JP2014116783A

JP2014116783A - 整流器

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Publication number: JP2014116783A
Application number: JP2012269422A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Tanaka; 俊行田中; Masaomi Tsuru; 正臣津留; Eiji Taniguchi; 英司谷口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-26
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: JP6073122B2

Abstract

【課題】整流素子の基本波インピーダンスと信号源インピーダンスとの差が大きい場合においても、製作時における製造誤差による整合のずれを小さくする整流器を得る。
【解決手段】基本波において、高周波の基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを信号源インピーダンスＺ_０近傍の値となる中間インピーダンスＺ_ｘに変換すると共に、整合回路４により、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０の整合を取ることを特徴とする。
これにより、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄと信号源インピーダンスＺ_０との差が大きい場合においても、整合回路４の電気長に対する整流器の基本波入力インピーダンス１／Ｙ_ｉｎ ^―の変化を小さくすることが可能となり、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれを小さくできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、整流器の製作時において、製造誤差による整合のずれを小さくする整流器に関する。

従来の整流器として、ＲＦ（高周波）からＤＣ（直流）に変換する整流素子と、整流素子の後段に高調波処理及び平滑化を行う出力フィルタと、整流素子の前段に整合回路とを備え、整合回路の入力端子に信号源からのＲＦが入力され、出力フィルタの出力端子に負荷が接続されてＤＣが出力される整流器がある。
従来の整流器では、整合回路により、整流素子の基本波インピーダンスと信号源インピーダンスの整合を取っている（例えば、下記非特許文献１参照）。

２４ＧＨｚ帯Ｆ級負荷装荷レクテナの改良電子情報技術学会信学技報 WPT2011-26 May 2012

従来の整流器は以上のように構成されているので、整流素子の基本波インピーダンスと信号源インピーダンスとの差が大きい場合には、整合回路の電気長に対する整流素子の基本波インピーダンスの変化が大きいため、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれが大きいという課題があった。

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、整流素子の基本波インピーダンスと信号源インピーダンスとの差が大きい場合においても、製作時における製造誤差による整合のずれを小さくする整流器を得ることを目的とする。

この発明の整流器は、高周波を直流に変換する整流素子と、整流素子の後段に設けられ、高調波処理及び平滑化を行う出力フィルタと、整流素子の前段に設けられ、高周波の基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器と、インピーダンス変成器の前段に設けられ、信号源からの高周波が入力される整合回路とを備え、基本波において、インピーダンス変成器により、整流素子の基本波インピーダンスを信号源インピーダンス近傍の値となる中間インピーダンスに変換すると共に、整合回路により、中間インピーダンスと信号源インピーダンスの整合を取ることを特徴とする。

この発明によれば、基本波において、高周波の基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器により、整流素子の基本波インピーダンスを信号源インピーダンス近傍の値となる中間インピーダンスに変換すると共に、整合回路により、中間インピーダンスと信号源インピーダンスの整合を取ることを特徴とする。
これにより、整流素子の基本波インピーダンスと信号源インピーダンスとの差が大きい場合においても、整合回路の電気長に対する整流器の基本波入力インピーダンスの変化を小さくすることが可能となり、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれを小さくすることができる効果がある。

この発明の実施の形態１による整流器を示す構成図である。整合回路の詳細を示す構成図である。整合回路を構成する伝送線路に対する正規化入力アドミタンスの変化量と規格化した中間インピーダンスとの関係を示す特性図である。整合回路を構成するオープンスタブに対する正規化入力アドミタンスの変化量と規格化した中間インピーダンスとの関係を示す特性図である。他の詳細を示す構成図である。入力フィルタ部の詳細を示す構成図である。この発明の実施の形態２による整流器を示す構成図である。高調波短絡回路の詳細を示す構成図である。他の高調波短絡回路の詳細を示す構成図である。他の高調波短絡回路の詳細を示す構成図である。

以下、この発明の整流器の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による整流器の構成図である。
この発明の実施の形態１による整流器は、図１に示すように、ＲＦ（高周波）からＤＣ（直流）に変換する整流素子１と、整流素子１の後段に高調波処理及び平滑化を行う出力フィルタ２と、整流素子１の前段に基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３と、インピーダンス変成器３の前段に整合回路４とを備え、整合回路４の入力端子５に信号源からのＲＦが入力され、出力フィルタ２の出力端子６に負荷が接続されてＤＣが出力される。
又、基本波において、インピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスを信号源インピーダンス近傍の値となる中間インピーダンスに変換すると共に、整合回路４は、中間インピーダンスと信号源インピーダンスの整合を取る。

次に動作について説明する。
整流器にＲＦが入力された場合、非線形素子である整流素子１がオン／オフを繰り返し、高調波を発生させる。
出力フィルタ２により、偶数次高調波を短絡、奇数次高調波を開放とした場合、整流素子１の端子間には矩形波に近い電圧波形が生じ、出力フィルタ２には整流された電流が流れる。
この整流された電流を出力フィルタ２により平滑化することで、出力端子６にはＤＣが出力される。
整流素子１の端子間に逆方向電圧が印加された状態の、基本波におけるインピーダンスを整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄとする。

基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを、信号源インピーダンスＺ_０近傍の値となる中間インピーダンスＺ_ｘに変換される。
中間インピーダンスＺ_ｘは、次式（１）で表される。

ただし、Ｚ_ｃはインピーダンス変成器３の特性インピーダンスである。

整合回路４により、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０が整合を取られ、整流器に入力されたＲＦは、全て整流素子１に入力される。
ここで、図２に示すように、整合回路４は、伝送線路７（特性インピーダンスＺ_１，電気長θ_１）及び、伝送線路７に接続されたオープンスタブ８（特性インピーダンスＺ_２、電気長θ_２）で構成されるものとする。

入力端子５から整流素子１を見た正規化入力アドミタンスＹ_ｉｎ ^―は次式（２）で表される。

整合条件は、Ｙ_ｉｎ ^―のコンダクタンス成分が１、サセプタンス成分が０であることから、整合時のθ１及びθ２は、それぞれ次式（３），（４）で表される。
ただし、伝送線路７の特性インピーダンスＺ_１及びオープンスタブ８の特性インピーダンスＺ_２は、信号源インピーダンスＺ_０に等しいものとした。

式（２）及び式（３）より、整合時において整合回路４を構成する伝送線路７の電気長θ１に対する正規化入力アドミタンスＹ_ｉｎ ^―の変化量ｍ_１は次式（５）で表される。

式（２）及び式（４）より、整合時において整合回路４を構成するオープンスタブ８の電気長θ２に対する正規化入力アドミタンスＹ_ｉｎ ^―の変化量ｍ_２は次式（６）で表される。

図３に規格化した中間インピーダンスＺ_ｘ／Ｚ_０とｍ_１の関係を示す。
図４に規格化した中間インピーダンスＺ_ｘ／Ｚ_０とｍ_２の関係を示す。
ここでは、中間インピーダンスＺ_ｘを信号源インピーダンスＺ_０で規格化している。

図３及び図４より、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０との差が小さい程、正規化入力アドミタンスＹ_ｉｎ ^―の変化量ｍ_１及びｍ_２は小さいことがわかる。
したがって、基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを信号源インピーダンスＺ_０近傍の値となる中間インピーダンスＺ_ｘに変換し、整合回路４により、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０の整合を取ることで、整合回路４の電気長に対する整流器の基本波入力インピーダンス１／Ｙ_ｉｎ ^―の変化量は小さくなることから、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれを小さくできる。

尚、整合回路４は、図５に示すように、基本波を通過させ、少なくとも１つ以上の高調波を反射する入力フィルタ部４１と、基本波において、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０の整合を取る基本波整合部４２とで構成されていても良い。

又、整合回路４に備えた入力フィルタ部４１は、図６に示すように、それぞれの高調波に対して開放となる誘導素子Ｌと容量素子Ｃの並列共振回路の直列接続で構成されていても良い。
図６では、２次高調波に対して開放となる誘導素子Ｌ４１１及び容量素子Ｃ４１１の並列共振回路４１１と、３次高調波に対して開放となる誘導素子Ｌ４１２及び容量素子Ｃ４１２の並列共振回路４１２の直列接続で構成された入力フィルタ部４１を示している。

更に、基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを信号源インピーダンスＺ_０に変換しても良い。

以上のように、この実施の形態１によれば、基本波において、高周波の基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを信号源インピーダンスＺ_０近傍の値となる中間インピーダンスＺ_ｘに変換すると共に、整合回路４により、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０の整合を取ることを特徴とする。
これにより、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄと信号源インピーダンスＺ_０との差が大きい場合においても、整合回路４の電気長に対する整流器の基本波入力インピーダンス１／Ｙ_ｉｎ ^―の変化を小さくすることが可能となり、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれを小さくできる。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２による整流器の構成図である。
この発明の実施の形態２による整流器は、前記実施の形態１による整流器を構成するインピーダンス変成器３の前段であり、整合回路４の後段に、高調波短絡回路９を備えたものである。
それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記し、説明を省略する。
高調波短絡回路９は、少なくとも１つ以上の高調波を、高調波短絡回路９の出力端子９ｂにおいて短絡するものである。

次に動作について説明する。
高いＲＦ−ＤＣ変換効率を得るには、整流素子１から入力端子５側を見たインピーダンスを、偶数次高調波で短絡、奇数次高調波で開放とするのが良い（例えば、前記非特許文献１参照）。

図７に示すように、インピーダンス変成器３の前段に高調波短絡回路９を備え、高調波短絡回路９により、少なくとも１つ以上の高調波に対して、高調波短絡回路９の出力端子９ｂにおいて短絡する。
この高調波短絡回路９と、基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１から入力端子５側を見たインピーダンスは、短絡とした高調波に対して、奇数次高調波のときは開放、偶数時高調波のときは短絡となる。
したがって、前記実施の形態１による整流器と比べて、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる。

又、高調波短絡回路９により、少なくとも１つ以上の高調波を、高調波短絡回路９の出力端子９ｂにおいて短絡したため、高調波短絡回路９により、短絡とした高調波に対して整流素子１からの再放射量を抑圧できる。

したがって、前記実施の形態１による整流器と同様に、基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１の基本波インピーダンスＺ_ｄを信号源インピーダンスＺ_０近傍の値となる中間インピーダンスＺ_ｘに変換し、整合回路４により、中間インピーダンスＺ_ｘと信号源インピーダンスＺ_０の整合を取ることで、整合回路４の電気長に対する整流器の基本波入力インピーダンス１／Ｙ_ｉｎ ^―の変化量は小さくなることから、整流器の製作時における製造誤差による整合のずれを小さくできる。

尚、高調波短絡回路９は、図８に示すように、少なくとも１つ以上の高調波に対して、それぞれ１／４波長となるオープンスタブが並列接続された構成としていても良い。
図８では、２次高調波に対して１／４波長となるオープンスタブ９１と、３次高調波に対して１／４波長となるオープンスタブ９２が並列接続された高調波短絡回路９を示している。

又、高調波短絡回路９は、図９に示すように、少なくとも１つ以上の高調波に対して、それぞれ直列共振周波数を有する誘導素子Ｌと容量素子Ｃの直列共振回路からなり、直列共振回路の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地された構成としていても良い。
図９では、２次高調波に対して直列共振周波数を有する誘導素子Ｌ９３と容量素子Ｃ９３の直列共振回路９３からなり、直列共振回路９３の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地される。
又、３次高調波に対して直列共振周波数を有する誘導素子Ｌ９４と容量素子Ｃ９４の直列共振回路９４からなり、直列共振回路９４の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地される。
図９では、このような構成を示している。

更に、高調波短絡回路９は、図１０に示すように、少なくとも１つ以上の高調波に対して、それぞれ１／４波長となるオープンスタブを含み、オープンスタブの一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、又、少なくとも１つ以上の高調波に対して、それぞれ直列共振周波数を有する誘導素子Ｌと容量素子Ｃの直列共振回路を含み、直列共振回路の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地された構成としていても良い。
図１０では、３次高調波に対して１／４波長となるオープンスタブ９２の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、又、２次高調波に対して直列共振周波数を有する誘導素子Ｌ９３と容量素子Ｃ９３の直列共振回路９３の一端が高周波短絡回路９の入力端子９ａと出力端子９ｂを結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地された高調波短絡回路９を示している。
高調波の次数が低い程、１／４波長となるオープンスタブの線路長は長くなることから、図１０に示した高調波短絡回路９では、図８に示した構成と比較して、高調波短絡回路９のサイズを小さくできる。

又、整合回路４に備えた入力フィルタ部４１は、図６に示すように、それぞれの高調波に対して開放となる誘導素子Ｌと容量素子Ｃの並列共振回路の直列接続で構成されていても良い。

以上のように、この実施の形態２によれば、前記実施の形態１の構成に加えて、インピーダンス変成器３の前段であり、整合回路４の後段に、少なくとも１つ以上の高調波を、高調波短絡回路９の出力端子９ｂにおいて短絡する高調波短絡回路９を備えことを特徴とする。
これにより、前記実施の形態１の効果に加えて、高調波短絡回路９と、基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器３により、整流素子１から入力端子５側を見たインピーダンスは、短絡とした高調波に対して、奇数次高調波のときは開放、偶数時高調波のときは短絡となるので、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が得られる。
又、高調波短絡回路９により、少なくとも１つ以上の高調波を、高調波短絡回路９の出力端子９ｂにおいて短絡したため、高調波短絡回路９により、短絡とした高調波に対して整流素子１からの再放射量を抑圧できる。

なお、この願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１整流素子、２出力フィルタ、３インピーダンス変成器、４整合回路、５，９ａ入力端子、６，９ｂ出力端子、７伝送線路、８，９１，９２オープンスタブ、９高調波短絡回路、４１入力フィルタ部、４２基本波整合部、９３，９４直列共振回路、４１１，４１２並列共振回路。

Claims

高周波を直流に変換する整流素子と、
前記整流素子の後段に設けられ、高調波処理及び平滑化を行う出力フィルタと、
前記整流素子の前段に設けられ、前記高周波の基本波で１／４波長となるインピーダンス変成器と、
前記インピーダンス変成器の前段に設けられ、信号源からの高周波が入力される整合回路とを備え、
前記基本波において、
前記インピーダンス変成器により、前記整流素子の基本波インピーダンスを信号源インピーダンス近傍の値となる中間インピーダンスに変換すると共に、前記整合回路により、前記中間インピーダンスと前記信号源インピーダンスの整合を取ることを特徴とする整流器。
前記インピーダンス変成器の前段であり、前記整合回路の後段に設けられ、少なくとも１つ以上の高調波を当該高調波短絡回路の出力端子において短絡する高調波短絡回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の整流器。
前記高調波短絡回路は、
少なくとも１つ以上の高調波に対してそれぞれ１／４波長となるオープンスタブからなり、該オープンスタブの一端が当該高周波短絡回路の入力端子と出力端子を結ぶ伝送線路に接続された構成であることを特徴とする請求項２記載の整流器。
前記高調波短絡回路は、
少なくとも１つ以上の高調波に対してそれぞれ直列共振周波数を有する誘導素子と容量素子の直列共振回路からなり、該直列共振回路の一端が当該高周波短絡回路の入力端子と出力端子を結ぶ伝送線路に接続され、他端が接地された構成であることを特徴とする請求項２記載の整流器。
前記高調波短絡回路は、
少なくとも１つ以上の高調波に対してそれぞれ１／４波長となるオープンスタブを含み、該オープンスタブの一端が当該高周波短絡回路の入力端子と出力端子を結ぶ伝送線路に接続され、
少なくとも１つ以上の高調波に対してそれぞれ直列共振周波数を有する誘導素子と容量素子の直列共振回路を含み、該直列共振回路の一端が前記伝送線路に接続され、他端が接地された構成であることを特徴とする請求項２記載の整流器。
前記整合回路は、
基本波を通過させ、少なくとも１つ以上の高調波を反射する入力フィルタ部と、
基本波において、中間インピーダンスと信号源インピーダンスの整合を取る基本波整合部とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の整流器。
前記入力フィルタ部は、
それぞれの高調波に対して開放となる誘導素子と容量素子の並列共振回路の直列接続で構成されたことを特徴とする請求項６記載の整流器。
前記中間インピーダンスは、前記信号源インピーダンスと等しいことを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の整流器。