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Article

1 - TWT À HÉLICE

2 - TWT À LIGNE MÉTALLIQUE

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE

5 - ACRONYMES ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : E1622 v1

TWT à ligne métallique
Tubes électroniques hyperfréquences - Tubes à onde progressive

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 E1621 intitulé « Tubes électroniques hyperfréquences - Tubes à onde progressive et à champs croisés » paru en 2009, rédigé par Thierry LEMOINE.

29/08/2017

RÉSUMÉ

Cet article consacré aux tubes électroniques traite des tubes à onde progressive (TWT). Les TWT sont caractérisés par un fonctionnement à des fréquences élevées (entre 1 et 100 GHz) et par une large bande passante. Ils sont donc particulièrement bien adaptés à des applications d’amplification de signaux (radars, télécommunications). L’article explique dans un premier temps le fonctionnement des TWT à hélice, de loin les plus utilisés, avec une attention particulière aux performances en linéarité qui sont clé pour une utilisation par l’industrie spatiale. Les TWT à ligne métallique, plus puissants et porteurs d’innovation dans les fréquences millimétriques, sont abordés dans un second temps.

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ABSTRACT

Microwave electron tubes - Traveling Wave Tubes

This article on electron tubes focuses on traveling wave tubes (TWTs). These work at very high frequencies (1–100 GHz) with a broad bandwidth. They are thus very well suited to microwave signal amplification (radars, telecommunications). The article first explains how helix traveling wave tubes (by far the most common TWTs) work, with a special focus on linearity performance, a key issue for space applications. Metal line TWTs, more powerful and promising in the millimeter wave range, are then considered.

Auteur(s)

  • Thierry LEMOINE : Directeur technique - THALES Microwave and Imaging Subsystems, Vélizy, France -

INTRODUCTION

Qu’il s’agisse de tubes électroniques ou d’accélérateurs de particules, il existe deux grands processus d’interaction entre un faisceau électronique et une onde électromagnétique se propageant le long d’une structure linéaire, permettant un échange d’énergie : le faisceau interagit soit avec une onde stationnaire (standing wave) comme dans un klystron, soit avec une onde en mouvement (traveling wave). Ces deux processus diffèrent par la condition de synchronisme entre le faisceau et l’onde qui permet l’échange d’énergie. Comme leur nom l’indique, les TWT (Traveling-Wave Tubes, TOP pour Tubes à Onde Progressive en français) appartiennent à la deuxième catégorie, et pour une raison qui apparaîtra dans la suite de cet article, on appelle ces dispositifs des tubes à onde lente. Les TWT se distinguent des klystrons par une bande passante plus importante (de 10% à plus de deux octaves) et ils se prêtent bien à l’amplification de signaux radar ou de communication au-delà de 1GHz. Les principes de fonctionnement sont expliqués, d’abord dans les grandes lignes, puis à l’aide de la théorie de Pierce : le fonctionnement d’un TWT n’est pas intuitif et, de l’avis de l’auteur, l’exposé de cette théorie est nécessaire. Les performances actuelles et accessibles des tubes à hélice sont déduites, et les principaux domaines d'utilisation sont introduits, en insistant particulièrement sur les télécommunications spatiales ; on s’intéressera à cette occasion aux performances en linéarité, mono- ou multi-porteuses, avec ou sans linéariseur. Dans une deuxième section, les tubes à ligne métallique sont décrits. Ces tubes permettent d’atteindre des puissances importantes (jusqu’à quelques centaines de kilowatts) en bande basse (sous 10GHz) et il en existe jusque vers 100GHz, voire au-delà ; un point sera fait sur l’état de la recherche dans les bandes millimétriques, très active depuis 2005 environ.

L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de THALES, en particulier MM. Alain Durand, Alain Laurent, Jean-François David et Philippe Thouvenin.

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

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KEYWORDS

traveling wave tubes   |   helix TWT   |   coupled cavitiesTWT

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1622


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2. TWT à ligne métallique

2.1 Fonctionnement des TWT à ligne métallique

Cet intitulé rassemble plusieurs familles de tubes à onde progressive où l'hélice cède la place à une structure métallique périodique « massive » permettant d'atteindre des puissances crête et moyenne plus élevées, au détriment de la bande passante. Initié par le physicien Marvin Chodorow de l'université de Stanford, le développement de ces tubes date du début des années 1950, pour être appliqué aux radars de défense aérienne, puis aéroportés. Aujourd'hui, les TWT à ligne métallique offrent des solutions attractives dans les bandes millimétriques, en particulier pour la réalisation d'autodirecteurs de missiles et pour des liaisons montantes pour satellites, et demain peut-être pour les faisceaux hertziens des réseaux 5G.

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2.1.1 TWT à cavités couplées

Les lignes à retard des TWT à cavités couplées sont représentées figure 16. Il en existe deux sortes. Dans les TWT-CC de type a (figure 16 a), les parois inter-cavités sont en fer (elles servent aussi de masse polaire), ce qui rend possible l'usage d'une focalisation PPM (Periodic Permanent Magnet [E 1 620]). Les TWT-CC de type b (figure 16 b) sont d'un usage plus restreint : les parois sont en cuivre, ce qui permet des puissances moyennes supérieures à 2 à 3kW, et une focalisation par solénoïde est nécessaire ce qui donne aussi accès à des puissances crêtes plus élevées.

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BIBLIOGRAPHIE

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

  • (2) - PIERCE (J.R.) -   Traveling-wave Tubes.  -  D. van Nostrand (1950).

  • (3) - GILMOUR (A.S.Jr.) -   Principles of Traveling Wave Tubes.  -  Artech House (1994).

  • (4) - BECK (A.H.W.) -   Space Charge Waves and Slow Electromagnetic Waves.  -  Pergamon Press (1958).

  • (5) - ANDRE (F.), BERNARDI (P.), RYSKIN (N.), DOVEIL (F.), ELSKENS (Y.) -   Hamiltonian description of self-consistant wave-particledynamics in a periodic structure.  -  EPL, 103, 28004 pp. 1 à 5 (2013).

  • (6) - GILMOUR (A.S.Jr.) -   Microwave Tubes.  -  Artech House (1986).

  • ...

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.

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2 Données statistiques et économiques

Cette liste classée par pays est aussi complète que possible, mais il y a forcément 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, mais elles peuvent être importantes.

Les acteurs industriels (tableau 1) ont (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 Hallicrafters) et GE (klystrons). L3-ETI est...

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