JP7295250B2

JP7295250B2 - マイクロ波発振器及びそれに基づくマトリクス型マイクロ波発振器

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Description

本発明は、マイクロ波周波数機器、特に、マイクロ波放射線発振器又はマイクロ波発振器の分野に関する。

強力なマイクロ波放射波源はコストが高いため、有望なマイクロ波技術の開発とその工業規模の実装が著しく妨げられている。同時に、中電力マイクロ波放射波源、又はマイクロ波源の生成は、商用電子レンジ用のマグネトロンのように、世界的に開発されており、電力ユニットのコストが高電力マイクロ波源のコストよりも著しく低い。したがって、累積的に強力なマイクロ波放射線を生成するための装置のコストを低減し、それらの重量及び寸法を低減し、熱除去のための解決策を見出すという点から、複数の中電力マイクロ波源から放射されるマイクロ波放射線の効率的な加重は実際のタスクである。しかしながら、マイクロ波放射線の総電力を増加させる目的で複数のマイクロ波源によって放射される放射線を加重することは、このような波源が共同で動作する場合に、そのような装置の全体効率を著しく低下させることなく、マイクロ波源の相互同期化の要件に適合する複雑さのために、深刻な問題に直面する可能性がある。

本発明の最も近い類似物は、複数のマイクロ波源、すなわちマグネトロンの電力を加重するための装置であるマイクロ波発振器であり、ＲＵ２３９４３５７に開示されている（１０．０７．２０１０に公開。ＩＰＣ Н０３В９／１０）。公知の装置は、その端部で短絡され、その上にマグネトロンが設置された１つの矩形導波管の形の共振器を備えている。マグネトロンのエネルギー出力が幅広い壁の中央を通って共振器に入るように、マグネトロンは共振器の幅広い壁上に互いに近接して配置される。短絡選択インサートは、共振器内部においてマグネトロンのエネルギー出力間に対称的に設置される。周囲の空間にエネルギーを出力するための放射スロットは、各マグネトロンに対向する共振器の他方の幅広い壁に配置される。共振器の幅広い壁の大きさはマグネトロンの動作周波数に対応する半波長に等しい。当技術分野で知られているこの装置は、相互同期及びコヒーレント放射のモードにおいてマイクロ波放射線のより高い総電力を生成するために、それぞれが既定の電力を有する複数のマグネトロンの電力の加重を可能にする。

本質的に、ＲＵ２３９４３５７に記載された装置は、マトリクス型マイクロ波発振器、すなわち、複数のマイクロ波源（マグネトロン）を組み合わせた装置である。

複数のマイクロ波源から放射されるマイクロ波放射線の加重は、上述のマイクロ波放射線が同期しているときに発生し、その目的のために、そのようなマイクロ波源は、生成されたマイクロ波の振動が、隣接するマイクロ波源の逆位相励起に相応する位相で加重されるように空間内に配置されるべきである。

一般に、複数のマイクロ波源によって放射される放射線を同期させるための条件は次の通りである。
｜ｓｉｎφ｜＜１／（ｎ－１）、
ここで、φは、マイクロ波源の振動と同期信号との間の瞬時的な位相差であり、ｎは、マイクロ波源の数である。しかしながら、上述の条件は、マイクロ波源の間の結合方法を考慮していない。

通常、複数のマイクロ波源の動作を同期させるために、上述のＲＵ２３９４３５７に記載されているように、その両端が短絡された細長い矩形導波管である安定化共振器が使用される。このような安定化共振器では、共振時に形成されるＨ波（１０１－１０４）のうちの１つを振動の主体と見なすことができる。この種類の振動を選択するために、極の形態の短絡選択インサートが共振器に等間隔で幅広い壁の間に設置される。

最も近い類似では、４つのマグネトロンのみが一列に配置され、それらのマイクロ波放射周波数が互いに近い場合であっても、マグネトロンによって放射されるマイクロ波放射線の高度な同期を達成すること、その結果、ＲＵ２３９４３５７の表１から明示的に得られる高い装置効率値を達成することは相当に困難である。しかしながら、この類似のより大きな欠点は、マイクロ波放射線の複数のこのような線形発振器が互いに平行に、すなわち互いに隣接して（しかし交互ではなく）配置されて、マグネトロンの２次元マトリクスを形成する場合、装置効率の許容値を実際に達成することが不可能な点である。この事実は、小さな領域に配置され得る多数のマイクロ波源に制限を与え、その結果、マイクロ波放射線を加重するためのこの公知の装置によって放射されるマイクロ波放射線の総電力を制限する。

本発明の目的は、高い効率値と高いマイクロ波放射電力を確保しつつ、複数のマイクロ波源を一列のみならず二次元マトリクスでも組み合わせることができるマイクロ波発振器を提供することにある。

本発明の技術的効果は、マイクロ波発振器の機能的能力の拡張、複数のマイクロ波発振器によって放射される放射線の高度な同期、装置の高効率化及び大容量化である。

本発明の第１の態様によれば、マイクロ波発振器は、マイクロ波源と共振器とを備える。マイクロ波源からの放射線を誘導するために、マイクロ波チャネルが共振器内に形成される。共振器は、マイクロ波源が設置されたボックスであって、第１のチャネルが形成されたボックスと、第２のチャネルがその中に形成されたベースとを備える。ボックスとベースは互いに電気的に接続されている。第２のチャネルは、第１のチャネルの延長部であり、それにより第１のチャネル及び第２のチャネルは、マイクロ波チャネルを形成する。マイクロ波チャネルは、逆行波を抑制する抑制手段を収容し得る。マイクロ波チャネルは、実質的に直線的に、すなわち、当技術分野で公知の装置に典型的な十分な屈曲を伴わずに作られ得る。

マイクロ波発振器において、共振器はボックスとベースの２つの要素とそれらを通過するマイクロ波チャネルとから成る。マイクロ波源によって放射されたマイクロ波放射線は、ボックス内に形成された第１のチャネルを通ってマイクロ波チャネルに沿って通過し、そのマイクロ波放射線を事前に案内する役割を果たす。次に、そのマイクロ波放射線が第２のチャネルを通過するときに、最終的にマイクロ波放射線が形成される。

ボックス及びベースは互いに電気的に接続されているので、マイクロ波放射線がマイクロ波チャネルを通過するときに生じる電流は、第１のチャネル及び第２のチャネルを通過するときのマイクロ波放射線に影響を与える。

また、抑制手段もマイクロ波放射線に影響を与え得る。一方で、抑制手段は、抑制手段の形状、大きさ及び位置が正しく選択されていれば、大きな損失なくマイクロ波発振器からマイクロ波放射線を放出することを可能にする。他方で、抑制手段は、マイクロ波発振器の総出力容量の著しい減少、マイクロ波発振器の加熱、及び当業者には周知の他の望ましくない効果を引き起こす外部物体（例えば、マイクロ波発振器によって放射される放射線によって加熱される物体）から反射されたマイクロ波放射線がマイクロ波チャネルに逆に戻ることを許容しない。

その結果、第２のチャネルの出口、すなわちマイクロ波チャネルの出口に高電力の放射線が形成され、マイクロ波発振器は、２次元及び３次元空間におけるマイクロ波放射線の高効率かつ狭い空間分布により特徴付けられる。

マイクロ波発振器にはフレア（導波管）を用いてもよく、ボックスに接触する側とは反対のベースの別の側に配置してもよい。フレアは、マイクロ波放射線の効率及び出力電力を維持しながら、最小の損失で外向きマイクロ波放射線を集束することを可能にする。

より良好な熱除去を確実にするために、マイクロ波源は、ボックスから離れて設置されてもよい。このような場合、マイクロ波源は、好ましくは、放射損失を最小化し、かつ均一な場の分布を確保するために、導波管を介してボックス上に設置される。

マイクロ波源によって放射されたマイクロ波放射線を効率的に伝達し、その結果、マイクロ波発振器の効率を高めるために、マイクロ波チャネルは、可変断面を有し得る。

マイクロ波チャネルの表面は、導電性材料の層で被覆されてもよい。これは、様々な方法によって、例えば、導電性材料のベース及びボックスを作ることによって、又は第１のチャネル及び第２のチャネルの表面にフィルム、箔等の形態で導電性被覆（厚さ、導電性、熱機械的挙動等の特性が類似する又は異なる）を適用することによって、又は導電性シールドをチャネルの上述の表面に取り付けることによって、又は当業者に公知の任意の他の方法によって達成することができる。

ボックスとベースは、個別の部品又は単一の部品として作られてもよい。ボックスとベースを個別の部品とすること、すなわち、複合共振器とすることにより、装置の要求効率と良好な熱除去を確保するようなボックスとベースの形状を選択することが可能になる。ボックスとベースを単一の部品とする場合、すなわち、共振器が一体に作られる場合、これはマイクロ波発振器の効率と出力電力を増加させる。

また、マイクロ波発振器は、装置を冷却するための少なくとも１つの冷却チャネルを含んでもよい。これにより、マイクロ波発振器の動作安定性を維持することが可能になる。

本発明の第２の態様によれば、共振器同士が電気的に接続された少なくとも２つの上述のマイクロ波発振器を備えたマトリクス型マイクロ波発振器が提案される。

既に述べたように、マイクロ波装置に含まれる複数のマイクロ波源によって放射される放射線の効率的な同期に関する問題は、当技術分野で知られている従来の装置の効率が比較的低い直接の理由である。さらに、このような従来の装置は、放射線及び放射電力の周波数が類似しているか又はむしろ近接しているマイクロ波源の使用を必要とする。

本発明では、マイクロ波発振器の共振器が互いに電気的に接続されているため、マイクロ波放射線がマトリクス型発振器の全てのマイクロ波チャネルを通過するときに生じる電流が相互作用し、その結果、マイクロ波チャネル内のマイクロ波放射線に影響を与える。これにより、このようなマトリクス型発振器に含まれる全てのマイクロ波源から放射されるマイクロ波放射線の高度な同期が確保され、その結果、高効率が確保される。

マトリクス型発振器が、マイクロ波発振器の間に形成されかつ隣接するマイクロ波チャネルを接続する同期チャネルをさらに備える場合には、複数のマイクロ波源によって放射された放射線のより高度な同期を達成することができる。代替的に、マトリクス型発振器は、隣接するマイクロ波チャネル間のベース及び／又はボックス内に配置された同期インサートを含んでもよい。このインサートは、ＲＵ２３９４３５７の装置で使用されるものと同様であり得る。

マトリクス型発振器は、ベース上に設置された共通フレア（導波管）を含むことが好ましく、これにより、放射電力を失うことなく、より効率的に外向きマイクロ波放射線を集束することが可能になる。

マトリクス型発振器に含まれるマイクロ波発振器のボックス及びベースの様々な実装が可能である。すなわち、マトリクス型発振器において、マイクロ波発振器の少なくともいくつかのベース、マイクロ波発振器の少なくともいくつかのボックス、又はマイクロ波発振器の少なくともいくつかの共振器を単一の部品としてもよい。

上述の同期の程度は、マトリクス型発振器の効率に直接影響を与え、マトリクス型発振器に（すなわち、マトリクス型発振器に含まれる全てのマイクロ波源に対して）供給される電気エネルギー量と、マトリクス型発振器によって生成される有効仕事量とを比較することによって決定されてもよい。生成されたこのような有効仕事量を決定するために、例えば、マトリクス型発振器によって加熱される物質の温度がどの程度上昇するかを測定してもよい。温度上昇が大きいほど同期度が高くなるため、マトリクス型発振器の効率が高くなる。

以下、請求項に記載のマイクロ波発振器について、本発明のいくつかの可能な実施形態を示す添付図面を参照してより詳細に説明する。

マイクロ波発振器の一実施形態の概略図を示す。導波管を有するマイクロ波発振器の別の実施形態の概略図である。可変断面の第１のチャネル及び一定断面の第２のチャネルを有するマイクロ波発振器の一実施形態の断面図を示す。可変断面の第２のチャネルを有するマイクロ波発振器の別の実施形態の断面図を示す。逆行波を抑制する抑制手段を備えたマイクロ波発振器のさらに別の実施形態の断面図を示す。冷却チャネルを有するマイクロ波発振器のさらに別の実施形態の断面図を示す。第１のチャネル及び第２のチャネルの表面上に導電層を有するマイクロ波発振器の実施形態の一部の拡大断面図を示す。円筒形状のボックスを有するマイクロ波発振器の実施形態を示す。球面形状のボックスを有するマイクロ波発振器の実施形態を示す。マイクロ波発振器が直線に沿って配置されたマトリクス型マイクロ波発振器の実施形態の概略図を示す。マイクロ波発振器が曲線に沿って配置されたマトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マイクロ波発振器が直線に沿って配置されている、共通フレアを有するマトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マイクロ波発振器が曲線に沿って配置されている、共通フレアを有するマトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。４つの独立したマイクロ波発振器によって放射されるマイクロ波放射線の場の分布を概略的に示す。本発明の４つのマイクロ波発振器を備える本発明のマトリクス型マイクロ波発振器によって放射されるマイクロ波放射線の場の分布を概略的に示す。複数のマイクロ波源に対する（図５ａに示したものと同様である）いくつかの独立したマイクロ波発振器を備える装置の効率の依存性を示す。複数のマイクロ波源に対する（図５ｂに示したものと同様である）本発明によるマトリクス型マイクロ波発振器の効率の依存性を示す。マトリクス型マイクロ波発振器の実施形態の断面図を示す。同期チャネルを示す図７ａの拡大図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。マイクロ波放射線の異なる電力及び異なる周波数を有するマイクロ波源を有するマトリクス型マイクロ波発振器のさらに別の実施形態の概略図を示す。

一般に、マイクロ波発振器１は、ボックス３上に設置されるマイクロ波源２と、ボックス３に隣接するベース４とを備える。波源２は、ボックス３上に直接設置してもよく（図１ａ）、又は波源２とボックス３とを接続する導波管５を介して設置してもよい（図１ｂ）。

ボックス３及びベース４は、発振器１の共振器を構成する。共振器は、単一の部品としてもよく、又はボックス３とベース４とを分離して電気的に互いに接続してもよい。

図２ａ－２ｅは、発振器１の内部構成を示す断面図である。

ボックス３には、波源２から放射されたマイクロ波がベース４に通過する第１のチャネル６が形成されている。ボックス３は中空であってもよく、第１のチャネル６はボックス３の内部空洞であってもよい（図２ａ－２ｃ）。代替的に、ボックス３は、塊状の、すなわち、中実（図２ｄ）であってもよく、第１のチャネル６は、ボックス３を通る貫通チャネルである。図２ｂ、２ｃ、２ｄに示されているように、第１のチャネル６は一定の断面を有してもよく、又は、例えば、図２ａに示されているように、狭まる又は広がる円錐形の貫通チャネルの形態での可変断面を有してもよい。第１のチャネル６の他の形状も可能である。

ベース４には、第１のチャネル６からのマイクロ波放射線がベース４を通過する第２のチャネル７が形成されている。このようにして、第１のチャネル６及び第２のチャネル７は共に、共振器を通って延びるマイクロ波チャネル８を形成する。波源２から放射されたマイクロ波放射線は、マイクロ波チャネル８の出口を通過して発振器１から出る。

ベース４は、中空（図２ａ）にすることができるが、好ましくは、塊状、すなわち中実（図２ｂ、２ｃ、２ｄ）であってもよい。第１のチャネル６と同様に、第２のチャネル７は、ベース４の内部空洞（図２ａ）であってもよく、又はベース４を通過する貫通チャネル（図２ｂ、２ｃ、２ｄ）であってもよい。第２のチャネル７は、図２ａ、２ｃ、２ｄに示すように、一定の断面を有してもよく、又は例えば図２ｂに示すように可変断面を有してもよい。第１のチャネル６と第２のチャネル７の断面形状は、使用する波源２、発振器１の具体的な適用条件、要求効率等に応じて様々な形状を選択することができる。しかしながら、第２のチャネル７は、第１のチャネル６からマイクロ波チャネル８の出口まで拡張することが好ましい。

発振器１は、逆行波を抑制するための抑制手段９をさらに備えており、これは、図２ｃに示すように、マイクロ波チャネル８に、例えば、第２のチャネル７に少なくとも部分的に位置する。抑制手段９は、発振器１から放射される放射線に照射される際に、外部物体（その表面）によって反射されるマイクロ波を抑制するためのものである。

反射されたマイクロ波が発振器１に戻ってくると、多くの望ましくない効果が生じる。第１に、反射したマイクロ波により、ベース４及びボックス５がさらに加熱され、発振器１を冷却するための対策が必要となる。第２に、発振器１の総出力電力を低下させる。第３に、反射されたマイクロ波が第１のチャネル６に沿ってマイクロ波チャネル８を通って波源２まで通り抜けて戻ってくると、波源２への負荷が増大し、その故障を招く。

本発明者らが見出したように、マイクロ波チャネル８に少なくとも部分的に配置されるべき抑制手段９を用いることにより、上記の望ましくない効果を低減することができる。他の利点は別として、これは、本発明の好ましい態様において、マイクロ波チャネル８を実質的に直線的で比較的短くすることを可能にする。これに対して、当該技術分野で公知の装置は、逆行波を退けるために長く曲がった（すなわち、互いに垂直に配置された複数の部分から成る）チャネルを必要とするが、これはそのような公知の装置の効率及び総出力電力を著しく低下させる。

好ましくは、抑制手段９は、図２ｃに示すように、少なくとも部分的に第２のチャネル７内に配置される。このような場合、反射されたマイクロ波が発振器１の出口で抑制され、実質的に第２のチャネル７に入射しない。抑制手段９の形状（例えば、細長い、円筒状、円錐状、球状）、取り付け方法（例えば、１つ以上のブリッジ、ブラケット、サスペンションによる、マイクロ波チャネル８と一体とする）、物理パラメータ（例えば、使用される材料、そのコンダクタンス）は、マイクロ波チャネル８を通過して発振器１から出るマイクロ波放射線への影響を可能な限り確実にして、反射されたマイクロ波が第２のチャネル７に入射するのを可能な限り防止するように選択されるべきである。しかしながら、当業者には、抑制手段９を第１のチャネル６内に、又は部分的に第１のチャネル６内に、及び部分的に第２のチャネル７内に、又は部分的に第２のチャネル７の外側に配置することが可能であることが理解されよう。

実験が示したように、マイクロ波チャネル８と抑制手段９の断面の最適な比率が存在する。このように、マイクロ波放射線が放射される部分において、すなわち、マイクロ波チャネル８の出口において、マイクロ波チャネル８の断面の最小面積が抑制手段９の断面の最大面積の約８倍－１２倍であるときに、最良の結果が得られた。この比率の値が小さいほど、すなわち、抑制手段９がマイクロ波チャネル８の断面を占める面積がより大きい場合、発振器１の効率が低下する。この比率の値が大きいほど、すなわち、抑制手段９がマイクロ波チャネル８の断面を占める面積がより小さい場合、マイクロ波チャネル８への逆行マイクロ波の入射が増大し、それにより発振器１の加熱が増大し、その効率が低下する。

共振器内に冷却チャネル１０を形成してもよい。冷却チャネル１０は、発振器１の加熱温度を、波源２の動作が中断されるか又は望ましくない場合がある臨界値まで上昇させないように監視することを可能にする。当業者には理解されるように、冷却チャネル１０は、ボックス３内にのみ、又はベース４内にのみ、又はボックス３内及びベース４内にも作られ得る（この実施形態のみを図２ｄに示す）。

発振器１を機能させて、当技術分野で知られている類似の解決策に対して上記の利点を達成するためには、ボックス３とベース４とを電気的に接続する必要がある。次に、マイクロ波放射線が波源２から通過するときに共振器内に発生する電流は、ベース４及びボックス５の両方に流れ、その結果、第１のチャネル６及び第２のチャネル７を通過するマイクロ波放射線に影響を与える。ボックス３とベース４とを電気的に接続するには、少なくともマイクロ波チャネル８の表面、すなわち第１のチャネル６及び第２のチャネル７の表面を導電性にする必要がある。これは、当業者にとって理解可能な種々の方法によって、すなわち、導電性材料のみのボックス３及びベース４を製造することによって、又は、図２ｅに示されるように、導電層１１をマイクロ波チャネル８の表面に適用することによって（この場合、ボックス３の表面とベース４の表面とでは、被覆の材質、厚さ及び他の特性が異なっていてもよい）、又は、追加の導電性シールドをマイクロ波チャネル８の表面上又は表面に隣接して設置することによって、又はその他の方法によって行うことができる。

ボックス３及びベース４の形状及びデザインは様々であり得る。前述したように、ベース４を塊状（中実状）に形成し、ボックス３を中空に形成してもよいが、好ましくは、ボックス３とベース４の両方が塊状に形成される。ボックス３の形状は、長方形又は円筒形（図３ａ）、球形（図３ｂ）、円錐形等とすることができる。

複数の発振器１を組み合わせて共振器同士を電気的に接続すれば、後述するマトリクス型マイクロ波発振器をより詳細に構成することができる。

本発明の本質をより良く理解するために、マイクロ波放射線のマトリクス型発振器は、互いに接続された２つ以上のマイクロ波発振器１として理解することができる。これらの２つ以上の発振器１は、直列に接続されてもよく、すなわち、従来の線に沿って順に配置されてもよい。この従来の線は、直線でも曲線でもよい。このようなマトリクス型発振器の例を図４ａ－４ｄに示す。いくつかの発振器１を接続する別の可能な変形例は、複数の発振器１のマトリクスであってもよく、これらは平面又は曲げられ得る従来の表面上に配置される。そのようなマトリクス型発振器の例を図８ａ－８ｉ、図９に示す。２つ以上の発振器１を接続する他の変形も可能なことは明らかであり、それらのうちのいくつかについては後述する。

図４ａ－４ｄは、マトリクス型発振器１２の実施形態を示し、ここで、マトリクス型発振器１２は、図４ａに示される直線バンドの形状、図４ｂに示される屈曲バンドの形状、又は任意の他の形状で作られてもよい。

発振器１の共振器の電気接続は、例えば、特に隣接する発振器１を接続するコネクタ１３によって（図４ａ、４ｂ）、又は共通フレア１４によって（図４ｃ、４ｄ）、又は共通のボックス及び／又はベース（図７ａ、７ｂ）によって行われてもよい。当業者は、図に示されたものとは別に、隣接する発振器１を電気的に接続する他の変形も可能であることを理解するであろう。

マトリクス型発振器１２内の発振器１は、外向きマイクロ波放射線の必要な空間分布を形成するのに役立つ共通フレア１４を有し得る。ここで、発振器１は、１本の直線に沿って（図４ｃ）配置されてもよく、又は互いに傾斜して（図４ｄ）配置されてもよい。

図５ａは、互いに隣接して配置された４つのマイクロ波源（例えば、波源２）からのマイクロ波放射線の場の分布を概略的に示す。暗い領域は高い比電力のマイクロ波放射線（すなわち、単位面積当たりのマイクロ波放射線電力）に対応し、明るい領域は低い比電力のマイクロ波放射線に対応する。全マイクロ波放射線は非常に不均一であることが明らかに見て取れる。

本発明者らが実験で明らかにしたように、ＲＵ２３９４３５７による共振器を使用しても、全マイクロ波放射線の分布の均一性を十分に高めることはできない。その代わり、マイクロ波放射線の総出力電力の値は著しく減少しており、すなわち、公知の装置は低効率を特徴としており、ＲＵ２３９４３５７の表１によれば、４つのマグネトロンによって提供される電力の合計は３０３６Ｗであるが、ＲＵ２３９４３５７によれば、加重装置の出力電力はわずか２２００Ｗであり、すなわちその効率は約７２％である。

比較のために、図５ｂは、本発明によるマトリクス型マイクロ波発振器１２によって放射されるマイクロ波放射線の場の分布を概略的に示しており、使用される波源２の数は図５ａのものと等しい。マトリクス型発振器１２によって放射される全マイクロ波放射線の場は、電力分布の緊密さ及び高い空間的均一性によって特徴付けられ、これは、当技術分野で公知の類似の解決策に対する本発明の重要な利点である。

しかしながら、当技術分野で公知の類似の解決策に対する本発明のもう１つの利点がある。これは図６ａ、６ｂにおいて曲線で示されている。これらの図は、互いに近接して配置された複数のマイクロ波源を含む装置（以下では「公知のマイクロ波装置」と呼ぶ）の効率（図６ａ）及び多数のマイクロ波源２に対する本発明によるマトリクス型マイクロ波発振器１２の効率（図６ｂ）の依存性を表す。図６ａ、６ｂでは、横軸に波源２の数をプロットし、縦軸に効率値をプロットしている。

ＲＵ２３９４３５７による最も近い類似を含む当技術分野で公知の装置では、もう１つの波源２の追加は、公知のマイクロ波装置の効率の低下をもたらす（図６ａを参照）。これに対して、本発明によるマトリクス型発振器１２の効率は、波源２を追加した場合でも低下することなく、向上する（図６ｂ参照）。また、マトリクス型発振器１２の絶対効率値は、公知のマイクロ波装置の値よりも高い。

したがって、当業者であれば、複数のマイクロ波源を含む公知のマイクロ波装置に対するマトリクス型装置１２の利点を理解するであろう。

本発明者の見解によれば、上述の利点は、まず、マイクロ波放射線がマイクロ波チャネル８（すなわち、第１のチャネル６及び第２のチャネル７）を介して波源２から通過するときにマトリクス型装置１２の各共振器に生じる電流が前述のマイクロ波放射線に影響を与えることにより達成される。発振器１の共振器が互いに電気的に接続されていることを考慮すると、前述の電流は「自分自身の」共振器だけでなく、隣接する共振器にも流れ、その結果、マトリクス型装置１２の全てのマイクロ波チャネル８におけるマイクロ波放射線の同期がもたらされる。

第二に、これらの利点の達成は、マイクロ波チャネル８内に抑制手段９が存在することによって容易になる。これは、逆行マイクロ波の直接的な抑制とは別に、全マイクロ波放射線の場を均等化し、場合によっては、マトリクス型装置１２の全てのマイクロ波チャネル８内のマイクロ波放射線を同期させることも可能にする。

多くの実験では、マトリクス型発振器１２が、図７ａに及び図７ｂに拡大されたスケールで示されているように、隣接するマイクロ波チャネル８を接続する同期チャネル１５を備えている場合、全マイクロ波放射線の場のさらにより高い効率及びより良い均一性が達成され得ることが示された。このような場合、同期チャネル１５の表面及びマイクロ波チャネル８の表面は、導電性であるべきであり、これは、様々な方法によって、例えば、第１のチャネル６及び第２のチャネル７の表面の導電性を確保することに関連して上述した方法によって達成され得る。同期チャネル１５の表面を導電性にすることの代わりに又は加えて、同期チャネル１５は、導電性液体、金属、導電性粉末、又は任意の他の導電性物質で充填されてもよい。

同期チャネル１５は、第１のチャネル６を接続するボックス３、又は第２のチャネル７を接続するベース４、又は第１のチャネル６と第２のチャネル７を接続するボックス３及びベース４、又はコネクタ１３のいずれかに設けることができる。

別の可能な実施形態では、同期チャネル１５は、ＲＵ２３９４３５７による共振器内で行われるように、ボックス３及び／又はベース４内の同期インサートの形態で実装されてもよい。

マトリクス型発振器１２のボックス３及びベース４の様々な実施形態が可能である。したがって、マトリクス型発振器１２を形成する全て又はいくつかの発振器１のボックス３は、一体（単一）部品であってもよく、ここで第１のチャネル６は穿孔、フライス加工、レーザー又はプラズマ燃焼、又は任意の他の適切な方法によって作られる。代替的又は追加的に、マトリクス型発振器１２を形成する全て又はいくつかの発振器１のベース４は、一体（単一）部品であってもよく、ここで第２のチャネル７及び、該当する場合には、同期チャネル１５及び／又は冷却チャネル１０は、穿孔、フライス加工、レーザー又はプラズマ燃焼、又は任意の他の適切な方法によって作られる。

マトリクス型発振器１２のボックス３及びベース４の少なくとも一方を一体部品とすることにより、ボックス３及びベース４に誘導される電流のより最適な分布、並びに良好な熱除去により、マイクロ波放射線の高度な同期を確保することが可能となり、これは、マトリクス型発振器１２において比較的少数の発振器１を使用する場合でも重要な利点である。

さらに、ボックス３とベース４とを共に一体（単一）部品として形成してもよく、これは、上記の利点とは別に、マトリクス型発振器１２の生産性をさらに高めることができる。

上述したように、本発明に係るマトリクス型マイクロ波発振器１２は、互いに電気的に接続された複数の発振器１を備えている。上述の接続は、図４ａ－４ｄに示すように、直列であってもよく、又は図８，９を参照して後述するように、任意のタイプのものであり得る。

すなわち、図８ａ－８ｉは、マトリクス型発振器１２のいくつかの他の実施形態を示す。重要なことは、全ての発振器１が、例えば、隣接するベース４（図８ａ、８ｆ、８ｈ）又は隣接するボックス３（図示せず）を接続するコネクタ１３、或いは、隣接するベース４及び隣接するボックス３をそれぞれ接続するコネクタ１３ａ、１３ｂ（図８ｂ）によって、互いに電気的に接続されていることである。

また、発振器１の電気接続は、共通フレア（導波管）（図８ｃ）、共通ベース（図８ｄ、８ｅ、８ｉ）、又は共通ボックス（図示せず）によって行うこともできる。また、図８ｇに示すように、いくつかの発振器１が、例えば、ベース４によって電気的に接続され、かつ他の発振器１が、コネクタ１３によって接続されるように組み合わせた変形も可能である。当業者であれば、発振器１の電気接続の他の変形も可能であることを理解するであろう。

コネクタ１３、１３ａ、１３ｂは、剛性、弾性、可動性、可撓性を有してもよく、これにより、全マイクロ波放射線の必要な場を形成するようにマトリクス型発振器１２を成形することが可能になることに留意されたい。

なお、マトリクス型発振器１２を構成する発振器１の共振器は、互いに電気的に接続されていることが必須である。これは、既に述べたように、全てのマイクロ波チャネル８におけるマイクロ波放射線の同期を保証し、その結果、全マイクロ波放射線の場の均一性が高く、装置の効率が高いことを保証する。

提案されたマトリクス型発振器１２における高度なマイクロ波放射線同期は、全マイクロ波放射線の均一な場及び装置の高い効率を得ることを可能にするだけでなく、その電力及び／又は波長が著しく異なる波源２を使用することも可能にする。したがって、本発明者らは、図９に概略的に示すマトリクス型発振器１２の安定した動作を達成することに成功しており、ここでは、９１５ＭＨｚの動作周波数を有する１つの発振器１ａと、２４００ＭＨｚに近い動作周波数を有する１２個の発振器１ｂが使用されている。ここでは約８０％の効率が達成された。しかしながら、マトリクス型発振器１２の最良の効率値は、発振器１の動作周波数の拡散が２５％を超えない場合に達成され得る。そして、効率の増加は、上述の動作周波数の拡散に反比例する。

さらに、実験で示されたように、複数の発振器１の放射線を同期させると共に、マトリクス型発振器１２の効率を向上させる最良の結果は、マイクロ波チャネル８の表面が十分に円滑である場合に達成され得る。表面粗さが小さいほど、マイクロ波チャネル８を通過するより少ないマイクロ波放射線が、マイクロ波チャネル８の表面から散乱し、当該表面によって吸収される。特に、マイクロ波チャネル８の表面の粗さに関するパラメータＲｚが２ミクロン以下であり、効率の向上が粗さの値に反比例する場合に、最良の結果が達成された。

したがって、マイクロ波放射線装置の提案された変形例、すなわちマイクロ波発振器１及びマトリクス型マイクロ波発振器１２は、１つ以上のマイクロ波源２によって放射されたマイクロ波放射線を効率的に誘導し、上述のマイクロ波放射線を加重することを可能にし、高効率及び総出力電力を確保し、装置の拡張された機能容量及びマイクロ波源２によって放射されたマイクロ波放射線の高度な同期を可能にする。

Claims

マイクロ波源と、
前記マイクロ波源からの放射線を誘導するマイクロ波チャネルを有する共振器と
を備えるマイクロ波発振器であって、
前記共振器は、
第１のチャネルを有するボックスであって、前記マイクロ波源が設置されているボックス、及び
第２のチャネルを有するベースであって、前記ボックスに電気的に接続されているベース
を備えており、
前記第２のチャネルは、前記第１のチャネルの延長部であり、前記第１のチャネル及び前記第２のチャネルは、マイクロ波放射線が放射される出口を有するマイクロ波チャネルを形成し、
前記マイクロ波チャネルは、少なくとも部分的に、逆行波を抑制する抑制手段を収容し、
前記出口における前記マイクロ波チャネルの最小断面積は、前記抑制手段の最大断面積の８倍から１２倍の大きさである、マイクロ波発振器。
前記マイクロ波源と前記ボックスとを接続する導波管をさらに備える、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
前記共振器は、単一の部品として作られる、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
前記マイクロ波チャネルは、可変断面を有する、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
前記第２のチャネルは、前記第１のチャネルから前記マイクロ波チャネルの前記出口への方向に拡張する、請求項４に記載のマイクロ波発振器。
前記マイクロ波チャネルの表面は、導電性材料の層で被覆される、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
前記共振器内に作られた少なくとも１つの冷却チャネルをさらに備える、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
請求項１～７のいずれか１項に記載の少なくとも２つのマイクロ波発振器を備えるマトリクス型マイクロ波発振器であって、
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器の共振器は、互いに電気的に接続されている、マトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器のベースに配置されたフレアをさらに備える、請求項８に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器の全てのフレアが、単一の部品として作られる、請求項９に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器の全てのベースが、単一の部品として作られる、請求項８に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器のマイクロ波チャネルを接続する同期チャネルをさらに備える、請求項８に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器のボックス及び／又はベース内に配置された同期インサートをさらに備える、請求項８に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。
前記少なくとも２つのマイクロ波発振器のうちの少なくともいくつかは、コネクタによって互いに電気的に接続される、請求項８に記載のマトリクス型マイクロ波発振器。