JP6619447B2 - 遅波回路、および進行波管 - Google Patents

Description

本発明は、遅波回路および進行波管に関し、特に折り畳み導波路形の遅波回路と、これを用いた進行波管の改良および性能の向上に関する。

通信のビットレートの向上に伴い、より高い周波数帯（特にテラヘルツ波領域）において通信等への利用法の開発が進められている。ミリ波帯以上の周波数帯では半導体デバイスの出力が低下するため、大出力化が可能な増幅デバイスである進行波管が利用されている。

この進行波管の重要な部品の一つに、遅波回路がある。進行波管の遅波回路は、ヘリックス形遅波回路が主に使われている。このヘリックス形遅波回路はヘリックス形の導波路の内部に電子ビームを通過させ、導波路を伝搬する高周波と電子ビームとの間に相互作用を生じさせることにより、高周波信号の増幅を行う。すなわち電子ビームを発生する電子銃と、電子ビ−ムと高周波信号を相互作用させる遅波回路と、相互作用終了後の電子ビ−ムを捕捉するコレクタとからなっている（進行波管の一般的な解説として例えば非特許文献１がある）。

進行波管に入力される信号の周波数が高くなり、テラヘルツ波帯に近づいてくると波長が短くなるため、遅波回路の微細化が必要となる。ところがヘリックス形遅波回路は立体的な構造を有する部品をＩＰＰ（Integrated Pole Piece）と呼ばれる構造体の中で組み立てられる。ヘリックスは誘電体の支持棒により支持固定され、さらに永久磁石が配設され、周期磁界装置が形成される。高周波化に伴い微細化されたヘリックスをＩＰＰのような複雑な構造体を使って高い精度で組み立てることは困難である。

そこでテラヘルツ波帯では、折り畳み導波路形遅波回路が使われる。折り畳み導波路形遅波回路は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造技術やリソグラフィ技術による作製に向いているためである。折り畳み導波路形遅波回路は、高周波が通過する折り畳み導波路と電子ビームが通過するビームホールの組み合わせで実現される。

折り畳み導波路形遅波回路のビームホールの断面形状は、理想的には円形である。この円形のビームホールは、低い周波数帯で利用される折り畳み導波路形遅波回路においては、精密な機械加工で容易に製造できる。通常、遅波回路を分割して機械加工を行い、組み立てることにより完成させる（非特許文献１）。

マイクロ波からテラヘルツ波へ高周波化が進むことより、波長が小さくなる。これに伴い、導波路の微細化が必要となる。折り畳み導波路を微細化するための製造技術として、機械加工技術を適用することが難しくなってくる。そこで、リソグラフィ技術等を使った製造がおこなわれている（特許文献１）。

折り畳み導波路の製造に使用される代表的な微細加工技術としてＭＥＭＳ製造で利用されているＵＶ光やＸ線（シンクロトロン光）を使ったＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）技術がある。

このような微細加工技術を使って円形断面のビームホールを形成する場合、曲線を忠実に再現するためには製造用マスクの枚数が増え、製造工程が複雑化し、歩留まりが低下するなどの欠点がある。そのため、背景技術の折り畳み導波路形遅波回路はビームホールの断面形状を四角形として製造されている（非特許文献２）。

米国特許第８５４９７４０号明細書

Gilmour: "Principles of Traveling Wave Tubes," Artech House, Inc. "Testing of a 0.850 THz Vacuum Electronics Power Amplifier," Proceedings of 14th IEEE International Vacuum Electronics Conference, 2013.

しかしながら、上述した折り畳み導波路形遅波回路には、以下のような課題がある。一般に電子ビームがビームホール内を伝搬すると、電子自身が持つ電荷によりビーム径が大きくなるように広がる傾向を持つ。そのため進行波管では、永久磁石等による周期磁界装置により磁界を発生させ、電子ビームの広がりを抑制する対策をしている。

しかし折り畳み導波路形遅波回路のビームホールの断面形状が四角形になると、四角形の頂点周辺の空間では電界の分布が不均一になり、電子ビームの収束に影響を与える。四角形のビームホールの断面積を大きくし、ビームホールの中央部付近にのみ電子ビームを通過させれば、ビームホールの頂点付近の電界の影響を低減することができる。これは電子ビームを通過させるビームホールが高周波化に従い小さくなるとは限らないことを意味する。

一方で、折り畳み導波路の部分は周波数が高くなるとスケーリング則に従うようにして微細化するため折り畳み導波路と交差するビームホールの寸法比が大きくなり、寸法設計上のマージンが少なくなる。これにより高い寸法精度が要求される。さらに、電子ビームと高周波が相互作用する周波数帯域が狭くなることにより、進行波管が増幅作用を持つ周波数帯域が狭くなる。

本発明の目的は、ビームホールの加工微細化に適し、また高周波化に適した遅波回路および進行波管を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る遅波回路は、ミアンダ状の導波路と、上記ミアンダ状の導波路を貫くビームホールとを含み、上記ビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形であることを特徴とする。

本発明に係る進行波管は、電子ビームを発生させる電子銃と、上記電子ビ−ムと高周波信号とを相互作用させる遅波回路と、相互作用終了後の電子ビ−ムを捕捉するコレクタとを有し、
前記遅波回路は、ミアンダ状の導波路と、上記ミアンダ状の導波路を貫くビームホールとを含み、上記ビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形であることを特徴とする。

本発明は、ビームホールの微細化を容易にしつつ、高周波化に適した遅波回路および進行波管を実現できる。

本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を説明するための分解斜視図である。 図１の遅波回路部品のａ部の拡大図である。 （ａ）は本発明の一実施形態の遅波回路部品の構成を説明するための分解断面図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態の遅波回路部品のビームホールの内角αを説明するための断面図である。 （ａ）は図２の遅波回路部品のｂ−ｂ線に沿った断面図であり、（ｂ）は図２の遅波回路部品のｃ−ｃ線に沿った断面図であり、（ｃ）は図２の遅波回路部品のｄ−ｄ線に沿った断面図である。 （ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施形態の遅波回路部品のビームホールの断面形状の変形例を説明するための断面図である。 比較例の遅波回路部品の断面図である。 本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を用いた進行波管を説明するための概観図である。 本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を用いた進行波管の内部構造と、進行波管に電圧を供給する高電圧電源モジュールを説明するための概観図である。 本発明の一実施形態による進行波管の折り畳み導波路形遅波回路と周期磁界装置を説明するための概観図である。 ビームホールの断面形状と遅波回路の性能の比較を示すグラフである。 六角形の形状と遅波回路の性能の比較を示すグラフである。 ビームホールの断面形状と遅波回路の利得との関係を示すグラフである。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路、及び進行波管について、説明する。図１は、本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を説明するための分解斜視図である。図２は、図１の遅波回路部品のａ部の拡大図である。図３（ａ）は本発明の一実施形態の遅波回路部品の構成を説明するための分解断面図であり、図３（ｂ）は本発明の一実施形態の遅波回路部品のビームホールの内角αを説明するための断面図である。図６は、比較例の遅波回路部品の断面図である。

（構成）
図１は、折り畳み導波路形遅波回路１０の一例であり、複数の部品を組み立てて構成する場合を示す。板状の遅波回路部品４には折り畳み導波路１とビームホール２が形成されている。このような板状の遅波回路部品４を２枚重ねて組み立てることにより、折り畳み導波路形遅波回路として動作させることができる。さらに断面が半円状部品９で板状の遅波回路部品４を挟むようにして、全体として円柱状の折り畳み導波路形遅波回路１０を構成する。この折り畳み導波路形遅波回路１０は、後で説明する進行波管の周期磁界装置の中に挿入される。

折り畳み導波路形遅波回路１０は、入出力導波路３から折り畳み導波路１へ高周波信号が導入され、ビームホール２に電子ビームを通過させ、折り畳み導波路１を伝搬する高周波信号と電子ビームとの間に相互作用を生じさせる。この相互作用により進行波管は、高周波信号の増幅を行う。

本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０は、折り畳み導波路形の遅波回路であり、ミアンダ状の導波路の一例としての折り畳み導波路１と、この折り畳み導波路１を貫くビームホール２とを含む。そして本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０では、ビームホール２の長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形である。

（効果）
ビームホール２の長手方向に垂直な方向の断面形状を四角形より辺の数が多い多角形とすることにより、ビームホールの断面形状が四角形のものと比較して、遅波回路の性能を改善することができる。

（より詳細な構成）
以下、断面形状を四角形より辺の数が多い多角形の具体例やその配置について、詳細に説明する。図２はＵＶ ＬＩＧＡ技術等で作成したビームホール２の例を示す。図２に示すように、遅波回路部品の表面には、ミアンダ状の溝として折り畳み導波路１が形成されており、ビームホール２は折り畳み導波路１を貫くように直線上の溝として形成されている。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０のビームホール２は、ビームホール２の長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形の一例として、六角形である。なお、図３（ｂ）では折り畳み導波路形遅波回路１０を複数の板状部品に分割して製作した例であるが、ＬＩＧＡ技術を使用すれば分割せずに一体で成形することも可能である。

図３（ｂ）の折り畳み導波路形遅波回路１０は、一対の板状の遅波回路部品４を含む。この板状の遅波回路部品４は、図３（ａ）に示すように、板状の遅波回路部品４ａと、板状の遅波回路部品４ｂとを含む。板状の遅波回路部品４ａには、ビームホール２となる直線状の溝部５ａと、折り畳み導波路１となるミアンダ状の溝部６ａが形成されている。板状の遅波回路部品４ｂには、ビームホール２となる直線状の溝部５ｂと、折り畳み導波路１となるミアンダ状の溝部６ｂが形成されている。本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０では、一対の遅波回路部品４ａの溝部５ａと遅波回路部品４ｂの溝部５ｂとが重ね合わされて、長手方向に垂直な方向の断面形状が六角形のビームホール２が構成される。本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０では、一対の遅波回路部品４ａの溝部６ａと遅波回路部品４ｂの溝部６ｂとが重ね合わされて、ミアンダ状の折り畳み導波路１が構成される。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態の折り畳み導波路形遅波回路１０のビームホール２では、折り畳み導波路１がビームホール２を横切る方向に頂点が位置するように六角形が形成されている。図４（ａ）は図２の板状の遅波回路部品を組み立てた場合の断面をｂ−ｂ線に沿った位置で描いたものであり、図４（ｂ）は板状の遅波回路部品を組み立てた場合の断面をｃ−ｃ線に沿った位置で描いたものであり、図４（ｃ）は板状の遅波回路部品を組み立てた場合の断面をｄ−ｄ線に沿った位置で描いたものである。

ビームホール２の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形としては、図３（ｂ）に示される形状や配置だけでなく、他の形状や配置も考えられる。図５（ａ）乃至図５（ｃ）は本発明の実施形態の遅波回路部品のビームホールの断面形状の変形例を説明するための断面図である。

図５（ａ）はビームホールの断面形状を正六角形とした場合を示す。図５（ａ）では、折り畳み導波路１がビームホール２ａを横切る方向に辺が位置するように、正六角形が形成されている。

図５（ｂ）及び図５（ｃ）はビームホールの断面形状を八角形とした場合を示し、特に正八角形とした場合を示す。図５（ｂ）では、折り畳み導波路１がビームホール２ｂを横切る方向に辺が位置するように、正八角形が形成されている。図５（ｃ）では、折り畳み導波路１がビームホール２ｃを横切る方向に頂点が位置するように、正八角形が形成されている。

本発明の実施形態では、電子ビームがビームホールを通過する領域の電界分布が非対称となることを避けるため、上述した四角形より辺の数が多い多角形として、線対称となる多角形を選択している。

なお、図３（ｂ）や図５（ａ）のように板状の２個の遅波回路部品４をＬＩＧＡ製造技術等で製造する場合、図５（ａ）のような上下方向に頂点が位置するように六角形を配置すると頂点付近では遅波回路部品４の溝部の深さが深くなるため、図３（ｂ）の配置と比較して、製造が難しくなる。したがって、ビームホールをその断面形状を六角形として構成する場合は、図３（ｂ）のように横方向に頂点が位置するよう配置することがより有利である。

ビームホール２の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形の形状や配置について、多角形は、ビームホール２の断面形状が第１方向で線対称であり、かつ第１方向とは異なる第２方向で線対称である、多角形の形状や配置とすると、製造しやすい。より具体的に製造の難易度の観点では、上記第１方向の一例としての上下方向で線対称であり、かつ上記第２方向の一例としての左右方向で線対称である断面形状や配置が好ましい。具体的にこのような対称性を備えたビームホール２の断面形状は、図３（ｂ）に示される六角形のビームホール２や、図５（ｂ）に示される八角形のビームホール２ｂである。

製造の難易度や、電子ビームがビームホールを通過する領域の電界分布の対称性を考慮すると、図３（ｂ）に示される六角形の形状や配置が好ましい。四角形よりも辺の数が多い多角形のうち、六角形が最も辺の数が少ない形状となる。辺の数が少ない方が製造が容易となるので、六角形が有利な形状であることが分かる。

図７は、本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を用いた進行波管を説明するための概観図である。図８は、本発明の一実施形態による折り畳み導波路形遅波回路を用いた進行波管の内部構造と、進行波管に電圧を供給する高電圧電源モジュールを説明するための概観図である。

図７及び図８の進行波管は、電子ビームを発生させる電子銃１１と、上述した実施形態の遅波回路であって、電子ビ−ムと高周波信号とを相互作用させる遅波回路と、相互作用終了後の電子ビ−ムを捕捉するコレクタ１４と、を含む。図７の進行波管はさらに、上記高周波信号を入出力する入出力部１２と、遅波回路の近傍に配置され、遅波回路を進行する上記電子ビームの広がりを抑制する磁界集束装置と、をさらに含む。入出力部１２では、ＲＦ（Radio Frequency）入力が入力され、ＲＦ出力が出力される。

磁界集束装置としては、永久磁石、電磁石、或いは遅波回路を進行する上記電子ビームの広がりを抑制する周期磁界を発生させる周期磁界装置などが考えられる。図７及び図８の進行波管では、磁界集束装置の一例として、遅波回路を進行する上記電子ビームの広がりを抑制する周期磁界を発生させる周期磁界装置１３を、用いている。そして図８に示すように、進行波管は高電圧電源モジュール１５から、動作に必要な電圧の供給を受けて動作する。上述した折り畳み導波路形遅波回路１０は図９に示すように、周期磁界装置１３の中に挿入される。このような周期磁界装置１３に上述した折り畳み導波路形遅波回路１０が挿入された構造物全体を、遅波回路と呼ぶことがある。

図６は、本発明の比較例の遅波回路部品の断面図である。一対の遅波回路部品１０４で、ビームホール１０２と折り畳み導波路１０１が形成されている。図６のビームホール１０２は、断面形状が四角形である。断面形状が四角形のビームホール１０２は製造が容易である一方、対角方向の長さが長くなってしまう。このためビームホールの理想形状である円形からのかい離が大きくなり、不要にビームホールが大きくなり、電子ビームと高周波が相互作用する周波数帯域が狭くなる。このような比較例の遅波回路部品を用いた進行波管では、増幅作用を持つ周波数帯域が狭くなる。

（実施例１）
図１０は、ビームホールの断面形状を変えた場合の遅波回路の性能を比較したグラフである。図１０のＡ線はビームホールの断面形状が六角形の場合、Ｂ線は八角形の場合、Ｃ線は円形の場合、そしてＤ線は四角形の場合である。グラフの横軸は周波数であり、例として３００ＧＨｚ前後の周波数とした。縦軸はビームホール内を通過する電子の位相速度Ｖｐであり、光速ｃで無次元化されている。グラフが平坦な部分が広いと、広い周波数帯で電子ビームと高周波の相互作用が可能であることを示す。円形の場合（Ｃ線）が最も平坦な部分が多く、広い帯域幅の進行波管を実現できることが分かる。

四角形では円形に比べて全体的に傾きが大きくなり、特に２８０ＧＨｚ以降で円形とのかい離が大きくなることが分かる。六角形（Ａ線）、八角形（Ｂ線）の場合は円形に近いことが分かる。したがって、図１０からビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状を、四角形より辺の数が多い多角形とする、言い換えると四角形よりも辺の数を増やすと、遅波回路の性能が改善することが分かる。なお、図１０では六角形と八角形の差は小さい。辺の数が少ない方が製造が容易となるので、八角形と比較して、六角形の方が有利な形状であることが分かる。

（実施例２）
図１１は、六角形の形状と遅波回路の性能の比較を示すグラフである。図１１は、図３（ｂ）のビームホール２の内角αを変えて行った位相速度Ｖｐの計算結果を示す。図１１では図１０と同様に、縦軸はビームホール内を通過する電子の位相速度Ｖｐであり、光速ｃで無次元化されている。図３（ｂ）のビームホール２は、その長手方向に垂直な方向の断面形状が六角形である。このような断面形状が六角形のビームホール２において、図３（ｂ）のビームホール２の内角αを変えて行った位相速度の計算結果である。Ａ線は内角αが１２０度であり、断面形状が正六角形の場合である。Ｂ線は図３（ｂ）の内角αが１６０度の場合、Ｃ線は１４０度の場合、Ｄ線は１００度の場合である。正六角形が円形に最も近く、電子ビームの透過特性が良いことが予想されるが、内角αが１４０度の場合も大きな差がないことが分かる。

（実施例３）
図１２は、ビームホールの断面形状と遅波回路の利得との関係を示すグラフである。Ａ線は内角αが１４０度の六角形の場合、Ｂ線は正六角形の場合、Ｃ線は八角形の場合、Ｄ線は円形の場合、そしてＥ線は四角形の場合である。目標利得を２０ｄＢとすると、円形の場合は２９０ＧＨｚ前後の周波数で、１０ＧＨｚ程度の周波数帯幅で２０ｄＢを超えていることが分かる。この周波数帯幅を１とすると、正八角形は０．７、正六角形は０．６、αが１４０度の六角形は０．６、四角形は０．２である。ＬＩＧＡ製造技術等により製造する場合は、図２の上下方向に積層するようにして金属を析出させるので、角度αが大きく四角形に近い断面形状の方が容易となる。以上より、内角αを１２０度よりも大きくした六角形とすることが有利であることが分かる。言い換えると、六角形の一つの頂点の両側の辺が作る内角αが１２０度よりも大きい断面形状のビームホールとすることが有利である。

以上、本発明の好ましい実施形態や実施例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形は、全体としてこのような形状をなしておればよい。例えば、製造ばらつき、加工精度や経時変化に起因して、ビームホールの多角形形状を構成する各角に鈍りが生じて滑らかな面となっているものも、本発明に含まれる。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１５年１２月１８日に出願された日本出願特願２０１５−２４７５６９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 折り畳み導波路
２、２ａ、２ｂ、２ｃ ビームホール
３ 入出力導波路
４、４ａ、４ｂ 遅波回路部品
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ 溝部
９ 半円状部品
１０ 折り畳み導波路形遅波回路
１１ 電子銃
１２ 入出力部
１３ 周期磁界装置
１４ コレクタ
１５ 高電圧電源モジュール

Claims (10)

1. 表面に、ミアンダ状の溝とこのミアンダ状の溝を貫く直線状の溝が形成された、複数の部品の前記表面同士を向かい合わせ一体化させることにより構成されたミアンダ状の導波路と、ビームホールであって、前記ミアンダ状の導波路と、前記ミアンダ状の導波路を貫く前記ビームホールとを含み、
   前記ビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状が四角形より辺の数が多い多角形であり、前記導波路が前記ビームホールを横切る方向に頂点が位置するように前記多角形が形成されていることを特徴とする、遅波回路。
2. 前記多角形は、前記ビームホールの断面形状が第１方向で線対称であり、かつ前記第１方向とは異なる第２方向で線対称である、請求項１に記載の遅波回路。
3. 前記多角形の頂点の両側の辺が作る内角は１２０度よりも大きい、請求項１又は請求項２に記載の遅波回路。
4. 前記多角形は六角形である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の遅波回路。
5. 前記多角形は正六角形である、請求項１又は請求項２に記載の遅波回路。
6. 前記多角形は八角形である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の遅波回路。
7. 前記ビームホールを進行する電子ビームの広がりを抑制する磁界集束装置をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の遅波回路。
8. 電子ビームを発生させる電子銃と、
   前記請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の遅波回路であって、前記電子ビ−ムと高周波信号とを相互作用させる遅波回路と、
   相互作用終了後の電子ビ−ムを捕捉するコレクタとを含むことを特徴とする、進行波管。
9. 前記遅波回路の近傍に配置され、前記遅波回路を進行する前記電子ビームの広がりを抑制する磁界集束装置をさらに含む、請求項８に記載の進行波管。
10. 表面に、ミアンダ状の溝とこのミアンダ状の溝を貫く直線状の溝が形成された、複数の部品の前記表面同士を向かい合わせ一体化させることにより構成されたミアンダ状の導波路と、ビームホールであって、前記ミアンダ状の導波路と、前記ミアンダ状の導波路を貫く前記ビームホールとを含む遅波回路の設計方法であって、
    前記ビームホールの長手方向に垂直な方向の断面形状を四角形より辺の数が多い多角形であって、その頂点の両側の辺が作る内角が１２０度よりも大きい多角形とし、
    前記導波路が前記ビームホールを横切る方向に頂点が位置するように前記多角形を配置する、遅波回路の設計方法。

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