JP4377747B2 - Traveling wave tube and array antenna using the same - Google Patents

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Description

本発明は、進行波管に関し、特に、小型・細径化を要求される進行波管に関する。   The present invention relates to a traveling wave tube, and more particularly to a traveling wave tube that is required to be reduced in size and diameter.

従来、降雨減衰が増加するKa帯(21GHz帯)を使用する放送・通信衛星システムにおいて、激しい降雨減衰が生じている地域にのみ高い電力を放射し、その他の地域には通常の電力を放射するような放射パターンを形成して衛星中継器の消費電力を低減させるためアレーアンテナが使用される。   Conventionally, in a broadcasting / communication satellite system that uses the Ka band (21 GHz band) where rainfall attenuation increases, high power is radiated only in areas where severe rain attenuation occurs, and normal power is radiated in other areas. An array antenna is used to reduce the power consumption of the satellite repeater by forming such a radiation pattern.

図9は従来のアレーアンテナを示す図である。図9に示すように、アレーアンテナは、ビームを形成・制御するビーム形成装置(BFN:Beam Forming Network)2と、ビーム形成装置が出力するマイクロ波を増幅する進行波管4と、進行波管の出力するマイクロ波をフィルタリングするフィルタ5と、フィルタリングされたマイクロ波を出力するホーン3とを備えている。   FIG. 9 is a diagram showing a conventional array antenna. As shown in FIG. 9, the array antenna includes a beam forming device (BFN: Beam Forming Network) 2 that forms and controls a beam, a traveling wave tube 4 that amplifies a microwave output from the beam forming device, and a traveling wave tube. Are provided with a filter 5 for filtering the output microwave and a horn 3 for outputting the filtered microwave.

このアレーアンテナでは、ホーン3からの出力電力と出力位相を、ビーム形成装置2で制御することで、衛星からの放射電力の分布(放射パターン)を自由に形成することができる。   In this array antenna, by controlling the output power and the output phase from the horn 3 by the beam forming device 2, the distribution (radiation pattern) of the radiation power from the satellite can be freely formed.

この場合、放射パターンをより自由に形成するためには、多数(例えば、数百個)のホーン3を1.0〜1.5λ程度の間隔で2次元的に密集配置する必要があるため、Ka帯で高出力かつ高効率な増幅器である進行波管4の断面寸法を小型化した小型・細径進行波管が要求される(例えば、非特許文献1参照)。   In this case, in order to form a radiation pattern more freely, a large number (for example, several hundreds) of horns 3 need to be two-dimensionally densely arranged at intervals of about 1.0 to 1.5λ. A small-sized and small-diameter traveling wave tube in which the cross-sectional dimension of the traveling wave tube 4 that is a high-power and high-efficiency amplifier is miniaturized is required (for example, see Non-Patent Document 1).

最終段の増幅器である進行波管4では、トランスポンダの電力効率を上げるため、電力効率の高い飽和領域で使用することが望ましい。一方、進行波管4を飽和領域で動作させた場合、出力電力および出力位相の非線型歪が生じ、一般にデジタル変調においては帯域外へのスプリアスが発生する。   The traveling wave tube 4 as the final stage amplifier is desirably used in a saturation region where the power efficiency is high in order to increase the power efficiency of the transponder. On the other hand, when the traveling wave tube 4 is operated in the saturation region, non-linear distortion of output power and output phase occurs, and generally spurious out of band occurs in digital modulation.

すなわち、図10に示すように、図10(a)に示すような入力スペクトラムが、進行波管の非線型歪によって図10(b)に示すような所望帯域外スプリアスを持つスペクトラムとなる。   That is, as shown in FIG. 10, the input spectrum as shown in FIG. 10A becomes a spectrum having a desired out-of-band spurious as shown in FIG. 10B due to nonlinear distortion of the traveling wave tube.

このため、進行波管4の後段にフィルタ5として、所望の帯域のみの出力信号スペクトラムを通過させる帯域通過フィルタ(BPF:Band Pass Filter)、もしくは、所望の帯域外のスプリアスを除去する帯域阻止フィルタ(BEF:Band Eliminate Filter)を別途設置し、図10(c)に示すような信号スペクトラムとする必要がある。
中川仁、村田孝雄、「21GHz帯衛星放送研究の現状と展望」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、2003年6月17日、信学技報Vol.103No.139、p.1−4
For this reason, a bandpass filter (BPF: Band Pass Filter) that passes the output signal spectrum of only a desired band as a filter 5 after the traveling wave tube 4 or a band rejection filter that removes spurious out of the desired band. (BEF: Band Eliminate Filter) needs to be installed separately to obtain a signal spectrum as shown in FIG.
Jin Nakagawa and Takao Murata, “Current Status and Prospects of 21 GHz Band Satellite Broadcasting Research”, IEICE Technical Report, IEICE, June 17, 2003, IEICE Tech. 103 No. 139, p. 1-4

しかしながら、このように進行波管4、フィルタ5、ホーン3を接続した構成とすると、上述のアレーアンテナでは、多数(例えば、数百個)のフィルタ5が必要となるので、重量の増加やコストの上昇の問題が生じる。   However, when the traveling wave tube 4, the filter 5, and the horn 3 are connected in this way, the array antenna described above requires a large number (for example, several hundreds) of the filters 5, which increases the weight and costs. The problem of rising will arise.

そこで、本発明は、小型・細径進行波管の出力回路にフィルタ機能を持たせることにより、フィルタを廃して、アレーアンテナの軽量化およびコスト削減を図ることができる小型・細径進行波管を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides a small-sized and small-diameter traveling wave tube that can eliminate the filter and reduce the weight and cost of the array antenna by providing a filter function in the output circuit of the small-sized and small-diameter traveling wave tube. The purpose is to provide.

上記課題を解決する第1の発明は、低速波回路の軸方向と平行に設置された導波管を使用する出力回路を備えた進行波管において、前記出力回路は、前記低速波回路からマイクロ波を入力する入力部と、入力した前記マイクロ波を通過させる誘導性窓を有する誘導性窓部と、前記誘導性窓部からのマイクロ波をホーンに出力する出力部とを含み、前記マイクロ波の進行方向に直交する断面が矩形の扁平導波管で形成され、帯域阻止フィルタ及び帯域通過フィルタのいずれか一方の特性を有するものであって、前記扁平導波管における管内波長をλg、前記入力部及び前記出力部における前記矩形の各幅をa、前記誘導性窓部における前記矩形の幅をdで表すとき、前記誘導性窓のサセプタンスBは、前記出力回路が前記帯域阻止フィルタの特性を有する場合には、B=−λg/a・cot πd/2a(1+cosec πd/2a)であり、前記出力回路が前記帯域通過フィルタの特性を有する場合には、B=−λg/a・cot πd/2aであり、反射係数γはγ=−jB/(jB+2)であって、前記入力部は、矩形の複数の導波管により階段状に形成されて前記低速波回路に接続されるステップ構造を有し、前記出力部と前記ホーンとの接続における前記矩形の高さ方向の寸法を設定できるものであることを特徴とするものである。 A first invention for solving the above-mentioned problems is a traveling wave tube having an output circuit using a waveguide installed in parallel with the axial direction of the slow wave circuit, wherein the output circuit is connected to the micro wave from the slow wave circuit. An input unit for inputting a wave, an inductive window unit having an inductive window for allowing the input microwave to pass therethrough, and an output unit for outputting a microwave from the inductive window unit to a horn. The cross section perpendicular to the traveling direction is formed of a rectangular flat waveguide, and has one of the characteristics of a band-stop filter and a band-pass filter, and an in-tube wavelength in the flat waveguide is λg, When the width of the rectangle in the input unit and the output unit is represented by a, and the width of the rectangle in the inductive window unit is represented by d, the susceptance B of the inductive window is the characteristic of the band rejection filter. If with the, B = -λg / a · cot was 2 πd / 2a (1 + cosec 2 πd / 2a), when the output circuit has the characteristics of the band-pass filter, B = -λg / a · cot is 2 [pi] d / 2a, the gamma reflection coefficient a γ = -jB / (jB + 2 ), wherein the input unit, connected are formed stepwise in the slow-wave circuit of a plurality of waveguides of a rectangular And a dimension in the height direction of the rectangle in the connection between the output unit and the horn can be set .

この発明では、出力回路でマイクロ波がフィルタされる。したがって、進行波管の後段にフィルタを設ける必要が無くなる。   In the present invention, the microwave is filtered by the output circuit. Therefore, it is not necessary to provide a filter after the traveling wave tube.

本発明によれば、出力回路でフィルタ機能を備えているので、後段にフィルタを設ける必要が無くなり、構成を簡素化することができる。   According to the present invention, since the filter function is provided in the output circuit, it is not necessary to provide a filter in the subsequent stage, and the configuration can be simplified.

また、本発明の進行波管をアレーアンテナに搭載すれば、出力回路の後段にフィルタを設ける必要が無く、アレーアンテナの軽量化およびコスト削減を図ることができる。   Further, if the traveling wave tube of the present invention is mounted on an array antenna, it is not necessary to provide a filter after the output circuit, and the array antenna can be reduced in weight and cost.

以下、本発明を図面を参照して説明する。   The present invention will be described below with reference to the drawings.

図1〜図8は本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を示す図である。   FIGS. 1-8 is a figure which shows the small and small diameter traveling wave tube of one Embodiment of this invention.

図1において、本実施形態の小型・細径進行波管1は、電子を放出する電子銃部11と、マイクロ波を処理する高周波回路部12と、電子を捕捉するコレクタ部13と、電子ビームを集束させる集束装置部14と、本体を支持し放熱等を行うためのパッケージ15とを備えている。   In FIG. 1, a small and narrow traveling wave tube 1 of the present embodiment includes an electron gun unit 11 that emits electrons, a high-frequency circuit unit 12 that processes microwaves, a collector unit 13 that captures electrons, and an electron beam. And a package 15 for supporting the main body and radiating heat.

電子銃部11は、電子を放出するカソード111と、このカソード111を加熱するヒータ112と、カソード111とヒータ112の周辺に絶縁セラミック113とを備えている。   The electron gun unit 11 includes a cathode 111 that emits electrons, a heater 112 that heats the cathode 111, and an insulating ceramic 113 around the cathode 111 and the heater 112.

高周波回路部12は、マイクロ波を入力する入力回路121と、マイクロ波と電子ビームとを相互作用させるヘリックス遅延回路122と、増幅したマイクロ波を出力する出力回路123とを備えている。   The high-frequency circuit unit 12 includes an input circuit 121 that inputs a microwave, a helix delay circuit 122 that interacts the microwave and an electron beam, and an output circuit 123 that outputs an amplified microwave.

集束装置部14は、電子ビームの通路に磁界を発生させる複数の磁石141及び磁極142を備えている。   The focusing device section 14 includes a plurality of magnets 141 and magnetic poles 142 that generate a magnetic field in the electron beam path.

電子銃部11の真空中のカソード111から放出された電子は、数kV以上の高電圧で加速されると同時に、集束装置部14で形成された磁界により集束され、集束された電子は細い電子ビームを形成してヘリックス遅延回路122のらせんの内側を通過する。   The electrons emitted from the cathode 111 in the vacuum of the electron gun unit 11 are accelerated by a high voltage of several kV or more, and at the same time, the electrons are focused by the magnetic field formed by the focusing device unit 14, and the focused electrons are thin electrons. A beam is formed and passes inside the helix of the helix delay circuit 122.

一方、マイクロ波は、入力回路121からヘリックス遅延回路122に導かれ、電子ビームの上流側(カソード111側)かららせん状のヘリックス遅延回路122に沿って進み、その軸方向速度が電子ビーム速度とほぼ同期したときに電子ビームとマイクロ波の相互作用が生じてマイクロ波電力が増幅される。増幅されたマイクロ波はヘリックス遅延回路122に接続された出力回路123から取り出される。   On the other hand, the microwave is guided from the input circuit 121 to the helix delay circuit 122 and travels along the helical helix delay circuit 122 from the upstream side (cathode 111 side) of the electron beam, and its axial velocity is the electron beam velocity. When almost synchronized, an interaction between the electron beam and the microwave occurs, and the microwave power is amplified. The amplified microwave is extracted from the output circuit 123 connected to the helix delay circuit 122.

マイクロ波との相互作用を終えた電子ビームは、コレクタ部13に衝突し捕捉され、電子の運動エネルギーは熱エネルギーに変換される。   The electron beam that has finished the interaction with the microwave collides with the collector 13 and is captured, and the kinetic energy of the electrons is converted into thermal energy.

この小型・細径進行波管1は、小型・細径化を図るため、一般的な進行波管では電子ビームの放出方向に対して垂直に設置される入力回路121および出力回路123を、断面寸法を抑えるために電子ビームの放射方向と平行に設置し、増幅されたマイクロ波は進行波管の最端部の出力部から取り出される。   In order to reduce the size and diameter of the small-sized and small-diameter traveling wave tube 1, in a general traveling-wave tube, a cross section of an input circuit 121 and an output circuit 123 that are installed perpendicular to the electron beam emission direction is shown. In order to reduce the size, the microwave is placed in parallel with the radiation direction of the electron beam, and the amplified microwave is taken out from the output part at the extreme end of the traveling wave tube.

また、入力回路121および出力回路123を構成する導波管は、通常の導波管より高さが低い扁平導波管を用い、小型・細径化を図っている。   Moreover, the waveguide which comprises the input circuit 121 and the output circuit 123 uses the flat waveguide whose height is lower than a normal waveguide, and is aiming at size reduction and diameter reduction.

さらに、本実施形態の小型・細径進行波管1では、その出力回路123に、目的に応じて帯域阻止フィルタや帯域通過フィルタの機能を持たせるようにしている。   Furthermore, in the small-sized and small-diameter traveling wave tube 1 of the present embodiment, the output circuit 123 is provided with functions of a band rejection filter and a band pass filter depending on the purpose.

出力回路123のような導波管に、一つの誘導性窓を設けた帯域阻止フィルタの例を図2(a)に、帯域通過フィルタの例を図2(b)に示す。   FIG. 2A shows an example of a band rejection filter in which one inductive window is provided in a waveguide like the output circuit 123, and FIG. 2B shows an example of a band pass filter.

導波管内に窓を設けた場合、伝送路に並列に集中定数jBが接続されたものと考えられるため、その等価回路は図3に示すようになる。   When a window is provided in the waveguide, it is considered that a lumped constant jB is connected in parallel to the transmission line, and therefore the equivalent circuit is as shown in FIG.

その際、図3の誘導性窓のサセプタンスBは、
BEFの場合
B=−λg/a・cot2πd/2a(1+cosec2πd/2a)
BPFの場合
B=−λg/a・cot2πd/2a
で近似的に算出でき、また反射計数γは
γ=−jB/(jB+2)
で算出できる。
In that case, the susceptance B of the inductive window of FIG.
In the case of BEF, B = −λg / a · cot 2 πd / 2a (1 + cosec 2 πd / 2a)
In the case of BPF, B = −λg / a · cot 2 πd / 2a
And the reflection count γ is γ = −jB / (jB + 2).
It can be calculated by

ここで、λgは管内波長、aは入出力部の導波管幅、dは誘導性窓部の導波管幅である。   Here, λg is the guide wavelength, a is the waveguide width of the input / output section, and d is the waveguide width of the inductive window section.

この両式から、フィルタ特性は、導波管の幅方向の要素であるaとdの組み合わせのみで設計できることが示されており、出力回路のように高さが低減された導波管においてもフィルタ特性を持たせることが可能であると考えられる。   From these two equations, it is shown that the filter characteristics can be designed only by the combination of a and d, which are elements in the width direction of the waveguide, and even in a waveguide with a reduced height like an output circuit. It is considered possible to have filter characteristics.

図4は、5段のアイリス結合により帯域通過フィルタを構成した例である。この帯域通過フィルタの高さ(図のAの長さ)を、従来の導波管で構成した場合(高さ4.318mm)と、出力回路のように高さを低減した扁平導波管で構成した場合(高さ1.318mm)のフィルタ特性の比較を図5に示す。   FIG. 4 shows an example in which a band-pass filter is configured by 5-stage iris coupling. The height of this bandpass filter (the length of A in the figure) is configured with a conventional waveguide (height: 4.318 mm) and a flat waveguide with a reduced height, such as an output circuit. FIG. 5 shows a comparison of filter characteristics in the case of the above (height 1.318 mm).

図5において、S11はフィルタの反射特性を示し、S21はファイルタの通過特性を示している。   In FIG. 5, S11 indicates the reflection characteristic of the filter, and S21 indicates the pass characteristic of the filter.

図5に示すように、高さを変化させてもフィルタ特性が全く同一となり、高さを低減した導波管においても通常寸法の導波管で設計した場合と同一のフィルタ特性が得られることがわかる。これは、帯域阻止フィルタに関しても同様である。   As shown in FIG. 5, the filter characteristics are exactly the same even when the height is changed, and the same filter characteristics can be obtained even when a waveguide with a reduced height is designed with a normal-size waveguide. I understand. The same applies to the band rejection filter.

このことから、本実施形態では、出力回路の導波管内に図4に示すような5段のアイリス結合を設け、出力回路に帯域通過フィルタの機能を持たせている。   For this reason, in this embodiment, a 5-stage iris coupling as shown in FIG. 4 is provided in the waveguide of the output circuit, and the output circuit has the function of a band-pass filter.

21GHz帯で導波管型のフィルタを用いる場合には、1段あたり約10mm程度の長さが必要となる。本実施形態の小型・細径進行波管の出力回路は約80mm程度の長さを持っているので、この出力回路には7〜8段の急峻なフィルタ機能を持たせることができる。   When a waveguide type filter is used in the 21 GHz band, a length of about 10 mm per stage is required. Since the output circuit of the small-sized and small-diameter traveling wave tube of this embodiment has a length of about 80 mm, this output circuit can have a steep filter function of 7 to 8 stages.

このような本実施形態の小型・細径進行波管1を使えば、衛星搭載用アレーアンテナを図6に示すように構成することができ、従来必要とされていたフィルタを省くことができるので、フィルタの細径化にかかる開発コストを削減することができ、また、アレーアンテナの軽量化を図ることができ、アレーアンテナの製造コストを削減することができる。   By using such a small-diameter traveling wave tube 1 of this embodiment, the satellite-mounted array antenna can be configured as shown in FIG. 6, and the conventionally required filter can be omitted. The development cost for reducing the filter diameter can be reduced, the weight of the array antenna can be reduced, and the manufacturing cost of the array antenna can be reduced.

また、本実施形態の小型・細径進行波管1に通常の導波管寸法のホーン3を接続する場合には、図7に示すようなステップ構造を用いて、扁平導波管の高さ(1.418mm)を通常の導波管の高さ(4.148mm)に変換することが可能である。   Further, when the horn 3 having a normal waveguide size is connected to the small-sized and small-diameter traveling wave tube 1 of the present embodiment, the height of the flat waveguide is obtained by using a step structure as shown in FIG. (1.418mm) can be converted to normal waveguide height (4.148mm).

このように構成した場合も、図8に示すように、フィルタ特性は概ね保持され、所望のフィルタ特性を実現することができる。   Even in such a configuration, as shown in FIG. 8, the filter characteristics are generally maintained, and the desired filter characteristics can be realized.

本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を示す図であり、その断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the small-sized and small diameter traveling wave tube of one Embodiment of this invention, and is the sectional drawing. 誘導性窓を設けた導波管フィルタの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveguide filter which provided the inductive window. 誘導性窓を設けた導波管フィルタの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the waveguide filter which provided the inductive window. 5段アイリス結合による帯域通過フィルタの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the bandpass filter by a 5-stage iris coupling. 高さを変えた場合のフィルタ特性を示す図である。It is a figure which shows the filter characteristic at the time of changing height. 本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を用いたアレーアンテナの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the array antenna using the small and small diameter traveling wave tube of one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態の小型・細径進行波管に通常の導波管寸法のホーンを接続するときの出力回路を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an output circuit when connecting the horn of a normal waveguide dimension to the small-sized and small diameter traveling wave tube of one Embodiment of this invention. そのフィルタ特性を示す図である。It is a figure which shows the filter characteristic. 従来のアレーアンテナの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional array antenna. 従来の進行波管の非線型歪によるスプリアスを示す信号スペクトルの図である。It is a figure of the signal spectrum which shows the spurious by the nonlinear distortion of the conventional traveling wave tube.

符号の説明Explanation of symbols

1 小型・細径進行波管
11 電子銃部
111 カソード
112 ヒータ
113 絶縁セラミック
12 高周波回路部
121 入力回路
122 ヘリックス遅延回路
123 出力回路
13 コレクタ部
14 集束装置部
141 磁石
142 磁極
15 パッケージ
2 ビーム形成装置
3 ホーン
4 進行波管
5 フィルタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Small and thin traveling wave tube 11 Electron gun part 111 Cathode 112 Heater 113 Insulating ceramic 12 High frequency circuit part 121 Input circuit 122 Helix delay circuit 123 Output circuit 13 Collector part 14 Focusing apparatus part 141 Magnet 142 Magnetic pole 15 Package 2 Beam forming apparatus 3 Horn 4 Traveling wave tube 5 Filter

Claims (2)

低速波回路の軸方向と平行に設置された導波管を使用する出力回路を備えた進行波管において、
前記出力回路は、前記低速波回路からマイクロ波を入力する入力部と、入力した前記マイクロ波を通過させる誘導性窓を有する誘導性窓部と、前記誘導性窓部からのマイクロ波をホーンに出力する出力部とを含み、前記マイクロ波の進行方向に直交する断面が矩形の扁平導波管で形成され、帯域阻止フィルタ及び帯域通過フィルタのいずれか一方の特性を有するものであって、
前記扁平導波管における管内波長をλg、前記入力部及び前記出力部における前記矩形の各幅をa、前記誘導性窓部における前記矩形の幅をdで表すとき、前記誘導性窓のサセプタンスBは、
前記出力回路が前記帯域阻止フィルタの特性を有する場合には、
B=−λg/a・cot πd/2a(1+cosec πd/2a)
であり、
前記出力回路が前記帯域通過フィルタの特性を有する場合には、
B=−λg/a・cot πd/2a
であり、
反射係数γは
γ=−jB/(jB+2)
であって、
前記入力部は、矩形の複数の導波管により階段状に形成されて前記低速波回路に接続されるステップ構造を有し、前記出力部と前記ホーンとの接続における前記矩形の高さ方向の寸法を設定できるものであることを特徴とする進行波管。
In a traveling wave tube with an output circuit that uses a waveguide installed parallel to the axial direction of the slow wave circuit,
The output circuit includes an input unit for inputting microwaves from the slow wave circuit, an inductive window unit having an inductive window for passing the input microwaves, and microwaves from the inductive window unit to a horn. An output section that outputs, and a cross section perpendicular to the traveling direction of the microwave is formed by a rectangular flat waveguide, and has one of the characteristics of a band rejection filter and a band pass filter,
Inductive window susceptance B, where λg is the guide wavelength in the flat waveguide, a is the width of the rectangle in the input section and the output section, and d is the width of the rectangle in the inductive window section. Is
When the output circuit has the characteristics of the band rejection filter,
B = −λg / a · cot 2 πd / 2a (1 + cosec 2 πd / 2a)
And
If the output circuit has the characteristics of the bandpass filter,
B = −λg / a · cot 2 πd / 2a
And
The reflection coefficient γ is
γ = −jB / (jB + 2)
Because
The input unit has a step structure formed in a step shape by a plurality of rectangular waveguides and connected to the low-speed wave circuit, and has a rectangular height direction in the connection between the output unit and the horn. Traveling wave tube characterized in that its dimensions can be set .
請求項1に記載の進行波管を備えたことを特徴とするアレーアンテナ。   An array antenna comprising the traveling wave tube according to claim 1.
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