JP2014176093A - 進行波管モジュールを動作させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信衛星向けの軽量かつ費用効果の高い進行波管モジュールを提供すること。
【解決手段】通信衛星（１０）の進行波管モジュール（２０）を動作させる方法であって、衛星（１０）のアンテナ（１２）から高周波信号（２２）を受信する段階と、高周波信号（２２）を増幅すべきか判定する段階と、高周波信号（２２）を増幅すべき場合に、進行波管（３０）のカソード電流を所定の動作値まで増大させる段階と、進行波管（３０）を用いて高周波信号（２２）を増幅する段階とを含む、方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信衛星の進行波管モジュールを動作させる方法に関する。

衛星では、使用される電力増幅器は、主に進行波管増幅器(TWTA、Traveling-Wave Tube Amplifier)であり、一般に、進行波管モジュールとして設計されている。これらのモジュールは、主に高周波特性を決定する進行波管と、進行波管用の電源電圧を生成する電源とを備え、さらに、衛星へのテレメトリ、および/またはテレコマンドインターフェースと、制御部とをまた、備えることができる。進行波管モジュールは、前置増幅器(チャネル増幅器とも呼ばれる)を用いて補完することができ、この前置増幅器はまた、リニアライザを含むことができる。この組合せでは、この装置は、高周波電力モジュールとして知られている。

進行波管では、通常は螺旋形状の導体に電子ビームを通過させることによって高周波信号を増幅し、高周波信号はこの螺旋形状の導体中を通って流れる。導体と電子ビームとが適切に構成されると、電子ビームから高周波信号へとエネルギーを伝達することができる。

一般に、進行波管は、飽和状態で、またはそれに近い状態で動作するように設計されている。実現可能な最大効率を達成するために、とりわけ、多段コレクタが複数のコレクタ要素またはコレクタ段とともに使用されており、これらの複数のコレクタ要素またはコレクタ段は、消費された電子ビームからの残留エネルギーの大部分を回収するものである。ここでの目標は、進行波管が飽和状態で実現可能な最大効率を達成できるように、コレクタ段の電圧を選択することである。高周波入力信号が印加されると、カソード電流は、様々なコレクタ段にほぼ一様に分散され、したがって全てのコレクタ段に電力損失が分散される結果となる。

アイドリング動作中、進行波管が制御されずに動作すると、電子ビームからいかなるエネルギーも放出されず、したがって最終のコレクタ段に完全に当たることになる。その結果、電力損失は全て、コレクタの最終段に集中することになる。この場合、電力損失を許容可能なレベルに保持するために、この最終段では、電圧を自由に選択することができず、状況によっては、最適効率に必要となる値よりも低い値に設定しなければならない。したがって、この段は、時としてその熱容量に近い状態で動作することがある。

最終段をより低い電圧で動作させることを可能とし、したがって非制御中の電力損失を抑えるが、効率の低下がないようにすることを可能とする追加のコレクタ段を加えることが考えられる。しかし、この追加の段によって、電源および進行波管がより複雑になり、したがってより重く、より高価になる。

本発明の目的は、通信衛星向けの軽量かつ費用効果の高い進行波管モジュールを提供することである。

この目的は、独立請求項に記載の主題によって達成される。本発明の他の実施形態は、従属請求項および以下の説明から得られる。

本発明の一態様は、通信衛星の進行波管モジュールを動作させる方法に関する。この進行波管モジュールは、進行波管と、進行波管を制御する制御部とを備えることができる。通信衛星は、複数の進行波管モジュールを有することができ、そのそれぞれを衛星の各チャネルに関連付けることができることを理解されたい。

本発明の一実施形態によれば、この方法は、衛星のアンテナから高周波信号を受信する段階と、その高周波信号を増幅すべきか判定する段階と、その高周波信号を増幅すべき場合に、進行波管のカソード電流を所定の動作値まで増大させる段階と、進行波管を用いて高周波信号を増幅する段階とを含む。言い換えれば、この進行波管は、カソード電流を動作モードに適合させることによって、2つの動作モード(アイドリング動作と増幅動作)間で切り替えることができる。

本発明の一実施形態によれば、この方法は、あるいは、またはさらに、高周波信号を増幅する必要がないか判定する段階と、カソード電流を所定のアイドリング値まで低減させる段階とを含む。アイドリング動作から増幅動作へと切り替えるときに、カソード電流を増大させるのと同様に、増幅動作からアイドリング動作へと切り替えるときには、カソード電流を低減させることができる。

このように、進行波管は、両動作モードにおいて、最適効率となるように調節することができる。すなわち、アイドリング動作中のカソード電流のレベル、および増幅動作中のカソード電流のレベルを、進行波管が常に最適効率で動作するように選択する。

例えば、アイドリング動作中は、電力出力を設定するために、カソード電流を、電力損失が許容可能な値を超えない程度まで低減させ、したがってコレクタ内の最終のコレクタ要素を熱的に安全な範囲で動作させることができる。概して、このようにすると、最終コレクタ要素の電力損失を50%まで低減させることができる。

高周波信号がもはや印加されなくなったときに、アイドリング電流の低減が直ちに生じなくとも、コレクタの熱時定数の結果として動作モードを変更するのに十分な時間が得られる。

動作モードの変更はまた、非制御動作、すなわち増幅すべき高周波信号がない状態が相応量の時間続く場合にだけ行うことができる(また、その場合にしか必要でない)。

本発明の一実施形態によれば、カソード電流は、ゼロよりも大きい値まで低減させる。言い換えれば、アイドリング値は、例えばその後の動作値の増大を加速するために、ゼロよりも大きくしておくことができる。

進行波管モジュールの電力出力の適合化を可能にするために、ある装置によって、電力出力を低減させるテレコマンドインターフェースを使用することが可能である。この適合化の際、対応するテレコマンドを用いて、カソード電流を所望の出力レベルに達するまで低減させることができる。この機能は、進行波管モジュールに既に備わっているものであるが、この機能をやはり用いて、カソード電流をアイドリング値から動作値へと、またその逆へと切り替えることができる。

本発明の一実施形態によれば、この方法は、衛星のアンテナを介して、高周波信号を増幅すべきことを伝えるテレコマンドを受信する段階をさらに含む。例えば、テレコマンドは、地上局で生成され、地上局から衛星に送信される。例えば、衛星のユーザが、放送時間を予約していた場合、または高周波信号を送信する順序がある場合、地上局で、衛星によって高周波信号を増幅すべき時期を決定することができる。

本発明の一実施形態によれば、この方法は、進行波管モジュールの測定値、またはパラメータを検出し、分析する段階をさらに含み、高周波信号を増幅すべきかは、その測定値に基づいて判定される。また、進行波管モジュールによって、動作モードを変更すべき時期を独自に確立することも可能である。

本発明の一実施形態によれば、測定値は、進行波管モジュールの入力電流の電力入力である。高周波信号が現在増幅されているか否かを判定するために、制御部によって、進行波管モジュールの入力電流を監視し、そこから進行波管モジュールの電流電力消費量を求めることができる。電力の時間ピークから、高周波信号が現在増幅されているかどうかを求めることができる。

特に、進行波管モジュールのDCピーク入力電力を求めることができる。電力が降下して非制御またはアイドリング動作に対応するある値を下回ると、カソード電流は自動的に低減する。ピーク入力電力が再度上昇してある値を上回ると、カソード電流は、低減前の値に再度設定され、したがって増幅動作に切り替わる。適切な時定数によって、カソード電流の低減は、検出されたアイドリング動作がある持続時間(例えば所定の持続時間)を超えた場合にのみ、生じさせることができる。

本発明の一実施形態によれば、測定値は、高周波信号の出力である。あるいは、またはさらに、進行波管モジュールの制御部によって、(未増幅)高周波信号を直接監視することができる。例えば、HFピーク入力電力を、進行波管モジュールの前置増幅器を介して測定することができ、その値に基づいてカソード電流の変更を制御することができる。

本発明の一実施形態によれば、高周波信号を増幅すべきか判定するために、ある時間枠にわたって測定値を検出し、その測定値の少なくとも1つのピーク値がその時間枠の範囲内で閾値を上回るかどうかについて分析を実施する。既に指摘したように、測定値は、進行波管モジュールの電源の入力電力および/または高周波信号の入力電力でよい。入力電力のピーク値が上昇してある閾値を上回るときは常に、増幅動作が進行中であると考えることができる。

逆に、高周波信号を増幅する(またはもはや増幅する)必要がないか判定するために、ある時間枠にわたって測定値を検出し、ピーク値がその時間枠中に閾値を下回らないかどうかについて分析を実施することもできる。例えば、ある持続時間の間、入力電力のピーク値が閾値を上回ることがもはや検出されない場合、アイドリング動作が進行中であると考えることができる。

本発明の一実施形態によれば、カソード電流は、アノード電圧の低減によって低減させる。例えば、適切な公称値(すなわち、アイドリング値または動作値)を進行波管モジュールのカソード電流調整器に示し、それにしたがってアノード電圧を介してカソード電流を設定することができる。その設定範囲は、一般に4dBの出力電力であり、これはカソード電圧の約50%に相当する。

本発明の別の態様は、進行波管モジュールに関する。進行波管モジュールの特徴は、方法の特徴ともなり得、また、その逆も同じであることを理解されたい。

本発明の一実施形態によれば、進行波管モジュールは、進行波管と、進行波管を制御する制御部とを備える。

この進行波管は、電圧が印加されると電子ビームを発生させるように設計されたエミッタと、電子ビームが通過する増幅器区画であって、導体が中に配置され、その導体中を通過する高周波信号をその電子ビームによって増幅することができる、増幅器区画と、電子ビームを吸収するように設計され、それによってカソード電流を生成するコレクタとを備える。コレクタは、進行波管が増幅動作中にあるときに、電子ビームのそれぞれの部分を吸収するように設計された複数のコレクタ要素を備える。高周波信号が増幅されないアイドリング動作中は、電子ビームは最終コレクタ要素に単に当たるだけであり、この場合、この最終コレクタ要素によって全カソード電流が吸収される。アイドリング動作中にカソード電流を低減させることによって、最終コレクタ要素にかかる負荷を低減させることができる。

進行波管モジュールの制御部は、カソード電流を調節するように設計されている。さらに、この制御部によって、高周波信号を増幅すべきか判定することができ、それに応答してカソード電流を所定の動作値まで増大させることができる。例えば、この制御部によって、アノード電流を、カソード電流がある動作値に到達する程度まで増大させることができる。逆に、この制御部はまた、増幅動作を終了すべきと判定し、次いで、例えばアノード電圧をあるアイドリング値まで低減させることによって、カソード電流をアイドリング値まで低減させることもできる。

本発明の一実施形態によれば、制御部は、高周波信号を増幅するように制御部に指示するテレコマンドを受信するように設計されている。例えば、制御部のテレコマンドモジュールは、対応するテレコマンドを受信し、分析することができる。

本発明の一実施形態によれば、制御部は、高周波信号を増幅すべきか判定するために、進行波管モジュールの測定値を分析するように設計されている。この測定値は、例えば、衛星の電源からの進行波管モジュールの入力電流でよい。

以下で、本発明の例示的な実施形態について、添付の図を参照しながら詳細に説明する。

本発明の一実施形態による通信衛星の概略図である。 本発明の一実施形態による進行波管モジュールの概略図である。 本発明の別の実施形態による進行波管モジュールの概略図である。 本発明の一実施形態による進行波管モジュールを動作させる方法の流れ図である。

原則として、同一または類似の部品には、同じ参照符号が付与されている。

図1は、アンテナ12、制御ユニット14、および例えば太陽電池板18によって電力供給される電源16を備えた通信衛星10を示す。

さらに、通信衛星10は、進行波管モジュール20を有する。図1には、通信衛星10のチャネルはただ1つしか示されていないが、概して、通信衛星10はいくつかのチャネルを有することができ、そのそれぞれが進行波管モジュール20を備えることができる。

アンテナ12を介して、通信衛星10は高周波信号22を受信し、その信号を進行波管モジュール20に送ることができる。進行波管モジュール20で、高周波信号22は、増幅済み高周波信号24に増幅され、再度アンテナ12(または別のアンテナ)を介して発信することができる。進行波管モジュール20は、電源16から電流26を供給される。さらに、進行波管モジュール20は、制御ユニット14によって制御することができ、また、テレコマンド28を受信することができ、このテレコマンド28は、例えばアンテナ12によって受信され、制御ユニット14によって分析される。

図2は、進行波管モジュール20をより詳細に示す。進行波管モジュール20は、高周波入力部32から高周波信号22を受信し、高周波出力部34から増幅済み高周波信号24を出力する進行波管30を備える。

進行波管30は、電子ビーム37を発生させることができるエミッタ36と、電子ビーム37を吸収するコレクタ38とをやはり備え、コレクタ38は、進行波管30の増幅動作中に電子ビーム37がそれぞれに分配される複数のコレクタ要素40を有する。このようにして、電流を電子ビームからエミッタ36に戻すことができる。エミッタとコレクタ38との間には増幅器領域41があり、ここで高周波信号22が電子ビームによって増幅される。高周波信号22は、この領域41で、進行波管30中を、導体43を通って送信される。

エミッタ36は、電子を放出するカソードと、電子ビーム37を生成するようにアノード電圧42に設定することができるアノードとを備える。電子ビーム37の強度は、アノード電圧42を介して設定され、アノード電圧42はカソード電流調整器44によって生成される。カソード電流調整器44は、制御部48からカソード電流対応値46を受信する。必要電圧50が、高電圧生成部52によって供給される。

高電圧生成部52は、コレクタ要素40に印加される電圧54もやはり生成するが、この高電圧生成部52は、衛星10の電源16からの電流26を一定かつ一様の直流に調和させる前置調整器およびフィルタ56によって電流供給される。

さらに、進行波管モジュール20は、制御部48向けのテレコマンド28を前処理するテレコマンドインターフェース58を備えることができる。

図3は、図2に比べていくつかの構成要素が追加された進行波管モジュール20を示す。制御部48は、前置調整器およびフィルタ56によって吸収された入力電力62を監視し、分析することができる制御論理60を備える。あるいは、またはさらに、制御論理60は、高周波信号22からの入力電力64を監視し、分析することができる。例えば、制御論理60は、チャネル増幅器および/またはリニアライザ66からこれらの値64を受信し、チャネル増幅器および/またはリニアライザ66は、未増幅高周波信号22を、進行波管20に供給される前に事前増幅し、かつ/または線形化することができる。

検出値62および/または64から、制御論理は、進行波管30を動作させるべき動作モード(増幅動作またはアイドリング動作)を決定し、それにしたがってカソード電流用の設定値46を適合させる。

図4は、進行波管モジュール20を動作させることができる流れ図を示す。

段階70で、進行波管30が制御中であるか、または制御すべきであるか、すなわち進行波管30を増幅動作で動作させるべきか判定する。

この判定は、例えば、テレコマンドインターフェース58によって受信され、その後、制御部48によって適切に分析される適切なテレコマンド28によって行うことができる。テレコマンド28は、例えば基地局から衛星10に送信することができる。

あるいは、またはさらに、進行波管モジュール20はまた、進行波管20が制御中であることを独自に判定することもできる。この判定は、例えば値62および/または64を検出することによって行うことができる。これらの入力電力レベルのピーク値が、ある所定の閾値を超えるときは常に、制御論理60は、進行波管30が制御中であるとみなす。

段階72で、カソード電流を所定の動作値46まで増大させる。こうするには、到達すべき動作値46を、例えば制御論理60によって、または制御部48によってカソード電流調整器44に通信し、それにしたがってカソード電流調整器44によりアノード電流42を調節する。

段階74で、受信した高周波信号22を進行波管30によって増幅し、次いで衛星10によって再度送信する。この際、増幅動作中に実施可能な最大効率が達成されるように、コレクタ要素40およびコレクタ電圧54が選択されているので、進行波管30は、高度の効率を達成することができる。

段階76で、進行波管が制御されていないか、またはもはや制御する必要がないか判定する。この判定は、段階70と同様に、テレコマンドによって、または衛星10内での値の検出によって行うことができる。

段階78で、段階72と同様に、カソード電流をアイドリング値46まで再度低減させる。ここで、アイドリング動作中、電子ビームがもはや最終コレクタ要素40にしか当たらない場合でも、カソード電流が低減しているので、最終コレクタ要素40は損傷しないか、または少なくともそれほど加熱されない。このようにすると、アイドリング動作中も同様に効率が高められる。追加のコレクタ要素は、必要でない。

さらに、「備える」とは、他のいかなる要素または段階も排除するものではなく、また、「1つの(a)」は複数を排除するものではないことを指摘しておきたい。さらに、上記の例示的な実施形態のうちの1つを参照しながら説明してきた特徴または段階はまた、上述の他の例示的な実施形態の他の特徴または段階と組み合わせて使用することができることに留意されたい。特許請求の範囲における参照符号は、限定的なものとしてみなすべきでない。

10 通信衛星
12 アンテナ
14 制御ユニット
16 電源
18 太陽電池板
20 進行波管モジュール
22 高周波信号
24 増幅済み高周波信号
26 電流
28 テレコマンド
30 進行波管
32 高周波入力部
34 高周波出力部
36 エミッタ
37 電子ビーム
38 コレクタ
40 コレクタ要素
41 増幅器区画
42 アノード電圧
43 導体
44 カソード電流調整器
46 カソード電流対応値
48 制御部
50 必要電圧
52 高電圧生成部
54 コレクタ電圧
56 前置調整器およびフィルタ
58 テレコマンドインターフェース
60 制御論理
62 測定値
64 測定値
66 チャネル増幅器および/またはリニアライザ

Claims (13)

1. 通信衛星（１０）の進行波管モジュール（２０）を動作させる方法であって、
   前記衛星（１０）のアンテナ（１２）から高周波信号（２２）を受信する段階と、
   前記高周波信号（２２）を増幅すべきか判定する段階と、
   前記高周波信号（２２）を増幅すべき場合に、進行波管（３０）のカソード電流を所定の動作値まで増大させる段階と、
   前記進行波管（３０）を用いて前記高周波信号（２２）を増幅する段階と
   を含む、方法。
2. 高周波信号（２２）を増幅する必要がないか判定する段階と、
   前記カソード電流を所定のアイドリング値まで低減させる段階と
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記カソード電流を、ゼロよりも大きい値まで低減させる、請求項１に記載の方法。
4. 前記衛星（１０）の前記アンテナ（１２）を介して、前記高周波信号（２２）を増幅すべきことを伝えるテレコマンド（２８）を受信する段階をさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記テレコマンド（２８）が、地上局で生成され、前記地上局から前記衛星（１０）に送信される、請求項４に記載の方法。
6. 前記進行波管モジュール（２０）の測定値（６２、６４）を検出し、分析する段階をさらに含み、
   前記高周波信号（２２）を増幅すべきかが、前記測定値（６２、６４）に基づいて判定される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記測定値が、前記進行波管モジュール（２０）の入力電流の電力入力（６２）である、請求項６に記載の方法。
8. 前記測定値が、前記高周波信号の出力（６４）である、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記高周波信号を増幅すべきか判定するために、ある時間枠にわたって前記測定値（６２、６４）が検出され、前記測定値（６２、６４）の少なくとも１つのピーク値が閾値を上回るかどうかについて分析が実施される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記カソード電流が、アノード電圧の低減によって低減される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 進行波管（３０）と、
    前記進行波管を制御する制御部（４８）と
    を備え、前記進行波管（３０）が、
    電圧が印加されると電子ビーム（３７）を発生させるように設計されたエミッタ（３６）と、
    前記電子ビーム（３７）が通過する増幅器区画（４１）であって、導体（４３）が中に配置され、前記導体（４３）中を通過する高周波信号（２２）を前記電子ビーム（３７）によって増幅することができる、増幅器区画（４１）と、
    前記電子ビーム（３７）を吸収するように設計され、それによってカソード電流を生成するコレクタ（３８）であって、前記進行波管（３０）が増幅動作中にあるときに、前記電子ビーム（３７）のそれぞれの部分を吸収するように設計された複数のコレクタ要素（４０）を備える、コレクタ（３８）と
    を備え、
    前記制御部（４８）が、前記カソード電流を設定するように設計され、
    前記制御部（４８）が、前記高周波信号（２２）を増幅すべきか判定し、それに応答して前記カソード電流を所定の動作値まで増大させるように設計される、
    進行波管モジュール。
12. 前記制御部（４８）が、前記高周波信号（２２）を増幅するように前記制御部（４８）に指示するテレコマンド（２８）を受信するように設計される、請求項１１に記載の進行波管モジュール（２０）。
13. 前記制御部（４８）が、前記高周波信号（２２）を増幅すべきか判定するために、前記進行波管モジュール（２０）の測定値（６２、６４）を分析するように設計される、請求項１１または１２に記載の進行波管モジュール（２０）。

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