Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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Thierry LEMOINE : Directeur technique, THALES Composants et Sous-systèmes
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Lire l’articleINTRODUCTION
Si notre connaissance théorique sur les tubes radioélectriques doit beaucoup aux travaux de recherche menés entre 1940 et 1970, notre capacité à réaliser des composants de plus en plus performants a été décuplée grâce à la maîtrise d'outils de simulation puissants et sophistiqués. Jusque dans les années 1970, nous devions nous fier à des expressions analytiques limitées aux régimes linéaires. Il était difficile d'optimiser un tube au voisinage du point de saturation. Les choses ont changé à partir des années 1980, et des progrès fantastiques ont été enregistrés : une multiplication par 40 de la puissance délivrée par des tubes fonctionnant au-delà de 30 GHz, une bande passante des tubes de contre-mesure multipliée par trois (on dépasse aujourd'hui les 3 octaves), un rendement électrique multiplié par deux (on fabrique en série des tubes au rendement électrique supérieur à 70 % en bande étroite, et à 50 % en large bande), et la fiabilité a été améliorée d'un facteur compris entre 10 et 100 : les amplificateurs spatiaux présentent des MTBF supérieurs à 5 millions d'heures !
Cet article reflète cette évolution. Il explique quelles sont les performances aujourd'hui accessibles. Il consacre quelques paragraphes aux tubes à grille. Par contre, la place manquant pour un rappel des principales lois d'électromagnétisme, le lecteur pourra se reporter aux articles « Circuits passifs hyperfréquences » et « Structures de guidage HF » .
Ce premier article donne d'un aperçu des technologies de base à tout tube électronique : cathodes, optique électronique, vide et haute tension... Dans un deuxième temps, les tubes à grille, les klystrons et les IOT (Inductive Output Tube) sont introduits. Les autres familles de tubes (TWT : Traveling-Wave Tube (en français TOP : tube à ondes progressives), magnétrons...) seront décrits dans un deuxième article qui fait suite .
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de Thales qui l'ont assisté dans la relecture de ce document, en particulier MM. Alain Durand, Christian Robert et Philippe Thouvenin.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version courante de févr. 2017 par Thierry LEMOINE
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IOT5. Klystrons
5.1 Fonctionnement d'un klystron
Nota : le lecteur pourra consulter les références .
Ces tubes hyperfréquences fonctionnent sur un principe autre qu'une triode. Ils ont été imaginés vers 1937 par Russell H. Varian épaulé par William Hansen, chercheur de grand talent de l'université de Stanford, dans l'espoir de réaliser des dispositifs amplificateurs à très haute fréquence. D'abord utilisés pour générer des oscillateurs locaux (« klystrons reflex »), les klystrons sont devenus après la Seconde Guerre mondiale les amplificateurs de référence pour les radars et les émetteurs de TV en VHF et UHF. Leur champ d'utilisation s'est ensuite largement diversifié.
Moins intuitif que celui d'une triode, leur fonctionnement s'appuie sur deux phénomènes : la mise en paquets d'un faisceau continu d'électrons (bunching en anglais) et le rayonnement de ces paquets d'électrons dans une cavité hyperfréquence. Commençons par le second aspect, qui induit le premier.
C'est un phénomène connu : une particule chargée traversant en son centre une cavité hyperfréquence accordée à une fréquence f (sur un mode TM01) rayonne dans cette cavité une partie de son énergie cinétique (figure ).
(d'après )
Une fois que la particule a quitté la cavité, il subsiste dans celle-ci une onde stationnaire oscillant à la fréquence f, dont l'énergie va s'atténuant sous l'effet des pertes. Quant à la particule, ayant perdu de son énergie, elle est moins rapide qu'elle n'était quelques instants plus tôt : elle a été freinée par l'action de son propre champ. Pour se faire une idée intuitive du phénomène, il suffit de se mettre « à la place » de la particule chargée, dans un référentiel où elle est immobile (c'est la cavité qui « bouge »). Tout d'abord la particule remonte un tuyau métallique qui mène à la cavité : on appelle ce « tuyau » « tunnel de glissement », et on s'arrange pour qu'il soit sous la coupure par rapport au champ RF de la cavité, c'est-à-dire trop étroit pour que le champ créé dans la cavité puisse s'y propager. La particule émet un champ électrostatique dont les lignes rejoignent les parois du tunnel et sont perpendiculaires à celles-ci. Mais...
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Klystrons
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes - Artech House, 1986.
-
(2) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes - D. van Nostrand, 1965.
-
(3) - PIERCE (J.R.) - Theory and Design of Electron Beams - D. van Nostrand, 1954.
-
(4) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes - McGraw-Hill, 1948.
-
(5) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse - Gauthier-Villars, 1951.
-
(6) - BARKER (R.J.) et al - Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics - Wiley, 2005.
-
(7) - PIERCE (J.R.) - Traveling-wave Tubes - D. van Nostrand...
ANNEXES
Cette liste est aussi complète que possible, mais il y a forcément quelques omissions, dont l'auteur espère qu'il ne lui en sera pas tenu rigueur. Elle est classée par pays. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, mais elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau ) ont (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau ) sont ceux qui ont présenté récemment le résultat de leurs travaux à la conférence annuelle IVEC.
Aux États-Unis, CPI est la nouvelle identité de l'activité tubes électroniques autrefois propriété de Varian, qui regroupe également des activités cédées par les sociétés Eimac, Bomac, SFD, Econco et GE (TWT). L3-ED est la nouvelle identité de l'activité tubes électroniques autrefois propriété de Litton, et qui regroupe des activités cédées par les sociétés Raytheon, RCA, Sylvania, Northrop-Grumman (anciennement Hallicrafters) et GE (klystrons). L3-ETI est la nouvelle identité de l'ancienne activité tubes de Hughes Aircraft (HEDD, propriété pendant quelques années de Boeing (BEDD)). L3-ED et L3-ETI font toutes deux partie du groupe américain L3-COM. Enfin, Teledyne a repris d'anciennes activités de MEC et de Sylvania.
En Europe, Thales regroupe les activités tubes autrefois propriété des groupes Thomson, CSF, Telefunken (AEG), Siemens et ABB. e2V hérite des activités tubes de EEV et de GEC/MOV.
Si l'industrie occidentale des tubes électroniques a fait l'objet de nombreuses opérations de rationalisation, elle n'a pas subi de délocalisation de sa production (ni de sa R&D) vers des pays à bas coût de main-d'œuvre (LCC). Par contre, des concurrents sont apparus en Asie, très souvent soutenus par des autorités locales soucieuses d'indépendance nationale sur des composants jugés critiques.
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