JP4192049B2

JP4192049B2 - Traveling wave tube amplifier and power amplifier

Info

Publication number: JP4192049B2
Application number: JP2003202296A
Authority: JP
Inventors: 雅亀井; 仁中川
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005045478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、進行波管増幅装置および電力増幅装置に関し、さらに詳しくは、例えば、マイクロ波帯域の信号の電力を増幅する進行波管増幅装置を備えた電力増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の電力増幅装置としては、図１１に示すような進行波管増幅装置が知られている。
【０００３】
図１１に示された従来の電力増幅装置７は、電子を放出する電子銃部１と、マイクロ波を入力する入力部２と、電子を集束し細い電子ビームを生成する電子ビーム集束部およびマイクロ波の電力を増幅する低速波回路（以下、ヘリックスという。）を含む電力増幅部３と、電力増幅されたマイクロ波を出力する出力部４と、電子を捕捉するコレクタ部５とを備えている。電子銃部１は、熱により電子を放出するカソード１ａと、カソード１ａを加熱するヒータ１ｂと、カソード１ａから放出される電子を加速するアノード１ｃと、カソード電源１ｄと、アノード電源１ｅとを備えている。電力増幅部３は、ヘリックス電源３ａを備えている。コレクタ部５は、コレクタに印加するコレクタ電源５ａ〜５ｄを備えている。なお、破線６は、電子銃部１から放出された電子の流れを示している。
【０００４】
出力部４から出力されるマイクロ波の出力電力は、図１２に示すように、入力部２に入力されるマイクロ波の入力電力を増加させたとき、入力電力に応じて増加し、飽和出力電力に達した後、減少する特性を有している。また、電力増幅装置７の電力効率は、飽和出力電力が得られる入力電力の近傍において最大になる特性を有している。
【０００５】
カソード電源１ｄ、アノード電源１ｅ、ヘリックス電源３ａ、およびコレクタ電源５ａ〜５ｄの各電圧は、出力されるマイクロ波の飽和出力電力が電力増幅装置７の最大電力を超えない範囲内で電力効率が高くなるよう所定の値に固定されている。したがって、従来の電力増幅装置７は、電力効率が最大になる飽和出力電力の近傍に固定した動作点で増幅動作をするようになっている。
【０００６】
従来の電力増幅装置７は、まず、電子銃部１のカソード１ａによって電子が放出され、アノード１ｃによって放出された電子が加速される。次いで、電力増幅部３の電子ビーム集束部によって電子が集束される。集束された電子はヘリックス内を通過する。
【０００７】
一方、入力部２によってマイクロ波が入力される。次いで、電力増幅部３によって入力されたマイクロ波と電子ビームとがヘリックス内で相互作用し、マイクロ波の電力が増幅される。そして、出力部４によって電力が増幅されたマイクロ波が出力される。
【０００８】
以上のように、従来の電力増幅装置７は、電力効率が最大になる飽和出力電力の近傍に動作点を固定し、入力部２に入力されるマイクロ波と電子銃部１から放出される電子とをヘリックス内で相互作用させてマイクロ波の電力を増幅するようになっている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
【非特許文献１】
鬼橋、西田、「速度テーパ付き空洞結合型進行波管の動作電圧特性」、電子情報通信学会論文誌、１９９９年６月、Ｃ−II、Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｃ−II、Ｎｏ．６、ｐ．３１４−３２２（ｐ．３１５図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電力増幅装置７では、電力効率が最大になる飽和出力電力の近傍に固定した動作点で増幅動作をするので、例えば、振幅変調された高周波信号の電力を増幅する場合、高周波信号の入力電力が時間と共に変化し、電力増幅装置７の電力効率は、高周波信号の入力電力が大きいときは高いものの、高周波信号の入力電力が小さいときは低くなってしまい、時間平均の電力効率が低下してしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、入力信号の電力が変化しても、入力信号の電力を高い電力効率で増幅することができる電力増幅装置を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の進行波管増幅装置は、電子を放出する電子放出手段と、前記電子放出手段から放出される放出電子の量を制御する放出電子制御手段と、前記放出電子と入力信号とを相互作用させて前記入力信号の電力を増幅する電力増幅手段とを備え、前記放出電子制御手段は、前記入力信号の包絡線の振幅に応じて前記電力増幅手段から出力される出力信号の飽和出力電力が変化するよう前記放出電子の量を制御するようにしたことを特徴とする構成を有している。
【００１３】
この構成により、放出電子制御手段は、入力信号の包絡線の振幅に応じて電力増幅手段から出力される出力信号の飽和出力電力が変化するよう放出電子の量を制御するので、例えば、入力信号が振幅変調され包絡線の振幅が変化する場合でも、包絡線の振幅に応じて飽和出力電力を変化させることができ、入力信号の電力を高い電力効率で増幅することができる。
【００１４】
本発明の電力増幅装置は、電子を放出する電子放出手段と、前記電子放出手段から放出される放出電子の量を制御する放出電子制御手段と、前記放出電子と入力信号とを相互作用させて前記入力信号の電力を増幅する電力増幅手段とを備えた進行波管増幅装置と、前記進行波管増幅装置に入力される入力信号の包絡線の振幅を検出する包絡線振幅検出手段とを備えたことを特徴とする構成を有している。
【００１５】
この構成により、包絡線振幅検出手段は、進行波管増幅装置に入力される入力信号の包絡線の振幅を検出し、放出電子制御手段は、入力信号の包絡線の振幅に応じて電力増幅手段から出力される出力信号の飽和出力電力が変化するよう放出電子の量を制御するので、例えば、入力信号が振幅変調され包絡線の振幅が変化する場合でも、包絡線の振幅に応じて飽和出力電力を変化させることができ、入力信号の電力を高い電力効率で増幅することができる。
【００１６】
また、本発明の電力増幅装置は、前記進行波管増幅装置の利得を調整する利得調整手段を備えたことを特徴とする構成を有している。
【００１７】
この構成により、利得調整手段は、進行波管増幅装置の利得を所望の値に調整することができる。
【００１８】
また、本発明の電力増幅装置は、前記進行波管増幅装置から出力される出力信号の位相を調整する位相調整手段を備えたことを特徴とする構成を有している。
【００１９】
この構成により、位相調整手段は、進行波管増幅装置から出力される出力信号の位相を所望の値に調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本実施の形態の電力増幅装置の構成について説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施の形態の電力増幅装置１０は、入力信号の電力を増幅する進行波管増幅装置１１と、入力信号を検波し、包絡線の振幅を検出する包絡線検波器１２と、進行波管増幅装置１１のアノード電圧を設定するアノード電圧設定器１３とを備えている。
【００２２】
進行波管増幅装置１１は、電子を放出する電子銃部１４と、信号を入力する入力部１５と、入力信号と放出電子とを相互作用させて入力信号の電力を増幅する電力増幅部１６と、電力が増幅された信号を出力する出力部１７と、電子を捕捉するコレクタ部１８とを備えている。電子銃部１４は、電子を放出するカソード１４ａと、放出された電子を加速するアノード１４ｂとを備えている。
【００２３】
進行波管増幅装置１１は、例えば、図２に示すように構成されている。図２において、電子銃部１４は、熱により電子を放出するカソード１４ａと、カソード１４ａを加熱するヒータ１４ｂと、カソード１４ａから放出される電子を加速するアノード１４ｃと、カソード電源１４ｄと、アノード電源１４ｅとを備えている。電力増幅部１６は、ヘリックス電源１６ａを備えている。コレクタ部１８は、コレクタ電源１８ａ〜１８ｄを備えている。なお、破線１９は、電子銃部１４から放出された電子の流れを示している。
【００２４】
アノード電源１４ｅによって印加されるアノード電圧Ｖａは、アノード電圧設定器１３によって包絡線の振幅に応じて制御されるようになっている。アノード電圧Ｖａが変化するとカソード電流Ｉｋも変化する。すなわち、アノード電圧Ｖａが変化すると電子銃部１４から放出される放出電子の量が変化する。したがって、アノード電圧設定器１３は、包絡線の振幅に応じて電子銃部１４から放出される放出電子の量を調整するようになっている。
【００２５】
この放出電子の量の調整、すなわち、カソード電流Ｉｋの調整について図３および図４を参照して説明する。なお、進行波管増幅装置１１は、図３に示すような入出力特性を有するものと仮定し、図４（ａ）に示すような入力電力を有する入力信号を図４（ｂ）に示すような出力電力を有する出力信号に増幅するものとする。
【００２６】
図３において、アノード電圧Ｖａを変化させることによってカソード電流Ｉｋを３５ｍＡ、５０ｍＡ、５８ｍＡ、７１ｍＡ、８８ｍＡと変化させたときの入力電力に対する出力電力の入出力特性カーブ２０〜２４が示されている。また、各入出力特性カーブ上の飽和出力電力２５〜２９が示されている。進行波管増幅装置１１の電力効率は、飽和出力電力２５〜２９の近傍で最大値を有する。例えば、電力効率カーブ３０は、カソード電流Ｉｋ＝３５ｍＡのときの電力効率を示している。なお、カソード電流Ｉｋ＝３５ｍＡのとき以外の電力効率カーブの表示は省略している。
【００２７】
図４（ａ）において、振幅変調された入力信号の波形３１と入力信号の包絡線３２とが示されている。図４（ｂ）においては、出力信号の最大電力および最小電力が、それぞれ２３０Ｗおよび４０Ｗのときの波形が示されている。ここで、進行波管増幅装置１１において、最大電力２３０Ｗはカソード電流Ｉｋ＝８８ｍＡのとき得られ、最小電力４０Ｗはカソード電流Ｉｋ＝３５ｍＡのとき得られると仮定する。
【００２８】
なお、出力電力の振幅の包絡線の変化は、入力電力の振幅の包絡線および入力電圧の振幅の包絡線の変化に対応している。したがって、出力電力の振幅の包絡線の変化は、入力電力および入力電圧のいずれでも取得することができるが、以下の説明においては、アノード電圧設定器１３は、入力電圧の振幅の包絡線（以下、包絡線電圧という。）に応じて電子銃部１４から放出される放出電子の量を調整するものとする。
【００２９】
包絡線検波器１２は、入力信号を検波し、図４（ｃ）に示すような包絡線検波電圧を出力する。アノード電圧設定器１３は、図４（ｄ）に示すように、包絡線検波電圧が最大のときカソード電流Ｉｋ＝８８ｍＡとなるようアノード電圧Ｖａを設定する。また、包絡線検波電圧が最小のときカソード電流Ｉｋ＝３５ｍＡとなるようアノード電圧Ｖａを設定する。すなわち、進行波管増幅装置１１が常に飽和出力電力の近傍で増幅動作をするようアノード電圧を設定するようになっている。アノード電圧設定器１３は、例えば、マイクロプロセッサ、メモリ等によって構成されている。
【００３０】
なお、包絡線検波器１２は包絡線振幅検出手段を構成している。また、電子銃部１４およびアノード電圧設定器１３は、それぞれ電子放出手段および放出電子調整手段を構成している。
【００３１】
次に、本実施の形態の電力増幅装置１０の動作について説明する。
【００３２】
図１において、まず、包絡線検波器１２によって、入力信号が検波され、包絡線電圧の振幅が取得される。さらに、アノード電圧設定器１３によって、包絡線電圧の振幅に応じてアノード電圧が設定される。
【００３３】
一方、図２において、電子銃部１４のカソード１４ａによって、電子が放出される。次いで、アノード１４ｂによって、包絡線電圧の振幅に応じて放出された電子が加速される。次いで、電力増幅部１６の電子ビーム集束部によって、電子が集束される。集束された電子は、ヘリックス内を通過する。さらに、電力増幅部１６によって、入力部１５から入力されたマイクロ波と電子ビームとがヘリックス内で相互作用し、マイクロ波の電力が増幅される。そして、出力部１７によって、電力が増幅されたマイクロ波が出力される。
【００３４】
次に、本実施の形態の電力増幅装置１０の電力効率の改善効果について説明する。
【００３５】
図５（ａ）において、Ａは包絡線で示された出力電力の最大値を示し、ＢはＡよりも低い出力電力を示している。図５（ｂ）は、飽和出力電力がＡのときの入出力特性カーブ３３および電力効率カーブ３４と、飽和出力電力がＢのときの入出力特性カーブ３５および電力効率カーブ３６とを示している。
【００３６】
図５（ｂ）において、従来の進行波管増幅器による電力増幅では、アノード電圧Ｖａは固定され、最大振幅時の出力電力に合わせて入力信号を増幅するので、飽和出力電力がＡからＢに変化するとき、電力効率はＣからＥに変化する。一方、本実施の形態の電力増幅装置１０では、前述のように、飽和出力電力の近傍で入力信号を増幅するので、飽和出力電力がＡからＢに変化するとき、電力効率はＣからＤに変化するだけである。したがって、ＤからＥまでの差分の電力効率が改善されることとなる。
【００３７】
次に、出力電力に対する消費電力の関係について実験結果に基づいて説明する。
【００３８】
図６において、実線３７は、カソード電流を一定にしたとき、すなわち、従来の進行波管増幅器のようにアノード電圧を一定にして飽和出力電力の近傍で増幅動作をさせたときの実験値を示している。一方、破線３８は、カソード電流を可変にしたとき、すなわち、本実施の形態の電力増幅装置１０のようにアノード電圧を可変にして飽和出力電力の近傍で増幅動作をさせたときの実験値を示している。図６に示すように、本実施の形態の電力増幅装置１０の消費電力は、従来の進行波管増幅器の消費電力よりも少ないことがわかる。例えば、出力電力が４０Ｗの場合、消費電力は従来よりも約２７％も少ない。
【００３９】
したがって、本実施の形態の電力増幅装置１０は、高い電力効率を有し、消費電力が小さいので、放送システム、通信システム等の電力増幅装置に適する。
【００４０】
近年、放送システムおよび通信システムは、より高度なサービスの実現を図るため、高いビットレートでの伝送が求められている。高いビットレートでの伝送を実現するためには、高能率な変調方式での伝送が可能となる高い出力電力を有する放送システムおよび通信システムが必要である。放送システムおよび通信システムに適用すれば、電力効率の高い本実施の形態の電力増幅装置１０は、従来の進行波管増幅器と同じ電源を使用する場合でも、従来の進行波管増幅器よりも大きい送信電力を得ることができる。
【００４１】
また、進行波管増幅器において、増幅作用を終えた電子ビームのエネルギのうち、コレクタにより回収できなかったエネルギは、コレクタで熱に変換され発熱するので、熱を放射する熱放射部が設けてある。電力効率の高い本実施の形態の電力増幅装置１０における進行波管増幅装置１１では、従来の進行波管増幅器と比べ、発生する熱量も抑えることができるので、熱放射部の簡素化および低コスト化を図ることができる。
【００４２】
前述のように、本実施の形態の電力増幅装置１０は、電力効率が高く、消費電力は小さいので、高いビットレートでの伝送を実現でき、発生する熱量も抑えることができる。したがって、供給電力および放熱処理の対策、高出力等が要求される衛星システム、例えば、放送衛星システム、通信衛星システム等に適用すれば、極めて簡易で低コストのシステムを構築することができる。
【００４３】
なお、入力信号の包絡線の振幅が変化するのは振幅変調のものに限定されない。例えば、ナイキストフィルタ（一般的にはロールオフフィルタなど）により帯域制限を行った位相変調波、複数のキャリアを多重した場合の合成波などによる信号も包絡線の振幅が変化する信号である。また、入力信号はマイクロ波帯域の高周波信号に限定されない。また、電力増幅部１６の構成はヘリックスによる構成に限定されるものではない。
【００４４】
以上のように、本実施の形態の電力増幅装置１０によれば、アノード電圧設定器１３は、包絡線の振幅に応じてアノード電圧を設定し、電子銃部１４から放出される放出電子の量を調整するので、進行波管増幅装置１１は、常に飽和出力電力の近傍での増幅動作が可能となり、常に高い電力効率で入力信号の電力を増幅することができる。
【００４５】
また、本実施の形態の電力増幅装置１０を放送システムおよび通信システムに適用することで、従来の進行波管増幅器と同じ電源を使用する場合でも、従来の進行波管増幅器よりも大きい送信電力を得ることができる。
【００４６】
また、本実施の形態の電力増幅装置１０における進行波管増幅装置１１では、従来の進行波管増幅器と比べ、発生する熱量も抑えることができるので、熱放射部の簡素化および低コスト化を図ることができる。
【００４７】
また、本実施の形態の電力増幅装置１０は、電力効率が高く、消費電力が低いという特性を有し、高いビットレートでの伝送を実現でき、発生する熱量も抑えることができるので、放送衛星システム、通信衛星システム等に適用すれば、極めて簡易で低コストのシステムを構築することができる。
（第２の実施の形態）
まず、本実施の形態の電力増幅装置４０の構成について説明する。
【００４８】
図７に示すように、本実施の形態の電力増幅装置４０は、本発明の第１の実施の形態の電力増幅装置１０に固体増幅器４１および利得制御器４２を追加したものである。したがって、電力増幅装置１０と同様な構成の説明は省略する。
【００４９】
固体増幅器４１は、例えば、電界効果トランジスタによって構成され、入力信号を増幅するようになっている。利得制御器４２は、マイクロプロセッサ、メモリ等によって構成され、包絡線の振幅に応じて固体増幅器４１の利得を制御するようになっている。なお、固体増幅器４１は利得調整手段を構成している。
【００５０】
ここで、進行波管増幅装置１１の利得について説明する。進行波管増幅装置１１の利得Ｇは、一般に次式で表される。
【数１】

ここで、Ａは初期損失、Ｂは増大波係数、Ｃは結合係数、Ｎは波数を示している。また、結合係数Ｃは、結合インピーダンスＫ、カソード電流Ｉ_ｋ、ヘリックス電圧Ｖ_ｈによって次式で表される。
【数２】

アノード電圧を上げてカソード電流を増加させると、式（２）に示すように結合係数Ｃが大きくなるので、飽和出力が増加するとともに利得Ｇも増加する。なお、数式（１）および数式（２）は線形増幅動作の領域で成立する。ただし、飽和出力電力の近傍の飽和動作の領域においても定性的には同様な性質を示す。すなわち、アノード電圧を増加させると、利得および飽和出力が大きくなり、アノード電圧を減少させると、利得および飽和出力が低下する。
【００５１】
したがって、本実施の形態の電力増幅装置４０は、アノード電圧設定器１３によってアノード電圧が変更され、カソード電流が変更された結果、進行波管増幅装置１１の利得が変化しても、進行波管増幅装置１１の利得と固体増幅器４１の利得との和を一定に保つようになっている。
【００５２】
次に、本実施の形態の電力増幅装置４０の動作について説明する。
【００５３】
図７において、まず、包絡線検波器１２によって、入力信号が検波され、包絡線電圧の振幅が取得される。さらに、アノード電圧設定器１３によって、包絡線電圧の振幅に応じてアノード電圧が設定される。
【００５４】
一方、利得制御器４２によって、包絡線電圧の振幅に応じて固体増幅器４１の利得が設定される。具体的には、包絡線電圧の振幅が増加することにより進行波管増幅装置１１の利得が増加したときは、利得制御器４２によって固体増幅器４１の利得が減少され、包絡線電圧の振幅が減少することにより進行波管増幅装置１１の利得が減少したときは、利得制御器４２によって固体増幅器４１の利得が増加される。すなわち、利得制御器４２によって、進行波管増幅装置１１の利得と固体増幅器４１の利得との和が一定になるよう固体増幅器４１の利得が制御される。
【００５５】
以上のように、本実施の形態の電力増幅装置４０によれば、アノード電圧設定器１３は、包絡線電圧の振幅に応じてアノード電圧を設定し、電子銃部１４から放出される放出電子の量を調整するとともに、利得制御器４２は、進行波管増幅装置１１の利得と固体増幅器４１の利得との和が一定になるよう固体増幅器４１の利得を制御するので、進行波管増幅装置１１は、常に飽和出力電力の近傍での増幅動作が可能となり、常に高い電力効率で入力信号の電力を一定の利得で増幅することができる。
（第３の実施の形態）
まず、本実施の形態の電力増幅装置５０の構成について説明する。
【００５６】
図８に示すように、本実施の形態の電力増幅装置５０は、本発明の第１の実施の形態の電力増幅装置１０に移相器５１および移相制御器５２を追加したものである。したがって、電力増幅装置１０と同様な構成の説明は省略する。
【００５７】
移相器５１は、入力信号の位相を所定の位相遅延量だけ変化させ、入力信号とは異なる位相の出力信号を出力するようになっている。移相制御器５２は、マイクロプロセッサ、メモリ等によって構成され、包絡線電圧の振幅に応じて移相器５１の位相遅延量を制御するようになっている。なお、移相器５１は位相調整手段を構成している。
【００５８】
ここで、進行波管増幅装置１１の位相について説明する。進行波管増幅装置１１のヘリックス中の電磁波の伝搬定数Γは、一般に次式で表される。
【数３】

ここで、βは電子ビーム位相速度、Ｃは結合係数を示している。また、式（３）のδは、速度係数ｂ、損失係数ｄ、プラズマ角周波数ω_ｑ、角周波数ωによって次式で表される。
【数４】

アノード電圧を増減するとカソード電流が増減し、式（３）に示すように結合係数Ｃが変化するので、低速波回路中の伝搬定数が変化し、出力信号の位相が変化する。すなわち、飽和出力が変化すると同時に出力信号の位相も変化することとなる。
【００５９】
この位相の変化について実験結果に基づいて説明する。
【００６０】
図９に示すように、線形増幅動作の領域において、カソード電流Ｉｋを３５ｍＡから８８ｍＡに増加すると、出力位相は約２３０度から約８０度に変化するので、出力信号の位相は入力信号の位相よりも約１５０度遅れることとなる。一方、飽和動作時においては、カソード電流Ｉｋを３５ｍＡから８８ｍＡに増加すると、出力位相は約１９０度から約２０度に変化するので、出力信号の位相は入力信号の位相よりも約１７０度遅れることとなる。
【００６１】
したがって、本実施の形態の電力増幅装置５０は、アノード電圧設定器１３によってアノード電圧が変更され、カソード電流が変更された結果、進行波管増幅装置１１の出力信号の位相が変化しても、移相器５１によって進行波管増幅装置１１の出力信号の位相が一定に保たれるようになっている。
【００６２】
次に、本実施の形態の電力増幅装置５０の動作について説明する。
【００６３】
図８において、まず、包絡線検波器１２によって、入力信号が検波され、包絡線電圧の振幅が取得される。さらに、アノード電圧設定器１３によって、包絡線電圧の振幅に応じてアノード電圧が設定される。
【００６４】
一方、移相制御器５２によって、包絡線電圧の振幅に応じて移相器５１の位相遅延量が設定される。具体的には、包絡線電圧の振幅が減少したとき、つまり進行波管増幅装置１１の飽和出力が小さいときは、飽和出力が大きいときに比べて、移相器５１による位相遅延を大きくする。この結果、移相制御器５２は、進行波管増幅装置１１から出力される信号の位相を制御することができる。
【００６５】
なお、図１０に示す電力増幅装置６０のように、固体増幅器４１および利得制御器４２を本実施の形態の電力増幅装置５０に追加し、進行波管増幅装置１１の利得の制御も行うよう構成してもよい。
【００６６】
以上のように、本実施の形態の電力増幅装置５０によれば、アノード電圧設定器１３は、包絡線の振幅に応じてアノード電圧を設定し、電子銃部１４から放出される放出電子の量を調整するとともに、移相制御器５２は、進行波管増幅装置１１から出力される信号の位相が一定になるよう移相器５１の位相遅延量を制御するので、進行波管増幅装置１１は、常に飽和出力電力の近傍での増幅動作が可能となり、常に高い電力効率で入力信号の電力を増幅し、一定の位相の出力信号を出力することができる。
【００６７】
なお、図６および図９に示された実験データは、「中川、他３名、『２１ＧＨｚ帯放送衛星搭載用放射電力可変型中継器に関する一検討』、電子情報通信学会、１９９７年７月、信学技報、ＳＡＴ９７−４７、ＣＱ９７−２４、ＭＷ９７−６１、ｐ．１０５−１１０」より引用したものである。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い電力効率で入力信号の電力を増幅することができる電力増幅装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電力増幅装置のブロック図
【図２】進行波管増幅器の構成の一例を示す図
【図３】入力電力に対する出力電力および電力効率の関係の一例を示す図
【図４】（ａ）入力電力の波形の一例を示す図
（ｂ）出力電力の波形の一例を示す図
（ｃ）包絡線検波電圧の波形の一例を示す図
（ｄ）カソード電流の波形の一例を示す図
【図５】（ａ）出力電力の波形の一例を示す図
（ｂ）電力効率の変化の説明図
【図６】出力電力に対する消費電力の関係を示す図
【図７】本発明の第２の実施の形態の電力増幅装置のブロック図
【図８】本発明の第３の実施の形態の電力増幅装置のブロック図
【図９】入力電力に対する出力電力および出力位相の関係を示す図
【図１０】本発明の第３の実施の形態の他の態様のブロック図
【図１１】従来の電力増幅装置のブロック図
【図１２】入力電力に対する出力電力、電力効率等の関係を示す図
【符号の説明】
１０、４０、５０、６０電力増幅装置
１１進行波管増幅装置
１２包絡線検波器
１３アノード電圧設定器
１４電子銃部
１４ａカソード
１４ｂアノード
１４ｃカソード電源
１４ｄアノード電源
１５入力部
１６電力増幅部
１６ａ電源
１７出力部
１８コレクタ部
１８ａコレクタ電源
１９電子ビームを示す破線
２０、３３、３５入出力特性カーブ
２５飽和出力電力
３０、３４、３６電力効率カーブ
３１波形
３２包絡線
３７従来の電力増幅装置の消費電力を示す実線
３８本発明の電力増幅装置の消費電力を示す破線
４１固体増幅器
４２利得制御器
５１移相器
５２移相制御器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a traveling wave tube amplifying device and a power amplifying device, and more particularly to a power amplifying device including a traveling wave tube amplifying device that amplifies the power of a signal in a microwave band, for example.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of power amplifying device, a traveling wave tube amplifying device as shown in FIG. 11 is known.
[0003]
A conventional power amplifying apparatus 7 shown in FIG. 11 includes an electron gun unit 1 that emits electrons, an input unit 2 that inputs microwaves, an electron beam converging unit that focuses electrons and generates a thin electron beam, and a micro A power amplifying unit 3 including a low-speed wave circuit (hereinafter referred to as a helix) for amplifying wave power, an output unit 4 for outputting power-amplified microwaves, and a collector unit 5 for capturing electrons. . The electron gun unit 1 includes a cathode 1a that emits electrons by heat, a heater 1b that heats the cathode 1a, an anode 1c that accelerates electrons emitted from the cathode 1a, a cathode power source 1d, and an anode power source 1e. ing. The power amplification unit 3 includes a helix power source 3a. The collector unit 5 includes collector power supplies 5a to 5d that are applied to the collector. A broken line 6 indicates the flow of electrons emitted from the electron gun unit 1.
[0004]
The output power of the microwave output from the output unit 4 increases according to the input power when the input power of the microwave input to the input unit 2 is increased, as shown in FIG. It has the characteristic of decreasing after reaching. Further, the power efficiency of the power amplifying device 7 has a characteristic that becomes maximum in the vicinity of the input power at which saturated output power is obtained.
[0005]
Each voltage of the cathode power source 1d, the anode power source 1e, the helix power source 3a, and the collector power sources 5a to 5d has high power efficiency within a range where the saturated output power of the output microwave does not exceed the maximum power of the power amplifying device 7. It is fixed to a predetermined value so that Therefore, the conventional power amplifying apparatus 7 performs an amplifying operation at an operating point fixed near the saturated output power at which the power efficiency is maximized.
[0006]
In the conventional power amplifying apparatus 7, first, electrons are emitted by the cathode 1a of the electron gun unit 1, and the electrons emitted by the anode 1c are accelerated. Next, electrons are focused by the electron beam focusing unit of the power amplification unit 3. The focused electrons pass through the helix.
[0007]
On the other hand, a microwave is input by the input unit 2. Next, the microwave and the electron beam input by the power amplifier 3 interact in the helix, and the power of the microwave is amplified. And the microwave with which electric power was amplified by the output part 4 is output.
[0008]
As described above, the conventional power amplifying apparatus 7 fixes the operating point in the vicinity of the saturated output power at which the power efficiency is maximized, and the microwaves input to the input unit 2 and the electrons emitted from the electron gun unit 1. In the helix to amplify the power of the microwave (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Onihashi, Nishida, "Operating voltage characteristics of a cavity-coupled traveling wave tube with velocity taper", IEICE Transactions, June 1999, C-II, Vol. J82-C-II, no. 6, p. 314-322 (p.315 FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the conventional power amplifying apparatus 7 performs an amplifying operation at an operating point fixed near the saturated output power at which the power efficiency is maximized, for example, when amplifying the power of an amplitude-modulated high-frequency signal, The power efficiency of the power amplifying device 7 is high when the input power of the high-frequency signal is large, but is low when the input power of the high-frequency signal is small, and the time-average power efficiency is There was a problem of being lowered.
[0011]
The present invention has been made to solve such a problem, and provides a power amplification device capable of amplifying the power of an input signal with high power efficiency even when the power of the input signal changes. It is.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The traveling wave tube amplifying device according to the present invention includes an electron emission means for emitting electrons, an emission electron control means for controlling the amount of emitted electrons emitted from the electron emission means, and an interaction between the emitted electrons and an input signal. Power amplification means for amplifying the power of the input signal, and the emission electron control means has a saturated output power of the output signal output from the power amplification means according to the amplitude of the envelope of the input signal. The amount of the emitted electrons is controlled so as to change.
[0013]
With this configuration, the emitted electron control means controls the amount of emitted electrons so that the saturated output power of the output signal output from the power amplification means changes according to the amplitude of the envelope of the input signal. Even when the amplitude of the envelope is changed and the amplitude of the envelope changes, the saturation output power can be changed according to the amplitude of the envelope, and the power of the input signal can be amplified with high power efficiency.
[0014]
The power amplifying device of the present invention includes an electron emission means for emitting electrons, an emission electron control means for controlling the amount of emitted electrons emitted from the electron emission means, and an interaction between the emitted electrons and an input signal. A traveling wave tube amplifying device comprising a power amplifying means for amplifying the power of the input signal; and an envelope amplitude detecting means for detecting the amplitude of the envelope of the input signal input to the traveling wave tube amplifying device. It has the structure characterized by the above.
[0015]
With this configuration, the envelope amplitude detecting means detects the amplitude of the envelope of the input signal input to the traveling wave tube amplifier, and the emitted electron control means is the power amplifying means according to the amplitude of the envelope of the input signal. Since the amount of emitted electrons is controlled so that the saturation output power of the output signal output from the output signal changes, for example, even when the input signal is amplitude-modulated and the amplitude of the envelope changes, the saturation output depends on the amplitude of the envelope The power can be changed, and the power of the input signal can be amplified with high power efficiency.
[0016]
In addition, the power amplifying apparatus of the present invention has a configuration characterized by including a gain adjusting means for adjusting the gain of the traveling wave tube amplifying apparatus.
[0017]
With this configuration, the gain adjusting means can adjust the gain of the traveling wave tube amplifier to a desired value.
[0018]
In addition, the power amplifying device of the present invention has a configuration characterized by comprising phase adjusting means for adjusting the phase of the output signal output from the traveling wave tube amplifying device.
[0019]
With this configuration, the phase adjusting means can adjust the phase of the output signal output from the traveling wave tube amplifier to a desired value.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
First, the configuration of the power amplification device according to the present embodiment will be described.
[0021]
As shown in FIG. 1, a power amplifying apparatus 10 according to this embodiment includes a traveling wave tube amplifying apparatus 11 that amplifies the power of an input signal, and an envelope detector that detects the amplitude of the envelope by detecting the input signal. 12 and an anode voltage setting unit 13 for setting the anode voltage of the traveling wave tube amplifier 11.
[0022]
The traveling wave tube amplifying device 11 includes an electron gun unit 14 that emits electrons, an input unit 15 that inputs a signal, and a power amplifying unit 16 that amplifies the power of the input signal by interacting the input signal and the emitted electron. The output unit 17 outputs a signal with amplified power and the collector unit 18 captures electrons. The electron gun unit 14 includes a cathode 14a that emits electrons and an anode 14b that accelerates the emitted electrons.
[0023]
The traveling wave tube amplifying device 11 is configured, for example, as shown in FIG. In FIG. 2, an electron gun unit 14 includes a cathode 14a that emits electrons by heat, a heater 14b that heats the cathode 14a, an anode 14c that accelerates electrons emitted from the cathode 14a, a cathode power source 14d, and an anode power source. 14e. The power amplification unit 16 includes a helix power source 16a. The collector unit 18 includes collector power supplies 18a to 18d. A broken line 19 indicates the flow of electrons emitted from the electron gun unit 14.
[0024]
The anode voltage Va applied by the anode power supply 14e is controlled by the anode voltage setting unit 13 according to the amplitude of the envelope. When the anode voltage Va changes, the cathode current Ik also changes. That is, when the anode voltage Va changes, the amount of electrons emitted from the electron gun section 14 changes. Therefore, the anode voltage setting device 13 adjusts the amount of emitted electrons emitted from the electron gun unit 14 according to the amplitude of the envelope.
[0025]
The adjustment of the amount of emitted electrons, that is, the adjustment of the cathode current Ik will be described with reference to FIGS. The traveling wave tube amplifying apparatus 11 is assumed to have input / output characteristics as shown in FIG. 3, and an input signal having input power as shown in FIG. 4A is shown in FIG. It is assumed that the signal is amplified to an output signal having a sufficient output power.
[0026]
FIG. 3 shows input / output characteristic curves 20 to 24 of the output power with respect to the input power when the cathode current Ik is changed to 35 mA, 50 mA, 58 mA, 71 mA, and 88 mA by changing the anode voltage Va. Further, saturation output powers 25 to 29 on each input / output characteristic curve are shown. The power efficiency of the traveling wave tube amplifying device 11 has a maximum value in the vicinity of the saturation output power of 25 to 29. For example, the power efficiency curve 30 shows the power efficiency when the cathode current Ik = 35 mA. Note that the display of the power efficiency curve other than when the cathode current Ik = 35 mA is omitted.
[0027]
In FIG. 4A, an amplitude-modulated input signal waveform 31 and an input signal envelope 32 are shown. FIG. 4B shows waveforms when the maximum power and the minimum power of the output signal are 230 W and 40 W, respectively. Here, in the traveling wave tube amplifier 11, it is assumed that the maximum power 230W is obtained when the cathode current Ik = 88 mA and the minimum power 40W is obtained when the cathode current Ik = 35 mA.
[0028]
The change in the envelope of the amplitude of the output power corresponds to the change in the envelope of the amplitude of the input power and the envelope of the amplitude of the input voltage. Therefore, the change in the envelope of the output power amplitude can be obtained from either the input power or the input voltage. However, in the following description, the anode voltage setting unit 13 uses the envelope of the amplitude of the input voltage (hereinafter referred to as the envelope of the input voltage). The amount of emitted electrons emitted from the electron gun unit 14 is adjusted according to the envelope voltage).
[0029]
The envelope detector 12 detects an input signal and outputs an envelope detection voltage as shown in FIG. As shown in FIG. 4D, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage Va so that the cathode current Ik = 88 mA when the envelope detection voltage is maximum. Further, the anode voltage Va is set so that the cathode current Ik = 35 mA when the envelope detection voltage is minimum. That is, the anode voltage is set so that the traveling wave tube amplifier 11 always performs an amplification operation in the vicinity of the saturated output power. The anode voltage setting device 13 is constituted by, for example, a microprocessor, a memory, and the like.
[0030]
The envelope detector 12 constitutes an envelope amplitude detection means. The electron gun section 14 and the anode voltage setting device 13 constitute electron emission means and emission electron adjustment means, respectively.
[0031]
Next, the operation of the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment will be described.
[0032]
In FIG. 1, first, the input signal is detected by the envelope detector 12, and the amplitude of the envelope voltage is acquired. Further, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope voltage.
[0033]
On the other hand, in FIG. 2, electrons are emitted by the cathode 14 a of the electron gun unit 14. Next, the emitted electrons are accelerated according to the amplitude of the envelope voltage by the anode 14b. Next, the electrons are focused by the electron beam focusing section of the power amplification section 16. The focused electrons pass through the helix. Further, the microwave and the electron beam input from the input unit 15 interact in the helix by the power amplifying unit 16 to amplify the microwave power. Then, the output unit 17 outputs a microwave with amplified power.
[0034]
Next, the effect of improving the power efficiency of the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment will be described.
[0035]
In FIG. 5A, A indicates the maximum value of output power indicated by the envelope, and B indicates output power lower than A. FIG. 5B shows an input / output characteristic curve 33 and a power efficiency curve 34 when the saturated output power is A, and an input / output characteristic curve 35 and a power efficiency curve 36 when the saturated output power is B. .
[0036]
In FIG. 5B, in the power amplification by the conventional traveling wave tube amplifier, the anode voltage Va is fixed and the input signal is amplified in accordance with the output power at the maximum amplitude, so the saturation output power changes from A to B. The power efficiency changes from C to E. On the other hand, in the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment, as described above, the input signal is amplified in the vicinity of the saturated output power. Therefore, when the saturated output power changes from A to B, the power efficiency changes from C to D. It only changes. Therefore, the power efficiency of the difference from D to E is improved.
[0037]
Next, the relationship between power consumption and output power will be described based on experimental results.
[0038]
In FIG. 6, a solid line 37 shows experimental values when the cathode current is made constant, that is, when the amplification operation is performed in the vicinity of the saturated output power with the anode voltage kept constant as in a conventional traveling wave tube amplifier. ing. On the other hand, the broken line 38 shows experimental values when the cathode current is made variable, that is, when the anode voltage is made variable and the amplification operation is performed in the vicinity of the saturated output power as in the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment. Show. As shown in FIG. 6, it can be seen that the power consumption of the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment is less than the power consumption of the conventional traveling wave tube amplifier. For example, when the output power is 40 W, the power consumption is about 27% less than before.
[0039]
Therefore, the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment has high power efficiency and low power consumption, and is suitable for power amplifying apparatuses such as broadcasting systems and communication systems.
[0040]
In recent years, broadcasting systems and communication systems are required to transmit at a high bit rate in order to realize more sophisticated services. In order to realize transmission at a high bit rate, a broadcasting system and a communication system having high output power capable of transmission by a highly efficient modulation method are required. When applied to a broadcasting system and a communication system, the power amplifying apparatus 10 according to the present embodiment having high power efficiency is larger in transmission than the conventional traveling wave tube amplifier even when the same power source as the conventional traveling wave tube amplifier is used. Electric power can be obtained.
[0041]
In the traveling wave tube amplifier, the energy of the electron beam energy that has been amplified is not recovered by the collector, and is converted into heat by the collector to generate heat. Therefore, a heat radiating section that radiates heat is provided. . The traveling wave tube amplifying device 11 in the power amplifying device 10 of the present embodiment having high power efficiency can also suppress the amount of heat generated compared to the conventional traveling wave tube amplifier, so that the heat radiating unit is simplified and the cost is low. Can be achieved.
[0042]
As described above, since the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment has high power efficiency and low power consumption, transmission at a high bit rate can be realized and the amount of generated heat can be suppressed. Therefore, when applied to satellite systems that require measures for supply power and heat dissipation processing, high output, etc., such as broadcast satellite systems and communication satellite systems, a very simple and low-cost system can be constructed.
[0043]
Note that the amplitude of the envelope of the input signal is not limited to that of amplitude modulation. For example, a signal using a phase-modulated wave whose band is limited by a Nyquist filter (generally, a roll-off filter) or a combined wave when a plurality of carriers are multiplexed is also a signal whose envelope amplitude changes. The input signal is not limited to a high frequency signal in the microwave band. The configuration of the power amplifying unit 16 is not limited to the configuration using a helix.
[0044]
As described above, according to the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope, and the amount of emitted electrons emitted from the electron gun unit 14. Therefore, the traveling wave tube amplifying device 11 can always perform an amplification operation in the vicinity of the saturated output power, and can always amplify the power of the input signal with high power efficiency.
[0045]
Further, by applying the power amplifying apparatus 10 of the present embodiment to a broadcasting system and a communication system, even when the same power source as that of a conventional traveling wave tube amplifier is used, a transmission power larger than that of the conventional traveling wave tube amplifier is obtained. Obtainable.
[0046]
Further, the traveling wave tube amplifier 11 in the power amplifying device 10 of the present embodiment can suppress the amount of heat generated as compared with the conventional traveling wave tube amplifier, thereby simplifying and reducing the cost of the thermal radiation section. Can be planned.
[0047]
In addition, the power amplifying apparatus 10 according to the present embodiment has characteristics of high power efficiency and low power consumption, can realize transmission at a high bit rate, and can suppress the amount of generated heat. When applied to a system, a communication satellite system, etc., an extremely simple and low-cost system can be constructed.
(Second Embodiment)
First, the configuration of the power amplification device 40 of the present embodiment will be described.
[0048]
As shown in FIG. 7, the power amplifying apparatus 40 of the present embodiment is obtained by adding a solid-state amplifier 41 and a gain controller 42 to the power amplifying apparatus 10 of the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the same configuration as that of the power amplification device 10 is omitted.
[0049]
The solid-state amplifier 41 is configured by, for example, a field effect transistor, and amplifies an input signal. The gain controller 42 includes a microprocessor, a memory, and the like, and controls the gain of the solid-state amplifier 41 according to the amplitude of the envelope. The solid-state amplifier 41 constitutes a gain adjusting unit.
[0050]
Here, the gain of the traveling wave tube amplifier 11 will be described. The gain G of the traveling wave tube amplifier 11 is generally expressed by the following equation.
[Expression 1]

Here, A is an initial loss, B is an increasing wave coefficient, C is a coupling coefficient, and N is a wave number. The coupling coefficient C is the coupling impedance K, cathode current I _k , Helix voltage V _h Is expressed by the following equation.
[Expression 2]

When the anode voltage is increased and the cathode current is increased, the coupling coefficient C increases as shown in the equation (2), so that the saturation output increases and the gain G also increases. Equations (1) and (2) hold in the linear amplification region. However, qualitatively the same property is exhibited in the saturation operation region near the saturation output power. That is, when the anode voltage is increased, the gain and the saturation output are increased, and when the anode voltage is decreased, the gain and the saturation output are decreased.
[0051]
Therefore, in the power amplifying device 40 of the present embodiment, the traveling wave tube is changed even if the gain of the traveling wave tube amplifying device 11 is changed as a result of the anode voltage being changed by the anode voltage setting unit 13 and the cathode current being changed. The sum of the gain of the amplifying device 11 and the gain of the solid-state amplifier 41 is kept constant.
[0052]
Next, the operation of the power amplifying apparatus 40 of the present embodiment will be described.
[0053]
In FIG. 7, first, the input signal is detected by the envelope detector 12, and the amplitude of the envelope voltage is acquired. Further, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope voltage.
[0054]
On the other hand, the gain controller 42 sets the gain of the solid-state amplifier 41 according to the amplitude of the envelope voltage. Specifically, when the gain of the traveling wave tube amplifying device 11 is increased by increasing the amplitude of the envelope voltage, the gain of the solid-state amplifier 41 is decreased by the gain controller 42, and the amplitude of the envelope voltage is decreased. Thus, when the gain of the traveling wave tube amplifier 11 decreases, the gain of the solid-state amplifier 41 is increased by the gain controller 42. That is, the gain controller 42 controls the gain of the solid-state amplifier 41 so that the sum of the gain of the traveling wave tube amplifier 11 and the gain of the solid-state amplifier 41 is constant.
[0055]
As described above, according to the power amplifying apparatus 40 of the present embodiment, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope voltage, and emits electrons emitted from the electron gun unit 14. While adjusting the amount, the gain controller 42 controls the gain of the solid-state amplifier 41 so that the sum of the gain of the traveling-wave tube amplifier 11 and the gain of the solid-state amplifier 41 is constant, so that the traveling-wave tube amplifier 11 Can always amplify in the vicinity of the saturation output power, and can always amplify the power of the input signal with a constant gain with high power efficiency.
(Third embodiment)
First, the configuration of the power amplification device 50 of the present embodiment will be described.
[0056]
As shown in FIG. 8, a power amplifying apparatus 50 according to the present embodiment is obtained by adding a phase shifter 51 and a phase shift controller 52 to the power amplifying apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention. Therefore, the description of the same configuration as that of the power amplification device 10 is omitted.
[0057]
The phase shifter 51 changes the phase of the input signal by a predetermined phase delay amount and outputs an output signal having a phase different from that of the input signal. The phase shift controller 52 includes a microprocessor, a memory, and the like, and controls the phase delay amount of the phase shifter 51 according to the amplitude of the envelope voltage. The phase shifter 51 constitutes phase adjusting means.
[0058]
Here, the phase of the traveling wave tube amplifier 11 will be described. The propagation constant Γ of the electromagnetic wave in the helix of the traveling wave tube amplifier 11 is generally expressed by the following equation.
[Equation 3]

Here, β represents an electron beam phase velocity, and C represents a coupling coefficient. Further, δ in the equation (3) is a speed coefficient b, a loss coefficient d, a plasma angular frequency ω. _q The angular frequency ω is expressed by the following equation.
[Expression 4]

When the anode voltage is increased / decreased, the cathode current increases / decreases, and the coupling coefficient C changes as shown in equation (3), so that the propagation constant in the low-speed wave circuit changes and the phase of the output signal changes. In other words, the phase of the output signal also changes at the same time as the saturation output changes.
[0059]
This phase change will be described based on experimental results.
[0060]
As shown in FIG. 9, when the cathode current Ik is increased from 35 mA to 88 mA in the region of linear amplification operation, the output phase changes from about 230 degrees to about 80 degrees, so that the phase of the output signal is greater than the phase of the input signal. Will be delayed by about 150 degrees. On the other hand, in the saturation operation, when the cathode current Ik is increased from 35 mA to 88 mA, the output phase changes from about 190 degrees to about 20 degrees, so that the phase of the output signal is delayed by about 170 degrees from the phase of the input signal. It becomes.
[0061]
Therefore, in the power amplifying device 50 of the present embodiment, even when the anode voltage is changed by the anode voltage setting unit 13 and the cathode current is changed, the phase of the output signal of the traveling wave tube amplifying device 11 changes. The phase shifter 51 keeps the phase of the output signal of the traveling wave tube amplifier 11 constant.
[0062]
Next, the operation of the power amplifying apparatus 50 of the present embodiment will be described.
[0063]
In FIG. 8, first, the input signal is detected by the envelope detector 12, and the amplitude of the envelope voltage is acquired. Further, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope voltage.
[0064]
On the other hand, the phase shift controller 52 sets the phase delay amount of the phase shifter 51 according to the amplitude of the envelope voltage. Specifically, when the amplitude of the envelope voltage decreases, that is, when the saturated output of the traveling wave tube amplifier 11 is small, the phase delay by the phase shifter 51 is increased compared to when the saturated output is large. As a result, the phase shift controller 52 can control the phase of the signal output from the traveling wave tube amplifier 11.
[0065]
As in the power amplifying apparatus 60 shown in FIG. 10, a solid-state amplifier 41 and a gain controller 42 are added to the power amplifying apparatus 50 of the present embodiment, and the gain of the traveling wave tube amplifying apparatus 11 is also controlled. May be.
[0066]
As described above, according to the power amplification device 50 of the present embodiment, the anode voltage setting unit 13 sets the anode voltage according to the amplitude of the envelope, and the amount of emitted electrons emitted from the electron gun unit 14. Since the phase shift controller 52 controls the phase delay amount of the phase shifter 51 so that the phase of the signal output from the traveling wave tube amplifying device 11 is constant, the traveling wave tube amplifying device 11 Thus, an amplification operation in the vicinity of the saturated output power is always possible, and the power of the input signal can be always amplified with high power efficiency and an output signal having a constant phase can be output.
[0067]
The experimental data shown in FIG. 6 and FIG. 9 are as follows: “Nakakawa and three others,“ A study on a radiated power variable repeater for 21 GHz band broadcasting satellite ”, IEICE, July 1997, Cited from IEICE Technical Report, SAT97-47, CQ97-24, MW97-61, p.105-110.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a power amplification device that can amplify the power of an input signal with high power efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a power amplifying apparatus according to a first embodiment of this invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a traveling wave tube amplifier
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between output power and power efficiency with respect to input power
FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a waveform of input power.
(B) The figure which shows an example of the waveform of output electric power
(C) The figure which shows an example of the waveform of an envelope detection voltage
(D) The figure which shows an example of the waveform of a cathode current
FIG. 5A is a diagram showing an example of a waveform of output power.
(B) Explanatory diagram of changes in power efficiency
FIG. 6 is a diagram showing the relationship of power consumption to output power
FIG. 7 is a block diagram of a power amplifying apparatus according to a second embodiment of this invention.
FIG. 8 is a block diagram of a power amplifying device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between output power and output phase with respect to input power.
FIG. 10 is a block diagram of another aspect of the third exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a block diagram of a conventional power amplification device.
FIG. 12 is a diagram showing the relationship of output power, power efficiency, etc. with respect to input power
[Explanation of symbols]
10, 40, 50, 60 Power amplifier
11 Traveling wave tube amplifier
12 Envelope detector
13 Anode voltage setting device
14 electron gun
14a cathode
14b Anode
14c Cathode power supply
14d Anode power supply
15 Input section
16 Power amplifier
16a power supply
17 Output section
18 Collector section
18a Collector power supply
19 Broken line showing electron beam
20, 33, 35 Input / output characteristic curve
25 Saturated output power
30, 34, 36 Power efficiency curve
31 waveforms
32 Envelope
37 Solid line showing power consumption of a conventional power amplifier
38 A broken line showing power consumption of the power amplifying device of the present invention
41 Solid-state amplifier
42 Gain controller
51 Phase shifter
52 Phase shift controller

Claims

Electron emission means for emitting electrons, emission electron control means for controlling the amount of electrons emitted from the electron emission means, and interaction between the emitted electrons and the input signal to amplify the power of the input signal Power emission means, and the emission electron control means controls the amount of emitted electrons so that the saturated output power of the output signal output from the power amplification means changes according to the amplitude of the envelope of the input signal A traveling wave tube amplifying apparatus characterized by comprising:

A power amplifying device comprising the traveling wave tube amplifying device according to claim 1 and an envelope amplitude detecting means for detecting an amplitude of an envelope of an input signal input to the traveling wave tube amplifying device. .

The power amplifying apparatus according to claim 2, further comprising gain adjusting means for adjusting a gain of the traveling wave tube amplifying apparatus.

4. The power amplifying apparatus according to claim 2, further comprising phase adjusting means for adjusting a phase of an output signal output from the traveling wave tube amplifying apparatus.