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進行波管（TWT 、「ツイット」と発音[1]）または進行波管増幅器（TWTA、「ツイタ」と発音）は、電子機器でマイクロ波範囲の無線周波数（RF）信号を増幅するために使用される特殊な真空管です。[ 2 ]これは、カリフォルニア工科大学の大学院生だったアンドレイ・ヘフ によって1933年頃に発明され、現在の形は1942年から43年にかけてルドルフ・コンプフナーによって発明されました。 TWTは、クライストロンなどの「線形ビーム」管のカテゴリに属し、電子ビームが管を通過するときに電力を吸収することで電波を増幅します。[ 2 ] TWTにはさまざまなタイプがありますが、2つの主要なカテゴリは次のとおりです。[2]
- ヘリックスTWT - 電波が電子ビームを取り囲むワイヤヘリックスに沿って移動しながら電子ビームと相互作用する。帯域幅は広いが、出力は数百ワットに制限される。[3]
- 結合空洞 TWT -ビームが通過する一連の空洞共振器内で、電波がビームと相互作用します。これらは狭帯域電力増幅器として機能します。
TWTが他のマイクロ波管に比べて優れている点は、広い範囲の周波数を増幅できること、つまり帯域幅が広いことです。ヘリックス型TWTの帯域幅は2オクターブにも達しますが、キャビティ型では10～20%の帯域幅となります。 [2] [3] 動作周波数は300MHz～50GHzです。[2] [ 3]管の電力利得は40～70デシベル程度で、[3]出力は数ワット～メガワットの範囲です。[2] [3]
TWTはレーダーシステム、通信衛星や宇宙船の送信機、電子戦システムの電力増幅器や発振器として広く使用されています。 [2]
説明
基本的なTWT
TWT は、一端に電子銃(電子を放出する加熱された陰極) を備えた細長い真空管です。陰極と陽極に印加された電圧によって電子が管の遠端に向かって加速され、管の周囲の外部磁場によって電子がビームに集束されます。管のもう一方の端で電子は「コレクター」に衝突し、回路に戻ります。
チューブの内側、ビーム経路のすぐ外側には、通常は無酸素銅の螺旋状のワイヤが巻かれています。増幅する RF 信号は、チューブのエミッタ端近くのポイントで螺旋に送られます。信号は通常、一端に配置された導波管または電磁コイルを介して螺旋に送られ、一方向の信号経路、つまり方向性結合器を形成します。
加速電圧を制御することで、チューブを流れる電子の速度は、らせんを流れる RF 信号の速度と同程度に設定されます。ワイヤ内の信号により、電子が流れるらせんの中心に磁場が誘導されます。信号の位相に応じて、電子は巻線を通過するときに加速または減速します。これにより、電子ビームが「束になる」状態になります。これは技術的には「速度変調」と呼ばれます。ビーム内の電子密度のパターンは、元の RF 信号の類似物です。
ビームは移動しながら螺旋を通過し、その信号が変化するため、螺旋内で誘導が発生し、元の信号が増幅されます。ビームがチューブの反対側の端に到達するまでに、このプロセスによってかなりのエネルギーが螺旋に再蓄積されます。コレクターの近くに配置された 2 番目の方向性結合器は、RF 回路の遠端からの入力信号の増幅バージョンを受け取ります。RF 回路に沿って配置された減衰器は、反射波が陰極に戻るのを防ぎます。
高出力のヘリックスTWTには通常、ヘリックス支持棒として、また場合によってはその特殊な電気的、機械的、熱的特性のためTWTの電子コレクターとして酸化ベリリウムセラミックが含まれています。 [4] [5]
比較
TWT と同様に動作する RF 増幅管は数多くあり、総称して速度変調管と呼ばれています。最もよく知られている例はクライストロンです。これらの管はすべて、増幅プロセスを提供するために同じ基本的な電子の「束ね」を使用していますが、速度変調を引き起こすプロセスは大きく異なります。
クライストロンでは、電子ビームは、ソース RF 信号に接続された共振空洞の穴を通過します。電子が穴を通過する瞬間の信号により、電子は加速 (または減速) されます。電子は「ドリフト チューブ」に入り、そこで高速の電子が低速の電子を追い越して束を形成し、その後、電子は別の共振空洞を通過して出力電力が取り出されます。速度選別プロセスには時間がかかるため、ドリフト チューブは数フィートの長さになることがよくあります。
これに対し、TWT では、加速はチューブの全長にわたるらせんとの相互作用によって発生します。これにより、TWT は非常に低いノイズ出力を実現できます。これは、この設計の大きな利点です。さらに便利なのは、このプロセスはチューブの物理的な配置にあまり影響されないため、TWT はより幅広い周波数で動作できることです。TWT は、一般的に、低ノイズと周波数可変性が役立つ場合に有利です。[6] [7]
結合空洞型TWT
ヘリックス TWT のピーク RF 電力は、ヘリックス ワイヤの電流処理 (したがって厚さ) によって制限されます。電力レベルが増加すると、ワイヤが過熱し、ヘリックスの形状が歪む可能性があります。ワイヤの厚さを厚くすることで状況は改善されますが、ワイヤが厚すぎると、適切な動作に必要なヘリックス ピッチが得られなくなります。通常、ヘリックス TWT の出力電力は 2.5 kW 未満です。
結合空洞 TWT は、ヘリックスをビームに沿って軸方向に配置された一連の結合空洞に置き換えることで、この制限を克服します。この構造はヘリカル導波路を提供するため、速度変調によって増幅を行うことができます。ヘリカル導波路は非線形分散が非常に強いため、狭帯域になります (ただし、クライストロンよりは広い)。結合空洞 TWT は 60 kW の出力電力を達成できます。
動作はクライストロンと同様ですが、結合空洞 TWT はドリフト チューブの代わりにスロー ウェーブ構造間の減衰を考慮して設計されています。スロー ウェーブ構造により、TWT の帯域幅が広くなります。自由電子レーザーにより、より高い周波数が可能になります。
進行波管増幅器
安定化電源と保護回路を統合した TWT は、進行波管増幅器[8] (略称TWTA、発音は「ツイート」) と呼ばれます。これは、高出力無線周波数信号を生成するために使用されます。広帯域 TWTA の帯域幅は 1オクターブにも達しますが[要出典]、調整された (狭帯域) バージョンも存在し、動作周波数は 300 MHz から 50 GHz の範囲です。
TWTA は、進行波管とその保護回路 (クライストロンの場合と同じ)、および調整電源 電子パワー コンディショナー(EPC) で構成され、これらは別のメーカーによって供給および統合される場合があります。ほとんどの電源と真空管用電源の主な違いは、効率的な真空管には電子の運動エネルギーを再利用するための降圧コレクターがあるため、電源の二次巻線には最大 6 つのタップが必要であり、そのうちのヘリックス電圧は正確に調整する必要があることです。その後にリニアライザーを追加すると (誘導出力管の場合と同様)、補完的な補償によって TWTA のゲイン圧縮やその他の特性を改善できます。この組み合わせは、線形化 TWTA (LTWTA、"EL-tweet-uh") と呼ばれます。
広帯域 TWTA は一般にヘリックス TWT を使用し、2.5 kW 未満の出力電力を実現します。結合空洞 TWT を使用する TWTA は 15 kW の出力電力を実現できますが、帯域幅が狭くなります。
発明、開発、初期の使用
TWTのオリジナル設計とプロトタイプは、1931年頃、カリフォルニア工科大学のケロッグ放射線研究所で博士課程の学生として働いていたアンドレイ・「アンディ」・ヘフによって作成されました。彼の最初の特許「高周波電流を制御する装置と方法」は1933年に申請され、1936年に認可されました。[9] [10]
TWT の発明は、 1942 年から 1943 年にかけてのルドルフ・コンプナーによるものとされることが多い。さらに、米国の RCA (Radio Corporation of America) で働いていたニルス・リンデンブラッドも、1940 年 5 月にコンプナーの TWT と非常によく似た装置の特許を申請していた[11] 。 [12] : 2 これらの装置は両方とも、当時新しく発明された精密電子銃を電子ビームの源として使用し、ビームをらせんの外側ではなく中心に向けるという点で、ヘフの元の設計を改良したものでした。これらの構成の変更により、速度変調と電子の集束という物理的原理に依存していたため、ヘフの設計よりもはるかに大きな波の増幅が得られました。[10]コンプナーは第二次世界大戦中にイギリス海軍本部のレーダー研究所で TWT を開発しました。[13]彼の最初のTWTスケッチは1942年11月12日のものであり、彼は1943年初頭に最初のTWTを製作した。[12] : 3 [14] TWTは後にベル研究所のコンプナー、 [14]ジョン・R・ピアース、[15]レスター・M・ウィンスローによって改良された。1953年に認可されたコンプナーの米国特許はヘフの以前の研究を引用していることに注意されたい。[10]
1950年代には、カリフォルニア州カルバーシティのヒューズ・エアクラフト社の電子管研究所でさらなる開発が行われ、TWTはそこで生産されるようになり、1960年代にはイングリッシュ・エレクトリック・バルブ社などの企業でもTWTが生産され、 1970年代にはフェランティ社がそれに続いた。 [16] [17] [18]
1962年7月10日、世界初の通信衛星テルスター1号が、地上局にRF信号を送信するために使用された2W、4GHzのRCA設計のTWTトランスポンダを搭載して打ち上げられた。シンコム2号は、1963年7月26日に静止軌道に打ち上げられ、ヒューズ設計の2W、1850MHzのTWTトランスポンダ2基（1基はアクティブ、もう1基はスペア）が搭載されていた。[19] [20]
用途
TWTAは、入力信号が非常に弱く、出力が高電力である必要がある衛星 トランスポンダの増幅器として一般的に使用されています。 [21]衛星通信に使用されるTWTAは信頼性の高い選択肢と考えられており、15〜20年の予想寿命を超えて使用される傾向があります。[22]
出力がアンテナを駆動するTWTAは送信機の一種である。TWTA送信機はレーダー、特に空中射撃管制レーダーシステム、電子戦システム、自己防衛システムに広く使用されている。[23]このような用途では、通常、TWTの電子銃と低速波構造の間に制御グリッドが導入され、パルス動作が可能になる。制御グリッドを駆動する回路は、通常、グリッド変調器と呼ばれる。
TWTAは、太陽系を脱出する速度を達成した5機の宇宙探査機すべてを含む、多くの宇宙船に応用されています。 [24] [25]たとえば、ニューホライズンズ宇宙船の皿の下のボディには、二重冗長12ワットXバンドTWTAが搭載されています。 [26]この宇宙船は2015年に冥王星を訪れ、2019年にはカイパーベルト天体486958アロコスを訪れ、太陽から43.4AUの距離でデータを返しました。2021年に打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡は、 K aバンドTWTを使用しています。[25]
歴史的記録
TWTは「進行波増幅管」（TWAT）と呼ばれることもありますが[27] 、この用語は広く採用されることはありませんでした。技術者は「TWT」を「ツイット」と発音し、[28]「TWTA」を「ツイタ」と発音します。[29]
参照
参考文献
- ^ Electronics World + Wireless World. Reed Business Pub. 1991. p. 66.
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- ^ 1997年マイクロ波電力管産業の産業評価 - 米国国防総省 [1]
- ^ 酸化ベリリウムの特性
- ^ 「進行波管」
- ^ 「速度変調管」
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さらに読む
- コープランド、ジャック、ヘフ、アンドレ A. (2015 年 9 月)。「進行波管の本当の歴史」
- アームストロング、カーターM; (2015年11月)。「究極の真空管の探求」IEEEスペクトラム; [2]
外部リンク
- 追悼ページ、ジョン・ピアースがTWTを持っている写真あり
- ナイキストのページ。黒板に書かれた TWT 計算の前に立つピアス、コンプナー、ナイキストの写真付き。
- TMD 進行波管、情報および PDF データ シート。
- 進行波管（TWT）の動作と内部構造を示すフラッシュアニメーション