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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article E1620 intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences - Technologies, tubes à grille et klystrons » paru en 2008, rédigé par Thierry LEMOINE.
RÉSUMÉ
Cet article traite des tubes électroniques comme sources ou amplificateurs de puissance radioélectrique ou hyperfréquence. Le point est tout d’abord effectué sur les technologies mises en œuvre dans les tubes électroniques, tels que les cathodes, la haute tension, l’ultravide, la focalisation magnétique, l’émission secondaire, et les collecteurs. L’article décrit ensuite la famille des tubes à grille (triodes et tétrodes) utilisés dans les bandes HF et UHF pour des puissances de la classe 100 à 1 000kW. Il se conclut par un aperçu sur une nouvelle famille de tubes dérivée des tubes à grille, les IOT.
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Thierry LEMOINE : Directeur Technique - THALES Microwave & Imaging Subsystems, Vélizy, FRANCE
INTRODUCTION
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 (avec une fabrication en série de tubes au rendement électrique supérieur à 70 % en bande étroite et à 50 % en très large bande) ; l’amélioration de la fiabilité d’un facteur compris entre 10 et 100 ; ainsi, les amplificateurs spatiaux présentent des MTBF supérieurs à 5 millions d’heures et une durée de vie de presque 20 ans en fonctionnement continu !
Cet article donne un aperçu des technologies de base à tout tube électronique : fonctionnement et durée de vie des cathodes, conception de l’optique électronique, vide et haute tension… Dans un deuxième temps, les tubes à grille (triodes, tétrodes et diacrodes), puis les IOT (Inductive Output Tubes) sont introduits : leur principe de fonctionnement est présenté, leurs performances sont décrites. Ces dispositifs sont caractérisés par l’utilisation d’une grille pour moduler le faisceau à la fréquence du signal, comme dans un transistor à effet de champ.
L’article [E1621] est consacré aux tubes hyperfréquence de forte puissance (klystrons, tubes à champs croisés (dont les magnétrons) et gyrotrons), et l’article [E1622] aux tubes à ondes progressives.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et une liste d’acronymes importants de l’article, ainsi qu’un tableau des symboles utilisés.
L’auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de Thales, en particulier MM. Alain Durand, Christian Robert, Michel Grezaud et Philippe Thouvenin.
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- Version archivée 1 de nov. 2008 par Thierry LEMOINE
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Symboles
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7. Glossaire et acronymes
IOT ; IOT
Tube électronique hybride entre une triode (la mise en paquet du faisceau se fait avec une grille : modulation de densité) et un klystron (le faisceau cède son énergie par rayonnement dans une cavité résonante).
klystron ; klystron
Tube électronique constitué d’un enchaînement de cavités séparées par des tunnels sous coupure. La mise en paquet du faisceau se fait par modulation de vitesse.
tétrode ; tetrode
Tube électronique constitué de 4 électrodes : une cathode, une grille de modulation, une grille écran et une anode/collecteur. La mise en paquet du faisceau se fait grâce à la grille de modulation (modulation de densité).
triode ; triode
Tube électronique constitué de 3 électrodes : une cathode, une grille de modulation et une anode/collecteur. La mise en paquet du faisceau se fait grâce à la grille (modulation de densité).
Acronymes
BeO : Beryllium Oxide
CW : Continuous Wave
ICRH : Ion Cyclotron Resonance Heating
IOT : Inductive Output Tube
KMP : Klystron de Moyenne Puissance
MBIOT : Multi Beam IOT
MSDC : Multiple Stage Depressed Collector
MTBF : Mean Time Between Failures
PPM : Periodic Permanent Magnet
PRF : Pulse Recurrence Frequency
RF : Radiofréquence
TOS : Taux d’Ondes Stationnaires
TWT : Traveling Wave Tube
UHF : Ultra High Frequency
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Glossaire et acronymes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - High Voltage Vacuum Insulation: Basic concepts and Technological Practice - - -Editor Rod V. Latham (1995).
-
(2) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes – - -Artech House, 1986.
-
(3) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes – - McGraw-Hill, 1948.
-
(4) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes – - D. van Nostrand, 1965.
-
(5) - PIERCE (J.R.) - Theory and Design of Electron Beams – - D. van Nostrand, 1954.
-
(6) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse – - Gauthier-Villars, 1951.
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
L’édition des proceedings de l’IVEC (International Vacuum Electronics Conference, manifestation annuelle sponsorisée par l’IEEE) est la publication indispensable pour se tenir informé de l’évolution des technologies de tubes électroniques et de leurs applications.
HAUT DE PAGE2 Données statistiques et économiques
La liste des acteurs est aussi complète que possible, mais présente inévitablement quelques omissions, dont l’auteur espère qu’il ne lui en sera pas tenu rigueur. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau 1) possèdent (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau 2) 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)...
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