(57)【要約】【課題】マイクロ波電力発振器自体でその出力を調整することができるようにする。【解決手段】半導体素子１２と、共振器３０を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路１４と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うと共に、パルス制御装置２０によって半導体素子１２の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子１２の平均出力電力を調整する。【選択図】図２
2014212469.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うと共に、半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とするマイクロ波電力発振器。
【請求項２】
半導体素子の入力に対してパルス変調を行うことで、デューティ比を変化させるパルス制御回路を備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波電力発振器。
【請求項３】
パルス制御回路は、デューティ比でオン・オフするパルス波を生成するものであり、そのパルス波の電圧は、半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応することを特徴とする請求項２記載のマイクロ波電力発振器。
【請求項４】
パルス制御回路で生成されるパルス波の電圧の絶対値は、初期時に半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応し、その後は小さくなるようにすることを特徴とする請求項３記載のマイクロ波電力発振器。
【請求項５】
半導体素子は、複数個の半導体素子が並列に接続されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ波電力発振器。
【請求項６】
半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うマイクロ波電力発振器に対して、その半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とするマイクロ波電力発振器の出力制御方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を発振すると共にその出力を調整することができるマイクロ波電力発振器及びその出力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波電力発振器としては、小信号を発振する発振器が一般的であり、その出力を調整するためには、発振器に多段のアンプを接続し、信号を増幅すると共に、発振器とアンプとの間に可変アッテネータを挿入し、小信号の減衰の調整を行うことで、出力電力を変化させることが一般的に行われている（例えば、特許文献１〜４）。
【０００３】
または、最終段のアンプを構成する半導体素子に印加するドレイン電圧を変化させることにより、出力電圧を変化させることも知られている（例えば、特許文献４）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１２１２６号公報
【特許文献２】特開２００５−４５４７１号公報
【特許文献３】特開２０１０−７４７４２号公報
【特許文献４】特開２００３−２２９７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の方式では、信号を増幅するための多段アンプ、出力電力を可変させるための可変アッテネータといった多数の部品を用いることにより、部品自体にかかる電力によって、電力付加効率（ＰＡＥ）が悪くなり、さらに大電力のマイクロ波を出力する場合には、最終段のアンプにより出力を増幅させる関係で、出力電圧を絞った場合の電力付加効率（ＰＡＥ）が悪くなる、という問題がある。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、マイクロ波電力発振器自体でその出力を調整することができるマイクロ波電力発振器及びその出力制御方法を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によるマイクロ波電力発振器は、半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うと共に、半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とする。
【０００８】
半導体素子の入力に対してパルス変調を行うことで、デューティ比を変化させるパルス制御回路を備えるとよい。
【０００９】
パルス制御回路は、デューティ比でオン・オフするパルス波を生成するものであり、そのパルス波の電圧は、半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応するとよい。
【００１０】
また、パルス制御回路で生成されるパルス波の電圧の絶対値は、初期時に半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応し、その後は小さくなるようにすることができる。
【００１１】
また、半導体素子は、複数個の半導体素子が並列に接続されたものであることができる。
【００１２】
また、本発明によるマイクロ波電力発振器の出力制御方法は、半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うマイクロ波電力発振器に対して、その半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、自励発振する半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、自励発振する半導体素子の出力自体を調整することができる。また、デューティ比を広い範囲で調整することにより、出力を広い範囲で調整することができる。また、特に大電力の信号を出力する場合に、デューティ比を変化させることによって出力を調整することにより、従来のアンプによる出力調整のように最終段のアンプにより出力を増幅する場合に比べて、出力電圧を絞った場合でも電力付加効率（ＰＡＥ）が一定とできる。また、デューティ比に従い半導体素子の入力をオン・オフさせることにより、高効率の電力発振器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態によるマイクロ波電力発振器の概略ブロック図である。
【図２】図１のマイクロ波電力発振器の回路図である。
【図３】パルス制御回路２０の生成パルスのデューティ比、出力電流、平均出力電力の関係を表すタイムチャートである。
【図４】デューティ比と出力電力との関係を表すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態によるマイクロ波電力発振器の概略図である。
【図６】本発明の第３の実施形態によるパルス制御回路の生成パルスの波形例を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、本実施形態によるマイクロ波電力発振器１０は、大まかに、アンプとなる半導体素子１２と、半導体素子１２に対して正帰還を行う正帰還回路１４と、半導体素子１２の入力側と出力側にそれぞれ設けられる入力整合回路１６と出力整合回路１８と、半導体素子１２の入力側に設けられるパルス制御回路２０と、半導体素子１２の出力側に設けられて反射等を阻止するアイソレータ２２と、半導体素子１２への給電を行う電源回路２４と、を備える。
【００１７】
半導体素子１２は、マイクロ波信号を発振できるものとして、ＬＤＭＯＳＦＥＴ，ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮＦＥＴ等のＦＥＴを例示することができる。以下、半導体素子１２をＦＥＴ１２としても説明する。
【００１８】
正帰還回路１４は、半導体素子１２の出力を入力に正帰還するもので、共振器３０と、位相の調整を行う移相器３２を備える。共振器３０は、ＬＣ共振器や誘電体共振器によって構成され、共振周波数がマイクロ波帯（３００ＭＨｚ〜４０ＧＨｚ、例えば、２．４５ＧＨｚ）の周波数で調整されている。尚、共振器３０の共振周波数は可変とすることも可能である。正帰還回路１４によって、半導体素子１２は、共振器３０によって決まる共振周波数で自励発振することになる。
【００１９】
パルス制御回路２０は、半導体素子１２の入力に対してパルス変調を行うもので、ＦＥＴ１２のゲート電圧をピンチオフ電圧と定常電圧になるように制御する。具体的には、外部からの指令信号を受けて、指令信号に対応するデューティ比に従ってオン・オフするパルス波を生成する。パルス波の繰り返し周波数は、任意の値とすることができる。
【００２０】
以上のように構成されるマイクロ波電力発振器１０においては、図３に示すように、パルス制御回路２０によって生成され指令信号に対応するデューティ比でオン・オフするパルス波（図３（ａ））によってＦＥＴ１２のゲート電圧をパルス変調する。
【００２１】
これによって、ＦＥＴ１２は間歇的に発振を行うことになり（図３（ｂ））、平均出力電圧がデューティ比によって変化する（図３（ｃ））。
【００２２】
この平均出力電圧は、図４に示すように、パルス繰り返し周波数にはほとんど依存せずに、線形に変化するため、指令信号に応じて精度良い制御が可能となる。
【００２３】
これに対して、仮にドレイン電圧またはゲート電圧を制御することで出力電圧を制御しようとする場合、電圧を下げすぎると、発振が不安定になるため、可変できる電力の範囲が制限される。また、ドレイン電圧は比較的高く大電流も流れるため、制御回路が複雑になるという問題がある。これに対して、本実施形態では、ゲート電圧のデューティ比をほぼ０％から１００％まで変化させることができ、可変できる電力の範囲を広げることができ、且つ、パルス制御回路２０で生成されるパルス波の電圧は、ＦＥＴ１２が発振する前の最低限のバイアス電圧で良いため、比較的低くてよく、構成も簡単である。
【００２４】
また、パルス波がオフの間には電流は全く流れていないために、その区間の消費電力を節約することができて、より一層、効率を良好にすることができる。
【００２５】
また、１つの半導体素子１２で構成することができるので、構成が簡単で小型化が可能である。但し、このマイクロ波電力発振器１０の後段に１つ以上のアンプを接続することにより、さらに大電力を出力するようにしてもよい。
【００２６】
図５は、本発明の第２の実施形態によるマイクロ波電力発振器１０を表す図である。
【００２７】
この実施形態では、半導体素子１２を複数個、並列に接続して、複数個の半導体素子１２の合成出力を、正帰還回路１４によって合成入力したものである。このように、複数個の半導体素子を並列接続することによって、出力電力を、１個の半導体素子１２の場合の複数倍にすることが可能である。
【００２８】
図６は、本発明の第３の実施形態を表す図である。
【００２９】
この実施形態では、パルス制御回路２０によって生成されるパルス波を矩形波ではなく、初期時に瞬間的に高く、その後に低くなる変形波としている。初期時の電圧の絶対値をＦＥＴ１２の動作のためのバイアス電圧に対応させて、ＦＥＴ１２を確実に発振させ、発振後のパルス波の電圧の絶対値を低くして、効率を向上させるようにしてもよい。
【００３０】
以上のように、上記各実施形態によるマイクロ波電力発振器は、間歇的な出力で良く、且つ平均出力電圧で動作を決めることができる応用に好適であり、例えば、マイクロ波加熱に適している。上述のように精度良く平均出力電圧を制御することができるので、例えば、マイクロ波加熱に用いる場合に、その加熱自体を精度良く制御することができる。よって、マイクロ波加熱を用いて、冷凍品の解凍、発酵食品の発酵、薬品・化粧品の合成等に用いる場合にも好適である。
【実施例】
【００３１】
ＬＤＭＯＳＦＥＴを用いて以下の条件で自励発振させた。
【００３２】
パルス制御回路生成のゲート電圧：Ｖｇ＝２．１Ｖ
電源回路によるドレイン電圧：Ｖｄ＝２８Ｖ
初期時のドレイン電流（直流分）：Ｉｄｑ＝１．３Ａ
発振時のドレイン電流（直流分）：Ｉｄｑ＝１０．１Ａ
出力電圧：０Ｗ〜１３７Ｗ  （デューティ比０〜１００％）
電力付加効率：約５０％  （デューティ比０〜１００％）
デューティ比０〜１００％において、ほぼ５０％の電力付加効率を得ることができた。
【符号の説明】
【００３３】
１０  マイクロ波電力発振器
１２  半導体素子
１４  正帰還回路
２０  パルス制御回路
３０  共振器
【図１】
2014212469.tif 000003
【図２】
2014212469.tif 000004
【図３】
2014212469.tif 000005
【図４】
2014212469.tif 000006
【図５】
2014212469.tif 000007
【図６】
2014212469.tif 000008