JP6648901B2 - 遅波回路 - Google Patents

Description

（関連出願についての記載）
本発明は、日本国特許出願：特願２０１６−０４７２５８号（２０１６年３月１０日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、遅波回路に関する。特に、進行波管の遅波回路に関する。

高周波（マイクロ波）の送信源用増幅器として、進行波管が使用されることが多い。進行波管は、送信用の高周波（電磁波）を、増幅エネルギー源となる電子ビームと同一方向に進行させながら相互作用させることにより増幅する手段である。当該進行波管における増幅動作の際、高周波と電子ビームの進行方向の速度を同程度とするために速度の速い高周波を迂回させる必要がある。つまり、高周波を遅波する遅波回路が必要となる。

高周波を遅波する（高周波を迂回させる）方法として、例えば、らせん状の導波路に高周波を伝搬させて、当該導波路の中央に電子ビームを通す方法が存在する（特許文献１参照）。このような高周波を迂回させるらせん状の導波路部分は、ヘリックス形遅波回路とよばれる。

一方、現在、無線周波数の高周波化に対する強い要望がある。具体的には、テラヘルツ領域の無線装置の研究開発が進められている。マイクロ波からテラヘルツ波に高周波化が進むと、波長が小さくなるため（波長が短くなるため）、上記ヘリックス型遅波回路における「らせん状配線」も微細化されることとなり、当該回路の製造が困難となる。

そこで、上記のような高周波帯域（例えば、テラヘルツ領域）においては、微細構造の実現が比較的容易な「折り畳み導波管」形状が有望視され、研究開発が進められている。当該折り畳み導波管では、高周波（電磁波）をミアンダライン状に曲がった導波管を通過させ遅波する。また、当該進行波管（導波管）は、その中央を電子ビームが進行する（電子ビームが貫く）ためのビームホールを備えた構成を有している。

具体的には、折り畳み導波管は図８に示すような構造を有し、折り畳み導波管２０の中央をビームホール１０が貫く構成となっている。なお、折り畳み導波管を備えた進行波管の構成や後述するストップバンドの詳細は非特許文献１に開示されている。

特表２０１０−５１９６９５号公報

Khanh T. Nguyen, etc、"Design Methodology and Experimental Verification of Serpentine/Folded-Waveguide TWTs"、IEEE Trans. on E.D.、Vol. 61、No. 6、JUNE 2014.

なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明者らによってなされたものである。

折り畳み導波管においても、無線周波数の高周波化に伴って構造の微細化（ミアンダライン状に曲がった導波管のサイズの縮小）が進められている。しかし、ビームホールに関しては、所定の電子ビームを通す必要があるため、導波路と比較して縮小が困難であり、導波管の全体構成に対するビームホールの比率が大きくなっていく。ビームホールの比率が大きくなるに従って、位相速度の周波数偏差が増加したり、ストップバンドが出現したりして、進行波管の帯域を広く確保することが困難となる。

図９は、図８に示す構成において、光速ｃで規格化された位相速度Ｖｐ（Ｖｐ／ｃ；Ｖｐは位相速度、ｃは光速）の周波数特性を示す図である。図９では、ビームホールの有無による位相速度Ｖｐの周波数特性の相違を示す。また、以降の説明において、単に位相速度Ｖｐ／ｃと表記した場合は、光速ｃで規格化された位相速度Ｖｐを示すものとする。

図９を参照すると、ビームホールが存在しない場合、３００ＧＨｚ付近では位相速度Ｖｐ／ｃの傾きが小さいが、ビームホールが存在する場合では、傾きが大きくなっていることが分かる。また、３３０ＧＨｚ付近からストップバンドが出現していることも分かる。即ち、図９の例は、無線周波数が３００ＧＨｚ程度であり、且つ、導波路に対するビームホールが占める比率が上昇すると、Ｖｐ／ｃ−ｆ（ｆ：周波数）の傾きが大きくなり、ストップバンドが現れることを示す。

進行波管では、電子ビームの速度と高周波（電磁波）の位相速度Ｖｐが同程度のとき相互作用が強くなり、高い増幅利得（ゲイン）が得られる。換言するならば、電子ビームの速度は一定なので、Ｖｐ／ｃ−ｆの傾きが大きいと、両者の速度が同程度となる領域が減少し、ゲインの得られる帯域が減少してしまうことになる。

本発明は、折り畳み導波管における広範囲な帯域を確保することに寄与する遅波回路を提供することを目的とする。

本発明の一視点によれば、折り畳み導波管と、前記折り畳み導波管の幅方向における中央と端部の間に配置されたビームホールと、を備える、遅波回路が提供される。
前記一視点の変形として、折り畳み導波管と、前記折り畳み導波管の幅方向における中央と端部の間に配置されたビームホールと、を備え、電磁波は前記折り畳み導波管に導波され、かつ、電子ビームは前記ビームホールに導波されることで、前記電磁波を増幅する進行波管として動作するように構成され、前記折り畳み導波管の幅方向は、前記ビームホールにおいて前記電子ビームが導波する方向に対して直角であり、かつ、前記折り畳み導波路において前記電磁波が導波する方向に対して直角であり、前記折り畳み導波管の幅方向における中央に他のビームホールを有さない、遅波回路が提供される。

本発明によれば、折り畳み導波管における広範囲な帯域を確保することに寄与する遅波回路が提供される。

第１の実施形態に係る遅波回路の端部の一構成例を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る遅波回路の全体構成の一例を示す斜視図である。 遅波回路における位相速度Ｖｐ／ｃの変化の一例を示す図である。 高周波領域における遅波回路の位相速度Ｖｐ／ｃの変化の一例を示す図である。 ビームホールを折り畳み導波管の中央から端部に移動させた場合のストップバンドの変化の一例を示す図である。 電磁波の電界分布の一例を示す図である。 折り畳み導波管（進行波管）のゲイン計算の結果の一例を示す図である。 折り畳み導波管の構造の一例を示す斜視図である。 図８に示す構成において、光速ｃで規格化された位相速度Ｖｐの周波数特性を示す図である。

初めに、一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、この概要の記載はなんらの限定を意図するものではない。

図１に示すように、一実施形態に係る遅波回路１００は、折り畳み導波管２０と、折り畳み導波管２０の幅方向における中央と端部の間に配置されたビームホール１０と、を備える。即ち、一実施形態に係る遅波回路１００は、折り畳み導波管２０の形状をした進行波管において、図８に示すように導波管の中央でなく、導波管の端部に形成されたビームホール１０を備える。

詳細については後述するが、上記構成により、進行波管の位相速度の周波数特性の使用帯域での傾きがフラットに近づき、且つ、ストップバンドを低減できる。また、上記構成により、広帯域の進行波管を実現できる、又は、目的に合わせた帯域設計の自由度を高めることができる。

以下に具体的な実施の形態について、図面を参照してさらに詳しく説明する。なお、各実施形態において同一構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。

図１は、第１の実施形態に係る遅波回路１００の端部の一構成例を示す斜視図である。図１を参照すると、折り畳み導波管２０の幅方向における端部にビームホール１０が形成されている。また、折り畳み導波管２０に対する高さ方向のビームホール１０の配置に関しては、折り畳み導波管２０の中央にビームホール１０は配置される。

折り畳み導波管２０は高周波（電磁波）の通り道であり、ビームホール１０は電子ビームの通り道である。即ち、第１の実施形態において、電磁波は折り畳み導波管２０に導波され、電子ビームはビームホール１０に導波されることで、遅波回路１００は、電磁波を増幅する進行波管として動作する。なお、第１の実施形態では、１周期分の管路長２Ｌは６．６４ｍｍ、１周期分の長さ２Ｐは１．４８ｍｍとしている。

図１に示す構造が繰り返され、第１の実施形態に係る遅波回路１００が形成される。

図２は、第１の実施形態に係る遅波回路１００の全体構成の一例を示す斜視図である。図２において、点線の領域（ミアンダライン形状における１周期）を抜き出した図面が図１に相当する。図２に示す遅波回路１００は、図１に示す構成を７３段並べることで得られる。つまり、図１に示す構造を７３段並べることで、１つの折り畳み導波管の進行波管（遅波回路）が形成される。

なお、図１及び図２は、電磁界シミュレーションの入力図であって、空間の部分だけが表記されている。実際には、図１及び図２に示す境界の周りが銅（Ｃｕ）等の導体で覆われている構造を有する。

なお、遅波回路１００の製造方法としては、図２の形状を、ビームホール１０を中心として左右に２分割して形成し、貼り合わせる方法（例えば、２分割された芯となるダミー形状を形成し、それぞれに金属膜を蒸着後、貼り合わせる方法）と、一気に形成する方法（例えば、外壁の金属を順次積層していく方法や、芯となるダミー形状を先に形成し金属膜を蒸着させ、その後芯のダミー形状を取り除く方法）が考えられる。あるいは、オンチップＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）や３Ｄプリンタの利用も考えられる。

図３は、遅波回路１００における位相速度Ｖｐ／ｃの変化の一例を示す図である。図３において、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の幅方向に移動（中央から端部に移動）させた場合の位相速度Ｖｐ／ｃの変化を示す。

図３において、波形１０１は、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の中央に位置する場合の位相速度Ｖｐ／ｃを示す。波形１０２は、折り畳み導波管２０の中央から若干左にビームホール１０を移動させた場合の波形を示し、波形１０３は、波形１０２の場合よりもさらに左にビームホール１０を移動させた場合の波形を示す。波形１０４〜１０６は、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に配置した場合の波形を示し、波形とビームホール１０の位置の対応関係は図３の点線により囲まれた領域に示すとおりとする。

図３を参照すると、ビームホール１０が端部に移動するに従い、位相速度Ｖｐ／ｃを示す波形は傾きが小さくなり、周波数偏差が改善していくことが分かる。

また、波形１０４等から分かるように、ビームホール１０が折り畳み導波管２０から半分以上はみ出して配置されると、上記周波数特性の傾斜は再び大きくなり、偏差が悪化していくことが分かる。但し、実際には、ビームホール１０が折り畳み導波管２０からはみ出して配置されると、高周波（電磁波）と電子ビームの相互作用が正常に行われなくなり、ゲインが得られない（高周波を増幅できない）。そのため、ビームホール１０が折り畳み導波管２０からはみ出して配置されるような構造は除外される。

以上のことから、ビームホール１０は、折り畳み導波管２０の幅方向における端部、且つ、ビームホール１０が折り畳み導波管２０からはみ出すことのない位置に配置されるのが望ましい。上記位置にビームホール１０が配置されることにより、周波数偏差が最小となり進行波管の帯域は広くなる。但し、実際には、製造マージンを考慮する必要があるため、ビームホール１０は折り畳み導波管２０の端部から少し内側（即ち、端部から所定の距離、離れた位置）に配置されるのが望ましい。

図４は、高周波領域における遅波回路１００の位相速度Ｖｐ／ｃの変化の一例を示す図である。図４において、波形２０１は、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の中央に位置する場合の位相速度Ｖｐ／ｃを示すものであり、リファレンスとなる波形である（図４において波形２０１を点線にて図示）。波形２０２は、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の中央寄りの左側に位置する場合の位相速度Ｖｐ／ｃを示す。波形２０３及び２０４は、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の端部に位置する場合の位相速度Ｖｐ／ｃを示す。

なお、波形２０３は、導波管の幅を狭くしてカットオフ周波数を調整した後の波形である。カットオフ周波数を調整する理由は、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に移動させていくと、カットオフ周波数の低下が認められるので、導波管の幅を狭くし当該カットオフ周波数の低下を抑制するためである。

図４を参照すると、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に移動させていくと、３００ＧＨｚ付近の傾きが改善すると共に、リファレンス水準（波形２０１）の３３０ＧＨｚ付近から生じているストップバンドも改善されることが分かる。

また、波形２０３及び２０４の比較において、カットオフ周波数を調整した場合であっても、上記改善効果が期待できることが分かる。

図５は、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の中央から端部に移動させた場合のストップバンドの変化の一例を示す図である。なお、ストップバンドの変化は、挿入損失を示すＳパラメータであるＳパラメータＳ２１を計算することで求めている。即ち、ストップバンド付近の特性の計算は、Ｓパラメータを用いて計算することができる。

図５において、波形３０１は、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の中央に位置する場合のＳパラメータＳ２１（挿入損失）を示す。また、波形３０２〜３０５のそれぞれは、ビームホール１０の位置を折り畳み導波管２０の中央から左側に移動させた場合のＳパラメータＳ２１を示す。各波形と、ビームホール１０の折り畳み導波管２０に対する位置と、の関係は図５の点線により囲まれた領域に示すとおりである。

図５を参照すると、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の端部より若干中央よりに位置する場合（波形３０３の場合）に、最もストップバンドが小さいことが分かる。

図６は、電磁波の電界分布の一例を示す図である。図６（ａ）は、第１の実施形態に係る遅波回路１００のようにビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に配置した場合の電界分布を示す。図６（ｂ）は、図８に示すようにビームホール１０を折り畳み導波管２０の中央に配置した場合の電界分布を示す。なお、図６において、色の濃さが電磁波の電界分布の強度を示す。

ここで、導波管に対するビームホール１０の比率が大きくなることによる、特性Ｖｐ／ｃ−ｆの傾きの増大やストップバンドの出現は、折り畳み導波管（進行波管）を高周波（電磁波）が進行する際に、繰り返し現れるビームホール１０間での共振が原因であると考えられる。つまり、図６（ｂ）に示すように、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の中央に位置する場合には、電磁波はビームホール１０を避けるように迂回して伝搬する。その際に、位相速度の周波数分散が生じると考えられる。対して、図６（ａ）に示すように、ビームホール１０が折り畳み導波管２０の端部に位置すると、電磁波は直線的に伝搬し位相速度の周波数分散が生じずフラットとなる。

ストップバンドの出現に関しては、電磁波がビームホール１０で反射し、ビームホール１０の間で共振することが原因と考えられ、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に配置するとビームホール１０での反射が減少するため、ストップバンドも減少する。

図７は、折り畳み導波管（進行波管）のゲイン計算の結果の一例を示す図である。図７（ａ）は、第１の実施形態に係る遅波回路１００のようにビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に配置した場合のゲインを示す。図７（ｂ）は、図８に示すようにビームホール１０を折り畳み導波管２０の中央に配置した場合のゲインを示す。

図７に示す両図を参照すると、３ｄＢダウンの帯域幅が図８の構成では１０ＧＨｚであるのに対し、第１の実施形態に係る構成では３０ＧＨｚ程度と広く確保できている。このように、第１の実施形態に係る遅波回路１００（折り畳み導波管；進行波管）による帯域の改善が認められる。

なお、図８に示す構成のように、傾きの大きいＶｐ／ｃ−ｆでは帯域を広げることは原理的に不可能であると言える。また、本願開示において、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の端部に移動させ、帯域を広く確保する方法の他に、ビームホール１０を徐々に端へ向けて移動させ、必要な帯域がとれる程度に調整する方法も考えられる。また、第１の実施形態では、図１等を参照して、ビームホール１０を折り畳み導波管２０の中央から左側に移動する場合について説明したが、ビームホール１０は中央から右側方向に移動させても良いことは勿論である。

以上のように、第１の実施形態に係る遅波回路１００（進行波管）は、折り畳み導波管２０のビームホール１０を導波管の中央でなく、その端部に形成する。その結果、進行波管の位相速度の周波数特性の使用帯域での傾きがフラットに近づき、且つ、ストップバンドが低減できる。そのため、広帯域の進行波管が提供出来る。また、ビームホール１０の位置を微調整することで、進行波管の周波数特性が制御可能であり、目的に合わせた帯域設計の自由度を高めることができる。

なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。

１０ ビームホール
２０ 折り畳み導波管
１００ 遅波回路
１０１〜１０６、２０１〜２０４、３０１〜３０５ 波形

Claims (4)

1. 折り畳み導波管と、
   前記折り畳み導波管の幅方向における中央と端部の間に配置されたビームホールと、
   を備え、
   電磁波は前記折り畳み導波管に導波され、かつ、電子ビームは前記ビームホールに導波されることで、前記電磁波を増幅する進行波管として動作するように構成され、
   前記折り畳み導波管の幅方向は、前記ビームホールにおいて前記電子ビームが導波する方向に対して直角であり、かつ、前記折り畳み導波路において前記電磁波が導波する方向に対して直角であり、
   前記折り畳み導波管の幅方向における中央に他のビームホールを有さない、遅波回路。
2. 前記ビームホールは、前記折り畳み導波管の幅方向における端部であって、前記折り畳み導波管からはみ出さない位置に配置される、請求項１に記載の遅波回路。
3. 前記ビームホールは、前記折り畳み導波管の幅方向における端部から所定の距離、離れた位置に配置される、請求項１又は２に記載の遅波回路。
4. 前記ビームホールは１つである、請求項１乃至３のいずれか一に記載の遅波回路。

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