Brevet FR2699022A1 — publié le 19940610

La présente invention concerne un amplificateur à tube à onde progressive et, plus particulièrement, un amplificateur à tube à onde progressive dans lequel le potentiel de collecteur du tube à onde progressive est fixé à une valeur plus basse que le potentiel de corps de façon à permettre le fonctionnement de l'amplificateur à tube à onde progressive. Dans un amplificateur à tube à onde progressive qui utilise un tube à onde progressive doté d'un collecteur en cuvette, la tension appliquée entre la cathode et le circuit d'interaction du tube à onde progressive, c'est-à-dire la tension de corps Vb, est généralement fixée à une valeur égale à une tension synchrone du type petits signaux Vbs, c'est-à-dire une tension de corps pour laquelle le gain en petits signaux est rendu maximal à la fréquence de fonctionnement lorsque le courant de cathode est maintenu constant Selon les conditions, la tension de corps Vb est fixée à une valeur légèrement supérieure à la tension synchrone en petits signaux Vbs ou bien égale à une tension Vbe pour laquelle le rendement électronique ie du type à onde progressive est rendu maximal, ou bien elle est fixée à une valeur intermédiaire entre la tension synchrone en petits signaux Vbs et la tension Vbe, ou plus. Dans ce cas, le rendement électronique qle est le rendement de conversion de l'énergie cinétique d'un faisceau électronique en énergie de l'onde de radiofréquence, et il est défini par l'équation suivante: se = Po/(Vb Ik) o Po est la puissance de sortie RF à saturation, Vb est le potentiel de corps, et Ik est le courant de cathode On note que l'expression "petits signaux" signifie que la tension de sortie RF est négligeable par rapport à la puissance du faisceau électronique (Vb Ik). Lorsque la tension de corps Vb est fixée à une valeur égale à la tension synchrone en petits signaux Vbs, on ne peut pas obtenir un gain élevé Lorsque la tension de corps Vb est fixée à une valeur égale à la tension Vbe pour laquelle le rendement électronique ee est rendu maximal ou à une valeur légèrement supérieure à la tension Vbe, le courant de cathode peut être minimisé, et on peut obtenir une longue durée de vie. La tension de corps Vb d'un tube à onde progressive classique est définie à partir du point de vue ci-dessus exposé De façon générale, on comprendra que le rendement de l'amplificateur à tube à onde progressive est déterminé, si l'on met de côté le rendement de l'alimentation électrique et les pertes de transmission entre la partie de sortie du tube à onde progressive (TOP) et de la partie de sortie de l'amplificateur à TOP, par le "rendement de tube" -qt du tube à onde progressive, c'est-à-dire le rapport de la puissance de sortie RF du tube à onde progressive à sa consommation totale de puissance On souhaite augmenter le rendement de tube qt du tube à onde progressive par un procédé quelconque pour pouvoir augmenter le rendement de l'amplificateur à tube à onde progressive. C'est un but de l'invention de produire un amplificateur à tube à onde progressive qui soit en mesure d'augmenter le rendement de tube qt du tube à onde progressive par comparaison avec les dispositifs classiques, afin d'augmenter le rendement de l'amplificateur à TOP lui-même. Dans un amplificateur à tube à onde progressive classique, on fixe la tension de corps Vb de façon à augmenter le gain d'amplification ou à prolonger la durée de vie de l'appareil Selon l'invention, il a été découvert que le rendement total de l'amplificateur à tube à onde progressive n'était pas nécessairement optimisé lorsque le tube à onde progressive fonctionnait à une tension de corps Vb déterminée par le procédé classique De ce point de vue, selon la présente invention, il est proposé un amplificateur à tube à onde progressive comprenant un tube à onde progressive qui possède un collecteur en cuvette doté de plusieurs électrodes de collecteur, c'est-à-dire ce que l'on appelle de façon générale un "collecteur en cuvette à plusieurs étages", et une alimentation électrique servant à fournir une tension de fonctionnement au tube à onde progressive, o la tension de corps relative à la cathode du tube à onde progressive est fixée de façon à être inférieure à une tension synchrone du type petits signaux pour laquelle le gain en petits signaux du tube à onde progressive est rendu maximal. Dans l'amplificateur à tube à onde progressive selon l'invention, le rendement de tube du tube à onde progressive peut être augmenté par comparaison avec les dispositifs classiques et, par conséquent, on peut obtenir un fonctionnement à rendement élevé pour l'amplificateur à tube à onde progressive dans son ensemble. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue simplifiée montrant la disposition d'un amplificateur à tube à onde progressive selon un mode de réalisation de l'invention; les figures 2 A, 2 B et 2 C sont des graphes servant à expliquer l'effet obtenu avec l'amplificateur à tube à onde progressive représenté sur la figure 1; et la figure 3 est un graphe servant à expliquer l'effet obtenu avec un amplificateur à tube à onde progressive selon l'invention. La disposition générale d'un amplificateur à tube à onde progressive selon l'invention est présentée sur la figure 1 Comme on peut le voir sur cette figure, le numéro de référence 1 désigne un circuit d'interaction, constitué par un circuit à onde lente du type à cavités couplées qui sert à ralentir une onde RF transmise, de façon à amener l'onde RF à interagir avec le faisceau électronique; le numéro 2 désigne un collecteur incorporant plusieurs électrodes de collecteur destinées à recueillir, ou collecter, des électrons; le numéro 3 désigne une partie de sortie RF servant à délivrer une onde RF amplifiée; le numéro 4 désigne une partie d'entrée RF servant à recevoir une onde RF; le numéro 5 désigne une cathode servant à émettre des électrons; le numéro 6 désigne un élément chauffant, qui sert à chauffer la cathode 5; le numéro 7 désigne une anode servant à accélérer et à concentrer les électrons venant de la cathode; le numéro 8 désigne un circuit d'alimentation électrique; et le numéro 9 désigne un faisceau d'électrons. Le symbole de référence Vf désigne l'alimentation électrique de l'élément chauffant; le symbole Va désigne l'alimentation électrique de l'anode, servant à appliquer une tension d'accélération de faisceau entre la cathode et l'anode; le symbole Vb désigne l'alimentation en tension de corps, servant à appliquer une tension d'accélération entre la cathode et le circuit d'interaction; et le symbole Vc désigne l'alimentation électrique du collecteur, servant à appliquer une tension à chacune des électrodes du collecteur Dans ce cas, les tensions de collecteur Vcl à Vc 4 relative à la cathode sont fixées à des valeurs inférieures à la tension de corps Vb relative à la cathode, les tensions de collecteur Vcl à Vc 4 étant fixées de manière à présenter la relation Vcl > Vc 2 > Vc 3 > Vc 4 On notera que les tensions représentent ci- après des valeurs prises par rapport au potentiel de la cathode, sauf indication contraire. Dans le mode de réalisation de l'amplificateur à tube à onde progressive selon l'invention, les tensions de collecteur sont fixées à des valeurs plus basses que la tension de corps permettant le fonctionnement de l'amplificateur à tube à onde progressive, et la tension de corps est fixée à une valeur inférieure à une tension synchrone de petits signaux pour laquelle le gain en petits signaux du tube à onde progressive est rendu maximal pour le fonctionnement de l'amplificateur à tube à onde progressive Lorsque les tensions de fonctionnement ont été fixées comme ci-dessus indiquées, on peut obtenir les caractéristiques représentées sur les figures 2 A, 2 B et 2 C Les figures 2 A, 2 B et 2 C représentent respectivement la variation du rendement de tube qlt, la variation du rendement électronique -le et la variation du gain en petits signaux Gss du tube à onde progressive du type à collecteur en cuvette à quatre étages, en fonction de la tension de corps Vb Dans ce cas, la puissance de sortie RF à saturation Po du tube à onde progressive est maintenue constante pour chaque valeur de la tension de corps, par ajustement de la tension d'anode. Comme on peut le voir sur la figure 2 B, la tension de corps Vbe pour laquelle le rendement électronique qe du tube à onde progressive est rendu maximal vaut 12,05 k V Comme on peut le voir sur la figure 2 C, la tension de corps Vb pour laquelle le gain en petits signaux du tube à onde progressive est rendu maximal vaut 12,0 k V, et cette valeur est légèrement inférieure à la tension Vbe Au contraire, comme on peut le voir sur la figure 2 A, lorsque la tension de corps Vb est inférieure aux tensions Vbs et Vbe, c'est-à-dire vaut 11,8 k V, le rendement de tube rlt est rendu maximal Par conséquent, lorsqu'on fixe la tension de corps à la valeur Vbt pour laquelle le rendement de tube peut être rendu maximal, on peut augmenter le rendement de l'amplificateur à tube à onde progressive dans son ensemble à un niveau plus élevé que celui d'un dispositif classique, d'environ 1 % ou plus Cette augmentation de rendement est proche de la valeur que l'on obtient en augmentant le nombre des électrodes de collecteur du collecteur en cuvette et en le faisant passer de 4 à 5 On notera que, même si l'on augmente d'une unité le nombre des électrodes de collecteur, le nombre de pièces, la taille, le poids du TOP et le nombre de sources d'alimentation électrique du collecteur augmentent Pour cette raison, il faut éviter d'augmenter le nombre des électrodes de collecteur dans un amplificateur à tube à onde progressive qui est installé dans un satellite Par conséquent, l'efficacité de l'invention est évidente. La figure 3 montre la variation du rendement de tube -lt en fonction de la tension de corps Vb lorsqu'on modifie le nombre d'électrodes de collecteur incorporées dans le collecteur en cuvette On obtient la courbe C 2 de la figure 3 lorsqu'on utilise un collecteur en cuvette à deux étages, la courbe C 3 lorsqu'on utilise un collecteur en cuvette à trois étages, et la courbe C 4 lorsqu'on utilise un collecteur en cuvette à quatre étages On note que le rapport des tensions appliquées aux électrodes de collecteur est un rapport entier eu égard à la simplification de la source d'alimentation électrique du collecteur et que Vel est réglé sur la tension optimale pour laquelle on peut obtenir un rendement maximal à chaque tension de corps Vb Ainsi, dans le cas o l'on utilise un collecteur en cuvette à deux étages (C 2), lorsque la tension appliquée à la première électrode de collecteur, qui est l'électrode la plus rapprochée du circuit d'interaction, est fixée à Vcl, et que la tension appliquée à la deuxième électrode de collecteur, venant juste après la première électrode de collecteur, est fixée à Vc 2, alors la relation Vc 1: Vc 2 = 2: 1 est satisfaite De la même façon, dans le cas o l'on utilise un collecteur en cuvette à trois étages (C 3), le rapport des tensions appliquées aux trois électrodes de collecteur respectives est fixé de façon que Vcl: Vc 2: Vc 3 = 3: 2 1 En outre, dans le cas o on utilise un collecteur en cuvette à quatre étages (C 4), le rapport des tensions appliquées aux quatre électrodes de collecteur est fixé de façon que Vcl: Vc 2: Vc 3: Vc 4 = 5: 4: 2: 1. Ce cas correspond presque à la caractéristique représentée sur la figure 2 A. Comme on peut le voir sur la figure 3, dans le cas o on utilise un collecteur en cuvette à deux étages (C 2), la tension de corps vaut environ 11,95 k V, c'est-à-dire qu'elle est légèrement inférieure à la tension synchrone en petits signaux Vbs ( 12,0 k V) pour laquelle le gain en petits signaux est rendu maximal, et le rendement de tube qt devient maximal ( 46,6 %) Dans le cas o on utilise un collecteur en cuvette à trois étages (C 3), lorsque la tension de corps vaut environ 11,9 k V, c'est-à-dire est inférieure, de 0,1 k V, à la tension synchrone en petits signaux Vbs, le rendement de tube Tit devient maximal ( 48,7 %) En outre, dans le cas o on utilise un collecteur en cuvette à quatre étages (C 4), lorsque la tension de corps vaut 11,8 k V, c'est-à-dire est encore plus inférieure à la tension synchrone en petits signaux Vbs, le rendement de tube rlt devient maximal ( 50,8 %) Plus spécialement, dans le cas o on utilise le collecteur en cuvette à quatre étages (C 4), la tension de corps Vb par rapport à la cathode est fixée à 11,8 k V, la tension de la première électrode de collecteur, celle qui est la plus proche du circuit d'interaction, par rapport à la cathode est fixée à la valeur de 6,8 k V optimale pour le rendement, la tension de la deuxième électrode de collecteur, située du côté aval de la première électrode de collecteur, est fixée à 5,44 k V, la tension de la troisième électrode de collecteur est fixée à 2,72 k V, et la tension de la quatrième électrode de collecteur, celle de l'étage final, est fixée à 1,36 k V Dans ce cas, on peut obtenir le rendement maximal. Comme décrit ci-dessus, le fait suivant est confirmé Ainsi, lorsque deux ou plus de deux électrodes de collecteur ont été incorporées et que l'on a fixé la tension de corps à une valeur inférieure à la tension synchrone en petits signaux Vbs, pour laquelle le gain en petits signaux du tube à onde progressive est rendu maximal, on peut augmenter le rendement de tube Plus spécialement, lorsque trois ou plus de trois électrodes de collecteur ont été incorporées, on fixe la tension de corps à une valeur inférieure à 99,5 % ( 11,95 k V dans cet exemple) de la tension de synchronisation en petits signaux Vbs, de manière à faire fonctionner l'amplifi- cateur à tube à onde progressive Cette opération est celle qui est préférable pour l'obtention d'un rendement élevé. Comme circuit d'interaction du tube à onde progressive, on peut employer un circuit à onde lente du type à hélice De plus, lorsqu'on utilise comme circuit d'interaction du tube à onde progressive un circuit à onde lente du type à variation régulière de la vitesse, dans lequel la vitesse de phase est graduellement augmentée ou diminuée dans la partie médiane du circuit à onde lente ou dans une région proche d'une partie de sortie, on peut obtenir l'effet ci-dessus indiqué de manière plus fiable. Comme ci-dessus indiqué, avec l'invention, on peut augmenter de manière fiable, par rapport aux dispositifs connus, le rendement de tube du tube à onde progressive et, par conséquent, le rendement de l'amplificateur à tube à onde progressive dans son ensemble. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'amplificateur dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Amplificateur à tube à onde progressive, caractérisé en ce qu'il comprend: un tube à onde progressive comportant un ensemble canon à électrons qui possède une cathode servant à décharger des électrons, un circuit d'interaction, doté d'un circuit à onde lente, servant à transmettre une onde RF et provoquant l'interaction de l'onde RF avec un faisceau électronique, et plusieurs électrodes de collecteur servant à recueillir le faisceau électronique; et une alimentation électrique servant à appliquer des tensions de fonctionnement audit tube à onde progressive, caractérisé en ce que les tensions desdites électrodes de collecteur ( 2) par rapport à ladite cathode ( 5) sont fixées à une valeur inférieure à la tension de corps dudit circuit d'interaction ( 1) par rapport à ladite cathode ( 5) dudit tube à onde progressive, et la tension de corps, par rapport à ladite cathode ( 5), dudit tube à onde progressive est fixée à une valeur inférieure à la tension synchrone en petits signaux pour laquelle le gain en petits signaux dudit tube à onde progressive est rendu maximal. 2 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit tube à onde progressive ne comprend pas moins de trois électrodes de collecteur ( 2), et la tension de corps, par rapport à ladite cathode ( 5) est fixée à une valeur qui n'est pas supérieure à 99,5 % du signal de synchronisation en petits signaux. 3 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'interaction ( 1) dudit tube à onde progressive est un circuit à onde lente du type à cavités couplées. 4 Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'interaction ( 1) dudit tube à onde progressive est un circuit à onde lente du type à hélice. Amplificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit circuit d'interaction ( 1) dudit tube à onde progressive est un circuit à onde lente variant progressivement en vitesse de phase.