Tube à ondes progressives

Le tube à ondes progressives est un tube à vide utilisé en hyperfréquences pour réaliser des amplificateurs de faible, moyenne ou forte puissance.



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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 sert à réaliser des amplificateurs à bande large ainsi qu'à particulièrement faible bruit de fond. Il convient spécifiquement bien pour les amplificateurs des satellites de communication.

Origines des tubes à ondes progressives

Le tube à ondes progressives a été découvert par Rudolf Kompfner en 1942 en Angleterre[1]. Les premiers utilisés à la fin de la Deuxième 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 s'affranchir des limitations des tubes à grilles classiques.

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


Principe de fonctionnement d'un TOP bi-collecteurs

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

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

Le canon électronique

La cathode est la source des électrons qui forment le faisceau électronique dans l'ensemble des tubes hyperfréquence. Elle est faite d'un mélange complexe de métaux (tungstène poreux, baryum) et portée à une température de 1050 °C, à peu près, par un filament de tungstène enrobé d'un moulage en alumine qui facilite l'échange thermique entre le filament et la cathode.

Quand la cathode a atteint sa température de fonctionnement, on peut appliquer un champ électrique entre anode et cathode. La cathode émet alors un faisceau d'électrons particulièrement dense qui est accéléré par le potentiel positif de l'anode.

La forme spécifique 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 l'anode.

L'hélice

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

La focalisation du faisceau d'électrons est assurée par des aimants permanents alternés.

L'hélice est connectée à l'enveloppe en un point désigné «point hélice» des alimentations.

Le signal hyperfréquence d'entrée est appliqué à l'hélice 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 d'une onde le long d'un fil dans le vide s'effectue à une vitesse voisine de celle de la lumière, il est indispensable d'augmenter la longueur de son trajet pour la synchroniser au faisceau, ceci explique la forme de l'hélice. Durant leur déplacement dans le tube, les électrons sont un peu freinés par l'onde, et par conséquent communiquent à celle-ci une partie de leur énergie. L'amplitude de l'onde sera par conséquent plus grande à la fin de l'hélice qu'à son début : le signal a été augmenté.

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

Les collecteurs

Leur rôle est de recueillir les électrons après leur passage à travers l'hélice. Ils reçoivent toute l'énergie que le faisceau n'a pas apportée à l'onde hyperfréquence.

Rôle du collecteur 1

La tension collecteur1 – cathode doit être suffisamment importante pour que les électrons les plus ralentis, quand le tube fonctionne à saturation, ne risquent pas de rebrousser chemin pour venir tomber sur les dernières spires de l'hélice.

Rôle du collecteur 2

Il a pour mission de recueillir l'ensemble des électrons ayant conservé une vitesse suffisante pour franchir le premier collecteur. La tension collecteur 2–cathode est à peu près moitié de la tension collecteur 1–cathode.

Remarque : Les tubes utilisés actuellement disposent fréquemment 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.

L'enveloppe à vide

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

L'enceinte doit par conséquent être en mesure de conserver ce vide (10-8 torr) sans lequel apparaissent des risques d'arc et/ou une pollution de la cathode.

Les points les plus fragiles de l'enceinte sont les accès hyperfréquence à l'entrée ainsi qu'à la sortie où des «fenêtres» sont inévitables. Selon la fréquence du signal, les connecteurs sont de type coaxial ou guide d'ondes.

Dégradation des TOP

Filament

La résistance tungstène du filament est dépendante de la température et présente un cœfficient positif. Il est par conséquent indispensable de limiter l'appel de courant à froid (généralement à à peu près deux fois la valeur nominale).

Hélice

C'est la partie la plus fragile du TOP, et elle peut être instantanément fondue en cas d'erreur de mise en œuvre ou de mauvaise polarisation.

Le faisceau d'électrons doit rester idéalement rectiligne, de section constante, de la sortie du canon au collecteur. Si des électrons tombent sur l'hélice (ce qui se traduit par une augmentation du courant hélice), les alimentations hélice et anode doivent être coupées. L'énergie maximale interceptée par l'hélice 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 :

Références

  1. J. Voge, Les tubes aux hyperfréquences, Eyrolles pp. 187-188.

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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