JPS6134219B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は多空胴クライストロンのうち、とく
に周波数の高い領域で動作する大電力クライスト
ロン増幅器に関するものである。 多空胴クライストロンは、マイクロ波およびミ
リ波帯の大電力源として見通し外通信や衛星通信
の地上局用出力管として広く使用されている。衛
星通信の分野における最近の動向は、使用周波数
が従来のマイクロ波帯からミリ波領域を拡大しつ
つあることである。一般に、多空胴クライストロ
ンは同一出力電力の空胴結合形進行波管に比べ、
低い直流ビーム電圧で動作することが可能であ
り、送信機を小型化でき、しかもコストが下げら
れるという利点がある。 しかし、動作周波数が高くなるにつれて空胴の
寸法が小さくなり、通信用として利得、帯域幅積
の大きい大電力クライストロン増幅器を実現する
のは、次のような理由から困難であつた。 (1) 電子ビーム径が細くなるため、電子ビーム電
流密度が高くなり、大きい集束磁束密度を必要
とする。しかし、現在のところ、電子管の集束
装置として実現可能な磁束密度は8000ガウス以
下であり、この点からビームパービアンスは

【式】 以下程度に制限される。 (2) 電子ビーム径が細くなり、実用できるビーム
パービアンスが低く抑えられることと関連し
て、実現可能な電子銃のカソード径は電子ビー
ム径の10−15倍であり、しかもカソード表面単
位面積当りの放射電流密度も管の寿命の方から
制約を受けるため、利用できる直流ビーム電流
Ioの大きさも動作周波数とともに低下する傾向
にある。 (3) 利用できる直流ビーム電流Ioが制限を受ける
ため、一定の出力電力を得るには、電流ビーム
電圧Voを上げる必要がある。しかし、こうす
ると次式で定義される電子ビーム直流コンダク
タンスGoが低下する。 Go＝Ｉｏ／Ｖｏ〔〕 (1) (4) 動作周波数が高くなると表皮作用による空胴
壁の導体抵抗損が増加し、10GHz以上の周波
数帯では空胴の無負荷Ｑが1500以下に低下す
る。 (5) 空胴の寸法が小さくなつている上に、上記の
ように空胴壁の導体抵抗損による消費電力が増
大するため、単位面積当りの発熱量が大きく、
空胴の熱膨張が原因である共振周波数の熱ドリ
フトにより管の出力変動が生じやすい。 (6) (5)項のような共振周波数の熱ドリフトを防ぐ
目的で空胴を熱的に安定な構造にすると、クラ
イストロン増幅器の利得、帯域幅積を決める上
で、空胴の重要な電気的パラメータである並列
インピーダンス（Ｒ／Ｑ）が100Ω以下に低下
する。 動作周波数が10GHz以下のクライストロン
増幅器の設計例を調べると、上記のような本質
的困難さがないため、電子ビーム直流コンダク
タンスGoや出力空胴の並列インピーダンス
（Ｒ／Ｑ）を大きくすることが可能であり、
Qexをクライストロン増幅器の出力空胴と外部
回路との結合手段の大きさによつて決まる外部
Ｑとすれば、これらの間の積は次のような関係
を満足するように設定されていることが分つ
た。 １＜Go（Ｒ／Ｑ） Qex２ (2) (2)式の関係は、管の利得、帯域幅を大きくす
る目的ばかりでなく、出力空胴の相互作用間隔
に発生する高周波電圧を飽和出力時に直流ビー
ム電圧と同等にし、飽和出力電力を増大するた
めの条件から得られる。 従来技術によるミリ波帯のクライストロン増幅
器の一例として、The Microwave Journal
（1968年11月号53頁）掲載のＢ、Ｇ、Jamesと
Ｌ、Ｔ、Zitelli共著「Kilowatt CW Klystron
Ampli fiers at Ku and Ka Bands」という表題
の公知文献に記載されている帯域中心周波数
35GHzのクライストロン増幅器では、直流ビー
ム電圧Vo＝10750V、直流ビーム電流Io＝1.0A、
出力空胴の無負荷ＱをQo＝1400、出力空胴の並
列インピーダンス（Ｒ／Ｑ）＝50Ωそして出力空
胴の外部Qex＝350に選んでいる。すなわち、こ
の設計パラメータの選択方法は、出力空胴の外部
ＱをQex＝350という大きい値にすることによ
り、電子ビーム直流コンダクタンスGoと出力空
胴の並列インピーダンス（Ｒ／Ｑ）の低下分を補
償し、これらの積Go（Ｒ／Ｑ）Qexを1.63と(2)式
の範囲に設定していた。 しかし、ミリ波帯のクライストロン増幅器で
は、式(2)の関係を満足するように出力空胴のQex
を大きくすると出力電圧のピーク値はある程度ま
で増大するものの、帯域幅が狭くなるため、利
得、帯域幅積は減少するという問題があつた。こ
れは、出力空胴のQoも低下しており、次式で定
義される回路効率ηｃが、Qexの増大に伴い劣化
するため、出力電圧が期待通りに伸びないからで
ある。 ηｃ＝Ｑｏ／Ｑｅｘ＋Ｑｏ (3) しかも、回路効率ηｃの劣化は、出力電圧を抑
制するだけでなく、出力空胴内の導体抵抗損によ
る発熱を大きくするため、クライストロン増幅器
の動作を不安定にするという実用管としては致命
的な欠点を生じせしめる。 この発明の目的は、主として10GHz以上の周
波数帯において、利得、帯域幅積が大きく、かつ
動作の安定な大電力クライストロン増幅器を提供
することである。 この発明によれば、クライストロン増幅器の電
子ビームと相互作用を行なう高周波回路は、入力
空胴と１個以上の中間空胴、１個の出力空胴そし
て各空胴間に置かれた複数個のドリフト管から構
成されている。その中で、出力空胴と出力導波管
との結合孔の大きさによつて決まるQexを、出力
空胴の相互作用間隙端で定義される並列インピー
ダンス（Ｒ／Ｑ）および電子ビーム直流コンダク
タンスGoとの関係において、次のような範囲に
選ぶことを特長としている。 0.4Go（Ｒ／Ｑ） Qex0.7 (4) (4)式の範囲にGo（Ｒ／Ｑ）Qex積がとられる
理由は次の通りである。 すなわち出力空胴と出力導波管との結合孔を大
きくし、Qexを下げると電子ビームから出力空胴
へ変換される電子エネルギーは低下するが、Qex
の値が極端に小さくならないかぎり、出力電力は
あまり減少しない。これは、Qoの値が小さく、
Qexを下げたときの回路効率ηｃの改善率が大き
いためである。しかもQexを下げると帯域幅が広
くなり、利得、帯域幅積は式(4)の範囲で極大値を
示すばかりでなく、動作の安定性も改善できる効
果が得られるからである。 第１図にこの発明にかかる多空胴クライストロ
ンの一例を示す。管１は、真空包囲壁２の一端に
電子ビーム４を形成射出する電子銃組立部３と長
いビーム路の終端部に配置されたコレクタ電極５
を真空包囲壁２のもう一方の端に含んでいる。高
周波回路６は電子ビーム４と累積的電磁相互作用
を行なつて信号波電力の増幅を行なうため、電子
銃組立部３とコレクタ電極５との中間において真
空包囲壁２の内部に包含されている。増幅される
べき信号波電力は入力導波管８を横断方向に密封
した透過性気密窓９を介して、高周波回路６の上
流端に位置する入力空胴６′に印加される。増幅
された信号波電力は、透過性気密窓１１を横断方
向に密封した出力導波管１０を介して、高周波回
路６の下流側に位置する出力空胴６から取り出
される。 通常は、真空包囲壁２、高周波回路６そしてコ
レクタ電極が接地電位であり、電源１３は電子銃
組立部３から直流ビーム電圧Voと直流ビーム電
流Ioを管１に供給する。 高周波回路６はビーム路に沿つて順次配置され
た合計４個の空胴によつて構成される。この各空
胴はドリフト管７によつて分割されており、上流
から順に入力空胴６′、中間空胴６″そして出力空
胴６に大きく分けられる。また、管の帯域特性
を改善する目的で各空胴は共振周波数を可変でき
るような同調機構１２を具備しており、中間空胴
６″のうちすくなくとも１つには外部負荷抵抗１
４が接続されている。 動作に際しては、増幅されるべき信号波電力は
入力導波管８を通して管１に印加される。この信
号波電力は入力空胴６′において電子ビーム４を
速度変調し、この速度変調された電子ビーム４が
ドリフト管７と中間空胴６″を通過するうちに高
密度に集群される。速度変調から密度変調に変つ
た電子ビーム４は出力空胴６においてその運動
エネルギーが電気エネルギーに変換され、信号波
出力電力として出力導波管１０を介して取り出さ
れる。 次に第２図を参照しながら、出力空胴６の構
造および動作様式を一層詳細に説明しよう。 出力空胴６は導電性筒２１とその両端に導電
性端板２２を含む。導電性端板２２は出力空胴６
の中を電子ビーム４が通過できるようにするた
め、ビーム路と軸方向に並んだ孔が設けられてい
る。銅などで作られて軸方向に向いたドリフト管
７が導電性端板２２から空胴内部にそれぞれ突き
出し、互いに対向したドリフト管７の間の空間に
相互作用間隙２３を設定する。また、導電性筒２
１の壁面の一部は可動できるようになつており同
調機構１２と対向する導電性筒２１の壁面には出
力導波管１０との結合孔２４が設けられている。 入力空胴６′と中間空胴６″、ドリフト管７を通
過する過程で集群された電子ビーム４は、出力空
胴６に高周波電流を誘導し、相互作用間隙２３
に高周波電圧を発生させる。この高周波電圧が集
群された電子ビーム４を減速するように作用し、
電子ビーム４の運動エネルギーを電気エネルギー
に変換させる。出力空胴６の内部にたくわえら
れた電気エネルギーは、一部が空胴内壁面の導体
抵抗損によつて熱エネルギーとして消費され、残
りが結合光２４を介して出力導波管１０に送り出
される。すなわち、出力導波管１０から取り出さ
れる信号波出力電力は出力空胴６にたくわえら
れる電気エネルギーから導体抵抗損による熱エネ
ルギーを差し引いた量である。 結合孔２４を小さくしQexを上げると、出力空
胴６をたくわえられる電気エネルギーは増大す
るものの、導体抵抗損も増大するため、結合孔２
４の大きさすなわちQexには最適値が存在する。
また、Qexを上げると帯域幅は一方的に狭くな
る。 第３図は、電子ビーム直流コンダクタンスGo
および出力空胴の（Ｒ／Ｑ）、Qexとの積Go
（Ｒ／Ｑ）Qexと管１の利得、帯域幅積の関係を
示す線図である。曲線３１で示される利得、帯域
幅積はGo（Ｒ／Ｑ）Qex積が0.5〜0.6の範囲で最
大値を示している。これは出力空胴６における
変換効率と回路効率が互いに逆の変化傾向を有し
ているため生じる極大点である。この極大点の位
置は、動作周波数が10GHz以下のマイクロ波帯
になるとGo（Ｒ／Ｑ）Qex積が１以上になる。
逆に動作周波数が高くなれば、Go（Ｒ／Ｑ）
Qex積の小さい方に利得、帯域幅積の極大点が移
る。しかし、Go（Ｒ／Ｑ）Qex積を小さくしす
ぎると、電力利得が急に減少するので、Go
（Ｒ／Ｑ）Qex＝0.4近くに限界がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる６空胴クライストロ
ンを示す構成略図、第２図は第１図の管の出力空
胴と出力導波管を示す断面図、第３図は第１図の
管におけるGo（Ｒ／Ｑ）Qex積と利得、帯域幅
積の関係を示す線図である。 １……多空胴クライストロン、２……真空包囲
壁、３……電子銃組立部、４……電子ビーム、５
……コレクタ電極、６……高周波回路、６′……
入力空胴、６″……中間空胴、６……出力空
胴、７……ドリフト管、８……入力導波管、９…
…透過性気密窓、１０……出力導波管、１１……
透過性気密窓、１２……同調機構、１３……電
源、１４……外部負荷抵抗、２１……導電性筒、
２２……導電性端板、２３……相互作用間隔、２
４……結合孔を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電子ビームを形成射出する電子銃部と、該電
   子ビーム路に沿つて上流から順に１個の入力空胴
   と、１個以上の中間空胴と、１個の出力空胴と、
   各空胴の間に置かれたドリフト管と、電子ビーム
   路の終端に配置されたコレクタ電極とを含む多空
   胴クライストロンにおいて、Goを前記の電子ビ
   ームの直流コンダクタンスとし、（Ｒ／Ｑ）を前
   記の出力空胴の相互作用間隙で定義される空胴の
   並列インピーダンスであるとし、Qexを前記の出
   力空胴と出力導波管の間の出力結合手段の大きさ
   によつて決まる外部Ｑであるとして、前記出力空
   胴が 0.4Go（Ｒ／Ｑ）Qex0.7 という関係によつて規定される出力空胴であるこ
   とを特徴とする多空胴クライストロン。