(57)【要約】【課題】本発明は、進行波管増幅器に関し、低コストで出力信号の位相を制御することができる進行波管増幅器を提供することを目的とする。【解決手段】熱カソード１０１とヘリックス１０４との間に印加するヘリックス電圧の供給にヘリックス可変電圧源７３を用い、このヘリックス可変電圧源７３により、ヘリックス電圧を電子ビームとマイクロ波の相互作用が大きく変化しない範囲内において変化させ、出力信号の位相を制御するようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低速波回路に供給する電圧を変化させる可変電圧源を備え、該可変電圧源により低速波回路に供給する電圧を変化させて出力信号の位相を制御するようにしたことを特徴とする進行波管増幅器。
【請求項２】
前記低速波回路は空胴結合型であり、前記可変電圧源により空胴結合部に供給するボディ電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の進行波管増幅器。
【請求項３】
前記低速波回路はヘリックス型であり、前記可変電圧源によりヘリックス部に供給するヘリックス電圧を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の進行波管増幅器。
【請求項４】
アノードに供給する電圧を変化させるアノード可変電圧源を備え、該アノード可変電圧源によりアノードに供給する電圧を変化させて出力信号の電力を制御するようにしたことを特徴とする請求項２または３に記載の進行波管増幅器。
【請求項５】
入力が複数に等分され、それぞれに増幅器と放射素子が接続されて、全体として１つの送信装置として動作するアクティブフェーズドアレーアンテナであって、前記増幅器は請求項１から４のいずれか１項記載の進行波管増幅器であることを特徴とするアクティブフェーズドアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、進行波管増幅器に関し、詳しくは、出力信号の移相を制御することができる進行波管増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図７に示すように、熱カソード１０１、ヒータ１０２、アノード１０３、ヘリックス（低速波回路）１０４、入力回路１０５、出力回路１０６、コレクタ１０７を備えた進行波管と、その進行波管の各電極に動作電圧を供給するための複数の高圧電源を有する進行波管電源１１０とを備えた進行波管増幅器１００が知られている。
【０００３】
ここで、ヒータ電圧Ｖｆはヒータ１０２を加熱する電圧、アノード電圧Ｖａは熱カソード１０１とアノード１０３との間で電子ビームを加速するための電圧、ヘリックス電圧Ｖｈｅｌは熱カソード１０１とヘリックス１０４との間で電子ビームを加速するための電圧、コレクタ電圧Ｖｃは電子ビームを捕捉するための電圧である。
【０００４】
この種の進行波管増幅器の一般的な高周波特性は、図８に示すように、ある入力電力を超えると出力電力が飽和してしまうために、利得や電力効率が低下し、さらに、入力信号と出力信号の位相差が大きくなるという特性を持つ。
【０００５】
このため、従来の進行波管増幅器では、所要の出力電力において最大の電力効率が得られるように、進行波管の各電極に供給する電圧を設定している。
【０００６】
このような進行波管増幅器を使用して大電力を供給するために、複数の進行波管増幅器の出力電力を合成する場合には、各進行波管増幅器の出力の位相を揃えることが困難なため、図９に示すように、各進行波管増幅器１００の出力の位相を変えるための移相器１２０を設置し、移相量制御部１３０で各移相器１２０を制御して位相を同相にした各進行波管増幅器１００の出力を出力合成器１４０で合成する必要があった。
【０００７】
また、進行波管増幅器を使用して自由に指向性を制御できるアクティブフェーズドアレーアンテナを構成する場合、図１０に示すように、アンテナ素子となる各進行波管増幅器１００の出力位相を制御するための移相器１２０を設置し、移相量制御部１３０で各移相器１２０を制御して指向性を制御していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−３２１５３７号公報  （図１、図６）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の進行波管増幅器にあっては、図９に示すような進行波管増幅器の出力電力を合成する場合や、図１０に示すようなアクティブフェーズドアレーアンテナを複数の進行波管増幅器で構成する場合は、各進行波管増幅器に対して移相器を設置しなければならないため、コストが増大してしまうという問題があった。
【００１０】
また、特にアクティブフェーズドアレーアンテナにおいて、より精密に指向性を制御するためには、位相を細かく制御できる移相器（無限移相器）を各アンテナ素子に対して設置する必要があるため、さらにコストが増大するとともに、移相器の挿入による出力電力の損失も増大してしまうという問題があった。
【００１１】
そこで、本発明は、進行波管増幅器に移相器を設置せずに、進行波管増幅器の動作を制御することで進行波管増幅器の出力信号の位相を可変できるようにすることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として、本発明は、低速波回路に供給する電圧を変化させる可変電圧源を備え、該可変電圧源により低速波回路に供給する電圧を変化させて出力信号の位相を制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００１３】
これにより、低速波回路に供給される電圧が変えられて、出力信号の位相が変えられる。したがって、移相器などを使わなくても出力信号の移相が制御される。
【００１４】
前記低速波回路に空胴結合型を使用し、前記可変電圧源により空胴結合部に供給するボディ電圧を変化させるようにしたり、前記低速波回路にヘリックス型を使用し、前記可変電圧源によりヘリックス部に供給するヘリックス電圧を変化させるようにすることは好ましい。
【００１５】
さらに、アノードに供給する電圧を変化させるアノード可変電圧源を備え、該アノード可変電圧源によりアノードに供給する電圧を変化させて出力信号の電力を制御するようにしてもよい。
【００１６】
これにより、アノードに供給される電圧が変えられて、出力信号の電力が変えられる。したがって、位相を変化させたために生じる出力電力の低下が補われる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施形態の進行波管増幅器を示す図である。なお、本実施形態においては、低速波回路にヘリックスを用いたヘリックス進行波管増幅器を示す。
【００１９】
図１において、本実施形態の進行波管増幅器１は、熱カソード１１、ヒータ１２、アノード１３、ヘリックス（低速波回路）２１、入力回路２２、出力回路２３、コレクタ部３０を備えたヘリックス進行波管と、ヒータ電圧を供給するヒータ電圧源７１、アノード電圧を供給するアノード電圧源７２、ヘリックス電圧を可変に供給するヘリックス可変電圧源７３、コレクタ電圧を供給するコレクタ電圧源７４を有する進行波管電源７０とを備えている。
【００２０】
図２は、ヘリックス進行波管の構造を示した図である。図２に示すように、ヘリックス進行波管は、電子を放出する電子銃部１０と、マイクロ波を処理する高周波回路部２０と、電子を捕捉するコレクタ部３０と、電子ビームを集束させる電子ビーム集束装置部４０と、本体を支持し放熱等を行うためのパッケージ５０とを備えている。
【００２１】
電子銃部１０は、電子を放出する熱カソード１１と、この熱カソード１１を加熱するヒータ１２とを備えている。
【００２２】
高周波回路部２０は、マイクロ波と電子ビームとを相互作用させるヘリックス２１と、マイクロ波を入力する入力回路２２と、増幅したマイクロ波を出力する出力回路２３とを備えている。
【００２３】
コレクタ部３０は複数の電極３１を備えている。電子ビーム集束装置部４０は、電子ビームの通路に磁界を発生させる複数の磁石４１及び磁極４２を備えている。
【００２４】
電子銃部１０とコレクタ部３０とは円筒形の金属容器６０で接続され、電子銃部１０内部から金属容器６０を介してコレクタ部３０の内部は真空に保たれており、金属容器６０内に金属リボンまたはワイヤをらせん状に巻いたヘリックス２１が支持棒により固定されていて、金属容器６０の周囲に電子ビーム集束装置部４０が設けられている。
【００２５】
このようなヘリックス進行波管において、電子が真空中で電子銃部１０の熱カソード１１から放出され、数ｋＶ以上の高電圧で加速されると同時に、電子ビーム集束装置部４０で形成された磁界により集束される。
【００２６】
集束された電子は、細い電子ビームを形成し、ヘリックス２１のらせんの内側を通過する。
【００２７】
一方、マイクロ波は、入力回路２２から進行波管内に導かれた後、電子ビームの上流側（熱カソード１１側）からヘリックス２１に沿って進み、その軸方向速度が電子ビームの速度とほぼ同期したときに、電子ビームとマイクロ波に相互作用が生じてマイクロ波の電力が増幅される。
【００２８】
増幅されたマイクロ波は、ヘリックス２１に接続された出力回路２３から取り出される。
【００２９】
また、マイクロ波との相互作用を終えた電子ビームは、電位の異なる３〜４段の電極３１を備えたコレクタ部３０に衝突し、捕捉され、電子の運動エネルギーは熱エネルギーに変換される。
【００３０】
ここで、ヘリックス２１での電子ビーム速度ｖは、簡易的には
１／２・ｍ・ｖ２＝ｅ・Ｖ  から  ｖ＝（２・ｅ／ｍ・Ｖ）１／２
と算出することができる。ここで、ｍは電子の質量、ｅは電子の電気素量、Ｖはヘリックス電圧である。
【００３１】
つまり、ヘリックス電圧を変化させることで電子ビーム速度を制御することが可能であることが分かる。
【００３２】
この関係から、ヘリックス電圧を高くすると電子ビーム速度が速くなるため出力信号の位相が早まり、ヘリックス電圧を低くすると電子ビーム速度が遅くなるため出力信号の位相が遅れることが分かる。
【００３３】
すなわち、電子ビームとマイクロ波の相互作用が大きく変化しないヘリックス電圧の範囲内において、ヘリックス電圧を変化させることでマイクロ波への増幅作用を保ちながら出力信号の位相を制御することが可能となる。
【００３４】
実際にＫｕ帯のヘリックス進行波管増幅器を使用して、飽和動作時の状態からヘリックス電圧のみを低下させた場合の出力位相の変化を図３に示す。
【００３５】
ここでは、飽和動作時のヘリックス電圧（６．７５７ｋＶ）から２％強低下させた電圧（６．６ｋＶ）まで変化させ測定を行った。
【００３６】
電圧を２％強低下させた場合には、出力電力が０．２５ｄＢ（５２．４ｄＢが５２．１５ｄＢに）、電力効率が２．４％（６２．７％が６０．３％に）と変化量が少ないのに比べ、出力位相が９３°の遅れ（−５０°が−１４３°に）と大きく変化することが分かった。
【００３７】
この測定結果から、ヘリックス電圧を低下させるに従って、出力位相が遅れることが確認され、ヘリックス電圧を制御することで、出力電力と電力効率をほとんど劣化させることなく、出力信号の位相を変化させることが可能であることが実証された。
【００３８】
このことから、本実施形態の進行波管増幅器１では、ヘリックス電圧の供給にヘリックス可変電圧源７３を用い、ヘリックス電圧を電子ビームとマイクロ波の相互作用が大きく変化しない範囲内において変化させ、出力信号の位相を制御するようにした。
【００３９】
このように本実施形態においては、ヘリックス電圧を可変に供給するヘリックス可変電圧源７３を設け、ヘリックス可変電圧源７３によりヘリックス電圧を変化させることで、出力電力と電力効率をほとんど劣化させること無く出力信号の位相を制御することができる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、低速波回路にヘリックスを用いたヘリックス進行波管増幅器を示したが、低速波回路に空胴結合型を用いる空胴結合型進行波管増幅器においても、その空胴結合部に供給するボディ電圧を変化させることで同様の効果が得られる。
【００４１】
次に、図４は本発明の第２実施形態の進行波管増幅器を示す図である。なお、本実施形態は、上述第１実施形態と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の符号を付して特徴部分のみ説明する。
【００４２】
図４に示すように、本実施形態の進行波管電源８０は、アノード電圧を可変に供給するアノード可変電圧源８１を備えている。このアノード可変電圧源８１によりアノード電圧を上げると、カソード電流すなわち電子の放出量が増加し、出力電力が増加する。逆に、アノード電圧を下げると、カソード電流すなわち電子の放出量が減少し、出力電力が減少する。
【００４３】
このため、本実施形態の進行波管増幅器２では、上述の実施形態のように、ヘリックス可変電圧源７３でヘリックス電圧を変化させ出力信号の位相を制御したときに生じる若干の出力電力の低下を、アノード可変電圧源８１によりアノード電圧を上げて電子の放出量を増加させることで補うことができる。
【００４４】
これは、進行波管増幅器をアクティブフェーズドアレーアンテナに使用するとき、ヘリックス電圧を変化させたことにより生じる若干の出力電圧の低下がアクティブフェーズドアレーアンテナの指向性の制御に影響する場合などに効果がある。
【００４５】
このように本実施形態においては、アノード可変電圧源８１によりアノード電圧を変化させることにより出力電力を制御して、ヘリックス電圧を変化させ出力信号の位相を制御したときに生じる出力電力の低下を補うことができる。
【００４６】
次に、図５は本発明の第３実施形態の電力合成装置を示す図である。なお、本実施形態は、上述第１実施形態の進行波管増幅器１を使用した電力合成装置であるので、図１を流用して説明する。
【００４７】
図５に示すように、本実施形態の電力合成装置は、複数の進行波管増幅器１と、複数の進行波管増幅器１のヘリックス可変電圧源７３を制御して各進行波管増幅器１に供給するヘリックス電圧を制御する電圧制御部３と、複数の進行波管増幅器１の出力を合成する出力合成器４とを備えている。
【００４８】
このような電力合成装置において、電圧制御部３は、ヘリックス可変電圧源７３により各進行波管増幅器１に供給するヘリックス電圧を制御して各進行波管増幅器１の出力信号の位相を同相にする。
【００４９】
同相にされた各進行波管増幅器１の出力信号は、出力合成器４で合成され大電力の信号として出力される。
【００５０】
このように本実施形態においては、電圧制御部３により進行波管増幅器１のヘリックス可変電圧源７３を制御して、各進行波管増幅器の出力信号の位相を同相としているので、ヘリックス可変電圧源７３に必要な可変電源は移相器よりも安価に導入でき、コストを削減することができる。
【００５１】
次に、図６は本発明の第４実施形態のアクティブフェーズドアレーアンテナを示す図である。なお、本実施形態は、上述第１実施形態の進行波管増幅器１を使用したアクティブフェーズドアレーアンテナであるので、図１を流用して説明する。
【００５２】
図６に示すように、本実施形態のアクティブフェーズドアレーアンテナは、入力が複数に等分され、複数の進行波管増幅器１と、複数の進行波管増幅器１のヘリックス可変電圧源７３を制御して各進行波管増幅器１に供給するヘリックス電圧を制御する電圧制御部５と、各進行波管増幅器１の出力に接続された放射素子６とを備え、各進行波管増幅器１、各放射素子６は互いに近接して配置され、全体として１つの送信装置として動作する。なお、放射素子６は、衛星搭載用としてはホーンアンテナが好適である。
【００５３】
このようなアクティブフェーズドアレーアンテナにおいて、電圧制御部５は、ヘリックス可変電圧源７３により各進行波管増幅器１に供給するヘリックス電圧を制御してアンテナ素子となる各進行波管増幅器１の出力信号の位相を制御し、アクティブフェーズドアレーアンテナの指向性を制御することができる。
【００５４】
このように本実施形態においては、電圧制御部５により進行波管増幅器１のヘリックス可変電圧源７３を制御して、各進行波管増幅器の出力信号の位相を制御しているので、ヘリックス可変電圧源７３に必要な可変電源は移相器よりも安価に導入でき、コストを削減することができる。
【００５５】
また、進行波管増幅器１のヘリックス電圧を変更した場合の電力効率の劣化は、移相器の挿入による電力の損失よりも小さいため、特に、衛星の限りのある発生電力を使用する衛星局搭載用のアクティブフェーズドアレーアンテナなどにおいてより有効である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、可変電圧源により低速波回路に供給する電圧を変化させて出力信号の位相を制御しているので、位相器などを設置しなくても出力信号の位相を制御することができ、コストを削減することができる。
【００５７】
ここで、低速波回路としては、空胴結合型やヘリックス型が考えられ、空胴結合型では空胴結合部に供給するボディ電圧を変化させるとよく、ヘリックス型ではヘリックス部に供給するヘリックス電圧を変化させるとよい。
【００５８】
また、アノードに供給する電圧を変化させるアノード可変電圧源によりアノードに供給する電圧を変化させて出力信号の電力を制御するようにすれば、位相を変化させたために生じる出力電力の低下を補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の進行波管増幅器を示す図であり、その概略構成図である。
【図２】その進行波管を示す断面図である。
【図３】そのヘリックス電圧の変化による出力位相の変化を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の進行波管増幅器を示す図であり、その概略構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態の電力合成装置を示す図であり、その概略構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態のアクティブフェーズドアレーアンテナを示す図であり、その概略構成図である。
【図７】従来の進行波管増幅器の概略構成図である。
【図８】従来の進行波管増幅器の高周波特性を示す図である。
【図９】従来の電力合成装置を示す図である。
【図１０】従来のアクティブフェーズドアレーアンテナを示す図である。
【符号の説明】
１、２    進行波管増幅器
３    電圧制御部
４    出力合成器
５    電圧制御部
６    放射素子
１０    電子銃部
１１    熱カソード
１２    ヒータ
１３    アノード
２０    高周波回路部
２１    ヘリックス（低速波回路）
２２    入力回路
２３    出力回路
３０    コレクタ部
３１    電極
４０    電子ビーム集束装置部
４１    磁石
４２    磁極
５０    パッケージ
６０    金属容器
７０    進行波管電源
７１    ヒータ電圧源
７２    アノード電圧源
７３    ヘリックス可変電圧源
７４    コレクタ電圧源
８０    進行波管電源
８１    アノード可変電圧源
１００    進行波管増幅器
１０１    熱カソード
１０２    ヒータ
１０３    アノード
１０４    ヘリックス（低速波回路）
１０５    入力回路
１０６    出力回路
１０７    コレクタ
１１０    進行波管電源
１２０    移相器
１３０    移相量制御部
１４０    出力合成器
【図１】
2004159266.tif 000003
【図２】
2004159266.tif 000004
【図３】
2004159266.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004159266.tif 000009
【図８】
2004159266.tif 000010
【図９】
2004159266.tif 000011
【図１０】
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