(57)【要約】【課題】簡素で小型な構成で、可搬型としても構成可能なマイクロ波発振装置を提供すること。【解決手段】直流電圧を発生するコンデンサ群１０からの電流がスイッチ１１を介してインダクタ２０へ供給されるようにし、このインダクタ２０と開放スイッチ３０を用いた誘導性電源８０と高速動作の短絡スイッチ４０との組合せにて、急峻な立上りの高電圧パルスを生成し、この高電圧パルスの印加によって仮想陰極電子管５０を直接駆動する。つまり、インダクタ２０と開放スイッチ３０による誘導性電源８０と、短絡スイッチ４０との組合せによる簡素で小型な構成によってマイクロ波発振装置２００を実現する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を発生する直流電圧発生手段と、
前記直流電圧発生手段から供給される電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積手段と、
通常時の閉状態にて前記エネルギー蓄積手段に蓄積された電気エネルギーを電流として通過させ、所定制御時の開状態にて前記蓄積された電気エネルギーを電圧パルスとして発生させる誘導性パルス電源として作用する開放スイッチと、
通常時の開状態にて前記電圧パルスの電圧値が所定値以上になると作動し、この作動により急峻な立上り電圧波形を有する高電圧パスルを生成する短絡スイッチと、
前記高電圧パルスの印加時に高周波の電磁波を発生する電磁波発生手段と、
前記電磁波発生手段で発生された電磁波を放射するアンテナと
を備えたことを特徴とするマイクロ波発振装置。
【請求項２】
前記電磁波発生手段に、真空容器中にカソードとアノードを対向配置して成り、これらカソードとアノード間への前記高電圧パルスの印加によりマイクロ波を発生する仮想陰極電子管を用いたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発生装置。
【請求項３】
エネルギー蓄積手段に、インダクタンス値が周波数１ｋＨｚにおいて、３〜１０μＨに設定されたインダクタを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波を発生させるマイクロ波発振装置に関り、特にマイクロ波発振素子である仮想陰極電子管を誘導性パルス電源で発振駆動し、ＧＨｚ周波数帯の高出力マイクロ波を発生させるマイクロ波発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のマイクロ波発振装置１００の構成を示す図であり、仮想陰極電子管５０を容量性電源７０により発振することによって、アンテナ６０からマイクロ波を発生するように成されている。
容量性電源７０は、エネルギー供給源として高電圧を発生させる直流電源として作用するマルクス発生器１と、マルクス発生器１から供給された高電圧を充電し、パルス形成路線として作用する水コンデンサ２と、水コンデンサ２への高電圧充電が終えると作動する放電スイッチ３と、水コンデンサ２からの高電圧パルスを伝送する伝送路線４と、伝送線路４と真空を分ける真空インターフェイス５と、この真空を通して伝送路線４からの高電圧パルスを伝送する磁気絶縁伝送線路（ＭＩＴＬ）６とを備えて構成されている。
【０００３】
先ず、仮想陰極電子管５０の構造を、図４を参照して説明する。図４に示すように、仮想陰極電子管５０は、概略円筒形状の金属製の真空容器内に、金属メッシュのアノード５１と、円筒金属の先端にベルベットを貼ったカソード５２との双方が対向配置された構成となっている。
このような構成の仮想陰極電子管５０によるマイクロ波発生の動作原理を、図５を参照して説明する。
【０００４】
図５に示すように、アノード５１とカソード５２間に、これらに接続されたパルス電源５４によって高電圧パルス電圧が印加されると、カソード５２の表面にプラズマが発生し、アノード５１に向けて成長する。更に、アノード５１に印加される電圧値が大きくなると、アノード５１とカソード５２間の強電界により、プラズマから電子が引き出され、アノード５１を飛び越えた空間に入射するようになる。更に、プラズマから引き出される電子ビームが増加すると、アノード５１を越えた空間で仮想陰極５３と呼ばれる空間ポテンシャルの塊を形成するようになり、この仮想陰極５３が時間的及び空間的に振動することで電界が時間的に変化してマイクロ波が発生する。
【０００５】
このマイクロ波の発振時間は、カソード５２の表面で発生したプラズマが成長しアノード５１まで到達することで、アノード５１とカソード５２間の電位差がゼロになり、仮想陰極５３が消滅するまでの時間で決定される。
このようなマイクロ波発振装置１００においては、マルクス発生器１で発生した高電圧で水コンデンサ２を充電し、この充電を終えると放電スイッチ３が動作する。この時、水コンデンサ２はパルス形成線路の単一線路として作動し、高電圧が、その水コンデンサ２の形状によるパルス幅を持った高電圧パルスに整形され、伝送路線４、ＭＩＴＬ６を通して伝送され、仮想陰極電子管５０に高電圧パルスが印加されることで、当該仮想陰極電子管５０が発振し、アンテナ６０からマイクロ波を発生する。
【０００６】
なお、このマイクロ波発振装置１００での仮想陰極電子管５０のマイクロ波電力変換効率（電子管に入力した電力と出力されたマイクロ波電力の比）は１％未満である。
この種の従来のマイクロ波発振装置として、例えば特許文献１に記載のものがある。
【特許文献１】特開２００３−２９８３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来のマイクロ波発振装置においては、容量性電源７０を適用した原理に基づくため、マルクス発生器１や水コンデンサ２などの大型構成部品を使用しなければならず、このため、容量性電源７０が複雑で大規模となり、マイクロ波発振装置も構成が複雑で、体積及び重量ともに大規模になってしまうという問題があった。
また、水コンデンサ２のインピーダンス保守のための図示せぬ純水循環装置も必要となるので、マイクロ波発振装置を可搬型として構成することが非常に困難となる問題があった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡素で小型な構成で、可搬型としても構成可能なマイクロ波発振装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１によるマイクロ波発振装置は、直流電圧を発生する直流電圧発生手段と、前記直流電圧発生手段から供給される電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積手段と、通常時の閉状態にて前記エネルギー蓄積手段に蓄積された電気エネルギーを電流として通過させ、所定制御時の開状態にて前記蓄積された電気エネルギーを電圧パルスとして発生させる誘導性パルス電源として作用する開放スイッチと、通常時の開状態にて前記電圧パルスの電圧値が所定値以上になると作動し、この作動により急峻な立上り電圧波形を有する高電圧パスルを生成する短絡スイッチと、前記高電圧パルスの印加時に高周波の電磁波を発生する電磁波発生手段と、前記電磁波発生手段で発生された電磁波を放射するアンテナとを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、直流電圧発生手段から発生する電流がエネルギー蓄積手段及び閉状態の開放スイッチヘ流れ、エネルギー蓄積手段には電気エネルギーとして蓄積される。更に、開放スイッチでは、所定制御、例えば所定の制御信号が与えられると直流電圧発生手段からの電流を急速に遮断することで開状態となり、エネルギー蓄積手段が例えばインダクタであれば、このインダクタンスの存在により、エネルギー蓄積手段から開放スイッチヘのエネルギー移行が正常に行われ、開状態となった開放スイッチの電極間に誘導電圧Ｌ×ｄｉ／ｄｔ（Ｌ：インダクタのインダクタンス値、ｄｉ：開放スイッチが閉→開状態に変移する際の開放スイッチを流れる電流値の変動分、ｄｔ：開放スイッチが閉→開状態に変移する時間）の高電圧パルスが発生する。この高電圧パルスの電圧値が所定の値以上になると、短絡スイッチが作動し、急峻な立上り電圧波形、換言すれば高速立上り波形を有する高電圧パルスを、電磁波発生手段に印加することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２によるマイクロ波発振装置は、請求項１において、前記電磁波発生手段に、真空容器中にカソードとアノードを対向配置して成り、これらカソードとアノード間への前記高電圧パルスの印加によりマイクロ波を発生する仮想陰極電子管を用いたことを特徴とする。
この構成によれば、仮想陰極電子管への高電圧パルスの印加によって適正にマイクロ波を発生させることができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３によるマイクロ波発振装置は、請求項１または２において、エネルギー蓄積手段に、インダクタンス値が周波数１ｋＨｚにおいて、３〜１０μＨに設定されたインダクタを用いたことを特徴とする。
この構成によれば、高電圧パルスの電圧は、開放スイッチが開状態になる際のエネルギー蓄積手段を構成するインダクタンス値及び電流の時間変化率の積に比例するが、そのインダクタンス値を概ね３μＨから１０μＨに選定しておくことにより、エネルギー蓄積手段の電気エネルギー蓄積を可能とし、開放スイッチの発生パルス電圧値を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明のマイクロ波発振装置によれば、エネルギー蓄積手段（インダクタ）と開放スイッチを用いて誘導性の電源を構成し、この誘導性電源と高速動作の短絡スイッチとの組合せによる簡素で小型な構成によって、電磁波発生手段（仮想陰極電子管）を直接駆動することができる。つまり、従来に比べ、簡素で小型な構成のマイクロ波発振装置にて、高電力のマイクロ波を高効率で出力することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ波発振装置の構成を示す図である。
図１に示すマイクロ波発振装置２００は、直流電圧発生手段としてのコンデンサ群１０と、コンデンサ群１０に接続されたスイッチ１１と、コンデンサ群１０からスイッチ１１がオン時に供給される電流を電気エネルギーとして蓄積するエネルギー蓄積手段として作用するインダクタ２０及び高電圧パルスを発生させる開放スイッチ３０から成る誘導性電源８０と、誘導性電源８０により発生した高電圧パルスが所定の電圧値以上になると作動して閉状態となり、この状態によって誘導性電源８０からの高電圧パルスを高速立上り波形を持つ高電圧パルスに整形する短絡スイッチ４０と、マイクロ波を発振する電磁波発生手段である仮想陰極電子管５０と、その発振されたマイクロ波を放射するためのアンテナ６０とを備えて構成されている。
【００１４】
コンデンサ群１０は、７．５μＦのコンデンサが予め２０ｋＶに充電されており、スイッチ１１がオン時にインダクタ２０及び開放スイッチ３０に電流を供給し、インダクタ２０で電気エネルギーを蓄積する。
但し、コンデンサ群１０とインダクタ２０までのインダクタンス値は、概ねインダクタ２０のインダクタンス値の１０％以下になるように設定されている。また、コンデンサ群１０のコンデンサ容量は、概ね８μＦ以下に設定した際に、後段の開放スイッチ３０での高電圧パルスを効率よく発生できるようになっている。
【００１５】
本実施の形態では、インダクタ２０のインダクタンス値を概ね３μ〜１０μＨとし、開放スイッチ３０の一例として金属線によるヒューズ遮断を行うように構成し、そのヒューズ材質としてφ０・１ｍｍの銅線を複数本用いた。
短絡スイッチ４０は作動電圧１５０ｋＶで作動する。仮想陰極電子管５０は、従来技術で図５を参照して既に説明したように、アノード５１及びカソード５２を備えて仮想陰極５３を形成してマイクロ波を発生するように構成されており、周波数２〜３ＧＨｚ、インピーダンス５Ω、パルス電圧１５０ｋＶでマイクロ波を発生する。アンテナ６０は、角錐ホーンアンテナでゲイン２０ｄＢのものを用いた。
【００１６】
短絡スイッチ４０は、図２（ａ）に示すように、収納筐体４１の内部に３気圧のＳＦ６ガスを封入し、直径５０ｍｍの真鍮製の平面電極４２ａと４２ｂをギャップ間隔５ｍｍで対向配置して構成し、各平面電極４２ａ，４２ｂを電線４３ａ，４３ｂによって開放スイッチ３０と仮想陰極電子管５０に接続している。
図２（ｂ）及び（ｃ）に開放スイッチ３０の出力電圧波形を示すように、開放スイッチ３０の電圧値が１５０ｋＶに達した時に、短絡スイッチ４０が作動し、電圧１５０ｋＶを１００ｎｓで立上る電圧波形整形を実現している。
【００１７】
このような構成のマイクロ波発振装置２００において、コンデンサ群１０から供給された電流がピーク値に到達するタイミングで、開放スイッチ（ヒューズ）３０が溶断して気化するように銅線本数と長さを調整した結果、開放スイッチ３０の電極間でピーク値１８０ｋＶの高圧パルス電圧が発生した。また、短絡スイッチ４０は、開放スイッチ３０で発生したパルス電圧値が１５０ｋＶに達した時点で動作し、１５０ｋＶを１００ｎｓで立ち上がる高速パルス電圧波形整形を行う。
【００１８】
この波形整形された高速で高圧パルス（高電圧パルス）を仮想陰極電子管５０のアノード５１に印加し、カソード５２表面に均一なプラズマを形成することで、仮想陰極５３の形成・成長が促進されるので、仮想陰極電子管５０が安定してマイクロ波発振を行い、アンテナ６０から周波数２〜３ＧＨｚ、電力８０ＭＷ、当該アンテナ６０から３ｍの地点において電界強度７３ｋＶ／ｍの電界強度のマイクロ波が放射された。
【００１９】
このマイクロ波発振装置２００では、仮想陰極電子管５０への入力電力が６．５ＧＷ、出力のマイクロ波電力が８０ＭＷであるから、仮想陰極電子管５０のマイクロ波電力変換効率（電子管に入力した電力と出力されたマイクロ波電力の比）は１．２％であり、従来のマイクロ波発振装置１００の容量性電源７０では実現出来なかった高変換効率で仮想陰極電子管５０を発振することができた。
【００２０】
このように、本実施の形態のマイクロ波発振装置２００によれば、インダクタ２０と開放スイッチ３０を用いた誘導性電源８０と高速動作の短絡スイッチ４０との組合せによる簡素で小型な構成によって、仮想陰極電子管５０を直接駆動することができる。つまり、従来の容量性電源７０によるマイクロ波発振装置１００に比べ、簡素で小型な構成のマイクロ波発振装置２００にて、高電力のマイクロ波を高効率で出力することができる。
また、従来の容量性パルス電源（容量性電源７０）に比べ、非常に高いマイクロ波電力変換効率を可能とし、仮想陰極電子管５０を効率よく発振することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るマイクロ波発振装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）上記マイクロ波発振装置における短絡スイッチの構成を示す図、(ｂ)マイクロ波発振装置における開放スイッチの出力電圧波形図、（ｃ）短絡スイッチ作動時の開放スイッチの出力電圧波形図である。
【図３】従来のマイクロ波発振装置の構成を示す図である。
【図４】従来のマイクロ波発振装置における仮想陰極電子管の構成を示す図である。
【図５】仮想陰極電子管によるマイクロ波発生の動作原理の説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    マルクス発生器
２    水コンデンサ
３    放電スイッチ
４    伝送線路
５    真空インターフェイス
６    磁気絶縁伝送線路
１０  コンデンサ群
１１  スイッチ
２０  インダクタ
３０  開放スイッチ
４０  短絡スイッチ
４１  収納筐体
４２ａ，４２ｂ  平面電極
４３ａ，４３ｂ  電線
５０  仮想陰極電子管
５１  アノード
５２  カソード
５３  仮想陰極
５４  パルス電源
６０  アンテナ
７０  容量性電源
８０  誘導性電源
１００，２００  マイクロ波発振装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007318306.tif 000006
【図５】
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