Tubes micro-ondes

Pour les applications à très haute fréquence (au-dessus de 1 GHz), les capacités interélectrodes et les délais de transit de la construction standard des tubes électroniques deviennent prohibitifs. Cependant, il semble n'y avoir aucune fin aux manières créatives dont les tubes peuvent être construits, et plusieurs conceptions de tubes électroniques à haute fréquence ont été conçues pour surmonter ces défis.

Il a été découvert en 1939 qu'une cavité toroïdale en matériau conducteur appelée résonateur à cavité entourant un faisceau d'électrons d'intensité oscillante pourrait extraire de la puissance du faisceau sans réellement intercepter le faisceau lui-même. Les champs électriques et magnétiques oscillants associés au faisceau « ont fait écho » à l'intérieur de la cavité, d'une manière similaire aux sons des automobiles en déplacement faisant écho dans un canyon en bord de route, permettant à l'énergie radiofréquence d'être transférée du faisceau à un guide d'ondes ou à un câble coaxial relié au résonateur par une boucle de couplage. Le tube s'appelait tube de sortie inductif , ou IOT :

Deux des chercheurs qui ont joué un rôle dans le développement initial de l'IOT, une paire de frères nommés Sigurd et Russell Varian, ont ajouté un deuxième résonateur à cavité pour l'entrée du signal dans le tube de sortie inductif. Ce résonateur d'entrée agissait comme une paire de grilles inductives pour alternativement « regrouper » et libérer des paquets d'électrons dans l'espace de dérive du tube, de sorte que le faisceau d'électrons serait composé d'électrons se déplaçant à différentes vitesses. Cette « modulation de vitesse » du faisceau se traduisait par le même type de variation d'amplitude au niveau du résonateur de sortie, où l'énergie était extraite du faisceau. Les frères Varian ont appelé leur invention un klystron .

Une autre invention des frères Varian était le klystron réflexe tube. Dans ce tube, les électrons émis par la cathode chauffée traversent les grilles de la cavité vers la plaque répulsive, puis sont repoussés et renvoyés comme ils sont venus (d'où le nom réflexe ) à travers les grilles de cavité. Des oscillations auto-entretenues se développeraient dans ce tube, dont la fréquence pourrait être modifiée en ajustant la tension du répulsif. Par conséquent, ce tube fonctionnait comme un oscillateur commandé en tension.

En tant qu'oscillateur commandé en tension, les tubes klystrons réflexes servaient généralement d'"oscillateurs locaux" pour les équipements radar et les récepteurs micro-ondes :

Initialement développé en tant que dispositifs de faible puissance dont la sortie nécessitait une amplification supplémentaire pour l'utilisation des émetteurs radio, la conception du klystron réflexe a été affinée au point où les tubes pouvaient servir de dispositifs d'alimentation à part entière. Les klystrons réflexes ont depuis été remplacés par des dispositifs à semi-conducteurs dans l'application d'oscillateurs locaux, mais les klystrons d'amplification continuent d'être utilisés dans les émetteurs radio haute puissance et haute fréquence et dans les applications de recherche scientifique.

Un tube à micro-ondes remplit si bien sa tâche et si efficacement qu'il continue de régner en maître dans le domaine concurrentiel de l'électronique grand public :le tube magnétron. Cet appareil constitue le cœur de chaque four à micro-ondes, générant plusieurs centaines de watts d'énergie RF micro-ondes utilisée pour chauffer les aliments et les boissons, et ce dans les conditions les plus difficiles pour un tube :allumé et éteint à des moments aléatoires et pour des durées aléatoires.

Les tubes magnétron sont représentatifs d'un type de tube totalement différent de l'IOT et du klystron. Alors que ces derniers tubes utilisent un faisceau d'électrons linéaire, le magnétron dirige son faisceau d'électrons selon un motif circulaire au moyen d'un fort champ magnétique :

Une fois de plus, les résonateurs à cavité sont utilisés comme « circuits réservoirs » hyperfréquences, extrayant l'énergie du faisceau d'électrons passant par induction. Comme tous les dispositifs hyperfréquence utilisant un résonateur à cavité, au moins une des cavités du résonateur est taraudée avec une boucle de couplage :une boucle de fil couplant magnétiquement le câble coaxial à la structure résonante de la cavité, permettant à la puissance RF d'être dirigée hors du tube vers une charge. Dans le cas du four à micro-ondes, la puissance de sortie est dirigée à travers un guide d'ondes vers la nourriture ou la boisson à chauffer, les molécules d'eau à l'intérieur agissant comme de minuscules résistances de charge, dissipant l'énergie électrique sous forme de chaleur.

L'aimant nécessaire au fonctionnement du magnétron n'est pas représenté sur le schéma. Le flux magnétique est perpendiculaire au plan du trajet circulaire des électrons. En d'autres termes, du point de vue du tube représenté sur le schéma, vous regardez directement l'un des pôles magnétiques.