Brevet FR2771563A1 — publié le 19990528

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif d'alimentation réglable pour tube d'émission radioélectrique qui permet d' importantes économies d'énergie. La présente invention est particulièrement applicable aux émetteurs de transmission par satellite utilisant des tubes de type klystron qu'ils soient utilisés seuls, groupés en fonctionnement 1+1 (1 appareil émet, le second est en secours) ou l+n (1 appareil secours pour n appareils qui émettent). Le niveau de puissance radioélectrique tient compte de marges importantes [cas le plus défavorable d'affaiblissement dans l'atmosphère, fonctionnement à puissance réduite pour optimisation de la linéarité]. Le tube fonctionne donc le plus souvent très en deçà de sa puissance maximale. Or la tension à laquelle il est polarisé ainsi que la consommation d'énergie permanente qui en découle restent celles qui autorisent cette puissance maximale. Disposer d'une alimentation réglable permet d'optimiser la consommation d'énergie de chaque émetteur en fonction des besoins réels d'émission en polarisant de façon optimale le tube. D'autre part, le dispositif proposé permet de minimiser le temps de commutation entre modes "normal" et "secours" pour un même équipement. Le principe de fonctionnement de la présente invention peut être facilement étendu à tous les dispositifs amplificateurs de puissance à tubes électroniques. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Ce chapitre décrit l'état de l'art constaté sur les émetteurs répondant aux caractéristiques du domaine privilégié d'application. La performance améliorée par la présente invention est la consommation d'énergie d'une chaîne complète d'émission comprenant une ou des appareils en fonctionnement normal et un appareil en secours. Les tubes électroniques hyperfréquence sont fréquemment utilisés pour des raisons de linéarité de transmission, à une puissance radio réduite (typiquement 10 à 20% de leur puissance spécifiée à saturation) voire même à puissance nulle dans le cas des appareils en secours. En effet, le temps de chauffage très long (5 minutes) de ces tubes oblige à maintenir polarisés en permanence les appareils en secours. Les alimentations antérieures ne permettent qu'une faible plage de réglage de la tension du tube (de l'ordre de 10%). Les alimentations réglables sur 80% de la valeur par exemple à commande de type numérique, qui constituent un exemple d'implémentation de la présente invention, permettent un gain de 50% de la consommation d'énergie pour un tube utilisé à 10% de sa puissance nominale, et un gain de 90% pour un tube utilisé en secours. EXPOSE DE L'INVENTION La figure 1 représente la description fonctionnelle d'un amplificateur de puissance à klystron y compris le dispositif d'alimentation réglable, l'objet de l'invention. Le signal radiofréquence (1) à amplifier est appliqué au tube klystron qui élève la puissance du signal de sortie (3) au niveau nécessaire à l'utilisation. Le tube klystron est polarisé par deux alimentations qui lui fournissent deux tensions continues, réalisées par conversion à partir de l'énergie fournie par le réseau de la station (source de tension généralement alternative triphasée). La première (4) assure (en basse tension) le chauffage de la cathode du klystron, la seconde (5) est la source principale qui fournit (en haute tension) l'énergie nécessaire à l'amplification du signal radiofréquence. Cette alimentation haute tension est régulée et asservie à une référence de tension réglable Vref (6). Le principe de fonctionnement d'un klystron impose les impératifs suivants - Le chauffage de la cathode doit être assuré plusieurs minutes avant l'application de la haute tension - Le chauffage de la cathode ne doit pas être maintenu hors présence de haute tension sous risque de polluer la cathode, mais peut être maintenu indéfiniment avec haute tension réduite à x %. Le principe d'économie d'énergie faisant l'objet de la présente invention est particulièrement adapté à un amplificateur à klystron utilisé soit en mode normal, soit en mode secours. En mode normal, l'amplificateur à klystron émet une porteuse de trafic à une puissance radio fréquence bien en dessous du point de saturation. En mode secours, l'amplificateur à klystron est placé en redondance d'un ou plusieurs klystrons en mode normal et est susceptible de remplacer à tout moment l'un quelconque des amplificateurs à klystrons en mode normal. Le principe de fonctionnement d'un klystron permet d'écrire les relations suivantes entre puissance de sortie à saturation (pus) puissance consommée (Pc) et haute tension (VA) Pc = kVA5/2 ; Ps = # VAU OÙ k, # et m dépendent de la technologie du klystron. Cas d'un amplificateur en mode normal On voit donc que s'il est possible de réduire la puissance disponible de n dB à P1 en réduisant la tension à VAl On déduit m étant une constante dépendante du tube, on voit que la puissance consommée peut être d'autant plus réduite que la puissance à saturation est réduite et que le gain en consommation sera maximal à la tension minimale autorisée de fonctionnement. Cas d'un amplificateur en mode secours La tension devant être réduite au minimum à x % de la tension Pc1 5 nominale, le gain d'énergie s'écrit 10log = 10logx de la Pc 2 puissance consommée actuellement par un amplificateur secours prêt à être commuté. Par exemple pour x = 20%, on obtient Po S 10log = 10 log 0,2 soit 1,8%. Pc 2 EXPOSE D'UN MODE DE REALISATION La figure 2 représente la description fonctionnelle d'un amplificateur à klystron muni d'une alimentation haute tension permettant le réglage de la tension de polarisation sur une plage de 20 à 100 % de la valeur nominale. Le tube de puissance (2) est un klystron dont la cathode est chauffée par une alimentation basse tension (4) . La puissance électrique est fournie au tube par une alimentation haute tension (5) fonctionnant en mode résonnant, dont le principe est illustré par la figure 3. Le réseau triphasé 400V/50 Hz est redressé par un pont bi-alternance (5.1) et filtré par une batterie de condensateurs electrolytiques (5.2). La tension continue ainsi obtenue est découpée par un pont complet réalisé à l'aide de quatre transistors bi-polaires à grille isolée (IGBT) (5.3) commandés à fréquence de 20 kHz par un circuit de commande (5.4) comprenant essentiellement un oscillateur à cette fréquence et un modulateur de largeur d'impulsions. Le pont complet à transistors est chargé par un circuit oscillant constitué d'une bobine d'inductance L (5.5) et d'un condensateur C (5.6) dont la fréquence propre est égale à la fréquence de l'oscillateur. Ce circuit oscillant est connecté en série avec le primaire d'un transformateur (5.7) élévateur de tension. La tension secondaire de ce transformateur est redressée par un pont de Graetz (5.8) puis filtrée par un condensateur (5.9). La tension continue ainsi obtenue (9 kV/1,1 A) est appliquée au klystron (5.10). Un circuit de mesure 5.11 permet de transmettre une image de cette tension de sortie à un circuit d'erreur 5.12 qui compare cette valeur à une tension de référence (6). La sortie de ce circuit de comparaison est connectée au modulateur de largeur d'impulsions du circuit de commande, réalisant ainsi l'asservissement de la tension de sortie à cette tension de référence. Cette tension de référence est fournie par l'ensemble gestion (7) selon le principe illustré par la figure 4. La valeur de la tension de référence est mémorisée sous forme numérique dans le microsystème (7.1) et transmise sous forme d'une tension continue à l'alimentation à résonance (5), grâce à un convertisseur numérique analogique (7.2). Une modification de la tension de référence, et donc de la tension de polarisation du klystron est possible à tout moment depuis un interface homme machine. L'interface homme machine peut être de type écran/clavier (8) et est disponible depuis la face avant de l'amplificateur. Cette interface homme machine est également disponible depuis le système de télégestion (9) distant relié à l'amplificateur via un bus de communication du type numérique ou fil à fil. REVENDICATIONS 1) Amplificateur d'ondes hyperfréquences (1) à tube de type klystron (2) caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation (5) réglable entre 20 et 100% par l'application d'une tension de référence (6). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la tension de référence (6) est réglable depuis une interface homme machine de type écran clavier (8). 3) Dispositif selon l'une quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension de référence (6) est réglable depuis une interface homme machine disponible sur un système de télégestion distant (9). 4) Dispositif selon l'une quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce que l'alimentation réglable (5) est de type résonnante. 5) Dispositif selon l'une quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce que l'amplificateur est utilisé en mode normal d'émission de porteuse radiofréquence. 6) Dispositif selon l'une quelconques des revendications précédentes caractérisé en ce que l'amplificateur est utilisé en mode secours de l'un quelconque des amplificateurs utilisés en mode normal d'un système d'émission de N > 1 porteuses radiofréquences.