Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
~J/ ~3 ~
DISPOSITIE GF,NE~ATEUR D'ONI)ES
~:YPER~UENC~S A CAl~IOD13 VIIITUELLE
La pré~ente lrlvantion a pour ob5~t un dispo~itif
générateur d'ondes hyperfraqu0ncçl~ utili~ant le phsnomàn0 de
cathoda vlrtuelle.
Pour engendrer des onde3 hyperfrequences, il e~t
5 connu notamment d1utlll~er de3 di~o~lllfs appelés vlrcators,
qui mett~nt a proPl~ les effet~ de charge d'espace exi~tant dans
de~ fA~ceAux d'electrons produit3 par le canon d'un tube
électronlque. En effet, ain~i qu'il a~t connu, ce ~ont ce~
ePfet~ qui fixent, pour des tensions donne0s, une valeur
10 maximsle 6U cour~nt qul peut êtr~ produit psr un canon ~
électron~, ou encore qui peut être tran~porté dans un e~pace
donne pour un Qn~emble d'éle~kodas de geométrie donnse. Dan~
un vircator, on in~ecta dans un espace defll~l un courant
d'électrons égal, le plu~ souvent, à plu~leur~ Poi~ 18 courant
15 m&ximum qui 1Ju1lrl 61t ef~e~51iY~ t franchir cet e3psce . Il y a
alor~ ac~ ltior~ des ~lectron~ qul forment un puit~ de
potentiel, appela cathode virtu~lle, et qu~ provoque la
réflexlon d'um3 fractlon plu9 Ou moins importante des électron~
du ~ r . Cstte cathode YirtUelle e~t in~table, c'e~t-à-dirs
20 que 1' - l Itu~e de Yon creux de potentlel et sa positlon
osc~lleIlt, entraînant une va~ l&tlo~ ~e~ u.e du nombrs des
électrons re~lechl~ ou tran~mis. Un tel dl~pc,~ permet de
craer des champ3 él~cl,.. ~gnet~ques avec ~ de~ puis~anc0s
lly~er~l~e~ el~ce~ élev~a~ et ~OU9 Ull YO~ e rsdult. To~lte~ol~, on
constate que le ~ignal én~ e~t de quallte- madiocre,
c'est-à-dire qu~ la p~ nre e~t :emi~e sur de nombreux modes
~: en une~ ~uite de ~ a-~u8llces simultanée~ oU 9UCCe~18iV~9; le~
npplicatlon~ de c~ type d~ ~Ignaux s'en ~ uvent a~s0z rédulte~.
:, : :
~ .... . . . . .
. ,, ~ . . . . :
,
2 ~ 3 ,,i (')
Par a3~1eur~, 19 rendement de conv~srsion ~st m~uvni9 ~d~ l'ordre
de 2 à 3% au mieux) par r~pport au rendement qu'il est possible
d'obtenir avec d'autre~ génerateur~, tel~ que les tube~
électroniques à modulatlon de vites~e conventionnel3,
La pré~ente invention il pour objet un générateur
d'ondes hyperfréquencas qui utill!3e le phénomàne de csthod~
virtuelie o~c~llante mai~ qui perrnette d'obtenir une énergie
hyperfréquence de mellleuIe qu~lité spectr~le et avec un
meilleur rend~ment de converslon que le~ vircators classique~.
Cela est réall3é e~ ut~lisant separément le~ électron~
d'une phase donnée (c'est-~-dire électrons trarl~miY ou électron~
réfléchl~) pour tran~o~..lar leur énergie cinétlque en une
énergie hyperfréquence.
Plu~ préc~q~msntJ l'invention a pour obJet un
dis~o ltl~ générateur d'ondes hy~ele~e~ence9 oo",~tsnt:
- un csnon électronique, susceptible de produire un
faisceau d'électrons d~ns une ragion d'in3ectlon, le courant
tran~porté étant huffbant pour prvv~4~er 1~ formation d'une
cathodf~ virtuelle;
- un circ~lit hy~ uence da sortie, r2alisant la
transformstlon de l'energie cl.,~ti~ue des élsctron~ en une
énergie hy~el ~~ uellce, tel que l'énergie des électrons qu'il
prél~ve ~oit en pha3e, ~oit qu'il utillse un~quement l'énergie
des electron~ bran~mis, soit qu'il utili~e uniquement l'énergie
des électrons re~léchis psr la cathode virtuelle, ~oit encore
qu'il utill3~ ~ 18 ~ois l'~n2r~i~ de~ électrons transml~ et
celle de3 electrons rh~ h~, mai~ conv~n~hl rt dephasée.
D'autres ob~ets, psrtioularites et resultat~ de
l'lnventlon le sur~kvllt de la ds~rl~ o~ ~uivante, donnee
titre d'exempl~ non lh.ltal~ et illu9tr(ie par le9 figur~
annexée~, qui r~5é3~ntent:
- 1~ figur~ 1, un pren~er mode de reali~atlon du
dl~3G~lllf générateur selon l'inventlon, dan~ lequel le circuit
., - . , ~
. ~ - , . . : : ,
- . . - ,., . , :.
.
hyperfréquence de sortie u~ se les électron~t transmis par 1
~athode virtu~lle;
- la flgure 2, un deuxlème mode de reallsatlon du
dl~tpo~ltlf selon l'invention, dans lequel le cir~ult hyper-
~requence de sortie a~tsure en outr~ une post-accélération des
électronst util3sé~t;
- la flgure 3, un autre mode d~ realisatlon du
disposltif selon l'invention, dans lequel le circuit hyper-
fréquence de sortie utiUse d'une part les électrons transmls
par la cathode virtuelle et, d'autre part, l~s électron3
réfléchis par cette cathode virtuelle mals convenablement
déphasas;
- les ~lgures 4, 5 et 6 représantarlt de3 varlantes des
modes de réall~atlon précédents dsns le~tquelles le fais~eau elec-
tronlqus pré~ente une ~ectlorA dlfférente.
Sur ces dlE~érelltes flgures, le~ mâmeY réferences se
rapportent aux mêmest slémants.
La flgure 1 ~ e~ eaonte donc un premler mode de
réalisation du di:~i30~lLlf selon l'lnventls~n, vu en coupe
schématlque longitud~sle.
Le génér~teur selon l'inventio~ est une ~tructure de
révolution autour d'un axe longitudinal ZZ.
I1 c ,_~t~ un canon à ole_l~o,~ 1, forme d'une
cat~crde 11 et d~ t anoda, ~ ~ 9~ d'une armature 20 et d'un
écran 21. La cathode 11 se presente sou~ la ~orme d'un cylindre
conducteur d'axe ZZ dont la circonfarence ~ait une salllle 10,
da fsçon d Ctt qua les élecll ol~ ami~ par cette cathode ~orment
un f~ re~u annulaire, I epresonté p~r une zone pohltillée 8 sur
la figur0. L~a~ iuiv 20 de l'anode e~t constltuee par un
cylindre craux, de meme axe ZZ que la eathode; alle est fermée
par un ép~ t annul~ire 23 at un éora~ 21 en forme de
disque, l~l~sa:nt ~ubsister une :~ente annula~ 22 pour le
passage du fP~I~c:s~u d'~leotron~ 8~ L'écran 21 e~t par exempl0
fixé par troiJ pattes (non re~ésentées) sur lle~a~lle~~-~t 23.
:
r ~ ~
Le générsteur selon l'lnventlon comporte encora un
circuit hyperfréquence de sortie 4 qul est, dans ce moda de
réallsatlon, de type coaxlal ; 11 est formé par un cyllndre
conducteur intérieur 5 et un ci~nducteur extérieur con3titué pAr
le prolongemsnt de l'armature Z~l entr~ 10squel~ e~t deflni un
espace annulaire 44. Le clrcuit de ~ortie e~t sensiblement
symétrique du canon à electron~ 1 p~r rapport à un plan normsl
au plan de la flgure, c'e3t-à-dire que le conducteur extérleur
cu~ el te un epaulemeng 43 annulaire et un écran 41 prenant
appui par axemple par de~ patte3 sur l'épaulement 43 et
défini~sant svec cet épaulemsnt une fente circulaire 42 pour le
pa3sage des électrons du ~aisceau 8. Ce dernier est reçu par
UnQ saillie annulalre 50 du conducteur Intérleur 5. P1UY
généralement, les clessins du circult de ~ortle 4 et du canon 1
sont tel~ que les deux Impedances soient vol~lnes.
Entre le~ elément~ 21, 23 dlune part at 41, 43 d'autre
part, se situe une zone 3 dite région d'in~ection. Cette zona
est limitée lat~ralement par la paroi 20.
Le fonctionn~--~nt ds ce dl~l~GollJ~ e~t le suivant.
L'applir~at1.~-~ à la r~thsde 11 d'une ten~ion n*gativa
par r~y~ I à celle de l'anode p~;~ vv~lue l'c~Y~i-)n du fai~ceau
d'electron~ annul~ire 8 A titre d'exemple, l'armature 20,
l'écran 21 et le~ élément~ du circult de 90rtia 4 sont au
potentiel d~ la ma~e et on applique à la cathode 11 une tension
-vo~ L/e9 param~tres 30nt chol~is de sorte qua ~e forme, dan~
la réglon d'in~ection 3, une cathode virtuelle 80 On a
a~,~ 0,3enté pBr une flèche 82 les electron~ tr~nsn~ par la
cathode virtuelle 8û: et par de~ che3 81, les électrons
rqfl~ch1~ par cette cathode virtuelle En outre, on appl3que de
préference à l~ structure, à l'ald~ de moyen~ non re~ té~,
un champ mag....atl.l~e longitudirlal t~alon l'axe ZZ) pour focaliser
le fai~eesu 8 siinsi ~r~J~lull~
On rapp~lle oi-aprb~ l~ I '~~~' ~ de fv.-.~allon d'una
cathn~ rirtu~elle~ A l'int~ricur d'un f~1~ce~u électronique
:
.
.' ' - ~
-
:
2 ~ .i; r, ~
existe une charge d'espace: sur l'axe du fal~ceau, le potentlel
et la vltesss de~ électrons sont plu~ falble~; qu'à la périphérle
de ce falYceau. Sl la denslté dlélactron~ et, par suite, le
courant transporté augmentent, le potentiel et la vitesse des
électron~ diminu0nt ~u~qu'à attaindre ~éro: les électrons
forment alor~ un arna~ chargé négativement, form~nt un puits cle
potentlel appel0 cathode virtuelle. Cette cathode virtuelle
09cille et la fréquence ds~ oscillatlons dépend notamment du
courant d'in3ection ; elle se mesure C0U1 s~ ent en Gigahertz .
Par al~Ueurs, l'intanslté de courant maximale ~u - delà de
laquelle le~ électron3 forment une cathode virtuelle e~t
fonction du potentiel du faisceau d'électron~, ainsl que de~
iong du fai~ceau et de la région d~in3ection 3: le
courant maximum ps:~ur un f~ C~u d'electronY donna s3t plus
fsible lorsque la zone d~in3ection est de plu3 gr~~nd diametre.
Selon l'i~ventlon, on chol~it les ~ en~inns du
dlspo~itii! (canon à électron~ et zone d'inJectlon) et le courant
du fai~ceau d'électron~ de sorte qu'il soit ::luEJgrl~ur au courant
max~num ~u~ceptible de ~arcvllrlr la region 3, entra~nant ainsl
la ~J.. Ell.~ d'une cathode virtuelle. De 1a ~orte, le3 electrons
tranYmis repréYent~nt un cour~nt module à la fréquence
d'o3cillatiorl de la cathode vlrtue1le. Le~ électrons tran~mi~,
et eux ~euls, voient leur énergle cinetique convertie en un
champ eleci~ netlque~ par le circult de 30rtie 4 et, plu5
pre~'- ~ t, d8ns 1~eYPaOa de fralnage compris entre le
conduoteur 5 et l'ecran 41. L~energie produlte e3t tr~ e par
le cl.rcult coaxlal de ~ortie 4 ver~ lleAlérleur.
I1 appara;t que l'anel ~le alnsl p~ lull~ I~e~t avec un
ranclr~~nt très ~ulJelle~r à celul de~ vl~ ato:~s clss~ique3. En
effet, les recherche~ de la D~po~an~e ont montr~ qu'una de~
rai~ons du ~aible rentlpmqnt de~ cslu. ~ claqsique~ atait le
falt d'utiliser un c;rouit de coupla~e qui 3mpose un champ
éleet~ nsticlue de phase ~n~ ,ment é~ale à tou~ le~
électrons, au~lsi bien transml~ que refl~chls psr la cathoda
virtuelle; or ce~ doux ~orte~ d'~lectron~ Yont ~qn~tblpmant en
,
.
oppo~ition de phsg~ ~t l~s énergies qu'Us créent s'annulent en
grande partie. Selon l'invention, on utilise donc ~éparément
l'Qrlergie de~ électrons transmls e1l réfléchis. Dans le pré~ent
mode de réalisstion, on n'utilise que les él~ctron~ transmis.
En outre, le fait d'utilis0r, selon l'invention,
séparément les électrons de même phasa a pour ~fPet de
permettr~ la réalisatien d'un couplage plu~ étroit entre
électrs~n~, et circult de sortie et, par sult~, l'obtention d'une
énergie électromagnétiqus da meilleure quallté spectrale.
Une variante de réalisation (non repré~entee) consista
à dispo~er le circuit de ~ortie 4 de sorte que ne soient utili-
ses qUe 10~ électrons réflechis par 18 cathode virtuelle.
Il est à not~r par ailleurs qu'on choi~it de
préférence les ~ n~len~ du canon et d~ la région d'in3ection
l 5 pour que le courant du $n1~cesu ~oit ~uperieur au, mais voisln
du coursnt max}mum, de sorte qUQ le courant transmi3 ~oit en
moyenne une Praction ~ ol-~al~te du courant total in~acté dan~ la
région d~ ection.
I.a figura 2 repre~ente un autre mod0 de realisatlon du
di~o~iW~ selon l'invention, qui comporte de~ moyen~ da
post-acc0lérstlon des électron~ ut~lisés, vu agalement en coupe
schématique longitudinale.
A titrs d'~x~mple, le generateur repr~e~lté figur~ 2
reprend la structure de celui de la figure 1, ~ ceoi prè~ que 18
circuit de sortle 4 e~t Ql6cl~ uement l~ol~ du cBnon
éleotron~ l. Plus pr~c's' -~t, l~a~.A.al~ 20 formant l'anode du
canon a électrons Q9t san~ contact électrique avec le conducteur
exlg~ 3ur, mair~tenant repére 40, du clrouit de ~ortie 4 A tltrs
d~e~ , 'e, le conducteur 40 se },lr'--ge autour de l'armstura 20
en forme de cylindre creux de même axe ZZ que cette armature,
Ce mode de rs~1iqation cc,..~o. L~ en outre des moyen~ 7 pour
appliquer entr'e la cathode 11 et le cirouit de ~ortie 4 une
ten~ion Vl, ~iuperieure à la ten~ion cathodeJanode V0, A
titre d'e~ 1, '-, le~ moyen~ 7 sont con3titués par un
:
~ ~ .
.
. ..
. . .. . . . .
:, . . , . ~ ~ . . .
~: ~ . -,. - -, :,
~: - : . , . -.
~, ~3 ~ .,?' ~
tran~formateur dont le primaire 71 reçoit la tenslon
d'alLmentation et le ~condalre 72 e~t reilé:
- à l'une de ~398 extremités ~ la parol 40 (potentiel
d~ masYe);
- à son autr0 e~trém~té à la cathode 11 (potentlal
Vl~;
- en un point intermedl~ira ~ l'anode 20, point tel
que le potentlel y soit égal ~ -V1 ~ V0.
Il est à noter que, ain3i qu'il est connu, pour que la
formation d'une cathode vlrtuelle reste po~slblQ lorsque 18
tension V1 utili~ee est ~u~1rl~ 3 à 1~ ten3ion V0 du mode
de réalisatlon précédent, ii eYt néce~salre d'augmenter la
longueur de la région d'in3ection 3 et cecl d'autant plu~ que le
rapport V1/V0 choisi e~t plu9 eleve.
La flgure 3 représente un autre mode de réali~atlon du
génér~teur selon l'inventi~n, dans lequ~l on utili~e à la fois
les électron~ trsnsn~3 et le~ électrons ré~léchi~ par la cathode
virtuelle.
Sur c0tte flgure, on retrouve le canon à electrons
formé de la r~tho~ 11 et de l'anode 20, 21. Le canon 1 produit,
ici auYsi, un fsllqoPR1i d'électron~ 8 dan~ de~ condltlon~ telleY
qu'il y a f~ n drune cathode virtue11e 80 avsc réflexion
(flèch~ B1) d'une partie de~ électron~ at tr~ n ~flàche
82) d'une autre p~rtie des électron~ vers, à titre d'exemple,
une parol métslLlque 50 ~Al~m1t~nt la ragion d'in~ectlon 3.
Dan~ ce mode de ra~ t~nn~ le circuit hyperfrequence
de sort~ 4 r ~e deux voies: l'une débouche dall~ une
r~gion r~ Sa 4A, ~ e entPe l'anode 20 0t la cathode
vlrtuelle 80 et destinée ~ r~ el er l'énergie de~ electron~
réfléchi~ 81 ; l'~utre débouch~ dan~ une raglon 1 epel ee 4B,
cu...p~-ls~ entre l~ cathode virtuelle 80 et la parol 50 et elle
eqt dest~néa à récuperer l'é~er~ie de el6ct~ trsn~mis 82. L89
électron~ 81 rl~fl~chl~ par la c~thode v~rtuelle l'étsnt avec un
d~icAla6e moyell danJ le tsmp~l de l'ordre d'une demi-période
-
.
.
,
d'o~clllatlon~ de cette cathode virtuells par rapport aux
électrons 82 tran~ , 11 e~t neces~salre ~ afin de cumuler leur~
effQt3, de dQphaser l~énergie prod~ te par les un~ d'une valeur
sen~ihlament egale à 180~ par rapport aux autre3; cels est
~chémstisé par un dépha~eur 45, r~alisable par tout moy2n connu
et connecté sur l'une de~ voie~, 4A ou 4B, avant que le~
énergie~ existant dan~ les deux voie~ ne ~e combin~nt pour
former l'énergle de sortie.
Il e~t à noter que la paroi 46, entre le~ voics 4A et
4B, dolt être d'une épaisseur ~ufflsante pour é~.riter que le~
champ~ pré~ents dan~ deux voies n~ se couplent avant la
cathode virtuelle ~0, cette épalsseur etang de l'ordre de
grandeur de la d~tance de la p~rol 46 à la cathode virtuelle.
On a represent~, sur la figure 3, un mode particuller
de reali3stion du circult 4 . D~sutres vsriP.nte~ sont bien
entsndu possibles, qui consistent par ~xemple à réallser, pour
chacune de~ voies 4A et 4B, une 3tructure d~ type coaxial telle
que décrlte figure 1 pour le circult 4.
La Pigura 4 Ie~.r~ e.ll~ un autre mode da r~alisation du
dispo~itif selon l'inv~ntion, dan~ lesluel le f~cenu produit
par le canon à ~lectrons e~t un cyllndre pl~in, toujours vu en
coupe 3chématique longltudinale.
Sur cette fl~ure, ~ titre d'exemple, on rel~ IV-3 une
structu~ voi~e de ce31e de la ~lgure 1, à cecl près que la
~urface .' '-_ v~ de la cathode, malntenane reperee 12, du canon
e~t en forsne de disque, de 90rte a ~ - ilie un falsceau
électro~ique 88 cyllndrlque plein. De la mêms manière, le
conducteur illterieur du circuit de ~orti~ 4, maintenarlt repéré
51, e~t con~titué pAr una 9ur~ace pl&ne en forme de disque. Les
écran~ 21 et 41 de la figure 1 ollt été l~ ces ici par des
élément~, repé~g 26 et: 46, con~titu~s par des grilie~ ou de3
feuilles métal1iqu~s ~llff' t m3nce~ pour que leur
ab~orption d'~leotrons aolt tr~s ~aible.
.
-: - . , ~ . ,
. .
, . ,
. . - . . : ~ :- : . : :
..... . ., . . , . - ,
-: : -- ;......... , . .. : :. : ..... .
. . :.. ...
.. , . . .. ,. , - ... ,.. , .. ,, ,, . ... : . , .:
Ji'~-j J~
Le fonctlonnemant de ce dlspositlf e~3t analogue ~ ce
qui a été decrlt pour la ~igure 1, avec formatioll d'una cathode
virtuelle 83, électrons réfléchis 84 et électrons transmi~ 85
dont l'énergie cinétique est convertie en energie hyperfréquence
par le circuit de sortle 4.
Il e~t à noter que, pour qu'un fonctlonnement
satisfaisant pui~se être obtenu, le diametre de la cathode 12
doit être senslhl~ant inférleur à la longueur dlonde de
l'energie hyperfreq~ence obtenue en sortie, par example de
l'ordre de la deml-longueur d'onde. En pratique, toutafols, des
cathodes de plu~ grand dl~mètre sont utlli~le~, du fait que
les électrons ont tar ~ ce ~ se grouper à 1~ pérlpherie de la
cathode vlrtuelle.
La figure 5 re~le3ente un autre moda de raalisation du
générsteur ~elon l'inventioQ, dans lequel le falsceau
électronique utill3n est un f~Q~Qreau cyl~ndrique ple~ et ou le
générateur c.,..~ en outre cles moyens de post-sccélération.
Sur catte figure, on r~,lr~.uve une structure analogue à
cell0 de la flgure 2, ~auiE en ce qul concerne la cathode 11 du
canon 1, le conducteur c0ntral 5 du c~rcuit de ~ortie 4 et le9
écrans 21 et 41, ~ lQcé9 ~ es~iv. ---t par les élément~ 12,
51, 26 et 46 tel~ ~e decrits flgure 4
Le~ même~ r~ as que celle~ faltes à propo~ de la
flgure 4 peuYant etre faite~ ici.
De la même manlère, la figure 6 ~ .c,sente un mode de
réalisatlon ue ~ celul de la flgure 3, mais dan~ lequel le
fR~c9au ~lsctronique annulairo est 1~ lncé par un faisceau
électronique cyl~drique pleln.
On x~ . vuv~ donc une structure analogue à celle de la
figure 3, sau~ al~ ce qui concerne la stIucture de la cathe~
maintenant ~ Jeraj~ 12, et le ~1_~ E electronique 8 qul d~vient
un cyllndre plQhl repér~ 88, comme dans le ca~ des figures 4 et
5.
,
.
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