Le principe de fonctionnement d'un Klystron Reflex ne peut être exhaustivement et clairement résumé ici, il ne s'agit que d'une explication de principe afin que les étudiants puissent en appréhender son principe dans les grandes lignes.
L'explication fournie ici est donc issue du polycopié de Travaux Pratiques Hyperfréquences donné aux étudiants !
Le Klystron est un tube électronique auto-oscillateur à deux cavités résonantes, toutefois le klystron exposé en Travaux Pratiques pour les étudiants est un klystron reflex à une cavité résonante.
Ce tube auto-oscillateur fut mis au point pendant la seconde guerre mondiale car il constituait une source
d’ondes hyperfréquences de faible puissance pour les radars. Aujourd’hui, les tubes électroniques sont encore et toujours utilisés,
entre autre dans le spatial pour le Tube à Ondes Progressives (TOP) puisqu’il a une très longue durée de vie et une très bonne linéarité
qu’on essaye de reproduire avec des transistors MOS. Le Klystron est utilisé dans des structures terrestres (type radar trans-horizon,
…) pour fournir une puissance crête très élevée (typiquement 100MW) ou pour une puissance continue assez élevée elle aussi (typiquement
1MW).
C'est un tube électronique à vide, ce n’est pas un semi-conducteur. Par conséquent, il n’y a pas de porteurs de charge naturellement présents (que sont les électrons dans un semiconducteur), il faut les créer. Le klystron reflex est constitué d’une cathode émettrice d’électrons, d’un filament de tungstène, d’une cavité résonante à grilles, d’un réflecteur et d’une antenne boucle.
Cette source étant un tube à vide, il faut donc réaliser des soudures verre-métal afin d’avoir
des coefficients similaires de dilatation thermique (le métal employé dans ce cas étant le kovar). La cathode est portée à une
tension de -300Vdc et n’est généralement alimentée que quelques minutes (3 à 5) après le filament de tungstène. Ce filament est d’abord
porté à une tension de 6,3Vac pour chauffer la cathode, ce qui génèrera, une fois celle-ci alimentée, des électrons par le phénomène
de thermo-émissivité : de façon imagée on obtient un "canon à électrons".
Etant donné la polarité nulle de l’anode
(qui n’est autre que le châssis du klystron ramené à la masse) et celle négative de la cathode, il y a émission d’électrons
vers les grilles (comme sur le schéma suivant).
Ces électrons traversent les deux grilles de la cavité résonante mais ne se déplacent pas tous à la même
vitesse. De plus, ils sont ralentis après les grilles par le réflecteur porté à une tension négative (référencée par rapport à la
cathode et atteignant jusqu'à –300V pour le 2K25) qui les repoussent vers les grilles. Du fait qu'ils n'aient pas tous la même vitesse
initiale, tous les électrons ne parcourent pas la même distance avant d'être repoussés par le réflecteur. Ceux qui ont une plus grande
vitesse vont plus loin avant de repartir en sens inverse alors que les plus lents sont repoussés plus tôt. Au final, les électrons les
plus lents rattrapent les plus rapides pour former des regroupements d’électrons (ce qui est représenté sur le graphe suivant).
Ces groupements d’électrons génèrent dans la cavité résonante, lorsqu’ils
la traversent à nouveau, une oscillation qui permettra d’augmenter la modulation de vitesse des électrons produits par le " canon
à électrons ". C’est ainsi que se crée le phénomène d’oscillation et qu’on obtient un générateur hyperfréquence. C’est lorsque ces
regroupements retraversent la cavité résonante (vers la cathode) qu’ils cèdent de l’énergie à cette cavité, énergie qui sera captée
par la petite antenne boucle et transmise à un guide d'ondes par l’autre extrémité du coaxial servant d’antenne d’émission de
ce guide.
Il n’y aura création d’une onde hyperfréquence que si l’ensemble est prêt à résonner, c’est à dire pour des dimensions données
de la cavité (obtenu par déformation mécanique des grilles) et une tension donnée appliquée au réflecteur : autrement dit pourun mode de résonance du klystron. Si la tension réflecteur ne permet pas d’obtenir des groupements d’électrons au niveau des
grilles, sur le même principe que l’interférométrie optique, le signal généré n’est plus constructif, il n’y a plus groupement et
donc plus d’oscillation hyperfréquence. Toutefois, pour d’autres combinaisons de tension réflecteur et déformation de la cavité, il
peut y avoir regroupement d’électrons mais avant ou après les grilles, ce qui implique que la fréquence de résonance peut varier légèrement
tout en restant dans le « même mode », en cédant moins d’énergie que pour le regroupement sur la grille.
Pour visualiser
les différents modes d’un klystron, il est possible de réaliser un diagramme sur lequel on reporte en abscisse la tension réflecteur
et en ordonnée le niveau de puissance en sortie du klystron (comme sur le diagramme ci-après). On s’aperçoit ainsi qu’il n’y a émission
qu’à certaines fréquences et que pour certaines valeurs de la tension réflecteur. On pourra également noter sur le diagramme suivant
la variation de fréquence du mode en fonction de cette même tension réflecteur.
Diagramme des modes d’un klystron
Après avoir vu " trés sommairement " le fonctionnement d’un Klystron Reflex (sans être
entré dans les équations), il faut pouvoir l’utiliser comme source hyperfréquence. Lorsque celui-ci est utilisé avec un guide
WR90, la petite antenne boucle qui capte le champ résonant dans la cavité est reliée par un coaxial rigide à une antenne électrique
plongée dans le guide. Par conséquent, l’adaptation de l’antenne rayonnante par un court-circuit placé à une distance d'un quart
d'onde (à la fréquence de fonctionnement)
Le klystron reflex
peut être utilisé comme source générant un certain nombre de fréquences (ainsi que leur bande d’accord), dont la mesure est l’objet
du TP que font les étudiants en 2° année du Département Electronique de l'INP-ENSEEIHT, sur une large bande de fréquence. Typiquement
pour le klystron étudié, cette bande couvre la partie centrale de la bande X.
