JP4022624B2

JP4022624B2 - マイクロ波発生装置

Info

Publication number: JP4022624B2
Application number: JP2003350463A
Authority: JP
Inventors: 紘松本; 真毅篠原
Original assignee: Kyoto University
Current assignee: Kyoto University
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005117451A; WO2005036730A1; US20070040510A1; US7471045B2

Description

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に関する。

主に加熱装置として使用されているこのようなマイクロ波発生装置としては、民生用マグネトロンの磁石部分にコイルを巻き、磁場強度の制御及び注入同期を組み合わせて、マグネトロンから発振したマイクロ波の周波数／位相制御を実現したもの（例えば、特許文献１参照）や、民生用マグネトロンの電源に対する位相同期ループ（ＰＬＬ）及び注入同期を組み合わせて、マグネトロンから発振したマイクロ波の周波数／位相制御を実現したもの（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
特願昭６０−１２３１１０号公報特開２００２−４３８４８号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載されたような従来のマイクロ波発生装置では、マイクロ波の周波数／振幅の制御に対しては所望の特性が得られるものの、マイクロ波の振幅の制御が困難となるため、加熱装置への適用に止まっている。したがって、マグネトロンのマイクロ波の周波数／位相を安定化し又は制御しながら、マグネトロンのマイクロ波の振幅を同時に安定化し又は制御する必要があるプラズマ発生装置、通信装置、レーダ装置等には従来のマイクロ波発生装置を適用できないのが現状である。

本発明の目的は、マグネトロンのマイクロ波の周波数／位相を安定化し又は制御し、これと同時にマグネトロンのマイクロ波の振幅を安定化し又は制御することができるマイクロ波発生装置を提供することである。

本発明によるマイクロ波発生装置は、
アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御する電場変動手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって安定化する磁場変動手段とを具えることを特徴とする。

本発明による他のマイクロ波発生装置は、
アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御する電場変動手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって制御する磁場制御手段とを具えることを特徴とする。

本発明によるマイクロ波発生装置によれば、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御するとともに、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって安定化する。これによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの一方を制御し、これと同時に、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を安定化することができるようになる。

本発明による他のマイクロ波発生装置によれば、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御するとともに、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって制御する。これによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅とを同時に制御することができるようになる。

なお、本明細書中、「安定化」とは、マイクロ波の周波数／位相及び振幅並びにマイクロ波発生装置の出力を所定の範囲内に収まるよう受動的に変化させることを意味し、「制御」とは、マイクロ波の周波数／位相及び振幅並びにマイクロ波発生装置の出力を外部から能動的に変化させることを意味する。

好適には、前記マグネトロンの固有発振周波数に近い固有周波数を有する基準信号を、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をとることによって、前記マイクロ波の周波数／位相を更に制御する注入同期手段を更に具える。

本発明によるマイクロ波発生装置の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面中、同一構成要素には同一符号を付すものとする。
図１は、本発明によるマイクロ波発生装置の第１の実施の形態を示す図である。このマイクロ波発生装置は、マグネトロン１と、高圧直流安定化電源２と、方向性結合器３と、減衰器及び位相又は振幅調整器４と、位相又は振幅比較器５と、基準信号発生器６と、可変移相器７とを具える。

マグネトロン１の図示しないアノード（陽極）・カソード（陰極）間には、高圧直流安定化電源２から高圧直流電流（以下、「アノード電流」と称する。）が流され、これによって、マグネトロン１が発振状態に設定される。マグネトロン１から放射されるマイクロ波は、方向性結合器３を通じて外部出力され、例えばホーンアンテナなどの給電系に送出される。

方向性結合器３は、マイクロ波出力の一部を減衰器及び位相又は振幅調整器４に分岐出力し、かかる分岐出力は、減衰器及び位相又は振幅調整器４によって減衰及び位相又は振幅調整された後、位相又は振幅比較器５に供給される。

基準信号発生器６は、マグネトロン１の固有発振周波数に近い周波数を有する基準信号を発生するものであり、発生した基準信号は、可変移相器７を通じて位相又は振幅比較器５に供給される。

位相又は振幅比較器５は、マイクロ波と基準信号とを周波数／位相と振幅のうちの一方について比較し、比較の結果に応じて、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの一方が基準信号のものに一致するように、アノード電流を変化させる。これによって、マイクロ波の周波数／位相の制御と振幅の安定化のうちのいずれか一方は、電場の変動により制御される。

これと平行して、マグネトロン１の図示しない磁石に巻かれた図示しないコイルの電流を手動によって変化させることによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方は、受動的な磁場の変動により安定化される。その結果、本実施の形態によれば、電源に対する位相同期ループ（ＰＬＬ）フィードバックによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの一方が制御され、これと同時に、コイルへの電流を変化させることによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を安定化することができるようになる。

図２は、本発明によるマイクロ波発生装置の第２の実施の形態を示す図である。このマイクロ波発生装置は、マグネトロン１と、高圧直流安定化電源２と、方向性結合器３’と、減衰器及び位相又は振幅調整器４と、位相又は振幅比較器５と、基準信号発生器６と、可変移相器７と、位相又は振幅比較器８とを具える。

本実施の形態では、方向性結合器３’は、マイクロ波出力の一部を減衰器及び位相又は振幅調整器４の他に位相又は振幅比較器８にも分岐出力する。位相又は振幅比較器８には、基準信号も供給され、マイクロ波と基準信号とを強度について比較し、比較の結果に応じて、マイクロ波の強度が基準信号のものに一致するように、図示しないコイルの電流を能動的に変化させる。これによって、マイクロ波の周波数／位相の制御と振幅の安定化のうちの他方は、電場の変動により制御される。これによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅とを同時に制御することができるようになる。

図３は、本発明によるマイクロ波発生装置の第３の実施の形態を示す図である。このマイクロ波発生装置は、マグネトロン１と、高圧直流安定化電源２と、方向性結合器３と、減衰器及び位相又は振幅調整器４と、位相又は振幅比較器５と、基準信号発生器６と、可変移相器７と、分配器９と、サーキュレータ１０とを具える。

本実施の形態では、基準信号が、可変移相器７を通じて分配器９に供給される。この分配器９は、入力された基準信号を２系統に分配するものであり、一方の系統の基準信号は、サーキュレータ１０に供給され、他方の系統の基準信号は、位相又は振幅比較器５に供給される。

サーキュレータ１０は、分配器９から供給される基準信号を第１端子から入力し、この入力基準信号を第２端子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端子から取り込んで第３端子から出力する。サーキュレータ１０から出力されるマイクロ波は、方向性結合器３を通じて外部に出力され、例えばホーンアンテナなどの給電系に送出される。

マグネトロン１の発振状態において、基準信号発生器６で発生した、マグネトロン１の固有発振周波数に近い周波数を有する基準信号が、サーキュレータ１０を通じてマグネトロン１に注入される。その結果、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。

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１０及び方向性結合器３を通じて外部に出力される。この際、サーキュレータ１０の有する特性により、マイクロ波出力が基準信号入力側に戻ることはない。

本実施の形態によれば、電源に対するＰＬＬフィードバックによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの一方が制御され、これと同時に、コイルへの電流を変化させることによって、マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を安定化することができるようになる。また、同期注入法により、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み、フィードバック制御によって周波数／位相の同期をとることができる。この際、マグネトロン１のアノード電流を制御することによって周波数／位相の同期をとっているので、制御幅を極めて広くとることができ、これによって、安定性が更に向上する。

図４は、本発明によるマイクロ波発生装置の第４の実施の形態を示す図である。このマイクロ波発生装置は、マグネトロン１と、高圧直流安定化電源２と、方向性結合器３と、減衰器及び位相又は振幅調整器４と、位相又は振幅比較器５と、基準信号発生器６と、可変移相器７と、位相又は振幅比較器８と、分配器９と、サーキュレータ１０とを具える。

本実施の形態によれば、マイクロ波の周波数／位相と振幅とを同時に制御することができるようになり、かつ、安定性が更に向上する。

図５は、従来のマイクロ波発生装置の実験結果を示す図であり、図６は、本発明によるマイクロ波発生装置の実験結果を示す図である。なお、従来のマイクロ波発生装置としては、図１のマイクロ波発生装置においてマグネトロン１のコイルの電流を変化させないものを使用し、本発明によるマイクロ波発生装置として、図３のマイクロ波発生装置を使用した。

従来のマイクロ波発生装置では、図５Ａに示すように５０秒間で位相差を１０°前後に収めたとしても、図５Ｂに示すように出力電力が約４０Ｗも変動していることがわかる。

それに対して、本発明によるマイクロ波発生装置では、１０〜１５秒の間に出力電力が４５０Ｗから６００Ｗまで増大する（図５Ｂ）ようにマグネトロン１のコイルの電流を増大し（図６Ｄ）、それに応じて陰極電流制御電圧が６．５Ｖから７Ｖまで増大した（図６Ｃ）としても、位相差が２５秒以降で零の状態で安定していることがわかる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、上記実施の形態において、電源に対するＰＬＬフィードバックによって電場を変動させるとともに、コイルの電流を受動的又は能動的に変化させることによって磁場を変動させているが、電場の変動及び磁場の変動を、他の任意の手法によって行なうことができる。

本発明は、マイクロ波の周波数／位相を安定化し又は制御しながら、マグネトロンのマイクロ波の振幅を同時に安定化し又は制御することができるため、加熱装置のみならず、マイクロ波の周波数／位相及び振幅を同時に安定化し又は制御することが必要とされる通信用途又はエネルギー伝送用途（例えば、プラズマ発生装置、通信装置、レーダ装置）のマイクロ波を利用する種々の装置を廉価に構成することができる。

本発明によるマイクロ波発生装置の第１の実施の形態を示す図である。本発明によるマイクロ波発生装置の第２の実施の形態を示す図である。本発明によるマイクロ波発生装置の第３の実施の形態を示す図である。本発明によるマイクロ波発生装置の第４の実施の形態を示す図である。従来のマイクロ波発生装置の実験結果を示す図である。本発明によるマイクロ波発生装置の実験結果を示す図である。

符号の説明

１マグネトロン
２高圧直流安定化電源
３，３’ 方向性結合器
４減衰器及び位相又は振幅調整器
５，８位相又は振幅比較器
６基準信号発生器
７可変移相器
９分配器
１０サーキュレータ

Claims

アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御する電場制御手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって安定化する磁場変動手段と、
(i)前記マグネトロンの固有発振周波数に近い固有周波数を有する基準信号を、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を取ることによって、前記マイクロ波の周波数／位相を制御する注入同期手段と、
(ii)前記マイクロ波の振幅が前記基準信号の振幅と一致するように前記マイクロ波の振幅を制御する手段と
を具えることを特徴とするマイクロ波発生装置。
アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちのいずれか一方を、電場を変動させることによって制御する電場制御手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相と振幅のうちの他方を、磁場を変動させることによって制御する磁場制御手段と、
(i)前記マグネトロンの固有発振周波数に近い固有周波数を有する基準信号を、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を取ることによって、前記マイクロ波の周波数／位相を制御する注入同期手段と、
(ii)前記マイクロ波の振幅が前記基準信号の振幅と一致するように前記マイクロ波の振幅を制御する手段と
を具えることを特徴とするマイクロ波発生装置。
アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の振幅を、電場を変動させることによって制御する電場制御手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相を、磁場を変動させることによって安定化する磁場変動手段と、
(i)前記マグネトロンの固有発振周波数に近い固有周波数を有する基準信号を、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を取ることによって、前記マイクロ波の周波数／位相を制御する注入同期手段と、
(ii)前記マイクロ波の振幅が前記基準信号の振幅と一致するように前記マイクロ波の振幅を制御する手段と
を具えることを特徴とするマイクロ波発生装置。
アノード及びカソードを有し、そのアノードに供給される電流によって発振し、マイクロ波を発生するマグネトロンと、
前記マイクロ波の振幅を、電場を変動させることによって制御する電場制御手段と、
前記マイクロ波の周波数／位相を、磁場を変動させることによって制御する磁場制御手段と、
(i)前記マグネトロンの固有発振周波数に近い固有周波数を有する基準信号を、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を取ることによって、前記マイクロ波の周波数／位相を制御する注入同期手段と、
(ii)前記マイクロ波の振幅が前記基準信号の振幅と一致するように前記マイクロ波の振幅を制御する手段と
を具えることを特徴とするマイクロ波発生装置。