WO2019172312A1 - 遅波回路、進行波管、及び進行波管の製造方法 - Google Patents

遅波回路、進行波管、及び進行波管の製造方法 Download PDF

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resist
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slow wave
folded
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中野　隆
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Ｎｅｃネットワーク・センサ株式会社
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    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
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    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
    • H01J25/36—Tubes in which an electron stream interacts with a wave travelling along a delay line or equivalent sequence of impedance elements, and without magnet system producing an H-field crossing the E-field

Definitions

  • the present invention is based on the priority claim of Japanese patent application: Japanese Patent Application No. 2018-041045 (filed on Mar. 7, 2018), the entire contents of which are incorporated herein by reference. Shall.
  • the present invention relates to a slow wave circuit, a traveling wave tube, and a method of manufacturing the traveling wave tube.
  • traveling wave tubes are mainly used as transmission source amplifiers.
  • the traveling wave tube amplifies electromagnetic waves for transmission (for example, high frequency) by interacting with an electron beam serving as an energy source.
  • the traveling wave tube has a slow wave circuit for bypassing the electromagnetic wave with respect to the electron beam in order to make the electromagnetic wave and the electron beam have the same speed when interacting.
  • a helix type for example, see Patent Document 1 in which electromagnetic waves are transmitted through a spiral waveguide and a beam hole through which an electron beam passes through the central axis of the spiral waveguide is used. There is a method called.
  • the radio frequency is being increased, and the development of radio devices in the terahertz region is underway.
  • various sensing technologies have been developed in recent years. Accordingly, development of a transmission source amplifier in the terahertz region is required.
  • the wavelength decreases as the frequency increases from microwaves to terahertz waves.
  • it is difficult to manufacture the helix type slow wave circuit because the helical waveguide must be miniaturized.
  • folding-type slow wave circuits are promising instead of helix-type slow wave circuits.
  • the folding-type slow wave circuit transmits electromagnetic waves to a meander-shaped (repetitively folded shape, ninety-nine-fold shape) waveguide to delay the wave, and the folded portions of the meander-shaped waveguide are stacked in the direction of stacking. It has a configuration in which a beam hole through which an electron beam is transmitted penetrates in the center (for example, see Patent Document 2 and Non-Patent Document 1).
  • electromagnetic waves transmitted through a meander-shaped waveguide receive and amplify the energy of an electron beam transmitted through a beam hole.
  • the beam hole is large (about 1 ⁇ 4 of the operating wavelength ⁇ )
  • electromagnetic waves are coupled through the beam hole, and evanescent energy (electromagnetic field fluctuations induced by electromagnetic waves inside a reflective medium such as metal).
  • evanescent energy electromagnetically-induced by electromagnetic waves inside a reflective medium such as metal.
  • Non-advancing energy occurs, energy loss increases, and energy loss due to reflection scattering at the beam hole portion in the transmission direction of the waveguide also increases.
  • the frequency dispersion of the phase velocity also increases due to the influence of the beam hole. Since the slow wave circuit provides an amplification effect when the phase velocity is about the velocity of the electron beam, when the frequency dispersion of the phase velocity increases, the gain-acquisition band also decreases.
  • the main problem of the present invention is to provide a slow wave circuit, a traveling wave tube, and a method of manufacturing the traveling wave tube that can contribute to widening the band while reducing energy loss.
  • the slow wave circuit transmits an electromagnetic wave, and has a meandering portion in which a first folded portion and a second folded portion that is folded back on the side opposite to the first folded portion are alternately repeated.
  • the beam hole includes a portion of the beam hole that is folded back into the first direction.
  • the meandering part is penetrated so as to protrude from the part.
  • the traveling wave tube according to the second viewpoint includes a structure, and the structure includes a slow wave circuit according to the first viewpoint.
  • a traveling wave tube manufacturing method includes: a first step of forming a first resist on a substrate for forming a beam hole extending in a predetermined direction; and the substrate including the first resist.
  • a second step of forming the first resist so that the first resist protrudes from a portion corresponding to the first folded portion of the two resists, and the first resist on the substrate including the first resist and the second resist.
  • a third step of forming the first structure so that the second resist is completely filled, and removing the substrate, the first resist, and the second resist from the first structure.
  • a second structure that is plane-symmetric with the first structure by a fourth step of forming the first structure having the beam hole and the waveguide, and a step similar to the first to fourth steps.
  • FIG. 6 is a process cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing a traveling wave tube having a slow wave circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a process cross-sectional view subsequent to FIG.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view taken along a line XX ′, a cross-sectional view taken along a line XY ′, and a cross-sectional view taken along a line ZZ ′, schematically illustrating a configuration of a slow wave circuit according to the fourth embodiment. .
  • FIG. 1A and 1B schematically show a configuration of a traveling wave tube having a slow wave circuit according to the first embodiment
  • FIG. 1A is a cross-sectional view taken along line XX ′
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line YY ′
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line ZZ ′.
  • the traveling wave tube 1 is a device for causing an electromagnetic wave to interact with an electron beam so that the electromagnetic wave and the electron beam have the same speed.
  • the traveling wave tube 1 includes a slow wave circuit 2 and a structure 30.
  • the slow wave circuit 2 is a circuit that bypasses the electromagnetic wave with respect to the electron beam, causes the electromagnetic wave to interact with the electron beam, and makes the electromagnetic wave and the electron beam have the same speed.
  • the slow wave circuit 2 includes a beam hole 10 and a waveguide 20.
  • the beam hole 10 extends in a predetermined direction 100 and is a space for transmitting an electron beam.
  • the cross section of the beam hole 10 may be substantially circular, and may be polygonal.
  • the predetermined direction 100 is substantially parallel to the stacking direction of the waveguide 20 of the meandering portion 24.
  • the beam hole 10 intersects at a substantially right angle with respect to a portion extending in a direction perpendicular to the predetermined direction 100 in the meandering portion 24 of the waveguide 20.
  • the beam hole 10 penetrates the meandering portion 24.
  • the method of penetrating the beam hole 10 is as follows.
  • the beam hole 10 penetrates the meandering portion 24 so that a part of the beam hole 10 protrudes from the first folded portion 21 of the waveguide 20.
  • the beam hole 10 penetrates the meander-shaped portion 24 so that a part of the beam hole 10 continuously protrudes from the first folded portion 21 of the waveguide 20 in the predetermined direction 100.
  • the beam hole 10 penetrates the meandering portion 24 so that a part of the beam hole 10 protrudes from the first reference plane 101 of the waveguide 20.
  • the beam hole 10 penetrates the meander portion 24 so that a part of the beam hole 10 protrudes from the flat surface 21 a of the waveguide 20.
  • the diameter of the cross section of the beam hole 10 can be about 1 ⁇ 4 of the operating wavelength ⁇ , and is, for example, not less than 0.2 times and not more than 0.3 times the operating wavelength related to the electromagnetic wave, and preferably is about 0.1. It is 22 times or more and 0.28 times or less, more preferably 0.24 times or more and 0.26 times or less.
  • the waveguide 20 is a space for transmitting electromagnetic waves.
  • the waveguide 20 has a meander-shaped portion 24 in which a first folded portion 21 and a second folded portion 22 folded back on the opposite side of the first folded portion 21 are alternately repeated.
  • the waveguide 20 has a predetermined width and thickness except for the first folded portion 21.
  • the first folded portion 21 is folded along the first reference plane 101.
  • the top of the first folded portion 21 has a flat surface 21 a along the first reference surface 101.
  • the second folded portion 22 is folded along the second reference surface 102 that is spaced apart from the first reference surface 101.
  • the top of the second folded portion 22 has a curved surface 22a.
  • the meander-shaped portion 24 is configured in a meander shape (folded shape, ninety-nine folded shape) in which meandering, folding, and folding are repeated.
  • the first reference surface 101 and the second reference surface 102 are substantially parallel to the predetermined direction 100. Both ends of the meander-like portion 24 are connected to ports 23 serving as electromagnetic wave entrances and exits.
  • the structure 30 is an object in which the slow wave circuit 2 is formed.
  • a metal or an alloy such as copper, silver, gold, or nickel can be used.
  • the traveling wave tube 1 is described as an example.
  • the slow wave circuit according to the first embodiment may be used for an amplifier such as a klystron.
  • the beam hole 10 is formed so that a part of the beam hole 10 protrudes from the first folded portion 21 in the meandering portion 24 of the waveguide 20, thereby reducing the influence of the beam hole (matching).
  • the energy loss is reduced, the frequency dispersion of the phase velocity is reduced, and it is possible to contribute to widening the band.
  • the electric field in the predetermined direction 100 of the electromagnetic wave with respect to the beam is increased and the gain is increased by setting the top of the first folded portion 21 to the flat surface 21a along the first reference plane 101. be able to.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line XX ′
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line YY ′
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line ZZ ′.
  • Embodiment 2 is a modification of Embodiment 1, in which the waveguide 20 is made thicker than in Embodiment 1.
  • the thickness of the waveguide 20 can be optimized within a range thicker than that of the first embodiment in consideration of withstand voltage and the like, and is about 1.2 to 1.8 times (around 1.5 times) that of the first embodiment. ).
  • the diameter of the cross section of the beam hole 10 is 0.8 times or more and 1.2 times or less (around 1 time) the distance between the first reference surface 101 and the third reference surface 103, preferably 0.9 times or more. And 1.1 times or less, more preferably 0.95 times or more and 1.05 times or less.
  • the third reference plane 103 is a reference plane shifted from the second reference plane 102 toward the first reference plane 101 by the thickness of the waveguide.
  • the influence of the beam hole is reduced (matching is achieved), the energy loss is reduced, the frequency dispersion of the phase velocity is reduced, and this contributes to a wider band. be able to. Further, the thickness of the waveguide 20 is increased, and the diameter of the cross section of the beam hole 10 is set to be about one time as large as the interval between the first reference surface 101 and the third reference surface 103, thereby further matching the embodiment 1. Can be improved.
  • FIG. 3 schematically shows the structure of a traveling wave tube having a slow wave circuit according to a comparative example, (A) XX ′ cross-sectional view, (B) YY ′ cross-sectional view, (C) Z
  • FIG. 4 is a graph showing the frequency dependence of S21 (transmission characteristics) of the slow wave circuit.
  • FIG. 5 is a graph showing the calculation result of the gain band when there is no energy loss.
  • FIG. 6 is a graph showing the frequency dependence of the phase velocity.
  • FIG. 7 is a graph showing the calculation result of the gain band in which the operating point is adjusted so that the peak is at 275 GHz.
  • 8A and 8B are diagrams schematically showing the electric field distribution of the slow wave circuit, where FIG. 8A relates to Example 1 and FIG. 8B relates to a comparative example.
  • the traveling wave tube 1 has a waveguide 20 and a beam hole 10.
  • the waveguide 20 has a meandering portion 24 that transmits electromagnetic waves and repeats folding.
  • the thickness of the waveguide 20 is the same as that of the first embodiment.
  • the beam hole 10 transmits an electron beam, extends in a predetermined direction 100, and penetrates the center of the meandering portion 24.
  • the cross-sectional shape of the beam hole 10 is circular, and its diameter is the same as in the first and second embodiments.
  • the thickness of the traveling wave tube waveguide (20 in FIG. 2) according to the second embodiment is 1.5 times the thickness of the traveling wave tube waveguide (20 in FIG. 1) according to the first embodiment. Is set. Other configurations are the same in Examples 1 and 2 and the comparative example.
  • FIG. 4 shows the frequency dependence of S21 (transmission characteristics) of Examples 1 and 2 and the comparative example.
  • the energy loss is improved by about 7 dB (43%) with respect to the comparative example.
  • the gain (no loss) is about the same, and the bandwidth is about doubled.
  • the energy loss is improved by about 3 dB compared to the comparative example.
  • the conductivity of Cu as the material of the structure 30 is 2 ⁇ 10 7 S / m in consideration of the surface roughness.
  • Fig. 5 shows the calculation result of the gain band when there is no energy loss.
  • the beam diameter is 0.6 times that of the beam hole 10.
  • the gain is about the same and the band is improved about twice.
  • the gain is about the same and the band is improved about 1.6 times.
  • Fig. 6 shows the frequency dependence of the phase velocity (Vp / c).
  • the frequency dispersion of the phase velocity also increases due to the influence of the beam hole 10. Since the traveling wave tube has an amplification effect when the phase velocity is about the velocity of the electron beam, when the dispersion increases, the band where the gain can be obtained also decreases.
  • the frequency dispersion of phase velocity is smaller than that of the comparative example.
  • the operating point is adjusted to obtain the same gain.
  • the gradient of the phase velocity in FIG. 6 is large in the comparative example, the band is narrowed.
  • the operating point is not adjusted so much to increase the gain.
  • Fig. 7 shows the calculation result of the gain band with the operating point adjusted and the peak at 275 GHz.
  • the gain increases but the band decreases.
  • Example 2 the gain is decreased, but the band is increased compared to the comparative example.
  • the peak frequencies are aligned, in the first and second embodiments, the gain is slightly reduced, but the band is greatly increased.
  • the gradient of the phase velocity in FIG. 6 is large, a wide band cannot be created.
  • FIG. 8 shows the electric field diagram.
  • FIG. 8A shows Example 1
  • FIG. 8B shows a comparative example. It is formulated that the gain increases as the axial electric field increases.
  • the electric field at the center of the beam is substantially the same in both Example 1 and the comparative example.
  • the first embodiment has three cycles (the electric field may be generated in the center), and the comparative example has two cycles.
  • the gain of Example 1 does not decrease so much even when the number of interactions is halved compared to the comparative example.
  • the operating point can be adjusted by changing the dimensions, and the band can be designed as desired.
  • FIG. 9 and 10 are process cross-sectional views schematically showing a method for manufacturing a traveling wave tube having a slow wave circuit according to the third embodiment.
  • Embodiment 3 is a modification of Embodiment 1, in which a traveling wave tube is divided into a plurality (two in FIG. 10B) so as to be bonded together.
  • the beam hole 10 is divided into a plurality of lengths at the center along the extending direction, and the waveguide 20 (including the port 23) is divided along the dividing surface of the beam hole 10.
  • the structure is also divided into the first structure 30A and the second structure 30B.
  • the first structure 30A and the second structure 30B are bonded together.
  • a brazing material for example, an alloy having a melting point of 800 to 1000 ° C.
  • the completed traveling wave tube 1 has the same configuration as that of the first embodiment (see FIG. 1). Note that the method of pasting the divided pieces as in the third embodiment may be applied to the second embodiment.
  • a first resist 41 for forming a beam hole (10 in FIG. 10A) extending in a predetermined direction (corresponding to 100 in FIG. 1) is formed on the substrate 40 (step A1; FIG. 9).
  • the first resist 41 can be formed using a lithography technique.
  • the first resist 41 protrudes from the portion 42a corresponding to the first folded portion (21 in FIG. 10A) of the second resist 42 (and the second folded portion (22 in FIG. 10A)).
  • Step A2 refer to FIG. 9 (B)
  • the second resist 42 can be formed using a lithography technique.
  • the first structure 30A is formed on the substrate 40 including the first resist 41 and the second resist 42 so that the first resist 41 and the second resist 42 are completely filled (step A3; FIG. 9C )reference).
  • the first structure 30A can be formed using a plating technique.
  • the substrate (40 in FIG. 9C) is removed (for example, peeled off) from the first structure 30A, and then the first resist (41 in FIG. 9C) and the second resist (FIG. 9C). 42) of C) is removed (for example, dissolved and removed) (step A4; see FIG. 10A). Thereby, the first structure 30A having the beam hole 10 and the waveguide 20 is manufactured.
  • a second structure (30B in FIG. 10B) that is plane-symmetric with the first structure 30A is formed by steps similar to steps A1 to A4 (step A5; (Not shown).
  • first structure 30A and the second structure 30B are bonded together (step A6; see FIG. 10B).
  • a brazing material can be used for joining the first structure 30A and the second structure 30B.
  • the traveling wave tube is completed.
  • the configurations of the first and second embodiments can be easily manufactured, and man-hours can be reduced and costs can be reduced as compared with the case where the structure is not divided into a plurality of parts.
  • FIG. 11A and 11B schematically show the configuration of the slow wave circuit according to the fourth embodiment: (A) XX ′ cross-sectional view, (B) YY ′ cross-sectional view, and (C) ZZ ′ cross-sectional view. It is sectional drawing.
  • the slow wave circuit 2 is a circuit that bypasses the electromagnetic wave with respect to the electron beam, causes the electromagnetic wave to interact with the electron beam, and makes the electromagnetic wave and the electron beam have the same speed.
  • the slow wave circuit 2 includes a beam hole 10 and a waveguide 20.
  • the beam hole 10 transmits an electron beam, extends in a predetermined direction 100, and penetrates the meandering portion 24 of the waveguide 20.
  • the beam hole 10 penetrates the meandering portion 24 so that a part of the beam hole 10 protrudes from the first folded portion 21 of the waveguide 20.
  • the waveguide 20 transmits electromagnetic waves, and has a meander-shaped portion 24 in which a first folded portion 21 and a second folded portion 22 that is folded back on the opposite side of the first folded portion 21 are alternately repeated.
  • the beam hole 10 is formed so that a part of the beam hole 10 protrudes from the first folded portion 21 in the meander-like portion 24 of the waveguide 20, thereby widening the band while reducing energy loss. Can contribute.
  • the beam hole penetrates the meander portion so that a part of the beam hole protrudes continuously from the first folded portion in the predetermined direction.
  • the first folded portion is folded along a first reference plane, and the second folded portion is disposed at a distance from the first reference plane. Folded along two reference planes, the beam hole penetrates the meander-like portion so that a part of the beam hole protrudes from the first reference plane.
  • a top portion of the first folded portion has a flat surface along the first reference plane, and the beam hole has a portion of the beam hole that is the flat surface.
  • the meandering portion is penetrated so as to protrude from the outside.
  • the top of the second folded portion has a curved surface.
  • a cross section of the beam hole is circular, the predetermined direction is substantially parallel to the first reference plane and the second reference plane, and the beam hole has the cross section.
  • the diameter of the cross section is not less than 0.8 times the interval between the first reference plane and the third reference plane shifted from the second reference plane to the first reference plane by the thickness of the waveguide. .2 times or less.
  • the diameter of the cross section of the beam hole is not less than 0.2 times and not more than 0.3 times the wavelength used for the electromagnetic wave.
  • the predetermined direction is substantially parallel to a laminating direction of the waveguide of the meander-shaped portion.

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Abstract

エネルギー損失を低減しつつ広帯域化することに貢献することができる遅波回路等を提供する。遅波回路は、電磁波を伝送するとともに、第１折り返し部分と、前記第１折り返し部分とは反対側に折り返した第２折り返し部分とを交互に繰り返したミアンダ状部分を有する導波路と、電子ビームを伝送するとともに、所定方向に延在し、かつ、前記ミアンダ状部分を貫通するビームホールと、を備え、前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１折り返し部分からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する。

Description

遅波回路、進行波管、及び進行波管の製造方法
　［関連出願についての記載］
　本発明は、日本国特許出願：特願２０１８－０４１０４５号（２０１８年　３月　７日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
　本発明は、遅波回路、進行波管、及び進行波管の製造方法に関する。
　衛星通信、レーダなどの無線システムにおいては、送信源用増幅器として、主に進行波管が用いられている。進行波管は、送信用の電磁波（例えば、高周波）を、エネルギー源となる電子ビームと相互作用させることにより増幅させる。進行波管は、相互作用させる際に電磁波と電子ビームとを同程度の速度とするために、電子ビームに対して電磁波を迂回させるための遅波回路を有する。遅波回路において電磁波を迂回させる方法として、らせん状の導波路に電磁波を伝送させ、らせん状の導波路の中心軸に電子ビームが通るビームホールを通すヘリックス型（例えば、特許文献１参照）と呼ばれる方法がある。
　ところで、現在、無線周波数の高周波化が進められており、テラヘルツ領域の無線装置の開発が進められている。また、テラヘルツ領域においては、各種センシング技術の開発等も近年進められている。これに伴い、テラヘルツ領域における送信源用増幅器の開発が求められている。
　マイクロ波からテラヘルツ波へ高周波化が進むことより、波長が小さくなる。これに伴い、ヘリックス型の遅波回路では、らせん状の導波路を微細化しなければならないことから、ヘリックス型の遅波回路の製造が困難になる。テラヘルツ領域においては、ヘリックス型の遅波回路に替わって折り畳み型の遅波回路が有望とされている。
　折り畳み型の遅波回路は、ミアンダ状（繰り返し折り返された形状、九十九折形状）の導波路に電磁波を伝送させて遅波させ、ミアンダ状の導波路の折り畳んだ部分が積層する方向の中央に電子ビームが伝送するビームホールを貫通した構成となっている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。
特開２００６－１３４７５１号公報 特開２０１６－１８９２５９号公報
Design Methodology and Experimental Verification of Serpentine/Folded-Waveguide TWTs, Khanh T. Nguyen, IEEE Trans. on E.D., Vol. 61, No. 6, JUNE 2014.
　以下の分析は、本願発明者により与えられる。
　特許文献２、非特許文献１に記載されているような折り畳みの型の遅波回路では、ミアンダ状の導波路を伝送する電磁波が、ビームホールを伝送する電子ビームのエネルギーを受け取って増幅される。その際、ビームホールが大きい（使用波長λの１／４程度）と、ビームホールを介して電磁波同士が結合し、エバネッセントなエネルギー（電磁波が金属などの反射性媒質の内部で誘起する電磁場の変動、進行しないエネルギー）が発生し、エネルギー損失が増加し、導波路の伝送方向のビームホール部の反射散乱によるエネルギー損失も増加する。
　また、折り畳み型の通常の遅波回路の構成では、ビームホールの影響により、位相速度の周波数分散も増加する。遅波回路は位相速度が電子ビームの速度程度のときに増幅作用が得られるため、位相速度の周波数分散が増加すると、ゲインの得られる帯域も減少してしまう。
　さらに、無線周波数の高周波化に伴い遅波回路のサイズが小さくなっても、電子ビームをビームホールは通すために小さくしきれないので、ビームホールの影響による問題がより顕著となる。
　本発明の主な課題は、エネルギー損失を低減しつつ広帯域化することに貢献することができる遅波回路、進行波管、及び進行波管の製造方法を提供することである。
　第１の視点に係る遅波回路は、電磁波を伝送するとともに、第１折り返し部分と、前記第１折り返し部分とは反対側に折り返した第２折り返し部分とを交互に繰り返したミアンダ状部分を有する導波路と、電子ビームを伝送するとともに、所定方向に延在し、かつ、前記ミアンダ状部分を貫通するビームホールと、を備え、前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１折り返し部分からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する。
　第２の視点に係る進行波管は、構造体を備え、前記構造体は、前記第１の視点に係る遅波回路を有する。
　第３の視点に係る進行波管の製造方法は、基板上に、所定方向に延在するビームホールを形成するための第１レジストを形成する第１工程と、前記第１レジストを含む前記基板上に、第１折り返し部分と、前記第１折り返し部分とは反対側に折り返した第２折り返し部分とを交互に繰り返したミアンダ状部分を有する導波路を形成するための第２レジストを、前記第２レジストにおける前記第１折り返し部分に相当する部分から前記第１レジストがはみ出すようにして、形成する第２工程と、前記第１レジスト及び前記第２レジストを含む前記基板上に、前記第１レジスト及び前記第２レジストが完全に埋まるように第１構造体を形成する第３工程と、前記第１構造体から前記基板及び前記第１レジスト並びに前記第２レジストを除去することにより前記ビームホール及び前記導波路を有する前記第１構造体を形成する第４工程と、前記第１乃至第４工程と同様な工程により、前記第１構造体と面対称な第２構造体を形成する第５工程と、前記第１構造体と前記第２構造体とを貼り合わせる第６工程と、を含む。
　前記第１～第３の視点によれば、エネルギー損失を低減しつつ広帯域化することに貢献することができる。
実施形態１に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。 実施形態２に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。 比較例に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。 遅波回路のＳ２１（伝送特性）の周波数依存性を表したグラフである。 エネルギー損失無しの場合のゲイン帯域の計算結果を表したグラフである。 位相速度の周波数依存性を表したグラフである。 ２７５ＧＨｚにピークがくるように動作点を調整したゲイン帯域の計算結果を表したグラフである。 遅波回路の電界分布を模式的に示した図であり、（Ａ）は実施例１、（Ｂ）は比較例に関するものである。 実施形態３に係る遅波回路を有する進行波管の製造方法を模式的に示した工程断面図である。 実施形態３に係る遅波回路を有する進行波管の製造方法を模式的に示した図９に続く工程断面図である。 実施形態４に係る遅波回路の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。
　以下、実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本出願において図面参照符号を付している場合は、それらは、専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。また、下記の実施形態は、あくまで例示であり、本発明を限定するものではない。
［実施形態１］
　実施形態１に係る遅波回路を有する進行波管について図面を用いて説明する。図１は、実施形態１に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。
　進行波管１は、電磁波を電子ビームと相互作用させ、電磁波と電子ビームとを同程度の速度にするための装置である。進行波管１は、遅波回路２と、構造体３０と、を有する。
　遅波回路２は、電子ビームに対して電磁波を迂回させて、電磁波を電子ビームと相互作用させ、電磁波と電子ビームとを同程度の速度にする回路である。遅波回路２は、ビームホール１０と、導波路２０と、を有する。
　ビームホール１０は、所定方向１００に延在するとともに電子ビームを伝送するための空間である。ビームホール１０の断面は、略円形とすることができ、多角形としてもよい。ここで、所定方向１００は、ミアンダ状部分２４の導波路２０の積層方向と略平行である。
　ビームホール１０は、導波路２０のミアンダ状部分２４における所定方向１００に対して直角方向に延在する部分、に対して略直角に交わる。
　ビームホール１０は、ミアンダ状部分２４を貫通する。ビームホール１０の貫通の仕方は、以下の通りである。ビームホール１０は、ビームホール１０の一部が導波路２０の第１折り返し部分２１からはみ出すようにしてミアンダ状部分２４を貫通する。ビームホール１０は、ビームホール１０の一部が導波路２０の第１折り返し部分２１から所定方向１００に連続してはみ出すようにしてミアンダ状部分２４を貫通する。ビームホール１０は、ビームホール１０の一部が導波路２０の第１基準面１０１からはみ出すようにしてミアンダ状部分２４を貫通する。ビームホール１０は、ビームホール１０の一部が導波路２０の平坦面２１ａからはみ出すようにしてミアンダ状部分２４を貫通する。
　ビームホール１０の断面の直径は、使用波長λの１／４前後とすることができ、例えば、前記電磁波に係る使用波長の０．２倍以上かつ０．３倍以下であり、好ましくは０．２２倍以上かつ０．２８倍以下であり、より好ましくは０．２４倍以上かつ０．２６倍以下である。
　導波路２０は、電磁波を伝送するための空間である。導波路２０は、第１折り返し部分２１と、第１折り返し部分２１とは反対側に折り返した第２折り返し部分２２とを交互に繰り返したミアンダ状部分２４を有する。導波路２０は、第１折り返し部分２１を除き、所定の幅及び厚さとなっている。
　第１折り返し部分２１は、第１基準面１０１に沿って折り返されている。第１折り返し部分２１の頂部は、第１基準面１０１に沿った平坦面２１ａを有する。
　第２折り返し部分２２は、第１基準面１０１と間隔をおいて配された第２基準面１０２に沿って折り返されている。第２折り返し部分２２の頂部は、曲面２２ａを有する。
　ミアンダ状部分２４は、蛇行、折り畳み、折り返しが繰り返されたミアンダ状（折り畳み状、九十九折状）に構成されている。ここで、第１基準面１０１及び第２基準面１０２は、所定方向１００に対して略平行である。ミアンダ状部分２４の両端には、電磁波の出入口となるポート２３に接続されている。
　構造体３０は、遅波回路２が形成された物体である。構造体３０には、例えば、銅、銀、金、ニッケル等の金属や合金を用いることができる。
　なお、実施形態１では、進行波管１を例に記載しているが、実施形態１に係る遅波回路をクライストロン等の増幅器に利用してもよい。
　実施形態１によれば、ビームホール１０の一部が導波路２０のミアンダ状部分２４における第１折り返し部分２１からはみ出すようにビームホール１０を形成することにより、ビームホールの影響を低減し（マッチングがとれ）、エネルギー損失が低減され、位相速度の周波数分散が小さくなり、広帯域化を図ることに貢献することができる。また、実施形態１によれば、第１折り返し部分２１の頂部を第１基準面１０１に沿った平坦面２１ａとすることで、ビームに対する電磁波の所定方向１００の電界が大きくなり、ゲインを大きくすることができる。
［実施形態２］
　実施形態２に係る遅波回路を有する進行波管について図面を用いて説明する。図２は、実施形態２に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。
　実施形態２は、実施形態１の変形例であり、導波路２０の厚さを実施形態１のときよりも厚くしたものである。導波路２０の厚さは、耐圧等も考慮して、実施形態１より太い範囲で最適なものとすることができ、実施形態１の約１．２～１．８倍（１．５倍前後）とすることができる。
　ビームホール１０の断面の直径は、第１基準面１０１と第３基準面１０３との間隔の０．８倍以上かつ１．２倍以下（１倍前後）であり、好ましくは０．９倍以上かつ１．１倍以下であり、より好ましくは０．９５倍以上かつ１．０５倍以下である。ここで、第３基準面１０３は、第２基準面１０２から第１基準面１０１側に導波路の厚さ分シフトした基準面である。
　実施形態２によれば、実施形態１と同様に、ビームホールの影響を低減し（マッチングがとれ）、エネルギー損失が低減され、位相速度の周波数分散が小さくなり、広帯域化を図ることに貢献することができる。また、導波路２０の厚さを厚くし、ビームホール１０の断面の直径を第１基準面１０１と第３基準面１０３との間隔の１倍前後とすることで、実施形態１よりもさらにマッチングを改善することができる。
［実施例１、実施例２、比較例］
　実施例１、２に係る進行波管の特性について、比較例に係る進行波管を比較しながら、図面を用いて説明する。図３は、比較例に係る遅波回路を有する進行波管の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。図４は、遅波回路のＳ２１（伝送特性）の周波数依存性を表したグラフである。図５は、エネルギー損失無しの場合のゲイン帯域の計算結果を表したグラフである。図６は、位相速度の周波数依存性を表したグラフである。図７は、２７５ＧＨｚにピークがくるように動作点を調整したゲイン帯域の計算結果を表したグラフである。図８は、遅波回路の電界分布を模式的に示した図であり、（Ａ）は実施例１、（Ｂ）は比較例に関するものである。
　まず、比較例に係る進行波管について説明する。図３を参照すると、進行波管１は、導波路２０と、ビームホール１０と、を有する。導波路２０は、電磁波を伝送するとともに、折り返しを繰り返したミアンダ状部分２４を有する。導波路２０の厚さは、実施形態１と同様である。ビームホール１０は、電子ビームを伝送するとともに、所定方向１００に延在し、かつ、ミアンダ状部分２４の中央を貫通する。ビームホール１０の断面の形状は円形であり、その直径は実施形態１、２と同様である。
　なお、実施例２に係る進行波管の導波路（図２の２０）の厚さは、実施例１に係る進行波管の導波路（図１の２０）の厚さの１．５倍に設定されている。その他の構成は、実施例１、２及び比較例ともに同じである。
　図４に実施例１、２及び比較例のＳ２１（伝送特性）の周波数依存性を示す。０．２７ＴＨｚ付近の各々の最適値で比較して、実施例２では、エネルギー損失が比較例に対し７ｄＢ程度（４３％）改善している。その際、ゲイン（損失無し）は同程度、帯域は倍程度に拡大できている。実施例１では、エネルギー損失が比較例に対し３ｄＢ程度改善している。なお、構造体３０の材料のＣｕの導電率は表面粗さも考慮して２×１０７Ｓ／ｍとしている。
　図５にエネルギー損失無しの場合のゲイン帯域の計算結果を示す。ビーム径はビームホール１０の０．６倍としている。実施例２では、比較例に対し、ゲインが同程度で、帯域が２倍程度に改善している。実施例１では、比較例に対し、ゲインが同程度で、帯域が１．６倍程度に改善している。
　図６に位相速度（Ｖｐ／ｃ）の周波数依存性を示す。比較例の構成では、ビームホール１０の影響により、位相速度の周波数分散も増加する。進行波管は位相速度が電子ビームの速度程度のときに増幅作用が得られるため、分散が増加するとゲインの得られる帯域も減少してしまう。一方、実施例１、２では、比較例に対して、位相速度の周波数分散が小さい。
　なお、図６では、ゲインに関して、動作点を調整し同程度のゲインが得られるようにしている。その際、図６の位相速度の傾きが比較例では大きいため、帯域が狭くなる。ただし、動作点はゲインを上げるためにそれほど無理な調整にはなっていない。
　図７に、動作点を調整し、２７５ＧＨｚにピークがくるようにしたゲイン帯域の計算結果を示す。比較例は、ゲインが増加するが帯域が減少している。実施例２は、比較例に対して、ゲインが減少するが、帯域が増加している。ピークの周波数をそろえた場合、実施例１、２では少しゲインが低下するものの、帯域は大幅に増加している。比較例では、図６の位相速度の傾きが大きいため、広帯域なものを作成することはできない。
　図８に電界図を示す。図８（Ａ）が実施例１、図８（Ｂ）が比較例である。ゲインは、軸方向の電界が大きいほど、大きくなることは定式化されている。ビーム中央部の電界は実施例１及び比較例の両者でほぼ同じである。電界がかかっている領域（図中破線円部、図８（Ａ）は１周期分、図８（Ｂ）は半周期分）の比率は、実施例１の１周期に対し、比較例は６周期（３×２＝６）となっている。また、ビーム中央部に関しては、実施例１が３周期（中央にも電界が発生する場合がある）に対し、比較例は２周期となっている。このことで、実施例１は、比較例に対し、相互作用の回数が半分になってもゲインがそれほど低下していないことがいえる。
　なお、動作点に関しては、寸法変更により調節可能であり、帯域も所望のものに設計可能である。
［実施形態３］
　実施形態３に係る遅波回路を有する進行波管の製造方法について図面を用いて説明する。図９、図１０は、実施形態３に係る遅波回路を有する進行波管の製造方法を模式的に示した工程断面図である。
　実施形態３は、実施形態１の変形例であり、進行波管を貼り合わせ可能に複数（図１０（Ｂ）では２つ）に分割したものである。ビームホール１０は、その延在方向に沿って中央で縦に複数に分割されており、導波路２０（ポート２３を含む）は、ビームホール１０の分割面に沿って分割されている。これに伴って、構造体も第１構造体３０Ａと第２構造体３０Ｂに分割される。第１構造体３０Ａと第２構造体３０Ｂとは貼り合わせによって接合している。第１構造体３０Ａと第２構造体３０Ｂとの接合には、ろう材（例えば、融点が８００～１０００℃の合金）を用いることができる。完成した進行波管１の構成は、実施形態１（図１参照）の構成と同様である。なお、実施形態３のような分割したものを貼り合わせる方法は、実施形態２に適用してもよい。
　まず、基板４０上に、所定方向（図１の１００に相当）に延在するビームホール（図１０（Ａ）の１０）を形成するための第１レジスト４１を形成する（ステップＡ１；図９（Ａ）参照）。ここで、第１レジスト４１は、リソグラフィ技術を用いて形成することができる。
　次に、第１レジスト４１を含む基板４０上に、第１折り返し部分（図１０（Ａ）の２１）と、第１折り返し部分（図１０（Ａ）の２１）とは反対側に折り返した第２折り返し部分（図１０（Ａ）の２２）とを交互に繰り返したミアンダ状部分（図１０（Ａ）の２４）を有する導波路（図１０（Ａ）の２０）を形成するための第２レジスト４２を、第２レジスト４２における第１折り返し部分（図１０（Ａ）の２１）に相当する部分４２ａから第１レジスト４１がはみ出す（かつ、第２折り返し部分（図１０（Ａ）の２２）に相当する部分４２ｂが第１レジスト４１と重ならない）ようにして、形成する（ステップＡ２；図９（Ｂ）参照）。ここで、第２レジスト４２は、リソグラフィ技術を用いて形成することができる。
　次に、第１レジスト４１及び第２レジスト４２を含む基板４０上に、第１レジスト４１及び第２レジスト４２が完全に埋まるように第１構造体３０Ａを形成する（ステップＡ３；図９（Ｃ）参照）。ここで、第１構造体３０Ａは、めっき技術を用いて形成することができる。
　次に、第１構造体３０Ａから基板（図９（Ｃ）の４０）を除去（例えば、剥離）し、その後、第１レジスト（図９（Ｃ）の４１）及び第２レジスト（図９（Ｃ）の４２）を除去（例えば、溶解除去）する（ステップＡ４；図１０（Ａ）参照）。これにより、ビームホール１０及び導波路２０を有する第１構造体３０Ａが製造される。
　第１構造体３０Ａの製造とは別に、ステップＡ１～Ａ４と同様なステップにより、第１構造体３０Ａと面対称な第２構造体（図１０（Ｂ）の３０Ｂ）を形成する（ステップＡ５；図省略）。
　最後に、第１構造体３０Ａと第２構造体３０Ｂとを貼り合わせる（ステップＡ６；図１０（Ｂ）参照）。ここで、第１構造体３０Ａと第２構造体３０Ｂとの接合には、ろう材を用いることができる。これにより、進行波管が完成する。
　実施形態３によれば、実施形態１、２の構成を簡易に製造することができ、構造体を複数に分割しない場合と比べて、工数が低減し、コストを低減させることができる。
［実施形態４］
　実施形態４に係る遅波回路について図面を用いて説明する。図１１は、実施形態４に係る遅波回路の構成を模式的に示した（Ａ）Ｘ－Ｘ’間断面図、（Ｂ）Ｙ－Ｙ’間断面図、（Ｃ）Ｚ－Ｚ’間断面図である。
　遅波回路２は、電子ビームに対して電磁波を迂回させて、電磁波を電子ビームと相互作用させ、電磁波と電子ビームとを同程度の速度にする回路である。遅波回路２は、ビームホール１０と、導波路２０と、を有する。
　ビームホール１０は、電子ビームを伝送するとともに、所定方向１００に延在し、かつ、導波路２０のミアンダ状部分２４を貫通する。ビームホール１０は、ビームホール１０の一部が導波路２０の第１折り返し部分２１からはみ出すようにしてミアンダ状部分２４を貫通する。
　導波路２０は、電磁波を伝送するとともに、第１折り返し部分２１と、第１折り返し部分２１とは反対側に折り返した第２折り返し部分２２とを交互に繰り返したミアンダ状部分２４を有する。
　実施形態４によれば、ビームホール１０の一部が導波路２０のミアンダ状部分２４における第１折り返し部分２１からはみ出すようにビームホール１０を形成することにより、エネルギー損失を低減しつつ広帯域化することに貢献することができる。
　上記実施形態の一部または全部は以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記）
　本発明では、前記第１の視点に係る遅波回路の形態が可能である。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１折り返し部分から前記所定方向に連続してはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記第１折り返し部分は、第１基準面に沿って折り返され、前記第２折り返し部分は、前記第１基準面と間隔をおいて配された第２基準面に沿って折り返され、前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１基準面からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記第１折り返し部分の頂部は、前記第１基準面に沿った平坦面を有し、前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記平坦面からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記第２折り返し部分の頂部は、曲面を有する。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記ビームホールの断面は、円形であり、前記所定方向は、前記第１基準面及び前記第２基準面と略平行であり、前記ビームホールの前記断面の直径は、前記第１基準面と、前記第２基準面から前記第１基準面側に前記導波路の厚さ分シフトした第３基準面と、の間隔の０．８倍以上かつ１．２倍以下である。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記ビームホールの前記断面の直径は、前記電磁波に係る使用波長の０．２倍以上かつ０．３倍以下である。
　前記第１の視点に係る遅波回路において、前記所定方向は、前記ミアンダ状部分の前記導波路の積層方向と略平行である。
　本発明では、前記第２の視点に係る進行波管の形態が可能である。
　本発明では、前記第３の視点に係る進行波管の製造方法の形態が可能である。
　なお、上記の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（特許請求の範囲及び図面を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択（必要により不選択）が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。また、本願に記載の数値及び数値範囲については、明記がなくともその任意の中間値、下位数値、及び、小範囲が記載されているものとみなされる。
　１　進行波管
　２　遅波回路
　１０　ビームホール
　２０　導波路
　２１　第１折り返し部分
　２１ａ　平坦面
　２２　第２折り返し部分
　２２ａ　曲面
　２３　ポート
　２４　ミアンダ状部分
　３０　構造体
　３０Ａ　第１構造体
　３０Ｂ　第２構造体
　４０　基板
　４１　第１レジスト
　４２　第２レジスト
　４２ａ　第１折り返し部分に相当する部分
　４２ｂ　第２折り返し部分に相当する部分
　１００　所定方向
　１０１　第１基準面
　１０２　第２基準面
　１０３　第３基準面

Claims (10)

  1. 　電磁波を伝送するとともに、第１折り返し部分と、前記第１折り返し部分とは反対側に折り返した第２折り返し部分とを交互に繰り返したミアンダ状部分を有する導波路と、
    　電子ビームを伝送するとともに、所定方向に延在し、かつ、前記ミアンダ状部分を貫通するビームホールと、
    を備え、
    　前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１折り返し部分からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する、
    遅波回路。
  2. 　前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１折り返し部分から前記所定方向に連続してはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する、
    請求項１記載の遅波回路。
  3. 　前記第１折り返し部分は、第１基準面に沿って折り返され、
    　前記第２折り返し部分は、前記第１基準面と間隔をおいて配された第２基準面に沿って折り返され、
    　前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記第１基準面からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する、
    請求項１又は２記載の遅波回路。
  4. 　前記第１折り返し部分の頂部は、前記第１基準面に沿った平坦面を有し、
    　前記ビームホールは、前記ビームホールの一部が前記平坦面からはみ出すようにして前記ミアンダ状部分を貫通する、
    請求項３記載の遅波回路。
  5. 　前記第２折り返し部分の頂部は、曲面を有する、
    請求項３又は４記載の遅波回路。
  6. 　前記ビームホールの断面は、円形であり、
    　前記所定方向は、前記第１基準面及び前記第２基準面と略平行であり、
    　前記ビームホールの前記断面の直径は、前記第１基準面と、前記第２基準面から前記第１基準面側に前記導波路の厚さ分シフトした第３基準面と、の間隔の０．８倍以上かつ１．２倍以下である、
    請求項３乃至５のいずれか一に記載の遅波回路。
  7. 　前記ビームホールの前記断面の直径は、前記電磁波に係る使用波長の０．２倍以上かつ０．３倍以下である、
    請求項６記載の遅波回路。
  8. 　前記所定方向は、前記ミアンダ状部分の前記導波路の積層方向と略平行である、
    請求項１乃至６のいずれか一に記載の遅波回路。
  9. 　構造体を備え、
    　前記構造体は、請求項１乃至８のいずれか一に記載の遅波回路を有する進行波管。
  10. 　基板上に、所定方向に延在するビームホールを形成するための第１レジストを形成する第１工程と、
    　前記第１レジストを含む前記基板上に、第１折り返し部分と、前記第１折り返し部分とは反対側に折り返した第２折り返し部分とを交互に繰り返したミアンダ状部分を有する導波路を形成するための第２レジストを、前記第２レジストにおける前記第１折り返し部分に相当する部分から前記第１レジストがはみ出すようにして、形成する第２工程と、
    　前記第１レジスト及び前記第２レジストを含む前記基板上に、前記第１レジスト及び前記第２レジストが完全に埋まるように第１構造体を形成する第３工程と、
    　前記第１構造体から前記基板及び前記第１レジスト並びに前記第２レジストを除去することにより前記ビームホール及び前記導波路を有する前記第１構造体を形成する第４工程と、
    　前記第１乃至第４工程と同様な工程により、前記第１構造体と面対称な第２構造体を形成する第５工程と、
    　前記第１構造体と前記第２構造体とを貼り合わせる第６工程と、
    を含む、
    進行波管の製造方法。
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