JP7304660B1

JP7304660B1 - 電力分配合成器

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Publication number: JP7304660B1
Application number: JP2022175403A
Authority: JP
Inventors: 正平南光; 治中村
Original assignee: Nissin Dental Products Inc
Current assignee: Nissin Dental Products Inc
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2042-11-01
Also published as: JP2024066100A

Abstract

【課題】より高出力かつ広帯域の電力について、分配または合成を可能とする電力分配合成器を提供する。【解決手段】主軸ｘの一端側に開口部３１を有するとともに他端側が閉鎖されている導波管３と、マイクロ波電力を供給する同軸ケーブル８を導波管３に接続させる少なくとも２以上のコネクタ部５と、導波管３の内部に配置され同軸ケーブル８と接続されており、コネクタ部５と開口部３１との間におけるインピーダンスを整合させる導電部材７とを備え、導電部材７は、同軸ケーブル８が接続されている中央部１４から一端側および他端側の各々に向かって先細りとなる形状となっており、導波管３の底面２６および他端側の側面と当接されるように配置されている。【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロ波を例とする電力を分配または合成する電力分配合成器に関する。

従来、マイクロ波を発生させるためにマグネトロンなどを用いることが知られており、マグネトロンによって高出力を得ることができる。マグネトロンなどによって出力される電力を分配または合成し、同軸で伝送させる装置として電力分配合成器が用いられている。

特に最近では２５０Ｗまたは５００Ｗを例とする高出力で同軸出力を行う半導体発振器が提案されており、これらの半導体発振器が発振するマイクロ波などの電力を電力分配合成器で合成して数ｋＷ級の電力を得る試みがなされている。

導波管と２以上の同軸線路とを有する電力分配合成器として、それぞれ異なる発振器と接続されている２以上の同軸プローブがそれぞれ導波管に連結されている、プローブ型の電力分配合成器が知られている（例えば、特許文献１）。また電力分配合成器の他の例として、導波管の内部において横架されているクロスバーに２以上の同軸プローブが接続されている、クロスバー型の電力分配合成器が提案されている（例えば、特許文献２）。これらの電力分配合成器では、各々の発振器において発振されたマイクロ波などの電力は、各々の発振器に接続されている同軸プローブを介して導波管の内部へと伝送され、伝送された電力は導波管の内部において合成される。

米国特許第３２８６２０２号明細書特表２０２１－５２４６８４号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。

すなわち従来の構成では電力分配合成器において発生する熱の排出効率が低いので、特に同軸プローブにおいて発生する熱によって電力分配合成器の温度が容易に上昇する。その結果、従来の電力分配合成器では合成できる電力の上限が低くなる。よって、従来の電力分配合成器では高出力の電力を分配または合成することに適していない。

また従来の装置では分配合成を可能とする電力の周波数帯域が狭いという問題も懸念される。近年において提案されている半導体発振器は、発振周波数を容易に変えることができる。そのため半導体発振器と電力分配合成器とを組み合わせることによって、より広範囲の周波数帯域について電力の分配または合成を可能とする電力分配合成器が望まれている。しかしながら従来の装置ではインピーダンスの整合がとれる周波数帯域が非常に狭い範囲に限られているので、広帯域における電力分配合成を実現することが困難となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より高出力かつ広帯域の電力について、分配または合成を可能とする電力分配合成器を提供することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち本発明は、少なくとも２以上のマイクロ波供給源から供給されるマイクロ波電力の分配および合成を行う電力分配合成器であって、
主軸に沿って延在しており、前記主軸の一端側に開口部が形成されているとともに前記主軸の他端側が閉鎖されている導波管と、
前記マイクロ波供給源が発振するマイクロ波電力を供給する同軸ケーブルを前記導波管へ接続するように構成された少なくとも２以上の同軸コネクタ部と、
前記導波管の内部に配置され、前記同軸ケーブルと接続されており、前記同軸コネクタ部と前記開口部との間におけるインピーダンスを整合させる整合部材と、
を備え、
前記整合部材は、
前記同軸ケーブルが接続されている接続領域から前記一端側および前記他端側の各々に向かって先細りとなる形状となっており、
前記導波管の底面および前記他端側の側面と当接されるように配置されている
ことを特徴とするものである。

（作用・効果）この構成によれば、導波管は主軸の一端側に開口部が形成されており他端側は閉鎖された状態となっている。当該導波管の内部にはインピーダンスを整合させる整合部材が配置されている。導波管の内部に配置されている整合部材は、同軸ケーブルが接続されている接続領域から導波管の一端側に向かって先細りとなっており、かつ当該接続領域から導波管の他端側に向かっても先細りとなる形状となっている。さらに整合部材は、導波管の底面および他端側の側面と当接されるように配置されている。

整合部材が接続領域から導波管の一端側および他端側の各々に向かって先細りとなる形状となっていることにより、インピーダンスの整合がとれる周波数帯域がより広くなる。よって、広範囲の周波数帯域について電力の分配または合成を可能とする電力分配合成器を実現できる。

また整合部材は、導波管の底面に当接するとともに導波管における他端側の側面と当接するように、導波管の内部に配置される。この場合、整合部材と導波管との接触部分の面積がより広くなるので、同軸ケーブルまたは整合部材などで発生した熱は当該接触部分を介して整合部材から導波管へと効率良く伝導され、導波管の外部へと排出される。その結果、電力分配合成器における排熱効率を大きく向上できるので、高出力の電力を分配合成させる場合であっても電力分配合成器が高温化することを回避できる。よって、電力分配合成器が扱うことのできる電力の上限が高くなるので、高出力の電力について分配または合成を行うことが可能となる。

また、上述した発明において、前記整合部材は、前記接続領域から前記一端側および前記他端側の各々に向かって高さが徐々に低くなるステップ状となるように構成されることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、整合部材は接続領域から導波管の一端側に向かって高さが徐々に低くなるステップ状であるとともに、接続領域から導波管の他端側に向かって高さが徐々に低くなるステップ状である。整合部材がステップ形状であることにより、同軸コネクタ部と導波管の開口部との間におけるインピーダンスをより適切に整合できる。特に整合部材が接続領域から導波管の他端側に向かって高さが徐々に低くなるステップ状であることにより、広い周波数帯域について同軸コネクタ部と導波管の開口部との間におけるインピーダンスを整合することができる。

また、上述した発明において、前記整合部材は、前記接続領域から前記一端側および前記他端側の各々に向かって高さが徐々に低くなるスロープ状となるように構成されることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、整合部材は接続領域から導波管の一端側に向かって高さが徐々に低くなるスロープ状であるとともに、接続領域から導波管の他端側に向かって高さが徐々に低くなるスロープ状である。整合部材がスロープ形状であることにより、同軸コネクタ部と導波管の開口部との間におけるインピーダンスをより適切に整合できる。特に整合部材が接続領域から導波管の他端側に向かって高さが徐々に低くなるスロープ状であることにより、広い周波数帯域について同軸コネクタ部と導波管の開口部との間におけるインピーダンスを整合することができる。

また、上述した発明において、前記整合部材は、前記導波管の底面および前記他端側の側面に加え、前記主軸に交差する軸方向における前記導波管の側面に当接するように構成されることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、整合部材は、導波管の底面および導波管の他端側の側面に加え、主軸に交差する軸方向における導波管の側面に当接する。この場合、整合部材と導波管とが接触する部分の面積がさらに増大するので、電力分配合成器における排熱効率がさらに向上する。従って、より高出力の電力について分配または合成を行うことが可能となる。

また、上述した発明において、前記整合部材は、前記同軸ケーブルと接続される接続部を複数備えており、前記整合部材は、複数の前記接続部を介して複数の前記同軸ケーブルと接続可能に構成されることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、整合部材は同軸ケーブルと接続される接続部を複数備えている。そのため、１つの整合部材は複数の同軸ケーブルと同時に接続できる。よって、導波管の内部に配置する整合部材の数を低減させつつ、より多くのマイクロ波供給源から発振されるマイクロ波を合成させることが可能となる。

また、上述した発明において、前記整合部材および前記同軸コネクタ部は複数設けられており、複数の前記整合部材および同軸コネクタ部は、少なくとも前記導波管の主軸方向に複数並ぶように配置されることが好ましい。

（作用・効果）この構成によれば、複数の前記整合部材および同軸コネクタ部は、少なくとも前記導波管の主軸方向に複数並ぶように配置される。当該構成により、マイクロ波の波長などの条件に起因して幅方向における導波管のサイズが制限される場合であっても、同軸コネクタ部および整合部材の数を多くすることができる。よって、より多数のマイクロ波供給源から入力されるマイクロ波を合成させることが可能となる。

本発明に係る電力分配合成器によれば、導波管は主軸の一端側に開口部が形成されており他端側は閉鎖された状態となっている。当該導波管の内部にはインピーダンスを整合させる整合部材が配置されている。導波管の内部に配置されている整合部材は、同軸ケーブルが接続されている接続領域から導波管の一端側に向かって先細りとなっており、かつ当該接続領域から導波管の他端側に向かっても先細りとなる形状となっている。さらに整合部材は、導波管の底面および他端側の側面と当接されるように配置されている。

また整合部材は、導波管の底面に当接するとともに導波管における他端側の側面と当接するように、導波管の内部に配置される。この場合、整合部材と導波管との接触部分の面積がより広くなるので、同軸ケーブルまたは整合部材などで発生した熱は当該接触部分を介して整合部材から導波管へと効率良く伝導され、導波管の外部へと排出される。その結果、電力分配整合器における排熱効率を大きく向上できるので、高出力の電力を分配合成させる場合であっても電力分配合成器が高温化することを回避できる。よって、より高出力かつ広帯域の電力について、分配または合成を可能とする電力分配合成器を実現できる。

実施例１に係る電力分配合成器の全体構成を説明する斜視図である。実施例１に係る導電部材の構成を説明する図である。（ａ）は導電部材の正面図であり、（ｂ）は導電部材の右斜め前方向からの斜視図であり、（ｃ）は導電部材の左斜め前方向からの斜視図である。実施例１に係る電力分配合成器における導電部材の配置を示す、右斜め前方向からの斜視図である。実施例１に係る電力分配合成器の縦断面図である。実施例１に係る導電部材を用いた場合における、反射電力と周波数との関係を説明するグラフ図である。比較例に係る導電部材の構成を説明する、右斜め前方向からの斜視図である。比較例に係る電力分配合成器の縦断面図である。比較例に係る導電部材を用いた場合における、反射電力と周波数との関係を説明するグラフ図である。実施例１に係る電力分配合成器の効果を説明する縦断面図である。第１の従来例に係る電力分配合成器の縦断面図である。第２の従来例に係る電力分配合成器における導電部材の配置を示す、右斜め前方向からの斜視図である。第２の従来例に係る電力分配合成器の縦断面図である。実施例１に係る電力分配合成器の効果を説明する縦断面図である。実施例２に係る電力分配合成器の縦断面図である。実施例２に係る導電部材の構成を説明する図である。（ａ）は導電部材の正面図であり、（ｂ）は導電部材の左斜め前方向からの斜視図であり、（ｃ）は導電部材の右斜め前方向からの斜視図である。変形例の構成を説明する図である。（ａ）は変形例に係る導電部材の右斜め前方向からの斜視図であり、（ｂ）は変形例に係る電力分配合成器における導電部材の配置を示す、右斜め前方向からの斜視図である。変形例に係る電力分配合成器における導電部材の配置を示す、右斜め前方向からの斜視図である。変形例に係る電力分配合成器における導電部材の配置を示す、右斜め前方向からの斜視図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。図１は実施例１に係る電力分配合成器１の概略図である。

＜全体構成の説明＞
実施例１に係る電力分配合成器１は図１に示すように、導波管３と、コネクタ部５と、導電部材７と、プローブ部１２とを備えている。導波管３は主軸が延びる方向（ｘ方向）に沿って延在する。ｘ方向（導波管３の長手方向）について、導波管３の一端側は開口部３１が形成されている。またｘ方向について、導波管３の他端側は短絡板３３によって閉じられた閉鎖部となっている。すなわち導波管３の一端側（先端側）は開放端部となっている一方、導波管３の他端側（基端側）は閉鎖端部となっている。なおｘ方向について、導波管３の一端側（開口部３１）に向かう方向をｘ１方向とする。また導波管３の他端側（短絡板３３）に向かう方向をｘ２方向とする。

実施例１において、導波管３は金属で構成されている、縦断面が矩形状である導波管を用いるものとするが、導波管３の形状および材料は適宜変更してよい。なお、導波管３の高さ方向をｚ方向とする。そしてｘ方向およびｚ方向の各々と直交する方向をｙ方向とする。ｙ方向は、導波管３の幅方向に相当する。導波管３は、上面２５と底面２６と側面２７と、短絡板３３とを備えている。上面２５および底面２６は、ｚ方向軸に交差する導波管３の側壁である。側面２７は、ｙ方向軸に交差する導波管３の側壁である。短絡板３３は、主軸に相当するｘ方向軸に交差する導波管３の側壁である。

コネクタ部５は筒状の構成を有しており、導波管３の上面２５に配設されている。コネクタ部５は、同軸ケーブル８が取り付けられることにより、導波管３とマイクロ波供給部９との接続を確保する。実施例１において、導波管３には２つのコネクタ部５が配設されており、一方をコネクタ部５ａ、他方をコネクタ部５ｂとして両者を区別する。コネクタ部５ａとコネクタ部５ｂは、導波管３の上面３５においてｙ方向に整列配置されている。コネクタ部５は、本発明における同軸コネクタ部に相当する。

コネクタ部５は、中心コンタクト６と中心コンタクト支持部１０とを備えている。中心コンタクト６はコネクタ部５の中心軸に沿って配置されており、同軸ケーブル８およびプローブ部１２と接続される。中心コンタクト支持部１０はコネクタ部５の内部において中心コンタクト６の周りを充填するように配設されており、中心コンタクト６を支持する。中心コンタクト支持部１０は誘電体で構成されており、構成材料の例としてテフロン（登録商標）が挙げられる。

同軸ケーブル８は、コネクタ部５とマイクロ波供給部９とを接続しており、マイクロ波供給部９が発振するマイクロ波エネルギーを伝送する。プローブ部１２は、基端部においてコネクタ部５に接続されている棒状部材である。プローブ部１２の径はコネクタ部５の内径より小さくなるように構成されている。またプローブ部１２の先端部は後述する導電部材７と接続される。

同軸ケーブル８の中心軸に設けられている内部導体１３の先端がコネクタ部５の中心コンタクト６に嵌合されることによって同軸ケーブル８はコネクタ部５に取り付けられる。また、中心コンタクト６の先端部に対してプローブ部１２の基端部が螺合などによって固定され、さらにプローブ部１２の先端部が導電部材７に接続固定されることにより、プローブ部１２は導波管３に取り付けられる。同軸ケーブル８およびプローブ部１２が取り付けられることにより、マイクロ波供給部９から発振されたマイクロ波エネルギーは同軸ケーブル８、コネクタ部５の中心コンタクト６、プローブ部１２、および導電部材７を経由して導波管３へと伝送される。

実施例１ではコネクタ部５は２つ配設されているため、２本の同軸ケーブル８と２つのマイクロ波供給部９とが用いられる。２本の同軸ケーブル８のうち、一方に符号８ａを付すとともに他方に符号８ｂを付すことで両者を区別する。一方の同軸ケーブル８ａはコネクタ部５ａに取り付けられる。また他方の同軸ケーブル８ｂはコネクタ部５ｂに取り付けられる。なお図１において、同軸ケーブル８ａはコネクタ部５ａに取り付けられた後の状態を示しており、同軸ケーブル８ｂはコネクタ部５ｂに取り付けられる前の状態を示している。

マイクロ波供給部９は、周波数を可変にして特定の周波数のマイクロ波を発振する。そしてマイクロ波供給部９は、発振されたマイクロ波を電力分配合成器１に供給する。本実施例において、マイクロ波供給部９は半導体発振器を用いるものとする。半導体発振器は、より広帯域に周波数を変更できるマイクロ波発振器であるという点において、マイクロ波供給部９として好ましい構成である。本実施例において、また２つのマイクロ波供給部９のうち、一方に符号９ａを付すとともに他方に符号９ｂを付すことで両者を区別する。一方のマイクロ波供給部９ａは同軸ケーブル８ａおよびコネクタ部５ａを介して電力分配合成器１と接続される。また他方のマイクロ波供給部９ｂは、同軸ケーブル８ｂおよびコネクタ部５ｂを介して電力分配合成器１と接続される。マイクロ波供給部９は、本発明におけるマイクロ波供給源に相当する。

導電部材７は図１および図３などに示すように、導波管３の内部に配置される。導電部材７は導電性部材で構成されており、その長手方向はｘ方向と一致するように配置される。導電部材７は中央部１４の上面１５に接続孔１７が形成されている。接続孔１７は同軸ケーブル８のプローブ部１２を固定するための接続部として機能する。接続孔１７の径はプローブ部１２の径と略同じになるように構成されている。プローブ部１２の先端を接続孔１７に嵌合させることでプローブ部１２は安定に固定され、マイクロ波供給部９は同軸ケーブル８を介して電力分配合成器１と電気的に接続される。

なお導電部材７を導波管３の内部に配置する場合、図３などに示すように、接続孔１７がコネクタ部５の下方に位置するように導電部材７の配設位置が調整される。導電部材７は後述するように、インピーダンスを整合させる機能と、電力分配合成器１において発生した熱を外部へ排出させる機能とを有している。導電部材７は、本発明における整合部材に相当する。

本実施例において、電力分配合成器１は２つの導電部材７を備えており、各々の導電部材７は１つの接続孔１７が配設されているものとする。すなわち各々の導電部材７は１つの同軸ケーブル８と接続される構成を有している。図３に示すように、２つの導電部材７のうち、同軸ケーブル８ａに接続される導電部材７については符号７ａを付すとともに、同軸ケーブル８ｂに接続される導電部材７については符号７ｂを付すことで両者を区別する。

＜導電部材の構成＞
ここで導電部材７の構成について、図２（ａ）、図２（ｂ）、および図２（ｃ）を用いて詳細に説明する。導電部材７は全体として、同軸ケーブル８が接続される中央部１４から一端側および他端側の双方に向かって高さが低くなる形状となるように構成されている。すなわち導電部材７は、中央部１４からｘ１方向に向かって導電部材７の高さが低くなるように構成されている。また、中央部１４からｘ２方向に向かって導電部材７の高さが低くなるように構成されている。言い換えると、導電部材７の形状は全体として、中央部１４から一端側および他端側の双方に向かって先細りとなるテーパ状となるように構成されている。

実施例１において、導電部材７は全体として階段状となっている。実施例１に係る導電部材７は、中央部１４と、第１ステップ部１８と、第２ステップ部１９と、第３ステップ部２０とを備えている。中央部１４はｘ方向において導電部材７の中央部に位置する柱状部材であり、平坦な上面１５には接続孔１７が配設されている。そして中央部１４の高さＨ１は導電部材７全体の中で最も高くなるように構成されている。

第１ステップ部１８は中央部１４からｘ１方向に突出している柱状部材である。第１ステップ部１８の高さＨ２は、中央部１４の高さＨ１より低くなるように構成されている。第２ステップ部１９は第１ステップ部１８からさらにｘ１方向へ突出している柱状部材である。第２ステップ部１９の高さＨ３は、第１ステップ部１８の高さＨ２より低くなるように構成されている。このように、中央部１４と第１ステップ部１８と第２ステップ部１９とが順にｘ１方向へ向かって並ぶように構成されることにより、導電部材７はｘ１方向に向かって高さが低くなる階段状となっている。

第３ステップ部２０は中央部１４からｘ２方向に突出している柱状部材である。第３ステップ部２０の高さＨ４は、中央部１４の高さＨ１より低くなるように構成されている。このように、中央部１４と第３ステップ部２０とが順にｘ２方向へ向かって並ぶように構成されることにより、導電部材７はｘ２方向に向かって高さが低くなる階段状となっている。

また第３ステップ部２０は、ｘ２方向側に当接面２１を備えている。当接面２１は図３または図４に示すように、導波管３の他端側を閉鎖する短絡板３３と当接する。言い換えると、導電部材７はｘ２方向側の端面である当接面２１を介して、導波管３の他端側に相当する閉鎖端面に当接するように導波管３内部における配置が調整される。

導電部材７において、中央部１４と第１ステップ部１８と第２ステップ部１９と第３ステップ部２０とは底面の高さがいずれも同じである。すなわち導電部材７の底面１６は全体にわたって一様に平坦となっている。導電部材７は、導波管３の底面２６に載置されるように導波管３内部における配置が調整される。すなわち導電部材７は底面１６を介して、導波管３の底面２６に当接する。

なお、第１ステップ部１８のｘ方向における長さＬ１（ステップ長さＬ１）は、電力分配合成器１に入力されるマイクロ波の波長λに応じた長さに限ることはなく、適宜の長さに定めてよい。一例としてステップ長さＬ１はλ／４に限ることはなく、さらに短い長さに設定することができる。また、第２ステップ部１９のｘ方向における長さＬ２、および第３ステップ部２０のｘ方向における長さＬ３についても適宜の長さに調整してよい。

なお、実施例１に係るステップ形状の導電部材７を用いる場合、後述するスロープ形状の導電部材７Ａを用いる場合と比べてｘ方向における長さが短い場合であっても、好適にインピーダンスを整合させることができる。そのため、ステップ形状である場合は導電部材７をより小型化しつつ、好適にインピーダンスを整合させることが可能となる。

また電力分配合成器１は、導波管３の開口部３１の側に環状連結フランジ４を備えている。環状連結フランジ４は、電力分配合成器１の出力側に配設される所定の装置と電力分配合成器１とを連結させる。

電力分配合成器１を使用する場合、マイクロ波発生器９ａに接続されている同軸ケーブル８ａをコネクタ部５ａに取り付けるとともに、マイクロ波発生器９ｂに接続されている同軸ケーブル８ｂをコネクタ部５ｂに取り付ける。すなわち同軸ケーブル８ａのプローブ部１２をコネクタ部５ａに挿入し、当該プローブ部１２の先端部を導電部材７ａに設けられている接続孔１７に嵌合させる。また、同軸ケーブル８ｂのプローブ部１２をコネクタ部５ｂに挿入し、当該プローブ部１２の先端部を導電部材７ｂに設けられている接続孔１７に嵌合させる。

各々の同軸ケーブル８をコネクタ部５に取り付けてマイクロ波供給部９を電力分配合成器１に接続させた後、各々のマイクロ波供給部９を作動させてマイクロ波を発振させる。マイクロ波供給部９ａから発振されたマイクロ波と、マイクロ波供給部９ｂから発振されたマイクロ波はそれぞれ導波管３に伝送され、導波管３の内部において合成される。合成されたマイクロ波は、導波管３の一端側に設けられた開口部３１から出力される。

ここで導波管３に伝送されたマイクロ波は、導電部材７によってインピーダンスが整合される。実施例１に係る導電部材７は、導波管３の開口部３１に向かう方向（ｘ１方向）のみならず導波管３の閉鎖末端側に向かう方向（ｘ２方向）についても中央部１４から端部に向かって高さが低くなるように構成される。すなわち中央部１４からｘ２方向に突出する第３ステップ部２０の高さＨ４は中央部１４の高さＨ１より低くなっている。そして導電部材７のｘ２方向における端部には当接面２１が形成されており、図３および図４に示すように、当該当接面２１は導波管３の他端側を閉鎖している短絡板３３に当接されている。

言い換えると、導電部材７は端部に当接面２１を備えており、当接面２１は同軸ケーブル８と導電部材７との接続部（実施例１では接続孔１７）よりも低い位置に配置されている。そして導電部材７は当接面２１を介して導波管３における閉鎖末端側の側壁（ここでは短絡板３３）と当接するように、導波管３の内部に配置されている。

＜実施例１の構成による効果＞
このような構成を有する導電部材７を導波管３の内部に配置することにより、実施例１に係る電力分配合成器１では広い周波数帯域にわたってインピーダンスを整合させることが可能となる。図５は、実施例１に係る導電部材７によるインピーダンス整合の効果を示す図である。図５は、マイクロ波の周波数と反射電力の値との関係を示すグラフ図である。なお、ここでは反射電力が所定値Ｐｃ以下である場合においてインピーダンスが整合されているものとする。

図５において、導電部材７を導波管３の内部に配置しない場合における導波管３内部の反射電力を符号Ｍ１で示している。導電部材７を導波管３の内部に配置しない場合、反射電力は全ての周波数帯域において高い状態を維持する。すなわち導電部材７が設けられていない場合は全周波数帯域において反射電力が所定値Ｐｃより大きい値であるので、全周波数帯域においてインピーダンスの整合がとれていない状態となっている。

次に、図４のように導電部材７を導波管３の内部に配置する場合における導波管３内部の反射電力を、図５において符号Ｍ２で示している。導電部材７を配置した場合、広い周波数帯域において反射電力が大きく低減される。そして比較的広い周波数帯域Ｓ１において、反射電力は所定値Ｐｃ以下となる。

すなわち発明者が鋭意検討を行った結果、実施例１に係る導電部材７を用いることにより、広帯域においてインピーダンスが整合されることが判明した。図５に示す場合、少なくとも２．２ＧＨｚ～２．７ＧＨｚの帯域にわたってインピーダンスを整合できる。よって、マイクロ波供給部９から発振させるマイクロ波の周波数が２．２ＧＨｚ～２．７ＧＨｚの帯域に変更された場合であっても、入力側と出力側とのインピーダンスを整合させつつマイクロ波を合成させることができる。

このように、同軸ケーブル８が接続される中央部１４を基準としてｘ１方向およびｘ２方向の各々に向かって高さが低くなる形状を導電部材７が備えることにより、広帯域においてインピーダンスを整合できる。すなわち半導体発振器を例とする、発振周波数を容易に変えることができる構成をマイクロ波供給部９として用いることにより、広範囲の周波数帯域について電力の分配または合成を可能とする電力分配合成器１を実現することができる。

一方、中央部を基準としてｘ２方向に向かって高さが低くなる形状を有しない導電部材を用いた場合、広帯域におけるインピーダンス整合を行うことができない。図６は、比較例に係る導電部材Ｔの構成を示す図である。比較例に係る導電部材Ｔの構成は、第３ステップ部２０を有しないという点を除いて、実施例１に係る導電部材７の構成と共通する。すなわち第１ステップ部１８および第２ステップ部１９を備えることによって、導電部材Ｔは中央部１４からｘ１方向に向かって高さが低くなる形状を有している。

その一方で、中央部１４より高さが低くｘ２方向に突出する第３ステップ部２０を導電部材Ｔは有しない。そのため、比較例に係る導電部材Ｔはｘ２方向の端部が最も高い形状となっている。言い換えると、導電部材Ｔは中央部１４を基準としてｘ２方向に向かって高さが低くなる形状を有していない。そして比較例では図６および図７に示すように、導電部材Ｔのｘ２方向における端面である、当接面Ｗｇを短絡板３３に当接させる。すなわち当接面Ｗｇは、中央部１４のｘ２方向側の面に相当する。図７は、導電部材７の代わりに導電部材Ｔを配設した、比較例に係る電力分配合成器１Ｓの断面図を示している。

このような比較例に係る導電部材Ｔを用いた場合における、マイクロ波の周波数と反射電力の値との関係を示すグラフを図８に示している。導電部材Ｔを導波管３の内部に配置しない場合における導波管３内部の反射電力は、図５と同様に符号Ｍ１で示している。導電部材Ｔを導波管３の内部に配置しない場合、反射電力は全ての周波数帯域において反射電力が所定値Ｐｃより大きい値となっている。

次に、図７のように導電部材Ｔを導波管３の内部に配置する場合における導波管３内部の反射電力を、図８において符号Ｍ３で示している。ｘ２方向に向かって高さが低くならない形状である導電部材Ｔを配置した場合、反射電力を低減できる周波数帯域は、周波数帯域Ｓ２と比べて狭い周波数帯域Ｓ２に限定されることがわかった。

すなわち比較例に係る導電部材Ｔは、ｘ１方向に向かって先細りとなる形状を有しているので、所定の周波数において反射電力を下げてインピーダンスを整合させることはできる。しかしながら、導電部材Ｔを用いた場合、比較的狭い周波数帯域Ｓ２に限って反射電力は所定値Ｐｃ以下となる。すなわち比較例に係る導電部材Ｔを用いると、インピーダンスを整合できる周波数帯域は、実施例１に係る導電部材７を用いる場合に比べて非常に狭くなる。具体的に図８に示す比較例では、インピーダンスを整合できる周波数帯域は一例として２．４５ＧＨｚを中央値とする、±数ＭＨｚ～数十ＭＨｚ程度の範囲に限定される。少なくとも比較例に係る電力分配合成器１Ｓでは２．２ＧＨｚまたは２．７ＧＨｚなどの周波数条件において適切にインピーダンスを整合させることが困難である。

このように、入力側と出力側とのインピーダンスを整合させつつマイクロ波を合成させることができる周波数帯域Ｓ２が非常に狭いので、比較例に係る導電部材Ｔを用いた場合は電力分配合成器１Ｓの汎用性を高めることが困難である。

実施例１に係る導電部材７のように、ｘ方向に向かって高さを低くする形状を有することで広帯域にわたるインピーダンスの整合が可能となる要因として以下のような仮説が考えられる。導電部材７は、同軸ケーブル８が接続された中央部１４からｘ方向に突出している、中央部１４より高さが低い第３ステップ部２０を有している。そして第３ステップ部２０のｘ２方向側の端面である当接面２１が短絡板３３に当接している。そのため図９に示すような短絡経路Ｓｃが形成されると考えられる。短絡経路Ｓｃは、高さＨ１である中央部１４から、中央部１４の高さＨ１より低い高さＨ４へと下降した後、短絡板３３に沿って伝送される経路である。

このような短絡経路Ｓｃは、導電部材７において短絡板３３に当接している部分の高さ（当接面２１の高さＨ４）が、同軸ケーブル８が接続される部分の高さ（中央部１４の高さＨ１）より低いことによって形成されると考えられる。実施例１に係る導電部材７を導波管３に配設する場合、このような短絡経路Ｓｃが形成されるので、従来よりも広い周波数帯域にわたってインピーダンスの整合をとることができると考えられる。

一方、比較例に係る導電部材Ｔを用いた場合、短絡板３３と当接する部分の高さ（当接面Ｗｇの高さ）と同軸ケーブル８が接続される部分との高さが同じであるので、マイクロ波が接続孔１７から短絡板３３に向かって流れる場合、当該マイクロ波は低い位置へと流れる経路を辿らない。すなわち比較例では低い位置へと流れた後に短絡板３３を経由するような短絡経路Ｓｃは形成されないので、結果としてインピーダンスを整合できる周波数帯域は狭い範囲に限定されるものと考えられる。

さらに実施例１に係る導電部材７は、広帯域におけるインピーダンス整合を可能とする効果に加え、電力分配合成器１における排熱効果を向上させるという効果も有する。ここで図１０ないし図１３などを用いて、実施例１における排熱効果について説明する。

図１０は、特許文献１に開示されている、第１の従来例に係る電力分配合成器Ｄ１を示している。第１の従来例に係る電力分配合成器Ｄ１では導電部材７に相当する構成を有しておらず、同軸ケーブルのプローブ部Ｐｒは導波管Ｋ１の内部空間に延在している。すなわち第１の従来例に係る電力分配合成器Ｄ１ではプローブ部Ｐｒが導波管Ｋ１の壁面Ｇに接触していない。その結果、プローブ部Ｐｒなどにおいて発生する熱を導波管Ｋ１の外部へと排出することが困難であるので、電力分配合成器Ｄ１における排熱効率は大きく低下する。

図１１および図１２は、特許文献２に開示されている、第２の従来例に係る電力分配合成器Ｄ２を示している。第２の従来例に係る電力分配合成器Ｄ２では、導波管Ｋ１の内部において横架されている棒状のクロスバーＹｋに、同軸ケーブルのプローブ部Ｐｒがそれぞれ接続されている。このような構成では、導波管Ｋ１の幅方向ｙ側の側壁面ＧｓにクロスバーＹｋが接触している。すなわちクロスバーＹｋと側壁面Ｇｓとが接触している部分Ｆａを経由して、図１２に示すように、プローブ部Ｐｒなどで発生した熱Ｈｔを排出することはできる。なお図１１においては説明の便宜上、マイクロ波供給部９の記載を省略している。

しかしながら第２の従来例において、クロスバーＹｋが導波管Ｋ１に接触する箇所は側壁面Ｇｓに限られる。またクロスバーＹｋは断面が円形である棒状部材であるので、両者が接触している部分Ｆａの面積は非常に狭い範囲に限定される。そのため、第２の従来例に係る電力分配合成器Ｄ２は、プローブ部Ｐｒにおいて発生する熱Ｈｔの排出効率を向上させることは困難である。このように、従来の構成では電力分配合成器において発生する熱の排出効率が低いので、プローブ部Ｐｒにおいて発生した熱は導波管Ｋ１および導波管Ｋ１の外部へと排出されにくい。その結果、プローブ部ＰｒおよびクロスバーＹｋの温度が容易に上昇する。従って、従来の電力分配合成器Ｄ１またはＤ２では合成できる電力の上限が低くなるので、高出力の電力を扱うことに適していない。

このような従来の構成に対し、実施例１に係る電力分配合成器１では同軸ケーブル８が接続している導電部材７を、導波管３の基端側の側壁（ここでは短絡板３３）と導波管３の底面側の側壁（ここでは底面２６）との各々に当接させる構成を有している。すなわち実施例１に係る導電部材７は、ｘ２方向側の端部に当接面２１を有し、下面側に底面１６を有している。そして導電部材７の当接面２１を短絡板３３に当接させるとともに、導電部材７の底面１６を導波管３の底面２６に当接させる。

このような実施例１の構成では、同軸ケーブル８が接続されている導電部材７は導波管の底面と基端側の側面との両方に接触する。また導電部材７は全体として柱状の部材であり当接面２１などを広い矩形状の面とすることができる。そのため、導電部材７は非常に広い範囲において導波管３と接触している。よって図１３に示すように、同軸ケーブル８のプローブ部１２において発生した熱Ｈｔは、導電部材７の当接面２１および底面１６を経由して、効率良く導波管３の外部へと排出される。実施例１に係る導電部材７は、導波管３と接触する部分の面積を容易に広くすることができるので、電力分配合成器１の排熱効率を容易に向上できる。従って、実施例１に係る電力分配合成器１では高出力の電力を分配または合成する場合であっても電力分配合成器１が高温になることを回避できるので、従来よりも電力の上限を高くすることが可能となる。

次に、本発明の実施例２を説明する。なお、実施例１で説明した電力分配合成器１と同一構成については同一符号を付すに留め、異なる構成部分について詳述する。実施例２に係る電力分配合成器１Ａは図１４に示すように、導電部材７Ａを導波管３の内部に備えているという点において、導電部材７を備える実施例１と相違する。

ここで実施例２に係る導電部材７Ａの構成について、図１５（ａ）、図１５（ｂ）、および図１５（ｃ）を用いて説明する。導電部材７Ａは全体として、同軸ケーブル８が接続される中央部１４から一端側および他端側の双方に向かって高さが低くなるスロープを備える形状（スロープ形状）となるように構成されている。すなわち導電部材７Ａは、中央部１４からｘ１方向に向かって導電部材７Ａの高さが低くなるように構成されている。また、中央部１４からｘ２方向に向かって導電部材７Ａの高さが低くなるように構成されている。

実施例２に係る導電部材７Ａは、中央部１４と、第１スロープ部２３と、第２スロープ部２４とを備えている。中央部１４はｘ方向において導電部材７の中央部に位置する柱状部材であり、平坦な上面１５には接続孔１７が配設されている。

第１スロープ部２３は、中央部１４からｘ１方向に突出している、全体として三角柱状の部材である。第１スロープ部２３は、中央部１４の上面１５と接続されておりｘ１方向に向かって徐々に高さが低くなるスロープ面２３ａを備えている。中央部１４と第１スロープ部２３とが順にｘ１方向へ向かって並ぶように構成されることにより、導電部材７Ａはｘ１方向に向かって高さが低くなるスロープ状となっている。

第２スロープ部２４は、中央部１４からｘ２方向に突出している、全体として略四角錐台状の部材である。第２スロープ部２４は、中央部１４の上面１５と接続されておりｘ２方向に向かって徐々に高さが低くなるスロープ面２４ａを備えている。中央部１４と第２スロープ部２４とが順にｘ２方向へ向かって並ぶように構成されることにより、導電部材７Ａはｘ２方向に向かって高さが低くなるスロープ状となっている。なお、第１スロープ部２３および第２スロープ部２４の各々は、ｙ方向における幅の長さは一定となっている。

また第２スロープ部２４は、ｘ２方向側に当接面２１を備えている。当接面２１は図１４に示すように、導波管３の他端側を閉鎖する短絡板３３と当接する。すなわち導電部材７Ａはｘ２方向側の端面である当接面２１を介して、導波管３の他端側に相当する閉鎖端面に当接するように導波管３内部における配置が調整される。また導電部材７Ａの底面１６は、導波管３の底面２６と当接するように導波管３内部における配置が調整される。

なお、第１スロープ部２３のｘ方向における長さＬ４（スロープ長さＬ４）は、電力分配合成器１に入力されるマイクロ波の波長λに応じた長さに限ることはなく、適宜の長さに定めてよい。なお、第２スロープ部２４のｘ方向における長さについても適宜の長さに定めてよい。

このようなスロープ形状を有する導電部材７Ａを導波管３の内部に配設し、導電部材７Ａと同軸ケーブル８とを接続することで、実施例２に係る電力分配合成器１Ａは実施例１と同様の効果を得ることができる。すなわち中央部１４の上面１５からスロープ面２４ａおよび短絡板３３を経由する短絡経路Ｓｃが形成されるので、広い周波数帯域においてインピーダンスを整合させることができる。

また導電部材７Ａは実施例１と同様に当接面２１を介して導波管３の基端側の側壁（ここでは短絡板３３）と当接するので、プローブ部１２において発生した熱は広い当接面２１を介して導波管３の外部へと効率よく排出される。また、導電部材７Ａはさらに底面１６を介して導波管３の底面２６と当接しているので、プローブ部１２において発生した熱を広い底面１６から導波管３の外部へと効率よく排出させることもできる。そのため、実施例２に係る電力分配合成器１Ａにおける排熱効率を向上させることができる。

このように、互いに逆向きの方向であるｘ１方向およびｘ２方向の各々に向かって高さが低くなっていく形状を有し、ｘ２方向の末端面を導波管３の基端側の側壁に当接させる構成であれば、導電部材７はステップ状、スロープ状などを例とする適宜の形状にすることができる。なお実施例２に係るスロープ形状の導電部材７Ａを用いる場合、ステップ形状と比べてスロープ形状は高さがより緩やかに変化する形状であるので、インピーダンスをより好適に整合できる。

＜他の実施形態＞
なお、今回開示された実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲、並びに、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。例として、本発明は下記のように変形実施することができる。

（１）上述した各実施例において、導電部材７は１つの接続孔１７を備えており、マイクロ波供給部９と同数の導電部材７を導波管３の内部に配設する構成を例示したがこれに限られない。すなわち導電部材７は上面１５に接続孔１７を複数配設してもよい。図１６は、２つのマイクロ波供給部９と接続される電力分配合成器１において、２つの接続孔１７を備える１つの導電部材７を導波管３の内部に配設する構成を示している。複数の接続孔１７を有することにより、導波管３の内部に配置する導電部材７の数を低減させつつ、より多くのマイクロ波供給部９から発振されるマイクロ波を合成させることが可能となる。

（２）上述した各実施例において、導電部材７はｙ方向に複数並列配置する構成に限ることはなく、ｘ方向に並列配置してもよい。すなわち複数の導電部材７を、少なくとも導波管３の主軸方向に複数並ぶように配置させてもよい。図１７は、コネクタ部５および導電部材７をｙ方向に２列配置させるとともに、ｘ方向に２列配置させる構成を示している。このような構成を有する場合、マイクロ波の波長λなどの条件に起因して幅方向（ｙ方向）における導波管３のサイズが制限される場合であっても、コネクタ部５および導電部材７の数を多くすることができる。よって、より多数のマイクロ波供給部９から入力されるマイクロ波を合成させることが可能となる。なお図１７においては説明の便宜上、マイクロ波供給部９の記載を省略している。また、コネクタ部５および導電部材７をｙ方向に１列配置させるとともに、ｘ方向に２列以上配置させてもよい。

（３）上述した各実施例において、導電部材７は導波管３の閉鎖末端側の側面（短絡板３３）と底面２６との２箇所に当接する構成を例示したがこれに限られない。すなわち導電部材７はさらに導波管３の幅方向側の側面（ｙ方向と交差する側面）に当接するように配置されていてもよい。ｙ方向は、主軸に交差する軸方向に相当する。幅方向側の側面は、主軸に交差する軸方向における側面に相当する。

図１８は、導電部材７が短絡板３３と底面２６と幅方向側の側面２７との３箇所で導波管３と当接する構成を示している。すなわち導電部材７のｙ方向における側面２２は、導波管３の幅方向側の側面２７と当接している。このような変形例では導電部材７と導波管３との接触面積をより広くすることができるので、同軸ケーブル８や導電部材７などにおいて発生した熱は導電部材７を経由して導波管３に効率よく伝導され、導波管３の外部へと排出される。その結果、電力分配合成器１における排熱効率をさらに向上させることができる。

（４）上述した各実施例において、電力分配合成器１は開口端部である開口部３１を出力側とする、電力を合成させる操作を例示したがこれに限られない。すなわち開口部３１を入力側として電力を分配させる操作を行ってもよい。この場合、開口部３１に入力されたマイクロ波などの電力は導波管３の内部において分配され、複数のコネクタ部５へと出力される。

（５）上述した実施例１において、導電部材７のｘ１方向およびｘ２方向の各々における段差の数は適宜変更しておい。すなわち実施例１に係る導電部材７は第１ステップ部１８および第２ステップ部１９を備えることにより、中央部１４からｘ１方向に向かって３段のステップ（高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３のステップ）が形成されるが、ステップの数は２であってもよいし４以上であってもよい。また実施例１に係る導電部材７は第３ステップ部２０を備えることにより、中央部１４からｘ１方向に向かって２段のステップ（高さＨ１、Ｈ４のステップ）が形成されるが、ステップの数は３以上であってもよい。

（６）上述した実施例２において、中央部１４からｘ１方向に突出するように配置される第１スロープ部２３は三角柱状に限ることはなく、第２スロープ部２４と同様に四角錐台状であってもよいし、ｘ１方向に向かって高さが低くなる（先細りとなる）形状であれば他の形状であってもよい。

１ …電力分配合成器
３ …導波管
４ …環状連結フランジ
５ …コネクタ部
６ …中心コンタクト
７ …導電部材
８ …同軸ケーブル
９ …マイクロ波供給部
１０ …中心コンタクト支持部
１２ …プローブ部
１３ …内部導体
１４ …中央部
１５ …上面
１６ …底面
１７ …接続孔
１８ …第１ステップ部
１９ …第２ステップ部
２０ …第３ステップ部
２１ …当接面
２３ …第１スロープ部
２４ …第２スロープ部
２５ …上面
２６ …底面
２７ …側面
３１ …開口部
３３ …短絡板

Claims

少なくとも２以上のマイクロ波供給源から供給されるマイクロ波電力の分配および合成を行う電力分配合成器であって、
主軸に沿って延在しており、前記主軸の一端側に開口部が形成されているとともに前記主軸の他端側が閉鎖されている導波管と、
前記マイクロ波供給源が発振するマイクロ波電力を供給する同軸ケーブルを前記導波管へ接続するように構成された少なくとも２以上の同軸コネクタ部と、
前記導波管の内部に配置され、前記同軸ケーブルと接続されており、前記同軸コネクタ部と前記開口部との間におけるインピーダンスを整合させる整合部材と、
を備え、
前記整合部材は、
前記同軸ケーブルが接続されている接続領域から前記一端側および前記他端側の各々に向かって高さが徐々に低くなるステップ状となるように構成されており、
前記導波管の底面および前記他端側の側面と当接されるように配置されている
ことを特徴とする電力分配合成器。
少なくとも２以上のマイクロ波供給源から供給されるマイクロ波電力の分配および合成を行う電力分配合成器であって、
主軸に沿って延在しており、前記主軸の一端側に開口部が形成されているとともに前記主軸の他端側が閉鎖されている導波管と、
前記マイクロ波供給源が発振するマイクロ波電力を供給する同軸ケーブルを前記導波管へ接続するように構成された少なくとも２以上の同軸コネクタ部と、
前記導波管の内部に配置され、前記同軸ケーブルと接続されており、前記同軸コネクタ部と前記開口部との間におけるインピーダンスを整合させる整合部材と、
を備え、
前記整合部材は、
前記同軸ケーブルが接続されている接続領域から前記一端側および前記他端側の各々に向かって高さが徐々に低くなるスロープ状となるように構成されており、
前記導波管の底面および前記他端側の側面と当接されるように配置されている
ことを特徴とする電力分配合成器。
請求項１または請求項２に記載の電力分配合成器において、
前記整合部材は、
前記導波管の底面および前記他端側の側面に加え、前記主軸に交差する軸方向における前記導波管の側面に当接するように構成される
ことを特徴とする電力分配合成器。
請求項１または請求項２に記載の電力分配合成器において、
前記整合部材は、前記同軸ケーブルと接続される接続部を複数備えており、
前記整合部材は、複数の前記接続部を介して複数の前記同軸ケーブルと接続可能に構成される
ことを特徴とする電力分配合成器。
請求項１または請求項２に記載の電力分配合成器において、
前記整合部材および前記同軸コネクタ部は複数設けられており、
複数の前記整合部材および同軸コネクタ部は、少なくとも前記導波管の主軸方向に複数並ぶように配置される
ことを特徴とする電力分配合成器。