Brevet FR2754384A1 — publié le 19980410

DISPOSITIF D'ACCORD EN FREQUENCE RAPIDE POUR TUBE HYPERFREQUENCE ET TUBE HYPERFREQUENCE EQUIPE DE CE DISPOSITIF La présente invention est relative à un dispositif d'accord en fréquence à action rapide pour tube hyperfréquence et un tube hyperfréquence équipée d'un tel dispositif. Ce dispositif s'applique notamment aux tubes de la famille des klystrons et plus particulièrement aux klystrons de moyenne puissance. Ces tubes sont utilisés en particulier comme étage de puissance d'un amplificateur de station terrestre destinée à émettre des signaux de télévision ou de télécommunication vers un satellite. Un klystron comporte de manière classique un canon à électrons qui produit un faisceau d'électrons long et fin à travers un corps formé d'une succession de cavités résonantes. Quatre à six cavités sont généralement utilisées. Un signal hyperfréquence à amplifier est injecté dans la première cavité. II interagit avec le faisceau d'électrons. II est récupéré amplifié dans la dernière cavité pendant que les électrons sont recueillis dans un collecteur situé en sortie de cette dernière cavité. Les klystrons, à l'inverse des tubes à ondes progressives qui sont aussi utilisés dans les stations d'émission terrestre, n'ont pas une bande passante instantanée très importante. Elle est de l'ordre de 10 à 100 MHz au maximum. II est toutefois possible de les faire fonctionner sur une plage de fréquences importante et de déplacer leur bande passante instantanée, beaucoup plus faible, à l'intérieur de cette plage de fréquence par accord de la fréquence centrale du tube, c'est à dire par réglage mécanique de la fréquence de résonance d'une ou plusieurs cavités du tube. Un dispositif d'accord en fréquence de type connu comporte un élément d'accord déplaçable à l'intérieur de chaque cavité devant être accordée. Cet élément d'accord fait varier soit la self, soit la capacité équivalente de la cavité. Cet élément peut être un piston qui fait varier le volume intérieur de la cavité ou une palette qui s'approche du faisceau d'électrons. Ces dispositifs d'accord en fréquence, grâce à une sélection manuelle ou motorisée permettent de retrouver une configuration pré réglée de la position des différents éléments d'accord, cette configuration étant appelée canal. Dans les gros klystrons, chaque élément d'accord est solidaire d'une tige filetée qui s'étend à l'extérieur de la cavité et qui peut être vissée ou dévissée manuellement. Pour faciliter le réglage d'un canal, chacun des éléments d'accord est associé à un compteur qui compte le nombre de tours de la tige filetée. Les indications des compteurs permettent de retrouver facilement une position particulière. Les éléments d'accord sont donc déplacés chacun leur tour. Le réglage de toutes les cavités d'un klystron prend environ 20 secondes et ce temps est bien trop long pour commuter d'un canal à un autre. De plus les frottements inévitables et l'hystérésis mécanique des pièces en mouvement rend ce dispositif peu précis. Un léger gain de temps a été obtenu en utilisant pour chacun des canaux, une mémorisation mécanique de la position des éléments d'accord à l'aide de butées. Ce dispositif d'accord comporte sur un chariot mobile plusieurs jeux de butées. Chacun des jeux compte une butée par élément d'accord. Les éléments d'accord viennent en appui sur les butées d'un des jeux. Pour changer de canal, il suffit d'éloigner les éléments d'accord des butées à l'aide d'un dispositif approprié, de changer le jeu de butées par déplacement du chariot et de remettre en appui les éléments d'accord sur les butées du nouveau jeu. Les éléments d'accord sont donc déplacés simultanément. Une compensation des frottements et de l'hystérésis mécanique est réalisée au moyen d'éléments élastiques. Le chariot porte-butées et le dispositif d'éloignement des éléments d'accord peuvent être actionnés à l'aide de moteurs ce qui remplace l'intervention humaine directe et fait gagner du temps. Toutefois, avec un tel dispositif, il n'est pas possible d'effectuer un changement de canal en moins de quatre secondes et ce temps est encore considéré comme trop long. De plus, ce dispositif est beaucoup plus complexe mécaniquement et plus fragile. La course imposée aux éléments d'accord lors de leur éloignement par rapport aux butées entraîne une fatigue mécanique non négligeable des parties en mouvement. Dans la version motorisée, si un incident survient tel que le chariot porte-butées dans une mauvaise position ou un élément d'accord bloqué, L'action des moteurs peut entraîner une détérioration d'une ou plusieurs butées, d'un ou plusieurs éléments d'accord et ce qui est plus grave d'une ou plusieurs cavités résonantes. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients cités ci-dessus et en particulier de réduire le temps de changement de canal à un temps très court, par exemple compris entre quelques centaines de millisecondes et la seconde, pour des klystrons fonctionnant entre 1 et 30 GHz. Ce temps de commutation très court permet de n'utiliser qu'un seul tube de secours. En effet, les stations d'émission fonctionnent avec plusieurs tubes principaux accordés sur des fréquences différentes. Avec les dispositifs d'accord mécaniques, il est prévu pour chaque tube principal un tube de secours accordé sur la fréquence du tube principal qu'il seconde. En cas de défaillance de l'un des tubes principaux, on commute le tube principal sur son tube de secours dans un temps de l'ordre de quelques centaines de millisecondes. Avec le dispositif d'accord selon l'invention, un seul et unique tube de secours peut être utilisé, il est accordé rapidement sur la fréquence requise avant de seconder le tube défaillant. II en résulte une réduction significative de l'investissement, des coûts de fonctionnement et de la surface au sol occupée par les équipements intégrant les tubes. Dans le dispositif d'accord selon l'invention, la mémorisation mécanique de la position des éléments d'accord par butées a été remplacée par un asservissement électronique de la position des éléments d'accord par rapport à une position de consigne. La présente invention propose donc un dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence ayant une ou plusieurs cavités résonantes à accorder à l'aide, pour chacune d'elles, d'un élément d'accord déplaçable. Ce dispositif d'accord comporte, pour chaque élément d'accord, des moyens d'actionnement et un capteur de la position de l'élément d'accord. Il comporte également des moyens électroniques de commande pour comparer la position de l'élément d'accord fournie par le capteur à une position de consigne et pour délivrer un signal de commande aux moyens d'actionnement qui déplacent l'élément d'accord jusqu'à la position de consigne. Les moyens électroniques de commande incluent un microprocesseur. La position de consigne est dans une configuration interessante sauvegardée dans un élément à mémoire électronique non volatile. Les moyens électroniques de commande peuvent acquérir la position de consigne dans l'élément à mémoire électronique. II est également possible que les moyens électroniques de commande calculent une ou plusieurs positions de consigne. Ce calcul peut se faire à partir d'une ou plusieurs positions sauvegardées dans l'élément à mémoire électronique ou à partir d'une ou plusieurs instructions fournies aux moyens électroniques de commande par un dispositif utilisateur auquel ils sont destinés à être reliés. Les moyens électroniques de commande sont aptes à sauvegarder les positions calculées dans l'élément à mémoire électronique. II est aussi envisageable que la position de consigne soit fournie aux moyens électroniques de commande directement par le dispositif utilisateur. Les moyens d'actionnement comportent un moteur associé, éventuellement si le moteur est rotatif, à un dispositif auxiliaire qui transforme le mouvement de rotation du moteur en un mouvement de translation communiqué à l'élément d'accord. II est intéressant, de manière à ce que le dispositif d'accord soit adaptable facilement sur un tube quelconque, de regrouper les dispositifs auxiliaires, s'il y en a, les capteurs de position et l'élément à mémoire électronique, en un module de positionnement fixé au tube. Les moyens électroniques de commande et les moteurs peuvent être regroupés en un module de commande qui peut être solidaire du module de positionnement. On peut également prévoir que les moyens électroniques de commande soient aptes à réaliser un test de sécurité qui interdit tout déplacement d'un élément d'accord en cas de détection d'une défaillance du capteur de position associé à cet élément d'accord. On peut aussi prévoir que les moyens électroniques de commande fonctionnent avec un mot de passe pour limiter l'accès aux commandes à risque comme les écritures dans l'élément à mémoire électronique et le déplacement des éléments d'accord. La présente invention concerne aussi un tube hyperfréquence qui utilise un tel dispositif d'accord. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description de modes de réalisation donnés à titre d'exemple non limitatifs et illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1: une vue en coupe d'un klystron équipé d'un dispositif d'accord de type connu; - la figure 2: une vue en coupe d'un klystron équipé d'un dispositif d'accord en fréquence conforme à l'invention; - la figure 3: une vue éclatée du klystron de la figure 2 équipé du dispositif d'accord. Le dispositif d'accord en fréquence du klystron de la figure 1 possède une mémorisation mécanique de la position des éléments d'accord à l'aide de butées. Les éléments d'accord sont dans tous les exemples décrits des pistons et ce terme est employé dans le reste de la description. II est bien sûr envisageable de remplacer ces pistons par des palettes ou toute autre pièce équivalente. Le klystron est représenté partiellement, son canon et son collecteur ont été omis car ils n'interviennent pas au niveau du dispositif d'accord. On ne voit que son corps 1 comportant une succession de cinq cavités 2 résonantes. Les cavités 2 sont reliées entre elles par des tubes de glissement 3. Leurs parois sont référencées 7. Le faisceau d'électrons 4, représenté en pointillés, traverse les cavités 2 les tubes de glissement 3 et est maintenu focalisé par un champ magnétique (non représenté). Le dispositif d'accord en fréquence comporte, par cavité à accorder, un piston 5 déplaçable à l'intérieur la cavité 2. Ce piston se termine, dans la cavité, par une partie 6 assurant un contact électrique mobile avec ses parois 7. Dans cet exemple, toutes les cavités sont équipées de pistons mais il est envisageable que certaines ne le soient pas. L'intérieur des cavités 2 est soumis au vide. De l'autre côté, le piston 5 se prolonge à l'extérieur de la cavité par une tige 8 qui permet de l'actionner. L'étanchéité au vide est assurée par un soufflet 9 métallique déformable, solidaire d'un côté des parois 7 de la cavité et de l'autre de la tige 8. Les tiges 8 des pistons 5 sont maintenues, en position de fonctionnement, poussées contre des butées 10 portées par un chariot 11 déplaçable grâce à un dispositif de maintien élastique 12. Le dispositif de maintien élastique 12 comporte une platine déplaçable 14 sur laquelle viennent s'appuyer des ressorts 13 qui sont comprimés dans cette position de fonctionnement. II y a autant de ressorts 13 que de tiges 8. Le chariot il porte-butées comporte plusieurs jeux de butées, chacun d'entre eux correspondant à un canal. Chaque jeu comporte autant de butées que de pistons. Le chariot peut être de forme quadrangulaire et se déplacer en translation comme l'illustre la figure 1 ou bien en forme de roue, et se déplacer en rotation. Plusieurs canaux peuvent ainsi être pré-réglés mais leur nombre est limité par manque de place. Vingt quatre canaux sont actuellement un maximum. Les butées 10 peuvent être réalisées par des vis plus ou moins enfoncées à travers le chariot 11. Pour changer de canal, il faut libérer les butées 10 de la pression exercée par les tiges 8. Pour cela, la platine 14 est actionnée à l'aide d'un arbre de sa position verrouillée où les ressorts 13 sont comprimés à une position déverrouillée où les ressorts 13 sont détendus, de manière à éloigner les tiges 8 des butées 10. Le chariot 11 portebutées est alors libre et il peut être déplacé en translation par un système pignon-crémaillère 18 pour amener un autre jeu de butées 10 en face des tiges 8. Une action inverse sur la platine 14 jusqu'à la position verrouillée permet de comprimer les ressorts 13 afin que les tiges 8 viennent en appui sur le nouveau jeu de butées 10. L'actionnement du chariot 11 porte-butées et de la platine 14 peut être réalisé avec l'aide de moteurs 16 ce qui permet de se passer de l'intervention humaine directe. Le dispositif d'accord en fréquence dans son ensemble est solidaire d'une embase 17 fixée au corps 1 du tube. La figure 2 montre à la manière de la figure 1, un klystron équipé d'un dispositif d'accord selon l'invention. Les éléments référencés de 1 à 9 sont les mêmes que sur la figure 1. La figure 3 peut être regardée en même temps que la figure 2 car elle la complète. Le dispositif d'accord en fréquence comporte, pour chaque cavité 2 à accorder, un élément d'accord représenté sous la forme d'un piston 5 qui est actionné à l'aide de moyens d'actionnement 20, 24. Ces moyens d'actionnement comportent, par piston 5 un moteur 20 qui s'il est rotatif est associé à un dispositif auxiliaire 24. Le dispositif auxiliaire 24, par exemple du type vis-écrou, transforme le mouvement de rotation du moteur en un mouvement de translation appliqué au piston 5. On utilise autant de moteurs 20 et de dispositifs auxiliaires 24 que de pistons 5. On peut se passer du dispositif auxiliaire si le moteur est linéaire. Sur la figure 2, les dispositifs auxiliaires ne sont pas représentés raccordés aux moteurs 20, car les moteurs et les dispositifs auxiliaires peuvent faire partie de modules différents comme on le verra sur la figure 3. Les efforts à fournir pour le déplacement des pistons 5 étant minimes, de très petits moteurs peuvent être utilisés et leur encombrement est suffisamment faible pour qu'on puisse les placer relativement près des pistons 5, le dispositif auxiliaire 24 étant aussi compact que possible. Un capteur de position 21 coopère avec chacun des pistons 5. II donne en permanence la position du piston 5 avec lequel il coopère. Le capteur de position peut être par exemple de type potentiomètre de recopie. La mesure est faite à l'extérieur de la cavité. Le dispositif d'accord comporte des moyens électroniques de commande 34 qui comparent la position mesurée à une position de consigne et qui délivrent un signal de commande aux moyens d'actionnement 20, 24. Les moyens d'actionnement 20, 24 déplacent l'élément d'accord 5 jusqu'à la position de consigne. La position de consigne peut être sauvegardée dans un élément à mémoire électronique 23 non volatile, par exemple une mémoire EEPROM. Cet élément à mémoire électronique 23 lorsqu'il est chargé est spécifique au tube avec lequel il coopère. Plusieurs jeux de positions de consigne correspondant à plusieurs canaux, peuvent être stockés dans l'élément à mémoire électronique 23. Leur nombre n'est pas limité comme dans la configuration de la figure 1. Les capteurs de position 21 en mesurant directement la position des pistons 5 permettent d'améliorer la précision du dispositif d'accord, puisqu'il est possible d'éliminer les jeux mécaniques introduits notamment par le dispositif auxiliaire 24. Un changement de canal s'effectue par l'acquisition, pour chaque piston à déplacer, d'une position de consigne, par comparaison de cette position à la position mesurée par le capteur 21 associé à ce piston 5 et par actionnement du moteur 20 correspondant jusqu'à ce qu'il y ait égalité entre la position mesurée et la position de consigne. En plus du gain en temps très appréciable, un gain en fiabilité est obtenu par rapport aux dispositifs d'accord à mémorisation mécanique car un changement de canal entraîne beaucoup moins de pièces mécaniques en mouvement. Sur l'exemple de la figure 3, le corps 1 du klystron est en forme de parallélépipède. Le collecteur 30 est visible ici et est de forme cylindrique. Le dispositif d'accord en fréquence, à l'exception des pistons 5 qui sont montés dans les cavités au cours de l'assemblage des différents éléments du tube et dont les tiges 8 émergent des cavités, est réparti en deux modules. L'un des modules dit de positionnement 31 comporte une embase 32 fixée sur le corps 1 du tube sur laquelle vient se fixer l'autre module 33 dit de commande. Sur un klystron déjà équipé d'un dispositif d'accord à mémorisation mécanique, le module de positionnement 31 peut être installé sans problème en remplacement du dispositif d'accord existant. L'embase 32 du module de positionnement 31 porte l'élément à mémoire électronique 23, les capteurs de position 21 et les dispositifs auxiliaires 24 (s'ils existent) qui viennent se fixer sur les tiges 8 des pistons 5. Sur la figure 3, les capteurs de position ne sont pas visibles. Ce module de positionnement 31 est spécifique à un tube particulier lorsque des positions de consigne ont été sauvegardées dans l'élément à mémoire électronique 23. Le module de commande 33 que l'on peut raccorder électriquement et mécaniquement au module de positionnement 31 comporte les moteurs 20, et les moyens électroniques de commande 34. Ces moyens électroniques de commande 34 sont représentés sous la forme d'une carte électronique avec un microprocesseur 35 et un dispositif comparateur 22 qui reçoit notamment les positions mesurées par les capteurs 21 et les positions de consigne. Le microprocesseur est piloté par un logiciel intégré approprié. Les moyens électroniques de commande 34 sont destinés à recevoir des instructions d'un dispositif utilisateur 37. Une liaison 36, par exemple une liaison série de type RS232-422, est prévue pour la connexion entre les moyens électroniques de commande 34 et le dispositif utilisateur 37 qui peut être un calculateur. Ces moyens électroniques de commande 34 sont prévus pour gérer l'élément à mémoire électronique 23 en lecture. Lorsqu'ils reçoivent une instruction de commutation d'un canal vers un autre pré-réglé dans l'élément à mémoire électronique 23, ils acquièrent dans l'élément à mémoire électronique 23, pour chaque piston à déplacer, la position de consigne correspondant au nouveau canal et ils la comparent à la position mesurée par le capteur 21 correspondant. Ils délivrent un signal de commande aux moyens d'actionnement du piston correspondant. L'accord du tube sur un nouveau canal qui n'a pas été préréglé initialement peut être réalisé automatiquement par le dispositif d'accord selon l'invention. Les moyens électroniques de commande 34 sont prévus pour calculer une ou plusieurs nouvelles positions de consigne, correspondant à ce nouveau canal, à partir d'une ou plusieurs positions de consigne déjà sauvegardées dans l'élément à mémoire électronique 23 par interpolation etlou extrapolation. Après comparaison avec les positions mesurées, les pistons 5 sont actionnés jusqu'à ce qu'ils prennent les positions calculées. Cette possibilité de calcul facilite les opérations de maintenance et d'exploitation. Au lieu que le calcul soit effectué à partir de positions déjà sauvegardées dans l'élément à mémoire électronique, il est possible que les moyens électroniques de commande utilisent, pour le calcul, des instructions fournies directement par le dispositif utilisateur 37. Les moyens électroniques de commande 34 peuvent aussi gérer l'élément à mémoire électronique 23 en écriture et aller écrire dans l'élément à mémoire électronique 23, si le dispositif utilisateur 37 le demande, les positions calculées précédemment. L'accord enfin peut se faire, sans calcul, à partir d'une position de consigne fournie par le dispositif utilisateur 37. Cette position peut éventuellement être sauvegardée dans l'élément à mémoire électronique 23 par les moyens électroniques de commande 34. Les moyens électroniques de commande 34 peuvent réaliser un test de sécurité qui détecte toute anomalie au niveau des capteurs de position 21 et qui empêche le déplacement du piston 5 associé au capteur détecté défaillant, ces anomalies sont notamment la panne du capteur, la mesure d'une position hors limites d'utilisation, une panne de son alimentation etc. mesure d'une position hors limites d'utilisation, une panne de son alimentation etc. On peut prévoir que les moyens électronique de commande 34 fonctionnent avec un mot de passe de manière à limiter l'accès aux commandes à risque telles que l'écriture dans l'élément à mémoire électronique et le déplacement des pistons. Le dispositif d'accord en fréquence selon l'invention peut fonctionner dans trois contextes différents avec des dispositifs utilisateurs différents. En usine, pendant la phase de réglage du tube, le dispositif d'accord en fréquence est relié à un calculateur qui détermine à partir des essais auquel le tube est soumis, des positions de consigne correspondant à un ou plusieurs canaux du tube, ces positions de consigne étant stockées dans l'élément à mémoire électronique. En exploitation, dans l'application amplificateur pour station émettrice terrestre, le dispositif d'accord en fréquence peut être relié au bus de gestion interne de l'amplificateur, et recevoir des instructions du système de gestion de l'amplificateur ou du système de gestion de la station émettrice via l'amplificateur. En maintenance, le dispositif d'accord relié à un calculateur convenablement programmé, portable par exemple, peut être reconfiguré en fonction du futur environnement dans lequel il va être utilisé. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence ayant une ou plusieurs cavités (2) résonantes à accorder à l'aide, pour chacune d'elles, d'un élément d'accord (5) déplaçable, caractérisé en ce que le dispositif d'accord comporte, pour chaque élément d'accord (5), des moyens d'actionnement (20, 24) et un capteur (21) de la position de l'élément d'accord (5), des moyens électroniques de commande (34) étant prévus pour comparer la position mesurée par le capteur (21) à une position de consigne et pour délivrer un signal de commande aux moyens d'actionnement (20, 24) qui déplacent l'élément d'accord (5) jusqu'à la position de consigne. 2. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande (34) comportent un microprocesseur (35). 3. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la position de consigne est sauvegardée dans un élément à mémoire électronique (23). 4. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la position de consigne est calculée par les moyens électroniques de commande (34). 5. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calcul est fait à partir d'une ou plusieurs positions sauvegardées dans l'élément à mémoire électronique (23). 6. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon la revendication 4, caractérisé en ce que le calcul est fait à partir d'une ou plusieurs instructions délivrées par un dispositif utilisateur (37) auquel les moyens électroniques de commande (34) sont destinés à être reliés. 7. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 6, dont les moyens électroniques de commande sont destinés à être reliés à un dispositif utilisateur (37), caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande (34) reçoivent la position de consigne du dispositif utilisateur (37). 8. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande (34) sauvegardent dans l'élément à mémoire électronique (23) la position de consigne calculée ou reçue. 9. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement (20, 24) comportent un moteur (20) éventuellement associé à un dispositif auxiliaire (24) si le moteur est rotatif, le dispositif auxiliaire (24) transformant le mouvement de rotation du moteur en un mouvement de translation communiqué à l'élément d'accord (5). 10 . Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les capteurs de position (21), I'élément à mémoire électronique (23) et éventuellement les dispositifs auxiliaires (24) sont regroupés en un module de positionnement (31) fixé au tube hyperfréquence. Il . Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande (34) et les moteurs (20) sont regroupés en un module de commande (33). 12. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon la revendication 11, caractérisé en ce que le module de commande (33) est solidaire du module de positionnement (31). 13. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens électroniques de commande (34) sont aptes à réaliser un test de sécurité qui interdit tout déplacement d'un élément d'accord (5), en cas de détection d'une défaillance du capteur de position (21) associé à cet élément d'accord (5) . 14. Dispositif d'accord en fréquence pour tube hyperfréquence selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en que les moyens électroniques de commande (34) fonctionnent avec un mot de passe. 15 Tube hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'accord en fréquence selon l'une des revendications 1 à 14.