JP2014197471A - 電子管 - Google Patents

Abstract

【課題】より広帯域化された電子管を提供する。
【解決手段】電子管は、ヘリックスを内包するシェルと、シェルの内壁と当接する部位に導電性材料が配置され、ヘリックスと当接する部位に誘電体が配置された、ヘリックスを前記シェル内で支持、固定する複数の支柱とを有する。支柱は、シェル及びヘリックスと当接しない支柱側面における導電性材料の幅が支柱の長手方向の一端と他端とで異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は電子ビームとＲＦ（Radio Frequency）信号とを相互作用させるヘリックスを備えた電子管に関する。

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信号の増幅や発振等に用いる電子管である。電子管１は、例えば図５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で形成される電子ビーム５０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ビーム５０を捕捉するコレクタ電極３０と、電子銃１０から電子を引き出すと共に電子ビーム５０をヘリックス２０の螺旋構造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、電子（熱電子）を放出するカソード電極１１と、カソード電極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、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。

電子銃１０から出力された電子ビーム５０は、カソード電極１１とアノード電極４０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の他端からは電子ビーム５０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５に示す電子管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る。アノード電極４０及びへリックス２０は電子管１のケースにそれぞれ接続されて接地される。

電子銃１０のカソード電極１１及びウェネルと電極１３には電源装置６０から共通の負の高電圧（ヘリックス電圧）がそれぞれ供給され、ヒータ１２にはカソード電極１１の電位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の電位を基準にして正の高電圧が供給される。なお、電子管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て、アノード電極４０にカソード電極１１の電位を基準に正の直流電圧が供給される構成もある。

ヘリックス２０は、図６に示すように、誘電体から成る支柱２２（通常、３本）によってシェル２１内に支持、固定される。シェル２１の径方向の内壁には、周波数に対するＲＦ信号と電子ビーム５０との結合インピーダンスの変化を小さくし、ＲＦ信号の位相速度の変化を小さくして電子管１の広帯域化を実現する、金属材料からなるベイン２３（ソリッドとも呼ばれる）が固定されている。電子管１を広帯域化するためシェル２１内にベイン２３を設ける手法については、例えば非特許文献１に記載されている。非特許文献１ではシェルをバレル（barrel）と称し、ベインをメタルセグメント（metal segment）と称している。

なお、特許文献１では、ヘリックッス２０を支持する支柱（誘電体）２２の一方の側面あるいは両側面に段差を設け、該段差部に金属メッキを施すことで支柱に上記ベインの機能を持たせて、ベインを不要した技術が記載されている。

また、特許文献２には、ヘリックッス２０を支持する支柱２２内に導電性材料を埋め込むことで、該支柱２２にベインの機能を持たせてベインを不要した構成を記載されている。

特開平５−２４２８１７号公報 特開２００６−１３４７５１号公報

小野寺，辻，「超広帯域進行波管用装荷ヘリクスの分散特性」，電子情報通信学会論文誌Ｃ，vol. J70-C, No.9, pp.1286-1287, 1987年９月

例えば電子管を利用する無線通信システムでは、電子管が広帯域化することで、単位時間あたりに送受信できるデータ量の増大が期待できる。また、例えば電子管を利用するレーダーシステムでは、電子管が広帯域化することで、所定の周波数範囲をカバーする電子管の数を低減できるため、システム全体のコストやメンテナンスに要する時間等を低減できる。

したがって、電子管にはさらなる広帯域化が要求され、そのために様々な検討がなされている。上記シェル内に金属材料からなるベインを設ける手法もその一つである。

近年は電子管の広帯域化に対する要求が益々大きくなる傾向にあるため、より広い周波数帯域で使用できる電子管を実現することが望ましい。

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、より広帯域化された電子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電子管は、電子ビームとＲＦ（Radio Frequency）信号とを相互作用させる回路であるヘリックスを備えた電子管であって、
前記ヘリックスを内包するシェルと、
前記シェルの内壁と当接する部位に導電性材料が配置され、前記ヘリックスと当接する部位に誘電体が配置された、前記ヘリックスを前記シェル内で支持、固定する複数の支柱と、
を有し、
前記シェル及び前記ヘリックスと当接しない前記支柱側面における前記導電性材料の幅が、前記支柱の長手方向の一端と他端とで異なる。

本発明によれば、電子管のさらなる広帯域化を実現できる。

本発明の電子管の第１の実施の形態の一構成例を示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示した支柱の構成を示す側面図である。 図１（ａ）及び（ｂ）に示した支柱の変形例を示す側面図である。 ヘリックスへ入力するＲＦ信号の周波数に対する位相速度の変化の様子を示すグラフである。 本発明の電子管の第２の実施の形態の一構成例を示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示した支柱の構成を示す側面図である。 ヘリックスを有する電子管の一構成例を示す模式図である。 図５に示したヘリックスを支持する様子を示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は側断面図である。

次に本発明について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の電子管の第１の実施の形態の一構成例を示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示した支柱の構成を示す側面図である。なお、図１（ａ）は電子ビームが流れる方向と直交する方向の電子管の切断面を示している。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の実施の形態の電子管１は、上記ベインを不要した構成であり、ヘリックス２０を支持するための支柱２の構造が図５及び図６に示した背景技術の電子管１と異なっている。その他の構成は、図５及び図６に示した背景技術の電子管１と同様であるため、ここではその説明を省略する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の電子管１で用いる支柱２は、誘電体４から成る主材表面に導電性材料である金属膜３が形成され、シェル２１の内壁と当接する面及びヘリックス２０と当接しない両側面が該金属膜３で覆われた構成である。支柱２のヘリックス２０と当接する部位は誘電体４が表出している。したがって、へリックス２０の固定時、シェル２１の径方向の内壁には支柱２の金属膜３が接触する。

図１（ｂ）で示すように、金属膜３（導電性材料）は、シェル２１及びヘリックス２０と当接しない支柱側面における幅が、支柱２の長手方向の一端と他端とで異なり、金属膜３は一端から他端へ向かって幅が徐々に広くなるように、例えばテーパ状に形成されている。

支柱２は、金属膜３の幅が狭い長手方向における一端が、ヘリックス２０の螺旋構造内に電子が入射される入射側（電子銃１０側）へ位置し、金属膜３の幅が広い長手方向における他端がヘリックス２０の螺旋構造内から電子が出射される出射側（コレクタ電極３０側）へ位置するように配置されて固定される。

長手方向の支柱側面における金属膜３の形状は、図１（ｂ）で示したテーパ状である必要はなく、長手方向における一端と他端とにおいて金属膜３の幅が異なっていればどのような形状でもよい。例えば、支柱側面における金属膜３の形状は、図２（ａ）で示すように階段状であってもよく、図２（ｂ）で示すようにテーパ部と一定幅部とを備える形状でもよく、これらを組み合わせたテーパ部、一定幅部及び階段を備えた形状でもよい。

なお、図１（ａ）、（ｂ）では、板状の誘電体４の両側面に金属膜３を形成する例を示しているが、金属膜３は誘電体４の一方の側面にのみ形成してもよい。また、支柱２の主材である誘電体４は、板状である必要はなく、台形状やＬ字状等のように、シェル２１内でヘリックス２０を固定できれば、どのような形状でもよい。

支柱２の主材である誘電体４には、例えば酸化ベリリウムや窒化ホウ素等が用いられ、金属膜３には金、銅等が用いられる。誘電体４の表面には、周知の真空蒸着法やスパッタリング法を用いて金属膜３を成膜すればよい。誘電体４として酸化ベリリウムを用いる場合、該誘電体４の表面をメタライズした後、金等を成膜すればよい。

また、図１（ａ）、（ｂ）では、板状の誘電体４の表面に金属膜３を成膜した支柱２を用いる例を示しているが、支柱２は、上記特許文献２で示されるように、誘電体４に金属等の導電性材料を埋め込んだ構成でもよい。その場合も、支柱２の導電性材料の幅が、支柱２の長手方向における一端と他端とで異なるように誘電体４及び導電性材料を形成すればよい。

本実施形態の電子管１では、支柱２に含まれる金属膜３が、図６に示したベイン２３と同様に、周波数に対するＲＦ信号と電子ビーム５０との結合インピーダンスの変化を小さくし、該ＲＦ信号の周波数に対する位相速度の変化を小さくして電子管１の広帯域化に寄与する。そのため、図６に示したベイン２３が不要になる。

ところで、電子ビームとＲＦ信号とを相互作用させるためには、電子の速度がＲＦ信号の位相速度とほぼ等しい必要がある。ＲＦ信号が真空中を直進して伝播する場合の速度はほぼ光速に等しく、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が大きくしても光速にはならない。

そこで、進行波管等の電子管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発生し、ヘリックス２０の螺旋構造内に入射された電子ビームはその高周波電界によって減速または加速される。電子ビームの速度とＲＦ信号の位相速度が全く等しい場合、減速される電子と加速される電子の量が等しく、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、電子ビームの速度が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、密度の濃い電子群がヘリックス２０で発生した高周波電界の減速電子領域に集中する。この減速電子領域では電子は減速され、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、ヘリックス２０のＲＦ信号による高周波電界は強められ、強められた高周波電界は電子の速度変調を促進して、ＲＦ信号によ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）から入力されたＲＦ信号が増幅されて他端（コレクタ３０側）から出力される。

本出願人は、このヘリックス２０を伝搬するＲＦ信号の位相速度が支柱２に金属膜３を形成することで低減し、また該ＲＦ信号の位相速度が支柱２に形成する金属膜３の幅に依存することを見出した。

図３は、ヘリックス２０へ入力するＲＦ信号の周波数に対する位相速度の変化の様子を示すグラフである。図３では、誘電体４から成る支柱の幅Ｈに対して金属膜３の幅ｈを変えたときの、ＲＦ信号の周波数に対する該ＲＦ信号の位相速度（Ｖｐ／Ｃ：Ｃは光速）の変化の様子を示している。金属膜３は、ｈ／Ｈ＝０．５５、０．６５、０．７５となるように、支柱に均一な幅ｈで形成している。

図３に示すように、ヘリックス２０を伝搬するＲＦ信号の位相速度は、支柱２に形成する金属膜３の幅に依存し、比較的幅ｈの広い金属膜３を形成すると、広い周波数範囲でＲＦ信号の位相速度がほぼ一定となる。そのため、電子管１の広帯域化が期待できる。しかしながら、図３に示すように、金属膜３の幅ｈを広く形成すると、ＲＦ信号の位相速度が非常に遅くなってしまう。

上述したように、電子ビーム５０とＲＦ信号とを相互作用させるためには、螺旋状のヘリックス２０を伝搬するＲＦ信号の位相速度に対して電子ビームの速度をわずかに速く設定する必要がある。そのため、ＲＦ信号の位相速度が遅いと、電子ビーム５０の速度も遅くする必要がある。すなわち、電子ビーム５０から得られるエネルギーが低減し、電子管１の利得が低下してＲＦ信号の出力電力が制限されてしまう。

そこで、本実施形態では、支柱側面における金属膜３の幅を長手方向において変化させる。支柱２における金属膜３の幅は、電子ビーム５０の速度が大きい電子銃側の一端で狭く、電子ビーム５０の速度の低下に合せてコレクタ電極３０側の他端で広くなるように設定する。このように金属膜３を形成することで、ヘリックス２０を伝搬するＲＦ信号と電子ビーム５０とがより広い周波数範囲で相互作用するようになる。そのため、ＲＦ信号の位相速度の低下を抑制しつつ、広い周波数範囲でＲＦ信号の位相速度がほぼ一定となるように設定できる。したがって、電子管１の利得の低下を抑制しつつ、該電子管１のさらなる広帯域化を実現できる。

また、上述したように、電子銃１０から放出された電子の速度は、カソード電極１１とアノード電極４０やヘリックス２０との電位差によって加速されて最大となり、ヘリックス２０の螺旋構造内を通過する過程でＲＦ信号と相互作用することで徐々に減速する。そのため、電子管（進行波管）１では、電子の速度変化に合せてＲＦ信号の位相速度を変化させるために、螺旋状のヘリックス２０のピッチを変化させている構成もある。

本実施形態の電子管１では、支柱２に形成する金属膜３の幅を変化させることでＲＦ信号の位相速度を変化させることができるため、ピッチが変化するヘリックス２０を作成する必要がない。したがって、ヘリックス２０の製造が容易になる。
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の電子管の第２の実施の形態の構成を示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）に示した支柱の構成を示す斜視図である。なお、図４は電子ビームの流れる方向と直交する方向の切断面を示している。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の実施の形態の電子管が備える支柱５は、シェル２１の内壁と当接する部位に導電性材料６が配置され、ヘリックス２０と当接する部位に誘電体７が配置されており、導電性材料６と誘電体７とが接合された構成である。また、本実施形態の支柱５は、第１の実施の形態と同様に、シェル２１及びヘリックス２０と当接しない支柱側面における導電性材料６の幅が、支柱５の長手方向の一端と他端とで異なり、一端から他端へ向かって徐々に導電性材料６の幅が広くなるように、例えばテーパ状に形成される。支柱側面における導電性材料６の形状は、図２（ａ）で示したように階段状であってもよく、図２（ｂ）で示したようにテーパ部と一定幅部とを備える形状でもよく、これらを組み合わせたテーパ部、一定幅部及び階段を備えた形状でもよい。その他の構成は第１の実施の形態の電子管１と同様であるため、その説明は省略する。

本実施形態の電子管では、導電性材料６に非磁性物質である銅やグラファイト等を用い、誘電体７に窒化ホウ素や窒化アルミニウム等を用いる。導電性材料６と誘電体７とは、例えば誘電体７の接合面をメタライズした後、該誘電体７と導電性材料６とをろう付け等で接合すればよい。

このような構成であっても、第１の実施の形態と同様に、支柱５の導電性材料６が図５に示したベイン２３に代わって電子管１の広帯域化に寄与する。そのため、電子管１の利得の低下を抑制しつつ、該電子管１の広帯域化を実現できる。

また、支柱５に形成する導電性材料６の幅を変化させることでＲＦ信号の位相速度を変化させることができるため、ピッチが変化するヘリックス２０を作成する必要がない。したがって、ヘリックス２０の製造が容易になる。

１ 電子管
２、５ 支柱
３ 金属膜
４、７ 誘電体
６ 導電性材料
１０ 電子銃
１１ カソード電極
１２ ヒータ
１３ ウェネルと電極
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

Claims (7)

1. 電子ビームとＲＦ（Radio Frequency）信号とを相互作用させる回路であるヘリックスを備えた電子管であって、
   前記ヘリックスを内包するシェルと、
   前記シェルの内壁と当接する部位に導電性材料が配置され、前記ヘリックスと当接する部位に誘電体が配置された、前記ヘリックスを前記シェル内で支持、固定する複数の支柱と、
   を有し、
   前記シェル及び前記ヘリックスと当接しない前記支柱側面における前記導電性材料の幅が、前記支柱の長手方向の一端と他端とで異なる電子管。
2. 前記長手方向の前記支柱側面における前記導電性材料の形状がテーパ状である請求項１記載の電子管。
3. 前記長手方向の前記支柱側面における前記導電性材料の形状が階段状である請求項１記載の電子管。
4. 前記長手方向の前記支柱側面における前記導電性材料の形状がテーパ部と一定幅部とを備える形状である請求項１記載の電子管。
5. 前記長手方向の前記支柱側面における前記導電性材料の形状が、テーパ部と、一定幅部及び階段部を備える形状である請求項１記載の電子管。
6. 前記支柱が、
   前記ヘリックスの螺旋構造内に電子が入射される入射側に、前記導電性材料の幅が狭い前記長手方向の一端が位置し、
   前記ヘリックスの螺旋構造内から電子が出射される出射側に、前記導電性材料の幅が広い前記長手方向の他端が位置するように配置された請求項１から５のいずれか１項に記載の電子管。
7. 前記支柱が、
   前記誘電体から成る主材表面に前記導電性材料である金属膜が形成され、前記シェルの内壁と当接する面及び前記ヘリックスと当接しない側面が前記金属膜で覆われた請求項１から６のいずれか１項に記載の電子管。

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