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Amplificateur à champs croisés (Amplitron)

Cathode
Guide
d’ondes
d’entrée
Guide
d’ondes
de sortie
Anode comportant un nombre impair
de cavités résonantes
Bloc d’atténuation

Figure 2 : Diagramme d’un amplificateur à champs croisés et trajectoire des électrons en l’absence de signal de radiofréquences.

Cathode
Guide
d’ondes
d’entrée
Guide
d’ondes
de sortie
Anode comportant un nombre impair
de cavités résonantes
Bloc d’atténuation

Figure 2 : Diagramme d’un amplificateur à champs croisés et trajectoire des électrons en l’absence de signal de radiofréquences.

Amplificateur à champs croisés (Amplitron)

Figure 1 : Amplificateur à champs croisés L–4756A refroidit à l’eau dans son étui de transport.

Figure 1 : Amplificateur à champs croisés L–4756A refroidit à l’eau dans son étui de transport.

Les amplificateurs à champs croisés (ACC) sont aussi connus sous divers noms, certains historiques et d’autres comme des marques de commerces:

Il s’agit d’un amplificateur micro-ondes pouvant être utilisé sur un large spectre de fréquences mais qui peut aussi servir d’oscillateur indépendant (Stabilotron). Le processus utilisé est le même que pour un magnétron mais sert à amplifier à haute puissance et sans distorsion du signal fourni. La bande passante de l’ACC est généralement de 5 % la fréquence émise, toute onde tombantà l’intérieur de cette gamme de fréquences sera amplifiée. La puissance de crête (ou de pointe) est de l’ordre de plusieurs mégawatts et la puissance moyenne de l’ordre de plusieurs dizaines de kilowatts. Une efficacité d’amplification de plus de 70 % est possible avec ce genre d’appareil.

Au contraire du magnétron, cet amplificateur a un nombre impair de cavités couplées qui agissent comme des structures de retard, soit des lignes de transmission internes dont le rôle est de guider une onde électromagnétique à une vitesse de phase voisine de la vitesse des électrons du faisceau. L’onde introduite dans une des cavités se propage ainsi vers les suivantes jusqu’à la cavité de sortie tout en s’amplifiant.

Fonctionnement
Électrons accélérés
du côté positif du courant
induit par le signal
dans la cavité
Électrons décélérés
du côté négatif
du courant
induit par le signal
dans la cavité

Figure 3 : Injection d’un signal de radiofréquences par l’un des guides d’ondes dans une première cavité résonante, ce qui débute l’amplification.

Électrons accélérés
du côté positif du courant
induit par le signal
dans la cavité
Électrons décélérés
du côté négatif
du courant induit
par le signal
dans la cavité

Figure 3 : Injection d’un signal de radiofréquences par l’un des guides d’ondes dans une première cavité résonante, ce qui débute l’amplification.

Comme dans un magnétron, lorsque l '’appareil est sous tension des électrons sont émis de la cathode et se dirigent vers l’anode comportant des cavités résonnantes. Les charges sont déviées par un aimant permanent dont le champ magnétique est perpendiculaire au champ électrique. Les électrons subissent donc une déviation vers la droite ce qui leur donne une trajectoire circulaire dans l’espace entre l’anode et la cathode, comme dans la figure 2. Dans ce cas, le transfert d’électron de la cathode à l’anode génère un bruit de fond élevé à éviter.

Lorsqu’un signal haute fréquence est introduit par le guide d’ondes d’entrée dans une cavité résonante, comme dans la figure 3, il y induction d’un courant dans les parois de celle-ci. Ce courant déplace les charges dans ses parois créant un surplus de charges négatives d’un côté de la fente et un surplus positif de l’autre. Les électrons du faisceau seront accélérés en approchant des charges positives et décélérés par les charges négatives.

Le courant dans la cavité, variant en intensité et en direction avec l’oscillation du signal, la polarité et l’intensité des charges changent continuellement. Le tout a pour effet de ralentir certains électrons du faisceau et d’accélérer d’autres. Les plus rapides rattrapant les plus lents, cela a pour effet de regrouper les électrons dans certains secteurs entre l’anode et la cathode. Ces secteurs prennent la forme de rayons autour d’une roue, on parle alors de « rayons de charge » comme dans un magnétron.

Figure 4 : Interaction entre la cavité résonnante et la « roue de charge ».

Figure 4 : Interaction entre la cavité résonnante et la « roue de charge ».

L’oscillation est encore faible après la première cavité mais le regroupement des électrons dans le faisceau transmet le signal aux cavités subséquentes de manière synchronisée, y transférant également une partie de leur énergie. L’onde électromagnétique s’amplifie ainsi de cavité en cavité grâce à l’oscillation qu’elle y engendre. En arrivant à la cavité contenant le guide d’onde de sortie, le faisceau d’électrons atteint enfin l’anode.

Contrairement au magnétron, les rayons de charge ne peuvent poursuivre leur rotation autour de l’axe de la cathode parce que le nombre impair de cavités provoque une phase inverse de l’onde dans la dernière (celle en bas entre les deux guides d’ondes). Pour éviter une réflexion qui induirait une onde inverse, un matériau absorbant, comme le graphite, est placé dans cette cavité.

Figure 5 : Mouvement des rayons de charges dans un amplificateur à champs croisés. Remarquez l’augmentation de densité des électrons à mesure que l’oscillation se transfert d’une cavité à l’autre et sa dissipation après la sortie de l’onde amplifiée.

Figure 5 : Mouvement des rayons de charges dans un amplificateur à champs croisés. Remarquez l’augmentation de densité des électrons à mesure que l’oscillation se transfert d’une cavité à l’autre et sa dissipation après la sortie de l’onde amplifiée.

Afin d’éviter les modes de résonance parasites, l’amplificateur à champs croisés comporte des brides qui relient les cavités alternativement entre elles, comme dans un magnétron.

Utilisation

À cause de ses caractéristiques, l’ACC se retrouve dans de nombreuses applications dans les transmetteurs à micro-ondes, dont ceux des radars. En général, les premières amplifications se font par un tube à ondes progressives (TOP), ou récemment par des amplificateurs à semi-conducteurs, alors que les amplificateurs à champs croisés sont utilisés comme amplificateurs intermédiaires ou finaux pour fournir un signal de très grande intensité. Ainsi les transmetteurs à plus de trois étages d’amplification utilisent les ACC à partir du troisième niveau. Ce type d’amplificateur peut donner un gain de 3 to 20 dB.

Avantages

Les ACC, comme les TOP, ont un taux d’amplification stable sur une large bande de fréquences mais sont plus puissants. Par contre, quand l’amplificateur à champs croisés n’est pas sous tension, il laisse passer un signal radiofréquence sans modification, il agit alors comme un guide d’onde. Cela permet de mettre plusieurs ACC en série mais sans avoir à tous les activer. Ainsi, si le niveau d’amplification maximal n’est pas requis, seulement certains de la série seront activés. Cela permet également un certain niveau de redondance, même si un des ACC est en panne, le signal sera quand même émit mais à plus faible intensité.
 

* « Amplitron » est une marque déposée de Raytheon Manufacturing Company pour leurs amplificateurs à champs croisés (ACC). C’est un ingénieur de cette compagnie, William C. Brown, qui a développé le premier ACC et choisi ce nom.