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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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Technologies du vide
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2. Technologies des 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 (énergie cinétique pour les tubes linéaires ‘O’, énergie potentielle pour les tubes à champs croisés ‘M’), le collecteur les récupère en fin de parcours, et l’enveloppe à vide contient l’ensemble et assure son refroidissement (figure 2). Dans certains tubes (magnétrons, tubes à grille), l’anode de l’optique électronique et le collecteur sont confondus, et seule l’interaction entre le faisceau et l’onde électromagnétique est vraiment spécifique à chaque famille de dispositifs.
2.1 Cathodes
Les cathodes qui nous intéressent ici émettent des électrons dans le vide. Il s’agit par exemple d’un matériau conducteur soumis à un fort champ électrique orienté de telle sorte qu’il en arrache des électrons. On parle d’émission froide. C’est une méthode peu utilisée, car elle exige un champ extrêmement élevé (voir ci-dessous). Presque tous les tubes utilisent des cathodes thermoïoniques : 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 E k en surface de la cathode pour former un faisceau en puisant dans cette « charge d’espace ». Plus E k est élevé, plus le courant J dans le faisceau est intense (loi de Child-Langmuir, § 2.2), jusqu’à une limite J c, définie par la quantité maximale d’électrons que la cathode peut fournir par seconde et par unité de surface : selon la loi de Richardson-Dushman, J c est fonction de la...
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Technologies des tubes électroniques
BIBLIOGRAPHIE
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(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.
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(3) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes – - McGraw-Hill, 1948.
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(4) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes – - D. van Nostrand, 1965.
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(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.
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...
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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