Tube à ondes progressives

Tube à ondes progressives

Le tube à ondes progressives (traveling-wave tube) est un tube à vide utilisé en hyperfréquences pour réaliser des amplificateurs de faible, moyenne ou forte puissance. Il permet de réaliser des amplificateurs à bande large et à très faible bruit de fond. Il convient particulièrement bien pour les amplificateurs des satellites de communication.

Sommaire

Origines des tubes à ondes progressives

Le tube à ondes progressives a été inventé par Rudolf Kompfner en 1942 en Angleterre[1]. Les premiers utilisés à la fin de la Seconde Guerre mondiale fournissaient quelques milliwatts de puissance et fonctionnaient à la fréquence de 2 GHz.

Ils sont le développement logique des tubes hyperfréquence apparus dans les années trente, qui ont permis de saffranchir des limitations des tubes à grilles classiques.

Ils font partie de la famille des tubes à faisceau linéaire.


Principe de fonctionnement dun TOP bi-collecteurs

Tube à ondes progressives. (1) Cathode; (2) Entrée du signal hyperfréquence à amplifier (ici, connecteur coaxial); (3) Aimants permanents; (4) Atténuateur; (5) Hélice; (6) Sortie du signal amplifié (ici, connecteur coaxial); (7) Enveloppe; (8) Collecteur d'électrons.

Le tube à ondes progressives (TOP, Travelling Wave Tube) est composé de quatre parties principales :

  • le canon électronique (filament, cathode, wehnelt et anode) ;
  • lhélice ;
  • les collecteurs ;
  • lenceinte à vide.

Le canon électronique

La cathode est la source des électrons qui constituent le faisceau électronique dans tous les tubes hyperfréquence. Elle est faite dun mélange complexe de métaux (tungstène poreux, baryum) et portée à une température de 1050 °C, environ, par un filament de tungstène enrobé dun moulage en alumine qui favorise léchange thermique entre le filament et la cathode.

Lorsque la cathode a atteint sa température de fonctionnement, on peut appliquer un champ électrique entre anode et cathode. La cathode émet alors un faisceau délectrons très dense qui est accéléré par le potentiel positif de lanode.

La forme particulière de la cathode et du wehnelt a un effet convergent sur le faisceau, qui est ainsi focalisé en un cylindre de quelques millimètres de diamètre dans la région de lanode.

Lhélice

Lhélice est une spirale en cuivre ou en tungstène, insérée dans lenveloppe métallique du tube, dont elle est isolée au moyen de barreaux en céramique, choisis pour leur bonne conductibilité thermique.

La focalisation du faisceau délectrons est assurée par des aimants permanents alternés.

Lhélice est connectée à lenveloppe en un point désigné « point hélice » des alimentations.

Le signal hyperfréquence dentrée est appliqué à lhélice à son extrémité côté canon.

Pour obtenir une bonne interaction entre le faisceau et l'onde hyperfréquence qui se déplace le long de l'hélice, il faut qu'ils aient une vitesse axiale proche. Comme la propagation dune onde le long dun fil dans le vide seffectue à une vitesse voisine de celle de la lumière, il est nécessaire daugmenter la longueur de son trajet pour la synchroniser au faisceau, ceci explique la forme en hélice. Durant lee long de l'axe de l'hélice, les électrons sont freinés par l'onde, et de ce fait communiquent à celle-ci une partie de leur énergie cinétique. L'amplitude de l'onde sera donc plus grande à la fin de l'hélice qu'à son début : le signal a été amplifié.

Le réglage précis de la vitesse du faisceau est obtenu par lajustement de la tension hélice-cathode.

Hélice à périodicité variable

La demande d'amélioration du rendement de conversion des TOP pour les télécommunications a conduit à l'introduction d'hélices à pas (la périodicité de la spirale) variable, entre l'atténuation et la sortie, une réduction du pas réduisant localement la vitesse de propagation de l'onde, donc du champ électrique appliqué aux électrons, et permettant à l'onde déjà amplifiée de rester plus longtemps en phase avec les électrons ralentis car ayant cédé une partie de leur énergie.

Les tubes les plus performants emploient même une double variation de la périodicité: d'abord une augmentation du pas (donc de la vitesse de l'onde vue par les électrons) pour améliorer la formation des paquets d'électrons, suivie d'une réduction du pas pour un freinage plus efficace.

Les collecteurs

Leur rôle est de recueillir les électrons après leur passage à travers lhélice. Ils reçoivent toute lénergie que le faisceau na pas fournie à londe hyperfréquence.

  • Les tubes à deux collecteurs, issus de la technologie spatiale, permettent un gain appréciable de rendement et une diminution encore plus importante de la puissance dissipée par le TOP en petit signal.

Rôle du collecteur 1

La tension collecteur1cathode doit être suffisamment importante pour que les électrons les plus ralentis, lorsque le tube fonctionne à saturation, ne risquent pas de rebrousser chemin pour venir tomber sur les dernières spires de lhélice.

  • Ce collecteur est donc polarisé à une tension proche de celle du collecteur unique des TOP conventionnels.

Rôle du collecteur 2

Il a pour mission de recueillir tous les électrons ayant conservé une vitesse suffisante pour franchir le premier collecteur. La tension collecteur 2cathode est environ moitié de la tension collecteur 1cathode.

  • Il sensuit une amélioration du rendement (qui passe typiquement de 30 à 40 %) lorsque le tube fonctionne à saturation et une diminution considérable de la puissance dissipée dans la zone « collecteur » des TOP quand ceux-ci travaillent à petit signal.
  • Par exemple, la puissance dissipée, pour des TOP de 750 W(RF), passe de 2400 W pour un TOP mono-collecteur à 1300 W pour un bi-collecteurs.

Remarque : Les tubes utilisés aujourd'hui disposent couramment de 4 collecteurs, ce qui permet d'atteindre des rendements de 60%. Des versions à 5 collecteurs sont en cours de développement, toujours pour accroître le rendement de ceux-ci.

Lenveloppe à vide

Un vide très poussé doit être maintenu en permanence durant toute la vie du TOP.

Lenceinte doit donc être en mesure de conserver ce vide (10-8 torr) sans lequel apparaissent des risques darc et/ou une pollution de la cathode.

Les points les plus fragiles de lenceinte sont les accès hyperfréquence à lentrée et à la sortie des « fenêtres » sont inévitables. Selon la fréquence du signal, les connecteurs sont de type coaxial ou guide d'onde.

TOP à cavités couplées

Coupledcavities.jpg

Un TOP avec un circuit en hélice, est limité en puissance crête (2 à 3 kW) par l'apparition d'oscillations à onde inverse parasites, et en puissance moyenne par la dissipation thermique de l'hélice; une hélice brasée sur des supports en oxyde de béryllium peut néanmoins atteindre et même dépasser une puissance de 1 kW CW (Continuous Wave) en bande X.

Un TOP tout métal, dont le circuit est constitué d'une succession de cavités couplées, par exemple par des fentes alternées comme sur l'image ci-contre, permet de dépasser ces limites, au détriment de la bande de fréquence de fonctionnement réduite par rapport à celle d'une ligne en hélice.

Dégradation des TOP

Filament

La résistance tungstène du filament est dépendante de la température et présente un coefficient positif. Il est donc nécessaire de limiter lappel de courant à froid (généralement à environ deux fois la valeur nominale).

Hélice

Cest la partie la plus fragile du TOP, et elle peut être instantanément fondue en cas derreur de mise en œuvre ou de mauvaise polarisation.

Le faisceau délectrons doit rester parfaitement rectiligne, de section constante, de la sortie du canon au collecteur. Si des électrons tombent sur lhélice (ce qui se traduit par une augmentation du courant hélice), les alimentations hélice et anode doivent être coupées. Lénergie maximale interceptée par lhélice doit rester inférieure à la valeur spécifiée par le fabricant du tube (5 à 20 Joules selon le tube).

Les principales causes de défocalisation sont :

  • Chute de tension collecteurcathode ;
  • Tension hélicecathode en dehors des limites spécifiées ;
  • Tension héliceanode en dehors des limites spécifiées ;
  • Tension filament
  • Puissance dentrée hyperfréquence excessive ;
  • ROS de sortie excessif ;
  • Surchauffe ;
  • Présence dun champ magnétique à proximité du tube.

Références

  1. J. Voge, Les tubes aux hyperfréquences, Eyrolles pp. 187-188.
  • Portail de l’électricité et de l’électronique Portail de lélectricité et de lélectronique

Wikimedia Foundation. 2010.

Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Tube à ondes progressives de Wikipédia en français (auteurs)

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