JP2014197471A - 電子管 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
(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。
(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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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- 2013-03-29 JP JP2013072208A patent/JP2014197471A/ja active Pending
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WO2021242473A1 (en) * | 2020-05-25 | 2021-12-02 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Electroplated helical slow-wave structures for high-frequency signals |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20140292190A1 (en) | 2014-10-02 |
US9196448B2 (en) | 2015-11-24 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20141021 |