Design studies on a high-power wide-band RF combiner for consolidation of the driver amplifier of the J-PARC RCS

J-PARC RCSにおける駆動段半導体増幅器の増強を目的とした高出力広帯域結合器の設計研究

沖田 英史  ; 田村 文彦   ; 山本 昌亘   ; 野村 昌弘  ; 島田 太平 ; 吉井 正人*; 大森 千広*; 杉山 泰之*; 長谷川 豪志*; 原 圭吾*; Paoluzzi, M. M.*

Okita, Hidefumi; Tamura, Fumihiko; Yamamoto, Masanobu; Nomura, Masahiro; Shimada, Taihei; Yoshii, Masahito*; Omori, Chihiro*; Sugiyama, Yasuyuki*; Hasegawa, Katsushi*; Hara, Keigo*; Paoluzzi, M. M.*

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)では、大強度陽子ビーム加速のために高周波加速装置を構成する8kWの駆動段半導体増幅器の出力増強が求められている。現在、窒化ガリウムを用いた6.4kW半導体増幅器を基本モジュールとする25kW半導体増幅器の開発を進めている。この開発の鍵となるのが、広い周波数帯域(およそ0.1-10MHz)を持ち、かつ25kWの高出力が可能な結合器の設計である。結合器の出力と周波数帯域は同軸ケーブルと磁性体コアからなる伝送線路トランスの設計に依存する。本研究では、同軸ケーブルと磁性体コアの特性を組み込んだ回路シミュレータモデルを構築し、これを用いて目標とする出力と周波数帯域を達成可能な伝送線路トランスの設計並びに結合器の回路設計を完了させた。本発表では、結合器の回路シミュレータモデルのセットアップとそれを用いた結合器の設計の詳細について報告する。

A power upgrade of existing 8 kW solid-state driver amplifier is required for the acceleration of high intensity proton beams on the J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron. The development of a 25 kW amplifier with gallium nitride (GaN) HEMTs, based on 6.4 kW modules is on going. The combiner is a key component to achieve such a high output power over the wide bandwidth required for multi-harmonic rf operation. This paper presents preliminary design of the combiner. The circuit simulation setup and results, including the realistic magnetic core characteristics and frequency response of the cable are reported.