Chapitre5A

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Radartutorial Chapitre 5 : Tubes modulation de vitesse

Partie A Tubes faisceaux linaires

(diteur: Christian Wolff, traduction en langue franaise et rvision:

Pierre Vaillant, Version 29 fvrier 2012)

Sommaire

INTRODUCTION ............................................................................................................................................. 1 KLYSTRON ...................................................................................................................................................... 3

FONCTIONNEMENT .......................................................................................................................................... 3 Klystron deux cavits ................................................................................................................................ 4 Klystron rflecteur .................................................................................................................................... 4

DIVERS ............................................................................................................................................................. 4 TUBE A ONDES PROGRESSIVES ................................................................................................................ 5

STRUCTURE ET FONCTIONNEMENT DES TOP .................................................................................................. 5 CARACTERISTIQUES DES TOP ......................................................................................................................... 6 TYPES .............................................................................................................................................................. 6

Hlice pas variable ................................................................................................................................... 7 Barre danneaux interconnects .................................................................................................................. 7 Boucle danneaux ........................................................................................................................................ 7 Cavits couples .......................................................................................................................................... 7

KLYSTRON INTERACTION LARGIE (KIE) ....................................................................................... 8 OSCILLATEUR A INTERACTION LARGIE (OIE) ................................................................................ 9 CARCINOTRON .............................................................................................................................................. 9

Introduction

Le courant continu passant dans un tube micro-ondes est converti

en frquence micro-onde. Le transfert de puissance entre ces deux

modes saccomplit par une modulation de la vitesse des lectrons et une cavit rsonnante faible perte dans le tube. Les cavits

rsonantes, ou rsonateurs, remplacent les circuits oscillants

conventionnels haute frquence. La Figure 1 montre comment

une cavit cylindrique est en fait forme dune infinit de segments de sections de lignes de transmission ayant un quart

donde de longueur et runies en leur centre.

Le faisceau d'lectrons, mis par la cathode chauffe, est focalis par des lectrodes o rgne un champ

magntique intense. Il est ensuite acclr par une tension d'acclration applique sur la cathode. L'anode de

contrle permet de moduler le faisceau en intensit et dtermine donc le courant du faisceau. Le faisceau

traverse une premire cavit rsonnante. Cette cavit est relie la source amplifier et est excite par celle-

ci. Cette excitation gnre un champ lectrique variable dans la cavit, dirig paralllement la direction des

lectrons. Selon le moment o les lectrons traversent la cavit, certains sont acclrs et d'autres sont ralentis.

La vitesse des lectrons est alors module en traversant la cavit. Cette modulation de vitesse se transforme en

une modulation de densit, c'est--dire en une modulation de courant.

Figure 1 : Cavit rsonante cylindrique forme de

deux sections quart donde.

Chapitre 5A Tubes faisceaux linaires

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Ce tableau compare les caractristiques de diffrents tubes modulation de vitesse que lon retrouve dans les radars. Mme si le tube Planar nest pas modulation de vitesse, il a t inclus pour agir comme tube-tmoin.

Klystron Tubes ondes

progressives

Klystron

interaction

largie

(KIE)

Magntron

Oscillateur

onde

rgressive

(Carcinotron)

Tube Planar

Frquence jusqu 35 GHz jusqu 95 GHz jusqu 280

GHz jusqu 95 GHz jusqu 5 GHz

jusqu 1.5 GHz

Bande passante 2 - 4 % 10 - 20 % 0,5 - 1%

De 1 des

centaines de

MHz

2 GHz 30 - 50%

Puissance

damplification jusqu 50 MW jusqu 1 MW jusqu 1 kW jusqu 10 MW 1 W up to 1 MW

amplification jusqu 60 dB jusqu 50 dB 40 - 50 dB - - jusqu 20 dB

Usage

Amplificateur

de puissance

pour bande

passante

restreinte

Amplificateur de

voltage pour

large bande

passante, faible

bruit

Amplificateur

et oscillateur

Oscillateur de

grande puissance

frquence

unique

Oscillateur

induction de

frquence

Amplificateur,

oscillateur

Tableau 1 : Comparaison de divers tubes modulation de vitesse.

Tubes micro ondes

Tubes contrle de densit Tubes modulation de vitesse

Tubes champ crois Tubes faisceau linaire

Tube Planar (Triode)

Amplitron

Magntron

Stabilotron Klystron

Tubes ondes progressives

Carzinotron

KIE/OIE

Un champ magntique est requis

Radartutorial (www.radartutorial.eu/index.fr.html)

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Klystron

Le klystron est un tube vide amplificateur de haute puissance utilisant des cavits

rsonantes spciales. Le signal haute frquence en entre d'un klystron est amplifi de

manire cohrente grce un faisceau d'lectrons, produit par un filament chauff, quil modulera en vitesse lors de son passage travers une srie de cavits rsonnantes.

Fonctionnement

Le faisceau d'lectrons, mis par la cathode chauffe, est focalis par des lectrodes o

rgne un champ magntique intense. Il est ensuite acclr par une tension d'acclration

applique sur la cathode. L'anode de contrle permet de moduler le faisceau en intensit et

dtermine donc le courant du faisceau.

Le faisceau traverse une premire cavit rsonante. Cette cavit est relie la source

amplifier et elle est excite par celle-ci. Cette excitation gnre un champ lectrique

variable dans la cavit, dirig paralllement la direction des lectrons. Selon le moment

o les lectrons traversent la cavit, certains sont acclrs et d'autres sont ralentis. La

vitesse des lectrons est alors module en traversant la cavit. Cette modulation de vitesse

se transforme en une modulation de densit, c'est--dire en une modulation de courant.

Figure 3 : Diagramme des composantes dun klystron.

Le faisceau traverse ensuite d'autres cavits rsonantes. Celles-ci sont excites par les variations de courant du

faisceau. Lors du passage du faisceau dans ces cavits, le phnomne de modulation de la vitesse du faisceau

est amplifi selon le mme fonctionnement que dans la premire cavit. Ce mcanisme se poursuit jusqu' la

cavit de sortie. Tout au long du parcours, le faisceau est focalis grce des bobines dlectroaimants.

Dans la dernire cavit, les lectrons cdent partiellement leur nergie cintique sous forme de rayonnement

lectromagntique, qui est cette fois-ci rcupre grce une sonde ou une boucle de couplage relie la

cavit. Londe induite dans la sonde varie comme londe initiale mais son amplitude est plus grande, do lamplification.

Les klystrons se divisent en diffrent types, selon le nombre de cavits rsonantes :

Klystron de puissance multiple cavits rsonantes

Klystron rflecteur

Figure 2 : Klystron rflecteur, ou rflex, K-806.

Chambre dinteraction

Densit dlectrons Cathode

Rsonateur dentre

Dernire cavit

Boucle de couplage

Anode

Faisceau dlectrons

Entre micro-onde Sortie micro-onde

Filament

Collecteur


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Klystron deux cavits

Un klystron utilise des cavits rsonantes spciales pour moduler le changer lectrique le long de laxe du faisceau dlectrons. Au milieu de ces cavits, il y a une grille qui contrle le passage des lectrons. La premire cavit est appel rsonateur dentre et la seconde, ou dernire cavit, est parfois appele cavit rceptrice .

La direction et lintensit du champ lectrique varie dans le rsonateur dentre avec la frquence de londe amplifier. Cela acclre ou dclre les lectrons qui passent ensuite par la grille. Dans lespace inter-cavits, ou chambre dinteraction, les lectrons ont le temps de sassembler en paquets , les plus rapides rattrapant les plus lents.

La cavit rceptrice est place une distance o les paquets dlectrons sont devenus stables, l o elle peut absorber leur nergie grce linduction de courant quils produisent dans ses parois. La distance entre ces cavits dpend de la frquence de rsonances du rsonateur dentre et de la cavit rceptrice, les deux tant identiques. Londe amplifie sera capte par une sonde, ou une boucle de fil lectrique, dans les parois de cette cavit. Le faisceau dlectron termine son trajet dans un collecteur o le reste de son nergie se dissipe en chaleur et en rayons X.

Lamplification dun klystron, puissance du signal de sortie et efficacit, peut tre augmente en ajoutant des cavits

intermdiaires. Celles-ci servent augmenter la concentration des

lectrons ce qui augmente lnergie transfrable la sortie.

Klystron rflecteur

Un autre type de klystron est celui rflecteur, aussi appel klystron rflex cause de la rflexion interne du faisceau

dlectrons. Le rsonateur dentre sert moduler la vitesse des lectrons dans le faisceau afin de former des paquets. Cependant,

dans ce cas, le klystron comporte une plaque appele le rflecteur

au lieu de la cavit rceptrice.

Aprs tre sorti du rsonateur, le faisceau se dirige vers la plaque

en sorganisant en paquets mais il est repouss vers le rsonateur en arrivant prs de la plaque qui est charg ngativement. Cela

allonge son trajet et donc la concentration des lectrons. Il repasse donc une seconde fois dans le rsonateur

o il transfert son nergie, et londe amplifie, une sonde.

Divers

Trois sources dalimentation lectriques sont ncessaires au fonctionnement dun klystron :

1. Courant pour le filament de la cathode ; 2. Tension positive pour le rsonateur, souvent

appele tension du faisceau, pour acclrer les

lectrons travers la grille de la cavit rsonante;

3. Tension ngative pour la plaque de rflexion.

Les lectrons sont concentrs en un faisceau par le

champ lectrostatique cr par le rsonateur (V2) dans le

corps du tube vide.

Figure 4 : Cavit dun klystron rflecteur.

Figure 5 : Diagramme dun klystron rflex.

lectrons passant dans les trous de la cavit

Cavit rsonante

Cathode

Ligne coaxial avec boucle de couplage

Cathode

Grille dacclration

Boucle de couplage

Chambre dinteraction

Rflecteur

V2

V1

Cavit rsonante


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Tube ondes progressives

Figure 6 : TOP de puissance, le VTR 572B

Les tubes ondes progressives (TOP) sont des amplificateurs large bande passante qui occupent une place

spciale dans les amplificateurs par modulation de vitesse des lectrons. Ils introduisent trs peu de bruit au

signal amplifier ce qui permet de les utiliser galement dans les rcepteurs de radiofrquences.

Un tube ondes progressives peut donner un gain de plus de 40 dB avec une bande passante de plus dune octave (une octave reprsentant une variation de frquence du simple au double). Certains TOP ont t conus

pour des frquences aussi basses que 300 MHz et aussi leves que 50 GHz.

Il y a deux groupes diffrents de TOP :

Les TOP faible puissante pour les rcepteurs : utiliss dans des rcepteurs trs sensibles au bruit et qui ncessitent une large bande passante.

Les TOP de puissance pour transmetteurs : utiliss comme pramplificateurs.

Structure et fonctionnement des TOP

Un tube ondes progressives (TOP)

comporte trois parties : le canon

lectrons, la structure retard et le

collecteur. La Figure 7 montre ces

composantes.

Dans le canon lectrons, les lectrons

sont mis par une cathode chauffe,

focaliss par des lectrodes (Wehnelt) ainsi

que des aimants permanents, et acclrs

vers l'anode. Le tout permettant de rgler le

courant du faisceau d'lectrons.

La structure retard est constitue d'une

hlice en cuivre pas variable et de faible

impdance, le long de laquelle se propage

une onde lectromagntique. Londe parcourt un plus long trajet dans la structure retard et

donc sa vitesse de phase est un peu moins

rapide que celle du faisceau d'lectrons qui

lui se propage en ligne droite au milieu de

l'hlice.

Le champ lectrique de cette onde tend freiner les lectrons du faisceau qui se regroupent en paquets et

cdent alors de l'nergie l'onde lectromagntique do son amplification.

Figure 7 : Diagramme des composantes dun TOP.

Figure 8 : Signal amplifi par lhlice.

1,3 mtre

Rsonateurs de couplage

Hlice Collecteur

Canon lectrons

Signal dentre

Signal de sortie

Faisceau dlectrons

Gaine dattnuation

Signal de RF entre

Attnuation de la gaine

Paquets des lectrons forms dans le faisceau

RF induite dans lhlice


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Le collecteur est charg de recueillir les lectrons qui sortent de l'hlice et rcupre une partie de leur nergie

initiale puisqu'ils n'en ont cd que 10 20 pour cent l'onde RF (radiofrquence).

Londe radiofrquence amplifier est introduite dans lhlice grce un guide donde et le rsultat est vacu de la mme faon. Une gaine dattnuation entoure lhlice pour viter toute rflexion interne de londe qui interfrerait avec la propagation.

La Figure 9 montre que le champ lectrique dans lhlice est parallle au faisceau dlectrons dans le tube et quil alterne dune spirale lautre permettant de ralentir ou dacclrer alternativement les lectrons du faisceau et donc de former des paquets .

Figure 9 : Faisceau dlectrons formant des paquets gauche sur une distance 20 tours de lhlice (dtails 5,6 mm de longueur de la photo de droite).

Caractristiques des TOP

Lamplification en puissance atteignable dpend des facteurs suivants :

Les dtails de construction (ex. la longueur de

lhlice); Le diamtre du faisceau dlectrons, ajustable

par la focalisation cr par le champ

magntique dans le canon lectron;

La puissance fournit en entre (Pentre dans la

Figure 10 ;

Le voltage VA2 de lhlice.

La figure montre la puissance du signal dentre (Pentre) versus celui de sortie (Psortie) dans un TOP. Le gain est linaire et denviron 26 dB pour un signal dentre de faible puissance mais en augmentant la force du signal au-del dun certain seuil, la puissance du signal de sortie naugmente plus proportionnellement au gain ou mme diminue. Lefficacit relativement faible des tubes ondes progressives amoindrit ses qualits de large bande passante et de fort gain. Le signal trait par un TOP, et envoy au mlangeur, se situe donc dans une

zone limite de puissance. Sil faut une plus grande amplification, un appareil de type diffrent sera utilis ensuite, le plus souvent un amplificateur champ croiss.

Comme le gain des TOP est d linteraction du faisceau dlectron et du champ lectrique de la structure retard, la rponse en frquences de lhlice dtermine la bande passante. Celle-ci peut tre de lordre de plusieurs gigahertz alors que le bruit du systme se situe gnralement entre 3 et 10 dB.

Types

Lhlice simple peut tre remplace par un autre type de structure retard comme lhlice pas variable, la barre danneaux interconnects, la boucle danneaux et la structure cavits couples. Le choix dpend des caractristiques recherches pour le gain, la bande passante et la puissance.

Figure 10 : Caractristique des tubes ondes progressives

P entre

P sortie


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Hlice pas variable

La demande d'amlioration du rendement de conversion des TOP pour les tlcommunications a conduit

l'introduction d'hlices pas (la priodicit de la spirale) variable, une rduction du pas rduisant localement

la vitesse de propagation de l'onde, donc du champ lectrique appliqu aux lectrons, et permettant l'onde

dj amplifie de rester plus longtemps en phase avec les lectrons ralentis car ayant cd une partie de leur

nergie.

Les tubes les plus performants emploient mme une double variation de la priodicit : d'abord une

augmentation du pas (donc de la vitesse de l'onde vue par les lectrons) pour amliorer la formation des

paquets d'lectrons, suivie d'une rduction du pas pour un freinage plus efficace.

Barre danneaux interconnects

Cette structure retard est forme dune suite danneaux plats attachs entre eux par une bande alternante. Elle peut tre

utilise plus haute puissance que lhlice conventionnelle mais sa bande passante est plus faible de 5 15 % et sa

frquence maximale est de 18 GHz.

La barre anneaux interconnects a une forte impdance et de

faibles harmoniques. Londe qui la parcourt peut avoir un fort gain (40 60 dcibels sont courants) pour un tube de faible

longueur, le tout se faisant une plus haute tension et avec une probabilit plus faible de produire une

rflexion dans le tube.

Boucle danneaux

La structure en boucle danneaux, prsente dans la Figure 12; a des caractristiques similaires celle de la barre danneaux interconnects. Elle est facile construire partir du

dcoupage dun tube en cuivre.

Cavits couples

Cette structure retard est en fait une srie de cavits

rsonantes relies les unes aux autres par une ligne de

transmission. La Figure 13 montre le faisceau dlectrons (en rouge) passant par une ouverture au centre. Celui-ci est

modul en vitesse par le signal radiofrquence passant dans

chaque cavit selon la large flche bleue. Si lespace entre les cavits est bien ajust, la tension induite dans chacune de

celles-ci par le passage du faisceau dlectron sera en phase avec ce dernier jusqu la sortie. Ce phasage donne lamplification du signal comme dans les autres types de structure retard.

Figure 11 : Structure retard de type barre

danneaux interconnects.

Figure 12 : Structure retard en boucle danneaux.

Figure 13 : Structure retard en forme de cavits couples.


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Klystron interaction largie (KIE)

Figure 14 : Diagramme dopration du KIE.

Le klystron interaction largie (KIE) est une technologie qui conserve la robustesse et la puissance

du klystron conventionnel mais permet un raffinement sur les klystrons deux cavits rsonnantes et

les tubes onde progressive cavits couples. Le KIE permet de moduler en vitesse un faisceau

linaire dlectrons haute puissance, comme le klystron, tout en ayant une bande passante plus grande que celle dun tube onde progressive.

Ce rsultat est obtenu dans les frquences millimtriques grce lintroduction de fentes successives servant de cavits rsonnantes couples. Le nombre de fentes et leur interaction peut varier selon

lapplication laquelle est destin le KIE. Un circuit de radiofrquences de type chelle a une grande efficacit et est stable thermiquement aux frquences submillimtriques tout en oprant avec un

faisceau dlectron tension moyenne. Les KIE oprent couramment entre 18 to 280 GHz.

La Figure 14 montre le diagramme dun KIE. Les lectrons mis par la cathode sont focaliss et acclrs par le canon lectrons travers lanode. Lacclration est produite par la grande diffrence de voltage entre la cathode et lanode. Ils passent par de petits trous dans cette dernire. De lautre ct, les lectrons ont une vitesse initiale constante et le faisceau est confin par le champ dun aimant permanent pour passer au centre dun tunnel dont les parois sont en crneaux. Chacune des fentes entre en rsonnance, grce linduction de courant dans ses parois, et agit comme une structure de retard comme dans le cas dun tube onde progressive. Le rle de cette structure est de guider une onde lectromagntique une vitesse de phase voisine de la vitesse des lectrons du

faisceau. Le nombre de crneaux est choisi pour moduler la vitesse des lectrons dans le faisceau et

ainsi gnrer une onde radiofrquence stable dans les cavits rsonnantes. Aprs avoir ainsi transfr

son nergie dans le tunnel, le faisceau termine son trajet dans un collecteur bague.

Ce circuit de radiofrquences multiples cavits est simple, robuste et possde une impdance

leve. Il permet une modulation efficace du faisceau et lchange entre le champ de radiofrquences et le faisceau dlectron sur une large plage de frquences. Il donne galement un fort gain par unit de longueur et permet dutiliser des aimants permanents pour la focalisation. Le rsultat est un faisceau dlectrons trs compact et un appareil trs peu encombrant. Dans le cas dun systme impulsions, une lectrode de focalisation avec grille est ajoute pour servir dinterrupteur au faisceau. Une courte srie de cavits en crneaux minimise les modes parasites et afin dobtenir un signal stable avec un faible bruit.

Aimants permanents Espace dinteraction Refroidissement

Crneaux comme structure de retard

Bague collectrice Canon lectronique


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Oscillateur interaction largie (OIE)

Loscillateur interaction largie (OIE) est un appareil cavit unique avec des crneaux dinteraction qui fonctionnent comme un tube onde progressives cavits couples qui aurait une trs fort couplage entre ses rsonateurs. Avec un faisceau fort dbit dlectrons, une oscillation soutenue est obtenue. Un rglage de la frquence de lordre de 0,4% peut tre obtenu grce la variation de la tension acclrant le faisceau.

Carcinotron

Un oscillateur onde rgressive, aussi connu sous le nom de commerce carcinotron, est un tube

vide pour gnrer des ondes radiolectriques allant des micro-ondes au tra-hertz. Il appartient la

catgorie des tubes ondes progressives (TOP) et possde une vaste gamme dynamique. Le canon

lectrons met un faisceau qui interagit avec une structure de retard, comme dans le TOP, mais

londe lectromagntique produite se propage en direction inverse au dplacement des lectrons (vitesse de groupe ngative) dans ce cas. La puissance de sortie se retrouve donc prs du canon

lectron.

Il existe deux types principaux, le type M et le type O. Le type M, plus puissant, utilise des champs

lectriques et magntiques orthogonaux pour focaliser le faisceau dlectron alors que le type O utilise seulement un champ magntique. La frquence du signal mit peut tre vari rapidement sur

une large plage de frquences ce qui permet de lutiliser comme metteur de brouillage radar ou dans les rcepteurs multifrquences.

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IntroductionKlystronFonctionnementKlystron deux cavitsKlystron rflecteur

Divers

Tube ondes progressivesStructure et fonctionnement des TOPCaractristiques des TOPTypesHlice pas variableBarre danneaux interconnectsBoucle danneauxCavits couples

Klystron interaction largie (KIE)Oscillateur interaction largie (OIE)Carcinotron

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