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第95回「宇宙機器と磁石」の巻

-衛星電波を増幅するパワフルな進行波管-

高出力が要求される衛星放送の電波

 通信衛星や放送衛星などにおいて、地上局からの電波を受信し、これを増幅して地上に送り返す中継器のことをトランスポンダといいます。このトランスポンダの電波増幅器には、進行波管(TWT)と呼ばれる特殊なマイクロ波用真空管が使われます。この進行波管にも電磁石の磁界が利用されています。

 衛星と地球とを結ぶ通信電波は、波長が10〜1cmのマイクロ波が使われます。このうち1〜10数GHzの周波数帯が衛星通信には特に適しています。周波数がこれ以下では宇宙雑音が多く、これ以上では大気中の水蒸気や水滴による吸収や散乱、酸素分子の吸収などによる減衰が大きくなってしまうからです。1971年に放送衛星に使用する電波の周波数が国際的に定められることになり、放送衛星には12GHz帯のマイクロ波が優先的に割り当てられました。

 衛星放送の電波は、50 cm程度の家庭用パラボラアンテナでも受信できるように、通信衛星よりも高い電力で設計されています。このため電波を増幅する進行波管も、出力の大きなものが必要となります。

 進行波管はクライストロン(速度変調管)というマイクロ波用真空管を発展させたもの。共鳴箱に取り付けた2つの音叉を離しておいて、片方の音叉を鳴らすと、もう一方の音叉も鳴り始めます。これと同様に、2つの空洞共振器を電極ではさんだ構造となっているのが直進型と呼ばれるクライストロン。入力共振器に入った電波は、出力共振器から出てきますが、その間に陰極から陽極に向けて放出された電子流によってエネルギー供給されて、電波が増幅されるというしくみです。



図1 クライストロンの構造


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