JP5255189B2

JP5255189B2 - 電源装置及び高周波回路システム

Info

Publication number: JP5255189B2
Application number: JP2006151983A
Authority: JP
Inventors: 潤一小林
Original assignee: 株式会社ネットコムセック
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2026-05-31
Also published as: US7764025B2; EP1862879A1; EP1862879B1; JP2007323915A; US20070279009A1

Description

本発明は高周波信号の増幅や発振に用いられる電子管へ所定の直流高電圧を供給する電源装置及びそれを備えた高周波回路システムに関する。

進行波管やクライストロン等は電子銃から放出された電子ビームと高周波回路との相互作用により高周波信号の増幅や発振等を行うために用いる電子管である。進行波管１は、例えば、図３に示すように、電子ビーム５０を放出する電子銃１０と、電子銃１０から放出された電子ビーム５０と高周波信号（マイクロ波）とを相互作用させる高周波回路であるヘリックス２０と、ヘリックス２０から出力された電子ビーム５０を捕捉するコレクタ電極３０と、電子銃１０から電子を引き出すと共に電子銃１０から放出された電子ビーム５０をヘリックス２０内へ導くアノード電極４０とを有する構成である。

電子銃１０は、熱電子を放出するカソード電極１１と、カソード電極１１に熱電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ１２と、電子を集束して電子ビーム５０を形成するためのウェネルト電極１３とを備えている。

電子銃１０から放出された電子ビーム５０は、アノード電極４０により加速されてヘリックス２０内に導入され、ヘリックス２０に入力された高周波信号と相互作用しながら内部を進行する。ヘリックス２０から出力された電子ビーム５０はコレクタ電極３０で捕捉される。このとき、ヘリックス２０からは電子ビーム５０との相互作用により増幅された高周波信号が出力される。

図３に示すように、進行波管１の各電極に所定の電源電圧を供給する電源装置７０は、ヘリックス２０の電位を基準に電子銃１０のカソード電極１１に対して負の直流電圧（へリックス電圧Ｅｈｅｌ）を供給するヘリックス電源７１と、カソード電極１１の電位を基準にコレクタ電極３０に対して正の直流電圧（コレクタ電圧Ｅｃｏｌ）を供給するコレクタ電源７２と、カソード電極１１の電位を基準にアノード電極４０に対して正の直流電圧（アノード電圧Ｅａ）を供給するアノード電源７３と、カソード電極１１の電位を基準に交流電圧または直流電圧であるヒータ電圧Ｅｈｅａｔを電子銃１０のヒータ１２に対して供給するヒータ電源７４とを有する構成である。ヘリックス２０は、通常、進行波管１のケースに接続されて接地される。

図３に示す進行波管１は、アノード電極４０へ印加するアノード電圧Ｅａによってカソード電極１１から放出される電子の量を制御することが可能であり、このことにより進行波管１から出力する高周波信号の電力をアノード電圧Ｅａによって制御できる。例えば、進行波管１に一定電力の高周波信号を入力している場合でも、アノード電極４０にパルス状の電圧を印加すれば、パルス状の高周波信号を出力させることができる。

また、特許文献１には、進行波管１に対する入力信号（高周波信号）を検波し、入力電力に応じて出力電力が飽和しないようにアノード電圧Ｅａを制御することで、出力信号の電力効率を向上させる例が記載されている。

図４に示すように、ヘリックス電源７１は、トランス１０１の二次側出力電圧を整流する整流回路１０２と、整流回路１０２から出力される直流電圧から所定の電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）を生成するシリーズレギュレータ１０３と、電源電圧を安定化する整流用コンデンサであるコンデンサバンク１０４とを有する構成である。トランス１０１の一次側には、例えば周知のインバータ（不図示）が接続され、該インバータにより外部から供給される電源電圧を昇圧した電圧が供給される。
特開２００５−４５４７８号公報

通常、進行波管のヘリックス電圧は、数百〜数ｋＶ程度の直流高電圧になる。そのため、図４に示したように従来の電源装置では、複数のトランジスタを直列に接続してシリーズレギュレータを形成することで各トランジスタへの印加電圧を低減している。

シリーズレギュレータは、電源電圧（へリックス電圧Ｅｈｅｌ）よりも高いトランスの二次側出力電圧を基に各トランジスタのコレクタ−エミッタ間電圧を調整することで電源電圧を安定化させている。図４に示したシリーズレギュレータは、複数のトランジスタが直列に接続されることで出力インピーダンスが比較的大きな値となり、また動作時の時定数も大きくなるため、数μ〜数ｍＳ程度の電源電圧変動に対して追従することができない問題がある。

すなわち、図４に示したシリーズレギュレータを備えた電源装置では、上述したアノード電極にパルス状の電圧を印加することで進行波管をパルス動作させると、パルス動作による負荷変動に応じてコンデンサバンクから急激にエネルギーが放出され、このコンデンサバンクからのエネルギー放出に追従できずに電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）が大きく降下してしまう。

このような問題を回避するため従来の電源回路では、コンデンサバンクの容量をできるだけ大きくすることで電源電圧の降下を抑制していた。したがって、回路規模が大きくなる別の問題が発生していた。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、負荷が大きく変動する場合、例えばアノード電極にパルス状の電圧を印加することで電子管をパルス駆動する場合でも、電源電圧の変動を抑制できる電源装置及びそれを用いた高周波回路システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の電源装置は、整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電圧から所定の電源電圧を生成するシリーズレギュレータと、
前記電源電圧を安定化する整流用コンデンサであるコンデンサバンクと、
外部から供給される駆動信号にしたがってオンまたはオフし、前記オン時に前記整流回路から前記コンデンサバンクへ電荷を供給させることで、負荷変動によって降下した前記電源電圧が安定化するまでの時間を短縮する充電バイパス回路と、
前記電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出する過電圧比較回路と、
前記電源電圧の降下を検出すると前記充電バイパス回路をオンさせ、前記過電圧比較回路により前記電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出すると前記充電バイパス回路をオフさせる充電バイパス制御回路と、
を有する。

一方、本発明の高周波回路システムは、
電子管と、
上記電源装置と、
前記電子管のアノード電極にパルス状の電圧を供給するためのアノードスイッチと、
前記電源装置が備える充電バイパス制御回路に、前記アノードスイッチを制御するためのアノードパルス入力信号を供給するアノードスイッチ制御回路と、
を有し、
前記充電バイパス制御回路は、
前記アノードパルス入力信号により前記アノード電極にパルス状の電圧が印加されたことを検出すると、前記充電バイパス回路をオンさせる構成である。

上記のような電源装置及び高周波回路システムでは、電源電圧の降下時に充電バイパス回路を通してコンデンサバンクが急速に充電され、電源電圧が所定の電圧値を越えると充電バイパス回路による充電動作が停止するため、コンデンサバンクの容量を増大させなくても、負荷変動による電源電圧の変動を抑制することができる。

本発明によれば、電源電圧の降下時に充電バイパス回路を通してコンデンサバンクが急速に充電され、電源電圧が所定の電圧値を越えると充電バイパス回路による充電動作が停止するため、コンデンサバンクの容量を増大させなくても、負荷変動による電源電圧の変動を抑制することができる。

そのため、アノード電極にパルス状の電圧を印加することで電子管をパルス駆動する場合でも、電源電圧の変動を抑制できる高周波回路システムが得られる。

次に本発明について図面を参照して説明する。

図１は本発明の電源装置の一構成例を示す回路図であり、図２は図１に示した電源装置の要部の電圧波形を示すタイミングチャートである。なお、以下では本発明の高周波回路システムが備える電子管として、図３に示した進行波管１を用いる場合を例にして説明する。

図１に示すように、本発明の電源装置は、トランス１０１の二次側出力電圧を整流する整流回路１０２と、整流回路１０２から出力される直流電圧から所定の電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）を生成するシリーズレギュレータ１０３と、電源電圧を安定化する整流用コンデンサであるコンデンサバンク１０４と、外部から供給される駆動信号にしたがってオンまたはオフし、オン時に整流回路１０２からコンデンサバンク１０４へ電荷を供給させることで、負荷変動によって降下した電源電圧が安定化するまでの時間を短縮する充電バイパス回路１０６と、電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出する過電圧比較回路１０７と、電源電圧の降下を検出すると充電バイパス回路１０６をオンさせ、過電圧比較回路１０７により電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出すると充電バイパス回路１０６をオフさせる充電バイパス制御回路１０８とを有する構成である。トランス１０１の一次側には、従来と同様に、例えば周知のインバータ（不図示）が接続され、該インバータにより外部から供給される電源電圧を昇圧した電圧が供給される。

図１に示すアノードスイッチ制御回路１０９は、進行波管１のアノード電極に接続されたアノードスイッチ１１２のオン／オフを制御することで、アノード電極にパルス状の電圧を印加するための回路である。本実施形態ではアノードスイッチ制御回路１０９から出力される、アノードスイッチ１１２を制御するためのパルス状の信号（アノードパルス入力信号）を用いて充電バイパス制御回路１０８により充電バイパス回路１０６を制御する例を示している。充電バイパス制御回路１０８は、進行波管１のヘリックス電圧Ｅｈｅｌ等の電源電圧の降下の検出結果を用いて充電バイパス回路１０６を制御することも可能であるため、電源電圧の変動（降下）を検出できれば、アノードスイッチ制御回路１０９に限らず、どのような回路から検出信号を受け取る構成であってもよい。

図１に示すように、充電バイパス回路１０６は、シリーズレギュレータ１０３が備える直列に接続された複数のトランジスタと並列に接続される、２つのツェナーダイオードＤ１、Ｄ２及びバイパス用トランジスタ１１１を備えている。図１では２つのツェナーダイオードＤ１、Ｄ２とバイパス用トランジスタ１１１が直列に接続された回路例を示しているが、ツェナーダイオードＤ１、Ｄ２はバイパス用トランジスタ１１１のコレクタ−エミッタ間電圧を定格電圧以下に抑制するものであり、その数はいくつであってもよい。

過電圧比較回路１０７は、電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）を分圧する２つの抵抗器Ｒ１、Ｒ２と、一定の直流電圧を生成する定電圧源Ｅｉと、抵抗器Ｒ１、Ｒ２による分圧電圧と定電圧源Ｅｃの電圧とを比較し、分圧電圧が定電圧源Ｅｃの電圧を越えたときヘリックス過電圧比較信号（例えばＨｉｇｈレベル）を出力するコンパレータ１１０とを備えている。過電圧比較回路１０７は、電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）が所定の電圧値を越えたことを検出できればよく、図１に示す回路に限定されるものではない。

充電バイパス制御回路１０８は、例えば各種の論理ゲートを組み合わせた論理回路や充電バイパス回路が備えるバイパス用トランジスタ１１１を駆動するためのドライバ回路等によって構成される。充電バイパス制御回路１０８は、進行波管１のパルス動作等により負荷が急激に変動して電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）が降下したとき、充電バイパス回路駆動信号により充電バイパス回路１０６をオンさせ、過電圧比較回路１０７から出力されるヘリックス過電圧比較信号にしたがってヘリックス電圧Ｅｈｅｌが所定の電圧値を越えたことを検出したとき、充電バイパス回路１０６をオフさせる。

次に図１に示した電源装置の動作について図２を用いて説明する。

以下では、図１に示した進行波管１がパルス動作する場合を例にして、電源装置の動作を説明する。

アノードスイッチ制御回路１０９から図１に示したアノードスイッチ１１２をオンさせる信号が出力されると、進行波管１のアノード電極にはアノード電圧Ｅａが供給され、電子ビームがヘリックス内を透過してヘリックス電流が流れる。このとき、電源装置から出力される電源電圧（ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ）は負荷の変動により降下する。

また、図２に示すようにアノードスイッチ制御回路１０９から充電バイパス制御回路１０８には、進行波管１がオン状態であることを示すアノードパルス入力信号（Ｈｉｇｈレベル）が出力される。

続いて、アノードスイッチ制御回路１０９の出力信号が切り換わりアノードスイッチ１１２がオフすると、進行波管１のアノード電極に対するアノード電圧Ｅａの供給が停止し、へリックス電流も停止する。

また、図２に示すようにアノードスイッチ制御回路１０９から出力されるアノードパルス入力信号もオフ状態を示すＬｏｗレベルへ切り換わる。

充電バイパス制御回路１０８は、アノードパルス入力信号のＨｉｇｈからＬｏｗへの切り換わりに同期して充電バイパス回路１０６をオンさせるための充電バイパス駆動信号を出力する。充電バイパス回路１０６は、充電バイパス駆動信号によりバイパス用トランジスタ１１１がオンして導通する。そのため、シリーズレギュレータ１０３のコレクタ側（整流回路１０２側）から充電バイパス回路１０６を通してコンデンサバンク１０４へ電荷が供給され、コンデンサバンク１０４が充電されてヘリックス電圧Ｅｈｅｌが上昇する。このとき、図２に示すように、コンデンサバンク１０４には、シリーズレギュレータ１０３ではなく、バイパス用トランジスタ１１１を介して電荷が供給されるため、従来の電源装置に比べてコンデンサバンク１０４が急速に充電される。

ヘリックス電圧Ｅｈｅｌが上昇して所定の電圧値に達すると、過電圧比較回路１０７から充電バイパス制御回路１０８にヘリックス過電圧比較信号が出力される。

充電バイパス制御回路１０８は、ヘリックス過電圧比較信号を受け取ると、充電バイパス駆動信号を、充電バイパス回路１０６をオフさせるレベル（Ｌｏｗ）へ切り換える。充電バイパス回路１０６は、充電バイパス駆動信号によりバイパス用トランジスタ１１１がオフして非導通状態となり、コンデンサバンク１０４に対する充電動作を停止する。その結果、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌの上昇が停止してヘリックス電圧Ｅｈｅｌが安定化する。

なお、上記説明では、アノードパルス入力信号のＨｉｇｈからＬｏｗへの切り換わりに同期して充電バイパス回路１０６をオンさせ、ヘリックス過電圧比較信号の出力に同期して充電バイパス回路１０６をオフさせる例を示したが、アノードパルス入力信号のＨｉｇｈからＬｏｗへの切り換わりに同期して生成する充電バイパス駆動信号は、予め設定した所定の時間幅を有するパルス（ワンショットトリガ）信号であってもよい。その場合でも、上記ヘリックス過電圧比較信号の出力により充電バイパス回路１０６をオフさせる制御と組み合わせることが望ましい。

本発明によれば、電源電圧の降下時に充電バイパス回路１０６を通してコンデンサバンク１０４が急速に充電され、電源電圧が所定の電圧値を越えると充電バイパス回路１０６による充電動作が停止するため、コンデンサバンク１０４の容量を増大させなくても、負荷変動による電源電圧の変動を抑制することができる。

そのため、アノード電極にパルス状の電圧を印加することで進行波管をパルス駆動する場合でも、電源電圧の変動を抑制できる高周波回路システムが得られる。

また、電源電圧の変動を抑制するためのコンデンサバンク１０４の容量を減らすことも可能であるため、電源装置を小型化することが可能である。

本発明の電源装置の一構成例を示す回路図である。図１に示した電源装置の要部の電圧波形を示すタイミングチャートである。高周波回路システムの一構成例を示すブロック図である。従来の電源装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０１トランス
１０２整流回路
１０３シリーズレギュレータ
１０４コンデンサバンク
１０６充電バイパス回路
１０７過電圧比較回路
１０８充電バイパス制御回路
１０９アノードスイッチ制御回路
１１０コンパレータ
１１１バイパス用トランジスタ
１１２アノードスイッチ
Ｅｉ定電圧源
Ｒ１、Ｒ２抵抗器

Claims

整流回路と、
前記整流回路から出力される直流電圧から所定の電源電圧を生成するシリーズレギュレータと、
前記電源電圧を安定化する整流用コンデンサであるコンデンサバンクと、
外部から供給される駆動信号にしたがってオンまたはオフし、前記オン時に前記整流回路から前記コンデンサバンクへ電荷を供給させることで、負荷変動によって降下した前記電源電圧が安定化するまでの時間を短縮する充電バイパス回路と、
前記電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出する過電圧比較回路と、
前記電源電圧の降下を検出すると前記充電バイパス回路をオンさせ、前記過電圧比較回路により前記電源電圧が所定の電圧値を越えたことを検出すると前記充電バイパス回路をオフさせる充電バイパス制御回路と、
を有する電源装置。
前記充電バイパス制御回路は、
前記電源電圧の降下を検出すると、前記充電バイパス回路をオンさせるための、予め設定された時間幅の駆動信号を前記充電バイパス回路へ供給する請求項１記載の電源装置。
電子管と、
請求項１または２記載の電源装置と、
前記電子管のアノード電極にパルス状の電圧を供給するためのアノードスイッチと、
前記電源装置が備える充電バイパス制御回路に、前記アノードスイッチを制御するためのアノードパルス入力信号を供給するアノードスイッチ制御回路と、
を有し、
前記充電バイパス制御回路は、
前記アノードパルス入力信号により前記アノード電極にパルス状の電圧が印加されたことを検出すると、前記充電バイパス回路をオンさせる高周波回路システム。