JP6300312B2

JP6300312B2 - 進行波管システム

Info

Publication number: JP6300312B2
Application number: JP2014054546A
Authority: JP
Inventors: 順一松岡; 小林　潤一; 潤一小林
Original assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Current assignee: NEC Network and Sensor Systems Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-03-18
Also published as: US20140292191A1; US9646800B2; JP2014209461A

Description

本発明は進行波管及び該進行波管の各電極に所要の電源電圧を供給する電源装置を備えた進行波管システム及び進行波管の制御方法に関する。

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ＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅や発振等に用いる電子管である。進行波管（Traveling Wave Tube：ＴＷＴ）１は、例えば図３に示すように、電子を放出する電子銃１０と、電子銃１０から放出された電子によって形成される電子ビームとＲＦ信号とを相互作用させる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を捕捉するコレクタ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をヘリックス２０の螺旋構造内に導くアノード４０とを有する構成である。電子銃１０は、電子（熱電子）を放出するカソード１１と、カソード１１に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とを備えている。
電子銃１０から放出された電子は、電子ビームを形成しつつカソード１１とヘリックス２０の電位差によって加速されてヘリックス２０の螺旋構造内に導入され、ヘリックス２０の一端（RF in）から入力されたＲＦ信号と相互作用しながらヘリックス２０の螺旋構造内を進行する。ヘリックス２０の螺旋構造内を通過した電子はコレクタ３０で捕捉される。このとき、ヘリックス２０の他端（RF out）からは電子ビームとの相互作用によって増幅されたＲＦ信号が出力される。

図３に示す進行波管１のカソード１１、ヒータ１２、アノード４０及びコレクタ３０には、電源装置６０から所要の電源電圧が供給される。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。
電源装置６０は、ヘリックス２０の電位（HELIX）を基準にカソード１１に対して負の直流電圧であるヘリックス電圧（Ehel）を生成して供給するヘリックス電圧生成回路６１と、カソード１１の電位（H/K）を基準にコレクタ３０に対して正の直流電圧であるコレクタ電圧（Ecol）を生成して供給するコレクタ電圧生成回路６２と、カソード１１の電位（H/K）を基準にアノード４０に対して正の直流電圧であるアノード電圧（Ea）を生成して供給するアノード電圧生成回路６３と、カソード１１の電位（H/K）を基準にヒータ１２に対して負の直流電圧であるヒータ電圧（Ef）を生成して供給するヒータ電圧生成回路６４とを備える。
図３に示す背景技術の進行波管システムでは、アノード電圧（Ea）によってカソード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、進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作の実行及び停止を制御することが可能である。

なお、電子ビームをオンまたはオフさせて電子管によるＲＦ信号の増幅動作を実行または停止させる手法は、例えば特許文献１にも記載されている。電子ビームのオンとはカソードから電子を放出させる状態を指し、電子ビームのオフとはカソードから電子を放出させない状態を指す。
特許文献１に記載された構成では、ヘリックスとカソード間に、直列に接続された第１の直流電圧源（例えば１．７ｋＶ）、第２の直流電圧源（例えば４．１ｋＶ）及び第３の直流電圧源（例えば１．７ｋＶ）を挿入し、電子ビームのオン時は、ヘリックスとカソード間に７．５ｋＶ（＝１．７ｋＶ＋４．１ｋＶ＋１．７ｋＶ）のヘリックス電圧を印加する。また、電子ビームのオフ時は、第１の直流電圧源と第２の直流電圧源の接続ノード（Ｅａ＝−１．７ｋＶ）へアノードを接続し、第２の直流電圧源と第３の直流電圧源の接続ノード（Ｈ／Ｋ＝−５．８ｋＶ）へカソードを接続して、カソードとアノード間の電位差を低下（＝４．１ｋＶ）させている。

米国特許出願公開第２０１１／００６２８９８号明細書

図３に示した背景技術の進行波管システムにおいて、進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作を停止させる場合、アノード４０の電位をカソード１１の電位（H/K）と一致させて電子ビームをオフさせる方法が一般的である。
しかしながら、パービアンスの高い進行波管では、図４で示すようにアノード電圧生成回路の動作をオフにしてアノード電圧（Ea）を０Ｖ（Ea=H/K）にしても、カソードからわずかに電子が放出されて微小なカソード電流が流れてしまう。そのため、該電子で形成される電子ビームの影響でヘリックスの出力端子（RF out）においてノイズ（熱雑音）が観測されてしまう。なお、アノード電圧（Ea）を０Ｖ（Ea=H/K）に設定する方法には、例えばアノードをヘリックスまたはカソードと接続するスイッチを用いてアノード電圧（Ea）を切り換える方法もある。図４に示すアノード電圧（Ea）は、カソードの電位（H/K）を基準とする正の直流電圧であることを示しており、正確な電圧値を示すものではない。
カソードからの電子の放出を停止させるためには、アノードに対して、カソードの電位（H/K）を基準に負電圧（通常、数Ｖから数百Ｖ程度）を供給する方法がある。しかしながら、その場合は、上記アノード電圧生成回路において、カソードの電位（H/K）を基準に正電圧及び負電圧をそれぞれ生成する必要があるため、アノード電圧生成回路の構成が複雑になる。

なお、上記特許文献１は、カソード近傍に該カソードから放出された電子を集束する集束電極を備えた電子管を想定した発明である。特許文献１では、カソードとアノード間に４．１ｋＶの電位差があっても、該電位差にパービアンス（例えば、microperveance＝0.4）を乗算した電圧（＝１．６４ｋＶ）よりも大きな負電圧（＝−１．７ｋＶ：カソード電位基準）を上記集束電極に印加することで、電子ビームがオフできることを示している。すなわち、上記特許文献１では、カソード電位を基準に所要の負電圧を生成して集束電極へ供給する回路が必要になる。

本発明は上述したような背景技術の問題を解決するためになされたものであり、簡易な回路構成で進行波管によるＲＦ信号の増幅動作／停止を制御することが可能であり、進行波管によるＲＦ信号の増幅動作の停止時に発生するノイズを低減できる進行波管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進行波管システムは、進行波管と、
前記進行波管が備えるカソード、アノード、ヒータ及びコレクタに所要の電源電圧を供給する電源装置と、
制御部と、
を有し、
前記電源装置は、
接地電位を基準に前記アノードに対して負の直流電圧である制御電圧を生成して供給する制御電圧生成回路と、
前記アノードの電位を基準に前記カソードに対して負の直流電圧であるアノード電圧を生成して供給するアノード電圧生成回路と、
前記カソードの電位を基準に前記コレクタに対して正の直流電圧であるコレクタ電圧を生成して供給するコレクタ電圧生成回路と、
前記カソードの電位を基準に前記ヒータに対して所要の電圧であるヒータ電圧を生成して供給するヒータ電圧生成回路と、
を備え、
前記制御部は、
前記進行波管によるＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅動作の停止時、前記アノード電圧生成回路の動作を停止させる構成である。

一方、本発明の進行波管の制御方法は、カソード、アノード、ヒータ及びコレクタを備える進行波管の制御方法であって、
前記進行波管の通常動作時、所要の電源電圧を生成する電源装置が、
前記アノードに接地電位を基準に負の直流電圧である所要の制御電圧を供給し、
前記カソードに前記アノードの電位を基準に負の直流電圧である所要のアノード電圧を供給し、
前記コレクタに前記カソードの電位を基準に正の直流電圧である所要のコレクタ電圧を供給し、
前記ヒータに前記カソードの電位を基準に所要の電圧であるヒータ電圧を供給し、
前記進行波管によるＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅動作の停止時、制御部が、
前記電源装置に、前記カソードに対する前記アノード電圧の供給を停止させる方法である。

本発明によれば、簡易な回路構成で進行波管によるＲＦ信号の増幅動作／停止を制御することが可能であり、進行波管によるＲＦ信号の増幅動作の停止時に発生するノイズを低減できる。

本発明の進行波管システムの一構成例を示すブロック図である。図１に示したアノード電圧生成回路がオフしたときのヘリックス電圧及びカソード電流が変化する様子の一例を示すグラフである。背景技術の進行波管システムの構成例を示すブロック図である。図３に示したアノード電圧生成回路がオフしたときのヘリックス電圧及びカソード電流が変化する様子を示すグラフである。

次に本発明について図面を用いて説明する。
図１は本発明の進行波管システムの一構成例を示すブロック図であり、図２は図１に示した制御電圧生成回路の動作をオフしたときにヘリックス電圧及びカソード電流が変化する様子の一例を示すグラフである。
図１に示すように、本発明の進行波管システムは、進行波管１と、該進行波管１の通常動作時に各電極（カソード１１、ヒータ１２、アノード４０及びコレクタ３０）に対して所要の電源電圧を供給する電源装置７０と、電源装置７０の動作を制御する制御部８０とを有する。ヘリックス２０は、進行波管１のケースに接続されて接地される。図１に示す進行波管１の構成は、図３に示した背景技術の進行波管１と同様であるため、その説明は省略する。

電源装置７０は、ヘリックス２０の電位（HELIX）を基準にアノード４０に対して負の直流電圧である制御電圧（Econt）を生成して供給する制御電圧生成回路７１と、アノード４０の電位を基準にカソード１１に対して負の直流電圧であるアノード電圧（Ea）を生成して供給するアノード電圧生成回路７２と、カソード１１の電位を基準にコレクタ３０に対して正の直流電圧であるコレクタ電圧（Ecol）を生成して供給するコレクタ電圧生成回路７３と、カソード１１の電位を基準にヒータ１２に対して所要の電圧であるヒータ電圧（Ef）を生成して供給するヒータ電圧生成回路７４とを備える。なお、図１では、制御部８０を独立して備える構成例を示しているが、制御部８０は、例えば電源装置７０等に設置してもよい。

図１に示すように、制御電圧生成回路７１、アノード電圧生成回路７２、コレクタ電圧生成回路７３及びヒータ電圧生成回路７４は、例えば直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換する周知のインバータと、インバータから出力される交流電圧を昇圧または降圧するトランスと、トランスから出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを有する構成で実現できる。
制御部８０は、例えばメモリ、各種の論理回路、外部と信号を送受信するためのインタフェース回路、制御プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等を備えた周知の情報処理装置（コンピュータ）あるいは周知の情報処理用のＩＣ（Integrated Circuit）で実現できる。
制御電圧生成回路７１、アノード電圧生成回路７２、コレクタ電圧生成回路７３及びヒータ電圧生成回路７４は、制御部８０から供給される制御信号（HV cont）によって個別に動作のオン／オフが可能な構成である。制御電圧生成回路７１、アノード電圧生成回路７２、コレクタ電圧生成回路７３またはヒータ電圧生成回路７４の動作をオフさせる場合、上記制御信号（HV cont）により、例えば上記直流電圧源の動作を停止させてもよく、上記インバータが備えるスイッチング用のトランジスタをオフ状態で維持させてもよい。

図１では進行波管１が１つのコレクタ３０を備える構成例を示しているが、進行波管１には複数のコレクタ３０を備える構成もある。その場合、電源装置７０は、各コレクタ３０に所要のコレクタ電圧（Ecol）を供給するための複数のコレクタ電圧生成回路７３を備えていればよい。また、図１では、ヒータ１２にカソード１１の電位を基準に負の直流電圧を供給する構成例を示しているが、ヒータ１２にはカソード電圧を基準に正の直流電圧を供給してもよく、所要の交流電圧を供給してもよい。

図１に示すように、本発明の進行波管システムでは、電源装置７０が備える制御電圧生成回路７１によって、接地電位を基準に負の直流電圧である制御電圧（Econt）を生成してアノード４０へ供給し、さらにアノード電圧生成回路７２によって、該アノード４０の電位を基準に負の直流電圧であるアノード電圧（Ea）を生成してカソード１１へ供給する。
アノード電圧生成回路７２は、制御電位（Econt）にアノード電圧（Ea）を重畳した（積み上げた）電圧を生成する。アノード電圧（Ea）は、進行波管１の通常動作時にヘリックス２０とカソード１１間に所要のヘリックス電圧（Ehel）が印加されるように、該ヘリックス電圧（Ehel）と制御電圧（Econt）の差電圧に設定すればよい。
コレクタ電圧生成回路７３は、カソード１１の電位を基準にコレクタ３０に対して正の直流電圧であるコレクタ電圧（Ecol）を生成して供給する。ヒータ電圧生成回路７４は、カソード１１の電位を基準にヒータ１２に対して負（または正）の直流電圧であるヒータ電圧（Ef）を生成して供給する。
本発明の進行波管システムでは、進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作の停止時、制御部８０の指示によりアノード電圧生成回路７２の動作をオフに（停止）して、該アノード電圧生成回路７２の出力電圧（アノード電圧（Ea））を０Ｖにする。すなわち、進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作を停止する場合、ヘリックスとカソード間の電圧（ヘリックス電圧（Ehel））をアノード電圧（Ea）だけ低下させる（接地電位へ近づける）。

ところで、上述した進行波管１が備えるヘリックス２０の螺旋構造内において、電子ビームとＲＦ信号とを相互作用させるためには、電子の速度とＲＦ信号の位相速度とをほぼ等しくする必要がある。
ＲＦ信号は真空中を直進して伝播するときの速度がほぼ光速と等しくなる。一方、真空中における２つの電極間に流れる電子の速度は、該電極間の電位差を大きくしても光速にはならない。
そこで、進行波管１では、ＲＦ信号を螺旋状のヘリックス２０で伝搬させることで、該ヘリックス２０の軸方向におけるＲＦ信号の位相速度を、螺旋構造内を進行する電子の速度に近づけている。
ヘリックス２０ではＲＦ信号によって高周波電界が生成され、ヘリックス２０の螺旋構造内に入射された電子は該高周波電界によって減速または加速される（速度変調）。螺旋構造内を進行する電子の速度とＲＦ信号の位相速度が全く等しい場合、減速される電子の量と加速される電子の量とが等しく、電子ビームとＲＦ信号の相互作用が生じないため、ＲＦ信号は増幅されない。一方、螺旋構造内を進行する電子の速度がＲＦ信号の位相速度よりもわずかに大きくなるように設定すると、ＲＦ信号によって生成される高周波電界の減速電子領域に密度の濃い電子群が発生する。この減速電子領域では電子が減速され、減速後の速度と初期速度との運動エネルギーの差が高周波のエネルギーに変換される。このようにして、ＲＦ信号によって発生する高周波電界は強められ、強められた高周波電界が電子の速度変調を促進することで、ＲＦ信号によって発生する高周波電界がさらに強められる。この相互作用が電子ビームとＲＦ信号の進行に伴って連続的に行なわれることで、ＲＦ信号のエネルギーはヘリックス２０の出力端（RF out）に近づくにつれて増大する。その結果、ヘッリクス２０の一端（カソード１１側：RF in）から入力されたＲＦ信号が増幅されて他端（コレクタ３０側：RF out）から出力される。
したがって、進行波管１では、ＲＦ信号が電子ビームと相互作用するように、螺旋構造であるヘリックス２０の螺旋周期や電子の速度（すなわちヘリックス電圧（Ehel））等を設定する。

図３に示した背景技術の進行波管システムでは、アノード電圧（Ea）を０Ｖ（Ea=H/K）に設定しても、ヘリックス２０の電位（接地電位）を基準にカソード１１に対して所要のヘリックス電圧（Ehel）が印加されている。そのため、カソード１１から放出される電子がわずかであっても、ヘリックス２０上の高周波成分（熱雑音の高周波成分）が、該電子で形成される電子ビームと相互作用することで増幅されて上記ノイズとして観測される。
一方、図１に示す本発明の進行波管システムでは、アノード電圧生成回路７２の動作をオフさせると、図２に示すようにヘリックスとカソード間の電圧（ヘリックス電圧（Ehel））が制御電圧（Econt）まで低下し、電子ビームの速度が低下する。その結果、該電子ビームとヘリックス２０上の高周波成分との相互作用が弱くなる。すなわち、ＲＦ信号に対する進行波管１の利得が低下するため、ＲＦ信号の増幅動作の停止時に発生するノイズも低減される。
進行波管１の利得は、制御電圧（Econt）を低く設定するほど小さくすることが可能であり、制御電圧（Econt）をある程度低く設定すれば、カソード１１から電子が放出されないようにすることも可能である。その場合、進行波管１の増幅動作の停止時に電子ビームに起因して発生するノイズを無くすことができる。
但し、ヘリックス２０とカソード１１間には、進行波管１の通常動作時に上記ヘリックス電圧（Ehel）が印加されている必要があるため、制御電圧（Econt）を低く設定する場合は、その分だけアノード電圧生成回路７２で生成するアノード電圧（Ea）の値を高く設定する必要がある。

本発明では、進行波管１の増幅動作の停止時に電子ビームに起因して発生するノイズが許容範囲内となるように制御電圧（Econt）を設定し、該制御電圧（Econt）に合せてアノード電圧生成回路７２で生成するアノード電圧（Ea）を設定すればよい。その場合、背景技術のアノード電圧よりも低い電圧で進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作の実行及び停止を制御できる。
また、本発明では、アノード電圧生成回路７２の動作のオン／オフによって進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作の実行及び停止を制御するため、背景技術のように、アノード４０をヘリックス２０またはカソード１１と接続してアノード電圧（Ea）を切り換えるためのスイッチ、あるいはカソード１１の電位（H/K）を基準に正電圧及び負電圧をそれぞれ生成するアノード電圧生成回路６３等を設ける必要がない。
そのため、簡易な回路構成で進行波管１によるＲＦ信号の増幅動作の実行及び停止を制御できる。

１０電子銃
１１カソード
１２ヒータ
２０ヘリックス
３０コレクタ
４０アノード
７０電源装置
７１制御電圧生成回路
７２アノード電圧生成回路
７３コレクタ電圧生成回路
７４ヒータ電圧生成回路

Claims

進行波管と、
前記進行波管が備えるカソード、アノード、ヒータ及びコレクタに所要の電源電圧を供給する電源装置と、
制御部と、
を有し、
前記電源装置は、
接地電位を基準に前記アノードに対して負の直流電圧である制御電圧を生成して供給する制御電圧生成回路と、
前記アノードの電位を基準に前記カソードに対して負の直流電圧であるアノード電圧を生成して供給するアノード電圧生成回路と、
前記カソードの電位を基準に前記コレクタに対して正の直流電圧であるコレクタ電圧を生成して供給するコレクタ電圧生成回路と、
前記カソードの電位を基準に前記ヒータに対して所要の電圧であるヒータ電圧を生成して供給するヒータ電圧生成回路と、
を備え、
前記制御部は、
前記進行波管によるＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅動作の停止時、前記アノード電圧生成回路の動作を停止させる進行波管システム。
カソード、アノード、ヒータ及びコレクタを備える進行波管の制御方法であって、
前記進行波管の通常動作時、所要の電源電圧を生成する電源装置が、
前記アノードに接地電位を基準に負の直流電圧である所要の制御電圧を供給し、
前記カソードに前記アノードの電位を基準に負の直流電圧である所要のアノード電圧を供給し、
前記コレクタに前記カソードの電位を基準に正の直流電圧である所要のコレクタ電圧を供給し、
前記ヒータに前記カソードの電位を基準に所要の電圧であるヒータ電圧を供給し、
前記進行波管によるＲＦ（Radio Frequency）信号の増幅動作の停止時、制御部が、
前記電源装置に、前記カソードに対する前記アノード電圧の供給を停止させる進行波管の制御方法。