JP2004312566A

JP2004312566A - マイクロ波発生装置及び方法

Info

Publication number: JP2004312566A
Application number: JP2003105931A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsumoto; 紘松本; Masatake Shinohara; 真毅篠原; Eiichiro Fujiwara; 栄一郎藤原; Yoshiro Takahashi; 吉郎高橋; Naohiro Tanaka; 直浩田中
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】高出力のマイクロ波を発生でき、周波数と位相の安定範囲が広く、かつ小型軽量化が可能であり出力対質量比を大きくできるマイクロ波発生装置及び方法を提供する。
【解決手段】マグネトロン１１と、高圧直流安定化電源１２と、マイクロ波１の一部１ａを分岐する方向性結合器１８と、分岐したマイクロ波を減衰する減衰器１９と、基準信号発信器１３と位相比較器１４とアノード電流制御演算器２０とを有する位相同期回路１０とを備える。分岐したマイクロ波１ａと基準信号発信器が発生する基準信号３との周波数と位相を比較し、基準信号に対するズレを減少させるためのアノード電流制御信号５を高圧直流安定化電源１２に入力する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンを発振源とするマイクロ波発生装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波発生装置は、電子レンジ等の民生分野の他に、太陽発電衛星のマイクロ波送電部、プラズマ・核融合発生装置、マイクロ波レーダ、医療用のマイクロ波加熱、セラムックスの蒸着、等に使用される。
【０００３】
民生分野でのマイクロ波発生装置では、ＴＷＴ（進行波管）や半導体が主に使用されている。しかし、ＴＷＴは出力が小さく周波数の安定度も低い。また、半導体ではその出力対質量比が小さい問題点がある。
【０００４】
そこで、高出力のマイクロ波を必要とする用途用として出力対質量比が高いマグネトロンを用いたマイクロ波発生装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０５−３４３１７９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開昭６０−１２３１１０号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２００２−４３８４８号公報
［特許文献１］の「高周波加熱装置」は、マグネトロンを用いて冷凍食品の解凍加熱を自動制御するものである。
【０００８】
［特許文献２］の「マグネトロン位相ロック装置」は、図３に示すように、磁界を発生する装置を有するマグネトロン１１０と、入力信号源１１３と、前記入力信号を前記マグネトロンに供給する装置と、前記マグネトロンの出力信号と前記入力信号の位相を比較し誤差信号を発生する比較装置であって、前記誤差信号が前記磁界発生装置に供給され、誤差信号に応答して磁界の強さを変化してマグネトロンの周波数を前記信号源にロックする比較装置１１７と、から構成される。なおこの図で、１１１は３ポート・サーキュレータ、１１２は負荷、１１４は磁石、１１６はカプラ、１１８は増幅器、１１９は進み−遅れ回路網、１２０はマグネトロンＤＣ電源である。
【０００９】
［特許文献３］の「マグネトロン周波数／位相制御回路とマグネトロンを用いたマイクロ波発生装置」は、図４に示すように、マグネトロン２１１にアノード電流を供給して発振状態とすることで前記マグネトロンにマイクロ波を放射させるアノード電流源２１２と、
前記マグネトロンの固有発振周波数に近い周波数を持つ基準信号を生成する基準信号生成器２１３と、
この基準信号生成器から出力される基準信号を前記マグネトロンに注入して、前記マグネトロンの発振周波数を前記基準信号の周波数に引き込んで同期させる注入同期手段と、
前記マグネトロンの発振出力と前記基準信号とを比較して両者の周波数及び位相誤差を求め、前記アノード電流源のアノード電流出力を制御して前記周波数及び位相誤差を補正するフィードバック制御手段とを具備するものである。
【００１０】
すなわち、［特許文献３］の装置では、マグネトロン２１１から発生するマイクロ波の周波数と位相を安定化させるために、注入同期手段とフィードバック制御手段を備えている。注入同期手段は、基準信号発生器２１３から固定したい基準信号を出力し、サーキュレータ２１６により、マグネトロン２１１へ基準信号を注入する。またフィードバック制御手段は、注入同期手段の働きを補完するために、マグネトロン２１６からの出力を方向性結合器２１８にて分岐し、分配器２１５で分岐した基準信号とミキサ２１７で混合し、その差分をアノード電流制御演算器２２２にて算出した後、電源２１２を制御する信号を発生する。以下、このフィードバック制御手段を位相同期回路（ｐｈａｓｅｌｏｃｋｌｏｏｐ：ＰＬＬ回路）と呼ぶ。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した［特許文献１］の装置では、高出力のマイクロ波を発生できるものの、精密な周波数制御と位相制御ができない問題点があった。
【００１２】
また、［特許文献２］と［特許文献３］の装置では、高出力化、精密な周波数制御及び精密な位相制御が可能であるが、同期基準信号をマグネトロンに入力するため、サーキュレータが必要になるため質量（重量）が大きく、質量に対する出力電力比が悪い問題点があった。そのため、軽量化が重視される分野（例えば宇宙用）には適用できなかった。
【００１３】
また、制御可能な周波数ロック幅は、後述するアドラーの式で数式化され、基準入力信号Ｐ_ｉｎとマグネトロン出力電力Ｐ_ｏｕｔの比Ｐ_ｉｎ／Ｐ_ｏｕｔで決まるため、大電力を出力する場合には基準信号入力Ｐ_ｉｎも大きくする必要があり、増幅器が大型化／重量化する問題点があった。
さらに、上記アドラーの式より、後述するように位相制御範囲が、−９０°〜＋９０°に制限されるため、位相安定範囲が狭い問題点があった。
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものある。すなわち、本発明の目的は、高出力のマイクロ波を発生でき、周波数と位相の安定範囲が広く、かつ小型軽量化が可能であり出力対質量比を大きくできるマイクロ波発生装置及び方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、アノードとカソードを有しアノードに供給されるアノード電流（２）により発振しマイクロ波（１）を発生するマグネトロン（１１）と、該マグネトロンにアノード電流を供給する高圧直流安定化電源（１２）と、該マイクロ波を外部出力しその一部（１ａ）を分岐する方向性結合器（１８）と、分岐したマイクロ波を減衰する減衰器（１９）と、基準信号発信器（１３）と位相比較器（１４）とアノード電流制御演算器（２０）とを有する位相同期回路（１０）とを備え、マグネトロンから分岐したマイクロ波（１ａ）と基準信号発信器が発生する基準信号（３）との周波数と位相を比較し、基準信号に対するズレを減少させるためのアノード電流制御信号（５）を前記高圧直流安定化電源に入力する、ことを特徴とするマイクロ波発生装置が提供される。
また、本発明によれば、マグネトロン（１１）のアノードにアノード電流（２）を供給してマイクロ波（１）を発生させ、該マイクロ波を外部出力しその一部（１ａ）を分岐し、分岐したマイクロ波を減衰させ、減衰したマイクロ波と基準信号（３）との周波数と位相を比較し、その誤差を減少させるようにアノード電流（２）を制御する、ことを特徴とするマイクロ波発生方法が提供される。
上記本発明の装置及び方法によれば、マグネトロン（１１）によりマイクロ波（１）を発生し、方向性結合器（１８）と減衰器（１９）と位相比較器（１４）によりマイクロ波と基準信号（３）との周波数と位相を比較し、アノード電流制御演算器（２０）により誤差を減少させるようにアノード電流（２）を制御することができる。
本発明の手段では、マグネトロン（１１）でマイクロ波（１）を発生するため、高出力化が容易であり、従来の注入同期手段を構成するサーキュレータを省略できることで装置の小型軽量化を実現し、全体として出力対質量比を大きくできる。
また、従来の注入同期方式では位相制御範囲は−９０°〜＋９０°であったが、本発明では位相同期回路において位相比較器（１４）を用いてフィードバック回路を行うことにより、−１８０°〜＋１８０°まで制御が可能となり、より安定したマグネトロンの制御が実現できる。
【００１５】
従って、本発明により、従来のマイクロ波発生装置に対して、マイクロ波出力、周波数の安定度、出力対質量比を改善することができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、前記位相比較器（１４）は、分岐したマイクロ波（１ａ）と基準信号発信器が発生する基準信号（３）との周波数と位相を比較し、その周波数差と位相差に相当する誤差信号（４）を出力する。
【００１６】
この構成により、位相比較器（１４）により、−１８０°〜＋１８０°のフルレンジにおいて、周波数差と位相差に相当する誤差信号（４）を出力し、周波数と位相を安定化することができる。
また、前記アノード電流制御演算器（２０）は、位相比較器（１４）の誤差信号（４）から基準信号に対するマグネトロン発振出力の周波数誤差と位相誤差を求め、その誤差を減少させるためのアノード電流制御信号（５）を演算出力する。
この構成により、−１８０°〜＋１８０°のフルレンジにおいて、周波数誤差と位相誤差を減少させるようにアノード電流制御信号（５）を演算出力し、周波数と位相を基準信号に一致させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
初めに、従来の注入同期手段について再度説明する。
【００１８】
Ａｄｌａｒの式は「注入同期」を行う際に有効となる式で、［数１］の式（１）のように表される。ここで、Δｆ：周波数ロック幅、Ｑ_ｅ：外部Ｑ値、Ｐ_ｉｎ：基準信号電力、Ｐ_ｏｕｔ：マグネトロン出力電力である。
【００１９】
【数１】

【００２０】
すなわち、注入同期法は、（１）基準信号をマグネトロンに注入することで、マグネトロンの周波数を基準信号にロックさせる方法であり、（２）周波数ロック後は、基準信号の位相にマグネトロンの位相も同期する、ものである。
但し、注入同期法単独では、式（１）からわかるように、（１）Ｐ_ｉｎ／Ｐ_ｏｕｔ比によって決まるΔｆ内に基準信号がないと根本的にロックしない、（２）Δｆ内に基準信号があっても位相差θが存在＝基準信号位相に対しθ回って出てくるため、Δｆをすべてのマグネトロンで一致させる必要がある、等の問題点がある。
【００２１】
なお、Δｆによる位相差の式は、［数１］の式（２）のように表される。
【００２２】
以上のことから、注入同期単独で、出力を一致させることは非常に難しい。
また、注入同期法のみでは、マイクロ波の安定が難しいため、［特許文献３］のマイクロ波発生装置では、Ｍｉｘｅｒ（ミキサ）をもちいた、ＰＬＬ制御回路を構成し、マイクロ波出力の安定を図っている。
【００２３】
この方式で構成することにより、（１）Δｆ外にあるマグネトロン周波数を内に寄せる、（２）Δｆ内にあるマグネトロン周波数を位相差一定となるようにΔｆ＝一定に固定する、（３）注入同期がかかっているため、周波数が一致している区間が広く、位相同期しやすい、等の特徴が得られる。
また、ミキサーの働きを、図２Ａと図２Ｂに模式的に示す。図２Ａは周波数が一致しΔｆ内で周波数ロックされた場合であり、図２Ｂは周波数が不一致でΔｆ外で周波数ロックしていない場合である。
【００２４】
図２Ａにおいて、入力信号はＡｃｏｓωｔとＢｃｏｓ（ωｔ−θ）であり、出力電圧はＶ_ＩＦである。また、図２Ｂにおいて入力信号はＡｃｏｓω_ＬＯｔとＢｃｏｓ（ω_ＲＦｔ−θ）であり、出力電圧はＶ_ＩＦである。
出力電圧はＶＩＦは、［数２］の式（３）（４）で示される。なお式中、×で示す項は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）でカットされることを意味し、○で囲む項のみが出力される。
【００２５】
［数２］の式（３）から明らかなように、周波数が一致した場合の出力はθに依存し、−９０°＜θ＜９０°の範囲しかとり得ない。よって、この範囲外ではロックしないことになる。
【００２６】
この点が、ミキサーの基準入力に注入同期を用いた方式の問題点であった。
【００２７】
【数２】

【００２８】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明のマイクロ波発生装置の構成図である。この図に示すように、本発明のマイクロ波発生装置は、マグネトロン１１、高圧直流安定化電源１２、方向性結合器１８、減衰器１９、および位相同期回路１０を備える。
マグネトロン１１は、アノード（陽極）とカソード（陰極）を有し、高圧直流安定化電源１２からアノードに供給されるアノード電流２（高圧直流電流）により発振し、マイクロ波１を発生する。
【００２９】
高圧直流安定化電源１２は、マグネトロン１１にアノード電流２を供給する。このアノード電流２は、後述するアノード電流制御演算器２０により演算出力される。
方向性結合器１８は、マイクロ波１を外部出力し、その一部１ａを分岐する。減衰器１９は、分岐したマイクロ波１ａを減衰（例えば−３０デシベル）する。位相同期回路１０は、内部に基準信号発信器１３と位相比較器１４とアノード電流制御演算器２０とを有する。
【００３０】
基準信号発信器１３は、マグネトロン１１の固有発振周波数に近い周波数を持つ基準信号３を発生する。
【００３１】
位相比較器１４は、分岐したマイクロ波１ａと基準信号発信器１３が発生する基準信号３との周波数と位相を比較し、−１８０°〜＋１８０°のフルレンジにおいて、その周波数差と位相差に相当する誤差信号４を出力する。
【００３２】
アノード電流制御演算器２０は、位相比較器１４の誤差信号４から基準信号３に対するマグネトロン発振出力の周波数誤差と位相誤差を求め、その誤差を減少させるためのアノード電流制御信号５を演算出力する。
【００３３】
上述した装置を用い、本発明の方法では、マグネトロン１１のアノードにアノード電流２を供給してマイクロ波１を発生させ、方向性結合器１８で発生したマイクロ波１を外部出力しかつその一部１ａを分岐し、減衰器１９で分岐したマイクロ波１ａを減衰させ、位相比較器１４で減衰したマイクロ波１ａと基準信号３との周波数と位相を比較し、アノード電流制御演算器２０と高圧直流安定化電源１２によりその誤差を減少させるようにアノード電流２を制御する。
【００３４】
上述した本発明の装置及び方法によれば、マグネトロン１１によりマイクロ波１を発生し、方向性結合器１８と減衰器１９と位相比較器１４によりマイクロ波１と基準信号３との周波数と位相を比較し、アノード電流制御演算器２０により誤差を減少させるようにアノード電流２を制御することができる。
【００３５】
また本発明の手段では、マグネトロン１１でマイクロ波１を発生するため、高出力化が容易であり、従来の注入同期手段を構成するサーキュレータを省略できることで装置の小型軽量化を実現し、全体として出力対質量比を大きくできる。
【００３６】
さらに、従来の注入同期方式では位相制御範囲は−９０°〜＋９０°であったが、本発明では位相同期回路において位相比較器１４を用いてフィードバック回路を行うことにより、−１８０°〜＋１８０°まで制御が可能となり、より安定したマグネトロンの制御が実現できる。
【００３７】
従って、本発明により、従来のマイクロ波発生装置に対して、マイクロ波出力、周波数の安定度、出力対質量比を改善することができる。
【００３８】
なお、本発明において、上述した位相比較器１４の代わりにミキサーを用いることもできる。しかし、ミキサーでは入力が飽和すると非線形性が生じるため、位相比較器を用いる方が安定性を高めることができる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
上述したように、本発明のマイクロ波発生装置及び方法は、高出力のマイクロ波を発生でき、周波数と位相の安定範囲が広く、かつ小型軽量化が可能であり出力対質量比を大きくできる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ波発生装置の構成図である。
【図２】従来のミキサーの働きを示す模式図である。
【図３】従来のマグネトロン位相ロック装置の構成図である。
【図４】従来のマイクロ波発生装置の構成図である。
【符号の説明】
１、１ａマイクロ波、２アノード電流、
３基準信号、４誤差信号、５アノード電流制御信号、
１０位相同期回路、１１マグネトロン、
１２高圧直流安定化電源、１３基準信号発信器、
１４位相比較器、１８方向性結合器、
１９減衰器、２０アノード電流制御演算器

Claims

アノードとカソードを有しアノードに供給されるアノード電流（２）により発振しマイクロ波（１）を発生するマグネトロン（１１）と、該マグネトロンにアノード電流を供給する高圧直流安定化電源（１２）と、該マイクロ波を外部出力しその一部（１ａ）を分岐する方向性結合器（１８）と、分岐したマイクロ波を減衰する減衰器（１９）と、基準信号発信器（１３）と位相比較器（１４）とアノード電流制御演算器（２０）とを有する位相同期回路（１０）とを備え、
マグネトロンから分岐したマイクロ波（１ａ）と基準信号発信器が発生する基準信号（３）との周波数と位相を比較し、基準信号に対するズレを減少させるためのアノード電流制御信号（５）を前記高圧直流安定化電源に入力する、ことを特徴とするマイクロ波発生装置。
前記位相比較器（１４）は、分岐したマイクロ波（１ａ）と基準信号発信器が発生する基準信号（３）との周波数と位相を比較し、その周波数差と位相差に相当する誤差信号（４）を出力する、ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発生装置。
前記アノード電流制御演算器（２０）は、位相比較器（１４）の誤差信号（４）から基準信号に対するマグネトロン発振出力の周波数誤差と位相誤差を求め、その誤差を減少させるためのアノード電流制御信号（５）を演算出力する、ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波発生装置。
マグネトロン（１１）のアノードにアノード電流（２）を供給してマイクロ波（１）を発生させ、該マイクロ波を外部出力しその一部（１ａ）を分岐し、分岐したマイクロ波を減衰させ、減衰したマイクロ波と基準信号（３）との周波数と位相を比較し、その誤差を減少させるようにアノード電流（２）を制御する、ことを特徴とするマイクロ波発生方法。