TUBE A ONDES PROGRESSIVES A RENDEMENT AMELIORE
L'invention concerne les tubes à ondes progressives (TOP) de puissance et notamment la structure hyperfréquences du tube.
Les tubes à ondes progressives sont des amplificateurs hyperfréquences basés sur l'interaction entre une onde électromagnétique se propageant sur une hélice et un faisceau d'électrons en déplacement dans l'axe de l'hélice.
La figure 1 représente un schéma de principe d'un tel tube à ondes progressives.
Le TOP comporté essentiellement un canon à électrons 10 fournissant un faisceaux d'électrons 14 dans l'axe ZZ' d'une hélice 16 du tube. Le faisceau d'électrons interagit avec un signal hyperfréquence injecté à une entrée radiofréquence RFin de l'hélice du coté du canon à électrons cédant progressivement dans son déplacement dans l'hélice une partie de son énergie cinétique à l'onde hyperfréquence parcourant l'hélice qui se trouve ainsi amplifiée. Le signal amplifié est prélevé à une sortie radiofréquence RFout à l'autre extrémité de l'hélice.
Le faisceau d'électrons sortant de l'hélice est capté par un collecteur d'électrons du tube 18.
La figure 2 représente l'hélice 16 standard d'un TOP de l'état de l'art de diamètre D sensiblement constante, de longueur L et de pas entre spires P.
Le dimensionnement des paramètres mécaniques de l'hélice, à savoir, diamètre D, pas des spires P, géométrie des supports mécaniques de maintien dans le tube, figurent parmi les éléments essentiels à dimensionner pour un fonctionnement optimal du TOP. En effet, les performances du TOP, notamment le rendement d'interaction du tube augmente avec le couplage entre l'onde électromagnétique se propageant sur l'hélice et le faisceau d'électrons. C'est-à-dire que le champ électrique généré par l'onde électromagnétique au niveau des électrons doit être le plus fort possible pour une puissance de sortie RF du TOP et une vitesse de propagation de l'onde considérée.
La vitesse de propagation de l'onde est choisie pour être sensiblement identique à la vitesse des électrons dans l'hélice.
Le rendement ηi d'interaction du TOP est défini comme le rapport entre la puissance hyperfréquence en sortie du tube à la puissance cinétique du faisceau d'électrons, soit :
Prf : puissance de sortie hyperfréquence VKH : tension d'accélération lκ : courant cathode Le diamètre de l'hélice et le pas sont les deux principaux paramètres influençant la vitesse de propagation, le dimensionnement de l'hélice consiste principalement à choisir son diamètre D.
Le couplage entre l'onde et le faisceau augmentant lorsque le diamètre D de l'hélice diminue, le concepteur d'un TOP est amené à réduire ce diamètre D au maximum. Cependant, au très faibles diamètres d'hélice, le couplage entre l'onde et le faisceau devient important à la fréquence double 2. F de la fréquence F de travail du TOP, avec comme conséquence une génération très intense du second harmonique. Ce second harmonique produit, entre autre, de fortes variations de puissance du TOP dans sa bande de fonctionnement. Le niveau du second harmonique devient inacceptable pour les diamètres d'hélice très faibles.
En pratique le diamètre de l'hélice est choisi au minimum de façon à être compatible avec cette contrainte, c'est-à-dire un niveau maximum limite à ne pas dépasser pour ce second harmonique. Néanmoins, ce compromis se fait au détriment du rendement d'interaction ηi du TOP.
Afin de palier les inconvénients des TOP de l'état de l'art, l'invention propose un tube à ondes progressives comportant un canon à électrons fournissant un faisceaux d'électrons dans l'axe ZZ' d'une hélice du tube, une onde hyperfréquences injectée par une extrémité d'entrée de l'hélice et se propageant le long de cette hélice étant couplée electromagnétiquement avec le faisceau d'électrons, le diamètre de l'hélice au niveau de l'autre extrémité de sortie de l'hélice (sortie RF) étant inférieur au diamètre de la partie de l'hélice entre l'extrémité d'entrée (22) de l'hélice et cette autre extrémité de sortie de l'hélice,
caractérisé en ce que l'hélice, de diamètre D constant sur une grande partie de sa longueur L, comporte, du côté de l'autre extrémité de sortie de l'hélice, une zone d'extraction (Ze) (ou extracteur de puissance) de la puissance de sortie RF du TOP, de longueur le, de diamètre décroissant progressivement du diamètre D à un diamètre plus petit d, jusqu'à l'autre l'extrémité de sortie de l'hélice de façon à augmenter le couplage entre Fonde hyperfréquence et le faisceau d'électrons au niveau cette autre extrémité de sortie de l'hélice.
Le principal avantage du TOP selon l'invention est d'augmenter le rendement d'interaction par rapport aux TOP de l'état de l'art tout en conservant un niveau d'harmoniques acceptable.
L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisations d'hélices du tube selon l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1, déjà décrite, représente un TOP de l'état de l'art ;
- la figure 2, déjà décrite, représente une hélice d'un TOP de l'état de
- la figure 3, représente une hélice d'un TOP selon l'invention ;
- la figure 4 montre une courbe de variation de l'impédance de couplage Zc d'un TOP de l'état de l'art en fonction de la position sur l'hélice ;
- la figure 5 montre une courbe de variation de l'impédance de couplage Zc d'un TOP selon l'invention en fonction de la position sur l'hélice ;
- la figure 6 montre l'amélioration du rendement d'interaction apporté par l'hélice du TOP selon l'invention.
La figure 3 montre une hélice 20 d'un TOP selon l'invention de longueur L et de pas d'hélice P comportant une extrémité d'entrée RF 22 par laquelle est injectée dans l'hélice un signal hyperfréquence à amplifier et une extrémité de sortie RF 24 par laquelle sort le signal RF amplifié par l'énergie cinétique cédée par les électrons à l'onde RF lors de son parcours dans l'hélice.
L'hélice, de diamètre D constant sur une grande partie de sa longueur L, comporte, du côté de la sortie RF, une zone d'extraction Ze (ou extracteur de puissance) de la puissance de sortie RF du TOP, de longueur le, de
diamètre décroissant du diamètre D à un diamètre plus petit d, jusqu'à l'extrémité de sortie 24 de l'hélice.
Dans une réalisation pratique, la zone d'extraction Ze est de forme conique. Les dimensions de l'hélice sont : longueur de l'hélice L = 160 mm. ; diamètre de l'hélice D= 1,4 mm. ; le diamètre plus petit d en extrémité 24 d'hélice est d= 0,9mm ; la longueur de la zone d'extraction est le = 9 mm.
La zone d'extraction Ze, ou extracteur de puissance, consiste en une courte section de diamètre fortement réduit à l'extrémité de sortie de l'hélice.
Cette réduction de diamètre permet de coupler fortement l'onde au faisceau d'électrons et ainsi d'extraire d'avantage de puissance qu'une hélice d'un
TOP de l'état de l'art de diamètre D constant.
La longueur le d'extraction (zone Ze) doit être courte afin que le second harmonique 2. F de la fréquence F de fonctionnement du tube n'ait pas le temps de se générer.
L'hélice de la figure 3 décrite précédemment présente un diamètre D assez grand pour que le niveau d'harmoniques généré avant l'extracteur de puissance soit très faible. L'interaction entre l'onde et le faisceau d'électrons dans l'hélice étant un phénomène cumulatif, la zone d'extraction Ze est trop courte par rapport à la longueur totale de l'hélice pour générer un niveau significatif d'harmoniques. Au contraire, l'onde fondamentale est déjà générée à un niveau très élevé avant de parvenir à l'extracteur, et elle est amplifiée d'avantage dans ce dernier. Les figures 4, 5 et 6 montrent des simulations effectuées sur des TOP de l'état de l'art et des TOP de même type et de même puissance selon l'invention fonctionnant en bande X de puissance de sortie RF de 40 watts.
La figure 4 montre une courbe de variation de l'impédance de couplage Zc d'un TOP de l'état de l'art fonctionnant en bande x en fonction de la position Lh sur l'hélice de longueur totale L= 180 mm. L'impédance de couplage du TOP de la figure 4 présente une chute rapide vers la fin 24 de l'hélice, soit environ à partir de Lh = 160mm.
La figure 5 montre une courbe de variation de l'impédance de couplage Zc d'un TOP selon l'invention, de même type que celui de la figure 4 fonctionnant en bande x, en fonction de la position Lh sur l'hélice de
longueur totale L= 180 mm. L'impédance de couplage du TOP de la figure 5 présente une augmentation rapide de l'impédance de couplage vers l'extrémité de sortie 24 de l'hélice produite par la diminution du diamètre de l'hélice dans cette zone le d'extraction de puissance, soit environ à partir de Lh =160 mm.
La figure 6 montre l'amélioration du rendement d'interaction apporté par hélice du TOP selon l'invention par rapport au TOP de la figure 4.
Dans la figure 6, les courbes T1 et T2 représentent respectivement la puissance de sortie Ps du TOP de la figure 4 de l'état de l'art et du TOP de la figure 5 selon l'invention, en fonction de la puissance d'entrée hyperfréquence Pe appliquée au TOP exprimée en dBm. Le TOP selon l'invention est de même type que le TOP de l'état de l'art, mais comportant une l'hélice rétrécie dans la zone d'extraction de puissance Ze.
On constate une amélioration du rendement ηi du TOP selon l'invention par rapport au TOP de l'état de l'art de l'ordre de 6 % au tour de la puissance nominale de fonctionnement du TOP soit pour un niveau d'entrée RF de 0 à 5 dBm.
Un autre avantage du TOP selon l'invention par rapport au TOP de l'état de l'art, réside dans le fait que la variation de phase entre le signal d'entrée RFin et le signal en sortie RFout du TOP en fonction de la puissance d'entrée (glissement de phase) n'est pas dégradée.