(57)【要約】【課題】高周波電力増幅器の電力利用効率を向上するための小型で伝送ロスの少ない高調波制御回路を提供する。【解決手段】増幅素子２０４と高調波制御回路２０９と出力整合回路２０７と負荷抵抗２０８にて高周波電力増幅器を構成している。入力端２０１から入力された高周波信号が増幅素子２０４で増幅され、高調波制御回路２０９と出力整合回路２０７を通過し、負荷抵抗２０８に供給される。高調波制御回路２０９は第１の誘電体共振器２０６と第２の誘電体共振器２０５により構成されている。【選択図】図２
2009065637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波入力信号を増幅する増幅素子と、
前記増幅素子の出力端に接続された高調波制御回路とを備えた高周波電力増幅器であって、
前記高調波制御回路は、誘電体共振器を有していることを特徴とする高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記高調波制御回路は第１の誘電体共振器を有し、
前記第１の誘電体共振器は、一端が接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、
前記接続端から前記第１の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の２次高調波に対する位相進みが(２ｎ１−１)π/２（ｎ１は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記高調波制御回路は第２の誘電体共振器をさらに有し、
前記第２の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、
前記第１の誘電体共振器の他端から前記第２の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが (２ｎ２−１) π/２（ｎ２は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記高調波制御回路は第３の誘電体共振器をさらに有し、
前記第３の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、
前記第１の誘電体共振器の他端から前記第３の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ３π（ｎ３は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
前記高調波制御回路は第４の誘電体共振器を有し、
前記第４の誘電体共振器は、一端が接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、
前記接続端から前記第４の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の２次高調波に対する位相進みが(２ｎ４−１)π（ｎ４は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項６】
前記高調波制御回路は位相回転手段と第５の誘電体共振器とを有し、
前記位相回転手段は前記増幅素子の出力端と前記接続端との間に接続され、
前記第５の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、
前記接続端から前記第５の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の３次高調波に対する位相進みが (２ｎ５−１)π/２（ｎ５はｎ５＝３ｍ−１を除く自然数、ｍは自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項７】
前記高調波制御回路は第６の誘電体共振器をさらに有し、
前記第６の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、
前記第５の誘電体共振器の他端から前記第６の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが (２ｎ６−１)π/２（ｎ６は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項６に記載の高周波電力増幅器。
【請求項８】
前記高調波制御回路は第７の誘電体共振器をさらに有し、
前記第７の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、
前記第５の誘電体共振器の他端から前記第７の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ７π（ｎ７は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項６に記載の高周波電力増幅器。
【請求項９】
前記高調波制御回路は位相回転手段と第８の誘電体共振器とを有し、
前記位相回転手段は前記増幅素子の出力端と前記接続端との間に接続され、
前記第８の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、
前記接続端から前記第８の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の３次高調波に対する位相進みがｎ８π（ｎ８は３の倍数を除く自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１０】
前記高調波制御回路は第９の誘電体共振器をさらに有し、
前記第９の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、
前記第８の誘電体共振器の他端から前記第９の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ９π（ｎ９は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項９に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１１】
前記高調波制御回路は第１０の誘電体共振器を有し、
前記第１０の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、
前記第８の誘電体共振器の他端から前記第１０の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが(２ｎ１０−１)π/２（ｎ１０は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることを特徴とする請求項９に記載の高周波電力増幅器。
【請求項１２】
前記位相回転手段は、前記高周波入力信号の基本波の波長（λ）に対して、(２ｎ１１−１)λ/４（ｎ１１は自然数）の±５％の範囲内に相当する長さに調整された伝送線路であることを特徴とする請求項６〜１１のいずれか１つに記載の高周波電力増幅器。
【請求項１３】
高周波発信器と、
前記高周波発信器から出力された高周波信号を増幅する請求項１〜１２のうちいずれか１つに記載の高周波電力増幅器と、
前記高周波電力増幅器で増幅された前記高周波信号を庫内に照射し、収容物を加熱するための収納庫と、
前記高周波電力増幅器から出力された前記高周波信号を前記収納庫内へ放射する高周波放射器とを備えている高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高周波電力増幅器に関し、特に、増幅素子の出力端に接続された高調波制御回路を有する高周波電力増幅器と、被加熱物を加熱する加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波電力増幅器は入力された高周波信号を増幅して出力する装置であり、高周波の発生回路や送信回路などに組み込まれている。しかし、高周波電力増幅器の消費電力は非常に大きく、高周波の発生回路や送信回路の駆動に必要な供給電力のほとんどを高周波電力増幅器が消費しているため、消費電力低減の妨げとなっていた。
【０００３】
そのため、現在、高周波の発生回路や送信回路の駆動電力の低減を目指して、高周波電力増幅器の高効率化に対する研究が各所で活発に行われている。
【０００４】
高周波電力増幅器の高効率化を回路的に達成する手法のひとつとして、高周波信号の基本波および高調波に対する終端条件を最適化し、トランジスタなどの増幅素子の出力端子に印加される電圧および電流波形を整形することにより、増幅素子内で消費される電力を低減するＦ級増幅器が一般的に知られている。
【０００５】
Ｆ級増幅器の基本概念は、トランジスタの閾値付近をバイアスポイントとすることで電流波形を半波整流させるＢ級動作時に、高周波信号の偶数次高調波に対しては短絡、奇数次高調波に対しては開放となるインピーダンス回路（高調波制御回路）をトランジスタの出力端に接続することにより、電圧波形を矩形波とすることで、電圧電流の時間波形の重なりを低減した増幅器である。すべての高調波を処理することにより、電圧電流の時間波形の重なりを完全に無くすことで、理論上１００％の電力利用効率を達成することが出来る。
【０００６】
図１０に電界効果トランジスタ（FET）を用いた従来のＦ級増幅器の回路図の一例を示す。図１０において、高周波電力増幅器は増幅素子であるＦＥＴ１００４と、ＦＥＴ１００４の出力端Ｂに接続された高周波入力信号の基本波の波長（λ）の４分の１に相当する長さのストリップライン１００５と、一端がストリップライン１００５の出力側Ａに接続され、他端が開放されたストリップライン（オープンスタブ）１００６、１００７と、入力信号の基本波に対する出力整合回路１００８と、負荷の抵抗１００９で構成される。ここで、１００１は高周波信号の入力端、１００２はドレインバイアスの直流電力供給端、１００３は高周波信号をカットするためのチョークインダクタである。
【０００７】
高調波制御回路はストリップライン１００５とオープンスタブ１００６、１００７により構成されている。ここで、各線路長はストリップライン１００５がλ/４、オープンスタブ１００６がλ/８、オープンスタブ１００７がλ/１２に相当する長さであるとする。オープンスタブ１００６の線路長はλ/８に相当する長さであるため、Ａ点でのインピーダンスは第２高調波に対して短絡となる。さらに、ストリップライン１００５の線路長がλ/４に相当する長さであるため、ＦＥＴ１００４の出力端であるＢ点におけるインピーダンスは第２高調波に対して短絡となっている。また、オープンスタブ１００７の線路長はλ/１２に相当する長さであるため、Ａ点でのインピーダンスは第３高調波に対して短絡となる。さらに、ストリップライン１００５の線路長がλ/４に相当する長さであるため、ＦＥＴ１００４の出力端であるＢ点におけるインピーダンスは第３高調波に対して開放となっている。これにより３次高調波までを制御することで理論上９０％の電力利用効率を達成可能である。
【特許文献１】特許第２０８６８５０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、実際にはオープンスタブなどを形成するプリント基板の比誘電率が低いため、高周波信号の高調波を制御するためのオープンスタブの線路長を短くすることには限界があり、ストリップラインからなる高調波制御回路を小型化することが困難である。
【０００９】
また、マイクロストリップラインにより形成されるオープンスタブは素性の良いプリント基板を用いても共振Ｑ値が１００程度と低いため、高調波制御回路に組み込むことによる伝送ロスが発生し、消費電力低減の妨げとなってしまう。
【００１０】
本発明は、小型で伝送ロスの少ない高調波制御回路を実現し、電力利用効率の高い高周波電力増幅器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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の第１の高周波電力増幅器は、高周波入力信号を増幅する増幅素子と、前記増幅素子の出力端に接続された高調波制御回路とを備えた高周波電力増幅器であって、前記高調波制御回路は、誘電体共振器を有していることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、誘電体共振器に用いられる誘電体の比誘電率が従来のプリント基板に使用されている樹脂と比べて高く、比誘電率が高いほど高調波制御回路を小型化することが可能となる。さらに、誘電体共振器であれば１０００以上の共振のＱ値を実現可能であるため、高調波制御回路の伝送ロスを大幅に低減することができ、電力利用効率を向上することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の第２の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第１の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第１の誘電体共振器は、一端が接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、前記接続端から前記第１の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の２次高調波に対する位相進みが(２ｎ１−１)π/２（ｎ１は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００１４】
本発明によれば、入力信号の基本波に対する２次の高調波に対して、増幅素子の出力端におけるインピーダンスが短絡インピーダンスとなり、２次の高調波を制御するための負荷回路条件が満たされることで、電圧波形が補正され、高周波電力増幅器の電力利用効率を向上することが可能となる。
【００１５】
また、本発明の第３の高周波電力増幅器は、さらに、前記高調波制御回路が第２の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第２の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、前記第１の誘電体共振器の他端から前記第２の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが (２ｎ２−１) π/２（ｎ２は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００１６】
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、２次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスを短絡インピーダンスとでき、理論計算上８６％以上の電力利用効率が達成される。
【００１７】
また、本発明の第４の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第３の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第３の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、前記第１の誘電体共振器の他端から前記第３の誘電体共振器の他端まで、記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ３π（ｎ３は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、２次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスを短絡インピーダンスとでき、理論計算上８６％以上の電力利用効率が達成される。
【００１８】
また、本発明の第５の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第４の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第４の誘電体共振器は、一端が接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、前記接続端から前記第４の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の２次高調波に対する位相進みが(２ｎ４−１)π（ｎ４は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
本発明によれば、高周波入力信号の基本波に対する２次の高調波に対して、増幅素子の出力端におけるインピーダンスが短絡インピーダンスとなり、２次の高調波を制御するための負荷回路条件も満たされ、理論計算上８６％以上の電力利用効率が達成される。
【００１９】
また、本発明の第６の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が位相回転手段と第５の誘電体共振器とを有していることを特徴とする。前記位相回転手段は前記増幅素子の出力端と前記接続端との間に接続され、前記第５の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、前記接続端から前記第５の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の３次高調波に対する位相進みが (２ｎ５−１)π/２（ｎ５はｎ５＝３ｍ−１を除く自然数、ｍは自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００２０】
本発明によれば、高周波入力信号の基本波に対する３次の高調波に対して、第５の誘電体共振器の接続端にて短絡インピーダンスとなる。
【００２１】
さらに、第５の誘電体共振器の接続端での短絡インピーダンスを位相回転手段により、位相を１８０°または５４０°、９００°・・・回転させ、増幅素子の出力端におけるインピーダンスを開放とすることで、３次高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。その結果、電圧波形が補正され、高周波電力増幅器の電力利用効率を向上することが可能となる。
【００２２】
また、本発明の第７の高周波電力増幅器は、さらに、前記高調波制御回路が第６の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第６の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、前記第５の誘電体共振器の他端から前記第６の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが (２ｎ６−１)π/２（ｎ６は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００２３】
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、３次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスは開放となり、前述した２次高調波の制御と組み合わせることで、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００２４】
また、本発明の第８の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第７の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第７の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、前記第５の誘電体共振器の他端から前記第７の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ７π（ｎ７は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００２５】
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、３次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスは開放となり、前述した２次高調波の制御と組み合わせることで、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００２６】
また、本発明の第９の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が位相回転手段と第８の誘電体共振器とを有していることを特徴とする。前記位相回転手段は前記増幅素子の出力端と前記接続端との間に接続され、前記第８の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、前記接続端から前記第８の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の３次高調波に対する位相進みがｎ８π（ｎ８は３の倍数を除く自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００２７】
本発明によれば、高周波入力信号の基本波に対する３次の高調波に対して、第８の誘電体共振器の接続端にて短絡インピーダンスとなる。
【００２８】
さらに、第８の誘電体共振器の接続端での短絡インピーダンスを位相回転手段により、３次高調波に対するインピーダンスの位相を１８０°または５４０°、９００°・・・回転させ、増幅素子の出力端におけるインピーダンスを開放とすることで、３次高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。その結果、電圧波形が補正され、高周波電力増幅器の電力利用効率を向上することが可能となる。
【００２９】
また、本発明の第１０の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第９の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第９の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が接地されており、前記第８の誘電体共振器の他端から前記第９の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みがｎ９π（ｎ９は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００３０】
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、３次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスは開放となり、前述した２次高調波の制御と組み合わせることで、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００３１】
また、本発明の第１１の高周波電力増幅器は、前記高調波制御回路が第１０の誘電体共振器を有していることを特徴とする。前記第１０の誘電体共振器は、一端が前記接続端を介して前記増幅素子の出力端に接続され、他端が開放されており、前記第８の誘電体共振器の他端から前記第１０の誘電体共振器の他端まで、前記高周波入力信号の基本波に対する位相進みが(２ｎ１０−１)π/２（ｎ１０は自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
【００３２】
本発明によれば、高調波制御回路での高周波入力信号の基本波に対するリアクタンス成分が低減されるため、高周波入力信号の基本波成分には影響しない状態で、３次の高調波に対する増幅素子の出力端におけるインピーダンスは開放となり、前述した２次高調波の制御と組み合わせることで、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００３３】
また、本発明の第１２の高周波電力増幅器は、前記位相回転手段が(２ｎ１１−１)λ/４（ｎ１１は自然数）の±５％の範囲内に相当する長さに調整された伝送線路であることが好ましい。
【００３４】
本発明によれば、誘電体共振器により誘電体共振器の接続端にて短絡された高調波成分に対するインピーダンスを、増幅素子の出力端において、偶数次高調波を短絡、奇数次高調波を開放とすることが可能である。
【００３５】
例えば、ｎ１１が１の場合であるλ/４に相当する長さのマイクロストリップラインは、高周波入力信号の基本波に対しては１８０°位相回転する。さらに、２次高調波の波長は基本波の２分の１であるため、基本波の位相回転角の２倍に相当する３６０°位相回転し、３次高調波に対しては基本波の３倍に相当する５４０°位相回転する。同様に、４次以降の高次の高調波に対しても位相回転するため、増幅素子の出力端でのインピーダンスは、誘電体共振器の接続端で短絡とされた偶数次高調波は短絡となり、誘電体共振器の接続端で短絡とされた奇数次高調波は開放となる。これにより、高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。ｎ１１が２の場合にも、位相回転角が３倍となり、ｎ１１が１の場合と同様に、増幅素子の出力端でのインピーダンスを偶数次高調波に対しては短絡、奇数次高調波に対しては開放とすることができる。
【００３６】
また、本発明の高周波加熱装置は、高周波発信器と、前記高周波発信器から出力された高周波信号を増幅する増幅素子と、誘電体共振器を有し、前記増幅素子の出力端に接続された高調波制御回路とを備えた高周波電力増幅器と、前記高周波電力増幅器で増幅された前記高周波信号を庫内に照射し、収容物（被加熱物）を加熱するための収納庫と、前記高周波電力増幅器から出力された前記高周波信号を前記収納庫内へ放射する高周波放射器とを備えている。
【００３７】
高周波加熱装置は、被加熱物を加熱するために、高周波電力増幅器の出力として１００Ｗ以上の高出力が要求される。高調波制御回路の伝送ロスは、高周波電力増幅器の出力に比例して大きくなるため、高調波制御回路の伝送ロスの低減が必要である。本発明の高周波電力増幅器は、高調波制御回路に共振のＱ値が高い誘電体共振器を用いるため、高調波制御回路の伝送ロスを大幅に低減することができる。つまり、本発明の高周波電力増幅器は、高周波加熱装置など、１００Ｗ以上の高出力が要求される用途に非常に有用である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、高調波制御回路は、比誘電率の高い誘電体材料からなる誘電体共振器を有するため、プリント基板上に形成するスタブと比べて、誘電体共振器の軸長を短くでき、高調波制御回路を備えた高周波電力増幅器の小型化が可能となる。
【００３９】
また、誘電体共振器であれば、１０００以上の共振のＱ値を実現可能であるため、高調波制御回路の伝送ロスを低減することができ、電力利用効率の高い高周波電力増幅器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００４１】
（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態に係る誘電体共振器の横面図（図１（ａ））及び断面図（図１（ｂ））を示す。
【００４２】
図１（ａ）および（ｂ）に示すように、誘電体共振器１０６は、信号線であるストリップライン１０５が誘電体材料１０３で覆われており、さらに誘電体材料１０３の周囲が接地された外部導体１０２で覆われている。
【００４３】
従って、電磁波がストリップライン１０５に入力された場合、入力された電磁波が誘電体共振器１０６内に閉じ込められ、共振のＱ値が１０００以上の良好な共振特性を実現可能である。
【００４４】
一般に、入力された電磁波の高調波を制御する高調波制御回路の伝送ロスは、共振のＱ値により決定される。
【００４５】
本発明では、従来のプリント基板上のスタブに比べ、共振のＱ値の高い誘電体共振器を用いて高調波制御回路を構成しているため、伝送ロスを低減することができる。また、誘電体共振器１０６の先端１０４は接地または開放されており、信号線との接続端１０１から入力された信号の振幅は、先端１０４が接地された場合には先端１０４にて振幅の節を形成し、先端１０４が開放された場合には先端１０４にて振幅の腹を形成する。ここで、先端１０４を接地し、誘電体共振器の軸長Ｌを入力信号の波長（λ）の２分の１に相当する長さに調整すると、先端１０４では振幅の節を形成し、入力側の端面１０７でも振幅の節を形成することになり、入力側の端面１０７でのインピーダンスを短絡とすることができる。
【００４６】
また、先端１０４を開放とし、誘電体共振器の軸長Ｌをλ/４に相当する長さに調整すると、先端１０４では振幅の腹を形成し、入力側の端面１０７では振幅の節を形成することになり、入力側の端面１０７でのインピーダンスを短絡とすることができる。ここで、誘電体共振器１０６は接続端子１０８を用いて接続端１０１に接続される。そのため、入力信号の周波数が高い場合には、接続端子１０８での位相進みを考慮する必要がある。つまり、接続端１０１にて短絡インピーダンスとするためには、接続端子１０８の位相進みと誘電体共振器１０６内での位相進みの合計がπまたはπ/２となるように、誘電体共振器１０６の軸長Ｌを波長の２分の１または４分の１の周辺で微調整する必要がある。この調整は、接続端１０１から誘電体共振器１０６の先端１０４までの位相進みがπまたはπ/２の±５％の範囲内になるように調整されていれば問題ない。
【００４７】
また、誘電体共振器の軸長Ｌを調整する以外に、位相進みを調整する手法として、コンデンサを介して接続端１０１を信号線に接続し、そのコンデンサの容量値を調整することにより位相進みを調整する方法がある。コンデンサは位相を遅らせる効果があるため、合計の位相進みを調整することが可能である。
【００４８】
また、誘電体共振器の軸長Ｌは信号の周波数Ｆ０と、誘電体材料１０３の比誘電率εrより算出することができる。例えば、先端１０４を開放とし、誘電体共振器の軸長Ｌをλ/４に相当する長さに調整する場合には、（数式１）により誘電体共振器の軸長Ｌを算出することができる。
【００４９】
Ｌλ／４＝Ｃ／（４Ｆ０√εｒ）  …（数式１）
ここで、Ｃは空気中の電磁波の伝達速度を表している。
【００５０】
誘電体共振器に用いる誘電体は比誘電率２０程度のＭｇＣａＴｉＯ３や誘電率９０程度のＢａＯ-ＰｂＯ-Ｎｂ２Ｏ３-ＴｉＯ２など様々な材料が実用化されている。これに対し、一般的なエポキシ樹脂などのプリント基板に用いる誘電体の比誘電率は３程度である。そのため、誘電体共振器の軸長は、プリント基板上のマイクロストリップラインにより形成したオープンスタブの線路長よりも短くなり、高調波制御回路を備えた高周波電力増幅器の小型化が可能となる。
【００５１】
なお、誘電体共振器に入力される高周波信号の実用範囲は５ＧＨｚ以下であることが望ましいが、さらに高い周波数においても適用することが可能である。
【００５２】
（第２の実施形態）
図２に本発明の第２の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。図２の高周波電力増幅器は、トランジスタなどの増幅素子２０４と高調波制御回路２０９と出力整合回路２０７と負荷抵抗２０８にて高周波電力増幅器を構成している。また、２０１は高周波信号の入力端であり、２０２は増幅素子２０４を駆動させるための直流バイアス端、２０３は高周波をカットするためのチョークインダクタである。
【００５３】
高周波信号の入力端２０１から入力された高周波信号が増幅素子２０４で増幅され、高調波制御回路２０９と出力整合回路２０７を通過し、負荷抵抗２０８に供給される。
【００５４】
出力整合回路２０７は出力整合回路の出力端と負荷抵抗２０８間での整合ロスを抑制するための回路であり、通常は出力整合回路２０７の出力端での増幅素子側のインピーダンスが５０Ωとなるように調整する。
【００５５】
高調波制御回路２０９は第１の誘電体共振器２０６と第２の誘電体共振器２０５により構成されている。ここで、第１の誘電体共振器２０６は、一端が接続端Ａを介して増幅素子２０４の出力端と接続され、他端が開放されている。第１の誘電体共振器２０６の軸長は高周波入力信号の基本の波長をλとして、λ/８に相当する長さに調整されている。また、第２の誘電体共振器２０５は、一端が接続端Ａを介して増幅素子２０４の出力端と接続され、他端は接地されている。第２の誘電体共振器２０５の軸長はλ/８に相当する長さに調整されている。
【００５６】
第１の誘電体共振器２０６の軸長がλ/８に相当する長さであるため、２次高調波の波長λ２とした場合、 λ２/４に相当し、２次高調波成分は開放端では振幅の腹を形成し、接続端Ａでは振幅の節を形成する。これにより、接続端Ａにおける２次高調波に対するインピーダンスは短絡インピーダンスとなり、２次高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。
【００５７】
２次高調波と同様に、高周波入力信号の基本波に対する６次、１０次・・・２(２ｍ−１)次（ｍは自然数）の高調波に対しても短絡インピーダンスとなり、６次、１０次・・・２(２ｍ−１)次の高調波を制御するための負荷回路条件も満たされる。その結果、電圧波形が補正され、高周波電力増幅器の高効率化を図ることが可能となる。
また、第１の誘電体共振器２０６の軸長を(２ｎ１−１)λ/８（ｎ１は自然数）に相当する長さとしても、開放端では振幅の腹を形成し、接続端Ａでは振幅の節を形成するため、接続端Ａにおける２次、６次、１０次・・・２(２ｍ−１)次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとできる。これにより、信号周波数が高くなり、誘電体共振器の軸長が短くなった場合にも、ｎ１の値を大きくすることで現実的な大きさで回路を実現することができる。
【００５８】
さらに、第１、第２の２つの誘電体共振器２０６、２０５の合計軸長がλ/４に相当する長さであるため、基本波成分は第１の誘電体共振器２０６の開放端で振幅の腹を形成し、第２の誘電体共振器２０５の接地端で振幅の節を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの第１および第２の誘電体共振器２０６、２０５は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、２次、６次、１０次・・・２(２ｍ-１)次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとでき、理論計算上８６％以上の電力利用効率が達成される。
【００５９】
ここで、第１、第２の２つの誘電体共振器２０６、２０５の合計軸長が(２ｎ２−１) λ/４（ｎ２は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第１の誘電体共振器２０６の開放端で振幅の腹を形成し、第２の誘電体共振器２０５の接地端で振幅の節を形成して共振する。
【００６０】
そのため、高周波信号の周波数が非常に高い場合などはｎ２の値を大きくすることで現実的な長さで誘電体共振器を実現することができる。
【００６１】
また、第２の誘電体共振器２０５を用いず、第１の誘電体共振器２０６を単体で高調波制御回路２０９を構成しても、２次高調波を制御することは可能である。
なお、接続点Ａと誘電体共振器を直接接続せず、第１の実施形態で示したような接続端子１０８として金属材料などを用いて接続した場合には、接続端子１０８での位相進みを考慮して、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値を調整する必要がある。第１の誘電体共振器２０６の上記(２ｎ１−１)λ/８に相当する長さは、２次高調波に対する位相進みとしては、(２ｎ１−１)π/２に相当する。本実施形態において、第１の誘電体共振器２０６の接続に接続端子１０８を用いた場合、接続端子１０８での位相進みを考慮して、接続端Ａにて２次高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとする必要がある。そのためには、接続端Ａから第１の誘電体共振器２０６の開放端までの２次高調波に対する位相進みが(２ｎ１−１)π/２の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。
また、第１の誘電体共振器２０６及び第２の誘電体共振器２０５の合計軸長であるその上記(２ｎ２-１) λ/４に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、(２ｎ２−１) π/２に相当する。本実施形態において、第１の誘電体共振器２０６及び第２の誘電体共振器２０５のそれぞれを接続端Ａに接続する際、接続端子１０８や付加するコンデンサなどを用いる場合には、第１及び第２の誘電体共振器２０６、２０５のそれぞれの接続端子１０８の位相進みを考慮する必要がある。つまり、基本波成分には影響しない状態で、２次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、各誘電体共振器の接続端子１０８や付加するコンデンサの基本波に対する位相進みを含めた、第１の誘電体共振器２０６の開放端から第２の誘電体共振器２０５の接地端までの基本波に対する位相進みの合計が (２ｎ２−１) π/２の±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００６２】
なお、出力整合回路２０７は接続端Ａを介して、増幅素子２０４の出力端と接続されているが、接続端Ａと増幅素子２０４の出力端との間にあってもよい。その際には、増幅素子２０４の出力端でのインピーダンスを短絡インピーダンスとするために、出力整合回路２０７と接続端Ａの間にストリップラインなどの位相回転用線路を形成し、出力整合回路２０７での２次高調波に対する位相進みと出力整合回路２０７の出力端から接続端Ａまでのストリップラインによる位相進みの合計を２ｎ１２π（ｎ１２は自然数）とすることが好ましい。また、誘電体共振器はストリップライン上に半田付けするなどして実装できるため、半田付けの位置を微調整するだけで位相進みを制御することが可能である。
【００６３】
（第３の実施形態）
図３に本発明の第３の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。本発明の第２の実施形態との違いは、他端を接地した第２の誘電体共振器２０５を、他端を開放した第３の誘電体共振器３０１に置き換えたところにある。ここで、第３の誘電体共振器３０１は一端が接続端Ａを介して増幅素子２０４の出力端と接続され、他端が開放され、軸長は３λ/８に相当する長さに調整されている。
【００６４】
本発明の第２の実施形態で述べたように、第１の誘電体共振器２０６により２次、６次、１０次・・・２(２ｍ−１)次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとできる。
【００６５】
さらに、第１、第３の２つの誘電体共振器２０６、３０１の合計軸長がλ/２に相当する長さであるため、基本波成分は第１の誘電体共振器２０６の開放端で振幅の腹を形成し、第３の誘電体共振器３０１の開放端でも振幅の腹を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの誘電体共振器２０６、３０１は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、２次、６次、１０次・・・２(２ｍ−１)次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとでき、理論計算上８６％以上の電力利用効率が達成される。
【００６６】
また、第１、第３の２つの誘電体共振器２０６、３０１の合計軸長がｎ３λ/２（ｎ３は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第１の誘電体共振器２０６の開放端で振幅の腹を形成し、第３の誘電体共振器３０１の開放端でも振幅の腹を形成して共振する。そのため、信号周波数が高い場合などはｎ３の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００６７】
なお、第１の誘電体共振器２０６及び第３の誘電体共振器３０１の上記ｎ３λ/２に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、ｎ３πに相当する。本実施形態において、第１及び第３の誘電体共振器２０６、３０１を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサを用いる場合、基本波成分には影響しない状態で、２次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、各誘電体共振器の接続端子１０８や付加するコンデンサでの位相進みを考慮し、第１の誘電体共振器２０６の開放端から第３の誘電体共振器３０１の開放端までの基本波に対する合計位相進みがｎ３πの±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００６８】
（第４の実施形態）
図４に本発明の第４の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。本発明の第４の実施形態は、第２及び第３の実施形態とは異なり、高調波制御回路２０９において、一端が接続端Ａと接続され、他端が接地され、軸長がλ/４に相当する長さに調整されている第４の誘電体共振器４０１を有している。
【００６９】
第４の誘電体共振器４０１の軸長がλ/４に相当する長さであるため、２次高調波の波長をλ２とした場合、 λ２/２に相当し、２次高調波成分は接地端では振幅の節を形成し、接続端Ａでも振幅の節を形成する。これにより、接続端Ａにおける２次高調波に対するインピーダンスは短絡インピーダンスとなり、２次高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。同様に、入力信号の基本波に対する４次、６次・・・２ｍ次の高調波に対しても短絡インピーダンスとなり、４次、６次・・・２ｍ次の高調波を制御するための負荷回路条件も満たされる。その結果、電圧波形が補正され、高周波電力増幅器の高効率化を図ることが可能となる。
【００７０】
さらに、第４の誘電体共振器４０１の軸長がλ/４に相当する長さであるため、基本波成分は接地端では振幅の節を形成し、接続端Ａでは振幅の腹を形成する。これにより、基本波に対する第４の誘電体共振器４０１のインピーダンスは無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、２次、４次、６次・・・２ｍ次すべての偶数次高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとでき、理論計算上８６％以上の電力利用効率がひとつの誘電体共振器により達成される。
また、第４の誘電体共振器４０１の軸長を(２ｎ４−１)λ/４（ｎ４は自然数）に相当する長さとしても、２次高調波成分は接地端では振幅の節を形成し、接続端Ａでも振幅の節を形成するため、すべての偶数次高調波に対するインピーダンスを短絡とできる。さらに、基本波に対しては、接地端では振幅の節を形成し、接続端Ａでは振幅の腹を形成するため、第４の誘電体共振器４０１のインピーダンスが無限大となる。これにより、信号周波数が高くなり、誘電体共振器の軸長が短くなった場合にも、ｎ４の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００７１】
なお、第４の誘電体共振器４０１の上記(２ｎ４−１)λ/４に相当する長さは、２次高調波に対する位相進みとしては(２ｎ４−１)π、基本波に対する位相進みとしては(２ｎ４−１) π/２に相当する。本実施形態において、第４の誘電体共振器４０１を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサを用いる場合、接続端Ａにて２次高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、接続端Ａから第４の誘電体共振器４０１の接地端までの２次高調波に対する位相進みが(２ｎ４−１)πの±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、接続端子１０８と第４の誘電体共振器４０１、付加するコンデンサの合計位相進みが(２ｎ４−１)πの±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００７２】
なお、第２の実施形態にて述べたように、出力整合回路２０７は接続端Ａと増幅素子２０４の出力端との間にあってもよい。その際には、増幅素子２０４の出力端でのインピーダンスを短絡インピーダンスとするために、出力整合回路２０７を含めて、増幅素子２０４の出力端から接続端Ａの間での２次高調波に対する位相進みを２ｎ１２πとすることが好ましい。出力整合回路２０７の出力端に位相回転用のストリップラインを設け、誘電体共振器の接続点Ａの位置を微調整することにより位相制御が可能である。
【００７３】
（第５の実施形態）
図５に本発明の第５の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。本実施形態では、高調波制御回路２０９において、長さがλ/４に相当する長さに調整されたマイクロストリップライン５０１と、第４の誘電体共振器４０１と、第５の誘電体共振器５０３と、第６の誘電体共振器５０２とを有している。
【００７４】
マイクロストリップライン５０１は、増幅素子２０４の出力端と接続端Ａとの間に設けられている。第５の誘電体共振器５０３は、一端が接続端Ａに接続され、他端が開放され、軸長がλ/１２に相当する長さに調整されている。第６の誘電体共振器５０２は、一端が接続端Ａに接続され、他端が接地され、軸長がλ/６に相当する長さに調整されている。
第５の誘電体共振器５０３の軸長がλ/１２に相当する長さであるため、３次高調波の波長をλ３とした場合、の λ３/４に相当し、３次高調波成分は開放端では振幅の腹を形成し、接続端Ａでは振幅の節を形成する。これにより、誘電体共振器の接続端Ａでの３次高調波に対するインピーダンスは短絡インピーダンスとなる。同様に、９次、１５次・・・３（２ｍ−１）次の高調波に対しても、接続端Ａにて短絡インピーダンスとなる。
【００７５】
また、第４の実施形態にて述べたように、第４の誘電体共振器４０１の効果により、偶数次高調波に対して接続端Ａでの偶数次高調波に対するインピーダンスも短絡インピーダンスとなる。
【００７６】
さらに、λ/４に相当する長さのマイクロストリップライン５０１により、２次高調波に対して３６０°程度、３次高調波に対して５４０°程度位相が回転するため、増幅素子２０４の出力端Ｂにおける高調波制御回路２０９のインピーダンスを、接続端Ａにて誘電体共振器により短絡とされた偶数次高調波に対しては短絡、接続端Ａにて誘電体共振器により短絡とされた奇数次高調波に対しては開放とすることができ、高調波を制御するための負荷回路条件が満たされる。
【００７７】
さらに、第５、第６の２つの誘電体共振器５０３、５０２の合計軸長がλ/４に相当する長さであるため、基本波成分は第５の誘電体共振器５０３の開放端で振幅の腹を形成し、第６の誘電体共振器５０２の接地端で振幅の節を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの誘電体共振器は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、接続端Ａにおいて誘電体共振器により短絡された高調波が制御され、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００７８】
ここで、第５の誘電体共振器５０３の軸長を(２ｎ５−１)λ/１２（ｎ５は自然数）に相当する長さとしても、３次高調波成分は開放端では振幅の腹を形成し、接続端Ａでは振幅の節を形成するため、接続端Ａにおける３次、９次、１５次・・・３（２ｍ−１）次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとできる。これにより、信号周波数が高くなり、誘電体共振器の軸長が短くなった場合には、ｎ５の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００７９】
ただし、上記(２ｎ５−１)λ/１２のｎがｎ＝３ｍ−１ （ｍは自然数）を満たす場合、すなわち第５の誘電体共振器５０３の軸長が (２ｍ−１)λ/４に相当する長さとなる場合には、第５の誘電体共振器の軸長がλ/４の奇数倍に相当するため、第５の誘電体共振器内の基本波成分の振幅は開放端で腹を形成し、マイクロストリップライン５０１（位相回転手段）との接続端Ａでは振幅の節を形成する。そのため、高調波制御回路２０９を基本波成分が通過しなくなるため、ｎがｎ＝３ｍ−１となることを避ける必要がある。
【００８０】
さらに、マイクロストリップライン５０１を(２ｎ１１−１)λ/４（ｎ１１は自然数）に相当する長さとしても、位相回転角は(２ｎ１１−１)倍されるため、接続端Ａにおいて誘電体共振器により短絡された高調波成分のインピーダンスを偶数次高調波は短絡、奇数次高調波は開放とすることができる。これにより、信号周波数が高くなり、誘電体共振器の軸長が短くなった場合には、ｎ１１の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００８１】
また、マイクロストリップライン５０１は位相が回転すればよいので、コプレーナ型やストッロ型などの伝送線路、集中定数による位相回転回路であってもよい。
【００８２】
また、第４の誘電体共振器４０１の変わりに第１の誘電体共振器２０６により偶数次の高調波を制御してもよい。
【００８３】
また、第５、第６の２つの誘電体共振器５０３、５０２の合計軸長が(２ｎ６−１) λ/４（ｎ６は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第５の誘電体共振器５０３の開放端で振幅の腹を形成し、第６の誘電体共振器５０２の接地端で振幅の節を形成して共振する。そのため、信号周波数が高い場合などはｎ６の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００８４】
また、マイクロストリップライン５０１と、第４の誘電体共振器４０１と、第５の誘電体共振器５０３とで高調波制御回路２０９を構成しても、すべての偶数次高調波と、３次、９次、１５次・・・３（２ｍ−１）次の高調波に対する負荷回路条件が満たされるため、必ずしも第６の誘電体共振器５０２を用いる必要はない。
【００８５】
なお、第５の誘電体共振器５０３の上記(２ｎ５−１)λ/１２に相当する長さは、３次高調波に対する位相進みとしては、(２ｎ５−１)π/２に相当する。本実施形態において、第５の誘電体共振器５０３を接続端Ａに接続する際に、前述した接続端子１０８を用いる場合、接続端子１０８や付加するコンデンサでの位相進みを考慮する必要がある。つまり、接続端Ａにて３次高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、接続端子１０８や付加するコンデンサでの３次高調波に対する位相進みと第５の誘電体共振器５０３での３次高調波に対する位相進みの合計が (２ｎ５−１)π/２（ｎ５はｎ５＝３ｍ−１を除く自然数、ｍは自然数）の±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００８６】
また、第５の誘電体共振器５０３及び第６の誘電体共振器５０２の上記(２ｎ６−１) λ/４に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、(２ｎ６−１) π/２に相当する。本実施形態において、第５及び第６の誘電体共振器５０３、５０２を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサを用いる場合、各誘電体共振器の接続端子１０８や付加するコンデンサでの位相進みを考慮する必要がある。つまり、基本波成分には影響しない状態で、２次、３次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、第５の誘電体共振器５０３の開放端から第６の誘電体共振器５０２の接地端までの基本波に対する位相進みが (２ｎ６−１) π/２の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、第５、第６の誘電体共振器５０３、５０２での位相進みと各誘電体共振器の接続端子１０８と付加するコンデンサでの位相進みの合計が(２ｎ６−１) π/２の±５％の範囲内になるように誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００８７】
（第６の実施形態）
図６に本発明の第６の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。本発明の第５の実施形態との違いは、他端を接地した第６の誘電体共振器５０２を、他端を開放した第７の誘電体共振器６０１に置き換えたところである。第７の誘電体共振器６０１は、一端が接続端Ａを介して増幅素子２０４と接続され、他端が開放され、軸長が５λ/１２に相当する長さに調整されている。
【００８８】
本発明の第５の実施形態にて述べたように、第４の誘電体共振器４０１と、第５の誘電体共振器５０３により、すべての偶数次高調波と、３次、９次、１５次・・・３（２ｍ−１）次の高調波に対する高調波制御回路２０９の入力端Bにおけるインピーダンスを、接続端Ａにて誘電体共振器により短絡とされた偶数次高調波成分については短絡、奇数次高調波成分については開放とできる。
【００８９】
さらに、第５、第７の２つの誘電体共振器５０３、６０１の合計軸長がλ/２に相当する長さであるため、基本波成分は第５の誘電体共振器５０３の開放端で振幅の腹を形成し、第７の誘電体共振器６０１の開放端でも振幅の腹を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの誘電体共振器は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、接続端Ａにおいて誘電体共振器により短絡された高調波が制御され、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００９０】
また、第５、第７の２つの誘電体共振器５０３、６０１の合計軸長がｎ７λ/２（ｎ７は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第５の誘電体共振器５０３の開放端で振幅の腹を形成し、第７の誘電体共振器６０１の開放端でも振幅の腹を形成して共振する。そのため、信号周波数が高い場合などはｎ７の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【００９１】
なお、第５の誘電体共振器５０３及び第７の誘電体共振器６０１の上記ｎ７λ/２に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、ｎ７πに相当する。本実施形態において、第５及び第７の誘電体共振器５０３、６０１を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサなどを用いる場合、基本波成分には影響しない状態で、２次、３次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、第５の誘電体共振器５０３の開放端から第７の誘電体共振器６０１の開放端までの基本波に対する位相進みがｎ７πの±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、第５、第７の誘電体共振器５０３、６０１での位相進みと各誘電体共振器の接続端子１０８と付加するコンデンサでの位相進みの合計がｎ７πの±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【００９２】
（第７の実施形態）
図７に本発明の第７の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。本実施形態では、高調波制御回路２０９において、マイクロストリップライン５０１と、第４の誘電体共振器４０１と、第８の誘電体共振器７０２と、第９の誘電体共振器７０１とを有している。
【００９３】
第８の誘電体共振器７０２は、一端が接続端Ａに接続され、他端が接地され、軸長がλ/６に相当する長さに調整されている。第９の誘電体共振器７０１は、一端が接続端Ａに接続され、他端が接地され、軸長がλ/３に相当する長さに調整されている。
【００９４】
第８の誘電体共振器７０２の軸長がλ/６に相当する長さであるため、３次高調波の波長をλ３とした場合、 λ３/２に相当し、３次高調波成分は接地端では振幅の節を形成し、接続端Ａでも振幅の節を形成する。これにより、各誘電体共振器の接続端Ａでの３次高調波に対するインピーダンスは短絡インピーダンスとなる。同様に、６次、９次・・・３ｍ次の高調波に対しても、接続端Ａにて短絡インピーダンスとなる。
【００９５】
さらに、第４の誘電体共振器４０１により、すべての偶数次高調波が接続端Ａにて短絡インピーダンスとなるため、第５の実施形態にて述べたように、マイクロストリップライン５０１により位相回転され、すべての偶数次高調波と、３次、６次、９次・・・３ｍ次の高調波に対する高調波制御回路２０９の入力端Ｂにおけるインピーダンスを接続端Ａにて誘電体共振器により短絡とされた偶数次高調波成分については短絡、奇数次高調波成分については開放とできる。
【００９６】
さらに、第８、第９の２つの誘電体共振器７０２、７０１の合計軸長がλ/２に相当する長さであるため、基本波成分は第８の誘電体共振器７０２の接地端で振幅の節を形成し、第９の誘電体共振器７０１の接地端でも振幅の節を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの誘電体共振器は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、接続端Ａにおいて誘電体共振器により短絡された高調波が制御され、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【００９７】
ここで、第８の誘電体共振器７０２の軸長をｎ８λ/６（ｎ８は自然数、ただし３の倍数は除く）に相当する長さとしても、３次、６次、９次・・・３ｍ次の高調波成分は第８の誘電体共振器７０２の接地端で振幅の節を形成し、接続端Ａでも振幅の節を形成するため、接続端Ａにおける３次、６次、９次・・・３ｍ次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとできる。これにより、信号周波数が高くなり、誘電体共振器の軸長が短くなった場合には、ｎ８の値を大きくすることで現実的な大きさで回路を実現することができる。
【００９８】
ただし、ｎ８が３の倍数である場合には、基本波成分が接地端で振幅の節を形成し、接続端Ａでも振幅の節を形成する。そのため、高調波制御回路２０９を基本波成分が通過しなくなるため、ｎ８が３の倍数となることを避ける必要がある。
【００９９】
また、第８、第９の２つの誘電体共振器７０２、７０１の合計軸長がｎ９λ/２（ｎ９は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第８の誘電体共振器７０２の接地端で振幅の節を形成し、第９の誘電体共振器７０１の接地端でも振幅の節を形成して共振する。そのため、信号周波数が高い場合などはｎ９の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【０１００】
なお、第８の誘電体共振器７０２の上記ｎ８λ/６に相当する長さは、３次高調波に対する位相進みとしては、ｎ８πに相当する。本実施形態において、第８の誘電体共振器７０２を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサなどを用いる場合、接続端Ａにて３次高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、接続端Ａから第８の誘電体共振器７０２の接地端までの３次高調波に対する位相進みがｎ８π（ｎ８は３の倍数を除く自然数）の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、接続端子１０８と付加するコンデンサの位相進みと第８の誘電体共振器７０２の合計位相進みがｎ８π（ｎ８は３の倍数を除く自然数）の±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【０１０１】
また、第８の誘電体共振器７０２及び第９の誘電体共振器７０１の上記ｎ９λ/２に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、ｎ９πに相当する。本実施形態において、第８及び第９の誘電体共振器７０２、７０１を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサなどを用いる場合、基本波成分には影響しない状態で、２次、３次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、第８の誘電体共振器７０２の接地端から第９の誘電体共振器７０１の接地端までの基本波に対する位相進みがｎ９πの±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、第８、第９の誘電体共振器７０２、７０１での位相進みと各誘電体共振器の接続端子１０８での位相進みの合計がｎ９πの±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【０１０２】
（第８の実施形態）
図８に本発明の第８の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。第７の実施形態との違いは、他端を接地した第９の誘電体共振器７０１を、他端を開放した第１０の誘電体共振器８０１に置き換えたところである。第１０の誘電体共振器８０１は、一端が接続端Ａに接続され、他端が開放され、軸長がλ/１２に相当する長さに調整されている。
【０１０３】
第７の実施形態にて述べたように、第４の誘電体共振器４０１と、第８の誘電体共振器７０２により、すべての偶数次高調波と、３次、６次、９次・・・３ｍ次の高調波に対する高調波制御回路２０９の入力端Ｂにおけるインピーダンスを、接続端Ａにて誘電体共振器により短絡とされた偶数次高調波成分については短絡、奇数次高調波成分については開放とできる。
【０１０４】
さらに、第８、第１０の２つの誘電体共振器７０２、８０１の合計軸長がλ/４に相当する長さであるため、基本波成分は第８の誘電体共振器７０２の接地端で振幅の節を形成し、第１０の誘電体共振器８０１の開放端では振幅の腹を形成して共振する。この共振により、接続端Ａでの誘電体共振器は基本波に対してインピーダンスがほぼ無限大となり、基本波は高調波制御回路２０９を通過する。そのため、基本波成分には影響しない状態で、接続端Ａにおいて誘電体共振器により短絡された高調波が制御され、理論計算上９０％以上の電力利用効率が達成される。
【０１０５】
また、第８、第１０の２つの誘電体共振器７０２、８０１の合計軸長が(２ｎ１０−１)λ/４（ｎ１０は自然数）に相当する長さであれば、基本波成分は第８の誘電体共振器７０２の接地端で振幅の節を形成し、第１０の誘電体共振器８０１の開放端では振幅の腹を形成して共振する。そのため、信号周波数が高い場合などはｎ１０の値を大きくすることで現実的な大きさの回路を実現することができる。
【０１０６】
なお、第８の誘電体共振器７０２及び第１０の誘電体共振器８０１の上記(２ｎ１０−１)λ/４に相当する長さは、基本波に対する位相進みとしては、(２ｎ１０−１)π/２に相当する。本実施形態において、第８及び第１０の誘電体共振器７０２、８０１を接続端Ａに接続する際、前述した接続端子１０８や付加するコンデンサなどを用いる場合、基本波成分には影響しない状態で、２次、３次の高調波に対するインピーダンスを短絡インピーダンスとするためには、第８の誘電体共振器７０２の接地端から第１０の誘電体共振器８０１の開放端までの基本波に対する位相進みが(２ｎ１０−１)π/２の±５％の範囲内になるように調整されていることが好ましい。つまり、第８、第１０の誘電体共振器７０２、８０１での位相進みと各誘電体共振器の接続端子１０８と付加するコンデンサでの位相進みの合計が(２ｎ１０−１)π/２の±５％の範囲内になるように、誘電体共振器の軸長や付加するコンデンサの容量値が調整されていることが好ましい。
【０１０７】
（第９の実施形態）
図９に本発明の第９の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図を示す。第８の実施形態との違いは、高調波制御回路２０９と出力整合回路２０７の位置であり、増幅素子２０４の出力端Ｂに出力整合回路２０７を接続し、出力整合回路２０７の出力端に高調波制御回路２０９を接続したことである。高調波制御回路２０９は第１のストリップライン９０１と第２のストリップライン９０２、さらに第４、第８、第１０の誘電体共振器４０１、７０２、８０１により構成されている。
【０１０８】
このとき、各高調波成分に対するインピーダンスは増幅素子２０４の出力端Ｂにおけるインピーダンスを偶数次高調波成分に対しては短絡、奇数次高調波成分に対しては開放とする必要がある。
【０１０９】
出力整合回路２０７はキャパシタンス成分やインダクタンス成分を含む回路素子にて構成されるため、出力整合回路２０７にて高調波成分に対して位相回転が生じる。そのため、２次高調波成分に対しては、出力整合回路２０７での２次高調波成分に対する位相回転を考慮し、高調波制御回路２０９内にて、２次高調波制御用の第４の誘電体共振器４０１を接続する点Ａ２までの２次高調波成分に対する位相回転を調整すればよい。同様に、３次高調波成分に対しても、出力整合回路２０７での３次高調波成分に対する位相回転を考慮し、高調波制御回路２０９内にて、３次高調波制御用の第８、第１０の誘電体共振器７０２、８０１を接続する点Ａ１までの３次高調波成分に対する位相回転を調整すればよい。
【０１１０】
本実施形態では、この負荷条件を満たすために、２次高調波成分に対して、出力整合回路２０７での２次高調波成分に対する位相回転と第１、第２のマイクロストリップライン９０１、９０２での２次高調波成分に対する位相回転と第８、第１０の誘電体共振器７０２、８０１における２次高調波成分に対する位相回転の合計が２ｎ１３π（ｎ１３は自然数）となる接続端Ａ２にて第４の誘電体共振器４０１が接続されている。これにより、第４の誘電体共振器４０１の接続端Ａ２にて短絡となった２次高調波成分のインピーダンスを増幅素子の出力端Ｂにおいても短絡インピーダンスとすることが可能である。
【０１１１】
また、３次高調波成分に対して、出力整合回路２０７での３次高調波成分に対する位相回転と第１のストリップライン９０１での３次高調波成分に対する位相回転の合計が(２ｎ１４−１)π（ｎ１４は自然数）となる接続端Ａ１にて第８、第１０の誘電体共振器７０２、８０１が接続されている。これにより、第８の誘電体共振器７０２の接続端Ａ１にて短絡となった３次高調波成分のインピーダンスを増幅素子の出力端Ｂにおいて開放とすることが可能である。
【０１１２】
なお、本実施形態では２次高調波制御用の第４の誘電体共振器４０１を負荷抵抗２０８に近い側に配置されているが、負荷条件が満たされれば、３次高調波制御用の第８、第１０の誘電体共振器７０２、８０１を負荷抵抗２０８に近い側に配置されていてもよい。
【０１１３】
以上、説明した実施形態はいずれも一例であり、本発明はこの範囲には限定されない。例えば、負荷抵抗２０８をアンテナに置き換えることで、増幅した高周波信号を送信することも可能である。
【０１１４】
また、高調波制御回路の伝送ロスは、高周波電力増幅器の出力に比例して大きくなるため、高周波加熱装置など１００Ｗ以上の高出力が要求されるアプリケーションにおいて有用である。例えば、図１１に示すように、高周波発信器１１００と、高周波発信器１１００の出力信号を増幅する本発明の高周波電力増幅器１１０２と、高周波電力増幅器１１０２で増幅される高周波で加熱させる被加熱物１１０８を収容するための収納庫１１０６と、高周波電力増幅器１１０２の出力信号を収納庫１１０６へ放射するアンテナなどの高周波放射器１１０４とから高周波加熱装置を構成することができる。この構成によれば、高周波電力増幅器の電力負荷効率が高いため、加熱効率の向上や高周波加熱装置の消費電力の低減が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
以上説明したように、本発明は高周波電力増幅器の電力利用効率向上に利用される高調波制御回路の小型化と、伝送ロスの低減に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施形態に係る誘電体共振器を示す横面図、（ｂ）本発明の第１の実施形態に係る誘電体共振器を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図３】本発明の第３の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図４】本発明の第４の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図５】本発明の第５の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図６】本発明の第６の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図７】本発明の第７の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図８】本発明の第８の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図９】本発明の第９の実施形態に係る高周波電力増幅器の回路図
【図１０】従来の高周波電力増幅器の回路図
【図１１】本発明の高周波加熱装置を模式的に示す図
【符号の説明】
【０１１７】
１０１  接続端
１０２  外部導体
１０３  誘電体材料
１０４  開放または短絡部位
１０５  ストリップライン
１０６  誘電体共振器
１０７  入力側の端面
１０８  接続端子
２０１  信号入力端
２０２  直流バイアス端
２０３  チョークインダクタ
２０４  増幅素子
２０５  第２の誘電体共振器
２０６  第１の誘電体共振器
２０７  出力整合回路
２０８  負荷抵抗
２０９  高調波制御回路
３０１  第３の誘電体共振器
４０１  第４の誘電体共振器
５０１  マイクロストリップライン
５０２  第６の誘電体共振器
５０３  第５の誘電体共振器
６０１  第７の誘電体共振器
７０１  第９の誘電体共振器
７０２  第８の誘電体共振器
８０１  第１０の誘電体共振器
９０１ 第１のストリップライン
９０２ 第２のストリップライン
１００１  信号入力端
１００２  直流バイアス端
１００３  チョークインダクタ
１００４  増幅素子
１００５  マイクロストリップライン
１００６  λ/８オープンスタブ
１００７  λ/１２オープンスタブ
１００８  出力整合回路
１００９  負荷インピーダンス
１１００  高周波発信器
１１０２  高周波電力増幅器
１１０４  高周波放射器
１１０６  収納庫
１１０８  被加熱物
【図１】
2009065637.tif 000003
【図２】
2009065637.tif 000004
【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】
2009065637.tif 000009
【図８】
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【図９】
2009065637.tif 000011
【図１０】
2009065637.tif 000012
【図１１】
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