JP2013026065A - 衛星搭載用ｔｗｔａ及びその待機時の運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カソードの劣化を抑制しつつウォームアップ時間の短縮を図ることができるＴＷＴＡを提供する。
【解決手段】地球局と通信を行なうために衛星に搭載されるＴＷＴＡ。電圧の印加に応じて電子銃のカソードを加熱する加熱手段を備える。定常電圧Ｖｃを印加したとき、加熱手段は電子銃が電子ビームを生成可能となる温度Ｔｃまでカソードを加熱するものとする。また、ゼロより大きくかつ定常電圧Ｖｃ未満の予め定められた電圧である待機電圧Ｖｓを印加したとき、加熱手段は温度Ｔｃよりも低い温度Ｔｓまでカソードを加熱するものとする。このとき、可視時間に加熱手段に待機電圧Ｖｓを印加することにより、温度Ｔｓまでカソードを加熱して電子銃を待機させる。電子銃で電子ビームを生成する際、加熱手段に印加する電圧を定常電圧Ｖｃに上げ、カソードの温度を温度Ｔｃまで上げる。
【選択図】図２

Description

本発明はＴＷＴＡ（Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、進行波管増幅器）に関し、特に、通信衛星のＴＷＴＡに関する。

周回軌道上の人工衛星には、地球局から見える時間（可視時間）と見えない時間（非可視時間）があり、人工衛星と地球局は可視時間中に通信を行なう。人工衛星は常に地球局と通信可能ではなく、通信は可視時間中に限られる。

地球局とマイクロ波による通信を行なう人工衛星にはＴＷＴＡを搭載するものがある。一般に、ＴＷＴＡは高電圧によりカソードからビーム電流を取り出して、信号増幅を行うが、ビーム電流を取り出しやすくするためにカソードのウォームアップを行っている。そのため、高電圧を印加して通信を開始する前には、運用準備（ウォームアップ開始）から運用開始までに時間がかかっていた。

このように、ＴＷＴＡを搭載した人工衛星では、限られた人工衛星の可視時間から、更に、カソードをウォームアップするための所要時間を差し引いた残り時間が、地上局との間で通信可能な時間となっている。このような経緯から、ウォームアップの所要時間を短縮することが重要な課題となっている。

人工衛星に搭載される従来のＴＷＴＡは、通信を行なっていないときはフィラメントに印加する電圧をゼロにする。この種のＴＷＴＡでは、通信を行なう度毎にフィラメントに定常電圧を印加して、所定温度までカソードを加熱して通信を開始し、通信が終了すると再びフィラメントへの印加電圧をゼロに戻す。このような従来技術によれば、通信終了後にカソードの温度が下がるので、次に通信を行なうためには再びカソードをウォームアップするための時間を設ける必要がある。ウォームアップ時間中は通信を行なうことができないので、実質的には可視時間を短くしていることになる。

別の従来のＴＷＴＡには、実際に地球局と通信を行なっているか否かに関係なく、可視時間中は常に定常電圧をフィラメントに印加するものがある。この種のＴＷＴＡでは、可視時間中のカソードは常に通信可能な温度に保たれていて常時通信可能であるため、前述のＴＷＴＡのようにウォームアップ時間が可視時間を実質的に短縮する恐れはない。しかし、通信を行なっていないときにも通信中と同様にカソードを加熱することになる。一般に、カソードにはバリウムが含まれるが、バリウムはカソードの温度が高いほど蒸発しやすい。このため、この種のＴＷＴＡでは、カソードの劣化が早く、電子銃の寿命が短い。

人工衛星に搭載されるＴＷＴＡに関連する技術は例えば特許文献１に記載されている。

特開平１１―２３８４７０号公報

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、カソードの劣化を抑制しつつウォームアップ時間の短縮を図ることができるＴＷＴＡを提供することである。

上述の課題を解決するため、本発明は、その一態様として、地球局と通信を行なうために衛星に搭載されるＴＷＴＡ（Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、進行波管増幅器）において、電圧の印加に応じて前記電子銃のカソードを加熱する加熱手段を備え、定常電圧Ｖｃを印加したとき、前記加熱手段は前記電子銃が電子ビームを生成可能となる温度Ｔｃまで前記カソードを加熱し、ゼロより大きくかつ前記定常電圧Ｖｃ未満の予め定められた電圧である待機電圧Ｖｓを印加したとき、前記加熱手段は前記温度Ｔｃよりも低い温度Ｔｓまで前記カソードを加熱するとして、更に、前記衛星が前記地球局から見える可視時間の間に、前記加熱手段に前記待機電圧Ｖｓを印加することにより、前記温度Ｔｓまで前記カソードを加熱して、前記電子銃を待機させる手段と、前記可視時間の間に、前記電子銃で電子ビームを生成するため、前記加熱手段に印加する電圧を前記定常電圧Ｖｃに上げることにより、前記カソードの温度を前記温度Ｔｃまで上げる手段と、を備えることを特徴とするＴＷＴＡを提供する。

また、本発明は、他の一態様として、ＴＷＴＡを介して地球局と通信を行なう衛星の前記ＴＷＴＡの待機時の運用方法において、電圧の印加に応じて前記電子銃のカソードを加熱する手段を加熱手段とし、定常電圧Ｖｃを印加したとき、前記加熱手段は前記電子銃が電子ビームを生成可能となる温度Ｔｃまで前記カソードを加熱し、ゼロより大きくかつ前記定常電圧Ｖｃ未満の予め定められた電圧である待機電圧Ｖｓを印加したとき、前記加熱手段は前記温度Ｔｃよりも低い温度Ｔｓまで前記カソードを加熱するとして、前記方法は、前記衛星が前記地球局から見える可視時間の間に、前記加熱手段に前記待機電圧Ｖｓを印加することにより、前記温度Ｔｓまで前記カソードを加熱して、前記電子銃を待機させる段階と、前記可視時間の間に、前記電子銃でビームを生成するため、前記加熱手段に印加する電圧を前記定常電圧Ｖｃに上げることにより、前記カソードの温度を前記温度Ｔｃまで上げる段階と、を含むことを特徴とする方法を提供する。

本発明によれば、衛星が可視時間にあるとき、まずカソードを温度Ｔｓに予熱して待機し、電子銃で電子を射出する際、カソードを温度Ｔｃに加熱する。このため、待機電圧を印加しない場合と比較して短時間でウォームアップを完了することができる。また、定常電圧をそのまま待機電圧とする場合と比較して、カソードの劣化を抑制することができる。

本発明の一実施の形態であるＴＷＴＡ１のブロック図である。 ＴＷＴＡ１の動作状態の遷移を説明するための図である。 ＴＷＴＡ１の動作状態の遷移を説明するための図である。

本発明の一実施の形態であるＴＷＴＡ１について図面を参照して説明する。ＴＷＴＡ１は地球の軌道を周回する通信衛星等の人工衛星に設けられて、地球局と通信を行なうための電波を出力する。

ＴＷＴＡ１は、電子銃２、へリックス型遅波回路３、電子銃２のウォームアップ回路４、高圧電源５、多段コレクタ６を備える。

電子銃２はＲＦ信号を増幅するための電子ビームを生成する。電子ビームを生成するためには、電子銃２のカソードは予め所定の温度まで加熱しておく必要がある。電子銃２が電子ビームを生成可能なときのカソードの温度をＴｃとする。

高圧電源５は、ヘリックス型遅波回路３と多段コレクタ６に接続されていて、電子ビームの照射のＯＮ／ＯＦＦ動作を行う。

ウォームアップ回路４はフィラメント２ａに電圧を印加する。フィラメント２ａにより、電子ビームの生成に先立って電子銃２のカソードを加熱し、カソードのウォームアップを行なう。カソードを温度Ｔｃに加熱するためにフィラメント２ａに印加する電圧を定常電圧Ｖｃとする。

ウォームアップ回路４はウォームアップ動作を制御するウォームアップ制御装置４ａを備える。ウォームアップ制御装置４ａは、ＴＷＴＡ１の外部装置である通信制御装置７からの制御信号に応じて、フィラメント２ａへの印加電圧を制御する。通信制諸装置７からの制御信号としては、例えば通信を行なう旨の制御信号、通信を終了する旨の制御信号があり、より具体的には、人工衛星と地球局との間で送受信されるセッション確立の要求信号、セッション開放の要求信号の生成乃至受信に応じ、通信制御装置７が生成する制御信号がある。セッション確立要求信号の入力に応じて、ウォームアップ制御装置４ａは、ウォームアップ回路４に定常電圧Ｖｃを出力させる一方、セッション開放要求信号の入力に応じて、ウォームアップ制御装置４ａは、ウォームアップ回路４に所定の待機電圧Ｖｓを出力させる。ウォームアップ制御装置４ａは例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）であるが、これに限定されるものではなく、フィラメントへの印加電圧の設定値を変更可能に構成した回路をウォームアップ制御装置４ａとしてもよい。

電子銃２が生成した電子ビームはヘリックス型遅波回路３に照射される。また、ヘリックス型遅波回路３には外部からＲＦ入力信号３ａが入力される。ヘリックス型遅波回路３は、照射された電子ビームによってＲＦ入力信号３ａを増幅し、ＲＦ出力信号３ｂとして出力する。

多段コレクタ６はヘリックス型遅波回路３から出力される不要な電子ビームを回収する。

上述のように、ＴＷＴＡ１は地球の軌道を周回する人工衛星に搭載される。人工衛星は地球局から見えるとき（可視時間）と見えないとき（非可視時間）がある。本発明では可視時間中のフィラメント２ａに印加する電圧をゼロから定常電圧Ｖｃの間で制御する。これにより、地球局と通信を行なう際にカソードの温度がＴｃまで上昇するまでの時間を短縮したＴＷＴＡを提供することができ、このＴＷＴＡを搭載した周回軌道衛星の可視時間を有効に活用することができる。

また、一般に、カソードの温度が上昇すると、カソードに含浸しているバリウムが蒸発し、カソードが劣化する。本発明では、フィラメント２ａへの印加電圧をゼロから定常電圧の間で適宜制御し、カソードの温度が低い期間が存在する。このため、このため、本発明では、フィラメントに常時定常電圧を印加する場合と比較して、カソードの劣化を最小限に抑え、電子銃の長寿命化を図ることができる。

更に、本発明は、ウォームアップ制御装置４ａの動作を変更するだけで実現することができる。ウォームアップ制御装置４ａは例えばＦＰＧＡで構成されており、この場合、ＦＰＧＡのプログラムを変更するだけでフィラメント２ａへの印加電圧を変更することができる。

本実施例では、可視時間中のフィラメント２ａに印加する電圧を、ＴＷＴＡ１を介して人工衛星が行なう通信の有無に応じて、定常電圧Ｖｃと、待機電圧Ｖｓの２段階に制御する。待機電圧Ｖｓはゼロより大きく定常電圧Ｖｃ未満の電圧であり、例えば定常電圧Ｖｃの７０％である。待機電圧Ｖｓを印加し続けるとカソードの温度はＴｓまで上昇するものとする。

図２を参照してウォームアップ制御装置４ａによるウォームアップ動作を中心としてＴＷＴＡ１の動作について説明する。

始めにウォームアップ回路４はフィラメント２ａに電圧を徐々に印加していく（ステップＳ２０）。印加電圧がＶｃまで増加し、カソードが約５分間でウォームアップされ、カソードの温度はＴｃまで上昇する（状態Ｓ２１）。カソードのウォームアップ後、高圧電源５がＯＮとなり電子ビームがヘリックス型遅波回路３へ照射され、へリックス内で発生する磁界と電子ビームの相互作用でＲＦ入力信号３ａを増幅しＲＦ出力信号３ｂとして出力する（状態Ｓ２２）。

可視時間のうち、通信を行わない時間帯では、高圧電源５をＯＦＦする。また、ウォームアップ回路４は出力電圧を待機電圧Ｖｓに切り替えてフィラメント２ａに印加する。次に通信を行なうときまで、ウォームアップ回路４は待機電圧Ｖｓをフィラメント２ａに印加し続け、この間、カソードは温度Ｔｓを維持する（状態Ｓ２３）。

以後、可視時間中は通信の有無に応じて状態Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３を遷移する。例えば人工衛星が地球局に対してセッション確立を要求するとき、通信制御装置７はセッション確立要求信号を生成するが、このとき同時に通信制御装置７は通信の開始をウォームアップ制御装置４ａに通知する制御信号を送信し、この制御信号に応答して、ウォームアップ制御装置４ａは、フィラメント２ａへの印加電圧を待機電圧Ｖｓから定常電圧Ｖｃに切り替えて、状態Ｓ２３から状態Ｓ２１へ移行し、カソードの温度がＴｃまで上昇すると更に状態Ｓ２２へ移行する。逆に、現に確立しているセッションの開放要求を地球局から受けたとき、通信制御装置７はセッション開放時に通信の終了をウォームアップ制御装置４ｂに通知する制御信号を送信し、この制御信号に応答して、ウォームアップ制御装置４ａは、フィラメント２ａへの印加電圧を定常電圧Ｖｃから待機電圧Ｖｓに切り替えて、状態Ｓ２１から状態Ｓ２３に移行する。

フィラメント２ａへの印加電圧をゼロから定常電圧Ｖｃに上げて、カソードの温度がＴｃになるまでの所要時間が５分であり、待機電圧Ｖｓとして定常電圧の７０％を印加するとする。このとき、待機状態である状態Ｓ２３では、フィラメント２ａに予め待機電圧Ｖｓ１を印加して、カソードの温度をＴｓ１に維持する。温度Ｔｓ１から温度Ｔｃまでカソードの温度を上げるまでの所要時間は、およそ５分×６０秒×（１００−７０）／１００＝９０秒程度である。

人工衛星が可視時間から非可視時間に入ると、ウォームアップ回路４はフィラメント２ａへの印加電圧をゼロにする。

本実施例によれば、カソードをウォームアップする際にフィラメントへ印加する電圧として、定常電圧Ｖｃと、例えば定常電圧Ｖｃの７０％の待機電圧Ｖｓとの２種類の電圧を用意しておき、ＴＷＴＡ１にて通信を行なわないときは待機電圧Ｖｓをフィラメントに印加する。待機電圧Ｖｓを印加しているときのカソードの温度はＴｓなので、次回通信を行なう際にはカソードを温度Ｔｓから温度Ｔｃまで上昇させればよい。また、このときのカソード温度Ｔｓは温度Ｔｃよりも低いので、定常電圧Ｖｃをフィラメントに印加しているときと比較して、カソードの劣化を抑制することができる。

実施例１ではウォームアップ回路４は定常電圧Ｖｃと１段階の待機電圧Ｖｓの２段階の電圧を出力する。これに対し、本実施例では、待機電圧として２段階の待機電圧Ｖｓ１、Ｖｓ２を出力し、定常電圧Ｖｃとあわせて３段階の電圧を出力する。

図３を参照して説明する。状態Ｓ３０、Ｓ３１、Ｓ３２はそれぞれ前述の状態Ｓ２０、Ｓ２１、Ｓ２２と同様なので説明を省略する。状態Ｓ２３には２つの状態Ｓ３３ａ、Ｓ３３ｂが対応し、それぞれ、定常電圧Ｖｃの８５％である待機電圧Ｖｓ１（状態Ｓ３３ａ）と、定常電圧Ｖｃの７０％の電圧である待機電圧Ｖｓ２（状態Ｓ３３ｂ）との２段階の待機電圧のいずれかをウォームアップ回路４はフィラメント２ａに出力する。ウォームアップ制御装置４ａは、通信制御装置７から通信実行の指示を最後に受け取ってからの経過時間を計測し、経過時間が２０分を越えると状態Ｓ３３ａに移行し、経過時間が４０分を越えると状態Ｓ３３ｂに移行する。待機電圧Ｖｓ１をフィラメント２ａに印加し続けたとき電子銃２のカソードは温度Ｔｓ１になり、待機電圧Ｖｓ２を印加し続けたときは温度Ｔｓ２になるとする。

フィラメント２ａへの印加電圧をゼロから定常電圧Ｖｃに上げて、カソードの温度がＴｃになるまでの所要時間が５分であるとする。このとき、フィラメント２ａに予め待機電圧Ｖｓ１を印加して、カソードを温度Ｔｓ１まで加熱してあると、およそ５分×６０秒×（１００−８５）／１００＝４５秒程度でウォームアップが完了する。一方、フィラメント２ａに予め待機電圧Ｖｓ２を印加してカソードを温度Ｔｓ２まで加熱してあると、同様に９０秒程度でウォームアップが完了する。このように、待機電圧を２段階以上にしておくことにより、ＴＷＴＡ１を介して通信を行なう人工衛星が置かれている状況に応じて、ウォームアップ時間の短縮とカソードの長寿命化とのバランスを最適化することができる。

以上、本発明を実施の形態及び実施例に則して説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。実施例２では待機電圧を２段階設けることとしたが、３段階以上設けることとしてもよい。また、待機電圧を連続的に変化させることとしてもよい。また、こうした待機電圧の上限として、定常電圧を含めることとしてもよい。

１ ＴＷＴＡ（Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、進行波管増幅器）
２ 電子銃
３ ヘリックス型遅波回路
３ａ ＲＦ入力信号（ＲＦ ＩＮ）
３ｂ ＲＦ出力信号（ＲＦ ＯＵＴ）
４ ウォームアップ回路
４ａ ウォームアップ制御装置
５ 高圧電源
６ 多段コレクタ

Claims (9)

1. 地球局と通信を行なうために人工衛星に搭載されるＴＷＴＡ（Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、進行波管増幅器）において、
   電圧の印加に応じて前記電子銃のカソードを加熱する加熱手段を備え、
   定常電圧Ｖｃを印加したとき、前記加熱手段は前記電子銃が電子ビームを生成可能となる温度Ｔｃまで前記カソードを加熱し、
   ゼロより大きくかつ前記定常電圧Ｖｃ未満の予め定められた電圧である待機電圧Ｖｓを印加したとき、前記加熱手段は前記温度Ｔｃよりも低い温度Ｔｓまで前記カソードを加熱するとして、
   更に、
   前記衛星が前記地球局から見える可視時間の間に、前記加熱手段に前記待機電圧Ｖｓを印加することにより、前記温度Ｔｓまで前記カソードを加熱して、前記電子銃を待機させる手段と、
   前記可視時間の間に、前記電子銃で電子ビームを生成するため、前記加熱手段に印加する電圧を前記定常電圧Ｖｃに上げることにより、前記カソードの温度を前記温度Ｔｃまで上げる手段と、
   を備えることを特徴とするＴＷＴＡ。
2. Ｖｓ１＜Ｖｓ２＜…＜Ｖｓｎ（ｎは２以上の自然数）であるＶｓ１、Ｖｓ２、…、Ｖｓｎをそれぞれ前記待機電圧とすることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＴＡ。
3. 前記人工衛星と地球局との通信の状態に応じて、前記Ｖｓ１、Ｖｓ２、…、Ｖｓｎのいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載のＴＷＴＡ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＴＷＴＡを備える人工衛星。
5. ＴＷＴＡ（Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｔｕｂｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、進行波管増幅器）を介して地球局と通信を行なう衛星の前記ＴＷＴＡの待機時の運用方法において、
   電圧の印加に応じて前記電子銃のカソードを加熱する手段を加熱手段とし、
   定常電圧Ｖｃを印加したとき、前記加熱手段は前記電子銃が電子ビームを生成可能となる温度Ｔｃまで前記カソードを加熱し、
   ゼロより大きくかつ前記定常電圧Ｖｃ未満の予め定められた電圧である待機電圧Ｖｓを印加したとき、前記加熱手段は前記温度Ｔｃよりも低い温度Ｔｓまで前記カソードを加熱するとして、
   前記方法は、
   前記衛星が前記地球局から見える可視時間の間に、前記加熱手段に前記待機電圧Ｖｓを印加することにより、前記温度Ｔｓまで前記カソードを加熱して、前記電子銃を待機させる段階と、
   前記可視時間の間に、前記電子銃でビームを生成するため、前記加熱手段に印加する電圧を前記定常電圧Ｖｃに上げることにより、前記カソードの温度を前記温度Ｔｃまで上げる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. Ｖｓ１＜Ｖｓ２＜…＜Ｖｓｎ（ｎは２以上の自然数）であるＶｓ１、Ｖｓ２、…、Ｖｓｎをそれぞれ前記待機電圧とすることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記人工衛星と地球局との通信の状態に応じて、前記Ｖｓ１、Ｖｓ２、…、Ｖｓｎのいずれかを選択することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. コンピュータに請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の方法の各段階を実行させることを特徴とするプログラム。
9. 請求項８に記載のプログラムを格納し、前記プログラムに従って動作するコンピュータ。

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