非常に高効率のフレキシブルな進行波増幅器
【課題】 非常に高効率のフレキシブルな進行波増幅器を提供する。
【解決手段】 カソード、ヘリックス、ＲＦ入力部、ＲＦ出力部、および複数のコレクタを備える進行波管（２２６）と、
前記進行波管（２２６）に電源および電極分極を与える電子電力調整器と
を少なくとも備える進行波管増幅器であって、
前記電子電力調整器が、データバスによって送られる制御コマンドにより、ヘリックス・カソード間電圧およびコレクタ電圧を調節することを可能にするフレキシビリティ制御手段（２４）を備える、進行波管増幅器。
【解決手段】 カソード、ヘリックス、ＲＦ入力部、ＲＦ出力部、および複数のコレクタを備える進行波管（２２６）と、
前記進行波管（２２６）に電源および電極分極を与える電子電力調整器と
を少なくとも備える進行波管増幅器であって、
前記電子電力調整器が、データバスによって送られる制御コマンドにより、ヘリックス・カソード間電圧およびコレクタ電圧を調節することを可能にするフレキシビリティ制御手段（２４）を備える、進行波管増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常に高効率のフレキシブルな進行波増幅器に関する。本発明は、とりわけ通信衛星に適用される。
【背景技術】
【０００２】
通信衛星は通常、プラットフォームとペイロードとを含み、後者はすべての機器、とりわけ高出力の高周波信号（本明細書では以下ＲＦ信号と呼ぶ）を生成し、地面に向けて伝送することを目的とするすべての装置を備える。高出力のＲＦ信号を伝送するために、様々な既知の技法が用いられている。
【０００３】
第１の技法は固体技術に基づき、一般にＳＳＰＡと呼ばれる固体電力増幅器を伴う。ＳＳＰＡは、通常要求されるＲＦ電力のレベルを管理する立場にないという欠点をとりわけ有する。
【０００４】
第２の技法は、本明細書では以下ＴＷＴＡと呼ぶ、進行波管増幅器を使用することに基づく。ＴＷＴＡは、本明細書では以下ＴＷＴと呼ぶ、進行波管をとりわけ備える。通信衛星ペイロードは、今日ではＴＷＴＡを広範に使用する。ＴＷＴＡは、高出力のＲＦ伝送チャネルを得るための著しく効率的な装置であり、非常に高レベルの伝送ＲＦ電力を管理できるようにする。しかし、ＴＷＴＡは真空管に基づく技術に依拠し、その技術は非常に厳密なチューニングを、製造段階だけでなく、電気的インターフェイスの精度に関しても要求する。ＴＷＴについては、図１を参照して以下により詳細に説明しており、基本的にはＲＦ入力部およびＲＦ出力部と、ヘリックスと、電子ビームを形成する電子を放出するカソード、その電子ビームを集束する「アノードゼロ」または「アノード０」と一般に呼ばれるアノードを含む電極と、複数のコレクタとを備える。
【０００５】
さらに、生産される各ＴＷＴＡは独自のものであり、伝送周波数、伝送電力レベル、および効率の点で、独自の用途のために最適化される。ひとたび設計され、製造され、ことによると最適化されると、ＴＷＴＡおよびその関連する制御機器は、衛星の組み立て、組み込みおよび試験、ならびにそれらが据え付けられる衛星の飛行中ミッションの間ずっと同じ方法で動作し続けなければならない。つまり、ひとたび通信衛星が組み立てられると、これらの機器は、これらの機器向けに設計された特定の条件の下で運転されなければならない。その上、ＴＷＴＡの効率性能は周波数に依拠する。したがって、同時に、複数のチャネルにより伝送することを目的とする衛星は、それと同数のＴＷＴＡを含まなければならず、費用、重量、および体積の点で関係する結果を伴う。また、１５年を超える典型的なミッション期間にわたり、１つのＴＷＴＡが通常１つの所与のチャネルにより伝送するように定めることは、ペイロードの設計およびＴＷＴＡの調達を非常に制約的にし、リスクマネジメントに関して厳しい制約を生じさせる。
【０００６】
広帯域ＴＷＴＡが従来技術で知られているが、既存の装置は、より狭いＲＦ帯域において最適化されるアナログＴＷＴＡに比べ、一般的に約２パーセントの効率低下をきたす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したすべての理由から、通信衛星ペイロード開発の非常に長期にわたり、かつ費用のかかる部分は、チャネルの数、周波数および電力の割当、プラットフォームに対する電力需要の最小化の点で、所与の信頼性要件の範囲内で最終的な顧客のニーズに対する技術的対処法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの狙いは、広帯域ＴＷＴＡのように幅広い周波数にわたり動作させることができながら、チューニングされた既知の狭帯域ＴＷＴＡの効率と同様の効率を示すＴＷＴＡを提案することにより、少なくとも上記に述べた欠点を軽減することである。
【０００９】
本発明の１つのさらなる利点は、ＴＷＴＡが、地上のみならず、衛星ミッションにわたる飛行中運転の間も容易に制御される能力を提供することである。
【００１０】
本発明の１つのさらなる利点は、記載する実施形態のうちの１つによるＴＷＴＡが、既存の任意の高圧電子回路に適応可能であり得る制御電子機器を使用することである。
【００１１】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明の実施形態に従うＴＷＴＡのうちで制御されるすべてのＴＷＴが広帯域にわたって動作可能なので、本発明が、所与の応用例について、搭載されたＴＷＴの冗長性（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）に頼るのを減らすことである。
【００１２】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明が、衛星ペイロードの寿命全体を通して、ペイロードの全体的な効率に影響を及ぼすことなく、ミッションプロファイル適応を可能にすることである。
【００１３】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明が、特定の応用例において移相器専用ハードウェアを置換する機会を与える、位相のフレキシビリティを提供することである。
【００１４】
以下に挙げるすべての利点は、計画、重量、費用、および障害処理の最適化の点で利益を示す。
【００１５】
そのために本発明は、カソード、ヘリックス、ＲＦ入力部、ＲＦ出力部、および複数のコレクタＣｉを備える進行波管と、前記進行波管に電源および電極分極を与える電子電力調整器とを少なくとも備える進行波管増幅器であって、前記電子電力調整器が、ＴＷＴの動作周波数を最適な効率を示す決められた範囲内で調節できるようにするために、制御コマンドによりヘリックス・カソード間電圧を調節することを可能にするフレキシビリティ制御手段を備えることを特徴とする、進行波管増幅器を提案する。
【００１６】
本発明の例示的実施形態では、フレキシビリティ制御手段は、コレクタＣｉ電圧を調節するように構成することもでき、ヘリックス・カソード間電圧と、コレクタＣｉ電圧との間の比は一定のままである。
【００１７】
本発明の例示的実施形態では、制御コマンドはデータバスを介して送ることができる。
【００１８】
本発明の例示的実施形態では、電子電力調整器は、多段高圧トランスを含む高圧発生／制御手段を駆動する電力セルを含む一次制御手段を備えることができ、その多段高圧トランスの一次側は前記電力セルによって制御され、前記少なくとも１つのコレクタ、カソード、およびヘリックスによって要求される高圧を発生させ、前記フレキシビリティ制御手段は、電圧制御ループを駆動する電圧基準を調節するための手段を備え、前記電圧制御ループは、パルス幅変調により電力セルを駆動する。
【００１９】
本発明の例示的実施形態では、高圧発生／制御手段は、前記多段高圧トランスの二次側に取り付けられ、前記フレキシビリティ制御手段内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準に合わせて調節されるヘリックス・カソード間電圧を供給するレギュレータを備えることができる。
【００２０】
本発明の例示的実施形態では、フレキシビリティ制御手段は、前記制御コマンドから信号制御ワードを発行するデコーダをさらに備えることができ、前記ヘリックス・カソード間電圧基準は、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいてデコーダによって生成される２進出力ワードを変換する第１のデジタル−アナログ変換器を備えることができる。
【００２１】
本発明の例示的実施形態では、電圧基準を調節するための前記手段は、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいてデコーダによって生成される２進出力ワードを変換する、第２のデジタル−アナログ変換器を備えることができる。
【００２２】
本発明の例示的実施形態では、前記デコーダは、ヘリックス・カソード間電圧基準に向けてｎビットの出力ワードを生成し、データバスから受け取るｎビットの入力ワードに基づき、電圧基準を調節するための手段に向けてｎよりも小さいｍビットの出力ワードを生成することができる。
【００２３】
本発明の例示的実施形態では、電圧基準を調節するための手段に向けられる出力ワードのビット数ｍは、ＲＦ信号の位相を調節可能なように選択することができる。
【００２４】
本発明の例示的実施形態では、高圧発生／制御手段は、レギュレータによって駆動され、そのエミッタが放散要素を介してグラウンドに取り付けられる、バイポーラトランジスタによって形成されるヘリックス電圧精度コントローラにも接続される高圧トランスの二次側をその入力部において備える、高圧発生／制御モジュール内に実装することができる。
【００２５】
説明的かつ非限定的な例としてのみ与える、以下に示す好ましい実施形態の詳細な説明ならびに添付図面に照らし、本発明のこれらのおよび他の特徴ならびに利点をより明確にする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術で知られている典型的なＴＷＴを示す透視図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波管増幅器、すなわちＴＷＴＡ内に含まれる電子電力調整器つまりＥＰＣを示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波増幅器の一部であるＥＰＣを示す簡略化した電気回路図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルなＴＷＴＡの一部であるＥＰＣの高圧ステージの一部を示す簡略化した電気回路図である。
【図５】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルなＴＷＴＡ内に含まれるフレキシビリティ制御モジュールを示す簡略化した電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、従来技術で知られている典型的なＴＷＴを示す透視図を提示する。ＴＷＴは、ＴＷＴＡ内に含まれる主要な要素の１つである。
【００２８】
ＴＷＴ１０は、基本的には高周波入力部１２および高周波出力部１４と、アノードゼロ１３によって集束／調節され、複数のコレクタ１９に至るまでヘリックス１８を通る電子ビーム１７を生成する電子銃を形成するカソード１５とを備える、細長い真空管である。
【００２９】
カソード１５は熱せられ、その端部の一方において電子を放出する。集束された電子ビーム１７としてその電子を含むように、実質的にヘリックス１８の周りに磁界を発生させる。電子ビームは、ヘリックス１８の中間軸（ｍｉｄｄｌｅ ａｘｉｓ）に沿って通過する。ヘリックス１８は、ＲＦ入力部１２からＲＦ出力部１４へと伸びている。電子ビーム１７は最終的にコレクタ１９に衝突している。ＲＦ信号が、電子ビーム１７の速度に近い速度でヘリックス１８に沿って進む。増幅効果は、ヘリックス１８内のＲＦ信号によって誘起される電磁界と、電子ビーム１７との間の量子現象による相互作用に起因する。エネルギに関してＴＷＴの発生量を改善する、つまり電子ビーム１７の終端において依然として入手可能なエネルギを再利用することを最適化するために、複数、典型的には４つまたは５つのコレクタ１９を用いることができる。
【００３０】
ＴＷＴＡは通常、本明細書では以下ＥＰＣと呼ぶ追加の電子電力調整器に関連するＴＷＴを備え、ＥＰＣの目的は、ＴＷＴに所要の電気的動作条件を供給することである。このＥＰＣは、通常はバスを介してエネルギを供給され、ＴＷＴの性能、つまり電力伝達の効率および安定性を保証できるようにする精度レベルで、ＴＷＴ内に含まれる電極のそれぞれに関して要求される電圧供給レベルを生成するＤＣ−ＤＣ変換器である。とりわけ、ヘリックス１８とカソード１５との間の高圧は、ＴＷＴの性能を決定するので十分に正確でなければならない。実際に、ヘリックス−カソード間電圧について言えば、数キロボルトに達する部類の電圧では１ボルト程度の精度が要求され、例えば、Ｋｕバンド内の応用例でのヘリックスとカソードとの間の所要電圧は、典型的には６キロボルトから７．５キロボルト程度である。前記電圧レベルの制御はＥＰＣによって管理される。
【００３１】
アノードゼロ１３または「アノード０」と呼ばれる電極は、カソード１５によって生成される電子ビーム１７を制御できるようにする。
【００３２】
ＴＷＴＡのある特定の種類は一般にＬＴＷＴＡと呼ばれ、「線形化ＴＷＴＡ」を意味する。ＬＴＷＴＡは、ＲＦ入力部１２とともにＲＦ信号レベルを調整し、特にＴＷＴによってもたらされるスプリアス非線形現象（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）に対する補償を行うことを目指す追加の線形前置増幅器を備える。本明細書の以下に記載する本発明の実施形態は、とりわけ両方の種類のＴＷＴＡに適用することができる。
【００３３】
通常、従来技術で既に知られているＴＷＴでは、ＴＷＴの製造業者が、真空管のチューニングパラメータに従い、ＥＰＣに分極パラメータ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）を指定する。特に、ヘリックス電圧は周波数動作点を固定する一方で、コレクタ電圧はＴＷＴの全体的な効率を最適化するようにチューニングされる。ＴＷＴＡの動作点が固定された途端、そのＴＷＴＡは、動作点がチューニングされた周波数とは別の周波数における安全かつ効率的な条件で動作することができなくなる。本発明は、予期される周波数偏位によって固定される範囲内にヘリックス電圧値を制御することとともに、効率の最適条件を維持するためにコレクタ電圧を関連して補正することにより、ＴＷＴＡにフレキシビリティを与えることを提案する。制御することは、例えばミッションに着手する前に地上で行うことができるが、衛星の飛行中ミッションの間中、遠隔的に、例えば衛星に搭載された通信データバスを介して行うこともできる。
【００３４】
最大範囲のフレキシビリティにわたりヘリックス電圧を制御することは、例えばＴＷＴの動作周波数を許容ＲＦ帯域の下部から上部に、またはその逆に移すことを可能にする一方で、その制御の分解能は、関連のある電圧変化に由来する、ＲＦ信号位相の小さな変化も与えられるようにする。したがって、提案するフレキシビリティはＴＷＴの出力位相を補正する機会も与え、出力位相を補正できることは、高価な移相装置に通常は頼る非常に正確な位相チューニングを並列化ＴＷＴＡが必要とする、頭字語ＭＰＡの形で一般に呼ばれるマルチポート増幅器において特に有用であり得る特徴である。ＭＰＡは、複数の並列化ＴＷＴＡによって生成される位相コヒーレント信号を追加することにより、より強力な信号を生成できるようにする。
【００３５】
本発明によれば、ＴＷＴの動作周波数の起こり得る変化に関係なく最適な効率を可能にするためにヘリックス・カソード間電圧を適応させることができ、増幅器の効率を最適に保つために、専用の制御機器により、ヘリックス・カソード間電圧を制御するのと同時にコレクタ電圧を制御することを提案する。
【００３６】
本発明は、ＴＷＴＡのＥＰＣ内に実装される適切な手段によって実現可能である。
【００３７】
図２は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波管増幅器、すなわちＴＷＴＡ内に含まれる電子電力調整器つまりＥＰＣを示す機能ブロック図を提示する。
【００３８】
図面によって示す非限定的な例では、フレキシブルなＴＷＴＡが、高圧発生／制御手段２２を駆動し、かつフレキシビリティ制御手段２４とインターフェイスする、一次電力制御手段２０を備える。
【００３９】
この一次電力制御手段２０は、一次電力バスから一次電力を受電し、以下に記載する高圧トランス２２０の一次側の制御を保証する電力セル２００を備え、そのようにして例えば２つの入れ子型ループにより電力調節（ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を管理し、１つの電流制御ループ２０４がパルス幅変調により電力セルを駆動し、その電流制御ループ２０４は、電流検出手段２０２および電圧制御ループ２０６によって駆動される。本発明の１つの特性は、調節可能な電圧基準２０８により電圧制御ループ２０６を駆動できることである。電圧基準２０８を調節するための手段は、フレキシビリティ制御手段２４内に含まれ、本明細書の以下でさらに説明する。一次電力制御手段２０は、高圧発生／制御手段２２を駆動する。図４を参照することにより、高圧発生／制御モジュールの例示的実施形態を本明細書の以下で説明する。
【００４０】
高圧発生／制御手段２２は、その入力レベルにおいて多段高圧トランス２２０を備える。多段高圧トランス２２０は、整流器およびフィルタをさらに備えることができる。多段高圧トランス２２０は、進行波管２２６によって要求される高圧を発生させ、とりわけこの多段高圧トランス２２０は、複数ｉのコレクタＣｉのために複数ｉの電圧を発生させることができ、その上この高圧トランス２２０は、不図示のレギュレータにより、放出される電力を調節できるようにする「アノード０」電極電圧Ａ０、およびことによると「アノード１」電極電圧Ａ１を発生させることもできる。本発明のもう１つの特性は、ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨを、多段高圧トランス２２０の二次側に取り付けられ、ヘリックス・カソード間電圧設定モジュール２２４によって駆動されるレギュレータ２２２を介して供給できることである。ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨ設定モジュール２２４は、フレキシビリティ制御手段２４内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準２４４に合わせて調節される。ヘリックス・カソード間電圧基準２４４は、例えばＤＡＣを含むことができ、その例示的実施形態を図５を参照して以下でさらに説明する。
【００４１】
フレキシビリティ制御手段２４は、データバスから２進ワードを受け取るｎビットデコーダ２４０をさらに備える。データバスは、例えば通信衛星に通常搭載されてある通信データバスとすることができる。デコーダ２４０は、ヘリックス・カソード間電圧基準２４４に向けてｎビットの２進ワード出力を生成するとともに、ｍビットのワード（ｍはｎよりも小さい）を、接地絶縁（ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）モジュール２４２を介して上述の電圧基準２０８に向けて生成することができる。
【００４２】
図３は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器の一部であるＥＰＣを示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００４３】
ＥＰＣ３００は、電圧ＶＢＵＳを示す衛星の電力バスとインターフェイスする入力フィルタ３０２を備える。この入力フィルタ３０２は、図２を参照して上記に記載した電力セル２００の一部を形成する降圧型レギュレータ３０４を介してインバータ３０６に結合する。降圧型レギュレータ３０４は、例えばスイッチングトランジスタ３０４１および還流ダイオード３０４２を含む降圧スイッチングセル、出力コンデンサ３０４５に関連する降圧コイル３０４４に基づく出力フィルタなど、典型的なコンポーネントを実装する。逆電流制御ループ３０５５のために、例えば抵抗器３０４３に基づく専用の電流測定を使用することができる。スイッチングトランジスタ３０４１および還流ダイオード３０４２によって形成される降圧型レギュレータの電力セルは、調節モジュール３０５内に含まれる専用の調節電子機器によって駆動することができる。調節モジュール３０５内で、調節ループからの制御信号を、例えばその信号を専用の鋸波信号３０５３と比較し、パルス幅変調コマンドを専用ドライバ３０５１を介し、次いでことによるとグリッド抵抗器３０５９を介して降圧トランジスタ３０４１グリッドに提供する、比較器３０５２によってデジタル化することができる。調節モジュール３０５は、図２を参照することにより以下に述べる入れ子型電圧制御ループ２０６、および電流制御ループ２０４を実装する。
【００４４】
モジュール３０５内に含まれる調節電子機器は、出力電圧ループによって駆動される逆電流制御ループ３０５５に基づくことができる。電圧ループは、降圧出力電圧の測定値を提供する抵抗ブリッジ３０５７、３０５８を含むことができ、その測定値は、例えば電圧制御ループブロック３０５６内に含まれる誤差増幅器によって設定電圧ＶＫＣｉと比較することができる。電圧制御ループの利得は、専用の利得制御ブロックＫＶ３０５４によって制御することができる。電流制御ループ用の基準として、電圧制御ループの出力信号を使用することができる。電圧制御ループ内に含まれるツェナダイオードＶｌｉｍｉｔは、電圧制御ループの信号出力の十分なクランプを行い、その結果、電流制御ループによって許容される最大値を固定することができる。
【００４５】
本発明のある特性によれば、調節モジュール３０５は、電圧制御調節手段３０５６をさらに含むことができ、その動作を、図５を参照することにより以下に詳しく説明する。
【００４６】
インバータ３０６は、図２を参照して以下に述べる多段高圧トランス２２０を形成する、または多段高圧トランス２２０の一部である高圧トランス３０８に取り付けられる。高圧トランス３０８には高圧信号整形モジュール３１０が取り付けられ、ＴＷＴ３１２によって要求される高い直流電圧を提供することを目指す。この高圧信号整形モジュール３１０は、例えば高圧コンデンサやブリッジダイオードを含むことができる。ＴＷＴ３１２は、ＲＦ信号入力部を備え、出力ＲＦ信号をＲＦ負荷３１４に出力する。
【００４７】
図４は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器の一部であるＥＰＣの高圧ステージの一部を示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００４８】
図２を参照することによる高圧発生／制御手段２２を実装する高圧発生／制御モジュール４０は、その入力部において高圧トランス２２０の二次側４０２を備える。二次側４０２の特定の出力を、整流し、フィルタした後、ＴＷＴのコレクタＣｉに直接送ることができる。各コレクタは、その専用の巻線のみならず、とりわけそのフィルタリングコンデンサに関連する。すべてのコレクタＣｉのために設けられるコンデンサの静電容量の合計を、等価静電容量Ｃｅｑｕｉｖとして図面に示す。また、整流ダイオードＤを、高圧トランス２２０の二次側４０２と直列に、かつ等価静電容量Ｃｅｑｕｉｖ枝路と並列に図面に示す。二次側４０２は、レギュレータ２２２によって駆動されるヘリックス電圧精度コントローラＶ３にも接続することができる。そのヘリックス電圧コントローラＶ３は、それ自体が例えばグラウンドに取り付けられる放散要素４０３に結合される。レギュレータ２２２は、ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨの設定によって駆動される。ヘリックス電圧精度コントローラＶ３は、バイポーラトランジスタによって形成することができ、そのバイポーラトランジスタのエミッタは、それ自体が抵抗によって形成可能な放散要素４０３に取り付けられる。バイポーラトランジスタのコレクタは、高圧トランス２２０の二次側４０２に取り付けられる。ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨの設定は、例えばツェナダイオードの電圧を適切な電圧調節手段によって調節することで行うことができる。
【００４９】
本発明は、例えば図３を参照することによる降圧型レギュレータ３０４によって一次電力変換器２０を制御することにより、フレキシビリティ範囲の一部を高圧トランス２２０の一次側４０１に直接移すことを提案する。実際に、レギュレータ２２２により最大範囲のフレキシビリティをヘリックス電圧に直接与えることは、ヘリックス電圧コントローラＶ３に高いストレスを負わせ、過度の放散を引き起こす。高圧コンポーネントは、アーク現象が原因で起こり得るバーストの任意のリスクを防ぐことを目的とする絶縁樹脂で通常囲まれることにここで気付くべきである。例えば、ヘリックス・カソード間電圧を非常に広い範囲にわたって制御しなければならない場合、放散すべき過度の熱エネルギ、そしてストレスをヘリックス電圧コントローラＶ３に負わせることになる。この問題は、高圧トランス２２０の一次側４０１における電圧を低下させる結果多少とも解決することができ、電圧を低下させることは、例えば降圧型レギュレータ３０４により、例えば一次電力変換器２０を調節することで達成することができる。一次電力変換器２０を調節することは、図３を参照することによる調節モジュール３０５により、より詳細には、例えばその電圧を適切な手段によって調節することができるツェナダイオードによって形成される基準電圧ＶＫＣｉ調節手段によって行うことができる。すなわち、降圧レギュレータ設定電圧ＶＫＣｉが一次側４０１に作用し、その後すべてのコレクタＣｉの電圧に、それらの専用巻線を介して作用する。
【００５０】
有利には、ヘリックス・カソード間電圧とコレクタ電圧との間の比ＶＫＨ／ＶＫＣｉが一定であることを条件として、ヘリックス直列レギュレータ２２２へのストレスレベルを減らしながら、高圧トランス２２０の出力電圧を同じ比率で変えることができる。ヘリックス・カソード間電圧とコレクタ電圧との間で一定比ＶＫＨ／ＶＫＣｉを保つことは、ＴＷＴの安定性を保証できるようにし、ＴＷＴがＫｕバンド内で動作する状態で、広範囲のヘリックス・カソード間電圧にわたる、例えば５０ボルトを上回る範囲にわたる動作についてとりわけ有利である。この比を一定に保つもう１つの利点は、動作の全範囲にわたりＴＷＴの出力（つまりＲＦ電力と消費電力との間の比）を本質的に一定に保てるようにすることにある。
【００５１】
図５は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器内に含まれるフレキシビリティ制御モジュールを示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００５２】
例示的実施形態では、図２を参照することにより以下に記載するフレキシビリティ制御手段２４を実装するフレキシビリティ制御モジュール５０は、データバスを介して制御データを受け取り、２つの２進ワードを出力するデコーダ２４０を含むことができる。入力される制御２進ワードはｎビットワードとすることができ、デコーダ２４０は、ヘリックス・カソード間基準電圧ＶＫＨ用のアナログ設定値を生成するために、第１の整形回路５０５に取り付けられる第１のＤＡＣ５０４に１つのＶＫＨ設定制御ワードを転送することができ、同時に、デコーダ２４０は、例えばガルバニ絶縁体５０３を介して第２のＤＡＣ５０６に１つのＶＫＣｉ設定制御ワードを発行することができ、第２のＤＡＣ５０６も同様に、降圧レギュレータ基準電圧ＶＫＣｉ用のアナログ設定値を生成する第２の整形回路５０７に取り付けられる。第１の整形回路５０５および第２の整形回路５０７は、例えば増幅器およびフィルタを備えることができる。
【００５３】
より具体的な例として、データバスは８ビットの制御ワードをデコーダ２４０に入力することができる。デコーダは、例えばその８ビットの制御ワードを第１のＤＡＣ５０４に転送し、例えばその８ビットワードのうちの４つの最上位ビットからなる４ビットワードを第２のＤＡＣ５０６に送ることができる。したがって、ヘリックス・カソード間基準電圧ＶＫＨに比べ、降圧型レギュレータの基準電圧は比例的にかつより低い分解能で設定される。
【００５４】
有利には、遷移段階（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｈａｓｅ）中のＴＷＴ２２６への任意のストレスを回避するために、ＥＰＣのスイッチを入れるとき、設定点をフレキシビリティ範囲の中央値に強制することができる。
【００５５】
例えば、ＥＰＣ３００は、ＴＷＴを効率的なものにしておきながら、衛星に搭載された通信データバスを介した遠隔コマンドにより、ヘリックス電圧の制御を８キロボルトまで行うとともに、５００ボルトから３５００ボルトに及ぶコレクタの高圧を同時に制御することができる。ヘリックス電圧は、例えば８ビットの制御ワードによって与えられる２．５ボルトより低い分解能で、公称動作点前後の０ボルトから５５０ボルトまでの範囲内でフレキシブルに設定することができる。公称設定動作点は、例えばＣバンド、Ｋｕバンド、Ｋａバンド等内の意図する用途によって要求される周波数帯域に応じて、典型的には２．５キロボルトから７．７キロボルトの間で変えることができることにここで気付くべきである。ヘリックス・カソード間電圧を調節するためのこうして得られる高分解能は、ＴＷＴの位相応答を、典型的には１ボルト当たり約１度程度精細に適応できるようにし、それ故に、出力されるＲＦ信号の位相を微調整する機会を与えることに気付くべきである。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ＴＷＴ
１２ 高周波入力部
１３ アノードゼロ
１４ 高周波出力部
１５ カソード
１７ 電子ビーム
１８ ヘリックス
１９コレクタ
２０ 一次電力制御手段
２２ 高圧発生／制御手段
２４ フレキシビリティ制御手段
４０ 高圧発生／制御モジュール
５０ フレキシビリティ制御モジュール
２００ 電力セル
２０２ 電流検出手段
２０４ 電流制御ループ
２０６ 電圧制御ループ
２０８ 電圧基準
２２０ 高圧トランス
２２２ レギュレータ
２２４ ヘリックス・カソード間電圧設定モジュール
２２６ 進行波管
２４０ デコーダ
２４２ 接地絶縁モジュール
２４４ ヘリックス・カソード間電圧基準
３００ ＥＰＣ
３０２ 入力フィルタ
３０４ 降圧型レギュレータ
３０５ 調節モジュール
３０６ インバータ
３０８ 高圧トランス
３１０ 高圧信号整形モジュール
３１２ ＴＷＴ
３１４ ＲＦ負荷
４０１ 一次側
４０２ 二次側
４０３ 放散要素
５０３ ガルバニ絶縁体
５０４ 第１のＤＡＣ
５０５ 第１の整形回路
５０６ 第２のＤＡＣ
５０７ 第２の整形回路
３０４１ スイッチングトランジスタ
３０４２ 還流ダイオード
３０４３ 抵抗器
３０４４ 降圧コイル
３０４５ 出力コンデンサ
３０５１ 専用ドライバ
３０５２ 比較器
３０５３ 鋸波信号
３０５４ 利得制御ブロック
３０５５ 逆電流制御ループ
３０５６ 電圧制御ループブロック
３０５７ 抵抗ブリッジ
３０５８ 抵抗ブリッジ
３０５９ グリッド抵抗器
Ｖ３ ヘリックス電圧精度コントローラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常に高効率のフレキシブルな進行波増幅器に関する。本発明は、とりわけ通信衛星に適用される。
【背景技術】
【０００２】
通信衛星は通常、プラットフォームとペイロードとを含み、後者はすべての機器、とりわけ高出力の高周波信号（本明細書では以下ＲＦ信号と呼ぶ）を生成し、地面に向けて伝送することを目的とするすべての装置を備える。高出力のＲＦ信号を伝送するために、様々な既知の技法が用いられている。
【０００３】
第１の技法は固体技術に基づき、一般にＳＳＰＡと呼ばれる固体電力増幅器を伴う。ＳＳＰＡは、通常要求されるＲＦ電力のレベルを管理する立場にないという欠点をとりわけ有する。
【０００４】
第２の技法は、本明細書では以下ＴＷＴＡと呼ぶ、進行波管増幅器を使用することに基づく。ＴＷＴＡは、本明細書では以下ＴＷＴと呼ぶ、進行波管をとりわけ備える。通信衛星ペイロードは、今日ではＴＷＴＡを広範に使用する。ＴＷＴＡは、高出力のＲＦ伝送チャネルを得るための著しく効率的な装置であり、非常に高レベルの伝送ＲＦ電力を管理できるようにする。しかし、ＴＷＴＡは真空管に基づく技術に依拠し、その技術は非常に厳密なチューニングを、製造段階だけでなく、電気的インターフェイスの精度に関しても要求する。ＴＷＴについては、図１を参照して以下により詳細に説明しており、基本的にはＲＦ入力部およびＲＦ出力部と、ヘリックスと、電子ビームを形成する電子を放出するカソード、その電子ビームを集束する「アノードゼロ」または「アノード０」と一般に呼ばれるアノードを含む電極と、複数のコレクタとを備える。
【０００５】
さらに、生産される各ＴＷＴＡは独自のものであり、伝送周波数、伝送電力レベル、および効率の点で、独自の用途のために最適化される。ひとたび設計され、製造され、ことによると最適化されると、ＴＷＴＡおよびその関連する制御機器は、衛星の組み立て、組み込みおよび試験、ならびにそれらが据え付けられる衛星の飛行中ミッションの間ずっと同じ方法で動作し続けなければならない。つまり、ひとたび通信衛星が組み立てられると、これらの機器は、これらの機器向けに設計された特定の条件の下で運転されなければならない。その上、ＴＷＴＡの効率性能は周波数に依拠する。したがって、同時に、複数のチャネルにより伝送することを目的とする衛星は、それと同数のＴＷＴＡを含まなければならず、費用、重量、および体積の点で関係する結果を伴う。また、１５年を超える典型的なミッション期間にわたり、１つのＴＷＴＡが通常１つの所与のチャネルにより伝送するように定めることは、ペイロードの設計およびＴＷＴＡの調達を非常に制約的にし、リスクマネジメントに関して厳しい制約を生じさせる。
【０００６】
広帯域ＴＷＴＡが従来技術で知られているが、既存の装置は、より狭いＲＦ帯域において最適化されるアナログＴＷＴＡに比べ、一般的に約２パーセントの効率低下をきたす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したすべての理由から、通信衛星ペイロード開発の非常に長期にわたり、かつ費用のかかる部分は、チャネルの数、周波数および電力の割当、プラットフォームに対する電力需要の最小化の点で、所与の信頼性要件の範囲内で最終的な顧客のニーズに対する技術的対処法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの狙いは、広帯域ＴＷＴＡのように幅広い周波数にわたり動作させることができながら、チューニングされた既知の狭帯域ＴＷＴＡの効率と同様の効率を示すＴＷＴＡを提案することにより、少なくとも上記に述べた欠点を軽減することである。
【０００９】
本発明の１つのさらなる利点は、ＴＷＴＡが、地上のみならず、衛星ミッションにわたる飛行中運転の間も容易に制御される能力を提供することである。
【００１０】
本発明の１つのさらなる利点は、記載する実施形態のうちの１つによるＴＷＴＡが、既存の任意の高圧電子回路に適応可能であり得る制御電子機器を使用することである。
【００１１】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明の実施形態に従うＴＷＴＡのうちで制御されるすべてのＴＷＴが広帯域にわたって動作可能なので、本発明が、所与の応用例について、搭載されたＴＷＴの冗長性（ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ）に頼るのを減らすことである。
【００１２】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明が、衛星ペイロードの寿命全体を通して、ペイロードの全体的な効率に影響を及ぼすことなく、ミッションプロファイル適応を可能にすることである。
【００１３】
本発明の１つのさらなる利点は、本発明が、特定の応用例において移相器専用ハードウェアを置換する機会を与える、位相のフレキシビリティを提供することである。
【００１４】
以下に挙げるすべての利点は、計画、重量、費用、および障害処理の最適化の点で利益を示す。
【００１５】
そのために本発明は、カソード、ヘリックス、ＲＦ入力部、ＲＦ出力部、および複数のコレクタＣｉを備える進行波管と、前記進行波管に電源および電極分極を与える電子電力調整器とを少なくとも備える進行波管増幅器であって、前記電子電力調整器が、ＴＷＴの動作周波数を最適な効率を示す決められた範囲内で調節できるようにするために、制御コマンドによりヘリックス・カソード間電圧を調節することを可能にするフレキシビリティ制御手段を備えることを特徴とする、進行波管増幅器を提案する。
【００１６】
本発明の例示的実施形態では、フレキシビリティ制御手段は、コレクタＣｉ電圧を調節するように構成することもでき、ヘリックス・カソード間電圧と、コレクタＣｉ電圧との間の比は一定のままである。
【００１７】
本発明の例示的実施形態では、制御コマンドはデータバスを介して送ることができる。
【００１８】
本発明の例示的実施形態では、電子電力調整器は、多段高圧トランスを含む高圧発生／制御手段を駆動する電力セルを含む一次制御手段を備えることができ、その多段高圧トランスの一次側は前記電力セルによって制御され、前記少なくとも１つのコレクタ、カソード、およびヘリックスによって要求される高圧を発生させ、前記フレキシビリティ制御手段は、電圧制御ループを駆動する電圧基準を調節するための手段を備え、前記電圧制御ループは、パルス幅変調により電力セルを駆動する。
【００１９】
本発明の例示的実施形態では、高圧発生／制御手段は、前記多段高圧トランスの二次側に取り付けられ、前記フレキシビリティ制御手段内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準に合わせて調節されるヘリックス・カソード間電圧を供給するレギュレータを備えることができる。
【００２０】
本発明の例示的実施形態では、フレキシビリティ制御手段は、前記制御コマンドから信号制御ワードを発行するデコーダをさらに備えることができ、前記ヘリックス・カソード間電圧基準は、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいてデコーダによって生成される２進出力ワードを変換する第１のデジタル−アナログ変換器を備えることができる。
【００２１】
本発明の例示的実施形態では、電圧基準を調節するための前記手段は、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいてデコーダによって生成される２進出力ワードを変換する、第２のデジタル−アナログ変換器を備えることができる。
【００２２】
本発明の例示的実施形態では、前記デコーダは、ヘリックス・カソード間電圧基準に向けてｎビットの出力ワードを生成し、データバスから受け取るｎビットの入力ワードに基づき、電圧基準を調節するための手段に向けてｎよりも小さいｍビットの出力ワードを生成することができる。
【００２３】
本発明の例示的実施形態では、電圧基準を調節するための手段に向けられる出力ワードのビット数ｍは、ＲＦ信号の位相を調節可能なように選択することができる。
【００２４】
本発明の例示的実施形態では、高圧発生／制御手段は、レギュレータによって駆動され、そのエミッタが放散要素を介してグラウンドに取り付けられる、バイポーラトランジスタによって形成されるヘリックス電圧精度コントローラにも接続される高圧トランスの二次側をその入力部において備える、高圧発生／制御モジュール内に実装することができる。
【００２５】
説明的かつ非限定的な例としてのみ与える、以下に示す好ましい実施形態の詳細な説明ならびに添付図面に照らし、本発明のこれらのおよび他の特徴ならびに利点をより明確にする。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来技術で知られている典型的なＴＷＴを示す透視図である。
【図２】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波管増幅器、すなわちＴＷＴＡ内に含まれる電子電力調整器つまりＥＰＣを示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波増幅器の一部であるＥＰＣを示す簡略化した電気回路図である。
【図４】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルなＴＷＴＡの一部であるＥＰＣの高圧ステージの一部を示す簡略化した電気回路図である。
【図５】本発明の例示的実施形態による、フレキシブルなＴＷＴＡ内に含まれるフレキシビリティ制御モジュールを示す簡略化した電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は、従来技術で知られている典型的なＴＷＴを示す透視図を提示する。ＴＷＴは、ＴＷＴＡ内に含まれる主要な要素の１つである。
【００２８】
ＴＷＴ１０は、基本的には高周波入力部１２および高周波出力部１４と、アノードゼロ１３によって集束／調節され、複数のコレクタ１９に至るまでヘリックス１８を通る電子ビーム１７を生成する電子銃を形成するカソード１５とを備える、細長い真空管である。
【００２９】
カソード１５は熱せられ、その端部の一方において電子を放出する。集束された電子ビーム１７としてその電子を含むように、実質的にヘリックス１８の周りに磁界を発生させる。電子ビームは、ヘリックス１８の中間軸（ｍｉｄｄｌｅ ａｘｉｓ）に沿って通過する。ヘリックス１８は、ＲＦ入力部１２からＲＦ出力部１４へと伸びている。電子ビーム１７は最終的にコレクタ１９に衝突している。ＲＦ信号が、電子ビーム１７の速度に近い速度でヘリックス１８に沿って進む。増幅効果は、ヘリックス１８内のＲＦ信号によって誘起される電磁界と、電子ビーム１７との間の量子現象による相互作用に起因する。エネルギに関してＴＷＴの発生量を改善する、つまり電子ビーム１７の終端において依然として入手可能なエネルギを再利用することを最適化するために、複数、典型的には４つまたは５つのコレクタ１９を用いることができる。
【００３０】
ＴＷＴＡは通常、本明細書では以下ＥＰＣと呼ぶ追加の電子電力調整器に関連するＴＷＴを備え、ＥＰＣの目的は、ＴＷＴに所要の電気的動作条件を供給することである。このＥＰＣは、通常はバスを介してエネルギを供給され、ＴＷＴの性能、つまり電力伝達の効率および安定性を保証できるようにする精度レベルで、ＴＷＴ内に含まれる電極のそれぞれに関して要求される電圧供給レベルを生成するＤＣ−ＤＣ変換器である。とりわけ、ヘリックス１８とカソード１５との間の高圧は、ＴＷＴの性能を決定するので十分に正確でなければならない。実際に、ヘリックス−カソード間電圧について言えば、数キロボルトに達する部類の電圧では１ボルト程度の精度が要求され、例えば、Ｋｕバンド内の応用例でのヘリックスとカソードとの間の所要電圧は、典型的には６キロボルトから７．５キロボルト程度である。前記電圧レベルの制御はＥＰＣによって管理される。
【００３１】
アノードゼロ１３または「アノード０」と呼ばれる電極は、カソード１５によって生成される電子ビーム１７を制御できるようにする。
【００３２】
ＴＷＴＡのある特定の種類は一般にＬＴＷＴＡと呼ばれ、「線形化ＴＷＴＡ」を意味する。ＬＴＷＴＡは、ＲＦ入力部１２とともにＲＦ信号レベルを調整し、特にＴＷＴによってもたらされるスプリアス非線形現象（ｓｐｕｒｉｏｕｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ）に対する補償を行うことを目指す追加の線形前置増幅器を備える。本明細書の以下に記載する本発明の実施形態は、とりわけ両方の種類のＴＷＴＡに適用することができる。
【００３３】
通常、従来技術で既に知られているＴＷＴでは、ＴＷＴの製造業者が、真空管のチューニングパラメータに従い、ＥＰＣに分極パラメータ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ）を指定する。特に、ヘリックス電圧は周波数動作点を固定する一方で、コレクタ電圧はＴＷＴの全体的な効率を最適化するようにチューニングされる。ＴＷＴＡの動作点が固定された途端、そのＴＷＴＡは、動作点がチューニングされた周波数とは別の周波数における安全かつ効率的な条件で動作することができなくなる。本発明は、予期される周波数偏位によって固定される範囲内にヘリックス電圧値を制御することとともに、効率の最適条件を維持するためにコレクタ電圧を関連して補正することにより、ＴＷＴＡにフレキシビリティを与えることを提案する。制御することは、例えばミッションに着手する前に地上で行うことができるが、衛星の飛行中ミッションの間中、遠隔的に、例えば衛星に搭載された通信データバスを介して行うこともできる。
【００３４】
最大範囲のフレキシビリティにわたりヘリックス電圧を制御することは、例えばＴＷＴの動作周波数を許容ＲＦ帯域の下部から上部に、またはその逆に移すことを可能にする一方で、その制御の分解能は、関連のある電圧変化に由来する、ＲＦ信号位相の小さな変化も与えられるようにする。したがって、提案するフレキシビリティはＴＷＴの出力位相を補正する機会も与え、出力位相を補正できることは、高価な移相装置に通常は頼る非常に正確な位相チューニングを並列化ＴＷＴＡが必要とする、頭字語ＭＰＡの形で一般に呼ばれるマルチポート増幅器において特に有用であり得る特徴である。ＭＰＡは、複数の並列化ＴＷＴＡによって生成される位相コヒーレント信号を追加することにより、より強力な信号を生成できるようにする。
【００３５】
本発明によれば、ＴＷＴの動作周波数の起こり得る変化に関係なく最適な効率を可能にするためにヘリックス・カソード間電圧を適応させることができ、増幅器の効率を最適に保つために、専用の制御機器により、ヘリックス・カソード間電圧を制御するのと同時にコレクタ電圧を制御することを提案する。
【００３６】
本発明は、ＴＷＴＡのＥＰＣ内に実装される適切な手段によって実現可能である。
【００３７】
図２は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな進行波管増幅器、すなわちＴＷＴＡ内に含まれる電子電力調整器つまりＥＰＣを示す機能ブロック図を提示する。
【００３８】
図面によって示す非限定的な例では、フレキシブルなＴＷＴＡが、高圧発生／制御手段２２を駆動し、かつフレキシビリティ制御手段２４とインターフェイスする、一次電力制御手段２０を備える。
【００３９】
この一次電力制御手段２０は、一次電力バスから一次電力を受電し、以下に記載する高圧トランス２２０の一次側の制御を保証する電力セル２００を備え、そのようにして例えば２つの入れ子型ループにより電力調節（ｐｏｗｅｒ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ）を管理し、１つの電流制御ループ２０４がパルス幅変調により電力セルを駆動し、その電流制御ループ２０４は、電流検出手段２０２および電圧制御ループ２０６によって駆動される。本発明の１つの特性は、調節可能な電圧基準２０８により電圧制御ループ２０６を駆動できることである。電圧基準２０８を調節するための手段は、フレキシビリティ制御手段２４内に含まれ、本明細書の以下でさらに説明する。一次電力制御手段２０は、高圧発生／制御手段２２を駆動する。図４を参照することにより、高圧発生／制御モジュールの例示的実施形態を本明細書の以下で説明する。
【００４０】
高圧発生／制御手段２２は、その入力レベルにおいて多段高圧トランス２２０を備える。多段高圧トランス２２０は、整流器およびフィルタをさらに備えることができる。多段高圧トランス２２０は、進行波管２２６によって要求される高圧を発生させ、とりわけこの多段高圧トランス２２０は、複数ｉのコレクタＣｉのために複数ｉの電圧を発生させることができ、その上この高圧トランス２２０は、不図示のレギュレータにより、放出される電力を調節できるようにする「アノード０」電極電圧Ａ０、およびことによると「アノード１」電極電圧Ａ１を発生させることもできる。本発明のもう１つの特性は、ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨを、多段高圧トランス２２０の二次側に取り付けられ、ヘリックス・カソード間電圧設定モジュール２２４によって駆動されるレギュレータ２２２を介して供給できることである。ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨ設定モジュール２２４は、フレキシビリティ制御手段２４内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準２４４に合わせて調節される。ヘリックス・カソード間電圧基準２４４は、例えばＤＡＣを含むことができ、その例示的実施形態を図５を参照して以下でさらに説明する。
【００４１】
フレキシビリティ制御手段２４は、データバスから２進ワードを受け取るｎビットデコーダ２４０をさらに備える。データバスは、例えば通信衛星に通常搭載されてある通信データバスとすることができる。デコーダ２４０は、ヘリックス・カソード間電圧基準２４４に向けてｎビットの２進ワード出力を生成するとともに、ｍビットのワード（ｍはｎよりも小さい）を、接地絶縁（ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）モジュール２４２を介して上述の電圧基準２０８に向けて生成することができる。
【００４２】
図３は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器の一部であるＥＰＣを示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００４３】
ＥＰＣ３００は、電圧ＶＢＵＳを示す衛星の電力バスとインターフェイスする入力フィルタ３０２を備える。この入力フィルタ３０２は、図２を参照して上記に記載した電力セル２００の一部を形成する降圧型レギュレータ３０４を介してインバータ３０６に結合する。降圧型レギュレータ３０４は、例えばスイッチングトランジスタ３０４１および還流ダイオード３０４２を含む降圧スイッチングセル、出力コンデンサ３０４５に関連する降圧コイル３０４４に基づく出力フィルタなど、典型的なコンポーネントを実装する。逆電流制御ループ３０５５のために、例えば抵抗器３０４３に基づく専用の電流測定を使用することができる。スイッチングトランジスタ３０４１および還流ダイオード３０４２によって形成される降圧型レギュレータの電力セルは、調節モジュール３０５内に含まれる専用の調節電子機器によって駆動することができる。調節モジュール３０５内で、調節ループからの制御信号を、例えばその信号を専用の鋸波信号３０５３と比較し、パルス幅変調コマンドを専用ドライバ３０５１を介し、次いでことによるとグリッド抵抗器３０５９を介して降圧トランジスタ３０４１グリッドに提供する、比較器３０５２によってデジタル化することができる。調節モジュール３０５は、図２を参照することにより以下に述べる入れ子型電圧制御ループ２０６、および電流制御ループ２０４を実装する。
【００４４】
モジュール３０５内に含まれる調節電子機器は、出力電圧ループによって駆動される逆電流制御ループ３０５５に基づくことができる。電圧ループは、降圧出力電圧の測定値を提供する抵抗ブリッジ３０５７、３０５８を含むことができ、その測定値は、例えば電圧制御ループブロック３０５６内に含まれる誤差増幅器によって設定電圧ＶＫＣｉと比較することができる。電圧制御ループの利得は、専用の利得制御ブロックＫＶ３０５４によって制御することができる。電流制御ループ用の基準として、電圧制御ループの出力信号を使用することができる。電圧制御ループ内に含まれるツェナダイオードＶｌｉｍｉｔは、電圧制御ループの信号出力の十分なクランプを行い、その結果、電流制御ループによって許容される最大値を固定することができる。
【００４５】
本発明のある特性によれば、調節モジュール３０５は、電圧制御調節手段３０５６をさらに含むことができ、その動作を、図５を参照することにより以下に詳しく説明する。
【００４６】
インバータ３０６は、図２を参照して以下に述べる多段高圧トランス２２０を形成する、または多段高圧トランス２２０の一部である高圧トランス３０８に取り付けられる。高圧トランス３０８には高圧信号整形モジュール３１０が取り付けられ、ＴＷＴ３１２によって要求される高い直流電圧を提供することを目指す。この高圧信号整形モジュール３１０は、例えば高圧コンデンサやブリッジダイオードを含むことができる。ＴＷＴ３１２は、ＲＦ信号入力部を備え、出力ＲＦ信号をＲＦ負荷３１４に出力する。
【００４７】
図４は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器の一部であるＥＰＣの高圧ステージの一部を示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００４８】
図２を参照することによる高圧発生／制御手段２２を実装する高圧発生／制御モジュール４０は、その入力部において高圧トランス２２０の二次側４０２を備える。二次側４０２の特定の出力を、整流し、フィルタした後、ＴＷＴのコレクタＣｉに直接送ることができる。各コレクタは、その専用の巻線のみならず、とりわけそのフィルタリングコンデンサに関連する。すべてのコレクタＣｉのために設けられるコンデンサの静電容量の合計を、等価静電容量Ｃｅｑｕｉｖとして図面に示す。また、整流ダイオードＤを、高圧トランス２２０の二次側４０２と直列に、かつ等価静電容量Ｃｅｑｕｉｖ枝路と並列に図面に示す。二次側４０２は、レギュレータ２２２によって駆動されるヘリックス電圧精度コントローラＶ３にも接続することができる。そのヘリックス電圧コントローラＶ３は、それ自体が例えばグラウンドに取り付けられる放散要素４０３に結合される。レギュレータ２２２は、ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨの設定によって駆動される。ヘリックス電圧精度コントローラＶ３は、バイポーラトランジスタによって形成することができ、そのバイポーラトランジスタのエミッタは、それ自体が抵抗によって形成可能な放散要素４０３に取り付けられる。バイポーラトランジスタのコレクタは、高圧トランス２２０の二次側４０２に取り付けられる。ヘリックス・カソード間電圧ＶＫＨの設定は、例えばツェナダイオードの電圧を適切な電圧調節手段によって調節することで行うことができる。
【００４９】
本発明は、例えば図３を参照することによる降圧型レギュレータ３０４によって一次電力変換器２０を制御することにより、フレキシビリティ範囲の一部を高圧トランス２２０の一次側４０１に直接移すことを提案する。実際に、レギュレータ２２２により最大範囲のフレキシビリティをヘリックス電圧に直接与えることは、ヘリックス電圧コントローラＶ３に高いストレスを負わせ、過度の放散を引き起こす。高圧コンポーネントは、アーク現象が原因で起こり得るバーストの任意のリスクを防ぐことを目的とする絶縁樹脂で通常囲まれることにここで気付くべきである。例えば、ヘリックス・カソード間電圧を非常に広い範囲にわたって制御しなければならない場合、放散すべき過度の熱エネルギ、そしてストレスをヘリックス電圧コントローラＶ３に負わせることになる。この問題は、高圧トランス２２０の一次側４０１における電圧を低下させる結果多少とも解決することができ、電圧を低下させることは、例えば降圧型レギュレータ３０４により、例えば一次電力変換器２０を調節することで達成することができる。一次電力変換器２０を調節することは、図３を参照することによる調節モジュール３０５により、より詳細には、例えばその電圧を適切な手段によって調節することができるツェナダイオードによって形成される基準電圧ＶＫＣｉ調節手段によって行うことができる。すなわち、降圧レギュレータ設定電圧ＶＫＣｉが一次側４０１に作用し、その後すべてのコレクタＣｉの電圧に、それらの専用巻線を介して作用する。
【００５０】
有利には、ヘリックス・カソード間電圧とコレクタ電圧との間の比ＶＫＨ／ＶＫＣｉが一定であることを条件として、ヘリックス直列レギュレータ２２２へのストレスレベルを減らしながら、高圧トランス２２０の出力電圧を同じ比率で変えることができる。ヘリックス・カソード間電圧とコレクタ電圧との間で一定比ＶＫＨ／ＶＫＣｉを保つことは、ＴＷＴの安定性を保証できるようにし、ＴＷＴがＫｕバンド内で動作する状態で、広範囲のヘリックス・カソード間電圧にわたる、例えば５０ボルトを上回る範囲にわたる動作についてとりわけ有利である。この比を一定に保つもう１つの利点は、動作の全範囲にわたりＴＷＴの出力（つまりＲＦ電力と消費電力との間の比）を本質的に一定に保てるようにすることにある。
【００５１】
図５は、本発明の例示的実施形態による、フレキシブルな線形化進行波増幅器内に含まれるフレキシビリティ制御モジュールを示す簡略化した電気回路図を提示する。
【００５２】
例示的実施形態では、図２を参照することにより以下に記載するフレキシビリティ制御手段２４を実装するフレキシビリティ制御モジュール５０は、データバスを介して制御データを受け取り、２つの２進ワードを出力するデコーダ２４０を含むことができる。入力される制御２進ワードはｎビットワードとすることができ、デコーダ２４０は、ヘリックス・カソード間基準電圧ＶＫＨ用のアナログ設定値を生成するために、第１の整形回路５０５に取り付けられる第１のＤＡＣ５０４に１つのＶＫＨ設定制御ワードを転送することができ、同時に、デコーダ２４０は、例えばガルバニ絶縁体５０３を介して第２のＤＡＣ５０６に１つのＶＫＣｉ設定制御ワードを発行することができ、第２のＤＡＣ５０６も同様に、降圧レギュレータ基準電圧ＶＫＣｉ用のアナログ設定値を生成する第２の整形回路５０７に取り付けられる。第１の整形回路５０５および第２の整形回路５０７は、例えば増幅器およびフィルタを備えることができる。
【００５３】
より具体的な例として、データバスは８ビットの制御ワードをデコーダ２４０に入力することができる。デコーダは、例えばその８ビットの制御ワードを第１のＤＡＣ５０４に転送し、例えばその８ビットワードのうちの４つの最上位ビットからなる４ビットワードを第２のＤＡＣ５０６に送ることができる。したがって、ヘリックス・カソード間基準電圧ＶＫＨに比べ、降圧型レギュレータの基準電圧は比例的にかつより低い分解能で設定される。
【００５４】
有利には、遷移段階（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｈａｓｅ）中のＴＷＴ２２６への任意のストレスを回避するために、ＥＰＣのスイッチを入れるとき、設定点をフレキシビリティ範囲の中央値に強制することができる。
【００５５】
例えば、ＥＰＣ３００は、ＴＷＴを効率的なものにしておきながら、衛星に搭載された通信データバスを介した遠隔コマンドにより、ヘリックス電圧の制御を８キロボルトまで行うとともに、５００ボルトから３５００ボルトに及ぶコレクタの高圧を同時に制御することができる。ヘリックス電圧は、例えば８ビットの制御ワードによって与えられる２．５ボルトより低い分解能で、公称動作点前後の０ボルトから５５０ボルトまでの範囲内でフレキシブルに設定することができる。公称設定動作点は、例えばＣバンド、Ｋｕバンド、Ｋａバンド等内の意図する用途によって要求される周波数帯域に応じて、典型的には２．５キロボルトから７．７キロボルトの間で変えることができることにここで気付くべきである。ヘリックス・カソード間電圧を調節するためのこうして得られる高分解能は、ＴＷＴの位相応答を、典型的には１ボルト当たり約１度程度精細に適応できるようにし、それ故に、出力されるＲＦ信号の位相を微調整する機会を与えることに気付くべきである。
【符号の説明】
【００５６】
１０ ＴＷＴ
１２ 高周波入力部
１３ アノードゼロ
１４ 高周波出力部
１５ カソード
１７ 電子ビーム
１８ ヘリックス
１９コレクタ
２０ 一次電力制御手段
２２ 高圧発生／制御手段
２４ フレキシビリティ制御手段
４０ 高圧発生／制御モジュール
５０ フレキシビリティ制御モジュール
２００ 電力セル
２０２ 電流検出手段
２０４ 電流制御ループ
２０６ 電圧制御ループ
２０８ 電圧基準
２２０ 高圧トランス
２２２ レギュレータ
２２４ ヘリックス・カソード間電圧設定モジュール
２２６ 進行波管
２４０ デコーダ
２４２ 接地絶縁モジュール
２４４ ヘリックス・カソード間電圧基準
３００ ＥＰＣ
３０２ 入力フィルタ
３０４ 降圧型レギュレータ
３０５ 調節モジュール
３０６ インバータ
３０８ 高圧トランス
３１０ 高圧信号整形モジュール
３１２ ＴＷＴ
３１４ ＲＦ負荷
４０１ 一次側
４０２ 二次側
４０３ 放散要素
５０３ ガルバニ絶縁体
５０４ 第１のＤＡＣ
５０５ 第１の整形回路
５０６ 第２のＤＡＣ
５０７ 第２の整形回路
３０４１ スイッチングトランジスタ
３０４２ 還流ダイオード
３０４３ 抵抗器
３０４４ 降圧コイル
３０４５ 出力コンデンサ
３０５１ 専用ドライバ
３０５２ 比較器
３０５３ 鋸波信号
３０５４ 利得制御ブロック
３０５５ 逆電流制御ループ
３０５６ 電圧制御ループブロック
３０５７ 抵抗ブリッジ
３０５８ 抵抗ブリッジ
３０５９ グリッド抵抗器
Ｖ３ ヘリックス電圧精度コントローラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード（１５）、ヘリックス（１８）、ＲＦ入力部（１２）、ＲＦ出力部（１４）、および複数のコレクタＣｉ（１９）を備える進行波管（１０、２２６）と、
前記進行波管（１０、２２６）に電源および電極分極を与える電子電力調整器（３００）と
を少なくとも備える進行波管増幅器であって、
前記電子電力調整器（３００）が、前記進行波管（１０、２２６）の動作周波数範囲を調節できるようにするために、制御コマンドにより前記ヘリックス・カソード間電圧を調節するフレキシビリティ制御手段（２４）を備えることを特徴とする、
進行波管増幅器。
【請求項２】
前記フレキシビリティ制御手段は、コレクタＣｉ電圧を調節するようにも構成され、前記ヘリックス・カソード間電圧と、コレクタＣｉ電圧との間の比は一定のままである、請求項１に記載の進行波管増幅器。
【請求項３】
前記制御コマンドがデータバスを介して送られる、請求項１または２のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項４】
前記電子電力調整器（３００）が、多段高圧トランス（２２０）を含む高圧発生／制御手段（２２）を駆動する電力セル（２００）を含む一次制御手段（２０）を備え、前記多段高圧トランスの一次側は前記電力セル（２００）によって制御され、前記少なくとも１つのコレクタ（１９）、カソード（１５）、およびヘリックス（１８）によって要求される高圧を発生させ、前記フレキシビリティ制御手段（２４）は、電圧制御ループ（２０６）を駆動する電圧基準（２０８）を調節するための手段を備え、前記電圧制御ループ（２０６）は、パルス幅変調により前記電力セル（２００）を駆動する、請求項１から３のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項５】
前記高圧発生／制御手段（２２）が、前記多段高圧トランス（２２０）の二次側（４０２）に取り付けられ、前記フレキシビリティ制御手段（２４）内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）に合わせて調節されるヘリックス・カソード間電圧（ＶＫＨ）を供給するレギュレータ（２２２）を備える、請求項４に記載の進行波管増幅器。
【請求項６】
フレキシビリティ制御手段（２４）が、前記制御コマンドから信号制御ワードを発行するデコーダ（２４０）をさらに備え、前記ヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）が、前記デコーダ（２４０）によって生成される２進出力ワードを、前記ヘリックス・カソード間電圧（ＶＫＨ）を制御するアナログ信号へと変換する第１のデジタル−アナログ変換器（５０４）を備える、請求項５に記載の進行波管増幅器。
【請求項７】
前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段が、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいて前記デコーダ（２４０）によって生成される２進出力ワードを変換する、第２のデジタル−アナログ変換器（５０６）を備える、請求項４に記載の進行波管増幅器。
【請求項８】
前記デコーダ（２４０）が、前記ヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）に向けてｎビットの出力ワードを生成し、前記データバスから受け取るｎビットの入力ワードに基づき、前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段に向けてｎよりも小さいｍビットの出力ワードを生成する、請求項６または７のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項９】
前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段に向けられる前記出力ワードのビット数ｍは、ＲＦ信号の位相を調節可能なように選択される、請求項８に記載の進行波管増幅器。
【請求項１０】
高圧発生／制御手段（２２）が、前記レギュレータ（２２２）によって駆動され、そのエミッタが放散要素（４０３）を介してグラウンドに取り付けられる、バイポーラトランジスタによって形成されるヘリックス電圧精度コントローラ（Ｖ３）にも接続される前記高圧トランス（２２０）の前記二次側（４０２）をその入力部において備える、高圧発生／制御モジュール（４０）内に実装される、請求項５から９のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項１】
カソード（１５）、ヘリックス（１８）、ＲＦ入力部（１２）、ＲＦ出力部（１４）、および複数のコレクタＣｉ（１９）を備える進行波管（１０、２２６）と、
前記進行波管（１０、２２６）に電源および電極分極を与える電子電力調整器（３００）と
を少なくとも備える進行波管増幅器であって、
前記電子電力調整器（３００）が、前記進行波管（１０、２２６）の動作周波数範囲を調節できるようにするために、制御コマンドにより前記ヘリックス・カソード間電圧を調節するフレキシビリティ制御手段（２４）を備えることを特徴とする、
進行波管増幅器。
【請求項２】
前記フレキシビリティ制御手段は、コレクタＣｉ電圧を調節するようにも構成され、前記ヘリックス・カソード間電圧と、コレクタＣｉ電圧との間の比は一定のままである、請求項１に記載の進行波管増幅器。
【請求項３】
前記制御コマンドがデータバスを介して送られる、請求項１または２のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項４】
前記電子電力調整器（３００）が、多段高圧トランス（２２０）を含む高圧発生／制御手段（２２）を駆動する電力セル（２００）を含む一次制御手段（２０）を備え、前記多段高圧トランスの一次側は前記電力セル（２００）によって制御され、前記少なくとも１つのコレクタ（１９）、カソード（１５）、およびヘリックス（１８）によって要求される高圧を発生させ、前記フレキシビリティ制御手段（２４）は、電圧制御ループ（２０６）を駆動する電圧基準（２０８）を調節するための手段を備え、前記電圧制御ループ（２０６）は、パルス幅変調により前記電力セル（２００）を駆動する、請求項１から３のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項５】
前記高圧発生／制御手段（２２）が、前記多段高圧トランス（２２０）の二次側（４０２）に取り付けられ、前記フレキシビリティ制御手段（２４）内に含まれるヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）に合わせて調節されるヘリックス・カソード間電圧（ＶＫＨ）を供給するレギュレータ（２２２）を備える、請求項４に記載の進行波管増幅器。
【請求項６】
フレキシビリティ制御手段（２４）が、前記制御コマンドから信号制御ワードを発行するデコーダ（２４０）をさらに備え、前記ヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）が、前記デコーダ（２４０）によって生成される２進出力ワードを、前記ヘリックス・カソード間電圧（ＶＫＨ）を制御するアナログ信号へと変換する第１のデジタル−アナログ変換器（５０４）を備える、請求項５に記載の進行波管増幅器。
【請求項７】
前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段が、前記データバスを介して送られる入力２進ワードに基づいて前記デコーダ（２４０）によって生成される２進出力ワードを変換する、第２のデジタル−アナログ変換器（５０６）を備える、請求項４に記載の進行波管増幅器。
【請求項８】
前記デコーダ（２４０）が、前記ヘリックス・カソード間電圧基準（２４４）に向けてｎビットの出力ワードを生成し、前記データバスから受け取るｎビットの入力ワードに基づき、前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段に向けてｎよりも小さいｍビットの出力ワードを生成する、請求項６または７のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【請求項９】
前記電圧基準（２０８）を調節するための前記手段に向けられる前記出力ワードのビット数ｍは、ＲＦ信号の位相を調節可能なように選択される、請求項８に記載の進行波管増幅器。
【請求項１０】
高圧発生／制御手段（２２）が、前記レギュレータ（２２２）によって駆動され、そのエミッタが放散要素（４０３）を介してグラウンドに取り付けられる、バイポーラトランジスタによって形成されるヘリックス電圧精度コントローラ（Ｖ３）にも接続される前記高圧トランス（２２０）の前記二次側（４０２）をその入力部において備える、高圧発生／制御モジュール（４０）内に実装される、請求項５から９のいずれかに記載の進行波管増幅器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−９４５１７（Ｐ２０１２−９４５１７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２３２９２７（Ｐ２０１１−２３２９２７）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（５０５１５７４８５）テールズ (231)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２９２７（Ｐ２０１１−２３２９２７）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（５０５１５７４８５）テールズ (231)
【Ｆターム（参考）】
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