Article de référence | Réf : E1624 v1

Comparaison pour quelques applications critiques
Comparaison entre amplificateurs état solide et tubes électroniques

Auteur(s) : Thierry LEMOINE

Relu et validé le 15 déc. 2022

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RÉSUMÉ

Cet article propose une synthèse des performances comparées tubes électroniques et solutions à l’état solide en vue de sélectionner une technologie d’amplificateur radiofréquence ou hyperfréquence. Il expose les vues de l’auteur sur les avantages et inconvénients comparés des deux familles de technologies, selon l’usage envisagé. Tout d’abord, les critères de choix entre technologies (puissance, coût, rendement, fiabilité, facteur de bruit…) sont exposés, puis quelques cas emblématiques que sont les radars, les accélérateurs de particules et les systèmes de communication par satellite sont présentés.

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ABSTRACT

Comparison between solid-state and electron tubes amplifiers

This article gives a synthesis of compared performance between vacuum and solid-state electronics for selecting the technology of an RF or a microwave amplifier. It sets out the author’s appraisal of the pros and cons of both families of technologies for a given application. The first section explains the key criteria for choosing between the technologies: power, cost, efficiency, reliability, noise, etc. The second section focuses on three specific applications: radars, particle accelerators, and satellite communication systems.

Auteur(s)

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

INTRODUCTION

Cet article propose une analyse comparative des technologies d’amplification de puissance, à base de tubes électroniques (TWTA, klystrons ou tétrodes) ou de solutions à état solide (SSPA). Une première partie donne un descriptif des différents paramètres que l’utilisateur compare : au-delà de la capacité de l’une ou de l’autre technologie de fournir la puissance à la fréquence demandée, il s’agit du coût d’achat, du coût de possession, de la fiabilité et de la disponibilité opérationnelle, et évidemment, du respect des performances visées, par exemple en termes de bande passante et de linéarité, volume et masse. Les rendements électriques à saturation et au point de fonctionnement feront l’objet d’un intérêt particulier, tout comme les performances en bruit.

Nous proposons ensuite une analyse plus approfondie sur trois grands secteurs d’application où les deux technologies sont utilisées l’une et l’autre : les radars pour les applications de défense, où l’apparition des antennes actives à balayage électronique est à présent le facteur le plus dimensionnant dans le choix des technologies ; les accélérateurs de particules dont les besoins en puissance pure sont particulièrement élevés, souvent supérieurs à 1 MW ; et à l’opposé, les systèmes de communications par satellite, qui exigent des puissances moyennement élevées – de la classe d’une centaine de watts – à des fréquences centimétriques et millimétriques, et de surcroît un très bon rendement électrique associé à un comportement linéaire. Pour chacune de ces applications, l'article fournira une explication du besoin en puissance ainsi que les principaux critères de choix.

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

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KEYWORDS

amplifiers   |   microwave power

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e1624


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2. Comparaison pour quelques applications critiques

La figure 5 situe, vus de très haut, les domaines d’utilisation de l’une ou l’autre technologie d’amplification de puissance (état solide ou tube). Pour l’essentiel des applications nécessitant une puissance réduite (moins de quelques dizaines de kilowatts à basse fréquence, moins de quelques centaines de watts au-delà de quelques GHz), l’état solide s’impose de lui-même : la téléphonie mobile (les combinés et autres dispositifs portables, bien sûr, mais aussi les stations de base (liaisons vers les mobiles et faisceaux hertziens), les émetteurs de radio FM et TV, les émetteurs des scanners IRM (trois applications qui utilisaient des tubes voici quelques d’années)… D’autres ne se satisfont que de tubes, quand la classe du mégawatt est atteinte ou dépassée. Nous nous intéresserons ici à la frange intermédiaire, où l’essentiel du débat porte en 2018 : les radars, les accélérateurs de particules et les télécommunications par satellite.

2.1 Radars

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2.1.1 Besoin en puissance des radars

Un radar fonctionne sur le principe suivant : l’équipement émet une onde électromagnétique (en général pulsée, et à une fréquence propre au radar), qui se propage dans l’espace jusqu’à être réfléchie par les obstacles qu’elle rencontre ; l’écho est alors analysé pour localiser, trier et identifier ces obstacles (qu’on appellera des cibles). Un radar est caractérisé au premier ordre par une portée R et une taille minimum des cibles détectables, caractérisées par leur SER pour surface équivalente radar. Il est utile de rappeler ici la formule suivante, connue comme l’équation du radariste :

avec :

Ar
 : 
surface de l’antenne à la réception,
Ge
 : 
gain...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - CPI -   High Power Amplifier Selection for Satellite Uplinks : A CPI Technology Focus.  -  Sat Magazine (March 2015).

ANNEXES

  1. 1 Événements

    1 Événements

    Édition annuelle de l’IMS (MTT-S), EuMW et l’IVEC.

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