Brevet FR2678771A1 — publié le 19930108

Dispositif d'alimentation régulée à circuit passif. notamment pour tube à ondes progressives. L'invention concerne la régulation de tension. Elle s'applique notamment à l'alimentation en tension de charges susceptibles d'appels de courant impulsionnels, et plus particulièrement à des tubes hyperfréquence, tels que des tubes à ondes progressives, capables d'émission par impulsion. Les tubes à ondes progressives constituent un élément essentiel dans les systèmes radar qui les utilisent. Ils influent directement, de par leur construction, sur la phase des ondes émises. En effet, le transfert en phase d'un tel tube est sensible à ses tensions de polarisation, et notamment à la tension de cathode. Or, lors des impulsions d'émission, la tension de cathode chute de plusieurs dizaines de volts provoquant une modulation de phase parasite du signal émis, ce qui s'avère particulièrement gênant dans certaines applications nécéssitant une bonne pureté spectrale et une cohérence radar non dégradée de récurrence à récurrence. On ne connait pas à ce jour de solution à la fois simple et satisfaisante à ce problème. Le but principal de l'invention est de fournir une telle solution. L'invention propose à cet effet un dispositif d'alimentation régulée d'une structure simple et originale. Un autre but de l'invention est d'offrir un dispositif compatible avec la structure et le fonctionnement complexes des tubes hyperfréquences. L'invention a encore pour but de proposer un dispositif évitant dans une large mesure des modifications structurelles de l'alimentation du tube. Selon une caractéristique générale de l'invention, le dispositif d'alimentation régulée comprend des moyens de régulation, comportant un circuit inductif et un circuit résistif connectés en parallèle, branchés entre une entrée destinée à être reliée à une source de haute tension sensiblement continue, et une sortie propre à alimenter en tension la cathode d'un tube hyperfréquence susceptible d'émission par impulsions en générant des appels de courant impulsionnels correspondants; par ailleurs le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul (c'est-à-dire en dehors des appels de courant impulsionnels du tube) et les caractéristiques des moyens de régulation sont adaptés, compte tenu des caractéristiques temporelles des impulsions, pour délivrer, en présence desdits appels de courant, une tension de sortie régulée de niveau sensiblement constant et égal à un niveau nominal choisi en fonction des caractéristiques du tube et autorisant l'émission desdites impulsions. Selon un mode de réalisation, le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est supérieur audit niveau nominal choisi d'un écart de niveau au moins égal à la chute de tension dans la source, occasionnée lors de l'appel de courant du tube ; la valeur du circuit résistif est supérieure à un seuil prédéterminé dépendant de cet écart de niveau et du niveau de courant correspondant dans la cathode; la valeur du circuit inductif dépend directement de la valeur du circuit résistif et de la durée des impulsions. Les moyens de régulation peuvent comporter en outre un circuit additionnel résistif capacitif branché aux bornes des circuits inductif et résistif, dont les caractéristiques sont choisies en fonction de celles des circuits inductif et résistif et de la durée des impulsions. Selon un autre mode réalisation, la valeur inductive du circuit inductif décroît sensiblement linéairement en fonction du courant qui le traverse. A cet effet, le circuit inductif peut comporter au moins deux inductances saturables à des seuils de saturations différents. Le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est alors avantageusement supérieur audit niveau nominal choisi d'un écart de niveau au moins sensiblement égal à la chute de tension dans la source occasionnée lors de l'appel de courant du tube, compte tenu du résiduel de tension aux bornes du circuit inductif saturé. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 2A à 2C illustrent le fonctionnement du dispositif de la figure 1, - la figure 3 illustre un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 3A et 3B sont relatives au fonctionnement du dispositif de la figure 3, et - la figure 4 illustre une application de l'invention à un autre tube hyperfréquence. Les dessins comportent pour l'essentiel des éléments de caractère certain. A ce titre, ils font partie intégrante de la description et pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la description détaillée ci-après mais aussi contribuer, le cas échéant, à la définition de l'invention. Sur la figure 1, la référence SO désigne une source d'alimentation haute tension sensiblement continue, telle que celle décrite dans le Brevet français No 87 10922 au nom de la Demanderesse. Cette source SO délivre, entre les bornes BE1 et BE2 (en principe reliée à la masse), un niveau nominal de tension dont on précisera ci-après la valeur. Outre les deux bornes d'alimentation BE1 et BE2, il est prévu une ou plusieurs autres bornes d'alimentation BE3, ..., BE4 délivrant des niveaux de tension intermédiaires destinés à la polarisation d'un ou plusieurs collecteurs CO1, ..., C02 selon le type de tube à ondes progressives TOP utilisé. L'hélice H de ce tube est reliée à la borne d'alimentation BE2 tandis que la cathode K est propre à être reliée à la borne d'alimentation BE1. Le tube TOP est capable d'émission hyperfréquence par impulsions selon une fréquence de récurrence prédéterminée. Lors de chaque impulsion d'émission, le tube prélève de l'énergie à la source SO, ce qui provoque une chute de la tension cathode de plusieurs dizaines de volts entraînant une modulation de phase parasite du signal émis. L'homme du métier comprendra que cette chute de tension conduit notamment à deux inconvénients majeurs qui consistent - en une remontée des lobes secondaires de l'impulsion comprimée avec dégradation des performances radar du système incorporant un tel tube, et - en une dégradation de la cohérence de phase dans l'impulsion et a fortiori, de récurrence à récurrence (d'une impulsion à l'autre). Une solution à ce problème pourrait consister à augmenter la valeur des condensateurs de filtrage de la source d'alimentation. Cependant, cette augmentation conduirait à atteindre des quantités très importantes d'énergie stockée, dangereuses pour la sécurité d'un tube à ondes progressives. Par ailleurs, le volume des condensateurs qui seraient alors utilisés rendrait un tel équipement incompatible à son utilisation dans certaines applications où les contraintes de poids et de volume sont importantes. La solution apportée par le Demandeur est à la fois originale et simple et a en outre l'avantage de ne pas modifier en profondeur la structure de la source d'alimentation. Il est ainsi prévu d'insérer en flottant entre la borne d'alimentation BE1 et la cathode K du tube, des moyens de régulation MR comportant un circuit inductif L et un circuit résistif R connectés en parallèle. Par ailleurs, le niveau de la tension d'entrée délivrée en la borne BE1, à courant faible ou nul (c'est-à-dire en dehors des appels de courant impulsionnels du tube) et les caractéristiques de ces moyens de régulation sont adaptés, compte tenu des caractéristiques temporelles des impulsions (durée et fréquence de récurrence) pour délivrer en la borne de sortie BS reliée à la cathode K, en présence de ces appels de courant, une tension de sortie régulée VK de niveau sensiblement constant et égal à un niveau nominal choisi en fonction des caractéristiques du tube et autorisant l'émission des impulsions. Le montage flottant des moyens de régulation permet ainsi de ne pas utiliser des composants capables de tenir une très haute tension. D'une façon générale, et en première approximation, le niveau de la tension d'entrée VBE1 à courant faible ou nul est supérieur au niveau nominal choisi pour l'émission des impulsions, d'un écart de niveau AVK au moins sensiblement égal à la chute de tension dans la source occasionnée lors de l'appel de courant du tube. Par ailleurs, la valeur R du circuit résistif est supérieure ou égale à un seuil prédéterminé S dépendant de cet écart de niveau AVK et du niveau de courant IK correspondant dans la cathode. Plus précisément, la valeur R est supérieure ou égale au rapport AVK/IK. La valeur du circuit inductif L dépend quant à elle directement de la valeur du circuit résistif R et de la durée maximum prédéterminée des impulsions du tube At. Plus précisément, la valeur L est prise égale à R.At. Un tel circuit inductif résistif permet, lors des appels de courant impulsionnels du tube, de délivrer en la borne de sortie BS, et donc en la cathode K du tube, une tension de sortie d'un niveau sensiblement constant. Le niveau de la tension de sortie résulte de la compensation de deux phénomènes, à savoir une chute de tension linéaire de la source SO et une charge exponentielle de pente inverse dans le circuit inductif résistif. Cependant, l'homme du métier comprendra que la compensation d'un phénomène linéaire et d'un phénomène exponentiel ne permet en principe pas d'obtenir un niveau de tension de sortie parfaitement constant. Aussi, une solution pour améliorer le niveau de constance consisterait alors à augmenter la constante de temps du circuit LR. Cependant, le fait de l'augmenter conduirait à une perte de rendement, à une augmentation de la résistance R, donc à une augmentation de la puissance dissipée dans les moyens de régulation. La Demanderesse a alors observé qu'il était préférable de disposer un circuit additionnel résistif/capacitif aux bornes de la résistance R et de l'inductance L. Ce circuit additionnel comporte ainsi une résistance additionnelle RA disposée en série avec une capacité additionnelle CA. Les caractéristiques de cette résistance additionnelle et de cette capacité additionnelle sont choisies en fonction de celles des circuits inductif L et résistif R ainsi que de la durée maximale des impulsions At. Plus précisément, il a été observé qu'il était préférable de prendre une constante de temps RA.CA du circuit additionnel directement proportionnelle à la durée des impulsions, par exemple de l'ordre de 0,7.At. Des essais ont été effectués avec une inductance L de 320 micro Henry, une résistance R de 150 ohms, une résistance additionnelle RA de 155 ohms et une capacité additionnelle CA de 22 nanofarads. La tension de cathode VK choisie pour l'émission des impulsions est ici de -10800 volts, compte tenu des caractéristiques du tube. La durée des impulsions est ici de l'ordre de 6 microsecondes avec un facteur de forme de 2%. La chute de tension occasionnée pendant les appels de courant est de l'ordre de 75 volts. Aussi, le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul qui aurait pu être pris en théorie égal à -10875 volts a été pris ici égal à -10900 volts. Le fonctionnement du dispositif est illustré sur les figures 2A à 2C. Lors de l'appel de courant IK (ici égal à 1,5 A) du tube (figure 2A), la tension VBE1 (figure 2B) décroît linéairement de 10900 volts à environ -10800 volts. Au début de l'appel de courant, la tension à la cathode (VK) (figure 2c) chute très rapidement à environ -10800 volts, le courant passant pratiquement exclusivement dans la résistance R. Parallèlement, l'inductance L se charge et, au fur et à mesure du déroulement de l'impulsion, le courant passant dans l'inductance L devient de plus en plus important, réduisant par conséquent le courant dans la résistance R et minimisant la chute de tension. En conséquence, le niveau de tension de la cathode VK reste pratiquement constant à un niveau de l'ordre de -10800 volts, à +1 volt près. Le réseau RA CA est parcouru par un courant exponentiellement décroissant à l'opposé du courant exponentionnellement croissant circulant dans l'inductance L. Les potentiels respectifs aux bornes de ces deux réseaux délivrent des lois qui se compensent. Après l'impulsion, le niveau VBE1 de la tension d'entrée rejoint progressivement le niveau nominal de -10900 volts tandis que l'inductance L se décharge. A cet effet, il est préférable de choisir une constante de temps de décharge de cette inductance au plus égale au cinquième de la période de récurrence des impulsions, ce qui limite alors le facteur de forme du tube à environ 20%. Outre les moyens déjà décrits est prévue une résistance de protection RP limitant le courant en cas de court-circuit bref s'amorçant éventuellement dans le tube à ondes progressives. La valeur de cette résistance dépend des caractéristiques de ce tube. Bien entendu, il convient également de tenir compte de la valeur de cette résistance RP pour la détermination de la tension d'entrée VBE1. Par exemple, pour une résistance de 50 ohms conduisant à une chute de tension de 75 volts sous 1,5 Ampère, il convient d'augmenter encore le niveau de la tension d'entrée de la valeur de 75 volts. Ainsi, l'évolution réelle de la tension VK n'est pas modifiée par rapport à celle illustrée sur la figure 2C, mais elle est décalée de -75 volts. Par ailleurs, il est prévu de placer aux bornes de l'inductance L des moyens de protection en surtension des moyens de régulation. Ces moyens de protection sont par exemple une varistance VR à oxyde de zinc ZnO limitant la tension à une valeur de 400 volts. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation des moyens de régulation. Sur cette figure, les éléments analogues ou ayant des fonctions analogues à ceux de la figure 1 possèdent des références affectées d'un suffixe v par rapport à celles qu'ils avaient sur cette figure 1. Seules les différences entre ces deux figures seront décrites ci-après. Les Demandeurs ont observé que le niveau constant de la tension de sortie pouvait être également obtenu par un circuit inductif L-v dont la valeur inductive décroissait sensiblement linéairement en fonction du courant qui la traverse. En d'autres termes, la loi L(i) est sensiblement de la forme A-Bi. En pratique, cette inductance variable est obtenue à partir d'au moins deux inductances saturables, à des seuils de saturation différents. Dans ce mode de réalisation, le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est supérieur au niveau nominal choisi pour la tension de cathode, d'un écart de niveau sensiblement égal à la chute de tension dans la source occasionnée lors de l'appel de courant du tube, compte tenu également du résiduel de tension aux bornes du circuit inductif saturé. En effet, lorsque le noyau magnétique est saturé, il subsiste aux bornes de l'inductance un résiduel de tension correspondant à l'inductance résiduelle de cette inductance dans l'air. En d'autres termes, le niveau de la tension d'entrée VBE1 devra être augmenté de la chute de tension occasionnée dans le tube lors des appels de courant ainsi que de ce résiduel de tension. Dans l'exemple ici décrit, le circuit inductif L-V comporte quatre inductances L1-v, L2-v, L3-v et L4-v connectées en série, remarque étant faite que certaines au moins de ces inductances pourraient également être connectées en parallèle. Les valeurs respectives de ces inductances L1-v, L2-v, L3-v et L4-v sont égales à 1,2 millihenry. La valeur de la résistance R-v est prise égale à 90 ohms. Le résiduel de tension du circuit inductif est ici de l'ordre d'une dizaine de pourcent par rapport à la chute de tension de 75 volts occasionnée par l'appel de courant du tube. Aussi, le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est encore pris égal ici à -10900 volts. La valeur inductive du circuit inductif L suit l'évolution représentée sur la figure 3A et peut être approximée à une loi de la forme L = 5-0,74I où L est exprimée en millihenry et I en Ampère. La tension VK (figure 3B) est alors sensiblement constante à une valeur de l'ordre de -10800 volts à +/- 2 volts près. Un tel mode de réalisation permet d'éviter l'utilisation d'un circuit additionnel résistif capacitif de compensation. Il permet en outre d'atteindre des facteurs de forme de l'ordre de 30%. Bien entendu, les caractéristiques des moyens de régulation dans les deux modes de réalisation ci-dessus décrits, tiennent compte de l'impédance propre du tube à ondes progressives qui peut être assimilée à une résistance pure de l'ordre de 8000 ohms. L'invention s'applique également à l'alimentation de magnétrons qui ont une structure différente de celle des tubes à ondes progressives. Ainsi, comme illustré sur la figure 4, les moyens de régulation MR s'insèrent entre la borne d'alimentation BE1 de la source SO et la cathode K du magnétron tandis que l'anode de celui-ci est reliée à la deuxième borne BE2 de cette source d'alimentation. Un intérêt du dispositif selon l'invention réside dans sa grande simplicité, son efficacité, son faible rendement et son coût très bas. Il est par ailleurs d'une très grande robustesse en raison du caractère passif des composants le constituant. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation ci-dessus décrit mais en embrasse toutes les variantes contenues dans le cadre des revendications ci-après. Bien entendu, certains des moyens décrits ci-dessus peuvent être omis dans les variantes où ils ne servent pas. Revendications. 1. Dispositif d'alimentation régulée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation (MR), comportant un circuit inductif (L) et un circuit résistif (R) connectés en parallèle, branchés entre une entrée (BE1) destinée à être reliée à une source de haute tension sensiblement continue (SO), et une sortie (BS) propre à alimenter en tension la cathode (K) d'un tube hyperfréquence (TOP) susceptible d'émission par impulsions en générant des appels de courant impulsionnels correspondants, et en ce que le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul et les caractéristiques des moyens de régulation sont adaptés, compte tenu des caractéristiques temporelles des impulsions, pour délivrer, en présence desdits appels de courant, une tension de sortie régulée de niveau sensiblement constant et égal à un niveau nominal choisi en fonction des caractéristiques du tube et autorisant l'émission desdites impulsions. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence est un tube à ondes progressives (TOP), comportant au moins un collecteur, et en ce que la source haute tension comporte une première borne d'alimentation (BE1) connectée à ladite entrée pour l'alimentation de la cathode (K) du tube par l'intermédiaire de ladite sortie (BS) et des moyens de régulation (MR) montés flottants entre l'entrée et la sortie, une deuxième borne d'alimentation (BE2) connectée à l'hélice (H) du tube, et une (des) autre(s) borne(s) de polarisation-collecteur (BE3, BE4), située(s) entre les première et deuxième bornes d'alimentation et reliée(s) respectivement au(x) collecteur(s) (CO1, C02) du tube. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube hyperfréquence est un magnétron (MGN), et en ce que la source haute tension (SO) comporte deux bornes d'alimentation (BE1, BE2), une première borne d'alimentation (BE1) étant connectée à ladite entrée pour l'alimentation de la cathode (K) du magnétron par l'intermédiaire de ladite sortie et des moyens de régulation montés flottants entre l'entrée et la sortie, tandis qu'une deuxième borne d'alimentation (BE2) est connectée à l'anode (A) du magnétron. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est supérieur audit niveau nominal choisi d'un écart de niveau au moins sensiblement égal à la chute de tension dans la source occasionnée lors de l'appel de courant du tube, tandis que la valeur du circuit résistif est supérieur à un seuil prédéterminé dépendant de cet écart de niveau et du niveau de courant correspondant dans la cathode, et que la valeur du circuit inductif dépend directement de la valeur du circuit résistif et de la durée des impulsions. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de régulation (MR) comportent en outre un circuit additionnel résistif (RA) capacitif (CA) branché aux bornes des circuits inductif (L) et résistif (R), dont les caractéristiques sont choisies en fonction de celles des circuits inductif et résistif et de la durée des impulsions. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la constante de temps du circuit additionnel est directement proportionnelle à la durée des impulsions. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur inductive du circuit inductif décroit sensiblement linéairement en fonction du courant qui le traverse. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit inductif comporte au moins deux inductances saturables (Ll-v, L2-v, L3-v, L4-v) à des seuils de saturations différents. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le niveau de la tension d'entrée à courant faible ou nul est supérieur audit niveau nominal choisi d'un écart de niveau au moins sensiblement égal à la chute de tension dans la source occasionnée lors de l'appel de courant du tube, compte tenu du résiduel de tension aux bornes du circuit inductif saturé. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de protection en surtension (VR) des moyens de régulation.