JPWO2012161228A1 - 高周波切替器、及びバイアス電圧出力器 - Google Patents

Abstract

複数の出力端子４２の中から、高周波が出力される出力端子４２を切り替える高周波切替器３３において、高周波が出力される出力端子４２の切り替えを高速且つ低ロスで行う。高周波切替器３３では、各出力端子４２に対応する分岐伝送ライン４５に、切替部４６が設けられている。切替部４６は、分岐伝送ライン４５においてカソードが入力端子４１側となってアノードが出力端子４２側になるように設けられた伝送側ダイオード６３と、カソードが接地されてアノードが分岐伝送ライン４５における伝送側ダイオード６３と出力端子４２との間に電気的に接続された接地側ダイオード６５とを備えている。分岐伝送ライン４５では、伝送側ダイオード６３より出力端子４２側に、接地側ダイオード６５のアノードの接続箇所を挟むように第１及び第２コンデンサー５１，５２が設けられている。

Description

本発明は、複数の出力端子の中から高周波が出力される出力端子を切り替える高周波切替器、及びその高周波切替器のダイオードにバイアス電圧を出力するバイアス電圧出力器に関するものである。

従来から、複数の出力端子の中から高周波が出力される出力端子を切り替える高周波切替器が知られている。このような高周波切替器は、例えば、燃焼室でマイクロ波エネルギーを利用する多気筒エンジンに適用できる。高周波切替器を用いることで、１つの電磁波発振器から複数の燃焼室にマイクロ波を順番に供給することができる。

例えば特開昭５１−７７７１９号公報の図８には、４気筒の間でマイクロ波の供給先を切り替える分配器（高周波切替器）が記載されている。分配器は、ロータを回転させてスイッチの切り替えを行う。また、例えば特開平７−７４６７２号公報には、ダイオードを利用して、送信回路と受信回路との間でアンテナの接続先を切り替える高周波スイッチが記載されている。

特開昭５１−７７７１９号公報 特開平７−７４６７２号公報

ところで、従来の高周波切替器では、機械式の切替手段により、高周波が出力される出力端子の切り替えが行われる。しかし、機械式では、高速の切り替えが難しく、スイッチの接触箇所で電気的なロスが生じる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の出力端子の中から高周波が出力される出力端子を切り替える高周波切替器において、高周波が出力される出力端子の切り替えを高速且つ低ロスで行うことにある。

第１の発明は、外部から高周波が入力される入力端子と、前記入力端子に入力された高周波が外部へ出力される複数の出力端子と、前記出力端子毎に設けられ、対応する出力端子へ前記入力端子から入力された高周波を伝送する複数の分岐伝送ラインと、前記分岐伝送ライン毎に設けられ、対応する分岐伝送ラインに高周波が流れるオン状態と高周波が流れないオフ状態とを切り替える複数の切替手段とを備え、前記各切替手段が制御されて、高周波が出力される出力端子が切り替わる高周波切替器であって、前記各切替手段は、前記分岐伝送ラインにおいてカソードが前記入力端子側となってアノードが前記出力端子側になるように設けられた伝送側ダイオードと、カソードが接地されてアノードが前記分岐伝送ラインにおける前記伝送側ダイオードと前記出力端子との間に電気的に接続された接地側ダイオードとを備え、前記各分岐伝送ラインでは、前記伝送側ダイオードより出力端子側に、前記接地側ダイオードのアノードの接続箇所を挟むように、第１コンデンサー及び第２コンデンサーが設けられている。

第１の発明では、各切替手段が制御されると、複数の出力端子の中から、高周波が出力される出力端子が切り替わる。各切替手段は、伝送側ダイオードと接地側ダイオードとを備えている。伝送側ダイオードは、分岐伝送ラインにおいて、カソードが入力端子側となってアノードが出力端子側になるように設けられている。一方、接地側ダイオードは、カソードが接地されて、アノードが分岐伝送ラインにおける伝送側ダイオードと出力端子との間に接続されている。高周波切替器では、高周波を出力させる出力端子に接続する分岐伝送ライン（以下、「出力側伝送ライン」という。）に対しては、伝送側ダイオードに順バイアスが印加され、接地側ダイオードに逆バイアスが印加される。一方、高周波を出力させない出力端子に接続する分岐伝送ライン（以下、「非出力側伝送ライン」という。）に対しては、伝送側ダイオードに逆バイアスが印加され、接地側ダイオードに順バイアスが印加される。各分岐伝送ラインでは、接地側ダイオードのアノードの接続箇所を挟むように、２つのコンデンサーが接続されている。従って、伝送側ダイオードと接地側ダイオードとに極性の異なる電圧を印加することが可能である。

ここで、接地側ダイオードがない場合は、非出力側伝送ラインの伝送側ダイオードに逆バイアスを印加しても、その伝送側ダイオードの寄生容量を通って、高周波が幾らか通過してしまう。その結果、高周波を出力させないはずの非出力側伝送ラインの出力端子から、高周波が幾らか出力されてしまう。それに対して、第１の発明では、非出力側伝送ラインにおいて接地側ダイオードに順バイアスを印加して、非出力側伝送ラインにおける前記寄生容量から出力端子側が接地される。従って、前記寄生容量から出力端子側のインピーダンスが増大し、非出力側伝送ラインの出力端子から出力される高周波が低減される。

第２の発明は、第１の発明において、前記接地側ダイオードが、当該高周波切替器を流れる高周波の波長をλとし、０以上の整数をｎとした場合に、前記伝送側ダイオードから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で、カソードが接地されている。

第２の発明では、接地側ダイオードのカソードが、伝送側ダイオードから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で接地されている。そのため、接地側ダイオードを導通させたときに、非出力側伝送ラインにおける前記寄生容量から出力端子側のインピーダンスが無限大になる。非出力側伝送ラインは、入力端子に接続されていないことと等価となり、出力側伝送ラインに影響を与えなくなる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記伝送側ダイオードにバイアス電圧を印加するための伝送側バイアスラインと、前記接地側ダイオードにバイアス電圧を印加するための接地側バイアスラインとを備え、前記伝送側バイアスライン及び前記接地側バイアスラインは、前記分岐伝送ラインに比べて通電面積（電気が流れる方向に直交する導体の断面積）が小さい。

第３の発明では、伝送側バイアスライン及び接地側バイアスラインは、分岐伝送ラインに比べて通電面積が小さい。

第４の発明は、第３の発明において、前記伝送側バイアスライン及び前記接地側バイアスラインは、当該高周波切替器を流れる高周波の波長をλとし、０以上の整数をｎとした場合に、前記分岐伝送ラインから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で接地されている。

第４の発明では、各バイアスラインが、分岐伝送ラインから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で接地されている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、前記接地側ダイオードが、前記各分岐伝送ラインに対して複数設けられ、該接地側ダイオードのカソードが接続される接地導体と前記分岐伝送ラインとの間に直列に接続されている。

第５の発明では、分岐伝送ラインと接地導体との間に、複数の接地側ダイオードが直列に接続されている。ここで、インピーダンスの不整合による高周波の反射により、分岐伝送ラインにおける接地側ダイオードの接続箇所の高周波電位が上昇するおそれがある。電力が比較的大きな高周波が伝送される場合は、高周波の反射により接地側ダイオードに大きな逆電圧が作用し、接地側ダイオードが損傷するおそれがある。それに対して、第５の発明では、複数の接地側ダイオードを直列に接続しているので、接地側ダイオードの逆耐電圧が上昇する。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、前記入力端子を接地させる入力側接地ラインを備え、前記入力側接地ラインは、電気長が互いに異なる複数の分岐接地ラインに分岐し、各分岐接地ラインがそれぞれ接地されている。

第６の発明では、入力側接地ラインに、電気長が互いに異なる複数の分岐接地ラインが設けられている。そのため、高周波切替器の完成後に、例えば、最短経路の分岐接地ラインを取り除くことで、入力側接地ラインの電気長を調節することが可能である。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明の高周波切替器の各伝送側ダイオード及び各接地側ダイオードに対して、バイアス電圧を出力するバイアス出力器において、電源に接続され、前記伝送側ダイオード及び前記接地側ダイオードのうち、順バイアスを印加するダイオードに対しては、前記電源から印加された電圧を降圧してバイアス電圧として出力し、逆バイアスを印加するダイオードに対しては、前記電源から印加された電圧を昇圧してバイアス電圧として出力する。

第７の発明では、順バイアスを印加するダイオードに対しては、電源から印加された電圧を降圧したバイアス電圧を出力し、逆バイアスを印加するダイオードに対しては、電源から印加された電圧を昇圧したバイアス電圧を出力する。ここで、例えば、前記プラズマ燃焼エンジンを搭載した自動車にて高周波切替器を使用する場合は、その自動車のバッテリー（例えば、１２Ｖ）からバイアス電圧を生成することが考えられる。その場合、順バイアスの場合は、自動車のバッテリーよりもバイアス電圧を低くし、逆バイアスの場合は、自動車のバッテリーよりもバイアス電圧を高くすると、一般的なダイオードを好適に制御できる。第７の発明では、そのような技術的思想に基づき、電源から印加された電圧を降下又は上昇させてバイアス電圧として出力している。

本発明では、非出力側伝送ラインにおいて接地側ダイオードを導通させて、非出力側伝送ラインにおける前記寄生容量から出力端子側のインピーダンスを増大させるので、非出力側伝送ラインの出力端子から出力される高周波が低減される。従って、高周波が出力される出力端子の切り替えを高速で行うためにダイオードを使用しても、出力側伝送ラインの出力端子に多くの高周波エネルギーを伝送できる。本発明によれば、高速且つ低ロスで、高周波が出力される出力端子の切り替えを行うことができる。

また、第２の発明では、伝送側ダイオードから接地点までの距離を最適化して、非出力側伝送ラインが出力側伝送ラインに影響を与えないようにしている。そのため、入力端子から見たインピーダンスは出力側伝送ラインのインピーダンスだけになるので、インピーダンス整合が取りやすくなる。従って、高周波を出力させる出力端子にさらに多くの高周波エネルギーを供給でき、高周波が出力される出力端子の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、第３の発明では、伝送側バイアスライン及び接地側バイアスラインの通電面積を分岐伝送ラインに比べて小さくして、入力端子から見た各バイアスラインの高周波インピーダンスが高い状態になるようにしている。従って、各バイアスラインが分岐伝送ラインにおける高周波の伝送に与える影響が小さくなり、高周波が出力される出力端子の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、第４の発明では、各バイアスラインを分岐伝送ラインから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で接地して、入力端子から見た各バイアスラインの高周波インピーダンスが高い状態になるようにしている。従って、各バイアスラインが分岐伝送ラインにおける高周波の伝送に与える影響が小さくなり、高周波が出力される出力端子の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、第５の発明では、複数の接地側ダイオードを直列に接続して、接地側ダイオードの逆耐電圧を上昇させている。従って、インピーダンスの不整合による高周波の反射によって、接地側ダイオードが損傷することを抑制することができる。

また、第６の発明では、電気長が互いに異なる複数の分岐接地ラインを入力側接地ラインに設けて、高周波切替器の完成後に入力側接地ラインの電気長を調節できるようにしている。そのため、高周波切替器の組み立て及び使用部品のバラツキにより生じる回路インピーダンスのバラツキに対して、高周波切替器個々にインピーダンスを調節することができる。従って、例えば電磁波発振器やアンテナなどの他の機器と接続した高周波切替器の使用状態において、インピーダンス整合を最良の状態にすることができる。

また、第７の発明では、バイアスの印加方向に応じて、電源から印加された電圧を降下又は上昇させたバイアス電圧を出力しているので、各ダイオードを好適に制御することができる。

図１は、実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 図２は、実施形態に係るプラズマ生成装置のブロック図である。 図３は、実施形態に係る高周波切替器の概略構成図である。 図４は、実施形態に係る高周波切替器を設けた回路基板の上面図である。 図５は、実施形態に係る入力側接地ラインの電気長の調節を説明するための回路図である。 図６は、実施形態に係る高周波切替器を２系統にした場合の等価回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》

本実施形態１は、本発明に係る高周波切替器３３を有する電磁波放射装置１３を備えた多気筒エンジン１０である。電磁波放射装置１３は、各シリンダ２４の燃焼室２０にマイクロ波を放射してマイクロ波プラズマを生成するプラズマ生成装置３０の一部を構成する。エンジン１０は、エンジン本体１１とプラズマ生成装置３０とを備えている。
−エンジン本体−

エンジン本体１１は、図１に示すように、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２とピストン２３とを備えている。シリンダブロック２１には、円形断面のシリンダ２４が複数形成されている。各シリンダ２４内には、ピストン２３が往復自在に設けられている。ピストン２３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック２１に回転自在に支持されている。

シリンダヘッド２２は、ガスケット１８を挟んで、シリンダブロック２１上に載置されている。シリンダヘッド２２は、シリンダ２４及びピストン２３と共に、燃焼室２０を区画している。シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、点火プラグ１５が１つずつ設けられている。また、シリンダヘッド２２には、各シリンダ２４に対して、吸気ポート２５及び排気ポート２６が形成されている。吸気ポート２５には、吸気バルブ２７及びインジェクター２９が設けられている。一方、排気ポート２６には、排気バルブ２８が設けられている。
−プラズマ生成装置−

プラズマ生成装置３０は、図２に示すように、放電装置１２と電磁波放射装置１３とを備えている。プラズマ生成装置３０は、放電装置１２により生成された放電プラズマに、電磁波放射装置１３が放射するマイクロ波のエネルギーを供給することにより、放電プラズマを拡大させたマイクロ波プラズマを生成する。

放電装置１２は、燃焼室２０毎に設けられている。放電装置１２は、高電圧パルスを出力するパルス生成器１４と、該パルス生成器１４からの高電圧パルスが印加されると放電が生じる放電器１５とを備えている。

パルス生成器１４は、例えば自動車用の点火コイルである。パルス生成器１４は、直流電源９１（例えば自動車用のバッテリー）に接続されている（図示省略）。パルス生成器１４は、電子制御装置３５から点火信号を受けると、直流電源から印加された電圧を昇圧し、昇圧後の高電圧パルスを放電器１５に出力する。

放電器１５は、例えば自動車用の点火プラグである。点火プラグ１５には、後述の混合器３４を介して高電圧パルスが供給される。点火プラグ１５では、高電圧パルスが供給されると、中心電極１６と接地電極１７の間の放電ギャップにおいて、絶縁破壊が生じて放電プラズマ（スパーク放電）が生成される。

電磁波放射装置１３は、電磁波用電源３１と電磁波発振器３２と高周波切替器３３と混合器３４と放射アンテナ１６とを備えている。本実施形態では、点火プラグ１５の中心電極１６が放射アンテナ１６を兼ねている。電磁波放射装置１３では、電磁波用電源３１と電磁波発振器３２と高周波切替器３３が１つずつ設けられ、燃焼室２０毎に混合器３４と放射アンテナ１６が設けられている。

電磁波用電源３１は、直流電源９１に接続されている。電磁波用電源３１は、電子制御装置３５から電磁波駆動信号を受けると、電磁波発振器３２にパルス電流を供給する。電磁波駆動信号はパルス信号（例えば、ＴＴＬ信号）である。電磁波用電源３１は、電磁波駆動信号の立ち上がり時点から立ち下がり時点に亘って、所定のデューティー比でパルス電流を繰り返し出力する。パルス電流は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘って繰り返し出力される。

電磁波発振器３２は、例えばマグネトロンである。電磁波発振器３２は、パルス電流を受けるとマイクロ波パルスを出力する。電磁波発振器３２は、電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波パルスを繰り返し出力する。なお、電磁波発振器３２として、マグネトロンの代わりに、半導体発振器等の他の発振器を使用してもよい。

高周波切替器３３は、複数の放射アンテナ１６の間で、電磁波発振器３２から出力されたマイクロ波を供給するアンテナを切り替える。高周波切替器３３は、電子制御装置３５により制御される。高周波切替器３３についての詳細は後述する。

混合器３４は、パルス生成器１４からの高電圧パルスと電磁波発振器３２からのマイクロ波とを別々の入力端子で受けて、同じ出力端子から点火プラグ１５へ高電圧パルスとマイクロ波とを出力する。混合器３４は、高電圧パルスとマイクロ波とを混合可能に構成されている。混合器３４では、第１入力端子がパルス生成器１４に電気的に接続され、第２入力端子が高周波切替器３３に電気的に接続され、出力端子が放射アンテナ１６に電気的に接続されている。
−高周波切替器の構成−

高周波切替器３３は、図３及び図４に示すように、入力端子４１、複数の出力端子４２、及び複数の分岐伝送ライン４５を備えている。入力端子４１は、電磁波発振器３２の出力側に電気的に接続され、電磁波発振器３２から出力されたマイクロ波が入力される。各出力端子４２は、混合器３４の入力側に電気的に接続される。各出力端子４２からは、入力端子４１に入力されたマイクロ波が混合器３４へ出力される。分岐伝送ライン４５は、出力端子４２に対応して設けられている。複数の分岐伝送ライン４５は、入力側が互いに接続され、出力側が対応する出力端子４２に接続されている。なお、入力端子４１は、入力側接地ライン４３を介して、接地されている。

各分岐伝送ライン４５には、マイクロ波が流れるオン状態とマイクロ波が流れないオフ状態とを切り替える切替部（切替手段）４６がそれぞれ設けられている。各切替手段４６は、伝送側ダイオード６３と接地側ダイオード６５とを備えている。伝送側ダイオード６３と接地側ダイオード６５は、共にＰＩＮダイオードであるが、他の種類のダイオードを使用してもよい。また、各分岐伝送ライン４５には、入力端子４１側から順番に、第１コンデンサー５１と第２コンデンサー５２がそれぞれ設けられている。

各伝送側ダイオード６３は、対応する分岐伝送ライン４５において、カソードが入力端子４１側となってアノードが出力端子４２側になるように設けられている。各伝送側ダイオード６３は、第１コンデンサー５１よりも入力端子４１側に設けられている。高周波切替器３３には、各伝送側ダイオード６３に対応して伝送側バイアスライン６４が設けられている。各伝送側バイアスライン６４は、伝送側ダイオード６３にバイアス電圧を印加するための電気線路である。各伝送側バイアスライン６４は、一端が第１信号入力部８１に接続され、他端が分岐伝送ライン４５における伝送側ダイオード６３と第１コンデンサー５１の間の第１ストリップライン７１に接続されている。

接地側ダイオード６５は、カソードが接地されて、アノードが分岐伝送ライン４５における伝送側ダイオード６３と出力端子４２との間に電気的に接続されている。接地側ダイオード６５のアノードは、第１コンデンサー５１と第２コンデンサー５２との間の第２ストリップライン７２に接続されている。高周波切替器３３には、各接地側ダイオード６５に対応して接地側バイアスライン６６が設けられている。各接地側バイアスライン６６は、接地側ダイオード６５にバイアス電圧を印加するための電気線路である。各接地側バイアスライン６６は、一端が第２信号入力部８２に接続され、他端が第２ストリップライン７２に接続されている。

なお、第１信号入力部８１及び第２信号入力部８２は、分岐伝送ライン４５毎に設けられている。第１信号入力部８１及び第２信号入力部８２は、後述するバイアス電圧出力器９０から出力されたバイアス電圧を受ける。

各伝送側バイアスライン６４には、インダクター６７がそれぞれ設けられている。各伝送側バイアスライン６４では、インダクター６７の両端がそれぞれコンデンサー６８，６９を介して接地されている。

各接地側バイアスライン６６には、インダクター７７がそれぞれ設けられている。各接地側バイアスライン６６では、インダクター７７の両端がそれぞれコンデンサー７８，７９を介して接地されている。

図４に、２層プリント基板上に構成された高周波切替器３３の上面（表面）を示す。プリント基板８５の裏面は、接地パターンになっている。

プリント基板８５では、中央部に入力端子４１が配置され、その入力端子４１から４つの分岐伝送ライン４５が等角度間隔で放射状に延びている。分岐伝送ライン４５では、入力端子４１側から順番に、伝送側ダイオード６３、第１コンデンサー５１、及び第２コンデンサー５２が配置されている。伝送側ダイオード６３と第１コンデンサー５１との間には第１ストリップライン７１が形成され、第１コンデンサー５１と第２コンデンサー５２との間には第２ストリップライン７２が形成され、第２コンデンサー５２と出力端子４２の間には第３ストリップライン７３が形成されている。

各伝送側ダイオード６３は、カソードが入力端子４１の周りのランド８６（銅箔の領域）に接続され、アノードが第１ストリップライン７１の内端に接続されている。前記ランド８６は、入力側接地ライン４３を介して、接地パターン１００（接地導体）に接続されている。入力側接地ライン４３は、伝送側ダイオード６３のカソードを直流的に接地している。入力側接地ライン４３のライン幅は、第１〜第３ストリップライン７１，７２，７３に比べて大幅に狭くなっている。入力側接地ライン４３の通電面積は、第１〜第３ストリップライン７１，７２，７３に比べて大幅に小さくなっている。

伝送側ダイオード６３、第１コンデンサー５１及び第２コンデンサー５２は、何れも電極幅が各ストリップライン７１，７２，７３の幅に等しい。これにより、伝送側ダイオード６３、第１コンデンサー５１、及び第２コンデンサー５２におけるストリップライン７１，７２，７３との接続点において、物理的な寸法差により生ずるインピーダンス不整合が小さくなる。また、プリント基板８５は、ストリップライン７１，７２，７３の特性インピーダンスがマイクロ波と整合する様に、基板絶縁材料の厚み、及び材質が選択されている。

各分岐伝送ライン４５の第２ストリップライン７２と接地パターン１００との間には、２つの接地側ダイオード６５が直列に接続されている。第２ストリップライン７２には、一方の接地側ダイオード６５のアノードが接続され、接地パターンには、他方の接地側ダイオード６５のカソードが接続されている。

各分岐伝送ライン４５の第１ストリップライン７１には、伝送側バイアスライン６４が接続されている。伝送側バイアスライン６４には、インダクター６７が設けられている。伝送側バイアスライン６４は、インダクター６７の両端がコンデンサー６８，６９を介してそれぞれ接地されている。なお、これらのコンデンサー６８，６９を省略して伝送側バイアスライン６４を直接接地してもよい。また、図４では、インダクター６７と第１信号入力部８１とを接続する電気線路を一部省略している。

また、第２ストリップライン７２には、接地側バイアスライン６６が接続されている。接地側バイアスライン６６には、インダクター７７が設けられている。接地側バイアスライン６６では、インダクター７７の両端がコンデンサー７８，７９を介してそれぞれ接地されている。なお、これらのコンデンサー７８，７９を省略して接地側バイアスライン６６を直接接地してもよい。また、図４では、インダクター７７と第２信号入力部８２とを接続する電気線路を一部省略している。

ここで、各バイアスライン６４，６６のライン幅は、分岐伝送ライン４５のストリップライン７１，７２，７３に比べて大幅に狭くなっている。各バイアスライン６４，６６の通電面積は、ストリップライン７１，７２，７３に比べて大幅に小さくなっている。また、各バイアスライン６４，６６は、分岐伝送ライン４５から高周波切替器３３を流れるマイクロ波の波長λの略４分の１離れた位置で、コンデンサー６８，６９，７８，７９を介して接地されている。そのため、入力端子４１から見た場合に、各バイアスライン６４，６６の高周波インピーダンスは非常に高い状態になる。そのため、各バイアスライン６４，６６は、対応する分岐伝送ライン４５における高周波の伝送に殆ど影響を与えない。

また、出力端子４２から出力されたマイクロ波の一部は、放射アンテナ１６で反射され、分岐伝送ライン４５における高周波電位が上昇するおそれがある。つまり、放射アンテナ１６とのインピーダンスの不整合による反射波により、分岐伝送ライン４５では過電圧が生じるおそれがある。接地側ダイオード６５には、高い逆電圧が作用する。本実施形態では、接地側ダイオード６５が反射波による逆電圧によって破損しないように、接地側ダイオード６５に、逆耐電圧が高いものが採用されている。

また、図５に示すように、入力側接地ライン４３は、複数に分岐接地ライン４８に分岐して、各分岐接地ライン４８が接地パターン１００に接続されている。図５では、電磁波発振器３２までの電気長が最も短い最も右側の分岐接地ライン４８により、有効長Ｌ１が決まっている。有効長を長くする場合は、最も右側の分岐接地ライン４８を取り除く。そうすると、電気長が次に短い右から２番目の分岐接地ライン４８により有効長が決まり、有効長がＬ２になる。高周波切替器３３は、基板完成品の状態で容易に電気長の調整が可能である。そのため、高周波切替器３３の組み立て及び使用部品のバラツキにより生じる回路インピーダンスのバラツキに対して、高周波切替器３３個々にインピーダンスを調節できる。従って、電磁波発振器３２及び放射アンテナ１６と接続した高周波切替器３３の使用状態において、インピーダンス整合を最良の状態にすることができる。
−高周波切替器の動作−

高周波切替器３３の動作（切替動作）について説明する。高周波切替器３３は、各分岐伝送ライン４５の切替部４６が制御されて、高周波が出力される出力端子４２が切り替わる切替動作を行う。各切替部４６は、図２に示すバイアス電圧出力器９０を介して、電子制御装置３５によって制御される。

ここで、バイアス電圧出力器９０は、入力側が電子制御装置３５に接続され、出力側が高周波切替器３３の各分岐伝送ライン４５に対応する第１信号入力部８１及び第２信号入力部８２に接続されている。また、バイアス電圧出力器９０は、直流電源９１（例えば、自動車用の１２Ｖのバッテリー）から電力の供給を受ける。

バイアス電圧出力器９０は、電子制御装置３５から切替信号を受けると、高周波切替器３３の各伝送側ダイオード６３及び各接地側ダイオード６５に対して、バイアス電圧を出力する。バイアス電圧出力器９０は、伝送側ダイオード６３及び接地側ダイオード６５のうち、順バイアスを印加するダイオードに対しては、直流電源９１から印加された電圧を降圧したプラスのバイアス電圧（例えば、＋５Ｖのバイアス電圧）を出力し、逆バイアスを印加するダイオードに対しては、直流電源９１から印加された電圧を昇圧したマイナスのバイアス電圧（例えば、−１００Ｖのバイアス電圧）を出力する。

バイアス電圧出力器９０は、高周波を出力させる出力端子４２に対応する分岐伝送ライン４５ａ（出力側伝送ライン）に対しては、その伝送側バイアスライン６４の第１信号入力部８１にプラスのバイアス電圧を出力すると同時に、その接地側バイアスライン６６の第２信号入力部８２にマイナスのバイアス電圧を出力する。また、バイアス電圧出力器９０は、高周波を出力させない出力端子４２に対応する分岐伝送ライン４５ｂ（非出力側伝送ライン）に対しては、その伝送側バイアスライン６４の第１信号入力部８１にマイナスのバイアス電圧を出力すると同時に、その接地側バイアスライン６６の第２信号入力部８２にプラスのバイアス電圧を出力する。

そうすると、出力側伝送ライン４５ａでは、順バイアスが印加された伝送側ダイオード６３が導通し、逆バイアスが印加された接地側ダイオード６５が遮断される。一方、非出力側伝送ライン４５ｂでは、逆バイアスが印加された伝送側ダイオード６３が遮断され、順バイアスが印加された接地側ダイオード６５が導通する。その結果、入力端子４１から見て、出力側伝送ライン４５ａが導通し、非出力側伝送ライン４５ｂが遮断された状態になる。入力端子４１に入力されたマイクロ波は、出力側伝送ライン４５ａを介して出力端子４２から出力される。

図６は、出力端子４２が２つの場合の高周波切替器３３の切替動作時の等価回路を示している。図６では、電磁波発振器３２に対して、上側の出力側伝送ライン４５ａが導通し、下側の非出力側伝送ライン４５ｂが遮断されている。非出力側伝送ライン４５ｂのコンデンサーＣは、伝送側ダイオード６３に逆バイアスが印加されたときのジャンクションの寄生容量である。

ここで、接地側ダイオード６５を設けない場合は、通常マイクロ波の領域では、前記寄生容量を通じて幾分かの高周波が出力端子４２側の漏れる可能性がある。そうすると、高周波を出力させないはずの非出力側伝送ライン４５ｂの出力端子４２から、高周波が幾らか出力されてしまう。

本実施形態では、非出力側伝送ライン４５ｂにおいて、接地側ダイオード６５に順バイアスを印加して、非出力側伝送ライン４５における前記寄生容量から出力端子４２側が接地される。特に、高周波切替器３３を流れるマイクロ波の波長をλとした場合に、前記寄生容量からλ／４だけ離れた位置で接地される。従って、非出力側伝送ライン４５ｂでは、前記寄生容量から出力端子４２側のインピーダンスＺ２が略無限大となる。非出力側伝送ライン４５ｂは、電磁波発振器３２に接続されていないことと等価となり、出力側伝送ライン４５ａに影響を与えることはない。これにより、電磁波発振器３２から見たインピーダンスは、出力側伝送ライン４５ａのインピーダンスＺ１だけになる。従って、インピーダンスの整合を取ることができ、ほぼ全てのエネルギーが出力側伝送ライン４５ａに伝送される。

切替動作では、１つの出力端子４２から高周波が出力されるように、高周波が出力される出力端子４２の切り替えが行われる。１つの分岐伝送ライン４５が出力側伝送ライン４５ａとなって、それ以外の分岐伝送ライン４５が非出力側伝送ライン４５ｂになる。

電子制御装置３５は、高周波が出力される出力端子４２を切り替える際に切替信号を出力する。切替信号を受けたバイアス電圧出力器９０は、点火信号が入力されるパルス生成器１４に対応する点火プラグ１５だけにマイクロ波が供給されるように、高周波切替器３３の各切替部４６にバイアス電圧を出力する。具体的に、バイアス電圧出力器９０は、高電圧パルスが印加される点火プラグ１５に対応する出力端子４２に接続する分岐伝送ライン４５が出力側伝送ライン４５ａになって、高電圧パルスが印加されない点火プラグ１５に対応する出力端子４２に接続する分岐伝送ライン４５が非出力側伝送ライン４５ｂになるようにバイアス電圧を出力する。
−プラズマ生成装置の動作−

エンジン本体１１の動作を絡めてプラズマ生成装置３０の動作を説明する。

エンジン１０は、プラズマ生成装置３０によって生成したマイクロ波プラズマにより、燃焼室２０の混合気に着火するプラズマ着火運転を行う。複数の燃焼室２０の間では点火タイミングがずれている。

各シリンダ２４では、ピストン２３が上死点を達する直前に、吸気バルブ２７が開かれて、吸気行程が開始される。そして、ピストン２３が上死点を通過した直後に、排気バルブ２８が閉じられて、排気行程が終了する。電子制御装置３５は、吸気行程中のシリンダ２４に対応するインジェクター２９に対して噴射信号を出力し、そのインジェクター２９に燃料を噴射させる。

続いて、ピストン２３が下死点を通過した直後に、吸気バルブ２７が閉じられて、吸気行程が終了する。吸気行程が終了すると、圧縮行程が開始される。電子制御装置３５は、圧縮行程中のシリンダ２４に対応するパルス生成器１４に対して、ピストン２３が上死点に達する直前に点火信号を出力する。これにより、パルス生成器１４から出力された高電圧パルスが、点火プラグ１５へ供給される。その結果、点火プラグ１５の放電ギャップにおいて放電プラズマが生成される。

また、電子制御装置３５は、各シリンダ２４に対応するパルス生成器１４から高電圧パルスが出力される直前に、電磁波用電源３１に電磁波駆動信号を出力する。なお、電磁波駆動信号の出力に先立って、点火信号が入力されるパルス生成器１４に対応する点火プラグ１５がマイクロ波の供給先になるように、高周波切替器３３の切替動作が行われている。

これにより、電磁波用電源３１から電磁波発振器３２へパルス電流が出力され、電磁波発振器３２からマイクロ波パルスが出力される。マイクロ波パルスは、放射アンテナ１６から燃焼室２０へ放射される。マイクロ波パルスは、放電プラズマが生成される直前から直後に亘って継続的に放射される。放電プラズマが生じるタイミングでは、マイクロ波パルスにより強電界領域（燃焼室２０において電界強度が相対的に強い領域）が、中心電極１６の先端の近傍に形成されている。放電プラズマはマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、比較的大きなマイクロ波プラズマになる。燃焼室２０では、マイクロ波プラズマにより混合気が体積着火され、混合気の燃焼が開始される。
なお、放射アンテナ１６からのマイクロ波パルスの放射開始タイミングは、放電プラズマが消滅する前であれば、放電プラズマの生成後であってもよい。

シリンダ２４では、混合気が燃焼するときの膨張力により、ピストン２３が下死点側へ動かされる。そして、ピストン２３が下死点に達する直前に、排気バルブ２８が開かれて、排気行程が開始される。上述したように、排気行程は、吸気行程の開始直後に終了する。
−実施形態の効果−

本実施形態では、非出力側伝送ライン４５ｂにおいて接地側ダイオード６５を導通させて、非出力側伝送ライン４５ｂにおける前記寄生容量から出力端子４２側のインピーダンスを増大させるので、非出力側伝送ライン４５ｂの出力端子４２から出力される高周波が低減される。従って、高周波が出力される出力端子４２の切り替えを高速で行うためにダイオードを使用しても、出力側伝送ライン４５ａの出力端子４５に多くの高周波エネルギーを伝送できる。

また、本実施形態では、伝送側ダイオード６３から接地点までの距離を最適化して、非出力側伝送ライン４５ｂが出力側伝送ライン４５ａに影響を与えないようにしている。入力端子４１から見たインピーダンスは、出力側伝送ライン４５ａのインピーダンスだけになる。インピーダンス整合は取りやすくなる。従って、高周波を出力させる出力端子４２にさらに多くの高周波エネルギーを供給でき、高周波が出力される出力端子４２の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、本実施形態では、伝送側バイアスライン６４及び接地側バイアスライン６６の通電面積を分岐伝送ライン４５に比べて小さくして、入力端子４１から見た各バイアスライン６４，６６の高周波インピーダンスが高い状態になるようにしている。従って、各バイアスライン６４，６６が分岐伝送ライン４５における高周波の伝送に与える影響が小さくなり、高周波が出力される出力端子４２の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、本実施形態では、各バイアスライン６４，６６を分岐伝送ライン４５から略ｎ×λ／４離れた位置で接地して、入力端子４１から見た各バイアスライン６４，６６の高周波インピーダンスが高い状態になるようにしている。従って、各バイアスライン６４，６６が分岐伝送ライン４５における高周波の伝送に与える影響が小さくなり、高周波が出力される出力端子４２の切り替えをさらに低ロスで行うことができる。

また、本実施形態では、複数の接地側ダイオード６５を直列に接続して、接地側ダイオード６５の逆耐電圧を上昇させている。従って、インピーダンスの不整合による高周波の反射によって、接地側ダイオード６５が損傷することを抑制することができる。

また、本実施形態では、電気長が互いに異なる複数の分岐接地ライン４８を入力側接地ライン４３に設けて、高周波切替器３３の完成後に入力側接地ライン４３の電気長を調節できるようにしている。そのため、高周波切替器３３の組み立て及び使用部品のバラツキにより生じる回路インピーダンスのバラツキに対して、高周波切替器３３個々にインピーダンスを調節することができる。従って、電磁波発振器３２及び放射アンテナ１６と接続した高周波切替器３３の使用状態において、インピーダンス整合を最良の状態にすることができる。

また、本実施形態では、バイアスの印加方向に応じて、直流電源９１から印加された電圧を降下又は上昇させたバイアス電圧を出力しているので、各ダイオード６３，６５を好適に制御することができる。
《その他の実施形態》

前記実施形態は、以下のように構成してもよい。

前記実施形態において、プラズマ生成装置３０は、放電装置１２を省略して、電磁波放射装置１３だけでマイクロ波プラズマを生成してもよい。この場合、マイクロ波プラズマを生成するのに必要なピーク電力は増大するが、装置構成を簡素化できる。また、放電装置１２の代わりに、熱電子を放出するグロープラグを使用してもよい。この場合、マイクロ波のエネルギーにより熱電子が加速されて、マイクロ波プラズマが生成される。

また、前記実施形態では、高電圧パルスが供給される中心電極１６を放射アンテナ１６としていたが、中心電極１６とは別途に放射アンテナ１６を設けてもよい。放射アンテナ１６は、例えば点火プラグ１５を貫通するように設けたり、シリンダヘッド２２に設けたりすることができる。

また、前記実施形態において、１つの燃焼室２０に対して複数の放射アンテナ１６を設けてもよい。燃焼室２０では、複数の放射アンテナ１６からタイミングをずらしてマイクロ波が放射される。複数の放射アンテナ１６の近傍では、異なるタイミングでマイクロ波プラズマが生成される。

以上説明したように、本発明は、複数の出力端子の中から高周波が出力される出力端子を切り替える高周波切替器、及びその高周波切替器のダイオードにバイアス電圧を出力するバイアス電圧出力器について有用である。

３３ 高周波切替器
４１ 入力端子
４２ 出力端子
４５ 分岐伝送ライン
４６ 切替部（切替手段）
５１ 第１コンデンサー
５２ 第２コンデンサー
６３ 伝送側ダイオード
６５ 接地側ダイオード

Claims (7)

1. 外部から高周波が入力される入力端子と、
   前記入力端子に入力された高周波が外部へ出力される複数の出力端子と、
   前記出力端子毎に設けられ、対応する出力端子へ前記入力端子から入力された高周波を伝送する複数の分岐伝送ラインと、
   前記分岐伝送ライン毎に設けられ、対応する分岐伝送ラインに高周波が流れるオン状態と高周波が流れないオフ状態とを切り替える複数の切替手段とを備え、
   前記各切替手段が制御されて、高周波が出力される出力端子が切り替わる高周波切替器であって、
   前記各切替手段は、前記分岐伝送ラインにおいてカソードが前記入力端子側となってアノードが前記出力端子側になるように設けられた伝送側ダイオードと、カソードが接地されてアノードが前記分岐伝送ラインにおける前記伝送側ダイオードと前記出力端子との間に電気的に接続された接地側ダイオードとを備え、
   前記各分岐伝送ラインでは、前記伝送側ダイオードより出力端子側に、前記接地側ダイオードのアノードの接続箇所を挟むように、第１コンデンサー及び第２コンデンサーが設けられている
   ことを特徴とする高周波切替器。
2. 請求項１において、
   前記接地側ダイオードは、当該高周波切替器を流れる高周波の波長をλとし、０以上の整数をｎとした場合に、前記伝送側ダイオードから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で、カソードが接地されている
   ことを特徴とする高周波切替器。
3. 請求項１又は２において、
   前記伝送側ダイオードにバイアス電圧を印加するための伝送側バイアスラインと、
   前記接地側ダイオードにバイアス電圧を印加するための接地側バイアスラインとを備え、
   前記伝送側バイアスライン及び前記接地側バイアスラインは、前記分岐伝送ラインに比べて通電面積が小さい
   ことを特徴とする高周波切替器。
4. 請求項３において、
   前記伝送側バイアスライン及び前記接地側バイアスラインは、当該高周波切替器を流れる高周波の波長をλとし、０以上の整数をｎとした場合に、前記分岐伝送ラインから略（２ｎ＋１）×λ／４離れた位置で接地されている
   ことを特徴とする高周波切替器。
5. 請求項１乃至４の何れか１つにおいて、
   前記接地側ダイオードは、前記各分岐伝送ラインに対して複数設けられ、該接地側ダイオードのカソードが接続される接地導体と前記分岐伝送ラインとの間に直列に接続されている
   ことを特徴とする高周波切替器。
6. 請求項１乃至５の何れか１つにおいて、
   前記入力端子を接地させる入力側接地ラインを備え、
   前記入力側接地ラインは、電気長が互いに異なる複数の分岐接地ラインに分岐し、各分岐接地ラインがそれぞれ接地されている
   ことを特徴とする高周波切替器。
7. 請求項１乃至６の何れか１つの高周波切替器の各伝送側ダイオード及び各接地側ダイオードに対して、バイアス電圧を出力するバイアス電圧出力器において、
   電源に接続され、前記伝送側ダイオード及び前記接地側ダイオードのうち、順バイアスを印加するダイオードに対しては、前記電源から印加された電圧を降圧してバイアス電圧として出力し、逆バイアスを印加するダイオードに対しては、前記電源から印加された電圧を昇圧してバイアス電圧として出力する
   ことを特徴とするバイアス電圧出力器。
   

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