JP5397799B2

JP5397799B2 - 各ｒｆステーションでの受信位相を一定にする方法

Info

Publication number: JP5397799B2
Application number: JP2007316835A
Authority: JP
Inventors: 良治永井; 勝沢村
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: JP2009141737A

Description

本発明は、高周波加速器において、高周波信号（以下、RF信号）のみを使用して単純な回路構成により、受動的に高周波ケーブルの電気長変動を補償する方法に関する。その結果、高周波加速器における加速空洞間の高周波位相を一定に保つことが可能になる。

なお、電気長とは、ケーブルのRF信号に対する電気的な長さである。通常のケーブルは内導体と外導体の間に誘電体が充填されており、RF信号に対する電気的な長さは真空中のそれより短くなる。即ち、1GHzのRF信号の電気長は真空中ではおよそ30cmであるが、同軸ケーブルではおよそ20cmになる。このように物理的なケーブルの長さではなく、あくまでもRF信号に対する電気的な長さであるので、気温や圧力の変化により誘電体の誘電率が変化することで電気長が変動する。実際にケーブルの線膨張率による長さの変動よりも誘電率の変動による電気長の変動の方が支配的である。

又、受動的とは、電気長の変動を何らかの方法で検出して移相器（高周波移相を動かす素子）によりフィードバックをかけ移相変動を補償するシステムも考えられる。このようなシステムは能動的に移相変動を補償していると言える。これに対して本発明のシステムでは移相器のように能動的に移相を動かす素子を持たないので、「受動的」な補償方法とみなしている。

高周波加速器では各加速空洞間での高周波位相を一定に保つ必要がある。例えば、図1に示されるように、RF信号は基準信号発生器より高周波基準信号分配ケーブルで各加速空洞へ分配されるが、このRF信号の位相がケーブルの電気長の変動の影響を受けないようにする必要がある。特に、図1は、電子線高周波加速器の例である。この加速器では、高周波基準信号を電子銃、各加速空洞へ分配し加速器全体の高周波位相が一定になるようにしている。

従来は、RF信号を分配する高周波基準信号分配ケーブルの温度、気圧を一定に保ち電気長の変動を抑えてきた（非特許文献１）。高周波加速器が大きくなり高周波基準信号分配ケーブルが長くなるとこの方法だけでは位相精度が不十分になり、高周波ケーブルに代えて光ファイバケーブルを利用したシステム（非特許文献２）が採用されるようになったが、光ファイバを利用したシステムは高価、複雑である。そこで、高周波ケーブルで構成される高精度、安価、単純なRF信号分配システムが必要とされる。
A. Krycuk, et al., "The CEBAF Frequency Distribution System", Proc. of PAC 1991 (1991) 1470-1472. T. Kobayashi, et al., "RF REFERENCE DISTRIBUTION SYSTEM FOR THE J-PARC LINAC", Proc. of LINAC 2004 (2004) 727-729.

高周波加速器では、RF信号が基準信号発生器から高周波ケーブルを経て各加速空洞に分配されるが、この各加速空洞間で高周波位相を一定に保ち、位相変動を起さないことが必要である。この位相変動は高周波ケーブルの電気長の変動に影響されるが、従来、この変動を起さないために、前述のとおり、ケーブルの温度、気圧を一定に保つことにより抑えていたが、その精度は十分なものではなかった。そこで、高価で、複雑な機構を必要とする光ファイバを使用することなく、高周波ケーブルを使用して高精度、安価、単純なRF信号分配システムが必要とされる。

そこで、本発明は、高周波加速器におけるRF信号の分配に用いる高周波ケーブルの電気長変動の補償を高精度、安価、単純なシステムで行うことを目的とする。

本発明は、上り・下りのRF信号をミキサーで混合することで全てのRF信号分配箇所（以下、RFステーション）での位相にケーブル全体の電気長による位相を等しく加算でき、ケーブルの電気長変動による各RFステーション間での位相変動を受動的に補償するRF信号の分配方法に関する。

即ち、第一の本発明は、平行した２本のケーブルに複数のRFステーションを設け、この各ケーブルに上りRF信号又は下りRF信号を２台の信号発振器から流し、このRFステーションを、RF信号の一部を取り出すための方向性結合器、信号を混合するためのミキサー及び必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタで構成し、平行した２本のケーブルに設けられた相対する方向性結合器を経て取り出された一部のRF信号を、両結合器間にあるミキサーで混合して各RFステーションでのRF信号の位相差を等しく加算し、その等しくなった位相差をハイパスフィルタを経て取り出すことにより、ケーブルの電気長変動による各RFステーション間での位相変動を等しくすることからなる、高周波加速器の各加速空洞間での高周波位相を一定に保つためのRF高周波信号の分配方法に関する。

又、第二の本発明は、ケーブルを折り返して形成された平行ケーブル部分に複数のRFステーションを設け、このケーブルに１台の信号発振器からRF信号を流すことにより上りRF信号又は下りRF信号を形成し、このRFステーションを、RF信号の一部を取り出すための方向性結合器、信号を混合するためのミキサー及び必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタで構成し、平行した部分の２本のケーブルに設けられた相対する方向性結合器を経て取り出された一部のRF信号を、両結合器間にあるミキサーで混合して各RFステーションでのRF信号の位相差を等しく加算し、その等しくなった位相差をハイパスフィルタを経て取り出すことにより、ケーブルの電気長変動による各RFステーション間での位相変動を等しくすることからなる、高周波加速器の各加速空洞間での高周波位相を一定に保つためのRF信号の分配方法に関する。

更に又、第三の本発明は、１本のケーブルに１台の信号発振器から上りRF信号及び下りRF信号を供給し、このケーブルに間隔を置いて複数のRFステーションを設け、このRFステーションを、RF信号の一部を取り出すための方向性結合器、信号を混合するためのミキサー及び必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタで構成し、この方向性結合器を経て取り出された一部のRF信号を、ミキサーで混合して各RFステーションでのRF信号の位相差を等しく加算し、その等しくなった位相差をハイパスフィルタを経て取り出すことにより、ケーブルの電気長変動による各RFステーション間での位相変動を等しくすることからなる、高周波加速器の各加速空洞間での高周波位相を一定に保つためのRF信号の分配方法に関する。

本発明により、RF信号のみを使って単純な回路構成で受動的に電気長変動による位相変動の補償が実現できる。

図をもとに本発明の概念について説明する。
図2に示されるように、加速器全体にわたり、周波数f₀/2、位相オフセットΔΦ_upの上りRF信号と周波数f₀/2、位相オフセットΔΦ_downの下りRF信号の二方向のRF信号を流す。ただし、それぞれの信号の周波数は必要とする周波数の半分f₀/2、上り・下り起点での位相オフセットはそれぞれΔΦ_up、ΔΦ_downとする。複数のRF信号を分配する箇所（RFステーション）を考え、上り信号の方向でi番目のRFステーションまでの電気長による位相差をΔΦ_i、一番端までの位相差をΔΦ_allとする。

RFステーションは上り・下りのRF信号の一部を取り出すための方向性結合器、信号を混合するためのミキサー、必要な周波数成分だけを取り出すためのハイパスフィルタから構成されている。i番目のRFステーションで信号を取り出したときの上り・下りそれぞれの位相はΔΦ_up+ΔΦ_i、ΔΦ_down+(ΔΦ_all -ΔΦ_i)であり、RF信号をミキサーで混合すると位相の和と差の信号になるので、ハイパスフィルタを通して和の周波数成分だけにすると周波数f₀、位相ΔΦ_up+ΔΦ_down+ΔΦ_allのRF信号が得られる。即ち、全てのRFステーションでの位相はΔΦ_up+ΔΦ_down+ΔΦ_allとなるのでRFステーション間での位相は一定になる。仮に発振器での位相ΔΦ_up、ΔΦ_downやケーブル全体の電気長による位相ΔΦ_allが変動したとしても、全てのRFステーションが一緒に変化するのでなんら問題にならず電気長変動の補償が出来る。

それぞれの実施例について説明する。
（実施例１）
図３に示されるように、実施例１では、上り・下りRF信号をそれぞれ個別の発振器とケーブルで供給する。ケーブルの終端は整合終端とする。ただし、二つのケーブルは全く同一の場所にあり長さも等しく、気温、気圧の影響を同様に受けるものとする。そこで、発振器１に対する発振器２の位相をΔΦ_osc2、発振器１からRFステーション１までの位相差をΔΦ₀、RFステーション１から２までの位相差をΔΦ₁、RFステーション２から発振器２までの位相差をΔΦ₂とする。RFステーション１での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀、ΔΦ_osc2+ΔΦ₁+ΔΦ₂となり、RFステーション２での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀+ΔΦ₁、ΔΦ_osc2+ΔΦ₂となるので、両方のRFステーションでの位相差はΔΦ_osc2+ΔΦ₀+ΔΦ₁+ΔΦ₂となり等しくなる。
（実施例２）
図４に示されるように、実施例２では、上り・下りRF信号を1台の発振器と折り返したケーブルで供給する。ケーブルの終端は整合終端とする。ただし、折り返したケーブルは全く同一の場所にあり長さも等しく、気温、気圧の影響を同様に受けるものとする。そこで、折り返し下り信号基点までの位相をΔΦ_loop、発振器１からRFステーション１までの位相差をΔΦ₀、RFステーション１から２までの位相差をΔΦ₁、RFステーション２から上り信号終点までの位相差をΔΦ₂とする。RFステーション１での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀、ΔΦ_loop+ΔΦ₁+ΔΦ₂となり、RFステーション２での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀+ΔΦ₁、ΔΦ_loop+ΔΦ₂となるので、両方のRFステーションでの位相差はΔΦ_loop+ΔΦ₀+ΔΦ₁+ΔΦ₂となり等しくなる。
（実施例３）
図５に示されるように、実施例３では、上り・下りRF信号を1台の発振器と1本ケーブルで供給する。ケーブルの終端を短絡終端としRF信号を全反射させることで、一本のケーブル上に上り・下り両方の信号を通す。短絡終端では位相は180°変位して反射してくる。そこで、発振器１からRFステーション１までの位相差をΔΦ₀、RFステーション１から２までの位相差をΔΦ₁、RFステーション２から終点までの位相差をΔΦ₂とする。RFステーション１での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀、ΔΦ₁+ΔΦ₂+180°となり、RFステーション２での上り・下り信号の位相差はΔΦ₀+ΔΦ₁、ΔΦ₂+180°となるので、両方のRFステーションでの位相差はΔΦ₀+ΔΦ₁+ΔΦ₂+180°となり等しくなる。

産業上の利用分野

以上のようにRF信号のみを使って単純な回路構成で受動的に電気長変動による位相変動の補償が実現できる。
したがって、本発明は、かかる特性により、次世代放射光源等の分野で利用することができる。

従来の、電子銃、加速空洞を備えた電子線高周波加速器を示す図である。本発明の概念を示す図である。上り・下りRF信号をそれぞれ個別の発振器とケーブルで供給する場合を示す図である。上り・下りRF信号を1台の発振器と折り返したケーブルで供給する場合を示す図である。上り・下りRF信号を1台の発振器と1本ケーブルで供給する場合を示す図である。

Claims

一方の端部に配置された発振器１から発せられる所定の周波数の信号を上り方向に伝送する単線同軸ケーブルであって、当該ケーブルとインピーダンス整合する、他方の端部に配置された終端部において接地されるケーブルと、
他方の端部に配置された発振器２から発せられる前記所定の周波数の信号を前記上り方向とは逆方向の下り方向に伝送する、単線同軸ケーブルであって、線路と整合する、一方の端部に配置された終端部において接地されるケーブルと、
を備えたシステムにおいて、
ケーブルの上り方向に供給される前記所定の周波数の信号を、ケーブルの上りの経路上に設けられた複数の分配箇所におけるＲＦステーションにおいて受信し、当該ＲＦステーションが、前記所定の周波数の信号を取り出すための方向性結合器、前記所定の周波数の信号を混合するためのミキサー、及び、必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタを備えるものであり、
前記上り方向と反対の下り方向に供給される前記所定の周波数の信号を、ケーブルの下りの経路上に設けられた複数の分配箇所におけるＲＦステーションにおいて受信し、
それぞれのＲＦステーションに設置されたミキサーにおいて、前記上り方向の信号と前記下り方向の信号を混合し、位相の和と差の信号の双方を得た後、ミキサー後段に設置されたハイパスフィルタによる選別によって、位相の和の信号のみを得ることによって、各ＲＦステーションでの受信位相を一定にする方法であって、
ケーブルの上りの経路全体と下りの経路全体のそれぞれの電気長が等しく、
複数の分配箇所のそれぞれにおいて、ケーブルの上りの経路のＲＦステーションとケーブルの一方の端部との間の電気長と、ケーブルの下りの経路のＲＦステーションとケーブルの当該一方の端部との間の電気長がそれぞれ等しい、
方法。
一方の端部に配置された発振器１から発せられる所定の周波数の信号を伝送する単線同軸ケーブルであって、所定の距離だけ第１の上り方向に延伸した後、折り返されて、第１の上り方向とは逆の、第２の下り方向に、当該所定の距離だけ延伸された後、当該ケーブルとインピーダンス整合する他方の端部に配置された終端部において接地されるケーブルを備えたシステムにおいて、
ケーブルの上り方向に供給される所定の周波数の信号を、ケーブルの上りの経路上に設けられた複数の分配箇所におけるＲＦステーションにおいて受信し、当該ＲＦステーションが、前記所定の周波数の信号を取り出すための方向性結合器、前記所定の周波数の信号を混合するためのミキサー、及び、必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタを備えるものであり、
前記上り方向と反対の下り方向に供給される前記所定の周波数の信号を、ケーブルの下りの経路上に設けられた複数の分配箇所におけるＲＦステーションにおいて受信し、
それぞれのＲＦステーションに設置されたミキサーにおいて、前記上り方向の信号と前記下り方向の信号を混合し、位相の和と差の信号の双方を得た後、ミキサー後段に設置されたハイパスフィルタによる選別によって、位相の和の信号のみを得ることによって、各ＲＦステーションでの受信位相を一定にする方法であって、
ケーブルの上りの経路全体と下りの経路全体のそれぞれの電気長が等しく、
複数の分配箇所のそれぞれにおいて、ケーブルの上りの経路のＲＦステーションとケーブルの一方の端部との間の電気長と、ケーブルの下りの経路のＲＦステーションとケーブルの他方の端部との間の電気長がそれぞれ等しい、
方法。
一方の端部において発振器１に接続され、他方の端部が短絡接地される、双方向信号伝送用のケーブルを備えるシステムであって、当該発振器１から当該他方の端部に向かう上り方向の信号が伝送され、当該他方の端部から反射された信号が当該上り方向とは逆の下り方向に伝送されるシステムにおいて、
ケーブルの上り方向に供給される所定の周波数の信号、及び、反射されてケーブルの下り方向に供給される所定の周波数の信号の双方を、ケーブルの経路上に設けられた複数の分配箇所におけるＲＦステーションにおいて受信し、当該ＲＦステーションが、前記所定の周波数の信号を取り出すための方向性結合器、前記所定の周波数の信号を混合するためのミキサー、及び、必要な周波数成分を取り出すためのハイパスフィルタを備えるものであり、
それぞれのＲＦステーションに設置されたミキサーにおいて、前記上り方向の信号と前記下り方向の信号を混合し、位相の和と差の信号の双方を得た後、ミキサー後段に設置されたハイパスフィルタによる選別によって、位相の和の信号のみを得ることによって、各ＲＦステーションでの受信位相を一定にする方法。