(57)【要約】マイクロ波無線周波数で信号を生成する真空電子デバイス（５０）は、管のＲＦ部の磁石によって生成される場を通って電子を放出する電子源を利用する。電子が管の活性領域を通った後、その電子はコレクタにぶつかる。コレクタは好ましくは多段抑制コレクタである。抑制コレクタの段は異なった電位の高エネルギーの電圧源に接続され得る。多段抑制コレクタをもった真空電子デバイス（５０）は、ここではじめて地上型衛星通信システムまたは陸上通信システムにおいて使用される。【選択図】図２
2004510293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上型衛星または陸上通信システムにおいて使用されるハイパワー出力真空電子デバイスであって、
電子を放出するカソードと、
該電子を誘引するアノードであって、該電子が該アノードを通ることができるように構成された、アノードと、
該電子のビームの経路において、高電圧電源の存在下でＲＦ信号エネルギーを生成する、ＲＦ生成回路と、
該アノードおよび該ＲＦ生成回路の周囲で、該電子を平行ビームに集束させる磁石と、
該平行電子ビームを受け取り、該カソードに該電子を戻すコレクタであって、該コレクタは、該磁石からの該磁場をシールドし、磁場反転がない、多段抑制コレクタである、コレクタと
を備え、
該真空電子デバイスはクライストロンを含む、真空電子デバイス。
【請求項２】
ハイパワー出力真空電子デバイスを使用する地上型衛星または陸上通信システムであって、該真空電子デバイスは、磁場反転がない多段抑制コレクタを有するクライストロンを含む、システム。
【請求項３】
前記ハイパワー出力真空電子デバイスの電子ビームが、前記コレクタの壁に均一に分散される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記クライストロンが、拡張相互作用クライストロンである、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
近接するＲＦアセンブリは、クライストロン本体の電流の増加の要因になり得る、磁気障害を避けるために、前記クライストロンから間隔をあけられる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記クライストロンに電力を供給する電源と、該電源および該クライストロンの動作を制御する制御システムさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
一過性の高電圧アークが前記クライストロンコレクタに起こったとしても、前記電源および前記制御システムが、動作し続ける、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記クライストロンでのコレクタ負荷の広いレンジに関係なく、前記電源が、安定で、制御されたままである、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
地上型衛星または陸上通信システムであって、
磁場反転のない多段抑制コレクタを有するクライストロンと、
該クライストロンへ電力を供給する電源と、
該地上型衛星または陸上通信システム、該電源、および、該クライストロンの動作を制御する制御システムと
を備える、システム。
【請求項１０】
前記電源の出力を線形化するために、前記クライストロンを使用する先行歪み線形化器をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
中間周波数（ＩＦ）で無線周波数（ＲＦ）入力を受け、該ＩＦ周波数を、前記クライストロンにより増幅するためにマイクロ波周波数に変換するブロックアップコンバーターをさらに備える、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記クライストロンへのビーム電圧のための電子制御であって、前記クライストロンがフル出力パワーで駆動しない場合に電力消費を減少させるために公称より低いビーム電圧を可能にする電子制御をさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ビーム電圧が、ＲＦ入力駆動レベルに基づいたビーム電圧を自動的に調節する固定出力バックオフに基づく、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
地上型衛星通信または陸上通信システムにおいて、真空電子デバイスは、電子のソースであって、該電子が狭ビームに形成される、電子のソースと、該電子を収集するコレクタと、該狭ビームを囲み、集束する磁石であって、該磁石の磁束は、該電子ビームの中心線に平行でコリニアであり、該磁石は、該電子ビームを集束し、駆動するように該中心線に沿って開いた極部分を有し、該磁石は、該電子ビームを初めに集束するように該電子のソースの領域に近接する第２の開いた極部分を有し、該磁石からの任意の磁束が該磁石の本体に戻るように、該磁石は該コレクタの近傍で開いた極部分を有さない、磁石とを備える真空電子デバイス。
【請求項１５】
前記コレクタは内部チャンバを備え、前記電子は内部チャンバ中で均一に分散し、それにより、磁気的に集束された電子に起因して任意のホットスポットを取り除く、請求項１４に記載の真空電子デバイス。
【請求項１６】
前記コレクタは、多段抑制コレクタを備え、異なる運動エネルギーの電子が関連する抑制コレクタに衝突するように、該段のそれぞれは、異なる高電圧電源に接続される、請求項１５に記載の真空電子デバイス。
【請求項１７】
多段抑制コレクタ高エネルギー真空電子デバイスにおいて使用される銃専用磁石であって、該真空電子デバイスのカソードに近接した磁束を生成し、該カソードから放出した電子を駆動し、最初に集束する第１の極部分領域と、狭ビームに該電子を集束するように電子の通路に沿った磁束を形成する第２の極部分領域とを含み、該磁石は該電子が収集され、該カソードに戻る該真空電子デバイスの領域に極部分を有さず、該真空電子デバイスはクライストロンを含み、その改良点は、地上型衛星通信または陸上通信システムにおいて該クライストロンを使用することを含む、銃専用磁石。
【請求項１８】
地上型衛星または陸上通信システムにおいて、改良点が、
クライストロン真空電子デバイスを提供し、該デバイスは、磁場反転のない多段抑制コレクタを含む、システム。
【請求項１９】
ハイパワー出力クライストロンを使用する、地上型衛星または陸上通信システムであって、
電子を発射するように動作可能な電子銃と、
電子ビームに該電子を集束するように動作可能な該電子銃の少なくとも一部を包む銃磁石と、
該電子ビームを変調し、増幅するように動作可能なＲＦ相互作用領域と、
該ＲＦ相互作用領域に結合されたコレクタであって、磁場反転がないコレクタチャンバーを有し、該ＲＦ相互作用領域から受け取る電子ビームを分散し、収集するように構成された表面を有する、コレクタと
を備えるシステム。
【請求項２０】
前記電子ビームの中央線の周囲に同軸上に配置されている磁気材料の管であって、該管は前記銃磁石と結合された第１の端部と、前記コレクタへ結合された第２の端部とを有し、該管は磁場が該コレクタチャンバに入ることを防ぐように動作可能である、管をさらに備える、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記コレクタチャンバが多段抑制コレクタである、請求項１９に記載のシステム
【請求項２２】
前記クライストロンに電力を供給するように構成された電源と、
該クライストロンと該電源の動作を制御するように動作可能である制御システムと
をさらに備える請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の引用）
本出願は、２０００年７月３１日に出願された、出願シリアル番号０９／６２９，３１５、「Ａｄａｐｔｉｖｅ　Ｈｅａｔｅｒ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　Ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｆｏｒ　Ｓｅｔｔｉｎｇ　Ａｎｄ　Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　Ｏｆ　Ｔｈｅ　Ｈｅａｔｅｒ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｏｆ　Ａ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ」、２０００年５月１８日に出願された、出願シリアル番号０９／５７４，７１２「Ｔｗｏ　Ｓｔａｇｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　Ｗｉｔｈ　Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｂｕｃｋ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ」、２０００年８月２８日に出願された、出願シリアル番号０９／ＸＸＸ，ＸＸＸ「Ｇｕｎ‐Ｏｎｌｙ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｕｓｅｄ　Ｆｏｒ　Ａ　Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ　Ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ　Ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　Ｋｌｙｓｔｒｏｎ」の継続出願である。これらの全てを本願において参考として援用する。
【０００２】
（背景）
（技術分野）
本発明は、多段抑制コレクタ（ＭＳＤＣ）クライストロン型アンプに関し、特に、地上型衛星通信および陸上通信において使用されるＭＳＤＣクライストロンに関する。
【０００３】
（背景技術の説明）
クライストロン管はマイクロ波信号の高パワー伝送のために使用される公知のデバイスである。クライストロンはラジオ信号やテレビ信号のＶＨＦやＵＨＦ伝送のような無線周波数信号の地上伝送において一般的に使用されている。クライストロンはまた、軌道を周回している衛星システムへの地上のアップリンク経路において使用される。
【０００４】
より効率的なだけでなく、これまでと同等もしくは、それ以上の出力が出る小さいクライストロン管の作製の努力が続けてられている。非効率的な管駆動によるパワー損失だけでなく熱損失も継続的に精査されている。多段抑制コレクタ管は従来技術として議論されてきた。１９８３年７月２６日に発行された米国特許第４，３９５，６５６号により、ジャイロトロン伝送管に権利を与えられている。この特許はＲＦ伝送管と磁気焦点場からの効力がなくなり（ｓｐｅｎｔ）、回転し、軌道を周回している電子を捕獲するための多段抑制コレクタを開示している。ジャイロトロン管の出力周波数を決定するのは磁場の電子による共振である。ＭＳＤＣ技術と衛星通信や１ギガヘルツを超える地上通信に適した高パワー伝送クライストロン管を結びつけることは、しかしながら未到の目標である。
【０００５】
（要旨）
本発明は、地上型衛星通信または陸上通信システムに利用するための高パワー出力真空電子装置に関する。この発明は、電子の供給を放出するカソードと電子を誘引するアノードを含む。アノードは電子がアノードを通り抜けるのを可能にするように構成されている。電子ビームの経路であるＲＦ生成回路は高電圧電源の存在下でＲＦ信号エネルギーを生成する。磁石は電子を平行ビームに集束させるためにアノードとＲＦ生成回路を囲んでいる。コレクタは平行電子ビームを受け取り、集まった電子をカソードに戻す。コレクタは多段抑制コレクタであり、真空電子装置はクライストロンである。本発明の別の実施形態は、多段抑制コレクタを有するクライストロンの地上型衛星通信または陸上通信システムを含み、クライストロンに電力を供給するための電源と、地上型衛星通信または陸上通信システム、電源およびクライストロンの動作を制御するための制御システムとをさらに含んでいる。先行歪み線形化器（ｐｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｌｉｎｅａｒｉｚｅｒ）はクライストロンの出力を線形にするのに使用され得る。そのシステムは、また、中間周波数において無線周波数入力を受け取り、クライストロンによる増幅のためにその中間周波数をマイクロ波周波数に変換するブロックアップコンバータを含み得る。クライストロンへのビーム電圧の電子的制御には、また、クライストロンが最大出力パワーでない場合に、公称より低いビーム電圧によってパワー消費を減少させることも含んでいる。
【０００６】
（詳細な説明）
本願において、本発明の実施形態のより完全な理解のために、図面とともに以下の詳細な説明を参照すべきである。
【０００７】
参照番号は、図面の異なる図の全体にわたって本発明の同じか均等物を示す。
【０００８】
当業者は、本発明の以下の説明が例示のみであり、決して限定されることのないことを理解する。本発明の他の実施形態は、この開示の利益を得るような技術者へ容易に示唆される。
【０００９】
本明細書において開示された本発明は、多段抑制コレクタ（ＭＳＤＣ）クライストロン型アンプの利用に関し、また、特に地上型衛星通信および陸上通信への利用のためのＭＳＤＣに関する。クライストロン管はドリフト空間管と呼ばれる電子管に属する。クライストロンは、マイクロ波周波数におけるアンプとして、および発振器としても用いられる。クライストロンでは、カソードから出射される電子の速度を変調して、密度変調された電子ビームを生成する。クライストロンは、電子が加速され、かつ、変調されたりするために多くの空胴（ｃａｖｉｔｙ）を利用する。次いで、その電子は捕獲され、回路に戻る。一方、ジャイロトロンは、クライストロンのような空胴（ｃａｖｉｔｙ）の構造というよりもむしろ出力周波数の決定のために磁場の電子共振を利用する。
【００１０】
クライストロンは、空胴段（ｃａｖｉｔｙ　ｓｔａｇｅ）をさらに加えて、より少ない廃熱および成し遂げられ得るパワー出力の量を犠牲にせずに、効率を上げ、またはクライストロンを駆動するアンプが線形性であるのでジャイロトロンに対して有利である。さらに、クライストロンのコレクタ内のコレクタ段の数を増やすことは、電子をより正確に収集し、二次電子放出をより小さくし、および、達する電子のさらなる収集に起因して冷却する必要性が減少するという理由で、管およびその管を含むシステムの効率を上げる。この駆動効率の増加はビーム電圧の増加なしに達成される。本願に示したそのようなシステムは、地上型衛星通信または陸上通信システム利用において従来には達成されなかった。
【００１１】
商業衛星通信アップリンクには、主として、６ギガヘルツ、１４ギガヘルツ、１８ギガヘルツの三つのバンドが存在する。多くの他のバンドは１と３ギガヘルツの間で分散し、および、３０ギガヘルツ、４４ギガヘルツ、そして、より高い周波数で存在する。ＭＳＤＣクライストロンアンプを用いる一般的な商業衛星通信アプリケーションはＲＦ出力パワーの２から３キロワットを必要とする。このＲＦ出力パワーに対応して、アンプの高電圧電源は、グランドとビーム電圧との間のレンジのそれぞれのコレクタ電圧に加えて、（グランドに対して）およそマイナス９キロボルトのビーム電圧と１アンペアのビーム電流をＭＳＤＣクライストロンに供給しなければならない。ＲＦ出力パワーは０から飽和ＲＦまで変えられるので、それぞれのコレクタ段により受けられた電流量は変化する。それはアンプの電源に対して、ＲＦ依存負荷をかける。０から飽和までＲＦ出力パワーが変化するので、アンプのＡＣパワードロー（ｄｒａｗ）は６キロワットと８キロワットの間で変化する。このパワードローはクライストロン、クライストロンと補助的な冷却、アンプコントロールシステムとＲＦプリアンプを含む。これは、同じ出力パワーレンジに対して一定して１２キロワット（ＡＣ主要電力）を引き出す類似の接地型コレクタクライストロンアンプに対する改良である。ＭＳＤＣクライストロン型アンプは、より少ない廃熱および類似の接地型コレクタクライストロンアンプより小さい、半分以下のサイズになるような他の改良も享受する。
【００１２】
陸上通信周波数バンド割当は、あまりにも大きいので本明細書に完璧に記載することは出来ない。しかし、多くは、１ギガヘルツと３ギガヘルツ（ＬとＳバンド）との間で分散されており、いくつかのバンドは２０ギガヘルツよりも大きい。ＭＳＤＣクライストロンアンプを用いるＬまたはＳバンドのどちらかの一般的な陸上通信アプリケーションは、１０キロワットを生成し得るクライストロンのアンプから３キロワットのＲＦ出力を必要とする。このＲＦ出力パワーに対応して、アンプの高電圧電源は、グランドとビーム電圧との間のレンジのそれぞれのコレクタ電圧に加えて（グランドに対して）およそマイナス１４キロボルトのビーム電圧、および、２アンペアのビーム電流をＭＳＤＣクライストロンに供給しなければならない。ＲＦ出力パワーは０から３キロワットまで変わるので、それぞれのコレクタ段によって受け取られる電流の量は変わる。それは、アンプの電源に対してＲＦ依存負荷をかける。ＲＦ出力パワーは０から３キロワットまで変わるので、アンプのＡＣパワードロー（ｄｒａｗ）は、１４キロワットと１８キロワットの間で変わる。このパワードロー（ｄｒａｗ）は、クライストロン、クライストロンと補助冷却、アンプ制御システム、およびＲＦプレアンプを含む。これは、同じ出力パワーレンジを越えて４６キロワット（ＡＣ主要電力）を絶えず引き出す類似の接地型段コレクタクライストロンアンプに対する改良である。接地型ＭＳＤＣクライストロンアンプは、より少ない廃熱、および、類似の接地型コレクタクライストロンアンプより全体のサイズが３分の２というような他の改良を享受する。
【００１３】
ＭＳＤＣ拡張相互作用クライストロン（ＭＳＤＣ‐ＥＩＫ）と呼ばれる、ＭＳＤＣクライストロンの変形は、一般的には広い瞬時バンド幅（１００メガヘルツより大きく１ギガヘルツのオーダーまで）を必要とする、２０ギガヘルツより大きい周波数において衛星アップリンクまたは地上通信に対して使用される。
【００１４】
そのアンプの設計は、ＭＳＤＣクライストロンのいくつかの独自の局面を考慮している。近接するＲＦアセンブリは、クライストロン本体の電流の増加の要因になり得る磁気障害を避けるために間隔をあけなければならない。電源および制御システムは、クライストロンのコレクタ内で起こり得る微量で一過性の高電圧アーク（ａｒｃｓ）の場合に「使用中に」アンプを保つように設計されている。切り替えモード電源は、低いＲＦ出力駆動と飽和したＲＦ出力駆動を比較したときに見られるようにコレクタ負荷のＭＳＤＣクライストロンの広いレンジを示すときに安定し、かつ、首尾よく制御されたままとなるように設計されている。
【００１５】
そのアンプの設計は、クライストロン型衛星アップリンクまたは陸上アンプにはなかった特徴を含んでいる。そのような特徴の１つは、より線形のアンプを作るために、クライストロンと結合して利用される先行歪み線形化器を支援するということである。別の特徴は、ブロックアップコンバータ（ＢＵＣ）を支援することである。そのＢＵＣはＩＦ周波数でＲＦ入力を受け、それを伝送するためにクライストロンにより増幅されるマイクロ波周波数へアップコンバートをする。
【００１６】
そのアンプの設計は、ビーム電圧の電子制御を含む。なぜなら、クライストロンおよび公称より低いビーム電圧を駆動することは、電力消費を減少させ、アンプがフル出力パワーが必要とされるモードを実行しない場合の、ひとつのオプションであるからである。パワーセーバー（Ｐｏｗｅｒ　Ｓａｖｅｒ）は、ビーム電圧の手動セッティングのための特徴名である。パワートラッカー（Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｃｋｅｒ）は、固定出力バックオフ（ｆｉｘｅｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｂａｃｋｏｆｆ）に基づくビーム電圧の適応設定のための特徴名である。パワートラッカーは、ビーム電圧とＲＦ入力駆動レベルに基づく入力減衰器設定を自動的に調節する。一般的に、これは、低いレベルを「クリアースカイ（ｃｌｅａｒ　ｓｋｙ）」状態とし、そして高いレベルはレイニーウェザー（ｒａｉｎｙ　ｗｅａｔｈｅｒ）とする。パワートラッカーが多くの駆動状態に対して最適化されるが、ユーザが望むならば、手動でビーム電圧設定を無効にし得る。パワーセイバーはフェーズ変化を最小化し、かつ、シグナルロックを維持するように設計されている。パワーセーバーについての二つの駆動モードが存在する。「ビーム電圧制御」モードにおいて、ビーム電圧は（一般的に）２キロボルトの駆動レンジ内の、任意の離散した電圧に設定される。全ての駆動パラメータのフルコンピュータ制御は利用可能であり、そのコンピュータは、いつでも、ビーム電圧を含む状態、または、任意のパラメータのレベルでＫＰＡを検索し得る。このモードにおいて電圧ランプレート（ｒａｍｐ　ｒａｔｅ）は一秒につき３００と５０の間である。パワートラッカーにおいて、ビーム電圧の制御は自動である。ユーザが、単に、ＫＰＡを好適な動作状況に設定し、パワートラッカーをイネーブルにし、それからビーム電圧および入力減衰設定は、ＫＰＡに対するアップコンバータ駆動により示されるようなオペレータの必要とする出力パワーレベルに基づき、自動的に最適化される。例えば、ＨＰＡが１００ワット（６．５キロボルトのビーム電圧、５．０ミリワットのクライストロンＲＦ駆動レベル、および、１２デシベルの入力減衰器設定で）の出力パワーに設定され、かつ、アップコンバーター出力が３デシベルだけ増加されれば、そのＨＰＡ出力パワーはすぐに２００ワットに増加し、ビーム電圧と入力減衰レベルは、ゆっくりと増加する（２００ワットのＲＦ出力レベルを維持しながら）。ビーム電圧は約７．１キロボルトに増加し、入力減衰設定は約１５デシベルに増加する。それは、クライストロン駆動レベルを５．０ミリワットにリセットする。このモードにおいて、電圧ランプレートは１秒につき１０ボルトと４０ボルトの間である。減少したビーム電圧でＨＰＡを駆動することは、いくつかの他の利点がある。より低い実用的なコストに抑えることに加えて、他の利点は
・いくつかの場合で、クライストロン寿命がより長く期待される。
・地球局無停電電力（ＵＰＳ）の需要の引き下げ
である。
【００１７】
図１は、クライストロン管などの真空電子デバイスに対してパワーシステムを実行させるために使用されているマイクロプロセッサシステムのブロック図である。そのマイクロプロセッサ１０は、ハードディスクドライブまたは他のメモリデバイスを用いたオペレーティングシステムの制御下で駆動するパーソナルコンピュータ、他の汎用コンピュータ、または、専用コンピュータ駆動の一部であり得る。そのハードディスクドライブまたは他のメモリデバイスから、オペレーティングシステムは、ランダムアクセスメモリにロードされ、アプリケーションソフトウェアと他のデータは、そこに格納されている。そのようなパーソナルコンピュータシステムは、付随的なメモリを有するペンティアム（登録商標）マイクロプロセッサの制御下の周知のウインドウズ（登録商標）オペレーティングシステムを有し得る。しかし、異なったオペレーティングシステムおよびマイクロプロセッサを有する他のコンピュータが、同様に作動し得ることは、当業者に明らかである。本明細書に開示されているクライストロンＶＥＤシステムにおいては、プログラム内容は、フラッシュＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に格納され、アンプの内臓制御システムで実行する。
【００１８】
ビーム電流モニタ３０は、電源４０によって生成され、クライストロン管５０、真空電子装置（ＶＥＤ）に運ばれたビーム電流をモニタする。モニタされたビーム電流に応じて、マイクロプロセッサ１０が搭載されているコンピュータに格納された適応アルゴリズムは、必要な場合にビーム電圧の設定を増加または減少するように電源４０に信号を送る。ヒータビーム電圧２０の設定を増加または減少することは、本明細書において示したＶＥＤフィラメントへのビーム電流を増加させる。
【００１９】
図２のクライストロン管１００は、マイクロ波無線周波数において信号１０２を増幅するデバイスである。カソード１０４から放出された高速電子ビームは、アノード１０６を通り、ＲＦ相互作用領域１０８に入る。外部磁場を用いて、そのビームがクライストロンを通ったときにビームが分散することを妨げる。磁石１５０は、図１０に示されるように、時計回りの方向に、強磁場１５２、１５４を供給する。磁石１５０は円柱状であり、カソード、アノードの一部、およびコレクタの一部を囲んでいるが、明確にするために、磁石図の上断面のみを示している。電子ビームは、クライストロンの他の端部においてコレクタ電極１２０にぶつかり、ビームエネルギーを散逸して、ビーム電源１２２に電子流を戻す。
【００２０】
電子エミッタまたはカソード１０４は、よく電子銃と呼ばれる。その目的は高い運動エネルギーを有する電子のビーム１２４を供給することである。この運動エネルギーは、クライストロンのＲＦ部のＲＦエネルギーに部分的に変換される。その電子ビームの質は、クライストロン駆動の有効性についての基本的な決定要因である。
【００２１】
所与のビーム電圧１２２におけるカソード１０４の放出（ビーム電流１２４）は、その表面温度に依存する。その表面温度は、正しいレベルのビーム電流を得るためには、およそ、１０５０℃でなければならない。表面が冷たすぎる場合、ビーム形状はおそらく不正確になり、表面が熱すぎる場合、管の寿命が短くなる。そのカソードが電子放出に必要な温度に達すると、カソードとアノードにわたって電圧が発生する。この電圧により、電子が、その本体のアセンブリに向かって加速される。カソードから発射されると、その電子軌道は平行ビームに静電気的に集束される。この静電気的集束は、集束電極およびアノード電極１０６の形状を注意して選択することによって、為される。
【００２２】
ビーム内の電子間の斥力は、ビームが広がる原因になる。適切な強度の磁場により、平行にされたビーム１２４は、ＲＦ回路を通過する間、保たれる。磁石によって発生された磁力線は、ＲＦ回路に沿って、電子ビームの軸およびドリフト管１６０、１６２，１６４に平行でなければならず、電子ビームは、直線状にドリフト管を通って移動する。アップリンク衛星システムに使用されるクライストロンに対する一般的な磁場の強度の要件は、２５００から５５００ガウスのレンジであり得る。
【００２３】
クライストロンの本体を囲む、磁石１５０の一部である磁気回路は、一般的には高級鋼構成要素と共に取り付けられた四つの永久磁石（ギャップ１から４）を含む。その回路の半分の両方からの磁束は本体ギャップにわたって平行に組あわされるように、この構造は磁化される。
【００２４】
本体アセンブリ１０８を通った後、電子ビーム１２４は捕獲されなければならない。コレクタ１２０の機能は、出力空胴を通過した後に、電子ビーム１２４のエネルギーを散逸することである。このコレクタは、一般的にほとんどの磁場からシールドされる形状の電極である。ビームが、本体を離れ、コレクタ１２０に入ると、磁場が存在しないことにより、ビームは静電気的な「空間電荷」力に起因してチャンバー１３８内でビームが広がり得る。ビームはコレクタ表面にぶつかり、その運動エネルギーは熱に変換される。熱は、冷却フィンに伝わり、強制的な空気冷却で、追い出される。
【００２５】
増幅が起こるＲＦ相互作用領域１０８は、共振空胴１２８、および、ドリフト管１６０、１６２、１６４に案内されたドリフト空間に利用可能な場を含む。ビーム１２４内の電子と衝突する第１の共振空胴は、マイクロ波信号１０２により励起されて、増幅され、信号周波数の交流電圧はギャップにわたって発生する。
【００２６】
共振空胴と従来のＬＣ回路との間には類似性があり得る。空胴ギャップはコンデンサと対応して、空胴壁の容積はインダクタンスに対応している。空胴が正しいサイズなら、所望の周波数で共振する。共振においては、周波数が交互に正および負になるギャップの反対側は、マイクロ波入力信号周波数１０２と等しい。
【００２７】
第１の空胴１３０において、入力信号１０２は、任意の所与の瞬間における電圧の極性に応じて、ギャップ１２６の電子を加速または減速する、ドリフト管チップにわたる変動電圧のようである。ビームのこの速度変調は、電子の集群となる。２つの集群空胴１３２，１３４があり、それらは、集群が強められ、ビームによって運ばれたＲＦエネルギーを増加するように調整される。クライストロン１００の出力は、出力空胴１３６において多く、それによりビームが復調され、電子のエネルギーが出力信号へ変換される。
【００２８】
ほとんどのクライストロンは、ビーム電子流を受け取り、カソードへ戻すための標準的で大きい単一のコレクタを使用する。そのようなコレクタは、一般的には、前述の図２に示されている。電子は、理想的にはコレクタ１２０に導かれ、その意図は、各電子が他の電子と自然界の斥力性質により、その狭ビームから電子ビーム１２４が分散できるようにコレクタ内で磁場を排除することである。電子が、磁場を取り除いたコレクタチャンバー１３８に達すると、電子は分散し、コレクタチャンバー１３８の内壁に衝突し、カソード１０４に戻されるべきである。
【００２９】
理想的な状況では、電子流１２４は、図３に示されるようにコレクタ１２０のコレクタチャンバー１３８に入る。電子はチャンバー１３８に入り、磁場が取り除かれると、電子の自然界の静電気的反発により、図８のチャンバー内部に示されるように、均一に壁１３９に衝突するように散乱される。運動エネルギーから熱エネルギーへ変換される、衝突電子のエネルギーによって生じる熱を取り除くために強制された空気１４２で冷却するフィン１４０が示される。
【００３０】
クライストロンについての実際のコレクタでは、本来なら、どんなにシールド（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）が効果的であっても、図４に示されるように、コレクタ１２０の内部に規定されたチャンバー１３８内で、なんらかの外来の磁場作用がある。クライストロンコレクタ１２０のチャンバー１３８が磁場によって影響されることは、一般的に意図されないが、コレクタ１２０のチャンバー１３８に電子ビームが入る場所において、磁束反転の影響を取り除くことに、従来技術は成功していない。図４の電子経路１２４は、図３に示されているように電子ビームの分散を完全に扇型の形状にするものではなく、意図されたものではないが、磁場の磁束変化によりコレクタチャンバー１３８内においてその電子は再び集束される傾向がある。図４は、電子ビーム１２４が、コレクタ１２０に均一ではなく分散されるが（１２５）、チャンバー１３８の内部端に集積されるように示された、チャンバーのより小さい部分に集められるように、ビームを再び集束する傾向がある。電子がコレクタの、より小さい領域に衝突するので、設計者は、そのある領域の過剰な衝突電子によって生じるホットスポットの可能性の影響を考慮する必要がある。
【００３１】
熱をより効率的に分散させ、電子ビームからより多くのエネルギーを戻すために、高エネルギー管での電子の収集を改良する技術は、多段抑制コレクタ（ＭＳＤＣ）を使用することである。「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ」、Ｖｏｌｕｍｅ７０、Ｎｏ．１１、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，１９８２において、多段抑制コレクタは、高エネルギー管の使用について議論された。多段抑制コレクタ管では、管のコレクタ領域で一連の別個のコレクタは、様々な運動エネルギーの電子を傍受するために、異なる電位の高エネルギー電圧電源に接続されている。すなわち、所定のエネルギーの電子を受け取る独立したコレクタでもって、電子衝突によって生じる熱は、その別々のコレクタにわたって分散される。しかし、多段コレクタの領域での磁場の磁場反転の影響は、明らかである。
【００３２】
図５は、一般的なクライストロン管で使用される、従来の永久磁石配置１０を示す。図５の下の線１２は、実際に、示された磁石の中央線である。図示された磁石の２分の１の平面断面図でのみ図５に示された磁石１０は、中央線に対して、実際には円形である。磁石の左側の領域１４を用いて、最初に、電子ビームを狭ペンシルビームに集束することを開始する。銃（ｇｕｎ）磁石１６に近接した磁石の領域において、磁場の方向は、図において図５の上部の磁石の他の極へ戻る磁界で磁石の下の方である。電子は、電子ビームの改良されたエネルギー回復を可能にする磁束場によって高エネルギー管の中央線１２に沿って拘束される。
【００３３】
電子ビームは左から右に移動するので、永久磁石１０は、また、所望な高エネルギーマイクロ波信号を生成するために、電子ビームを変調する領域の孔（ｏｐｅｎｉｎｇ）２０を横切る磁場１８を有する。電子は、高エネルギー管の活性部分を通って動き続けているので、電子は上記の電子の集合するためのコレクタ領域２２に入る。ここで、また、コレクタ領域の磁場は、図５に示されているように、磁場が、ひとつの極から、もうひとつの極へ通り、時計回りの方向に循環するように、反対方向の磁場を有している。
【００３４】
図６は、上記の図５と関連して上述した、磁石１０の磁束密度の概要を描く曲線である。図６の左側では、磁場は電子ビーム上に磁場の集束効果を始める。電子ビームは管の活性エネルギー部１８を通るので、管が設計されたのと同量のＲＦエネルギーを発生するために、二つの磁場の影響は、意図されるように、そこで最も大きくなる。電子ビームは、図５を写したように、図６の右側に続くので、電子ビームはゼロ磁気反転の期間を通過する。しかし、電子ビームはコレクタ領域２２に入るので、電子がコレクタのチャンバーに入ると、磁場は、電子ビームに、望ましくない磁気の影響を与える。この磁場反転は、ここでは望まれない。なぜなら、上述したように、電子がコレクタの内部表面に均一に分散され得るように、電子の自然の電界分散は、コレクタの孔の内部に影響され得、電子ビームの経路におけるこの場所において、全ての磁場を取り除くことが望まれるからである。
【００３５】
本発明の図７は、永久磁石３２のコレクタ領域３０に磁気材料があることを除くと、図５の図と同様の図を示す。この磁気材料は、図５および図６と関連して示され、上述された任意の磁束反転の影響を取り除く。図７において、磁束線はコレクタ領域３０において磁石の磁性金属で終端する。
【００３６】
永久磁石３２の活性孔２０において、電子ビームは、磁場１８のそばを通るので、図８で示されるのは、磁石の閉じ込め部分に起因して、管のコレクタ領域３０において、磁場反転が存在しないことである。上述されたように、ここで、熱をより均一に分散し、電子の運動エネルギーをより正確に戻すように、電子はコレクタ内の孔で自由に分散されるので、これは、かなり望ましい。図３を参照。
【００３７】
図９は、磁場反転系が存在するコレクタ領域に入る電子のシミュレーションである。この図は、電子が単一チャンバー高エネルギー管コレクタに入るときの磁場反転、および、電子に対する電場の影響を示す。また、横軸範囲は高エネルギー管の中央線であり、図はコレクタチャンバーの上部を通る断面図のみである。実際には、図９は、三次元であり、中央線の上だけでなく下の空間も占め、中央線それ自身に沿って電子管をみると、円形の形状である。いくつかの電子は、コレクタ領域の壁に到達せず、磁束の反転により再び集束される。コレクタチャンバーの壁に到達しない電子は、収集前に一度、集束され得る。これらの粒子は、少なくとも一度、中央線を横切る。いくつかの電子は二度集束されて、収集される前に、二度、中央線を横切る。図９のプロットは多くの電子の粒子を示し、中央線軸を一度横切る粒子もあれば、何回も横切る粒子もある。
【００３８】
図１０は、本発明の原理に従って、銃専用磁石の利用による、磁場反転のないコレクタ領域に入る、電子のシミュレーションである。つまり、この図では、磁気反転は存在しないので、電子は、コレクタ領域チャンバーに入ると、ある電子と他の電子の自然の静電気斥力に従って分散され、電子は、多かれ少なかれ、均一な様態で、コレクタチャンバーの壁に衝突する。これは、熱エネルギーの均一な分散を可能にし、コレクタの電子衝突によるホットスポットやピッティングの量を減少させる。
【００３９】
図１１は、４段の多段抑制コレクタに入る電子のシミュレーションである。図１１に示されるように、管の中央線は図の横軸として示されているため、電子は左から入る。縦軸は多段抑制コレクタの各種の４つの段を形成する実際の銅の寸法である。同様に、磁場が示される。等電位線が示され、コレクタ段１、２、３、および４での磁束線は水平であり、これは磁束反転がないことを示す。従って、この多段抑制コレクタにおいてコレクタの各種の段に衝突する電子のパターンは、熱がより十分に分散し、ホットスポットの問題が解消されるように、意図されたものとなる。
【００４０】
本発明の実施形態および用途を示し、図示したが、本明細書に示した発明の概念から逸脱することなく、以上に示したことよりも多くの改良が可能であることは、この開示の利益を得る当業者にとって明らかである。それゆえ、この発明は、上掲の特許請求の範囲の意図以外には、限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の実施形態の局面を含む地上型衛星通信および陸上通信システムのためのクライストロン型アンプのブロック図である。
【図２】
図２は、一般的なクライストロン管の概略的な側面図である。
【図３】
図３は、磁場の反転がない場合の電子がコレクタチャンバーに入るクライストロンコレクタの概略的な側面図である。
【図４】
図４は、磁場の反転がある場合の電子がコレクタチャンバーに入るクライストロンコレクタの概略的な側面図である。
【図５】
図５は、クライストロン管に用いられた従来の永久磁石システムを通過する概略的な側面図である。
【図６】
図６は、クライストロン管軸上の従来の永久磁石の軸の中心に沿った距離に対する磁束密度を示す図である。
【図７】
図７は、本発明に従った銃専用（ｇｕｎ‐ｏｎｌｙ）永久磁石システムを通過する概略的な断面図である。
【図８】
図８は、図３に関連して説明されたようにクライストロン管軸上の銃専用（ｇｕｎ‐ｏｎｌｙ）永久磁石の軸の中心に沿った距離に対する磁束密度を示す図である。
【図９】
図９は、図１に関連して示されたようなシステムに対して磁場反転の存在下でコレクタ領域に入る電子のシミュレーションの結果である。
【図１０】
図１０は、図３に関連して示されるような銃専用（ｇｕｎ‐ｏｎｌｙ）永久磁石システム内で磁場の反転が存在せず、コレクタ領域に入る電子のシミュレーションの結果である。
【図１１】
図１１は、多段抑制コレクタを利用している銃専用（ｇｕｎ‐ｏｎｌｙ）永久磁石システム内で磁場の反転が存在せず、コレクタ領域に入る電子のシミュレーションの結果である。
【図１】
2004510293.tif 000003
【図２】
2004510293.tif 000004
【図３】
2004510293.tif 000005
【図４】
2004510293.tif 000006
【図５】
2004510293.tif 000007
【図６】
2004510293.tif 000008
【図７】
2004510293.tif 000009
【図８】
2004510293.tif 000010
【図９】
2004510293.tif 000011
【図１０】
2004510293.tif 000012
【図１１】
2004510293.tif 000013
【国際公開パンフレット】
2004510293.tif 000014
2004510293.tif 000015
2004510293.tif 000016
2004510293.tif 000017
2004510293.tif 000018
2004510293.tif 000019
2004510293.tif 000020
2004510293.tif 000021
2004510293.tif 000022
2004510293.tif 000023
2004510293.tif 000024
2004510293.tif 000025
2004510293.tif 000026
2004510293.tif 000027
2004510293.tif 000028
2004510293.tif 000029
2004510293.tif 000030
2004510293.tif 000031
2004510293.tif 000032
2004510293.tif 000033
2004510293.tif 000034
2004510293.tif 000035
2004510293.tif 000036
2004510293.tif 000037
2004510293.tif 000038
2004510293.tif 000039
2004510293.tif 000040
2004510293.tif 000041
2004510293.tif 000042
2004510293.tif 000043
【国際調査報告】
2004510293.tif 000044
2004510293.tif 000045
2004510293.tif 000046