JPH02265146A - 超高周波発振管装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、超高周波発振管に係わり、とくに直流磁界
中を螺旋運動する電子ビームと空胴共振器および導波管
からなる高周波回路構体内のＴＥモード電磁波との相互
作用によってマイクロ波乃至サブミリ波帯の電磁波の発
生を行う電子管に関する。

（従来の技術） この種電子管として、これまでベニオドロンが知られて
いる。このベニオドロンは、例えば特公昭４５−３５３
３４号公報、あるいは特開昭６１−２７３８３３号公報
などに開示されているように、直流磁界中を螺旋運動す
る電子ビームと高周波回路を伝搬する電磁波との相互作
用による位相分離効果に基き電磁波の発振、あるいは増
幅動作をする電子管である。

すなわちベニオドロンは、空間的に一様でない高周波電
磁場中での電子の旋回中心の移動の効果を利用しており
、個々の電子は一回転する間に加減速を交互に受ける。

この−回転当りの加減速の効果の差が累積することによ
って、電子の運動エネルギーが高周波電磁場に与えられ
る。このベニオドロン動作機構では、個々の電子と高周
波電磁場とのエネルギーの授受が本質をなしており、電
子の集団的効果によって電磁場の増幅が起るクライスト
ロンやジャイロトロン等の動作と本質的に異なっている
。したがってベニオドロンでは、電子のふるまいが高周
波電磁場との位相関係に依存しないような動作が可能で
ある。そのため位相分離効果により電子ビームが全て電
磁波の減速電界に捕捉されるので、原理的には、電子ビ
ームの回転運動エネルギーを全て電磁波のエネルギーに
変換できる。この理由から、電子ビームから電磁波への
エネルギー変換効率はきわめて高い値が期待できる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、従来知られている上記のような発振管では、
電子ビームの軸方向運動エネルギーは電磁波のエネルギ
ーに変換できないので、完璧な減速コレクタを採用しな
いかぎり、この変換効率を１００％に近づけることはで
きない。一方、電磁波の周波数が高くなると、高周波回
路として採用している空胴共振器や導波管などの寸法が
小さくなり、これら高周波回路の許容電力損失の点から
耐電力が制約されると共に、必要な直流磁界の強度も大
きくなり、発振あるいは増幅動作をする電磁波の周波数
も制約されるので、これまでに実現されている管の出力
電力は１０ｋＷレベル、動作周波数は４５ＧＨｚどまり
である。また他方、これまで考えられてきた、空胴共振
器部分のみで高周波出力の略々全電力を発振させ、この
高周波エネルギーをそのまま後続の導波管を伝送させて
出力を取り出す動作機構では、空胴共振器内に存在する
反射波と螺旋運動する電子ビームとの相互作用により電
子が逆に電磁波から奪うエネルギーが無視できないレベ
ルとなり、十分高い変換効率は得られないこさがわかっ
た。

この発明の目的は、上述のベニオドロンの特長である高
効率特性を高周波数化２大出力化のための要件を満たす
自己共鳴条件のもとて最大限に発揮するように構成して
、マイクロ波乃至サブミリ波帯の高効率、大出力動作が
得られる超高周波発振管を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、螺旋運動する電子ビームと高周波回路構体中
のＴＥモード電磁波とが自己共鳴条件（電磁波の位相速
度Ｖｐが、光速Ｃに等しいか又は略々等しい時、この条
件が成立する）を満たして相互作用する超高周波発振管
において、高周波回路構体を空胴共振器部とそのビーム
下流に直結した進行波伝送導波管部とで構成し、空胴共
振器部での発振高周波電力レベルを進行波伝送導波管部
から最終的に出力される高周波電力レベルに対して十分
小さく抑制して動作する超高周波発振管である。これを
自己共鳴ベニオドロン発振管と記す。

（作用） 本発明によれば、−層短波長帯まで、大電力で高効率動
作をする発振管を実現できる。

すなわち、本発明の自己共鳴ベニオドロン発振管では、
自己共鳴条件を満す空胴共振器部における電子ビームと
この電子ビーム方向に進行するＴＥモード電磁場との相
互作用が比較的弱いうちは各電子ごとの振舞いのばらつ
きが小さいので、ここで予備的な比較的小電力の発振を
行ない、この共振器部を通り過ぎた電子ビームと発振出
力をそのまま進行波伝送導波管部に導入し増幅作用を行
なわせる。この導波管部では同じく自己共鳴条件を維持
しながら進行波および電子ビームが相互作用するので、
電子の回転運動エネルギーのみならず軸方向運動エネル
ギーまでもが電磁場の増幅に寄与し、発振管全体の変換
効率がきわめて高いものとなる。

（実施例） 以下図面を参照してその実施例を説明する。

第１−図は、本発明の実施例の発振管を示す概略図であ
る。これは管軸２に沿って組み立てた電子銃構体１１．
電子ビーム導入部１２．横断面が正方形。

矩形または円形導波管からなる空胴共振器部１３゜横断
面が前記共振器と同じ形状を有し且つそのビム下流に直
結された進行波伝送導波管部１４．コレクタ部１５．気
密接合された誘電体からなる出力窓１６．出力導波管１
７．および外周に配置された複数のソレノイド１８．１
９．２０を備えている。電子銃構体１１は、カソード２
１．加速陽極２２を備え、中空の電子ビームｅを放出す
る。ソレノイド１８．　１９は、電子銃構体近傍のまわ
りに設置されており中空電子ビームｅを管中心軸（２軸
）のまわりの螺旋運動に変換するための所定強度の直流
磁界を発生させる。ソレノイド２０は、空胴共振器部１
３および導波管部１４により構成された高周波回路構体
に管軸２方向にほぼ平行な所定強度の直流磁界を発生し
、電子ビームｅを所定周期で螺旋運動させるように設け
られている。空胴共振器部１３．および導波管部１４は
、発振波波長に比べて横断面寸法が相対的に十分大きな
管を使用するなどの手段により、管内を伝搬する所定モ
ードの電磁波の位相速度Ｖｐが光速Ｃに近い値となるよ
うになっている。それによって、自己共鳴条件が維持さ
れる。なお、利用できる電磁波のモードは、ベニオドロ
ン動作を可能とするために、例えば矩形導波管Ｔ　Ｅ　
ｌ　］モード、円形導波管Ｔ　Ｅ　２　］モードなど電
子の螺旋運動中心から離れるにしたがって高周波電界の
強度が強くなるモードである。

さて、本実施例では、螺旋運動する電子ビームと空胴共
振器部１３内の所定モードの電磁波とのベニオドロン相
互作用により、電子ビームｅの運動エネルギーの一部が
電磁波エネルギーに変換され、所定の強度およびモード
の電磁波を発生（発振）し、ここで発生した電磁波およ
び螺旋運動する電子ビームはすぐ下流の導波管部１４に
透過し、ここで再びベニオドロン相互作用により電磁波
の強度を増大（増幅）させる。これが本発明超高周波発
振管の動作の概略であるが、以下にこの構成の利点を説
明する。

先ず、進行波伝送導波管１４内での電磁波の増幅から説
明する。第２図は円筒導波管Ｔ　Ｅ　２１モード中で自
己共鳴条件でベニオドロン動作をする電子の相対運動エ
ネルギーＥｅｌ（縦軸）の変化を導波管１４の軸方向（
２方向）（横軸）に沿って示す計算機シミュレーション
の一例である。同図には、電子の入射位相の異なる２４
個の代表電子の運動エネルギーの変化が示されているが
、螺旋運動する電子ビームのすべての電子が、導波管中
を進行するにつれてほぼ同時にその運動エネルギーを電
磁波に与えて電子エネルギーはあたかも１個の電子のエ
ネルギー変化のように減少していることが理解される。

このシミュレーションの結果で、電子ビームの運動エネ
ルギーから電磁波に与えるエネルギーの最大変換効率が
９５％となっているのは、この計算例で変換効率を９５
％となる動作条件に設定しているためであり、動作条件
の選定により変換効率を１００％に近づけることが可能
である。

このように導波管中を進行する電磁波と自己共鳴条件で
のベニオドロン動作による電磁波の増幅ては、電子ビー
ムの運動エネルギーの電磁波のエネルギーへの変換効率
を１００％に近づけることが可能な超高周波電子管であ
る。

ところで、この動作を空胴共振器部１３内だけで、導波
管部を経て取り出す略々全出力電力に相当する高周波エ
ネルギーを発振させると、既述のように空胴共振器内に
存在する反射波と螺旋運動する電子ビームとは自己共鳴
条件が満たされないために、上述のような高い変換効率
は得られず、発明者らの前記動作条件でのシミュレーシ
ョンの結果では最大６７％に止った。これは、空胴共振
器内の反射波の影響であり、空胴共振器中での電子ビー
ムと電磁波との相互作用が進展するにつれて、電子ビー
ムの個々の電子の入射位相の違いにより、電子の運動エ
ネルギーの変化に差異が生じ、第２図に示したようなす
べての電子の運動エネルギーを全く同等に電磁波のエネ
ルギーに変換することができなくなるためである。しか
し、個々の電子の運動エネルギーに大きな差異が生じる
のは、電子の運動エネルギーの大半を電磁波エネルギー
に変換して、その運動エネルギーが小さくなってからで
あり、第１図に示す構成において、空胴共振器１３の部
分での電磁波の発振電力を低く抑え、その下流に直結さ
れた導波管ｊ４の部分で電子ビームの運動エネルギーの
大部分を電磁波のエネルギーに与えて増幅する構成をと
ることにより、第２図に示したと同等な高い変換効率を
維持した発振管を得ることが可能である。

第３図は、第１図の構成において、空胴共振器部１３で
の発振電力（横軸）に対する管全体での変換効率η（縦
軸）の変化のシミュレーションの一例を示しており、導
波管部から取り出す高周波出力電力は約６．４ＭＷとし
た場合である。同図から、空胴共振器部分での発振電力
を全部出力電力の８％以下、より望ましくは４％以下（
ただし、いずれも０は含まない）に低く抑えることによ
り、管全体での電子ビームエネルギーから電磁波エネル
ギーへの変換効率を９０％以上に高く維持できる。

また、本発明の超高周波発振管では、空胴共振器部およ
びその下流に直結された進行波伝送導波管部で構成され
る高周波回路内で自己共鳴条件を満たして相互作用動作
をするため、従来のこの種電子管と比べて、高周波回路
の断面寸法を十分大きくとれる。また、大電力動作では
必然的に要求される高エネルギー電子ビームに対して、
同じ周波数の電磁波を発生するための所定の直流磁界強
度を大幅に小さくてきる。こうして、サブミリ波帯でも
高効率で大電力発生の動作を実現できる。

別の実施例として、例えばソレノイド２０を複数個に分
割し、それらを軸方向に縦列配置するとともに各分割ソ
レノイドの発生磁界強度を適当に調節し、進行波伝送導
波管部１４内の管軸方向に沿う直流磁界強度を電子ビー
ム下流でテーパ状に分布する構成にすることができる。

すなわち、現実の導波管では位相速度Ｖｐが光速Ｃより
も大きいので、そのままでは理想的な自己共鳴条件を維
持することはできないが、後述するシミュレーションの
結果から明らかなように進行波伝送導波管部１４の軸方
向下流側に直流磁場テーパ領域を設けることにより、自
己共鳴条件鴻保って高効率動作を得ることができる。

第４図乃至第６図はそのシミュレーション結果を示して
いる。これらは、位相速度Ｖｐを光速Ｃの１．０５倍と
し、電磁波モードをＴ　Ｅ　２１、発振周波数を２００
ＧＨｚ、加速電圧をＩＭＶ、電子ビームを構成している
電子の回転運動速度と軸方向運動速度との比を１．１０
９、導波管部の上流側の一定磁界強度を８，４１テスラ
に設定した場合である。その場合、導波管部の内半径は
２．３９ｍｍである。そして、第４図、第５図、および
第６図は、空胴共振器部１３から導波管部１４に入射す
る高周波電力がそれぞれ１ｋＷ、ｌ０ｋＷ、およびｌ０
０ｋＷとしたときの結果である。なお、これらの図中の
曲線１は電子ビーム電流がｌＡｌ２はＩＯＡ、３は１０
０Ａの場合であって、磁界強度Ｂ２の曲線１．２．３は
、それぞれ出力電力レベルＰの曲線１．２．３に対応し
ている。

これらの結果から、導波管部１４の上流側においては磁
界強度をほとんど一定とし、下流側で各動作条件に応じ
て適切なテーパ状の分布に設定することにより、高出力
、高い変換効率が得られることが明らかである。それは
、電子と電磁波との相互作用が弱い上流側においてはほ
とんど一定の磁界強度とし、相互作用が強くなって電子
の質量や速度が変化し共鳴条件の補正が必要となる下流
側で磁界強度を各動作条件に応じて適切なテーパ状分布
とすることにより、高出力が得られ、且つ高い変換効率
が得られるのである。

したがって、所望の出力電力に応じて動作条件を定める
とともに、導波管部の直流磁界強度を軸方向に適切なテ
ーパ状分布として与えることにより、十分な自己共鳴条
件を維持してきわめて高い効率を得ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、螺旋運動する電子ビーム
と高周波回路構体中の電磁波とが自己共鳴条件を満たし
て相互作用しており、高周波回路構体が空胴共振器部と
進行波伝送導波管部とを直結した形で構成するとともに
、空胴共振器部での発振高周波電力レベルを進行波伝送
導波管部から最終的に出力される高周波電力レベルに対
して十分小さく抑制して動作する超高周波発振管である
。それによって、従来実現されている以上に比較的大き
い共振器、導波管寸法で、高周波数、大電力で高効率動
作を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例を示す概略構成図、第２図は
その電磁波増幅器部分での管軸に沿った個々の電子の運
動エネルギーの変化を示す特性図、第３図は空胴共振器
部での発振電力に対する発振管全体での変換効率の変化
を示す特性図、第４図、第５図、および第６図はこの発
明の他の実施例の作用を説明する比較特性図である。 １１・・・電子銃構体、 １３・・・空胴共振器部、 １４・・・進行波伝送導波管部、 １５・・・コレクタ部、 １８．１９．２０・・ソレノイド、 ｅ・・・電子ビーム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子銃構体と、高周波回路構体と、コレクタ部と
   を具備し、直流磁界中を螺旋運動する電子ビームと前記
   高周波回路構体中のＴＥモード電磁波との相互作用を利
   用する超高周波発振管において、 上記高周波回路構体は空胴共振器部およびその電子ビー
   ム下流に直結して設けられた進行波伝送導波管部により
   構成するとともに、これら空胴共振器部および進行波伝
   送導波管部のいずれにおいても前記電子ビームとＴＥモ
   ード電磁波との相互作用に対し自己共鳴条件を維持し、
   且つ、上記空胴共振器部での発振高周波電力レベルを上
   記進行波伝送導波管部から最終的に出力される高周波電
   力レベルに対して十分小さく抑制することを特徴とする
   超高周波発振管。
2. （２）進行波伝送導波管部における直流磁界強度は、管
   軸方向にテーパ状に分布する領域を有する請求項１記載
   の超高周波発振管。