Les Principes du Radar

Qu'est-ce qu'un magnétron?

Magnétron

Les magnétrons sont des auto-oscillateurs où les électrons émis par une cathode se dirigent vers l’anode mais sont déviés par un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique. De conception relativement simple, ils permettent une émission d’ondes à haute puissance et sont utilisés dans les radars pulsés ou à ondes continues. Ils peuvent donner des fréquences allant de 600 à 30 000 MHz, selon la géométrie retenue. Les magnétrons ont cependant le désavantage d’émettre avec une phase aléatoire et à une fréquence fixe.

Composantes du magnétron

Le magnétron est classé comme une diode car il n’a pas de grille. L’anode prend la forme d’un cylindre de cuivre solide entourant la cathode et le filament placés dans un espace vide au centre Ces derniers sont supportés par des bornes qui ont un diamètre suffisant et sont assez rigides pour maintenir la cathode et le filament en place afin de les empêcher de toucher à l’anode. La cathode est faite d’un matériau qui peut émettre facilement des électrons lorsqu’elle est chauffée indirectement par le filament.

L’anode est creusée de 8 à 20 trous autour de sa circonférence. Ceux-ci servent de cavités résonnantes et s’ouvrent sur le trou central par de minces fentes divisant le tube en autant de sous-sections. Les caractéristiques et le nombre de cavités déterminent la fréquence émise par le magnétron Chaque cavité agit comme un circuit résonant en parallèle. La figure 3 montre un analogue de basse fréquence : la paroi du bloc d’anode peut être considéré comme la partie inductive (une bobine d’induction simple), l’ouverture est équivalente à un condensateur. La fréquence de résonnance micro-onde de la cavité dépend donc de ses dimensions. Lorsqu’une cavité entre en oscillation, elle excite la suivante mais cette dernière est déphasée de 180 degrés. Le processus se transmet ensuite d’une cavité à l’autre avec à chaque fois un déphasage de 180 degrés. La série de résonateurs donnent ainsi une structure de retard fermée sur elle-même. À cause de cela, l’appareil est aussi appelé un « magnétron à onde progressive à cavité multiples » dans certaines publications.

Le vide entre l’anode et la cathode est appelé « l’espace d’interaction » car c’est là que circulent les électrons selon une trajectoire déterminés par l’interaction des champs électriques et magnétiques, ce dernier provenant d’un aimant permanent placé de telle façon que le champ soit parallèle à l’axe de la cathode.

Les formes des cavités d’un magnétron sont variées comme la Figure 4 le montre:

1. Fentes
2. Pointes de tarte
3. Rayons de soleil
4. Trous circulaires avec ouverture en fente.

La sortie du signal produit par le magnétron est habituellement est capté par une sonde ou une boucle de fil dans une des cavités. La sonde est reliée à un câble coaxial ou à un guide d’onde à l’extérieur du magnétron.

Fonctionnement de base du magnétron

Comme pour tous les tubes à modulation de vitesse la production d’une onde électromagnétique par un magnétron se passe en quatre étapes:

• Étape 1: Production et accélération du faisceau d’électrons;
• Étape 2: Modulation de la vitesse des électrons;
• Étape 3: Formation de zone « radiale » de charge;
• Étape 4: Transfert de l’énergie électrique potentielle au champ de courant alternatif.

1. Production et accélération du faisceau d’électrons

La cathode du magnétron est chauffée et produit des électrons libres qui se dirigent directement vers l’anode qui est chargée positivement comme la flèche bleue de la Figure 5 l’indique. Dès qu’on applique un champ magnétique perpendiculairement à la trajectoire du faisceau d’électrons, ceux-ci subisse un force latérale qui dévie leur trajectoire.

Lorsque le champ magnétique est faible, la courbure du faisceau est plus grande que celle de l’anode et les électrons finissent quand même par atteindre cette dernière, comme avec la flèche verte. Il y a donc encore un fort courant qui passe de la cathode à l’anode. En augmentant le champ, la courbure devient de plus en plus prononcée jusqu’à ce que la trajectoire du faisceau devienne tangentielle à l’anode, comme avec la trajectoire rouge. Le courant cesse à ce moment entre la cathode et l’anode. En augmentant le champ magnétique, la trajectoire peut même revenir vers la cathode mais comme sa charge est négative, elle prendra la forme de la flèche jaune

En ajustant les champs magnétiques et électriques à la valeur critique pour obtenir la trajectoire tangentielle, le passage du faisceau d’électron engendrera un courant induit dans les cavités qui résultera en une oscillation aux fréquences micro-ondes.

2. Modulation de la vitesse des électrons

Le champ électrique dans le magnétron est complexe. Il y a d’abord le champ continu qui est créé par la différence de potentiel entre l’anode et la cathode. Ensuite, il y a le courant alternatif causé par l’induction de courant autour des cavités par le faisceau d’électrons passant à proximité de la discontinuité de leur fente. En effet, l’anode est chargée positivement et l’approche d’un électron devrait repousser les électrons dans l’anode vers l’extérieur. La présence d’une cavité crée au contraire une circulation autour de celle-ci, les électrons faisant le tour depuis le côté de la fente d’où vers l’électron vers le côté opposé.

L’intensité du champ induit est montrée à son maximum dans la Figure 6 lors d’une oscillation de radiofréquence des cavités. Celui-ci varie constamment car le courant va dans un sens à l’approche de l’électron et de l’autre quand il s’éloigne.

Le champ alternatif accroit ou décroit le champ permanent. Les électrons qui s’approchent d’une cavité au moment où le champ total est plus positif subissent une accélération tangentielle et ceux qui le font lorsque le champ est plus négatif sont décélérés. Il en résulte une variation de la vitesse des électrons dans le faisceau.

3. Formation de zone radiale de charge

Cette variation conduit à une modulation de la densité tangentielle des électrons. À cela s’ajoute le fait que les électrons ralentis vont prendre une trajectoire retournant vers la cathode selon ce qu’on a vu antérieurement. Le tout donne des zones radiales entre l’anode et la cathode où les électrons se regroupent comme dans la Figure 7.

Cette « roue à rayon de charge » est également en rotation autour de la cathode à une vitesse angulaire de 2 segments d’anode par cycle du champ alternatif. En effet, la présence d’une concentration d’électrons influence le champ alternatif dans les cavités qu’elle approche ce qui fait constamment varier ce champ en rétroaction. Après un certain temps d’ajustement cette vitesse angulaire se stabilise et cette relation de phase permet à la concentration d’électrons de générer une oscillation de radiofréquence continue.

4. Transfert de l’énergie électrique potentielle au champ de courant alternatif

La perte de vitesse graduelle des électrons dans ce mouvement permet de transférer l’énergie potentielle du champ électrique continu en énergie oscillatoire du champ alternatif. La trajectoire individuelle d’un électron peut être représentée par la Figure 7. En ajustant correctement les paramètres de champs électriques et magnétiques, ainsi que le flux d’électrons de la cathode, ce transfert progressif d’énergie peut donner une efficacité jusqu’à 80% au processus.

Phase de l’onde

Après la mise sous tension de l’anode, aucune onde de radiofréquence n’est encore disponible. Comme mentionné antérieurement, le passage de l’électron près de la fente d’une cavité laisse une partie de leur énergie en induisant un courant dans les parois de celle-ci (similairement au son produit par l’air passant près d’un un trou dans une flûte). Ce courant entre en résonnance à la fréquence naturelle qui dépend des dimensions de la cavité et crée une rétroaction avec le champ électrique alternatif. Cette onde de radiofréquence est d’abord de faible amplitude et débute le processus des étapes 2 à 4. Cependant, la phase initiale de cette oscillation ne peut être prédite et les impulsions successives auront donc une phase aléatoire. Le magnétron est donc un transmetteur incohérent.

Modes d’oscillation

La fréquence d’opération dépend du type et des dimensions des fentes, ainsi que de l’interaction entre l’anode et la cathode. Les cavités sont également couplés les unes avec les autres par la distance qui les sépare. En conséquence, il y a plusieurs fréquences de résonnance possible pour un système donné. Par exemple, la Figure 9 montre deux de quatre ondes qui peuvent être produites par un magnétron à 8 cavités. Il existe de nombreuses autres modes (3/4π, 1/2π, 1/4π) d’oscillation mais le mode π donne la plus grande puissance et il est de ce fait le plus utilisé.

Pour obtenir un mode π stable, il existe deux méthodes:

• Brides:
  La fréquence du mode π est séparée de celle des autres modes en posant deux fils en cercle autour des cavités de telle sortent les cavités paires ait la même polarité et que celles impaires aient la polarité opposée. La tension dans un fil est donc la même tout autour du cercle mais les deux fils ont une tension opposée.
   
• Cavités de fréquence de résonance différente:
  par exemple dans le cas des cavités en « rayons de soleil », les cavités profondes et peu profondes alternent.

Méthodes de transfert de l’onde produite

L’onde électromagnétique produite par le magnétron doit être captée par une sonde afin d’être utilisée par le transmetteur. Il y a différentes méthodes pour y arriver. Dans la Figure 10 et 11, on peut voir deux dispositifs utilisant une boucle de fils reliées à un câble coaxial.

En Figure 10, le fil central du câble fait une boucle placée dans la cavité et dont l’extrémité est soudée au conducteur externe. Cette disposition peut être utilisée pour des fréquences de moins 10 000 MHz. En Figure 11, la boucle se trouve le long du mur de la cavité et permet de capter avec assez de puissance un signal de plus haute fréquence.

Dans la Figure 12 est placée dans l’anode entre deux cavités et intercepte le champ magnétique dû à l’induction entre celles-ci. La boucle en bande en Figure 13 intercepte l’énergie entre deux segments.

À la sortie de ces quatre types de sondes, le câble coaxial dirige l’onde radioélectrique directement vers la section suivante du transmetteur ou indirectement par un guide d’ondes par un joint à piège.

En Figure 14, c’est un guide d’onde qui est utilisé pour faire le transfert directement par une ouverture dans une des cavités.

Accouplements de transfert pour un magnétron

Figure 10 

Figure 11 

Figure 12 

Figure 13 

Figure 14 

Accouplements de transfert pour un magnétron

Ajustement en fréquence du magnétron

La fréquence du magnétron est définie par ses caractéristiques mais il est possible de faire un ajustement à l’intérieur d’une bande de fréquences. En effet, ce sont les dimensions et formes des cavités résonantes qui détermine la fréquence et on peut les changer dans une certaines mesure en y introduisant un circuit avec des inductances et capacités. Cependant, l’ajustement ne peut être varié durant l’opération du magnétron, pour obtenir un émetteur à fréquence variable, juste le faire pour une valeur fixe.

Anode

Cadre du syntonisateur

Éléments
inductifs
supplémentaires

Figure 15 : Ajustement par éléments inductifs.

 

Anode

Cadre du syntonisateur

Éléments
inductifs
supplémentaires

Figure 15 : Ajustement par éléments inductifs.

Figure 16 : Cavités résonantes d’un magnétron à cavités circulaires avec ouverture en fente.

Bride de
jonction

Alimentation du filament

Figure 16 : Cavités résonantes d’un magnétron à cavités circulaires avec ouverture en fente.

Le M5114B utilisé dans les radars ASR-910 de contrôle du trafic aérien est un exemple de magnétron ajustable en fréquence. Pour réduire les interférences entre radars de ce type situés à proximité les uns des autres, chacun aura une fréquence bien précise assignée. Celle-ci est obtenue par le système décrit.

La Figure 15 montre les cavités, les deux brides de jonction et les fils d’alimentation de la cathode d’un magnétron TH3123. Les cavités sont cependant vides et leur fréquence n’est donc pas ajustable, il leur manque les éléments inductifs de la Figure 14.

Figure 17 : Magnétron M5114B du radar ASR-910 de contrôle aérien

Figure 18 : Magnétron VMX1090 du radar PAR-80 de contrôle aérien. On peut voir également ses aimants permanents et le guide d’ondes de sortie.