JPH0212045B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサーキユレータ回路に関する。

マイクロ波発振器は、接続する負荷に応じてそ
の出力電力及び発振周波数を安定化する必要があ
る。負荷の電圧定在波比（以下VSWR）と位相
に対する発振器の出力電力及び発振周波数の関係
を示すのが周知のリーケ線図である。第１図にス
グネトロンのリーケ線図の例を示す。図中の破線
１は一定の周波数を発振する負荷の条件を表わ
し、実線２は一定の出力電力を発振する負荷の条
件を示している。基準位相面はマグネトロンの出
力結合器であり、負荷に向かつて管内波長（図中
のλg）の1/2の位相で１回転する。

このリーケ線図の例から分かるように、負荷の
位相またはVSWRの変化は発振周波数及び出力
電力に変化をもたらし、発振周波数が不連続に変
化したり出力電力が減少したりする。

図中斜線部３は負荷のVSWRが大きく特定の
位相の場合は発振不能となる領域を示している。

このように発振器に接続する負荷のVSWRが
大きい時や負荷の位相が特定な位相にある場合、
発振器に安定な動作を行なわせるために両者の間
にアイソレータまたは一端を終端した３端子サー
キユレータが用いられる。第２図は、３端子サー
キユレータを用いた安定化装置の回路図を示す。
発振器４からの出力電力５はサーキユレータ６を
通つて負荷７に送られ、負荷７のVSWRに応じ
た反射電力８は再びサーキユレータ６を介して終
端器９に吸収される。従つて、発振器４への反射
電力は見かけ上ほとんど無くなり、発振器４は第
１図リーケ線図VSWRのほぼ１付近で安定動作
を行なう。サーキユレータの各端子はVSWRが
約1.2以下になるよう整合が行なわれていて負荷
のVSWRの広い範囲に渡つて発振器の周波数と
出力電力を安定に保つことができる。

しかし負荷がＱの高い共振回路である場合は状
態が異なる。高いＱを有する共振回路はその
VSWRは共振時のほぼ１から離調時のほぼ無限
大で変化し、その位相は−90度から＋90度（結合
状態によつては−180度から＋180度）まで変化す
る。しかも周波数に対するそれらの変化率はＱが
大きいほど大きい。第３図は、共振回路の位相
（実線１０）とVSWR（破線１１）の周波数特性
の一例を示したものである。共振周波数からわず
か数百キロヘルツ離れるとVSWRは急激に増加
し、位相も急激に変化する。

サーキユレータの逆方向損失が無限大であり、
終端器に入る電力が全て吸収されるという理想的
な場合はサーキユレータの入力端子（発振器の出
力端子）からみた負荷側のVSWRはサーキユレ
ータ自身の有するVSWR（約1.2以下）に等しい。
しかし実際のサーキユレータでは上記のような理
想的な条件は有り得ず、前記のような共振器を負
荷とした場合は共振器の位相と整合状態が周波数
に対し急激に遷移するため、サーキユレータの入
力端子から負荷側を見たインピーダンスの周波数
特性は第４図のようになる。第４図は、スミス図
にて示されていてインピーダンスは基準値で規格
化されている。図のインピーダンス曲線は100キ
ロヘルツ毎に区切つてあり、その間隔は周波数変
化の割合を示している。共振回路の共振周波数付
近では渦状のインピーダンスの急激な変化となつ
て表われる。この現象はサーキユレータ内に外囲
器等による共振モードが存在する場合と類似して
いる。この渦状のインピーダンス変化の形状は、
共振回路や終端器あるいはサーキユレータの個々
の特性によつて異なる。この渦状のインピーダン
ス変化は発振器に対して発振周波数の不連続変化
や発振停止などの重大な影響を及ぼす。この現象
を更に詳細に説明する。

第５図は、第１図のリーケ線図と第４図のサー
キユレータの入力インピーダンスを同一図面上に
表わしたものである。発振器は、周波数一定の動
作曲線１２とサーキユレータの入力インピーダン
ス曲線１３（これは発振器の負荷インピーダンス
に等しい）との交点Ａにおいてリーケ線図に従つ
た周波数で発振する。共振回路を負荷とする場合
は共振器にマイクロ波エネルギーを吸収させるの
が一般的であり、発振周波数は共振回路の共振周
波数（図のｃ点）に固定されねばならない。しか
し発振器の動作曲線１４とサーキユレータの入力
インピーダンス曲線１３が複数の点Ｂ，Ｃ，Ｄで
交わる場合、発振器はＢ点とＣ点を交互に発振し
たり、いきなりＤ点へ飛躍したりして発振周波数
は極めて不安定となる。もしこのＤ点が離調周波
数である場合共振回路VSWRはかなり大きく、
特に大電力動作の場合はサーキユレータに加わる
電力が過大となりフエライトの損傷や放電破壊な
どを招く。

このような発振器の不安定動作を軽減するため
には、発振器の動作曲線とサーキユレータの入力
インピーダンス曲線とが共振周波数にて一点に交
わるようにすれば良いのであるが、従来はサーキ
ユレータの磁界の強さを調整することによつてサ
ーキユレータの入力インピーダンス調整を行なつ
てきた。しかしこの方法は調整範囲が狭いうえ、
磁界変化によるサーキユレータの入力VSWRの
悪化や挿入損失の増大をもたらす。この挿入損失
の増大は、特に大電力動作の場合フエライトの熱
上昇による破壊など致命的な損傷をもたらす。

本発明の目的は、サーキユレータの最適磁界を
変えることなくその入力インピーダンス特性曲線
を微妙に変化させ、発振器の動作曲線と共振周波
数付近で単一の点にて交わらせることによつて安
定な発振動作を得ることにある。すなわち、サー
キユレータと終端器との間に可変の同調素子を設
けこれを可変することによつて、サーキユレータ
の入力インピーダンス曲線を調整し発振器に安定
な動作を行なわせるものである。

以下本発明について説明する。

第６図は本発明のサーキユレータ回路を示す。
図中、１６はサーキユレータ６と終端器９の間に
設けられた可変同調素子である。発振器４からの
出力電力５は、サーキユレータ６を通過し共振回
路１７に伝わる。共振器１７からの反射波１８は
サーキユレータ６において逆方向成分１９と順方
向成分２０とに分かれ、順方向成分２０はさらに
終端器９のわずかな反射によつて発振器４側へ反
射波２１となつて伝わる。逆方向成分１９と終端
器からの反射波２１は、サーキユレータの入力端
子において合成され両者の位相関係によつてイン
ピーダンスの変化に渦状の波形が表われる。従つ
て、サーキユレータ６と上記９との間に設けた可
変同調素子を調整することによつてサーキユレー
タの入力端子における逆方向成分１９と終端器か
らの反射波２１の位相を制御し、サーキユレータ
６の入力インピーダンスの渦状波形を円弧状に変
えることができる。第７図ａ，ｂ及びｃは、本発
明の同調素子１６を調整した時のサーキユレータ
の入力インピーダンスの変化の状態を示したもの
である。同図のように調整すれば発振器の動作曲
線とサーキユレータの入力インピーダンス（発振
器の負荷曲線）を共振周波数付近にて単一の点で
交わらせ、発振器を安定に動作させることができ
る。この効果は、終端器９とサーキユレータ６と
の間にのみ可変同調素子１６を設けることよつて
得られるものである。尚、本発明でいうサーキユ
レータと終端器との間とは、サーキユレータ６の
終端器９を接続する端子内及び終端器９内をも意
味するものである。

次に本発明の実施例について述べる。

第８図ａ，ｂ，ｃ，ｄ及びｅは、導波管形サー
キユレータに可変同調素子を内蔵した本発明の実
施例を示す。同図ａにおいて２２は導波管、２３
はフエライト、３４は磁石、２４は可変同調素子
である。同図ｂは同図ａにおける線Ａ―Ｂでの断
面を示したものである。可変同調素子２４は導波
管２２に孔けられたネジ穴に挿入され導波管２２
の内壁からの挿入長を調整できる。可変同調素子
２４に用いられる材質は金属でも誘電体でも良
い。高周波結合器２５には発振器が、他の高周波
結合器２６には共振回路が接続され、さらにもう
一つの高周波結合器２７には終端器が接続され
る。サーキユレータの伝送方向は図に示した矢印
方向である。高電力用として使用される場合は同
調素子２４の材料は放電などの点から誘電体の方
が有利であり、また同図ｃのように先端を丸くし
て良い。同図ｄは、可変同調素子を金属の調整ネ
ジ２８と誘電体の同調素子本体２９とに分け両者
を接着剤３０にて固着した例を示す。さらに同図
ｅは同調素子に気密構造を施したものであり、図
中３１はゴムリング、３２はネジ蓋、３３３は調
整ネジ２８と同調素子本体２９を収容しゴムリン
グ３１の入る溝を有する外囲器である。外囲器３
３は、導波管２２と一体またはろう付けあるいは
はんだ付けなどによつて気密化されている。ま
た、第８図ａ及びｅでは１つの同調素子を示して
いるが、適当な距離を置いた２つの同調素子を設
け各々の挿入長を調整しても同様な効果が得られ
る。

第９図は本発明をストリツプライン形サーキユ
レータに応用した場合の断面図を示す。同図にお
いて３５はフエライト、３６は前記２つのフエラ
イトに挾まれた中心導体、３７は前記フエライト
をを挾む地導体、３８は前記地導体に埋め込まれ
上下から磁界を供給する磁石、３９は終端器を接
続する高周波接栓、４０は可変周調素子である。
可変周調素子４０は地導体３７に孔けられたネジ
穴から挿入され中心導体３６との間隔を調整でき
るようになつている。可変同調素子４０の材質は
金属でも誘電体でも良い。第９図では可変同調素
子４０は中心導体３６の面に垂直な方向から挿入
及び調整しているが、地導体３７と中心導体３６
の間に紙面に垂直な方向から可変同調素子を挿入
し中心導体３６を横切る長さを調整する構造でも
同様な効果が得られる。

第９図の構造はマイクロストリツプライン形サ
ーキユレータにも適用できる。

さらに第８図ｅの構造の可変同調素子を内蔵し
たサーキユレータを電子ビーム加速装置（リニ
ア・アクセラレータ）に応用した実施例を第１０
図に示す。第１０図において同調素子４１を接続
した導波管形サーキユレータ４２の第１端子にピ
ーク出力2MW，平均出力3KWのパルスマグネト
ロン４３が接続され、サーキユレータ４２の第２
端子に極めて高いＱ（約500）のマイクロ波共振器
を有する定在波形電子加速管４４が接続されてい
る。又サーキユレータ４２の第３端子にはサーキ
ユレータ４２に内蔵された同調素子４１を介して
方向性結合器４５が接続され、この方向性結合器
４５には、高電力用終端器４６及び検波器４７が
接続されている。又この検波器４７には加速管４
４の反射位相を検出することによつてマグネトロ
ン４３の発振周波数を常に一定にするための自動
周波数制御装置（以下AFCと称す）４８が接続
され、このAFC４８からマグネトロン４３の発
振周波数の可変を行うサーボモータ４９へ制御信
号が送られる。さらにAFC４８とサーボモータ
４９との間に切換スイツチ５０を設け手動装置５
１によりマグネトロン４３の発振周波数の可変も
可能としている。

次にこの電子ビーム加速装置の動作を簡単に説
明する。マグネトロン４３からサーキユレータ４
２を介して大電力マイクロ波パルスが加速管４４
に伝送される。加速管４４の中には複数個のマイ
クロ波空洞共振器が有り、その共振器に近接して
電子ビームが流れている。共振器によつて作られ
た周期的な高周波強電界を印加して所要の加速電
子ビームを得るものである。この高速電子ビーム
は治療用放射線の発生などに用いられる。加速効
率を上げるために極めてＱの高い共振器にマイク
ロ波エネルギーを閉じ込める必要があり、従つて
マグネトロンの発振周波数はいかなる変動に対し
ても常に共振周波数に保持されねばならない。

さて今、サーキユレータ４２が無限大の逆方向
損失を有し、かつ各端子のVSWRが１であるよ
うな理想サーキユレータである場合Ｑの高い加速
管４４のインピーダンスの急激な変化はサーキユ
レータ４２のマグネトロン側には現れない。従つ
てマグネトロン４３は終端器４６を負荷として接
続した時と等価になり、電源投入直後でもAFC
４８は追従動作が可能で常に共振周波数にて安定
に動作する。

しかし、実際のサーキユレータ４２では逆方向
成分及び各端子に反射成分を有していて、かつ高
電力動作のためフエライトの温度上昇による特性
変化が加わつてマグネトロン４３側に加速管４４
の影響が前述のような複雑なインピーダンス変化
となつて現われる。このような場合マグネトロン
の動作は極めて不安定になり、その周波数可変機
構とは無関係に周波数は暴走し、ついにはAFC
４８の追従範囲外の周波数にて発振する。このよ
うな周波数では加速管４４はほぼ完全反射状態と
なり加速装置としての機能を失うばかりか、サー
キユレータ４２内のフエライトのクラツクや放電
破壊を招く。またたとえ発振周波数がAFCの追
従範囲内であつても負荷による周波数変動の時間
的変化が早ければAFCの周波数可変機構が追従
せず、やはり加速装置としての機能が行なわれな
い。

ところでこの場合第１０図に示した電子ビーム
加速装置ではスイツチ５０を手動装置５１に切換
えて意識的に発振周波数を可変し、発振周波数が
滑らかに変化するように第８図ｅに示す調整ネジ
２８を調整して同調素子４１を調整する。このよ
うに調整すればスイツチ５０をAFC４８に切換
えてもAFC４８は完全に動作する。又通常の使
用状態ではいきなり高圧電源が投入されるが、そ
の時の発振周波数の初期変動はAFCにより常に
共振周波数にて発振するよう制御できる。又サー
キユレータが熱的平衡状態に至つた時に同調素子
４１の調整を行えばサーキユレータの温度変化に
よる特性悪化を補償することができる。

(1) サーキユレータの最適磁界を変えることなく
サーキユレータ入力端に現われる負荷共振回路
の複雑なインピーダンス変化を制御でき、発振
器の動作曲線と単一の点で交わらせることによ
つて発振器を極めて安定に動作させることがで
きる。

(2) 大電力サーキユレータの場合、大電力動作中
に同調素子を調整することによつてフエライト
の熱上昇による特性変化を補正できる。

(3) サーキユレータに接続する共振回路及び終端
器の個々の特性に応じてサーキユレータの入力
インピーダンス変化を調整することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマグネトロンのリーケ線図の一例、第
２図はサーキユレータを用いた従来の発振器安定
化の回路図、第３図は共振回路の位相及び
VSWRの周波数特性、第４図は共振回路を接続
した場合のサーキユレータ入力インピーダンスの
スミス図、第５図は発振器の動作特性とサーキユ
レータの入力特性図、第６図は本発明のサーキユ
レータ回路を示す回路図、第７図ａ，ｂ及びｃは
サーキユレータの入力インピーダンスのスミス
図、第８図ａは本発明の実施例の平面図、同図ｂ
は同図ａの断面図、同図ｃ，ｄ及びｅは他の実施
例の断面図、第９図は本発明の他の実施例の断面
図、第１０図は本発明の他の実施例に係る電子ビ
ーム加速装置の概略図を示す。 ４……発振器、６……サーキユレータ、９……
終端器、１６……可変同調素子、１７……共振回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 第１端子から第２端子へ、第２端子から第３
   端子へ、第３端子から第１端子へ、伝送方向を有
   する３端子サーキユレータと、このサーキユレー
   タの第１端子に接続された発振回路と、第２端子
   に接続された共振回路と、第３端子に接続された
   終端器とを有するサーキユレータ回路において、
   前記サーキユレータと前記終端器との間に前記終
   端器により反射した前記共振器からの反射波の前
   記サーキユレータの第３端子へ戻る順方向成分の
   位相及び振幅を制御し、前記共振器からの反射波
   の前記サーキユレータの第１端子へ戻る逆方向成
   分と前記終端器からの反射波とが打ち消し合わせ
   るようにする可変同調素子を設けたことを特徴と
   するサーキユレータ回路。