EP0037309B1

EP0037309B1 - Travelling-wave tube with coupled cavities and with periodic permanent magnet focussing, and amplifier unit with such a tube

Info

Publication number: EP0037309B1
Application number: EP81400418A
Authority: EP
Inventors: Georges Fleury; Francis Payen
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1980-04-01
Filing date: 1981-03-18
Publication date: 1983-12-28
Also published as: FR2479558B1; EP0037309A1; DE3161746D1; US4399389A; FR2479558A1

Description

L'invention concerne un tube à ondes progressives (TOP) en particulier un tube à ondes progressives à cavités couplées dont la focalisation du faisceau est assurée par un système d'aimants permanents du type « PPM à à savoir « Periodic Permanent tvtagnet'.The invention relates to a traveling wave tube (TOP), in particular a traveling wave tube with coupled cavities, the beam focusing of which is ensured by a system of permanent magnets of the "PPM type, namely" Periodic Permanent tvtagnet '' type.

Un tel système de focalisation dit à « aimants permanents alternés est constitué, comme connu de l'art, par des anneaux serrés les uns contre les autres autour de l'axe du tube, consistant alternativement en aimants et pièces polaires. Dans ce cas, les masses polaires en fer doux, ou en tout autre matériau à faible reluctance, sont incorporées aux parois des cavités, en cuivre, de façon à conduire le flux magnétique le plus près possible du faisceau d'électrons.Such a focusing system called "permanent alternating magnets consists, as known in the art, of rings tight against each other around the axis of the tube, alternately consisting of magnets and pole pieces. In this case, the polar masses made of soft iron, or any other material with low reluctance, are incorporated into the walls of the cavities, made of copper, so as to conduct the magnetic flux as close as possible to the electron beam.

La conductibilité thermique du fer doux étant environ 6 fois moins élevée que celle du cuivre, la résistance thermique entre le faisceau et le circuit de refroidissement du tube est au moins 6 fois plus élevée lorsque des masses polaires sont incorporées dans les parois des cavités. Si, d'autre part, on admet que le courant intercepté par la ligne à retard est, toutes choses égales par ailleurs, deux à quatre fois plus important dans le cas d'une focalisation par aimants permanent que dans celui d'une focalisation par un solénoïde, la puissance continue qu'il est possible d'appliquer au tube et, par voir de conséquence, la puissance haute fréquence (HF) maximale disponible à la sortie d'un tel tube est sensiblement plus faible que dans le cas d'une focalisation par solénoïde. Les hautes fréquences dont il est question sont celles correspondant à des ondes décimétriques et centimétriques ; elles vont de quelques gigahertz à plus de 10 gigahertz. Vers la sortie HF du tube, l'augmentation du diamètre du faisceau peut être telle, sous l'influence notamment du champ haute fréquence des cavités, que les becs de celles-ci fondent sous l'impact des électrons interceptés. Ceci limite impérativement la puissance appliquée au tube.The thermal conductivity of soft iron being approximately 6 times lower than that of copper, the thermal resistance between the bundle and the cooling circuit of the tube is at least 6 times higher when polar masses are incorporated in the walls of the cavities. If, on the other hand, we admit that the current intercepted by the delay line is, all other things being equal, two to four times greater in the case of focusing by permanent magnets than in that of focusing by a solenoid, the continuous power which it is possible to apply to the tube and, consequently, the maximum high frequency (HF) power available at the output of such a tube is significantly lower than in the case of focusing by solenoid. The high frequencies in question are those corresponding to decimetric and centimeter waves; they range from a few gigahertz to more than 10 gigahertz. Towards the HF outlet of the tube, the increase in the diameter of the beam can be such, under the influence in particular of the high-frequency field of the cavities, that their beaks melt under the impact of the intercepted electrons. This imperatively limits the power applied to the tube.

Malgré cela, la technique des tubes à ondes progressives s'oriente fréquemment vers la solution à aimants permanents pour la focalisation du faisceau, à cause des commodités qu'elle apporte, notamment du point de vue de la mise en place des pièces de focalisation et de l'exploitation du tube, par la suppression de la source continue nécessaire à l'alimentation du solénoïde.Despite this, the traveling wave tube technique is frequently oriented towards the permanent magnet solution for focusing the beam, because of the conveniences which it brings, in particular from the point of view of the positioning of the focusing pieces and operation of the tube, by removing the continuous source necessary to supply the solenoid.

Ainsi la figure 1 des dessins ci-joints représente un premier exemple de réalisation d'un tube à ondes progressives à cavités couplées du type ci-dessus.Thus Figure 1 of the accompanying drawings shows a first embodiment of a traveling wave tube with coupled cavities of the above type.

Cette figure, comme les suivantes, représente la partie centrale du tube, constituée par la ligne à retard 1, siège de l'onde électromagnétique qui, en fonctionnement, est en interaction avec le faisceau d'électrons, non représenté, se propageant le long de l'axe Z'Z, entre un ensemble cathodique par lequel il est produit, situé à gauche de la figure, et un collecteur par lequel il est capté situé au-delà de la ligne à retard 1, à droite de la figure. Ces éléments n'ont pas été représentés sur ces figures, comme non nécessaires à la compréhension de l'invention.This figure, like the following, represents the central part of the tube, constituted by the delay line 1, seat of the electromagnetic wave which, in operation, interacts with the electron beam, not shown, propagating along of the axis Z'Z, between a cathode assembly by which it is produced, located on the left of the figure, and a collector by which it is picked up located beyond the delay line 1, on the right of the figure. These elements have not been shown in these figures, as not necessary for understanding the invention.

Comme on le voit sur le dessin la ligne à retard 1 est constituée de cavités 10 couplées disposées suivant une succession régulière le long de l'axe Z'Z. Ces cavités sont des volumes résonnants, du type rentrant connu en hyperfréquences, de révolution autour de l'axe et ouvertes en 11, au voisinage de celui-ci, pour le couplage avec le faisceau. Quant aux moyens de couplage des cavités entre elles, ils n'apparaissent pas sur les vues en coupe des figures ; ces moyens relèvent de l'art connu. Les aimants permanents 2 sont disposés autour de ces cavités et les pièces polaires 3 entre celles-ci, comme le montre le dessin ; ces pièces, qui présentent la forme de rondelles, sont munies d'une collerette 30 ; ces collerettes, alignées délimitent l'espace dans lequel se propage le faisceau et forment le rentrant des cavités 10 ; leurs bords, généralement effilés dans la réalité, constituent les becs 31 de ces cavités ; ces becs peuvent aussi être à bords droits comme dans le cas des figures. La pièce 3, y compris la collerette 30, est faite d'un seul tenant dans un matériau à faible réluctance pour le champ magnétique des aimants 2, du fer doux par exemple. Comme indiqué sur le dessin, les aimants sont alternativement orientés sud nord et nord sud. Enfin deux pièces 20 et 21 limitent l'ensemble de focalisation à ses deux extrémités.As can be seen in the drawing, the delay line 1 is made up of coupled cavities 10 arranged in a regular succession along the axis Z'Z. These cavities are resonant volumes, of the re-entrant type known at microwave frequencies, of revolution around the axis and open at 11, in the vicinity thereof, for coupling with the beam. As for the means for coupling the cavities together, they do not appear in the sectional views of the figures; these means fall within the known art. The permanent magnets 2 are arranged around these cavities and the pole pieces 3 between them, as shown in the drawing; these parts, which have the shape of washers, are provided with a collar 30; these aligned flanges delimit the space in which the beam propagates and form the reentrant of the cavities 10; their edges, generally tapered in reality, constitute the spouts 31 of these cavities; these spouts can also be with straight edges as in the case of the figures. The part 3, including the collar 30, is made in one piece from a material with low reluctance for the magnetic field of the magnets 2, soft iron for example. As shown in the drawing, the magnets are alternately oriented south north and north south. Finally two pieces 20 and 21 limit the focusing assembly at its two ends.

Dans l'exemple, les cavités 10 sont limitées, à leur périphérie, par la paroi cylindrique 12 en contact avec les aimants 2 et, latéralement, par les parois 13 et 14 planes, toutes en cuivre, bon conducteur électrique et thermique, les pièces polaires 3 étant insérées entre deux parois latérales successives. Ces parois sont figurées sans hachures sur les dessins pour la clarté.In the example, the cavities 10 are limited, at their periphery, by the cylindrical wall 12 in contact with the magnets 2 and, laterally, by the flat walls 13 and 14, all made of copper, good electrical and thermal conductor, the parts polar 3 being inserted between two successive side walls. These walls are shown without hatching in the drawings for clarity.

Cette disposition assure, grace aux parties en cuivre, une bonne évacuation de la chaleur engendrée en fonctionnement dans le tube, vers un système de refroidissement extérieur, non représenté, disposé diversement, suivant les réalisations, autour du tube.This arrangement ensures, thanks to the copper parts, good evacuation of the heat generated in operation in the tube, to an external cooling system, not shown, arranged variously, according to the embodiments, around the tube.

Elle présente, par contre, l'inconvénient de réduire, toutes choses égales, la hauteur H des cavités, de l'épaisseur des parois latérales en cuivre 13 et 14, et oblige, à fréquence donnée, à augmenter leur diamètre intérieur, c'est-à-dire le diamètre des collerettes 30, ce qui réduit, à son tour, le couplage des cavités avec le faisceau, et les performances du tube.On the other hand, it has the drawback of reducing, all things being equal, the height H of the cavities, of the thickness of the copper side walls 13 and 14, and obliges, at a given frequency, to increase their internal diameter, c ' that is to say the diameter of the collars 30, which in turn reduces the coupling of the cavities with the bundle, and the performance of the tube.

Dans une autre disposition de l'art antérieur représentée sur la figure 2, on évite cet inconvénient en constituant les parois latérales des cavités 10 par les pièces polaires 3 elles-mêmes ; on évite ainsi la réduction de la hauteur H, mais on rend plus difficile l'évacuation thermique de la ligne à retard. Pour réduire la quantité de chaleur à évacuer, on augmente alors le diamètre des collerettes 30 au fur et à mesure que l'on se rapproche de l'extrémité du tube située du côté du collecteur, de façon à réduire l'interception du faisceau par celles-ci, notamment par leurs bords ou becs 31 qui sont des zones présentant une grande résistance au flux thermique. L'espace offert au faisceau va en s'évasant vers le collecteur, suivant les traits obliques. On est cependant limité dans cette voie par la nécessité de conserver un bon couplage entre l'onde et le faisceau. L'accroissement nécessaire du diamètre des collerettes 30 se situe généralement, dans ce cas, entre 10 et 25 %.In another arrangement of the prior art shown in FIG. 2, this drawback is avoided by constituting the side walls of the cavities 10 by the pole pieces 3 themselves; this avoids the reduction in height H, but we makes thermal evacuation of the delay line more difficult. To reduce the amount of heat to be evacuated, the diameter of the flanges 30 is then increased as one approaches the end of the tube situated on the side of the collector, so as to reduce the interception of the beam by these, in particular by their edges or nozzles 31 which are zones having a high resistance to thermal flow. The space offered to the beam widens towards the collector, following the oblique lines. One is however limited in this way by the need to preserve a good coupling between the wave and the beam. The necessary increase in the diameter of the flanges 30 is generally, in this case, between 10 and 25%.

Dans une autre disposition connue de l'art antérieur décrite en particulier dans le brevet français 1.418.392, les pièces polaires telles que 3 jumelées sont séparées par deux cavités telles que 10 ; une collerette en fer doux est alors prévue aussi sur la paroi commune aux cavités jumelées placées entre deux pièces polaires successives. Dans cette nouvelle disposition, l'évacuation de la chaleur est rendue plus facile par la plus grande proportion de cuivre entrant dans la constitution de la ligne à retard. Quant à la collerette qui termine la paroi de cuivre en question elle constitue une pièce polaire flottante qui enrichit en harmonique 3 le champ magnétique dans l'espace où se propage le faisceau d'électrons. Le champ magnétique produit au centre du tube par le système d'aimants et de pièces polaires décrit a une valeur qui est une fonction périodique de l'abscisse le long de l'axe Z'Z ; l'harmonique en question est l'harmonique de cette répartition spatiale périodique. Ceci à pour effet, dans certaines conditions, de réduire les ondulations affectant le diamètre du faisceau le long de son trajet et, par voie de conséquence, les risques d'interception du faisceau par la ligne à retard.In another arrangement known from the prior art described in particular in French patent 1,418,392, the pole pieces such as 3 twinned are separated by two cavities such as 10; a soft iron collar is then also provided on the wall common to the twin cavities placed between two successive pole pieces. In this new arrangement, the evacuation of heat is made easier by the greater proportion of copper used in the constitution of the delay line. As for the flange which ends the copper wall in question, it constitutes a floating pole piece which enriches in harmonic 3 the magnetic field in the space where the electron beam propagates. The magnetic field produced in the center of the tube by the system of magnets and pole pieces described has a value which is a periodic function of the abscissa along the axis Z'Z; the harmonic in question is the harmonic of this periodic spatial distribution. This has the effect, under certain conditions, of reducing the undulations affecting the diameter of the beam along its path and, consequently, the risks of interception of the beam by the delay line.

L'invention a pour objet un tube à ondes progressives à focalisation par aimants permanents et pièces polaires présentant une structure qui permet d'éviter, ou tout au moins de réduire de façon appréciable, l'inconvénient précédent quant à la puissance maximale applicable au tube.The subject of the invention is a traveling wave tube focused by permanent magnets and pole pieces having a structure which makes it possible to avoid, or at least appreciably reduce, the above drawback with regard to the maximum power applicable to the tube. .

L'invention concerne en particulier un tube à onde progressive composé d'un ensemble cathodique produisant un faisceau d'électrons se propageant suivant un axe et d'un collecteur par lequel le faisceau est capté, et, disposée autour de cet axe, entre l'ensemble cathodique et le collecteur, une ligne à retard composée de cavités résonnantes successives de forme rentrante centrées sur cet axe et couplées entre elles, ledit tube étant pourvu d'un système de focalisation du faisceau d'électrons, à aimants permanents alternés composé de rondelles aimantées entourant la paroi extérieure des cavités, et de pièces polaires serrées entre les cavités et alternées avec celles-ci, à raison d'une pièce polaire toutes les deux cavités, ces pièces polaires étant terminées du côté de l'axe par une collerette centrée sur cet axe, la paroi commune à deux cavités successives étant elle-même terminée du même côté par une collerette semblable, en matériau magnétique, ces collerettes constituant la partie rentrante des cavités résonnantes, l'ensemble de ces collerettes limitant, transversalement à l'axe, l'espace dans lequel se propage le faisceau, caractérisé en ce que le diamètre intérieur de ces collerettes va en croissant dans la direction de propagation du faisceau, notamment dans la dernière partie de la ligne, cet accroissement ayant lieu par paliers, toutes les deux collerettes, la collerette d'une pièce polaire et celle de la paroi commune qui la suit ayant même diamètre.The invention relates in particular to a traveling wave tube composed of a cathode assembly producing a beam of electrons propagating along an axis and of a collector by which the beam is captured, and, arranged around this axis, between the cathodic assembly and the collector, a delay line composed of successive resonant cavities of reentrant shape centered on this axis and coupled together, said tube being provided with an electron beam focusing system, with alternating permanent magnets composed of magnetized washers surrounding the outer wall of the cavities, and of pole pieces clamped between the alternations and cavities, at the rate of one pole piece every two cavities, these pole pieces being terminated on the axis side by a flange centered on this axis, the wall common to two successive cavities being itself terminated on the same side by a similar flange, made of magnetic material, these flanges constituting the part r entering resonant cavities, all of these flanges limiting, transversely to the axis, the space in which the beam is propagated, characterized in that the internal diameter of these flanges increases in the direction of propagation of the beam, in particular in the last part of the line, this increase taking place in stages, both flanges, the flange of a pole piece and that of the common wall which follows it having the same diameter.

L'invention concerne aussi les dispositifs amplificateurs pour haute fréquence utilisant un tube selon l'invention.The invention also relates to amplifier devices for high frequency using a tube according to the invention.

L'invention sera mieux comprise en se reportant à la description qui suit et aux figures jointes, qui représentent, avec les mêmes repères désignant les mêmes éléments.

Les figures 1 et 2 : deux vues schématiques en coupe de la partie centrale de tubes à ondes progressives à cavités couplées de l'art antérieur ;
la figure 3 : une vue analogue relative à un tube à ondes progressives à cavités couplées de l'invention.
La figure 3, montre un exemple de réalisation de la ligne à retard des tubes de l'invention. Comme dans l'exemple dont il vient d'être question, les cavités entre lesquelles sont serrées les pièces polaires 3 sont doubles ; elles portent le repère 15 sur le dessin, et leur paroi centrale le repère 16.

The invention will be better understood by referring to the description which follows and to the attached figures, which represent, with the same references designating the same elements.

Figures 1 and 2: two schematic sectional views of the central part of progressive wave tubes with coupled cavities of the prior art;
FIG. 3: a similar view relating to a traveling wave tube with coupled cavities of the invention.
Figure 3 shows an embodiment of the delay line of the tubes of the invention. As in the example just mentioned, the cavities between which the pole pieces 3 are clamped are double; they are marked 15 on the drawing, and their central wall is marked 16.

Pièces polaires et paroi centrale portent chacune une collerette comme la collerette 30 des dessins précédents, collerette faite en fer doux ou en matériau à faible réluctance. Les aimants 22 sont prévus avec des longueurs en proportion entre deux pièces polaires 3. Ces collerettes sont désignées dans le cas de la figure par le même repère 30 pour celles appartenant à une pièce polaire 3, et par 40 pour celles situées à l'extrémité des parois en cuivre 16.The pole pieces and the central wall each carry a collar like the collar 30 of the preceding drawings, a collar made of soft iron or of material with low reluctance. The magnets 22 are provided with lengths in proportion between two pole pieces 3. These flanges are designated in the case of the figure by the same reference 30 for those belonging to a pole piece 3, and by 40 for those located at the end copper walls 16.

Pour réduire l'interception d'électrons, le diamètre des collerettes 30 va en outre en croissant dans la direction de propagation du faisceau et notamment dans la dernière partie de la ligne.To reduce the interception of electrons, the diameter of the collars 30 also increases in the direction of propagation of the beam and in particular in the last part of the line.

Cet accroissement à lieu, selon l'invention par paliers, toutes les deux collerettes, la collerette 30 de l'une des pièces polaires et celle, 40 de la paroi centrale des deux cavités qui la suivent, sur le trajet de faisceau, ayant même diamètre. Ainsi se trouve élargi l'espace offert au faisceau dans son trajet vers le collecteur, espace dont le diamètre varie, dans le tronçon représenté de 0₁ à 0. Chacune des collerettes 30 se trouve protégée contre l'interception d'électrons par la rondelle 40 qui la précède. Une telle rondelle 40 porte ombre, en quelque sorte, sur la rondelle 30 qui la suit.According to the invention, this increase takes place in stages, both flanges, the flange 30 of one of the pole pieces and that 40 of the central wall of the two cavities which follow it, on the beam path, having even diameter. Thus is widened the space offered to the beam in its path towards the collector, space whose diameter varies, in the section shown from 0 ₁ to 0. Each of the flanges 30 is protected against the interception of electrons by the washer 40 which precedes it. Such a washer 40 carries shadow, in a way, on the washer 30 which follows it.

Le maximum de l'interception se produit sur les parties 40, en contact avec une pièce en cuivre 16, en général épaisse, qui permet une bonne évacuation vers l'extérieur de la chaleur reçue par la ligne.The maximum of the interception occurs on the parts 40, in contact with a copper part 16, generally thick, which allows good evacuation to the outside of the heat received by the line.

En ondes centimétriques, on a constaté, toutes choses étant égales par ailleurs, une amélioration de 1 db sur le niveau de sortie d'un tube à ligne à retard selon l'art antérieur de la figure 2 munie du perfectionnement de l'invention.In centimeter waves, we noted, all other things being equal, an improvement of 1 dB on the output level of a delay line tube according to the prior art of FIG. 2 provided with the improvement of the invention.

L'invention trouve une application dans les ensembles amplificateurs à tubes à ondes progressives pour les télécommunications, par satellite notamment.The invention finds an application in amplifier sets with traveling wave tubes for telecommunications, in particular by satellite.

Claims

1. Travelling wave tube composed of a cathode set producing an electron beam propagating along an axis (Z',Z) and a collector colleting the beam, and a delay line (1) arranged about this axis between the cathode set and the collector and composed of successive resonating cavities having recessed shapes and centered on this axis, and being coupled to each other, said tube being provided with an electron beam focusing system provided with alternating permanent magnets (22) composed of magnetized ring members surrounding the outer wall of the cavities and pole pieces (3) clamped between the cavities and alternating therewith, each pole piece between two cavities, these pole pieces terminating in a collar (30) centered on the axis on the side of this axis, the wall (16) common to two successive cavities terminating in a similar collar (40) of magnetic material on the same side, these collars forming the recessed portion of the resonant cavities, these collars together defining, transversely to the axis, the space wherein the beam propagates, characterized in that the inner diameter of these collars increases in the propagation direction of the beam, particularly in the last portion of the line, this increase occurring in step-wise manner each two collars, the collar (30) of one pole piece and that (40) of the following common wall having the same diameters.

2. Amplifier unit comprising at least one tube according to claim 1.