JP2017005333A - ラジアル線路型電力合成器 - Google Patents

Abstract

【課題】 入力電力の不均衡を起こしている入力端子への反射電力を抑制し、それによって局所加熱を抑制できるラジアル線路型電力合成器を提供すること。【解決手段】 本発明は、複数の入力端子と１つの出力端子との間で電力の合成を行うラジアル線路型電力合成器であって、入力電力の不均衡を起こしている入力端子から見て略90°ずれた入力端子に入力する電力を下げるまたは遮断することを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力の合成に用いられるラジアル線路型電力合成器に関する。

高電力高周波信号の合成には、低ロス、高耐電力の合成器が必要とされ、ウィルキンソン型合成器、ハイブリッド結合器を多段接続した合成器、ラジアル線路型合成器（ラジアルコンバイナ）等が知られている。特に大電力の合成、もしくは2の乗数倍(2、4、8、16等)以外の合成や奇数合成の場合は、ラジアルコンバイナが用いられる。ラジアル線路型電力合成・分配器については、特許文献１(特開平5-175712号公報)や特許文献２（特開2013-150143号公報)に開示されている。

例えば特許文献２の図４に記載された既知のラジアル線路型電力合成・分配器は、次のような構成である。

電力合成・分配器１００は、平面視円形の天板１０４ａと、天板１０４ａに相対向する底板１０４ｂと、天板１０４ａ及び底板１０４ｂの外周を被う側板１０４ｃとにより形成された円形箱状のケース１０４を備えている。また、天板１０４ａは、その中央部に中央同軸接栓（中央同軸端子）１０１ａが設けられ、その外周部に周辺同軸接栓（周辺同軸端子）１０１ｂが等間隔で複数設けられている。また、中央同軸接栓１０１ａには、ケース１０４内部の底板１０４ｂまで延びる変換素子（同軸線路）１０２ａが接続されている。また、各周辺同軸接栓１０１ｂには、ケース１０４内部の底板１０４ｂまで延びる変換素子（同軸線路）１０２ｂが接続されている。また、ケース１０４を構成する天板１０４ａ、底板１０４ｂ及び側板１０４ｃにより形成される空隙部分が、ラジアル線路１０３となっている。

また、電力合成・分配器１００は、中央同軸接栓１０１ａを出力端子として、周辺同軸接栓１０１ｂを入力端子として用いれば電力合成器として機能し、中央同軸接栓１０１ａを入力端子として、周辺同軸接栓１０１ｂを出力端子として用いれば電力分配器として機能するようになっている。

ラジアルコンバイナは、各入力ポートに入力される電力が同位相、同電力の場合が最も効率良く合成される。機器の故障等により同位相、同電力の均衡が崩れた場合、電力不均衡を起こしている入力ポートに、通常よりも多い反射電力が反射される。その反射電力が他部位へ過負荷等の影響を与えない為にアイソレータや終端器を配置するが、通常より多い反射電力であるため、通常のディレーティングよりも大きな耐電力の部品を使用しなくてはならない。また、局所発熱をもたらす為、大型の冷却装置を用意する必要もあり、装置の大型化、高価格化をもたらしている。

ここでディレーティングとは、予め定められた定格値以下で余裕を持たせて動作させることである。例えば定格100Vの部品を50Vで使用するとディレーティング50%で使用することになる。逆の言い方をすると、ディレーティングを50%とすると、正常使用（故障していない状態での使用）でその部品の消費電力が25Wの場合、50W耐電力の部品を使う必要がある。しかし故障時の反射電力を考慮すると、ディレーティングを考慮しなくても例えば500W用の部品を使用する必要がある。ディレーティングを50%とすると、耐電力1000Wの部品を使用する必要がある。1000W耐電力の部品は、サイズが大きくしかも非常に高価である。

特開平5-175712号公報 特開2013-150143号公報

ラジアルコンバイナは、接続される増幅装置の故障などにより、入力電力の不均衡を起こした場合、電力不均衡を起こしている入力ポートに、通常よりも多い反射電力が反射される。その反射電力が他部位へ過負荷等の影響を与えない為に、アイソレータや終端器を配置するが、前述の通常より多い反射電力により、通常よりも大きな耐電力の部品を使用しなくてはならず、装置の大型化、高価格化をもたらしている。また、局所発熱を起こす為、大型の冷却装置が必要である。故障時、例えば前述の500Wの反射電力を吸収するために、反射されるポートの終端器で電力を熱に変換するが、その熱の発生は特定の終端器に集中する。そのため特定の終端器という限られた体積（局所）で500Wを放熱する冷却システムが必要になる。一般的には大きな体積を冷やすより、局所を冷やす方が困難である。

特許文献１では、周辺同軸端子１ｃに接続された変換器７に２個以上の抵抗８，９を接続している。複数個の同軸端子のどれか１つでも入力電力がなくなるか又は小さくなった場合、変換器に励起される電圧、電流が隣接する変換器で異なるため、抵抗８，９に電流が流れ、その差分が小さくなるように働くと説明されている（同文献（００１３）段落）。
しかしながら、抵抗８、９には電流が流れるので、新たな発熱源になるという問題がある。また特許文献２では入力電力の不均衡については述べられていない。

本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、入力電力の不均衡を起こしている入力端子への反射電力を抑制し、それによって局所加熱を抑制できるラジアル線路型電力合成器を提供することである。

本発明は、複数の入力端子と１つの出力端子との間で電力の合成を行うラジアル線路型電力合成器であって、
入力電力の不均衡を起こしている入力端子から見て略90°ずれた入力端子に入力する電力を下げるまたは遮断することを特徴とするラジアル線路型電力合成器である。

また本発明は、複数の入力端子と１つの出力端子との間で電力の合成を行うラジアル線路型電力合成器の動作方法であって、
入力電力の不均衡を起こしている入力端子に、前記入力端子からみて略90°ずれた入力端子に入力する電力を下げるまたは遮断することを特徴とするラジアル線路型電力合成器の動作方法である。

本発明によれば、入力電力の不均衡を起こしている入力端子への反射電力を抑制し、それによって局所加熱を抑制できるラジアル線路型電力合成器が可能になる。

本発明の第１実施形態のラジアルコンバイナの外観の概要を示す斜視図である。 図１のラジアルコンバイナの等価ブロック図である。 図２のラジアルコンバイナの各入力ポートに増幅器を接続した状態を示す図である。 図３のラジアルコンバイナの増幅器と入力ポートの間にサーキュレータと終端器を接続した例を示す図である。 第１実施形態のラジアルコンバイナの、動作ＲＦ周波数に対する反射電力の変化を示す図である。 第１実施形態のラジアルコンバイナで、入力ポート１１に接続される増幅器が故障した場合を示す図である。 図６のように入力ポート１１に接続される増幅器が故障した場合の、各入力ポートに反射される電力を示す図である。 故障して大きな反射電力が反射されている入力ポートから、物理的に90°ずれた入力ポート６への入力電力を止めたことを示す図である。 故障している入力ポート１１に反射される電力を抑制した場合の、各入力ポートに反射される電力を示す図である。 反射電力を監視するために、サーキュレータと終端器の間に方向性結合器を接続した例を示す図である。 入力ポート６への電力を下げた場合の各入力ポートに反射される電力を示す図である。 反射電力を監視するための、図１１とは別の構成を示す図である。 反射電力に代えて増幅器の出力電力を監視する構成を示す図である。

（第１の実施形態）
図１〜図５を用いて本発明の第１の実施形態である、ラジアル線路を用いた導波管型合成器（以下ラジアルコンバイナ）を説明する。
（構成の説明）
図１は本実施形態のラジアルコンバイナ１００の外観の概要を示す斜視図である。円形の天板１０３と、天板１０３に対向する円形の底板１０５と、天板１０３と底板１０５の間の外周を被う側板１０７で形成された円形箱状のケースを備えている。また、天板１０３は、その中央部に出力ポート２００が設けられ、その外周部に入力ポート１〜２０が等間隔で複数設けられている。各入力ポートから入力された電力が、合成されて出力ポート２００に出力される。説明する上で理解しやすくするために、ラジアルコンバイナ１００を図２のような等価ブロック図で表示する。

通常、ラジアルコンバイナ１００が合成に使用される場合は、図３のように、各入力ポートには入力信号を増幅する増幅器３００が接続される。また、図４のようにラジアルコンバイナ１００の各入力ポートと増幅器３００の間に反射電力を吸収する用途で、サーキュレータ４００と終端器５００を挿入してもよい。各入力ポートに入力される信号が同位相、同電力の時に、最も効率良く合成できることが知られている。その時の各入力ポートに反射される電力を図５に示す(20本の線が重なっている)。図５は動作ＲＦ（Radio Frequency）周波数に対する反射電力（Return Power）の変化を示す図である。中心周波数2.80GHz（図中の2.80E9）では、約0.3W(図中の約25dBm)の反射電力が反射される。中心周波数以外でも最大で約25W(約44dBm)の反射電力が反射される。また、図５で線がほぼ重なっていることから分かるように、各入力ポートに反射されてくる電力は、バランスが取れていてバラツキが無い。

しかし故障等によってある入力ポートからの入力電力がなくなり、入力電力に不均衡が生じると、入力電力がなくなった入力ポートに通常よりも多い反射電力が反射される。本実施形態では、図８のように、故障して大きな反射電力が反射されている入力ポート１１を検知し、その入力ポート１１から物理的に90°ずれた入力ポート６への入力を止める。それにより故障している入力ポート１１に集中していた反射電力を分散させる。反射電力が分散された様子を図９に示す。故障した入力ポート１１に反射される電力は約100Wに低減し、出力を止めた入力ポート６に約300Wの反射電力が反射される。また、バラツキも抑えられる。本実施形態により、反射電力を最大60%に抑えることが可能となり局所加熱も抑制される。また反射電力のバラツキも抑えることができる。それらによって装置の簡略化、低価格化を実現できる。

反射電力を監視する方法を図１０に示す。サーキュレータ４００と終端器５００の間に方向性結合器６００を実装し反射電力を検出する。検出した反射電力を反射電力監視装置７００で監視し、反射電力が閾値を超えたかどうか増幅器制御装置８００が判定する。超えたと判定したら増幅器制御装置８００は該当する増幅器３０５つまり入力ポート１１から90°ずれた入力ポート６に接続した増幅器３０５の出力を止める。反射電力監視装置７００は具体的にはPIN（P-Intrinsic-N）ダイオードやアナログデジタルコンバータ(ADC: Analog Digital Convertor)等である。また増幅器制御装置８００は、例えば、監視用アルゴリズムを組み込んだプロセッサ等を用いることができる。また閾値は使用部品の定格により決定する。本実施形態でいうと、反射電力を受ける終端器、サーキュレータ（アイソレータを用いた場合はアイソレータ）の定格を超えるような反射電力が閾値になる。
（動作の説明）
ラジアルコンバイナ自体の一般的な動作については、特許文献１、２に開示されているので省略する。以下、20合成器（合成数が20の合成器）にそれぞれ出力1Kwの増幅器を接続したモデルを例に、一つの入力ポートが故障した場合についての動作を説明する。

図６のように入力ポート１１に接続される増幅器３０３が故障した場合の、各入力ポートに反射される電力を図７に示す。ここで故障とは増幅器の出力がゼロになることである。通常、この様な高出力の増幅器は、故障が起こると、アーキング等による更なる故障や障害(発火等)を防ぐため、その増幅器の増幅動作自体を止める。また、故障した増幅器を、装置の電源を切らずに交換する (ホットリプレース)際は、ゼロになる。
故障した入力ポート１１には約500W（約57dBm）の反射電力が反射される。反射はラジアルコンバイナの特性によるものである。また図７を見ると、各入力ポートに反射される電力にバラツキがあることが判る。

通常動作中の反射電力は中心周波数以外の周波数でも、最大25W程度であったが、各入力ポートに入力される電力がアンバランスになった場合は、通常時に増幅器から出力される電力１Kwの約半分である約500Wという非常に大きな電力が反射されてくる。そのためそのままではサーキュレータや終端器、ケーブル等は、十分に耐電力のある部品を使用せざるを得ない。また大きな電力が反射されるとそれに応じて発熱も大きくなる。

本実施形態では、図８のように、故障して大きな反射電力が反射されている入力ポートから、物理的に90°ずれた入力ポート６の出力を止めることにより、故障している入力ポート１１に反射される電力を抑制する。具体的には入力ポート６に接続する増幅器３００の電源を切るかまたは増幅動作を止める。反射電力が抑制された状態を図９に示す。内部の電磁界バランスが崩れたことによる、故障しているポートへの反射波の集中を、入力ポートから90°ずれた入力ポートの入力を止めることによって抑制し、故障しているポートへの反射増大を抑える。図９から分かるように、故障した入力ポート１１に反射される電力は約100W（中心周波数2.80GHzで約45dBm）に低減し、出力を止めた入力ポート６に約300Wの反射電力が反射される。また、入力ポート間でのバラツキも抑えられる。本実施形態では反射電力を最大60%（300W/500W）に抑えることが可能となり、また反射電力のバラツキも抑える事により装置の簡略化、低価格化が実現できる。

反射電力の監視方法を図１０で説明する。反射電力(入力ポート→増幅器)をサーキュレータ４００で、方向性結合器６００→終端器５００の方向のみに伝達し、方向性結合器６００→反射電力監視装置７００で、反射電力を監視している。反射電力がある所定の閾値を超えた場合、増幅器制御装置８００が、入力ポート１１からほぼ90°ずれた入力ポート６に接続された増幅器３０５の出力を止める。なおサーキュレータ４００があるため、各入力ポート１〜２０から増幅器には電力は伝達されない。
（効果の説明）
本実施形態により、接続される増幅装置の故障などにより、入力電力の不均衡を起こした場合、電力不均衡を起こしている入力ポートに反射される電力を抑制することができ、高耐電力の部品を使用する必要がなくなる。高耐電力の部品を使用する必要がなくなるので、部品コストの低減が可能になる。また発熱を減らすことにより、装置の長寿命化ができる。

また局所発熱を抑制できるので、装置の放熱構造を簡略化することができ、ファン等の回転部品を削減することが出来る為、装置の小型化、価格低減が可能で、長寿命化もできる。また運用中の装置を止めること無く、故障した増幅器を安全に交換できる。
（第２の実施形態）
第1の実施形態では、故障した入力ポート１１から90°ずれた入力ポート６に増幅器から入力する電力を遮断する例を説明した。本第２の実施形態では、入力する電力を下げた例を説明する。それ以外は第１の実施形態と同様である。

図１１は、故障した入力ポート１１から90°ずれた入力ポート６に増幅器３００から入力する電力を、通常動作出力から20dB下げた(電力を1/100に下げた)場合の反射電力を示す。入力ポート１１に反射される電力（図中最も上を通るライン；見やすいように２つの丸で囲っている）を約370W（中心周波数2.80GHzで約52dBm）に低減することが出来る。
（他の実施形態）
第１、第２の実施形態では、電力を遮断または下げるポートとして入力ポート６を選択した。しかし入力ポート１１から見て６とは出力ポートを隔てて反対側に90°ずれて配置された入力ポート１６を選択してもよい。

また前述の二つの実施形態では合成数が20の場合で説明した。しかし、他の合成数の合成器でも同様の効果が得られる。合成数によっては正確に90°の位置に他のポートが来ない場合があるが、90°に近い位置にあるポートであれば良い。

なお合成数が小さいときは、90°からかなり外れた位置にしか他のポートが来ない場合がある。合成数が少ない場合、反射される電力が小さいので、それほど大きな問題にはならないが、例えば合成数が４〜７の場合は故障した隣のポートを止めれば効果はある。

また図１１のサーキュレータ４００を図１２のように方向性結合器６０３に変更し、反射電力を監視、制御しても同様の効果がある。反射電力(入力ポート→増幅器)を監視し、反射電力が、ある所定の閾値を超えた場合、約90°ずれた増幅器の出力を止める。この場合は、入力ポートから増幅器には電力は伝達される。図１１の場合はサーキュレータが不要になる。

また図１２を図１３のように、方向性結合器の方向を変更し、反射電力ではなく、増幅器の出力電力を出力電力監視装置９００で監視し、制御しても構わない。図１３では、出力電力(増幅器→入力ポート)を監視し、出力電力がある所定の閾値より下がった場合、約90°ずれた増幅器３０５の出力を止める。この場合は、入力ポートから増幅器には電力は伝達される。図１３の場合はサーキュレータが不要になる。

また本発明のラジアルコンバイナの内部構造（ラジアル線路）は図１で説明したものに限らず、様々な構造のものを用いることができる。

本発明は、高周波電力送信機全般、レーダ装置、通信装置、高周波を用いる半導体製造装置、プラズマ装置、高周波加熱装置、高周波加速器等に用いることができる。

１〜２０ 入力ポート
１００ ラジアルコンバイナ
１０３ 天板
１０５ 底板
１０７ 側板
２００ 出力ポート
３００、３０３、３０５ 増幅器
４００ サーキュレータ
５００ 終端器
６００、６０３ 方向性結合器
７００ 反射電力監視装置
８００ 増幅器制御装置
９００ 出力電力監視装置

Claims (7)

1. 複数の入力端子と１つの出力端子との間で電力の合成を行うラジアル線路型電力合成器であって、
   入力電力の不均衡を起こしている入力端子から見て略90°ずれた入力端子に入力する電力を下げるまたは遮断することを特徴とするラジアル線路型電力合成器。
2. 前記複数の入力端子には増幅器が接続されている請求項１に記載のラジアル線路型電力合成器。
3. 前記増幅器と前記入力端子の間にサーキュレータが接続され、前記サーキュレータの前記増幅器と前記入力端子の接続される以外の端子に終端器が接続されている請求項２または３に記載のラジアル線路型電力合成器。
4. 前記サーキュレータと前記終端器の間に方向性結合器が接続され、前記方向性結合器に反射電力監視装置が接続されている請求項３に記載のラジアル線路型電力合成器。
5. 前記増幅器と前記入力端子の間に方向性結合器が接続され、前記方向性結合器に反射電力監視装置が接続されている請求項２に記載のラジアル線路型電力合成器。
6. 前記増幅器と前記周辺端子の間に方向性結合器が接続され、前記方向性結合器に前記増幅器の出力を監視する出力監視装置が接続されている請求項２に記載のラジアル線路型電力合成器。
7. 複数の入力端子と１つの出力端子との間で電力の合成を行うラジアル線路型電力合成器の動作方法であって、
   入力電力の不均衡を起こしている入力端子に、前記入力端子からみて略90°ずれた入力端子に入力する電力を下げるまたは遮断することを特徴とするラジアル線路型電力合成器の動作方法。

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