JP2016225452A - トランスおよびこれを用いたマイクロ波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波を発振、増幅するマグネトロン等をパルス駆動するのに好適なトランスおよびそれを用いたマイクロ波発生装置を提供する。
【解決手段】コアと、その外周に１次側巻線が巻装され、さらにその外周に絶縁材を挟んで２次側巻線が巻装されており、２次側巻線は複数の巻線からなり、この巻線が相互に密接した１組の巻線として同一段に巻装され、所望の特性を得るために必要な巻数だけ複数段巻装されている。ここで、コア表面から巻装された２次側巻線表面までの寸法が、２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるように１次側巻線と２次側巻線が前記コアに巻装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を発振あるいは増幅するマグネトロン、ＴＷＴ、ＣＦＡ等のマイクロ波発生装置をパルス駆動するために用いられるトランスおよびこれを用いたマイクロ波発生装置に関する。

マイクロ波発生装置の一例として、船舶用、陸上用、気象用等のパルスレーダ装置に用いられるマグネトロンの駆動回路図を図６に示す。この種のマグネトロンでは、図６に示すように数百ボルト（Ｖ）の電圧の直流電源１０と接地電位との間に、トランス１１の１次側巻線とＦＥＴやＩＧＢＴからなるスイッチングトランジスタ１２とが直列接続されている。スイッチングトランジスタ１２のゲートには、ゲートパルス発生回路１３から所定の周波数のパルス信号が印加され、スイッチングトランジスタ１２の導通・非導通が制御される。スイッチングトランジスタ１２が導通すると、トランス１１の１次側巻線に電流が流れ、２次側巻線に接地電位に対して負電圧が発生する。発生した数ｋＶの負電圧がマグネトロン１４の陰極に供給されると、陽極・陰極間に陽極電流が流れ（陽極・陰極間の電圧を陽極電圧という）、これによりマグネトロン１４が所定の周波数および出力でパルス発振することになる。この種のマグネトロンは、例えば特許文献１に記載されている。

この種のマグネトロンのパフォーマンスチャートを図７に示す。図７（ａ）はマグネトロンの陽極電流と陽極電圧の関係を示し、定格動作点の周辺領域ではわずかな陽極電圧の変動でも陽極電流が大きく変動することがわかる。また図７（ｂ）はマグネトロンの陽極電流と発振出力の関係を示し、暗流部を除き、陽極電流と発振出力は比例関係にあることがわかる。これらの関係からマグネトロンの陽極電圧が変動すると、発振出力が大きく変動することがわかる。

一方図８はカレントプッシング特性と呼ばれるマグネトロンの陽極電流と発振周波数の関係を示す説明図である。陽極電流の変動で、発振周波数が変動することがわかる。陽極電流は、図７（ａ）で説明したように陽極電圧が変動すると大きく変動するため、陽極電圧が変動すると、発振周波数が大きく変動することになる。この発振周波数の変動が発振パルス内で発生すると、周波数成分の積算である発振スペクトラムが悪化する問題があった。

また図９はマグネトロンの陽極電流の変動を説明する波形図を示す。図９（ａ）は陽極電流が時間と共に上昇する場合、逆に図９（ｂ）は陽極電流が時間と共に下降する場合を示している。このように陽極電流が変動すると、パルス内の発振出力や発振周波数に変動が生じ、不安定となる。また図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように陽極電流の変動が大きい場合には、定格動作ができない、発振出力にばらつきが生じる、発振スペクトラムが悪化する、不安定な発振となる等の問題が発生する。

また、図９（ｂ）に示すようにパルスの立ち上がりエッジにオーバーシュートが生じるとマグネトロンに過電流が流れ、場合によっては陰極が損傷し、マグネトロンの短寿命化を引き起こすことがあった。そこでオーバーシュートの問題を解決し、陽極電流が所定の電流範囲のときだけマグネトロンが動作するように制限をかけることも可能である。しかしながら図９（ａ）に示すように陽極電流値が一定になるまでに時間を要する場合、陽極電圧の立ち上がりが制限値に達するまで動作しないことになり、所定のパルス幅以上のパルス動作しかできず、短いパルス動作に不適となる。また、短いパルス動作を行うために制限値を設けない場合には、ピークレベルが低くなるという問題もあった。

以上説明したように、陽極電流の変動を抑えることがマグネトロンの安定動作に重要な要件となる。ところで陽極電流の変動は、換言すれば陽極電圧の変動であり、トランスからマグネトロンの陰極に供給される電圧の変動である。つまりトランスの２次側巻線に発生する負電圧の変動を抑えることがマグネトロンの安定動作にとって重要な要件となることがわかる。

マグネトロンの陰極に供給される電圧が変動するという問題は、マグネトロンをパルス駆動するパルスモジュレータを構成する回路素子や回路の引き回しにより、本来のパルス電圧発生には不要なリアクタンス成分が影響しているためであり、特にモジュレータを構成するトランスの不要なリアクタンス成分の影響を低減することが効果的であることが知られている。

トランスの不要なリアクタンスとしては、例えばリーケージインダクタンスLe（μＨ）や巻線容量Cw（ｐＦ）があげられる。リーケージインダクタンスや巻線容量が増加すると、次式で表される最大伝送周波数ｆmaxが低下する。
ｆmax＝（２／Le・Cw）^1/2×１０³／２π

最大伝送周波数ｆmaxが低下することは、短いパルス波形の場合に、２次側に十分な伝送が行われず、１次側の波形が再現されず、ピークレベルが低下したり、長いパルス波形においても早い立ち上がりや立ち下がりが再現できなくなることになる。

図１０に従来のトランスを示す。図１０に示すトランスは、中心に鉄心１（コア）を有するボビン２に、２次側巻線３ａ、別の２次側巻線４ａ、１次側巻線５、２次側巻線３ｂ、別の２次側巻線４ｂの順にそれぞれ巻き付け、２次側巻線３ｂ、４ｂで１次側巻線５を挟み込んだ構造となっている。このような構造のトランスが不要なリアクタンス成分を持つ原因は、１次側巻線５と２次側巻線３ａ、４ａは密に結合されるが、２次側巻線３ｂ、４ｂと鉄心１の間隔が拡がること、２次側巻線３ａ、３ｂと鉄心１間の距離と別の２次側巻線４ａ、４ｂの鉄心１間の距離が異なってしまうこと、２次側巻線３ａ、３ｂの巻き径と別の２次側巻線４ａ、４ｂの巻き径が変わること等があげられる。

そこでこのような不要なリアクタンス成分の影響を抑制し、１次側のパルス波形を忠実に再現するため、１次巻線と２次巻線の結合を密にする方法が提案されている。例えば特許文献２には、１次側巻線と２次側巻線をバイファイラ巻にすることで結合を密にする方法が提案されている。

しかしながら、バイファイラ巻が効果を発揮するのは、印加される電圧範囲が低いときに限られ、数百Ｖ〜数十ｋＶという高い電圧範囲で動作するマグネトロン等のマイクロ波発生装置のパルスモジュレータとして用いる場合、１次側巻線と２次側巻線の巻数比を大きくする必要があり、２次側巻線全体をバイファイラ巻することは困難であった。また巻線を層間で絶縁するため、絶縁材６を厚くする必要があり、バイファイラ巻では結合が低下してしまうという問題があった。

特開平１１−１３５０２７号公報 特開平０８−０５５７３８号公報

従来提案されているトランスの不要なリアクタンス成分を抑制する方法は、印加される電圧範囲が低い場合には効果的であるが、マグネトロン等のマイクロ波発生装置に使用されるような高い電圧範囲では、所望の特性を得ることができなかった。本発明はこのような問題点を鑑み、マイクロ波を発振、増幅するマグネトロン、ＴＷＴ等をパルス駆動するのに好適な、トランスおよびそれを用いたマイクロ波発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、コアと、該コアの外周に１次側巻線が巻装され、前記１次側巻線の外周に絶縁材を挟んで２次側巻線が巻装されているトランスにおいて、前記２次側巻線は複数本の巻線からなり、該巻線が相互に密接した１組の巻線として同一段に巻装され、所望の特性を得るために必要な巻数だけ複数段巻装されているとともに、前記コア表面から巻装された前記２次側巻線表面までの寸法が、前記２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるように前記１次側巻線と前記２次側巻線が前記コアに巻装されていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のトランスにおいて、前記１次側巻線は複数の巻線が並列に接続していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、パルス電圧を生成するトランスを備え、該トランスにより生成されたパルス電圧により駆動するマイクロ波発生装置において、前記トランスは、コアと、該コアにの外周に前記１次側巻線が巻装され、該１次側巻線の外周に絶縁材を挟んで２次側巻線が巻装されているトランスであって、前記２次側巻線は複数本の巻線からなり、該巻線が相互に密接した１組の巻線として同一段に巻装され、所望の特性を得るために必要な巻数だけ複数段巻装されているとともに、前記コア表面から巻装された前記２次側巻線表面までの寸法が、前記２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるように前記１次側巻線と前記２次側巻線が前記コアに巻装されていることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のマイクロ波発生装置において、前記１次側巻線は複数の巻線が並列に接続していることを特徴とする。

本発明のトランスは、鉄心表面から２次側巻線の巻き終わり表面までの寸法を適切に設定することで、１次側と２次側のカップリングが良好となり、漏れ磁束が抑制され、不要のリアクタンス成分を抑制することが可能となる。

特に１次側巻線を複数の巻線が並列に接続する構成とすると、複数本の巻線を鉄心に巻き付けた構造と等価となり、鉄心表面から１次側巻線表面までの寸法を短く、かつ均一にすることができ、１次側巻線の外周に絶縁材を挟んで巻き付けられる２次側巻線の長さを長くすることで高い昇圧電圧を得ることができたり、あるいはトランスの小型化ができるという利点がある。

また本発明のトランスを使用したマイクロ波発生装置は、不要なリアクタンスが低減されリプル率の低いパルス電圧が供給されるため、安定的な定格動作が可能となり、発振出力のばらつき、発振スペクトラムの悪化、不安定発振などのない良好な特性を得ることが可能となる。また、パルス電圧の立ち上がり、立ち下がりが早いため、短いパルス信号でも充分なピーク出力が得られる動作が可能となるという利点がある。

本発明の第１の実施例のトランスの説明図である。 寸法Ａを２次側巻線の直径で割った値と本発明のトランスをパルス動作させた際の出力電圧パルスのリプル率との関係を示すグラフである。 巻幅を２次側巻線の直径で割った値と本発明のトランスをパルス動作させた際の出力電圧パルスのリプル率との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例のトランスの説明図である。 本発明のトランスを用いたパルスモジュレータによって駆動したマグネトロンの陽極電流の波形図である。 パルスレーダ装置に用いられるマグネトロンの駆動回路説明図である。 この種のパルスレーダ装置に用いられるマグネトロンのパフォーマンスチャートである。 この種のパルスレーダ装置に用いられるマグネトロンのカレントプッシング特性の説明図である。 この種のパルスレーダ装置に用いられるマグネトロンの陽極電流の変動を説明する波形図である。 従来のトランスの説明図である。

本発明のトランスは、鉄心（コア）の外周に１次側巻線が巻き付けられ、絶縁材を挟んで複数本の２次側巻線が所望の特性を得るために必要な巻数だけ巻き付けられている。ここで本発明では、複数本の２次側巻線を束ねたり、撚り合わせるようにして複数本の巻線が相互に密接した１組の巻線として使用する。その結果、複数の巻線は同一段に巻き付けられることになり、複数本の巻線からなる２次側巻線でも、鉄心表面から２次側巻線表面までの寸法（以下、「寸法Ａ」という）を同一に保つことが可能となる。また、寸法Ａが２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるようにすると、１次側巻線と２次側巻線の結合を良好に保つことが可能となる。この条件を満たすため、巻幅は適宜設定すればよい。一般的に使用される巻線では、巻幅は２次側巻線の直径の２４〜８０倍の範囲とし、７層を越えないように２次側巻線が巻き付けられた構造とするのが好ましい。また本発明のマイクロ波発生装置は、上記トランスをパルストランスとして動作させた構造となっている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

まず、本発明のトランスについて説明する。図１は、本発明の第１の実施例のトランスの説明図である。図１に示すように、中心に鉄心１（コア）を有するボビン２に１次側巻線５を巻き付け、絶縁材６を介して２次側巻線３および別の２次側巻線４を巻き付けた構造となっている。２次側巻線を巻き付けるときには、図１に示すように２本の巻線を平行に並べて巻き付ける方法や、撚った状態で巻き付ける。このようにすることで２本の２次側巻線を同一段に巻き付けた構造とすることができる。なお図１では、説明の便宜上、巻線間に空隙があるように記載しているが、通常のトランス同様、巻線は相互に密接した状態で巻き付けられる。

一般的に所望の電圧を得るために、２次側巻線の巻数を所望の数に設定する必要がある。そこで本発明では、２次側巻線の直径、巻幅を調整し、２次側巻線の巻き終わり寸法（寸法Ａ）を所定の範囲とすることで、不要リアクタンス成分の影響を低減している。

まず、２次側巻線の直径について説明する。図２は、鉄心１表面から巻き終えた２次側巻線表面までの寸法（寸法Ａ）を２次側巻線の直径で割った値と本実施例のトランスをパルス動作させた際の出力電圧パルスのリプル率との関係を示している。ここで寸法Ａはボビン２や絶縁材６の厚さを含んだ寸法となっている。

図２に示すように、寸法Ａを２次側巻線の直径で割った値が、８〜１１の範囲とするとリプル率が低下、すなわちリアクタンス成分の影響を低減できることがわかる。図２に示す例は、２次側巻線の直径が０．８ｍｍとした場合の特性であるが、巻線の直径が異なる場合も同様の傾向であることが確認されている。これはこの範囲から外れた場合には、漏れ磁束が大きくなり、結合が悪くなってしまうためと考えられる。

また所望の特性を得るために巻数を多くする必要があるときは、巻幅を広くすることで寸法Ａを２次側巻線の直径の８倍から１１倍の範囲となるように調整することもできる。図３は、巻幅を２次側巻線の直径で割った値と本実施例のトランスをパルス駆動させた際の出力電圧パルスのリプル率との関係を示している。

図３に示すように、巻幅を２次側巻線の直径の２４倍から８０倍の範囲となるように調整するとリプル率が低下、すなわちリアクタンス成分の影響を低減できることがわかる。図３に示す例は、２次側巻線の直径が０．８ｍｍとした場合の特性であるが、径が異なる場合も同様に傾向であることが確認されている。

実際にトランスを設計する場合には、図２で説明した２次側巻線の表面までの寸法が２次側巻線の直径に対して所定の割合となるように、巻幅と２次側巻線の直径を選定することで、良好な特性のトランスを設計することが可能となる。

また１次側巻線と２次側巻線を鉄心に巻き付ける構造とするため、巻線の直径の差が大きくなると密に巻くことが難しくなる。そこで、１次側巻線の直径と２次側巻線の直径の差を±２０％に抑えるのが好ましい。さらに１次側巻線と２次側巻線のインピーダンスの比を１：１５０以下の範囲で設計すると、本発明の効果が十分に得られることが確認されている。

上記実施例１において、１次側巻線の構造を複数の巻線を並列に接続した構造としてもよい。図４は３本の巻線を１組として鉄心に巻き付けた構造を示している。このような構造とすることで、１次側巻線の巻数が少なくなり、鉄心表面から１次側巻線の表面までの寸法を小さくでき、インダクタンスのリンケージを低減することが可能となる。

次に第３の実施例として、上記実施例で説明したトランスを用いたパルスモジュレータによって駆動するマイクロ波発生装置について説明する。マイクロ波発振装置の一例として、マグネトロンについて説明する。本実施例のマグネトロンは、図６で説明したマグネトロンにおいて、上記実施例で説明したトランスを用いれば良い。その場合、図１に示す２次側巻線４は陰極に接続し、別の２次側巻線５は図示しないヒーターに接続するように構成する。

図５は、本発明のマグネトロンの陽極電流の一例を示す。図５ではパルス幅を０．０６μｓ〜１．０μｓと変化させたときの陰極・陽極間に流れる陽極電流を示している。図５に示すように、本発明のトランスを用いたマグネトロンでは、パルス波形の早い立ち上がりと立ち下がりが実現できている。特に最もパルス幅の狭い０．０６μｓの場合でも、ピーク電流は、他のパルス幅の広い場合と比較しても低下はみられず、短いパルス動作が可能であることがわかる。

図５では、パルスの立ち上がりエッジにオーバーシュートが生じているが、この問題を解決するためは、陽極電流が所定の電流範囲のときだけマグネトロンを動作するように制限をかけることができる。特に、従来例ではこの制限をかけることができないパルス幅の狭い０．０６μｓの場合でも制限をかけ、オーバーシュートを抑えることができる効果は大きい。また、パルス信号のピーク値はフラットで、リプル率が小さいこともわかる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、本発明のトランスに用いられる２次側巻線は、２本に分割される場合に限らず、３本以上であっても良い。また本発明のトランスは、マグネトロンに限らず、パルス駆動するマイクロ波発生装置に用いると効果が大きい。

１：鉄心、２：ボビン、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ：２次側巻線、５：一次側巻線、１０：直流電源、１１：トランス、１２：スイチングトランジスタ、１３：ゲートパルス発生回路、１４：マグネトロン

Claims (4)

1. コアと、該コアの外周に１次側巻線が巻装され、前記１次側巻線の外周に絶縁材を挟んで２次側巻線が巻装されているトランスにおいて、
   前記２次側巻線は複数本の巻線からなり、該巻線が相互に密接した１組の巻線として同一段に巻装され、所望の特性を得るために必要な巻数だけ複数段巻装されているとともに、
   前記コア表面から巻装された前記２次側巻線表面までの寸法が、前記２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるように前記１次側巻線と前記２次側巻線が前記コアに巻装されていることを特徴とするトランス。
2. 請求項１記載のトランスにおいて、前記１次側巻線は複数の巻線が並列に接続していることを特徴とするトランス。
3. パルス電圧を生成するトランスを備え、該トランスにより生成されたパルス電圧により駆動するマイクロ波発生装置において、
   前記トランスは、コアと、該コアの外周に前記１次側巻線が巻装され、該１次側巻線の外周に絶縁材を挟んで２次側巻線が巻装されているトランスであって、前記２次側巻線は複数本の巻線からなり、該巻線が相互に密接した１組の巻線として同一段に巻装され、所望の特性を得るために必要な巻数だけ複数段巻装されているとともに、
   前記コア表面から巻装された前記２次側巻線表面までの寸法が、前記２次側巻線の直径の８〜１１倍の範囲となるように前記１次側巻線と前記２次側巻線が前記コアに巻装されていることを特徴とするマイクロ波発生装置。
4. 請求項３記載のマイクロ波発生装置において、前記１次側巻線は複数の巻線が並列に接続していることを特徴とするマイクロ波発生装置。

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