HYPERFRÉQUENCES

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Générateurs d'hyperfréquences

Tubes générateurs d'hyperfréquences

Le magnétron

Le magnétron est le premier en date des générateurs d'hyperfréquences (Začek, 1924). Sa structure est celle d'une diode en forme de cylindre. Après les stades successifs d'anodes pleines, puis fendues, les anodes possèdent actuellement des cavités cylindriques. Un champ magnétique de plusieurs dixièmes de tesla est appliqué parallèlement à l'axe de symétrie ; les électrons issus de la cathode se déplacent dans le vide et sont soumis à l'action d'un champ électrique H.F. et d'un champ magnétique qui lui est perpendiculaire.

Magnétron à cavité

Dessin : Magnétron à cavité

Magnétron à cavité. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La théorie complète de la trajectoire des électrons (qui sont soit ralentis, soit accélérés), compte tenu de la charge d'espace et des vitesses initiales, est complexe. En fonctionnement continu, la puissance de l'onde hyperfréquence émise peut atteindre quelques kilowatts ; en fonctionnement impulsionnel, les magnétrons peuvent produire une puissance de crête de plusieurs mégawatts avec un facteur de forme (rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne émise) variant de 500 à 2 000. De tels magnétrons, accordables sur une bande de 10 à 15 p. 100 de la fréquence de fonctionnement, se trouvent dans toutes les gammes de fréquence radar, depuis la bande L jusqu'à la bande W. Ce ne sont plus aujourd'hui les émetteurs radars par excellence car le temps de commutation d'une fréquence d'émission à une autre est beaucoup trop long – de l'ordre de quelques secondes –, ce qui rend les émetteurs radar à magnétron beaucoup trop sensibles aux brouilleurs. On est donc passé à des chaînes d'émission pilotées, à fréquences aléatoires.

Le klystron

Le klystron à deux cavités a fait son apparition en 1939. Son fonctionnement est fondé sur la modulation de vitesse des électrons. Un faisceau électronique passe successivement dans un « premier espace de modulation » d'un volume résonnant (rhumbatron), en forme de tore et délimité par les grilles G1 et G2, puis dans un « espace de glissement » équipotentiel où les électrons se groupent par paquets, enfin dans un second rhumbatron (grilles G3 et G4) accordé sur la fréquence du premier, où les électrons induisent un champ électromagnétique d'intensité très supérieure à l'intensité du champ dans le premier. Le système décrit fonctionne en amplificateur : le gain en puissance peut atteindre quelques dizaines d'unités. En mettant en cascade plusieurs cavités, il est possible d'obtenir des tubes donnant plusieurs mégawatts de puissance de crête avec toutefois une étroite bande de fréquence (quelques pour-cent).

Klystron à deux cavités

Dessin : Klystron à deux cavités

Klystron à deux cavités. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pour qu'un klystron à deux cavités fonctionne en oscillateur, il suffit d'établir une boucle de réaction entre les deux rhumbatrons à l'aide d'un tronçon de ligne coaxiale de longueur déterminée, ou mieux d'utiliser un klystron reflex.

Le klystron reflex ne comprend qu'un seul rhumbatron. À sa sortie, le faisceau d'électrons pénètre dans un espace où règne un champ retardateur produit par le réflecteur, électrode portée à un potentiel négatif par rapport à la cathode d'émission. On annule ainsi la vitesse des électrons, qui repartent vers le rhumbatron, le traversent en sens inverse et y laissent une partie de leur énergie. En faisant varier la tension du réflecteur, on peut faire osciller un klystron suivant divers régimes appelés « modes ».

La fréquence est rendue réglable par déformation de la cavité du rhumbatron ; la largeur de la bande peut atteindre 15 p. 100 de la fréquence centrale de fonctionnement. La puissance fournie en onde entretenue pure (C. W., pour continuous wave) est comprise entre le milliwatt et quelques watts. Le rendement est faible (10 p. 100). Il existe des klystron reflex entre 1 et 40 GHz ; ils sont très utilisés comme générateurs d'hyperfréquences en laboratoire et comme oscillateurs locaux dans les récepteurs radars.

Le tube à ondes progressives (T.O.P.)

En 1946, J. Pierce a créé le premier tube à ondes progressives. Le principe consiste à faire interférer un faisceau d'électrons et une onde progressive dont la vitesse de propagation est égale à celle des électrons du faisceau. On réduit la vitesse de l'onde en utilisant une ligne à retard, par exemple une ligne à structure en hélice ou une ligne interdigitale. Il y a aussi interaction lorsque le faisceau et l'onde se propagent en sens inverse.

Tube à ondes progressives

Dessin : Tube à ondes progressives

Schéma d'un tube à ondes progressives. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Lorsque le tube possède une symétrie de révolution autour du faisceau d'électrons, on dit qu'on a une optique du « type O ». [...]

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Magnétron à cavité

Magnétron à cavité
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Klystron à deux cavités

Klystron à deux cavités
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Tube à ondes progressives

Tube à ondes progressives
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Tube à champs croisés

Tube à champs croisés
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : Ingénieur, chef d'affaires, division "systèmes, défense et contrôle", Thomson-CSF.

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«  HYPERFRÉQUENCES  » est également traité dans :

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Pour citer l’article

Louis DUSSON, « HYPERFRÉQUENCES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 23 novembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hyperfrequences/