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.
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- Version courante de févr. 2017 par Thierry LEMOINE
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Technologies du vide2. Technologies pour tubes électroniques
Tous les tubes électroniques sont constitués de briques universelles : la cathode fournit les électrons, l'optique électronique les accélère et les focalise, l'interaction entre le faisceau et l'onde électromagnétique contraint les électrons à céder une part importante de leur énergie au signal RF, le collecteur les récupère en fin de parcours, et l'enveloppe à vide contient l'ensemble. Dans certains tubes (magnétrons, tubes à grille), l'anode de l'optique électronique et le collecteur sont confondus, mais seule l'interaction entre le faisceau et l'onde électromagnétique est vraiment spécifique à chaque famille de dispositifs.
Nota : le lecteur pourra consulter les références .
2.1 Cathodes
Les cathodes qui nous intéressent ici émettent des électrons dans le vide. Il existe plusieurs façons d'atteindre ce résultat : par exemple, placer un matériau conducteur dans un fort champ électrique orienté de telle sorte qu'il en arrache des électrons. On parle d'émission froide. C'est une méthode encore peu utilisée, car elle exige un champ extrêmement élevé. La presque totalité des tubes utilise des cathodes thermoélectroniques : un métal est chauffé à très haute température, l'énergie cinétique des électrons est telle que certains quittent le métal spontanément et sont émis dans le vide. Ils ne vont pas loin, car la neutralité électronique les maintient au voisinage immédiat de la cathode. Il suffit alors d'appliquer un champ électrique Ek pour former un faisceau en puisant dans cette « charge d'espace ».
Plus Ek est élevé, plus le courant dans le faisceau est intense, jusqu'à une limite Jc, définie par la quantité maximale d'électrons que la cathode peut effectivement fournir par seconde et par unité de surface. Jc est fonction de la température à laquelle est portée la cathode (loi de Richardson-Dushman : Jc = cT 2exp – Ψ/kT ; au premier ordre, la dépendance au champ électrique peut être négligée). Il y a donc deux régimes d'émission possibles pour une cathode : J < Jc ou J = Jc, J étant...
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Technologies pour tubes électroniques
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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