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Auteur(s)
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Thierry LEMOINE : Directeur technique, THALES Composants et Sous-systèmes
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Lire l’articleINTRODUCTION
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 (on fabrique en série des tubes au rendement électrique supérieur à 70 % en bande étroite, et à 50 % en large bande), et la fiabilité a été améliorée d'un facteur compris entre 10 et 100 : les amplificateurs spatiaux présentent des MTBF supérieurs à 5 millions d'heures !
Cet article reflète cette évolution. Il explique quelles sont les performances aujourd'hui accessibles. Il consacre quelques paragraphes aux tubes à grille. Par contre, la place manquant pour un rappel des principales lois d'électromagnétisme, le lecteur pourra se reporter aux articles « Circuits passifs hyperfréquences » et « Structures de guidage HF » .
Ce premier article donne d'un aperçu des technologies de base à tout tube électronique : cathodes, optique électronique, vide et haute tension... Dans un deuxième temps, les tubes à grille, les klystrons et les IOT (Inductive Output Tube) sont introduits. Les autres familles de tubes (TWT : Traveling-Wave Tube (en français TOP : tube à ondes progressives), magnétrons...) seront décrits dans un deuxième article qui fait suite .
L'auteur tient à exprimer sa reconnaissance envers les experts techniques de Thales qui l'ont assisté dans la relecture de ce document, en particulier MM. Alain Durand, Christian Robert et Philippe Thouvenin.
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- Version courante de févr. 2017 par Thierry LEMOINE
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4. Tubes à grille
Le concept de triode – le prototype du tube à grille – est ancien. C'est en janvier 1907 que Lee de Forest, un chercheur indépendant américain, en a posé le premier brevet. Il a baptisé son dispositif Audion, à une époque où l'amplification de signaux sonores pour la téléphonie mobilisait l'industrie. Le brevet a été cédé à AT&T (Western Electric) en 1920, qui en a partagé les droits avec GE (RCA) pour la mise au point de la TSF, et de Forest a réinvesti sa fortune (400 000 $) pour développer (avec un succès mitigé) le cinéma parlant.
Nota : le lecteur pourra consulter les références .
4.1 Fonctionnement d'une triode
Un siècle après leur invention, les tubes à grille restent très utilisés dans les gammes 100 kHz à 1 GHz, dans des dispositifs produisant entre 20 kW et 2 MW. Leur principe est celui d'une diode modulée. Elle est généralement annulaire : la cathode est un treillis cylindrique de fils en tungstène thorié portés à 1700 °C. Ce matériau est peu émissif comparé à d'autres (1 A/cm2 typiquement, 3 A/cm2 en courant crête), mais il résiste au bombardement ionique et il permet de réaliser des cathodes de grandes dimensions. L'anode, également cylindrique, est en cuivre. Si un champ électrique positif (dirigé vers la cathode) est appliqué entre cathode (à la masse) et anode (portée à un potentiel VA positif), la cathode émet un faisceau d'électrons selon le principe décrit au § . Ces électrons sont récupérés par l'anode, qui, dans un tube à grille, sert aussi de collecteur.
Entre cathode et anode, mais au voisinage de la cathode, on insert une grille cylindrique, généralement en molybdène (en fils tressés, ou en tôle emboutie et gravée), dont on module le potentiel Vg par rapport à la cathode (figure ). Ce potentiel modifie le champ électrique en surface de la cathode : en dessous d'un certain seuil, le potentiel de l'anode est totalement écranté, et la cathode cesse d'émettre. Au-delà, la grille devient peu à peu « transparente » au champ induit par l'anode (figure ). Ainsi, en modulant Vg, on module le courant Ik délivré par la cathode. Comme la grille est proche de la cathode, les excursions de Vg restent faibles comparées à la tension anode VA, alors que le courant Ik,...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GILMOUR (A.S.Jr.) - Microwave Tubes - Artech House, 1986.
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(2) - GEWARTOWSKI (J.W.) et al - Principles of Electron Tubes - D. van Nostrand, 1965.
-
(3) - PIERCE (J.R.) - Theory and Design of Electron Beams - D. van Nostrand, 1954.
-
(4) - SPANGENBERG (K.R.) - Vacuum Tubes - McGraw-Hill, 1948.
-
(5) - WARNECKE (R.) et al - Tubes à modulation de vitesse - Gauthier-Villars, 1951.
-
(6) - BARKER (R.J.) et al - Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics - Wiley, 2005.
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(7) - PIERCE (J.R.) - Traveling-wave Tubes - D. van Nostrand...
ANNEXES
Cette liste 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. Elle est classée par pays. Les différences de taille entre ces acteurs ne sont pas indiquées, mais elles peuvent être importantes.
Les acteurs industriels (tableau ) ont (presque) tous un site Internet sur lequel leurs produits sont présentés. Les acteurs académiques retenus (tableau ) 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 la nouvelle identité de l'ancienne activité tubes de Hughes Aircraft (HEDD, propriété pendant quelques années de Boeing (BEDD)). L3-ED et L3-ETI font toutes deux partie du groupe américain L3-COM. Enfin, Teledyne a repris d'anciennes activités de MEC et de Sylvania.
En Europe, Thales regroupe les activités tubes autrefois propriété des groupes Thomson, CSF, Telefunken (AEG), Siemens et ABB. e2V hérite des activités tubes de EEV et de GEC/MOV.
Si l'industrie occidentale des tubes électroniques a fait l'objet de nombreuses opérations de rationalisation, elle n'a pas subi de délocalisation de sa production (ni de sa R&D) vers des pays à bas coût de main-d'œuvre (LCC). Par contre, des concurrents sont apparus en Asie, très souvent soutenus par des autorités locales soucieuses d'indépendance nationale sur des composants jugés critiques.
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