CN104604023B - 定向耦合器以及具备该定向耦合器的微波加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的定向耦合器具备设置于波导管(10)的壁面(10a)的开口部(11)和设置于波导管的外侧的耦合线路(13)。开口部被设置在俯视时不与波导管的管轴(L1)交叉的位置处且被形成为辐射圆偏振波。耦合线路具备：第一和第二传送线路(13a、13b)，其被配置成在俯视时分别沿与管轴交叉的方向横穿开口部且以夹持开口部的中央部的方式相向；以及设置于两端部的输出部(131、132)。第一和第二传送线路在远离开口部的铅垂上方的区域的位置处相互连接。

Description

定向耦合器以及具备该定向耦合器的微波加热装置
技术领域
本发明涉及一种检测在波导管内传送的微波的电力水平的定向耦合器以及具备该定向耦合器的微波加热装置。
背景技术
作为检测在波导管内传送的微波的电力水平的装置，已知有定向耦合器。定向耦合器将在波导管内沿双方向传送的行波和反射波分离来进行检测。作为定向耦合器的检测方式，以往提出了各种各样的检测方式。例如作为定向耦合器的检测方式，提出使检测出的信号在不同的波导管中传送的方式、在同轴线路中传送的方式、在微带线路中传送的方式，且这些方式被实用化。
作为使检测出的信号在不同的波导管中传送的方式的定向耦合器，例如已知有非专利文献1所记载的十字型定向耦合器。在该十字型定向耦合器中具有使两个波导管的宽面叠加成十字型并在该两个波导管的连接面以规定间隔设置有两个X形状的开口部的结构。
另外，作为使检测出的信号在同轴线路中传送的方式的定向耦合器，例如已知有专利文献1所记载的定向耦合器。该定向耦合器具有如下结构：在与波导管的宽面的管轴对应的位置设置有开口部，在与该开口部相向的位置设置有作为微波检测部的电容板，在该电容板的周围设置有检测座、两个中心导体和两个连接器。
另外，作为使检测出的信号在微带线路中传送的方式的定向耦合器，例如已知有专利文献2所记载的定向耦合器。该定向耦合器具有如下结构：在与波导管的宽面的管轴对应的位置设置有开口部，在与该开口部相向的位置设置有印刷电路板，在该印刷电路板上设置有作为微波检测部的微带线路和检波电路。
另外，作为使检测出的信号在微带线路中传送的方式的定向耦合器，例如还已知有专利文献3所记载的定向耦合器。该定向耦合器具有如下结构：在与波导管的宽面的管轴对应的位置以规定间隔设置有两个开口部，在与该两个开口部相向的位置设置有印刷电路板，在该印刷电路板上设置有作为微波检测部的微带线路和两个探针。
此外，在上述内容中，对安装于波导管的定向耦合器进行了说明，但是也存在安装于微波加热装置的定向耦合器(例如参照专利文献4)。
专利文献1：日本特开平03-297202号公报
专利文献2：日本特开2004-235972号公报
专利文献3：日本特开平06-132710号公报
专利文献4：日本特开平05-190271号公报
非专利文献1：蓮沼博、高木勝義著、「マイクロ波基礎回路の設計」オーム社、1964年12月25日発行、ページ258-260
发明内容
发明要解决的问题
然而，在使检测出的信号在不同的波导管中传送的方式的定向耦合器中，需要两个波导管，因此存在装置的厚度大这样的问题。另外，在使检测出的信号在同轴线路中传送的方式的定向耦合器中，是在容量板周围设置检测座、两个中心导体以及两个连接器的结构，因此也存在装置的厚度大这样的问题。
与此相对，在使检测出的信号在微带线路中传送的方式的定向耦合器中，微带线路和检波电路的厚度非常小，两个探针也设置在开口部与印刷电路板之间的空间，因此能够使装置的厚度变薄。
然而，在上述方式的定向耦合器中，在与波导管的管轴对应的位置(俯视时与波导管的管轴重叠的位置)设置有开口部，因此需要高精度地管理从开口部到微带线路的长度尺寸、探针的长度尺寸。即，在上述方式的定向耦合器的结构中，即使在设置有长度与在波导管内沿波导管的管轴方向传送的微波的波长相当的程度的开口部的情况下，微波也不会从该开口部自由地辐射到波导管之外。因此，需要使扩散到开口部周边的电磁场与微带线路耦合的结构。使电磁场与微带线路耦合本身例如能够通过使相对于波导管的管轴方向垂直的方向上的开口部的宽度大于微带线路的线路宽度来实现。然而，在这种情况下，其耦合的水平很大程度上依赖于从开口部到微带线路的长度尺寸、探针的长度尺寸。
因而，本发明的目的在于解决上述以往的问题，提供一种能够抑制装置的大型化且不需要高精度的尺寸管理的新的定向耦合器以及具备该定向耦合器的微波加热装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述以往的问题，本发明所涉及的定向耦合器具备设置于波导管的壁面的开口部以及设置于上述波导管的外侧的耦合线路，在该定向耦合器中，上述开口部被设置在俯视时与上述波导管的管轴不交叉的位置处且被形成为辐射圆偏振波，上述耦合线路具备被配置成俯视时分别横穿上述开口部且以夹持上述开口部的中央部的方式相向的第一传送线路和第二传送线路，以及设置于两端部的输出部，其中，上述第一传送线路和上述第二传送线路在远离上述开口部的铅垂上方的区域的位置处相互连接。
发明的效果
根据本发明所涉及的定向耦合器，能够提供一种能够抑制装置的大型化且不需要高精度的尺寸管理的新的定向耦合器。
附图说明
从与关于所添附的附图的优选的实施方式关联的下面的记述可清楚本发明的这些以及其它目的和特征。在该附图中，
图1是本发明的第一实施方式所涉及的定向耦合器的立体图，
图2是透过图1的定向耦合器所具备的印刷电路板而示出的立体图，
图3是图1的定向耦合器所具备的波导管的俯视图，
图4是图1的定向耦合器所具备的印刷电路板的电路结构图，
图5是对从十字开口辐射圆偏振波的原理进行说明的说明图，
图6是说明随着时间经过而变化的在微带线路中传送的微波的朝向和量的说明图，
图7是表示将第一传送线路与第二传送线路的间隔设为4mm的定向耦合器中的反射波电力检测端口的特性的图，
图8是表示将第一传送线路与第二传送线路的间隔设为2mm的定向耦合器中的反射波电力检测端口的特性的图，
图9是表示将第一传送线路与第二传送线路的间隔设为4mm的定向耦合器中的行波电力检测端口的特性的图，
图10是表示将图1的定向耦合器所具备的十字开口替换成圆形的开口部时的开口部与微带线路的关系的俯视图，
图11是本发明的第二实施方式所涉及的微波加热装置的概要结构图。
具体实施方式
本发明所涉及的定向耦合器具备设置于波导管的壁面的开口部以及设置于上述波导管的外侧的耦合线路，该定向耦合器构成为，上述开口部被设置在俯视时与上述波导管的管轴不交叉的位置处且被形成为辐射圆偏振波，上述耦合线路具备被配置成俯视时分别横穿上述开口部且以夹持上述开口部的中央部的方式相向的第一传送线路和第二传送线路，以及设置于两端部的输出部，其中，上述第一传送线路和上述第二传送线路在远离上述开口部的铅垂上方的区域的位置处相互连接。
根据该结构，开口部被设置在俯视时不与波导管的管轴交叉的位置处，因此能够使在波导管内传送的微波容易地辐射到波导管的外侧。被辐射到该波导管的外侧的微波在耦合线路中进行耦合。
另外，在上述结构中，开口部被形成为辐射圆偏振波。根据该结构，在波导管内传送的微波的朝向彼此为相反朝向的情况下，从开口部辐射出的圆偏振波的旋转方向也彼此为相反朝向。另外，在上述结构中，耦合线路具备被配置成俯视时分别横穿开口部且以夹持开口部的中央部的方式相向的第一和第二传送线路。根据该结构，在波导管内沿一个方向传送微波时，从开口部(例如沿逆时针方向)辐射出的圆偏振波的大部分通过第一传送线路和第二传送线路中的一方被输出到一方的输出部。另一方面，在波导管内沿与上述一个方向相反的方向传送微波时，从开口部(例如沿顺时针方向)辐射出的圆偏振波的大部分通过第一传送线路和第二传送线路中的另一方被输出到另一方的输出部。由此，能够将在波导管内沿双方向传送的微波(行波和反射波)分别分离来进行检测。即，根据上述结构，利用圆偏振波的旋转方向不同将行波和反射波分离来进行检测，因此能够提供一种能够抑制装置的大型化且不需要高精度的尺寸管理的新的定向耦合器。
此外，上述耦合线路例如只要形成在印刷电路板的与上述开口部相向的面上即可。印刷电路板的厚度通常非常小，因此能够抑制装置的大型化。
另外，优选的是，上述开口部被形成为两个长孔交叉的X形状。由此，开口部能够辐射大致正圆状的圆偏振波，从而该圆偏振波的旋转方向变得更明确。其结果，能够将行波和反射波高精度地分离来进行检测。
另外，优选构成为，第一耦合点和第二耦合点之间的上述耦合线路被构成为在上述第一耦合点产生的微波和在上述第二耦合点产生的微波与上述圆偏振波的旋转方向对应地在上述第一耦合点或上述第二耦合点成为相同的相位，在俯视时，该第一耦合点位于上述开口部与上述第一传送线路交叉的耦合区域的大致中心，该第二耦合点位于上述开口部与上述第二传送线路交叉的耦合区域的大致中心。由此，即使在存在反射波的环境下(即，在波导管内产生驻波的环境下)也能够自由地设计定向耦合器的设置位置，能够提高实用价值。
另外，优选的是，还具备具有导电性的支承部，该支承部在上述波导管的外表面上对上述印刷电路板进行支承，并且以俯视时包围上述开口部的方式进行配置，在上述印刷电路板的与上述开口部不相向的面形成有微波反射部件。根据该结构，能够防止从开口部辐射的微波泄漏到支承部和印刷电路板的外侧。由此，能够抑制微波向配置在支承部和印刷电路板的周边的电气部件、控制信号线等的不必要的辐射，从而能够避免产生错误动作。
另外，优选的是，在上述支承部设置有用于上述耦合线路的两端部贯通的贯通孔，上述输出部配置在上述支承部的外侧。根据该结构，通过支承部来防止从开口部辐射出的微波泄漏到支承部和印刷电路板的外侧，另一方面能够仅将耦合线路检测到的信号取出到支承部的外侧。
另外，优选的是，上述输出部在上述支承部的外侧与检波电路或终端电路连接。根据该结构，能够抑制检波电路或终端电路由于从开口部辐射出的微波的辐射而进行错误动作。
此外，优选的是，上述检波电路或上述终端电路被设置在上述印刷电路板上。根据该结构，能够使设置耦合线路以及检波电路或终端电路的印刷电路板的结构简单化来维持高可靠性。
另外，优选的是，上述第一传送线路和上述第二传送线路沿俯视时与上述管轴大致垂直的方向延伸。根据该结构，在波导管内沿双方向传送的微波的分离精度下，能够缓和与波导管连接的负载的阻抗的影响并维持高微波分离度。
另外，优选的是，上述第一传送线路的一端部和第二传送线路的一端部与俯视时相对于上述管轴大致平行的第三传送线路连接。根据该结构，能够提高在波导管内沿双方向传送的微波的分离度，并且能够使耦合线路的结构定性化，从而容易进行实用结构的设计。
下面，参照附图说明本发明的实施方式所涉及的定向耦合器以及具备该定向耦合器的微波加热装置。此外，本发明并不限定于该实施方式。
(第一实施方式)
图1是本发明的第一实施方式所涉及的定向耦合器的立体图。图2是透过图1的定向耦合器所具备的印刷电路板而示出的立体图。图3是图1的定向耦合器所具备的波导管的俯视图。图4是图1的定向耦合器所具备的印刷电路板的电路结构图。
如图1和图2所示，本第一实施方式所涉及的定向耦合器被设置在传送微波的波导管10的壁面。在本第一实施方式中，波导管10是方形波导管。与波导管10的管轴L1正交的截面形成为长方形。
本第一实施方式所涉及的定向耦合器具备：X形状的开口部(以下称为十字开口)11，其被设置在波导管10的宽面10a上；印刷电路板12，其在波导管10的外侧以与十字开口11相向的方式设置；以及支承部14，其在波导管10的外表面上对印刷电路板12进行支承。
如图3所示，十字开口11设置在俯视时(在从印刷电路板12侧俯视十字开口11时)不与波导管10的管轴L1交叉的位置处。十字开口11的开口中央部11c位于俯视时与波导管10的管轴L1相距尺寸D1的位置处。尺寸D1例如是波导管10的宽度尺寸的1/4的尺寸。另外，十字开口11被形成为使在波导管10内传送的微波以圆偏振波向印刷电路板12侧辐射。
十字开口11的开口形状只要根据波导管10的宽度尺寸和高度尺寸、在波导管10中传送的微波的电力水平、频带、从十字开口11辐射的圆偏振波的电力水平等条件决定即可。例如在波导管10的宽度尺寸为100mm、高度尺寸为30mm、波导管10的壁面的厚度为0.6mm、在波导管10中传送的微波的最大电力水平为1000W、频带为2450MHz、从十字开口11辐射的圆偏振波的最大电力水平为大约10mW的情况下，只要将十字开口11的长度11w决定为20mm、将十字开口11的宽度11d决定为2mm左右即可。此外，在本第一实施方式中，十字开口11通过使两个长孔11e、11f交叉成X形状而构成，将该两个长孔11e、11f的交叉角度设为90度。然而，本发明并不限定于此，例如也可以使该交差角度为60度、120度。
此外，在将十字开口11的开口中央部11c配置在与波导管10的管轴L1对应的位置(在俯视时与管轴L1重叠的位置)的情况下，电场不旋转而沿传送方向往复。在这种情况下，能够从十字开口11辐射直线偏振波。另一方面，哪怕开口中央部11c从管轴L1偏离少许，电场也旋转。但是，开口中央部11c越是接近管轴L1(随着尺寸D1接近0mm)，电场的旋转越变形。在这种情况下，从十字开口11辐射椭圆状的圆偏振波(也称为椭圆偏振波)。在如本第一实施方式那样将尺寸D1设定为波导管10的宽度尺寸的1/4左右的情况下，电场的旋转为大致正圆状。在这种情况下，由于从十字开口11辐射大致正圆状的圆偏振波，因此旋转方向变得更加明确，从而能够将行波和反射波高精度地分离而进行检测。
在印刷电路板12的不与十字开口11相向的面(以下称为印刷电路板A面)12a形成有作为微波反射部件的一例的铜箔(未图示)。铜箔例如被形成为覆盖印刷电路板A面整体。由此，避免从十字开口11辐射出的圆偏振波透过印刷电路板12。
另外，如图4所示，在印刷电路板12的与十字开口11相向的面(以下称为印刷电路板B面)12b设置有作为耦合线路的一例的微带线路13。微带线路13例如由特性阻抗为大致50欧姆的传送线路构成。微带线路13被配置成在俯视时包围十字开口11的开口中央部11c。
更具体地说，微带线路13具备第一传送线路13a和第二传送线路13b。第一和第二传送线路13a、13b以在俯视时分别横穿十字开口11且夹持十字开口11的开口中央部11c而相向的方式配置。在本第一实施方式中，第一和第二传送线路13a、13b位于包含十字开口11在内的矩形的十字开口区域11a的铅垂上方，在相对于波导管10的管轴L1大致垂直的方向形成。
第一传送线路13a的一端部和第二传送线路13b的一端部在远离十字开口11的铅垂上方的区域的位置与俯视时相对于管轴L1大致平行的第三传送线路13c连接。第一传送线路13a的另一端部与相对于管轴L1大致平行的传送线路13d连接，设置为俯视时延伸到了十字开口区域11a的外侧。传送线路13d经由传送线路13f与输出部131连接。第二传送线路13b的另一端部与相对于管轴L1大致平行的传送线路13e连接，设置为俯视时延伸到了十字开口区域11a的外侧。传送线路13e经由传送线路13g与输出部132连接。
输出部131、132俯视时配置在支承部14的外侧。在输出部131、132上连接有检波电路15，该检波电路15是用于将检测出的微波信号的水平作为控制信号进行处理的处理电路。
图4中示出了检波电路15的一例。在本第一实施方式中，检波电路15具备贴片电阻16以及肖特基二极管17。从输出部131输出的微波信号经过贴片电阻16和肖特基二极管17而被整流，经过由贴片电阻和贴片电容器构成的平滑电路被转换为直流电压，并被输出到检波输出部18。同样地，从输出部132输出的微波信号经过贴片电阻16和肖特基二极管17而被整流，经过由贴片电阻和贴片电容器构成的平滑电路被转换为直流电压，并被输出到检波输出部19。
另外，在印刷电路板12上例如以在厚度方向上贯通印刷电路板12的方式设置有四个印刷电路板安装用孔20a、20b、20c、20d以及两个针孔(pin hole)21a、21b。在与十字开口11相向的印刷电路板B面12b上，在印刷电路板安装用孔20a、20b、20c、20d的周边部以及针孔21a、21b的周边部形成有作为接地面的铜箔。形成有该铜箔的部分(以下称为覆铜部)被设为同不与十字开口11相向的印刷电路板A面12a等电位(接地电位)。
将螺钉201a、201b、201c、201d通过印刷电路板安装用孔20a、20b、20c、20d拧入支承部14来组装固定印刷电路板12。如图2所示，在支承部14上设置有用于将螺钉201a、201b、201c、201d拧入的螺纹部202a、202b、202c、202d。螺纹部202a、202b、202c、202d形成于支承部14所具有的凸缘部。
支承部14具有导电性，以俯视时包围十字开口11的方式进行配置。即，支承部14作为防止从十字开口11辐射出的圆偏振波泄漏到支承部14的外侧的屏蔽体而发挥功能。
如图2所示，在支承部14上形成有用于微带线路13的两端部贯通的贯通孔141、142。由此，能够使微带线路13的两端部的输出部131、132位于支承部14的外侧。即，贯通孔141、142作为将在微带线路13中传送的微波信号取出到支承部14的外侧的取出部而发挥功能。贯通孔141、142例如图2所示那样，能够通过使支承部14的凸缘部向远离印刷电路板12的一侧凹陷而形成。
此外，在图1和图2中图示了用于安装图4所示的检波输出部18、19的连接器18a、19a。
此外，在上述内容中，对检测在波导管10内沿双方向传送的微波的定向耦合器进行了说明，但是本发明不限定于此。本发明所涉及的定向耦合器也可以构成为检测在波导管10内沿一个方向传送的微波。该结构能够通过例如将图4所示的检波电路15替换为终端电路(未图示)来实现。此外，在这种情况下，终端电路例如只要由电阻值为50欧姆的贴片电阻构成即可。
接着，对本第一实施方式所涉及的定向耦合器的动作和作用进行说明。
首先，使用图5说明从十字开口11辐射圆偏振波的原理。此外，在图5中，用由同心的椭圆状形成的虚线10d示出了在波导管10内产生的磁场分布。另外，用箭头示出了磁场分布10d的磁场的朝向。磁场分布10d随着时间经过而在波导管10内沿微波的传送方向A1移动。
在时刻t＝t0时，如图5的(a)所示那样形成磁场分布10d。此时，十字开口11的一方的长孔11e被虚线箭头B1所示的磁场所激励。之后，在经过了t1时间的时刻t＝t0+t1时，十字开口11的另一方的长孔11f被虚线箭头B2所示的磁场所激励。之后，在从图5的(a)所示的状态起经过了T/2时间(T为微波的周期)的时刻t＝t0+T/2(T为周期)时，十字开口11的一方的长孔11e被虚线箭头B3所示的磁场所激励。之后，在经过了t1时间的时刻t＝t0+T/2+t1时，十字开口11的另一方的长孔11f被虚线箭头B4所示的磁场所激励。在从图5的(a)所示的状态起经过了T时间的时刻t＝t0+T时，与时刻t＝t0时同样地，十字开口11的一方的长孔11e被虚线箭头B1所示的磁场所激励。通过依次重复这些一系列的激励状态，能够使从十字开口11辐射的微波成为沿逆时针方向32旋转的圆偏振波而被辐射到波导管10的外侧。
在此，将沿图3所示的箭头30传送的微波设为行波，将沿箭头31传送的微波设为反射波。在这种情况下，行波沿与图5所示的传送方向A1相同的朝向传送，因此如上述那样从十字开口11辐射的微波成为沿逆时针方向32旋转的圆偏振波而被辐射到波导管10的外侧。另一方面，反射波沿与图5所示的传送方向A1相反的朝向传送，因此从十字开口11辐射的微波成为沿顺时针方向旋转的圆偏振波而被辐射到波导管10的外侧。
被辐射到波导管10的外侧的圆偏振波在与十字开口11相向的微带线路13中耦合。此时，在如上述那样形成了微带线路13的第一～第三传送线路13a～13c的情况下，由于沿箭头30的方向传送的行波而从十字开口11辐射出的微波的大部分被输出到微带线路13的输出部131。另一方面，由于沿箭头31的方向传送的反射波而从十字开口11辐射的微波的大部分被输出到微带线路13的输出部132。关于该情形，使用图6在下面详细地说明。
图6是说明随着时间经过而变化的在微带线路13中传送的微波的朝向和量的说明图。此外，由于在微带线路13与十字开口11之间存在间隙，因此微波到达微带线路13的时间延迟微波在该间隙传送的时间的量，但是为了便于说明，在此设为不存在该时间延迟而进行处理。另外，在此，将俯视时十字开口11与微带线路13交叉的区域称为耦合区域。另外，将十字开口11与第一传送线路13a交叉的耦合区域的大致中心称为耦合点(第一耦合点)P1，将十字开口11与第二传送线路13b交叉的耦合区域的大致中心称为耦合点(第二耦合点)P2。另外，在图6中，用线的粗细来表现在微带线路13中传送的微波的量。即，在微带线路13中传送的微波的量多的情况下使线粗，另一方面，在微带线路13中传送的微波的量少的情况下使线细。
在图6的(a)所示的时刻t＝t0时，虚线箭头B1所示的磁场对十字开口11的一方的长孔11e进行激励，在微带线路13上的耦合点P1处产生粗的实线箭头M1所表示的微波。该粗的实线箭头M1所表示的微波在微带线路13上朝向耦合点P2传送。
在图6的(b)所示的时刻t＝t0+t1时，虚线箭头B2所示的磁场对十字开口11的另一方的长孔11f进行激励，在微带线路13上的耦合点P2处产生粗的实线箭头M2所表示的微波。在此，当将耦合点P1与耦合点P2之间的微带线路13所引起的微波的有效传播时间设定为时间t1时，在时刻t＝t0时在耦合点P1处产生的微波在时刻t＝t0+t1时被传送到耦合点P2。该微波与在时刻t＝t0+t1时在耦合点P2处产生的微波成为相同相位。因此，两个微波相加后在微带线路13上朝向输出部131传送，经过规定时间之后被输出到输出部131。
在图6的(c)所示的时刻t＝t0+T/2时，虚线箭头B3所示的磁场对十字开口11的一方的长孔11e进行激励，在微带线路13上的耦合点P1处产生细的实线箭头M3所表示的微波。该细的实线箭头M3所表示的微波在微带线路13上朝向输出部132传送，经过规定时间之后被输出到输出部132。
此外，使实线箭头M3的粗细比实线箭头M1的粗细更细的理由如下。即，从十字开口11辐射出如上述那样沿逆时针方向32旋转的微波(圆偏振波)。在图6的(a)所示的时刻t＝t0时，在微带线路13的耦合点P1处产生的实线箭头M1所表示的微波的传送方向是与从十字开口11辐射出的微波的旋转方向大致相同的方向。因此，实线箭头M1所表示的微波的能量不被缩减。另一方面，在图6的(c)所示的时刻t＝t0+T/2时，在微带线路13的耦合点P1处产生的实线箭头M3所表示的微波的传送方向是与从十字开口11辐射出的微波的旋转方向相反的方向。因此，耦合后的微波的能量被缩减。因而，实线箭头M3所表示的微波的量比实线箭头M1所表示的微波的量少。
在图6的(d)所示的时刻t＝t0+T/2+t1时，虚线箭头B4所示的磁场对十字开口11的另一方的长孔11f进行激励，在微带线路13上的耦合点P2处产生细的实线箭头M4所表示的微波。该细的实线箭头M4所表示的微波朝向耦合点P1传送。此外，使实线箭头M4的粗细较细的理由与上述的使实线箭头M3的粗细较细的理由相同。
在时刻t＝t0+T时，与图6的(a)所示的时刻t＝t0时同样地，十字开口11的一方的长孔11e被虚线箭头B1所示的磁场所激励。此时，在微带线路13上存在在图6的(a)所示的时刻t＝t0时未说明的细的实线箭头M4所表示的微波。该细的实线箭头M4所表示的微波在时刻t＝t0+T(即，t＝t0)时被传送到耦合点P1。该实线箭头M4所表示的微波相对于实线箭头M1所表示的微波传送方向相反，因此被消除而消失。因此，细的实线箭头M4所表示的微波不被输出到输出部132。
此外，严格地说，在时刻t＝t0时从耦合点A传送的微波的量为从实线箭头M1所表示的微波的量中减去实线箭头M4所表示的微波的量而得到的量(M1-M4)。因而，被输出到输出部131的微波的量为将实线箭头M2所表示的微波的量与从耦合点A传送的微波的量相加得到的量(M1+M2-M4)。即使考虑到该情形，被输出到输出部131的微波的量(M1+M2-M4)也为远多于被输出到输出部132的微波的量(M3)的量(M1+M2-M4>M3)。因而，在如上述那样形成微带线路13的第一～第三传送线路13a～13c的情况下，由于沿箭头30的方向传送的行波而从十字开口11沿逆时针辐射的微波的大部分被输出到微带线路13的输出部131。另一方面，由于沿箭头31的方向传送的反射波而从十字开口11沿顺时针辐射的微波的大部分被输出到微带线路13的输出部132。
此外，优选的是，第一传送线路13a和第二传送线路13b在俯视时对于相通过十字开口11的开口中央部11c且与管轴L1垂直的直线呈线对称地设置。由此，能够提高行波与反射波的检测分离度。
此外，在波导管10内行波和反射波沿彼此相反的方向传送的情况下，有时在波导管10内产生驻波，该驻波对行波与反射波的检测分离度带来不良影响。为了改善该问题，只要如下面那样设置第一传送线路13a与第二传送线路13b的间隔13g(参照图4)即可。图7是表示将间隔13g设为4mm的定向耦合器中的反射波电力检测端口的特性的极坐标图。图8是表示将间隔13g设为2mm的定向耦合器中的反射波电力输出端口的特性的极坐标图。
此外，图7和图8所示的数据是如下面那样获得的。首先，准备宽度尺寸为100mm、高度尺寸为30mm、壁面的厚度为0.6mm、十字开口11的长度11w为20mm、十字开口11的宽度11d为2mm的波导管10。在该波导管10的一端部连接微波的输入端子，并且在波导管10的另一端部连接能够使反射波的水平和相位变化的负载。之后，从微波的输入端子输入微波信号，并且通过负载使反射波的水平和相位变化，利用网络分析器测定微带线路13的输出部131、132所检测出的微波的量。在此，将输出部131所检测出的微波(行波)的量设为S21，将输出部132所检测出的微波(反射波)的量设为S31。接着，计算S31-S21，并展开在史密斯图的极坐标显示上。
此外，在图7和图8中，以负载的输入端子为基准示出基准面(行波全部进行全反射、相位变化180度的面)50。另外，极坐标显示的中心表示反射波的量S31为“0(zero)”。另一方面，作为极坐标显示的最外边缘的圆周表示行波全部变为反射波。即，越是接近作为极坐标显示的最外边缘的圆周，反射波的量S31越是增加。因而，从反射波的量中减去行波的量所得到的值(S31-S21)变小(图7、图8表述为dB，因此负数值变小)。
另外，极坐标显示的圆周方向与相位相关，示出了配置有定向耦合器的位置处的反射波的相位(其中，在图7和图8中以负载的输入面为基准面，因此相位是相对的表示)。即，在极坐标显示的同一圆周上，反射波的相位不同，但是反射波的量(电力水平)相同。因而，在将从反射波的量中减去行波的量所得到的值(S31-S21)展开在极坐标上的情况下，其等高线理想的为同心圆状。
如图7所示，在将间隔13g设为4mm的情况下，等高线(粗线)为大致同心圆状。从该情形可知，通过将间隔13g设为4mm，即使在存在反射波的环境下(即，在波导管10内产生驻波的环境下)也能够自由地设计定向耦合器的设置位置，从而能够提高实用价值。另一方面，如图8所示，在将间隔13g设为2mm的情况下，等高线(粗线)偏离了极坐标显示的中心。从该情形可知，在将间隔13g设为2mm的情况下，在存在反射波的环境下，根据定向耦合器的设置位置的不同而检测特性变化，从而缺乏实用价值。此外，虽然没有图示，但是在将间隔13g设为8mm的情况下，确认出呈现与将间隔13g设为2mm的情况大致相同的特性。
从以上的内容可知，通过与波导管10的尺寸、十字开口11的尺寸相应地适当地设定间隔13g，能够改善与驻波有关的问题。
接着，对间隙13g的优选的设定方法进行说明。
如上所述，图6示出设为不存在由于微带线路13与十字开口11的间隙所引起的时间延迟的、各时刻的在微带线路13中传送的微波的朝向和量。另外，将实线箭头M1所表示的微波从耦合点A到达耦合点B的传送时间设为t1。然而，实际上在微带线路13与十字开口11之间存在间隙。随着该间隙变大，在耦合点A处耦合的微波(实线箭头M1)与在耦合点B处耦合的微波(实线箭头M2)之间的时间差与时间t1相比更短。
将间隙13g设为4mm，将波导管10的宽面10a与印刷电路板B面12b之间的间隙设为6mm，在通过计算机解析求出与波导管10的宽面10a相距5mm的平面(即，与微带线路13相距1mm的平面)中的耦合点A、B间的相位差的情况下，为大约55度。另外，除了将间隙13g设为2mm以外，以同样的条件进行计算机解析时的耦合点A、B间的相位差为大约38度。并且，除了将间隙13g设为8mm以外，以同样的条件进行计算机解析时的耦合点A、B间的相位差为大约9度。
另一方面，当根据微波的有效传播波长计算微带线路13上的耦合点A、B间的相位差时，该相位差为大约55度。此外，在将间隙13g变更为2mm、4mm、8mm的情况下，均将从耦合点A到耦合点B的微带线路13的长度设为相同。
即，在将间隙13g设为4mm的情况下，通过计算机解析求出的耦合点A、B间的相位差与根据微波的有效传播波长计算出的耦合点A、B间的相位差一致。在这种情况下，如使用图6说明的那样，实线箭头M1所表示的微波和实线箭头M2所表示的微波在耦合点B处为相同相位。由此，将两个微波相加后在微带线路13上朝向输出部131传送，并被输出到输出部131。另外，如图7所示，能够实现等高线大致为同心圆状那样的特性。因而，即使在存在反射波的环境下也能够自由地设计定向耦合器的设置位置，能够提高实用价值。
另一方面，在将间隙13g设为2mm和8mm的情况下，通过计算机解析求出的耦合点A、B间的相位差与根据微波的有效传播波长计算出的耦合点A、B间的相位差不同。在这种情况下，如图8所示，呈现等高线偏离极坐标显示的中心的特性。因而，在存在反射波的环境下，根据定向耦合器的设置位置的不同而检测特性发生变化，从而缺乏实用价值。
从以上情形可知，通过与波导管10的宽面10a同印刷电路板B面12b之间的间隙相应地适当地设定间隔13g，能够使耦合点A、B间的相位差最优化。
此外，在将微波的频带设为2450MHz、将波导管10的宽度尺寸设为100mm、将波导管10的高度尺寸设为30mm、将从管轴L1到十字开口11的开口中央部11c的尺寸D1设为25mm、将十字开口11的宽度11d的尺寸设为2mm、将十字开口11的长度尺寸11w设为20mm、将十字开口11与印刷电路板B面12b之间的间隙设为6mm、将间隔13g设为4mm的情况下，确认出作为定向耦合器适当地发挥功能。
此外，针对在波导管10内传送的微波的量，从十字开口11辐射出的微波的量由波导管10和十字开口11的形状和尺寸决定。例如在设定为上述的形状和尺寸的情况下，针对在波导管10内传送的微波的量，从十字开口11辐射出的微波的量为大约1/10000(大约-50dB)。
图9是表示设定为上述的形状和尺寸的定向耦合器中的行波电力检测端口的特性的极坐标图。即，图9是对输出部131所检测出的微波(行波)的量(S21)进行极坐标显示得到的。如图9所示，针对极坐标整个区域，考虑到负载变动的微波(行波)的检测量的偏差为大约-50.5dB到-53.0dB左右，最大也就为大约3dB左右。该偏差越小，越容易进行检波电路15的信号处理。如果是大约3dB左右的偏差，则即使使用廉价的部件作为检波电路15所具备的检波二极管，检波电路15也能够容易地进行信号处理。因而，实用价值高。
以上，根据本第一实施方式所涉及的定向耦合器，由于在俯视时不与波导管10的管轴L1交叉的位置处设置有十字开口11，因此能够使在波导管10内传送的微波容易地辐射到波导管10的外侧。被辐射到波导管10的外侧的微波在微带线路13中耦合。
另外，根据本第一实施方式所涉及的定向耦合器，由于构成为利用从十字开口11辐射出的圆偏振波的旋转方向的差异将行波和反射波分离来进行检测，因此能够抑制装置的大型化，并且不需要高精度的尺寸管理。
另外，根据本第一实施方式所涉及的定向耦合器，微带线路13被形成在印刷电路板12的与十字开口11相向的面，因此能够抑制装置的大型化。
另外，根据本第一实施方式所涉及的定向耦合器，十字开口11被形成为两个长孔11e、11f交叉的X形状，因此能够辐射大致正圆状的圆偏振波，该圆偏振波的旋转方向变得更明确。其结果，能够将行波和反射波高精度地分离来进行检测。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，以俯视时包围十字开口11的方式设置具有导电性的支承部14，在印刷电路板12的不与十字开口11相向的面形成有铜箔。根据该结构，能够防止从十字开口11辐射出的微波泄露到支承部14和印刷电路板12的外侧。其结果，能够抑制微波向配置在支承部14和印刷电路板12周边的电气部件、控制信号线等的不必要的辐射而避免引起错误动作。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，在支承部14设置有用于微带线路13的两端部贯通的贯通孔141、142，从而输出部131、132配置在支承部14的外侧。根据该结构，能够通过支承部14防止从十字开口11辐射出的微波泄露到支承部14和印刷电路板12的外侧，另一方面，能够只将微带线路13所检测出的信号取出到支承部14的外侧。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，输出部131、132在支承部14的外侧与检波电路15或终端电路(未图示)连接。根据该结构，能够抑制检波电路15或终端电路由于从开口部辐射出的微波的辐射而进行错误动作。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，检波电路15或终端电路(未图示)与微带线路13相同地设置在印刷电路板12上。根据该结构，能够使印刷电路板12的结构简单化来维持高可靠性。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，第一和第二传送线路13a、13b以俯视时沿与管轴L1大致垂直的方向延伸的方式设置。根据该结构，能够在波导管10内沿双方向传送的微波的分离精度下缓和与波导管10连接的负载的阻抗的影响并维持高微波分离度。
另外，在本第一实施方式所涉及的定向耦合器中，第一传送线路13a的一端部和第二传送线路13b的一端部与俯视时相对于管轴L1大致平行的第三传送线路13c连接。根据该结构，能够提高在波导管10内沿双方向传送的微波的分离度，并且能够使微带线路13的结构定性化，从而能够容易地进行实用结构的设计。
此外，由第一～第三传送线路13a、13b、13c包围的区域优选为比十字开口区域11a小。特别地，如图4所示，优选为将第一和第二传送线路13a、13b配置在开口中央部11c与十字开口区域11a的端部(图4的左右端部)的中间左右，将第三传送线路13c配置在开口中央部11c与十字开口区域11a的端部(图4的上端部)的中间左右。根据该结构，能够高精度地分离行波和反射波来进行检测。
此外，本发明不限定于上述实施方式，能够通过其它各种方式实施。例如，在上述内容中，将设置于波导管11的壁面的开口部的形状设为两个长孔11e、11f交叉的X形状，但是本发明不限定于此。设置于波导管11的壁面的开口部的形状只要是能够辐射出圆偏振波的形状即可。只要是能够辐射出圆偏振波的形状，设置于波导管11的壁面的开口部也可以通过俯视时相对于波导管11的管轴L1以不同的角度倾斜的两个以上的长孔构成。另外，两个以上的长孔的交差位置也可以偏离长孔的中心。例如上述开口部也可以是L形状、T形状。另外，上述开口部也可以将三个以上的长孔组合来构成。此外，在将上述开口部的形状设为两个长孔交叉的X形状的情况下，确认出即使将该两个长孔的交叉角度设为30度也能够辐射出圆偏振波。但是，在这种情况下，从该开口部辐射出的微波为椭圆状的圆偏振波。与此相对，在将两个长孔以在各自的中央部正交的方式进行配置的情况下，能够辐射出大致正圆状的圆偏振波。在这种情况下，电场的旋转方向变得更明确，从而能够高精度地分离行波和反射波来进行检测。
另外，上述开口部也可以是如图10所示那样的圆形状的开口部11A，还可以是多角形的开口部(未图示)。在这种情况下，微带线路13只要构成为具备被配置成在俯视时分别沿与管轴L1交叉的方向横穿圆形状的开口部11A且夹持开口部11A的开口中央部11Ac而相向的第一和第二传送线路13Aa、13Ab即可。另外，第一传送线路13Aa和第二传送线路13Ab只要在远离开口部11A的铅垂上方的区域的位置相互连接即可。此外，耦合点A和耦合点B产生在图11所示的位置。在图11中，虚线箭头表示通过各个耦合点A、B而激励出的磁场B5、B6。
此外，如上所述，上述开口部只要是能够辐射出圆偏振波的形状即可。只要是能够辐射圆偏振波的形状，上述开口部也可以通过在俯视时相对于波导管10的管轴L1以不同的角度倾斜的两个以上的长孔构成。另外，上述开口部可以是将多个长孔每次改变少许角度并重叠而构成的大致圆形状，还可以是将X形状的长孔11e、11f的四个顶点(端部)连结而成的正方形。另外，上述开口部也可以是椭圆形、长方形、梯形、心型、星形等各种形状。此外，在将上述开口部的形状设为圆形、四角形的情况下，与X形状等相交的形状相比具有上述开口部不容易变形的效果。
(第二实施方式)
接着，使用图11说明本发明的第二实施方式所涉及的微波加热装置。图11是本发明的第二实施方式所涉及的微波加热装置的结构图。
在图11中，本第二实施方式所涉及的微波加热装置具备收纳被加热物的加热室100、产生微波的微波产生部101、传送微波产生装置101所产生的微波的波导管102以及使在波导管102内传送的微波向加热室100辐射的微波辐射部103。在微波产生部101与微波辐射部103之间的波导管102的壁面(宽面)设置有上述第一实施方式所涉及的定向耦合器104。
定向耦合器104分别检测与在波导管102内从微波产生部101朝向微波辐射部103传送的行波对应的检测信号104a和与在波导管102内从微波辐射部103朝向微波产生部101传送的反射波对应的检测信号104b，并发送到控制部105。
另外，向控制部105发送使用者对微波加热装置的输入部(未图示)输入的加热条件、检测被加热物的重量、蒸汽量等的传感器(未图示)的检测信号等信号107。控制部105根据检测信号104a、104b以及信号107来控制驱动电源106和电动机108，对收纳在加热室100内的被加热物进行加热。驱动电源106通过控制部105的控制向微波产生部101供给用于产生微波的电力。另外，电动机108通过控制部105的控制来产生用于对微波辐射部103进行旋转驱动的动力。
根据本第二实施方式所涉及的微波加热装置，定向耦合器104通过检测伴随被加热物的加热而产生的被加热物自身的物理变化所致的反射波的量的时间变化，能够掌握被加热物的加热进展状况。另外，还能够掌握被加热物内部的状态变化、被加热物的种类以及量。因而，根据本第二实施方式所涉及的微波加热装置，能够提供便利性高的微波加热装置。
产业上的可利用性
本发明所涉及的定向耦合器能够抑制装置的大型化且不需要高精度的尺寸管理，因此对于在装置的大小受限制的民生用微波利用设备(例如电磁灶、微波炉)、产业用微波利用设备中使用的定向耦合器是有用的。
本发明参照添附附图并与优选的实施方式关联地充分进行了记载，但是对于熟习该技术的人们来说各种变形、修正是显而易见的。应该理解为那样的变形、修正只要不偏离所添附的权利要求书所保护的本发明的范围就包含在本发明的范围中。
在2013年1月31日申请的日本专利申请No.2013-016522号以及在2013年8月6日申请的日本专利申请No.2013-163009号的说明书、附图以及专利权利要求书的公开内容整体被参照而取入到本说明书中。
附图标记说明
10、102：波导管；10a：宽面；10d：磁场分布；11：十字开口；11a：十字开口区域；11c：开口中央部；11d：十字开口的宽度；11e、11f：长孔；11w：十字开口的长度；12：印刷电路板；12a：印刷电路板A面；12b：印刷电路板B面；13：微带线路；13a：第一传送线路；13b：第二传送线路；13c：第三传送线路；13d、13e、13f：传送线路；131、132：输出部；14：支承部；141、142：贯通孔；15：检波电路；18、19：检波输出部；100：加热室；101：微波产生部；103：微波辐射部；104：定向耦合器；L1：管轴；P1、P2：耦合点。

Claims (15)

1.一种定向耦合器，具备设置于波导管的壁面的开口部以及设置于上述波导管的外侧的耦合线路，在该定向耦合器中，
上述开口部被设置在俯视时与上述波导管的管轴不交叉的位置处且被形成为辐射圆偏振波，
上述耦合线路具备被配置成俯视时分别横穿上述开口部且以夹持上述开口部的中央部的方式相向的第一传送线路和第二传送线路，以及设置于两端部的输出部，
其中，上述第一传送线路和上述第二传送线路在远离上述开口部的铅垂上方的区域的位置处相互连接。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，
还具备印刷电路板，
上述耦合线路被形成在上述印刷电路板的与上述开口部相向的面上。
3.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，
上述开口部被形成为两个长孔交叉的X形状。
4.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，
上述开口部被形成为两个长孔交叉的X形状。
5.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，
第一耦合点和第二耦合点之间的上述耦合线路被构成为在上述第一耦合点产生的微波和在上述第二耦合点产生的微波与上述圆偏振波的旋转方向对应地在上述第一耦合点或上述第二耦合点成为相同的相位，在俯视时，该第一耦合点位于上述开口部与上述第一传送线路交叉的耦合区域的大致中心，该第二耦合点位于上述开口部与上述第二传送线路交叉的耦合区域的大致中心。
6.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，
第一耦合点和第二耦合点之间的上述耦合线路被构成为在上述第一耦合点产生的微波和在上述第二耦合点产生的微波与上述圆偏振波的旋转方向对应地在上述第一耦合点或上述第二耦合点成为相同的相位，在俯视时，该第一耦合点位于上述开口部与上述第一传送线路交叉的耦合区域的大致中心，该第二耦合点位于上述开口部与上述第二传送线路交叉的耦合区域的大致中心。
7.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，
第一耦合点和第二耦合点之间的上述耦合线路被构成为在上述第一耦合点产生的微波和在上述第二耦合点产生的微波与上述圆偏振波的旋转方向对应地在上述第一耦合点或上述第二耦合点成为相同的相位，在俯视时，该第一耦合点位于上述开口部与上述第一传送线路交叉的耦合区域的大致中心，该第二耦合点位于上述开口部与上述第二传送线路交叉的耦合区域的大致中心。
8.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，
第一耦合点和第二耦合点之间的上述耦合线路被构成为在上述第一耦合点产生的微波和在上述第二耦合点产生的微波与上述圆偏振波的旋转方向对应地在上述第一耦合点或上述第二耦合点成为相同的相位，在俯视时，该第一耦合点位于上述开口部与上述第一传送线路交叉的耦合区域的大致中心，该第二耦合点位于上述开口部与上述第二传送线路交叉的耦合区域的大致中心。
9.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，
还具备具有导电性的支承部，该支承部在上述波导管的外表面上对上述印刷电路板进行支承，并且以俯视时包围上述开口部的方式进行配置，
在上述印刷电路板的与上述开口部不相向的面形成有微波反射部件。
10.根据权利要求9所述的定向耦合器，其特征在于，
在上述支承部设置有用于上述耦合线路的两端部贯通的贯通孔，
上述输出部配置在上述支承部的外侧。
11.根据权利要求10所述的定向耦合器，其特征在于，
上述输出部在上述支承部的外侧与检波电路或终端电路连接。
12.根据权利要求11所述的定向耦合器，其特征在于，
上述检波电路或上述终端电路被设置在上述印刷电路板上。
13.根据权利要求1～12中的任一项所述的定向耦合器，其特征在于，
上述第一传送线路和上述第二传送线路沿俯视时与上述管轴大致垂直的方向延伸。
14.根据权利要求13所述的定向耦合器，其特征在于，
上述第一传送线路的一端部和第二传送线路的一端部与俯视时相对于上述管轴大致平行的第三传送线路连接。
15.一种微波加热装置，具备根据权利要求1～14中的任一项所述的定向耦合器。
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