JP6982325B2

JP6982325B2 - 増幅モジュールが外側導体上に配置された高周波増幅ユニット

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Publication number: JP6982325B2
Application number: JP2019070169A
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Inventors: ピールヘルムート; コレショフセルゲイ; プーペーターニコ
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Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2019-04-01
Publication date: 2021-12-17
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Description

本発明は、高周波入力信号を高周波出力信号に増幅するためのいくつかの増幅モジュールと、これら増幅モジュールの高周波出力信号を合成するための、外側導体とこれに同軸に配置された内側導体とを有する、同軸合成器とを備えた高周波増幅ユニットに関する。更に、本発明は増幅システムに関する。

加速共振器、特に粒子加速器の超伝導空洞、は、加速器（サイクロトロン、線形加速器、およびシンクロトロン）の構造によって、および加速される粒子の種類によって、規定される。必要な加速場強度と加速される粒子の所望のエネルギー利得とを保証するために、高ＨＦ電力を供給する必要性は全ての共振器に共通している。近年開発されたトランジスタベースの増幅モジュールは、増幅モジュール当たり最大５００Ｗの、場合によってはこれより大きい、出力電力を可能にする。

加速器、特に加速共振器、を作動させるために、小型の加速器においても、１０ｋＷを大幅に超えるＨＦ電力が既に必要とされている。大型のサイクロトロンにおいては、またはシンクロトロンおよび蓄積リングの加速共振器においては、最大１００ｋＷ以上のＨＦ電力が必要とされている。したがって、作動のために、数十の増幅モジュール（増幅ユニット）の出力電力をまとめる、すなわち合成する、または積み重ねる、必要がある。この目的のために、これら増幅モジュールによって増幅された高周波出力信号は、複数の同軸ケーブルによって所謂ＨＦ電力合成器に案内される。ＨＦ電力合成器は、増幅された高周波出力信号を合成する。ここで、高周波技術において、合成器とは、（通常、同じ周波数の）いくつかの弱い信号を合成して１つのより強い信号にする組立体であると理解されたい。通常、合成器は、同時に、これら入力が互いに影響し合わないように、またはそれぞれ他の信号発生器に影響を及ぼさないように、これら入力を互いに隔離する。

一方で、問題となるのは、ここで増幅ユニットは、通常、かなりの排熱を発生させるので、この排熱を放散させる必要があることである。これら要件の故に、個々の高周波増幅ユニットおよび増幅システム全体の両方に可能な設計は限定され、高電力の場合は相応に空間を占めるシステムになる。他方、これに加え、この方式は、同軸ケーブル内で急に増大するジュール損失のため、組み合わされる増幅された高周波出力信号の周波数の増大に伴い、ますます魅力がなくなる。

したがって、電力合成器を有する高周波増幅ユニットにとって重要な要件は、
１．高い経済効率（できる限り低い投資および運転コスト）、
２．できる限り低い給電線（ケーブル）損失および合成損失、ひいては高い効率、
３．コンパクトな設計、および
４．高周波増幅ユニットおよび／または増幅モジュールの容易なアクセス可能性および交換可能性、
である。

したがって、本発明の目的は、これら要件のうちの１つまたは全てを満たす高周波増幅ユニットおよび増幅システムを提供することである。

本発明の第１の態様によると、上記目的は、高周波入力信号を高周波出力信号に増幅するためのいくつかの増幅モジュールと、これら増幅モジュールの高周波出力信号を合成するための、外側導体とこれに同軸に配置された内側導体とを有する、同軸合成器とを備えた高周波増幅ユニットであって、これら増幅モジュールは同軸合成器の外側導体の外面に配置され、これら増幅モジュールは、高周波出力信号を同軸合成器に送信するために、同軸合成器の同軸の内側導体に接続される、高周波増幅ユニットによって解決される。

これら増幅モジュールは同軸合成器の外側導体の外面に配置され、同時に、これら増幅モジュールは、高周波出力信号を同軸合成器に送信するために同軸合成器の同軸の内側導体に接続されるので、特に（内側導体のない）導波管に比べ、コンパクトな設計の極めて省スペースの高周波増幅ユニットを実現できる。（増幅された）高周波出力信号の送信は、すなわち、増幅モジュールから同軸合成器への電力の伝送は、同軸合成器の外側導体への増幅モジュールの配置の故に、ケーブルなしに行うことができる。増幅モジュールと同軸合成器との間にケーブルが不要であるので、高周波増幅ユニットが蒙る合成損失は小さく、必要であれば素速いアクセスが可能である。特に、同軸合成器の内側導体への接続部を介して増幅モジュールの出力電力を同軸合成器に直接伝送できる一方で、同時に、増幅モジュールを冷却するために同軸合成器の外側導体を好都合に使用できることが分かっている。

高周波信号は、電波、特にマイクロ波範囲、の周波数を有する信号であることが好ましい。すなわち、高周波信号は、少なくとも５０ＭＨｚ、好ましくは少なくとも７０ＭＨｚ、より好ましくは少なくとも１００ＭＨｚ、特に好ましくは少なくとも３００ＭＨｚ、の周波数を有する電波であることが好ましい。同様に、最大３００ＧＨｚ、好ましくは最大３ＧＨｚ、の周波数を有する電波であることが好ましい。好適な一範囲は、例えば、１〜３ＧＨｚである。粒子加速器の実施の形態のための一般的な周波数は、例えば約７０ＭＨｚと３ＧＨｚの間にある（例えば、１．３ＧＨｚ、１．５ＧＨｚ、または１．７５ＧＨｚ）。対応して、このようなマイクロ波を生成、増幅、または案内するように設計された、好ましくは高周波増幅ユニット、増幅モジュール、および同軸合成器に言及する。ここで、これら信号のエネルギーは、外側導体と内側導体との間の誘電体（ここでは好ましくは空気）内を移送される。

増幅モジュールは、特にトランジスタ増幅器を備える。この増幅器は、例えば１つ以上のパワートランジスタを備えることができ、プッシュプル動作の場合は、例えば２つのパワートランジスタを備えることができる。更に、増幅モジュールは、上流側トランジスタを保護するために役立つサーキュレータを備えることができる。増幅モジュールは、例えば、回路基板またはアレイとして形成可能である。この回路基板またはアレイは単一部品とすることもできるが、例えば、トランジスタ回路基板とサーキュレータ回路基板とを備えることもできる。増幅モジュールは、少なくとも３００Ｗ、好ましくは少なくとも４００Ｗ、より好ましくは少なくとも５００Ｗ以上、の（定格）電力を供給することが好ましい。増幅モジュールは、特に銅製またはアルミニウム製の、金属層を同軸合成器側に向いた面（特に、据え付け面または下面）に有する。

高周波増幅ユニットは、１つ（以上）のドライバ、１つ（以上）前置増幅器、および／または１つのスプリッタを更に備えることができる。スプリッタは、信号をいくつかの増幅モジュールのためのいくつかの高周波入力信号に分配する役割を果たす。このような構成要素は、増幅モジュールのように、同軸合成器の外面に同様に配置することも、その一部にすることもできる。ただし、特にこれら増幅モジュールが同軸合成器の外側導体上のほぼ全空間を既に占めている場合は、代わりに、このような構成要素を別個に配置することもできる。高周波増幅ユニットは、少なくとも４つの、好ましくは少なくとも６つの、より好ましくは少なくとも８つの、増幅モジュールを備えることが好ましい。

同軸合成器は、好ましくは長手方向に延在し、この点に関して、長手方向に延在する（外側導体によって形成された）複数の側面を有する塔様の形状を有すると有利であることが実証されている。同軸合成器、特に外側導体および同軸の内側導体、は金属製、特に銅製および／またはアルミニウム製、であることが好ましい。

各増幅モジュールを同軸の内側導体にそれぞれ接続することによって、特に、増幅モジュール（例えば、増幅モジュールの結合回路）の出力が内側導体に電気的に接続されることを理解されたい。この接続は、例えば、導電性の連結ピンを介して行える。この場合、このようにして、増幅モジュールは、同軸の内側導体に、特に同軸の内側導体の入力側端部において、接続される。その後、例えば、同軸の内側導体の出力側端部を介して、高周波増幅ユニットからの電力の切り離しが行われる。これは、例えば、同軸の内側導体が出力側において外側導体を越えて突出し、例えば、導波管に結合するためのプローブとして（特に（ロッド）アンテナとして）の役割を果たすことになる。

高周波増幅ユニットの１つの実施形態によると、同軸合成器は長手方向に延在し、外側導体は外面の横断面が多角形、特に矩形、に形成される。これにより、同軸合成器は、または同軸合成器の外側導体は、増幅モジュールのための組立体の表面としての役割を果たすことができる外面または側面を外側に簡素に形成できる。これにより、高周波増幅ユニットの極めてコンパクトな設計および更なる合成器への配置を十分な冷却と低い合成損失とで実現できることが分かっている。

外側導体の外面のみが対応する横断面形状を有し、外側導体の内面および／または内側導体の外面は異なる、特に丸い、横断面形状を有することが好ましい。ただし、外側導体の外面ばかりでなく、外側導体の内面および／または内側導体の外面も対応する、または異なる、多面状の横断面を有することも可能である。

１つの例において、横断面がｎ個の角（ひいてはｎ個の面）を有する形状の場合は、好ましくはｎ個の増幅モジュールが同軸合成器の外側導体の外面に（各側面に１つ）配置される。同軸合成器または外側導体が長手方向に十分に長い場合は、例えば、全体として２ｎ個の増幅モジュールを同軸合成器の外側導体の外面に配置できるように、一側面当たり２つの増幅モジュールを長手方向に配置することもできる。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、増幅モジュールはほぼ平坦に形成され、同軸合成器の外側導体にほぼ平らに配置される。増幅モジュールは外側導体の外面をほぼ覆うことが好ましい。既に説明したように、周方向に見て、各側面に好ましくは少なくとも１つの増幅モジュールが配置される。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、同軸合成器の外側導体が増幅モジュールを冷却する役割を果たすことができるように、増幅モジュールは同軸合成器の外面に配置される。これにより、増幅モジュールの特に能動的冷却を僅かな所要スペースで実現できる。これに対して、従来技術における複数の先行アプローチは、省スペースのために増幅ボードが両側に当てがわれた中心冷却ボードを供給することを明記している。ただし、この場合、冷却装置は増幅モジュールの間に設けられているので、出力電力を同軸ケーブルによって上側で放散させる必要があった。記載の実施形態によると、同軸合成器への熱および電力の両方の放出がモジュールの下側で、特に、追加の別個の冷却装置をその間に配置することなく、可能である。この目的のために、各増幅モジュールは、特に、同軸合成器の外側導体に直接配置される。

ここで、増幅モジュールの冷却は、好ましくはもっぱら同軸合成器の外側導体を通して（増幅モジュールおよび周囲空気自体を通しての避けられない低速の熱伝達は別として）実現される。

高い冷却効率、ひいては高い出力電力、を実現するために、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、同軸合成器の外側導体は、増幅モジュールを冷却するための冷媒回路の一部として形成される。ここで、冷媒として、例えば水（例えば純水）が供給される。この目的のために、同軸合成器は、例えば、少なくとも１つの冷媒入力部と少なくとも１つの冷媒出力部とを有する。同軸合成器の外側導体は、少なくとも部分的に長手方向に延びる冷媒ライン（例えば、中ぐり穴）を一体に（特に、各コーナー領域に）有することが好ましい。

高周波増幅ユニットの出力電力および冷却力を更に最適化するために、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、増幅モジュールは同軸合成器の外側導体の周囲に配置される。既に説明したように、ここで、周方向に見て、外側導体によってもたらされる各側面に、好ましくは（少なくとも）１つの増幅モジュールが配置される。換言すると、これら増幅モジュールは、周方向に見て列状に配置される。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、これら増幅モジュールのうちの少なくとも一部は同軸の内側導体に、長手方向に見て同じ高さにおいて、接続される。これにより、同軸合成器の、特に同軸の内側導体の、できる限り簡素な形状が、同軸合成器への高周波出力信号の送信時にできる限り少ない損失で、もたらされる。この場合、対応する増幅モジュールを接続するための各電気接続部（例えば連結ピン）は一平面に、特に同軸合成器の長手方向に対して垂直に、延びる。ただし、複数の異なる増幅モジュール群を設けることもできる。この場合、以下に詳細に説明するように、１つの群の増幅モジュールは、同軸の内側導体に同じ高さで接続されるが、複数の異なる群の増幅モジュールはそれぞれ異なる高さで接続される。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、第１増幅モジュール群の増幅モジュールは同軸合成器の外側導体の外面に同軸合成器の第１の長手方向区間に配置され、第２増幅モジュール群の増幅モジュールは同軸合成器の外側導体の外面に同軸合成器の第２の長手方向区間に配置される。複数の増幅モジュールが長手方向にずらされているにも拘らず、同軸合成器への高周波出力信号の送信を高効率で実現でき、これにより、高周波増幅ユニットの出力電力を最終的に二倍にできることが分かっている。

ここで、第１の長手方向区間は第２の長手方向区間に直接接続されることが好ましい。ここで、高周波増幅ユニットの全ての増幅モジュールの出力電力は、既に説明したように、更に、同軸の内側導体の出力側端部を介して（例えば導波管において）切り離されることが好ましい。この場合、この出力側端部は、第１の長手方向区間の端部領域に位置する。前記端部領域は、第２の長手方向区間とは反対の側に面する。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、第１群の増幅モジュールは、同軸合成器の第２の長手方向区間に面する、同軸合成器の第１の長手方向区間の端部領域において、同軸の内側導体に接続される、および／または第２群の増幅モジュールは、同軸合成器の第１の長手方向区間に面する、同軸合成器の第２の長手方向区間の端部領域において、同軸の内側導体に接続される。

これは、同軸合成器の内側導体への各増幅モジュールの接続部が幾何学的に互いに極めて近接し、同軸合成器の形状の複雑度が低い場合は、合成損失が低く維持されるという利点を有する。ここで、同軸合成器の内側導体への増幅モジュールの接続（ひいては、同軸合成器への高周波出力信号の送信）は、必ずしも（長手方向に見て）全て厳密に同じ高さで行われる必要はないことが認識されており、それは複数の増幅モジュールを長手方向にずらして配置することを可能にする。ここで、第１の長手方向区間および第２の長手方向区間は、ほぼ同じ長さであることが好ましい。

第２増幅モジュール群の接続（ひいては二倍の出力電力）をできる限り低い合成損失およびコンパクトな設計で実現するために、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、同軸合成器の、同軸合成器の第１の長手方向区間に面する、第２の長手方向区間の端部領域内まで同軸の内側導体が延在すると有利であることが実証されている。同軸合成器の第２の長手方向区間は、必要であれば、増幅モジュールと内側導体との間の接続領域（連結領域）から第２の長手方向区間の方向への合成された高周波出力信号の拡散を防止する（例えば、第２の長手方向区間の領域の内側領域内に中実に実現された外側導体または内側導体までの或る距離に回路基板によって形成された）終端装置を有する。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、第１群の増幅モジュールおよび第２群の増幅モジュールは同軸の内側導体に、同軸合成器の長手方向に見て同じ高さにおいて、接続される。換言すると、第１群の増幅モジュールは同軸の内側導体に、同軸合成器の長手方向に見て第１の高さにおいて、接続され、第２群の増幅モジュールは同軸の内側導体に、同軸合成器の長手方向に見て第２の高さにおいて、接続される。

高電力出力信号の望ましくない反射、ひいては合成損失、を減らすために、またはそれらをできる限り防止するために、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、同軸合成器は、同軸合成器の（特に、接続された増幅モジュールによって引き起こされた）入力側電波インピーダンスが同軸合成器の出力側電波インピーダンスに変成されるように、変成挙動を有する変成部を有する。その結果、線路変成の過程で、（増幅モジュールへの同軸の内側導体の接続領域における）入力側電波インピーダンスが異なる出力側電波インピーダンスに変成される。したがって、Ｎ個の増幅モジュールを有する（それぞれの線路が一般にＲ_１＝５０Ｏｈｍの電波インピーダンスを有する）同軸合成器の入力側電波インピーダンスは、その（並列接続として見ることができる）合成の故に、約Ｒ／Ｎに過ぎない。線路を所望の電波インピーダンスＲ_２（一般には再び元の電波インピーダンスＲ_１）に変成するために、λ／４変成器、またはλ／４変成器として機能する変成器、を、例えば変成部として、設けることができる。その長さは、高周波信号の波長λの（必ずしも厳密ではなく）ほぼ４分の１になる。したがって、例えば、変成部の長さがλ／４より明らかに短いように、内側導体および／または外側導体の直径が段状に変化する「ステップインピーダンス（stepped impedance）」設計の変成部を設けることもできる。変成部の電波インピーダンスＲ_Ｔは、（Ｒ_１／Ｎ＊Ｒ_２）^１／２で推定可能である。例えば、Ｎ＝４およびＲ_１＝Ｒ_２＝５０Ｏｈｍの場合、変成部の電波インピーダンスはほぼＲ_Ｔ＝２５Ｏｈｍになる。ただし、Ｒ_１および／またはＲ_２の値は、必ずしも５０Ｏｈｍになる必要はない。

同軸合成器の有利な一形状が実証されているのは、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、変成部において、同軸合成器の同軸の内側導体が第１の外径を有し、同軸合成器の外側導体が第１の内径を有し、変成部に接続されている出力部において、同軸合成器の同軸の内側導体が第２の外径を有し、および／または同軸合成器の外側導体が第２の内径を有する場合である。ここで、出力部における同軸の内側導体の外径は、変成部における同軸の内側導体の外径より小さいことが好ましい。代わりに、または加えて、出力部における外側導体の内径は、変成部における外側導体の内径より小さいことが好ましい。ただし、ここで、生産技術の観点から有利であるのは、同軸の内側導体の外径のみが第１の外径から異なる（より小さな）第２の外径に変化する場合、または同軸合成器の外側導体の内径のみが第１の内径から第２の異なる（より小さな）第２の内径に変化し、それぞれ異なる直径が同じままである場合である。これは、第２の内径または外径が第１の内径または外径と同じであることも可能なことを意味する。

高電力出力信号の望ましくない反射、ひいては合成損失、を減らすために、またはこれらをできる限り防止するために、高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、変成部における内側導体の第１の外径に対する外側導体の第１の内径の比は、出力部における内側導体の第２の外径に対する外側導体の第２の内径の比より小さい。電波インピーダンスは内側導体の外径に対する外側導体の内径の比に依存するので、これにより電力変成が起こり得る。例えば、出力部における内側導体の外径に対する外側導体の内径の比は、１．５より大きく、好ましくは２より大きい。

高周波増幅ユニットの好適な一実施形態によると、高周波増幅ユニットは、少なくとも２ｋＷ、好ましくは少なくとも４ｋＷ、の出力電力を供給できる。記載の高周波増幅ユニットは、対応して高い電力をコンパクトな設計で供給できることが分かっている。

本発明の第２の態様によると、上記目的は、第１の態様によるいくつかの高周波増幅ユニットと高周波導波管とを備えた増幅システムであって、高周波導波管が複数の高周波増幅ユニットの出力電力を合成できるように、高周波増幅ユニットが高周波導波管の長手方向に沿って高周波導波管上に配置された、増幅システムによっても解決される。高周波導波管は、特に、好ましくは矩形の断面を有する導波管である。例えば、少なくとも２つの、好ましくは少なくとも４つの、より好ましくは少なくとも８つの、高周波増幅ユニットが高周波導波管の一方の側に配置される。これら高周波導波管が高周波導波管の両側に配置される場合は、高周波増幅ユニットの数、ひいては出力電力、を二倍にできる。

特に省スペースの設計がもたらされるのは、増幅システムの好適な一実施形態によると、各高周波増幅ユニットの長手方向軸線が、横方向に、特に高周波導波管の長手方向軸線に対して垂直に、それぞれ延びている場合である。

増幅システムの１つの実施形態によると、各高周波増幅ユニットの同軸の内側導体は、出力側端部において、同軸合成器の電力を高周波導波管に結合するためのプローブとしての（例えば（ロッド）アンテナとしての）役割を果たすので特に有利である。

記載の高周波増幅ユニットにより、増幅システムは、例えば、少なくとも２４ｋＷ、４８ｋＷ、または９６ｋＷ、の出力電力を供給できる。

増幅システムの好適な一実施形態によると、高周波増幅ユニットは、高周波導波管の横方向に互いにずらして、および／または高周波導波管の両側に、配置される。ここで、これら高周波増幅ユニットは、特に、長手方向に（導体）波長の２分の１の距離に配置される。これにより、特に、高周波増幅ユニットのほぼ正方形の横断面との組み合わせにおいて、特に省スペースの設計がもたらされる。

上記の本発明の全ての態様の例および実施形態は、全ての組み合わせで開示されると理解されるべきである。

上記のさまざまな態様の更なる有利な実施形態を、特に図と組み合わせて、これら態様のいくつかの例示的実施形態の以下の詳細な説明において説明する。ただし、本出願に含まれている図は、本発明の保護の範囲を規定するためではなく、説明のためにのみ使用されるものとする。含まれている図面は必ずしも一定比例の縮尺でなく、単に本発明の態様の一般概念を例示的形態で反映しようとするものである。特に、各図に含まれている特徴は、本発明の必須要素として決して見做されるべきではない。

本発明による高周波増幅ユニットの一例示的実施形態を横断面図で示す。本発明による高周波増幅ユニットの一例示的実施形態を長手方向断面図で示す。本発明による高周波増幅ユニットの別の例示的実施形態を長手方向断面図で示す。本発明による高周波増幅ユニットの別の例示的実施形態を横断面図で示す。本発明による増幅システムの一例示的実施形態を横断面図で示す。本発明による増幅システムの一例示的実施形態を上面図で示す。本発明による増幅システムの別の例示的実施形態を示す。

最初に、図１は、本発明による高周波増幅ユニット１００を横断面図（図１ａ）および長手方向区間図（図１ｂ）で示す。高周波増幅ユニット１００は、高周波入力信号を高周波出力信号に増幅するための増幅モジュール１０をいくつか（ここでは４つ）備える。各増幅モジュール１０は、回路基板として平坦に形成され、トランジスタ増幅器１１とサーキュレータ１２とをそれぞれ備える。各増幅モジュール１０は、金属層１３を下面に有する。高周波増幅ユニット１００は、これら増幅モジュール１０の高周波出力信号を合成するための、外側導体１０４とこれに同軸に配置された内側導体１０６とを有する、同軸合成器１０２を更に有する。同軸合成器１０２は長手方向に延在し、外側導体１０４は、横断面で見ると、外面が正方形に形成され、したがって４つの外側面を形成する一方で、外側導体１０４は円形の横断面を内面に有し、内側導体１０６は円形の形状を外面に有する。

増幅モジュール１０は、同軸合成器１０２の外側導体１０４の外面に平らに配置される。ここで、外側導体１０４によってもたらされた４つの外面の各々に一増幅モジュール１０が配置される。ここで、これら増幅モジュール１０は、同軸合成器１０２の外側導体１０４の周囲に周方向に配置される。

更に、同軸合成器１０２の外側導体１０４が作動中に増幅モジュール１０を冷却できるように、これら増幅モジュール１０は同軸合成器１０２上に配置される。この目的のために、冷媒を冷媒ライン１１０に通して外側導体に流せるように、同軸合成器１０２の外側導体１０４は、増幅モジュール１０を冷却するための冷媒回路の一部として形成される。

高周波出力信号を同軸合成器１０２に送信するために、各増幅モジュール１０は同軸合成器１０２の同軸の内側導体１０６に連結ピン１０８を介して接続される。ここで、４つの増幅モジュール１０は、長手方向に見て同じ高さにおいて、同軸の内側導体１０６に接続される。

同軸合成器１０２は、変成部１１２を更に有する。これにより、同軸合成器１０２は変成挙動を有する。この変成挙動により、同軸合成器１０２の連結ピン１０８の領域における入力側電波インピーダンスは同軸合成器１０２の出力部１１４の領域における出力側電波インピーダンスに変成される。この場合、変成部１１２はλ／４変成器を構成し、その入力部には、５０Ｏｈｍの線路抵抗をそれぞれ有する４つの増幅モジュール１０の故に、５０Ｏｈｍ／４の電波インピーダンスが存在する。ここで、この電波インピーダンスを出力部１１４の５０Ｏｈｍの出力側電波インピーダンスに適合化するために、変成部１１２の電波インピーダンスは約２５Ｏｈｍになる。

この目的のために、変成部１１２において、同軸合成器１０２の同軸の内側導体１０６は第１の外径ｄ_１を有し、同軸合成器１０２の外側導体１０４は第１の内径Ｄ_１を有する。変成部１１２に接続されている出力部１１４において、同軸合成器１０２の同軸の内側導体１０６は第２の外径ｄ_２を有し、同軸合成器１０２の外側導体１０４は第２の内径Ｄ_２を有する。ここで、変成部１１２における内側導体１０６の第１の外径に対する外側導体１０４の第１の内径の比Ｄ_１／ｄ_１は、出力部１１４における内側導体１０６の第２の外径に対する外側導体１０４の第２の内径の比Ｄ_２／ｄ_２より小さい。

同軸の内側導体１０６は出力側で外側導体１０４を越えて突出するので、ロッドアンテナ１１６の役割を果たすことができ、電力を高周波増幅ユニット１００から切り離す、および／または電力を高周波導波管に結合する、ことができる（図４または図５を参照）。

本例において、高周波増幅ユニット１００が作動中に約２ｋＷの出力電力を供給できるように、個々の増幅モジュール１０は約５００Ｗの電力を供給する。

図２は、本発明による高周波増幅ユニット２００の別の例示的実施形態を長手方向断面図で示す。高周波増幅ユニット２００は高周波増幅ユニット１００と同様に構築されるので、最初に図１を参照する。以下においては、特に違いを述べる。そのため、参照符号１００の代わりに、対応する参照符号２００が使用される。

例えば、高周波増幅ユニット２００は、同軸合成器２０２を有する。同軸合成器２０２は長手方向により長く、特により長い外側導体２０４を有する。これにより、第１（下側の）増幅モジュール１０群の（この場合は４つの）増幅モジュール１０を同軸合成器２０２の第１の長手方向区間２２０において同軸合成器２０２の外側導体２０４の外面に配置できるばかりでなく、第２（上側の）増幅モジュール１０’群の（この場合は４つの）更なる増幅モジュール１０’も同軸合成器２０２の第２の長手方向区間２３０において同軸合成器２０２の外側導体２０４の外面に配置できる。これにより、同軸合成器２０２の出力電力が二倍になる。

ここで、第１（下側の）群の増幅モジュール１０は、同軸合成器２０２の第１の長手方向区間２２０の端部領域２２２において同軸の内側導体２０６に接続される。前記端部領域は、同軸合成器２０２の第２の長手方向区間２３０に面する。第２（上側の）群の増幅モジュール１０’は、同軸合成器２０２の第１の長手方向区間２２０に面する同軸合成器２０２の第２の長手方向区間２３０の端部領域２３２において、同軸の内側導体２０６に接続される。この目的のために、同軸の内側導体２０６は、同軸合成器２０２の第２の長手方向区間２３０の端部領域２３２内まで延在する。前記端部領域は、同軸合成器２０２の第１の長手方向区間２２０に面する。更に、同軸合成器２０２の第２の長手方向区間２３０は、高周波場が所望の方向に対して上方に同軸合成器２０２の内外に拡大しないように、内側導体２０６の端部の後ろの空隙の後ろに外側導体２０４を中実に延在させて形成される。ただし、代わりに、壁（回路基板）を終端装置として設けることでも十分であろう。

同軸合成器１０２の場合のように、第１群の増幅モジュール１０は、同軸合成器２０２の長手方向に見てそれぞれ同じ高さにおいて、連結ピン２０８によって同軸の内側導体２０６に接続される。同様に、第２群の増幅モジュール１０’は、同軸合成器２０２の長手方向に見てそれぞれ同じ高さにおいて、連結ピン２０８’によって同軸の内側導体２０６に接続される。前記内側導体は第２の長手方向区間２３０内まで延在する。

図３は、本発明による高周波増幅ユニット３００の別の例示的実施形態を横断面図で示す。長手方向断面で見ると、高周波増幅ユニット３００は、図１ｂまたは図２に示されている高周波増幅ユニット１００、２００のように構築可能である。ただし、本ケースにおいては、これらの例示的実施形態と異なり、同軸合成器３０２の外側導体３０４は、外面の横断面が矩形ではなく八角形に形成される。これにより、８つの増幅モジュール１０を外側導体３０４の外面に平らに配置できる。同様に、各増幅モジュール１０を内側導体３０６に接続するために、増幅モジュール１０の数に対応する数の、半径方向内方に延びる連結ピン３０８が設けられる。内側導体３０６のように、同軸合成器３０２の外側導体３０４も円形または環状に形成される。

図４は、本発明による増幅システム４００の一例示的実施形態を横断面図（図４ａ）および上面図（図４ｂ）で示す。増幅システム４００は、図２の高周波増幅ユニット２００をいくつか備える。ただし、図１の高周波増幅ユニット１００または図３の高周波増幅ユニット３００も同様に設けることができる。更に、増幅システム４００は、矩形の断面を有する高周波導波管４０２を備える。各高周波増幅ユニット２００は、高周波導波管４０２の長手方向に沿って高周波導波管４０２上に配置される。ここで、各高周波増幅ユニット２００の長手方向軸線は、高周波導波管４０２の長手方向軸線に対してそれぞれ垂直に延びる。更に、高周波増幅ユニット２００は、高周波導波管４０２の中心軸線に対して高周波導波管４０２の横方向にずらして、および互いに交互にずらして、長手方向に半波長の距離に、高周波導波管４０２上に更に配置される。ただし、代わりに、高周波増幅ユニット２００を高周波導波管４０２の中心軸線上の中心にのみ配置することもできる。同様に、高周波増幅ユニット２００を中心軸線に対して横方向にずらして、しかし長手方向に見て同じ高さに２つずつ対にして、配置することもできる。高周波増幅ユニット２００を対向する両側壁に配置することもできる（図４ｂには、高周波導波管４０２の正面側のみが見える）。言及されている可能性の組み合わせも予想される。認識されるように、同軸合成器２０２の特に矩形または正方形の設計は、コンパクトな設計になる。

各高周波増幅ユニット２００の出力電力は、高周波導波管４０２によって合成される。（高周波導波管の領域のみを示している）図４ａにおいて分かるように、同軸の内側導体２０６は出力側が高周波導波管４０２内に突出する。これにより、高周波増幅ユニット２００の同軸の内側導体２０６は、出力側端部において、同軸合成器２０２の電力を高周波導波管４０２に結合するために、ロッドアンテナ２１６の形態のプローブの役割をそれぞれ果たす。

個々の高周波増幅ユニット２００の出力電力が８×５００Ｗ＝４ｋＷであると、この増幅システムは２４ｋＷの出力電力を供給できる。

図５は、本発明による増幅システム５００の別の例示的実施形態を示す。増幅システム５００は、図４に既に示されている増幅システム４００と同様である。ここでも、高周波増幅ユニット２００は高周波導波管５０２上に配置される。ここで、他の高周波増幅ユニット２００も原則として使用可能である。図４に示されているシステム４００と異なり、高周波増幅ユニット２００は高周波導波管５０２の両側に配置される。これにより、増幅システム４００に比べ二倍の４８ｋＷの出力電力がもたらされる。同様に、増幅モジュール１０、１０’と同軸合成器２０２との間に別の冷却装置を必要とせずに、同軸合成器２０２の外側導体２０４に冷媒を流して増幅モジュール１０、１０’の排熱を案内して逃すように、冷媒を高周波増幅ユニット２００に移送する冷媒ライン５０４を認識できる。

Claims

高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）であって、
− 高周波入力信号を高周波出力信号に増幅するためのいくつかの増幅モジュール（１０、１０’）と、
− 前記増幅モジュール（１０、１０’）の前記高周波出力信号を合成するための、外側導体（１０４、２０４、３０４）とこれに同軸に配置された内側導体（１０６、２０６、３０６）とを有する、同軸合成器（１０２、２０２、３０２）と、
を備えた高周波増幅ユニットにおいて、
− 前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）は長手方向に延び、前記外側導体（１０４、２０４、３０４）は外面の横断面が多角形に形成され、
− 前記増幅モジュール（１０、１０’）は、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記外面に配置され、前記増幅モジュール（１０、１０’）は、前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記外面をほぼ覆うように、ほぼ平坦に形成され、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）にほぼ平らに配置され、
− 前記高周波出力信号を前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）に送信するために、前記増幅モジュール（１０、１０’）は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）に接続される、
ことを特徴とする高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）。
前記外側導体（１０４、２０４、３０４）は前記外面の横断面が矩形に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の高周波増幅ユニット。
前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）が前記増幅モジュール（１０、１０’）を冷却する役割を果たせるように、前記増幅モジュール（１０、１０’）は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外面に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の高周波増幅ユニット。
前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）は、前記増幅モジュール（１０、１０’）を冷却するための冷媒回路の一部として形成されることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
前記増幅モジュール（１０、１０’）は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の周囲に配置されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
前記増幅モジュール（１０、１０’）のうちの少なくとも一部が前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）に、長手方向に見て同じ高さにおいて、接続されることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
第１増幅モジュール（１０、１０’）群の増幅モジュール（１０、１０’）が、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の第１の長手方向区間（２２０）において、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記外面に配置され、第２増幅モジュール（１０、１０’）群の増幅モジュール（１０、１０’）が、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の第２の長手方向区間（２３０）において、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記外面に配置されることを特徴とする、請求項１〜６の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
前記第１群の前記増幅モジュール（１０、１０’）は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第１の長手方向区間（２２０）の端部領域（２２２）において前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）に接続され、前記端部領域は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第２の長手方向区間（２３０）に面する、および／または
前記第２群の前記増幅モジュール（１０、１０’）は、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第２の長手方向区間（２３０）の端部領域（２３２）において前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）に接続され、前記端部領域は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第１の長手方向区間（２２０）に面する、
ことを特徴とする、請求項７に記載の高周波増幅ユニット。
前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第２の長手方向区間（２３０）の前記端部領域（２３２）内まで延在し、前記端部領域は前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記第１の長手方向区間（２２０）に面することを特徴とする、請求項７または８に記載の高周波増幅ユニット。
前記第１群の前記増幅モジュール（１０、１０’）および前記第２群の前記増幅モジュール（１０、１０’）は、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の長手方向に見てそれぞれ同じ高さにおいて、前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）に接続されることを特徴とする、請求項７〜９の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）は、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記入力側電波インピーダンスが前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の出力側電波インピーダンスに変成されるように、変成挙動を有する変成部（１１２、２１２）を有することを特徴とする、請求項１〜１０の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
前記変成部（１１２、２１２）において、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）は第１の外径（ｄ_１）を有し、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）は第１の内径（Ｄ_１）を有し、前記変成部（１１２、２１２）に接続されている出力部（１１４、２１４）において、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）は第２の外径（ｄ_２）を有し、前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記外側導体（１０４、２０４、３０４）は第２の内径（Ｄ_２）を有することを特徴とする、請求項１１に記載の高周波増幅ユニット。
前記変成部（１１２、２１２）における前記内側導体（１０６、２０６、３０６）の前記第１の外径（ｄ_１）に対する前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記第１の内径（Ｄ_１）の比は、前記出力部（１１４、２１４）における前記内側導体（１０６、２０６、３０６）の前記第２の外径（ｄ_２）に対する前記外側導体（１０４、２０４、３０４）の前記第２の内径（Ｄ_２）の比より小さいことを特徴とする、請求項１２に記載の高周波増幅ユニット。
前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）は少なくとも２ｋＷ、好ましくは少なくとも４ｋＷ、の出力電力を供給できることを特徴とする、請求項１〜１３の何れか一項に記載の高周波増幅ユニット。
増幅システムであって、
− 請求項１〜１４の何れか一項に記載のいくつかの高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）と、
− 高周波導波管（４０２、５０２）と、
を備え、
前記高周波導波管（４０２、５０２）が前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）の前記出力電力を合成できるように、前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）は前記高周波導波管（４０２、５０２）の前記長手方向に沿って前記高周波導波管（４０２、５０２）上に配置される、増幅システム。
前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）の長手方向軸線は、横方向に、特に前記高周波導波管（４０２、５０２）の前記長手方向軸線に対して垂直に、それぞれ延びることを特徴とする、請求項１５に記載の増幅システム。
前記同軸合成器（１０２、２０２、３０２）の前記電力を前記高周波導波管（４０２、５０２）に結合するために、前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）の前記同軸の内側導体（１０６、２０６、３０６）は前記出力側端部においてプローブ（１１６、２１６）の役割をそれぞれ果たすことを特徴とする、請求項１５または１６に記載の増幅システム。
前記高周波増幅ユニット（１００、２００、３００）は前記高周波導波管（４０２、５０２）の横方向に互いにずらして、および／または前記高周波導波管（４０２、５０２）の両側に、配置されることを特徴とする、請求項１５〜１７の何れか一項に記載の増幅システム。