JPH03503818A - マイクロ波周波数において作用する増幅器または発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波周波数において作 用する増幅器または発振器 本発明はマイクロ波周波数用の増幅装置および前記装置から得られた発振器に関 する。

マイクロ波を発生しかつ増幅するために、特に、いわゆる速度変調電子管、例え ば、クライストロンまたは進行波管を使用することが知られている。この型式の 電子管は電子ビームを供給する電子銃を備えている。この電子ビームの電子は周 期的に速度変調され、該電子はある空間領域において群れにまとめられてパケッ トになる。

その後、これらのパケットはそれらの特有の周期、それら自体の運動エネルギか ら必要なエネルギを得ることによるマイクロ波回路（共振空洞または共振線）の 振動に応じて共振に応じてインパルスにより励振する。

このような電子管の電子ビームにおいては、空間電荷効果が非常に大きい。特に 、所定の形状の電極を形成するために電子銃により発生することができまたは所 定の空間中に搬送することができる流れの最大値を所定の電圧に対して決定する のはこれらの空間電荷である。前述した電子管においては、利得、効率および信 号の質について十分に満足な結果を得るために、電子ビームにより搬送される流 れを最大の強さよりも少なくとも一つ小さい位数の強さに制限することが必要で あることが判明した。その結果、速度変調の原理そのものを考慮すると、これら の電子管は長い電子ビームを使用しなければならず、通常磁界集束が必要になる 。したがって、これらの発振器は重くなりかつサイズが大きくなる。

また、バーケータ−（ｖｉｒｃａｔｏｒ）と呼ばれている装置がある。これらの 装置は前述した電子管と異なり空間電荷効果を利用する。バーケータ−において は、空間中にこの空間を実際に通過することができる最大の流れの数倍に通常等 しい電子流が入射される。その結果、電子が蓄積して仮想陰極が構成される。こ の仮想陰極は不安定であり、すなわち、空間内で発振して電磁界を発生させる。

このような装置により高いマイクロ波電力が得られかつこの出力を減少した容積 内で得ることができる。しかしながら、この放射された信号が月並みの質を有し ており、すなわち、出力が同時または連続した周波数の順序で多数のモードで放 射されかつこれらの型式の信号の印加がどちらかといえば＄ＩＪ限されることに 留意すべきである。そのうえ、このような装置の変換効率は速度変調管により得 られる効率（しばしば、４０％以上）に対して（せいぜい、２％ないし３％程度 であり）劣っている。

本発明の主題は従来技術の限界、すなわち、マイクロ波エネルギへの電子ビーム エネルギの変換効率および速度変調管により放射される信号の質に匹敵する放射 される信号の質に関する問題を解決しかつバーケータ−の重量および容積に匹敵 する重量および容積を有する電子ビームからマイクロ波エネルギを発生するよう に意図された装置である。

この目的のために、本発明による装置は、電子ビームにより搬送される流れが発 振器内に搬送可能な最大の流れよりも僅かに小さくなるように電子ビームを発生 することができる電子銃と、 交番の一つの間にトリガのために十分な振幅を有する交流電圧を印加可能な変調 回路と呼ばれるマイクロ波回路であって、仮想陰極を形成することによりもはや 電子の通過を許容せず、電子ビームにより搬送される流れが交番電圧のいわゆる 変調周波数において変調されるマイクロ波回路と、 実質的に変調周波数においてまたは該変調周波数の倍数または約数の周波数にお いて作用するように意図されたマイクロ波出力回路であって、前記の変調された 流れにより励振される該出力回路と を備えている。

本発明のその他の目的、特徴および作用は本発明を限定しない実施例に関する以 下の説明および添付図面から理解されよう。

添付図面において、第１図は本発明による装置の第１実施例を示した図、 第２図は電子ビームを二次加速する装置を備えた本発明による装置の第２実施例 を示した図、第３図は使用される電子ビームが完全に円筒形のビームである本発 明による装置の第３実施例を示した図である。

これらの種々の図において、同一符号は同一要素を示す。

したがって、第１図は本発明による装置の第１実施例の縦断面を示した図解図で ある。

本発明による発振器は長手方向の軸線ＺＺのまわりに旋回する構体である。この 発振器は陰極１１と、フレーム２０から構成された陽極と、スクリーン２１とに より構成された電子銃１を備えている。陰極１１は軸＠２２には、この陰極によ り放射された電子が図面に点線で示した領域８により表わされた電子ビームを形 成するように突起部１０が設けられている。電子ビーム８の電子の伝播方向は矢 印で示しである。陽極のフレーム２０は陰極１１と同一の軸線ＺＺを有する中空 シリンダにより構成されている。フレーム２０は環状肩部２３および円板形のス クリーン２１により閉ざされ、それにより環状スリット２２が電子ビーム８を通 過させるようになっている。スクリーン２１は３個のラグにより肩＃２３に固定 されている。

本発明による発振器はさらにマイクロ波出力回路４を備えている。この出力回路 ４は、この実施例においては、内側導電シリンダ５と、フレーム２ｏの延長部内 に配置された外側導電シリンダ４とにより構成された同軸型の回路である。内側 導電シリンダ５と外側導電シリンダ４との間には、環状の空間４４が形成されて いる。この出力回路４は図面の平面に垂直な平面に関して電子銃１に対して実質 的に対称に構成されており、すなわち、外側導電シリンダ、すなわち、外側導電 体４ｏは環状肩部４３およびスクリーン４１を備えている。スクリーン４１は例 えばラグにより肩部４３に支持されかっこの肩部４３と共に電子ビーム８を通過 させるための円形スリット４２を形成している。電子ビーム８は内側導電体５の 環状突起部５０により受は入れられる。

一方の側の要素２１．２３と他方の側の要素４１゜４３との間には入射領域と呼 ばれる領域３がある。この領域３は壁体２０および４０の延長部２５および４５ の間にスリット７１を形成するために延長部２５および４５を相互に接触させな いように延長部２５．４５により横方向に規制されている。

本発明による発振器はさらにマイクロ波変調回路７を備えている。この変調回路 ７はこの実施例では同軸型回路である。変調回路７の中央導電体は軸線ＺＺを有 する壁体４０により構成されかつその外側導電体は同様に軸線ｚＺを有する中空 のシリンダの形態の壁体７０により構成されている。壁体７０は壁体４０と共に 環状空間７４を形成している。外側導電体７０はフレーム２０の部分２５と連結 されている。

この装置の作用は次のとおりである。

陰極１１に陽極に印加された正の電圧に対して負の電荷を印加することにより、 環状の電子ビーム８が放出される。例えば、出力回路４のフレーム２０、スクリ ーン２１および要素は大地電位に保たれ、かつ陰極１１に電圧−Ｖｏが印加され る。この構体には、図示していない装置を使用して、このようにして発生させた 電子ビーム８を集束させるための（軸線ＺＺに沿った）長手方向の磁界が印加さ れることが好ましい。

仮想陰極を構成する機構について以下に再び説明する。

電子ビームの内側には空間電荷が作用している。電子ビームの軸線に沿った電子 の電位および速度はその周囲の電子の電位および速度よりも低い。もしも電子の 密度が増大し、その結果搬送される流れが増大すると、電子の電位および速度が ゼロまで減少し、そのときに電子は仮想陰極と呼ばれる負に帯電した電荷の蓄積 を生ずる。この電圧の蓄積は長手方向の軸線に沿って振動して電磁界を発生させ る。この振動の周波数は特に入射電流により左右されかつギガヘルツにより一般 に測定される。そのうえ、電子がその値を超えると仮想陰極を発生する最大電流 の強さは電子ビームの電位、電子ビームの寸法および入射領域３の関数である。

さらに、正確に述べると、所定の電子ビームのための最大の流れは入射領域３の 直径が増すにつれて低くなる。

本発明によれば、この装置（電子銃および入射領域）の寸法が選択されかつ電子 ビームの流れが入射領域３を通過することができる最大の流れよりも僅かに低く なるように選択される。電子ビームの流れが最大の流れを超えると、仮想陰極が 構成される。

変調回路７を通じて交番電界が発生する。この交番電界から生ずる部分２５およ び４５の間の電圧は交番の一つに対して電子ビーム８が仮想陰極型の機構によっ て止められかつもはや出力回路４に到達せず、電子が入射領域３の範囲を規制す る壁部により吸入されるようにするために十分な振幅を有していなければならな い。次の交番においては、同じ要素２５および４５の間に印加された電圧により 電子ビームが再び発生する。このようにして、電子ビームの流れは変調信号の周 波数における強さにおいて変調される。その後、出力回路４は前記の変調された 電流により励振され、それにより電子ビームの電子のエネルギの少なくとも一部 分をマイクロ波エネルギに変成することが保証される。スクリーン２１および４ １は発散した電子を吸収する慣用の機能を有している。

マイクロ波変調回路７およびマイクロ波出力回路４がそれらのそれぞれの寸法を 選択することにより変調信号の周波数と、達成しようとする目的である出力信号 の周波数とを正確に規制してそれにより良質の信号を発生することができること に留意すべきである。

また、十分な機能を発揮させるために、仮想陰極を完成に構成することは必要で ないことに留意すべきである。

交番変調電界の最大の周期は通過状態と仮想陰極状態との間のビームの切替え時 間の一部分にすぎない。この最大周期は実際にはこの構体を通しての電子の移動 時間の程度である。前記の発振器はバーケータ−と同様に特にコンパクトである 。スクリーン２１および４１により範囲が限定された入射領域３の長さは、実際 には、一つの実効波長程度である。

そのうえ、直流電圧Ｖ。の印加により、使用される電圧の大きさＭＶおよび電流 の大きさＫＡのために技術的な問題が発生する。そのために、例えば、同軸構体 １２〜２０を通じて陰極１１に伝達される例えば１００ナノ秒の程度の持続時間 を有する電圧パルスを使用することができる。これらのパルスの持続時間は代表 的には１００ピコ秒程度である発生したパルスの周期と対比して長く保たれる。

以上、変調回路により供給される信号を増幅する装置について記載した。よく知 られているように、変調回路に出力回路により供給された信号の一部分を再入射 する装置を付加することによりこの構体により発振器を製造することができる０ この再入射はよく知られているように出力回路の寸法に関連した適当な位相によ り行われる。

この再入射装置は任意の既知の装置、例えば、壁体４０に形成された開口部内に 得られる結合ループまたは図示の発振器の外側の回路により構成することができ る。

第２図は集成体の効率を改良するために変調後に電子を二次加速するための装置 を備えた本発明による装置の第２実施例を示す。

この図においては、電子銃１、変調回路７および出力回路４が前記実施例の場合 と同様に設けられているが、出力回路４全体が前記要素から電気絶縁されている 。

さらに正確に述べると、第１図について説明した電子銃と同じ構造を有する、す なわち、陰極１１、フレーム２０およびスクリーン２１からなる電子銃１が示さ れている。出力回路４もまた、第１図の場合と同様に、導電体４０により囲繞さ れた円筒形の内側導電体５、肩部４３およびスクリーン４１により構成されてい る。しかしながら、この実施例においては、入射領域はスクリーン２１および肩 部４３によりもはや閉ざされないで、スクリーン４１と同様な導電性要素６１お よび外側の導電性要素６０により閉ざされている。外側導電性要素６０は接極子 ２０の延長部に配置されかつ接極子２０と共にスリット７１を形成している。ス リット７１には変調回路が接続されている。導電性要素６０は、さらに、スクリ ーン６１と共に電子ビーム８を通過させるための環状スリット６２を形成してい る。それ故に、導電性要素６０および６１は電子銃１および出力回路４の両方か ら電気絶縁されている。

動作中、前述したように、陽極に対する陰極に電圧Ｖｏが印加され、変調回路７ により変調信号が印加され、かつさらに例えば陰極の電位にある壁体６０に対す る出力回路４に二次加速電圧＋ｖ１が印加される。このようにして、電子は、入 射領域３から出るときに加速される。

第３図は電子ビームが完全に円筒形である本発明による装置の第３実施例を示す 。

この図に示した実施例は、電子銃１の陰極、出力回路４の内側導電性要素、電子 銃および出力回路のスクリーンを除いて第１図の場合と同じ要素を備えている。

この実施例においては、陰極の符号１２で示した電子放出面は円形に形成されて おり、それにより中実の円筒形の電子ビームを放出する。同様に、出力回路４の 符号５１で示した内側導電性要素は円板の形態の平坦な表面により構成されてい る。この実施例においては、第１図のスクリーン２１および２４は電子の吸収を 非常に少なくするために十分に薄い格子、すなわち、金属板により構成された符 号２６および４６で示した要素と置き換えられている。

十分な機能を発揮させるために、陰極１２の直径を出力側において得られるマイ クロ波エネルギの波長よりも実質的に小さくしなければならず、例えば、半波長 程度にしなければならないことを留意するべきである。

上記の説明は本発明を限定しない実施例について述べたものである。したがって 、特に、種々のマイクロ波回路を同軸型回路とし図示しであるけれども、導波管 と置き換えることができる。

国際調査報告 国際調査報告 ＦＲ９００００５９ ＳＡ　　３４２０５

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．入射領域（３）内に電子ビーム（８）を発生させることができる電子銃（１ ）であって、電子ビームにより搬送される流れが入射領域内に搬送可能な最大の 流れよりも僅かに小さくなるようにした電子銃と、交番の一つの間にトリガのた めに十分な振幅を有する交番電圧を入射領域内に印加可能な変調回路と呼ばれる マイクロ波回路（４）であって、仮想陰極を形成することによりもはや電子の通 過を許容せず、電子ビームにより搬送される流れが交番電圧のいわゆる変調周波 数において変調されるマイクロ波回路と、 実質的に変調周波数においてまたは該変調周波数の倍数または約数において作用 するように意図されたマイクロ波出力回路であって、前記の変調された流れによ り励振されてそれにより電子ビームの電子のエネルギの少なくとも一部分をマイ クロ波エネルギに変成可能ならしめるマイクロ波出力回路と を備えたことを特徴とするマイクロ波周波数用増幅装置。
2. ２．出力回路が同軸型回路であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の増 幅装置。
3. ３．変調回路が同軸型回路であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２ 項のいずれか一項に記載の増幅装置。
4. ４．変調回路の中央の導電性要素（４０）が出力回路の外側の導電性要素により 構成されたことを特徴とする請求の範囲第２項および第３項のいずれか一項に記 載の増幅装置。
5. ５．出力回路が入射領域から電気絶縁されかつ電子加速電圧が入射領域と出力回 路との間に印加されることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項のいずれ か一項に記載の増幅装置。
6. ６．電子ビームが中空の円筒形であることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ５項までのいずれか一項に記載の増幅装置。
7. ７．電子ビームが中実の円筒形であることを特徴とする請求の範囲第１項から第 ６項までのいずれか一項に記載の増幅装置。
8. ８．さらに、出力回路により供給された信号の一部分を変調回路内に再入射する 装置を備え、それにより発振器を構成したことを特徴とする請求の範囲第１項か ら第７項までのいずれか一項に記載の増幅回路。
9. ９．さらに、電子ビームを集束させるための磁界を印加する装置を備えたことを 特徴とする請求の範囲第１項から第８項までのいずれか一項に記載の増幅装置。