JP2006253826A - Microwave generator, microwave power transmission device, and space photovoltaic power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、宇宙空間に巨大な太陽電池パネルを広げ、発生した電力をマイクロ波で地上に送信するようにした宇宙太陽発電システムに用いられるマイクロ波発生装置などに関するものである。 The present invention relates to, for example, a microwave generator used in a space solar power generation system in which a huge solar cell panel is spread in outer space and generated electric power is transmitted to the ground with microwaves.
従来、宇宙航空研究開発機構(JAXA:Japan Aerospace Exploration Agency)では、将来の化石燃料の枯渇に備えて太陽エネルギーの有効利用を目的に、宇宙空間に大型太陽電池パネルを設置し、得られた電力をマイクロ波やレーザ光に変換して地上に送るSSPS
(Space Solar Power System)構想を発表している。
このSSPSでは、例えば、マイクロ波を利用する場合、赤道上空3万6000kmの静止軌道上に、図11に示すような、5km×10km程度の大きさの太陽電池パネル100を有した宇宙エネルギー利用システムを打ち上げ、太陽光101によって発電した電力をパネルの中の発振モジュール(1m×0.5m×0.3m程度の大きさ)102でマイクロ波103に変換して、送電アンテナ104により地上に設けた受信用アンテナ105に送り、電力などのエネルギーとして利用するもので、将来的には100万KW級の発電を目指している。
In the past, the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) installed large solar panels in outer space in order to effectively use solar energy in preparation for the future depletion of fossil fuels. SSPS converted into microwaves or laser light and sent to the ground
(Space Solar Power System) concept announced.
In this SSPS, for example, when using microwaves, a space energy utilization system having a
上記SSPSに用いられる発振モジュールには、高効率、高出力な利点を持つマグネトロンの利用が検討されている。しかしながら、マグネトロンは周波数安定度が悪いため、マグネトロンを用いたマイクロ波発振モジュールは、出力位相の安定化が困難で、例えば、アクティブフェーズアレイのように高精度の位相制御が要求されるアンテナ装置には使用することができないという欠点があった。 For the oscillation module used in the SSPS, the use of a magnetron having the advantages of high efficiency and high output is being studied. However, since the frequency stability of the magnetron is poor, it is difficult to stabilize the output phase of the microwave oscillation module using the magnetron. For example, for an antenna device that requires high-precision phase control like an active phase array. Had the disadvantage that it could not be used.
そこで、例えば、図12に示すように、近年、注入同期法において、マグネトロンの陽極電流のフィードバック制御を取り入れることにより、マグネトロンの発振周波数の安定化を図る技術が提案されている(例えば、特開平2002−43848号公報など)。 Therefore, for example, as shown in FIG. 12, in recent years, a technique for stabilizing the oscillation frequency of the magnetron by incorporating feedback control of the anode current of the magnetron in the injection locking method has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei. 2002-43848 publication).
この図12に示される従来のマイクロ波発生装置は、DC電源200によりマグネトロン201のアノード(陽極)とカソード(陰極)との間に電流(以下「陽極電流」という。)を流して発振状態とし、この状態において、基準信号発生器202によって生成された基準信号をサーキュレータ203を介してマグネトロン201に注入し、マグネトロン201の発振周波数を基準信号に同期させる。このマグネトロン201から放射されるマイクロ波は、サーキュレータ203により取り出され、方向性結合器204によって一部分岐されて、ミキサ205に入力される。
In the conventional microwave generator shown in FIG. 12, a current (hereinafter referred to as “anode current”) is passed between an anode (anode) and a cathode (cathode) of a
ミキサ205では、基準信号との比較が行われ、この比較結果がLPF(ローパスフィルタ)206を介してPC207に入力される。PC207では、マイクロ波出力と基準信号との周波数誤差及び位相誤差が求められ、この誤差分を解消させる制御量がDC電源200にフィードバックされる。これにより、DC電源200からマグネトロン201に入力される電流量が調節され、マグネトロン201の出力が所定の周波数及び位相に収束されることとなる。
ところで、上述した従来のマイクロ波発生装置によれば、マグネトロン201の出力位相を基準信号位相に収束させるために、例えば、初期校正時にミキサ205の出力目標値を決め、PC207に記憶させておく必要がある。
このとき、ミキサ205の出力VIFは、例えば、以下の(1)式で与えられる。
At this time, the output V IF of the mixer 205 is given by the following equation (1), for example.
上記(1)式において、第1項は、ミキサ205において混合される基本直流成分であり、基準信号の振幅A1及びマグネトロンの出力振幅A2並びに位相差(θ1−θ2)に応じて変化する。第2項は、両信号の入力レベルによって変化するオフセット成分が足し合わされた成分であり、上記目標値を決定する際には、このオフセット成分を求める必要がある。第3項は、ミキサ出力のノイズ成分であり、ミキサ205の後段に設けられているLPF206により除去される成分である。
In the above equation (1), the first term is a basic DC component mixed in the
例えば、図12に示したマイクロ波発生装置において、上記ミキサの出力目標値を決定する際には、例えば、PC207とDC電源200とを非接続状態とした開ループの状態において、DC電源200からマグネトロン201に与える陽極電流を除々に変化させ、このときのLPF206の出力をPC207にて計測し、この計測結果から上記ミキサの出力目標値を設定している。
For example, in the microwave generator shown in FIG. 12, when determining the output target value of the mixer, for example, in an open loop state in which the PC 207 and the DC power source 200 are disconnected, the DC power source 200 The anode current applied to the
しかしながら、一般的にマグネトロン201は、陽極電流を変化させると、その出力位相及び出力振幅が変化するという性質を有しているため、陽極電流を変化させながらミキサの出力目標値を設定するという従来の手法では、上述した(1)式における第1項及び第2項に含まれているマグネトロンの振幅A2が変化してしまい、第2項に示されるオフセット成分を高い精度で求めることができないという問題があった。このため、従来のマイクロ波発生装置では、正確な出力目標値を設定することが困難であり、この結果、位相同期精度などの低下を招いているという問題があった。
However, in general, the
また、上述したように、従来のマイクロ波発生装置では、陽極電流を変化させることによりマグネトロン201を制御するため、出力位相だけでなく、出力振幅の同期精度も低下するおそれがある。これにより、例えば、アクティブフェーズドアレイなどに使用された場合には、励振振幅分布の変動に起因した放射パターンの劣化が生じるという問題がある。
Further, as described above, since the conventional microwave generator controls the
更に、上述した従来のマイクロ波発生装置では、フィードバックループ内に、応答の遅いDC電源200が含まれているために、応答性が悪いという問題があった。例えば、図12に示した従来のマイクロ波発生装置では、基準信号の位相が変化して、位相の同期が外れた後、再び同期するまでに、約4秒程度の時間がかかるなどの不都合が生じていた。 Furthermore, the conventional microwave generator described above has a problem that the response is poor because the DC power supply 200 having a slow response is included in the feedback loop. For example, the conventional microwave generator shown in FIG. 12 has the disadvantage that it takes about 4 seconds to synchronize again after the phase of the reference signal changes and the phase is out of synchronization. It was happening.
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、位相同期精度の向上及び応答性の向上を図ることのできるマイクロ波発生装置及びマイクロ波送電装置並びに宇宙太陽発電システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a microwave generator, a microwave power transmission device, and a space solar power generation system capable of improving phase synchronization accuracy and responsiveness. Objective.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、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出力位相と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて、前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段とを具備するマイクロ波発生装置を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention provides injection locking means for injecting a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron, and drawing and synchronizing the oscillation frequency of the magnetron with the frequency of the reference signal, and an output phase of the magnetron A feedback control means for comparing the phase of the reference signal with the phase of the reference signal to obtain a phase error between the two and feeding back a control amount for changing the phase of the reference signal to the injection locking means based on the phase error. A microwave generator is provided.
上記構成によれば、マグネトロンには、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が注入同期手段により注入される。これにより、各マグネトロンの出力周波数は、この基準信号の周波数に引き込まれる。一方、このマグネトロンの出力の一部、並びに、基準信号の一部は、フィードバック制御手段に入力され、ここで両者の位相誤差が求められ、この位相誤差に応じた制御量が注入同期手段にフィードバックされ、この制御量に応じて位相が調整された基準信号が、注入同期手段によりマグネトロンに注入されることとなる。このようにして、フィードバック制御が行われることにより、マグネトロンの出力の周波数及び位相を所望の値に収束させることが可能となる。 According to the above configuration, the reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron is injected into the magnetron by the injection locking means. Thereby, the output frequency of each magnetron is drawn to the frequency of this reference signal. On the other hand, a part of the output of the magnetron and a part of the reference signal are input to the feedback control means, where a phase error between them is obtained, and a control amount corresponding to the phase error is fed back to the injection locking means. Then, the reference signal whose phase is adjusted according to the control amount is injected into the magnetron by the injection locking means. By performing feedback control in this manner, the frequency and phase of the magnetron output can be converged to desired values.
ここで、上記構成では、陽極電流を変化させて、マグネトロンの出力を制御するのではなく、基準信号の位相を変化させることによりマグネトロンの出力を制御するので、陽極電流に起因するマグネトロンの出力振幅の変動、出力位相の変動を解消させることが可能となる。これにより、同期精度を向上させることが可能となる。 Here, in the above configuration, the output of the magnetron is controlled by changing the phase of the reference signal, not by controlling the output of the magnetron by changing the anode current. Fluctuations and output phase fluctuations can be eliminated. As a result, the synchronization accuracy can be improved.
また、陽極電流をフィードバック制御しないことから、応答の遅い高圧直流安定化電源をフィードバックループの外に設けることが可能となるので、応答性を向上させることが可能となる。この結果、例えば、位相の同期状態が外れてから、再び同期するまでの時間を大幅に短縮することができる。 In addition, since the anode current is not feedback-controlled, it is possible to provide a high-voltage direct current stabilized power supply that is slow in response outside the feedback loop, so that the responsiveness can be improved. As a result, for example, the time from when the phase synchronization state is lost to when it is synchronized again can be greatly shortened.
上記記載のマイクロ波発生装置において、前記注入同期手段は、前記フィードバック制御手段から与えられる制御量に基づいて、前記基準信号の移相量を変化させる可変移相器を備え、前記フィードバック制御手段は、前記位相誤差と予め設定されている目標位相値とを比較し、前記目標位相値からの偏差に応じた制御量を前記可変移相器へフィードバックする移相器制御手段を備えると良い。 In the microwave generator described above, the injection locking unit includes a variable phase shifter that changes a phase shift amount of the reference signal based on a control amount given from the feedback control unit, and the feedback control unit includes: It is preferable to provide phase shifter control means for comparing the phase error with a preset target phase value and feeding back a control amount corresponding to a deviation from the target phase value to the variable phase shifter.
上記構成によれば、フィードバック制御手段が備える移相器制御手段により、マグネトロンの出力と基準信号との位相誤差が求められ、更に、この位相誤差と予め設定されている目標位相値との偏差分に応じた制御量が、注入同期手段が備える可変移相器に入力される。そして、可変移相器により、基準信号の位相が上記移相器制御手段から与えられた制御量に応じて調整され、この調整後の基準信号がマグネトロンに注入されることとなる。そして、このようなフィードバック制御が行われることにより、マグネトロンの出力位相を所望の位相に収束させることが可能となる。 According to the above configuration, the phase shifter control means included in the feedback control means obtains a phase error between the output of the magnetron and the reference signal, and further, a deviation amount between the phase error and a preset target phase value. A control amount corresponding to is input to the variable phase shifter provided in the injection locking means. The phase of the reference signal is adjusted by the variable phase shifter according to the control amount given from the phase shifter control means, and the adjusted reference signal is injected into the magnetron. By performing such feedback control, the output phase of the magnetron can be converged to a desired phase.
上記記載のマイクロ波発生装置において、前記目標位相値は、前記フィードバック制御手段を開ループにした状態において、前記マグネトロンに注入される基準信号の位相を0°から360°まで変化させ、このときの前記基準信号と前記マグネトロンの出力との位相誤差に基づいて設定されると良い。 In the microwave generator described above, the target phase value changes the phase of the reference signal injected into the magnetron from 0 ° to 360 ° in a state where the feedback control unit is in an open loop, It may be set based on a phase error between the reference signal and the output of the magnetron.
上記構成によれば、目標位相値は、以下のようにして設定される。まず、フィードバック制御手段を開ループにした状態、つまり、所定の制御量が注入同期手段にフィードバックされない状態において、マグネトロンに対して位相を0°から360°変化させた基準信号を注入する。そして、このときのマグネトロンの出力と基準信号との位相誤差を計測し、この計測結果の中央値を目標位相値として設定する。 According to the above configuration, the target phase value is set as follows. First, in a state where the feedback control means is in an open loop, that is, in a state where a predetermined control amount is not fed back to the injection locking means, a reference signal whose phase is changed from 0 ° to 360 ° is injected into the magnetron. Then, the phase error between the output of the magnetron and the reference signal at this time is measured, and the median value of the measurement result is set as the target phase value.
このように、マグネトロンの陽極電流を変化させずに、目標位相値が設定されるので、マグネトロンの出力振幅の変化に起因する目標位相値のオフセット誤差などを解消することが可能となる。これにより、高い精度で設定された目標位相値に基づいてフィードバック制御が行われるので、同期制度を更に向上させることが可能となる。 As described above, since the target phase value is set without changing the anode current of the magnetron, it becomes possible to eliminate the offset error of the target phase value caused by the change in the output amplitude of the magnetron. Thereby, since feedback control is performed based on the target phase value set with high accuracy, the synchronization system can be further improved.
本発明は、複数のマグネトロンと、複数の前記マグネトロンに対して、各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注入し、複数の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、複数の前記マグネトロンの出力を合成して出力するハイブリッド型電力合成回路と、前記ハイブリッド型電力合成回路によって合成された複数の前記マグネトロンの合成出力と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段とを具備するマイクロ波発生装置を提供する。 The present invention injects a plurality of magnetrons and a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of each of the magnetrons into the plurality of magnetrons, and draws the oscillation frequencies of the plurality of magnetrons into the frequency of the reference signal. Injection locking means for synchronizing with each other, a hybrid power combining circuit for combining and outputting the outputs of the plurality of magnetrons, and a combined output of the plurality of magnetrons combined with the hybrid power combining circuit and a phase of the reference signal And a feedback control unit that feeds back a control amount for changing the phase of the reference signal based on the phase error to the injection locking unit. .
上記構成によれば、複数のマグネトロンには、マグネトロンの固有発振周波数に近い共通の周波数を持つ基準信号が注入同期手段により注入される。これにより、各マグネトロンの出力周波数は、この基準信号の周波数に引き込まれ、この出力は、ハイブリッド型電力合成回路により合成されて出力される。ハイブリッド型電力合成回路の合成出力、並びに、基準信号は、フィードバック制御手段に入力され、ここで両者の位相誤差が求められ、この位相誤差に応じた制御量が注入同期手段にフィードバックされ、この制御量に応じて位相が調整された基準信号が、注入同期手段によりマグネトロンに注入されることとなる。このようにして、フィードバック制御が行われることにより、各マグネトロンの出力周波数及び出力位相を所望の値に収束させることが可能となる。 According to the above configuration, the reference signal having a common frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron is injected into the plurality of magnetrons by the injection locking means. As a result, the output frequency of each magnetron is drawn into the frequency of the reference signal, and this output is synthesized by the hybrid power synthesis circuit and output. The combined output of the hybrid power combiner circuit and the reference signal are input to the feedback control means, where the phase error between the two is obtained, and the control amount corresponding to this phase error is fed back to the injection locking means. The reference signal whose phase is adjusted according to the amount is injected into the magnetron by the injection locking means. By performing feedback control in this way, the output frequency and output phase of each magnetron can be converged to desired values.
この場合において、上記構成では、個々のマグネトロンの出力をハイブリッド型電力合成回路により合成し、この合成出力に基づいてフィードバック制御が実施されるため、位相制御などに用いられる移相制御回路やサーキュレータなどの各種構成要素の削減を図ることが可能となる。 In this case, in the above configuration, the outputs of the individual magnetrons are combined by a hybrid power combining circuit, and feedback control is performed based on the combined output. Therefore, a phase shift control circuit or a circulator used for phase control, etc. It is possible to reduce various components.
なお、上記ハイブリッド型電力合成回路によって合成された複数の前記マグネトロンの出力の位相は、例えば、各前記マグネトロンの出力位相の中心位相となる。また、上記ハイブリッド型電力合成回路によって合成された複数の前記マグネトロンの出力の振幅は、例えば、各前記マグネトロンの出力の相対位相によって決定される。 The phase of the outputs of the plurality of magnetrons synthesized by the hybrid power synthesis circuit is, for example, the center phase of the output phases of the magnetrons. Further, the amplitudes of the outputs of the plurality of magnetrons synthesized by the hybrid power synthesis circuit are determined by, for example, the relative phases of the outputs of the magnetrons.
上記記載のマイクロ波発生装置は、前記マグネトロンの温度を検出する温度検出手段と、前記基準信号の周波数と前記マグネトロンの固有発振周波数との誤差がゼロとなる目標温度値に、前記マグネトロンの温度を調整する温度調整手段とを更に備えると良い。 In the microwave generator described above, the temperature of the magnetron is set to a target temperature value at which an error between the frequency of the reference signal and the natural oscillation frequency of the magnetron is zero. It is preferable to further include temperature adjusting means for adjusting.
マグネトロンの出力位相は、マグネトロンの温度によって変化し、外気温度の変化などの外乱により変動することとなる。
そこで、上記構成によれば、マグネトロンの温度を温度検出手段により検出し、温度調整手段により、基準信号の周波数とマグネトロンの固有発振周波数との誤差がゼロとなる目標温度値に、マグネトロンの温度が調整されるので、温度に起因する出力位相の誤差を解消することが可能となる。これにより、同期制御の精度を更に向上させることが可能となる。
The output phase of the magnetron changes depending on the temperature of the magnetron and fluctuates due to disturbances such as changes in the outside air temperature.
Therefore, according to the above configuration, the temperature of the magnetron is detected by the temperature detection means, and the temperature of the magnetron is set to a target temperature value at which the error between the frequency of the reference signal and the natural oscillation frequency of the magnetron becomes zero by the temperature adjustment means. Since the adjustment is performed, it is possible to eliminate an error in the output phase caused by the temperature. As a result, the accuracy of the synchronization control can be further improved.
本発明は、マイクロ波を発振する発振モジュールと、前記発振モジュールにて発振されたマイクロ波を送電する送電アンテナとを備えるマイクロ波送電装置であって、前記発振モジュールと前記送電アンテナとの間に設けられ、前記発振モジュールの初期調整を行う校正時には、前記送電アンテナからの不要な放射を避けるように、前記発振モジュールからのマイクロ波の出力方向を制御する出力制御手段を備えるマイクロ波送電装置を提供する。 The present invention is a microwave power transmission device including an oscillation module that oscillates microwaves and a power transmission antenna that transmits microwaves oscillated by the oscillation module, and is provided between the oscillation module and the power transmission antenna. A microwave power transmission device provided with output control means for controlling the output direction of the microwave from the oscillation module so as to avoid unnecessary radiation from the power transmission antenna during calibration for initial adjustment of the oscillation module provide.
上記構成によれば、発振モジュールの初期調整を行う校正時において、送電アンテナからの不要な放射を避けるように、発振モジュールからのマイクロ波の出力方向が制御されるので、マイクロ波の不要放射を抑制することが可能となる。 According to the above configuration, during calibration for initial adjustment of the oscillation module, the microwave output direction from the oscillation module is controlled so as to avoid unnecessary radiation from the power transmission antenna. It becomes possible to suppress.
上記記載のマイクロ波送電装置において、前記発振モジュールは、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前記マグネトロンに注入して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の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段とを備えると良い。 In the microwave power transmitting apparatus described above, the oscillation module is configured to inject a reference signal having a frequency close to a natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron, and to inject and synchronize the oscillation frequency of the magnetron with the frequency of the reference signal. And a phase error of the reference signal by comparing the oscillation output of the magnetron and the phase of the reference signal, and a control amount for changing the phase of the reference signal based on the phase error is fed back to the injection locking means. Feedback control means may be provided.
上記構成によれば、マグネトロンの出力位相と基準信号の位相とを比較し、両者の位相誤差に基づいて、基準信号の位相を変化させるので、陽極電流を変化させずに、マグネトロンの出力を基準信号に引き込むことが可能となる。これにより、陽極電流と出力位相の関係が非線形なマグネトロンに対しても安定な位相制御を実現させることが可能となる。この結果、マグネトロンの製品偏差によらず安定した制御を実現させることができる。 According to the above configuration, the output phase of the magnetron is compared with the phase of the reference signal, and the phase of the reference signal is changed based on the phase error between the two, so the output of the magnetron can be referred to without changing the anode current. It becomes possible to draw in the signal. This makes it possible to realize stable phase control even for a magnetron in which the relationship between the anode current and the output phase is nonlinear. As a result, stable control can be realized regardless of the product deviation of the magnetron.
更に、陽極電流を変化させないので、マグネトロンの位相制御時におけるマグネトロンの出力振幅も変化しないこととなる。これにより、振幅安定度を向上させることが可能となる。
また、応答の遅い高圧直流安定化電源をフィードバックループの外に設けることが可能となるので、応答性を向上させることが可能となる。これにより、位相の同期状態が外れてから、再び同期するまでの時間を大幅に短縮することが可能となる。
Furthermore, since the anode current is not changed, the output amplitude of the magnetron during the phase control of the magnetron does not change. As a result, the amplitude stability can be improved.
In addition, since it is possible to provide a high-voltage direct current stabilized power supply having a slow response outside the feedback loop, it is possible to improve the responsiveness. As a result, it is possible to significantly reduce the time from when the phase is out of synchronization to when it is synchronized again.
本発明は、宇宙空間に設けられた太陽発電パネルと、前記太陽発電パネルが発生した電力を受けてマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置から出力されたマイクロ波を送電する送電アンテナとを備える宇宙太陽発電システムであって、前記マイクロ波発生装置は、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前記マグネトロンに注入して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出力位相と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段とを具備する宇宙太陽発電システムを提供する。 The present invention relates to a solar power generation panel provided in outer space, a microwave generator that generates microwaves by receiving electric power generated by the solar power generation panel, and a microwave output from the microwave generator The microwave generator includes a power transmission antenna that injects a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron, and sets the oscillation frequency of the magnetron to the frequency of the reference signal. An injection locking means for pulling in and synchronizing, and comparing the output phase of the magnetron and the phase of the reference signal to obtain a phase error between them, and a control amount for changing the phase of the reference signal based on the phase error Provided is a space solar power generation system comprising feedback control means for feeding back to the injection locking means That.
上記記載の宇宙太陽発電システムは、前記マイクロ波発生装置と前記送電アンテナとの間に設けられ、前記マイクロ波発生装置の初期調整を行う校正時には、前記送電アンテナからの不要な放射を避けるように、前記マイクロ波発生装置からのマイクロ波の出力方向を制御する出力制御手段を更に備えると良い。
これにより、マイクロ波発生装置の初期調整を行う校正時において、マイクロ波の不要放射を抑制することが可能となる。
The space solar power generation system described above is provided between the microwave generator and the power transmission antenna so as to avoid unnecessary radiation from the power transmission antenna during calibration for initial adjustment of the microwave generator. It is preferable to further include output control means for controlling the output direction of the microwave from the microwave generator.
Accordingly, it is possible to suppress unnecessary emission of microwaves during calibration for initial adjustment of the microwave generator.
本発明のマイクロ波発生装置及びマイクロ波送電装置並びに宇宙太陽発電システムによれば、位相同期精度の向上及び応答性の向上を図ることができるという効果を奏する。 According to the microwave generation device, the microwave power transmission device, and the space solar power generation system of the present invention, it is possible to improve the phase synchronization accuracy and the responsiveness.
以下に、本発明に係るマイクロ波発生装置の実施形態について、〔第1の実施形態〕、〔第2の実施形態〕、〔第3の実施形態〕の順に、図面を参照して説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係るマイクロ波発生装置の概略構成を示したブロック図である。
図1に示されるように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置は、注入同期回路(注入同期手段)20とフィードバック制御回路(フィードバック制御手段)21とを備えている。注入同期回路20は、マグネトロン1の固有発振周波数に近い周波数を持つ基準信号をマグネトロン1に注入してマグネトロン1の発振周波数を基準信号の周波数に引き込んで同期させるものであり、例えば、後述の基準信号発生器3、分配器5、第2の可変移相器6、及びサーキュレータ8などを備えて構成されている。
また、フィードバック制御回路21は、マグネトロン1の出力位相と基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、位相誤差に基づいて、基準信号の位相を変化させる制御量を注入同期回路20にフィードバックするものであり、例えば、後述のミキサ9、移相器制御回路12、初期校正用演算器13、及びスイッチ14などを備えて構成されている。
Hereinafter, embodiments of a microwave generator according to the present invention will be described in the order of [First Embodiment], [Second Embodiment], and [Third Embodiment] with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a microwave generator according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the microwave generator according to the present embodiment includes an injection locking circuit (injection locking means) 20 and a feedback control circuit (feedback control means) 21. The injection locking circuit 20 is configured to inject a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron 1 into the magnetron 1 and to synchronize the oscillation frequency of the magnetron 1 with the frequency of the reference signal. The
Further, the feedback control circuit 21 compares the output phase of the magnetron 1 with the phase of the reference signal to determine the phase error between the two, and based on the phase error, the control amount for changing the phase of the reference signal is injected. For example, it includes a
このようなマイクロ波発生装置において、マグネトロン1のアノード(陽極)及びカソード(陰極)との間には、高圧直流安定化電源2により陽極電流が流され、これによってマグネトロン1は発振状態に設定される。
基準信号発生器3は、マグネトロン1の固有発振周波数に近い周波数を持つ基準信号を発生するもので、ここで発生された基準信号は第1の可変移相器4を介して分配器5に供給される。この分配器5は入力した基準信号を2系統に分配するもので、一方の系統の基準信号は、第2の可変移相器6、高周波増幅器7を介して、サーキュレータ8に供給され、他方の系統の基準信号はミキサ9に供給される。
In such a microwave generator, an anode current is caused to flow between the anode (anode) and the cathode (cathode) of the magnetron 1 by the high-voltage direct current stabilizing
The
上記サーキュレータ8は、分配器5から供給される基準信号を第1端子(図示略)から入力し、この基準信号を第2端子(図示略)から出力してマグネトロン1に注入し、マグネトロン1から放射されるマイクロ波を第2端子(図示略)から取り込んで第3端子(図示略)から出力する。このサーキュレータ8から出力されるマイクロ波は、方向性結合器10を介して外部出力されるとともに、その一部が分岐されて減衰器11へ出力される。
The
減衰器11に入力された一部のマイクロ波は減衰されて、上記ミキサ9に供給される。このミキサ9は、分配器5からの基準信号と減衰器11からのマイクロ波を混合するものであり、これら両入力信号の位相差に相当する部分(例えば、上述した(1)式の第1項)と、各信号の入力レベルに依存したオフセット成分(例えば、上述した(1)式の第2項)とを足し合わせて出力する。
A part of the microwaves input to the attenuator 11 is attenuated and supplied to the
ミキサ9からの出力は、移相器制御回路12に入力される。移相器制御回路12は、運用時において、ミキサ9からの出力と、初期校正用演算器13に予め設定されている目標値(Vref)とを比較し、目標値Vrefからの偏差をスイッチ14を介して第2の可変移相器6にフィードバックする。ここで、移相器制御回路12は、例えば、図2に示すように、+側入力端子に目標値Vrefが入力され、−側入力端子にミキサ9の出力、つまり、基準信号とマイクロ波との混合出力Vinが入力され、この差分に応じた出力を行う差動増幅回路121と、差動増幅回路121の出力が入力され、この入力を積分して出力する積分回路122とを備えて構成されている。
初期校正用演算器13は、上記目標値Vrefを設定する際に用いられる演算装置であり、例えば、CPUなどを備えるマイクロコンピュータなどにより構成されている。なお、この初期校正用演算器13により設定される上記目標値Vrefの詳細については後述する。
The output from the
The initial
また、スイッチ14は、移相器制御回路12によるフィードバックループを開ループ或いは閉ループに切換えるためのスイッチであり、初期校正時においては、初期校正用演算器14と接続することにより、フィードバックループを開ループとし、運用時においては、第2の可変移相器6と接続することにより、フィードバックループを閉ループとする。
第2の可変移相器6は、運用時において、移相器制御回路12から入力された偏差を補完するように、基準信号の移相量を変化させる。これにより、マグネトロン1の出力位相は、基準信号の位相に同期される。
The
In operation, the second variable phase shifter 6 changes the phase shift amount of the reference signal so as to complement the deviation input from the phase
次に、上述した構成を備えるマイクロ波発生装置の処理動作について説明する。
まず、マグネトロン1は高圧直流安定化電源2によって陽極電流が流され、発振状態にあるとする。この状態で、基準信号発生器3で発生された、マグネトロン1の固有発振周波数に近い周波数を持つ基準信号が、可変移相器6、高周波増幅器7、サーキュレータ8を介してマグネトロン11に注入される。この結果、マグネトロン1の発振周波数は基準信号の周波数に引き込まれていく。
Next, the processing operation of the microwave generator having the above-described configuration will be described.
First, it is assumed that the magnetron 1 is in an oscillating state when an anode current is passed by the high-voltage direct current stabilizing
マグネトロン1から放射されるマイクロ波は、サーキュレータ8、方向性結合器10を介して外部出力されるとともに、その一部が減衰器11出力される。減衰器11により減衰されたマイクロ波は、ミキサ9に入力される。そして、ミキサ9により、分配器5からの基準信号と減衰器11からのマイクロ波が混合され、これら両入力信号の位相差に相当する部分と、各信号の入力レベルに依存したオフセット成分とが足し合わされた出力が移相器制御回路12に送られる。移相器制御回路12では、ミキサ9からの出力と、予め設定されている目標値Vrefとが比較されて、目標値Vrefからの偏差が求められ、この偏差に応じた制御量がスイッチ14を介して第2の可変移相器6にフィードバックされる。
The microwave radiated from the magnetron 1 is output to the outside via the
そして、第2の可変移相器6により、移相器制御回路12からフィードバックされた偏差を補完するように、基準信号の移相量が変化され、移相量変化後の基準信号が同様に高周波増幅器7、サーキュレータ8を介してマグネトロン1に注入されることとなる。
このようにして、基準信号の位相をフィードバックループによって制御することにより、マグネトロン1の発振周波数を基準信号に一致させることが可能となるとともに、位相をロックすることが可能となる。
Then, the phase shift amount of the reference signal is changed by the second variable phase shifter 6 so as to complement the deviation fed back from the phase
In this way, by controlling the phase of the reference signal by the feedback loop, the oscillation frequency of the magnetron 1 can be matched with the reference signal and the phase can be locked.
次に、上記移相器制御回路12にて取り扱われる目標値Vrefは、初期校正時において、以下のように決定される。
まず、初期校正時においては、スイッチ14は、初期校正用演算器13と接続され、これにより、フィードバックループは開ループとされる。この状態において、移相器制御回路12の用いるVrefをゼロに設定し、第2の可変移相器6の移相量を0°乃至360°に変化させ、そのときの移相器制御回路12の出力を初期校正用演算器13にて計測する。これにより、初期校正用演算器13にて得られる計測結果は、例えば、図3に示されるような曲線を描くこととなる。
Next, the target value Vref handled by the phase
First, at the time of initial calibration, the
ここで、図3において、横軸は第2の可変移相器6の移相量、縦軸は移相器制御回路12の出力を示している。この図に示されるように、移相器制御回路12の出力は、第2の可変移相器6の移相量(0°乃至360°)に応じた正弦波(或いは余弦波)を描くこととなる。そして、初期校正用演算器13は、このようにして得られた移相器制御回路12の出力において、図3に示されるように、中央値を求め、この値を目標値Vrefとして設定する。
Here, in FIG. 3, the horizontal axis indicates the phase shift amount of the second variable phase shifter 6, and the vertical axis indicates the output of the phase
ここで、図1に示した本実施形態のマイクロ波発生装置では、マグネトロン1に供給する陽極電流をフィードバック制御することにより、マグネトロンの出力を収束させる従来のマイクロ波発生装置(例えば、図12参照)と異なり、初期校正時において、マグネトロン1の陽極電流を変化させない。このため、上述した従来のマイクロ波発生装置において問題となっていた、マグネトロン1の位相及び振幅の変動を解消させることが可能となる。これにより、例えば、上述した(1)式における第1項及び第2項におけるマイクロ波の振幅A2が変化しないこととなり、オフセット成分((1)式における第2項)を高い精度で求めることが可能となる。これにより、精度の高い目標値Vrefを設定することが可能となるため、上述した運用時におけるフィードバック制御を高精度で実施することが可能となる。これにより、位相同期制御の精度を向上させることができる。 Here, in the microwave generator of the present embodiment shown in FIG. 1, a conventional microwave generator that converges the output of the magnetron by feedback controlling the anode current supplied to the magnetron 1 (see, for example, FIG. 12). Unlike), the anode current of the magnetron 1 is not changed during the initial calibration. For this reason, it becomes possible to eliminate the fluctuations in the phase and amplitude of the magnetron 1, which has been a problem in the conventional microwave generator described above. Thus, for example, the amplitude A 2 of the microwave becomes not changed in the first and second terms in the above-mentioned (1), determining an offset component ((1) the second term in the equation) with high accuracy Is possible. As a result, it is possible to set the target value Vref with high accuracy, and thus it is possible to perform the above-described feedback control during operation with high accuracy. Thereby, the accuracy of the phase synchronization control can be improved.
以上、説明してきたように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置によれば、陽極電流を変化させずにマグネトロン1の出力を制御するため、同期精度を向上させることが可能となる。更に、陽極電流を変動させることなく、マグネトロンの出力制御を行うため、出力振幅の変動を解消できる。これにより、例えば、アクティブフェーズドアレイを構成する上で、送電面の励振振幅分布が変動せず、放射パターンの劣化を防止することが可能となる。
また、応答の遅い高圧直流安定化電源2をフィードバックループ外に設けているので、応答性を向上させることが可能となる。これにより、位相の同期状態が外れてから、再び同期するまでの時間を大幅に短縮することが可能となる。
As described above, according to the microwave generator according to the present embodiment, since the output of the magnetron 1 is controlled without changing the anode current, the synchronization accuracy can be improved. Furthermore, since the output control of the magnetron is performed without changing the anode current, the fluctuation of the output amplitude can be eliminated. Thereby, for example, when configuring an active phased array, the excitation amplitude distribution on the power transmission surface does not fluctuate, and deterioration of the radiation pattern can be prevented.
Further, since the high-voltage direct current stabilized
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係るマイクロ波発生装置について、図を用いて説明する。図4は、本実施形態に係るマイクロ波発生装置の概略構成を示した図である。
この図において、上述した第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a microwave generator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the microwave generator according to the present embodiment.
In this figure, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図4に示されるように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置は、複数のマグネトロン1a、1bを備えており、これらのマグネトロン1a、1bの出力周波数及び位相を所望の値に収束させるべく動作する。
ここで、本実施形態に係るマイクロ波発生装置は、注入同期回路(注入同期手段)20aと、ハイブリッド型電力合成回路30と、複数のフィードバック制御回路(フィードバック制御手段)21a及び21bとを備えている。
As shown in FIG. 4, the microwave generator according to the present embodiment includes a plurality of
Here, the microwave generator according to the present embodiment includes an injection locking circuit (injection locking means) 20a, a hybrid power combining circuit 30, and a plurality of feedback control circuits (feedback control means) 21a and 21b. Yes.
上記注入同期回路20aは、複数のマグネトロン1a、1bに対して、マグネトロンの固有発振周波数に近い周波数を持つ共通の基準信号(以下「共通基準信号」という。)を注入し、複数のマグネトロン1a、1bの発振周波数を共通基準信号の周波数に引き込んで同期させるものである。この注入同期回路20aは、上述した第1の実施形態に係る注入同期回路20と略同様であり、例えば、共通基準信号を発生させる基準信号発生器(図示略)、基準信号を分配して出力する分配器5、可変移相器6、高周波増幅器7、及びサーキュレータ8などを備えて構成されている。
The injection locking circuit 20a injects a common reference signal (hereinafter referred to as “common reference signal”) having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the plurality of
また、ハイブリッド型電力合成回路30は、上記共通基準信号をそれぞれのマグネトロン1a、1bに注入するとともに、複数のマグネトロン1a及び1bの出力を合成して出力するものである。本実施形態において、ハイブリッド型電力合成回路30のポートP1は、マグネトロン1aに接続され、ポートP2は導波管移相器31を介してマグネトロン1bに接続されている。また、ポート3は、同期注入回路20aのサーキュレータ8に接続されており、これによりポート3からは共通基準信号が入力されることとなる。また、ポートP4は、マグネトロン1a及び1bの合成出力を外部などに出力すべく、方向性結合器10aに接続されている。
The hybrid power combining circuit 30 injects the common reference signal into each of the
ここで、図5に示すように、ハイブリッド型電力合成回路30は、以下に示すような性能を備えている。例えば、ポートP3から入力される信号は、ポートP1及びP2に等分配され、且つ、逆相の信号として出力される。また、ポートP4から入力される信号は、ポートP1及びP2に等分配され、且つ、同相の信号として出力される。一方、ポートPP1及びP2から逆相で大きさの等しい信号を入力した場合には、ポートP3に合成出力が現れる。また、ポートP1及びP2から同相で大きさの等しい信号を入力した場合には、ポートP4に合成出力が現れる。 Here, as shown in FIG. 5, the hybrid power combining circuit 30 has the following performance. For example, a signal input from the port P3 is equally distributed to the ports P1 and P2 and is output as a reverse phase signal. The signal input from the port P4 is equally distributed to the ports P1 and P2 and is output as an in-phase signal. On the other hand, when signals having opposite phases and the same magnitude are input from the ports PP1 and P2, a combined output appears at the port P3. When signals having the same phase and the same magnitude are input from the ports P1 and P2, a combined output appears at the port P4.
本実施形態では、マグネトロン1a及び1bから出力されるマイクロ波は、ハイブリッド電力合成回路30によって合成され、ポートP4に出力されることとなるが、このときの合成出力は、図6に示すように、その位相が、各マイクロ波の中心位相により変化し、その振幅が、各マイクロ波の相対位相差によって変化することとなる。
In the present embodiment, the microwaves output from the
次に、本実施形態に係るマイクロ波発生装置の構成要素である上記フィードバック制御回路21aは、ハイブリッド型電力合成回路30によって合成された複数のマグネトロン1a、1bの合成出力と共通基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、位相誤差に基づいて基準信号の位相を変化させる制御量を注入同期回路20aにフィードバックするものであり、例えば、ミキサ9、第1の移相器制御回路12aを備えている。
また、フィードバック制御回路21bは、マグネトロン1bとハイブリッド型電力合成回路30との間に設けられている導波管移相器31を制御するものであり、例えば、整流回路32と、整流回路32からの出力に基づいて、所定の制御量を求め、この制御量を導波管移相器31にフィードバックさせる第2の移相器制御回路12bを備えている。
Next, the
The
このような構成を備える本実施形態のマイクロ波発生装置において、各マグネトロン1a、1bには、高圧直流安定化電源2a、2bがそれぞれ接続されており、これら高圧直流安定化電源2a、2bから陽極電流が各マグネトロン1a、1bに供給されることにより、マグネトロン1a、1bを発振状態とする。
一方、注入同期回路20aを構成する基準信号発生器(図示略)により生成された共通基準信号は、分配器5により2系統に分配され、一方の系統の共通基準信号は、可変移相器6、高周波増幅器7を介して、サーキュレータ8に供給され、他方の系統の基準信号は第1のフィードバック制御回路21aのミキサ9に供給される。
In the microwave generator of the present embodiment having such a configuration, the
On the other hand, a common reference signal generated by a reference signal generator (not shown) constituting the injection locking circuit 20a is distributed to two systems by the
上記サーキュレータ8は、分配器5から供給される共通基準信号を第1端子(図示略)から入力し、この共通基準信号を第2端子(図示略)から出力して、上記ハイブリッド型電力合成回路30のポートP3に注入する。これにより、ポートP3に注入された共通基準信号は、ハイブリッド型電力合成回路30により、当分配され、逆相の信号としてポート1及びポートP2に出力される。ポートP1に出力された共通基準信号は、マグネトロン1aに注入され、ポートP2に出力された逆相の共通基準信号は、導波管移相器31によって90°回転されて、マグネトロン1bに注入される。
The
続いて、マグネトロン1aから放射されるマイクロ波は、ハイブリッド型電力合成回路30のポートP1から取り込まれ、一方、マグネトロン1bから放射されるマイクロ波は、導波管移相器31を介してハイブリッド型電力合成回路30のポートP2から取り込まれる。ハイブリッド型電力合成回路30は、これらポートP1及びP2から入力された各マイクロ波を合成し、ポートP4から出力する。なお、このとき出力される合成出力については、図6を用いて説明した通りである。
このようにして、ポートP4から出力されたマグネトロン1a及び1bの合成出力は、方向性結合器10aを介して外部出力されるとともに、その一部が分岐されて、第1のフィードバック制御回路21aを構成するミキサ9に入力されるとともに、第2のフィードバック制御回路21bを構成する21整流回路32に入力される。
Subsequently, the microwave radiated from the
In this way, the combined output of the
第1のフィードバック制御回路21aでは、上記ミキサ9により、分配器5を介して入力される基準信号と、上述の方向性結合器10aから入力される合成出力とが混合され、上述した第1の実施形態に係るマイクロ波発生装置と同様、これら両入力信号の位相差に相当する部分と、各信号の入力レベルに依存したオフセット成分とが足し合わされた出力が得られる。このミキサ9の出力は、第1の移相器制御回路12aに入力され、このミキサ9からの出力と、予め設定されている目標値Vrefとが比較されて、目標値Vrefからの偏差が求められ、この偏差に応じた制御量が可変移相器6にフィードバックされる。なお、ここで用いられる目標値Vrefは、上述した第1の実施形態と同様の手法により設定されたものである。
In the first
一方、第2のフィードバック制御回路20bにおいて、整流回路32に入力された合成出力は、ここで、直流成分に変換され、第2の移相器制御回路12bに入力される。第2の移相器制御回路12bは、この直流成分に応じた制御量を導波管移相器31にフィードバックさせることにより、合成出力を一定の目標値に収束させることが出来る。
On the other hand, in the second feedback control circuit 20b, the combined output input to the
このようにして、マグネトロン1a及び1bの合成出力に応じた制御量が共通基準信号の移相量にフィードバックされることにより、除々に、各マグネトロン1a、1bの出力周波数及び出力位相が所望の値に収束されることとなる。
In this way, the control amount corresponding to the combined output of the
以上説明してきたように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置によれば、個々のマグネトロン1a及び1bの出力をハイブリッド型電力合成回路30により合成し、この合成出力に基づいてフィードバック制御が実施されるため、位相制御などに用いられる移相制御回路やサーキュレータなどの各種構成要素の削減を図ることが可能となる。これにより、部品点数を大幅に削減させることが可能となるので、装置の効率の向上、重量の軽減、コスト削減を図ることができる。
なお、上述した実施形態では、マグネトロンを一例として2つ備えたマイクロ波発生装置について説明したが、マグネトロンの数はこの例に限定されることなく、多数設けることも可能である。また、上記実施形態では、4ポートを有するハイブリッド型電力合成回路30を利用したが、この例に限られず、8ポートのものを採用することも可能である。
As described above, according to the microwave generator according to the present embodiment, the outputs of the
In the above-described embodiment, the microwave generator including two magnetrons as an example has been described. However, the number of magnetrons is not limited to this example, and a large number of magnetrons may be provided. In the above embodiment, the hybrid power combining circuit 30 having four ports is used. However, the present invention is not limited to this example, and an eight-port power combining circuit can also be adopted.
〔第3の実施形態〕
次に、本発明の第3の実施形態に係るマイクロ波発生装置について、図を用いて説明する。図7は、本実施形態に係るマイクロ波発生装置の概略構成を示した図である。なお、この図において、図1と同一の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, the microwave generator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated using figures. FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of the microwave generator according to the present embodiment. In this figure, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図7に示すように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置は、上述した第1の実施形態に係るマイクロ波発生装置に、更に、マグネトロンの温度を検出する熱電対(温度検出手段)41と、この熱電対41により検出されるマグネトロンの温度に基づいて、マグネトロンの温度を調整する温度調整装置(温度調整手段)42とを備えている。温度調整装置42は、例えば、マグネトロン温度制御回路421、サーモモジュール駆動電源422、及びサーモモジュール423などを備えて構成されている。また、サーモモジュール423には、熱を放射するための放射板43がヒートパイプを介して接続されている。
As shown in FIG. 7, the microwave generator according to the present embodiment further includes a thermocouple (temperature detection means) 41 that detects the temperature of the magnetron in addition to the microwave generator according to the first embodiment described above. A temperature adjusting device (temperature adjusting means) 42 for adjusting the temperature of the magnetron based on the temperature of the magnetron detected by the
更に、フィードバック制御回路21におけるスイッチ14と、初期校正用演算器13との間には、分配器44が配置されている。これにより、校正時における移相器制御回路12の出力は、スイッチ14を介して分配器44に入力され、ここで2系統に分配され、1系統が初期校正用演算器13に、もう1系統がマグネトロン温度制御回路421に入力されるような構成となっている。
Further, a
以下、このような構成を備える本実施形態のマイクロ波発生装置について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。 Hereinafter, the microwave generator of the present embodiment having such a configuration will not be described for the points common to the first embodiment, and only different points will be described.
まず、初期校正時において、スイッチ14が分配器44に接続されることにより、フィードバック制御回路21は開ループ状態とされる。また、このようにスイッチ14が接続されることにより、移相器制御回路12の出力は、分配器44を介して初期校正用演算器13及びマグネトロン温度制御回路421に入力されることとなる。
次に、このような回路構成において、基準信号発生器3から基準信号が発振され、この基準信号が、第1の可変移相器4を介して、分配器5に入力されることにより、2系統に分配される。この結果、分配された1系統は、ミキサ9へ供給され、もう1系統は、第2の可変移相器、高周波増幅器7、及びサーキュレータ8を介してマグネトロン1に注入されることとなる。
First, at the time of initial calibration, the
Next, in such a circuit configuration, a reference signal is oscillated from the
このように基準信号が注入されると、温度調整装置42によるマグネトロン1の冷却が実施されない状態で、高圧直流安定化電源2がマグネトロン1に陽極電流を与えることにより、マグネトロン1を発振させる。これにより、マグネトロン1の出力は、上述のように、サーキュレータ8、方向性結合器10、及び減衰器11を介してミキサ9に入力されることとなる。そして、ミキサ9により基準信号とこのマグネトロンの出力とが比較され、この比較結果が移相器制御回路12に入力されることにより、位相誤差がスイッチ14を介して初期校正用演算器13及びマグネトロン温度制御回路421に入力されることとなる。
When the reference signal is injected as described above, the high voltage direct current stabilizing
ここで、マグネトロン1の出力周波数のスペクトラムは、図8に示すように、マグネトロン1の温度上昇に伴い除々に低下することにより、基準信号による引き込み範囲に入り、やがて、引き込み範囲を外れて、更にその周波数が低下することとなる。一方、このときの移相器制御回路12の出力特性は、図9に示すような曲線を示すこととなる。
マグネトロン温度制御回路421は、図8に示した周波数スペクトラム並びに図9に示した移相器制御回路12の出力特性を参照することにより、マグネトロンの出力周波数が引き込み範囲に入るときのマグネトロンの温度Ta、並びに、マグネトロンの出力周波数が引き込み範囲から外れるときのマグネトロンの温度Tbを求め、更に、マグネトロン温度制御回路421は、求めた温度TaとTbとの中央値を求め、この中央値をマグネトロン1の目標温度値に設定する。なお、図9において、横軸は、マグネトロン1の温度、縦軸は移相器制御回路12の出力である。
Here, as shown in FIG. 8, the spectrum of the output frequency of the magnetron 1 gradually falls as the temperature of the magnetron 1 rises, so that it enters the pull-in range by the reference signal, and eventually falls outside the pull-in range. That frequency will drop. On the other hand, the output characteristic of the phase
The magnetron
そして、このように目標温度値が設定されると、マグネトロン温度制御回路421は、熱電対41により検出されるマグネトロン1の温度がこの目標温度値に一致するような制御信号をサーモモジュール駆動電源422に出力する。これにより、サーモモジュール駆動電源422がこの制御信号に基づいて、サーモモジュール423を駆動することにより、マグネトロン1の温度を目標温度値に保持することが可能となる。
When the target temperature value is set in this way, the magnetron
そして、このようなマグネトロン1の温度制御が実施されている状態において、上述の第1の実施形態において説明した、初期校正時における目標値Vrefの設定が初期校正用演算器13などにより実施される。そして、初期校正時における目標値Vrefの設定が終了すると、スイッチ14が、第2の可変移相器6に接続されて、これによりフィードバックループは閉ループとなり、フィードバック制御回路21によるフィードバック制御が実施されることとなる。
Then, in such a state that the temperature control of the magnetron 1 is being performed, the setting of the target value Vref at the time of the initial calibration described in the first embodiment is performed by the
以上説明してきたように、本実施形態に係るマイクロ波発生装置によれば、マグネトロン1の温度変化に起因するマグネトロン1の出力位相の変動を解消させることが可能となるので、初期校正時における目標値Vrefの設定などを高精度で行うことが可能となるとともに、運用時においても温度調整装置42によりマグネトロン1の温度が目標温度値に保持されるため、同期制御の精度を更に向上させることが可能となる。 As described above, according to the microwave generator according to the present embodiment, the fluctuation of the output phase of the magnetron 1 due to the temperature change of the magnetron 1 can be eliminated. The value Vref can be set with high accuracy, and the temperature of the magnetron 1 is maintained at the target temperature value by the temperature adjustment device 42 even during operation. Therefore, the accuracy of the synchronous control can be further improved. It becomes possible.
次に、本発明の一実施形態に係るマイクロ波送電装置の一実施形態について、図を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係るマイクロ波送電装置は、図10に示されるように、上述した一実施形態に係るマイクロ波発生装置が複数配置され、強力なマイクロ波を発振する発振モジュール51を備えている。この発振モジュール51は、例えば、マグネトロン1を106個程度備えている。この発振モジュール51から出力されるマイクロ波は、第1の電力合成回路52のポートP1に入力されることにより、電力分配される。
Next, an embodiment of a microwave power transmission device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 10, the microwave power transmission device according to an embodiment of the present invention includes an
第1の電力合成回路52により分配されたマイクロ波の一部は、直接的に第2の電力合成回路53のポートP1に入力され、他の一部は、導波管移相器54を介して、第2の電力合成回路53のポートP2に入力される。第2の電力合成回路53は、ポートP1及びP2から入力される第1の電力合成回路52からのマイクロ波を再合成し、この出力をポートP3に接続される整合終端55、或いはポートP4に接続される方向性結合器56に出力する。方向性結合器56に出力されたマイクロ波は、送電アンテナ57により外部に出力されることとなる。ここで、上記第1の電力合成回路52及び第2の電力合成回路53としては、例えば、上述した第2の実施形態に係るマイクロ波発生装置において用いられたハイブリッド型電力合成回路30が用いられる。
第1の電力合成回路52と第2の電力合成回路53との間に設けられた導波管移相器54は、出力制御回路(出力制御手段)58から出力される出力設定値に基づいて、移相器制御回路59により制御される。
A part of the microwave distributed by the first
The
このような構成を備えるマイクロ波送電装置は、例えば、図11に示したように、宇宙太陽発電システムに適用されるものであり、大型の太陽電池パネルにより太陽光を受けることにより発電した電力をマイクロ波に変換し、このマイクロ波を地上に送信するために用いられる。 A microwave power transmission apparatus having such a configuration is applied to a space solar power generation system, for example, as shown in FIG. 11, and generates electric power generated by receiving sunlight from a large solar cell panel. It is used to convert to microwave and transmit this microwave to the ground.
このような構成を備えるマイクロ波送電装置において、上記発振モジュール51を構成する各マイクロ波発生装置の初期校正時においては、出力制御回路58は、送電アンテナ57へのマイクロ波の不要放射を防ぐため、第2の電力合成回路53の出力が整合終端55に取り出されるような出力設定値を生成し、これを移相器制御回路59に出力する。
In the microwave power transmitting apparatus having such a configuration, the
これにより、移相器制御回路59が出力制御回路58からの出力設定値に基づいて導波管移相器54を制御することにより、第1の電力合成回路52からのマイクロ波は、第2の電力合成回路53の整合終端55に取り出されることとなり、送電アンテナ57には供給されないこととなる。これにより、上述した目標値Vrefや目標温度値を設定するための初期校正時において、マイクロ波が送電アンテナ57を介して外部に放出されるのを回避することが可能となる。
Thus, the phase
そして、上述した初期校正が終了し、上述したマイクロ波発生装置を構成するフィードバック制御装置21(図1参照)によるフィードバック制御が実施されると、出力制御回路58は、発振モジュール51からのマイクロ波を送電アンテナ57へ供給するべく移相器制御回路59に対して出力設定値を出力する。これにより、移相器制御回路59によって、導波管移相器54が制御されることにより、発振モジュール51からのマイクロ波は、第1の電力合成回路52、第2の電力合成回路53、及び方向性結合器56を介して送電アンテナ57に供給されることとなり、送電アンテナ57によりマイクロ波が外部へ放射されることとなる。
When the above-described initial calibration is completed and feedback control is performed by the feedback control device 21 (see FIG. 1) constituting the above-described microwave generation device, the
以上、説明してきたように、本実施形態に係るマイクロ波送電装置によれば、発振モジュール51の初期調整を行う初期校正時において、送電アンテナ57からの不要な放射を避けるように、発振モジュール51からのマイクロ波の出力方向が出力制御回路59により制御されるので、マイクロ波の不要放射を抑制することが可能となる。
As described above, according to the microwave power transmission device according to the present embodiment, the
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and includes design changes and the like without departing from the gist of the present invention.
1 マグネトロン
2 高圧電流安定化電源
3 基準信号発生器
6 第2の可変移相器
8 サーキュレータ
9 ミキサ
12 移相器制御回路
13 初期校正用演算器
14 スイッチ
20 注入同期回路
21 フィードバック制御回路
30 ハイブリッド型電力合成回路
41 熱電対
42 温度調整装置
51 発振モジュール
57 送電アンテナ
58 出力制御回路
421 マグネトロン温度制御回路
1
Claims (9)
前記マグネトロンの出力位相と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて、前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段と
を具備するマイクロ波発生装置。 Injection locking means for injecting a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron, and pulling and synchronizing the oscillation frequency of the magnetron with the frequency of the reference signal;
Feedback control for comparing the output phase of the magnetron and the phase of the reference signal to obtain a phase error between them, and feeding back a control amount for changing the phase of the reference signal to the injection locking means based on the phase error And a microwave generator.
前記フィードバック制御手段は、前記位相誤差と予め設定されている目標位相値とを比較し、前記目標位相値からの偏差に応じた制御量を前記可変移相器へフィードバックする移相器制御手段を備える請求項1に記載のマイクロ波発生装置。 The injection locking unit includes a variable phase shifter that changes a phase shift amount of the reference signal based on a control amount given from the feedback control unit,
The feedback control means is a phase shifter control means for comparing the phase error with a preset target phase value and feeding back a control amount corresponding to a deviation from the target phase value to the variable phase shifter. The microwave generator of Claim 1 provided.
複数の前記マグネトロンに対して、各前記マグネトロンの固有発振周波数に近い共通の周波数を持つ基準信号を注入し、複数の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、
複数の前記マグネトロンの出力を合成して出力するハイブリッド型電力合成回路と、
前記ハイブリッド型電力合成回路によって合成された複数の前記マグネトロンの合成出力と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段と
を具備するマイクロ波発生装置。 Multiple magnetrons,
Injection locking means for injecting a reference signal having a common frequency close to the natural oscillation frequency of each of the magnetrons to the plurality of magnetrons, and drawing and synchronizing the oscillation frequencies of the plurality of magnetrons to the frequency of the reference signal; ,
A hybrid power combining circuit that combines and outputs the outputs of the plurality of magnetrons;
Control that compares the combined output of the plurality of magnetrons combined by the hybrid power combining circuit and the phase of the reference signal to obtain a phase error between them, and changes the phase of the reference signal based on the phase error And a feedback control means for feeding back the amount to the injection locking means.
前記基準信号の周波数と前記マグネトロンの固有発振周波数との誤差がゼロとなる目標温度値に、前記マグネトロンの温度を調整する温度調整手段と
を具備する請求項1から請求項4のいずれかの項に記載のマイクロ波発生装置。 Temperature detecting means for detecting the temperature of the magnetron;
The temperature adjusting means for adjusting the temperature of the magnetron to a target temperature value at which an error between the frequency of the reference signal and the natural oscillation frequency of the magnetron becomes zero is provided. The microwave generator described in 1.
前記発振モジュールと前記送電アンテナとの間に設けられ、前記発振モジュールの初期調整を行う校正時には、前記送電アンテナからの不要な放射を避けるように、前記発振モジュールからのマイクロ波の出力方向を制御する出力制御手段を備えるマイクロ波送電装置。 A microwave power transmission apparatus comprising: an oscillation module that oscillates microwaves; and a power transmission antenna that transmits microwaves oscillated by the oscillation module,
Provided between the oscillation module and the power transmission antenna and control the output direction of the microwave from the oscillation module so as to avoid unnecessary radiation from the power transmission antenna during calibration for initial adjustment of the oscillation module A microwave power transmission apparatus comprising output control means for performing the operation.
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前記マグネトロンに注入して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の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段と
を具備する請求項6に記載のマイクロ波送電装置。 The oscillation module is
Injection locking means for injecting a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron and pulling and synchronizing the oscillation frequency of the magnetron with the frequency of the reference signal;
A feedback control unit that compares the oscillation output of the magnetron and the phase of the reference signal to obtain a phase error between them, and feeds back a control amount for changing the phase of the reference signal based on the phase error to the injection locking unit The microwave power transmission device according to claim 6, further comprising:
前記太陽発電パネルが発生した電力を受けてマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置と、
前記マイクロ波発生装置から出力されたマイクロ波を送電する送電アンテナと
を備える宇宙太陽発電システムであって、
前記マイクロ波発生装置は、
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前記マグネトロンに注入して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出力位相と前記基準信号の位相とを比較して両者の位相誤差を求め、前記位相誤差に基づいて前記基準信号の位相を変化させる制御量を前記注入同期手段にフィードバックするフィードバック制御手段と
を具備する宇宙太陽発電システム。 Solar power panels installed in outer space,
A microwave generator for generating microwaves by receiving the electric power generated by the solar power generation panel;
A space solar power generation system comprising: a power transmission antenna that transmits microwaves output from the microwave generator;
The microwave generator is
Injection locking means for injecting a reference signal having a frequency close to the natural oscillation frequency of the magnetron into the magnetron and pulling and synchronizing the oscillation frequency of the magnetron with the frequency of the reference signal;
Feedback control means for comparing the output phase of the magnetron and the phase of the reference signal to obtain a phase error between them, and feeding back a control amount for changing the phase of the reference signal based on the phase error to the injection locking means And a space solar power generation system.
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