Tube à ondes progressives
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2008-03-13T11:34:01Z
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{{ébauche|électronique}}
Le '''tube à [[onde]]s progressives''' (''traveling-wave tube'') est un [[tube à vide]] utilisé en hyperfréquences pour réaliser des [[amplificateur]]s de faible, moyenne ou forte [[puissance (physique)|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 [[Satellite de communication|satellites de communication]].
== Origines des tubes à ondes progressives ==
Le tube à ondes progressives a été inventé par [[Rudolf Kompfner]] en 1942 en Angleterre. Les premiers utilisés à la fin de la [[Seconde Guerre mondiale]] fournissaient quelques [[milli]][[watt]]s 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 [[tube électronique|tubes à grilles]] classiques.
Ils font partie de la famille des [[tube à faisceau|tubes à faisceau linéaire]].
== Principe de fonctionnement d’un TOP bi-[[collecteur]]s==
[[Image:TWTA.png|301px|right|thumbnail|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]]) ;
* l’hélice ;
* les [[collecteur (tube)|collecteurs]] ;
* l’enceinte à vide.
=== Le canon électronique ===
La [[cathode]] est la source des [[électron]]s qui constituent le [[faisceau électronique]] dans tous les tubes hyperfréquence. Elle est faite d’un mélange complexe de métaux ([[tungstène]] poreux, [[baryum]]) et portée à une température de 1050°C, environ, par un filament de tungstène enrobé d’un moulage en [[alumine]] qui favorise l’échange 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 d’[[électron]]s très dense qui est accéléré par le [[potentiel électrique|potentiel]] positif de l’anode.
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 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 [[aimant]]s 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 des ondes|propagation d’une onde]] le long d’un fil dans le vide s’effectue à une vitesse voisine de [[vitesse de la lumière|celle de la lumière]], il est nécessaire 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 légèrement freinés par l'onde, et de ce fait communiquent à celle-ci une partie de leur énergie. 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 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 fournie à l’onde hyperfréquence.
*Les nouveaux 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 collecteur1 – cathode 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 l’hélice.
*Ce collecteur est donc [[polarisation (électronique)|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 2–cathode est environ moitié de la tension collecteur 1–cathode.
*Il s’ensuit 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, passe de 2400 W pour un TOP mono-collecteur à 1300 W pour un bi-collecteurs.
=== L’enveloppe à vide ===
Un vide très poussé doit être maintenu en permanence durant toute la vie du TOP.
L’enceinte doit donc être en mesure de conserver ce vide (10<sup>-8</sup> [[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 et 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 coefficient positif. Il est donc nécessaire de limiter l’appel de courant à froid (généralement à environ 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 parfaitement 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 [[Joule]]s selon le tube).
Les principales causes de défocalisation sont :
*Chute de tension collecteur – cathode ;
*Tension hélice – cathode en dehors des limites spécifiées ;
*Tension hélice – anode en dehors des limites spécifiées ;
*Tension filament
*Puissance d’entrée hyperfréquence excessive ;
*[[Rapport d'onde stationnaire|ROS]] de sortie excessif ;
*Surchauffe ;
*Présence d’un champ magnétique à proximité du tube.
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