JPH03502272A - マイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器 - 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】 マイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器この発明は、マイクロ波エネルギ転 送回路のモード変換器に関する。

高電力ミリ波の技術は、現在、ジャイロトロン、ユビトロン（Ｕｂｉｔｒｏｎ） 　、自由電子レーザ等のような発生器及び増幅器のために開発が進められている 。

マイクロ波エネルギは導波管により転送される。これらの導波管の断面積は相反 する２つの条件ニ ー転送する電力から来る条件； 一可能なときに、単一モードによるエネルギ伝搬の必要性から来る条件； に従って選択されなければならない。

転送する電力は、過大な電界によりブレークダウンを起こさないようにするため に、大きさが十分あることが要求される。実際の電界は、導波管の断面積の平方 根に逆比例した形で変化する。その逆に、導波管における単一モードの伝搬は、 導波管の寸法が良（定義されたしきい値より小さければ、周波数が高くなうに従 って小さくなるのが保証される。このしきい値は遮断しきい値と呼ばれる。

これらの条件は、高周波で高電力を転送しようとするときに相反条件となる。

従って、転送すべき周波数に対応したしきい値以上では、いくつかのモードの伝 搬が可能な大きめの導波管を用いること、及び寸法の縮小以外の手段により単一 モードの動作が条件となる。更に、マイクロ波エネルギ転送回路は、通常、異な る電磁モード、例えばＴＥｏｓモードによる発生器、モードＴＥｏｘによる伝送 線路、ＴＥ＋＋モードにより励振されたアンテナにより動作する装置から構成さ れる。

従って、これらを接続するためには、要素の出力モードから次の要素のモードに 変換する必要がある。

モード間の変換の問題を解決する公知の解決方法は、壁の幾何学的な形状に周期 的な乱れがある導波管を用いて、との導波管に沿ってこのような周期性をもった ビートを発生する２モ一ド間での変換を助けることからなる。この解決方法は、 通常、長い、例えば長さが数１００波長相当の導波管を用いることになる。

この発明は、異なるモードを伝搬する異なる断面積の２つの導波管間を接合する 問題に対して特に簡単な解決方法を提供するものである。導波管のうちの一つが その基本モードにより動作状態にあり、かつそのモードの伝搬のみが可能な場合 に特に適し、また、その寸法が推測的に、いくつかの伝搬モードを許容する導波 管において、所望の主伝搬モードを設定するのに非常に効果的があることを証明 している。

この発明によれば、一つの帯域の複数周波数で動作する一方の電磁波源と、単一 モードの伝搬によりエネルギを電磁エネルギを用いる回路に転送しなければなら ない他方の導波管との間に配置され、マイクロ波エネルギ転送回路用のモード変 換器において、 一前記モード変換器はその大口径端が前記導波管に接続されている円錐管の形状 を有し、−前記電磁波源は、前記円錐管が励起を行なう領域で、前記導波管の断 面積より小さな断面積を有するように縦開口により前記円錐管に接続されると共 に、前記縦開口の中心で、その断面は、前記第２のモードの場合に、その遮断周 波数を動作周波数帯域の中心周波数となる導波管のものとすることを特徴とした ものが提供される。

この変換構造は、特に寸法を小さく作ることができ、かつ転送する電力との両立 性は保持されている。

この発明によるモード変換器は、進行波増幅器の一部とすることができる。この 場合に、電子ビームは円錐管の小口径端を介して導入される。また、増幅される マイクロ波は、電磁波源を介して注入される。この電磁波源は、例えば、その基 本モードにより動作し、縦開口より大きな断面積を有するする矩形導波管形式の ものでよい。

この発明の他の特徴は、付図により説明する以下の説明を読むことにより明らか となる。

−第１図は右に向って伝搬するＴＥｏ　２モードの円形導波管の場合について、 この発明による一実施例を示し、 一第２ａ図は励起周波数が変化するときに最大エネルギ蓄積ゾーンの横座標を示 すモード変換器の断面を示し、 一第２ｂ図は円錐管と電磁波源との間の接合をシャッタにより完全に整合させた モード変換器の断面を示し、 一第３ａ図は円錐管の小口径端を閉成したモード変換器の他の実施例を示し、 一第３ｂ図は進行波増幅器にこの発明を適用したものを示す。これらの図におい て、同一の参照番号は同一要素を示す。明確にするために、種々の要素の比率関 係は保持されていない。

第１図はこの発明によるモード変換器を断面について示す。このモード変換器は 形状が円錐管１をなす。

この円錐管の大口径端は導波管２に接続されており、導波管２は電磁エネルギを 用いる回路に電磁エネルギを転送する。図示の導波管は円形断面を有する導波管 であり、円形の単一モードＴＥ、、を右に伝搬する。この実施例では、ＴＥｏｚ モードを選択している。円錐管１は円形断面の管である。円錐管の小口径端６は 図に示すように開放することができる。

電磁波源３は円錐管の中心部に位置する縦開口４により円錐管１に接続されてい る。この電磁波源３は、例えばマイクロ波管と、これに続く励振導波管５により 構成されている。マイクロ波管は図示されてない。

励振導波管５のｙ軸は本質的に導波管２の２軸に垂直である。

この電磁波源３は導波管２をほぼ動作周波数ｆ０で励起することを目的としてい る。

モード変換器の機能は以下のようである。導波管２は、与えられた励起のために 選択され、かつ励振導波管５の伝搬モードと異なる単一モードでのみ転送するこ とが要求される。

与えられた断面の導波管には、与えられた周波数で、い（つかの伝搬モードが可 能である。各モードには、遮断周波数が存在する。

この遮断周波数では、導波管が共振空洞のように振るまい、エネルギが伝搬しな い。従って、与えられたモードについてエネルギの伝搬が行なわれるためには、 導波管は、やや高い周波数で動作すること、又は導波管の直径を増加することが 必要である。電磁エネルギの収束は、円錐状の導波管により得られると共に、そ のエネルギの一部をその大口径端に向って、即ち円錐管１の直径が増加する方向 に伝搬させることができる。

横座標Ｚ０を有し、円錐管１のゾーンにおける縦開口４の中心領域において、動 作周波数帯域の動作周波数ｆ０は、選択され、かつ導波管２を伝搬するモードの 遮断周波数であることが要求される。

このためは、横座標ｚ０の領域において、円錐管の断面の寸法を適当に選択すだ けで十分である。

これらの寸法は、遮断寸法と呼ばれている。実際には、与えられた伝搬モードに ついて導波管の寸法と遮断周波数との間に一つの関係が存在する。

例えば、円形断面の導波管では、ＴＥ、、モードの場合に、この関係が、 ２ｚ　ｆｅａｏ／ｃ＝　７．０１５６ となる。

ただし、Ｃは光の速度、 ａｏは導波管の半径、 ｆｅは遮断周波数。

動作周波数帯域の中心周波数が３０ＧＨｚのときは、Ｚｏで２．２３３ｃｍの遮 断直径が得られる。縦開口４は、励振導波管５を円錐管１に接続しており、従っ て円錐管の直径がこのような値となる位置に配置されることになる。

電磁波源３によりほぼ動作周波数ｆ０で励起されたときは、この領域は、エネル ギが実質的に伝搬　　・しないが、電界が非常に強い共振空洞のように作用する 。隣接領域との結合は強く、しかも選択的に発生する伝搬モードは中心周波数が ｆ。のモードのものとなる（選択した例でのＴＥｏ　ｚモード）。しかし、励振 導波管５における電界は導波管２を伝搬するモードの電界成分と両立する成分を 有することが必要となる。

円錐管を励起しいている励振導波管５は、矩形断面を有し、動作周波数ｆ０でＴ Ｅｏ＋モードを伝搬する導波管であるのが好ましい。これが矩形断面を有する導 波管における基本モードとなる。これは、遮断周波数が最低となるモードである ことを意味する。この伝搬モードは固有である。即ち、この導波管は、動作周波 数ｆ０でこのモードのみを伝搬することができる。

断面が矩形の励振導波管５におけるＴＥａ、伝搬モードは、円形導波管にＴＥｏ Ｈモードを励起可能にさせる。実際にＴＥ、、モードを伝搬する矩形導波管では 、電界線が導波管の小口径側に平行である。

ＴＥｏ、を伝搬する円形導波管では、電界線が円形であり、横軸に対して垂直な 面に位置している。

縦開口４では、矩形断面の励振導波管５の大口側が導波管２の２軸に平行してお り、矩形導波管における電界成分がＴＥ、、モードを伝搬する導波管２における 電界成分によ（対応している。

基本モードであっても電界線の方向に依存した２つの動作モードが得られるので 、励起導波管として円形又は矩形導波管を用いるのは好ましくない。

電磁波源３が転送したエネルギは、本質的に導波管２に向って、即ち円錐管１の 直径が増加する方向に伝搬する。円錐管１の直径はｆ０近傍の周波数で励起され たＴＥｏ−モードを伝搬するには狭過ぎるので、円錐管１の他端６の方向には実 質的に何も転送されない。

円錐管１の横座標Ｚ０の領域がｆｏに近い周波数ｆ。

で励起されたときは、最大エネルギ蓄積領域が横座標ｚ、を除き、横座標Ｚ０を 持つことはない。ｆ、がｆｏより低いときは、この横座標Ｚ、が導波管２に向っ て少しシフトされる。

逆に、円錐管１の横座標Ｚ０の領域がｆｏより高いｆ２で励起されたときは、最 大エネルギ蓄積領域は断面積が小さな円錐管ｌの小口径端６に向ってややシフト した横座標Ｚ２を有することになる。これらの変形を第２ａ図に示す。最大エネ ルギ蓄積領特表千３−５０２２７２　（４） 域の横座標が矩形断面の励振導波管５の縦開口４内に存在する限り、結合は可能 である。しかし、矩形断面の励振導波管５の寸法は制限される。

円錐管ｌは、導波管２に向ってシフトされたことを除き、Ｚｏに非常に近い横座 標の領域にエネルギを既に伝搬させており、また蓄積される電磁エネルギは減少 するので、円錐管１の角度が大きければ、それだけ結合周波数帯域が増加するが 、それだけ結合の強さは低下する。

一方のモードと他方のモードとの間の整合を完全なものにするために、接合で励 振導波管５の寸法を調整してもよい。このために、円錐管１との接合で励振導波 管５の出力にシャッタ７を付加して、縦開口４の寸法を減少させることができる 。

この変形を第２ｂ図に示す。

この発明は、特に、円錐管をその小口径端６で終端させる回路の性質に従って、 変更することができる。この小口径端６を短絡させて、即ち第３ａ図に示すよう に閉成させてもよい。

特定の効果的な変形を第３ｂ図に示す。

例えば、進行波ジャイロトロン型増幅器の入力にこのモード変換器を用いること である。

軸方向の電子ビームを発生する電子銃ｌＯは、小口径を有する円錐管の小口径端 ６に配置される。

増幅する電磁波は励振導波管５を介して導入される。この電磁波は導波管２に沿 って増幅され、例えばアンテナで終る図示していない導波管に送出される。この 場合に、導波管２は例えばアルミニウムからなる窓１２により終端される。磁界 はＺ軸に沿って図示していないコイルにより形成される。

この場合に、周波数ｆ０と導波管２の遮断周波数との間の周波数で寄生発振が発 生する恐れがある。導波管２の周波数はｆｏより低い。

この周波数範囲内の周波数の場合は、遮断に対応する円錐管１の直径はｚｏと円 形断面の導波管２の入力との間の横座標ｚ４に配置される。円錐管１の内部が円 形断面の導波管２の入力に隣接する領域内の吸収材料と並べられたときは、これ らの寄生周波は選択的に減衰される。更に、励振導波管５から来るｆｏより実質 的に高い周波数の成分を吸収する固体を用いることもできる。このような吸収材 料は、縦開口４と円錐管の小口径端６との間に含まれる領域内の円錐管の内部に 配置される。

導波管２が矩形断面のときは、この発明によるモード変換器は、不都合なしに、 矩形断面の円錐管により構成される。

遮断でモード変換器の断面の寸法は、選択したモードで、円錐におけるこの位置 で、動作周波数が遮断周波数となるように、計算可能なものとなる。

例えば、以下は矩形のＴＥ、、モードを円形ＴＥ、２モードに変換する円錐管の 寸法であり、非常に良好な結果が得られる。

この円錐管は円形断面を有し、 その小口径は１３ｍｍであり、 その長さは６０ｍｍである。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成２年７月１１日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．一つの帯域の複数周波数（ｓｉｃ）で動作する一方の電磁波源（３）と、単 一モードの伝搬によりエネルギを電磁エネルギを用いる回路へ転送しなければな らない他方の導波管（２）との間に配置されたマイクロ波エネルギ転送回路用の モード変換器において、 −前記モード変換器はその大口径端が前記導波管（２）に接続されている円錐管 の形状を有し、−前記電磁波源（３）は、前記円錐管（１）が励起を行なう領域 で前記導波管（２）の断面積より小さな断面積を有するように、縦開口（４）を 介して前記円錐管（１）に接続されると共に、前記開口の中心で、その断面積は 、前記第２のモードの場合に、動作周波数帯域の中心周波数（ｆｏ）を遮断周波 数とする導波管の断面積となることを特徴とするマイクロ波エネルギ転送回路の モード変換器。
2. ２．請求項１記載のマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器において、 前記電磁波源（３）はその基本モードにより機能する矩形断面の励起導波管（５ ）を介して前記円錐管（１）に接続されたマイクロ波管からなることを特徴とす るマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器。
3. ３．請求項１又は２記載のマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器において 、 前記励振導波管（５）は前記円錐管（１）との接合における結合を整合させるよ うに、シャツタ７（７）により狭くされていることを特徴とするマイクロ波エネ ルギ転送回路のモード変換器。
4. ４．請求項１又は３記載のマイクロ波エネルギ転送回路において、 前記円錐管の小口径端（６）は開放されていることを特徴とするマイクロ波エネ ルギ転送回路のモード変換器。
5. ５．請求項１又は２記載のマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器において 、 前記円錐管の小口径端（６）は短絡されていることを特徴とするマイクロ波エネ ルギ転送回路のモード変換器。
6. ６．請求項１又は３記載のマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器において 、 前記モード変換器は進行波増幅器の一部をなし、増幅する進行波は前記励振導波 管（５）により注入され、かつ軸方向の電子ビームを発生する電子銃（１０）は 前記円錐管（１）の小口径端（６）に配置されている ことを特徴とするマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器。
7. ７．請求項１又は６記載のマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器において 、 前記円錐管（１）の内部は前記中心動作周波数に近い周波数で発生する寄生発振 を減衰させるために、前記縦開口（４）のいずれかの側に位置する領域の吸収材 料と並置される ことを特徴とするマイクロ波エネルギ転送回路のモード変換器。