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The Analysis of the Phase Shifter with Stub-tuner
K.Hirano, Y.L.Wang
PNC, Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation
4002 Narita, Oarai-machi, Ibaraki-ken, 311-13
ABSTRACTThe phase shifter with the stub-tuner was designed to reduce the power loss of stub plunger ，which will be elements of the PNC lOMeV CW high power electron linac. The dimensions of stubplunger were calculated using a computer code MAFIA.
ス夕ブチューナ型フェーズシフ夕の解析

平面波の波数 : k= ^ / c
遮断周波数 :fc= c kc / 2 tt同軸灕波管 TE11: kc=2/(u + b)

1•はじめに大強度 CW 電子線形加速器の L バンド進行波還流型加速管の要素開発を進めている。 その還流部は方向性 結 合 器 、スタブチューナ、 フェーズシフタ及び加速管で構成され、そのレゾナンスはスタブチューナ及びフヱーズシフタに取り付けられているスタブの挿入量を調整することによって得られる。 ビーム
ローディング時のレゾナンス電力は投入電力（ビーク電力250kW) の約 4 佶にな る。還流部内の電力が大きいため、同軸構造をしたスタブにおけるパワロスを最小限に抑える必要がある。 そこで、3 次元電磁場解析コード MAFIAを使用して、位相の調整に用いるフェーズシフタのスタブ構造について解析を行ったので、 その結果について述べる。

2. スタブフェーズシフタを構成するスタブは同軸構造をしている。 フェーズシフタ内のスタブは 3 本あり、導波管の H商 (導波管断面の短辺側の面 )の 中 央 に A
g/3の間隔で付けられ、同軸構進の中央部が楚動で出し入れできる機構になっている。 このスタブの挿入量の調整により位相を主に変化させる。 また、ス タ プ チ ュ 一ナのスタブは導波管の E面(電界が垂直に交わっている導波管断面の長辺側の面)の中央にフェーズシフタと同様に取り付けられ、反射波を主に変化させる。

3 . 計算まず、同軸構造をしたスタブ内に侵入するモードについて考え、次 に 、MARA によってモードの遮断状態におけるスタブ構造について電磁場解析を行った。
3 .1 同軸線路の伝搬モード伝搬定数は次式で表される。

v = 汉 + J 於 = (k c2 - k 2)V2(1)fc=C /A c
2a:スタブ内径 (mm)2b:スタブ外径(mm)
こ こ で 、 モードが伝搬する条件は kc<k である。
MAFIAでは体系を完全導体として電磁場が計算されているため、 /?は次式で表される。

/?= (kz -kc2)1/2 = 2 ；r / Xg(2)

同軸線路を透過する TEM モードには遮断周波数は存在レないが、モードが遮断される条件 (kc>k)を満たすことによってその次の高次モードである
TE11モードを遮断することができる。 この時、同軸に侵入してくる TE11モードは⑶式に示す減衰定数 《で急激に減衰していく。

^ ( k c ^ - k 2)1’2⑶

3.2 MAFIAによる計算
2a=65、2b=67の同軸断面の a は⑶ 式 より 15.3となる。 MAFIAによるびはメッシュを増やせば 15.3に近づくが、計算時間が長くなる。 このため、計算時間と得られるデータの信頼性を考慮し、 a が9.8となるメッシュ体系で計算を行った。ボー卜の境界条件として境界のボー卜形状が連統的に存在するという設定をした。 この計算体系の物質を銅と指定し、計算で得られた電磁場から導波管部とスタブ部のパワロスを求めた。 スタブ部のパワロスは TEM モードと遮断されたTE11モードの電界による同軸内の壁ロス及び導波管へ突き出た部分の壁ロスである。

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1本のスタブが導波管の E面又は H面に接統されている以下に示す場合について計算を行い、それぞれのVSWR 、パワロス及び位相変化量を比較した。
表 1に下記に示す① - ⑦のスタブの寸法を示す。
⑴ ス タ ブ を 導 波 管 の E面又は H面に接統した場合① E 面の場合 (図 1)、② H面の場合 (図2)(2)図3 に示すチョ一ク構造をスタブに接統した場合③ E 面の場合 (2a=65、2b=67)④ [ 面の場合 (2知=40、2b=42)⑤ H面の場合⑶ 不 連 続 構 造 を 持 つ ス タ ブ を H面に接銃した場合⑥ ス タ ブ が 短 い 場 合 (図4)
⑦ ス タ ブ が 長 い 場 合 (図 5)4. 計算結果及び考察計算結果を表 1に示す。
4.1 スタブを導波管の E 面又は H面に接統した場合スタブが E 面にある場合には、TEM モードはスタブ側へ伝搬するが、H面にある場合にはほとんど伝搬しない。 また、壁ロスは H面の場合より少なく、位相はスタブの挿入による磁場の歪みによって導波管の横幅が実行的に伸びた状態になるため変化すろ
4.2 チョーク構造をスタブに付けた場合スタブが E 面にある場合、T E M モードの透過が主なハ•ワロスとなる。 このTEM モードは一般的に図 3に示す様なチョーク構造を設けてスタブと導波管間を電気的に短絡状態に近くすることによって遮断できる。 E 面にスタブが付いている場合、TEM モードは+ 分遮断されていることがわかる。 H面の場合には、 チョーク構造がある分だけパワロスが大きくなっている。 スタブが同形状であれば、③ E 面の場合は⑤ H面の場合よりもパワロスを低くでき、かつ 、位相変化量も大きくできる。 しかし、VSWR は大きくなる。 E 面のスタブの同軸半径を④の場合のように小さくすれば、TE11キードの漫透割合が減少するため③の場合よりパワロスを下げることができる。
4.3 不達銃構造を持つスタブを H面に接銃した場合スタブに駆動機構を付けるため、その同軸部の途中から不連統な構造を設ける必要がある。<Dの場合のように TE11モードの漫透割合が大きい位置から不連統構造を設けた場合には、同軸内部の轚界が高くなり同軸部におけるパワロスが塌加した。 また、位相変化量も 減少 した。 よって、不連統部が無く同軸形状が練くような②の場合は、最小のパワロスで最大の位相変化量が得られるといえる。 そこで、⑦の場合のように同軸を 200mm程度伸ばして、TE11モードを -30dB程度になるま で 減衰 させてから不連続構造を作った。 この場合のパワロスと位相変化量は②の場合とほぼ同じ値なった。 また、同軸終端部における TE11モードの浸透割合は十分小くなったo5•まとめ
H面に同軸構造を持つスタブがある場合は TEMモードの透過がほとんど無いため、スタブにチョークを付ける必要がないことが分かった。
TE11 モードの遮断状態では TE11 モードが十分減衰する程度まで同軸を伸ばせば、その後に同軸構造を変えても、その同軸構造における最小のパワロスが得られ、かつ、最大の位相変化量が得られる。
チョーク構造を持づ同形状のスタブ 1本を E 面に接続した場合、VSWRは大きいが、H面に接続した場合よりもパワロスを低ぐでき、かつ、位相変化量も大きくできる特徴がある。 そこで、④の場合のチョーク構造を持つ内径 令40のスタブ 3本を E 面にAg/3 の間隔で接統し、それぞれのスタブを 2 0 mm程度挿入した場合の計算を行った。VSWRが 1.03程度になるようにマッチングを取った結果、H面にスタブを1本取り付けた⑦の場合よりも少ないパワロスが得られ、位相を 36# 程度変化できることが分かった。 よって、マッチングが取れるように 3本のスタブを同時に動かせば、位相変化量が大きくパワロスの少ない大鼋カ用フェーズシフタを作ることができる。
参考文献[ 1 ] H.Oshita et.al.Proc.of the 18th Linear Acc.
Meeting in Japan,73(1993)[ 2 ] 中島正光：
マイクロ波工学、森北出版

図2. H面に接続したスタブの計算体系

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I ーク構造2020 101806765

スタブ導波管内面
図 3. チ ョ ー ク 構 造
2030晒70

図 5 . 同軸部が不連続な⑦スタブ断面図i^86567H面

図4 . 同 軸 部 が 不 連 続 な ⑥ ス タ ブ 断 面 図

表 1計算結果

Noスタブ スタブ
内 径 2 a 外 径 2b(mm)
(mm)

スタブ
深さd(mm)

同軸部の長さL(mm)T E M モードのスタブへのT E 1 1 モードのスタブへの

透 過 割 合 (dB}

浸 透 割 合 (dB}

VSW R

変化量

Ag/2導 波 管のパワロス

スタブのパワロスぐ )(dB)

WB)

位相

E面

多65

ダ67

0100

•22.4-28.0

1.01-0.2-36.4-40.3

E面

ザ65

♦ も720100-14.2-27.2

2.27-16-37.2-35.8

順^ 65

ネ67

0100-127-25.2

1.02-0.6-36.4-38.6

晒彡65

彡67

20100-119-19.2

1.12

6.0-36.3-31.9

③

爹65
E面
(チヨーク付き）彡67

20

100-48.4

-33.2

2.31

•17-37.2-31.5④

E面
參40(チヨーク付き）

多42

20

100-47.9-74.5

1.91-13-36.6

-45.0

晒

4 65

多67

20

100-135-30.5

1.06

4,5-36.2

-28.1

⑥

H面
(同黐部不遑嫌}

ネ65
ダ8

ネ67

20

30
70-137

-41.5

1.02

2.4-36.3

-27.6

⑦

晒
(同賴部不連統}<0 00 C0

①

スタブ接統
導波管面

# 67

20

180-140-74.5

1.11

6.0-36.2-31.7②⑤(チヨーク付き）

冬^•冬20# 1010