(57)【要約】 【課題】  本発明は、進行波管に関し、アレーアンテナの軽量化およびコスト削減を図ることができる小型・細径進行波管を提供することを目的とする。【解決手段】  出力回路１２３の導波管内に、多段のアイリス結合を設けて、出力回路１２３に、帯域通過フィルタや帯域阻止フィルタの機能を持たせ、小型・細径進行波管１の非線型歪により発生するスプリアスを除去し、従来、小型・細径進行波管１の後段に、該スプリアスを除去するために設けられていたフィルタを不要とする。【選択図】      図１
2005339892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低速波回路の軸方向と平行に設置された導波管を使用する出力回路を備えた進行波管において、
該出力回路にフィルタ特性を持たせたことを特徴とする進行波管。
【請求項２】
請求項１に記載の進行波管を備えたことを特徴とするアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行波管に関し、特に、小型・細径化を要求される進行波管に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、降雨減衰が増加するＫａ帯（２１GHz帯）を使用する放送・通信衛星システムにおいて、激しい降雨減衰が生じている地域にのみ高い電力を放射し、その他の地域には通常の電力を放射するような放射パターンを形成して衛星中継器の消費電力を低減させるためアレーアンテナが使用される。
【０００３】
図９は従来のアレーアンテナを示す図である。図９に示すように、アレーアンテナは、ビームを形成・制御するビーム形成装置（ＢＦＮ：Beam Forming Network）２と、ビーム形成装置が出力するマイクロ波を増幅する進行波管４と、進行波管の出力するマイクロ波をフィルタリングするフィルタ５と、フィルタリングされたマイクロ波を出力するホーン３とを備えている。
【０００４】
このアレーアンテナでは、ホーン３からの出力電力と出力位相を、ビーム形成装置２で制御することで、衛星からの放射電力の分布（放射パターン）を自由に形成することができる。
【０００５】
この場合、放射パターンをより自由に形成するためには、多数（例えば、数百個）のホーン３を1.0〜1.5λ程度の間隔で２次元的に密集配置する必要があるため、Ｋａ帯で高出力かつ高効率な増幅器である進行波管４の断面寸法を小型化した小型・細径進行波管が要求される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
最終段の増幅器である進行波管４では、トランスポンダの電力効率を上げるため、電力効率の高い飽和領域で使用することが望ましい。一方、進行波管４を飽和領域で動作させた場合、出力電力および出力位相の非線型歪が生じ、一般にデジタル変調においては帯域外へのスプリアスが発生する。
【０００７】
すなわち、図１０に示すように、図１０（ａ）に示すような入力スペクトラムが、進行波管の非線型歪によって図１０（ｂ）に示すような所望帯域外スプリアスを持つスペクトラムとなる。
【０００８】
このため、進行波管４の後段にフィルタ５として、所望の帯域のみの出力信号スペクトラムを通過させる帯域通過フィルタ（BPF:Band Pass Filter）、もしくは、所望の帯域外のスプリアスを除去する帯域阻止フィルタ（BEF:Band Eliminate Filter）を別途設置し、図１０（ｃ）に示すような信号スペクトラムとする必要がある。
【非特許文献１】中川仁、村田孝雄、「２１ＧＨｚ帯衛星放送研究の現状と展望」、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、２００３年６月１７日、信学技報Ｖｏｌ．１０３Ｎｏ．１３９、ｐ．１−４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このように進行波管４、フィルタ５、ホーン３を接続した構成とすると、上述のアレーアンテナでは、多数（例えば、数百個）のフィルタ５が必要となるので、重量の増加やコストの上昇の問題が生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、小型・細径進行波管の出力回路にフィルタ機能を持たせることにより、フィルタを廃して、アレーアンテナの軽量化およびコスト削減を図ることができる小型・細径進行波管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する第１の発明は、低速波回路の軸方向と平行に設置された導波管を使用する出力回路を備えた進行波管において、該出力回路にフィルタ特性を持たせたことを特徴とするものである。
【００１２】
この発明では、出力回路でマイクロ波がフィルタされる。したがって、進行波管の後段にフィルタを設ける必要が無くなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、出力回路でフィルタ機能を備えているので、後段にフィルタを設ける必要が無くなり、構成を簡素化することができる。
【００１４】
また、本発明の進行波管をアレーアンテナに搭載すれば、出力回路の後段にフィルタを設ける必要が無く、アレーアンテナの軽量化およびコスト削減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１〜図８は本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を示す図である。
【００１７】
図１において、本実施形態の小型・細径進行波管１は、電子を放出する電子銃部１１と、マイクロ波を処理する高周波回路部１２と、電子を捕捉するコレクタ部１３と、電子ビームを集束させる集束装置部１４と、本体を支持し放熱等を行うためのパッケージ１５とを備えている。
【００１８】
電子銃部１１は、電子を放出するカソード１１１と、このカソード１１１を加熱するヒータ１１２と、カソード１１１とヒータ１１２の周辺に絶縁セラミック１１３とを備えている。
【００１９】
高周波回路部１２は、マイクロ波を入力する入力回路１２１と、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遅延回路１２２と、増幅したマイクロ波を出力する出力回路１２３とを備えている。
【００２０】
集束装置部１４は、電子ビームの通路に磁界を発生させる複数の磁石１４１及び磁極１４２を備えている。
【００２１】
電子銃部１１の真空中のカソード１１１から放出された電子は、数ｋＶ以上の高電圧で加速されると同時に、集束装置部１４で形成された磁界により集束され、集束された電子は細い電子ビームを形成してヘリックス遅延回路１２２のらせんの内側を通過する。
【００２２】
一方、マイクロ波は、入力回路１２１からヘリックス遅延回路１２２に導かれ、電子ビームの上流側（カソード１１１側）かららせん状のヘリックス遅延回路１２２に沿って進み、その軸方向速度が電子ビーム速度とほぼ同期したときに電子ビームとマイクロ波の相互作用が生じてマイクロ波電力が増幅される。増幅されたマイクロ波はヘリックス遅延回路１２２に接続された出力回路１２３から取り出される。
【００２３】
マイクロ波との相互作用を終えた電子ビームは、コレクタ部１３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。
【００２４】
この小型・細径進行波管１は、小型・細径化を図るため、一般的な進行波管では電子ビームの放出方向に対して垂直に設置される入力回路１２１および出力回路１２３を、断面寸法を抑えるために電子ビームの放射方向と平行に設置し、増幅されたマイクロ波は進行波管の最端部の出力部から取り出される。
【００２５】
また、入力回路１２１および出力回路１２３を構成する導波管は、通常の導波管より高さが低い扁平導波管を用い、小型・細径化を図っている。
【００２６】
さらに、本実施形態の小型・細径進行波管１では、その出力回路１２３に、目的に応じて帯域阻止フィルタや帯域通過フィルタの機能を持たせるようにしている。
【００２７】
出力回路１２３のような導波管に、一つの誘導性窓を設けた帯域阻止フィルタの例を図２（ａ）に、帯域通過フィルタの例を図２（ｂ）に示す。
【００２８】
導波管内に窓を設けた場合、伝送路に並列に集中定数ｊＢが接続されたものと考えられるため、その等価回路は図３に示すようになる。
【００２９】
その際、図３の誘導性窓のサセプタンスＢは、
ＢＥＦの場合
Ｂ＝−λｇ／ａ・ｃｏｔ2πｄ／２ａ（１＋ｃｏｓｅｃ2πｄ／２ａ）
ＢＰＦの場合
Ｂ＝−λｇ／ａ・ｃｏｔ2πｄ／２ａ
で近似的に算出でき、また反射計数γは
γ＝−ｊＢ／（ｊＢ＋２）
で算出できる。
【００３０】
ここで、λｇは管内波長、ａは入出力部の導波管幅、ｄは誘導性窓部の導波管幅である。
【００３１】
この両式から、フィルタ特性は、導波管の幅方向の要素であるａとｄの組み合わせのみで設計できることが示されており、出力回路のように高さが低減された導波管においてもフィルタ特性を持たせることが可能であると考えられる。
【００３２】
図４は、５段のアイリス結合により帯域通過フィルタを構成した例である。この帯域通過フィルタの高さ（図のＡの長さ）を、従来の導波管で構成した場合（高さ4.318mm）と、出力回路のように高さを低減した扁平導波管で構成した場合（高さ1.318mm）のフィルタ特性の比較を図５に示す。
【００３３】
図５において、Ｓ１１はフィルタの反射特性を示し、Ｓ２１はファイルタの通過特性を示している。
【００３４】
図５に示すように、高さを変化させてもフィルタ特性が全く同一となり、高さを低減した導波管においても通常寸法の導波管で設計した場合と同一のフィルタ特性が得られることがわかる。これは、帯域阻止フィルタに関しても同様である。
【００３５】
このことから、本実施形態では、出力回路の導波管内に図４に示すような５段のアイリス結合を設け、出力回路に帯域通過フィルタの機能を持たせている。
【００３６】
２１GHz帯で導波管型のフィルタを用いる場合には、１段あたり約10mm程度の長さが必要となる。本実施形態の小型・細径進行波管の出力回路は約80mm程度の長さを持っているので、この出力回路には７〜８段の急峻なフィルタ機能を持たせることができる。
【００３７】
このような本実施形態の小型・細径進行波管１を使えば、衛星搭載用アレーアンテナを図６に示すように構成することができ、従来必要とされていたフィルタを省くことができるので、フィルタの細径化にかかる開発コストを削減することができ、また、アレーアンテナの軽量化を図ることができ、アレーアンテナの製造コストを削減することができる。
【００３８】
また、本実施形態の小型・細径進行波管１に通常の導波管寸法のホーン３を接続する場合には、図７に示すようなステップ構造を用いて、扁平導波管の高さ（1.418mm）を通常の導波管の高さ（4.148mm）に変換することが可能である。
【００３９】
このように構成した場合も、図８に示すように、フィルタ特性は概ね保持され、所望のフィルタ特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を示す図であり、その断面図である。
【図２】誘導性窓を設けた導波管フィルタの例を示す図である。
【図３】誘導性窓を設けた導波管フィルタの等価回路を示す図である。
【図４】５段アイリス結合による帯域通過フィルタの例を示す図である。
【図５】高さを変えた場合のフィルタ特性を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態の小型・細径進行波管を用いたアレーアンテナの構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態の小型・細径進行波管に通常の導波管寸法のホーンを接続するときの出力回路を示す斜視図である。
【図８】そのフィルタ特性を示す図である。
【図９】従来のアレーアンテナの構成を示す図である。
【図１０】従来の進行波管の非線型歪によるスプリアスを示す信号スペクトルの図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  小型・細径進行波管
１１  電子銃部
１１１  カソード
１１２  ヒータ
１１３  絶縁セラミック
１２  高周波回路部
１２１  入力回路
１２２  ヘリックス遅延回路
１２３  出力回路
１３  コレクタ部
１４  集束装置部
１４１  磁石
１４２  磁極
１５  パッケージ
２  ビーム形成装置
３  ホーン
４  進行波管
５  フィルタ
【図１】
2005339892.tif 000003
【図２】
2005339892.tif 000004
【図３】
2005339892.tif 000005
【図４】
2005339892.tif 000006
【図５】
2005339892.tif 000007
【図６】
2005339892.tif 000008
【図７】
2005339892.tif 000009
【図８】
2005339892.tif 000010
【図９】
2005339892.tif 000011
【図１０】
2005339892.tif 000012