後進波発振器

後進波発振器( BWO )は、カルシノトロンまたは後進波管とも呼ばれ、テラヘルツ領域までのマイクロ波を生成するために使用される真空管です。進行波管ファミリーに属し、電子チューニング範囲が広い発振器です。

電子銃は、低速波構造と相互作用する電子ビームを生成します。ビームに対して進行波を後方に伝播させることで、振動を維持します。生成された電磁波の電力は、電子の運動方向と反対の方向のグループ速度を持ちます。出力電力は、電子銃の近くで結合されます。

カルシノトロンには、最も強力なM タイプ ( M-BWO ) とO タイプ( O-BWO )の 2 つの主なサブタイプがあります。O タイプの出力は、通常、1000 GHz で 1 mW 、200 GHzで 50 mWの範囲です。カルシノトロンは、強力で安定したマイクロ波源として使用されます。カルシノトロンが生成する波面の品質が高いため(下記参照)、テラヘルツイメージングの照明器具として使用されます。

後進波発振器は1951年に、M型はBernard Epsztein ^[1] 、O型はRudolf Kompfnerによって実証されました。M型BWOは、電圧制御の非共鳴マグネトロン相互作用外挿です。両方のタイプとも、加速電圧を変えることで広範囲の周波数にわたって同調可能です。これらは、一度に全帯域に放射しているように見えるほど高速に帯域を掃引できるため、効果的なレーダー妨害に適しており、レーダー周波数にすばやく同調します。カルシノトロンにより、航空機搭載レーダー妨害装置は非常に効果的になりました。ただし、周波数可変 レーダーは周波数を高速でホッピングできるため、妨害装置は集中妨害を使用せざるを得なくなり、広い帯域にわたって出力電力が薄まり、効率が大幅に低下します。

カルシノトロンは研究、民間、軍事の用途で使用されています。たとえば、チェコスロバキアのKopac パッシブ センサーとRamona パッシブ センサー防空探知システムでは、受信システムにカルシノトロンを採用しています。

進行波管はすべて基本的に同じ方法で動作しますが、主な違いは構造の詳細にあります。この概念は、電子銃から管の中心を移動する電子の安定した流れに依存しています (隣接する概念図を参照)。電子ビームの周囲には、何らかの無線周波数ソース信号があります。従来のクライストロンの場合、これは外部信号が供給される共振空洞ですが、より現代的なデバイスでは、一連のこれらの空洞または同じ信号が供給されるらせん状の金属ワイヤがあります。^[2]

電子が管内を移動すると、RF 信号と相互作用します。電子は最大の正バイアスのある領域に引き寄せられ、負の領域からは反発されます。これにより、電子は管の長さに沿って反発または引き寄せられ、束になります。このプロセスは速度変調と呼ばれます。このプロセスにより、電子ビームは元の信号と同じ一般的な構造になります。ビーム内の電子の密度は、誘導システム内の RF 信号の相対的な振幅と一致します。電子電流は銃の詳細の関数であり、通常は入力 RF 信号よりも桁違いに強力です。その結果、電子ビーム内の信号は元の RF 信号の増幅バージョンになります。^[2]

電子が移動すると、近くの導体に磁場が誘導されます。これにより、増幅された信号を取り出すことができます。マグネトロンやクライストロンなどのシステムでは、別の共振空洞を使用してこれを実現します。らせん状の設計では、このプロセスがチューブの全長にわたって発生し、らせん状の導体内の元の信号が強化されます。従来の設計の「問題」は、帯域幅が比較的狭いことです。共振器に基づく設計では、設計の 10% または 20% 以内の信号で動作します。これは共振器の設計に物理的に組み込まれているためです。一方、らせん状の設計では、はるかに広い帯域幅があり、設計ピークの両側で 100% になる可能性があります。^[3]

BWO は、ヘリカル TWT に似た方法で構築されています。ただし、RF 信号が電子ビームと同じ (または類似の) 方向に伝播するのではなく、元の信号がビームに対して直角に移動します。これは通常、長方形の導波管に穴を開け、ビームをその穴に通すことで実現されます。次に、導波管は 2 つの直角に曲がり、C 字型を形成して再びビームを横切ります。この基本パターンはチューブの長さに沿って繰り返され、導波管はビームを数回横切って一連の S 字型を形成します。^[2]

元の RF 信号は、エネルギーが抽出される TWT の遠端から入ります。通過するビームに対する信号の影響により、同じ速度変調効果が発生しますが、RF 信号の方向と導波管の特性により、この変調はビームに沿って前方ではなく後方に移動します。この伝播、つまりスロー ウェーブは、 RF 信号の同じ位相と同じように、折り畳み導波管の次の穴に到達します。これにより、従来の TWT と同様に増幅が発生します。^[2]

従来の TWT では、誘導システム内の信号の伝播速度はビーム内の電子の速度と同程度でなければなりません。これは、インダクタを通過するときに信号の位相が束になった電子と一致するようにするために必要です。これにより、ワイヤまたは共鳴室の物理的構造に基づいて、デバイスが増幅できる波長の選択に制限が課せられます。^[2]

これは BWO の場合とは異なり、電子は信号に直角に通過し、その伝播速度は入力信号の速度とは無関係です。複雑な蛇行導波管は入力信号の帯域幅に厳しい制限を設け、導波管内に定在波が形成されます。しかし、電子の速度は電子銃に印加される許容電圧によってのみ制限され、これは簡単かつ迅速に変更できます。したがって、BWO は単一の入力周波数を受け取り、広範囲の出力周波数を生成します。^[2]

この装置は、後ろ向きに泳ぐザリガニのギリシャ語名にちなんで、当初は「カルシノトロン」という名前が付けられました。 ^[4]この装置は、供給電圧を変更するだけで、既存のマイクロ波増幅器が対応できるよりもはるかに広い帯域にわたって必要な周波数を生成することができました。キャビティマグネトロンは、共振器の物理的寸法によって決まる単一の周波数で動作し、クライストロンは外部信号を増幅しましたが、狭い周波数範囲内でのみ効率的に増幅しました。^[2]

以前は、レーダーを妨害するのは複雑で時間のかかる作業でした。オペレーターは、使用されている可能性のある周波数を聞き、その周波数に増幅器のバンクの 1 つを設定し、放送を開始しなければなりませんでした。レーダー ステーションが何が起きているのかに気付くと、周波数を変更し、プロセスが再び開始されます。対照的に、カーシノトロンは、すべての可能性のある周波数を非常に高速にスキャンできるため、すべての周波数で同時に一定の信号があるように見えます。一般的な設計では、数百ワットから数千ワットを生成できるため、1 つの周波数で、レーダー ステーションが受信する電力は数ワットになる可能性があります。ただし、長距離では、元のレーダー放送から航空機に到達するエネルギー量は最大でも数ワットであるため、カーシノトロンは航空機を圧倒できます。^[2]

このシステムは非常に強力で、航空機で作動するカルシノトロンは、レーダーの地平線上に上がる前から効果を発揮し始めることがわかった。周波数を掃引すると、実質的にランダムな時間にレーダーの動作周波数で放送され、アンテナがターゲットの両側3度程度に向けられると、ディスプレイがランダムなドットで満たされる。ドットの数が非常に多いため、そのエリアのディスプレイは単にホワイトノイズで満たされるだけだった。ステーションに近づくと、信号はアンテナのサイドローブにも現れ始め、ノイズで空白になるエリアがさらに増える。100マイル（160 km）程度の近距離では、レーダーディスプレイ全体がノイズで完全に満たされ、役に立たなくなる。^[2]

このコンセプトは妨害装置として非常に強力だったため、地上レーダーは時代遅れになるのではないかという深刻な懸念があった。航空機搭載レーダーの利点は、妨害装置を搭載した航空機に接近でき、最終的には送信機からの巨大な出力が妨害を「打ち消す」ことができることだった。しかし、当時の迎撃機は地上レーダーを使用して、地上の方向を頼りに範囲内に侵入していた。これは防空作戦にとって大きな脅威であった。^[5]

地上レーダーに関しては、この脅威は最終的に2つの方法で解決された。1つ目は、レーダーを多くの異なる周波数で動作し、パルスごとにランダムに周波数を切り替えるようにアップグレードすることだった。これは現在周波数アジリティとして知られている概念である。これらの周波数の一部は平時には使用されておらず、戦時には妨害装置に知られないように極秘にされていた。カルシノトロンは依然として帯域全体をスキャンすることはできたが、そうするとレーダーと同じ周波数でランダムに放送することになり、レーダーの有効性は低下する。もう1つの解決策は、カルシノトロンの放送を三角測量するパッシブ受信機を追加することだった。これにより、地上局は妨害装置の位置に関する正確な追跡情報を生成し、妨害装置を攻撃することができるようになった。^[5]

必要とされる低速波構造は、縦方向成分を持つ無線周波数(RF) 電界をサポートする必要があります。構造はビームの方向に周期的であり、通過帯域と阻止帯域を持つマイクロ波フィルターのように動作します。形状の周期性により、一定の位相シフト Φ を除いて、フィールドはセル間で同一です。この位相シフトは、損失のない構造の通過帯域内の純粋な実数であり、周波数によって変化します。フロケの定理 (フロケ理論を参照) によると、RF 電界 E(z,t) は、角周波数ω で、「空間または空間高調波」E _nの無限大の合計によって記述できます。

${\displaystyle E(z,t)=\sum _{n=-\infty }^{+\infty }{E_{n}}e^{j({\omega }t-{k_{n}}z)}}$

ここで、各高調波の波数または伝播定数k _nは次のように表される。

k _n = (Φ + 2nπ) / p (-π < Φ < +π)

z は伝播方向、p は回路のピッチ、n は整数です。

ω-k またはブリルアン図に、スロー波回路の特性の 2 つの例を示します。

• 図(a)では、基本波n=0は前方空間高調波(位相速度v _n =ω/k _nは群速度v _g =dω/dk _nと同じ符号)であり、後方相互作用の同期条件は、傾きv _e (ビーム速度)と最初の後方(n = -1)空間高調波の交点Bにある。
• 図(b)では基本波(n=0)は逆向きになっている

周期構造は、フィールドのモードではない前方空間高調波と後方空間高調波の両方をサポートでき、ビームがそのうちの 1 つにのみ結合できる場合でも、独立して存在することはできません。

n の値が大きい場合、空間高調波の大きさは急速に減少するため、相互作用は基本波または最初の空間高調波とのみ重要になります。

M型カルシノトロン、またはM 型後進波発振器は、マグネトロンと同様に、交差する静電場 E と磁場B を使用して、E と B に垂直に、低速波回路に沿って速度 E/B でドリフトする電子シートビームを集束させます。波の 1 つの空間高調波の位相速度が電子速度に等しいときに、強い相互作用が発生します。RF フィールドの E _zと E _{y の}両方の成分が相互作用に関与します (E _{y は}静電 E フィールドに平行)。低速波の減速 E _z電界内にある電子は、静電場 E 内で持っている位置エネルギーを失い、回路に到達します。唯一の電極は、低速波空間高調波と相互作用している間にエネルギーを得た電子が収集されるのを避けるために、陰極よりも負になっています。

O型カルシノトロン、またはO 型後進波発振器は、磁場によって縦方向に集束された電子ビームと、ビームと相互作用する低速波回路を使用します。コレクターは、チューブの端でビームを集めます。

BWO は電圧同調可能な発振器であり、その電圧同調率は回路の伝播特性に直接関係しています。発振は、回路上を伝播する波がビームの低速空間電荷波と同期する周波数で開始します。本質的に、BWO は他の発振器よりも外部変動に敏感です。それでも、位相または周波数をロックできることが実証されており、ヘテロダイン ローカル発振器として正常に動作しています。

周波数-電圧感度は、次の関係で与えられる。

${\displaystyle \Delta }$f/f = 1/2 [1/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V ₀ /V ₀ )${\displaystyle \Delta }$

振動周波数はビーム電流にも敏感です（「周波数プッシング」と呼ばれます）。低周波数での電流変動は主に陽極電圧供給によるもので、陽極電圧に対する感度は次のように表されます。

${\displaystyle \Delta }$f/f = 3/4 [ω _q /ω/(1 + |v _Φ /v _g |)] ( V _a /V _a )${\displaystyle \Delta }$

_{この感度は、カソード電圧感度と比較して、ω q} /ωの比によって減少します。ここで、ω _{q はプラズマ角周波数であり、この比は10} ⁻²の数倍のオーダーです。

サブミリ波 BWO の測定 (de Graauw 他、1978 年) では、この波長範囲で 120 dB/MHz の信号対雑音比が期待できることが示されています。BWO を局部発振器として使用するヘテロダイン検出では、この数値は発振器によって追加される 雑音温度がわずか 1000～3000 K に相当します。

• ジョンソン、HR（1955）。後進波発振器。IRE紀要、43（6）、684-697。
• Ramo S.、Whinnery JR、Van Duzer T. - 通信エレクトロニクスにおける電界と波（第 3 版、1994 年）John Wiley & Sons
• Kantorowicz G.、Palluel P. - 後進波発振器、赤外線およびミリ波、第 1 巻、第 4 章、K. Button 編、Academic Press 1979
• de Graauw Th.、Anderegg M.、Fitton B.、Bonnefoy R.、Gustincic JJ - 第 3 回国際会議 Submm. Waves、ギルフォード大学サリー校 (1978)
• Convert G.、Yeou T.、ミリ波およびサブミリ波、第 4 章、(1964) Illife Books、ロンドン

ウィキメディア・コモンズには、後進波発振器に関連するメディアがあります。

• バーチャルバルブミュージアム Thomson CSF CV6124 (Wayback Machine)

カルシノトロン