(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード、カソード電源および少なくとも１つの制御電極を持つタイプの送信機管を備え、前記制御電極およびカソードが同一電位にあるときは前記送信機管がオンされ、前記制御電極の電位が送信機管遮断電圧と呼ばれる所定の値にだけ前記カソード電位と異なるときは前記送信機管がオフされるパルス変調装置において、
前記送信機管の前記制御電極を前記カソード電源の端子に接続する手段と、
前記カソードを前記カソード電源の前記端子に接続することによって閉じられるときには前記送信機管のカソードの電位が前記制御電極と同一の電位になり、前記カソードを前記カソード電源の前記端子から接続を外すことによって等価カソード抵抗が非常に高くなり、このため前記送信機管が遮断領域で自己バイアスされ、これによって開かれるときには前記制御電極と前記送信機管カソードとの間の電位差が送信機管遮断電圧に復帰するようにするメインオンスイッチを含む手段とを有することを特徴とするパルス変調装置。
【請求項２】
前記メインオンスイッチが、ターンオン時間と比べて比較的遅いターンオフ時間を持つタイプのスイッチであり、前記メインオンスイッチがオフされる間に前記カソードの遮断電圧への復帰を加速するために充分速いターンオン時間を持つオフスイッチをさらに有することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項３】
前記オフスイッチが前記カソードと前記カソード電源のコレクタタップとの間に接続されることを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。
【請求項４】
前記オンおよびオフスイッチがそれぞれ、前記送信機管のカソードと前記電源コレクタとにそれぞれ接続されたドレーンと、前記カソード電源と前記送信機管カソードとにそれぞれ接続されたソースとを備えた第１および第２の電界効果トランジスタを含み、
前記第１のトランジスタのゲート電極がオン信号源とオフ信号源に接続され、前記第２のトランジスタのゲート電極が前記オフ信号源に接続され、これによって前記オン信号が供給されると前記第１のトランジスタがオンされ、前記オフ信号が供給されると前記第１のトランジスタがオフされ前記第２のトランジスタがオンされることを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。
【請求項５】
前記第１のトランジスタのターンオフ時間を加速するために、ソース電極とドレーン電極とが前記第１のトランジスタのゲート電極とソース電極との間に接続され、ゲート電極が前記オフ信号源に接続されている第３の電界効果トランジスタをさらに有することを特徴とする請求の範囲第４項記載の装置。
【請求項６】
前記オン信号源とオフ信号源が第１と第２の変圧器を含み、前記変圧器の内の第１の変圧器の二次巻線が前記第１のトランジスタのゲートバイアス回路に接続されており、前記第２の変圧器の第１の二次巻線と第２の二次巻線とのそれぞれが前記第２のトランジスタと第３のトランジスタのゲートバイアス回路にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項７】
前記カソード電源のタップと前記カソードとの間に接続されたオフスイッチをさらに有し、前記オフスイッチが、前記オフスイッチが閉じられるときの電圧降下の結果として前記送信機管の遮断電圧を減少させる手段を形成することを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
【請求項８】
カソードおよび少なくとも１つの制御電極を持つタイプの送信機管をパルス変調する方法であり、前記制御電極およびカソードが同一電位にあるときは前記送信機管がオンされ、前記制御電極の電位が送信機管遮断電圧と呼ばれる所定の値だけ前記カソードの電位と異なるときは前記送信機管がオフされる方法において、
前記送信機管の前記制御電極をカソード電源の端子に接続するステップと、
前記カソードと前記カソード電源との間に接続されているスイッチを選択的に閉じて前記カソードを前記カソード電源に接続し、これによって前記送信機管のカソードの電位を前記制御電極の電位と同一とし、前記スイッチを開くと前記カソードが前記カソード電源から接続が外されて、等価カソード抵抗が非常に高くなり、前記送信機管が遮断領域で自己バイアスされ、これによって前記制御電極と前記送信機管カソードとの間の電位差が送信機管遮断電圧に復帰するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項９】
前記メインオンスイッチが開かれると前記カソードと前記カソード電源のコレクタタップとの間に接続されているスイッチを閉じて、前記オンスイッチが開かれるときの遮断電圧への前記カソード電位の復帰を加速するステップをさらに有することを特徴とする請求の範囲第８項記載の方法。
【請求項１０】
第３のスイッチをオンさせて、前記オフスイッチを閉じるためにオン信号を供給すると同時に前記オンスイッチの制御電極を短絡するステップをさらに有することを特徴とする請求の範囲第９項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、一般に、マイクロ波を含む無線周波数（ＲＦ）放射線を送信するように設計されたタイプの送信に関し、特に（１）制御電極をカソード電源に直接接続すること、および（２）半導体スイッチをカソード電源と送信機管のカソードとの間に接続すること、によってビーム制御パルス変調が遂行される高出力送信機管に関する。半導体スイッチを閉じるとビーム制御用素子電圧がカソード電位となり、これによって、カソードから放出された電極ビームが送信機管の集電極または電極に到達するが、その一方で、このスイッチを開くと、等価カソード抵抗が非常に高くなり、このため管が遮断領域内で自己バイアスされてビームが遮断され、パルスが形成される。本発明はまた、ビーム制御用素子カソード電源に復帰され、半導体スイッチがカソード電源と送信期間中のカソードとの間に接続される、送信機管用のビーム制御パルス変調方法にも関する。
背景技術
現在、送信機管は、衛星通信、電子対策、レーダ送信機、医療用Ｘ線源制御などのさまざまな応用分野に用いられている。大抵の送信機管は、自身の表面原子のエネルギが上昇すると電子を放出するカソードおよび放出電極と集電極または電極との間での電子の運動を制御するために放出電子を収集し可変の電場を確立するための１つ以上の電極から成る。磁場は、カソードから放出されている電子の運動の制御目的で用いられるが、電場による制御は多くの利点があり、電子の主たる源がカソードからの熱イオン放出であり、少なくとも１つの制御電極によって発生された電場によって制御される、本発明が指向するタイプの送信機管の基礎を成す。
しかしながら、本発明は特定のタイプの送信機管について述べられているが、さまざまなタイプの管構成でも応用可能であり、好ましい実施形態に関連して、特定のタイプの送信機管が、本書での説明も例示目的であり制限を加えるものでないことが当業者には理解されるであろう。
具体的には、本発明の好ましい実施形態は、レーダシステムでのマイクロ波周波数伝送で通常用いられ、制御電極が「収束電極」として知られている進行波管として知られているタイプの熱イオン真空管について説明される。他の送信機管は、「グリッド」として知られているタイプの制御電極を用いる。以下の詳細な説明から明らかなように、本発明は、収束電極、グリッドまたはその組み合わせという形態で制御電極を持つ送信機管にも等しく応用可能であり、また、制御電極およびカソードが存在する限り、他のタイプの管にも応用可能である。
制御電極がグリッドという形態をとるか、収束電極という形態をとるかとは無関係に、制御電極の目的は、カソードから放出された電子の量または方向を、カソード場を基準にした制御場の強度および、放出電子のどれほどが集電極すなわちアノードに到達するかを決めるカソードから放出された電子のエネルギによって変調する電場を発生させることにある。制御電極がカソードに隣接している典型的な装置においては、例えば制御電極がカソード電位にあるとき、制御電極は、カソードから放出された電子にほとんどまたは全く影響を及ぼさない。それとは逆に、制御電極の電圧がカソード電圧に比べて充分に高い場合、全てまたはほとんどの電子は偏向したり、カソードから離れることを妨げられ、そのため、電子ビームは効果的に遮断される。制御電極とカソードとの間のこの電位差は管遮断電圧として知られている。
パルス変調送信機管においては、希望の出力は、制御電極の電圧をカソード電位と遮断電位の間で切り換えることによって容易に発生されるパルスという形態で与えられる。図２のその性能を示す進行波管などの高出力送信機管においては、カソードは、放出電子を加速するに充分なエネルギを提供するために、通常は直流２０００Ｖから２０，０００Ｖの範囲の非常に高い負の電圧を持つ。図２では、塗りつぶされた矩形（１０）で示した線は、カソード電圧が−３７００Ｖである従来の進行波送信機管の電極電位（Ｖｆｅ）を制御するために、カソードの関数としてカソードから放出された電流（Ｉｋ）を表す（空きの矩形線（２０）は本発明の応用例を示し、以下に検討される）。この図から分かるように、従来の送信機管における制御電極とカソードとの間の電位差は、カソード電流（Ｉｋ）をゼロにするためには約１２８０Ｖでなければならない。
従って、図１に示されるように、従来の送信機管を制御するには、−３７００Ｖというカソード２の電源１と、制御電極４に遮断電圧を供給することによって−１２８０Ｖという遮断電圧を確立するための制御電極電源３と、カソードから電子を放出するために（図２の点（０，１８０）を参照）、制御電極とカソードの電位差をゼロに減少させるために制御電極をカソードの高電圧電源（ＨＶＰＳ）２に接続するためのＯＮスイッチ５と、制御電極を遮断電位にまで上昇させカソードから放出中の電子ビームをオフしてパルスを終了させるために制御電極を遮断バイアス電源７に接続するためのＯＦＦスイッチとが必要である。従って、パルス変調は、送信機管８のビーム電流を起動・終了させることによってパルス列を発生させるためにＯＦＦスイッチ５とＯＮスイッチ６のいずれか一方をトグルすることによって達成される。
上記の従来タイプの送信機管パルス変調によって、ＲＦ送信機管には適切なビーム電流制御がなされ、またこのパルス変調は軍部と民間双方で広く応用されているとはいえ、従来の装置には、当業者が今まで解決できなかった多くの欠点がある。この中には次のものがある。
１．  図１および図２に示すタイプの従来の送信機管は、動作電圧が高いことに起因する回路の複雑さのために、重量とパッケージの容積が増大するが、これは機上レーダ送信機などの機上装置の場合は特に問題である。
２．  従来の回路が動作する際のストレスのレベルが増大し、これによって全体の信頼性が減少する。
３．  制御電極の従来の制御方式によって、管の遮断電圧がかなり増大する。
４．  図１に示すように、従来の送信機管には、余分なオフバイアス電圧電源が必要であり、このため、送信機パッケージの重量と容積の双方が増大する。
マイクロ波管の交差電増幅器を変調するために四極スイッチ管を別のもので置き換えた回路を指向する例えば米国特許第５，０３８，０５１号に開示されているようにカソード電位を変調させることによって他のタイプの管のカソードを制御する方式が周知である。しかしながら、このタイプのカソード制御は本発明によるカソード制御とは類似しておらず、カソード電圧を完全にオンさせなければならないが、図２に示す例では０Ｖと−３７００Ｖとの間に設定しなければならない。実際、本特許による解決策は、高電圧を必要とするため回路がかなり複雑になる。それとは対照的に、以下に詳述するように、本発明によれば、カソード電位を遮断電位にほぼ等しい値、図２の例では本発明による制御電極変調の場合で約−１２８０Ｖそしてカソード変調の場合はそれ未満（以下の理由によるが）だけ切り換えればよい。本発明は、送信機管の制御電極をカソード電源に直接接続し、さらに、カソードと制御電極との間の電位差を遮断電圧からゼロに減少させるためにカソードを選択的にその電源に接続することになるので、米国特許第５，０３８，０５１号に開示されているタイプの回路とは完全に異なり、さらに、図１と図２に図示され、また例えば米国特許第４，７２８，８０９号および第４，８７７，９９６号に開示されているタイプの制御電極変調送信機管装置とも異なる。
発明の開示
従って、本発明の目的は、軍部と民間の双方の応用分野で充分な信頼性を持ち、最大の性能を維持しながらも比較的低い電圧で最小の回路で送信機管のビーム電流をデジタル的に、すなわちパルスで制御する手段を与える送信機管のための簡略化された高速変調回路を提供することにある。
これらの目的は、マイクロ波を含む無線周波数（ＲＦ）放射線を送信するように設計されたタイプの送信機管、特に、（１）制御電極をカソード電源に直接接続し、（２）半導体スイッチをカソード電源と送信機管のカソードの管に接続することによってビーム制御パルス変調が達成される高出力送信機管さえ提供することによって達成される。半導体スイッチを閉じると、ビーム制御用素子電圧がカソード電位となり、これによってカソードから放出された電極ビームが集電極または送信機管の電極に到達するが、一方そのスイッチを開くと等価カソード抵抗が非常に高くなり、これによって管が遮断領域に自己バイアスされビームが遮断されて、パルスが形成される。
本発明の目的はまた、ビーム制御用素子がカソード電源に復帰され半導体スイッチがカソード電源と送信機管のカソードとの間に接続されており、さらにスイッチを選択的に閉じると、カソード電圧がビーム制御用素子の電圧となり、このためビーム電流が流れ、このスイッチを開くと、管が自己バイアスされて等価カソード抵抗が高くなり、このため管が遮断領域で自己バイアスされる送信機管に対してビーム制御パルス変調方法を提供することによっても達成される。この回路の自己バイアス機能を利用することによって、煩わしい「オフ」電圧電源の必要が消滅する。
本発明の長所を特に活かした実施形態によれば、オンスイッチは、速いターンオン時間を持つトランジスタであり、カソード電源のタップに接続された分離したオフスイッチが、オンスイッチとして用いられているトランジスタの比較的遅いターンオフ時間を補償するために与えられている。カソードを自身の電源に接続するスイッチの有効ターンオフ時間を単に増大させるのではなく、制御電極電位を遮断電位にまで上げるためにビーム制御電極をオフバイアス電源に接続する、図１に示すオフスイッチとは異なる目的にこのオフスイッチを使用できることが当業者には理解されよう。オフスイッチはまた、トランジスタという形態をとり、メインオンスイッチが例えば制御パルスの立ち下がりでオフされるとオンされるように接続されることが望ましい。本実施形態には、遮断モードでの加速電位がオフスイッチの両端に印加される電圧によって減少するので、管の遮断電圧要件が実際にはかなり減少するというさらなる長所がある。
この後者の長所は、図２に示すように、オフスイッチでの電圧降下の影響に起因するが、この図中で、空き矩形で示す線２０は、送信機管カソードと制御電極との間の電位差に関連して、オンスイッチとオフスイッチ双方を有する本発明の実施形態に従って接続されたカソードのカソード電流Ｉkを表す。ゼロカソード電流Ｉkは、好ましい実施形態を用いて収束電極に−３７００Ｖ印加した状態で−９５０Ｖで達成されるが、一方上記したように、空きブロックで図示した先行技術による装置では、ＴＷＴカソードに−３７００Ｖを印加した状態で約−１２８０Ｖでゼロカソード電流Ｉkが達成される。従って、管の動作電圧は３３０Ｖに低下し、これによって高電圧構成部品に対するストレスが減少し、高電圧にまつわる危険も減少する。
【図面の簡単な説明】
図１は、先行技術による収束電極素子変調器を持った送信機管のブロック図である。
図２は、本発明の好ましい実施形態による変調器装置によって与えられたビーム遮断特性のグラフである。
図３Ａは、本発明の好ましい実施形態の原理を示す概略ブロック図である。
図３Ｂは、図３の好ましいカソードパルス変調回路中にオプションとしてオフスイッチを装備するとどのように性能が向上するかを示す略図である。
図４は、図３に略図を示すカソードパルス変調スイッチのある特定の好ましい実施例の詳細を示す略回路図である。
発明を実施するための最良の態様
図３Ａは、本発明の好ましい実施形態による送信機管パルス変調装置の略ブロック図である。同図に示すように、好ましいカソードパルス変調（ＣＰＭ）装置１００が、進行波管のように、マイクロ波を含む無線周波数（ＲＦ）放射線を送信するように設計されたタイプの送信機管１０１のカソード１０２を制御するための１つのメインオンスイッチＳ１を有している。メインオンスイッチＳ１は、送信機管カソード１０２とカソード電源１０３との間に接続されている。「収束」電極として図示されている制御電極１０４は、カソード電源に直接復帰される。カソードパルス変調器１０５にはまた、本発明の基本的原理に全く影響を持たない従来技術による低容量ヒータ電源１０５も含まれているが、図３Ａには全体を示す目的だけで図示されている。
本実施形態では、ビーム制御パルス変調は、メインオンスイッチＳ１を閉じることによってビーム制御用素子１０４の電圧をカソード電位とし、これによってカソードから放出された電極ビームが送信機管の集電極または電極に到達し、一方メインオンスイッチＳ１を開くことによって非常に高い等価カソード抵抗を生じさせ、これによって管１０１を遮断領域に自己バイアスしてビームを遮断し、パルスを形成する。
スイッチＳ１がナノセコンド台という急速なオン時間を持つがオフ時間はマイクロセコンド台と比較的に遅い場合は、図３Ａにも示されているオプションの第２のスイッチＳ２を、性能を向上させるために、コレクタのタップなどの既存のカソード電源の１部を利用して装備して、オフ時間を速くしてもよい。高電圧が必要とされるためにカソード電源が通常は、カソードオン電圧未満の電圧で個別の電源間の接続線をコレクタのタップが必要とするこれら個別の電源が直列接続された装置という形態で与えられることが当業者には理解されよう。このオプションの第２のスイッチＳ２が送信機管１００の出力パルスに対して持つ効果を図３Ｂに示す。
オプションの第２のスイッチＳ２もまた必要電圧を下げるので、ターンオフの間における第２のスイッチＳ２による電圧降下によって、第１のスイッチによるターンオフ時間が適切である場合でさえもこの第２のスイッチを付加することは望ましいことである。
オンスイッチとオフスイッチ双方を有する好ましいパルス変調スイッチの本発明の長所を活かした特定の実現例の詳細を図４に示す。送信機管が特定の応用分野によってさまざまな形態をとることは当業者によって理解されているとはいえ、送信機が本実施例では進行波管であって、スイッチＳ２が、電源カソード（ＨＶＰＳ  ＣＡＴＨ）と送信機管カソード（ＴＷＴ  ＣＡＴＨ）との間に接続された金属酸化膜半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１１という形態をとることが望ましい。主たる「オン」トランジスタＱ１１のゲートはオンエッジパルスによって制御され、変圧器Ｔ２からダイオードＣＲ４を介して供給されるチック（１連の低振幅の高周波パルス）によって維持される。ＭＯＳＦＥＴはターンオン時間がナノセコンド台と速いためその使用は長所となるが、その高い内部容量のためにターンオフ時間はミリセコンド台と比較的に遅い。
オンエッジパルスが変圧器Ｔ２からダイオードＣＲ４を介して供給されると、ツェナーダイオードＣＲ５に印加される電圧はそのツェナー電圧まで上昇し、これによってトランジスタＱ１１のゲートに対してバイアス電圧を与え、このトランジスタのドレーンとコレクタを短絡し、トランジスタ管カソード（ＴＷＴ  ＣＡＴＨ）電圧を急速にＨＶＰＳカソード電位とする。その一方では、制御パルスが存在しない間は、送信機管は、ターンオフされたトランジスタＱ１１の実質的に無限大の抵抗値のために遮断電圧に自己バイアスされ、カソード電圧はツェナーＣＲ７とＣＲ８によって制限される。
トランジスタＱ１１が能動的にカソード電位を制御し、従来の制御電極変調装置にない多くの利点を持つことが当業者には理解されよう。しかしながら、これまたナノセコンド台のターンオン時間を持つＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１３という形態を持つ第２のスイッチは、メインオントランジスタＱ１３である限り、カソード電源をコレクタタップ（ＴＷＴコレクタ）に接続し、これによって図３Ｂに良く示すように変調回路に対してオフエッジ反応を与える。トランジスタＱ１３は、変圧器Ｔ１からダイオードＣＲ８とＣＲ９さらに抵抗Ｒ４１を介して供給された制御パルスのオフエッジでオンされ、ツェナーダイオードＣＲ９の両端での電圧降下によってバイアス電圧がトランジスタのゲートに印加され、そのソースとドレーンを短絡し、これによって抵抗Ｒ４１とＲ４２ならびにコレクタとカソードを一緒に接続して、メインオントランジスタＱ１１に対してマイクロセコンド台のターンオフ期間の間、カソードに遮断電圧を印加する。
本発明の好ましい実施形態では、オフエッジ性能もまた、トランジスタスイッチＱ１３が起動されるとすぐにトランジスタＱ１１のソースとドレーン間でバイアス電圧を短絡するためにツェナーダイオードＣＲ５と並列に接続されている第３のＭＯＳＦＥＴ  Ｑ１２のゲートにバイアス電圧を供給するためにオフトランジスタＴ１の第２の二次巻線を接続することによって向上する。
本発明の上記の実施形態は送信機管出力をパルス変調する装置の性能を向上させるだけでなく、その方法も向上させることが当業者には理解されよう。この好ましい方法には、可塑度電源と送信機管のカソードとの間に接続されたスイッチを選択的に閉じてカソード電圧をビーム制御用素子の電圧とするステップが伴うが、これによってビーム電流が流れる。一方、このスイッチを開くと、この管が自己バイアスされ、等価カソード抵抗が高くなり、これによって管が遮断領域で自己バイアスされる。
その上、この好ましい実施形態はオプションとして、第２のスイッチを制御して第１のスイッチをバイパスし、制御電極を基準とした遮断電位に対するカソードの復帰を加速させることによって出力パルスのオフエッジ特性を向上させるステップと、第２のトランジスタをオンさせると同時に第３のトランジスタをオンさせて、第１のトランジスタのバイアス回路を瞬時に短絡させるステップとを有する。
以上、本発明の好ましい実施形態を、本発明を当業者が理解できるように充分詳細に説明したが、図示された実施形態のさまざまな変更例と修正例が、本発明の精神と範囲から逸脱すること無く可能であることが理解されよう。その結果、本発明は開示された実施形態によってなんら制限されるものではなく、たんに添付クレームによって制限されるだけであることを意図するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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