(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の増幅された無線周波（「ＲＦ」）出力信号を、複数の異なるＲＦ入力信号に応答して提供するためのＲＦ送信機であり、前記ＲＦ送信機は、
複数の電子ビームが伝播する複数のＲＦ管部を含み、各ＲＦ管部が異なるＲＦ信号の伝播をサポートする能力があるように、各ＲＦ管部がそれぞれのＲＦ信号を増幅する別個の電子ビームの伝播をサポートする能力もあるように、各ＲＦ管部はＲＦ信号がそれぞれ導入され抽出される入力および出力を規定し、前記送信機はさらに、
ＲＦ管部のそれぞれを通って伝搬する後の前記電子ビームの各々を収集するための共通のコレクタを含み、前記共通のコレクタは各ＲＦ管部によって共有される、送信機。
【請求項２】
前記電子ビームの各々を変調するための変調器をさらに含み、前記変調器は各ＲＦ管部によって共有される、請求項１に記載のＲＦ送信機。
【請求項３】
前記複数のＲＦ管部は協同して共通の真空管を規定する、請求項１に記載のＲＦ送信機。
【請求項４】
前記コレクタが前記電子ビームを収集する際に、前記共通のコレクタ内で発生する熱を放散させるためのコレクタヒートシンクをさらに含む、請求項３に記載のＲＦ送信機。
【請求項５】
前記共通の真空管はクライストロン管を含む、請求項３に記載のＲＦ送信機。
【請求項６】
前記共通の真空管は進行波管を含む、請求項３に記載のＲＦ送信機。
【請求項７】
前記ＲＦ管部に通電するための電源をさらに含む、請求項１に記載のＲＦ送信機。
【請求項８】
各ＲＦ管部は、他のＲＦ管部の各々のＲＦ動作周波数とは異なるＲＦ動作周波数で動作する、請求項１に記載のＲＦ送信機。
【請求項９】
複数の増幅された無線周波（「ＲＦ」）出力信号を、複数の異なるＲＦ入力信号に応答して出すためのＲＦ送信機であって、
複数の電子ビームが伝播する複数のＲＦ管部を含み、各ＲＦ管部が異なるＲＦ信号の伝播をサポートする能力があるように、各ＲＦ管部がそれぞれのＲＦ信号を増幅する別個の電子ビームの伝播をサポートする能力もあるように、各管部は対向する端を有し、入力および出力を規定し、各ＲＦ管部はさらに、前記管部を長さ方向に通過する電子ビームを生成するためのアノードを１方端に含み、前記送信機はさらに、
前記アノードと反対側のＲＦ管部の各々の端に近接して配置され、前記ＲＦ管部を通って伝搬する後の前記電子ビームの各々を収集するための共通のコレクタを含む、ＲＦ送信機。
【請求項１０】
前記電子ビームの各々を変調するための変調器をさらに含み、前記変調器は各ＲＦ管部によって共有される、請求項９に記載のＲＦ送信機。
【請求項１１】
前記複数のＲＦ管部は協同して共通の真空管を規定する、請求項９に記載のＲＦ送信機。
【請求項１２】
前記コレクタが、前記電子ビームを収集する際に前記共通のコレクタ内に発生する熱を放散させるためのコレクタヒートシンクをさらに含む、請求項１１に記載のＲＦ送信機。
【請求項１３】
前記共通の真空管はクライストロン管を含む、請求項１１に記載のＲＦ送信機。
【請求項１４】
前記共通の真空管は進行波管を含む、請求項１１に記載のＲＦ送信機。
【請求項１５】
前記ＲＦ管部に通電するための電源をさらに含む、請求項９に記載のＲＦ送信機。
【請求項１６】
各ＲＦ管部は、前記他のＲＦ管部の各々の前記ＲＦ動作周波数とは異なるＲＦ動作周波数で動作する、請求項９に記載のＲＦ送信機。
【請求項１７】
複数のＲＦ信号を増幅する方法であって、
ＲＦ管部のそれぞれを通って伝搬する複数の電子ビームを生成するステップと、
異なるＲＦ入力信号のそれぞれを、前記ＲＦ管部を通って別個の前記電子ビームとともに伝搬するため、各ＲＦ管部に導入するステップと、
増幅の後、各ＲＦ管部からＲＦ出力信号のそれぞれを抽出するステップと、
前記ＲＦ管部のそれぞれを通って伝搬する前記複数の電子ビームを、共有のコレクタを用いて共通して収集するステップとを含む、方法。
【請求項１８】
前記複数の電子ビームの各々を共通して変調するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記導入するステップは、異なる周波数を有するＲＦ信号を各ＲＦ管部に導入するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、一般に、高出力無線周波（ＲＦ）増幅器、ならびにレーダ、通信、および他の適用に用いられる関連の増幅方法に関し、特に、ＲＦ信号と真空管内の変調された電子ビームとの相互作用によってＲＦ利得がもたらされる、クライストロン管、進行波管（ＴＷＴ）等の管型ＲＦ出力増幅器に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、多くのレーダおよび衛星通信への適用には、ＲＦ出力の超高ピークまたは平均レベルの送出が可能な周波（ＲＦ）送信機を設けることが求められ、たとえば、レーダへの適用ではレーダパルスを生成し、通信への適用では高出力連続信号を生成することが必要である。送信機増幅器への固体のアプローチが近年開発され、ＲＦ出力の常に増大するレベルを出すことが可能になったが、高ピークまたは平均出力レベルが求められる、より高いＲＦ周波数での多くの適用は、進行波管（「ＴＷＴ」）またはクライストロン管型増幅器を用いる必要がある。
【０００３】
典型的なＴＷＴまたはクライストロン管は、上昇温度で高電圧が印加されるアノード構造等の電子ビーム源を管の一端に含む真空管である。アノードによって生成された電子ビームは管構造の全長を進行して、アノードと反対側の管の端にあるコレクタによって集められる。管を通る電子の高フラックスのため、コレクタの素子は通常大きく嵩張る。さらに、電子を収集することにより発生する大量の熱を放散させるのに、相当の大きさのヒートシンクが必要となる。
【０００４】
動作中に、ＲＦ信号は管内のアノードの端付近に導入される。ＲＦ信号は管内の遅延構造、すなわち「低速波」構造内で電子ビームと相互作用し、管内でかなり増幅される。管の端付近でＲＦ信号を抽出することにより、高レベルのピークまたは連続ＲＦ出力を送出することができる。
【０００５】
進行波管増幅器（「ＴＷＴＡ」）は一般に、ＴＷＴおよび関連する高電圧電源から成る。この管構造内で、ＴＷＴは通常、電子ビームを取巻き、管内を縦方向に延びる低速波構造を含む。低速波構造に沿ってＲＦ信号を送ることにより、ＲＦ信号は電子ビームと相互作用し、低速波構造の長さ全体にわたって連続して増幅される。また、ＴＷＴは一般に、管の長さに沿った複数の集束磁石に加え、波を減少させるための減衰器を含むが、この減衰器がなければ波は管内を逆に、すなわち遡って進行してしまう。
【０００６】
クライストロン管も高電圧電源を必要とする。ＴＷＴとは対照的に、クライストロン管は通常、いくつかの別個の空洞を含み、その中でＲＦ信号が増幅される。ＲＦ信号は電子ビームにより空洞間を運ばれるが、空洞間でＲＦ信号は結合されないので、ＲＦ信号の増幅は管の長さにわたって連続しない。
【０００７】
上述のＴＷＴに加え、電磁的に互いに結合される数十のクライストロン様の空洞を本質的に含む、結合された空洞を有するＴＷＴが設計され、ＲＦ信号はそれを通じて伝搬できるようになった。クライストロン管およびＴＷＴに関する記載については、Ａ．Ｓ．ギルマー，ジュニア（A. S. Gilmour, Jr.）の『マイクロ波管』（Microwave Tubes）、アーテックハウス（Artech House）（１９８６）を参照されたい。
【０００８】
ＴＷＴおよびクライストロン型管が配置される多くの適用、たとえば衛星通信への適用においては、送信機ハードウェアの重量とサイズを最小化することが、多数の理由により重要であることが多い。しかし、コレクタ素子を含むすべての管構造のサイズおよび重量の結果、ＴＷＴおよびクライストロン型管は、たとえば固体の代替物と比較すると、本来は嵩張って重い。したがって、このような管ベースの送信機内のコレクタの重量とサイズが、送信機全体の重量およびサイズのかなりの部分になることがよくある。管の重量とサイズは、レーダシステムまたは衛星送信機に対し、全体として設計を決定する重要な要素になることが多い。その結果、送信機のシステムの設計者は重量とサイズを最小化するために、多数の技術を用いてきた。たとえば、デートリッヒＡ．アルスバーグ（Dietrich A. Alsberg）の米国特許第４，２３２，２４９号は、単一アノードまたは電子銃の要素を有するＴＷＴ構造を提案する。偏向の制御が可能な電子ビームを生成して２つの異なる遅延構造のいずれかを通過させ、異なるそれぞれのコレクタにより収集されるようにし、その各々は共通のコレクタヒートシンクに熱的に接続され得る。
【０００９】
いくつかのレーダまたは通信への適用では、高ＲＦ出力レベルが２つ以上の異なるＲＦ周波数の各々で生成されなければならない。たとえば、複数の周波数で動作する通信システムもあれば、多周波の送信機を使用することにより、レーダシステムの性能を上げるレーダシステムもある。多周波システムにおいて送信機のさまざまな周波数が互いに充分に近接しているときは、僅か１つのＴＷＴまたはクライストロン管を用いるだけで、すべての必要とされる周波数でＲＦ利得および出力をもたらすことができる。しかし、一部の用途では、送信機のさまざまな周波が周波数においてきわめて幅広く分散しているために、慣用のＴＷＴまたはクライストロンを用いることができない。このような用途では、多数のＴＷＴまたはクライストロンを使用しなければならず、その各々は、比較的大きく嵩張ったコレクタ素子および高電圧電源を含む。したがって、結果として送信機システムは、不利益にも大きく重いものになり、衛星または空輸用ハードウェアへの適用等の重量に敏感な適用において、送信機システムの有用性を限定するおそれを生じるだろう。
【００１０】
【発明の概要】
この発明に従い、ＲＦ送信機および関連する方法は、複数のＲＦ入力信号に応答して複数の増幅された出力信号を生成するために提供される。この発明のＲＦ送信機は複数のＲＦ管部を含む。各管部は入力および出力を規定し、それを介しＲＦ信号はそれぞれ導入されかつ抽出される。
【００１１】
各管部は通常、異なる周波数を有するＲＦ信号を増幅するが、同じ周波数のＲＦ信号も増幅することができる。各ＲＦ管部はアノードを有し、管部を通過する電子ビームを生成してＲＦ信号を増幅する。この発明に従い、ＲＦ送信機は共通のコレクタをさらに含み、ＲＦ管部のそれぞれを通って伝搬する後の電子ビームの各々を収集する。これに関し、共通のコレクタはアノード端の反対側にある各ＲＦ管部の端に隣接して配置され、各電子ビームの収集が容易になることが望ましい。各ＲＦ管部に対して共通のコレクタを用いることにより、個別のコレクタを有する複数の管部を有し異なるＲＦ信号を個別に増幅する従来のＲＦ送信機と比べると、ＲＦ送信機の重量と大きさが有利にも減少される。
【００１２】
共通のコレクタを共有するのに加え、ＲＦ送信機は各ＲＦ管部によって共有され、各電子ビームを変調するための変調器を含むことができる。さらに、複数のＲＦ管部は、クライストロン管または進行波管等の共通の真空管を協同して規定することが好ましい。ＲＦ送信機は、ＲＦ管部に通電するための電源、および電子ビームが収集される際に共通のコレクタ内で発生する熱を放散させるためのヒートシンクをさらに含むことができる。
【００１３】
共通のコレクタ、およびいくつかの実施例においては共通の変調器等の共通の要素を用いることにより、この発明のＲＦ送信機および関連する方法は、異なる周波数を持つ可能性がある複数のＲＦ信号が、ＲＦ管部のそれぞれにより増幅されることを可能にする一方で、個別の要素、すなわち個別のコレクタを有する複数のＲＦ管部を有する従来の設計に比べ、ＲＦ送信機の全体の重量とサイズを小さくしている。したがって、この発明のＲＦ送信機および関連する方法は、累積する重量とサイズが最小化されるべき適用、たとえば、衛星通信および他の空輸用または宇宙関連の適用等に対して特に有利である。
【００１４】
【詳細説明】
この発明は、この発明の好ましい実施例が示される添付の図を参照して、さらに詳しく以下に説明されるであろう。しかし、この発明は、多くの異なる形態で実施されることが可能で、ここに述べられる実施例に限定して解釈されるべきものではない。むしろ、これらの実施例は、開示が完全かつ徹底的であり、この発明の領域を当業者に十分に伝えられるように提供される。すべて、同じ数字は同じ要素を指す。
【００１５】
この発明の実施例に従い、レーダ送信機または通信増幅器等のＲＦ送信機２０が図１に示される。ＲＦ送信機は、通常には軽金属から形成される管ハウジング２２を含む。ＲＦ送信機はＴＷＴ管、クライストロン管、または管のハウジング内に配置されてＲＦ信号を増幅するための他の適当な高出力真空管をさらに含む。さらに、ＲＦ送信機は、図３とともにさらなる詳細が以下に説明されるように、コレクタおよびビーム電圧源とバイアス電圧源とを有する。ＲＦ送信機、およびいくつかの実施例において、電源はさらに、図３とともに以下に説明されるように、ヒータ源と電子ビーム変調器とを含む。この発明に従い、図１で示されるように、２帯域ＲＦ送信機２０内で、ＲＦ送信機は２組のＲＦ入力および出力を規定し、これは第１および第２のＲＦ入力と第１および第２のＲＦ出力と呼ばれる。これに関し、第１のＲＦ信号は第１のＲＦ入力２６に与えられて送信機２０によって増幅される。その後、送信機２０によってもたらされる、増幅されたＲＦ出力は、第１のＲＦ出力２８に与えられる。同様に、増幅されるべき第２のＲＦ信号は送信機２０の第２のＲＦ入力に与えられ、対応する増幅された信号は第２のＲＦ出力３２から出される。第１および第２のＲＦ信号は異なる周波数を有することが好ましい。
【００１６】
今、図２を参照すると、この発明の１つの実施例に従い、２つのＲＦ信号を増幅するための共通のコレクタ３８を有する管構造の斜視図が示される。しかし、図示するため、管ハウジングは管構造がより明らかに見えるよう、描かれていない。図２も以下に説明されるように、適切な電力と変調器の信号とを共有のコレクタ管構造に供給する電源２４を示す。さらに詳細には、図２の管構造は、共通のコレクタにより接合される第１および第２の管を含む。第１の管３４は１方の端に第１のアノード３５を含み、反対の端に共有のコレクタ３８を含む。同様に、第２の管３６は１方端に第２のアノード３７を含み、他方端に共有のコレクタ３８を含む。電源によって供給された電圧に応答して、第１のアノード３５および第２のアノード３７は、第１の管３４および第２の管３６の全長にわたって方向付けられ、共有のコレクタ３８により収集される電子ビームをそれぞれ生成する。これに関し、コレクタはさらに、素子ビームの収集が容易になるよう、電源によって予め定められた電圧レベルに維持されることが好ましい。電子ビームの収集によりかなりの熱が発生する。したがって、ＲＦ送信機２０はさらに、熱を放散させるように設計されるコレクタヒートシンク４０を含むのが好ましい。
【００１７】
したがって、この発明のＲＦ送信機２０は、共有のコレクタ３８およびコレクタヒートシンク４０を有する単一管構造内で２つの異なる周波数を有するＲＦ信号を増幅することができる。これに関し、この発明のＲＦ送信機２０内で、電子は、共有のコレクタ３８にそれぞれ反対側から到着し、第１の管３４を通過する電子はコレクタの一方側から到着し、かつ第２の管３６を通過する電子はコレクタの他方側から到着する。したがって、この発明のＲＦ送信機は、第１の管部３４と第２の管部３６および単一の共有のコレクタ３８を含む、単一の真空管の要素を用いることを可能にする。図３とともに以下で説明されるように、単一の変調器でも、第１および第２の管の両方のＲＦ信号を変調できる。したがって、完全に異なる要素を有する２つの個別の管構造を有する従来の２帯域ＲＦ送信機と比べると、かなりの重量と嵩を減らすことができる。
【００１８】
図３では、この発明の１つの実施例に従い、共有のコレクタ３８を有する２帯域ＲＦ送信機２０の断面図が、電源回路の概略表示とともに示される。共有のコレクタ３８のそれぞれの側に、ＲＦ送信機は第１および第２の管を含む。各管はアノード３５、アノード３７をそれぞれ含み、適切な供給電圧に応答して電子ビーム４８を生成する。第１および第２の管はさらに、それぞれのアノードおよび共通のコレクタとの間に延びる遅延または空洞構造５０および５１を含む。したがって、電子ビーム４８はそれぞれの管の長さ方向を進行し、それにより、共有のコレクタ３８によって収集される前に、空洞または遅延構造を通過する。
【００１９】
当業者には公知であるが、電子ビームはＲＦ信号を増幅するはたらきをする。これに関し、第１のＲＦ入力２６で第１の管に導入されたＲＦ信号は、第１の空洞または遅延構造５０内の電子ビーム４８とＲＦ信号との相互作用により増幅される。その後、増幅されたＲＦ信号を第１のＲＦ出力２８から抽出することができる。同様に、第２のＲＦ入力３０で第２の管に導入されたＲＦ信号は、第２の遅延構造５１内の第２のアノード３７によって生成された電子ビームと相互作用し、その結果増幅されたＲＦ信号を第２のＲＦ出力３２から抽出することができる。
【００２０】
図３で示され、上述のように、ＲＦ送信機２０はさらに、ヒータ源５６、バイアス電圧源５８、コレクタ電圧源６２、ビーム電圧源６０、および変調器６４を含むことができる。当業者には公知であるが、熱源５６は第１のアノード３５および第２のアノード３７を加熱し、２つの管部の各々の中で電子ビーム４８が形成されるのを促進する。また当業者には公知であるが、バイアス電圧源５８およびコレクタ電圧源６２は、共有のコレクタ３８およびそれぞれのアノードとの間で、協同して電圧差をもたらす。さらに、ビーム電圧源６０は第１の遅延構造５０および第２の遅延構造５１の電圧レベルを設定し、変調器６４は当業者に公知の方法で、それぞれの電子ビームを変調する。変調に関し、２帯域ＲＦ送信機はアノードに近接し、さらに、変調器によって駆動され、すべての電子ビームを交互に流して止めるグリッドを含むことが可能で、それにより、ＲＦ信号の増幅の実施と停止とを交互に行うことができる。１つの実施例では、変調器は適度の電圧および電流の方形波を与え、グリッド電圧を正と負とに交互に駆動する。増幅器が短い上昇時間および下降時間を有する方形波で電子ビームを変調することにより、電子ビームを迅速にオン・オフすることができる。この発明のＲＦ送信機は個別のヒータ源、バイアス電圧源、ビーム電圧源、コレクタ電圧源および変調器を各管部に対し含むことができる一方で、ＲＦ送信機のコストと重量は図３で示されるように、各管部に対し共通の要素を用いることによって減少する。
【００２１】
この発明のＲＦ送信機２０は、用途に応じて幾つかの異なる態様で構成することが可能だが、ＲＦ送信機の一例が図示のため、以下に示される。この例において、ＲＦ送信機は図３で示されるように、入力と出力のそれぞれを有する１対のＲＦ管部を含む。たとえば、第１の入力は３０ＧＨｚの周波数を有することが可能で、第２の入力は４２ＧＨｚの周波数を有することが可能である。バイアス電圧源５８およびコレクタ電圧源６２がコレクタ３８およびアノード３５、３７のそれぞれの間に１５から２０ＫＶの電圧を協同して印加し、ヒータ源が適切な温度までアノードを加熱すると、管部のそれぞれを通って伝搬する電子ビームを生成する。さらに、電子ビームの変調が可能である。これに関し、変調器は電子ビームのパルス変調を引起すよう、グリッドを動作させることができる。ＲＦ信号のそれぞれを増幅させた結果、１０から４５ｄＢだけ増幅されたＲＦ出力のそれぞれからＲＦ出力信号を抽出することができる。したがって、この例に示されるように、この発明のＲＦ送信機および関連する方法は、異なる周波数のＲＦ信号の増幅を可能にする一方で、共通のコレクタおよび共通の変調器等の共通の要素を用いることにより、ＲＦ送信機の全体のサイズおよび重量を減らすことができる。
【００２２】
したがって、この発明に従ったＲＦ送信機２０は、異なる周波数を２つ以上通常は有するＲＦ信号に対して出力の利得または増幅を提供する、２つの管部間でコレクタ３８が共有されるよう構成され得る。図３から認識できるように、各管部に対し、共有のコレクタを含むこの発明のＲＦ送信機２０の長さと重量は、２つの完全に個別の管構造を有し、各々が独自のコレクタを有する、２つの異なる周波数を生成する従来のＲＦ送信機に比べると、かなり短く、軽量にすることができる。コレクタを共有することに加え、この発明の１つの実施例のＲＦ送信機はさらに、共通の変調器６４、共通のヒータ源５６、共通のバイアス電圧源５８、共通のビーム電圧源６０、共通のコレクタ電圧源６２、および共通のコレクタヒートシンク４０等の他の要素を共有することができる。さらに、ＲＦ送信機は各管部を含む単一の真空管要素を含むこともできる。したがって、結果としてＲＦ送信機は、２つの個別の管構造を必要とするであろう従来の設計よりも安価に、小さく、軽い共有のコレクタの構成で、２つの異なる周波数を有するＲＦ信号を個別に増幅することができる。
【００２３】
この発明の多くの変更および他の実施例は、この発明に関連し、上の説明および関連する図に示された教示の恩恵を受ける当業者に思い浮かぶであろう。したがって、この発明が特定の開示された実施例に限定されることなく、変更および他の実施例が前掲の請求項の範囲内に含まれるように意図されることは理解されるべきである。ここで特定の用語が用いられているが、それらは一般的および記述的な意味でのみ用いられており、限定の目的で用いられるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の１つの実施例に従った、２帯域ＲＦ送信機および関連する電源の斜視図である。
【図２】  この発明の１つの実施例に従った、共有の電源とともに共通のコレクタを共有する、ＲＦ送信機の１対の管部の斜視図である。
【図３】  この発明の１つの有利な実施例に従った、２帯域ＲＦ送信機の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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