FR2828007A1

FR2828007A1 - Dispositif d'amplification d'un signal haute frequence

Info

Publication number: FR2828007A1
Application number: FR0110127A
Authority: FR
Inventors: Michel Langlois
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-01-31
Anticipated expiration: 2021-07-27
Also published as: EP1423913A1; FR2828007B1; US7019601B2; WO2003015264A1; US20040169554A1

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence. L'invention est particulièrement adaptée pour l'émission de signaux radiofréquence utilisés pour la télévision ou la radio en modulation de fréquence.Le dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence comporte deux étages d'amplification disposés en série, le premier étage d'amplification étant formé d'un préamplificateur à semi-conducteur (200), le second étage d'amplification étant formé d'un tube (100) électronique refroidi par la circulation d'un fluide, le tube électronique (100) étant disposé à l'intérieur d'une enceinte (401) destinée à le recevoir. Le préamplificateur à semi-conducteur (200) est disposé dans l'enceinte (401) et le préamplificateur (200) est refroidi par la circulation du fluide.

Description

Dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence
L'invention se rapporte à un dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence. L'invention est particulièrement adaptée pour l'émission de signaux radiofréquence utilisés pour la télévision ou la radio en modulation de fréquence.

De façon courante, de tels dispositifs comportent deux étages d'amplification disposés en série. Le premier étage est formé d'un préamplificateur à transistors et le second étage d'un tube électronique. Pour ce second étage, on peut, par exemple, utiliser un tube à sortie inductive, bien connu dans la littérature anglo-saxonne sous le nom d'lOT (Inductive Output Tube). La sortie du tube électronique est reliée à l'antenne d'émission.

Le préamplificateur à transistors est généralement installé dans une baie de commande, baie comprenant également d'autres organes de formation d'un signal radiofréquence, organes situés en amont du préamplificateur dans la chaîne d'amplification. Ces autres organes utilisent également des transistors. La baie est généralement refroidie avec de l'air pulsé au moyen de ventilateurs.

Le tube électronique est, quant à lui, installé dans une enceinte qui lui est propre et il peut être refroidi par la circulation d'un fluide à l'état liquide. Ce fluide comporte, par exemple, un mélange d'eau de glycol.

Les deux étages d'amplification, le préamplificateur et le tube électronique, sont généralement réalisés par des équipementiers distincts. En effet, les connaissances techniques nécessaires pour étudier et pour réaliser chacun des deux étages, sont très éloignées. Plus précisément, le préamplificateur à transistors n'utilise en général que de la basse tension (de l'ordre de la trentaine de volts) et fonctionne dans l'air ambiant. A contrario, le tube électronique utilise des hautes tensions, certaines tensions peuvent dépasser la trentaine de kilo-volts. De plus, l'amplification réalisée dans un tube électronique utilise un faisceau d'électrons se déplaçant dans une enceinte où règne le vide.

La séparation des deux étages d'amplification pose des problèmes de compatibilité entre eux. Par exemple, l'adaptation d'impédance entre le préamplificateur et le tube électronique ne peut se faire que lorsque

les deux étages sont réunis sur le lieu de leur utilisation. Autre exemple, dans le câble de liaison entre les deux étages, circule un signal radiofréquence, déjà amplifié par le préamplificateur. Le câble de liaison génère des pertes proportionnelles à la puissance du signal radiofréquence et à la longueur du câble lui-même. La séparation des deux étages tend à augmenter la longueur du câble de liaison et, par conséquent, les pertes qui y sont générées.

En outre, chacun des deux étages nécessite un système de refroidissement distinct ce qui augmente le risque de panne.

L'invention a pour but de réduire les inconvénients cités ci-dessus en proposant de regrouper le préamplificateur à transistors et le tube électronique.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence, comportant deux étages d'amplification disposés en série, le premier étage d'amplification étant formé d'un préamplificateur à semi-conducteur, le second étage d'amplification étant formé d'un tube électronique refroidi par la circulation d'un fluide, le tube électronique étant disposé à l'intérieur d'une enceinte destinée à le recevoir, caractérisé en ce que le préamplificateur à semi-conducteur est disposé dans l'enceinte, et en ce que le préamplificateur est refroidi par la circulation du fluide.

Le refroidissement du préamplificateur réalisé au moyen du fluide déjà utilisé pour le refroidissement du tube électronique permet d'améliorer la fiabilité de l'ensemble. En effet, on supprime ainsi un système de refroidissement propre au préamplificateur pour utiliser un système déjà existant, en l'occurrence le système de refroidissement du tube électronique.

Il est également important de noter qu'un refroidissement réalisé avec circulation d'un liquide permet de réduire le volume du préamplificateur et d'améliorer l'efficacité du refroidissement.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente un tube à sortie inductive ; la figure 2 représente un préamplificateur ; la figure 3 représente, sous forme de bloc diagramme, un exemple de circuit de refroidissement ;

'ta figure 4 représente à l'échelle, le circuit de refroidissement de la figure 3.

Le tube électronique 100 représenté figure 1 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.

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 cavité résonnante 7 de sortie, l'espace d'interaction 6 étant délimité par un second tube de glissement dénommé bec d'interaction 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 2/grille 4 forme 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 cathode/grille. 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 est fourni par des moyens extérieurs au tube incluant généralement un préamplificateur (non représenté sur la figure 1).

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 par le signal d'entrée E. 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 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 masse.

Lorsque le tube électronique 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 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, entre le cylindre intérieur 90 et la cathode 2 et un autre condensateur de découplage C2 assure un isolement électrique entre le cylindre extérieur 91 et la grille de modulation 4. Ces condensateurs Cl, C2 peuvent être réalisés par des feuilles isolantes serrées entre respectivement un cylindre 90,91 de cavité et une pièce cylindrique 13,16 connectée à 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 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. Il est transmis à un dispositif utilisateur tel qu'une antenne (non représentée).

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.

Le rendement d'un tube électronique est de l'ordre de 50 %. Plus précisément, l'énergie contenue dans le signal de sortie S est de l'ordre de la moitié de l'énergie reçue par le tube électronique 100, essentiellement par les sources de tension contenues l'alimentant. L'essentiel de l'énergie dissipée par le tube électronique l'est au niveau du collecteur 15 à l'intérieur duquel sont prévus des canaux dans lesquels circule un fluide permettant le refroidissement du bec d'interaction 8. Une partie plus faible de l'énergie est dissipée au niveau du bec d'interaction 8.

Le signal d'entrée E est délivré par un préamplificateur 200 représenté sur la figure 2. Le préamplificateur 200 reçoit quant à lui un signal

radiofréquence RF issu d'organes de formation du signal situés en amont du préamplificateur et non représentés sur la figure 2.

Le préamplificateur comporte un premier étage d'amplification 201 recevant le signal RF. La sortie 202 du premier étage 201 est reliée à l'entrée d'au moins un second étage d'amplification. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, deux seconds étages 203 et 204 sont représentés. Les entrées 205 et 206 des étages respectivement 203 et 204 sont reliées à la sortie 202 du premier étage 201 par l'intermédiaire d'un coupleur hybride 207. De même, un autre coupleur hybride 208 permet d'additionner les signaux présents sur des sorties 209 et 210 des étages 203 et 204 pour former le signal E. Des moyens de surveillance 211 pilotent les différents étages d'amplification 201,203 et 204 afin de coordonner leur fonction respective.

Des moyens d'alimentation basse tension (non représentés) fournissent une tension 212 par exemple 28 V permettant d'alimenter le préamplificateur 200.

Les étages d'amplification 201,203 et 204 comportent des transistors ou plus généralement des semi-conducteurs qu'il est nécessaire de refroidir. Ce refroidissement est assuré par la circulation d'un fluide à l'intérieur de canaux ménagés dans des radiateurs disposés en contact avec des parties des semi-conducteurs susceptibles de dissiper de l'énergie.

Selon l'invention, le préamplificateur 200 est refroidi avec le même fluide que celui utilisé pour le refroidissement du tube électronique 100. Avantageusement, le fluide comporte de l'eau et un produit antigel. Un exemple de circuit de refroidissement est proposé à la figure 3. Un canal 301 fournit le fluide nécessaire au refroidissement du tube 100 et du préamplificateur 200. Un canal 302 récupère l'ensemble du fluide ayant servi au refroidissement du tube électronique 100 et du préamplificateur 200. Le canal 301 se dérive en deux canaux 303 et 304. De même, le canal 302 reçoit du fluide provenant de deux canaux 305 et 306. Les canaux 303 et 305 forment l'alimentation en fluide de refroidissement du collecteur 15. Les canaux 304 et 306 forment l'alimentation en fluide du bec d'interaction 8 et du préamplificateur 200. Dans cet exemple de circuit de refroidissement, le bec d'interaction 8 et le préamplificateur 200 sont raccordés en série. Plus précisément, le canal 304 fournit le fluide directement au bec d'interaction 8. Le fluide sort du bec d'interaction 8 par un canal 307 qui fournit le fluide au

préamplificateur 200. Le canal 306 récupère le fluide sortant du préamplificateur 200.

Le canal 302 fournit le fluide à des moyens de refroidissement et de recyclage du fluide. Ces moyens ne sont pas représentés sur les figures.

Des essais ont montré sur un matériel donné comprenant un tube électronique et un préamplificateur qu'environ 10 % du fluide circulant dans les canaux 301 et 302 suffisent à refroidir l'anode et le préamplificateur. Les 90 % de fluide restant sont nécessaires au refroidissement du collecteur 15.

La figure 4 reprend les différents éléments de la figure 3, à savoir le tube électronique 100, le préamplificateur 200, les canaux 301 à 307. Ces éléments sont, dans l'exemple représenté, montés sur un support à roulettes 400. Le support à roulettes 400 et les éléments qui y sont montés peuvent ainsi être disposés à l'intérieur d'une enceinte 401 qui, dans l'art antérieur, était réservé au seul tube électronique 100.

La présence du préamplificateur 200, à proximité du tube électronique 100, ici en dessous, impose un blindage particulier du préamplificateur 200 pour éviter qu'il soit perturbé par un rayonnement électromagnétique émis par le tube électronique 100. Ce blindage tend à augmenter le coût du préamplificateur 100.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amplification d'un signal haute fréquence, comportant deux étages d'amplification disposés en série, le premier étage d'amplification étant formé d'un préamplificateur à semi-conducteur (200), le second étage d'amplification étant formé d'un tube (100) électronique refroidi par la circulation d'un fluide, le tube électronique (100) étant disposé à l'intérieur d'une enceinte (401) destinée à le recevoir, caractérisé en ce que le préamplificateur à semi-conducteur (200) est disposé dans l'enceinte (401), et en ce que le préamplificateur (200) est refroidi par la circulation du fluide.
2. Dispositif d'amplification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube électronique (100) comporte un collecteur (15) et un bec d'interaction (8) nécessitant tous deux d'être refroidis par la circulation du fluide, en ce que le fluide circule dans un circuit de refroidissement, circuit dans lequel le bec d'interaction (8) et le préamplificateur (200) sont raccordés en série.
3. Dispositif d'amplification selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide comporte de l'eau et un produit antigel.