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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la réédition actualisée de l’article E1621 intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences - Tubes à onde progressive et à champs croisés » paru en 2009, rédigé par Thierry LEMOINE.
RÉSUMÉ
Cet article consacré aux tubes électroniques traite des tubes à onde progressive (TWT). Les TWT sont caractérisés par un fonctionnement à des fréquences élevées (entre 1 et 100 GHz) et par une large bande passante. Ils sont donc particulièrement bien adaptés à des applications d’amplification de signaux (radars, télécommunications). L’article explique dans un premier temps le fonctionnement des TWT à hélice, de loin les plus utilisés, avec une attention particulière aux performances en linéarité qui sont clé pour une utilisation par l’industrie spatiale. Les TWT à ligne métallique, plus puissants et porteurs d’innovation dans les fréquences millimétriques, sont abordés dans un second temps.
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Thierry LEMOINE : Directeur technique - THALES Microwave and Imaging Subsystems, Vélizy, France - Cet article est la réédition actualisée de l’article [E 1 621] intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences – Tubes à onde progressive et à champs croisés » paru en 2009, rédigé par Thierry LEMOINE.
INTRODUCTION
Qu’il s’agisse de tubes électroniques ou d’accélérateurs de particules, il existe deux grands processus d’interaction entre un faisceau électronique et une onde électromagnétique se propageant le long d’une structure linéaire, permettant un échange d’énergie : le faisceau interagit soit avec une onde stationnaire (standing wave) comme dans un klystron, soit avec une onde en mouvement (traveling wave). Ces deux processus diffèrent par la condition de synchronisme entre le faisceau et l’onde qui permet l’échange d’énergie. Comme leur nom l’indique, les TWT (Traveling-Wave Tubes, TOP pour Tubes à Onde Progressive en français) appartiennent à la deuxième catégorie, et pour une raison qui apparaîtra dans la suite de cet article, on appelle ces dispositifs des tubes à onde lente. Les TWT se distinguent des klystrons par une bande passante plus importante (de 10% à plus de deux octaves) et ils se prêtent bien à l’amplification de signaux radar ou de communication au-delà de 1GHz. Les principes de fonctionnement sont expliqués, d’abord dans les grandes lignes, puis à l’aide de la théorie de Pierce : le fonctionnement d’un TWT n’est pas intuitif et, de l’avis de l’auteur, l’exposé de cette théorie est nécessaire. Les performances actuelles et accessibles des tubes à hélice sont déduites, et les principaux domaines d'utilisation sont introduits, en insistant particulièrement sur les télécommunications spatiales ; on s’intéressera à cette occasion aux performances en linéarité, mono- ou multi-porteuses, avec ou sans linéariseur. Dans une deuxième section, les tubes à ligne métallique sont décrits. Ces tubes permettent d’atteindre des puissances importantes (jusqu’à quelques centaines de kilowatts) en bande basse (sous 10GHz) et il en existe jusque vers 100GHz, voire au-delà ; un point sera fait sur l’état de la recherche dans les bandes millimétriques, très active depuis 2005 environ.
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de THALES, en particulier MM. Alain Durand, Alain Laurent, Jean-François David et Philippe Thouvenin.
Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes importants de l’article, ainsi qu’un tableau des acronymes et un tableau des symboles utilisés.
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TWT à ligne métallique
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1. TWT à hélice
Les TWT ont été imaginés quatre ans après l’invention du klystron (1942) par l’Autrichien Rudolph Kompfner, chercheur pendant la seconde guerre mondiale aux Clarendon Laboratories (Oxford). Mais c’est John R. Pierce, autre chercheur de grand talent aux Bell Labs, qui le premier a compris le fonctionnement de ces dispositifs et en a établi la théorie entre 1944 et 1947 : le faisceau se couple à une onde électromagnétique dont la vitesse de phase est voisine, mais très légèrement inférieure à celle des électrons. Intervient alors un principe physique connu sous le nom d’effet Tcherenkov : une particule chargée, animée d’une vitesse à peine supérieure à celle de la lumière dans ce milieu, rayonne de l’énergie.
Ce phénomène est d’ailleurs général en physique ondulatoire : chacun sait qu’un avion volant légèrement au-dessus de la vitesse du son cède une partie de son énergie cinétique sous forme d’une onde de choc acoustique (le « double bang »). L’originalité du TWT à hélice (pour prendre cet exemple) tient à la façon dont l’onde est ralentie pour assurer ce « quasi » synchronisme. Au lieu de se propager dans un milieu matériel d’indice supérieur à 1, qui ferait obstacle au faisceau, l’onde suit une trajectoire hélicoïdale dans le vide, qui la ralentit d’un facteur 1,5 à 8 ; la physique ne s’oppose donc pas à ce que les électrons qui circulent sur l’axe de l’hélice soient plus rapides que la lumière.
À très grosses mailles, un TWT à hélice fonctionne de la manière suivante : délivré par un canon et caractérisé par une tension d’accélération V k et un courant I k, un faisceau continu d’électrons suit l’axe Oz de l’hélice à la vitesse
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TWT à hélice
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes. - D. van Nostrand (1965).
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(2) - PIERCE (J.R.) - Traveling-wave Tubes. - D. van Nostrand (1950).
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(3) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Principles of Traveling Wave Tubes. - Artech House (1994).
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(4) - BECK (A.H.W.) - Space Charge Waves and Slow Electromagnetic Waves. - Pergamon Press (1958).
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(5) - ANDRE (F.), BERNARDI (P.), RYSKIN (N.), DOVEIL (F.), ELSKENS (Y.) - Hamiltonian description of self-consistant wave-particledynamics in a periodic structure. - EPL, 103, 28004 pp. 1 à 5 (2013).
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(6) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes. - Artech House (1986).
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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
Cette liste classée par pays 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. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, mais elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau 1) ont (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) et GE (klystrons). L3-ETI est...
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