(57)【要約】  電力増殖器および方法が提供される。電力増殖器は、多数の集中素子から構成された、多重接続速度抑制回路である電力増殖ネットワークを含む。また電力増殖器は、発射ネットワークと、発射ネットワークを電力増殖ネットワークに結合する方向性結合器も含む。電力増殖器は、コンパクトな回路において、５０ヘルツ、６０ヘルツおよび他の電力周波数などの公称発電周波数での電力増殖をもたらす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の集中素子から構成された、多重接続速度抑制回路を備える電力増殖ネットワークと、
発射ネットワークと、
前記発射ネットワークを前記電力増殖ネットワークに結合する方向性結合器と、
を備える、電力増殖器。
【請求項２】
前記電力増殖ネットワークに結合されたダイバータをさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項３】
前記発射ネットワークに結合された電源をさらに備え、前記電源は励磁進行波を前記発射ネットワーク内に発射することができる、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項４】
進行波は、自由空間を通る前記進行波の伝搬の速度の１／１０を下回る速度で前記電力増殖ネットワークを通って伝搬する、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項５】
前記電力増殖ネットワークの閉鎖路長さは、前記電源により生成される前記励磁進行波の波長の１／１０を下回る、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項６】
前記電源は、６０ヘルツの公称周波数を有する前記励磁進行波を生成する、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項７】
前記電源は、５０ヘルツの公称周波数を有する前記励磁進行波を生成する、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項８】
前記電源は、４００ヘルツの公称周波数を有する前記励磁進行波を生成する、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項９】
前記方向性結合器は、前記発射ネットワークからの前記励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に結合する、請求項３に記載の電力増殖器。
【請求項１０】
前記電力増殖ネットワークの電気的長さは前記励磁進行波の波長の整数倍に略等しい、請求項９に記載の電力増殖器。
【請求項１１】
前記方向性結合器は、第２の数の集中素子を備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１２】
多数の発射ネットワークと、
多数の方向性結合器であって、それぞれは前記発射ネットワークの１つを前記電力増殖ネットワークに結合する方向性結合器と、
をさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１３】
前記電力増殖ネットワークにおいて伝搬する孤立波をさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１４】
前記発射ネットワークの終点は整合負荷で終了される、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１５】
前記電力増殖ネットワークは閉リングをさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１６】
前記電力増殖ネットワークは回路をさらに備え、前記集中素子はさらに多数のコンデン
サと多数のインダクタとを備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１７】
前記電力増殖ネットワークは少なくとも１つの電気構造をさらに備え、前記集中素子は前記少なくとも１つの電気構造において多数の内在するキャパシタンスと多数の内在するインダクタンスとをさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項１８】
前記電気構造は螺旋をさらに備える、請求項１７に記載の電力増殖器。
【請求項１９】
前記電気構造は、少なくとも２つの交差巻き（ｃｒｏｓｓ−ｗｏｕｎｄ）螺旋をさらに備える、請求項１７に記載の電力増殖器。
【請求項２０】
前記電気構造は、逆巻き（ｃｏｎｔｒａｗｏｕｎｄ）螺旋をさらに備える、請求項１７に記載の電力増殖器。
【請求項２１】
前記電力増殖ネットワークは電気構造を含む回路をさらに備え、前記集中素子は、多数のコンデンサと、多数のインダクタと、前記電気構造の多数の内在するキャパシタンスと、前記電気構造の多数の内在するインダクタンスとの組み合わせをさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項２２】
電気負荷と、
前記電力増殖ネットワークを前記負荷に二者択一的に結合する前記ダイバータと、
をさらに備える、請求項２に記載の電力増殖器。
【請求項２３】
前記ダイバータは、前記電力増殖ネットワークに貯蔵される電力の総量の一部を負荷に結合する、請求項２に記載の電力増殖器。
【請求項２４】
前記電力増殖ネットワークは超伝導素子から構成される、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項２５】
前記電力増殖ネットワークは低温素子から構成される、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項２６】
前記電力増殖ネットワークは動的電気通過帯をさらに備える、請求項１に記載の電力増殖器。
【請求項２７】
多数の集中素子から構成された、多重接続速度抑制回路を備える電力増殖ネットワークと、
進行波を前記電力増殖ネットワーク内に結合する手段と、
前記電力増殖ネットワークからの前記進行波を負荷に分流する手段と、
を備える、電力増殖器。
【請求項２８】
励磁進行波を発射する手段と、
前記励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に結合し、これにより前記進行波を生成する手段と、
をさらに備える、請求項２７に記載の電力増殖器。
【請求項２９】
前記励磁進行波を生成する手段をさらに備える、請求項２７に記載の電力増殖器。
【請求項３０】
前記電力増殖ネットワークの閉鎖路長さは電源により生成される前記励磁進行波の波長の１／１０を下回る、請求項２９に記載の電力増殖器。
【請求項３１】
前記励磁進行波の公称周波数は約５０ヘルツである、請求項２９に記載の電力増殖器。
【請求項３２】
前記励磁進行波の公称周波数は約６０ヘルツである、請求項２９に記載の電力増殖器。
【請求項３３】
前記励磁進行波の公称周波数は約４００ヘルツである、請求項２９に記載の電力増殖器。
【請求項３４】
前記電力増殖ネットワークは超伝導体から構成される、請求項２７に記載の電力増殖器。
【請求項３５】
前記電力増殖ネットワークは低温素子から構成される、請求項２７に記載の電力増殖器。
【請求項３６】
前記電力増殖ネットワークの電気通過帯を動的に変更する手段をさらに備える、請求項２７に記載の電力増殖器。
【請求項３７】
多数の集中素子から構成された、多重接続速度抑制回路を備える電力増殖ネットワーク内において進行波を一方向に伝搬するステップを含む、電力増殖方法。
【請求項３８】
前記電力増殖ネットワーク内において前記進行波を一方向に伝搬するステップは、前記電力増殖ネットワークにおいて増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記電力増殖ネットワーク内において前記進行波を一方向に伝搬するステップは、前記進行波の波長の１／１０を下回る閉路長さを有する前記電力増殖ネットワーク内において前記進行波を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記電力増殖ネットワーク内において前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップは、５０ヘルツに略等しい周波数を有する前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記電力増殖ネットワーク内において前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップは、６０ヘルツに略等しい周波数を有する前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
前記電力増殖ネットワーク内において前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップは、４００ヘルツに略等しい周波数を有する前記増殖されたＡＣ電力信号を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
前記電力増殖ネットワーク内において前記進行波を一方向に伝搬するステップは、前記電力増殖ネットワーク内で増殖された孤立波を一方向に伝搬するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に一方向に結合するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
前記励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に一方向に結合するステップは、
前記励磁進行波を発射ネットワーク内に発射するステップと、
前記発射ネットワークからの前記励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワ
ーク内に一方向に結合するステップと、
をさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記発射ネットワークからの前記励磁進行波の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に一方向に結合するステップは、方向性結合器を使用して前記発射ネットワークからの前記励磁進行波を前記電力増殖ネットワーク内に一方向に結合するステップをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記励磁進行波を前記電力増殖ネットワークにおける前記進行波と空間的に同期するステップをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記増殖された電気的電力信号を前記電力増殖ネットワークから電気負荷へと分流するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４９】
多数の励磁進行波を、対応する多数の発射ネットワーク内に発射するステップと、
前記発射ネットワークからの前記励磁進行波の各々の少なくとも一部を前記電力増殖ネットワーク内に一方向に結合するステップと、
をさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項５０】
進行波は、超伝導素子から構成される前記電力増殖ネットワーク内に一方向に伝搬される、請求項３７に記載の方法。
【請求項５１】
進行波は、低温素子から構成される前記電力増殖ネットワーク内に一方向に伝搬される、請求項３７に記載の方法。
【請求項５２】
前記電力増殖ネットワークの電気通過帯を動的に変更させるステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は“ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＰＯＷＥＲ  ＭＵＬＴＩＰＬＩＣＡＴＩＯＮ”と題する２００５年２月１８日に出願された米国特許出願第１１／０６２，０３５号の一部継続出願である。また本願は、本願と同日付で出願され、出願番号１１／０６２，１７９号を付された、“Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ”と題する係属中の米国特許出願にも関連する。
【背景技術】
【０００２】
背景
電力増殖は、電力技術の現状を鑑みて経済的または物理的に提供不可能である大きな電力源を必要とする多くの用途にとって望ましいであろう。例えば、エネルギー貯蔵および電力増殖に対して、従来の機械的フライホイールおよび容量貯蔵装置の使用を試みているものもある。しかしながら、かかるアプローチは、貯蔵されたエネルギーが抽出され放出されるときに出力される電力の振幅および／または周波数における減衰ゆえに、不十分なことが多い。
【０００３】
また、電力増殖は、電気エネルギーを蓄積し、実ＡＣ電力を増大または拡大するための電磁路構成を使用して電気的に達成され得る。かかる技術は、Ｔｉｓｃｈｅｒ，Ｆ．Ｊ．，Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｒｉｎｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−５，１９５７，ｐｐ．５１−５６により教示されている。Ｔｉｓｃｈｅｒにより提案された電力増殖器により、所与の発電機の出力電力レベルの１０倍から５００倍の実用的電力増殖を得ることが可能となる。電力増殖は、振幅または周波数の何れにおいても感知可能な減衰なしで得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、Ｔｉｓｃｈｅｒにより提案された電力増殖器は比較的短い波長で動作し、Ｔｉｓｃｈｅｒにより提案される電磁路の電気的長さがそこで増殖される進行波の波長の整数倍に等しいことを考えると、装置の物理的円周はおおよそ自由空間波長の整数である。かかる短い波長では、電磁路の物理的大きさは実際に構成可能な大きさである。しかしながら、Ｔｉｓｃｈｅｒにより提案されるアプローチを用いた電力増殖は、比較的長い波長の６０ヘルツなどの低電力周波数では電磁路の大きさが約数百マイルであろうから、実用的でない。
【０００５】
北アメリカ電力網などの現在の電気分配システムでは、公共施設がピークと平均負荷需要との間で深刻な不整合を経験することが多い。これはシステムにおいて節電（ｂｒｏｗｎ  ｏｕｔ）および停電（ｂｌａｃｋｏｕｔ）を生じる。また、北アメリカ電力網は限度容量まで伸びている。従って、節電や停電により、電力網において信頼性のある電力を失う結果へと繋がる連鎖反応が引き起こされる可能性がある。
【０００６】
加えて、エネルギー市場が直面する別の問題は、都市などの介在する負荷ポイントにより、しばしば発電所が遠隔電気負荷から隔てられてしまうということである。大きな負荷時には、需要処理量を発電所から中間都市付近の遠隔負荷まで運ぶことができない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
詳細な説明
本発明は、添付の図面を参照して理解できる。図面の構成要素は必ずしも一定の縮尺ではない。また、図面において、いくつかの図を通じて同じ参照番号が対応する部分を示す。
【０００８】
図１を参照すると、先行技術に係る電力増殖器１００が示される。電力増殖器１００は、電力増殖導波路１０３と発射導波路１０６を含む。電力増殖導波路１０３と発射導波路１０６は共に、中空管、同軸ケーブル、平行電線送電線などの従来の送電線である。発射導波路１０６は、方向性結合器１０９を使用して、電力増殖導波路１０３に結合される。電磁信号生成器１１３が発射導波路１０６に結合され、発射導波路１０６内に発射される励磁進行波１１６を生成する。方向性結合器１０９は、距離Ｄだけ離間する２つのスリット１１９を含む。距離Ｄは、励磁進行波１１６の波長の１／４に略等しい。従って、電磁信号生成器１１３は、電気的距離Ｄ／λｗの約４倍である波長λｗを有する所定周波数の励磁進行波１１６を生成する。発射導波路１０６は整合負荷１２３を終点とする。電力増殖導波路１０３の全長は、励磁進行波１１６の波長λｗの整数倍である。電力増殖導波路１０３が図示されるように閉じた輪または閉リングである場合、電力増殖導波路の全長はその円周に等しい。
【０００９】
電力増殖器１００を動作させるために、電磁信号生成器１１３は発射導波路１０６に発射される励磁進行波１１６を生成する。励磁進行波１１６が方向性結合器１０９に到達すると、励磁進行波１１６の一部は電力増殖導波路（ｐｏｗｅｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎ７ｇ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）１０３に結合され、それにより、電力増殖導波路１０３に沿って伝搬する進行波１２６を生成する。方向性結合器１０９は、進行波１１６が電力増殖導波路１０３の周囲を単一方向において進行するように、励磁進行波１１６の一部を電力増殖導波路１０３内に結合する。特に、スリット１１９間の距離Ｄは、励磁進行波１１６の波長λｗの１／４に略等しいので、後の図を参照してさらに説明されるように、電力増殖導波路１０３内に結合されるすべてのエネルギーは単一方向において伝搬する。
【００１０】
加えて、電力増殖導波路１０３の長さは励磁進行波１１６の波長λｗの整数倍なので、進行波１２６は空間的に励磁進行波１１６と同期される。これらの条件下では、電力増幅導波路１０３内に連続的に結合される励磁進行波１１６の一部が、進行波１２６を増強するか、またはこれに付加される。その結果、進行波１２６の電力の大きさはかなり大きくなる。すなわち、ポインティングベクトル電力潮流、１／２Ｒｅ｛Ｅ×Ｈ＊｝は、電力増殖導波路内で高められ、これは線形、能動的、分散型エネルギー貯蔵構造である。進行波１２６の平均エネルギーは、電力増殖導波路１０３の全長を通じて均一に分散される「分散型」である。
【００１１】
一旦開始されると、電力増殖導波路１０３内の進行波１２６の電力の増強は、電力増殖導波路１０３の周囲の損失に加えて発射導波路１０６の終点である整合負荷１２３における損失が電磁信号生成器１１３により生成される電力に等しくなるまで続くことになる。電力倍率Ｍおよび最適結合ＣＯｐｔは次のように計算され得る。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
ここで、Ａは電力増殖導波路１０３の単一走査に対するフィールド伝搬減衰（ｆｉｅｌｄ
ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  ｄｅｃａｙ）である。ＣＯｐｔの量は、該倍率が最大限にされる結合の値である。
【００１４】
方向性結合器は、電力増殖導波路１０３から漏れて発射導波路１０６内に戻るエネルギーの大きさが低減される特性を有する。また、発射導波路１０６内に漏れて戻るエネルギーは、整合負荷１２３に向かう単一方向においてのみ伝搬し、かかるエネルギーは正しい位相（ｃｏｒｒｅｃｔ  ｐｈａｓｅ）にあるので、電磁信号生成器１１３から整合負荷１２３へ伝搬する電力を相殺する。その結果、励磁進行波１２６および進行波１２６が同相となると、整合負荷１２３はほとんどまたは全く電力を消散しない。超高周波で動作する損失性電力増殖器の工学的設計に便利なノモグラムが、Ｔｏｍｉｙａｓｕ，Ｋ．，“Ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｒｉｎｇ  Ｃｉｒｃｕｉｔ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｖｏｌ．ＭＴＴ−８，１９６０，ｐｐ．２５３−２５４において記載される。
【００１５】
次に図２を参照すると、電力増殖導波路１０３の一部と、発射導波路１０６の一部の図面が示される。また、方向性結合器１０９も示される。図２の図面は、方向性結合器１０９の機能をさらに説明するために提供される。方向性結合器１０９の動作を説明すると、励磁進行波１１６が発射導波路１０６内に発射され、第１のスリット１１９ａに近づく。励磁進行波１１６の一部は第１のスリット１１９ａを通って電力増殖導波路１０３に入り、波部分Ｗ１および波部分Ｗ２として電力増殖導波路１０３内の両方向において伝搬する。励磁進行波１１６の第１のスリット１１９ａを通過しない部分は発射導波路１０６に沿って進み、第２のスリット１１９ｂに達する。この時点で、励磁進行波１１６の第２の部分は、第２のスリット１０９ｂを通って電力増殖導波路１０３に入り、波部分Ｗ３および波部分Ｗ４として電力増殖導波路１０３内の両方向において伝搬する。スリット間の距離Ｄが図示するように励磁進行波１１６の波長λｗの１／４に等しい場合は、波部分Ｗ３が波部分Ｗ１を相殺する。また、波部分Ｗ２は波部分Ｗ４を増強して、これにより進行波１２６が生じる。波部分Ｗ１およびＷ３の相殺および波部分Ｗ２とＷ４の増強の結果として、進行波１２６は、電力増殖導波路１２６の周囲を単一方向において進む。励磁進行波１１６と進行波１２６とが同相であるかまたは空間的に同期されているとすると、電力増殖導波路１０３内に結合される励磁進行波１１６の一部は連続的に進行波１２６に付加され、これにより、進行波１２６の電力を増殖させる。進行波１２６の電力は実電力である。つまり、無効分がないということである。
【００１６】
次に図３を参照すると、電力周波数などの低周波数での電力増殖器１００の動作を妨げる問題を図示する米国の地図１３３の図面が示される。例えば、動作の周波数は、米国の発電システムの周波数を表す６０ヘルツであるとする。光の速度は、６０ヘルツで約３００，０００ｋｍ／秒であり、励磁進行波１１６と進行波１２６の両者の波長は以下として計算される。
【００１７】
【数２】
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【００１８】
このように、仮定上の電力増殖導波路１００ａの長さまたは円周は、約５０００キロメートルでなければならないであろう。その結果、電力増殖導波路１００ａに採用される対応する仮定上の送電線１０１の長さは、約５０００キロメートルであろう。当然のことな
がら、かかるサイズゆえに、このような電力増殖導波路１００ａの製造は物理的に実用的でなく、法外な費用がかかる。
【００１９】
さて図４Ａに目を向け、電力送電線の考察に注目する。図４Ａでは、発電機１５３は電力送電線１５９により電気負荷１５６に電気的に結合される。かかる送電線１５９は、当業者には理解可能なように、例えば、電力を家庭や企業に配電するために従来より採用され得る。
【００２０】
次に図４Ｂを参照すると、送電線１５９（図４Ａ）の単位長当たりの等価インピーダンスを図示する等価回路１６３が示される。特に、送電線１５９の各単位長は、直列インダクタンスＬＴおよび直列抵抗ＲＴを含む。また、送電線１５９の導体間には、分流キャパシタンスＣＴおよび分流コンダクタンスＧＴがある。従って、送電線１５９の単位長当たりの等価インピーダンスは、直列インダクタンスＬＴ、直列抵抗ＲＴ、分流キャパシタンスＣＴおよび分流抵抗ＲＴの観点から表され得る。
【００２１】
等価回路１６３は、送電線１５９がフィールドエネルギーの伝搬を方向付けるという事実を反映する。送電線１５９に沿って伝搬するフィールドエネルギーは、送電線１５９そのものの構造に関連付けられた磁界および電界に貯蔵される。モードベースで、送電線１５９に貯蔵された磁界エネルギーを、等価分布インダクタンスに貯蔵された磁界エネルギーと同等に扱うことができる。また、電線の電界に貯蔵されるエネルギーは、等価分布キャパシタンスに貯蔵されるエネルギーと同等に扱うこともできる。送電線１５９の単位長当たりのフィールド電力損失は、単位長当たりの等価直列抵抗および分流伝導損失と同等に扱うことができる。
【００２２】
さて図５に目を向けると、等価インピーダンスが上述の等価回路１６３（図４Ｂ）を使用して表され得る、送電線１５９（図４Ａ）の種々の実施形態が示される。例えば、送電線１５９は、例えば、並行導体１６６を含む並行送電線１５９ａを備え得る。または、送電線１５９は内部導体１６９および外部導体１７３を含む同軸送電線１５９ｂを備え得る。さらに別の代替法では、送電線１５９は接地面１７９に対して位置付けられる、所定の幾何形状の導体１７６を含む電気構造１５９ｃを備え得る。または、導体１７６は接地面１７９に対してではなく第２のかかる導体に対して位置付けられ得る。導体１７６の所定の幾何形状は例えば、螺旋状または他の幾何形状であり得る。さらに別の代替法においては、送電線１５９は螺旋または他の適切な形状の形態の単一導体１８１を備える電気構造１５９ｄを備え得る。加えて、送電線１５９は、他のタイプの送電線および、例えばストリップライン、光ファイバケーブルなど、当業者により理解され得る電気構造を備え得る。
【００２３】
６０ヘルツなどの電力周波数の電力増殖器１００ａを製造することが実際に可能だと仮定すると、かかる電力増殖器１００ａは、上述の構成のうちの１つの送電ワイヤの使用を伴うであろう。この点において、このような送電ワイヤのインピーダンスが計算可能であり、直列インダクタンスＬＴ（図４Ｂ）、直列抵抗ＲＴ（図４Ｂ）、分流キャパシタンスＣＴ（図４Ｂ）および分流コンダクタンスＧＴ（図４Ｂ）の観点からの等価インピーダンスが決定可能である。
【００２４】
図６Ａおよび６Ｂを参照して、本発明の種々の実施形態により採用され得るＴネットワーク１８３およびΠネットワーク１８６が示される。この点において、Ｔネットワーク１８３は、直列インピーダンスＺ１および直列インピーダンスＺ２を含む。またＴネットワーク１８３は、並列インピーダンスＺ３も含む。左右対称Ｔネットワーク１８３の特性インピーダンスＺ０は以下のように計算され得る。
【００２５】
【数３】
2008536458.tif 000005
【００２６】
Πネットワーク１８６は並列インピーダンスＺＡおよびＺＢを含む。またΠネットワーク１８６は直列または中間インピーダンスＺｃも含む。左右対称Πネットワーク１８６の特性インピーダンスＺ０は以下のように計算される。
【００２７】
【数４】
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【００２８】
Ｔネットワーク１８３および／またはΠネットワーク１８６の双方のさらなる考察に関しては、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、Ｔｅｒｍａｎ，Ｆ．Ｅ．，Ｒａｄｉｏ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９４３，ｐｐ．１７２−１７８，１９１−２１５を参照する。例えば、考察されるように本発明の種々の実施形態に係る電力増殖器の構成において、Ｔネットワーク１８３および／またはΠネットワーク１８６が採用され得る。特に、Ｔネットワーク１８３および／またはΠネットワーク１８６により表されるインピーダンスは、等価回路１６３（図４Ｂ）の形態である。
【００２９】
次に図７Ａおよび７Ｂを参照すると、本発明の種々の実施形態において採用され得るＴネットワーク１８３ａとΠネットワーク１８６ａの両者の例示的概略図が示される。この点において、Ｔネットワーク１８３ａは、２つの別個の直列インダクタンスＬ／２として示される直列インダクタンスＬを含む。加えて、Ｔネットワーク１８３ａはまた分流キャパシタンスＣも含む。Ｔネットワーク１８３ａはインダクタンスＬ／２を構成する導体に内在する直列損失抵抗Ｒと分流コンダクタンスＧと、キャパシタンスＣとかかる構成要素を接続する電気ワイヤとを含む。
【００３０】
Πネットワーク１８６ａは、直列インダクタンスＬと分流キャパシタンスＣ／２を含む。直列に結合される複数のΠネットワーク１８６ａに関しては、隣接する分流キャパシタンスＣ／２が、ともに付加されてキャパシタンスＣとなり得る。Πネットワーク１８６ａもまた、インダクタンスＬを構成する導体において内在する直列抵抗Ｒと分流コンダクタンスＧと、キャパシタンスＣ／２と、かかる構成要素を接続する電気ワイヤとを含む。Ｔネットワーク１８３ａおよびΠネットワーク１８６ａは、Ｔネットワーク１８３またはΠネットワーク１８６のより詳細な実施形態を示す。
【００３１】
さて図８に目を向けると、本発明の実施形態に係る電力増殖器２００の例が示される。電力増殖器２００は、電力増殖ネットワーク２０３と発射ネットワーク２０６を含む。発射ネットワーク２０６は、発射ネットワーク２０６を電力増殖ネットワーク２０３に結合する方向性結合器２０９も含む。電源２１３が発射ネットワーク２０６に結合される。また、発射ネットワーク２０６は整合負荷ＲＬを終点とする。
【００３２】
一実施形態では、電力増殖ネットワーク２０３は、多数の集中素子２１６から構成される多重接続速度抑制回路である。本明細書で企図されるように、用語「ネットワーク」は、電気素子の相互接続構造として定義される。用語「多重接続」は、一部が共振器、導波路または他の電気経路の幾何学的境界に対して外部である領域を通過することなく、ある
ポイントまで縮小され得ない、共振器、導波路または電気構造における閉路の存在を記載する数学的用語である。電力増殖ネットワーク２０３の電気構造が、光の速度である自由空間を通る電磁波の速度に対して、電力増殖ネットワーク２０３を通る電磁波の伝搬の速度を低減するので、電力増殖ネットワーク２０３は「速度抑制」している。
【００３３】
加えて、用語「集中」は、本明細書では単一位置に効果的に集中されるとして定義される。従って、用語「集中素子」は、キャパシタンス、インダクタンス、抵抗および／またはコンダクタンスなどの、離散した、２つの端子を有する、集中した電気素子を示す。従って、本明細書に示す集中素子は、離散したインダクタ、コンデンサ、または抵抗器を備え得る。加えて、本明細書で企図するように、集中素子は、例えば、ダイオード、トランジスタおよび、印加電圧または電流などの極性により制御される抵抗またはコンダクタンスを有する非線形抵抗器または導体として記載され得る、他の半導体も備え得る。加えて、集中素子は、螺旋、平行板または考察される他の構造などの、種々の電気構造の内在するキャパシタンス、インダクタンス、抵抗またはコンダクタンスをも備え得る。電力増殖ネットワーク２０３と同様に、方向性結合器２０９も集中素子を使用して構成される。
【００３４】
電力増殖ネットワーク２０３は、進行波などの電気的外乱の伝搬の速度を落とす、速度抑制回路である。この点において、電力増殖ネットワーク２０３は、電源２１３の動作周波数の波長の整数倍に等しい電気的長さを有する。電力増殖ネットワーク２０３の速度抑制性ゆえに、その大きさは、電源２１３の動作周波数の波長と比べるとかなり小さい。加えて、方向性結合器２０９は、後述のように動作周波数の電源２１３により生成される励磁進行波の波長の４分の１に等しい位相シフトを引き起こす。
【００３５】
一実施形態では、電力増殖ネットワーク２０３は、例えば、図８に示されるインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣなどの集中素子２１６から構成される。一実施形態において、インダクタンスＬは実際のインダクタであり得、キャパシタンスＣは、市販の、あるいは必要に応じて構成され得る、実際のコンデンサであり得る。例えば、電力増殖ネットワーク２０３は、相互接続されたＴネットワーク１８３ａ（図７Ａ）またはΠネットワーク１８６ａ（図７Ｂ）のリングとして特徴づけられ得るが、相互接続されたＴネットワーク１８３ａ（図７Ａ）またはΠネットワーク１８６ａ（図７Ｂ）は、リング以外の多重接続構造で配置され得る。Ｔネットワーク１８３ａおよびΠネットワーク１８６ａのそれぞれは、電力増殖ネットワーク２０３の「セクション」と見なされ得る。この点において、電力増殖ネットワーク２０３は、多数のＴネットワーク１８３ａを備えると仮定すると、各インダクタンスＬは、Ｔネットワーク１８３ａ（図７Ａ）で説明したように直列インダクタンスＬ／２を構成する２つの直列インダクタンスＬ／２に分割し得る。同様に、電力増殖ネットワーク２０３が多数のΠネットワーク１８６ａを備えると仮定すると、各キャパシタンスＣも一対の分流キャパシタンスＣ／２として見られ得、かかる分流キャパシタンスＣ／２はそれぞれ、Πネットワーク１８６ａ（図７Ｂ）の分流キャパシタンスＣ／２の一方を構成する。電力増殖ネットワーク２０３のセクションを製造するのにＴネットワーク１８３ａまたはΠネットワーク１８６ａのいずれを採用するかにかかわらず、各ネットワーク１８３ａまたは１８６ａにより、所定の位相シフトφＳが生じる。
【００３６】
Ｔネットワーク１８３ａまたはΠネットワーク１８６ａのいずれかが、ある周波数ｆおよびある品質係数Ｑの電力増殖ネットワーク２０３を構成するのに採用されるとすると、インダクタンスＬおよびキャパシタンスＣなどの集中素子２１６または他の集中素子の値が決定される。品質係数Ｑは従来どおり以下として定義される。
【００３７】
【数５】
2008536458.tif 000007
【００３８】
かかる値は、既知の特性インピーダンスＺ０および、仮定上の電力増殖器１００ａの仮定上の送電線１０１（図３）の所定部分の送電線複素伝搬定数γから計算され得る。この点において、特性インピーダンスＺ０および送電線複素伝搬定数γは、仮定上の送電線１０１の所定単位長に対して以下のように計算され得る。
【００３９】
【数６】
2008536458.tif 000008
【００４０】
ここで、Ｚは送電線の単位長当たりの直列インピーダンスであり、Ｙは送電線の単位長当たりの分流アドミタンスである。低損失の場合（すなわち、ＲＴ≒０およびＧＴ≒０）では、特性インピーダンスは以下まで低減する。
【００４１】
【数７】
2008536458.tif 000009
【００４２】
加えて、伝搬の速度は、以下として計算され得る。
【００４３】
【数８】
2008536458.tif 000010
【００４４】
送電線１５９の所与のセクションに対するＲＴ、ＬＴ、ＧＴおよびＣＴの値を決定するのに、例えば、Ｔｅｒｍａｎ，Ｆ．Ｅ．，Ｒａｄｉｏ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９４３，ｐｐ．１７２−１７８，１９１−２１５のような情報を提供する種々の参考文献、または理解できる他の参考文献が参照され得る。
【００４５】
仮定上の送電線１０１の所定部分に対する特性インピーダンスＺ０が分かれば、仮定上の送電線１０１の所定部分の複素電気的長さθは、以下として計算される。
【００４６】
【数９】
2008536458.tif 000011
【００４７】
ここで、Ｉは仮定上の送電線１０１の所定部分の物理的長さである。仮定上の送電線１０１の所定部分の特性インピーダンスＺ０、送電線複素伝搬定数γおよび電気的長さθが与えられると、Ｔネットワーク１８３（図６Ａ）の直列インピーダンスＺ１およびＺ２ならびに分流インピーダンスＺ３は以下のように計算され得る。
【００４８】
【数１０】
2008536458.tif 000012
【００４９】
または、Πネットワーク１８６の分流インピーダンスＺＡおよびＺＢならびに中間インピーダンスＺＣは、以下のように計算され得る。
【００５０】
【数１１】
2008536458.tif 000013
【００５１】
Ｔネットワーク１８３の直列インピーダンスＺ１およびＺ２ならびに分流インピーダンスＺ３またはΠネットワーク１８６の分流インピーダンスＺＡおよびＺＢならびに中間インピーダンスＺＣが分かれば、ＬおよびＣに対する対応値が決定され得る。例えば、Πネットワーク１８６の分流インピーダンスＺＡおよびＺＢならびに中間インピーダンスＺＣを計算したとすると、中間インピーダンスＺＣに関連づけられたインダクタンスＬは以下の式より計算され得る。
【００５２】
【数１２】
2008536458.tif 000014
【００５３】
また、分流インピーダンスＺＡおよびＺＢに関連付けられるキャパシタンスＣは、以下で計算され得る。
【００５４】
【数１３】
2008536458.tif 000015
【００５５】
ＬおよびＣが、集中素子２１６の形態において実際的に表されるには大きすぎるという場合もあり得る。かかる場合は、ＬおよびＣに対する既知の値を使用して逆算または逆マッピングを行い、仮定上の送電線１０１のどの位を所与のＴネットワーク１８３またはΠネットワーク１８６により表し得るかを決定し得る。この点において、所与の電力増殖ネットワーク２０３においていくつのＴネットワーク１８３またはΠネットワーク１８６が必然的に採用され得るかを決定し得る。この点において、上記で識別されたＬおよびＣに対する計算値の観点から、ＬおよびＣに対する値が選択され得る。
【００５６】
Ｔネットワーク１８３の直列インピーダンスＺ１およびＺ２ならびに分流インピーダンスＺ３はＬおよびＣの所定値から計算されるとすると、特性インピーダンスＺ０および送
電線複素伝搬定数γは以下のように計算され得る。
【００５７】
【数１４】
2008536458.tif 000016
【００５８】
または、Πネットワーク１８６の分流インピーダンスＺＡおよびＺＢならびに中間インピーダンスＺＣがＬおよびＣの所定値から計算されるとすると、特性インピーダンスＺ０および送電線複素伝搬定数γは以下のように計算され得る。
【００５９】
【数１５】
2008536458.tif 000017
【００６０】
特定されたＴネットワーク１８３またはΠネットワーク１８６により表される仮定上の送電線１０１の長さｌが分かると、仮定上の送電線１０１全体のインピーダンスをシミュレートするのに同様のＴネットワーク１８３またはΠネットワーク１８６がいくつ必要なのかを決定することができる。従って、上述の順計算および逆計算を行うことにより、電力増殖ネットワーク２０３のインダクタンスＬとキャパシタンスＣの概ねの値が決定できる。
【００６１】
加えて、電力増殖ネットワーク２０３はさらに移相器２１９を備える。移相器２１９は、方向性結合器２０９の一部と直列に連結される、集中素子から構成される回路を備えて、方向性結合器２０９がその内部に位置付けられる特定セクションのインダクタンスＬを構成する。
【００６２】
電力増殖ネットワーク２０３は、電力増殖ネットワーク２０３を負荷２２６に結合するダイバータ２２３も含む。ダイバータ２２３は、本明細書では電力増殖ネットワーク２０３から負荷２２６への進行波のすべてまたは一部を分流または方向付けし直すのに採用され得る電気素子または回路として定義される。この点において、ダイバータ２２３は、例えば、スイッチ、継電器、固体スイッチ、プラスマスイッチ、または同様の能力を有する他の装置を含み得る。ダイバータ２２３は、所定の制御電圧または電流を使用して付勢される電気窓（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｗｉｎｄｏｗ）を提示し、該制御電圧または電流などの状態に依存して、負荷２２６に進行波内のエネルギーを分流する回路でもあり得る。
【００６３】
動作時では、電源２１３は発射ネットワーク２０６における励磁進行波を発射させるのに採用される。励磁進行波は、例えば、正弦波または他の適切な形状であり得る。方向性結合器２０９は、発射ネットワーク２０６からの励磁進行波の少なくとも一部を電力増殖ネットワーク２０３内に結合し、それにより電力増殖ネットワーク２０３内を伝搬する進行波を生じる。電力増殖ネットワーク２０３の電気的長さは電源２１３の波長の整数倍であり、方向性結合器２０９は電源２１３の波長の１／４に等しいとすると、電力増殖ネッ
トワーク２０３内を伝搬する進行波は、電力増殖ネットワーク２０３内に結合される励磁進行波の一部により連続的に増強される。また、進行波は、電力増殖ネットワーク２０３の周囲を単一方向において伝搬する。これにより、集中素子２１６の損失および許容差および他の要因に依存して、電源２１３の電力の何倍もあり得る所定係数により進行波の電力の電力倍率Ｍを生じる。
【００６４】
発射ネットワーク２０６内に発射された励磁進行波と電力増殖ネットワーク２０３の周囲を伝搬する進行波は共に、５０ヘルツ、６０ヘルツ、４００ヘルツまたは、米国および世界中の国々の発電システムにおいて見ることができる他の任意の電力周波数で生成される電気電力信号などのＡＣ電力信号であり得る。但し、いかなる場合においても、励磁進行波、進行波および電源２１３の周波数は可能な任意の周波数であり得るが、それらは典型的には、電力増殖ネットワーク２０３の閉路長が、進行波の波長の約１／１０以下である波長の周波数に対応する。
【００６５】
励磁進行波が発射ネットワーク２０６に加わると、進行波の電力は時間が経つにつれて連続的に増加し、ついに最大電力に達する。電力増殖ネットワーク２０３の損失プラス整合負荷ＲＬの損失が電源２１３により供給される電力に等しくなったときに、最大電力に達する。最大電力に達すると、ダイバータ２２３は電力増殖ネットワーク２０３からの進行波を電気負荷２２６に方向付けるように作動され得る。典型的な状況では、電力増殖ネットワーク２０３において最大電力に達するには最高で約１２サイクル必要とし得るが、それ以上かそれ以下のサイクルで最大電力に達することは可能である。または、ダイバータ２２３は、例えば、電力増殖ネットワーク２０３に蓄積されたエネルギーが所定の閾値などに達したときなど、適切とみなされる任意の時間に電力増殖ネットワーク２０３からの進行波を方向付けるように作動され得る。
【００６６】
電力増殖器２００は、例えば５０ヘルツ、６０ヘルツ、４００ヘルツまたは他の低周波数で動作する世界中の電力分配システムの動作周波数など、低電力周波数での実電力増殖を促進するという点において、大きな利点をもたらす。電力増殖ネットワーク２０３の速度抑制性は、飛躍的に小型化された、かかる低発電周波数で動作可能な電力増殖器２００の製造を促進する。すなわち、従来理論は、図３を参照して考察されるように、従来の発電周波数で動作する電力増殖器は何千キロメートルにもわたって延在する仮定上の導波路を必要としたかもしれないことを教示し得るが、いまや、例えば小さな空間に適合するコンパクトサイズで、同一なものが製造可能である。
【００６７】
自由空間を通る進行波の速度に対する、電力増殖ネットワーク２０３を通る進行波の伝搬の速度は、速度係数として本明細書に記載される。電力増殖ネットワーク２０３の速度抑制性は、約１／１，０００，０００である速度係数を提供するが、より小さい速度係数も達成され得る。
【００６８】
加えて、電力増殖器２００はさらに多数の発射ネットワーク２０６を含み得、それぞれの発射ネットワーク２０６は、方向性結合器２０９により電力増殖ネットワーク２０３に結合されている。かかる構成により、電力増殖器２００の動作時に進行波の電力が蓄積する率における対応の増加を促進する。
【００６９】
代替実施形態では、進行波は、電力増殖ネットワーク２０３の周囲を伝搬する孤立波であり得る。孤立波を電力増殖ネットワーク２０３の周囲に伝播するためには、電力増殖ネットワーク２０３は、例えば、ダイオード、トランジスタ、または非線形および分散であるように動作する他の能動的構成要素などの非線形要素を含むように構成される。従って、当業者に理解できるように、非線形構成要素は本明細書では、入力に線形比例しない振幅を有する出力を提供する構成要素として定義される。電力増殖ネットワーク２０３を非
線形素子の適切なネットワークから、および／または線形および非線形素子の組み合わせから構成することにより、孤立波が電力増殖ネットワーク２０３の周囲に伝搬され得る。この点において、電源２１３は励磁進行波を生成して、発射ネットワーク２０６に発射するパルス生成器であろう。電力増殖を達成するために、孤立励磁進行波は、孤立進行波と空間的に同期されなければならないであろう。加えて、発射ネットワーク２０６、方向性結合器２０９および移相器２１９は、自身を通る孤立波の伝搬を促進するために生来非線形および分散的である素子を含むように構成され得る。
【００７０】
電力増殖ネットワーク２０３のゲインが増加するにつれて、その品質係数Ｑが上昇し、その帯域幅ＢＷは動作周波数付近に狭まることは理解されるはずである。一実施形態では、これは厳密な単色システムにとっては望ましい利点であり得る。より広い帯域幅ＢＷが所望であるならば、電力増殖ネットワーク２０３の電気帯域幅ＢＷは特定用途に合わせられ得る。例えば、より広いおよび制御された形状の通過帯を有する低損失電力増殖ネットワーク２０３は、以下の種々の電気フィルタ設計で構成され得る。例えば、Ｍａｔｔｈａｅｉ，Ｇ．Ｌ．，Ｌ．Ｙｏｕｎｇ，ａｎｄ  Ｅ．Ｍ．Ｔ．Ｊｏｎｅｓ，Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６４；ａｎｄ  Ｆａｎｏ，Ｒ．Ｍ．，Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｂｒｏａｄｂａｎｄ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ａｒｂｉｔｒａｒｙ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｆｒａｎｋｌｉｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｖｏｌ．２４９，１９５０，ｐｐ．５３−８３  ａｎｄ  １２９−１５５を参照されたし。
【００７１】
別の実施形態では、上述の電力増殖器２００はまた、電力増殖器２００の電気通過帯が動的で、上述の所望の動作特性を維持しつつ、電源２１３の周波数および相変異をコヒーレントに追跡するように自動的に制御されることができるような、いわゆる「追跡フィルタ」設計技術を組み込んで構成され得る。動的電気通過帯を有する電力増殖器２００を実施する際には、電源２１３の周波数が監視され、電力増殖ネットワーク２０３の共振周波数と比較される。かかる比較から誤差信号が生成され、フィードバックループに採用されて、電源２１３のスペクトル変化に合わせるように電力増殖ネットワーク２０３の集中素子などのリング構成要素パラメータを動的に修正し得る。この場合、上述の集中素子は、理解されるように、可変のパラメータを用いて、パラメトリックに動的であり得る。
【００７２】
次に図９を参照すると、本発明の態様に係る移相器２１９の一例を提供する概略図が示される。移相器２１９は、Ｔネットワーク１８３ａ（図７Ａ）を備えるが、Πネットワーク１８６ａも同様に採用され得る。この点において、移相器２１９は、直列インダクタンスＬＴおよび分流キャパシタンスＣＴを含む。この点において、移相器２１９は、電力増殖ネットワーク２０３の一部として集中素子から構成される。
【００７３】
直列インダクタンスＬＴおよび分流キャパシタンスＣＴは、位相シフトφＳを生じるように特定される。直列インダクタンスＬＴおよび／または分流キャパシタンスＣＴ（Ｔネットワーク１８６ａが採用されるとする）は、位相シフトφＳが必要に応じて調整されて各セクションの位相シフトφＳおよび方向性結合器２０９の位相シフトθにおけるいかなる不正確さも補償することが可能なように可変であり得る。これは、電力増殖ネットワーク２０３により提示される全位相シフトが電源２１３の波長に対して必ず３６０度の整数倍となるように行われる。インダクタンスＬＴおよび分流キャパシタンスＣＴの値を決定するのに行われる具体的な計算について考察しよう。
【００７４】
図１０を参照すると、本発明の態様に係る方向性結合器２０９の一例を示す概略図が示される。方向性結合器２０９は多数の集中素子を備える。かかる方向性結合器２０９は、進行波が電力増殖ネットワーク２０３に沿って単一方向において伝搬し、励磁進行波の、
発射ネットワーク２０６を通って伝播する部分で進行波の増強を達成することを確実にする。
【００７５】
電力増殖ネットワーク２０３、方向性結合器２０９および移相器２１９の前述の考察で、電力増殖ネットワーク２０３により提示される全位相シフトは以下のように決定され得る。
【００７６】
【数１６】
2008536458.tif 000018
【００７７】
ここで、Ｎは電力増殖ネットワーク２０３におけるセクションの数に等しい。
加えて、ダイバータ（図８）は、結合キャパシタンスの値を使用してエネルギーが電力増殖ネットワーク２０３に存在する率を制御するように、方向性結合器２０９と同様の方法で構成され得る。
【００７８】
次に図１１を参照すると、本発明の別の実施形態に係る電力増殖器２５０の概略図が示される。電力増殖器２５０は、図示されるようにトロイダル（ｔｏｒｉｏｄａｌ）螺旋、またはＪａｍｅｓ  Ｆ．Ｃｏｒｕｍにより出願され、全文が本明細書に参照により組み込まれる、カナダ特許第１，１８６，０４９号、米国特許第４，６２２，５５８号、および米国特許第４，７５１，５１５号で教示される、左巻き、右巻きまたは左巻きおよび右巻き螺旋の重ね合わせを含むその変形のいずれかから構成される電力増殖ネットワーク２５３を含む。この点において、トロイダル螺旋は、その構成ゆえにインダクタンスＬ（図８）を含む。加えて、トロイダル螺旋により提示されるインピーダンスは、当業者により理解可能なようにキャパシタンスを含む（Ｋｒａｕｓｅ，Ｊｏｈｎ  Ｄ．，Ａｎｔｅｎｎａｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１ｓｔ  ｅｄｉｔｉｏｎ，１９５０，Ｆｉｇ．７．２を参照）。電力増殖器２５０は、方向性結合器２５９により電力増殖ネットワーク２５３に結合される発射ネットワーク２５６を含む。電力増殖器２５０は、図示されるように電力増殖器２５０からの出力を負荷２２６に結合するダイバータ２２３をも含む。電源２１３は、電力増殖器２００を参照して説明されたのと同じように、発射ネットワーク２５６に結合され、励磁進行波を発射ネットワーク２５６に発射する。同様に発射ネットワーク２５６は整合負荷ＲＭを終点とする。
【００７９】
方向性結合器２５９は例えば、螺旋のセクションまたは図示されるようにΠネットワーク１８６（図７Ｂ）のセクションでさえあり得る。方向性結合器２５９は、上述と同じように、励磁進行波の波長の１／４の位相シフトを課す。
【００８０】
電力増殖器２５０の動作は、図８の電力増殖器２００を参照して考察したのと実質的に同様である。電力増殖器２５０は、電力増殖ネットワーク２５３がトロイダル螺旋、２つ以上の交差巻き螺旋、逆巻き螺旋などの１つ以上の電気構造、またはインダクタンスＬ（図８）およびキャパシタンスＣ（図８）などの集中素子２１６（図８）として作用する内在するキャパシタンスおよびインダクタンスを含む他の電気構造を備え得ることを示す。
【００８１】
図８に戻って参照すると、Ｔネットワーク１８３（図６Ａ）またはΠネットワーク１８６（図６Ｂ）を備える電力増殖器２００のセクション当たりのインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣに対する値を決定すると、集中素子（すなわち、分流キャパシタンスＣおよび直列インダクタンスＬ）に対する値が与えられ、その結果得られる電力増殖器２００により達成可能な実際の電力倍率が決定され得る。特に、集中素子は所定の動作周波数でセクション当たりの所定の位相シフトを達成するように特定される。
【００８２】
電力増殖器２００のキャパシタンスＣおよびインダクタンスＬなどの集中素子２１６の値を決定するのに行われる計算の行程についてこれより考察する。以下の計算において、電力増殖ネットワーク２０３の各セクションは、Πネットワーク１８６（図６Ｂ）を備えると仮定する。最初に、電力増殖器２００の動作周波数ｆを特定する。また、電力増殖ネットワーク２０３の各セクションのインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの双方が、上記で識別されたような素子に対する値に基づいて特定される。加えて、品質係数Ｑが電力増殖ネットワーク２０３の各セクションのインダクタンスＬに対して特定される。ラジアン／秒の観点からの周波数は以下として計算される。
【００８３】
【数１７】
2008536458.tif 000019
【００８４】
また、各インダクタンスＬにおける抵抗は以下として計算される。
【００８５】
【数１８】
2008536458.tif 000020
【００８６】
その後、インピーダンスＺＣが以下のように計算される。
【００８７】
【数１９】
2008536458.tif 000021
【００８８】
ここで「ｉ」は、当業者に既知なように√−１を表す。上記で特定されるキャパシタンスＣが与えられると、分流インピーダンスＺＡおよびＺＢが以下のように計算される。
【００８９】
【数２０】
2008536458.tif 000022
【００９０】
次に特性インピーダンスＺ０が以下のように計算される。
【００９１】
【数２１】
2008536458.tif 000023
【００９２】
特性インピーダンスは前進波電流に対する前進波電圧の比率として定義される。この点において、各セクションの特性インピーダンスの物理的測定が行われ得、その正確さを検証するために、計算された特性インピーダンスＺ０と比較され得る。
【００９３】
加えて、セクション当たりの伝搬定数γが以下のように計算される。
【００９４】
【数２２】
2008536458.tif 000024
【００９５】
セクション当たりの減衰定数αおよびセクション当たりの位相定数βが以下のように定義される。
【００９６】
【数２３】
2008536458.tif 000025
【００９７】
その後、セクション当たりの位相シフトが以下として計算され得る。
【００９８】
【数２４】
2008536458.tif 000026
【００９９】
電力増殖ネットワーク２０３に沿って伝搬する秒毎のセクションにおける進行波の速度が以下として計算される。
【０１００】
【数２５】
2008536458.tif 000027
【０１０１】
次に、電力増殖ネットワーク２０３の電気的円周Ｃλが、以下のように度数で動作周波数の波長の観点から特定される。
【０１０２】
【数２６】
2008536458.tif 000028
【０１０３】
次に、セクション数Ｎ（ＴネットワークまたはΠネットワークのいずれか）が以下として計算される。
【０１０４】
【数２７】
2008536458.tif 000029
【０１０５】
セクション数Ｎが分かると、電力増殖ネットワーク２０３の閉路周囲の損失抵抗ＲＣが以下として計算され得る。
【０１０６】
【数２８】
2008536458.tif 000030
【０１０７】
ここで、ｒは上記のように定義される。電力増殖ネットワーク２０３の一回の走査に対するフィールド伝搬衰退Ａが、以下として計算され得る。
【０１０８】
【数２９】
2008536458.tif 000031
【０１０９】
電力増殖ネットワーク２０３の周囲の減衰ＡｄＢが以下として計算される。
【０１１０】
【数３０】
2008536458.tif 000032
【０１１１】
周囲の外乱のパルス幅τが以下として計算される。
【０１１２】
【数３１】
2008536458.tif 000033
【０１１３】
最適結合での電力増殖器２００の電力倍率Ｍが以下として計算される。
【０１１４】
【数３２】
2008536458.tif 000034
【０１１５】
デシベルで表される電力倍数ＭｄＢが、以下のように計算される。
【０１１６】
【数３３】
2008536458.tif 000035
【０１１７】
最適結合Ｃｏｐｔが以下として計算される。
【０１１８】
【数３４】
2008536458.tif 000036
【０１１９】
最適結合Ｃｏｐｔは以下としてデシベル（ｄＢ）で計算される
【０１２０】
【数３５】
2008536458.tif 000037
【０１２１】
加えて、方向性結合器２０９および移相器２１９の種々の素子を決定するために参照し得る有用な参考文献は、Ｍａｔｔｈａｅｉ，Ｇ．Ｌ．，Ｌ．Ｙｏｕｎｇ，ａｎｄ  Ｅ．Ｍ．Ｔ．Ｊｏｎｅｓ，Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｆｉｌｔｅｒｓ，Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  Ｍａｔｃｈｉｎｇ  Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ａｎｄ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６４，（１４章参照）である。方向性結合器２０９および移相器２１９として採用され得る特定の回路設計が本明細書で考察されているが、本発明の範囲内にある代替設計など、他の回路設計および回路構造も採用され得ることが理解される。
【０１２２】
次に図１２を参照すると、本発明の一実施形態に係る電力分配ネットワーク３００に結合される電力増殖器２００が示される。電力増殖ネットワーク２０３を採用する電力増殖器２００が図１２に示されるが、電力増殖器２５０など、本明細書に記載される電力増殖器の他の実施形態が採用され得、電力増殖器２００および電力増殖ネットワーク２０３は本明細書では単に一例として記載されていることは理解される。
【０１２３】
電力分配ネットワーク３００は、例えば、北アメリカ電力網または世界の任意の場所での他の電力網などの電力網であり得る。図１２に示されるように、発射ネットワーク２０６は電力分配ネットワーク３００に結合される。ダイバータ２２３の出力も、電力分配ネットワーク３００に結合される。
【０１２４】
ダイバータ２２３は、例えば、電力分配ネットワーク３００上の現在の電気負荷に基づいて生成される負荷フィードバック信号を含み得る、負荷フィードバック３０３を受信する。方向性結合器２０９は選択的に発射ネットワーク２０６に結合され得るか、または発射ネットワーク２０６が選択的に電力分配ネットワーク３００に結合され得、電力分配ネットワーク３００から電力増殖ネットワーク２０３内に入力される制御電力を促進し、それにより電力増殖器２００の電力増殖ネットワーク２０３における電力の貯蔵を生じる。または、方向性結合器２０９は、電力が電力増殖ネットワーク２０３内に入力される率を制御するように構成され得る。発射ネットワーク２０６およびダイバータ２２３は共に、電力分配ネットワーク３００に結合されるという事実ゆえに、電力増殖ネットワーク２０３は電力分配ネットワーク３００からの電力を貯蔵し、所望に応じて電力分配ネットワーク３００へ電力を供給するように採用され得る。
【０１２５】
ダイバータ２２３は負荷フィードバック３０３に応答して、電力増殖ネットワーク２０３の出力を制御するように構成され得る。この点において、電力増殖ネットワーク２０３に貯蔵された電力は、例えば、電力分配ネットワーク３００に供給されて、電力分配ネットワーク３００に関連付けられた電気負荷の急激な増加が発生すると電力を提供し得る。
【０１２６】
電力分配ネットワーク３００に電力を供給する公共施設がピークと平均負荷需要との間
で深刻な不整合を経験する可能性があることを考えると、電力増殖ネットワーク２０３は「電力平滑化」に対して有益に採用され得る。例えば、電力増殖ネットワーク２０３は、大きなピークから平均（ｐｅａｋ−ｔｏ−ａｖｅｒａｇｅ）の負荷需要がある公共施設による節電および停電を「平滑化」するために、発電所から遠隔であり得る電気負荷に近い場所で採用され得る。この点において、電力増殖ネットワーク２０３は、電力分配ネットワーク３００の種々の場所に結合され得、必要に応じて利用可能な一時的エネルギー貯蔵を提供することにより負荷状態間の局地的に制御された平滑な移行が提供され得る。
【０１２７】
これは、発電所における既存の発電設備への電気機械的ストレスを低減し得る。詳細には、大きな負荷変動および過渡が電力分配システム３００に発生すると、大きな電気機械的ストレスが発電に使用される回転機械類に発生する可能性がある。例えば、大きな過渡の一回の発生または、時間の経過とともに繰り返される小さな過渡の発生の何れかにより、シャフトおよび発電機の他の機械的構成要素の壊滅的故障が生じる可能性がある。また、発電機および電気分配システムの他のポイントにおいて電気配線障害が発生する可能性もある。加えて、負荷変動および過渡は電気負荷の変化に反応するので、発電機の周波数および位相安定性に影響を及ぼす可能性がある。電力増殖ネットワークは、発電および分配設備へのこのようなストレスを除去するのに採用可能であり、既存の電力分配ネットワーク３００における周波数および位相安定性を確実にすることができる。
【０１２８】
発電所と遠隔負荷との間に都市などの介在する電気負荷ポイントが存在するような状況では、大きな負荷時には、求められる処理量を発電所から介在する電気負荷ポイントを経て遠隔の負荷へと運ぶことができない。従って、電力増殖ネットワーク２０３を含む電力増殖器２００は、例えば、かかる介在する負荷ポイントの周囲の「ラッシュアワー」電気輸送渋滞問題に対処するのに使用され得る。例えば、電力増殖ネットワーク２０３は介在する負荷ポイント近くの電力分配ネットワーク３００に結合され、かかる大きな輸送時に利用可能な電力の貯蔵を提供するので、需要を平滑化し、遠隔負荷におけるサービスの喪失を防止し得る。
【０１２９】
所与の電力分配ネットワーク３００上の効果的な電力平滑化を促進するためには、１つ以上の電力増殖ネットワーク２０３が所与の電力分配ネットワーク３００の需要ストレスがかかる（ｄｅｍａｎｄ  ｓｔｒｅｓｓｅｄ）部分に結合され得る。上述のように、電力分配ネットワーク３００の需要ストレスがかかる部分は、都市、または大きなピークから平均への負荷需要を経験する他の大きな負荷近くの場所であり得る。また、このような需要ストレスがかかる部分は介在する電気負荷ポイントの近くであり得る。加えて、理解されるように、種々の電力分配ネットワーク３００の他の場所にも需要ストレスが加わり得る。
【０１３０】
電力増殖ネットワークに貯蔵される電力はほとんど瞬間的に入手可能であるので、電力増殖ネットワーク２０３を採用する電力増殖器２００を含む、本明細書に記載される電力増殖器の種々の実施形態は、電力分配ネットワーク３００上の電力平滑化にとって理想的である。その結果、電力増殖ネットワーク２０３は例えば、電力分配ネットワーク３００上の発電設備が、電気負荷の増加などの急激な変化を補償するのに十分速く反応できない場合に、電力を供給するべく採用され得る。この点において、例えば、１つ以上の電力増殖ネットワーク２０３が採用されて一定期間電力分配ネットワーク３００に電力を供給することで、急激な増加の発生後、増加した電気負荷に電力を供給するように電力分配ネットワークに結合された発電システムの調整を促進し得る。
【０１３１】
図１３を参照すると、本発明の別の実施形態に係る電力分配ネットワーク３００に結合された電力増殖ネットワーク２０３／２５３を採用する、いくつかの電力増殖器２００／２５０が示される。電力増殖ネットワーク２０３／２５３が図示されているが、理解でき
るように電力増殖ネットワークの他の実施形態が採用され得る。電力増殖器制御システム２０６には、各電力増殖器２００／２５０のダイバータ２２３のそれぞれに電気的に結合された出力が備えられる。
【０１３２】
電力増幅器制御システム２０６は、ダイバータ２２３に加えられる制御出力を生成して、電力分配ネットワーク３００からの負荷フィードバックに応答して、各電力増殖ネットワーク２０３／２５３から電力分配ネットワーク３００への電力の放出を制御する。一実施形態では、電力増殖器制御システム２０６は、各電力増殖ネットワーク２０３／２５３から電力分配ネットワーク３００へ電力を順次加えるように構成される。この点において、電力分配ネットワーク３００に電力増殖ネットワーク２０３／２５３からの電力が供給され得る期間は、採用される電力増殖ネットワーク２０３／２５３の数に基づいて増加される。この点において、複数の電力増殖ネットワーク２０３／２５３は、発電設備の機械的および電気的構成要素にストレスをかけることなく、発電設備が電気負荷の変化に対して調整を行うのに適当な時間を提供するように採用され得る。または、電力増殖ネットワーク２０３／２５３の複数に貯蔵された電力が同時に電力分配ネットワーク３００に加えられ、極端な負荷増加に対応し得る。
【０１３３】
さらに、本明細書で記載される電力増殖ネットワーク２０３／２５３の種々の実施形態を構成するのに採用される素子は、キャパシタンスにおける低損失で高誘電率誘電体および、インダクタンスにおいて低損失導体（インダクタンスコイルなど）を使用して構成され得る。かかる低損失導体は、例えば、低温導体および／または超伝導体であり得る。かかる低損失導体は、非常に高い効率でより大きな貯蔵能力を可能とする。詳細には、電力増殖ネットワーク２０３／２５３が経験する損失が電力入力に等しくなるまで、本明細書に記載される電力増殖ネットワーク２０３／２５３において電力貯蔵が増加し、ここで所与の電力増殖ネットワークが極低損失導体で構成されることを考えると、非常に大量の電力が貯蔵され得ることになる。
【０１３４】
本発明は特定の実施形態に関して示され、説明されているが、本明細書を読み、理解すれば、均等物および変形が当業者に想到されるであろうことは明白である。本発明は、かかる均等物および変形をすべて含み、請求項の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】先行技術に係る電力増殖器の図面である。
【図２】図１の電力増殖器の方向性結合器の図面である。
【図３】比較的小さい波長の電力周波数で図１に示された電力増殖器を使用して、電力増殖を実行する問題を図示する地理的地図に関する非実用的な電力増殖器の図面である。
【図４Ａ】発電機から電気負荷までの電力送電線のブロック図である。
【図４Ｂ】図４の送電線の長さ当たりの等価インピーダンスの概略図である。
【図５】図４Ａの電力送電線として採用され得、図４Ｂの概略図によりモデル化できる等価インピーダンスを有する代替の送電線の図面である。
【図６Ａ】本発明の実施形態に係る電力増殖器に採用されるＴネットワークの概略図である。
【図６Ｂ】本発明の実施形態に係る電力増殖器に採用されるΠネットワークの概略図である。
【図７Ａ】図６ＡのＴネットワークの実施形態の概略図である。
【図７Ｂ】図６ＢのΠネットワークの実施形態の概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電力増殖ネットワークの概略図である。
【図９】本発明の実施形態に係る図８の電力増殖器において採用される移相器の概略図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る図８の電力増殖器において採用される方向性結合器の概略図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る第２の電力増殖器の概略図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る電力分配ネットワークに結合される電力増殖器の概略図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る電力分配ネットワークに結合される多重電力増殖器の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2008536458.tif 000044
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
2008536458.tif 000046
【図７Ｂ】
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【図８】
2008536458.tif 000048
【図９】
2008536458.tif 000049
【図１０】
2008536458.tif 000050
【図１１】
2008536458.tif 000051
【図１２】
2008536458.tif 000052
【図１３】
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【国際調査報告】
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