Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02298321 2000-02-10
1
GENERATEUR RADIOFREQUENCE DE TRES GRANDE
PUISSANCE
La présente invention est relative aux générateurs
radiofréquence de très grande puissance. Ces générateurs destinés
notamment à des applications scientifiques, doivent pouvoir fonctionner à
s des fréquences de l'ordre de 20 à 200 MHz voire éventuellement un peu
plus et fournir, en régime d'impulsions, des puissances crêtes de
plusieurs dizaines de mégawatts. En régime continu les puissances sont
nettement inférieures.
Ces générateurs sont réalisés à partir de tubes électroniques.
~o Les tubes à grille classiques tels que les tubes de la famille des
tétrodes,
à ces fréquences, sont limités à quelques mégawatts de puissance et ne
peuvent dépasser actuellement la dizaine de mégawatts.
Les klystrons peuvent fournir ces puissances mais ils travaillent
en hyperfréquence, c'est à dire à des fréquences bien plus grandes.
~ s Les IOTs abréviation de la dénomination anglaise « Inductive
Output Tube » soit tube à sortie inductive en langue française, sont
utilisés dans la gamme de fréquences des tubes à grille à puissances
beaucoup plus faibles. Leur domaine est principalement celui des
émetteurs de télévision dans la bande UHF. Ils sont configurës comme
Zo celui représenté sur la figure 1. Leur structure permet, en adaptant leurs
circuits résonnants d'entrée et de sortie à la fréquence désirée de les
utiliser également dans les bandes ondes courtes et VHF. Ces tubes
sembleraient être les plus appropriés pour obtenir les performances
recherchées car ils sont dérivés de la technologie des klystrons. Mais des
2s difficultés sont à surmonter.
Un IOT possède un faisceau électronique axial et utilise en
entrée le principe de la modulation d'amplitude comme dans les tubes
classiques à grille et en sortie la structure axiale des tubes à modulation
de vitesse comme dans les klystrons.
so Plus précisément, le tube comporte successivement un canon
à électrons 1 construit autour d'un axe de révolution XX' et le long de l'axe
une anode 5 formant un premier tube de glissement qui débouche dans
un espace d'interaction 6 d'une unique cavité résonnante 7 de sortie,
CA 02298321 2000-02-10
2
l'espace d'interaction 6 étant délimité par un second tube de glissement 8
qui fait face au premier, puis un collecteur 15. Les deux becs des tubes
de glissement sont en vis à vis. Le canon 1 comporte une cathode 2, son
filament de chauffage 3 et une grille 4. L'espace cathode 2lgrille 4 forme
s le circuit d'entrée du tube et l'acheminement du signal d'entrée E au
circuit d'entrée du tube se fait généralement par une cavité coaxiale
résonnante d'entrée 9 couplée à l'espace cathodelgrille. Le signal
d'entrée E à amplifier est introduit dans la cavité 9 à l'aide de moyens de
couplage inductifs en boucle dans l'exemple décrit. Ce signal d'entrée E
~o est fourni par des moyens extérieurs au tube incluant généralement un
préamplificateur (non représenté).
La grille 4 et la cathode 2 sont portées à des hautes tensions
continues négatives et les électrons émis par la cathode émergent de la
grille 4 sous forme d'un faisceau 10 en paquets déjà modulé en densité
~s par le signal d'entrée E contrairement à ce qui se passe dans un klystron.
Le faisceau 10 est longitudinal d'axe XX'. Les électrons du faisceau 10
attirés et focalisés par l'anode 5 pénètrent dans la cavité de sortie 7 et
traversent l'espace d'interaction 6 où ils se couplent au champ
électromagnétique de la cavité résonnante 7. De cette cavité de sortie 7
2o un signal de sortie S, de puissance .bien supérieure à celle du signal
d'entrée E, peut être extrait. Les électrons ayant cédé une grande partie
de leur énergie sont ensuite recueillis par la paroi du collecteur 15.
L'anode 5 est généralement portée à la masse, le collecteur 15 peut être
également à la masse ou à une tension légèrement différente de la
2s masse.
Lorsque l'IOT est destiné à fonctionner avec une puissance de
sortie modulée comme dans les émetteurs de télévision, le signal d'entrée
E est porteur de la modulation. La cavité coaxiale d'entrée 9, formée de
deux cylindres 90, 91 conducteurs coaxiaux, est généralement pourvue
ao d'un dispositif 11 de réglage de sa fréquence de résonance, par exemple
de type piston dont la position est réglable. Pour des raisons de sécurité
et pour découpler le préamplificateur de la haute tension, cette cavité
coaxiale d'entrée 9 est portée à la masse électrique. Un condensateur de
découplage C1 assure un isolement électrique, du point de vue continu,
a5 entre le cylindre intérieur 90 et la cathode 2 et un autre condensateur de
CA 02298321 2000-02-10
3
découplage C2 assure un isolement électrique entre le cylindre extérieur
91 et la grille de modulation 4. Ces condensateurs C1, C2 peuvent ëtre
réalisés par des feuilles isolantes serrées entre respectivement un
cylindre 90, 91 de cavité et une pièce cylindrique 13, 16 connectée à
s l'électrode respective 2, 4.
Dans cette application en tant qu'émetteur dans la bande UHF,
les hautes tensions sont de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts, la
cathode étant moins négative que la grille.
Le signal de sortie S amplifié en puissance par rapport au
~o signal d'entrée E est extrait de la cavité de sortie 7 par couplage
capacitif
ou selfique. Sur la figure c'est un couplage inductif qui est représenté
sous la forme d'un conducteur 12 qui définit une boucle dans la cavité de
sortie 7. II est transmis à un dispositif utilisateur tel qu'une antenne (non
représentée).
~s L'intérieur du tube est classiquement soumis au vide.
L'étanchéité est assurée au niveau de la cavité de sortie 7 par un
manchon diélectrique 14 qui laisse passer l'énergie à extraire. Une partie
de la cavité de sortie 7 est externe. Elle est délimitée par des parois qui
viennent s'appuyer sur le manchon du côté où il n'est pas soumis au vide.
2o Les klystrons, fonctionnant soit en continu, soit en impulsions,
peuvent fournir de grandes puissances, car le canon est porté à de
hautes tensions alors que le signal d'entrée à amplifier est introduit dans
la première cavité du tube. II n'y a pas de perturbations entre la haute
tension et le signal à amplifier.
2s Au contraire dans les IOTs, le signal d'entrée à amplifier est
injecté dans l'espace cathode-grille alors que la cathode et la grille sont
simultanément portées à de hautes tensions. Pour espérer obtenir les
puissances désirées en sortie, plusieurs dizaines voire une centaine de
mégawatts, les hautes tensions ne sont plus de l'ordre de quelques
so dizaines de kilovolts mais doivent atteindre quelques centaines de
kilovolts. Dans de telles conditions, des condensateurs placés entre les
deux parois de la cavité coaxiale d'entrée et respectivement la cathode et
la grille de mëme nature que ceux décrits à la figure 1 seraient
inefficaces. Le découplage devient très difficile à réaliser car les risques
CA 02298321 2000-02-10
4
de claquages sont extrêmement importants à cause des très forts niveaux
de tension et des faibles dimensions mis en jeu.
La présente invention permet de résoudre ce problème et de
réduire les risques de claquage. Pour y parvenir la présente invention
s propose de confiner les moyens pour produire le signal à amplifier,
appliqué à l'espace cathodelgrille, les moyens pour l'acheminer au canon
et le canon du tube à sortie inductive (IOT) dans une enceinte blindée
électrostatiquement et isolée électriquement du potentiel de l'anode, et de
relier cette enceinte blindée aux moyens produisant la haute tension.
~o Avec une telle structure les moyens de découplage, entre le circuit
résonnant d'entrée et soit la grille soit la cathode, qui posaient problème
sont inutiles.
Plus précisément le générateur radiofréquence objet de
l'invention comporte un tube à sortie inductive avec un canon à électrons
~s suivi d'une anode, le canon étant destiné à être porté à une haute
tension, des moyens pour produire un signal radiofréquence d'entrée et
des moyens pour l'acheminer au tube à sortie inductive qui fournit un
signal de sortie amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée. Les
moyens pour produire le signal radiofréquence d'entrée, les moyens pour
2o l'acheminer au tube à sortie inductive et le canon sont confinés dans une
enceinte blindée électrostatiquement, isolée électriquement du potentiel
de l'anode et destinée à être portée à la haute tension, le canon recevant
la haute tension par l'enceinte blindée.
L'anode est généralement portée, pour des raisons de sécurité,
2s à la masse électrique (c'est à dire le potentiel du sol) et l'enceinte
blindée
peut reposer sur au moins un support diélectrique posé au sol.
Les moyens pour produire le signal radiofréquence d'entrée
peuvent comporter une source radiofréquence qui alimente un
préamplificateur, le préamplificateur délivrant le signal radiofréquence
so d'entrée.
Les moyens pour acheminer le signal radiofréquence d'entrée
au tube à sortie inductive peuvent comporter un circuit résonnant d'entrée
connecté entre la grille et la cathode du tube.
Le circuit résonnant peut être à constantes réparties ou
ss localisées, le choix dépend notamment de la fréquence choisie.
CA 02298321 2000-02-10
Les moyens pour produire le signal d'entrée à amplifier
peuvent être alimentés en puissance électrique par le secondaire d'au
moins un transformateur d'isolement, dont un point est relié à l'enceinte
blindée, son primaire étant relié en un point à la masse. Le primaire du
s transformateur peut être à l'extérieur de l'enceinte blindée et le
secondaire à l'intérieur.
Si le générateur est destiné à fonctionner en régime
d'impulsions, la haute tension étant alors en impulsions, il est concevable
que les moyens pour produire le signal d'entrée à amplifier soient
~o alimentés par au moins une batterie placée à l'intérieur de l'enceinte
blindée pour limiter l'action de signaux parasites dus aux fronts des
impulsions de tension.
C'est de préférence la cathode du tube à sortie inductive qui
est reliée électriquement à l'enceinte blindée, et la grille est alors
~s polarisée par rapport à la cathode à l'aide d'une source de polarisation
placée dans l'enceinte blindée.
Le dispositif de chauffage peut recevoir la puissance dont il a
besoin par le secondaire d'au moins un transformateur d'isolement, dont
un point est relié à l'enceinte blindée, son primaire étant relié en un point
2o à la masse. Le primaire du transformateur peut ëtre à l'extérieur de
l'enceinte blindée et le secondaire à l'intérieur.
Les transformateurs d'isolement peuvent être confondus en un
seul.
Dans les tubes à sortie inductive, l'anode se termine par un bec
2s qui délimite avec un second bec venant en face un espace d'interaction
pour des électrons produits par le canon, cet espace d'interaction étant
couplé à un circuit résonnant de sortie duquel est extrait le signal de
sortie.
Le circuit résonnant de sortie peut ëtre à constantes réparties
so ou localisées.
Pour éviter tous problèmes liés à la haute tension, il est
préférable de prévoir des moyens optiques pour commander et contrôler
le signal d'entrée à amplifier etlou le dispositif de chauffage.
CA 02298321 2000-02-10
s
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront de la description suivante donnée à titre d'exemples non
limitatifs et illustrée par les figures annexées qui représentent
- la figure 1 (déjà décrite) une coupe longitudinale d'un tube à
s sortie inductive, selon l'art antérieur capable de fonctionner en
amplificateur de signaux ;
- la figure 2 une coupe longitudinale schématique partielle d'un
générateur radiofréquence selon l'invention comportant un tube à sortie
inductive ;
~o - la figure 3 une coupe longitudinale schématique partielle
d'une variante d'un générateur radiofréquence selon l'invention.
Les différentes caractéristiques du générateur selon l'invention
pourraient s'agencer de manières différentes par rapport aux
agencements représentés sur les figures 2 et 3, notamment d'autres
~s combinaisons sont possibles entre les figures 2 et 3.
Le générateur radiofréquence selon l'invention illustré aux
figures 2 et 3 comporte des moyens CE pour produire un signal
radiofréquence d'entrée E à amplifier et des moyens 36 pour l'acheminer
à un IOT (ou tube à sortie inductive) référencé K qui fournit un signal de
2o sortie S amplifié en puissance par rapport au signal d'entrée E. Dans le
reste de la description l'abréviation IOT est employée à la place de tube à
sortie inductive. L'IOT K présente quelques similitudes avec celui
classique décrit à la figure 1. On retrouve le canon 25 avec une cathode
26 pourvue d'un dispositif de chauffage 27 et une grille 28 espacée de la
2s cathode 26. Le canon 25 est destiné à émettre un faisceau d'électrons
(non représenté dans un souci de clarté) à travers une anode 29 isolée
électriquement du canon 25 par un manchon diélectrique 30. L'anode 29
en forme de tube de glissement se termine par un bec 31 contribuant à
délimiter, avec l'aide d'un second bec 32 placé en face, un espace
so d'interaction 33 entre les électrons produits par la cathode 26 et le champ
électromagnétiquequi s'y établit. Le second bec 32 se prolonge en un
collecteur 35 qui recueille les électrons du faisceau à leur sortie de
l'espace d'interaction 33. Dans l'exemple, il y a une continuité électrique
entre le second bec 32 et le collecteur 35. On aurait pu envisager que le
CA 02298321 2000-02-10
7
second bec 32 et le collecteur 35 soient isolés électriquement l'un de
l'autre comme illustré à la figure 1.
Les moyens pour acheminer le signal radiofréquence d'entrée
E à l'IOT K sont réalisés par un circuit résonnant d'entrée 36 couplé à
s l'espace 34 cathode/grille de l'IOT. Les moyens CE pour produire le
signal d'entrée E, le circuit résonnant d'entrée 36 et le canon 25 sont
placés dans une enceinte 37 blindée électrostatiquement, isolée
électriquement du potentiel de l'anode 29 de l'IOT. Cette enceinte blindée
37 est portée à une haute tension dëlivrée par une alimentation 39, cette
~o haute tension étant destinée au canon 25 de l'IOT, le canon 25 est porté
à cette haute tension via l'enceinte blindée 37. L'alimentation 39 haute
tension est à l'extérieur de l'enceinte 37.
Généralement l'anode 29 est portée à la masse électrique
(potentiel du sol) et donc l'enceinte blindée 37 est isolée électriquement
~s de cette masse par au moins un support diélectrique 38 qui assure une
faible capacité entre l'enceinte 37 et la masse. Sur la figure 2, l'isolation
électrique de l'enceinte blindée 37 vis à vis de l'anode 29 se fait par deux
supports diélectriques 38 qui reposent sur le sol au même potentiel que
l'anode. Ils ont alors également un rôle mécanique. Le manchon
2o diélectrique 30 contribue aussi à cette isolation. D'autres configurations
sont envisageables pour isoler l'enceinte blindée 37 de l'anode 29.
Les moyens CE pour produire le signal d'entrée E comportent
une source radiofréquence 40 qui alimente un préamplificateur 41 dont la
sortie est reliée au circuit résonnant d'entrée 36. La source
2s radiofréquence 40 génère un signal bas niveau dans une bande de
fréquence souhaitée et c'est ce signal bas niveau, préamplifié par le
préamplificateur 41 qui donne le signal radiofréquence d'entrée E à
amplifier dans l'IOT K. On peut envisager d'omettre le préamplificateur 41,
si on dispose d'une source radiofréquence 40 de puissance suffisante. Le
3o préamplificateur 41 peut être à état solide ou à tube électronique, par
exemple comporter une triode plane, cela dépend de la fréquence et de la
puissance du signal d'entrée E à produire. Le préamplificateur 41 peut
comporter un ou plusieurs étages d'amplification. La réalisation de tels
préamplificateurs est bien connue de l'homme du métier.
CA 02298321 2000-02-10
L'alimentation électrique des moyens CE pour produire le
signal radiofréquence d'entrée E peut se faire via le secondaire 42.2 d'au
moins un transformateur d'isolement 42. Le secondaire 42.2 du
transformateur est relié en un point à l'enceinte blindée 37 et son primaire
s 42.1 est relié en un point à la masse. Dans l'exemple, le secondaire 42.2
du transformateur est situé à l'intérieur de l'enceinte blindée 37 et le
primaire 42.1 est à l'extérieur. On peut envisager de placer différemment
le primaire et le secondaire du transformateur. Le primaire 42.1 et le
secondaire 42.2 du transformateur 42 seront suffisamment isolés l'un de
~o l'autre pour tenir la haute tension appliquée à l'enceinte blindée 37.
Le circuit résonnant d'entrée 36 peut étre à constantes
réparties, c'est à dire formé d'une cavité coaxiale comprenant un cylindre
interne 36.1 et un cylindre externe 36.2, le cylindre interne 36.1 étant relié
électriquement à la cathode 26 et le cylindre externe 36.2 à la grille 28. Le
~s signal d'entrée E est transmis à l'espace 34 grillelcathode par des
moyens de couplage 43 capacitifs ou inductifs de manière classique dans
les IOTs ou tubes à grille. Sur la figure 2, une boucle inductive est
représentée, son extrémité étant en contact avec le cylindre interne 36.1.
Cette configuration est utilisable de manière avantageuse si les
2o dimensions de l'espace 34 grillelcathode sont relativement grandes
devant la longueur d'onde du signal à amplifier. Au contraire, on peut
envisager, si les dimensions de l'espace grillelcathode 34 sont petites
devant la longueur d'onde du signal à amplifier, que le circuit résonnant
d'entrée 36 soit à constantes localisées. Cette variante est illustrée à la
25 figure 3 qui montre un circuit résonnant parallèle 36.3 représenté par un
circuit R, L, C monté entre la grille 28 et la cathode 26. Plusieurs
dispositions connues peuvent ëtre utilisées pour coupler les moyens CE
pour produire le signal d'entrée E au circuit résonnant. La figure 3 en
donne un exemple. Le circuit 36.3 comporte deux condensateurs en série
so C3, C4 et la sortie du préamplificateur 41 est connectée au point commun
entre les deux condensateurs C3, C4.
Le canon 25 est porté à la tension négative délivrée par
l'alimentation 39 par sa cathode 26 qui est connectée à l'enceinte blindée
37. Cette tension peut étre de l'ordre de -300 kVolts.
CA 02298321 2000-02-10
9
Le dispositif de chauffage 27 représenté tel un filament a une
de ses extrémités reliée à la cathode. II est alimenté à l'aide d'une source
de puissance 45 qui coopère avec le secondaire 42.2 d'un transformateur
d'isolement 42, ce secondaire 42.2 étant relié en un point à l'enceinte
s blindée 37. Le primaire 42.1 du transformateur est relié en un point à la
masse. Ce transformateur 42 peut être commun avec celui utilisé pour
l'alimentation des moyens CE pour produire le signal d'entrée comme
l'illustre la figure 2 mais ce n'est pas une obligation (voir figure 3). Dans
les exemples, le secondaire du transformateur est situé à l'intérieur de
~o l'enceinte et le primaire à l'extérieur mais d'autres agencements sont
possibles ici aussi.
La grille 28 est portée à une tension plus négative que celle de
la cathode à l'aide d'une source de polarisation 44 montée entre la grille
et la cathode. La puissance nécessaire est fournie à cette source 44 par
15 le secondaire 42.2 d'un transformateur d'isolement 42, ce secondaire
étant relié en un point à l'enceinte blindée 37. Le primaire 42.1 du
transformateur est relié en un point à la masse.
Dans l'exemple, le transformateur 42 est commun avec celui
servant au dispositif de chauffage 27 et celui servant aux moyens CE
2o pour produire le signal d'entrée mais ce n'est pas une obligation. Dans
cette configuration illustrée à la figure 2, une portion du secondaire sert
aux moyens CE pour produire le signal d'entrée, une autre portion sert
pour le dispositif de chauffage 27 et encore une autre portion sert pour la
grille 28.
2s Si le générateur selon l'invention est destiné à fonctionner en
mode continu, l'alimentation 39 haute tension connectée à l'enceinte 37
blindée est une alimentation à courant continu. Par contre si le générateur
est destiné à fonctionner en mode impulsion l'alimentation 39 haute
tension est une alimentation qui délivre des impulsions de durée
so appropriée. Cette caractéristique se trouve sur la figure 3. La puissance
de sortie du générateur radiofréquence est bien plus importante lorsque
le générateur fonctionne en impulsions.
Lorsque le générateur fonctionne en impulsions, il est
préférable que l'alimentation des moyens CE pour produire le signal E à
ss amplifier soient réalisés par au moins une batterie 46 située dans
CA 02298321 2000-02-10
l'enceinte blindée 37. En effet, lors des impulsions de tension des
parasites peuvent apparaïtre dans le secondaire 42.2 du transformateur
d'isolement 42 qui risquent de détériorer des composants de la source
radiofréquence 40 ou du préamplificateur 41. De tels inconvénients
s n'apparaissent pas avec la batterie 46. Cette caractéristique est illustrée
sur la figure 3.
II est préférable de prévoir des moyens optiques 47 pour
réaliser une commande et un contrôle à l'intérieur de l'enceinte, par
exemple, commander la mise en route de la source radiofréquence 40,
~o etlou du préamplificateur 41 etlou du dispositif de chauffage 27, et/ou la
fréquence de la source radiofréquence 40 etlou la fréquence du
préamplificateur s'il est à tube. Ces moyens 47 sont réalisés à base de
fibre 47.1 optique dont une partie pénètre et s'étend à l'intérieur de
l'enceinte blindée 37. Une extrémité de la fibre 47.1 extérieure à
~s l'enceinte reçoit un signal lumineux qui est transporté jusqu'à l'autre
extrémité dans l'enceinte blindée. Cette autre extrémité vient éclairer un
dispositif photosensible 47.2 qui contribue à la réalisation de la
commande correspondante. Le composant peut être une photodiode qui
lorsqu'elle est illuminée ferme un circuit adapté à ce qui doit être
2o commandé. Le dispositif photosensible 47.2 représenté n'est relié qu'aux
moyens CE pour produire le signal d'entrée, dans un souci de clarté. De
tels moyens optiques 47 sont partaitement insensibles aux hautes
tensions.
Le signal de sortie S à très grande puissance est extrait d'un
2s circuit résonnant de sortie se trouvant au niveau de l'espace d'interaction
33. Sur la figure 2, le circuit résonnant de sortie est à constantes réparties
et prend la forme d'une cavité résonnante 48 comparable à celle
représentée à la figure 1. On retrouve autour de l'espace d'interaction 33
un manchon diélectrique 49 solidaire d'un côté de l'anode 29 et de l'autre
so du second bec 32. L'extraction du signal de sortie S se fait par un
couplage selfique. A cet effet une boucle conductrice 50 plonge dans la
cavité 48 et vient en contact avec sa paroi. A l'extérieur de la cavité 48,
l'énergie prélevée par la boucle 50 peut ëtre transmise vers une antenne
(non représentée) par une ligne coaxiale 51 qui prolonge la boucle 50.
CA 02298321 2000-02-10
11
Au lieu que le circuit résonnant de sortie soit à constantes
réparties, on peut envisager qu'il soit à constantes localisées. Cette
variante est illustrée à la figure 3. Le circuit résonnant de sortie 52 est un
circuit résonnant parallèle connecté entre l'anode 29 et le second bec 32.
s Ce circuit résonnant parallèle 52 est représenté par un circuit L, C. Les
moyens d'extraction du signal de sortie S sont schématisés par une
charge 53, montée en parallèle avec le circuit résonnant de sortie 52.
Les circuits résonnants contenus dans le générateur sont
réglés de manière à résonner à la fréquence souhaitée. Dans cette
~o catégorie, il ne faut pas oublier ceux des moyens CE pour produire le
signal d'entrée E qui n'ont pas été détaillés. Si parmi les circuits
résonnants du générateur, certains sont à constantes réparties, l'accord
en fréquence peut se faire en modifiant le volume de résonnance par des
moyens connus de déplacement de parois, ces moyens sont schématisés
~s par la double flèche sur la figure 2. Si certains sont à constantes
localisées ; l'accord se fait par le choix de leurs composants tels que des
selfs ou des condensateurs variables. Cette caractéristique est
schématisée sur la figure 3.
