JP7015961B2 - ウィルキンソン型合成器及び高周波電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ウィルキンソン型合成器及びそれを用いた高周波電源装置に関する。

高周波信号の合成を行う回路としてウィルキンソン型合成器が知られている。特許文献１には高電力向けのウィルキンソン型合成器（分配器）が開示されている。特許文献１の図１に例示されたウィルキンソン型合成器は２入力１出力の回路であって、２つの入力端子に高周波信号が入力されると、出力端子から合成された高周波信号が出力される。２つの入力端子の間にはアイソレーション抵抗が設けられており、２つの入力端子に入力される高周波信号の間に振幅差や位相差があると合成損失が生じるが、アイソレーション抵抗はこの合成損失を吸収する役割を果たす。このため、アイソレーション抵抗の定格電力を十分大きくしておかないと、アイソレーション抵抗が合成損失により破損する可能性がある旨が記載されている。また、関連する先行技術文献として特許文献２～４がある。

国際公開第２０１６／１５１７２６号 特開２０１６－１７８４４６号 特開２０１５－１９１５３号 国際公開第２０１４／１８５１７７号

ウィルキンソン型合成器を高周波電源装置の合成器として用いる場合、２つの入力端子に入力される電力がそれぞれ大きいため、生じ得る合成損失も入力される高周波信号の電力に応じて大きくなる。このため、アイソレーション抵抗の破損を避けるためには、定格電力を極めて大きなものにする必要がある。しかしながら、定格電力の大きなアイソレーション抵抗を用いることはコスト増につながる。また抵抗自体の大きさも大きくなることにより、合成器、ひいては高周波電源装置の大型化につながる。

本発明の目的は、合成損失に起因するアイソレーション抵抗の破損の可能性を抑えつつ、低コスト、低容積のウィルキンソン型合成器、あるいはそれを用いた高周波電源装置を提供することである。

本発明のウィルキンソン型合成器は、高周波信号が入力される第１及び第２の入力端子と、出力端子と、第１及び第２の入力端子に入力された高周波信号を合成し、出力端子に出力する線路と、第１及び第２の入力端子の間に設けられ、第１のアイソレーション抵抗、トランス及び第２のアイソレーション抵抗が直列に接続されたアイソレーション部と、トランスの２次コイルと接続され、２次コイルに流れる電流を検出する検出回路と、検出回路により検出されたアイソレーション部に流れる電流が所定値以上の電流である場合に、第１及び第２の入力端子への高周波信号の入力を遮断する制御信号を出力する判定回路とを有する。

本発明によれば、合成損失に起因するアイソレーション抵抗の破損の可能性を抑えつつ、低コスト、低容積のウィルキンソン型合成器、あるいはそれを用いた高周波電源装置を提供することが可能になる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかになるであろう。

ウィルキンソン型合成器の回路図である。 ウィルキンソン型合成器のアイソレーション部の鳥瞰図である。 アイソレーション部（一部）の上面図である。 アイソレーション部（一部）の断面図である。 コロナリングの構造を示す図である。 コロナリングの効果を説明するための図である。 抵抗オサエ及びコロナリングオサエを実装した状態を示す図である。 高周波電源装置のブロック図である。

図１に本実施例のウィルキンソン型合成器１０の回路図（要部）を示す。合成器１０は、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２のそれぞれに入力される高周波信号が線路１において合成され、合成された高周波信号が出力端子ＯＵＴより出力される。線路１によって伝送される電力を最大化するためキャパシタ２ａ～２ｅが設けられ、部分線路間のインピーダンスを整合させている。また、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力される高周波信号の間に振幅差や位相差がある（以下、アンバランスという）場合に生じる合成損失を吸収するためのアイソレーション部３が入力端子ＩＮ１と入力端子ＩＮ２との間に設けられている。本実施例のウィルキンソン型合成器１０は、アイソレーション部３に流れる電流に基づき、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力される高周波信号のアンバランスを検出、判定する機能を有する。このため、アイソレーション部３には、入力端子ＩＮ１側に第１のアイソレーション抵抗４ａ、入力端子ＩＮ２側に第２のアイソレーション抵抗４ｂが設けられ、第１のアイソレーション抵抗４ａと第２のアイソレーション抵抗４ｂとの間にはトランス６が直列に設けられる。入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力される高周波信号にアンバランスがあると、トランス６を構成するアイソレーション部３の線路に電流が流れる。アイソレーション部３の線路に電流が流れると、電磁誘導により２次コイル６ｂに誘導電流が流れる。検出回路７は、２次コイル６ｂに流れる誘導電流の大きさに応じたＤＣ電圧を出力し、判定回路８は検出回路７から出力されたＤＣ電圧を予め定めたしきい値電圧と比較し、しきい値電圧を超える場合には、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２への高周波信号の入力を停止させるための制御信号を出力する。これにより、アイソレーション抵抗を破損させるほどの電流がアイソレーション部３に流れる前に入力端子ＩＮ１，ＩＮ２への高周波信号の入力が停止され、ウィルキンソン型合成器１０を保護することができる。なお、アイソレーション部３に流れる電流量の検出方法は任意であり、判定回路８がアイソレーション部に流れる電流が所定値以上の電流であるか否かを判定できればその検出方法、判定方法には限定されない。

なお、第１のアイソレーション抵抗４ａの大きさと第２のアイソレーション抵抗４ｂの大きさとは等しく、またその合成抵抗が合成器１０に必要なアイソレーション抵抗の大きさになる値に定める。また、後述するようにアイソレーション抵抗４ａ，４ｂにはそれぞれコロナリング５ａ，５ｂが設けられている。このコロナリングは線路に対してキャパシタンスとして作用するため、キャパシタ２ａ，２ｅの容量を決めるときには、コロナリング５ａ，５ｂの影響を含めて決定する必要がある。

図２にウィルキンソン型合成器１０のアイソレーション部３の実装例（鳥瞰図）を示す。ウィルキンソン型合成器１０は基準電位（グラウンド電位）ＧＮＤが与えられるＧＮＤプレート１１上に実装されている。アイソレーション部３はＧＮＤプレート１１上に配置された絶縁基板１２上に実装されている。入力端子ＩＮ２（図１参照）側の線路１とアイソレーション抵抗４ｂとを結ぶ線路は、線路プレート１３ｂと線路ブロック１４ｂとで構成されている。線路ブロック１４ｂは絶縁基板１２上に配置され、絶縁基板１２に接する面と対向する面において、線路プレート１３ｂ及びアイソレーション抵抗４ｂに接続されている。絶縁基板１２によりアイソレーション部３とＧＮＤプレート１１とが絶縁されている。また、線路ブロック１４ｂを取り囲むようにコロナリング５ｂが絶縁基板１２上に配置されている。コロナリング５ｂは後述するように、導体パターンを絶縁基板で挟み込んだ構造を有している。上側絶縁基板に設けられたパターン開口部から導体パターンが露出しており、接続部５１ａ２，５７ｂ２によりアイソレーション部３の線路（ここでは、線路プレート１３ｂ）に接続されている。重複する説明は省略するが、入力端子ＩＮ１側の線路１とアイソレーション抵抗４ａとを結ぶ線路も同じ構造を有している。ＧＮＤプレート１１、線路プレート１３、線路ブロック１４は低抵抗の材料とすることが望ましく、例えば銅を使用する。

トランス６は、絶縁性の回路基板６１上に形成されている。アイソレーション抵抗４ａのリード４３ａとアイソレーション抵抗４ｂのリード４３ｂとは配線３１（ここでは図面の見やすさのため、配線３１の一部を点線で示している）により接続される。トランス６は、２次コイル６ｂを巻き付けた円環形状の磁石（コア）を有し、配線３１がコアを貫通するように配置されている。配線３１に電流が流れることにより、電磁誘導により２次コイル６ｂに誘導電流が流れる。

アイソレーション部３のアイソレーション抵抗４付近の上面図を図３に、図３のＡ－Ａ線に沿った断面図（但し、回路基板６１については省略している）を図４に示す。なお、いずれも模式図であり、図としての分かりやすさを優先するため、寸法等を正確に再現することは意図していない。アイソレーション抵抗４はセラミックパッケージ４２で保護されており、導電性のフランジ部４１とリード４３との間を所定の抵抗値で接続する。なお、これらの部材の接続はネジ止めなどによって行うことができ、接続方法は特に限定されない。

図５を用いてコロナリング５の構造を説明する。上段が上側絶縁基板５１の平面図、下段が下側絶縁基板５２の平面図、中段が、上段図のＢ－Ｂ線に沿ったコロナリング５の断面図である。断面図に見られるように、コロナリング５は導体パターン５３を上側絶縁基板５１と下側絶縁基板５２とで挟み込んで構成されている。上側絶縁基板５１と下側絶縁基板５２は同じ形状の開口部を有し、コロナリング５の開口部５４を形成する。この例では、開口部５４に線路ブロック１４が配置される。線路ブロック１４が配置される位置を開口部５４内の点線により示している。また、導体パターン５３の平面形状はリング形状をしており、その平面形状を上段、下段の絶縁基板の平面図において点線により示している。このように、コロナリング５により、リング状の導体パターン５３が線路ブロック１４を取り囲むように配置される。

上側絶縁基板５１には接続用開口５５ａ，５５ｂが設けられ、接続用開口５５ａ，５５ｂから導体パターン５３が露出している。図２、図３に示されるように、接続用開口５５において、接続部５７により線路プレート１３と導体パターン５３とが電気的に接続される。

このようなコロナリング５をアイソレーション部３に配置するのは、アイソレーション抵抗４と線路との接続部とその近傍のＧＮＤプレート１１との間で放電が発生するのを抑えるためである。図６に比較例として、コロナリングを設けなかった場合のアイソレーション部３のアイソレーション抵抗４付近の上面図及び断面図（図４と同様に回路基板６１については省略している）を示す。比較例ではコロナリング５を設けていないので、線路プレート１３の上に直接アイソレーション抵抗４を接触させている。入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力される高周波信号にアンバランスが生じると、アイソレーション部３に電流が流れ、線路とＧＮＤとの間に大きな電位差が発生することにより、線路プレート１３のアイソレーション抵抗４のフランジ部４１と接触している部分とそこに近接しているＧＮＤプレート１１との間にコロナ放電８０が発生する。コロナ放電の発生を抑制するには、アイソレーション抵抗４のフランジ部４１とＧＮＤプレート１１との間の沿面距離を長くすればよい。コロナ放電は沿面距離が最短となる経路で発生するため、この場合、絶縁基板１２の幅（Ｘ方向の長さ）及び／または厚さ（Ｚ方向の長さ）を大きくすることで抑制可能であるが、部材のサイズを大きくしてしまう。そこで、本実施例においては、アイソレーション抵抗４にコロナリング５を設けることにより、アイソレーション抵抗４のフランジ部４１とＧＮＤプレート１１との間の沿面距離を大きくすることなくコロナ放電が発生することを抑制している。

本実施例のコロナリング５は、コロナリングそのもの（コロナリング５の導体パターン５３）が新たなコロナ放電の発生源とならないように、導体パターン５３を絶縁基板５１，５２で挟み込んだ構造としている。同様の理由で、線路と導体パターン５３とを電気的に接続するための接続用開口５５もできるだけ小さな開口面積とすることが望ましい。

また、アイソレーション部３に電流が流れると、アイソレーション抵抗４付近で熱を発生する。放熱性を高めるため、アイソレーション抵抗や線路を絶縁基板に密着させるよう、絶縁性の抵抗オサエ及びコロナリングオサエにより、線路ブロック１４及びコロナリング５と絶縁基板１２とを密着させることが望ましい。図７にアイソレーション部３に抵抗オサエ７１、コロナリングオサエ７２を実装した状態を示す。中段にアイソレーション部３のアイソレーション抵抗４付近の上面図（一部の部材は省略している）を示し、上段にそのＣ－Ｃ線に沿った断面図を、下段にそのＤ－Ｄ線に沿った断面図を示している。Ｃ－Ｃ線に沿った位置に抵抗オサエ７１が、Ｄ－Ｄ線に沿った位置にコロナリングオサエ７２が固定される。絶縁基板１２に伝わった熱はさらにＧＮＤプレート１１に伝わって放熱されるため、絶縁基板１２には熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。そのような材料としては、例えば、窒化アルミが挙げられる。

なお、本実施例として示したウィルキンソン型合成器１０の実装はあくまで一例であり、これに限定されない。例えば、本実装では線路の上側でアイソレーション抵抗４のフランジ部４１と電気的接続をとる接続抵抗をとっているが、線路の下側でアイソレーション抵抗４のフランジ部４１と電気的接続をとるようにしてもよい。この場合、アイソレーション抵抗４のフランジ部４１が直接絶縁基板１２上に配置されることになるので、コロナリング５はフランジ部４１を取り囲むように配置すればよい。このとき、コロナリング５の開口部５４はフランジ部４１に合わせた形状とする。また、抵抗オサエはアイソレーション抵抗４のフランジ部を絶縁基板１２に密着させる形状とする。

また、抵抗オサエ７１とコロナリングオサエ７２とは別体としてもよいし、一体としてもよい。

以上説明したウィルキンソン型合成器１０は、特に高電力（例えば、数十ｋＷ出力）の高周波電源装置の合成器に適している。図８に本実施例の合成器を用いた高周波電源装置のブロック図を示す。高周波電源装置９０は制御回路９１、励振増幅回路９２、第１の電力増幅回路９３ａ及び第２の電力増幅回路９３ｂ、合成器１０とを備える。

高周波信号は励振増幅回路９２の発振回路によって形成することができ、この高周波信号の周波数は、高周波電源装置９０が負荷に供給する高周波に応じて定めることができ、例えば１３．５６ＭＨｚや２７．１２ＭＨｚなどのＩＳＭ周波数である。励振増幅回路９２の出力信号は、電力増幅回路９３ａ，９３ｂによって所定電力とした後、それぞれ合成器１０の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に供給されて、合成された高周波信号が合成器１０の出力端子ＯＵＴから出力される。

合成器１０の判定回路８はそのアイソレーション部にあらかじめ定められた電流が流れていることを検出すると、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２への高周波信号の入力を停止させるための制御信号を制御回路９１に出力する。制御回路９１はこれに応じて、合成器１０への高周波信号の入力を遮断することにより、合成器１０及び高周波電源装置９０を保護することができる。

本発明の実施の形態によれば、合成損失に起因するアイソレーション抵抗の破損の可能性を抑えつつ、低コスト、低容積のウィルキンソン型合成器、また、これを用いた高周波電源装置に利用可能である。この出願は、２０１９年３月１５日に出願された日本出願特願２０１９－０４９１５３を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。

１：線路、２：キャパシタ、３：アイソレーション部、４：アイソレーション抵抗、５：コロナリング、６：トランス、６ｂ：２次コイル、７：検出回路、８：判定回路、１０：ウィルキンソン型合成器、１１：ＧＮＤプレート、１２：絶縁基板、１３：線路プレート、１４：線路ブロック、３１：配線、４１：フランジ部、４２：セラミックパッケージ、４３：リード、５１：上側絶縁基板、５２：下側絶縁基板、５３：導体パターン、５４：開口部、５５：接続用開口、５７：接続部、６１：回路基板、７１：抵抗オサエ、７２：コロナリングオサエ、８０：コロナ放電、９０：高周波電源装置、９１：制御回路、９２：励振増幅回路、９３：電力増幅回路。

Claims (6)

1. 高周波信号が入力される第１及び第２の入力端子と、
   出力端子と、
   前記第１及び第２の入力端子に入力された高周波信号を合成し、前記出力端子に出力する線路と、
   前記第１及び第２の入力端子の間に設けられ、第１のアイソレーション抵抗、トランス及び第２のアイソレーション抵抗が直列に接続されたアイソレーション部と、
   前記トランスの２次コイルと接続され、前記２次コイルに流れる電流を検出する検出回路と、
   前記検出回路により検出された前記アイソレーション部に流れる電流が所定値以上の電流である場合に、前記第１及び第２の入力端子への高周波信号の入力を遮断する制御信号を出力する判定回路とを有するウィルキンソン型合成器。
2. 請求項１において、
   前記第１のアイソレーション抵抗及び前記第２のアイソレーション抵抗のそれぞれにコロナリングを設けたウィルキンソン型合成器。
3. 請求項２において、
   基準電位が与えられるＧＮＤプレートと、
   前記ＧＮＤプレート上に配置され、前記アイソレーション部と前記ＧＮＤプレートとを絶縁する絶縁基板とを有し、
   前記第１のアイソレーション抵抗及び前記第２のアイソレーション抵抗はそれぞれ、前記アイソレーション部の線路と接続されるフランジ部を有し、
   前記コロナリングは、前記絶縁基板上に、前記フランジ部または前記フランジ部と接続される前記アイソレーション部の線路部分を取り囲むように配置されるウィルキンソン型合成器。
4. 請求項３において、
   前記コロナリングは、導体パターンと前記導体パターンを挟み込む上側絶縁基板及び下側絶縁基板とを有しており、
   前記下側絶縁基板は前記絶縁基板と接するように配置され、
   前記上側絶縁基板には前記導体パターンを露出させる接続用開口が設けられ、前記接続用開口において、前記アイソレーション部の線路と前記導体パターンとが電気的に接続されているウィルキンソン型合成器。
5. 請求項３において、
   前記第１のアイソレーション抵抗あるいは前記第２のアイソレーション抵抗、または前記第１のアイソレーション抵抗あるいは前記第２のアイソレーション抵抗の前記フランジ部と接続される前記アイソレーション部の線路部分を前記絶縁基板に密着させる絶縁性の抵抗オサエと、
   前記コロナリングを前記絶縁基板に密着させる絶縁性のコロナリングオサエとを有するウィルキンソン型合成器。
6. 高周波信号を発振する励振増幅回路と、
   前記励振増幅回路が発振した高周波信号の電力を増幅する第１及び第２の電力増幅回路と、
   前記第１及び第２の電力増幅回路の出力が入力される合成器と、
   制御回路とを有し、
   前記合成器は、請求項１に記載のウィルキンソン型合成器であって、前記第１及び第２の電力増幅回路の出力はそれぞれ前記第１及び第２の入力端子に入力され、
   前記制御回路は、前記判定回路からの前記制御信号を受けて、前記第１及び第２の入力端子への高周波信号の入力を遮断する高周波電源装置。

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