(57)【要約】【課題】  本発明は、マイクロ波増幅素子の発熱分布に応じたヒートパイプを選定でき効率的な熱輸送が可能となり、冷却部の設置が容易となる増幅素子アレーの排熱装置及びそれを用いたマイクロ波送信装置を提供することを目的とする。【解決手段】  マイクロ波増幅素子２０を２次元配置した増幅素子アレー２２で発生した熱を複数のヒートパイプ２４ａ〜２４ｆにより排熱する増幅素子アレーの排熱装置において、複数のヒートパイプは、マイクロ波増幅素子を２次元配置した平面上で増幅素子アレーの外側から中心位置まで延在する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波増幅素子を２次元配置した増幅素子アレーで発生した熱を複数のヒートパイプにより排熱する増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプは、前記マイクロ波増幅素子を２次元配置した平面上で前記増幅素子アレーの外側から中心位置まで延在することを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項２】
請求項１記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記マイクロ波増幅素子を挟んで平行に延在することを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項３】
請求項２記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記増幅素子アレーの中心位置にて先端が前記マイクロ波増幅素子の長軸方向に折れ曲がったことを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項４】
請求項１記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、可撓性を有し前記マイクロ波増幅素子の外周に密着するよう屈曲されたことを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項５】
請求項２または４記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記マイクロ波増幅素子の長軸方向の幅が大きい帯状であることを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記マイクロ波増幅素子の長軸方向の複数位置に配設されたことを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項７】
請求項６記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記マイクロ波増幅素子の長軸方向の複数位置に配設された複数のヒートパイプそれぞれで、異なる作動液を使用することを特徴とする増幅素子アレーの排熱装置。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか記載の増幅素子アレーの排熱装置を用いて構成したことを特徴とするマイクロ波送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、増幅素子アレーの排熱装置及びそれを用いたマイクロ波送信装置に関し、特に、複数のマイクロ波増幅素子を束ねて構成される増幅素子アレーの排熱装置及びそれを用いたマイクロ波送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放送衛星に送信用フェーズドアレーアンテナを搭載して放射パターンを変化させることにより、降雨減衰を補償するシステムの研究が行われている（例えば、非特許文献１参照。）。このような送信用フェーズドアレーアンテナでは、所望の放射パターンつまり放射電力分布を実現するために、マイクロ波増幅素子を２次元配置した増幅素子アレーが用いられる。
【０００３】
増幅素子アレーは送信システムの給電部として用いられ、放射パターンは各増幅素子の空間合成で決定される。加えて各増幅素子の入力電力および位相を制御するＢＦＮ（Ｂｅａｍ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ｎｅｔｗｏｒｋ：ビーム形成回路）、増幅素子毎の濾波器および電磁ホーンを伴って一体のシステムとして利用される。また、電磁ホーンに相対する１枚以上の反射鏡を伴うこともある。
【０００４】
所望の放射パターンを得るには、給電部を構成する増幅素子アレー素子数が多いほうが望ましく、素子間隔が狭いほうが望ましい（非特許文献１参照）。このため、増幅素子アレーは２次元的に密集配置され、中心部の素子ほど熱がこもりやすくなるため、排熱処理は必須である。
【０００５】
図１、図２を用いて、従来の排熱方法を説明する。図１は、従来の増幅素子単体を冷却する排熱方法の一例の斜視図を示す。同図中、マイクロ波増幅素子１の長軸方向と平行にベースプレート３を設け、マイクロ波増幅素子１の発熱部分２ａ，２ｂをベースプレート３上に接触させて、ベースプレート３を冷却部として排熱処理を行う。
【０００６】
図２は、従来の増幅素子アレーを冷却する排熱方法の一例の斜視図を示す。同図中、マイクロ波増幅素子５の長軸方向と平行に設けたヒートパイプ７，８でマイクロ波増幅素子５を挟み、ヒートパイプ７，８の熱輸送によってマイクロ波増幅素子５の発熱部分６ａ，６ｂから冷却部９への排熱処理を行う（非特許文献２参照）。なお、この図ではマイクロ波増幅素子１本分のヒートパイプ７，８のみを示している。
【非特許文献１】田中祥次、他２名、「フェーズドアレー給電反射鏡アンテナにおける一次給電アレー構成の検討」、２００２年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ−１−６１
【非特許文献２】亀井雅、他５名、２００３年「２１ＧＨｚ帯放送衛星搭載フェーズドアレー用ヒートパイプ付小型・細径ＴＷＴ」、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会、Ｂ−３−１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１に示す従来の排熱方法は、マイクロ波増幅素子を２次元配置した増幅素子アレーに適用することはできない。
【０００８】
マイクロ波増幅素子を２次元配置した増幅素子アレーに図２に示す従来の排熱方法を適用した場合には次のような問題が生じる。第１に、マイクロ波増幅素子５は例えば発熱部分６ａが１００°Ｃで発熱部分６ｂが５０°Ｃというように長軸方向に発熱分布・温度分布をもつため、ヒートパイプ７，８の動作温度、熱輸送力の設定が難しく効率的に排熱ができないという問題があった。
【０００９】
マイクロ波増幅素子５の動作温度は−数１０°Ｃ〜＋１００°Ｃと非常に幅が広く発熱によって高温になるため、ヒートパイプ７，８の熱輸送力は大きいほうが望ましく、潜熱の大きい水は都合のよい作動液である。しかし、水の動作点は５０°Ｃ以上であり、それより温度の低い発熱部分６ａは冷却されない。一方、エタノールは５０°Ｃ以下の低温でも動作するが熱輸送力が小さい。このように、ヒートパイプ設置方向に温度分布があるとヒートパイプで用いる作動液の選定が非常に難しい。また、マイクロ波増幅素子５の長軸方向に排熱することでヒートパイプ７，８が長くなるため、熱コンダクタンスが増加し、効率的な排熱を妨げる要因となる。
【００１０】
第２に、ヒートパイプの冷却部９の設置が困難であるという問題があった。マイクロ波増幅素子５の長軸方向の延長上前方には、図３に示すように、濾波器１０、電磁ホーン１１を設置し、後方には導波管１２を介して図示しないＢＦＮを設置してマイクロ波送信装置を構成するが、これらもマイクロ波増幅素子５と同様に密集配置される。ヒートパイプ７，８の排熱方向もマイクロ波増幅素子５の長軸方向であるから、ヒートパイプの冷却部９の設置空間が非常に限られてしまう。
【００１１】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、マイクロ波増幅素子の発熱分布に応じたヒートパイプを選定でき効率的な熱輸送が可能となり、冷却部の設置が容易となる増幅素子アレーの排熱装置及びそれを用いたマイクロ波送信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、マイクロ波増幅素子を２次元配置した増幅素子アレーで発生した熱を複数のヒートパイプにより排熱する増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプは、前記マイクロ波増幅素子を２次元配置した平面上で前記増幅素子アレーの外側から中心位置まで延在することにより、
マイクロ波増幅素子の長軸方向の発熱分布に応じ最適な動作温度及び熱輸送力を持つヒートパイプを選定でき、冷却部を増幅素子アレーの外側に配置することができ、効率的な熱輸送が可能となる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記マイクロ波増幅素子を挟んで平行に延在することにより、
ヒートパイプは複数のマイクロ波増幅素子から効率的に熱を収集することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、可撓性を有し前記マイクロ波増幅素子の外周に密着するよう屈曲されたことにより、
断面が矩形以外のマイクロ波増幅素子で構成される増幅素子アレーの排熱を効率よく行うことができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記複数のヒートパイプそれぞれは、前記マイクロ波増幅素子の長軸方向の複数位置に配設され、更に、請求項７に記載の発明は、請求項６記載の増幅素子アレーの排熱装置において、
前記マイクロ波増幅素子の長軸方向の複数位置に配設された複数のヒートパイプそれぞれで、異なる作動液を使用することにより、
マイクロ波増幅素子の長軸方向の複数位置それぞれで最適な動作温度及び熱輸送力を持つヒートパイプを選定できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、マイクロ波増幅素子の長軸方向の発熱分布に応じ最適な動作温度及び熱輸送力を持つヒートパイプを選定でき、冷却部を増幅素子アレーの外側に配置してすることができ、効率的な熱輸送が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
図４は本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第１実施形態の斜視図を示し、図５は図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、図６は図５の一部拡大図を示す。
【００１９】
図４において、複数のマイクロ波増幅素子２０はＴＷＴ（Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｗａｖｅ  Ｔｕｂｅ：進行波管）で構成されている。隣接するマイクロ波増幅素子２０の離間間隔は１〜２波長程度であり、図６に示すように、隣接するマイクロ波増幅素子２０の中心が正三角形となるように、複数のマイクロ波増幅素子２０をＸ−Ｙ平面に２次元配置して増幅素子アレー２２を構成している。
【００２０】
なお、増幅素子アレー２２には、一般的にマイクロ波増幅素子２０の長軸方向（Ｚ方向）の前方に濾波器アレー、電磁ホーンアレーが接続され、後方にＢＦＮアレーが接続されてマイクロ波送信装置が構成される（図３参照）。
【００２１】
また、各マイクロ波増幅素子２０はＴＷＴのコレクタに対応する高温の発熱部分２１ａと、カソードに対応する低温の発熱部分２１ｂを有している。発熱部分２１ａには中空棒状（四角柱）のヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ（及び２６ａ〜２６ｆ）がＺ方向に複数（図４では４本）隣接して密着されている。発熱部分２１ｂには単一のヒートパイプ２８ａ〜２８ｆが密着されている。
【００２２】
図５に示すように、発熱部分２１ａに対応するヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆそれぞれは各マイクロ波増幅素子２０をＸ方向の両側から挟んだ状態で配設され、Ｘ−Ｙ平面上でＹ方向に平行して延在している。ヒートパイプ２４ａ〜２４ｆは一端を冷却部３０に接続され、他端を増幅素子アレー２２の中心位置までＹ方向に延在させている。
【００２３】
同様に、ヒートパイプ２６ａ〜２６ｆは一端を冷却部３２に接続され、他端を増幅素子アレー２２の中心位置までＹ方向に延在させている。なお、図４においては、上側のヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２８ａ〜２８ｆのみを図示し、ヒートパイプ２６ａ〜２６ｆ等は図示していない。
【００２４】
各ヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆ，２８ａ〜２８ｆは、発熱部とヒートパイプを密着させ効率的に排熱するため、各ヒートパイプの断面形状は矩形とされている。
【００２５】
２１Ｇ帯のマイクロ波の波長は約１４ｍｍであり、マイクロ波増幅素子２０間隔を１．５波長とすると約２０ｍｍとなる。図６に示すように、Ｘ方向に隣接するマイクロ波増幅素子２０の離間間隔は１７ｍｍである。また、マイクロ波増幅素子２０の導波管のカットオフ周波数より、ＥＩＡＪ規格ＷＲＩ−２２０（内径約１１ｍｍ）相当の導波管３４を用い、管の肉厚、フランジおよびケース厚を２ｍｍとすると、マイクロ波増幅素子２０間のスペースは約２ｍｍとなる。このため、各ヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆ，２８ａ〜２８ｆの厚みは２ｍｍ以下にする。
【００２６】
マイクロ波増幅素子２０は長軸方向（Ｚ方向）で発熱に分布を生じており、カソードから放出された電子が衝突するコレクタに対応する高温の発熱部分２１ａと、電子放出のために加熱している低温のカソードに対応する発熱部分２１ｂを有する。
【００２７】
このため、発熱量が大きいコレクタ周辺の発熱部分２１ａはヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆの作動液に熱輸送力の高い水を採用し、発熱量の少ないカソード周辺の発熱部分２１ｂのヒートパイプ２８ａ〜２８ｆの作動液には低温動作が可能なエタノールを採用する。このように、発熱部位に応じた動作温度、熱輸送力のヒートパイプを選択できるため、効率的な排熱が可能となる。また、発熱量が大きい発熱部分２１ａにはヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆそれぞれをＺ方向に複数設けることにより更に効率的な排熱が可能となる。
【００２８】
また、発熱部分２１ａ，２１ｂの長さが図５に示すマイクロ波増幅素子２０の配置面の半径に比べて長くなる場合、各ヒートパイプ２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆ，２８ａ〜２８ｆの熱輸送長を短くすることができ、効率的な排熱が可能となる。また、冷却部３０，３２は増幅素子アレー２２の外側に配置することができるので、冷却部３０，３２の設置は従来のベースプレートと同様に簡単である。
【００２９】
ここで、非特許文献１から送信用フェーズドアレーアンテナにおける増幅素子アレーの素子数は約１６０素子程度が必要となる。これに非特許文献２からマイクロ波増幅素子のＺ方向長さ３０ｃｍ、素子間隔２ｃｍ、周波数２１ＧＨｚのＴＷＴを適用すると、増幅素子アレーの直径は約３０ｃｍとなる。このため、最大の熱輸送長は増幅素子アレーの半径である約１５ｃｍとなる。
【００３０】
図７は本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第１実施形態の変形例の斜視図を示す。同図中、図４と同一部分には同一符号を付す。図７に示すように、先端がＬ字形に折れ曲がったヒートパイプ３６を用いて発熱部分２１ａの熱をヒートパイプ３６のＺ方向に延在する部分３６ａで熱を収集し、ヒートパイプ３６のＹ方向に延在する部分３６ｂによって増幅素子アレー２２の外に配置された冷却部３８まで導き排熱することも可能である。
【００３１】
図８は、本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第２実施形態の断面図を示す。ここでは、マイクロ波増幅素子の発熱部分の断面（Ｘ−Ｙ面）を示している。同図中、マイクロ波増幅素子４０は断面が円形とされており、隣接するマイクロ波増幅素子４０の中心が正三角形となるように、複数のマイクロ波増幅素子４０をＸ−Ｙ平面に２次元配置して増幅素子アレー４２を構成している。
【００３２】
増幅素子アレー４２の外周には冷却部４４１〜４４６が配設され、各冷却部４４１〜４４６それぞれから中空棒状または中空帯状のヒートパイプ４６ａ，４６ｂが増幅素子アレー４２に向けて延在している。各ヒートパイプ４６ａ，４６ｂは可撓性を有する材料で形成されており、断面が円形のマイクロ波増幅素子４０の外周に密着するよう屈曲されている。ヒートパイプ４６ａは増幅素子アレー４２の外周近傍のマイクロ波増幅素子４０の外周に密着するよう屈曲されており、ヒートパイプ４６ａは隣接するマイクロ波増幅素子４０の外周に密着しつつ増幅素子アレー４２の中心部のマイクロ波増幅素子４０に至るよう屈曲されている。
【００３３】
このように、フレキシブルなヒートパイプ４６ａ，４６ｂを用いることで、断面が矩形以外のマイクロ波増幅素子で構成される増幅素子アレー４２の排熱を効率よく行うことが可能となる。また、冷却部４４１〜４４６を増幅素子アレー４２の外周に配置することでヒートパイプの熱輸送長を短くして冷却効率を上げると共に、Ｚ方向の機器スペースを節約することができる。
【００３４】
なお、図４ではヒートパイプを中空棒状としているが、Ｚ方向の幅が大きい中空帯状としても良い。上記中空帯状のヒートパイプを用いれば図７のヒートパイプ３６のように先端を折り曲げる必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の増幅素子単体を冷却する排熱方法の一例の斜視図である。
【図２】従来の増幅素子アレーを冷却する排熱方法の一例の斜視図である。
【図３】マイクロ波送信装置におけるマイクロ波増幅素子の前後の接続構造を示す図である。
【図４】本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第１実施形態の斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図６】図５の一部拡大図である。
【図７】本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第１実施形態の変形例の斜視図である。
【図８】本発明の増幅素子アレーの排熱装置の第２実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
２０，４０  マイクロ波増幅素子
２２，４２  増幅素子アレー
２１ａ，２１ｂ  発熱部分
２４ａ〜２４ｆ，２６ａ〜２６ｆ，２８ａ〜２８ｆ，３６，４６ａ，４６ｂ  ヒートパイプ
３０，３８，４４１〜４４６  冷却部
３４  導波管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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