JPS5823697B2 - 螺旋状遅波装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は一般的なマイクロ波デバイスに係わ９、特に
進行波管に使われる遅波装置およびその製造方法に関す
る。

一般に進行波管においては、電子の流れは伝搬している
電磁波と相互作用を起こし電磁波のエネルギを増幅する
。

所望の相互作用を起こすために、電磁波は電子流の流路
のまわりに巻若・れた導電性の螺旋状の遅波装置に沿っ
て伝搬される。

遅波装置は、伝搬電磁波が電子流の伝搬速度とほぼ等し
い速度で軸方向に伝搬されるように、それ自体の軸方向
の長さよりかなり長い電磁波の伝搬路を実現する。

初期における螺旋状の遅波装置は、それ自体の周囲に等
間隔に配設された多数の誘電体の棒によって通常は筒状
のハウジングの内に支持される。

近年は、ハウジングと螺旋状の遅波装置の間に同様に巻
かれた同軸の螺旋状誘電体部材による支持部材が用いら
れている。

との遅波装置の螺旋状支持部材およびその製造方法はバ
ートン・Ｈ・スミスにより米国特許第３、’６７０，１
９６号に開示されている。

これによると、遅波装置の心棒に螺旋状の溝が設けられ
ていて、この溝に螺旋が巻かれている。

誘電体の螺旋が上述した溝に巻かれた遅波装置の螺旋の
上にさらに巻かれていて、誘電体の螺旋は心棒の溝から
外側へ放射状に突出するために放射方向に光分な長さを
もっている。

この部材は円筒状ハウジングの中に挿入され、誘電体の
螺旋の外周表面はハウジングにはんだ付けされ、その後
心棒が化学的なエツチングによって取り去られる。

遅波装置のための螺旋状の支持部材を製造する方法につ
いての上述した技術の応用例がウオルタ・フリソソの米
国特許第４，１１５，７２１号に開示されている。

この特許に開示されている方法は上述のスミスの方法と
似ているが、次の点において異なる。

それは、心棒の溝に誘電体を機械的に螺旋状に巻く代わ
りに、予め巻かれた遅波装置の螺旋の間の溝に誘電体が
プラズマ状にされて吹付けられ、その後心棒および吹付
けられた誘電体が所望の半径まで削り取られることであ
る。

進行波管の設計にあたってさらに考慮する事項は電子の
流れと伝搬電磁波（以下、進行波という）の間の相互作
用によって電子が進行波管中を横切るとき電子流の軸方
向の速度が徐々に遅くなるということである。

その結果、電子流と進行波の相対的な軸方向の速度は進
行波管の出力端付近ではいくぶんか異なってしまい、進
行波管の動作効率が減少する。

従来の螺旋状の遅波装置を有する進行波管においては、
この問題は進行波の軸方向の速度が電子流の軸方向の速
度の減少に応じて減少するように電子の流路に沿った遅
波装置の螺旋のピッチを徐々に減少することによって解
決されている。

ピッチが減少する螺旋状の遅波装置についてはチャール
ズ・Ｋ・バーザルの米国特許第２．８５１，６３０号に
開示されている。

遅波装置として導電体が装荷された広帯域進行波管の設
計に適用できるさらに別の考慮すべき事項は、進行波管
の位相速度と周波数との間の所要な特性を得ることは広
帯域動作を容易にするということである。

螺旋状の遅波装置を有する進行波管の帯域幅を拡くする
ための導電体装荷についての代表的な従来技術がジョン
・Ｅ・ネビンズらによる米国特許第３９７２００５号に
開示されている。

この発明の導電体装荷構造は遅波装置のハウジングから
放射状に内側に向かってのびている多数の細長い導電体
のチャンネル部材を含み、各チャンネル部材の遅波構造
体に面している一端は開放している。

この発明の目的は、螺旋状の誘電性支持部材を含み、特
に従来に比べ動作効率が高く遅波装置の単位長さ当たり
の利得が高い進行波管に適用できる螺旋状の遅波装置を
提供することである。

この発明の他の目的は、従来のこの種の装置の動作周波
数よりも高い周波数で動作可能な遅波装置を提供するこ
とである。

この発明の別の目的は、出力端付近で進行波の軸方向の
速度が減少することを補償し、入力端付近での進行波の
位相速度が速く進行波と電子流の相互作用のインピーダ
ンスが高く、出力端付近では従来のこの種の装置よりも
熱容量が大きい螺旋状の遅波装置を提供することである
。

この発明のさらに他の目的は、従来のこの種の装置より
も簡単な構成で高周波数帯域での相互作用のインピーダ
ンスを増加することができ、高周波数帯域での動作効率
および利得を増力口することができる広帯域用の螺旋状
の遅波装置を提供することである。

この発明のさらに別の目的は、螺旋状の誘電性支持部材
を含み従来より安価に簡単かつ信頼性のある螺旋状の遅
波装置の製造方法を提供することである。

この発明のさらに別の目的は、設計上の種々のパラメー
タを従来例に比べてより多く制御することができる螺旋
状の遅波装置の製造方法を提供することである。

この発明の基本的な方法によれば所定のエツチングの影
響を受けない導電性の第１リボンが連続した巻線の間が
所定の間隔を有す２る螺旋状の遅波装置を形成するため
に円筒状の心棒のまわりに巻かれている。

所定の間隔よシ広い幅を有し所定のエツチングの影響を
受けない物質の第２リボンが螺旋状マスクを形成するた
めに螺旋状遅波装置の隣接した巻線の一部分と重なるよ
うに螺旋状遅波装置の巻線の間に巻かれている。

所定のエツチングの影響を受けない誘電体が遅波装置お
よび螺旋状マスクの露出面に蒸着され、その後蒸着され
た誘電体が所定の半径捷で削り取られる。

心棒と螺旋状マスクが取り除かれ、誘電体の外表面が円
筒状ハウジングの内周面と結合されるようにハウジング
中に取付けられる。

このようにして得られた遅波装置においては、強い電磁
界が発生している領域に存在する誘電体の量を減らすこ
とができる。

この結果、高い進行波と電子流の相互作用インピーダン
スが実現でき、動作効率と装置の単位長さ当りの利得を
高くすることができる。

この発明の他の実施例によれば、第２リボンはアーパ状
に幅が変化する部分を有し、その結果、螺旋状マスクの
隣接した巻線間の距離は螺旋の軸方向の距離の関数に従
って徐々に変化する。

このようにして得られた遅波装置においては螺旋状遅波
装置を支持する螺旋状の誘電体の幅が螺旋の軸方向の距
離の関数に従って徐々に変化し、その結果、進行波の位
相速度を装置の出力端に向かうにつれて徐々に減少させ
ることができる。

さらにこの発明の別の実施例によれば、第１リボンはベ
ース部とベース部から突出していてベース部の幅より狭
い幅のりソジ部を有し、ベース部がリッジ部の幅を決め
ていて、この第１リボンがリッジ部がベース部から外側
に向かって放射状に突出するように心棒に巻かれている
。

第２リボンは第１リボンのりツジ部の隣接した巻線間の
距離に略等しい幅を有し、ベース部の一部分と重なるよ
うにしてリッジ部の連続した巻線間に配設される。

このようにして得られた遅波装置は広帯域動作が可能な
ばかりか高周波数帯域での相互作用のインピーダンス（
ここでは動作効率と利得）を増加することもできるリッ
ジ付の遅波装置を実現する。

以下図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図に１円筒状の心棒１４上に導電性のりボン１２が
巻かれることにより形成される螺旋状の遅波装置１０を
示す。

リボン１２をつくる導電性材料は後に続く処理工程で使
われる所定のエツチングに対してその影響を受けないも
のでなければならない。

上述した米国特許第３６７０１９６号および第４１１５
７２１号の方法で用いられた溝が形成された心棒とちが
って、この心棒１４は溝が形成されていない。

心棒１４をつくる材料は所定のエツチングに対してその
影響を受けないものである必要はないが１強度や剛度な
どの他の条件を考慮して選ばれている。

遅波装置のりボン１２をつくる材料としては銅、銅メッ
キされたタングステンあるいは銅メッキされたモリブデ
ン等が好ましく、心棒１４をつくる材料としてはモリブ
デンやタングステンが好ましい。

リボン１２は装置の所望の進行波伝搬特性に従ったピッ
チで巻かれている。

第２図に示すように遅波装置１０のピッチよりも大きい
幅のリボン１６が遅波装置１０の螺旋状リボン１２の隣
り合った巻線と重なり同様に螺旋を形成するように遅波
装置１０のまわりに同軸的に巻かれている。

螺旋状に巻かれたリボン１６は誘電体の蒸着工程を含む
後の処理工程で使われる遅波装置１０上の螺旋状のマス
ク１８を形成する。

螺旋状マスク１８の幅は遅波装置１０の表面で露出され
ていて後に誘電体が蒸着される表面の広さを決定し、螺
旋状の誘電性支持部材の所望の幅に応じて決定されてい
る。

誘電体蒸着工程の後で螺旋状マスク１８の除去を容易に
行なうために、リボン１６は上述した所定のエツチング
に対して、′その影響を受けないような材料でつくられ
ていることが望ましい。

種々の材料が考えられるが、たとえばアルミニウムでリ
ボン１６をつくることが好ましい。

第３図に示すように、遅波装置の支持部材とし。

ての誘導体２０が、螺旋状マスク１８と螺旋状リボン１
２の露出されている表面上に蒸着される。

この誘電体２０は低い誘電率と高い熱伝導率を持ってい
て、上述した所定のエツチングの影響を受けないことが
必要であり、たとえば、ベリリウム。

やアルミナが用いられる。

蒸着の方法としては植種考えられるが、たとえば、プラ
ズマ状にして吹付けることが好ましい。

この発明に使われるプラズマスプレーガンとしては、ニ
ューヨーク１１５９０、ロングアイランド、ウェストベ
リ、１１０１ブロスペクトアベニユにあるＭｅｔｃｏ社
製のプラズマフレームスプレーガン等が適当である。

第３図に示すように、螺旋状マスク１８の露出されてい
る全表面を完全に被すとともにマスク１８の各巻線間の
螺旋状空間を完全に満すに十分な量の誘電体２０がこれ
らに蒸着される。

蒸着された誘電体のうち余った誘電体は、第４図に示す
ような構造にするために所定の半径以上の部分を削るこ
とによって取除かれる。

第４図に示した構造においては、螺旋マスク１８の外周
面を露出するように誘電体２０が取除かれているが、機
械的強度を増すとかハウジングと遅波装置との半径の比
が大きい際の蒸着した誘電体の均一性を向上させる場合
には螺旋マスク１８の外周面を誘電体が被っていてもよ
い。

心棒１４はその後、第５図に示すような構造を残して遅
波装置から機械的に取出される。

螺旋マスク１８はその後、第６図に示すような構造をつ
くるために上述したエツチング技術を使って化学的に取
除かれる。

たとえば０．１〜１０モルの希釈された水酸化ナトリウ
ム溶液によってエツチングが行なわれる。

第６図かられかるように、残った部分において、蒸着さ
れた誘電体２０は遅波装置１０と同軸にかつその囲りに
巻かれた支持部材２２を形成する。

誘電性支持部材２２は遅波装置１０の螺旋リボン１２の
外周面から外側に向かって放射状に突出していて蒸着工
程中において固有の接着剤によって外周面に接合される
。

さらに、上述した製作工程において螺旋マスク１８は遅
波構造の螺旋リボン１２の隣接した各巻線と重なってい
るので、結果として生じる誘電性支持部材２２は遅波構
造の螺旋リボン１２よりも幅が狭い。

第７図に示すように、第６図に示す部材は円筒状のハウ
ジング２４の中に取付けられる。

ハウジング２４は、たとえば、鉄あるいは銅でつくられ
、その内周面と誘電性支持部材２２の外周面が接合され
る。

この接合は一般的な熱収縮技術を使って行なわれる。

すなわち、ハウジング２４は第６図の部材を収納する前
にブレヒートされていて、この部材が収納された後に冷
却され収縮され、支持部材２２の外周面と結合される。

第７図かられかるように、遅波構造の螺旋リボン１２は
支持部材２２の螺旋の幅よシ広いので、強い電磁界が存
在している螺旋リボン１２の連続した各巻線の間に直に
隣接した螺旋リボン１２の領域には誘電体はない。

その結果、遅波装置１０に沿った電子流と進行波の間の
相互作用のインピーダンスは、との遅波装置１０が使わ
れている進行波管において増力口する。

これは遅波装置の動作効率の増加と単位長さ当りの利得
の増加をもたらす。

さらに、螺旋マスク１８の幅に応じて誘電性支持部材２
２０幅を慎重にコントロールできるので、従来の誘電性
支持部材を有する遅波装置を製造する方法に比べて、相
互作用のインピーダンス、誘電体装荷のパラメータとか
進行波の位相速度等の種々の設計上のパラメータについ
てより正確にコントロールすることができる。

加えて、この発明の方法によれば、この種の遅波装置を
安価に製造でき、従来のものよシ小形にすることができ
る。

その結果、との遅波装置を使った進行波管を従来のもの
より高い周波数で動作させることができる。

ｊ第８図乃至第１１図を参照してこの発明の他の実施例
を示す。

第２の実施例によれば、進行波の位相速度を変更するこ
とができ、その結果進行波とそれに関連した電子流の速
度関係を所定の関係に保つことができる螺旋構造の遅波
装置を提供すｊることかできる。

第８図乃至第１１図において第１図乃至第７図に示した
部分と同一または等価な部分は第１図乃至第７図で用い
た参照番号に１００を付は足して表わす。

第８図乃至第１１図において、螺旋マスク ：１１８
を構成するリボン１１６は幅がテーパ状になっている部
分１１７を有する（第８図）。

そのため、第９図に示すようにリボン１１６が螺旋状の
遅波装置１１０のまわりに巻かれると、このテーパ状の
リボン１１７によってつくられる螺旋マ、□スク１１８
の連続した各巻線１１８ａ、１１８ｂ。

１１８Ｃの幅はマスク１１８に沿った距離の関数という
関係で徐々に減少する。

これによシ、蒸着される誘電体１２０を受入れる連続し
た各巻線間の空間がこれに応じて拡がることになる。

第８図乃至第１１図に示した遅波装置の製造は第１図乃
至第７図に示した遅波装置に関して述べた方法と同様な
方法によって行なわれる。

削シ取り工程の後の中間段階の装置を第１０図に、完成
された装置を第１１図に示す。

第１１図に示した遅波装置において、螺旋状の誘電性支
持部材１２２の連続した各巻線１２２ａ。

１２２ｂ 、１２２ｃの幅は支持部材１２２に沿った軸
方向の距離の関数の形で徐々に増加する。

それによって、遅波装置１１０に沿って出力端に向かう
進行波の路において徐々に誘電体の量が増力口し、電子
の流れの軸方向の速度が減少するに従って進行波の位相
速度が減少する。

加えて、遅波装置１１０の入力端付近では誘電本の量が
少ないので、従来の装置の場合に比べて、入力端付近で
の進行波の位相速度が速く進行波と電子流との相互作用
のインピーダンスが高い。

さらに、出力端付近では支持部材１２２の断面積が友き
いので、熱除去容量が最も必要な場所で大きい熱除去容
量が得られる。

この発明の別の実施例、特に広帯域進行波管に滴した実
施例を第１２図乃至第１５図に示す。

第１２図乃至第１５図において第１図乃至第７図に示し
た部分と同一または等価な部分は第１図乃至第７図で用
いた参照番号に２００を付は足して表わす。

第１２図乃至第１５図はリッジ付き遅波装置２１０を示
す。

これは、ベース部２１３とベース部２１３の幅より短か
い幅を有しベース部２１３から外方に向かって突出して
いるリッジ部２１５とを有するリボン２１２が巻かれて
いる。

好ましくは、リッジ部２１５はベース部の↓乃至）程度
の幅であればよい。

第１２図に示すように、ベース部２１３が心棒２１４と
接触する一方、リッジ部２１５がベース部２１３から外
方へ向かって放射状に突出するようにリボン２１２が心
棒２１４のまわりに巻かれている。

リボン２１２は単一の物質からできているように図示さ
れているが、各科がベース部２１３、リッジ部２１５を
構成する所定の幅の２種類のリボンからできていてもよ
い。

第１３図に示すように、螺旋状のマスク２１８は遅波構
造の螺旋リボン２１２の隣り合ったりフジ部２１５の間
の距離、にほぼ等しい幅のリボン２１６を巻くことによ
って得られる。

螺旋マスク２１８は遅波構造の螺旋リボン２１２のベー
ス部２１３の一部分と重なるようにリッジ部２１５の連
続した巻線間に配設される。

第１２図乃至第１５図に示す遅波装置の製造は第１図乃
至第７図に示した遅波装置に関して述べた方法と同様な
方法によって行なわれる。

削り取り工程の後の中間段階の装置を第１４図に、完成
された装置を第１５図に示す。

第１５図に示した遅波装置において、誘電体による螺旋
状支持部材２２２は第７図に示した場合と同様に、遅波
構造の螺旋リボン２１２の連続した巻線間の強い電磁界
が存在するところから取除かれているので、高い利得と
動作効率が得られる。

さらに、螺旋リボン２１２のリッジ部２１５は、広帯域
動作を可能にする位相速度対周波数特性を得るための導
電性の負荷として働く。

力口えて、第１５図に示した遅波装置は従来の装置に比
べて構造が簡単であるばかりか、装置に沿って伝搬する
進行波の相互作用インピーダンス対周波数特性をより一
定とすることができる。

第１５図の装置において相互作用インピーダンスは高周
波数領域で増力ＩＬＬ、その結果、動作効率と利得が増
力口するのでこのことは非常に重大なことである。

第１５図に示した装置のさらに別の利点は、ある低い周
波数の進行波管については螺旋状の遅波装置と円筒状の
ハウジングの間が比較的長い半径方向の距離を必要とす
るということから生じる。

従来、この距離がプラズマ吹付は技術が誘電体を効果的
に蒸着させることができる最大の厚さ以上である場合は
、このような進行波管をつくるのにプラズマ吹付は技術
は適していなかった。

これに反して、この発明によればリッジ部２１５の放射
方向の厚さを要求されるどんな半径方向の距離にも適合
するようにすることでこのような制限を除去することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図はこの発明の基本的な方法による製造
過程の各工程における螺旋状遅波装置を示す図、第７図
は完成された螺旋状遅波装置を示す図、第８図はこの発
明の他の方法による螺旋状遅波装置の製造に用いられる
テーパ状のマスクリボンを示す図、第９図乃至第１１図
は第８図のテーパ状のリボンを用いたこの発明の他の方
法による製造過程の各工程における螺旋状遅波装置を示
す図でそれぞれ第２図、第４図、第７図に対応する図、
第１１図は完成された螺旋状遅波装置を示す図、第１２
図乃至第１５図はこの発明の別の方法による製造過程の
各工程における螺旋状遅波装置を示す図でそれぞれ第１
図、第２図、第４図、第７図に対応する図、第１５図は
完成された螺旋状遅波装置を示す図である。 １０・・・・・・螺旋状遅波装置、１２・・・・・・導
電体リボン、１４・・・・・・心棒、１６・・・・・・
リボン、１８・・・・・・螺旋状マスク、２０・・・・
・・誘電体、２２・・・・・・誘電性支持部材、２４・
・・・・・ハウジング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 筒状ハウジングの中に同軸的に配設された導電性の
   第１螺旋状部材と、前記第１螺旋状部材の周囲に巻かれ
   前記第１螺旋状部材の外周面と接続されるとともに筒状
   ハウジングの内周面と接続さ、′れ前記第１螺旋状部材
   より幅が狭い誘電性の第２螺旋状部材とを具備し、前記
   第２螺旋状部材の一部分の幅は螺旋の軸方向の距離の関
   数に従って変化する螺旋状遅波装置。 ２ 前記第１螺旋状部材を構成する導電体は銅、銅メッ
   キされたタングステンあるいは銅メッキされたモリブデ
   ンであり、前記第２螺旋状部材を構成する誘電体はベリ
   リウムあるいはアルミナであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の螺旋状遅波装置。 ３ ベース部とベース部より幅が狭くベース部より外側
   へ向かって放射状に突出されるリッジ部とを有Ｌｆｆｆ
   ｉ状のハウジングの中に同軸的に配設される導電性の第
   １螺旋状部材と、前記第１螺旋状部材の周囲に巻かれ前
   記第１螺旋状部材のりツジ部の外周面と接続されるとと
   もに筒状ハウジングの内周面と接続され前記第１螺旋状
   部材のりツジ部と等しい幅を有する誘電性の第２螺旋状
   部材とを具備し、前記第１螺旋状部材のベース部はりツ
   ジ部の両側面を越えて横方向に延びている螺旋状遅波装
   置。 ４ 前記第１螺旋状部材のりツジ部の幅はベース部の幅
   の↓乃至Ａの範囲にあることを特徴とする特許請求の範
   囲第３項に記載の螺旋状遅波装置。 ５ 前記第１螺旋状部材を構成する導電体は銅、銅メッ
   キされたタングステンあるいは銅メッキされたモリブデ
   ンであり、前記第２螺旋状部材を構成する誘電体はベリ
   リウムあるいはアルミナであることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項または第４項に記載の螺旋状遅波装置。 ６ 所定のエツチングの影響を受けない導電性の第１リ
   ボンを隣接した巻線の間が所定の間隔を有するように心
   棒に巻き第１螺線状部材を形成する第１工程と、前記第
   １螺線状部材の隣接した巻線の一部分と重なり合うよう
   に第１螺旋状部材の巻線間の螺旋状の空間上に前記所定
   の間隔より広い幅を有し前記所定のエツチングの影響を
   受けない導電性の第２リボンを巻く第２工程と、前記第
   １および第２リボンの露出面に前記所定のエツチングの
   影響を受けない誘電体を蒸着させる第３工程と、前記蒸
   着された誘電体を所定の放射方向の犬；きさにまで削り
   取る第４工程と、前記心棒を取り出す第５工程と、前記
   所定のエツチングによって前記第２リボンを取り除き第
   ３工程で蒸着された誘電体により第２螺旋状部材を形成
   する第６エ程と、第６エ程で製造された部材を円筒状の
   ハウジ１ングの中に取付は前記誘電体の外周面とハウジ
   ングの内周面とを結合する第７エ程とを具備することを
   特徴とする螺旋状遅波装置の製造方法。 ７ 前記第２リボンは幅がテーパ状に変化する部分を有
   し、誘電体により形成された第２螺旋状部材の隣接する
   巻線間の間隔は第２螺旋状部材の軸方向の距離の関数に
   従って変化することを特徴とする特許請求の範囲第６項
   に記載の螺旋状遅波装置の製造方法。 ８ 前記第１リボンはベース部とベース部の幅よシ短い
   幅を有しベース部から外側へ向かって突出しているリッ
   ジ部とを有し前記第１リボンはりフジ部がベース部から
   外側に向かって放射状に突出するように前記心棒に巻か
   れ、前記第２リボンはりフジ部の隣接した巻線の間隔に
   略等しい幅を有しベース部の横に延びている部分と重な
   るようにリッジ部の連続した巻線の間に巻かれることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の螺旋状遅波装
   置の製造方法。 ９ 前記第１リボンを構成する導電体は銅、銅メッキさ
   れたタングステンあるいは銅メッキされたモリブデンで
   あり、前記心棒はモリブデンあるいはタングステンから
   なり、前記第２リボンはアルミニウムからな一カー、前
   記誘電体はベリリウムあるいはアルミナであることを特
   徴とする特許請求の範囲第６項乃至第８項のいずれか１
   項に記載の螺旋状遅波装置の製造方法。