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Article

1 - CONTEXTE ET CLASSIFICATION

2 - TECHNOLOGIES DES TUBES ÉLECTRONIQUES

3 - TECHNOLOGIES DU VIDE

4 - TUBES À GRILLE

5 - IOT

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE ET ACRONYMES

8 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E1620 v2

Technologies du vide
Tubes électroniques hyperfréquences - Technologies et tubes à grille

Auteur(s) : Thierry LEMOINE

Relu et validé le 15 déc. 2022

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NOTE DE L'ÉDITEUR

Cet article est la réédition actualisée de l’article E1620 intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences - Technologies, tubes à grille et klystrons » paru en 2008, rédigé par Thierry LEMOINE.

27/01/2017

RÉSUMÉ

Cet article traite des tubes électroniques comme sources ou amplificateurs de puissance radioélectrique ou hyperfréquence. Le point est tout d’abord effectué sur les technologies mises en œuvre dans les tubes électroniques, tels que les cathodes, la haute tension, l’ultravide, la focalisation magnétique, l’émission secondaire, et les collecteurs. L’article décrit ensuite la famille des tubes à grille (triodes et tétrodes) utilisés dans les bandes HF et UHF pour des puissances de la classe 100 à 1 000kW. Il se conclut par un aperçu sur une nouvelle famille de tubes dérivée des tubes à grille, les IOT.

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ABSTRACT

Microwave Electron Tubes – Technologies and gridded tubes

This article presents electron tubes as radio-frequency or microwave power sources and amplifiers. The first sections look at technologies currently used in vacuum electronics, such as cathodes, high voltage, ultra-vacuum, magnetic focusing, secondary emission, and collectors. The gridded tubes family is then described: triodes and tetrodes used from HF to UHF for output power in the 100-1000 kW power range. The article concludes with a short presentation of a new tube type derived from gridded tubes, the inductive output tube (IOT).

Auteur(s)

  • Thierry LEMOINE : Directeur Technique - THALES Microwave & Imaging Subsystems, Vélizy, FRANCE

INTRODUCTION

Si notre connaissance théorique sur les tubes radioélectriques doit beaucoup aux travaux de recherche menés entre 1940 et 1970, notre capacité à réaliser des composants de plus en plus performants a été décuplée grâce à la maîtrise d’outils de simulation puissants et sophistiqués. Jusque dans les années 1970, nous devions nous fier à des expressions analytiques limitées aux régimes linéaires. Il était difficile d’optimiser un tube au voisinage du point de saturation. Les choses ont changé à partir des années 1980, et des progrès fantastiques ont été enregistrés : une multiplication par 40 de la puissance délivrée par des tubes fonctionnant au-delà de 30 GHz ; une bande passante des tubes de contre-mesure multipliée par trois (on dépasse aujourd’hui les 3 octaves) ; un rendement électrique multiplié par deux (avec une fabrication en série de tubes au rendement électrique supérieur à 70 % en bande étroite et à 50 % en très large bande) ; l’amélioration de la fiabilité d’un facteur compris entre 10 et 100 ; ainsi, les amplificateurs spatiaux présentent des MTBF supérieurs à 5 millions d’heures et une durée de vie de presque 20 ans en fonctionnement continu !

Cet article donne un aperçu des technologies de base à tout tube électronique : fonctionnement et durée de vie des cathodes, conception de l’optique électronique, vide et haute tension... Dans un deuxième temps, les tubes à grille (triodes, tétrodes et diacrodes), puis les IOT (Inductive Output Tubes) sont introduits : leur principe de fonctionnement est présenté, leurs performances sont décrites. Ces dispositifs sont caractérisés par l’utilisation d’une grille pour moduler le faisceau à la fréquence du signal, comme dans un transistor à effet de champ.

L’article [E1621] est consacré aux tubes hyperfréquence de forte puissance (klystrons, tubes à champs croisés (dont les magnétrons) et gyrotrons), et l’article [E1622] aux tubes à ondes progressives.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes et une liste d’acronymes importants de l’article, ainsi qu’un tableau des symboles utilisés.

L’auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de Thales, en particulier MM. Alain Durand, Christian Robert, Michel Grezaud et Philippe Thouvenin.

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KEYWORDS

grid tubes   |   cathodes   |   vacuum electronics

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-e1620


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3. Technologies du vide

Les tubes électroniques sont des dispositifs sous ultravide soumis à des champs électromagnétiques statiques et RF élevés. Les enveloppes à vide sont réalisées par brasage à haute température de métaux et de céramiques parfaitement étanches, et la qualité du vide pendant la vie d’un tube reflète la qualité du vide à l’issue de l’étape de pompage-étuvage. Mais, ce vide se dégrade néanmoins, par exemple le baryum contenu dans la cathode s’évapore, puis se redépose sur les parois internes du tube, qui peuvent relâcher des atomes et ne s’en privent pas lorsqu’elles sont soumises à un échauffement. Des particules résiduelles adhérentes à une électrode peuvent se détacher. Un dégazage intempestif provoquera une défocalisation, et une particule, des arcs électriques, le phénomène parasite le plus nuisible à la « bonne image » des tubes.

3.1 Qualité du vide

Une fois assemblé, chaque tube est pompé, puis scellé. Le procédé de pompage est critique, et se fait en deux temps : le tube est relié à une pompe (à diffusion ou turbo-moléculaire) qui réalise un vide de l’ordre de 10−7 à 10−9 torr. Pendant que le tube est sous pompe, ses parois intérieures sont dégazées aux alentours de 450 °C pendant quelques dizaines d’heures. Puis, une deuxième étape permet d’activer la cathode (§ 2.1) tout en désorbant les électrodes grâce à un bombardement électronique intense. Dépendante du volume du tube, cette deuxième étape peut durer plusieurs jours. Ces opérations sont effectuées sur des bâtis de pompage, les plus gros pouvant accueillir des tubes pesant une tonne !

Une fois ces procédés achevés, le tube est scellé. Pour pallier d’éventuels...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - High Voltage Vacuum Insulation: Basic concepts and Technological Practice -    -  -Editor Rod V. Latham (1995).

  • (2) - GILMOUR (A.S.Jr.) -   Microwave Tubes –  -  -Artech House, 1986.

  • (3) - SPANGENBERG (K.R.) -   Vacuum Tubes –  -  McGraw-Hill, 1948.

  • (4) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al -   Principles of Electron Tubes –  -  D. van Nostrand, 1965.

  • (5) - PIERCE (J.R.) -   Theory and Design of Electron Beams –  -  D. van Nostrand, 1954.

  • (6) - WARNECKE (R.) et al -   Tubes à modulation de vitesse –  -  Gauthier-Villars, 1951.

  • ...

DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

  • Circuits passifs hyperfréquences – Éléments non réciproques à ferrite –

  • Circuits passifs hyperfréquences – Éléments passifs réciproques –

  • Circuits passifs hyperfréquences – Filtres et cavités –

  • Circuits passifs hyperfréquences – Guides d’ondes métalliques –

  • Circuits passifs hyperfréquences – Introduction –

  • Structures de guidage hyperfréquences. Introduction –

  • ...

1 Événements

L’édition des proceedings de l’IVEC (International Vacuum Electronics Conference, manifestation annuelle sponsorisée par l’IEEE) est la publication indispensable pour se tenir informé de l’évolution des technologies de tubes électroniques et de leurs applications.

http://www.ivec.org

HAUT DE PAGE

2 Données statistiques et économiques

La liste des acteurs est aussi complète que possible, mais présente inévitablement quelques omissions, dont l’auteur espère qu’il ne lui en sera pas tenu rigueur. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, elles peuvent être importantes.

Les acteurs industriels (tableau 1) possèdent (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau 2) sont ceux qui ont présenté récemment le résultat de leurs travaux à la conférence annuelle IVEC.

Aux États-Unis, CPI est la nouvelle identité de l’activité tubes électroniques autrefois propriété de Varian, qui regroupe également des activités cédées par les sociétés Eimac, Bomac, SFD, Econco et GE (TWT). L3-ED est la nouvelle identité de l’activité tubes électroniques autrefois propriété de Litton, et qui regroupe des activités cédées par les sociétés Raytheon, RCA, Sylvania, Northrop-Grumman (anciennement...

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