JP2005116355A - マイクロ波管システム及びマイクロ波管 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波管内で放電が発生しても、アラーム信号の安易な出力を抑制して不必要な動作停止を防止できるマイクロ波管システム及びマイクロ波管を提供する。
【解決手段】 アノード電極とヘリックスとに同電位が供給されるマイクロ波管と、ヘリックスの破損を招く所定の継続時間以上の時間幅で該ヘリックスに流れる過大電流を検出し、アラーム信号を出力する過大電流検出回路を備えた、マイクロ波管の各電極にそれぞれ所定の電源電圧を供給する電源装置とを有するマイクロ波管システムであって、マイクロ波管は、アノード電極とヘリックス間の接続が切り離され、ヘリックスが接地され、アノード電極と接地電位間に接続される、マイクロ波管内で発生する放電に起因してヘリックスに流れる過大電流を、上記アラーム信号が出力されない上記継続時間より短い時間幅に抑制する電流抑制素子を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波信号の増幅や発振に用いられる進行波管やクライストロン等のマイクロ波管、及び該マイクロ波管の各電極に所定の電源電圧を供給するための電源装置を備えたマイクロ波管システムに関する。

進行波管やクライストロン等のマイクロ波管は、電子銃から放出される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を行うための電子管である。これらの電子管は、例えば、図２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（マイクロ波やミリ波）とを相互作用させる高周波回路であるヘリックス２０と、ヘリックッス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から放出された電子ビーム５０をヘリックス２０内に導くアノード電極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、熱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。

図２に示すマイクロ波管１のコレクタ電極３０及び電子銃１０には、それぞれ電源装置６０から所定の電源電圧が供給され、アノード電極４０及びへリックス２０はマイクロ波管１のケースにそれぞれ共通に接続されて接地されている。

電子銃１０のカソード電極１１及びウェネルト電極１３には電源装置６０から共通の負の高電圧がそれぞれ供給され、ヒータ１２にはカソード電極１１を基準にして所定の電圧が供給される。また、コレクタ電極３０にはカソード電極１１を基準にして正の高電圧が供給される。なお、マイクロ波管１には、アノード電極４０とヘリックス２０との接続が切り離され、アノード電極４０とヘリックス２０とに異なる電源電圧が供給される構成もある。

このような構成において、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。

ところで、図２に示した電子銃１０が備えるカソード電極１１は、一般に、バリウム（Ba）、カルシウム（Ca）、アルミニウム（Al）等の酸化物が含侵された円板状のポーラスタングステン（porous tungsten）基体で構成されている。このカソード電極１１に含侵された酸化物（含侵材）はヒータ１２の熱によって蒸発し、ウェネルト電極１３やアノード電極４０に付着する。

マイクロ波管１では、動作時にアノード電極４０とカソード電極１１間に数ＫＶ以上の高電圧が印加されるため、ウェネルト電極１３やアノード電極４０に付着した含侵材により微少突起が生成されると、該微少突起に電界が集中し、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で放電が発生する。

ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で放電が発生すると、その放電電流によりウェネルト電極１３で形成される電界形状が乱れ、電子銃１０から放出された電子ビーム５０の軌道が乱れてその一部がアノード電極４０やヘリックス２０に衝突する。そのため、ヘリックス２０で増幅される高周波信号にパルス状の雑音が発生してしまう。

また、アノード電極４０やヘリックス２０に電子が衝突することで、カソード電極１１とアノード電極４０間、及びカソード電極１１とヘリックス２０間にそれぞれ電流が流れる。このとき、放電によって乱れた電子ビーム５０の軌道は直ぐには回復せず、カソード電極１１とアノード電極４０間、及びカソード電極１１とヘリックス２０間に電流が流れる状態は数ｍｓｅｃ以上継続する。特に、図２に示したアノード電極４０とヘリックス２０とが接続された構成では、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生した放電電流、及び電子ビーム５０がアノード電極４０やヘリックス２０に衝突することで発生した電流が全てヘリックス２０を通して電源装置２に帰還するため、ヘリックス２０が過大な電流（Ihel過大電流）により破損するおそれがある。

さらに、放電電流によりウェネルト電極１３で形成される電界形状が乱れると、電子ビーム５０の径がヘリックス２０内で変動して高周波信号との相互作用にむらが生じるため、マイクロ波管１の消費電力の増大や増幅性能の低下等を引き起こす。

このような問題に対処するため、例えば特許文献１では、アノード電極とヘリックスとに異なる電源電圧が供給されるマイクロ波管において、アノード電極とカソード電極間で発生する放電を抑制するために、アノード電極と電源装置間を接続するリード線にインダクタンス素子を直列に挿入した構成が提案されている。
特開平４−３０１３４２号公報

上述したように特許文献１に記載されたマイクロ波管は、アノード電極とヘリックスとに異なる電源電圧が供給される構成であるため、図２に示すようなアノード電極４０とヘリックス２０とに同電位が供給される構成には単純に適用できない問題がある。また、仮に、インダクタンス素子を用いる場合でも、その値が非常に大きくなり（特許文献１では２４ヘンリー［Ｈ］を例示）、インダクタンス素子の体積が大きく、かつ重くなるため、小型、軽量化が要求されるシステムに適用することができない。

上述したマイクロ波管１のウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生する放電は、上記特許文献１で提案された手法、あるいはマイクロ波管１の構造等を工夫することで低減できるが、完全に無くすことは困難である。

そのため、従来のマイクロ波管システムでは、図２に示すように、電源装置６０に、ヘリックス２０とカソード電極１１間の電流を観測することで、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間の放電に起因して流れるヘリックスの過大電流を検出し、ヘリックス２０の破損を招く所定の継続時間以上の過大電流が流れたときにアラーム信号（Ihelアラーム）を出力するIhel過大電流検出回路６１を備え、アラーム信号を検出した場合にマイクロ波管１に対する電源供給を停止する構成が一般的に採用されている。

しかしながら、マイクロ波管１は、衛星通信や衛星放送のように修理や交換が困難なシステムの送信装置等でも使用されるため、上記Ihel過大電流検出回路６１からアラーム信号が出力されてもマイクロ波管１の動作を安易に停止させることができない場合が多い。一方、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生する放電は、過大電流が流れることによるヘリックス２０のダメージや電極間の絶縁性能の低下によりマイクロ波管１の動作寿命を短縮させ、さらに雑音の発生等によるシステム性能の低下や装置破損によるシステム停止を招くおそれがあるため、上記アラーム信号を利用したマイクロ波管の保護機能を無くすことはできない。

したがって、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間の放電を検出しつつ、まれに発生する放電についてはアラーム信号を出力せず、頻繁に放電が発生した場合や大きな放電電流が流れた場合はアラーム信号を出力することが、マイクロ波管を使用するうえで好ましい。

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、マイクロ波管内で放電が発生しても、アラーム信号の安易な出力を抑制して不必要な動作停止を防止できるマイクロ波管システム及びマイクロ波管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マイクロ波管システムは、アノード電極とヘリックスとに同電位が供給されるマイクロ波管と、
前記ヘリックスとカソード電極間の電流を観測することで、前記ヘリックスの破損を招く所定の継続時間以上の時間幅で該ヘリックスに流れる過大電流を検出し、アラーム信号を出力する過大電流検出回路を備えた、前記マイクロ波管の各電極にそれぞれ所定の電源電圧を供給する電源装置と、
を有するマイクロ波管システムであって、
前記マイクロ波管は、
前記アノード電極と前記ヘリックス間の接続が切り離され、
前記ヘリックスが接地され、
前記アノード電極と接地電位間に接続される、前記マイクロ波管内で発生する放電に起因して前記ヘリックスに流れる前記過大電流を、前記アラーム信号が出力されない前記継続時間よりも短い時間幅に抑制する電流抑制素子を有する構成である。

このとき、前記マイクロ波管は、
前記電流抑制素子が内蔵され、
前記アノード電極に接続された前記電流抑制素子及び前記ヘリックスに共通のリード線が引き出されていてもよく、
前記電流抑制素子は抵抗器であってもよい。

一方、本発明のマイクロ波管は、アノード電極とヘリックスとに同電位が供給されるマイクロ波管であって、
前記アノード電極と前記ヘリックス間の接続が切り離され、
前記ヘリックスが接地され、
前記アノード電極と接地電位間に挿入される、前記マイクロ波管内で発生する放電に起因して前記ヘリックスに流れる過大電流を、該ヘリックスの破損を招く所定の継続時間よりも短い時間幅に抑制する電流抑制素子を有する構成である。

このとき、前記アノード電極に接続された前記電流抑制素子及び前記ヘリックスに共通のリード線が引き出されていてもよく、
前記電流抑制素子は抵抗器であってもよい。

上記のように構成されたマイクロ波管システム及びマイクロ波管では、例えばウェネルト電極とアノード電極間で放電が発生すると、カソード電極とアノード電極間に放電電流が流れ、該放電電流及び放電に起因してヘリックスに流れる過大電流が電流抑制素子を通して電源装置に帰還する。このとき、電流抑制素子による電圧降下でアノード電極の電位が低下し（カソード電極の電位に近づく）、アノード電極の電位がカソード電極の電位（＝ウェネルト電極の電位）に十分に近づけば、ウェネルト電極とアノード電極間で発生した放電が停止し、カソード電極とアノード電極間に流れる放電電流及びヘリックスに流れる過大電流も遮断される。

したがって、マイクロ波管内で発生する放電に起因してヘリックスに流れる過大電流を、アラーム信号が出力されない、該ヘリックスの破損を招く所定の継続時間よりも短い時間幅に抑制する電流抑制素子を追加することで、過大電流が流れることによるヘリックスのダメージや電極間の絶縁性能の低下によるマイクロ波管の動作寿命の短縮を防止できる。また、マイクロ波管内で発生した放電によるアラーム信号の安易な出力を抑制できるため、マイクロ波管システムの不必要な動作停止を防止できる。

さらに、電流抑制素子として抵抗器を用いることで、比較的小型な部品を追加するだけで放電に起因してヘリックスに流れる過大電流を上記継続時間より短い時間幅に抑制できるため、マイクロ波管の体積や重量の増大が抑制される。

次に本発明について図面を参照して説明する。

図１は本発明のマイクロ波管システムの一構成例を示す模式図である。

図１に示すように、本発明のマイクロ波管は、図２に示した従来のマイクロ波管１のアノード電極４０とヘリックス２０間の接続が切り離され、ヘリックス２０がマイクロ波管１のケースに接続されて接地されると共に、アノード電極４０とマイクロ波管１のケース（接地電位）間が電流抑制素子を介して接続された構成である。電流抑制素子には、例えば抵抗器Ｒが用いられ、該抵抗器Ｒはマイクロ波管１のケース内に収容される。また、マイクロ波管１からは、アノード電極４０及びヘリックス２０に同電位を供給するための共通なリード線が設けられる。その他のマイクロ波管１及び電源装置６０の構成は図２に示した従来のマイクロ波管システムと同様であるため、その説明は省略する。なお、図１に示すマイクロ波管１及び電源装置６０の各構成要素には、図２に示した従来のマイクロ波管１及び電源装置６０の各構成要素と同様の符号を付与している。

本発明のマイクロ波管１では、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で放電が発生すると、カソード電極１１とアノード電極４０間に放電電流が流れ、該放電電流と放電に起因してヘリックス２０に流れる過大電流とが抵抗器Ｒを介して電源装置６０に帰還する。このとき、抵抗器Ｒに電流が流れることによる電圧降下でアノード電極４０の電位が低下し（カソード電極１１の電位に近づく）、アノード電極４０の電位がカソード電極１１の電位（＝ウェネルト電極１３の電位）に十分に近づけば、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生した放電が停止し、カソード電極１１とアノード電極４０間に流れる放電電流やヘリックス２０に流れる過大電流も遮断される。

図２に示した従来のマイクロ波管１の構成では、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生する放電による放電電流は、通常、数十μｓｅｃ程度の時間幅となる。また、放電によって引き起こされるヘリックス２０の過大電流は数ｍｓｅｃ以上継続して流れる。したがって、電源装置６１が備えるIhel過大電流検出回路６１は、ヘリックス２０が破損しないように、数ｍｓｅｃ程度の時間幅のIhel過大電流を検出したときにアラーム信号を出力するように調整されている。

本発明のマイクロ波管システムでは、ウェネルト電極１３とアノード電極４０間の放電に起因して発生するヘリックス２０の過大電流の継続時間を、抵抗器Ｒの値を最適に選択することで放電時間と同程度の数十μｓｅｃ程度になるように設定し、カソード電極１１とアノード電極４０間で放電が発生してもアラーム信号（Ihelアラーム）が出力されないようにする。このときの抵抗器Ｒの値は数ＭΩ程度であり、抵抗器Ｒの許容電力は過大電流の時間幅が放電時間と同程度の数十μｓｅｃ程度に短縮するため、数Ｗ程度で十分である。

したがって、本発明の構成によれば、比較的小型の抵抗器Ｒを追加するだけでIhel過大電流によるヘリックス２０のダメージや電極間の絶縁性能の低下によるマイクロ波管の動作寿命の短縮を防止できる。また、アノード電極４０とマイクロ波管１のケース間に抵抗器Ｒを挿入することでウェネルト電極１３とアノード電極４０間で発生した放電に起因するIhel過大電流を検出することによるアラーム信号の安易な出力を抑制できるため、マイクロ波管システムの不必要な動作停止が防止される。

なお、マイクロ波管システムの大きさや重量に特に制限を設けない場合は、電流抑制素子として、上記抵抗器Ｒに代えてアノード電極４０とマイクロ波管１のケース間をインダクタンス素子で接続してもよい。その場合も、インダクタンス素子の値をIhel過大電流が放電時間（数十μｓｅｃ）の程度になるように最適に選択すれば、上記抵抗器Ｒを用いる場合と同様の効果を得ることができる。

本発明のマイクロ波管システムの一構成例を示す模式図である。 従来のマイクロ波管システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１ マイクロ波管
１０ 電子銃
１１ カソード電極
１２ ヒータ
１３ ウェネルト電極
２０ ヘリックス
３０ コレクタ電極
４０ アノード電極
５０ 電子ビーム
６０ 電源装置
６１ Ihel過電流検出回路

Claims (6)

1. アノード電極とヘリックスとに同電位が供給されるマイクロ波管と、
   前記ヘリックスとカソード電極間の電流を観測することで、前記ヘリックスの破損を招く所定の継続時間以上の時間幅で該ヘリックスに流れる過大電流を検出し、アラーム信号を出力する過大電流検出回路を備えた、前記マイクロ波管の各電極にそれぞれ所定の電源電圧を供給する電源装置と、
   を有するマイクロ波管システムであって、
   前記マイクロ波管は、
   前記アノード電極と前記ヘリックス間の接続が切り離され、
   前記ヘリックスが接地され、
   前記アノード電極と接地電位間に接続される、前記マイクロ波管内で発生する放電に起因して前記ヘリックスに流れる前記過大電流を、前記アラーム信号が出力されない前記継続時間よりも短い時間幅に抑制する電流抑制素子を有するマイクロ波管システム。
2. 前記マイクロ波管は、
   前記電流抑制素子が内蔵され、
   前記アノード電極に接続された前記電流抑制素子及び前記ヘリックスに共通のリード線が引き出された請求項１記載のマイクロ波管システム。
3. 前記電流抑制素子は抵抗器である請求項１または２記載のマイクロ波管システム。
4. アノード電極とヘリックスとに同電位が供給されるマイクロ波管であって、
   前記アノード電極と前記ヘリックス間の接続が切り離され、
   前記ヘリックスが接地され、
   前記アノード電極と接地電位間に挿入される、前記マイクロ波管内で発生する放電に起因して前記ヘリックスに流れる過大電流を、該ヘリックスの破損を招く所定の継続時間よりも短い時間幅に抑制する電流抑制素子を有するマイクロ波管。
5. 前記アノード電極に接続された前記電流抑制素子及び前記ヘリックスに共通のリード線が引き出された請求項４記載のマイクロ波管。
6. 前記電流抑制素子は抵抗器である請求項４または５記載のマイクロ波管。

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