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JP2739833B2 - 広帯域進行波管 - Google Patents

広帯域進行波管

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JP2739833B2
JP2739833B2 JP7075123A JP7512395A JP2739833B2 JP 2739833 B2 JP2739833 B2 JP 2739833B2 JP 7075123 A JP7075123 A JP 7075123A JP 7512395 A JP7512395 A JP 7512395A JP 2739833 B2 JP2739833 B2 JP 2739833B2
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JP
Japan
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traveling wave
wave tube
circuit
electron beam
pole piece
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敏 利根川
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NEC Corp
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NEC Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24Slow-wave structures, e.g. delay systems
    • H01J23/26Helical slow-wave structures; Adjustment therefor

Landscapes

  • Microwave Tubes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、らせん構造を高周波回
路に有する進行波管に関し、特に広帯域化をはかるため
に使用される高周波回路部の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波電力の応用は、通信Elec
tro Counter Measure (以下EC
Mと呼ぶ)レーダー、工業加熱、粒子加速器、電波天文
学や核融合など、様々な分野に広がっている。21世紀
にむけて、高度情報化社会を実現するという社会の要請
により、マイクロ波電力の応用は、上述した分野の中
で、通信に関する分野が益々重要になっている。
【0003】マイクロ波通信の中継局や衛星通信に用い
る代表的なマイクロ波管として、電子ビームを使用し
て、マイクロ波の増幅を行なわせる進行波管がある。進
行波管には、入力信号と電子ビームの間で相互作用を行
なわせる遅波回路があり、代表的な遅波回路としては、
円筒導波管に誘電体で支持されたヘリックスを配置した
ヘリックス型遅波回路がある。ヘリックス型遅波回路
は、構造が簡単、製作が容易、しかも広帯域性を持つ等
の特徴があり、広く一般に用いられている。
【0004】ヘリックス型遅波回路を備えた従来のヘリ
ックス型進行波管の構造を図11を用いて説明する。図
11に示すように、従来のヘリックス型進行波管は、電
子ビームを発生する電子銃部10と、これより放出され
た電子ビームと入力信号との相互作用で、入力マイクロ
波の増幅を行う遅波回路部11、この遅波回路部11を
透過した電子ビームを捕捉するコレクタ部12から構成
される。遅波回路部11は、真空外囲器内に複数のヘリ
ックス支柱4で支持されたヘリックス5が設置され、さ
らに真空外囲器の外側には、電子ビーム15を集束する
集束装置14を有している。ヘリックス5は、一般にモ
リブデン、タングステン等をらせん状に加工して形成さ
れる。
【0005】上述したヘリックス型遅波回路を、通信用
などのために広帯域化する場合には、遅波回路部11
が、広い周波数に対し一定の特性を有する必要がある。
特に最近では、通信、ECM、レーダー用の用途として
動作帯域を超広帯域化することが要求されている。しか
し、マイクロ波は異なる周波数によって波長も異なるた
め、通常の遅波回路では広帯域化はむずかしい。
【0006】この問題の解決方法として、実開平4−8
5637には、図7に示した様に、真空外囲器13の内
側にベイン6とよばれる段のついた構造を使用する例が
示されている。この様な構造を用いることで、周波数に
対して遅波回路を伝搬する波の位相速度が一定となり、
広帯域化に効果がある。また、実開平4−85637に
は、図8に示した様に、真空外囲器13の一部を内側に
変形させることにより、ベインを付けた事と同一の効果
をもたせているものも示されている。
【0007】これらのベインの効果を明らかにした例と
して、IEEE Trans onElectron
Devices,Vol36,No.9,Sept,’
89,PP1991〜1999(文献という)に図9,
図10に示した構造が示されている。この例によると、
ベイン6付きの遅波回路を図10に示したベイン6のヘ
リックス5の中心に対する開き角度θt とav /aをパ
ラメータとして解析している。ヘリックス5の半径aに
対するベイン6の内径av の比av /aが小さくなるに
つれ、遅波回路を伝搬する波の位相速度は、図4に示し
た様に、少しづつ小さくなる。しかも、位相速度が小さ
くなる効果は、周波数の低い方で顕著であり、av /a
をある値以下にとると、位相速度は、周波数に対し一定
の状態から逆に低い周波数の方が、小さくなる状態とな
る。
【0008】上に示した効果は、θt を大きくとると、
より顕著であり、実際の設計では、av /aおよびθt
のバランスで、広い周波数にわたり一定の位相速度とな
る様に設計し、マイクロ波管を広帯域化している。
【0009】以上の様に、従来技術により広帯域進行波
管を実現するために、通常の進行波管に対しベイン構造
を形成し、広い周波数にわたり、一定の周波数特性を得
る技術が使用されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】従来のベインを利用す
る場合、真空外囲器の内側にベインを取り付けるか、ま
たは外囲器をある一定の長さで変形させる必要がある。
マイクロ波帯において広帯域進行波管を実現するために
は、具体的な例として、4GHZ〜12GHZまでを帯
域とする進行波管の場合、ヘリックスの平均半径が約
1.5mm、ベインの内径が約2mm、ベインの開き角
が40°〜70°、また、誘電体支柱の幅が約0.5m
mといったものがある。
【0011】この場合、ベインの幅は約1.5mmとな
り、3本のベインを120°づつ等しく分配した位置
に、しかも200mm以上にわたり取り付けることは、
技術的に可能であっても、工業的には難しさが伴う。ミ
リ波帯で、この方法による遅波回路を作るには、上に示
した寸法の約半分程度の部品により工作するため、ほぼ
不可能となる。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、電子ビーム源
としての電子銃部、電子ビームとマイクロ波の相互作用
を行なわせるらせん構造の遅波回路とこれを支える支柱
などから構成される高周波回路部、高周波回路での相互
作用を終えた電子ビームを捕捉するコレクタ部、及び電
子ビームを集束させる集束装置部を有し、前記電子銃
部、高周波回路部およびコレクタ部が直線的に配置され
た進行波管において、前記高周波回路部を構成するポー
ルピースと、このポールピースの間に挿入されるスペー
サが、ポールピースの内径とスペーサの内径に段差を有
していることを特徴とする。また、高周波回路部の入力
側のポールピースとスペーサには段差を設けず、出力側
のポールピースとスペーサにのみ段差を設けてもよい。
【0013】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は、本発明の第1の実施例の広帯域進行波管の
断面図である。この広帯域進行波管の製造に当たって
は、図3(a),(b)に示す様に高周波回路を構成す
るポールピース1とスペーサ2にあらかじめ、内径の異
なる段差3を与えておく。この様なポールピース1とス
ペーサ2を1枚づつ交互にろう付し図1に示した構造を
得る。本構体が得られた後は、ヘリックス支柱とヘリッ
クスを高周波回路に挿入することで、図2(a),
(b)に示した断面の広帯域進行波管の高周波回路を得
ることができる。
【0014】以下に本発明について、その作用を説明す
る。まず、環状のスペーサの段差の空隙により、通常の
ベインと等価な特性が得られる理由を明確にする。従来
のベイン付き高周波回路は、ヘリックスを伝搬する波に
対して、遅波回路を図12に示す様に4つの部分に分け
ると、遅波回路は(1)真空外囲器のベインが存在して
内径が小さい領域,(2)真空外囲器の内径が大きく、
支柱の存在しない領域,(3)真空外囲器の内径が大き
く、支柱の存在する領域,(4)(2)と同一の領域の
4つの領域を120°おきに3組配置した構造である。
【0015】ベインの寸法に対して、高周波回路を伝搬
する波の位相速度を周波数に対してコンピュータシミュ
レーションすると図4を得る。図4より、av /aの選
び方によって周波数に対する位相速度が一定となり、広
帯域化が実現できることがわかる。またベインの開き角
θt の選び方によってもこの傾向を制御することができ
る。この手法はベインを含めた遅波回路をヘリックス回
路に沿って回転しながら進行する電磁界に対し、ヘリッ
クスを直線上の線路に展開し、これと平行にヘリックス
支柱や真空外囲器を配置したモデルとして扱っている。
【0016】この考え方に基づくと、ヘリックスの回転
に沿って内径の異なるポールピースとスペーサからなる
シェルを配置しても、同一モデルとして扱う事ができ
る。本発明は、この点を利用しており、従来ヘリックス
の回転方向に内径の異なるシェルを配置したものを、軸
方向に内径の異なるシェルを配置し、同一の効果をもた
らすものである。このためヘリックスに沿ってシェル内
径をみると、内径の異なるシェルが径方向に配置されて
も、軸方向に内径の異なるシェルが複数個配置されて
も、等価的に同一構造となる事で、通常のベインと等価
な特性が得られる。
【0017】以下に、段差3の寸法や最適化及びその具
体的な実現方法についてのべる。通常のベイン6を用い
た場合には、図4にも示した様に、ベイン6の内径を適
切に選択する事で周波数に対する位相速度が一定とな
る。本発明においても、段差3がついた凸部の内径が小
さくなると、従来のベイン6で内径を小さくした事と等
価であり、本発明における凸部の内径も、従来構造でベ
イン6が仮りに60°の開き角θtを有していれば、ヘ
リックス5の1回転に対し60°/360°に対応する
ヘリックスピッチの分だけ凸部の幅を与える。また、内
径の小さい部分は位相速度が周波数に対し一定となる様
にヘリックス平均半径の1.5〜2倍程度に選択し、内
径の大きい部分は、ヘリックス平均半径の2倍〜3倍に
選択する。この様な寸法に選択する理由は、内径の大き
い部分をこれ以上大きくすると、電子ビーム集束用マグ
ネットの内径が大きくなり、必要な磁界が不足し電子ビ
ーを集束することが難しく、また内径をこれ以上小さく
すると回路のインピーダンス低下をまねき、マイクロ波
管の効率低下をまねくからである。ポールピースの素材
は鉄とし、その厚さは、非磁性材料であるスペーサの半
分程度とする。同時に、ポールピースの厚さとスペーサ
の厚さは、集束用の磁界が、適切に得られる範囲でなる
べく小さくする。
【0018】図5は、本発明の第2の実施例による広帯
域進行波管の断面図である。ヘリックス型進行波管の高
周波回路部は、通常、入力セクションと出力セクション
の2つの部分に分割され、構成される。この実施例にお
いては、出力セクションは、第1の実施例と同じく、真
空外囲器の内径に段差がついているが、入力セクション
は、図6に断面を示す様に、通常のヘリックス型進行波
管と同じく、ベインの無い構造となっている。
【0019】広帯域進行波管の場合には、入力セクショ
ンは、ベインを付けず、出力セクションのみにベインを
付けた構造を有するものがある。進行波管の場合、入力
セクションは、主として、管球の利得を制御し、出力セ
クションは、主として、管球の出力を制御する。従っ
て、第2の実施例は、この点を考慮し、広帯域化を目的
としたベイン付き進行波管に対して、本発明を適用した
実施例である。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、広帯域
進行波管において、ポールピースの内径と、スペーサの
内径に段差を与えることで、通常の広帯域進行波管の様
に真空外囲器の内側にベインを取り付けることなく、真
空外囲器の内径が異なる部分を作り出すことができ、広
帯域進行波管の工業化に有利となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例による進行波管の断面図
である。
【図2】(a),(b)は図1の実施例におけるポール
ピース部とスペーサ部の断面図である。
【図3】(a),(b)は図1の実施例に用いるポール
ピースとスペーサの構造を示す断面図である。
【図4】広帯域進行波管の周波数に対する位相速度の関
係を示す図である。
【図5】本発明の第2の実施例による広帯域進行波管の
断面図である。
【図6】本発明の第2の実施例による広帯域進行波管の
入力セクションの断面図である。
【図7】従来技術による標準的な進行波管の断面図であ
る。
【図8】実開平4−85637による進行波管の断面図
である。
【図9】文献に示された従来のベイン構造を示す図であ
る。
【図10】文献に示された位相速度の周波数特性図であ
る。
【図11】通常のヘリックス型進行波管の構造を示す図
である。
【図12】ベイン付き広帯域進行波管の解析モデルの説
明図である。
【符号の説明】
1 ポールピース 2 スペーサ 3 段差 4 ヘリックス支柱 5 ヘリックス 6 ベイン 7 シェル 9 ろう材 10 電子銃部 11 遅波回路部 12 コレクタ部 13 真空外囲器 14 集束装置 15 電子ビーム

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子ビーム源としての電子銃部、電子ビ
    ームとマイクロ波の相互作用を行わせるらせん構造の遅
    波回路とこれを支える支柱などから構成される高周波回
    路部、高周波回路での相互作用を終えた電子ビームを捕
    捉するコレクタ部、及び電子ビームを集束させる集束装
    置部を有し、前記電子銃部、高周波回路部およびコレク
    タ部が直線的に配置された進行波管において、前記高周
    波回路部を構成するポールピースと、このポールピース
    の間に挿入されるスペーサが、それぞれ内径の異なる段
    差を有していることを特徴とする広帯域進行波管。
  2. 【請求項2】 前記高周波回路部の入力側のポールピー
    スとスペーサには段差を設けず、出力側のポールピース
    とスペーサにのみ段差を設けたことを特徴とする請求項
    1記載の広帯域進行波管。
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