JP4796855B2 - 電源装置及び高周波回路システム - Google Patents

Description

本発明は高周波信号の増幅や発振に用いられる進行波管へ所定の直流高電圧を供給する電源装置及びそれを備えた高周波回路システムに関する。

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高周波信号の増幅や発振等を行うために用いる電子管である。進行波管１は、例えば、図４に示すように、電子ビーム５０を放出する電子銃１０と、電子銃１０から放出された電子ビーム５０と高周波信号（マイクロ波）とを相互作用させる高周波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銃１０から放出された電子ビーム５０をヘリックス２０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、熱電子を放出するカソード電極１１と、カソード電極１１に熱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から放出された電子ビーム５０は、アノード電極４０により加速されてヘリックス２０内に導入され、ヘリックス２０に入力された高周波信号と相互作用しながら内部を進行する。ヘリックス２０から出力された電子ビーム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からは電子ビーム５０との相互作用により増幅された高周波信号が出力される。

図４に示すように、進行波管１の各電極に所定の電源電圧を供給する電源装置７０は、ヘリックス２０の電位を基準に電子銃１０のカソード電極１１に対して負の直流電圧（へリックス電圧Ｅｈｅｌ）を供給するヘリックス電源７１と、カソード電極１１の電位を基準にコレクタ電極３０に対して正の直流電圧（コレクタ電圧Ｅｃｏｌ）を供給するコレクタ電源７２と、カソード電極１１の電位を基準にアノード電極４０に対して正の直流電圧（アノード電圧Ｅａ）を供給するアノード電源７３と、カソード電極１１の電位を基準に交流電圧または直流電圧であるヒータ電圧Ｅｈｅａｔを電子銃１０のヒータ１２に対して供給するヒータ電源７４とを有する構成である。ヘリックス２０は、通常、進行波管１のケースに接続されて接地される。

へリックス電圧Ｅｈｅｌ、コレクタ電圧Ｅｃｏｌ及びアノード電圧Ｅａは、例えば外部から供給される電源電圧を昇圧するための周知のインバータと、トランス、整流回路及び整流用コンデンサを備えた周知の整流器等を用いて生成される。

カソード電極１１とへリックス２０間、及びカソード電極１１とコレクタ電極３０間には、電源電圧の供給停止時に整流用コンデンサ（不図示）に蓄積された電荷を放電するための放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２が接続されている。

図４に示した進行波管１では、アノード電極４０へ印加するアノード電圧Ｅａの値によってカソード電極１１から放出される電子の量を制御することが可能であり、進行波管１から出力する高周波信号の電力をアノード電圧Ｅａによって制御することが可能である。例えば、進行波管１に一定電力の高周波信号を入力している場合でも、アノード電極４０にパルス状の電圧を印加すれば、パルス状の高周波信号を出力させることができる。

なお、特許文献１には、進行波管１に対する入力信号（高周波信号）を検波し、入力電力に応じて出力電力が飽和しないようにアノード電圧Ｅａを調整することで、出力信号の電力効率を向上させた例が記載されている。
特開２００５−４５４７８号公報

上述した従来の電源装置７０では、例えば整流器が有するトランスの一次側に接続されたインバータの動作を停止させても、トランスの二次側に接続された整流用コンデンサに蓄積された電荷を何らかの手段を用いて放電しなければ、へリックス電圧Ｅｈｅｌやコレクタ電圧Ｅｃｏｌの電位がそのまま維持されてしまう。したがって、進行波管やクライストロン等の試験や保守のために各種電源の動作を停止しても高電圧が維持されている。そのため、十分に放電させてから作業を始める必要がある。

但し、アノード電源７３には電流供給能力が低いものが用いられるため、仮にアノード電圧Ｅａが残っていても特に問題となることはない。通常、アノード電源７３の出力端にはアノード電圧Ｅａを安定化するために負荷抵抗器が設けられているため、アノード電源７３の動作を停止した際には該負荷抵抗器を通して整流用コンデンサに蓄積された電荷が放電される。

一方、ヘリックス電源７１及びコレクタ電源７２には電流供給能力が大きいものが用いられるため、図４に示したように放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２を設け、該放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２を通して整流用コンデンサに蓄積された電荷を放電している。この放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２には、動作時に流れる電流を低減するために比較的大きな値（数ＭΩ程度）の抵抗器が用いられる。

しかしながら、放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２を用いて電荷を放電する構成では、ヘリックス電源７１及びコレクタ電源７２が有する整流用コンデンサの値と放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２の値で決まる時定数に依存して電荷が放電されるため、へリックス電圧Ｅｈｅｌやコレクタ電圧Ｅｃｏｌが十分に低下するまでに時間を要するという問題がある。

また、放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２は、上述したように抵抗値が大きいため、流れる電流が少なくても消費する電力が大きくなり、十分な耐電力を得るためにパッケージが大型化する。そのため、主として試験や保守のためだけに用いる放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２の実装面積が大きくなるという問題があった。

なお、整流用コンデンサに蓄積された電荷の放電時間を短縮するための方法として、図４に示すようにアース棒７５を用いてへリックス電源７１やコレクタ電源７２の出力端を接地電位と短絡する方法が考えられる。しかしながら、アース棒７５を電源装置７０に内蔵した構成では、その実装面積が大きくなるという問題がある。また、アース棒７５を用いてへリックス電源７１やコレクタ電源７２の出力を接地電位と短絡する作業は、高電圧（数ｋＶ）部位にアクセスすることになるため、作業の安全性が低下してしまう。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、大型の部品を用いることなく、試験や保守時に電源装置に蓄積された電荷の放電を可能にして、作業の安全性を向上させることができる電源装置及びそれを備えた高周波回路システム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源装置は、電子管が備えるアノード電極、カソード電極、コレクタ電極及びへリックスに対してそれぞれ所定の電源電圧を供給する電源装置であって、
前記カソード電極と前記アノード電極間に供給する電源電圧であるアノード電圧の出力をオンまたはオフするアノードスイッチと、
前記カソード電極と前記へリックス間に電源電圧であるヘリックス電圧を供給するヘリックス電源及び前記カソード電極と前記コレクタ電極間に電源電圧であるコレクタ電圧を供給するコレクタ電源の動作が停止したとき、パルス状の前記アノード電圧を所定の周期毎に複数回繰り返し印加するように、前記アノードスイッチのオン／オフ動作を制御するアノードスイッチ制御回路と、
を有する構成である。

一方、本発明の高周波回路システムは、上記電源装置と、
前記電源装置から、前記ヘリックス電圧、前記コレクタ電圧及び前記アノード電圧がそれぞれ供給される進行波管と、
を有する構成である。

上記のように構成された電源装置及び高周波回路システムでは、ヘリックス電源及びコレクタ電源の動作停止時、アノード電極に印加されたパルス状のアノード電圧に同期してカソード電極から電子が引き出され、カソード電極から放出された電子はコレクタ電極またはヘリックスを通して電源装置へ流入する。すなわち、電源装置の整流用コンデンサに蓄積された電荷はコレクタ電極及びヘリックスを通して放電される。

本発明によれば、大型の放電用ブリーダ抵抗器を用いることなく、従来の回路に少数の部品を追加するだけで、電源装置の動作停止時に整流用コンデンサに蓄積された電荷を放電できる。したがって、実装面積の増大を抑制しつつ、電子管の試験や保守時の作業の安全性を向上させることができる。

次に本発明について図面を参照して説明する。

図１は本発明の電源装置の一構成例を示すブロック図であり、図２は図１に示したアノードスイッチの実施例を示す回路図である。なお、図１では進行波管１及びその各構成要素に対して従来の技術で示した図４と同様の符号を付与している。

図１に示すように、本発明の電源装置６０は、従来の電源装置７０と同様に、ヘリックス２０の電位を基準に電子銃１０のカソード電極１１に対して負の直流電圧（へリックス電圧Ｅｈｅｌ）を供給するヘリックス電源６１と、カソード電極１１の電位を基準にコレクタ電極３０に対して正の直流電圧（コレクタ電圧Ｅｃｏｌ）を供給するコレクタ電源６２と、カソード電極１１の電位を基準にアノード電極４０に対して正の直流電圧（アノード電圧Ｅａ）を供給するアノード電源６３と、カソード電極１１の電位を基準に交流電圧または直流電圧であるヒータ電圧Ｅｈｅａｔを電子銃１０のヒータ１２に対して供給するヒータ電源６４とを有する構成である。ヘリックス２０は、通常、進行波管１のケースに接続されて接地される。

さらに、本発明の電源装置６０は、アノード電圧Ｅａの出力をオンまたはオフするアノードスイッチ６５と、アノードスイッチ６５のオン／オフ動作を制御するアノードスイッチ制御回路６６と、ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作が停止したとき、カソード電極１１とへリックス２０間の電圧が、カソード電極１１とコレクタ電極３０間の電圧以下となるのを防止するためのダイオード６７と、進行波管１に対する電源電圧の遮断時、最初にアノードスイッチ６５をオフさせると共に、ヘリックス電源６１、コレクタ電源６２及びアノード電源６３の停止順を制御するシーケンス制御回路６８とを有する構成である。

アノードスイッチ６５は、アノード電極４０に対するアノード電圧Ｅａの出力をオフしたとき、アノード電極４０とカソード電極１１間を接続する。

図２に示すように、アノードスイッチ６５は、進行波管１のアノード電極４０とアノード電源６３間に挿入される、直列に接続された複数の第１の高耐圧トランジスタ６５１と、進行波管１のアノード電極４０とカソード電極１１間に挿入される、直列に接続された複数の第２の高耐圧トランジスタ６５２と、第１の高耐圧トランジスタ６５１をオン／オフさせるための信号を出力する第１のゲートドライバ回路６５３と、第２の高耐圧トランジスタ６５２をオン／オフさせるための信号を出力する第２のゲートドライバ回路６５４と、第１のゲートドライバ回路６５３及び第２のゲートドライバ回路６５４の出力信号にしたがって第１の高耐圧トランジスタ６５１及び第２の高耐圧トランジスタ６５２に所定のゲート電圧を印加する複数の絶縁トランス６５５とを有する構成である。第１の高耐圧トランジスタ６５１及び第２の高耐圧トランジスタ６５２のゲートとソース間には絶縁トランス６５５の出力電圧（交流）を整流するためにダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。

第１のゲートドライバ回路６５３にはアノードスイッチ制御回路６６から出力された制御信号Ｑが供給され、第２のゲートドライバ回路６５４にはアノードスイッチ制御回路６６から出力される制御信号Ｑをインバータ６５６で反転させた制御信号ＱＢが供給される。

第１のゲートドライバ回路６５３及び及び第２のゲートドライバ回路６５４は、アノードスイッチ制御回路６６から出力される制御信号Ｑにしたがって第１の高耐圧トランジスタ６５１または第２の高耐圧トランジスタ６５２をオンさせるための信号（パルス信号）を出力する。第１のゲートドライバ回路６５３及び及び第２のゲートドライバ回路６５４から出力された信号は絶縁トランス６５５を介して第１の高耐圧トランジスタ６５１及び第２の高耐圧トランジスタ６５２のソース・ゲート間に印加される。なお、図２では３つの第１の高耐圧トランジスタ６５１がアノード電極４０とアノード電源６３間に直列に接続され、３つの第２の高耐圧トランジスタ６５２がアノード電極４０とカソード電極１１間に直列に接続された例を示しているが、第１の高耐圧トランジスタ６５１及び第２の高耐圧トランジスタ６５２の数は３つに限定されるものではなく、それぞれ幾つであってもよい。

アノードスイッチ制御回路６６は、ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作が停止したとき、パルス状のアノード電圧Ｅａを所定の周期毎に複数回繰り返し印加するように、アノードスイッチ６５のオン／オフ動作を制御する。

シーケンス制御回路６８は、進行波管１に対する電源電圧の遮断時、最初にアノードスイッチ制御回路６６にアノードスイッチ６５をオフさせ、その後、ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作をそれぞれ停止する。また、シーケンス制御回路６８は、アノードスイッチ制御回路６６によるパルス状のアノード電圧Ｅａの供給が終了した後、アノード電源６３の動作を停止する。

ダイオード６７は、進行波管１に対する電源電圧の遮断時、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌがコレクタ電圧Ｅｃｏｌよりも先に低下してコレクタ電圧Ｅｃｏｌ以下となり、カソード電極１１から放出された電子がアノード電極４０を通してアノード電源６３へ流入して、アノード電源６３が破損するのを防止するために設けられている。したがって、電源電圧の遮断時にヘリックス電圧Ｅｈｅｌがコレクタ電圧Ｅｃｏｌ以下とならないことが保証されている場合は不要である。

アノードスイッチ制御回路６６及びシーケンス制御回路６８は、例えば論理回路によってそれぞれの機能を実現してもよく、ＣＰＵ（あるいはＤＳＰ）とメモリとを備え、該メモリに格納されたプログラムにしたがって動作するＣＰＵ（あるいはＤＳＰ）によってそれぞれの機能を実現してもよい。

なお、図１では進行波管１に１つのコレクタ電極３０を備えた例を示しているが、進行波管１には、複数のコレクタ電極３０を備え、それら複数のコレクタ電極３０に対して異なる直流電圧が供給される構成もある。その場合、電源装置６０に、各コレクタ電極３０に対して異なる電圧のコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給する複数のコレクタ電源６２を備え、各コレクタ電極３０とへリックス２０間に、図１に示したようにコレクタ電極３０からへリックス２０に向かって順方向となるダイオード６７をそれぞれ挿入すればよい。

また、図１では、ヘリックス電源６１、コレクタ電源６２及びアノード電源６３の停止制御をシーケンス制御回路６８にて実施する例を示しているが、例えば試験や保守の作業者の操作によって、最初にヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作を停止させ、その後、アノード電源６３の動作を停止させることが可能であるならば、シーケンス制御回路６８は不要である。

次に、本発明の電源装置６０の動作について図３を用いて説明する。

図３は本発明の電源装置の動作停止時の出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。なお、図３の縦軸（出力電圧）は、へリックス電圧Ｅｈｅｌ、コレクタ電圧Ｅｃｏｌ及びアノード電圧Ｅａの絶対値を示しているものではない。図３は、これらへリックス電圧Ｅｈｅｌ、コレクタ電圧Ｅｃｏｌ及びアノード電圧Ｅａの変化の様子を模式的に例示した図である。

図３に示すように、進行波管１に対する各種電源電圧の遮断時、シーケンス制御回路６８は、最初にアノードスイッチ６５をオフするようにアノードスイッチ制御回路６６へ指示する。そして、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給するヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作を停止する（電源電圧遮断）。

シーケンス制御回路６８は、ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作を停止すると、所定の時間が経過した後、ヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作停止完了を示す運転停止信号をアノードスイッチ制御回路６６へ送信する（遮断通知）。

アノードスイッチ制御回路６６は、シーケンス制御回路６８から遮断通知を受け取ると、アノードスイッチ６５のオン／オフ動作を制御して、アノード電極４０にパルス状のアノード電圧Ｅａを印加する（放電開始）。このパルス状のアノード電圧Ｅａは、へリックス電圧Ｅｈｅｌ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌが十分に低下するまで（例えば０Ｖ）所定の周期毎に複数回繰り返し印加する。パルス状のアノード電圧Ｅａを印加する回数は予め設定しておくものとする。

なお、作業者の操作によってヘリックス電源６１、コレクタ電源６２及びアノード電源６３の動作停止が制御される場合は、アノードスイッチ制御回路６６にてヘリックス電源６１及びコレクタ電源６２の動作停止を検出し、アノードスイッチ６５を用いて、予め決められた数のパルス状のアノード電圧Ｅａを所定の周期毎に複数回繰り返し印加する構成にすればよい。

このようにアノード電極４０にパルス状のアノード電圧Ｅａを印加すると、印加されたパルス状のアノード電圧Ｅａに同期してカソード電極１１から電子が引き出され、該電子はコレクタ電極３０またはヘリックス２０を通してコレクタ電源６２またはヘリックス電源６１へ流入する。そのため、コレクタ電源６２及びヘリックス電源６１の整流用コンデンサに蓄積された電荷はコレクタ電極３０及びヘリックス２０を通して放電される。

アノードスイッチ制御回路６６は、パルス状のアノード電圧Ｅａを予め設定された所定数だけ印加すると、シーケンス制御回路６８に対してその処理の終了を通知する（放電終了通知）。シーケンス制御回路６８は、アノードスイッチ制御回路６６から放電終了通知を受け取ると、アノード電源６３の動作を停止する。

本発明では、上述したようにコレクタ電源６２及びヘリックス電源６１の整流用コンデンサに蓄積された電荷が、コレクタ電極３０及びヘリックス２０に電流として流れることで熱消費される。しかしながら、へリックス２０は、本来、カソード電極１１から放出された電子が流れる素子ではないため、大きな電流が流れると、そのエネルギー（消費電力）によって破損するおそれがある。

したがって、本発明では、アノード電極４０に印加するパルス状のアノード電圧Ｅａの周期及びパルス幅を、パルス状のアノード電圧を印加したことに起因してヘリックス２０に電流が流れても、ヘリックス２０が破損しない値に設定する。すなわち、へリックス２０に電流が流れることで発生するエネルギーが、ヘリックス２０のエネルギー耐量を越えないように、パルス状のアノード電圧Ｅａの周期及びパルス幅の値をそれぞれ設定する。

以上説明したように、本発明によれば、従来の回路に少数の部品を追加するだけで、大型の放電用ブリーダ抵抗器を用いることなく、電源電圧の遮断時に電源装置６０の整流用コンデンサに蓄積された電荷を放電できる。したがって、実装面積の増大を抑制しつつ、進行波管１の試験や保守時の作業の安全性を向上させることができる。

なお、進行波管１及び電源装置６０を備えた高周波回路システムがパルス状の高周波信号を出力する構成であり、電源装置６０にアノードスイッチ６５及びアノードスイッチ６５のオン／オフ動作を制御するアノードスイッチ制御回路６６を予め備えている場合は、図４に示した放電用ブリーダ抵抗器Ｒ１、Ｒ２に代えてコレクタ電極３０とへリックス２０間にダイオード６７を設け、電源電圧の遮断時にパルス状のアノード電圧Ｅａを供給できるようにアノードスイッチ制御回路６６の回路構成あるいはプログラム等を変更し、必要に応じてシーケンス制御回路６８を設ければよい。その場合、既存の回路面積をほとんど変えることなく、電源電圧の遮断時にヘリックス電源やコレクタ電源に蓄積された電荷を放電できる。

本発明の電源装置の一構成例を示すブロック図である。 図１に示したアノードスイッチの実施例を示す回路図である。 本発明の電源装置の動作停止時の出力電圧の変化を示すタイミングチャートである。 従来の進行波管及び電源装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 進行波管
１０ 電子銃
１１ カソード電極
１２ ヒータ
１３ ウェネルト電極
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
６１ ヘリックス電源
６２ コレクタ電源
６３ アノード電源
６４ ヒータ電源
６５ アノードスイッチ
６６ アノードスイッチ制御回路
６７ ダイオード
６８ シーケンス制御回路

Claims (5)

1. 電子管が備えるアノード電極、カソード電極、コレクタ電極及びへリックスに対してそれぞれ所定の電源電圧を供給する電源装置であって、
   前記カソード電極と前記アノード電極間に供給する電源電圧であるアノード電圧の出力をオンまたはオフするアノードスイッチと、
   前記カソード電極と前記へリックス間に電源電圧であるヘリックス電圧を供給するヘリックス電源及び前記カソード電極と前記コレクタ電極間に電源電圧であるコレクタ電圧を供給するコレクタ電源の動作が停止したとき、パルス状の前記アノード電圧を所定の周期毎に複数回繰り返し印加するように、前記アノードスイッチのオン／オフ動作を制御するアノードスイッチ制御回路と、
   を有する電源装置。
2. 前記ヘリックス電源及び前記コレクタ電源の動作が停止したとき、前記カソード電極と前記へリックス間の電圧が、前記カソード電極と前記コレクタ電極間の電圧以下となるのを防止するためのダイオードをさらに有する請求項１記載の電源装置。
3. 前記電子管に対する前記電源電圧の遮断時、最初に前記アノードスイッチをオフさせ、前記ヘリックス電源及び前記コレクタ電源の動作を停止させ、前記パルス状の前記アノード電圧を複数回印加した後、前記アノード電圧を供給するアノード電源の動作を停止させるシーケンス制御回路をさらに有する請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記パルス状のアノード電圧の周期及びパルス幅は、
   前記パルス状のアノード電圧を印加することに起因して前記ヘリックスに流れる電流により発生するエネルギーが、該ヘリックスのエネルギー耐量を越えない値である請求項１から３のいずれか１項記載の電源装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の電源装置と、
   前記電源装置から、前記ヘリックス電圧、前記コレクタ電圧及び前記アノード電圧がそれぞれ供給される進行波管と、
   を有する高周波回路システム。
   
   

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