(57)【要約】【課題】１台のヒートシンクに複数の増幅器を配置する場合に、複数の増幅器のレイアウトを容易に変更できるようにする。【解決手段】高周波増幅装置１００は、内部に空洞部を有する筒型のヒートシンク１０と、ヒートシンク１０とは別体の筐体内に増幅回路と電源回路とを含む回路を備え、ヒートシンク１０の外壁面に配置された、複数の増幅器２０ａ〜２０ｆと、を有する。複数の増幅器２０ａ〜２０ｆは、各増幅器のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域が、隣接する増幅器のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域以外の領域に対向するように配置されている。【選択図】図１
2015213123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞部を有する筒型のヒートシンクと、
前記ヒートシンクとは別体の筐体内に増幅回路と電源回路とを含む回路を備え、前記ヒートシンクの外壁面に配置された、複数の増幅器と、
を有し、
前記複数の増幅器は、各増幅器の前記ヒートシンクの周方向における発熱量の最も大きい領域が、隣接する増幅器の前記ヒートシンクの周方向における発熱量の最も大きい領域以外の領域に対向するように配置されている、
高周波増幅装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクはＮ角形の筒状の外形を有し、前記複数の増幅器はＮ個であり、前記ヒートシンクの各外壁面に１個の増幅器が配置されている、
請求項１に記載の高周波増幅装置。
【請求項３】
前記ヒートシンクはＮ角形の筒状の外形を有し、前記複数の増幅器は前記ヒートシンクの筒軸を中心として、回転対称となる位置に配置されている、
請求項１に記載の高周波増幅装置。
【請求項４】
前記ヒートシンクの内部に冷却媒体が流され、
前記ヒートシンクの内部には、前記冷却媒体の流路を、前記ヒートシンクの筒軸に平行な複数の流路に細分化するフィンが形成されている、
請求項１から３の何れか１項に記載の高周波増幅装置。
【請求項５】
前記複数の増幅器は、それぞれ、前記ヒートシンクの外壁面に着脱可能に取り付けられている、
請求項１から４の何れか１項に記載の高周波増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波帯の通信のための通信機器、レーダ装置等には、出力するマイクロ波を増幅するため高周波増幅器が用いられる。高周波増幅器はＦＥＴ(Field Effect Transistor)等の増幅素子を含む。このため、これら増幅素子で発生した熱を放熱するためヒートシンクが使用される。
【０００３】
複数台の高周波増幅器を並列に動作させる場合、全体として充分な性能を確保するためには、複数台の高周波増幅器の温度環境を均一にする必要がある。特許文献１には、複数台の高周波増幅器の温度環境を均一化するため、ヒートシンクの上面と下面にそれぞれ回路基板（高周波増幅器本体）を配置して、２台の高周波増幅器を一体に構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開平３−１０６７９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、略直方体のヒートシンクの対向する２面（上面、下面）にそれぞれ高周波増幅器本体となる回路基板を配置し、その回路基板をカバーで覆って高周波増幅器を構成することが記載されている。このため、故障等により高周波増幅器本体を交換する必要が生じた場合、カバー及び回路基板を取り外す必要があり、煩雑である。
【０００６】
さらに、特許文献１に記載の高周波増幅装置では、回路基板（高周波増幅器本体）を配置していない２つの側面に電源盤を配置するため、ヒートシンク１台に配置できる回路基板（高周波増幅器本体）は２つに限られ、それ以上の数の回路基板（高周波増幅器本体）を配置することができない。従って、２台以上の高周波増幅器本体が必要とされる場合、高周波増幅器本体の台数に応じて、ヒートシンクの台数が多くなり、構成が大型化してしまう。高周波増幅器に限らず他の増幅器（例えば、大電力増幅器）においても、同様の問題が存在する。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、１台のヒートシンクに複数の増幅器を配置する場合に、複数の増幅器のレイアウトを容易に変更できるようにすることを目的とする。
また、本発明は、１台のヒートシンクで多数の増幅器を冷却できるようにすることを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る高周波増幅装置は、内部に空洞部を有する筒型のヒートシンクと、ヒートシンクとは別体の筐体内に増幅回路と電源回路とを含む回路を備え、ヒートシンクの外壁面に配置された、複数の増幅器と、を有する。複数の増幅器は、各増幅器のヒートシンクの周方向における発熱量の最も大きい領域が、隣接する増幅器のヒートシンクの周方向における発熱量の最も大きい領域以外の領域に対向するように配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヒートシンクと別体の筐体を有する増幅器をヒートシンクに複数配置するので、複数の増幅器のレイアウトを容易に変更できる。さらに、１台のヒートシンクで多数の増幅器を冷却できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高周波増幅装置の斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る増幅器の発熱素子の配置の例を示す図であり、図１に示す高周波増幅装置をＸ軸方向から見た図である。
【図３】発熱素子の配置の他の例を示す図であり、図１に示す高周波増幅装置をＸ軸方向から見た図である。
【図４】半道体素子の配置による発熱の様子を示すための図であり、（ａ）は、図２に示す構成による発熱分布、（ｂ）は、図３の構成による発熱分布、（ｃ）は、Ｙ軸に沿って発熱量が増減しながら大きくなる発熱分布の例、（ｄ）は、Ｙ軸に沿って発熱量が増減しつつ中央部で大きくなる発熱分布の例、（ｅ）は、隣接する増幅器が異なる発熱分布を有する例、を示す。
【図５】実施の形態１に係る増幅器の回路基板を上から見たときの半導体素子の配置を示す図である。
【図６】（ａ）は、ヒートシンクに取り付ける増幅器の配置の例を示す図であり、（ｂ）は、増幅器の他の配置の例を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る高周波増幅装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態に係る高周波増幅装置を説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係る高周波増幅装置１００の斜視図を示す。図１においては、増幅器２０の内部の構成を示すため、上部（紙面上側）に配置されている１個の増幅器２０ａの透視図を示している。
【００１３】
高周波増幅装置１００は、１台のヒートシンク１０に６台の増幅器２０（２０ａ〜２０ｆ）が配置された構成を有する。これら６個の増幅器２０（２０ａ〜２０ｆ）は、例えば、それぞれが異なる帯域の信号を増幅する構成を有していてもよい。あるいは、分割回路で分割された信号が６個の増幅器２０（２０ａ〜２０ｆ）に供給され、６個の増幅器２０（２０ａ〜２０ｆ）が供給された信号を並行して増幅し、後続する信号合成回路等に出力するような構成でもよい。
【００１４】
ヒートシンク１０は、その外形が６角形の筒状となるように、外壁面が面取りされている。面取りされた各面に６個の増幅器２０がネジ等の着脱可能な固定手段により着脱可能にそれぞれ取り付けられている。あるいは、ヒートシンク１０と増幅器２０の互いに接する面に、嵌合部（凹部と凸部等）を形成しておき、ヒートシンク１０に増幅器２０を嵌合させて取り付けてもよい。
【００１５】
ヒートシンク１０は、内部を冷却媒体が流れる強制冷却式のヒートシンクであり、金属から筒状に形成されている。ヒートシンク１０の内部には、放熱効率を上げるため、ハニカム形状の金属製のフィン１０ａが形成されている。フィン１０ａにより、ヒートシンク１０の内部は、断面が均一な６角形で互いに平行な冷却媒体の流路に分割されている。冷却媒体は、例えば、空気、水である。なお、ヒートシンク１０内に冷却媒体を流すためには、ファン、ポンプ等の機構を使用すればよい。
【００１６】
増幅器２０は、ヒートシンク１０とは別個に製造されたものである。増幅器２０は、金属製の直方体の筐体２１と、筐体２１内に格納された回路基板２２を含む。また、増幅器２０は、それぞれ筐体２１内に増幅回路、電源回路を備えている。ここでは、６個の増幅器２０はすべて同様の構成を備えるものとする。なお、増幅器２０は、それぞれ異なる構成を備えていてもよい。
【００１７】
筐体２１には、電力入出力コネクタ２３ａ、２３ｂと電源制御コネクタ２４とが設けられている。電力入出力コネクタ２３ａ、２３ｂ、電源制御コネクタ２４は、回路基板２２に形成された回路に接続されている。
【００１８】
電力入出力コネクタ２３ａは、同軸ケーブル等の配線を介して通信機器が有する各種フィルタ等に接続されている。電力入出力コネクタ２３ａを介して、増幅対象の高周波信号（電力）が増幅器２０に供給される。また、電力入出力コネクタ２３ｂは、同軸ケーブル等の配線を介して、後続する信号処理回路に接続されている。電力入出力コネクタ２３ｂを介して、増幅器２０により増幅された高周波信号（電力）が後続する回路に供給される。
【００１９】
電源制御コネクタ２４は、配線を介して、通信機器の制御回路等に接続されており、制御回路から供給される制御信号を増幅器２０に供給する。増幅器２０が備える電源回路は、その制御信号に基づいて、回路基板２２上の各回路への電源供給の有無を切り替える。
【００２０】
回路基板２２は、プリント基板から構成され、回路基板２２上には、増幅器２０の動作に必要な増幅回路、電源回路等の各種回路が配置されている。回路基板２２上の各種回路は、半導体素子２５を含む。なお、図１においては、図面の見やすさのため、回路基板２２上に３個の半導体素子２５を図示しているが、半導体素子２５の数は３個に限られない。半導体素子２５は、詳細を後述するように、ヒートシンク１０上の周方向の発熱量の分布が均一となるように配置・設計されることが望ましい。ただし、完全な均一は困難であるので、発熱量の大きい領域がヒートシンク１０上で集中しないように、その配置位置が設計されている。
【００２１】
次に、このように構成された高周波増幅装置１００の増幅動作を説明する。
前段の回路から供給された増幅対象の高周波信号は、各増幅器２０の電力入出力コネクタ２３ａを介して増幅回路に供給される。増幅回路は、制御回路から供給される制御信号に従って、電源回路から供給される電力を用いて、供給された高周波信号を増幅し、電力入出力コネクタ２３ｂを介して後段の回路に供給する。
【００２２】
増幅回路及び電源回路、特にそれらを構成する半導体素子２５は、信号増幅の過程で、電力を消費し、発熱する。増幅回路で発生した熱は、ヒートシンク１０により放熱される。
【００２３】
以下、半導体素子２５により発生した熱の放熱について説明する。
ヒートシンク１０において、フィン１０ａにより構成される冷却媒体の流路は、互いに平行に形成されている。従って、半導体素子２５のうち、冷却媒体の流路の方向に同一の位置にある半導体素子（熱源）は、同一の冷却媒体により放熱される。このため、ヒートシンク１０の冷却媒体の流れる方向に平行な軸（ヒートシンク１０を構成する６角筒の中心軸）をＸ軸、Ｘ軸に直角で且つ回路基板２２に平行な軸をＹ軸とする二次元座標を設定すると、Ｙ座標が同一の位置にある半導体素子２５は、放熱の観点からは、同一位置にあると見なすことができる。
【００２４】
このような観点に基づいて、Ｙ座標が同一の位置に存在する半導体素子２５を発熱素子として纏めて表すと、図２に示すようになる。図２は、発熱素子の配置の例を示しており、高周波増幅装置１００のＸ軸方向から見た図である。図２において、増幅器２０ａの回路基板２２ａをＹ軸方向に３つに分割したときの、各区分に存在する半導体素子２５を纏めて発熱素子１ａ、２ａ、３ａとして示す。さらに、発熱素子１ａ、２ａ、３ａのサイズは、その総発熱量を表している。例えば、増幅器２０ａは、紙面に向かって右側の領域に配置された半導体素子２５の総発熱量＞中央の領域に配置された半導体素子２５の総発熱量＞左側の領域に配置された半導体素子２５の総発熱量、という関係にあることを示している。
以下、発熱素子１ａ〜１ｆを発熱素子１、発熱素子２ａ〜２ｆを発熱素子２、発熱素子３ａ〜３ｆを発熱素子３と呼ぶことがある。
【００２５】
全ての増幅器２０は同一の構成を有する。従って、発熱素子１〜３の並び順は、すべての増幅器２０で同一である。このため、図２に示す配置では、回路基板２２ａ〜２２ｆを一列に展開して示すと、図４（ａ）に示すような発熱分布を示す。
【００２６】
このような配置のため、例えば、増幅器２０ａの発熱量の最も大きい発熱素子１ａは、増幅器２０ｂの発熱量の最も小さい発熱素子３ｂと最も近接する。また、増幅器２０ａの最も発熱量の小さい発熱素子３ａは、増幅器２０ｆの発熱量の最も大きい発熱素子１ｆと最も近接する。つまり、各増幅器２０が有する最も発熱量の大きい発熱素子が互いに近接しない。
【００２７】
このように、各増幅器２０のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域（発熱素子１）が、隣接する増幅器２０のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域以外に対向するよう配置される。
【００２８】
６個の増幅器２０は、ヒートシンク１０の面取りされた外壁面に取り付けられているため、各増幅器２０が有する発熱素子１〜３から放熱される熱は、ヒートシンク１０内に拡散する。図２において、各発熱素子１〜３からヒートシンク１０内に向かう方向へ扇形の図形ｄ＿１ａ〜ｄ＿３ｆを示しているが、これは、各発熱素子１ａ〜３ｆから放熱される熱の拡散範囲を示している。図示するように、熱は放射状に拡散するが、その拡散範囲は、一般的には、冷却媒体内では熱の伝達特性が等方性であるため、増幅器２０が取り付けられている面の法線に対して４５°以内の範囲である。
【００２９】
各増幅器２０の最も発熱量の大きい発熱素子１が、互いに近接しないようなに配置されているため、発熱素子１〜３から放熱される熱によるヒートシンク１０内に局所的な熱集中が発生することを抑制できる。局所的な熱集中を抑制できるため、冷却媒体をヒートシンク１０内に流して放熱したときに、ヒートシンク１０内のある部分については充分に冷却できていないという状態の発生を防止できる。このように、ヒートシンク１０内の温度環境のムラをなくすことで、ヒートシンク１０に取り付けられている全ての増幅器２０を均一に冷却することができる。
【００３０】
増幅回路及び電源回路を構成する半導体素子２５は、上述の放熱関係が成立するように、その発熱量を考慮して、その配置が設計される。
【００３１】
本実施の形態では、各増幅器２０は個々の筐体２１を有しており、各増幅器２０をネジなどの着脱可能な手段でヒートシンク１０に取り付ける構成を採用している。このため、例えば、６個の増幅器２０のうちのいずれかを故障などにより交換する必要が発生した場合には、該当する増幅器２０だけを取り外し、新たな増幅器２０を取り付ければよい。このように、高周波増幅装置１００は、簡易な構成で、増幅器２０のレイアウトの変更が容易である。
【００３２】
（変形例）
上述の実施の形態では、各増幅器２０に含まれる発熱素子１〜３を発熱量の順に配置したが、発熱素子１〜３の配置はこれに限られない。以下、発熱素子１〜３の配置についての変形例を説明する。なお、発熱素子１〜３の配置以外の構成については実施の形態１と同様である。
【００３３】
図３に、発熱素子１〜３の配置についての他の例として、高周波増幅装置１００のＸ軸方向から見た図を示す。本変形例では、各回路基板２２において、発熱量が最も大きい発熱素子１を中央に配置している。そして、発熱素子１より発熱量が小さい発熱素子２、３を発熱素子１の両側に配置している。そして、発熱素子１〜３がこのような配置となるように、半導体素子２５の配置を調整している。このため、図３に示す配置では、回路基板２２ａ〜２２ｆを一列に展開して示すと、図４（ｂ）に示すような発熱分布を示す。
【００３４】
この例においても、各増幅器２０の発熱量が最も大きい発熱素子１が互いに近接しないように配置されるため、各増幅器２０のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域（発熱素子１）は、隣接する増幅器２０のヒートシンク１０の周方向における発熱量の最も大きい領域以外の領域に対向するように配置することができる。よって、ヒートシンク１０内において局所的な熱の集中が発生することを抑制することができる。
【００３５】
半導体素子２５の配置は、さらに、図２及び図３に示す例に限定されない。例えば、図４（ｃ）に例示するように、Ｙ軸に沿って発熱量が増減しながら大きく（又は小さく）なる配置、図４（ｄ）に例示すように、Ｙ軸に沿って発熱量が増減し、中央部の発熱量が大きくなるような配置等でもよい。このように、隣接する回路基板２２の発熱量の大きい領域（例えば、ヒートシンク１０の各外壁面をその周方向に仮想的に３〜７等分したときに形成される領域）同士が隣接することを避けることができるならば、適宜設計可能である。
【００３６】
（応用例１）
以上の説明においては、同一のＹ座標位置に、Ｘ軸に沿って複数の半導体素子２５が配置されることを前提として説明したが、同一のＸ軸上には、１つの半導体素子２５のみが配置されるようにすることが望ましい。
【００３７】
図５に、増幅器２０の回路基板２２を上から見たときの半導体素子２５の配置例を示す。図５において、ハッチング領域は、各半導体素子２５の冷却に使用される冷却媒体の流れるエリアを示す。この構成例では、３つの半導体素子２５ａ〜２５ｃは、Ｘ軸方向にも、Ｙ軸方向にも重ならないように、配置されている。
【００３８】
このような配置構成にすると、ある半導体素子２５を冷却することにより温められた冷却媒体が、冷却媒体の下流に配置された半導体素子２５を冷却するために使用されることがない。よって、効率的に各半導体素子２５を冷却することができる。さらに、向上した冷却効率の分だけヒートシンク１０の体積を削減することができる。
【００３９】
（実施の形態２）
以上の説明では、正６角筒形状のヒートシンク１０の面取りされた各面に６台の増幅器２０を取り付ける例を説明したが、ヒートシンク１０のすべての面に増幅器２０を設ける必要はない。ヒートシンク１０に１〜５台の増幅器２０を取り付ける構成としてもよい。この場合、ヒートシンク１０の筒軸を中心に増幅器２０を回転対象の位置に配置することが望ましい。６角筒形状のヒートシンク１０に２台の増幅器２０を取り付ける構成例を図６（ａ）に、ヒートシンク１０に３台の増幅器２０を取り付ける構成例を図６（ｂ）にそれぞれ示す。
【００４０】
図６に示す例でも、発熱量の大きい発熱素子１同士が近接しないような構成を採用する。従って、高い冷却効率で増幅器２０を冷却することができる。よって、効率的に高周波増幅器の温度環境を均一にすることができる。
【００４１】
また、ヒートシンク１０の形状は、正６角筒状に限定されない。正４角筒状、正８角筒状等、任意の正多角形筒状を採用可能である。さらに、ヒートシンク１０の形状は、正多角形以外の多角筒状でもよい。同様に、フィンの形状も正６角形状に限定されず、任意の形状が可能である。
【００４２】
図７に非正多角形筒から形成され、且つ、フィンの形状が６角形以外の形状を有するヒートシンク１１を備える高周波増幅装置２００の例を示す。
ヒートシンク１１は、金属から構成され、その断面が長方形である筒型（直方体形状）のヒートシンクである。ヒートシンク１１の内部にはフィン１１ａが形成されている。ここでは、図示するように、板状のフィン１１ａがほぼ同じピッチで配置されており、ヒートシンク１１の内部は、断面が均一な四角形の冷却媒体の流路に分割されている。増幅器２０の構成は、上述の実施の形態１と同様である。
高周波増幅装置２００は、ヒートシンク１１の上面と下面に、それぞれ１台の増幅器２０がネジ等の簡易に着脱可能な手段により取り付けられた構成を有する。
【００４３】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、最も大きな発熱量を発する発熱素子同士が隣接（対向）しないように配置されることにより、効率的に増幅器２０を冷却することができる。また、さらに、応用例１で説明した構成を採用することにより、より効率的に発熱素子の冷却を行うことができる。
【００４４】
この実施の形態では、ヒートシンク１１は直方体形状であるため、側面（紙面左右側）にさらに２つの増幅器２０を取り付けることも可能である。この場合、発熱素子の配置について、実施の形態１の発熱量の順で発熱素子を配置する構成、あるいは、変形例１の最も発熱量の大きい発熱素子を中央に配置する構成を採用することで、効率的に高周波増幅器の温度環境を均一にすることができる。
【００４５】
また、上述の説明では、理解を容易にするため、複数の増幅器２０が互いに同一の構成を有するとして説明したが、この発明は、これに限定されない。複数の増幅器２０は、互いに構成が異なってもよい。この場合、増幅器２０毎に、発熱の分布も異なる。この場合も、図４（ｅ）に例示するように、隣接する増幅器同士で発熱量の大きい発熱素子同士が近接しないような配置構成を採用することが望ましい。従って、高い冷却効率で増幅器２０を冷却することができる。よって、効率的に高周波増幅器の温度環境を均一にすることができる。
【００４６】
また、上述の説明では、ヒートシンク及びフィンを金属で形成する例を挙げたが、ヒートシンク及びフィンを形成する材料は金属に限らず、熱伝導率がよい材料であればよい。
【００４７】
上述の例では、ヒートシンク１０として、内部に冷却媒体を流す強制冷却式のヒートシンクを採用する例を説明したが、自然空冷式などの自然冷却のヒートシンクを使用してもよい。
【００４８】
また、以上の説明では、発熱源として、半導体素子（チップ）２５を例示したが、抵抗素子等、電力を消費して発熱するものであれば、その構成や素材は任意である。
【００４９】
さらに、上記実施の形態では、放熱の対象としての高周波増幅器を備える高周波増幅装置を示したが、この発明は、これに限定されず、信号を増幅して発熱する増幅器とこれを冷却するヒートシンクとを備える増幅装置、電力を消費して発熱する電子回路とこれを冷却するヒートシンクとを備える電子機器等にも広く適用可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１（１ａ〜１ｆ）  発熱素子、２（２ａ〜２ｆ）  発熱素子、３（３ａ〜３ｆ）  発熱素子、１０  ヒートシンク、１０ａ  フィン、１１  ヒートシンク、１１ａ  フィン、２０（２０ａ〜２０ｆ）  増幅器、２１  筐体、２２（２２ａ〜２２ｆ）  回路基板、２３ａ  電力入出力コネクタ、２３ｂ  電力入出力コネクタ、２４  電源制御コネクタ、２５（２５ａ〜２５ｃ）  半導体素子、１００  高周波増幅装置、２００  高周波増幅装置。
【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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