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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5796069
(24)【登録日】2015年8月21日
(45)【発行日】2015年10月21日
(54)【発明の名称】高周波発振器の発振周波数の可変方法
(51)【国際特許分類】
H01J 23/20 20060101AFI20151001BHJP
【ＦＩ】
H01J23/20 B
【請求項の数】4
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2013-521369(P2013-521369)
(86)(22)【出願日】2011年6月22日
(86)【国際出願番号】JP2011064284
(87)【国際公開番号】WO2012176293
(87)【国際公開日】20121227
【審査請求日】2014年4月2日
(73)【特許権者】
【識別番号】000191238
【氏名又は名称】新日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001896
【氏名又は名称】特許業務法人朝日奈特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100098464
【弁理士】
【氏名又は名称】河村 洌
(74)【代理人】
【識別番号】100149630
【弁理士】
【氏名又は名称】藤森 洋介
(74)【代理人】
【識別番号】100179257
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 勝利
(72)【発明者】
【氏名】小畑 英幸
【審査官】
桐畑 幸▲廣▼
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１１−０６０５９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−２７７３７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０００−００３６７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第０３８８２４１９（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｊ ２３／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
空胴共振器を有する高周波発振器の発振周波数の可変方法であって、該高周波発振器の空胴共振器と電磁界的に結合した状態でスイッチ素子を配置し、該スイッチ素子の一方の電極にバイアス電圧印加端子を接続し、前記スイッチ素子の他方の電極を前記空胴共振器と電気的に接続すると共に、前記スイッチ素子のいずれかの電極に該スイッチ素子を通して伝送される高周波を反射させる大きさの金属板を設け、前記スイッチ素子にバイアス電圧を印加して、該バイアス電圧を変化させることにより、前記スイッチ素子のリアクタンスを変化させて前記空胴共振器の共振周波数を変化させることを特徴とする高周波発振器の発振周波数の可変方法。
【請求項2】
前記高周波発振器が、真空外囲器の内部に前記空胴共振器が形成される電子管であり、該真空外囲器の壁面の一部に形成される貫通孔または前記空胴共振器と電磁界的に結合した線状導体を介して、前記真空外囲器の外側に導き出される電磁界と結合するように前記スイッチ素子が設けられてなる請求項１記載の高周波発振器の発振周波数の可変方法。
【請求項3】
前記スイッチ素子および該スイッチ素子に接続される導体の少なくとも一部を被覆するように金属からなる筐体が、前記スイッチ素子および該スイッチ素子と接続される導体と接触しないように設けられ、前記金属板の前記スイッチ素子と接触する面と反対面、および該反対面と対向する前記筐体の端面の間隔が発振波長の１／４より小さい間隔に形成されてなる請求項２記載の高周波発振器の発振周波数の可変方法。
【請求項4】
前記金属板の前記スイッチ素子と反対側の面と、前記筐体の端面との間に誘電体板が挿入されてなる請求項３記載の高周波発振器の発振周波数の可変方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ波などの高周波を発振する電子管や固体発振器などの高周波発振器の発振周波数の可変方法に関し、特に簡単な構造で、発振周波数を外部からの電気信号により変化させることができるマグネトロンなどの高周波発振器の発振周波数の可変方法に関する。【背景技術】
【0002】
図８に、電子管の１種であるマグネトロンにおいて、外部からのバイアス電圧によりスイッチ素子のリアクタンスを変化させてマグネトロンの発振周波数を変化させるための基本構造を示す（例えば特許文献１参照）。マグネトロンは、中心にカソード１が配置され、その外側にカソード１と同心状にアノードが設けられ、アノードは円筒状のアノードシェル２と、その内部空間を周方向にて複数個に分割するように、アノードシェル２の内壁からカソード１に向かって延びる複数個のアノードベーン３と、そのアノードベーン３を１個おきに連結するストラップ４とで構成されている。このアノードは、カソード１に対して正の電極となると同時に、発振周波数を決定づける共振器としての役割を果たし、アノードベーンで仕切られた小空胴が発振周波数に近い周波数で共振する共振空胴を形成している。【0003】
ストラップ４は、マグネトロンのπモード発振が最も安定となるように設けられているもので、線状の金属導体が用いられ、上記のように複数個に分割した共振空胴の仕切りとしてのアノードベーン３が１つ置きに接続されている。このような構造のマグネトロンでは、その発振周波数は共振空胴のリアクタンスと、ストラップ４によって構成されるリアクタンスによって決定されることになる。加えて、図８のマグネトロンの構成では外部からバイアス電圧を印加してマグネトロンの共振周波数を変化させるため、共振空胴の壁面であるアノードシェル２に貫通孔１１が形成され、この貫通孔１１の外側を塞ぎ、共振空胴（マグネトロン管球）の真空が維持される（気密状態となる）ように、低誘電体損失材料、例えばセラミックまたはガラス等からなる窓１２が設けられ、この窓１２の外側に、金属製のロッド（棒状金属）１４が窓１２前面の一部を塞ぐように配置されている。このロッド１４の一端は、絶縁体１５を介して電気的絶縁をとった状態でアノードシェル２に支持体（金属）１６ａで支持され、バイアス電圧を加える端子１４Ｔとしても機能する。更に、ロッド１４の他端に、ＰＩＮダイオードからなるスイッチ素子１８の一端が接続され、このスイッチ素子１８の他端は、支持体（金属）１６ｂによりアノードシェル２に電気的に接続（短絡）されている。共振空胴の電界は、貫通孔１１および窓１２を通じて外部に張り出すことになる。通常、バイアス電流が流れていないときは、スイッチ素子１８がオフされ、ロッド１４がアノードシェル２の電位から浮いているために張り出した電界が阻止されず、共振周波数は本来の共振空胴の周波数より高い周波数となる。即ち、管球であるアノードシェル２内のリアクタンスに対し管球外部のリアクタンスが作用していることになる。【0004】
次に、バイアス電流を流し、スイッチ素子１８をオンするためにアノードシェル２と端子１４Ｔ間にバイアス電圧を印加すると、ロッド１４がアノードシェル２に高周波的に短絡し、スイッチ素子１８およびロッド１４は、バイアス電流の増大と共にＲＦ抵抗を高めながら、窓１２からの電界の張出しを阻止する。この結果、発振周波数はバイアス電流の増大と共に低下することになる。従来の一つの方法として、マグネトロンの主共振空胴に別の共振器を結合させ、この別の共振器のリアクタンスを変え、複合した共振空胴の共振周波数を変化させるものがあるが、本発明の構成は、別の共振器を結合させて共振周波数を変化させるのではなく、別の共振器を設けずに、共振空胴から張り出す電界（窓１２の部分の結合度）を変化させることで、単一である共振空胴自体の共振周波数を変化させることになる。【0005】
図９に、電子管の１種であるマグネトロンにおいて、外部からのバイアス電圧によりスイッチ素子のリアクタンスを変化させてマグネトロンの発振周波数を変化させるための他の基本構造を示す（例えば特許文献２参照）。マグネトロン本体の構造は、図８と同様であり、カソード１、アノードシェル２、アノードベーン３、および、ストラップ４を有する。貫通孔１１を介して同軸中心導体１７を、アノードシェル２を介して共振空胴内に挿入したものである。アノードシェル２の壁面に形成された貫通孔１１の外側に、この貫通孔１１を塞ぐ誘電体部２５が設けられている。そして、この誘電体部２５は、例えばセラミックまたはガラス等の誘電体からなり、マグネトロン管球の真空を保持する状態で取り付けられている。【0006】
そして、このアノードシェル２内において、同軸中心導体１７の端部は、アノードベーン３等のアノード構造の一部に接続され共振空胴内のリアクタンスと結合し誘電体部２５を貫通して外部に導き出し、外部導体３４を介してスイッチ素子１８に接続される。すなわち、誘電体部２５は同軸中心導体１７とアノードシェル２との間に介挿され、同軸構造の絶縁用誘電体の役割を果たしている。このスイッチ素子１８の他端には、バイアス電圧が印加されることになる。つまり、バイアスのもう一方の端子は、アノードシェル２と直流的に同電位の点とすることによりバイアス電流は、スイッチ素子１８、外部導体３４、同軸中心導体１７、アノードベーン３、アノードシェル２の順で直流的に流れる。なお、スイッチ素子１８にＰＩＮダイオードを用いる場合極性があるため電流の方向が決まるが、スイッチ素子１８を取付ける方向により、その極性に合せてバイアス電圧を印加する。またスイッチ素子１８をバラクタダイオードに置き換えた場合、バイアス電圧を印加することによるリアクタンス変化が大きくなることから、バイアス方向を逆にした方が、広い範囲で発振周波数を可変にすることができる。【0007】
以上のように外部からバイアス電圧をスイッチ素子１８に印加することによりスイッチ素子１８のリアクタンスを変化させ高周波的に結合したマグネトロンの空胴共振周波数に影響を与えて発振周波数を可変させる電子同調マグネトロンが知られている。【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２００９−２７７３７９号公報
【特許文献2】特開２０１１−０６０５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
以上のように、上記特許文献１および、特許文献２には、電子同調マグネトロンを具現させるための原理が示されている。ただし、バイアス印加時の発振周波数の変化範囲が狭くスイッチ素子の特性範囲が限定される欠点があった。また、発振出力の安定性は、スイッチ素子特性や、接触あるいは搭載精度等の搭載構造に顕著に影響されるという欠点があった。つまり、スイッチ素子のバイアス電圧に対するインピーダンス変化が、リアクタンスのみでなくレジスタンスを大きく変化させる場合、発振出力のレベルが大きく変化してしまうという問題があった。【0010】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチ素子の広い範囲のインピーダンス特性に対して安定した出力でマグネトロンなどの発振を行い、所望する発振周波数をバイアス電圧により変化させることができる方法を提供する。【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の高周波発振器の発振周波数の可変方法は、空胴共振器を有する高周波発振器の発振周波数の可変方法であって、該高周波発振器の空胴共振器と電磁界的に結合した状態でスイッチ素子を配置し、該スイッチ素子の一方の電極にバイアス電圧印加端子を接続し、前記スイッチ素子の他方の電極を前記空胴共振器と電気的に接続すると共に、前記スイッチ素子のいずれかの端部に該スイッチ素子を通して伝送される高周波を反射させる大きさの金属板を設け、前記スイッチ素子にバイアス電圧を印加して、該バイアス電圧を変化させることにより、前記スイッチ素子のリアクタンスを変化させて前記空胴共振器の共振周波数を変化させることを特徴とする。【0012】
ここに高周波的に反射させるとは、直流的には接続されていても、高周波電界が反射する状態であることを意味する。【0013】
前記高周波発振器が、真空外囲器の内部に前記空胴共振器が形成される電子管であり、該真空外囲器の壁面の一部に形成される貫通孔または前記空胴共振器と電磁界的に結合した線状導体を介して、前記真空外囲器の外側に導き出される電磁界と結合するように前記スイッチ素子が設けられる構造にすることができる。【0014】
ここに電磁界的に結合とは、空間に張り出す電磁界と高周波的に結合することのみならず、導体で直接接続されて高周波電流が流れる状態をも含む意味である。【0015】
前記スイッチ素子および該スイッチ素子に接続される導体の少なくとも一部を被覆するように金属からなる筐体が、前記スイッチ素子および該スイッチ素子と接続される導体と接触しないように設けられ、前記金属板の前記スイッチ素子と接触する面と反対面、および該反対面と対向する前記筐体の端面の間隔が発振波長の１／４より小さい間隔に形成されていることにより、周波数の可変量を大きくすることができる。すなわち、一般的には、金属板と終端との距離は、発振波長λの１／４の間隔にすることが電界の最大となるため好ましく、λ／４の距離に設定されるのであるが、金属板を含む特性インピーダンス等の種々検討の結果、λ／４より小さく、具体的にはλ／６以下、λ／１５以上にすることにより、同じバイアス電圧の変化に対して最も発振周波数変化を大きくできることを見出した。また、スイッチ素子特性や接触、その配置精度による影響を軽減できることを見出した。【0016】
ここに導体とは、金属板以外にも、後述する接続電極端子、外部導体、同軸中心導体など種々の導電性部材を含むものを意味する。【0017】
前記金属板の前記スイッチ素子と反対側の面と、前記筐体の端面との間に誘電体板が挿入されることにより、金属板と筐体端面との間隔を一定にすることができるため、バイアス電圧による発振出力の変動を抑えることができるため好ましい。【発明の効果】
【0018】
本発明の高周波発振器の発振周波数の可変方法によれば、可動部を持つ機械式手段によらず、簡単な構造で、外部からの電気信号により所望の周波数の高出カマイクロ波を極めて速いレスポンスで得ることができる。また、スイッチ素子を管球内部などの空胴共振器内に配置することなく、広い可変範囲の発振周波数を得ることができ、生産性を阻害することもなく、低価格で信頼性の高いマグネトロンなどの電子管を得ることができるという効果がある。また、マグネトロンの周波数ドリフトヘの対策、混信防上のための周波数選択が容易となり、パルス発振出力に変調をかけることにより低いピーク出力で多くの圧縮情報を含ませることができるので、レーダーの探知性能は、格段に向上することになる。さらに、長いパルス幅の信号を利用し、パルス圧縮が可能となるので、近距離も含めた探知距離分解能を向上させることができると同時に占有周波数帯域幅の狭小化等が可能になるという効果もある。【0019】
さらに、本発明によれば、スイッチ素子の接触や搭載位置に対する影響を軽減できることから、生産時の周波数調整を簡素化することが可能となり、コストダウンに寄与するという効果がある。【0020】
その結果、周波数を外部からの信号で自由に広い範囲で可変して使用できるマイクロ波の発振源を供給できることになり、マグネトロンなどの周波数ドリフトヘの対策、混信防止のための周波数選択が容易になるという利点がある。また、速いレスポンスで周波数変化が行えれば、パルス内の周波数変化が行えることになり、変調波を発振することができる。それにより信号に含まれる情報量が大幅に増大し、レーダーの探知性能は格段に向上する。【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の発振周波数を可変する方法の一実施形態を説明するためのマグネトロンの構成を示す斜視説明図である。
【図2】本発明の発振周波数を可変する方法の他の実施形態を説明するためのマグネトロンの構成を示す斜視説明図である。
【図3】本発明の発振周波数を可変する方法のさらに他の実施形態を説明するためのマグネトロンの構成を示す断面説明図である。
【図4】本発明の発振周波数を可変する方法のさらに他の実施形態を説明するためのマグネトロンの構成を示す断面説明図である。
【図8】従来の電子同調マグネトロンの構成を示す図である。
【図9】従来の電子同調マグネトロンの他の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
図１に、本発明による外部からのバイアス電圧印加により発振周波数を変化させる方法の一実施形態を説明する図がマグネトロンの例で示されている。前述の図８に示される従来のマグネトロンの構造と比較すると、金属板（接触板）２２が、スイッチ素子１８の端部に設けられている点で相違している。すなわち、本発明の高周波発振器の発振周波数の可変方法は、高周波発振器の空胴共振器と電磁界的に結合した状態（空胴共振器から空中を伝播する電磁界、または空胴共振器と電磁界により結合するループを介した導電線もしくは空胴共振器に直接接続した導電線を介して空胴共振器から外部に導出された状態を含む、以下同じ）でスイッチ素子１８を配置し、スイッチ素子１８の一方の電極にバイアス電圧印加端子１４Ｔを接続し、スイッチ素子１８の他方の電極を空胴共振器（図１に示される例ではアノードシェル２）と電気的に接続すると共に、スイッチ素子１８のいずれかの端部にスイッチ素子１８を通して伝送される高周波を反射させる大きさの金属板２２を設け、スイッチ素子１８にバイアス電圧を印加して、そのバイアス電圧を変化させることにより、スイッチ素子１８のリアクタンスを変化させて共振空胴の共振周波数を変化させている。【0023】
図１に示される例は、マグネトロンの空胴共振器と、貫通孔１１を通り空間に張り出した電磁界により結合するようにスイッチ素子１８が設けられる例が示されているが、高周波発振器としては、マグネトロンには限られず、クライストロンやＣＦＡなどの他の高周波用電子管や、固体発振器でも空胴共振器を有する発振器に適用することができる。【0024】
図１に示されるマグネトロンは、貫通孔１１を通してアノードシェル２内部の空胴共振器と高周波的に結合されて導き出された電磁界に影響を与えるように金属製ロッド１４が配置されている。この金属製ロッド１４の一端は、絶縁体１５を介して金属製の第１支持体１６ａにより保持されている。一方、金属製ロッド１４の他端は、スイッチ素子１８に接続され、本来は第２支持体１６ｂにより保持されることになる。このとき、スイッチ素子１８は金属板２２に接続されている。この金属板２２は、スイッチ素子１８を通して伝送される高周波を反射させるためのもので、導電体（金属製ロッド１４、スイッチ素子１８など）の断面の直径に対して大きいほどその反射を確実にするため好ましい。しかし、本発明者が鋭意検討を重ねて検討した結果、図７に基づいて後述するように、その金属板２２の中心からの距離が発振波長λのλ／１０以上となるような大きさに形成することが好ましい。この考え方は、例えば金属製ロッド１４およびスイッチ素子１８を高周波が伝送される場合、この金属製ロッド１４やスイッチ素子１８などの導電体は、同軸構造の中心導体と考えることができ（図１に示される例では、外部導体は図示されていないが、後述する例のように、外部導体としての筐体を設けることが好ましい）、同軸構造の特性インピーダンスは、中心導体の外径をａ、外部導体の内径をｂ、中心導体と外部導体との間の誘電体の比誘電率をεrとするとき、次式（１）で示されることが知られている。【0025】
Ｚ0＝１３８εr-1/2・ｌｏｇ（ｂ／ａ） （１）この式で、金属板２２の外径ａが導電体の直径に対して急激に大きくなると、導電体と金属板２２の特性インピーダンスの差が大きくなり不整合となる。このため、伝送されてくる高周波はほぼ全反射に近い状態になる。このような全反射に近い状態で、その前に設けられるスイッチ素子１８のリアクタンスが変化すると、その変化分が敏感に影響するため、スイッチ素子１８に流すバイアス電流の変化が僅かであっても、その発振周波数を大幅に変化させることができる。
【0026】
この金属板２２の外径が導電体の直径に対して大きいほど、特性インピーダンスの差が大きくなるため好ましいが、後述する図７に示されるように、λ／１０以上の半径を有することが好ましい。この観点から、金属板２２の外形には制限されないが、導電体（金属製ロッド１４、スイッチ素子１８など）の中心からの距離に影響するため、円形状であることが好ましいものの、矩形状であっても、その中心から各辺までの距離が発振波長のλ／１０以上の距離を有していれば構わない。なお、この中心からの距離を大きくする場合には、後述する外部導体としても機能する筐体を設ける場合には、その筐体と接触しないようにすることが必要である。【0027】
図１に示されるマグネトロンの構造は、前述の図８に示された構造と同じで、カソード１と同心にアノードを構成する円筒状のアノードシェル２が設けられ、そのアノードシェル２の内壁にカソード１に向かって放射状に形成されたアノードベーン３が設けられることにより、複数個の空胴共振器が形成され、１個おきにアノードベーン３がストラップ４により連結されている。すなわち、２個のストラップ４の一方が接続されたアノードベーン３の間のアノードベーン３がそれぞれ他のストラップ４により連結されることにより、１つおきのアノードベーン３がそれぞれ同電位になるように接続されると共に、隣接するアノードベーン３間で位相が１８０°（πラジアン）異なるようにしてπモードで安定して発振するように形成されている。そして、共振空胴の壁面であるアノードシェル２に貫通孔（図１の例ではスリット）１１が形成され、この貫通孔１１の外側を、セラミックスまたはガラスなどの低誘電体損材料からなる誘電体窓１２により塞ぎ、真空外囲器として内部の共振空胴の部分の真空を維持している。そして、マイクロ波の電磁界を真空外囲器の外側に張り出させ、その誘電体窓１２の前面で電磁界が張り出している部分に、金属製ロッド（棒状金属）１４が配置されている。この金属製ロッド１４の一端部１４Ｔは、絶縁体１５を介して、金属からなる第１支持体１６ａに固定され、その第２支持体１６ｂはアノードシェル２に固定されている。また、金属製ロッド１４の他端には、ＰＩＮダイオードなどからなるスイッチ素子１８の一端が接続され、このスイッチ素子１８の他端は、金属からなる金属板２２を介して金属からなる第２支持体１６ｂによりアノードシェル２に電気的に接続（短絡）されている。【0028】
本発明では、このように、スイッチ素子１８の一端部に金属板２２が設けられているため、金属板２２の大きさをスイッチ素子１８を通して伝送される高周波を反射させる大きさにするだけで、金属板２２のインピーダンスは大きく変化し高周波的な反射面を得ることができる。それにより、スイッチ素子１８の一端が反射面から一定の距離を保つことができ、常に安定したインピーダンス変化を得ることができる。すなわち、このような金属板２２を設けないと、金属製ロッド１４の一端部１４Ｔと、アノードシェル２との間に電圧を印加することにより、スイッチ素子１８にバイアス電流が流れて、リアクタンス分だけではなく、レジスタンスが変化してしまう。このレジスタンスの変化、特にレジスタンスの増加は、共振のＱと、結合度を低下させる。そのため、発振時の出力低下が起こる。つまり、バイアス電圧によって、発振出力が変動することになる。しかし、本発明による金属板２２を設けることにより、反射面に対してスイッチ素子１８内の容量変化が効果的に共振器のリアクタンスを変化させることができるようになり、レジスタンスに影響を及ぼさなくすることができる。結果として結合度の変化を低減でき発振周波数を安定して大きく変化することが可能となる。このとき、発振出力も安定することになる。【0029】
図２に本発明による外部からのバイアス電圧印加により発振周波数を変化することのできる電子管の一種であるマグネトロンによる他の実施形態を示す。図９に示す従来のマグネトロン構造に対して、金属板２２を追加したものである。従って、金属板２２以外の構造は、図９と同じで、同じ部分には同じ符号を付してその詳細な説明を省略するが、アノードシェル２に設けられた貫通孔（この例では、スリットではなく円形の孔）１１を通してアノードシェル２内部と高周波的に結合させた同軸中心導体１７が貫通しベーン４に接続されている。この高周波結合は、アノードシェル２（空胴共振器）内と高周波的に結合していれば、ベーン４に図２に示されるような形で接続する必要はなく、ループ形状にして共振器空胴内に電磁界結合したり、ベーン４の周方向端部へ直接挿入して磁界結合させたりするなど、種々の変形が考えられる。同軸中心導体１７の他端は、貫通孔１１を閉塞して真空外囲器の一部とし得るようにアノードシェル２に設けられる誘電体部２５を貫通し外部導体３４に接続されている。外部導体３４は、スイッチ素子１８の一方の電極に接続され、スイッチ素子１８の外部導体３４に接続されていない側の他方の電極に接触板２２が接触して設けられ、その端部にバイアス電圧を印加できるようになっている。この金属板２２は、前述の例と同様に、その中心から辺または、周までの距離を発振波長の１／１０以上として形成されている。その結果、スイッチ素子１８の一方の電極に接続された外部導体３４を介してバイアス電圧を加えることにより、このスイッチ素子１８が接続された回路を短絡状態にしたり、その回路のリアクタンスを変化させたりすることができる。一方、スイッチ素子１８の一端が反射面から一定の距離を保った点を金属板２２により反射面とすることができることから、前述の例と同様に、安定したインピーダンス変化を得ることができる。反射面に対してスイッチ素子１８内の容量変化が効果的に共振器のリアクタンスを変化させ、結果として発振周波数を安定して大きく変化させることが可能となる。なお、外部導体３４を省き、同軸中心導体１７を直接スイッチ素子１８に接続しても構わない。【0030】
図３および図５に本願発明による外部からのバイアス電圧印加により発振周波数を変化することのできる電子管の一種であるマグネトロンによるさらに他の実施形態を示す。なお、図５に示される例は、スイッチ素子１８を外部導体３４と直角方向に接続しただけで、他の構造は図３と同じであり、図３に基づいて説明をする。この例は、図２の実施形態で、外部に引き出された外部導体３４、スイッチ素子１８、および金属板２２を被覆する筐体３５が設けられ、スイッチ素子１８の他の電極には、金属板２２を介して金属製のバイアス端子２３を付加した構造となっている。この筐体３５の内部は副次的な空胴が形成されているが、同軸中心導体１７または外部導体３４を中心導体とする同軸構造の寸法に形成することもできる。しかし、ただ単にこれらを被覆する構造に形成されていても良い。この筐体３５は、構造物であるスイッチ素子１８を含む部品を保護したり、マイクロ波の漏洩を防止したりする役割を果たす。ここで重要なのは、既に説明済みである金属板２２の大きさであり、金属板２２の中心から辺または、周までの距離を発振波長の１／１０以上としている。【0031】
図７に、図３の構造で、金属板２２の中心からの距離（円形の外径）を変化させたときの、マグネトロンのアノード（空胴共振器）側から見たスイッチ素子１８側のＳパラメータ（挿入損失および反射損失）の測定例を示す。金属板２２の中心からの距離を増加させて変化させると、挿入損失は増加し、反射損失は低下することが分る。これにより、金属板２２のインピーダンスがより大きく変化し、高周波的な反射面を得られることが分る。したがって、スイッチ素子１８の一端から一定の距離を保った点が反射面となることから安定したインピーダンス変化を得ることができる。反射面に対してスイッチ素子１８内の容量変化が効果的に共振器のリアクタンスを変化させ、結果として発振周波数を安定して大きく変化することが可能となる。加えて、副次的に取り付けられた筐体３５と金属板２２の間隔を発振波長の１／６以下としたことである。すなわち、本来、金属板と終端との距離は、発振波長λの１／４の間隔にすることが好ましく、λ／４の距離に設定されるのであるが、種々検討の結果、λ／４より小さく、具体的にはλ／６以下、λ／１５以上にすることにより、同じバイアス電圧の変化に対して最も発振周波数変化を大きくできることを見出した。この寸法にすることにより、副次的に取り付けられた筐体３５の壁面が、金属板２２へ影響を及ぼさず、金属板２２が安定して上記の機能をするよう動作する。【0032】
図３に示される構造で、９．４ＧＨｚ帯のマグネトロンの場合、金属板２２を半径が５ｍｍ程度（発振波長の約１／６）の大きさに形成し、金属板２２のスイッチ素子１８側と反対面と、筐体３５の端面との間隔ｄを２ｍｍ（発振波長の約１／１６）とし、スイッチ素子１８としてＰＩＮダイオードを用い、バイアス電圧を０Ｖから０．６Ｖまで変化させたとき、安定して２２ＭＨｚの発振周波数可変量が得られた。なお、同じ条件で、金属板２２を設けない場合には、３ＭＨｚから１１ＭＨｚの変化しか得られず、しかも不安定であった。【0033】
図４および図６に、図３の構造をさらに改善した構造が示されている。なお、図６は、前述の図５と同様に、スイッチ素子１８の引き出し方向を図４の構造に対して９０°異ならせただけであり、そのほかの構造は図４と同じであるので、図４に基づいて説明をする。図４に示される構造は、図３の構造の金属板２２と筐体３５の端部との間に誘電体ディスク（誘電体板）２４が設けられている。これにより、図３に示される構造で説明した発振波長の１／６以下の寸法を安定して正確に保持することが可能となり、発振周波数を大きく変化させる機能とバイアス電圧による発振出力の変動を抑えることが可能となる。【0034】
なお、図４では、バイアス端子２３をチョーク構造２６の中心部に通すことにより、バイアス端子２３からのマイクロ波の漏洩を防止することができる。【0035】
また、副次的に取り付けられた筐体３５内の空胴部を真空引きにするか、不活性ガスの封入を行うことにより、内部電界の上昇に対する放電を防止することができる。発振出力を高めたい場合など内部のスイッチ素子１８やその周辺の金属部品の電界が上昇する。したがって周辺に他の金属が配置されると放電発生の原因となる。しかし、排気管１９から排気を行い真空、または不活性ガスの充填を行うことにより、放電防止に効果的である。また、航空機に搭載したり、高地で使用したりされる場合に、スイッチ素子１８周辺は、管球外（真空外囲器外）にあるため、低圧力にさらされることがある。その場合に、コロナ放電が発生して部品の劣化を発生させることがある。そのときに、真空になっていれば、コロナ放電は発生せず、また、不活性ガスによってもこのコロナ放電の発生を防止することができる。【0036】
前述の各例において、アノード内部との結合を１箇所にして判り易く説明したが、このような結合を電子管の複数の共振空胴からとり、複数のスイッチ素子１８を使用して実施しても構わない。しかし、本発明では、本来単数のスイッチ素子により広範囲の周波数変化が行える構造になっている。その上で、別の効果を得る目的でスイッチ素子を複数個用いることはできるが、非常に多い数量を用意する必要は発生しない。また、発振出力の安定化の改善が可能であり、大出力を得ようとした場合にも故障無く安定した発振を長期にわたり行うことができる。さらに、生産時の周波数調整を簡素化することが可能となる。【0037】
複数のスイッチ素子を準備した場合のバイアス電圧回路に、ダイオードを直列に接続する方法が考えられる。その場合に、一方の回路に１個、他方の回路に２個とするなど、数量を変えて接続しても良い。これにより、バイアス電圧発生器から印加された電圧によりバイアス電流の流れ出す場合の電圧がダイオード１個の回路と２個の回路で異なることになる。通常のシリコンダイオードを使用すると、同じバイアス電圧を印加したときにダイオード１個当り約０．６Ｖの差が生じてバイアス電流が流れるようになる。これにより、スイッチ素子１８のバイアス電圧に対する周波数変化動作がずれ、スイッチ素子１８がリニアでない特性の場合に、より緩やかに周波数が変化することになる。なお、ダイオード５および６の数量は、０個を含み数に拘らず両者の数が異なっていれば、上記の機能を有することになる。また、ダイオードの代わりに抵抗器を直列に挿入しても、両者の抵抗値を変えることにより、両者の特性が変わるため、上記の機能を得ることができる。【産業上の利用可能性】
【0038】
以上説明したように、実施例の電子同調マグネトロンは、スイッチ素子を管球の外部に設けていることから、真空管としての製作上の制限が無く、特別に高価な同軸型マグネトロンや、古い設計のリアクティブな負荷構造物や外部共振空胴を持つマグネトロンをベースに設計する必要がなく、従来の簡単な構成のマグネトロンを充分利用可能となる。また、上述したように、周波数を外部からの信号で自由に広い範囲で可変して使用できるマイクロ波の発振源を供給できることになり、マグネトロンの周波数ドリフトヘの対策、混信防止のための周波数選択が容易になるという利点がある。また、速いレスポンスで周波数変化が行えれば、パルス内の周波数変化が行えることになり、変調波を発振することができる。レーダーの探知性能は、格段に向上することになる。【符号の説明】
【0039】
１ カソード２ アノードシェル
３ アノードベーン
４ ストラップ
１１ 貫通孔
１２ 窓
１４ 金属製ロッド
１５ 絶縁体
１６ａ 第１支持体
１６ｂ 第２支持体
１７ 同軸中心導体
１８ スイッチ素子
２２ 接触板
２３ バイアス端子
２４ 誘電体板
２５ 誘電体部
２６ チョーク
３４ 外部導体
３５ 筐体