JP7485329B2 - Circuit having microwave amplifier circuit and impedance matching circuit, and microwave heating device using the same - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波領域高周波領域において周波数を掃引することでインピーダンス整合を行うマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路及びそれを用いたマイクロ波加熱装置に関する。 The present invention relates to a circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit that perform impedance matching by sweeping frequencies in the high frequency range of the microwave region, and to a microwave heating device using the same.

マイクロ波の周波数領域で動作するマイクロ波増幅回路は、マイクロ波加熱装置(例えば、電子レンジなどのマイクロ波調理装置やマイクロ波鉗子などのマイクロ波手術装置等)など様々な装置に用いられている。このようなマイクロ波増幅回路を始めとする高周波回路では、電力を効率良く負荷に伝送するためにそれが有するインピーダンス(負荷インピーダンス)に対して、インピーダンス整合回路を用いてインピーダンス整合を行うことが必要である。しかしながら、負荷によっては動作時に負荷インピーダンスが変化してしまうものが多々あり、インピーダンス整合回路のインピーダンスを特定の値に固定できない場合も少なくない。その場合、多くは、インピーダンス整合回路の中でバラクタダイオードを使用し、整合しているかどうかをモニターしながらバラクタダイオードの可変容量値を変化させることによってインピーダンス整合を行う方法が採られているが、バラクタダイオードを使用した回路は損失が大きく、また、耐電力を大きくするのが容易ではない。 Microwave amplifier circuits that operate in the microwave frequency range are used in various devices such as microwave heating devices (for example, microwave cooking devices such as microwave ovens and microwave surgical devices such as microwave forceps). In high-frequency circuits such as microwave amplifier circuits, it is necessary to use an impedance matching circuit to match the impedance (load impedance) of the load in order to efficiently transmit power to the load. However, depending on the load, the load impedance often changes during operation, and it is not uncommon for the impedance of the impedance matching circuit to be unable to be fixed to a specific value. In many cases, a varactor diode is used in the impedance matching circuit, and impedance matching is performed by changing the variable capacitance value of the varactor diode while monitoring whether or not it is matched. However, circuits using varactor diodes have high losses, and it is not easy to increase the power resistance.

一方、その他のインピーダンス整合を行う方法として、周波数に応じてインピーダンスが変化するインピーダンス整合回路を用いて、マイクロ波加熱装置などの装置で使用可能な範囲内(例えば、2.4GHzから2.5GHzまでの100MHzの帯域幅)で周波数を変化させ最適な周波数を選択することによってインピーダンス整合を行う方法が知られている。 On the other hand, another method of impedance matching is known, which uses an impedance matching circuit whose impedance changes depending on the frequency, and performs impedance matching by changing the frequency within a range usable by devices such as microwave heating devices (for example, a 100 MHz bandwidth from 2.4 GHz to 2.5 GHz) and selecting the optimal frequency.

例えば、特許文献1には、高周波加熱装置において、インピーダンス整合回路としてインピーダンス検出部とインピーダンス調整部を備え、それらで加熱室への給電部分のインピーダンスを検出して固体化発振部の発振周波数を制御するものが開示されている。ここで、整合すべき負荷インピーダンスは、加熱室と非加熱物が合体された負荷のインピーダンスと考えられる。また、非特許文献1には、インピーダンス整合回路として第1伝送線路部材と第2伝送線路部材を備え、第2伝送線路部材に長い線路の同軸ケーブルを用いたものが開示されている。このインピーダンス整合回路は、2.4GHzから2.5GHzまで周波数を掃引すると、スミスチャートの原点を始点とする渦巻き状のインピーダンス軌跡を描いてスミスチャートの全面を満遍なくカバーすることができる。 For example, Patent Document 1 discloses a high-frequency heating device that includes an impedance matching circuit that includes an impedance detection unit and an impedance adjustment unit, which detect the impedance of the power supply to the heating chamber and control the oscillation frequency of the solid-state oscillator. Here, the load impedance to be matched is considered to be the impedance of the load that includes the heating chamber and the non-heated object. Non-Patent Document 1 also discloses an impedance matching circuit that includes a first transmission line member and a second transmission line member, and uses a long coaxial cable for the second transmission line member. When the frequency is swept from 2.4 GHz to 2.5 GHz, this impedance matching circuit can draw a spiral impedance locus starting from the origin of the Smith chart and cover the entire surface of the Smith chart evenly.

特開昭59-165399号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-165399

鈴木麻子、外5名、“スミスチャート上に渦巻軌跡を描く周波数掃引インピーダンス整合回路”、信学技報、一般社団法人電子情報通信学会、2019年、第118巻、第506号、MW2018-164、p.43-48Asako Suzuki and 5 others, "Frequency Sweep Impedance Matching Circuit Drawing a Spiral Locus on the Smith Chart", IEICE Technical Report, Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 2019, Vol. 118, No. 506, MW2018-164, pp. 43-48

しかしながら、特許文献1に開示のインピーダンス整合回路は、詳細な開示がないために、整合すべき全領域(換言すれば、スミスチャートの全面)にわたってインピーダンス整合が可能かどうか不明であり、また、小型か大型かも不明である。また、非特許文献1に開示のインピーダンス整合回路は、第2伝送線路部材が長い線路であるため、かなり体積的に大きくなり、また、損失も大きくなり易い。 However, since the impedance matching circuit disclosed in Patent Document 1 does not disclose details, it is unclear whether impedance matching is possible over the entire area to be matched (in other words, the entire surface of the Smith chart), and it is also unclear whether it is small or large. In addition, since the second transmission line component of the impedance matching circuit disclosed in Non-Patent Document 1 is a long line, it is quite large in volume and the loss is also likely to be large.

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、周波数を掃引するとインピーダンス軌跡を描いてスミスチャートの全面を満遍なくカバーすることができ、しかも、小型化や低損失化を図ることができるマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit which can draw an impedance locus when the frequency is swept to cover the entire surface of the Smith chart evenly, and which can be made compact and have low loss.

上記目的を達成するために、請求項1に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路は、マイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路であって、前記インピーダンス整合回路は、前記マイクロ波増幅回路の出力が入力される第1端子と負荷に接続される第2端子を有し、前記第1端子が一端となり前記第2端子が他端となる伝送線路と、複数個の共振器と、を具備し、前記各々の共振器の共振周波数は、前記周波数掃引が行われる前記所定の周波数範囲内において互いに異なるように設定され、前記複数個の共振器は、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、前記マイクロ波増幅回路は、周波数が可変で所定の周波数範囲で周波数掃引が可能な信号源を有し、前記周波数掃引が行われると、前記負荷の負荷インピーダンスに対して前記第1端子における反射波が抽出されてモニターされ該反射波が最も少ない状態を示した周波数に前記信号源が設定され得ることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 1 is a circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit, the impedance matching circuit having a first terminal to which an output of the microwave amplifier circuit is input and a second terminal connected to a load, the impedance matching circuit comprising: a transmission line having the first terminal as one end and the second terminal as the other end; and a plurality of resonators, the resonant frequencies of the resonators being set to be different from each other within the predetermined frequency range in which the frequency sweep is performed, the plurality of resonators being connected to the transmission line at intervals from each other, the microwave amplifier circuit having a signal source having a variable frequency and capable of sweeping the frequency within a predetermined frequency range, and when the frequency sweep is performed, a reflected wave at the first terminal is extracted and monitored with respect to the load impedance of the load, and the signal source can be set to a frequency showing a state in which the reflected wave is the smallest .

請求項2に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路は、請求項1に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、前記インピーダンス整合回路は、前記複数個の共振器の共振周波数において通過阻止となるフィルタ特性を有することを特徴とする。 The circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 2 is the circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 1, characterized in that the impedance matching circuit has a filter characteristic that blocks the passage of signals at the resonant frequencies of the plurality of resonators.

請求項3に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路は、請求項1又は2に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、前記複数個の共振器はそれぞれ、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、容量とインダクタが直列接続されて前記共振周波数で共振することを特徴とする。 The circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 3 is the circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the plurality of resonators are connected to the transmission line at intervals from each other, and a capacitor and an inductor are connected in series to resonate at the resonant frequency.

請求項4に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路は、請求項1又は2に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、前記複数個の共振器はそれぞれ、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、容量と分布定数線路共振器が直列接続されて前記共振周波数で共振することを特徴とする。 The circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 4 is characterized in that in the circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 1 or 2, the plurality of resonators are connected to the transmission line at intervals from each other, and a capacitance and a distributed constant line resonator are connected in series to resonate at the resonant frequency.

請求項5に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路は、請求項4に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、前記分布定数線路共振器は4分の1波長型セラミック同軸共振器であることを特徴とする。 The circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 5 is characterized in that, in the circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 4, the distributed constant line resonator is a quarter-wave ceramic coaxial resonator.

請求項に記載のマイクロ波加熱装置は、請求項1~5のいずれか1項に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路を用いたものである。 A microwave heating device according to a sixth aspect of the present invention uses a circuit having the microwave amplifier circuit according to any one of the first to fifth aspects and an impedance matching circuit.

本発明のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路によれば、周波数を掃引するとインピーダンス軌跡を描いてスミスチャートの全面を満遍なくカバーすることができ、しかも、小型化や低損失化を図ることができる。本発明のマイクロ波加熱装置によれば、小型化や低損失化を図ることができる。 According to the circuit having the microwave amplifier circuit and the impedance matching circuit of the present invention, when the frequency is swept, an impedance locus is drawn, so that the entire surface of the Smith chart can be covered uniformly, and further, miniaturization and low loss can be achieved. According to the microwave heating device of the present invention, miniaturization and low loss can be achieved.

本発明の実施形態に係るインピーダンス整合回路の概略平面図である。1 is a schematic plan view of an impedance matching circuit according to an embodiment of the present invention; 同上のインピーダンス整合回路の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of the impedance matching circuit of the embodiment. 同上のインピーダンス整合回路の他の回路図である。FIG. 4 is another circuit diagram of the impedance matching circuit shown in FIG. 同上のインピーダンス整合回路の図3の回路図の分布定数線路共振器を等価な集中定数で表した回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing the distributed constant line resonator of the impedance matching circuit of FIG. 3 in an equivalent lumped constant circuit. 同上のインピーダンス整合回路の図3の回路図に対応する例示であって、(a)が平面図、(b)が(a)のA-Aで示す面で切断した断面図である。4A and 4B are diagrams illustrating an example of the impedance matching circuit according to the embodiment of the present invention, corresponding to the circuit diagram of FIG. 3, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the plane indicated by AA in FIG. 同上のインピーダンス整合回路の図3に対応するシミュレーション用の回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram for simulation of the impedance matching circuit shown in FIG. 3 . 同上のインピーダンス整合回路の特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram of the impedance matching circuit of the embodiment. 同上のインピーダンス整合回路の特性をスミスチャート上に示した特性図であって、第1端子の反射特性である。4 is a characteristic diagram showing the characteristics of the impedance matching circuit of the embodiment on a Smith chart, which shows the reflection characteristics of a first terminal. 同上のインピーダンス整合回路の特性をスミスチャート上に示した特性図であって、第2端子の反射特性である。4 is a characteristic diagram showing the characteristics of the impedance matching circuit of the embodiment on a Smith chart, which shows the reflection characteristics of the second terminal. 同上のインピーダンス整合回路を用いたマイクロ波増幅回路を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a microwave amplifier circuit using the impedance matching circuit of the above embodiment.

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るインピーダンス整合回路1は、後に詳述するように接続された負荷のインピーダンスに対して周波数掃引によってインピーダンスが整合状態に設定されるものである。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The impedance matching circuit 1 according to the embodiment of the present invention is configured to match the impedance of a connected load by frequency sweeping, as will be described in detail later.

インピーダンス整合回路1は、図1に示すように、伝送線路10と複数個(図1では4個)の共振器11、12、13、14を具備している。複数個の共振器11、12、13、14は、互いに共振周波数が異なる。複数個の共振器11、12、13、14は、伝送線路10に互いに間隔をあけて接続されている。また、伝送線路10は、その一端が第1端子10a、他端が第2端子10bとなっている。伝送線路10は、直線状に延びている。 As shown in FIG. 1, the impedance matching circuit 1 includes a transmission line 10 and multiple (four in FIG. 1) resonators 11, 12, 13, and 14. The multiple resonators 11, 12, 13, and 14 have different resonant frequencies. The multiple resonators 11, 12, 13, and 14 are connected to the transmission line 10 at intervals. One end of the transmission line 10 is a first terminal 10a, and the other end is a second terminal 10b. The transmission line 10 extends linearly.

インピーダンス整合回路1は、複数個の共振器11、12、13、14の共振周波数において通過阻止となるフィルタ特性を有するようにすることができる(後述する図7のS12参照)。 The impedance matching circuit 1 can be designed to have filter characteristics that block the passage of signals at the resonant frequencies of the multiple resonators 11, 12, 13, and 14 (see S12 in Figure 7, described later).

そのためには、図2に示すように、複数個の共振器11、12、13、14はそれぞれ、直列接続された容量11aとインダクタ11b、直列接続された容量12aとインダクタ12b、直列接続された容量13aとインダクタ13b、直列接続された容量14aとインダクタ14b、とすることができる。直列接続された容量11aとインダクタ11b、直列接続された容量12aとインダクタ12b、直列接続された容量13aとインダクタ13b、直列接続された容量14aとインダクタ14bは、互いに異なる共振周波数で共振する。インダクタ11b、12b、13b、14bはそれぞれ、集中定数素子である。なお、図2(及び後述する図3等)において、伝送線路10は、分割して、伝送線路10、10、10、10、10で示している。 For this purpose, as shown in Fig. 2, the multiple resonators 11, 12, 13, and 14 can be a series-connected capacitance 11a and inductor 11b, a series-connected capacitance 12a and inductor 12b, a series-connected capacitance 13a and inductor 13b, and a series-connected capacitance 14a and inductor 14b. The series-connected capacitance 11a and inductor 11b, the series-connected capacitance 12a and inductor 12b, the series-connected capacitance 13a and inductor 13b, and the series-connected capacitance 14a and inductor 14b resonate at different resonant frequencies. The inductors 11b, 12b, 13b, and 14b are lumped constant elements. In Fig. 2 (and Fig. 3, etc., which will be described later), the transmission line 10 is divided and shown as transmission lines 101 , 102 , 103 , 104 , and 105 .

或いは、図3に示すように、共振器11、12、13、14をそれぞれ、直列接続された容量11aと分布定数線路共振器11c、直列接続された容量12aと分布定数線路共振器12c、直列接続された容量13aと分布定数線路共振器13c、直列接続された容量14aと分布定数線路共振器14c、とすることができる。直列接続された容量11aと分布定数線路共振器11c、直列接続された容量12aと分布定数線路共振器12c、直列接続された容量13aと分布定数線路共振器13c、直列接続された容量14aと分布定数線路共振器14cは、互いに異なる共振周波数で共振する。分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cはそれぞれ、等価な集中定数で表すと、図4に示すように、並列接続された容量成分11caとインダクタンス成分11cbの並列共振器、並列接続された容量成分12caとインダクタンス成分12cbの並列共振器、並列接続された容量成分13caとインダクタンス成分13cbの並列共振器、並列接続された容量成分14caとインダクタンス成分14cbの並列共振器、となる。従って、この場合、共振器11、12、13、14の共振周波数はそれぞれ、容量11aと容量成分11caで決まる容量値とインダクタンス成分11cbのインダクタンス値、容量12aと容量成分12caで決まる容量値とインダクタンス成分12cbのインダクタンス値、容量13aと容量成分13caで決まる容量値とインダクタンス成分13cbのインダクタンス値、容量14aと容量成分14caで決まる容量値とインダクタンス成分14cbのインダクタンス値、により決まってくる。 Alternatively, as shown in Fig. 3, the resonators 11, 12, 13, and 14 can be respectively a series-connected capacitance 11a and a distributed constant line resonator 11c, a series-connected capacitance 12a and a distributed constant line resonator 12c, a series-connected capacitance 13a and a distributed constant line resonator 13c, and a series-connected capacitance 14a and a distributed constant line resonator 14c. The series-connected capacitance 11a and the distributed constant line resonator 11c, the series-connected capacitance 12a and the distributed constant line resonator 12c, the series-connected capacitance 13a and the distributed constant line resonator 13c, and the series-connected capacitance 14a and the distributed constant line resonator 14c resonate at different resonant frequencies. When the distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c are expressed by equivalent lumped constants, as shown in Figure 4, they become a parallel resonator of capacitance component 11ca and inductance component 11cb connected in parallel, a parallel resonator of capacitance component 12ca and inductance component 12cb connected in parallel, a parallel resonator of capacitance component 13ca and inductance component 13cb connected in parallel, and a parallel resonator of capacitance component 14ca and inductance component 14cb connected in parallel. Therefore, in this case, the resonant frequencies of resonators 11, 12, 13, and 14 are determined by the capacitance value determined by capacitance 11a and capacitance component 11ca and the inductance value of inductance component 11cb, the capacitance value determined by capacitance 12a and capacitance component 12ca and the inductance value of inductance component 12cb, the capacitance value determined by capacitance 13a and capacitance component 13ca and the inductance value of inductance component 13cb, and the capacitance value determined by capacitance 14a and capacitance component 14ca and the inductance value of inductance component 14cb.

分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cは、物理的サイズなどを変えることで必要なインダクタンス値などを容易に得ることができる。従って、分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cは、マイクロ波の周波数領域において、インダクタ11b、12b、13b、14bよりも良好な特性を得易い。 The distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c can easily obtain the required inductance value by changing the physical size, etc. Therefore, the distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c can easily obtain better characteristics in the microwave frequency range than the inductors 11b, 12b, 13b, and 14b.

分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cは、セラミック同軸共振器を用いることができる。このセラミック同軸共振器は、通常、4分の1波長型セラミック同軸共振器であるが、その他のセラミック同軸共振器とすることも可能である。 The distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c can be ceramic coaxial resonators. These ceramic coaxial resonators are usually quarter-wave ceramic coaxial resonators, but other ceramic coaxial resonators can also be used.

図5(a)、(b)は、図3の回路図に対応するインピーダンス整合回路1の平面図と断面図の例示である。インピーダンス整合回路1は、プリント基板1aの一面においては、ストリップ線路の伝送線路10を形成し、チップ型の容量11a、12a、13a、14aと4分の1波長型セラミック同軸共振器の分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cを実装している。また、プリント基板1aの他面においては、接地電極1bを全面に形成し、複数個のスルーホール1cを介してプリント基板1aの一面に配線している。4分の1波長型セラミック同軸共振器の分布定数線路共振器11cは、図5(b)に示すように、軸方向に中空部が設けられたセラミック体11cの外周面には接地電極11cが形成され、セラミック体11cの中空部には電極棒11cが挿入されている。電極棒11cは、ジャンパー配線1dにより容量11aに接続されている。分布定数線路共振器12c、13c、14cも、分布定数線路共振器11cと同様である。 5(a) and (b) are plan and cross-sectional views of the impedance matching circuit 1 corresponding to the circuit diagram of FIG. 3. In the impedance matching circuit 1, a strip line transmission line 10 is formed on one surface of a printed circuit board 1a, and chip-type capacitors 11a, 12a, 13a, and 14a and distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c of a quarter-wave ceramic coaxial resonator are mounted. On the other surface of the printed circuit board 1a, a ground electrode 1b is formed on the entire surface and is wired to the one surface of the printed circuit board 1a through a plurality of through holes 1c. As shown in FIG. 5(b), the distributed constant line resonator 11c of the quarter-wave ceramic coaxial resonator has a ground electrode 11c2 formed on the outer peripheral surface of a ceramic body 11c1 having a hollow portion in the axial direction, and an electrode rod 11c3 inserted into the hollow portion of the ceramic body 11c1 . The electrode rod 11c3 is connected to the capacitor 11a by a jumper wiring 1d. The distributed constant line resonators 12c, 13c, and 14c are similar to the distributed constant line resonator 11c.

次に、インピーダンス整合回路1のシミュレーション結果に基づいて、その特性について説明する。ここでのインピーダンス整合回路1は、図3の回路図で示されるものであり、シミュレーションでは、図6に示すように、インピーダンス整合回路1の第1端子10a及び第2端子10bにそれぞれ、50Ωの抵抗1A、1Bを接続している。分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cは、4分の1波長型セラミック同軸共振器としている。 Next, the characteristics of the impedance matching circuit 1 will be described based on the results of a simulation of the circuit. The impedance matching circuit 1 here is shown in the circuit diagram of FIG. 3, and in the simulation, as shown in FIG. 6, 50 Ω resistors 1A and 1B are connected to the first terminal 10a and the second terminal 10b of the impedance matching circuit 1, respectively. The distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c are quarter-wave ceramic coaxial resonators.

4個の共振器11、12、13、14の共振周波数は、2.4GHzから2.5GHzまでの間で、互いに異なるように設定している。そのために、伝送線路10の特性インピーダンスは50Ωとし、分割した伝送線路10、10、10、10、10のそれぞれの電気長は、周波数2.45GHzで、90.00度、46.65度、42.15度、37.65度、90.00度としている。容量11a、12a、13a、14aはそれぞれ、0.092pF、0.074pF、0.076pF、0.082pFとしている。 The resonant frequencies of the four resonators 11, 12, 13, and 14 are set to be different from each other between 2.4 GHz and 2.5 GHz. For this purpose, the characteristic impedance of the transmission line 10 is set to 50Ω, and the electrical lengths of the divided transmission lines 101 , 102 , 103 , 104 , and 105 are set to 90.00 degrees, 46.65 degrees, 42.15 degrees, 37.65 degrees, and 90.00 degrees at a frequency of 2.45 GHz. The capacitances of the capacitances 11a, 12a, 13a, and 14a are set to 0.092 pF, 0.074 pF, 0.076 pF, and 0.082 pF, respectively.

分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cのそれぞれの電気長は、周波数2.45GHzで、86.42度、87.92度、89.05度、89.74度とし、特性インピーダンスは25Ωとしている。等価な集中定数で表すと、分布定数線路共振器11c、12c、13c、14cのそれぞれの容量成分11ca、12ca、13ca、14caは、2.094pF、2.059pF、2.008pF、1.958pFであり、インダクタンス成分11cb、12cb、13cb、14cbは、2.0nH、2.0nH、2.0nH、2.0nHである。 The electrical lengths of the distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c are 86.42 degrees, 87.92 degrees, 89.05 degrees, and 89.74 degrees at a frequency of 2.45 GHz, respectively, and the characteristic impedance is 25 Ω. When expressed in terms of equivalent lumped constants, the capacitance components 11ca, 12ca, 13ca, and 14ca of the distributed constant line resonators 11c, 12c, 13c, and 14c are 2.094 pF, 2.059 pF, 2.008 pF, and 1.958 pF, respectively, and the inductance components 11cb, 12cb, 13cb, and 14cb are 2.0 nH, 2.0 nH, 2.0 nH, and 2.0 nH.

図7において、破線で示されるS11とS22はそれぞれ、第1端子10aの反射特性、第2端子10bの反射特性を示すものであり、重なっている。図7において、実線で示されるS12は第1端子10aから第2端子10bへの通過特性を示すものである。インピーダンス整合回路1は、図7に示すように、4個の共振器11、12、13、14の共振周波数の近傍(約2.408GHz、約2.430GHz、約2.462GHz、約2.493GHz)で阻止域を持つ周波数特性になっている。 In FIG. 7, S11 and S22 shown by dashed lines respectively indicate the reflection characteristics of the first terminal 10a and the second terminal 10b, and are overlapped. In FIG. 7, S12 shown by a solid line indicates the transmission characteristics from the first terminal 10a to the second terminal 10b. As shown in FIG. 7, the impedance matching circuit 1 has frequency characteristics with stop bands near the resonant frequencies of the four resonators 11, 12, 13, and 14 (approximately 2.408 GHz, approximately 2.430 GHz, approximately 2.462 GHz, and approximately 2.493 GHz).

このようなインピーダンス整合回路1は、2.4GHzから2.5GHzまで周波数を掃引すると、図8及び図9に示すように、共振器11、12、13、14の共振周波数ごとにスミスチャートの中心付近と外周付近の間で外周付近での位置を変えた円を共振器11、12、13、14の数だけ描くような軌跡となり、スミスチャートの全面を満遍なくカバーするようになる。なお、図8及び図9においては、2.4GHzのときを○で、2.5GHzのときを●で示している。 When the frequency of such an impedance matching circuit 1 is swept from 2.4 GHz to 2.5 GHz, as shown in Figures 8 and 9, a trajectory is drawn in which a circle is drawn by changing the position near the periphery between near the center and near the periphery of the Smith chart for each resonant frequency of the resonators 11, 12, 13, and 14, as many times as there are resonators 11, 12, 13, and 14, so that the entire surface of the Smith chart is covered evenly. Note that in Figures 8 and 9, 2.4 GHz is indicated by a circle, and 2.5 GHz is indicated by a black circle.

従って、いずれかの周波数に設定することによって、第2端子10bに接続される負荷のインピーダンスに対して良好なインピーダンス整合を行うことができる。第1端子10aに負荷を接続した場合も同様である。また、インピーダンス整合の精度を高くするために、共振器11、12、13、14の数を多く(例えば、4個よりも多く)することで理想的なインピーダンス整合の値に近づけることができる。 Therefore, by setting either frequency, good impedance matching can be achieved with respect to the impedance of the load connected to the second terminal 10b. The same is true when a load is connected to the first terminal 10a. In addition, to improve the accuracy of impedance matching, the number of resonators 11, 12, 13, and 14 can be increased (for example, more than four) to approach the ideal impedance matching value.

このように、インピーダンス整合回路1は、周波数を掃引するとインピーダンス軌跡を描いてスミスチャートの全面を満遍なくカバーすることができるので、第2端子10b(又は第1端子10a)に接続される負荷のインピーダンスに対して良好なインピーダンス整合を行うことができる。しかも、インピーダンス整合回路1は、非特許文献1に開示のインピーダンス整合回路のような長い線路を用いないので、小型化と低損失化を同時に実現することができる。また、共振器11、12、13、14の各々が、上記のように、4分の1波長型セラミック同軸共振器であると、更なる小型化と低損失化が可能である。 In this way, the impedance matching circuit 1 can draw an impedance locus and cover the entire surface of the Smith chart evenly when the frequency is swept, so that good impedance matching can be performed for the impedance of the load connected to the second terminal 10b (or the first terminal 10a). Moreover, since the impedance matching circuit 1 does not use a long line like the impedance matching circuit disclosed in Non-Patent Document 1, it can simultaneously achieve miniaturization and low loss. Furthermore, if each of the resonators 11, 12, 13, and 14 is a quarter-wave ceramic coaxial resonator as described above, further miniaturization and low loss are possible.

以上説明したインピーダンス整合回路1は、図10に示すようなマイクロ波増幅回路2に用いることができる。インピーダンス整合回路1は、マイクロ波増幅回路2の出力と負荷3との間に設けられる。図10においては、インピーダンス整合回路1の第1端子10aがマイクロ波増幅回路2の出力に接続され、第2端子10bが負荷3に接続されている。マイクロ波増幅回路2がマイクロ波加熱装置に使用される場合、負荷3は、マイクロ波放射機構などと非加熱物が合体された負荷となる。 The impedance matching circuit 1 described above can be used in a microwave amplifier circuit 2 as shown in FIG. 10. The impedance matching circuit 1 is provided between the output of the microwave amplifier circuit 2 and a load 3. In FIG. 10, the first terminal 10a of the impedance matching circuit 1 is connected to the output of the microwave amplifier circuit 2, and the second terminal 10b is connected to the load 3. When the microwave amplifier circuit 2 is used in a microwave heating device, the load 3 is a load that combines a microwave radiation mechanism and a non-heated object.

マイクロ波増幅回路2は、信号源21、パワーアンプ22、反射波抽出器23、反射波検出回路24によって構成することができる。信号源21は、周波数が可変である。パワーアンプ22には、信号源21から信号が入力される。パワーアンプ22の出力には、反射波抽出器23を介して反射波検出回路24が接続されている。パワーアンプ22の出力が、マイクロ波増幅回路2の出力となる。 The microwave amplifier circuit 2 can be composed of a signal source 21, a power amplifier 22, a reflected wave extractor 23, and a reflected wave detection circuit 24. The signal source 21 has a variable frequency. A signal is input from the signal source 21 to the power amplifier 22. The output of the power amplifier 22 is connected to the reflected wave detection circuit 24 via the reflected wave extractor 23. The output of the power amplifier 22 becomes the output of the microwave amplifier circuit 2.

反射波抽出器23は、インピーダンス整合回路1からの反射波(つまり、負荷3により反射される反射波)を抽出できるものであって、例えば、方向性結合器を用いることができる。反射波検出回路24は、反射波の電力に応じた直流電圧を出力する回路であって、市販のRFパワーディテクタを用いることができる。反射波検出回路24は、出力する直流電圧により、後述するように周波数掃引したときに、反射波が最も少ない状態(すなわち、インピーダンス整合回路のインピーダンスの整合状態)を示すことができる。 The reflected wave extractor 23 is capable of extracting the reflected wave from the impedance matching circuit 1 (i.e., the reflected wave reflected by the load 3), and may be, for example, a directional coupler. The reflected wave detection circuit 24 is a circuit that outputs a DC voltage according to the power of the reflected wave, and may be, for example, a commercially available RF power detector. The reflected wave detection circuit 24 can indicate the state in which the reflected wave is least (i.e., the impedance matching state of the impedance matching circuit) when sweeping the frequency as described below, by using the DC voltage it outputs.

マイクロ波増幅回路2では、信号源21の周波数を変化させることで、負荷3の負荷インピーダンスに対して周波数掃引(例えば、2.4GHzから2.5GHzまでの掃引)を行い、反射波検出回路24の出力がモニターされる。そして、反射波検出回路24の出力からインピーダンス整合回路のインピーダンスの整合状態を示した周波数に信号源21を設定することで、インピーダンス整合回路のインピーダンスが整合状態に設定される。 In the microwave amplifier circuit 2, a frequency sweep (e.g., a sweep from 2.4 GHz to 2.5 GHz) is performed on the load impedance of the load 3 by changing the frequency of the signal source 21, and the output of the reflected wave detection circuit 24 is monitored. Then, the signal source 21 is set to a frequency that indicates the impedance matching state of the impedance matching circuit from the output of the reflected wave detection circuit 24, and the impedance of the impedance matching circuit is set to a matching state.

以上、本発明の実施形態に係るインピーダンス整合回路、それを用いたマイクロ波増幅回路及びマイクロ波加熱装置について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載する事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、本発明の実施形態に係るインピーダンス整合回路は、マイクロ波増幅回路以外の高周波回路に用いることが可能である。 The impedance matching circuit according to the embodiment of the present invention, and the microwave amplifier circuit and microwave heating device using the same have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various design modifications are possible within the scope of the claims. For example, the impedance matching circuit according to the embodiment of the present invention can be used in high-frequency circuits other than microwave amplifier circuits.

1 インピーダンス整合回路
1a プリント基板
1b 接地電極
1c プリント基板のスルーホール
1d ジャンパー配線
1A、1B 抵抗
10 伝送線路
10、10、10、10、10 分割した伝送線路
10a 第1端子
10b 第2端子
11、12、13、14 共振器
11a、12a、13a、14a 容量
11b、12b、13b、14b インダクタ
11c、12c、13c、14c 分布定数線路共振器
11ca、12ca、13ca、14ca 分布定数線路共振器の容量成分
11cb、12cb、13cb、14cb 分布定数線路共振器のインダクタンス成分
11c 分布定数線路共振器のセラミック体
11c 分布定数線路共振器の接地電極
11c 分布定数線路共振器の電極棒
2 マイクロ波増幅回路
21 信号源
22 パワーアンプ
23 反射波抽出器
24 反射波検出回路
3 負荷
1 impedance matching circuit 1a printed circuit board 1b ground electrode 1c through hole in printed circuit board 1d jumper wiring 1A, 1B resistor 10 transmission line 10 1 , 10 2 , 10 3 , 10 4 , 10 5 divided transmission line 10a first terminal 10b second terminal 11, 12, 13, 14 resonator 11a, 12a, 13a, 14a capacitance 11b, 12b, 13b, 14b inductor 11c, 12c, 13c, 14c distributed constant line resonator 11ca, 12ca, 13ca, 14ca capacitance component of distributed constant line resonator 11cb, 12cb, 13cb, 14cb inductance component of distributed constant line resonator 11c 1 ceramic body of distributed constant line resonator 11c 2 Ground electrode of distributed constant line resonator 11c 3 Electrode rod of distributed constant line resonator 2 Microwave amplifier circuit 21 Signal source 22 Power amplifier 23 Reflected wave extractor 24 Reflected wave detection circuit 3 Load

Claims (6)

マイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路であって、
前記インピーダンス整合回路は、
前記マイクロ波増幅回路の出力が入力される第1端子と負荷に接続される第2端子を有し、
前記第1端子が一端となり前記第2端子が他端となる伝送線路と、
複数個の共振器と、
を具備し、
前記各々の共振器の共振周波数は、前記周波数掃引が行われる前記所定の周波数範囲内において互いに異なるように設定され、
前記複数個の共振器は、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、
前記マイクロ波増幅回路は、
周波数が可変で所定の周波数範囲で周波数掃引が可能な信号源を有し、
前記周波数掃引が行われると、前記負荷の負荷インピーダンスに対して前記第1端子における反射波が抽出されてモニターされ該反射波が最も少ない状態を示した周波数に前記信号源が設定され得ることを特徴とするマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路 を有する回路
Microwave amplifier circuitImpedance Matching CircuitA circuit havingAnd,
The impedance matching circuit includes:
a first terminal to which an output of the microwave amplifier circuit is input and a second terminal to be connected to a load;
A transmission line having the first terminal as one end and the second terminal as the other end;
A number of resonators,
Equipped with
The resonant frequencies of the resonators are set to be different from each other within the predetermined frequency range in which the frequency sweep is performed,
The plurality of resonators are connected to the transmission line at intervals.And,
The microwave amplifier circuit includes:
A signal source having a variable frequency and capable of sweeping the frequency within a predetermined frequency range,
When the frequency sweep is performed, a reflected wave at the first terminal is extracted and monitored with respect to the load impedance of the load, and the signal source can be set to a frequency that shows the smallest reflected wave.Characterized byMicrowave amplifier circuitImpedance Matching Circuit A circuit having.
請求項1に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、
前記インピーダンス整合回路は、前記複数個の共振器の共振周波数において通過阻止となるフィルタ特性を有することを特徴とするマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路
2. A circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 1,
A circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit, wherein the impedance matching circuit has a filter characteristic that blocks the passage of signals at the resonance frequencies of the plurality of resonators.
請求項1又は2に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、
前記複数個の共振器はそれぞれ、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、容量とインダクタが直列接続されて前記共振周波数で共振することを特徴とするマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路
3. A circuit having the microwave amplifier circuit and the impedance matching circuit according to claim 1,
The circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit, wherein the plurality of resonators are connected to the transmission line at intervals from one another, and a capacitance and an inductor are connected in series to resonate at the resonant frequency.
請求項1又は2に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、
前記複数個の共振器はそれぞれ、前記伝送線路に互いに間隔をあけて接続されており、容量と分布定数線路共振器が直列接続されて前記共振周波数で共振することを特徴とするマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路
3. A circuit having the microwave amplifier circuit and the impedance matching circuit according to claim 1,
The plurality of resonators are connected to the transmission line at intervals from one another, and a capacitance and a distributed constant line resonator are connected in series to resonate at the resonant frequency.
請求項4に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路において、
前記分布定数線路共振器は4分の1波長型セラミック同軸共振器であることを特徴とするマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路
5. A circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to claim 4,
1. A circuit having a microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit, wherein the distributed constant line resonator is a quarter-wave ceramic coaxial resonator.
請求項1~5のいずれか1項に記載のマイクロ波増幅回路とインピーダンス整合回路を有する回路を用いたマイクロ波加熱装置。 A microwave heating device using a circuit having the microwave amplifier circuit and an impedance matching circuit according to any one of claims 1 to 5.
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