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Tube à ondes progressives

1,3 mètre

Figure 1 : TOP de puissance, le VTR 572B

1,3 mètre

Figure 1 : TOP de puissance, le VTR 572B

1,3 mètre

Figure 1 : TOP de puissance, le VTR 572B

Tube à ondes progressives

Les tubes à ondes progressives (TOP) sont des amplificateurs à large bande passante qui occupent une place spéciale dans les amplificateurs par modulation de vitesse des électrons. Ils introduisent très peu de bruit au signal à amplifier ce qui permet de les utiliser également dans les récepteurs de radiofréquences.

Un tube à ondes progressives peut donner un gain de plus de 40 dB avec une bande passante de plus d’une octave (une octave représentant une variation de fréquence du simple au double). Certains TOP ont été conçus pour des fréquences aussi basses que 300 MHz et aussi élevées que 50 GHz.

Il y a deux groupes différents de TOP:

39 centimètres

Figure 2 : TOP russe de faible puissance, le UV-1B (en cyrillique: УВ-1Б)

39 centimètres

Figure 2 : TOP russe de faible puissance, le UV-1B (en cyrillique: УВ-1Б)

39 centimètres

Figure 2 : TOP russe de faible puissance, le UV-1B (en cyrillique: УВ-1Б)

Structure et fonctionnement des TOP

Un tube à ondes progressives (TOP) comporte trois parties: le canon à électrons, la structure à retard et le collecteur. La figure 3 montre ces composantes.

Résonateurs
de couplage
Hélice
Gaine
d’atténuation
Collecteur
Canon à électrons
Faisceau d’électrons
Signal d’entrée
Signal de sortie

Figure 3 : Diagramme des composantes d’un TOP.

Résonateurs
de couplage
Hélice
Gaine
d’atténuation
Collecteur
Anode
Canon à électrons
Faisceau d’électrons
Signal d’entrée
Signal de sortie

Figure 3 : Diagramme des composantes d’un TOP.

Résonateurs
de couplage
Hélice
Gaine
d’atténuation
Collecteur
Anode
Canon à électrons
Faisceau d’électrons
Signal d’entrée
Signal de sortie

Figure 3 : Diagramme des composantes d’un TOP.

Signal de RF entrée
Atténuation
de la gaine
RF induite dans l’hélice
Paquets des électrons
formés dans le faisceau

Figure 4 : Signal amplifié par l’hélice.

Signal de RF entrée
Atténuation
de la gaine
RF induite dans l’hélice
Paquets des électrons
formés dans le faisceau

Figure 4 : Signal amplifié par l’hélice.

Dans le canon à électrons, les électrons sont émis par une cathode chauffée, focalisés par des électrodes (Wehnelt) ainsi que des aimants permanents, et accélérés vers l'anode. Le tout permettant de régler le courant du faisceau d'électrons.

La structure à retard est constituée d'une hélice en cuivre à pas variable et de faible impédance, le long de laquelle se propage une onde électromagnétique. L’onde parcourt un plus long trajet dans la structure à retard et donc sa vitesse de phase est un peu moins rapide que celle du faisceau d'électrons qui lui se propage en ligne droite au milieu de l'hélice. Le champ électrique de cette onde tend à freiner les électrons du faisceau qui se regroupent en paquets et cèdent alors de l'énergie à l'onde électromagnétique d’où son amplification.

Le collecteur est chargé de recueillir les électrons qui sortent de l'hélice et récupère une partie de leur énergie initiale puisqu'ils n'en ont cédé que 10 à 20 pour cent à l'onde RF (radiofréquence).


Figure 5 : Faisceau d’électrons formant des « paquets »
à gauche sur une distance 20 tours de l’hélice
(détails 5,6 mm de longueur de la photo de droite).


Figure 5 : Faisceau d’électrons formant des « paquets »
à gauche sur une distance 20 tours de l’hélice
(détails 5,6 mm de longueur de la photo de droite).

Detailfoto der Wendel einer UW-3
Figure 5 : Faisceau d’électrons formant des « paquets » à gauche sur une distance 20 tours de l’hélice
(détails 5,6 mm de longueur de la photo de droite).

L’onde radiofréquence à amplifier est introduite dans l’hélice grâce à un guide d’onde et le résultat est évacué de la même façon. Une gaine d’atténuation entoure l’hélice pour éviter toute réflexion interne de l’onde qui interférerait avec la propagation.

La figure 5 montre que le champ électrique dans l’hélice est parallèle au faisceau d’électrons dans le tube et qu’il alterne d’une spirale à l’autre permettant de ralentir ou d’accélérer alternativement les électrons du faisceau et donc de former des « paquets ».

Caractéristiques des TOP
Psortie
Pentrée

Figure 6 : Caractéristique des tubes à ondes progressives

Caractéristique des tubes à ondes progressives
Psortie
Pentrée

Figure 6 : Caractéristique des tubes à ondes progressives

L’amplification en puissance atteignable dépend des facteurs suivants:

La figure 6 montre la puissance du signal d’entrée (Pentrée) versus celui de sortie (Psortie) dans un TOP. Le gain est linéaire et d’environ 26 dB pour un signal d’entrée de faible puissance mais en augmentant la force du signal au-delà d’un certain seuil, la puissance du signal de sortie n’augmente plus proportionnellement au gain ou même diminue. L’efficacité relativement faible des tubes à ondes progressives amoindrit ses qualités de large bande passante et de fort gain. Le signal traité par un TOP, et envoyé au mélangeur, se situe donc dans une zone limitée de puissance. S’il faut une plus grande amplification, un appareil de type différent sera utilisé ensuite, le plus souvent un amplificateur à champ croisés.

Comme le gain des TOP est dû à l’interaction du faisceau d’électron et du champ électrique de la structure à retard, la réponse en fréquences de l’hélice détermine la bande passante. Celle-ci peut être de l’ordre de plusieurs gigahertz alors que le bruit du système se situe généralement entre 3 et 10 dB.

L’hélice simple peut être remplacée par un autre type de structure à retard comme l’hélice à pas variable, la barre d’anneaux interconnectés, la boucle d’anneaux et la structure à cavités couplées. Le choix dépend des caractéristiques recherchées pour le gain, la bande passante et la puissance.

Hélice à pas variable
Structure à retard de type barre d’anneaux interconnectés.

Figure 7 : Structure à retard de type barre d’anneaux interconnectés.

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, 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.

Structure à retard en boucle d’anneaux.

Figure 8 : Structure à retard en boucle d’anneaux.

Barre d’anneaux interconnectés

Cette structure à retard est formée d’une suite d’anneaux plats attachés entre eux par une bande alternante. Elle peut être utilisée à plus haute puissance que l’hélice conventionnelle mais sa bande passante est plus faible de 5 à 15 % et sa fréquence maximale est de 18 GHz.

La barre à anneaux interconnectés a une forte impédance et de faibles harmoniques. L’onde qui la parcourt peut avoir un fort gain (40 à 60 décibels sont courants) pour un tube de faible longueur, le tout se faisant à une plus haute tension et avec une probabilité plus faible de produire une réflexion dans le tube.

Structure à retard en forme de cavités couplées

Figure 9 : Structure à retard en forme de cavités couplées

Boucle d’anneaux

La structure en boucle d’anneaux, présentée dans la figure 8, a des caractéristiques similaires à celle de la barre d’anneaux interconnectés. Elle est facile à construire à partir du découpage d’un tube en cuivre.

Cavités couplées

Cette structure à retard est en fait une série de cavités résonantes reliées les unes aux autres par une ligne de transmission. La figure 9 montre le faisceau d’électrons (en rouge) passant par une ouverture au centre. Celui-ci est modulé en vitesse par le signal radiofréquence passant dans chaque cavité selon la large flèche bleue. Si l’espace entre les cavités est bien ajusté, la tension induite dans chacune de celles-ci par le passage du faisceau d’électron sera en phase avec ce dernier jusqu’à la sortie. Ce phasage donne l’amplification du signal comme dans les autres types de structure à retard.