil à hyperfréquences du type magné-

tron, les systèmes de ralentissement, mis en série dans une seule. enceinte à vide avec une périodicité unidimensionnelle azimutale et réalisée à partir de blocs anodiques, forment une certaine structure électrodynamique multianode cohérente avec des espaces séparés adjacents d'interaction limités par les orifices anodiques. Cnmme les volumes des systnmes de

ralentissement sont reliés par la fente, le champ électro-

magnétique des systèmes de ralentissement courts-circuités est excité en phase à l'aide de cette fente. Les champs à proximité des extrémités des fentes peuvent être trouvés en approximation statistique par méthode de transformations conformes avec précision jusqu'aux coefficients constants ou

à l'aide de la formule de Green.

Comme la longueur 1 de la fente (c'est-à-dire la longueur de la paroi large d'un guide d'ondes plan) reliant

les cavités des résonateurs respectifs est faible en compa-

raison de la longueur d'onde (car les systèmes de ralentis-

sement dans ledit appareil à hyperfréquences du type magné-

tron ont une périodicité unidimensionnelle, ce qui définit

leur hauteur efficace, ne dépassant pas la moitié de la lon-

gueur d'onde h < 1/2), le couplage des cavités des résona-

teurs en fonction de-kd (o k = 2r/À est le nombre d'ondes, et o d est la profondeur de la fente) a un caractère de

résonance très prononcé. Dans les conditions de l'antiréso-

nance dans la fente, lorsque le couplage se dégrade et est déterminé par le paramètre kl, la séparation des fréquences

de couplage des blocs anodiques n'est pas bonne, c'est pour-

quoi la structure électrodynamique multianode sous la forme d'un système de ralentissement unique et, par conséquent, l'appareil lui-même, ne fonctionnent pas: il n'y a pas

addition des puissances d'oscillations électromagnétiques.

De plus, dans c-et appareil, le circuit de systèmes de ralen-

tissement (blocs anodiques) mis en série ne supprime pas la dégénérescence des modes liés d'oscillations parc-e que les fentes de couplage se disposent en circuit fermé et l'onde électromagnétique chemine par la voie plus longue (circuit de systèmes de ralentissement) et par-la voie plus courte (circuit de fentes de couplage) avec des vitesses de groupe différentes. Par conséquent, quatre modes d'oscillations liés non dégénérées et deux modes doublement dégénérés de ces oscillations sont possibles, ce qui rend défectueux le

fonctionnement de l'appareil.

L'invention vise notamment à fournir un appareil

à hyperfréquences du type magnétron à plusieurs blocs ano-

diques permettant de former un seul système ralentisseur qui améliore le couplage entre les blocs anodiques et, par

conséquent, augmente la puissance des oscillations générées.

Dans ce but, l'invention propose un appareil à hy-

perfréquences du type magnétron qui comporte au moins deux blocs anodiques munis de barrettes d'interconnexion, reliés électriquement et couplés entre eux par des dispositifs de

couplage en nombre égal à celui des paires de blocs anodi-

ques voisins, formés par les cavités des deux résonateurs de blocs anodiques voisins et une fente reliant ces cavités et pratiquée côté inductif des résonateurs, les barrettes

d'interconnexion de chaque bloc anodique étant électrique-

ment reliées à des lamelles respectives des résonateurs ayant la même polarité en mode oscillatoire a, appareil

caractérisé notamment en ce que les barrettes d'intercon-

nexion de polarité opposée reliant électriquement des la-

melles correspondantes de même polarité sont réunies dans chaque bloc anodiqu'e en paires, chaque paire de barrettes

d'interconnexion d'un bloc anodique étant disposée approxi-

mativement au même niveau que les paires de barrettes d'in-

terconnexion correspondantes des autres blocs anodiques, alors que les paires de barrettes d'interconnexion disposées à des niveaux respectifs sont placées l'une par rapport à l'autre, suivant la hauteur des blocs anodiques, avec un pas

ne dépassant pas la moitié de la longueur d'onde des oscil-

lations générées pour que les blocs anodiques forment un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel

périodique, et en ce que deux paires de barrettes d'inter-

connexion appartenant à deux blocs anodiques voisins et 1re-

liées électriquement aux lamelles adjacentes des résonateurs

près des parties inductives desquels passe la fente qui cons-

titue, en combinaison avec les cavités de ces résonateurs,

dispositif de couplage, sont de polarités opposées pour for-

mer dans le dispositif de couplage une ligne guide d'ondes

diaphragmée à structure périodique, la longueur du disposi-

tif de couplage suivant la hauteur du bloc anodique étant égale au moins au double du pas entre les paires de barrettes

d'interconnexion disposées aux niveaux respectifs.

La fente de chaque dispositif de couplage est avan-

tageusement formée par des lamelles adjacentes de résonateurs respectifs, en contact direct par leurs bases et branchées sur des barrettes d'interconnexion ayant les polarités opposées. Les barrettes d'interconnexion des blocs anodiques sont utilement réalisées sous forme dés anneaux ouverts disposés dans chaque bloc anodique de façon que les jeux entre extrémités, d'un anneau à l'autre de chaque paire de barrettes d'interconnexion, et entre paires de barrettes

d'interconnexion soient disposés suivant une hélice.

Dans l'appareil à hyperfréquences du type magnétron proposé, le'couplage électrique entre blocs anodiques est renforcé et il se forme un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique permettant une bonne séparation-en fréquences, assurant un fonctionnement stable de l'appareil. Dans ce cas, on arrive à augmenter la surface utile unitaire des blocs anodiques jusqu'à S/X2 t 5 à 10, ce qui permet d'élever notablement la puissance de sortie des appareils à hyperfréquences du type magnétron et d'obtenir

un haut coefficient de conversion d'énergie. Par un bran-

chement rationnel des blocs anodiques, on peut éviter la

dégénérescence des modes liés et charger d'une façon effi-

cace tous les modes d'oscillations par un seul dispositif de couplage en sortant la puissance en hyperfréquences à

travers un des blocs anodiques. Le système de ralentisse-

ment multiétage tridimensionnel périodique permet d'utiliser au maximum l'espace occupé par l'appareil pour convertir

l'énergie électrique en énergie hyperfréquence et pour aug-

menter la puissance par unité d'appareil tout en atteignant les possibilités limites de l'accroissement de la surface tridimensionnelle des structures électrodynamiques pour ces

appareils à hyperfréquences de type magnétron.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui suit de modes d'exécution concrets de l'in-

vention donnés à titre d'exemple et représentés sur les dessins ciannexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble d'un appareil

à hyperfréquence du type magnétron à un seul système de ra-

lentissement multiétage tridimensionnel périodique avec branchement en parallèle sur les sources de courant continu

et alternatif, en coupe transversale, avec arrachement par-

tiel du corps des blocs anodiques; - la figure 2 est un schéma d'un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique de l'appareil proposé, dans le plan de la section longitudinale passant par le centre des blocs anodiques; - la figure 3, similaire à la figure 1, montre un appareil à fente du dispositif de couplage formée par les lamelles adjacentes des résonateurs respectifs des blocs anodiques et avec branchement en étoile sur une source de courant alternatif triphasé; - la figure 4, similaire à la figure 2, montre les barrettes d'interconnexion réalisées sous forme d'anneaux

ouverts dont les extrémités suivent un pas d'hélice.

L'appareil à hyperfréquences du type magnétron décrit à titre d'exemple est un générateur magnétron appelé plus loin magnétron multianode. Le magnétron multianode comporte un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique formé par au moins deux blocs anodiques; dans

la variante décrite, le système comporte trois blocs anodi-

ques 1 (figure 1) reliés électriquement et couplés (un bloc central et deux blocs latéraux) dont la hauteur est au moins

égale à X/2, placés sous une seule enceinte anodique à vide2.

Ce système de ralentissement est constitué par trois longues structures périodiques, fermées dans le sens circonférentiel, comportant chacune un circuit de résonateurs 3 mis en série, du type secteur dans le mode d'exécution, pratiqués dans le

corps mâme de l'enceinte anodique 2. Chaque paire de réso-

nateurs 3 a une cloison formée par une lamelle 4. Les bouts des lamelles forment des orifices anodiques 5 dans lesquels sont disposés des cathodes 6 avec un réchauffeur 7 qui se présente, dans le mode d'exécution décrit, sous la forme de

deux tubes métalliques coaxiaux.

Les trois blocs anodiques 1 comportent tous des barrettes d'interconnexion 8, 9 qui relient électriquement, 1 0 dans chaque bloc anodique 1, les lamelles 4 respectives des résonateurs 3 ayant la même polarité en modes w. Ainsi, les barrettes d'interconnexion 8 qui relient électriquement

dans chaque bloc anodique 1 les lamelles 4 paires (en sau-

tant la lamelle impaire) ont une polarité opposée à celle des barrettes d'interconnexion 9 qui relient les lamelles 4 impaires (en sautant la lamelle paire). Deux barrettes de couplage 8, 9 voisines de polarité opposée qui relient électriquement des lamelles 4 respectives de même polarité

sont réunies dans chaque bloc anodique 1 en paires 10 (fi-

gure 2) qui se disposent l'une au-dessus de l'autre suivant toute la hauteur des blocs anodiques 1. Chaque paire 10 de barrettes d'interconnexion 8. 9, d'un bloc anodique 1 est disposée approximativement au même niveau (qui détermine l'étage du système de ralentissement unique) que les paires correspondantes des autres blocs anodiques 1, et les paires 10 de barrettes d'interconnexion 8, 9 disposées à

des niveaux respectifs se placent l'une par rapport à l'au-

tre suivant la hauteur des blocs anodiques 1 avec un pas h

qui ne dépasse pas la moitié de la longueur d'onde des os-

cillations générées.

Comme on l'a déjà indiqué, les blocs anodiques 1 sont électriquement reliés et couplés par des dispositifs de couplage à fente en nombre égal à celui des paires de blocs anodiques voisins, dans le mode d'exécution décrit, par deux dispositifs de couplage 11 (figure 1) formés par les cavités de deux résonateurs 3 des blocs anodiques 1 voisins et une fente 12 reliant ces cavités et pratiquée dans les blocs anodiques 1, câté partie inductive de ces résonateurs 3. Les blocs anodiques 1, reliés électriquement par les dispositifs de couplage 11, comportent une structure périodique circonférentielle constituée par les résonateurs

3, des structures axiale (suivant la hauteur des blocs ano-

diques 1) et transversale (d'un bloc anodique 1 à l'autre)

constituées par les paires 10 (figure 2) de barrettes d'in-

terconnexion 8, 9 alternées, formant ainsi un seul système

de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique.

En ce cas, une paire 10 sur deux de barrettes d'in-

teroonnexion 8, 9 appartenant aux blocs anodiques 1 voisins

et reliées électriquement aux lamelles 4 adjacentes des ré-

sonateurs 3 (figure 1) - dont le côté inductif est muni d'une fente 12 servant, avec les cavités de ces résonateurs 3, de dispositif de couplage 11 - a une polarité opposée à celle des autres paires, en mode sV à ondes les plus longues. Ainsi, est formée dans ces dispositifs de couplage

11 une ligne 13 guide d'ondes diaphragmée, à structure pé-

riodique, constituée par deux rangées parallèles de paires 10 de barrettes d'interconnexion 8, 9 sous forme de "broches" (ou diaphragmes) en opposition disposés aux parties d'entrée opposées, sur la profondeur d des dispositifs de couplage

11 (figure 1).

La longueur 1 (figure 2) des dispositifs de couplage 11 (figure 1) suivant la hauteur des blocs anodiques 1 est égale à au moins le double du pas 2 h (figure 2) entre les paires 10 des barrettes d'interconnexion 8, 9 disposées aux

niveaux respectifs; à la limite, elle est égale à la hau-

teur totale des blocs anodiques 1.

Les dispositifs de couplage peuvent être formés également par des éléments qui se rapportent directement

tant au système de ralentissement qu'au dispositif de cou-

plage. Dans une variante du dispositif de couplage 14 (fi-

gure 3), une fente 15 est délimitée par les lamelles 4 ad-

jacentes des résonateurs 3 respectifs, lamelles dont les bases sont en contact direct et qui sont branchées à des barrettes d'interconnexion 8, 9 (figure 4) de polarité opposée. Ainsi, la fente 15 du dispositif de couplage 14

(figure 3) fait partie des cavités des résonateurs 3 rest-

pectifs.

Les blocs anodiques 1 voisins dans les modes d'exé-

cution décrits de l'appareil sont reliés mécaniquement et

électriquement de façon que les centres des orifices anodi-

ques 3 (figures 1, 3) soient disposés sur un seul axe et dans le même plan de section longitudinale passant par le centre des fentes 12 (figure 1) ou 15 (figure 3) des blocs

anodiques 1.

De façon plus générale, plusieurs blocs anodiques

peuvent entourer un bloc anodique central, y être électri-

quement reliés et être couplés par les dispositifs de cou-

plage de façon que les centres de trois orifices anodiques se trouvent en un même plan ou en des plans différents de section longitudinale. Les barrettes d'interconnexion 8, 9 (figures 2, 4) des blocs anodiques 1 peuvent être réalisés sous la forme d'anneaux fendus (tels que représentés schématiquement sur

les dessins). Dans ce cas, les anneaux sont utilement dis-

posés dans chaque bloc anodique 1 de façon que les jeux 16 (figure 4) entre extrémités soient disposés sur une ligne hélicoïdale, lorsqu'on passe d'un anneau à l'autre de chaque paire 10 de barrettes d'interconnexion 8, 9 et d'une paire

aux autres.

Le dispositif de couplage 17 (figure 1, 3) servant

de sortie d'énergie est réalisé dans les modes de réalisa-

tion décrits de l'appareil sous forme d'une double boucle

inductive 18 et d'une ligne coaxiale guide d'ondes 19 ins-

tallées sur un des blocs anodiques 1 (central ou latéral), sur les figures 1 et 3, ce dispositif 17 est sur le bloc

anodique central.

Pour utiliser l'appareil en amplificateur de puis-

sance, ou pour répartir de la puissance dans différentes charges, on peut augmenter le nombre de dispositifs de

sortie d'énergie.

Les cat-odes 6 et les réchauffeurs 7 sont fixés à chaque bloc anodique 1, coaxialement aux orifices anodiques , à l'aide d'isolateurs 20 ou pieds de cathode étanches

* au vide, en cermet, qui comportent des bornes 21, 22 de.

branchement sur des sources électriques Un et Ua d'alimen-

tation des circuits de chauffage des réchauffeurs 7 des cathodes 6 et de tension anodique. L'enceinte 2 des blocs anodiques 1 qui se trouvent au potentiel positif de U a, est

mise à la terre.

Sur le schéma représenté sur la figure 1, trois cathodes 6 de l'appareil et les réchauffeurs 7 sont mis en

parallèle sur une ligne provenant des sources U, Ua d'ali-

mentation avec le montage à enceinte anodique mise à laterre.

Mais le branchement de l'appareil sur la source d'alimenta-

tion peut -être réalisé suivant un autre montage, représenté sur la figure 3. Ici, la tension anodique est fournie par le secteur alternatif triphasé monté en étoile à trois branches. La tension de chaque phase est appliquée à une cathode 6 correspondante, l'enceinte 2 est reliée au neutre de l'étoile, et le courant de chauffage des réchauffeurs 7 des cathodes 6 est fourni par des sources séparées Unl' Un2L Un3. L'appareil à hyperfréquences du type magnétron qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante:

Les cathodes 6 (figure 1) placées au centre des ori-

fices anodiques 5 de l'enceinte étanche 2 sont chauffées

à la température voulue à l'aide des réchauffeurs électri-

ques 7 branchés sur la source U d'alimentation des cir-

n cuits de chauffage. Les électrons émis par les cathodes 6

dans l'espace d'interaction entre les extrémités des lamel-

les 4, qui forment les anodes, et les cathodes 6 sont accé- lérés par un champ électrique créé par la source Ua de ten-

sion anodique insérée entre les cathodes 6 et les anodes de l'appareil, alimentées en parallèle. En présence du champ magnétique dirigé le long de l'axe des blocs anodiques 1, les électrons, à une certaine valeur de la tension anodique,

produisent des oscillations HF dans le système de ralentis-

sement de l'appareil à travers les jeux entre les lamelles

4. Le champ HF apparaissant dans ces jeux groupe les élec-

trons en faisceaux qui, sous l'action de la tension anodique appliquée et du champ magnétique, se déplacent le long de la

surface des anodes en synchronisme avec l'onde excitée ra-

lentie d'oscillations HF dans sa phase de freinage et trans-

mettent l'énergie acquise de la source Ua d'alimentation au champ électromagnétique hyperfréquence. Ainsi, l'énergie des sources d'alimentation en courant continu est convertie en énergie d'oscillations hyperfréquence. Cette dernière est

accumulée dans les résonateurs 3 du système de ralentisse-

ment de l'appareil à hyperfréquences du type magnétron dans chaque bloc anodique 1. Un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique de l'appareil est en

état de résonance en oscillations dont la fréquence corres-

pond à la condition de synchronisme du transit du faisceau d'électrons en interaction avec l'onde électromagnétique

de ce mode exclusivement.

L'appareil à hyperfréquences du type magnétron tel

qu'il est représenté sur la figure 1 fonctionne en généra-

teur (régime d'auto-excitation) et produit en règle générale des oscillations en mode s de longueur d'onde maximum (onde

TEOI N/2). L'appareil peut fonctionner également en ampli-

ficateur en réponse à un signal de commande externe, ce qui est un avantage important. L'onde électromagnétique TE0, N/2 à variation circonférentielle correspondant à un déphasage égal à X et à variations axiales du champ nulle entre les extrémités des bloc.s anodiques 1 est produite dans tous les

trois blocs anodiques 1. Conformément à la théorie des per-

turbations des résonateurs reliés par-des fentes des blocs anodiques, la présence du mode 110 à la plus grande longueur

d'onde à la fréquence de liaison f1 fait apparaître des os-

cillations hyperfréquences d'amplitude égale et en phase.

L'énergie électromagnétique peut s'accumuler dans les blocs anodiques également à d'autres fréquences de liaison f2 et

f3 correspondant au mode ir. Pour la fréquence f2, l'ampli-

tude dans le bloc anodique 1 central est égale à zéro, alors que dans les blocs anodiques 1 latéraux les amplitudes sont égales mais en opposition de phase. Dans le troisième cas, à la fréquence f3, les amplitudes des oscillations dans les blocs anodiques 1 latéraux sont égales et en phase, tandis que les oscillations dans le bloc anodique 1 central sont

en opposition de phase.

La stabilité du fonctionnement de l'appareil aux blocs anodiques 1 couplés en mode 0 s'améliore en cas d'augmentation de la séparation entre les fréquences de couplage. Cette séparation entre fréquences de couplage dépend essentiellement du coefficient de couplage-entre les blocs anodiques 1; pratiquement, le bon fonctionnement de l'appareil avec des blocs anodiques couplés n'est défini

que par la valeur de couplage.

La valeur de couplage définit également quels seront le rendement d 'addition des puissances hyperfréquences des oscillations générées dans chaque bloc anodique 1 et la sortie de puissance totale hyperfréquences par un des blocs

anodiques 1 vers la charge utile.

Un avantage de l'appareil électronique en hyperfré- quences proposé réside dans le fait qu'à la formation d'un

système de ralentissement multiétage tridimensionnel pério-

dique, le coefficient de couplage des blocs anodiques 1

croît notablement et s'approche de 1. Cet avantage est réa-

lisé grâce à la disposition multiétage et périodique des

paires 10 (figure 2) réunies par des barrettes d'inter-

connexion 8, 9 et à leur disposition aux mêmes niveaux dans tous les blocs anodiques 1 couplés, alors que les paires 10 de barrettes d'interconnexion 8, 9 aux niveaux correspondants sont disposées avec un pas h ne dépassant

pas la moitié de la longueur d'onde (h < À/2).

L'onde électromagnétique du système de ralentisse-

ment tridimensionnel périodique est caractérisée par trois déphasages S. pour une période pi qui détermine le vecteur d'onde F. Le flux d'énergie hyperfréquence dans un tel système de ralentissement augmente et, simultanément, la vitesse V e de transport de l'énergie,définie par le rapport du flux d'énergie P à l'énergie moyenne accumulée W par unité de longueur du système de ralentissement dans le sens de propagation du flux d'énergie, c'est-à-dire Ve = P/W, augmente. Comme dans le système tridimensionnel périodique, la vitesse V8 de transport d'énergie est égale à la vitesse de groupe Vg, cette dernière croit également et la séparation des fréquences de liaison s'améliore. ' L'augmentation du couplage dans une large gamme de

fréquences est due également au fait que la longueur 1 (fi-

gure 2) des fentes 12 des dispositifs de couplage 11 (figu-

re 1 le long des blocs anodiques 1 est augmentée jusqu'aux

dimensions du guide d'ondes, c'est-à-dire qu'elle est aug-

mentée au moins jusqu'à la moitié de la longueur d'onde

critique du mode n 0. En ce cas, les barrettes d'intercon-

nexion 8, 9 (Figure 2) branchées sur les lamelles 4 adja-

centes des résonateurs 3 (figure 1) dont les cavités forment

16 2462777

les dispositifs de couplage 11 créent sur toute la longueur des fentes 12 de ces dispositifs de couplage 11'la ligne 13

guide d'ondes périodique diaphragmée sur les parties d'en-

trée de ces fentes 12 (figure 2). La ligne guide d'ondes 13 assure une transformation à large gamme de l'énergie hyper- fréquences pour les modes X d'un bloc anodique 1 à l'autre, car les amplitudes des champs des oscillations de modes X

en hyperfréquences aux parties d'entrée opposées sur la pro-

fondeur d des dispositifs de couplage 11 sont toujours en

opposition de phase et de valeurs égales. De plus, l'ampli-

tude des oscillations en hyperfréquences sur la longueur 1 des dispositifs de couplage 11 et, par conséquent, dans les

fentes 12, correspondra toujours à l'amplitude des oscilla-

tions du mode X correspondant dans l'espace d'interaction des

blocs anodiques 1 suivant toute leur hauteur.

Un avantage de l'appareil à hyperfréquences du type magnétron proposé consiste dans le fait que, en même temps qu'on renforce le couplage électrique entre les blocs 1, on améliore la séparation non seulement entre les fréquences

de couplage des modes n, mais également pour les oscilla-

tions avec déphasage Y # 0,X et, en particulier, pour le mode (N/2 - 1). En d'autres termes, la connexion concrète

des blocs anodiques 1 et leur couplage à l'aide du disposi-

tif de couplage 11 communique à l'appareil une nouvelle

propriété: le couplage en différents types modes d'oscil-

lations acquiert un caractère sélectif. De plus, on supprime

la double dégénérescence des modes à déphasage Y # 0,X ca-

ractéristique pour la symétrie d'un bloc anodique 1. Par

conséquent, le fonctionnement de l'appareil lors de l'utili-

sation en mode n utile d'oscillations devient plus stable et la zone utile de la caractéristique tension-intensité

devient plus large.

Ainsi, le mode n se propage d'un bloc anodique 1 à l'autre avec une vitesse de groupe presque égale à celle

dans chaque bloc anodique 1 et les flux d'énergie-électro-

magnétique de tous les blocs anodiques 1 s'additionnent sans pertes dans les dispositifs de couplage 11 et peuvent être

extraits à partir d'un bloc anodique 1 quelconque.

1 7 La puissance hyperfréquence d'origine générée dans la construction concrète de l'appareil est extraite à l'aide du bloc anodique 1 central à travers le dispositif inductif de couplage servant de sortie d'énergie 17, constitué par la double boucle inductive 18 reliée à deux résonateurs 3 du bloc anodique 1; elle est ensuite canalisée-par la ligne

coaxiale guide d'ondes 19 dans la charge utile par l'inter-

médiaire de la sortie d'énergie en cermet munie d'une fe-

nêtre diélectrique étanche au vide. La fenêtre et la charge en hyperfréquences ne sont pas représentées sur les figures

1 à 4.

Pour renforcer davantage la liaison électrique entre

les blocs anodiques 1, améliorer la synchronisation réci-

proque des oscillations en hyperfréquences dans les blocs

anodiques 1, ce qui améliore la séparation entre modes es-

sentiels et non essentiels, et augmenter la stabilité de

fonctionnement de l'appareil, ainsi que le rendement d'addi-

tion des puissances d'oscillations de tous les blocs anodi-

ques 1, le dispositif de couplage 14 de l'un des dispositifs - de sortie d'énergie 17 est situé entre les blocs anodiques 1

et réalisé comme le montre la figure 3. Dans ce mode d'exé-

cution, la fente 15 du dispositif de couplage 14 est formée directement par les lamelles 4 adjacentes des résonateurs 3 des blocs anodiques 1 voisins et branchées sur les barrettes d'interconnexion de polarités opposées. Ainsi, la condition

de liaison proche, c'est-à-dire d " X (figure 4) est rem-

plie et les pertes injustifiées de liaison par la fente 15 profonde sont supprimées, surtout si la profondeur d de la fente 15 est comparable à la longueur d'onde, autrement dit,

si d > À/2.

La présence de discontinuités dans toutes les bar-

rettes d'interconnexion 8, 9 des blocs anodiques 1, c'est-

à-dire leur réalisation sous forme d'anneaux ouverts, dégra-

de la symétrie circonférentielle du système de ralentisse-

ment des blocs anodiques 1 en supprimant la-dégénérescence du type doublets d'oscillations avec déphasage Y / 0,rr et renforce le couplage électrique de ces modes d'oscillations entre les blocs anodiques 1. Ce renforcement du couplage

permet de mieux charger les modes non essentiels avec un dé-

phasage YP i 0,7V et, en particulier, le mode (N/2 - 1), à travers un dispositif de sortie d'énergie 17 (figure 3) et d'améliorer la stabilité du fonctionnement de l'appareil sur le mode r de travail. Comme les discontinuités dans les barrettes d'interconnexion 8, 9 (figure 4) ont un effet légèrement défavorable sur la séparation des fréquences, surtout des modes ir et [N/2 - 1) circonférentiel voisin, une solution de compromis optimal entre la nécessité de charger le mode (N/2 - 1) (par renforcement du couplage entre les blocs anodiques 1 en utilisant les barrettes d'interconnexion 8, 9 sous forme des anneaux ouverts) et la nécessité d'avoir une bonne séparation des fréquences des modes w0 et (N/2 - 1) se trouve obtenue lorsque les jeux 16 entre leurs extrémités dans chaque bloc anodique 1 sont disposés suivant une hélice. Dans ce cas, à chaque étage du système de ralentissement formé par les paires 10 respectives de barrettes d'interconnexion 8, 9, le mode

(N/2 - 1) varie l'angle de l'orientation azimutale de l'am-

plitude du champ en hyperfréquences et sa séparation en fré-

quence d'avec le mode 7V0 s'améliore, alors q.ue la dégénéres-

cence des modes doublets se trouve supprimée, ce qui ren-

force le couplage entre les blocs anodiques 1 à la fréquence du mode (N/2 - 1), en particulier, à tous les modes avec déphasage a 0,n de façon générale. Le chargement de ces modes ([t 0,7) à travers le dispositif de sortie d'énergie 17 (figure 3) se trouve alors amélioré, ce qui réduit leur

concurrence et rend plus avantageux l'appareil à hyperfré-

quences du type magnétron avec système ralentisseur multi-

étage tridimensionnel périodique dont les barrettes d'inter-

connexion 8, 9 (figure 4) sont réalisées sous la forme d'an-

neaux ouverts dont les extrémités sont disposées suivant

une hélice sur toute la hauteur des blocs anodiques 1.

Une variante possible de branchement de l'appareil

à hyperfréquences du type magnétron multi-anode, en parti-

culier celui à trois anodes, sur la source Ua de la tension

anodique permet d'utiliser le secteur alternatif sans re-

dresseurs spéciaux (figure 3) comme c'est le cas lors du 1 9 montage suivant la figure 1. Dans ce cas, au cours de chaque période positive d'une phase quelconque, les blocs anodiques

1 fonctionnent à tour de râle avec déphasage de 1200.

Dans les modes d'exécution des dispositifs de coupla-

ge 11 et 14 représentés sur les figures 1 et 3, les huit modes d'oscillations liés possibles sont tous non dégénérés et orthogonaux [conformément à la théorie de représentation des groupes). Ils ne se trouvent pas en interaction, ce qui

est très important pour un fonctionnement efficace de l'ap-

pareil.

Les particularités constructives et les perfection-

nements de l'appareil à hyperfréquences du type magnétron multianode décrit permettent d'obtenir un nouveau type de

système de ralentissement multiétage tridimensionnel pério-

dique à base de plusieurs blocs anodiques reliés électri-

quement et couplés, ainsi que d'augmenter la puissance hyperfréquence de sortie des appareils du type magnétron, au prix de l'accroissement de la surface utile totale du

système de ralentissement, de l'anode et de la cathode.

Ainsi, on renforce dans l'appareil à hyperfréquences élec-

tronique du type magnétron multianode la liaison entre les blocs anodiques reliés électriquement et couplés, ce qui permet d'atteindre les dimensions maximales possibles de la surface utile totale de l'anode correspondant à S/A A 5 à

10, de séparer convenablement les fréquences du mode f es-

sentiel des modes non essentiels concurrents et d'addition-

ner de façon efficace les puissances à la fréquence de tra-

vail générée fou amplifiée) sur une seule sortie d'énergie ainsi que d'augmenter la puissance hyperfréquence de sortie

de l'appareil. -

Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au

contraire, toutes les variantes.

Claims (3)

REVENDICATIONS

1. Appareil à hyperfréquences du type magnétron, comprenant au moins deux blocs anodiques munis de barrettes d'interconnexion, reliés électriquement et couplés entre eux par des dispositifs de couplage en nombre égal à celui des paires de blocs anodiques voisins, formés par les cavités des deux résonateurs de blocs anodiques voisins et une fente

reliant ces cavités et pratiquée coté inductif des résona-

teurs, les barrettes d'interconnexion de chaque bloc anodi-

que étant électriquement reliées à des lamelles respectives des résonateurs ayant la même polarité en mode oscillatoire a, caractérisé en ce que les barrettes d'interconnexion de

polarité opposée reliant électriquement des lamelles corres-

pondantes de même polarité sont réunies dans chaque bloc

anodique par paires, chaque paire de barrettes d'interconne-

xion d'un bloc anodique étant disposée approximativement au même niveau que les paires de barrettes d'interconnexion correspondantes des autres blocs anodiques, et les paires

de barrettes d'interconnexion disposées à des niveaux res-

pectifs étant placées l'une par rapport à l'autre, suivant la hauteur des blocs anodiques, avec un pas ne dépassant pas la moitié de la longueur d'onde des oscillations générées de façon que les blocs anodiques forment un seul système de ralentissement multiétage tridimensionnel périodique, les paires de barrettes d'interconnexion appartenant aux blocs anodiques voisins et reliées électriquement aux lamelles

adjacentes des résonateurs près des parties inductives des-

quels passe la fente qui sert, en combinaison avec les ca-

vités de ces résonateurs, de dispositif de couplage, ayant

deux à deux des polarités opposées pour former dans le dis-

positif de couplage une ligne guide d'ondes diaphragmée à structure périodique, la longueur du dispositif de couplage suivant la hauteur du bloc anodique étant égale- au moins au double du pas entre les paires de barrettes d'interconnexion

disposées à des niveaux respectifs.

2. Appareil à hyperfréquences selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente de chaque dispositif de

couplage est formée par des lamelles adjacentes de résona-

teurs respectifs, en contact direct par leurs bases et branchées sur des barrettes d'interconnexion ayant les

polarités opposées.

3. appareil à hyperfréquences, conformément aux re-

vendications 1, 2, caractérisé en ce que les barrettes d'in- terconnexion des blocs anodiques sont réalisés sous forme d'anneaux ouverts disposés dans chaque bloc anodique de façon que les jeux entre extrémités d'un anneau à l'autre de chaque paire de barrettes d'interconnexion et entre les

paires de barrettes d'interconnexion soient disposées sui-

vant une hélice.