JP6737881B2 - マルチビーム誘導出力管の平衡化 - Google Patents

Description

本発明は誘導出力管増幅器に関する。このような管は文献においてＩＯＴとして知られる。管は、コレクタに到達する前にアノードおよび相互作用空間を通過する電子ビームを生成する銃を真空室内に含んでいる。相互作用空間は共振空洞内に位置する。電子銃による入力信号入力レベルが、共振空洞によるレベルに増幅される。誘導出力管は特に無線周波数信号の最終増幅段で用いられ、管の出力は例えば加速空洞等の負荷に接続されている。

電子銃は、カソードおよび制御ゲートを含み、その間に増幅対象の無線周波数信号が印加され、信号が電子ビームのエネルギーを変調する。相互作用空間内において、電子ビームの運動エネルギーの一部が共振空洞内で電磁波形式に変換される。

マルチビーム管が存在する。これらの管は文献においてマルチビーム誘導出力管（ＭＢＩＯＴ）として公知である。より正確には、管からの出力強度を高めるべく、複数の電子ビームを単一の共振空洞と相互作用させるように構成することができる。１つの電子銃により種々のビームが各々生成される。種々の電子銃のゲートは、増幅対象の同一無線周波数信号を受信する。

本発明は、マルチビーム管の性能、特に全体的な効率を向上させることを目的としており、そのために出願人は、効率が種々の電子ビームの密度のバランスに関係することを理解した。種々の電子銃への入力として印加される所与の無線周波数信号に対して、各々が同一ピーク電流を送らなければならない。管の製造工程において、幾何学的ばらつきが必然的に生じる。これらのばらつきにより、種々の銃から発せられるビーム間で密度が変化する。

一つの解決策は製造公差を減らすことであるが、これは管の製造コストの増大をもたらす。

本発明は、より大きい製造公差を受容しながら上述の問題を緩和することを目的とする。本発明は、幾何学的ばらつきとは独立に種々のビームの密度を均衡させることができる解決策を提供する。

この目的のため、本発明の主題の一つは、出力空洞と、出力空洞を通過する電子ビームを各々が発することを意図された複数の電子銃とを含むマルチビーム誘導出力管を含む増幅器であり、各々の電子銃は、電子ビームを発することを意図されたカソード、および電子ビームの密度を変調可能にするゲートを含み、増幅器は更に、各々の銃に関連付けられたＤＣ電圧源を含み、各々の電圧源は、対応する電子銃のゲートに接続されていてゲートにバイアスをかけ、電圧源の少なくとも１つの電圧は、種々の電子ビームの密度を均衡させるべく調整可能である。

各々の電子銃に関連付けられた電圧源は、例えば第１の電圧源と呼ばれる。増幅器は更に、電圧が調整可能な第２のＤＣ電圧源を含み、第１の電圧源の各々は、対応するゲートと第２の電圧源との間で直列接続されていて、第２の電圧源の電圧は、種々のゲートに阻止電圧を印加すべく調整可能である。

増幅器は更に、各々の電子銃に関連付けられたコレクタを含んでいてよく、各コレクタは、出力空洞を通過した後の対応する電子ビームを受信することを意図され、電流センサにより、各々のコレクタ内を流れる電流を測定可能にする。

本発明の別の主題は、本発明による増幅器を調整する方法であって、本方法は、各々のコレクタ内を流れる電流を測定し、電流の測定値を等しくすべく各々の第１の電圧源の電圧を調整するものである。

有利には、各々のコレクタの加熱を制限すべく、各々のコレクタで測定される電流の目標値が規定される。

ゲートの１つに電圧を印加し、この電圧により、ある期間の一小部分にわたり各々のコレクタで測定される電流の目標値を達成することができる。

有利には期間は繰り返され、小部分の各々にわたり取得された電流測定値の平均が計算される。

添付の図面に例示的に示す一実施形態の詳細説明を精査することにより本発明に対する理解が深まり、更なる利点が明らかになろう。

本発明による増幅器を模式的に示す。 図１の増幅器の複数の電子銃の動作を表す特性曲線を示す。

明快さのため、異なる図面の同一要素に同一参照符号を付している。

図１に、真空管により無線周波数信号を増幅することを意図された増幅器１０を示す。簡潔に、真空管は、電子ビームと電磁波との相互作用の原理を利用して、電子ビームに含まれるエネルギーの一部を波に伝達することにより、管に入力した波よりも高いエネルギーの波を管からの出力として得ることが想起されよう。無線周波数信号の周波数は例えばＵＨＦ帯域である。他の周波数帯も無論本発明の主旨で利用することができる。

増幅器１０は例えば、各々がビーム１２、２２を真空室３０内で発する２つの電子銃１１、２１を含んでいる。銃の個数は、図を煩雑にしないように選択されている。より多くの個数の銃で本発明を実施することも無論可能である。出願人は例えば、１０個の電子銃を処理する増幅器により最終的な内部検証を行った。銃１１は、電子ビーム１２が伝搬する軸Ｘ１の回りに設置されている。銃１１は、軸Ｘ１の第１終端に配置されている。銃１１は、電子を発するカソード１３、および印加される電圧に依存する電子バンチを制御するゲート１４を含んでいる。加熱電極１５によりカソード１３を加熱することができる。電子ビーム１２は、軸Ｘ１の第２終端に配置されたコレクタ１６まで伝搬する。

増幅器１０は、カソード１３とコレクタ１６の間に数十キロボルトの電圧差を印加可能にするＶＨＴ電源３２を含んでいる。実際には、コレクタ１６は各々が異なる電圧に上げられた複数の段（図示せず）を含んでいてよい。

軸Ｘ１に沿って、増幅器１０は、出力共振空洞３４の相互作用空間１８につながる嘴状のアノード１７を含んでいる。相互作用空間１８は、嘴部１８に対向すると共にコレクタ１６に属する第２の相互作用嘴部１９に囲まれている。

電子銃２１は、軸Ｘ２の回りに設けられていて、銃１１と全く同様に、加熱電極２５、カソード２３、およびゲート２４を含んでいる。増幅器１０もまた、ビーム２２が通過するアノード２７、および銃２１から発せられたビーム２２を受信すべく意図されたコレクタ２６を含んでいる。コレクタ２６および銃２１は共に軸Ｘ２に沿って延在している。２本の軸Ｘ１、Ｘ２は例えば本発明のコンテキストにおいて平行である。軸Ｘ１とＸ２が平行でない他の構成もまた本発明の主旨において可能である。

増幅器１０の製造を標準化すべく、２つの銃１１、２１、２つのアノード１７、２７、および２つのコレクタ１６、２６は有利には同一である。

出力共振空洞３４は２本の電子ビーム１２、２２に共通である。

増幅器１０は、増幅対象の無線周波数信号ＲＦを均衡した状態で２つのゲート１４、２４間で分離可能にするスプリッタ３６を含んでいる。

動作時において、電子ビーム１２の密度がゲート１４により変調され、電子はバンチ状に発せられる。２つのバンチの時間間隔はＲＦ信号の周期に等しい。ビーム１２は、アノード１７とコレクタ１６との間で、軸Ｘ１の回りにほぼ円筒形である。この円筒形は、一方ではカソード１３、アノード１７、およびゲート１４の形状により得られ、他方では電子を軸Ｘ１の近くに保つ軸方向磁場により得られる。ゲート１４から発せられた電子バンチは、相互作用空間１８に入る前に加速される。相互作用空間１８内に存在する電場は電子バンチを減速させる傾向がある。電子により失われた運動エネルギーは、空洞３４内で電磁気エネルギーに変換される。電子ビーム２２はビーム１２と同様に発達する。ビーム２２の運動エネルギーの一部もまた、空洞３４の電磁気エネルギーに変換される。２本のビーム１２、２２から抽出された電磁気エネルギーは、例えば空洞３４の壁における絶縁体３８を通過する同軸フィーダ線を介して増幅器１０の出力へ向けられる。

増幅器１０は更に、各々の銃１１、２１に関連付けられたＤＣ電圧源４１、５１を含み、各電圧源が、ゲートにバイアスをかけるべく、対応する電子銃１１または２１のゲート１４または２４に接続されている。電圧源４１、５１の電圧は、種々のビーム１２、２２の密度を均衡させるべく調整可能である。

増幅器１０を、自身に種々の銃１１、２１に共通な別のＤＣ電圧源６０を追加することにより完成することができる。各電圧源４１、５１の電圧が電圧源６０の電圧に追加される。電圧源４１は、ゲート１４と電圧源６０の間で直列に接続されている。同様に、電圧源５１はゲート２４と電圧源６０の間で直列に接続されている。電圧源６０の存在により、種々のビームの阻止電圧の調整を容易にすることができる。

増幅器からの信号出力を解析することにより、種々の電圧源４１、５１および６０の電圧を調整することができる。別のより簡単な方式は、各々のコレクタ１６、２６内を流れる電流を測定するものである。この目的のため、コレクタ１６、２６は別々に製造され、各々のコレクタ１６、２６内の各々のビーム１２、２２により生成された電流を別々に測定すべく互いに電気的に絶縁されていてよい。２つの別々の導電体が、各々のコレクタ１６、２６をＶＨＴ電源３２に接続し、増幅器は、各々の導体内を流れる電流を別々に測定可能にする電流センサ４３、５３を含んでいる。換言すれば、センサ４３により、コレクタ１６内を流れる電流を測定することができ、センサ５３により、コレクタ２６内を流れる電流を測定可能にする。任意の種類のセンサ、例えば問題のコレクタをＶＨＴ電源３２に接続する導体内を流れる電流により生成された磁場を測定するホール効果センサを、これらの電流の測定に用いることができる。

図２に、各々が銃１１、２１の一方に関連付けられた特性曲線４５、５５の２つの例を示す。より正確には、曲線４５、５５は、コレクタ内を流れる電流の変化を、問題のゲート１４または２４に印加される電圧に応じて示す。各々の曲線４５、５５では、電流はゲートに印加される電圧に応じて増大する。約−１１０Ｖのゲート電圧では電流はゼロであり、０Ｖの電圧では電流は約１０Ａである。２本の曲線４５、５５は水平方向にずれている。このずれは主として、２つの電子銃１１、２１の幾何学的ばらつきによるものである。実際には、２本のビーム１２、２２を生成する役割を果たす他の全ての機械部品が、コレクタ１６、２６における電流変化の要因であり得る。

２本の特性曲線４５、５５は、ゲート１４、２４へのＲＦ信号を印加した結果を示す。問題のゲートにＤＣ電圧を印加した場合、電流の値は同一に保たれる。ＤＣ電圧は、ＲＦＡＣ電圧を補完することができる。したがって２つの電圧源４１、５１の電圧値を変化させることにより、所与のＲＦ入力電力に対して２本のビーム１２、２２の電流が等しくなるように２つの電子銃１１、２１を均衡させることが可能である。

要するに、ＲＦ信号が存在しない場合、２つのセンサ４３、５３で測定される電流の値が同一になるように、電圧源４１、５１の２つの電圧の各々が調整される。曲線４５、５５の微分係数はゲート電圧と共に増大する。換言すれば、曲線４５、５５の傾斜はゲート電圧と共に増大する。コレクタ１６、２６内で到達すべき電流の大きさの選択は、電圧の微調整が可能なように、電圧変化と電流変化との比が充分大きくなるように充分高くなければならない。更に、各々のゲート１４、２４にＤＣ電圧を印加したならば、空洞３４への運動エネルギーの伝達はほぼ無い状態で、電子ビーム１２、２２に含まれるエネルギーのほぼ全てがコレクタ１６、２６に伝達される。従って、コレクタ１６、２６の加熱を制限するには、各々のコレクタの電流の大きさを制限することが必要である。実際には、最大電流の約４％のＤＣ電流により、コレクタを過剰に加熱することなく調整を行うことができる。図２に示す例において、曲線４５によれば、ゲート１４に印加された０Ｖの電圧によりコレクタ１６で１０．５Ａの電流が生じ、−８９Ｖの電圧により０．４Ａの電流が生じる。第１に、０．４Ａの目標値の電流を得るべく電圧源４１の電圧が−８９Ｖに調整される。代替的に、電流の目標値は任意の値であるため、電圧源４１は設定済みの電圧を有していてよい。

次いで、コレクタ２６内で同じ０．４Ａの電流を得るべくゲート２４に印加する電圧を決定しようとする。ゲートの電位も−８９Ｖに設定することができる。この電圧値では、０．４Ａ未満の電流がコレクタ２６内で測定される。曲線５５がゲート電圧の増加関数であることが知られているため、ゲート２４に印加される電圧源５１の電圧は、コレクタ２６内で０．４Ａの値が達成されるまで上げられる。図示する例において、コレクタ２６内の０．４Ａの電流は、電圧源５１の場合−８４ＶのＤＣ電圧により達成される。

本方法は、電圧源４１、５１の電圧の調整の精度を向上させるべく改良することができる。コレクタ１６、２６の加熱を制限するために、ある期間の一小部分でのみ電圧をゲート１４、２４の一方に印加することが可能である。次いでコレクタ１６、２６の熱慣性により、その期間にわたり加熱を平滑化することができる。期間の一小部分は、コレクタ内の電流を正確に測定できるように定義される。例えば、ホール効果センサを電流センサとして用いて、約１から２ｍｓの期間小部分により、問題のセンサでの測定を安定させることができる。ゲートに電圧を印加する小部分を除外し、残りの期間にわたり、問題のコレクタ内で電流を発生させないよう、ゲートに印加される電圧はより大きい負値であってよい。例えば取得された様々な測定値の平均を計算することにより、コレクタ内の電流の測定値を洗練すべく、電圧の印加を例えば１から１０Ｈｚの周波数で繰り返すことができる。

２つの電圧源４１、５１の電圧が調整された後、２つの銃１１、２１に共通の電圧源６０が調整される。電圧源６０の電圧は、予め調整された２つの電圧に加えられる。電圧源６０は、コレクタ内の電流を相殺すべく調整される。この電圧は、各々の電圧源４１、５１の電圧に加え、阻止電圧と呼ばれる。換言すれば、銃１１の場合、阻止電圧は、電圧源４１、６０の電圧の和である。銃２１の場合、阻止電圧は、電圧源５１、６０の電圧の和である。図示する例において、電圧源６０の電圧は−２５Ｖである。ゲート１４は次式で表される自身の阻止電圧Ｖｐ_１４までバイアスをかけられる。
Ｖｐ_１４＝（−８９Ｖ）＋（−２５Ｖ）＝−１１４Ｖ

同様に、ゲート２４は次式で表される自身の阻止電圧Ｖｐ_２４までバイアスをかけられる。
Ｖｐ_２４＝（−８４Ｖ）＋（−２５Ｖ）＝−１０９Ｖ

代替的に、電圧源６０をなくすことも可能である。従って各々の電圧源４１、５１の電圧は所望のバイアス電圧を達成すべく同じ値で相殺される。

種々のゲートにバイアスがかけられた後で、各々のゲートに対し、自身のバイアス電圧に加え、ＲＦ信号の電圧Ｖ_ＲＦ．ｃｏｓωｔを印加することが可能である。増幅器１０を使用する間、ゲート１４に印加される電圧Ｖｇ_２４は次式で与えられる。
Ｖｇ_１４＝Ｖｐ_１４＋Ｖ_ＲＦ．ｃｏｓωｔ
Ｖｇ_２４＝Ｖｐ_２４＋Ｖ_ＲＦ．ｃｏｓωｔ

電圧Ｖ_ＲＦはＲＦ信号の振幅である。コレクタ電流１０．５Ａを超えないことが望まれる場合、ゲート１４で最大電圧０Ｖ、およびゲート２４で最大電圧＋５Ｖを得るためＲＦ信号の最大振幅は１０９Ｖである。ＲＦ信号の所与の振幅、例えば１０９Ｖに対して、所与のピーク電流、すなわち１０．４Ａが各々の銃１１、２１により送られる。

Claims (7)

1. 出力空洞（３４）と、出力空洞（３４）を通過する電子ビーム（１２、２２）を各々が発することを意図された複数の電子銃（１１、２１）とを含むマルチビーム誘導出力管を含む増幅器であって、各々の電子銃（１１、２１）が、電子ビーム（１２、２２）を発することを意図されたカソード（１３、２３）、および電子ビーム（１２、２２）の密度を変調可能にするゲート（１４、２４）を含み、増幅器（１０）が更に、各々の銃（１１、２１）に関連付けられたＤＣ電圧源（４１、５１）を含み、各々の電圧源（４１、５１）が、対応する電子銃（１１、２１）のゲート（１４、２４）に接続されていてゲート（１４、２４）にバイアスをかけ、電圧源（４１、５１）の少なくとも１つの電圧が、種々の電子ビーム（１２、２２）の密度を均衡させるべく調整可能である増幅器。
2. 各々の電子銃（１１、２１）に関連付けられた電圧源（４１、５１）が、第１の電圧源と呼ばれ、更に、電圧が調整可能な第２のＤＣ電圧源（６０）を含み、第１の電圧源（４１、５１）の各々が、対応するゲート（１４、２４）と第２の電圧源（６０）との間で直列接続されていて、第２の電圧源（６０）の電圧が種々のゲート（１４、２４）に阻止電圧を印加すべく調整可能である、請求項１に記載の増幅器。
3. 各々の電子銃（１１、２１）に関連付けられたコレクタ（１６、２６）を更に含み、各コレクタ（１６、２６）が、出力空洞（３４）を通過した後の対応する電子ビーム（１２、２２）を受信することを意図され、電流センサ（４３、５３）により、各々のコレクタ（１６、２６）内を流れる電流を測定可能にする、請求項１から２のいずれか１項に記載の増幅器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の増幅器（１０）を調整する方法であって、各々のコレクタ（１６、２６）内を流れる電流を測定し、電流の測定値を等しくすべく第１の電圧源（４１、５１）の各々の電圧を調整する方法。
5. 各々のコレクタ（１６、２６）の加熱を制限すべく、各々のコレクタ（１６、２６）で測定される電流の目標値が規定される、請求項４に記載の方法。
6. ゲート（１４、２４）のうちの１つに電圧を印加し、この電圧により、ある期間の一小部分にわたり各々のコレクタ（１６、２６）で測定される電流の目標値を達成することができる、請求項４または５に記載の方法。
7. 期間が繰り返され、小部分の各々にわたり取得された電流測定値の平均が計算される、請求項６に記載の方法。

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