JP2009301747A - Large high frequency power device - Google Patents

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JP2009301747A JP2008151942A JP2008151942A JP2009301747A JP 2009301747 A JP2009301747 A JP 2009301747A JP 2008151942 A JP2008151942 A JP 2008151942A JP 2008151942 A JP2008151942 A JP 2008151942A JP 2009301747 A JP2009301747 A JP 2009301747A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a large high frequency power device capable of preventing destruction of a last stage power amplifier due to a reflected wave power without deteriorating a high frequency power outputted from an antenna. <P>SOLUTION: The large high frequency power device includes an amplifying part for amplifying a high frequency power to output the same, a variable impedance matching part provided on an output side of the amplifying part and changing an input impedance based on a controlling signal to output a high frequency power, an antenna for outputting the high frequency power, a quadrature detection part outputting a common mode and a quadrature detection output signal by conducting a quadrature detecting of the reflected wave power from the antenna by the high frequency power input to the amplifying part, and a controlling part generating a controlling signal in response to the common mode and the quadrature detection output signal and sending out it to the variable impedance matching part. The controlling part, based on phase information of the reflected wave power obtained from the common mode and the quadrature detection output signal, generates a controlling signal for changing a phase shift volume in a transmission passage of the variable impedance matching part so that the phase of the reflected wave power may stay in a predetermined range. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、RF帯からマイクロ波帯で動作する大電力高周波出力装置に関する。より具体的には、大電力高周波出力装置において、高周波電力増幅器を効率よく保護するための技術に関する。   The present invention relates to a high-power, high-frequency output device that operates from the RF band to the microwave band. More specifically, the present invention relates to a technique for efficiently protecting a high frequency power amplifier in a high power high frequency output device.

近年、地球環境保護が世界的に問題となっており、シリコン・カーバイト(SiC)や窒化ガリウム(GaN)などの高速動作と高耐圧および大電力密度を備えた材料を用いたパワー半導体が、大電力を取り扱う機器の省エネルギーデバイスとして注目されている。   In recent years, global environmental protection has become a global problem, and power semiconductors using materials with high-speed operation, high breakdown voltage, and high power density, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), It is attracting attention as an energy-saving device for equipment that handles high power.

RF帯からマイクロ波帯の高周波を利用する、通信システムの基地局の送信用パワー増幅器への展開をはじめとして、数百Wの高周波電力を照射することにより食品を加熱する電子レンジなどの調理機器へのパワー半導体の利用も開発が進められている。   Cooking equipment such as microwave ovens that heat foods by irradiating high-frequency power of several hundreds of watts, including deployment to power amplifiers for transmission in base stations of communication systems that use high frequencies from the RF band to the microwave band The use of power semiconductors is also being developed.

これらの機器では、大電力と高効率とを両立させるために、アンテナに最も近い、即ち、最終段の電力増幅器は飽和に近い非線形動作状態で使用するのが一般的である。従って、電力増幅器が安定に動作するためには電力増幅器の次段に接続される回路の入力インピーダンスと、電力増幅器の出力インピーダンスとの整合が非常に重要である。   In these devices, in order to achieve both high power and high efficiency, the power amplifier closest to the antenna, that is, the final stage power amplifier is generally used in a non-linear operation state close to saturation. Therefore, in order for the power amplifier to operate stably, matching between the input impedance of the circuit connected to the next stage of the power amplifier and the output impedance of the power amplifier is very important.

このインピーダンス整合が最適な状態からずれると、出力パワーの低下や効率の低下を招くこととなり、最悪の場合には電力増幅器の破壊を招く場合もある。   If the impedance matching is deviated from the optimum state, the output power is reduced and the efficiency is lowered. In the worst case, the power amplifier may be destroyed.

また、電力増幅器からアンテナまでの全てのインピーダンス整合を最適にしたとしても、機器の使用状態やアンテナ周囲の環境変化などにより、アンテナのインピーダンス整合が崩れることにより、アンテナで反射が起こり、その反射波電力が逆流し、電力増幅器へ入力されることにより、電力増幅器の出力電力および効率の低下、最悪の場合には破壊に至る場合もある。特に、電子レンジ等の調理機器の場合、アンテナ周囲の空間が非常に狭いことと、調理する食品の形状や物性などにより、アンテナのインピーダンス状態は非常に複雑となり、大きな反射波電力が発生する確率は非常に高くなる。   Also, even if all impedance matching from the power amplifier to the antenna is optimized, the antenna impedance matching is disrupted due to changes in the environment of use of the equipment and the surrounding environment of the antenna, causing reflection at the antenna, and the reflected wave When the power flows backward and is input to the power amplifier, the output power and efficiency of the power amplifier may be reduced, and in the worst case, destruction may occur. In particular, in the case of cooking equipment such as a microwave oven, the antenna impedance state becomes very complicated due to the very small space around the antenna and the shape and physical properties of the food to be cooked, and the probability that large reflected wave power will be generated. Will be very expensive.

従来、アンテナのインピーダンス整合が崩れた場合でも電力増幅器の安定動作を確保するために、電力増幅器の出力側にアイソレータを配置し、アンテナからの反射波電力が電力増幅器へ逆流するのを阻止する方法が一般的に使われている。この従来例の構成と動作を、図17を参照して説明する。   Conventionally, in order to ensure stable operation of the power amplifier even when the impedance matching of the antenna is broken, an isolator is arranged on the output side of the power amplifier to prevent the reflected wave power from the antenna from flowing back to the power amplifier. Is commonly used. The configuration and operation of this conventional example will be described with reference to FIG.

図17は、従来例の高周波電力出力装置300の構成を示すブロック図である。高周波電力出力装置300は、高周波電力を発振する高周波電力発振部301、高周波電力増幅器302、インピーダンス整合部303、アイソレータ304が直列に接続され、アイソレータ304の出力にアンテナ305が接続されている。高周波電力発振部301の出力電力は高周波電力増幅器302で増幅され、インピーダンス整合部303とアイソレータ304を介してアンテナ305より放出される。機器の使用状態やアンテナ周囲の環境変化などにより、アンテナのインピーダンス整合が崩れると、アンテナで反射が起こり、その反射波電力の逆流が発生するが、高周波電力増幅器302の出力に配置されたインピーダンス整合部303とアンテナ305の間にアイソレータ304が直列に配置されていることにより、アンテナから逆流してきた反射波電力は、アイソレータ304により、その電力の大半を吸収されてしまうので、高周波電力増幅器302へ入力される反射波電力は極僅かとなり、高周波電力増幅器302は出力電力が低下することもなく破壊も回避することができる。   FIG. 17 is a block diagram showing a configuration of a conventional high-frequency power output device 300. In the high-frequency power output device 300, a high-frequency power oscillation unit 301 that oscillates high-frequency power, a high-frequency power amplifier 302, an impedance matching unit 303, and an isolator 304 are connected in series, and an antenna 305 is connected to the output of the isolator 304. The output power of the high frequency power oscillation unit 301 is amplified by the high frequency power amplifier 302 and is emitted from the antenna 305 via the impedance matching unit 303 and the isolator 304. If the impedance matching of the antenna is disrupted due to changes in the environment of use of the device or the environment around the antenna, reflection occurs at the antenna, and a backflow of the reflected wave power occurs. However, the impedance matching arranged at the output of the high-frequency power amplifier 302 Since the isolator 304 is arranged in series between the unit 303 and the antenna 305, most of the reflected wave power flowing back from the antenna is absorbed by the isolator 304, so that the high-frequency power amplifier 302 receives the reflected power. The input reflected wave power becomes very small, and the high frequency power amplifier 302 can avoid destruction without lowering the output power.

また、アイソレータを使用せずに、アンテナからの反射波電力による電力増幅器の破壊を防止することを目的とした従来技術として、反射波電力を検出し、その反射波電力の大きさに応じて電力増幅器と負荷(アンテナ)との間に配置した可変減衰器の減衰量を増やして、電力増幅器への反射波電力の注入量を減らすことで、電力増幅器の破壊を防止する方法がある(例えば、特許文献1参照)。   In addition, as a conventional technique for preventing destruction of the power amplifier due to the reflected wave power from the antenna without using an isolator, the reflected wave power is detected, and the power corresponding to the magnitude of the reflected wave power is detected. There is a method of preventing the destruction of the power amplifier by increasing the attenuation of the variable attenuator arranged between the amplifier and the load (antenna) and reducing the amount of reflected wave power injected into the power amplifier (for example, Patent Document 1).

また、アイソレータを使用せずに、アンテナからの反射波電力による、電力増幅器の破壊を防止することを目的とした従来技術として、電力増幅器(トランジスタ)で消費される電流を監視し、電流が予め定められた規定値を超えないように、電力増幅器(トランジスタ)のバイアスを制御することにより、電力増幅器に過電流が流れるのを防ぎ、破壊を防止する方法がある(例えば、特許文献2参照)。
特開2006−166153号公報 特開2002−076791号公報
In addition, as a conventional technique for preventing destruction of the power amplifier due to reflected wave power from the antenna without using an isolator, the current consumed by the power amplifier (transistor) is monitored, There is a method of preventing the overcurrent from flowing through the power amplifier and preventing the breakdown by controlling the bias of the power amplifier (transistor) so as not to exceed a predetermined value (for example, refer to Patent Document 2). .
JP 2006-166153 A JP 2002-076791 A

しかしながら、アイソレータは取り扱う電力が大きくなるほど形状も大きくなり、大きなコストの上昇を招く。また、特許文献1の方法では電力増幅器出力とアンテナ間に減衰器を配置し、その減衰量を大きくすることで電力増幅器への反射波電力を抑制しているので、同時にアンテナから出力される高周波電力も低下してしまう。   However, the shape of the isolator increases as the power handled increases, resulting in a significant increase in cost. In the method of Patent Document 1, an attenuator is disposed between the power amplifier output and the antenna, and the amount of attenuation is increased to suppress the reflected wave power to the power amplifier. Electric power will also decrease.

また、特許文献2の方法では、反射波電力が逆流して電力増幅器に入力された時に、電力増幅器の電流の増加を察知し、電流を減少させるように動作するので、これも特許文献1の方法と同様に、アンテナから出力される高周波電力が低下してしまう。   Further, in the method of Patent Document 2, when the reflected wave power flows backward and is input to the power amplifier, the increase in the current of the power amplifier is detected and the current is decreased. Similar to the method, the high-frequency power output from the antenna is reduced.

本発明の目的は、アンテナから出力される高周波電力を低下させることなく、反射波電力による最終段電力増幅器の破壊を防止することができる、大電力高周波出力装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-power high-frequency output device that can prevent destruction of a final-stage power amplifier due to reflected wave power without reducing high-frequency power output from an antenna.

本発明による大電力高周波出力装置は、高周波電力を受け取り、増幅して出力する高周波電力増幅部と、前記高周波電力増幅部の出力側に設けられ、入力された制御信号に基づいて入力インピーダンスを変化させて前記高周波電力を出力する可変インピーダンス整合部と、前記可変インピーダンス整合部から出力された前記高周波電力を出力するアンテナと、前記アンテナからの反射波電力を、前記高周波電力増幅部に入力された前記高周波電力で直交検波して、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に応じて前記制御信号を生成し、前記可変インピーダンス整合部に送出する制御部とを備えており、前記制御部は、前記同相検波出力信号および直交検波出力信号から得られた反射波電力の位相情報に基づいて、前記反射波電力のインピーダンスが、前記高周波電力増幅部が破壊されない範囲内に入るよう、前記可変インピーダンス整合部の伝送路の移相量を変化させる制御信号を生成する。   A high-power high-frequency output device according to the present invention is provided on the output side of a high-frequency power amplification unit that receives, amplifies and outputs high-frequency power, and changes input impedance based on an input control signal. A variable impedance matching unit that outputs the high-frequency power, an antenna that outputs the high-frequency power output from the variable impedance matching unit, and reflected wave power from the antenna is input to the high-frequency power amplification unit A quadrature detection unit that performs quadrature detection with the high-frequency power and outputs an in-phase detection output signal and a quadrature detection output signal; and generates the control signal according to the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal; and the variable impedance A control unit for sending to the matching unit, and the control unit includes the in-phase detection output signal and the quadrature detection output. Based on the phase information of the reflected wave power obtained from the signal, the phase shift amount of the transmission path of the variable impedance matching unit is set so that the impedance of the reflected wave power falls within a range where the high frequency power amplifier is not destroyed. A control signal to be changed is generated.

前記高周波電力増幅部の出力からみた前記可変インピーダンス整合部の入力における、前記反射波電力のインピーダンスは、第1インピーダンス領域の値または第2インピーダンス領域の値の一方に分類可能であり、前記第1インピーダンス領域は、前記高周波電力増幅部を流れる電流が過電流状態となることによって前記高周波電力増幅部が破壊されるインピーダンスを含み、前記第2インピーダンス領域は、前記高周波電力増幅部を流れる電流の電流値が耐破壊限界を超えないことにより、前記高周波電力増幅部が破壊されないインピーダンスを含み、前記制御部は、前記反射波電力のインピーダンスが前記第2インピーダンス領域内に入るような前記制御信号を生成して、前記可変インピーダンス整合部の伝送路の移相量を変化させてもよい。   The impedance of the reflected wave power at the input of the variable impedance matching unit viewed from the output of the high-frequency power amplification unit can be classified into one of a value of a first impedance region or a value of a second impedance region, and The impedance region includes an impedance that destroys the high-frequency power amplification unit when a current flowing through the high-frequency power amplification unit enters an overcurrent state, and the second impedance region includes a current of a current flowing through the high-frequency power amplification unit. The control unit generates the control signal such that the impedance of the reflected wave power falls within the second impedance region, the impedance including the impedance at which the high frequency power amplifying unit is not destroyed because the value does not exceed a breakdown resistance limit. And changing the phase shift amount of the transmission line of the variable impedance matching unit Good.

前記制御部は、アナログ形式の前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号をそれぞれデジタル形式に変換する変換器、および、前記第2インピーダンス領域を特定するための制御テーブルを保持した記憶部を有しており、前記デジタル形式の前記同相検波出力信号、前記直交検波出力信号および、前記制御テーブルに基づいて、前記制御信号を生成してもよい。   The control unit includes a converter that converts the analog in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal into a digital format, respectively, and a storage unit that holds a control table for specifying the second impedance region. The control signal may be generated based on the in-phase detection output signal in the digital format, the quadrature detection output signal, and the control table.

前記記憶部は、半導体メモリであってもよい。   The storage unit may be a semiconductor memory.

前記制御部は、前記制御信号を、1ビット以上のデジタル信号に変換して送出してもよい。   The control unit may convert the control signal into a digital signal of 1 bit or more and send it.

前記制御部は、前記制御信号を、アナログ信号に変換して送出してもよい。   The control unit may convert the control signal into an analog signal and send it out.

前記制御部は、前記制御信号を、パルス幅変調(PWM)信号に変換して送出してもよい。   The control unit may convert the control signal into a pulse width modulation (PWM) signal and send it out.

前記大電力高周波出力装置は、前記高周波信号を発振して、前記高周波電力増幅部および前記直交検波部に入力する高周波電力発振部をさらに備えていてもよい。   The high-power high-frequency output device may further include a high-frequency power oscillation unit that oscillates the high-frequency signal and inputs the high-frequency signal to the high-frequency power amplification unit and the quadrature detection unit.

前記大電力高周波出力装置は、前記可変インピーダンス整合部の出力と前記アンテナとの間に設けられ、前記可変インピーダンス整合部の出力電力を前記アンテナへ送出し、かつ、前記アンテナからの前記反射波電力を取り出す方向性結合器をさらに備えていてもよい。   The high-power high-frequency output device is provided between the output of the variable impedance matching unit and the antenna, sends the output power of the variable impedance matching unit to the antenna, and the reflected wave power from the antenna There may be further provided a directional coupler for taking out.

本発明の高周波電力出力装置によれば、アンテナからの反射波電力を直交検波し、高周波電力増幅器出力からみた可変インピーダンス整合部の入力における反射波のインピーダンスによって高周波電力増幅器が破壊されないよう、可変インピーダンス整合部で調整する。これにより、アイソレータ等の高価な部品を使用せず、かつ、高周波電力増幅器の高周波出力電力を低下させずに、アンテナのインピーダンス不整合に起因するアンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器の破壊を防止することができる。   According to the high frequency power output device of the present invention, the reflected wave power from the antenna is orthogonally detected, and the variable frequency impedance is prevented from being destroyed by the reflected wave impedance at the input of the variable impedance matching unit viewed from the high frequency power amplifier output. Adjust at the matching section. As a result, the high frequency power amplifier is destroyed by the reflected wave power from the antenna due to the impedance mismatch of the antenna without using expensive parts such as an isolator and reducing the high frequency output power of the high frequency power amplifier. Can be prevented.

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による大電力高周波出力装置の概念を説明する。その後、大電力高周波出力装置の実施形態を説明する。   Hereinafter, the concept of a high-power, high-frequency output device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Thereafter, an embodiment of a high-power high-frequency output device will be described.

図1は、本発明の大電力高周波出力装置100の基本構成を示すブロック図である。高周波電力を発振する高周波電力発振部101、高周波電力増幅器102、可変インピーダンス整合部103、方向性結合器104が直列に接続され、方向性結合器104の出力にアンテナ107が接続されている。さらに、直交検波部105、制御部106が備えられており、方向性結合器104の逆方向電力出力と、高周波電力発振部101の出力がそれぞれ直交検波部105の入力に接続され、直交検波部105の検波出力が制御部106の入力に接続されている。制御部の出力は可変インピーダンス整合部103のインピーダンス制御信号入力に接続されている。   FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a high-power, high-frequency output device 100 of the present invention. A high frequency power oscillation unit 101 that oscillates high frequency power, a high frequency power amplifier 102, a variable impedance matching unit 103, and a directional coupler 104 are connected in series, and an antenna 107 is connected to the output of the directional coupler 104. Further, a quadrature detection unit 105 and a control unit 106 are provided, and the reverse power output of the directional coupler 104 and the output of the high frequency power oscillation unit 101 are connected to the input of the quadrature detection unit 105, respectively, and the quadrature detection unit. The detection output 105 is connected to the input of the control unit 106. The output of the control unit is connected to the impedance control signal input of the variable impedance matching unit 103.

高周波電力発振部101の出力電力は高周波電力増幅器102で増幅され、可変インピーダンス整合部103と方向性結合器104を介して、アンテナ107より放出される。機器の使用状態やアンテナ周囲の環境変化などにより、アンテナのインピーダンス整合が崩れると、アンテナで反射が起こり、その反射波電力がアンテナ107から方向性結合器104、可変インピーダンス整合部103を介して逆流し、高周波電力増幅器102へ入力される。   The output power of the high frequency power oscillation unit 101 is amplified by the high frequency power amplifier 102 and emitted from the antenna 107 through the variable impedance matching unit 103 and the directional coupler 104. When the impedance matching of the antenna is lost due to the use state of the device or the environment surrounding the antenna, reflection occurs at the antenna, and the reflected wave power flows backward from the antenna 107 via the directional coupler 104 and the variable impedance matching unit 103. And input to the high-frequency power amplifier 102.

一方、方向性結合器104の逆方向電力出力からはアンテナ107からの反射波電力が出力され、直交検波部105へ入力される。直交検波部105では高周波電力発振部101の出力信号で、方向性結合器104から入力された反射波電力を直交検波する。このとき、高周波電力発振部101の出力信号と反射波電力の周波数は同一であるので、直交検波部105での直交検波は、完全な同期検波となる。直交検波部105からは同相検波出力信号および直交検波出力信号が出力され、制御部106へ入力される。   On the other hand, the reflected wave power from the antenna 107 is output from the reverse power output of the directional coupler 104 and input to the quadrature detection unit 105. The quadrature detection unit 105 performs quadrature detection on the reflected wave power input from the directional coupler 104 using the output signal of the high-frequency power oscillation unit 101. At this time, since the frequency of the output signal of the high-frequency power oscillation unit 101 and the frequency of the reflected wave power are the same, the quadrature detection in the quadrature detection unit 105 is completely synchronous detection. An in-phase detection output signal and a quadrature detection output signal are output from the quadrature detection unit 105 and input to the control unit 106.

制御部106は、直交検波部105から入力された同相検波出力信号および直交検波出力信号から、反射波電力の位相情報を検出して、可変インピーダンス整合部103の伝送路の移相量を変化させる。「移相量」とは、高周波信号の位相の変化量を意味する。   The control unit 106 detects the phase information of the reflected wave power from the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal input from the quadrature detection unit 105, and changes the phase shift amount of the transmission path of the variable impedance matching unit 103. . “Phase shift amount” means the amount of phase change of a high-frequency signal.

このとき制御部106は、高周波電力増幅器102の出力からみた、可変インピーダンス整合部103の入力インピーダンスを変化させて、検出した反射波電力の位相情報が予め定められた範囲内となるように、可変インピーダンス整合部103へのインピーダンス制御信号を制御する。「予め定められた範囲内」とは、高周波電力増幅器102が破壊されないインピーダンス範囲内を意味する。   At this time, the control unit 106 changes the input impedance of the variable impedance matching unit 103 as seen from the output of the high-frequency power amplifier 102 so that the phase information of the detected reflected wave power is within a predetermined range. The impedance control signal to the impedance matching unit 103 is controlled. “Within a predetermined range” means within an impedance range in which the high-frequency power amplifier 102 is not destroyed.

この構成によれば、アンテナから電力増幅器へ逆流する反射波電力を取出し、直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を基に、電力増幅器出力からみた可変インピーダンス整合部の入力における反射波のインピーダンスが、予め定められた範囲内になるように制御できるので、高周波電力増幅器の高周波出力電力を低下させずに、アンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器の破壊を防止することができる。   According to this configuration, the reflected wave power flowing backward from the antenna to the power amplifier is taken out, subjected to quadrature detection, and based on the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal, the reflected wave at the input of the variable impedance matching unit viewed from the power amplifier output Therefore, the high frequency power amplifier can be prevented from being destroyed by the reflected wave power from the antenna without reducing the high frequency output power of the high frequency power amplifier.

以下、大電力高周波出力装置の実施形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the high-power high-frequency output device will be described.

図2は、本実施形態による大電力高周波出力装置200のブロック構成図である。   FIG. 2 is a block diagram of the high-power high-frequency output device 200 according to the present embodiment.

大電力高周波出力装置200は、高周波電力発振部201、高周波電力バッファアンプ208、最終段高周波電力増幅器202、可変インピーダンス整合部203、方向性結合器204、直交検波部205、制御部206、反射波低域通過フィルタ209、反射波バッファアンプ210、発振信号低域通過フィルタ211、電力分配器220より構成される。さらに、直交検波部205は、π/2移相器212、同相(I)側ミキサー213、直交(Q)側ミキサー214により構成され、制御部206は、同相(I)側アナログ−デジタル変換器215、直交(Q)側アナログ−デジタル変換器216、演算処理部217、データ記憶装置218、インピーダンス制御信号出力部219より構成される。   The high power high frequency output device 200 includes a high frequency power oscillation unit 201, a high frequency power buffer amplifier 208, a final high frequency power amplifier 202, a variable impedance matching unit 203, a directional coupler 204, a quadrature detection unit 205, a control unit 206, a reflected wave. A low-pass filter 209, a reflected wave buffer amplifier 210, an oscillation signal low-pass filter 211, and a power distributor 220 are included. Further, the quadrature detection unit 205 includes a π / 2 phase shifter 212, an in-phase (I) side mixer 213, and a quadrature (Q) side mixer 214, and the control unit 206 includes an in-phase (I) side analog-digital converter. 215, a quadrature (Q) analog-digital converter 216, an arithmetic processing unit 217, a data storage device 218, and an impedance control signal output unit 219.

高周波電力発振部201は、通常、電圧制御発振器(VCO)とフェーズ・ロックド・ループ(PLL)、またはデジタル制御発振器(DCO)とデジタル・フェーズ・ロックド・ループ(DPLL)で構成されるが、これに限るものではなく、安定した発振周波数が得られる構成であれば他の構成でも構わない。   The high-frequency power oscillation unit 201 is usually composed of a voltage controlled oscillator (VCO) and a phase locked loop (PLL), or a digital controlled oscillator (DCO) and a digital phase locked loop (DPLL). The present invention is not limited to this, and other configurations may be used as long as a stable oscillation frequency can be obtained.

高周波電力発振部201から出力された高周波電力信号は、高周波電力バッファアンプ208で増幅されたのち、電力分配器220を経て最終段高周波電力増幅器202でさらに増幅され、可変インピーダンス整合部203、方向性結合器204を経てアンテナ207より放出される。   The high-frequency power signal output from the high-frequency power oscillation unit 201 is amplified by the high-frequency power buffer amplifier 208, and then further amplified by the final-stage high-frequency power amplifier 202 via the power distributor 220. The light is emitted from the antenna 207 through the coupler 204.

方向性結合器204は、2本の平行なマイクロストリップ線路204aおよび204bによつ誘導結合を利用した回路である。マイクロストリップ線路204aおよび204bを利用すると、非常に簡単な構成で低通過損失の方向性結合器が得られる。   The directional coupler 204 is a circuit using inductive coupling by two parallel microstrip lines 204a and 204b. When the microstrip lines 204a and 204b are used, a directional coupler with a low pass loss can be obtained with a very simple configuration.

方向性結合器204は以下のように機能する。すなわち、入力端子P1から入力された信号は、マイクロストリップ線路204aを経て出力端子P2から出力されると同時に、マイクロストリップ線路204aとマイクロストリップ線路204bの誘導結合により、順方向出力端子P4からも出力されるが、逆方向出力端子P3からは出力されない。同様に、出力端子P2から入力された信号は、マイクロストリップ線路204aを経て入力端子P1から出力されると同時に、マイクロストリップ線路204aとマイクロストリップ線路204bの誘導結合により、逆方向出力端子P3からも出力されるが、順方向出力端子P4からは出力されない。   The directional coupler 204 functions as follows. That is, the signal input from the input terminal P1 is output from the output terminal P2 through the microstrip line 204a, and at the same time, output from the forward output terminal P4 by inductive coupling between the microstrip line 204a and the microstrip line 204b. However, it is not output from the reverse direction output terminal P3. Similarly, a signal input from the output terminal P2 is output from the input terminal P1 via the microstrip line 204a, and at the same time, from the reverse output terminal P3 due to inductive coupling between the microstrip line 204a and the microstrip line 204b. Although it is output, it is not output from the forward direction output terminal P4.

入力端子P1から出力端子P2、および出力端子P2から入力端子P1への通過電力損失と、逆方向出力端子P3および順方向出力端子P4より出力される電力の大きさは、マイクロストリップ線路204aとマイクロストリップ線路204bの誘導結合の大きさによって決まる。結合を大きくすれば、逆方向および順方向出力端子P3およびP4より出力される電力は大きくなるが、通過電力損失も大きくなる。逆に、結合を小さくすれば、逆方向および順方向出力端子P3およびP4より出力される電力は小さくなるが、通過電力損失は小さくできる。一般的に、取り出したい信号の要求されるダイナミックレンジの幅と、許容される通過電力損失により結合の大きさは決められる。   The passing power loss from the input terminal P1 to the output terminal P2 and from the output terminal P2 to the input terminal P1, and the magnitude of the power output from the reverse output terminal P3 and the forward output terminal P4 are as follows. It depends on the size of the inductive coupling of the strip line 204b. If the coupling is increased, the power output from the reverse and forward output terminals P3 and P4 increases, but the passing power loss also increases. Conversely, if the coupling is reduced, the power output from the reverse and forward output terminals P3 and P4 is reduced, but the passing power loss can be reduced. In general, the size of the coupling is determined by the required dynamic range width of the signal to be extracted and the allowable power loss.

本実施形態においては、順方向出力端子P4から出力された電力は、終端抵抗221で消費され、逆方向出力端子P3から反射波電力の一部が取り出される。よって、方向性結合器204を利用することにより、インピーダンス整合部203からアンテナ207へ高周波電力信号を通過させ、アンテナ207からインピーダンス整合部203へ逆流する反射波の一部を取り出すことができる。   In the present embodiment, the power output from the forward output terminal P4 is consumed by the termination resistor 221 and a part of the reflected wave power is extracted from the reverse output terminal P3. Therefore, by using the directional coupler 204, it is possible to extract a part of the reflected wave that passes the high-frequency power signal from the impedance matching unit 203 to the antenna 207 and flows backward from the antenna 207 to the impedance matching unit 203.

通常、大電力信号を出力する高周波電力増幅器の出力インピーダンスは非常に低くなり、数Ω以下となる場合が一般的である。可変インピーダンス整合部203の入力インピーダンスは、最終段高周波電力増幅器202の出力インピーダンスと最適な整合がとれるように構成されている。   Usually, the output impedance of a high-frequency power amplifier that outputs a large power signal is very low and is generally several Ω or less. The input impedance of the variable impedance matching unit 203 is configured to be optimally matched with the output impedance of the final stage high frequency power amplifier 202.

機器の使用状態やアンテナ周囲の環境変化などにより、アンテナ207のインピーダンス整合が崩れると、アンテナ207で高周波電力信号の反射が起こり、その反射波電力が、方向性結合器204の出力端子P2に逆流する。そしてその反射波電力は、方向性結合器204、可変インピーダンス整合部203を介して最終段高周波電力増幅器202の出力へ入力されることになる。   When the impedance matching of the antenna 207 is lost due to the use state of the device or the environment change around the antenna, the antenna 207 reflects a high-frequency power signal, and the reflected wave power flows back to the output terminal P2 of the directional coupler 204. To do. The reflected wave power is input to the output of the final-stage high-frequency power amplifier 202 via the directional coupler 204 and the variable impedance matching unit 203.

アンテナ207からの反射波信号の一部は、方向性結合器204の逆方向出力端子P3を経て直交検波器205に向けて出力され、反射波低域通過フィルタ209に入力される。反射波低域通過フィルタ209は、高周波電力発振部201で出力される周波数の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。反射波低域通過フィルタ209で高調波成分を抑圧された反射波電力は、反射波バッファアンプ210によって、後段の直行検波部205で直行検波するのに十分な電力まで増幅されたのち、直交検波部205へ入力される。ここで、反射波電力が直交検波するのに十分であり、増幅の必要が無い場合は、反射波バッファアンプ210は省いてもよいことは言うまでもない。直交検波部205へ入力された反射波電力は、2分配され、それぞれ、同相(I)側ミキサー213および直交(Q)側ミキサー214へ入力される。   A part of the reflected wave signal from the antenna 207 is output to the quadrature detector 205 via the backward output terminal P3 of the directional coupler 204 and input to the reflected wave low-pass filter 209. The cut-off frequency of the reflected wave low-pass filter 209 is determined so as to suppress harmonics of the frequency output from the high-frequency power oscillation unit 201. The reflected wave power whose harmonic components are suppressed by the reflected wave low-pass filter 209 is amplified by the reflected wave buffer amplifier 210 to a power sufficient for direct detection by the direct detection unit 205 at the subsequent stage, and then quadrature detection is performed. Input to the unit 205. Here, it goes without saying that the reflected wave buffer amplifier 210 may be omitted when the reflected wave power is sufficient for quadrature detection and amplification is not necessary. The reflected wave power input to the quadrature detection unit 205 is divided into two and input to the in-phase (I) side mixer 213 and the quadrature (Q) side mixer 214, respectively.

一方、電力分配器220で分配された高周波電力バッファアンプ208の出力電力の一部は、発振信号低域通過フィルタ211に入力される。このフィルタは前述の反射波低域通過フィルタ209と同様の特性を持ち、高周波電力発振部201で出力される周波数の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。発振信号低域通過フィルタ211で高調波成分を抑圧された発振信号電力は、直交検波部205へ入力される。直交検波部205へ入力された発振信号電力は、π/2移相器212に入力され、入力された発振信号電力に対して、同相の同相発振信号電力と、π/2だけ位相シフトした直交発振信号電力が出力される。同相発振信号電力は同相(I)側ミキサー213へ、直交発振信号電力は直交(Q)側ミキサー214へそれぞれ入力される。   On the other hand, part of the output power of the high-frequency power buffer amplifier 208 distributed by the power distributor 220 is input to the oscillation signal low-pass filter 211. This filter has the same characteristics as the above-described reflected wave low-pass filter 209, and the cutoff frequency is determined so as to suppress the harmonics of the frequency output from the high-frequency power oscillation unit 201. The oscillation signal power whose harmonic components are suppressed by the oscillation signal low-pass filter 211 is input to the quadrature detection unit 205. The oscillation signal power input to the quadrature detection unit 205 is input to the π / 2 phase shifter 212, and is orthogonal to the input oscillating signal power in phase with the in-phase in-phase oscillation signal power by π / 2. Oscillation signal power is output. The in-phase oscillation signal power is input to the in-phase (I) side mixer 213, and the quadrature oscillation signal power is input to the quadrature (Q) side mixer 214.

同相(I)側ミキサー213は、反射波電力を、π/2移相器212から入力された同相発振信号電力と積算することによる検波、即ち、反射波電力を同相発振信号電力で同期検波し、2つの入力信号の乗算結果として、同相(I)成分検波信号が出力され、制御部206へ入力される。同様に、直交(Q)側ミキサー214は、反射波電力を、π/2移相器212から入力された直交発振信号電力で同期検波し、直交(Q)成分検波信号が出力され、制御部206へ入力される。このとき、図2には示していないが、同相(I)成分検波信号および直交(Q)成分検波信号のS/N比を向上する目的で、同相(I)側ミキサー213および直交(Q)側ミキサー214のそれぞれの出力に低域通過フィルタを配置してもよい。   The in-phase (I) side mixer 213 performs detection by integrating the reflected wave power with the in-phase oscillation signal power input from the π / 2 phase shifter 212, that is, synchronously detects the reflected wave power with the in-phase oscillation signal power. As a result of multiplication of two input signals, an in-phase (I) component detection signal is output and input to the control unit 206. Similarly, the quadrature (Q) mixer 214 synchronously detects the reflected wave power with the quadrature oscillation signal power input from the π / 2 phase shifter 212, and outputs a quadrature (Q) component detection signal. 206 is input. At this time, although not shown in FIG. 2, in order to improve the S / N ratio of the in-phase (I) component detection signal and the quadrature (Q) component detection signal, the in-phase (I) side mixer 213 and the quadrature (Q) A low-pass filter may be arranged at each output of the side mixer 214.

直交検波部205の同相(I)側ミキサー213および直交(Q)側ミキサー214より出力され制御部206へ入力された同相(I)成分検波信号および直交(Q)成分検波信号は、それぞれ、同相(I)アナログ−デジタル変換器215および直交(Q)アナログ−デジタル変換器216へ入力され、デジタル信号に変換されて、演算処理部217へ入力される。   The in-phase (I) component detection signal and the quadrature (Q) component detection signal output from the in-phase (I) side mixer 213 and the quadrature (Q) side mixer 214 of the quadrature detection unit 205 and input to the control unit 206 are respectively in phase. (I) The signal is input to the analog-digital converter 215 and the quadrature (Q) analog-digital converter 216, converted into a digital signal, and input to the arithmetic processing unit 217.

演算処理部217は、反射波電力を発振信号電力で直交同期検波して得られた同相(I)成分検波信号および直交(Q)成分検波信号より、反射波電力のインピーダンスをデジタル演算により算出し、その演算結果を基に、データ記憶装置218に格納されたインピーダンス制御信号データを参照して、インピーダンス制御信号を決定し、インピーダンス制御信号出力部219を経て、可変インピーダンス制御部203へ出力する。   The arithmetic processing unit 217 calculates the impedance of the reflected wave power by digital calculation from the in-phase (I) component detection signal and the quadrature (Q) component detection signal obtained by quadrature synchronous detection of the reflected wave power with the oscillation signal power. Based on the calculation result, the impedance control signal is determined by referring to the impedance control signal data stored in the data storage device 218, and is output to the variable impedance control unit 203 via the impedance control signal output unit 219.

インピーダンス制御信号出力部219は、演算処理部217から入力されたインピーダンス制御信号を、可変インピーダンス整合部203の可変素子の素子値制御方法に合わせた信号形式に変換して、可変インピーダンス整合部203へ送出する。ここで述べる信号形式には、1ビット以上のデジタルデータ形式、アナログ電圧形式、更には、パルス幅変調(PWM)信号形式などが含まれる。   The impedance control signal output unit 219 converts the impedance control signal input from the arithmetic processing unit 217 into a signal format that matches the element value control method of the variable element of the variable impedance matching unit 203, and sends it to the variable impedance matching unit 203. Send it out. The signal format described here includes a digital data format of 1 bit or more, an analog voltage format, and a pulse width modulation (PWM) signal format.

上記構成によれば、反射波電力を直交検波して得られた同相検波出力信号および直交検波出力信号を、デジタル信号に変換するので、高速なデジタル演算処理が可能となり、反射波電力のインピーダンスを高速かつ容易に正確に算出することができる。よって、正確なインピーダンス制御信号を高速に可変インピーダンス整合部203へ送出し、可変インピーダンス整合部203を制御することができる。その結果、高周波電力増幅器202の高周波出力電力を低下させずに、アンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器202の破壊を防止することができる。   According to the above configuration, since the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal obtained by quadrature detection of the reflected wave power are converted into digital signals, high-speed digital arithmetic processing is possible, and the impedance of the reflected wave power is reduced. It can be calculated accurately at high speed and easily. Therefore, an accurate impedance control signal can be sent to the variable impedance matching unit 203 at high speed, and the variable impedance matching unit 203 can be controlled. As a result, it is possible to prevent the high frequency power amplifier 202 from being damaged by the reflected wave power from the antenna without reducing the high frequency output power of the high frequency power amplifier 202.

図3は、一般的な高周波電力増幅器の出力整合回路の回路構成を示す。   FIG. 3 shows a circuit configuration of an output matching circuit of a general high frequency power amplifier.

高周波電力増幅器401の出力(ドレイン)に、ある一定の電気長を有するマイクロストリップ線路403、直流カット用コンデンサ404が直列に接続され、直流カット用コンデンサ404は、出力整合回路の出力端子405に接続され、次段の回路に接続される。高周波電力増幅器401の出力の直近には、シャント用コンデンサ402の一端が接続され、シャント用コンデンサ402の他端は接地されている。更に、高周波電力増幅器401の出力とマイクロストリップ線路403の間にインダクタ406の一端が接続されており、インダクタ406の他端にはバイパスコンデンサ407の一端が接続され、バイパスコンデンサ407の他端は接地されている。また、インダクタ406とバイパスコンデンサ407の接続点は、直流電源供給端子408に接続されていて、この直流電源供給端子から高周波電力増幅器401の駆動電源(Vdd)を供給する。なお、高周波電力増幅器401の入力部の回路についての説明は、本発明に特に関連しない。よって説明は省略する。   A microstrip line 403 having a certain electrical length and a DC cut capacitor 404 are connected in series to the output (drain) of the high frequency power amplifier 401, and the DC cut capacitor 404 is connected to the output terminal 405 of the output matching circuit. And connected to the next stage circuit. One end of the shunt capacitor 402 is connected immediately to the output of the high-frequency power amplifier 401, and the other end of the shunt capacitor 402 is grounded. Furthermore, one end of an inductor 406 is connected between the output of the high-frequency power amplifier 401 and the microstrip line 403. One end of a bypass capacitor 407 is connected to the other end of the inductor 406, and the other end of the bypass capacitor 407 is grounded. Has been. The connection point between the inductor 406 and the bypass capacitor 407 is connected to the DC power supply terminal 408, and the driving power (Vdd) of the high frequency power amplifier 401 is supplied from the DC power supply terminal. Note that the description of the circuit at the input of the high-frequency power amplifier 401 is not particularly relevant to the present invention. Therefore, explanation is omitted.

インダクタ406は、高周波電力増幅器401の出力インピーダンス整合に影響しないよう、動作周波数において、十分にインピーダンスが大きくなるようにインダクタンス値を選定される。図3では、インダクタ406は、高周波電力増幅器401とマイクロストリップ線路403の間に接続されているが、マイクロストリップ線路403と直流カット用コンデンサ404の間に接続しても構わない。   Inductor 406 has an inductance value selected so that the impedance is sufficiently large at the operating frequency so as not to affect the output impedance matching of high-frequency power amplifier 401. In FIG. 3, the inductor 406 is connected between the high frequency power amplifier 401 and the microstrip line 403, but may be connected between the microstrip line 403 and the DC cut capacitor 404.

通常は、シャント用コンデンサ402とマイクロストリップ線路403で、高周波電力増幅器401の出力インピーダンスの整合をとるが、直流カット用コンデンサ404をインピーダンス整合用のコンデンサとして使用しても構わない。   Usually, the output impedance of the high-frequency power amplifier 401 is matched by the shunt capacitor 402 and the microstrip line 403, but the DC cut capacitor 404 may be used as an impedance matching capacitor.

図4は、マイクロストリップ線路403の電気長が変化した場合のインピーダンスの変化を模式的に示した図である。初期のインピーダンスをA点とした場合、マイクロストリップ線路403の電気長を長くした場合にはB点に、逆に、電気長を短くした場合はC点に、それぞれインピーダンスが変化する。従って、マイクロストリップ線路403の電気長を変化させることで、伝送線路の移相量を変化させることができる。   FIG. 4 is a diagram schematically showing a change in impedance when the electrical length of the microstrip line 403 is changed. When the initial impedance is point A, the impedance changes to point B when the electrical length of the microstrip line 403 is increased, and conversely to point C when the electrical length is shortened. Therefore, the phase shift amount of the transmission line can be changed by changing the electrical length of the microstrip line 403.

また、直流カット用コンデンサ404をインピーダンス整合用可変素子として使用して、コンデンサの静電容量を変化させた場合、初期のインピーダンスを図4に示すA点とすると、直流カット用コンデンサ404の静電容量を大きくした場合にはB点に、逆に、静電容量を小さくした場合はC点に、それぞれインピーダンスが変化する。従って、直流カット用コンデンサ404の静電容量を変化させることで、伝送線路の移相量を変化させることができる。   In addition, when the DC cut capacitor 404 is used as an impedance matching variable element and the capacitance of the capacitor is changed, assuming that the initial impedance is a point A shown in FIG. When the capacitance is increased, the impedance changes to point B. Conversely, when the capacitance is reduced, the impedance changes to point C. Therefore, the phase shift amount of the transmission line can be changed by changing the capacitance of the DC cut capacitor 404.

可変インピーダンス制御部203は、制御部206のインピーダンス制御信号出力部219より適切な信号形式に変換されて入力されたインピーダンス制御信号により、上記のマイクロストリップ線路403や直流カット用コンデンサ404などの可変素子の素子値を変化させることによって、信号伝送線路の移相量を変化し、最終段高周波電力増幅器202の出力からみた可変インピーダンス整合部203の入力インピーダンスを変化させるように動作するよう構成される。   The variable impedance control unit 203 is a variable element such as the microstrip line 403 or the DC cut capacitor 404 described above according to the impedance control signal converted into an appropriate signal format from the impedance control signal output unit 219 of the control unit 206 and input. By changing the element value, the phase shift amount of the signal transmission line is changed, and the input impedance of the variable impedance matching unit 203 viewed from the output of the final-stage high-frequency power amplifier 202 is changed.

すなわち、同相検波出力信号および直交検波出力信号を基に、電力増幅器202の出力からみた可変インピーダンス整合部203の入力における反射波のインピーダンスを電力増幅器202が破壊されないインピーダンス領域に制御することで、高周波出力電力を低下させずに、アンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器の破壊を防止することが可能な大電力高周波出力装置200を実現することができる。   That is, based on the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal, the impedance of the reflected wave at the input of the variable impedance matching unit 203 viewed from the output of the power amplifier 202 is controlled to an impedance region where the power amplifier 202 is not destroyed. A high-power high-frequency output device 200 that can prevent destruction of the high-frequency power amplifier due to reflected wave power from the antenna without reducing the output power can be realized.

なお、本実施形態においては、反射波のインピーダンスを検出するために方向性結合器を利用した。しかしこれは例である。他の構成によっても実現できる。   In this embodiment, a directional coupler is used to detect the impedance of the reflected wave. But this is an example. It can be realized by other configurations.

ここで、図5および6を参照しながら、電力増幅器202が破壊されないインピーダンス領域を説明する。   Here, an impedance region where the power amplifier 202 is not destroyed will be described with reference to FIGS.

図5は、電力増幅器202のドレイン電流(Id)ロードプルデータの一例を示す。このような増幅器出力のインピーダンスに対するドレイン電流の分布は、一般に使われるロードプル法により、容易に測定できる。   FIG. 5 shows an example of drain current (Id) load pull data of the power amplifier 202. The distribution of the drain current with respect to the impedance of the amplifier output can be easily measured by a commonly used load pull method.

たとえば制御部206のデータ記憶装置218は、図5に示すドレイン電流(Id)ロードプルデータを予め保持している。演算部217は、反射波のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスを用いて保持されているロードプルデータを参照して、インピーダンスの調整の要否を決定し、必要な場合にはさらにそのロードプルデータに基づいてインピーダンスを調整する。   For example, the data storage device 218 of the control unit 206 holds the drain current (Id) load pull data shown in FIG. 5 in advance. The computing unit 217 detects the impedance of the reflected wave, refers to the load pull data held using the detected impedance, determines whether or not to adjust the impedance, and if necessary, further determines the load pull. Adjust the impedance based on the data.

本実施形態では、ドレイン電流(Id)=500mAにおいて増幅器が過電流により破壊されるとする。この電流値も実験等によって特定することが可能である。   In this embodiment, it is assumed that the amplifier is destroyed by an overcurrent at a drain current (Id) = 500 mA. This current value can also be specified by experiments or the like.

Id>500mAとなる領域、即ち、図5中のドレイン電流(Id)=500mAによって囲まれる領域が、電力増幅器202が過電流により破壊されるインピーダンス領域となる。この領域を、以下「破壊領域」という。   A region where Id> 500 mA, that is, a region surrounded by the drain current (Id) = 500 mA in FIG. 5 is an impedance region where the power amplifier 202 is destroyed by an overcurrent. This area is hereinafter referred to as “destructive area”.

従って、「電力増幅器が破壊されない領域」とは、電流値が耐破壊限界以下となる、図5中のドレイン電流(Id)=500mAによって囲まれる破壊領域の外の領域を意味している。制御部206は、電力増幅器202が破壊されない領域に反射波電力のインピーダンスが入るよう、インピーダンス制御信号を生成し、可変インピーダンス整合部203を制御する。なお、図から明らかなように、反射波電力のインピーダンスは「破壊領域」か「破壊領域以外の領域」かに分類することが可能であり、そのいずれに属するかによって、後の制御方法が異なっている。   Therefore, the “region where the power amplifier is not destroyed” means a region outside the destruction region surrounded by the drain current (Id) = 500 mA in FIG. The control unit 206 generates an impedance control signal and controls the variable impedance matching unit 203 so that the impedance of the reflected wave power enters a region where the power amplifier 202 is not destroyed. As is clear from the figure, the impedance of the reflected wave power can be classified as “destructive region” or “region other than the destructive region”, and the subsequent control method differs depending on which of them belongs. ing.

次に、図6を参照しながら、検出した反射波電力のインピーダンスに応じたインピーダンスの制御方法を説明する。図6は、位相を回す方向を説明するための図である。   Next, an impedance control method according to the detected impedance of the reflected wave power will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the direction in which the phase is rotated.

まず、反射波電力のインピーダンスが破壊領域外にある場合、たとえば図6中D点に位置している場合には、移相制御を行う必要はない。制御部206は、位相を変化させるインピーダンス制御信号を出力しないため、可変インピーダンス整合部203の移相量に変化はない。   First, when the impedance of the reflected wave power is outside the destruction region, for example, when it is located at point D in FIG. 6, it is not necessary to perform phase shift control. Since the control unit 206 does not output an impedance control signal for changing the phase, the phase shift amount of the variable impedance matching unit 203 does not change.

次に、反射波電力のインピーダンスが破壊領域内にある場合、たとえば図6中A、B、C点に位置している場合には、以下のように移相量を制御する。   Next, when the impedance of the reflected wave power is within the breakdown region, for example, when it is located at points A, B, and C in FIG. 6, the amount of phase shift is controlled as follows.

原則としては、破壊領域外へインピーダンスを変化させるために、制御部206は、移相量が少ない方向に移相する。そして、インピーダンスが破壊領域のほぼ中央にあることにより、移相量がどの方向においても同等の場合には、実軸に近づける方向に移相する。   In principle, in order to change the impedance out of the breakdown region, the control unit 206 shifts the phase in the direction in which the amount of phase shift is small. When the phase shift amount is the same in any direction due to the impedance being substantially at the center of the breakdown region, the phase shifts in a direction approaching the real axis.

図6中A、B、C点を例に挙げて説明する。   Description will be made by taking points A, B, and C in FIG. 6 as examples.

反射波電力のインピーダンスが図6のA点に位置する場合、移送量の最も小さい方向である、A→A'の方向へインピーダンスを移相するよう、インピーダンスが制御される。この移送を実現するためには、図8〜10に関連して後述するように、直列のインダクタLのインダクタンス値を大きくする、または、直列コンデンサCの静電容量を小さくすればよい。   When the impedance of the reflected wave power is located at point A in FIG. 6, the impedance is controlled so that the impedance is shifted in the direction of A → A ′, which is the direction of the smallest transfer amount. In order to realize this transfer, as described later with reference to FIGS. 8 to 10, the inductance value of the series inductor L may be increased, or the capacitance of the series capacitor C may be decreased.

また、反射波電力のインピーダンスが図6のB点に位置する場合、移送量の最も小さい方向である、B→B' の方向へインピーダンスを移相するよう、インピーダンスが制御される。この移送を実現するためには、図8〜10に関連して後述するように、直列のインダクタLのインダクタンス値を小さくする、または、直列コンデンサCの静電容量を大きくすればよい。   Further, when the impedance of the reflected wave power is located at the point B in FIG. 6, the impedance is controlled so that the impedance is shifted in the direction of B → B ′, which is the direction of the smallest transfer amount. In order to realize this transfer, as will be described later with reference to FIGS. 8 to 10, the inductance value of the series inductor L may be reduced, or the capacitance of the series capacitor C may be increased.

一方、反射波電力のインピーダンスが図6のC点に位置する場合、インピーダンスが破壊領域のほぼ中央にあるため、C→C' の方向へインピーダンスを移相するよう、インピーダンスが制御される。この移送を実現するためには、図8〜10に関連して後述するように、直列のインダクタLのインダクタンス値を小さくする、または、直列コンデンサCの静電容量を大きくすればよい。   On the other hand, when the impedance of the reflected wave power is located at the point C in FIG. 6, the impedance is controlled so that the impedance is shifted in the direction of C → C ′ because the impedance is substantially at the center of the destruction region. In order to realize this transfer, as will be described later with reference to FIGS. 8 to 10, the inductance value of the series inductor L may be reduced, or the capacitance of the series capacitor C may be increased.

なお、「インピーダンスが破壊領域のほぼ中央にある」とは、インピーダンスを破壊領域の外へ動かすために回さなければいけない位相角度、すなわち、図6における、A→A’の角度およびB→B’の角度、が実質的に同じになることをいう。   Note that “impedance is approximately in the center of the breakdown region” means that the phase angle that must be turned to move the impedance out of the breakdown region, that is, the angle A → A ′ and B → B in FIG. It means that the angle of 'becomes substantially the same.

次に、図7を参照しながら、大電力高周波出力装置200の初期動作を説明する。初期動作を特にとりあげる理由は、システム起動時により安全に動作させるためである。システム起動時は反射波電力のインピーダンスが制御できていないため、その状態において電力増幅器202を高出力動作させると、電力増幅器202が破壊される可能性がある。そこで、システム起動時は、電力増幅器202は低出力動作させ、反射波のインピーダンスを検出し、反射波インピーダンスの破壊領域外への制御が完了した後に、電力増幅器202を通常の高出力動作させるように制御するのが好ましい。   Next, the initial operation of the high-power high-frequency output device 200 will be described with reference to FIG. The reason for taking the initial operation in particular is to make it operate more safely when the system is started. Since the impedance of the reflected wave power cannot be controlled at the time of starting the system, if the power amplifier 202 is operated at a high output in that state, the power amplifier 202 may be destroyed. Therefore, at the time of starting the system, the power amplifier 202 is operated at a low output, the impedance of the reflected wave is detected, and after the control of the reflected wave impedance outside the destruction region is completed, the power amplifier 202 is operated at a normal high output. It is preferable to control it.

図7は、大電力高周波出力装置200の初期動作のアルゴリズムを示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing an algorithm of an initial operation of the high-power high-frequency output device 200.

ステップS1において、電力増幅器202は低出力で動作を開始する。次のステップS2において、制御部206は反射波のインピーダンスを検出する。そしてステップS3において、反射波のインピーダンスが破壊領域内か否かを判定する。破壊領域内であればステップS4に進み、図6とともに説明した方法によってインピーダンスの移相量を制御する。一方、破壊領域内でなければステップS5に進む。   In step S1, the power amplifier 202 starts operating at a low output. In the next step S2, the control unit 206 detects the impedance of the reflected wave. In step S3, it is determined whether or not the impedance of the reflected wave is within the destruction region. If it is within the destruction region, the process proceeds to step S4, and the impedance phase shift amount is controlled by the method described with reference to FIG. On the other hand, if it is not in the destruction area, the process proceeds to step S5.

ステップS5においては位相が制御されているため、電力増幅器202は高出力で動作する。その後も通常の高出力動作を行うが、常時または間欠的に反射波のインピーダンスを監視し(ステップS6)、必要に応じてステップS2以降の処理を行う。   In step S5, since the phase is controlled, the power amplifier 202 operates at a high output. Thereafter, the normal high output operation is performed, but the impedance of the reflected wave is monitored constantly or intermittently (step S6), and the processes after step S2 are performed as necessary.

このようにシステム起動時の初期制御をすることにより、システム起動時の反射波インピーダンスが破壊領域内であった場合に、いきなり増幅器が破壊してしまうのを防ぐことができる。   By performing the initial control at the time of starting the system in this way, it is possible to prevent the amplifier from being suddenly destroyed when the reflected wave impedance at the time of starting the system is within the destruction region.

次に、図8〜10を参照しながら、本実施形態による可変インピーダンス整合部203の構成例を説明する。   Next, a configuration example of the variable impedance matching unit 203 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図8に示すように、高周波電力増幅器651の出力(ドレイン)は、第1の直流カット用コンデンサ602、マイクロストリップ線路603、第2の直流カット用コンデンサ604、出力端子606の順に直列に接続されている。また、高周波電力増幅器651の出力とGND間に、シャント用コンデンサ601が接続されている。また、マイクロストリップ線路603と第2の直流カット用コンデンサ604の間に抵抗器605の一端が接続され、抵抗器605の他端は、制御電圧入力端子607に接続されている。また、高周波電力増幅器651の出力にインダクタ652の一端が接続され、インダクタ652の他端は直流電源供給端子654の一端に接続されている。更に、インダクタ652と直流電源供給端子654の間とGND間にバイパスコンデンサ653の一端が接続されている。   As shown in FIG. 8, the output (drain) of the high-frequency power amplifier 651 is connected in series in the order of the first DC cut capacitor 602, the microstrip line 603, the second DC cut capacitor 604, and the output terminal 606. ing. A shunt capacitor 601 is connected between the output of the high-frequency power amplifier 651 and GND. One end of a resistor 605 is connected between the microstrip line 603 and the second DC cut capacitor 604, and the other end of the resistor 605 is connected to a control voltage input terminal 607. In addition, one end of an inductor 652 is connected to the output of the high frequency power amplifier 651, and the other end of the inductor 652 is connected to one end of a DC power supply terminal 654. Further, one end of a bypass capacitor 653 is connected between the inductor 652 and the DC power supply terminal 654 and between GND.

このとき、マイクロストリップ線路603は、誘電体に強誘電体を使用した、強誘電体基板上に形成されている。また、第1の直流カット用コンデンサ602および第2の直流カット用コンデンサ604は、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に小さくなるように、それぞれのコンデンサの容量値が選定されている。また、インダクタ652は、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に大きくなるようにインダクタのインダクタンス値が選定されている。   At this time, the microstrip line 603 is formed on a ferroelectric substrate using a ferroelectric as a dielectric. Further, the first DC cut capacitor 602 and the second DC cut capacitor 604 have respective capacitor capacities so that the impedance becomes sufficiently small at the frequency at which the circuit operates so as not to affect the impedance matching. A value is selected. Further, the inductor 652 has an inductance value selected so that the impedance becomes sufficiently large at the frequency at which the circuit operates so as not to affect the impedance matching.

また、抵抗器605は、通常は、数百Ω〜数kΩの抵抗値を有する固定抵抗器を用いるが、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に大きくなるインダクタンス値を有するインダクタを用いてもよい。   The resistor 605 normally uses a fixed resistor having a resistance value of several hundred Ω to several kΩ, but may be an inductor having an inductance value with which the impedance becomes sufficiently large at the frequency at which the circuit operates. Good.

図8の構成において、制御電圧入力端子607に直流電圧を印加すると、直流的には回路はOPENであるので、抵抗器605を介してもマイクロストリップ線路603には、制御電圧入力端子607に印加した直流電圧と同じ電圧が印加されることになり、マイクロストリップ線路603を形成する強誘電体基板に同電圧が印加された状態となる。強誘電体は、印加する電圧を変化させることにより、その誘電率が変化する材料である。従って、強誘電体基板上に形成したマイクロストリップ線路に直流電圧を印加し、その電圧を変化させることにより、伝送線路とGND間の誘電率が変化し、その結果、マイクロストリップ線路の電気長が変化する。従って、制御電圧入力端子607に印加する直流電圧を変化させることにより、マイクロストリップ線路603の電気長を変化させ、結果として、移相量を変化させることができる。   In the configuration of FIG. 8, when a DC voltage is applied to the control voltage input terminal 607, the circuit is OPEN in terms of DC, so that the microstrip line 603 is also applied to the control voltage input terminal 607 via the resistor 605. The same voltage as the DC voltage thus applied is applied, and the same voltage is applied to the ferroelectric substrate forming the microstrip line 603. A ferroelectric is a material whose dielectric constant changes when an applied voltage is changed. Therefore, by applying a DC voltage to the microstrip line formed on the ferroelectric substrate and changing the voltage, the dielectric constant between the transmission line and GND changes, and as a result, the electrical length of the microstrip line is reduced. Change. Therefore, by changing the DC voltage applied to the control voltage input terminal 607, the electrical length of the microstrip line 603 can be changed, and as a result, the phase shift amount can be changed.

図8の構成の場合、制御電圧入力端子607に直流電圧を供給する、インピーダンス制御信号出力部219は、演算処理部217より入力されたインピーダンス制御信号を直流電圧に変換して、制御電圧入力端子607に供給するので、デジタル−アナログ変換器で構成するか、もしくは、インピーダンス制御信号出力部219と制御電圧入力端子607の間に積分器(図示せず)を配置して、パルス幅変調(PWM)信号出力で構成するのが好ましいが、それに限るものではない。   In the case of the configuration of FIG. 8, the impedance control signal output unit 219 that supplies a DC voltage to the control voltage input terminal 607 converts the impedance control signal input from the arithmetic processing unit 217 into a DC voltage, and the control voltage input terminal 607 is configured by a digital-analog converter, or an integrator (not shown) is arranged between the impedance control signal output unit 219 and the control voltage input terminal 607 to perform pulse width modulation (PWM ) It is preferable to configure with signal output, but it is not limited thereto.

続いて、図9に示すように、高周波電力増幅器751の出力(ドレイン)に、シャント用コンデンサ701、第1の直流カット用コンデンサ702、インダクタ752のそれぞれの一端が接続されており、シャント用コンデンサ701の他端はGNDに、第1の直流カット用コンデンサ702の他端は第1の高周波スイッチ706のCommon端子に、インダクタ752の他端はバイパスコンデンサ753、及び直流電源供給端子754にそれぞれ接続され、バイパスコンデンサ753の他端はGNDに接続されている。   Subsequently, as shown in FIG. 9, one end of each of a shunt capacitor 701, a first DC cut capacitor 702, and an inductor 752 is connected to the output (drain) of the high-frequency power amplifier 751. The other end of the first DC cut capacitor 702 is connected to the common terminal of the first high frequency switch 706, and the other end of the inductor 752 is connected to the bypass capacitor 753 and the DC power supply terminal 754, respectively. The other end of the bypass capacitor 753 is connected to GND.

第1の高周波スイッチ706の、(a)側端子は第1のマイクロストリップ線路703の一端に、(b)側端子は第2のマイクロストリップ線路704の一端に、それぞれ接続され、第1のマイクロストリップ線路703の他端は第2の高周波スイッチ707の(a)側端子に、第2のマイクロストリップ線路704の他端は第2の高周波スイッチ707の(b)側端子にそれぞれ接続されている。第2の高周波スイッチ707のCommon端子は第2の直流カット用コンデンサ705の一端に接続され、第2の直流カット用コンデンサ705の他端は出力端子708に接続されている。   The first high-frequency switch 706 has its (a) side terminal connected to one end of the first microstrip line 703 and (b) side terminal connected to one end of the second microstrip line 704, respectively. The other end of the strip line 703 is connected to the (a) side terminal of the second high frequency switch 707, and the other end of the second microstrip line 704 is connected to the (b) side terminal of the second high frequency switch 707. . The common terminal of the second high frequency switch 707 is connected to one end of the second DC cut capacitor 705, and the other end of the second DC cut capacitor 705 is connected to the output terminal 708.

更に、第1の高周波スイッチ706の制御端子と第2の高周波スイッチ707の制御端子が接続されており、制御信号入力端子709に接続されている。制御信号入力端子709に入力された制御信号により、第1の高周波スイッチ706と第2の高周波スイッチ707は同時に動作し、第1の高周波スイッチ706と第2の高周波スイッチ707が共に(a)端子側に接続された状態(以下、この状態を第1の状態と称す)と、第1の高周波スイッチ706と第2の高周波スイッチ707が共に(b)端子側に接続された状態(以下、この状態を第2の状態と称す)の2通りの状態が選択的に制御される。   Furthermore, the control terminal of the first high-frequency switch 706 and the control terminal of the second high-frequency switch 707 are connected, and are connected to the control signal input terminal 709. The first high-frequency switch 706 and the second high-frequency switch 707 are operated simultaneously by the control signal input to the control signal input terminal 709, and both the first high-frequency switch 706 and the second high-frequency switch 707 are connected to the terminal (a). (B) a state in which both the first high frequency switch 706 and the second high frequency switch 707 are connected to the terminal side (hereinafter, this state is referred to as the first state). The two states (the state is referred to as the second state) are selectively controlled.

また、第1の直流カット用コンデンサ702および第2の直流カット用コンデンサ705は、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に小さくなるように、それぞれのコンデンサの容量値が選定されている。また、インダクタ752は、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に大きくなるようにインダクタのインダクタンス値が選定されている。   Further, the first DC cut capacitor 702 and the second DC cut capacitor 705 have respective capacitor capacities so that the impedance is sufficiently small at the frequency at which the circuit operates so as not to affect the impedance matching. A value is selected. Further, the inductor 752 has an inductance value selected so that the impedance becomes sufficiently large at the frequency at which the circuit operates so as not to affect the impedance matching.

ここで、第1のマイクロストリップ線路703及び第2のマイクロストリップ線路704は、それぞれ電気長が異なるよう設計されており、第1の高周波スイッチ706と第2の高周波スイッチ707を、制御信号入力端子709に入力する制御信号を切換えて、上記第1の状態及び第2の状態に経路を切換えることにより、マイクロストリップ線路部分の電気長を、予め設定された2種類の電気長に、選択的に切換えることができ、結果として、2種類の移相量を選択的に切換えることができる。   Here, the first microstrip line 703 and the second microstrip line 704 are designed to have different electrical lengths, and the first high frequency switch 706 and the second high frequency switch 707 are connected to the control signal input terminal. By switching the control signal input to 709 and switching the path to the first state and the second state, the electrical length of the microstrip line portion is selectively set to two preset electrical lengths. As a result, two kinds of phase shift amounts can be selectively switched.

図9の構成の場合、電気長の異なる2種類のマイクロストリップ線路を切換えて、2種類の移相量を切換える構成としたが、それに限るものではなく、3種類、またはそれ以上の種類のマイクロストリップ線路を切換える構成としてもよい。   In the case of the configuration of FIG. 9, two types of microstrip lines having different electrical lengths are switched to switch two types of phase shift amounts. However, the configuration is not limited to this, and three or more types of microstrip lines are switched. The strip line may be switched.

また、図9の構成の場合、制御信号入力端子709に制御信号を供給する、インピーダンス制御信号出力部219は、演算処理部217より入力されたインピーダンス制御信号を、1ビット以上の2値信号に変換して、制御信号入力端子709に出力する構成とするのが好ましい。   9, the impedance control signal output unit 219 that supplies a control signal to the control signal input terminal 709 converts the impedance control signal input from the arithmetic processing unit 217 into a binary signal of 1 bit or more. It is preferable that the signal is converted and output to the control signal input terminal 709.

図10に示すように、高周波電力増幅器851の出力(ドレイン)に、シャント用コンデンサ801、マイクロストリップ線路802、インダクタ852のそれぞれの一端が接続されており、シャント用コンデンサ801の他端はGNDに、インダクタ852の他端はバイパスコンデンサ853の一端、及び直流電源供給端子854にそれぞれ接続され、バイパスコンデンサ853の他端はGNDに接続されている。マイクロストリップ線路802の他端は、第1の直流カット用コンデンサ803の一端に接続され、第1の直流カット用コンデンサ803の他端は、インダクタ807、及びバラクタダイオード804のアノード端子に接続され、インダクタ807の他端は、GNDに接続されている。   As shown in FIG. 10, one end of each of a shunt capacitor 801, a microstrip line 802, and an inductor 852 is connected to the output (drain) of the high-frequency power amplifier 851, and the other end of the shunt capacitor 801 is connected to GND. The other end of the inductor 852 is connected to one end of a bypass capacitor 853 and a DC power supply terminal 854, and the other end of the bypass capacitor 853 is connected to GND. The other end of the microstrip line 802 is connected to one end of the first DC cut capacitor 803, and the other end of the first DC cut capacitor 803 is connected to the inductor 807 and the anode terminal of the varactor diode 804. The other end of the inductor 807 is connected to GND.

バラクタダイオード804のカソード端子は、インダクタ806、及び第2の直流カット用コンデンサ805のそれぞれの一端に接続され、インダクタ806の他端は、制御電圧入力端子809に接続され、第2の直流カット用コンデンサ805の他端は出力端子808に接続されている。   The cathode terminal of the varactor diode 804 is connected to one end of each of the inductor 806 and the second DC cut capacitor 805, and the other end of the inductor 806 is connected to the control voltage input terminal 809 for the second DC cut use. The other end of the capacitor 805 is connected to the output terminal 808.

また、第1の直流カット用コンデンサ803および第2の直流カット用コンデンサ805は、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に小さくなるように、それぞれのコンデンサの容量値が選定されている。また、インダクタ852、804、806はいずれも、インピーダンス整合に影響しないように、回路が動作する周波数において、インピーダンスが十分に大きくなるようにそれぞれのインダクタのインダクタンス値が選定されている。   Further, the first DC cut capacitor 803 and the second DC cut capacitor 805 have capacities of the respective capacitors so that the impedance becomes sufficiently small at the frequency at which the circuit operates so as not to affect the impedance matching. A value is selected. Inductors 852, 804, and 806 are selected so that the impedance of each inductor is sufficiently large at the frequency at which the circuit operates so that impedance matching is not affected.

図10では、インダクタ852は、高周波電力増幅器851の出力とマイクロストリップ線路802の間に接続されているが、マイクロストリップ線路802と第1の直流カット用コンデンサ803の間に接続しても構わない。   In FIG. 10, the inductor 852 is connected between the output of the high-frequency power amplifier 851 and the microstrip line 802, but may be connected between the microstrip line 802 and the first DC cut capacitor 803. .

図10の構成において、制御電圧入力端子809に直流電圧を印加すると、直流的には、インダクタ806、バラクタダイオード804、インダクタ807の直列回路となるので、バラクタダイオード804のカソード端子とアノード端子間に、逆バイアス電圧が掛かることになる。バラクタダイオードは、カソード端子とアノード端子間の逆バイアス電圧を変化させることにより、その両端子間の静電容量が変化する特性を有する。従って、バラクタダイオードのカソード端子とアノード端子間の逆バイアス電圧を変化させることにより、その両端子間の静電容量が変化し、その結果、伝送路の直列コンデンサの静電容量が変化する。従って、制御電圧入力端子809に印加する直流電圧を変化させることにより、伝送路の直列コンデンサの静電容量を変化させ、結果として、伝送路の移相量を変化させることができる。   In the configuration of FIG. 10, when a DC voltage is applied to the control voltage input terminal 809, a DC circuit is a series circuit of an inductor 806, a varactor diode 804, and an inductor 807. A reverse bias voltage is applied. The varactor diode has a characteristic that the capacitance between the two terminals is changed by changing the reverse bias voltage between the cathode terminal and the anode terminal. Therefore, by changing the reverse bias voltage between the cathode terminal and the anode terminal of the varactor diode, the capacitance between both terminals changes, and as a result, the capacitance of the series capacitor in the transmission line changes. Therefore, by changing the DC voltage applied to the control voltage input terminal 809, the capacitance of the series capacitor of the transmission line can be changed, and as a result, the phase shift amount of the transmission line can be changed.

図10の構成の場合、制御電圧入力端子809に直流電圧を供給する、インピーダンス制御信号出力部219は、演算処理部217より入力されたインピーダンス制御信号を直流電圧に変換して、制御電圧入力端子809に供給するので、デジタル−アナログ変換器で構成するか、もしくは、インピーダンス制御信号出力部219と制御電圧入力端子809の間に積分器(図示せず)を配置して、パルス幅変調(PWM)信号出力で構成するのが好ましいが、それに限るものではない。   In the case of the configuration of FIG. 10, the impedance control signal output unit 219 that supplies a DC voltage to the control voltage input terminal 809 converts the impedance control signal input from the arithmetic processing unit 217 into a DC voltage, and the control voltage input terminal 809 is configured by a digital-analog converter, or an integrator (not shown) is arranged between the impedance control signal output unit 219 and the control voltage input terminal 809 to perform pulse width modulation (PWM ) It is preferable to configure with signal output, but it is not limited thereto.

上記したように、本実施形態によれば、機器の使用状態やアンテナ周囲の環境変化などにより、アンテナのインピーダンス整合が崩れることにより、アンテナで反射が起こった場合でも、アンテナから電力増幅器へ逆流する反射波電力を取出し、直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を基に、電力増幅器出力からみた可変インピーダンス整合部の入力における反射波のインピーダンスを電力増幅器が破壊されないインピーダンス領域に制御することで、高周波電力増幅器の高周波出力電力を低下させずに、アンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器の破壊を防止することができる、大電力高周波出力装置を実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, even when reflection occurs in the antenna due to the impedance matching of the antenna being broken due to the usage state of the device or the environmental change around the antenna, the antenna flows back to the power amplifier. Takes out reflected wave power, performs quadrature detection, and controls the impedance of the reflected wave at the input of the variable impedance matching unit viewed from the power amplifier output to an impedance region where the power amplifier is not destroyed based on the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal Thus, it is possible to realize a high-power high-frequency output device that can prevent the high-frequency power amplifier from being destroyed by reflected wave power from the antenna without reducing the high-frequency output power of the high-frequency power amplifier.

図11は、電子レンジ901の外観図である。電子レンジ901は大電力高周波出力装置200を備えており、大電力高周波出力装置200のアンテナ207から出力される大電力高周波により、食品を加熱することができる。   FIG. 11 is an external view of the microwave oven 901. The microwave oven 901 includes a high-power high-frequency output device 200, and can heat food by high-power high-frequency output from the antenna 207 of the high-power high-frequency output device 200.

また図12は、携帯電話等の基地局の電波塔902の外観図である。電波塔902は大電力高周波出力装置200を備えており、大電力高周波出力装置200のアンテナ207から出力される大電力高周波により、通信を行うことができる。   FIG. 12 is an external view of a radio tower 902 of a base station such as a mobile phone. The radio tower 902 includes a high-power high-frequency output device 200, and communication can be performed by the high-power high-frequency output from the antenna 207 of the high-power high-frequency output device 200.

図11に示す電子レンジ901および図12に示す電波塔902のいずれについても、アイソレータ等の高価な部品は不要である。また、高周波電力増幅器の高周波出力電力を低下させずに、アンテナのインピーダンス不整合に起因するアンテナからの反射波電力による高周波電力増幅器の破壊を防止することができる。   Both the microwave oven 901 shown in FIG. 11 and the radio wave tower 902 shown in FIG. 12 do not require expensive parts such as an isolator. Further, it is possible to prevent the high frequency power amplifier from being destroyed by the reflected wave power from the antenna due to the impedance mismatch of the antenna without reducing the high frequency output power of the high frequency power amplifier.

これまでは、方向性結合器を用いて反射波信号の一部を取り出すとして説明した。しかしながら方向性結合器は例であり、他の構成を利用することもできる。以下、図13および14を参照しながら説明する。   So far, it has been described that a part of the reflected wave signal is extracted using a directional coupler. However, the directional coupler is an example, and other configurations can be utilized. Hereinafter, a description will be given with reference to FIGS.

図13は、方向性結合器に代えて、サーキュレーター253を用いた大電力高周波出力装置200の一部の構成を示す。   FIG. 13 shows a partial configuration of a high-power high-frequency output device 200 using a circulator 253 instead of the directional coupler.

サーキュレーター253は、同じ周波数で動作する送信回路及び受信回路を1つのアンテナに接続する場合などに用いられる磁石を用いた高周波受動素子である。あるポートに入力された信号は、特定の次のポートからのみ出力される。図13によれば、端子P1→端子P2,端子P2→端子P3,端子P3→端子P1の方向にのみ信号が通過する。   The circulator 253 is a high-frequency passive element using a magnet that is used when a transmission circuit and a reception circuit that operate at the same frequency are connected to one antenna. A signal input to a certain port is output only from a specific next port. According to FIG. 13, a signal passes only in the direction of terminal P1, terminal P2, terminal P2, terminal P3, terminal P3, and terminal P1.

よって、サーキュレーター253は、可変インピーダンス整合部203からの高周波電力信号を端子P1で受けて端子P2からアンテナ207へ向けて通過させることができる。また、アンテナ207からの反射波信号を端子P2で受けて端子P3から直交検波器209の方へ向けて分波することができる。   Therefore, the circulator 253 can receive the high frequency power signal from the variable impedance matching unit 203 at the terminal P 1 and pass it from the terminal P 2 toward the antenna 207. Further, the reflected wave signal from the antenna 207 can be received at the terminal P2 and demultiplexed from the terminal P3 toward the quadrature detector 209.

なお、方向性結合器に比べると、サーキュレーター253では反射波の分波レベルは大きくなるため、直交検波器206前の増幅器(図2の反射波バッファアンプ210)の利得を小さくできるか、もしくは省くことができる。   Compared to the directional coupler, the demultiplexing level of the reflected wave is increased in the circulator 253, and therefore the gain of the amplifier (the reflected wave buffer amplifier 210 in FIG. 2) before the quadrature detector 206 can be reduced or omitted. be able to.

図14は、方向性結合器に代えて、ハイブリッド・カプラ263を用いた大電力高周波出力装置の一部の構成を示す。   FIG. 14 shows a partial configuration of a high-power high-frequency output device using a hybrid coupler 263 instead of the directional coupler.

ハイブリッド・カプラ263は、マイクロストリップ線路による位相操作により、方向性結合器と同様の出力を得る回路要素である。ハイブリッド・カプラ263のあるポートに入力された信号は、特定の次のポートからのみ出力される。具体的には、端子P1から端子P2への信号は端子P3には出力されない。一方、端子P2に入力された信号は、端子P3に出力される。   The hybrid coupler 263 is a circuit element that obtains an output similar to that of a directional coupler by phase operation using a microstrip line. A signal input to a certain port of the hybrid coupler 263 is output only from a specific next port. Specifically, a signal from the terminal P1 to the terminal P2 is not output to the terminal P3. On the other hand, the signal input to the terminal P2 is output to the terminal P3.

よって、ハイブリッド・カプラ263は、可変インピーダンス整合部203からの高周波電力信号を端子P1で受けて端子P2からアンテナ207へ向けて通過させることができる。また、アンテナ207からの反射波信号を端子P2で受けて端子P3から直交検波器209の方へ向けて分波することができる。   Therefore, the hybrid coupler 263 can receive the high frequency power signal from the variable impedance matching unit 203 at the terminal P 1 and pass it from the terminal P 2 toward the antenna 207. Further, the reflected wave signal from the antenna 207 can be received at the terminal P2 and demultiplexed from the terminal P3 toward the quadrature detector 209.

方向性結合器214に比較すると、ハイブリッド・カプラ263は、結合度を大きくでき、反射波の分波レベルも大きく取れる。ただし、通過損失はより大きくなるので、ロスと結合度とを最適化することが必要となる。   Compared to the directional coupler 214, the hybrid coupler 263 can increase the degree of coupling, and can also increase the demultiplexing level of the reflected wave. However, since the passage loss becomes larger, it is necessary to optimize the loss and the degree of coupling.

上述した実施形態において、図6を参照しながら、位相を回す方向(移相制御方法)を説明した。図6の方法では、回す角度が小さくなる方向に移送制御を行った。   In the embodiment described above, the direction in which the phase is rotated (phase shift control method) has been described with reference to FIG. In the method of FIG. 6, the transfer control is performed in the direction in which the turning angle becomes smaller.

しかしながら、一度移送制御を行った後、再び反射状態が変わって、再度移送制御を行う場合には、できるだけ初期のインピーダンス、すなわち、可変素子の素子値が、制御可能範囲の中央付近になるインピーダンスに近づけるように制御することが好ましい。そこで、以下のような移送制御を行えばよい。なお、上述のように「可変素子」とは、マイクロストリップ線路403や直流カット用コンデンサ404(図3)などに相当する。   However, after the transfer control is performed once, the reflection state is changed again, and when the transfer control is performed again, the initial impedance as much as possible, that is, the impedance of the variable element becomes an impedance that is near the center of the controllable range. It is preferable to control so that it may approach. Therefore, the following transfer control may be performed. As described above, the “variable element” corresponds to the microstrip line 403, the DC cut capacitor 404 (FIG. 3), or the like.

以下、図15および16を参照しながら、異なる位相制御方法を説明する。   Hereinafter, different phase control methods will be described with reference to FIGS. 15 and 16.

図15は、図6と異なる方法による、位相を回す方向を説明するための図である。また図16は、制御素子に関する制御電圧と素子値との関係を示す図である。図15および図16に記載の点A〜Fはそれぞれ対応している。   FIG. 15 is a diagram for explaining a direction in which the phase is rotated by a method different from that in FIG. 6. FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the control voltage and the element value related to the control element. Points A to F described in FIGS. 15 and 16 correspond to each other.

図16に示すように、可変素子の素子値の可変範囲は有限である。ただし、位相可変素子として用いる素子の種類により、可変範囲の幅や素子の感度は異なる。可変範囲の中央付近と、上限または下限付近とを比較すると、制御電圧の変化量に対しては素子値の変化量(感度)は異なる。上限または下限では、可変範囲の中央付近よりも感度が衰えている。そこで、可能な限り、可変範囲の中央領域に相当する素子値を採用することが望ましい。   As shown in FIG. 16, the variable range of the element value of the variable element is finite. However, the width of the variable range and the sensitivity of the element differ depending on the type of element used as the phase variable element. When the vicinity of the center of the variable range is compared with the vicinity of the upper limit or the lower limit, the change amount (sensitivity) of the element value differs with respect to the change amount of the control voltage. At the upper or lower limit, the sensitivity is lower than near the center of the variable range. Therefore, it is desirable to employ an element value corresponding to the central region of the variable range as much as possible.

ここで図15を参照する。制御素子の初期のインピーダンスをA点とする。図15に示すとおり、A点は破壊領域外なので制御は行わない。また、図16に示すように、A点は制御素子の制御範囲のほぼ中央の領域である。   Reference is now made to FIG. Let the initial impedance of the control element be point A. As shown in FIG. 15, control is not performed because point A is outside the destruction region. Further, as shown in FIG. 16, the point A is a substantially central region of the control range of the control element.

次に、負荷の状態が変わり、インピーダンスがB点に変化したと仮定する。図16によれば、制御素子の状態(素子値)はA点とB点で同じである。インピーダンスを破壊領域外に変更するために、インピーダンスがC点に移動するように位相を制御する。制御素子はC点で動作する。ここまでは上述の図6に示す制御方法と同様である。   Next, it is assumed that the state of the load has changed and the impedance has changed to point B. According to FIG. 16, the state (element value) of the control element is the same at point A and point B. In order to change the impedance out of the destruction region, the phase is controlled so that the impedance moves to the point C. The control element operates at point C. Up to this point, the control method is the same as that shown in FIG.

次に、再び負荷の状態が変わり、D点にインピーダンスが変化したと仮定する。制御素子の状態はC点のままである。ここで、先の説明によれば、インピーダンスがE点に移動するよう制御が行われる。   Next, it is assumed that the state of the load has changed again and the impedance has changed to point D. The state of the control element remains at point C. Here, according to the above description, control is performed so that the impedance moves to the point E.

しかしながら、本変形例においては、インピーダンスがF点に移動するよう制御が行われる。E点へ動かす場合には、F点に動かすよりは位相の回転量は小さくてすむ。しかしながら制御素子が可変上限に近づいてしまうため、可変幅の中央値へ近づくよう、インピーダンスをF点に移動させる。これにより、次の変化に対応し易くなる。   However, in this modification, control is performed so that the impedance moves to point F. When moving to point E, the amount of phase rotation can be smaller than when moving to point F. However, since the control element approaches the variable upper limit, the impedance is moved to the F point so as to approach the median value of the variable width. Thereby, it becomes easy to cope with the next change.

本実施形態においては、インピーダンスを調整する際、演算部217(図2)が、反射波のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスを用いてデータ記憶装置218に保持されているロードプルデータを参照し、インピーダンスの調整の要否を決定し、必要な場合にはさらにそのロードプルデータに基づいてインピーダンスを調整するとした。   In this embodiment, when adjusting the impedance, the calculation unit 217 (FIG. 2) detects the impedance of the reflected wave, and refers to the load pull data held in the data storage device 218 using the detected impedance. The necessity of adjusting the impedance is determined, and if necessary, the impedance is further adjusted based on the load pull data.

このような処理は、一般にマイコンを用いることが必要となるため、回路規模や処理時間で問題が出てくる可能性がある。   Since such processing generally requires the use of a microcomputer, there may be a problem with the circuit scale and processing time.

そこで他の例として、位相を回す方向と量を示すデータに対応する制御信号に関する情報をデータ記憶装置218に記憶しておき、必要に応じて出力してもよい。予め実験等で取得したロードプル情報を基に、反射波のインピーダンス値に対して、位相を回す方向と量を求めておき、それに対応するインピーダンス制御信号出力部219への信号情報を記憶装置に格納しておく。   Therefore, as another example, information regarding a control signal corresponding to data indicating the direction and amount of rotating the phase may be stored in the data storage device 218 and output as necessary. Based on the load pull information acquired in advance through experiments or the like, the direction and amount of phase rotation are obtained for the impedance value of the reflected wave, and the corresponding signal information to the impedance control signal output unit 219 is stored in the storage device. Keep it.

ただし、この場合は、インピーダンス値の分解能を高くする、即ちより正確に制御するに従い、メモリ容量も増大するため、実用上どのまでの分解能が必要かを個別に決定する必要がある。   However, in this case, as the resolution of the impedance value is increased, that is, the memory capacity increases as the impedance value is more accurately controlled, it is necessary to individually determine how much resolution is practically required.

本発明の大電力高周波出力装置によれば、通信用基地局用増幅器や、電子レンジなどの高周波を使用した調理機器への展開が容易となり、産業上の利用可能性は極めて大きい。   According to the high-power high-frequency output device of the present invention, it can be easily applied to cooking equipment using a high-frequency such as a communication base station amplifier and a microwave oven, and the industrial applicability is extremely large.

本発明の大電力高周波出力装置100の基本構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the basic composition of the high electric power high frequency output device 100 of this invention. 本発明の実施形態による大電力高周波出力装置200のブロック構成図である。1 is a block configuration diagram of a high power high frequency output device 200 according to an embodiment of the present invention. FIG. 一般的な高周波電力増幅器の出力整合回路の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the output matching circuit of a general high frequency power amplifier. マイクロストリップ線路403の電気長が変化した場合のインピーダンスの変化を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the change of the impedance when the electrical length of the microstrip line 403 changes. 電力増幅器202のドレイン電流(Id)ロードプルデータの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the drain current (Id) load pull data of the power amplifier 202. 位相を回す方向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the direction which rotates a phase. 大電力高周波出力装置200の初期動作のアルゴリズムを示すフローチャートである。5 is a flowchart showing an algorithm of an initial operation of the high-power high-frequency output device 200. 可変インピーダンス整合部の第1の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 1st structural example of a variable impedance matching part. 可変インピーダンス整合部の第2の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd structural example of a variable impedance matching part. 可変インピーダンス整合部の第3の構成例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd structural example of a variable impedance matching part. 電子レンジ901の外観図である。1 is an external view of a microwave oven 901. FIG. 携帯電話等の基地局の電波塔902の外観図である。It is an external view of the radio tower 902 of a base station such as a mobile phone. 方向性結合器に代えて、サーキュレーター253を用いた大電力高周波出力装置200の一部の構成を示す図である。It is a figure which shows a partial structure of the high power high frequency output device 200 using a circulator 253 instead of the directional coupler. 方向性結合器に代えて、ハイブリッド・カプラ263を用いた大電力高周波出力装置の一部の構成を示す図である。It is a figure which shows a part of structure of the high electric power high frequency output device which replaced with the directional coupler and used the hybrid coupler 263. FIG. 図6と異なる方法による、位相を回す方向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the direction which rotates a phase by the method different from FIG. 制御素子に関する制御電圧と素子値との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the control voltage regarding a control element, and element value. 従来例の高周波電力出力装置300の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the high frequency electric power output apparatus 300 of a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

100 本発明の大電力高周波出力装置
101 高周波電力発振部
102 高周波電力増幅器
103 可変インピーダンス整合部
104 方向性結合器
105 直交検波部
106 制御部
107 アンテナ
200 本発明実施例の大電力高周波出力装置
201 高周波電力発振部
202 最終段高周波電力増幅器
203 可変インピーダンス整合部
204 方向性結合器
205 直交検波部
206 制御部
207 アンテナ
208 高周波電力バッファアンプ
209 反射波低域通過フィルタ
210 反射波バッファアンプ
211 発振信号低域通過フィルタ
212 π/2移相器
213 同相(I)側ミキサー
214 直交(Q)側ミキサー
215 同相(I)側アナログ−デジタル変換器
216 直交(Q)側アナログ−デジタル変換器
217 演算処理部
218 データ記憶装置
219 デジタル−アナログ変換器
220 電力分配器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 High power high frequency output device of this invention 101 High frequency power oscillation part 102 High frequency power amplifier 103 Variable impedance matching part 104 Directional coupler 105 Orthogonal detection part 106 Control part 107 Antenna 200 High power high frequency output apparatus 201 Example of this invention Power oscillation unit 202 Final stage high frequency power amplifier 203 Variable impedance matching unit 204 Directional coupler 205 Quadrature detection unit 206 Control unit 207 Antenna 208 High frequency power buffer amplifier 209 Reflected wave low-pass filter 210 Reflected wave buffer amplifier 211 Oscillating signal low band Pass filter 212 π / 2 phase shifter 213 In-phase (I) side mixer 214 Quadrature (Q) side mixer 215 In-phase (I) side analog-digital converter 216 Quadrature (Q) side analog-digital converter 217 Arithmetic processing unit 18 data storage device 219 a digital - analog converter 220 power divider

Claims (9)

高周波電力を受け取り、増幅して出力する高周波電力増幅部と、
前記高周波電力増幅部の出力側に設けられ、入力された制御信号に基づいて入力インピーダンスを変化させて前記高周波電力を出力する可変インピーダンス整合部と、
前記可変インピーダンス整合部から出力された前記高周波電力を出力するアンテナと、
前記アンテナからの反射波電力を、前記高周波電力増幅部に入力された前記高周波電力で直交検波して、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、
前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に応じて前記制御信号を生成し、前記可変インピーダンス整合部に送出する制御部と
を備えた大電力高周波出力装置であって、
前記制御部は、前記同相検波出力信号および直交検波出力信号から得られた反射波電力の位相情報に基づいて、前記反射波電力のインピーダンスが、前記高周波電力増幅部が破壊されない範囲内に入るよう、前記可変インピーダンス整合部の伝送路の移相量を変化させる制御信号を生成する、大電力高周波出力装置。
A high-frequency power amplifier that receives, amplifies and outputs high-frequency power;
A variable impedance matching unit that is provided on the output side of the high-frequency power amplification unit and outputs the high-frequency power by changing an input impedance based on an input control signal;
An antenna that outputs the high-frequency power output from the variable impedance matching unit;
The quadrature detection unit that quadrature-detects the reflected wave power from the antenna with the high-frequency power input to the high-frequency power amplification unit, and outputs an in-phase detection output signal and a quadrature detection output signal;
A high-power high-frequency output device comprising: a control unit that generates the control signal according to the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal and sends the control signal to the variable impedance matching unit;
Based on the phase information of the reflected wave power obtained from the in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal, the control unit causes the impedance of the reflected wave power to fall within a range where the high-frequency power amplification unit is not destroyed. A high-power, high-frequency output device that generates a control signal that changes the phase shift amount of the transmission line of the variable impedance matching unit.
前記高周波電力増幅部の出力からみた前記可変インピーダンス整合部の入力における、前記反射波電力のインピーダンスは、第1インピーダンス領域の値または第2インピーダンス領域の値の一方に分類可能であり、
前記第1インピーダンス領域は、前記高周波電力増幅部を流れる電流が過電流状態となることによって前記高周波電力増幅部が破壊されるインピーダンスを含み、
前記第2インピーダンス領域は、前記高周波電力増幅部を流れる電流の電流値が耐破壊限界を超えないことにより、前記高周波電力増幅部が破壊されないインピーダンスを含み、
前記制御部は、前記反射波電力のインピーダンスが前記第2インピーダンス領域内に入るような前記制御信号を生成して、前記可変インピーダンス整合部の伝送路の移相量を変化させる、請求項1に記載の大電力高周波出力装置。
The impedance of the reflected wave power at the input of the variable impedance matching unit viewed from the output of the high-frequency power amplification unit can be classified into one of the value of the first impedance region or the value of the second impedance region,
The first impedance region includes an impedance at which the high-frequency power amplification unit is destroyed due to an overcurrent state of a current flowing through the high-frequency power amplification unit.
The second impedance region includes an impedance in which the high-frequency power amplification unit is not destroyed because a current value of a current flowing through the high-frequency power amplification unit does not exceed a breakdown resistance limit.
2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit generates the control signal such that an impedance of the reflected wave power falls within the second impedance region, and changes a phase shift amount of a transmission path of the variable impedance matching unit. The high power high frequency output device described.
前記制御部は、アナログ形式の前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号をそれぞれデジタル形式に変換する変換器、および、前記第2インピーダンス領域を特定するための制御テーブルを保持した記憶部を有しており、
前記デジタル形式の前記同相検波出力信号、前記直交検波出力信号および、前記制御テーブルに基づいて、前記制御信号を生成する、請求項2に記載の大電力高周波出力装置。
The control unit includes a converter that converts the analog in-phase detection output signal and the quadrature detection output signal into a digital format, respectively, and a storage unit that holds a control table for specifying the second impedance region. And
The high-power, high-frequency output device according to claim 2, wherein the control signal is generated based on the digital in-phase detection output signal, the quadrature detection output signal, and the control table.
前記記憶部は、半導体メモリである、請求項3に記載の大電力高周波出力装置。   The high-power high-frequency output device according to claim 3, wherein the storage unit is a semiconductor memory. 前記制御部は、前記制御信号を、1ビット以上のデジタル信号に変換して送出する、請求項3に記載の大電力高周波出力装置。   The high-power high-frequency output device according to claim 3, wherein the control unit converts the control signal into a digital signal of 1 bit or more and transmits the digital signal. 前記制御部は、前記制御信号を、アナログ信号に変換して送出する、請求項3に記載の大電力高周波出力装置。   The high-power high-frequency output device according to claim 3, wherein the control unit converts the control signal into an analog signal and transmits the analog signal. 前記制御部は、前記制御信号を、パルス幅変調(PWM)信号に変換して送出する、請求項3に記載の大電力高周波出力装置。   The high-power, high-frequency output device according to claim 3, wherein the control unit converts the control signal into a pulse width modulation (PWM) signal and transmits the signal. 前記高周波信号を発振して、前記高周波電力増幅部および前記直交検波部に入力する高周波電力発振部をさらに備えた、請求項1に記載の大電力高周波出力装置。   The high-power high-frequency output device according to claim 1, further comprising a high-frequency power oscillation unit that oscillates the high-frequency signal and inputs the high-frequency signal to the high-frequency power amplification unit and the quadrature detection unit. 前記可変インピーダンス整合部の出力と前記アンテナとの間に設けられ、前記可変インピーダンス整合部の出力電力を前記アンテナへ送出し、かつ、前記アンテナからの前記反射波電力を取り出す方向性結合器をさらに備えた、請求項8に記載の大電力高周波出力装置。   A directional coupler that is provided between the output of the variable impedance matching unit and the antenna, transmits the output power of the variable impedance matching unit to the antenna, and extracts the reflected wave power from the antenna; The high-power high-frequency output device according to claim 8 provided.
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