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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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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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1. Critères de choix pour un amplificateur de puissance
1.1 Principaux critères
Abstraction faite des faibles et très fortes puissances où les techniques s’imposent d’elles-mêmes, le choix d’une technologie suppose des critères de choix qui dépendent des applications considérées et des utilisateurs. Citons les principaux :
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le coût d’achat vient souvent en premier, en tenant compte des coûts de conception et d’industrialisation si le dispositif recherché n’est pas commercialement disponible ;
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le coût de possession ajoute au coût d’achat celui du maintien en service de l’équipement qui accueillera l’amplificateur : consommation électrique ; durée de vie de l’amplificateur ; coût de la maintenance, des réparations, de la gestion des obsolescences des composants électroniques… ;
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le rendement électrique, si l’équipement dispose d’une ressource d’énergie ou d’une capacité de refroidissement limitées ou coûteuses (c’est le cas des satellites et de grosses infrastructures énergivores) ;
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la fiabilité et la disponibilité opérationnelle, soit parce que l’équipement n’est pas réparable (sur un satellite…), soit parce que l’utilisateur veut qu’en aucun cas son équipement tombe en panne de façon abrupte, et qu’il exige une dégradation douce en cas de défaillance et la possibilité de réparer quand il le désire ;
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et, évidemment, le respect des performances visées, notamment en puissance, en bande passante et en linéarité, volume et masse, facteur de bruit.
Dans certains cas, le choix entre amplificateur à tube et amplificateur état solide est dicté par l’architecture de l’équipement qui les accueille : le meilleur exemple est celui des antennes actives à balayage électronique, presque toujours à base de transistors souvent intégrés sur des circuits monolithiques (MMIC : Microwave Monolithic Integrated Circuits).
S’ajoutent d’autres critères moins objectifs mais réels, dont le principal est la capacité de l’équipementier à concevoir, à intégrer et à maintenir des dispositifs à base de tubes fonctionnant sous très haute tension. Au fil des années, l’état solide montant en puissance dans tous les...
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