(57)【要約】【課題】数十Ｗ以上の大電力用途に使用可能で、より高速なインピーダンス整合が可能なインピーダンス整合回路の提供。【解決手段】可変周波数交流電力源を備えるインピーダンス整合回路を所望の対象負荷に接続して、可変周波数交流電力源の周波数を変更し、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現して、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める。更に、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める周波数範囲を、複数存在させる。好ましくは、スミスチャート上の全範囲に亘る所定の箇所に、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスがプロットされ、可変周波数交流電力源の周波数を変更する周波数範囲を、所望の周波数範囲とする事である。【選択図】図４
2019103134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変周波数交流電力源を備えると共に所望の対象負荷に接続され、
可変周波数交流電力源の周波数を変更して、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現し、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収めるインピーダンス整合回路。
【請求項２】
前記対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、前記出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める周波数範囲が、複数存在する請求項１に記載のインピーダンス整合回路。
【請求項３】
前記スミスチャート上の全範囲に亘る所定の箇所に、前記対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスがプロットされる請求項１又は２に記載のインピーダンス整合回路。
【請求項４】
前記可変周波数交流電力源の周波数を変更する周波数範囲が、所望の周波数範囲である
請求項１〜３に記載のインピーダンス整合回路。
【請求項５】
少なくとも１つの伝送線路を備える請求項１〜４の何れかに記載のインピーダンス整合回路。
【請求項６】
少なくとも１つの結合線路を備える請求項１〜５の何れかに記載のインピーダンス整合回路。
【請求項７】
少なくとも１つの集中定数素子を備える請求項１〜６の何れかに記載のインピーダンス整合回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インピーダンス整合回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、GaNを用いたGaN HEMT（High Electron Mobility Transistor：高電子移動度トランジスタ）等の半導体技術が発達し、これら半導体を利用してマイクロ波電力ジェネレータ（交流電力源）が開発されている。【０００３】
この様なマイクロ波電力ジェネレータの用途として、マイクロ波手術機器が挙げられる。マイクロ波手術機器による手術では、マイクロ波により患部を加熱して行く。しかし手術が進むにつれて患部の状態は変わり、マイクロ波ジェネレータから見た患部に於ける負荷としてのインピーダンスが変化してしまう。加えて、患部である臓器や血管等は、部位によってインピーダンスが異なる。【０００４】
このような手術の進行状況や部位によってインピーダンスが変化する負荷に対し、電力の反射を防いで負荷に効率良く電力を伝える為には、手術中に即時にマイクロ波ジェネレータ側のインピーダンスを整合する装置や回路が必要となる。【０００５】
インピーダンスの整合装置としては、スラグチューナやスタブチューナ等が挙げられる（例えば、スタブチューナの一例として特許文献１参照）。また、バラクタダイオードやFETスイッチを使用したインピーダンス整合回路も提案されている（例えば、バラクタダイオードにより構成されたインピーダンス整合回路の一例として、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１５０３０６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３７３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、スラグチューナやスタブチューナ等は機械的に整合を行う為、整合に100ミリ秒程の時間が掛かってしまう。【０００８】
一方、バラクタダイオード等を用いた回路では、整合に要する時間は比較的短い。しかし回路素子の耐電力性が1.0Ｗ以下と低い為、マイクロ波手術機器のような数十Ｗ以上の大電力用途への使用が不可能であった。【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、数十Ｗ以上の大電力用途に使用可能で、より高速なインピーダンス整合が可能なインピーダンス整合回路の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち本発明のインピーダンス整合回路は、可変周波数交流電力源を備えると共に所望の対象負荷に接続され、可変周波数交流電力源の周波数を変更して、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現し、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事を特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るインピーダンス整合回路に依れば、可変周波数交流電力源の周波数を変更する事で、1.0ミリ秒以下と云う高速で即時に、所望の対象負荷が示すインピーダンスに対して出力インピーダンスを整合する事が可能となる。【００１２】
更に、バラクタダイオード等の可変リアクタンス素子を用いずに、インピーダンス整合回路を構成する事が可能となる。即ち、大電力に対する耐性の高い回路素子のみでインピーダンス整合回路を構成する事が出来る。よって、数十Ｗ以上の大電力用途に使用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】固定周波数交流電力源Ｖと、インピーダンスZLを示す所望の対象負荷からなるシステムの回路図である。
【図２】固定インピーダンス回路を有するインピーダンス整合回路を、固定周波数交流電力源Ｖと負荷の間に接続した回路図である。
【図３】可変素子を備えたインピーダンス整合回路を、固定周波数交流電力源Ｖと負荷の間に接続した回路図である。
【図４】本発明に係るインピーダンス整合回路の原理及び実施の形態を模式的に示す回路図である。
【図５】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例１を示す回路図である。
【図６】実施例１に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図７】実施例１に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図８】図５を破線（３）で切断して、負荷側（図５中の右側）を見た時の、負荷が示すインピーダンスの例として、ランダムな10点の負荷のインピーダンスをプロットしたスミスチャートである。
【図９】図７に、図８の10点の複素共役点を重ねてプロットしたスミスチャートである。
【図１０】図５を破線（３）で切断して、負荷側（図５中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図１１】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例２を示す回路図である。
【図１２】実施例２に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図１３】実施例２に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図１４】図１１を破線（３）で切断して、負荷側（図１１中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図１５】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例３を示す回路図である。
【図１６】実施例３に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図１７】実施例３に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図１８】図１５を破線（３）で切断して、負荷側（図１５中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図１９】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例４を示す回路図である。
【図２０】実施例４に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図２１】実施例４に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図２２】図１９を破線（３）で切断して、負荷側（図１９中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図２３】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例５を示す回路図である。
【図２４】実施例５に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図２５】実施例５に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図２６】図１８を破線（３）で切断して、負荷側（図１８中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図２７】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例６を示す回路図である。
【図２８】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例７を示す回路図である。
【図２９】本発明に係るインピーダンス整合回路の実施例８を示す回路図である。
【図３０】実施例６に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３１】実施例６に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３２】図２７を破線（３）で切断して、負荷側（図２７中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図３３】実施例７に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３４】実施例７に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３５】図２８を破線（３）で切断して、負荷側（図２８中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【図３６】実施例８に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３７】実施例８に於いて、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをプロットしたスミスチャートである。
【図３８】図２９を破線（３）で切断して、負荷側（図２９中の右側）を見た時の反射係数γｉｉｉと、所望の周波数帯域のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態の第一の特徴は、可変周波数交流電力源を備えると共に所望の対象負荷に接続され、可変周波数交流電力源の周波数を変更して、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現し、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収めるインピーダンス整合回路とした事である。
【００１５】
この構成に依れば、可変周波数交流電力源の周波数を変更する事で、1.0ミリ秒以下と云う高速で即時に、所望の対象負荷が示すインピーダンスに対して出力インピーダンスを整合する事が可能となる。更に、大電力に対する耐性の高い回路素子のみでインピーダンス整合回路が構成可能となり、数十Ｗ以上の大電力用途に使用する事が出来る。
【００１６】
なお本発明に於いて整合とは、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事を指す。
【００１７】
また本発明に於いて可変周波数交流電力源とは、周波数を変更する事が可能な交流の電力源である。
【００１８】
第二の特徴は、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める周波数範囲が、複数存在するインピーダンス整合回路とした事である。
【００１９】
この構成に依れば上記効果に加えて、高速で即時な出力インピーダンスの整合を、より確実に行う事が可能となる。
【００２０】
第三の特徴は、スミスチャート上の全範囲に亘る所定の箇所に、対象負荷のインピーダンスの複素共役となるインピーダンスがプロットされるインピーダンス整合回路とした事である。
【００２１】
この構成に依れば上記効果に加え、スミスチャート上の全範囲に亘って、対象負荷のインピーダンスに応じて複素共役となるインピーダンスがプロットされる。従って、スミスチャート上に渦巻き状の出力インピーダンスの軌跡を現す事で、スミスチャート上の全範囲に亘って、複素共役となるインピーダンスに対し出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事が可能となる。
【００２２】
第四の特徴は、可変周波数交流電力源の周波数を変更する周波数範囲が、所望の周波数範囲であるインピーダンス整合回路とした事である。
【００２３】
この構成に依れば上記効果に加え、インピーダンス整合回路の使用用途に応じた周波数範囲で、出力インピーダンスの整合が可能となる。
【００２４】
第五の特徴は、少なくとも１つの伝送線路を備えるインピーダンス整合回路とした事である。
【００２５】
この構成に依れば上記効果に加え、伝送線路を備える事で可変周波数交流電力源からの電力の伝達効率が改善し、整合回路の内部発熱損失を低減可能となる。更に、可変周波数交流電力源の周波数を変更する周波数範囲を、高い周波数範囲に設定可能となり、高い周波数範囲でのインピーダンス整合回路の設計試作が容易となる。
【００２６】
第六の特徴は、少なくとも１つの結合線路を備えるインピーダンス整合回路とした事である。
【００２７】
この構成に依れば上記効果に加え、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となる。
【００２８】
第七の特徴は、少なくとも１つの集中定数素子を備えるインピーダンス整合回路とした事である。
【００２９】
この構成に依れば上記効果に加え、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となると共に、インピーダンス整合回路の設計が容易となる。
【００３０】
以下、本発明に係るインピーダンス整合回路の原理及び実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１に、インピーダンスが50Ωである固定周波数交流電力源Ｖと、インピーダンスZLを示す所望の対象からなるシステムの回路図を示す。固定周波数交流電力源Ｖから電力を、所望の対象へ反射を防いで効率良く伝える必要がある。
【００３１】
図１に於ける破線（１）から図中左側を見た反射係数γは（ZL-50）／（ZL+50）である。図１では、負荷のインピーダンスZLが、固定周波数交流電力源Ｖのインピーダンスと同じ50Ωの場合、固定周波数交流電力源Ｖからの電力が反射する事無く負荷に伝わる。負荷のインピーダンスZLが変わると、反射係数γは１未満となって電力が反射し、反射しなかった残りの電力だけが負荷へ伝わる。
【００３２】
しかし、負荷が一定で且つ固定周波数交流電力源Ｖと負荷のインピーダンスが異なる場合、図２に示す様に固定インピーダンス回路を有するインピーダンス整合回路１を固定周波数交流電力源Ｖと負荷の間に挿入する事で、反射を防いで電力を所望の対象に伝える事が出来る。しかし実際の用途では負荷のインピーダンスZLが変化する事態が想定され、負荷のインピーダンス変化に伴い整合状態もずれてしまう。
【００３３】
そこで対応手段として、図３のように可変素子を備えたインピーダンス整合回路２を、固定周波数交流電力源Ｖと負荷の間に接続し、インピーダンス整合回路２の出力インピーダンスを調整し、負荷のインピーダンスZLとの整合を取るという手段がある。可変素子の具体例として、スラグチューナやスタブチューナ、バラクタダイオード等がある。しかしスラグチューナやスタブチューナ等の場合機械的に整合する為、整合に100ミリ秒程の時間が係ってしまうと云う課題がある。
【００３４】
一方、バラクタダイオードを用いた整合回路では整合可変速度は速いが、素子の耐電力性が1.0Ｗ以下であるミリＷクラスの為、大電力（数十Ｗクラス）の大電力用途への使用が不可能であった。
【００３５】
そこで本発明では図４に示す様に、固定周波数交流電力源Ｖに換えて可変周波数交流電力源Vsを用いると共に、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変化させて、負荷が示すインピーダンスZLとの整合を図る。可変周波数交流電力源Vsのインピーダンスは、一例として50Ωとする。
【００３６】
詳述すると図４に示す様に、インピーダンス整合回路３は可変周波数交流電力源Vsを備えると共に、所望の対象負荷に接続される。更に、所望の対象負荷に接続された状態で、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更して、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現し、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収めるものである。
【００３７】
なお可変周波数交流電力源Vsとは、周波数を変更する事が可能な交流の電力源である。
【００３８】
負荷のインピーダンスZLが変化する時は、スミスチャート上では軌跡として現れる。図４では可変周波数交流電力源Vsのインピーダンスが50Ωなので、50Ωで正規化して１とし、原点（中心）が１となるようにプロットする。
【００３９】
あらゆる用途を想定した場合、破線（１）から図４内の左を見たインピーダンスの周波数軌跡が、スミスチャート上単位円内を隙間無く網羅する事が理想的である。
【００４０】
しかしながら、単位円内を隙間無く周波数軌跡を完全に網羅する事は現実には不可能である。そこで本発明では、スミスチャートの単位円の原点を始点とし、単位円内全ての点に於いて、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスが一致又は所望の数値範囲内に収まるような軌跡を描くインピーダンス整合回路を考える。従って、負荷が示すインピーダンスZLが変化しても、その都度複素共役整合する周波数を与えて、渦巻き状の軌跡に一致又は近い点に相当する周波数に於いて反射を低減する事が出来る。
【００４１】
なお本発明に於ける前記の所望の数値範囲内とは、インピーダンス整合回路１に対する入射波a1と反射波b1の比である入力側反射係数（b1/a1）を、所望のdB（デシベル）値以下（一例として、-10dB以下）に整合する事とする。dB値への変換は、−20×log（反射係数）とする。以下必要に応じて、入力側反射係数（b1/a1）を、（b1/a1）と表記する。なお入射波a1とは、出力インピーダンスに入射する電力である。また反射波b1とは、出力インピーダンスから反射される電力である。更に、前記（b1/a1）の「入力側」とは、出力インピーダンスに於ける入力側を指す。
【００４２】
また本発明に於いて整合とは、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事を指す。
【００４３】
本発明に係るインピーダンス整合回路３に依れば、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更する事で、1.0ミリ秒以下と云う高速で即時に、所望の対象負荷が示すインピーダンスZLに対して出力インピーダンスを整合する事が可能となる。
【００４４】
更に、バラクタダイオード等の可変リアクタンス素子を用いずに、インピーダンス整合回路３を構成する事が可能となる。即ち、大電力に対する耐性の高い回路素子のみでインピーダンス整合回路３を構成する事が出来る。よって、数十Ｗ以上の大電力用途に使用可能となる。
【００４５】
より好ましくは、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める周波数範囲が、複数存在する事である。このようなインピーダンス整合回路に依れば、上記効果に加え、高速で即時な出力インピーダンスの整合を、より確実に行う事が可能となる。
【００４６】
更に好ましくは、スミスチャート上の全範囲に亘る所定の箇所に、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスがプロットされる事である。このようなインピーダンス整合回路に依れば、上記効果に加え、スミスチャート上の全範囲に亘って、対象負荷のインピーダンスZLに応じて複素共役となるインピーダンスがプロットされる。従って、スミスチャート上に渦巻き状の出力インピーダンスの軌跡を現す事で、スミスチャート上の全範囲に亘って、複素共役となるインピーダンスに対し出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事が可能となる。
【００４７】
更に好ましくは、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更する周波数範囲が、所望の周波数範囲である事である。このようなインピーダンス整合回路に依れば、上記効果に加え、インピーダンス整合回路の使用用途に応じた周波数範囲で、出力インピーダンスの整合が可能となる。
【００４８】
前記（b1/a1）が-10dBとは、反射波が入射波の1/10の状態である。従って（b1/a1）も1/10となる。
【００４９】
以下に本発明の実施形態に係る各実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。なお図４と同一箇所には、同一の番号又は符号を付し、重複する説明は省略、又は簡略化して記述する。
【実施例】
【００５０】
（実施例１）
実施例１のインピーダンス整合回路を示す回路図を、図５に示す。図５では、可変周波数交流電力源Vsを備えるインピーダンス整合回路が示す出力インピーダンスとして、２本の異なる伝送線路ａ、ｂを用いた回路図を示す。その伝送線路ａ及びｂが電気的に直列接続されている。【００５１】
例えば、二本の伝送線路ａ、ｂのインピーダンスと物理長をそれぞれZca（Ω）とLa（ｍｍ）、及びZcb （Ω）、Lb（ｍｍ）とする。可変周波数交流電力源Vsのインピーダンスは50Ωとする。このような可変周波数交流電力源Vsの周波数に応じて、二本の伝送線路ａ、ｂから成る出力インピーダンスがスミスチャート上で渦巻き状に軌跡を現す。【００５２】
出力インピーダンスである二本の伝送線路ａ、ｂの少なくとも１つが、50Ωのインピーダンスを有する物理長4000ｍｍの伝送線路であり、所望の対象に対して電気的に直列接続される。図５の実施例では伝送線路ｂを、50ΩのインピーダンスZcbを有する物理長Lb 4000ｍｍの伝送線路とする。【００５３】
図５を破線（２）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図５中の左側）を見たインピーダンスZｉと反射係数γｉは、
【数１】
2019103134.tif 000003
【数２】
2019103134.tif 000004
【数３】
2019103134.tif 000005
【数４】
2019103134.tif 000006
となる。但し、φa＝La×２／λ、λは伝送線路a上の波長（ｍｍ）である。【００５４】
Zca とLa は、所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなり、同周波帯帯域の上限でγｉが目標最大反射係数となるように定める。例えば可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更する所望の周波数帯域として、IMS（Industry Science Medical）バンドを考え、下限周波数2.4GHz 、上限周波数を2.5GHz、目標最大反射係数を0.8とすると、Zca 15Ω、La 285ｍｍとなる。これらの値を数１に代入し、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更してスミスチャート上にプロットしたものを図６に示す。図６に示すように原点から外に向かう周波数軌跡となる。【００５５】
次に、図５を破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図５中の左側）を見たインピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）は、
【数５】
2019103134.tif 000007
【数６】
2019103134.tif 000008
【数７】
2019103134.tif 000009
となる。但し、φb＝Lb×２／λ、Lbが4000ｍｍ、Zcbが50Ω、λは伝送線路ｂ上の波長（ｍｍ）であるである。【００５６】
これらの値を数５に代入し、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをスミスチャート上にプロットしたものを図７に示す。スミスチャート上にプロットすると図７に示すように渦巻き状の軌跡が得られる。ここで、インピーダンスZｉｉと負荷のインピーダンスZLの複素共役が、
【数８】
2019103134.tif 000010
の関係となれば、完全に整合される。数８からずれている場合、破線（１）で反射が生じる。その反射係数γｉｉは、
【数９】
2019103134.tif 000011
である。【００５７】
また、２本の伝送線路ａ、ｂを無損失とすると、
【数１０】
2019103134.tif 000012
となる。図５中の破線（３）で反射が生じた時の反射係数がγｉｉｉであり、破線（３）に於いて負荷側（図５中の右側）を見た時の反射係数である。即ち反射係数γｉｉｉとは、インピーダンス整合回路に対する入射波a1と反射波b1の比である入力側反射係数（b1/a1）である。【００５８】
一方、図５を破線（３）で切断して、負荷側（図５中の右側）を見た時の、負荷が示すインピーダンスZLの例として、図８のスミスチャート上に示すランダムな10点（ZL01〜ZL10）のインピーダンスを考える。10点のインピーダンスは、スミスチャート円内で疎らに散らばるように対象負荷の任意のインピーダンスをランダムに与えている。この10点は、スミスチャート上の全範囲に亘るそれぞれ所定の箇所に、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスをプロットしたものである。【００５９】
図８の10点の複素共役点（Z＊L01〜Z＊L10）をプロットしたスミスチャートを、図９に示す（図８の10点を上下反転した）。更に、図９に図７の渦巻き状の軌跡を重ね描きした。図９の各プロット点から渦巻き状の軌跡に最も近い点に相当する周波数に於いて、反射が最小となる。その様子を周波数軸上にグラフ化したものを図１０に示す。図１０のグラフの各曲線が、図９の各プロット点に対する反射係数γｉｉｉである。【００６０】
このように、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更して、スミスチャート上で渦巻き状に出力インピーダンスの軌跡を現し、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める。【００６１】
図７及び図９に示す様に、スミスチャート上に渦巻き状の出力インピーダンスの軌跡を現す事で、スミスチャート上の全範囲に亘って、複素共役となるインピーダンス（Z＊L01〜Z＊L10）に対し出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める事が可能となる。【００６２】
図１０の各曲線の最小値を黒丸点で示す。これがランダムに与えた各負荷（前記10点のインピーダンスZL01〜ZL10）に対する最適周波数（反射係数γｉｉｉが最小となる周波数）である。本発明に於いては、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更する所望の周波数帯域がIMSバンドの場合、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対し出力インピーダンスを-10dB以下と云う所望の数値範囲内に収める事とした。所望の数値範囲内を-10dB以下と設定する事により、図１０の場合は全ての負荷（ランダムに与えた10点のインピーダンスZL01〜ZL10）に於いて反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。即ち、所望の周波数帯域内（2.4GHz以上2.5GHz以下）で、前記（b1/a1）が-10dB以下となる周波数範囲が複数存在する事が分かる。よって、本実施例のインピーダンス整合回路は、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスを一致又は所望の数値範囲内に収める周波数範囲が、複数存在する事となる。以上により、高速で即時な出力インピーダンスの整合を、より確実に行う事が可能となる。【００６３】
図９に於ける10点のインピーダンス（Z＊L01〜Z＊L10）が、渦巻き状の軌跡の上にプロットされた場合、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスが一致されて整合される。実施例１では、図９より10点全てで一致はしていないものの、所望の数値範囲内である-10dB以下となる周波数が存在する事が分かる。無論、10点のインピーダンス（Z＊L01〜Z＊L10）の設定によっては、一致するインピーダンスが複数存在し、対象負荷のインピーダンスZLの複素共役となるインピーダンスに対して、出力インピーダンスが複数の周波数範囲で一致する状態も考えられる。【００６４】
更に実施例１に係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態が有する効果に加えて、少なくとも１つの伝送線路bを備える事により、可変周波数交流電力源Vsからの電力の伝達効率が改善し、インピーダンス整合回路の内部発熱損失を低減可能となる。更に、可変周波数交流電力源Vsの周波数を変更する周波数範囲を、高い周波数範囲（例えば、数GHz帯以上）に設定可能となり、その高い周波数範囲でのインピーダンス整合回路の設計試作が容易となる。【００６５】
（実施例２）
次に図１１〜図１４を用いて、実施例２のインピーダンス整合回路に関して説明する。なお、図４及び実施例１と同一箇所には同一番号又は符号を付し、重複する説明は省略、又は簡略化して記述する。【００６６】
前記実施例１は、15ΩのインピーダンスZcaを有する伝送線路ａと、50ΩのインピーダンスZcbを有する伝送線路ｂから成る。インピーダンスが50Ωである同軸ケーブルは市販されており、入手可能である。一方Zca 15Ω、La 285ｍｍの伝送線路は、入手が困難な場合も想定される。そこで、インピーダンス15Ωの同軸ケーブルを使用しない例を実施例２で説明する。【００６７】
実施例２のインピーダンス整合回路を図１１に示す。可変周波数交流電力源Vsのインピーダンスは実施例１と同じく50Ωとする。図１１を破線（２）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図１１中の左側）を見たインピーダンスZｉは、
【数１１】
2019103134.tif 000013
となる。反射係数γｉは数４と同一である。【００６８】
インダクタLとキャパシタCは、所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなり、同周波帯帯域の上限でγｉが目標最大反射係数となるように定める。例えば所望の周波数帯域として実施例１と同じくIMSバンドを考え、下限周波数2.4GHz 、上限周波数を2.5GHz、目標最大反射係数を0.8とすると、L 101ｎＨ、C 0.04ｐＦとなる。これらの値を数１１に代入し、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更してスミスチャート上にプロットしたものを図１２に示す。図１２に示すように原点から外に向かう周波数軌跡となる。【００６９】
次に、図１１を破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図１１中の左側）を見たインピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）は、数５〜数７となる。【００７０】
これらの値を数５に代入し、可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、Zｉｉをスミスチャート上にプロットしたものを図１３に示す。スミスチャート上にプロットすると図１３に示すように渦巻き状の軌跡が得られる。【００７１】
図１１に示すインピーダンス整合回路が無損失とすると、数１０が得られる（併せて数９も参照）。実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図１１の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図１４に示す。図１４より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【００７２】
実施例２に係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態と実施例１が有する効果に加えて、少なくとも１つの集中定数素子（L又はC）を備える事により、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となると共に、インピーダンス整合回路の設計が容易となる。【００７３】
（実施例３）
次に図１５〜図１８を用いて、実施例３のインピーダンス整合回路に関して説明する。なお、図４及び前記実施例１又は２と同一箇所には同一番号又は符号を付し、重複する説明は省略、又は簡略化して記述する。【００７４】
図１５に示す実施例３では、可変周波数交流電力源Vsを備えるインピーダンス整合回路として、２本の異なる伝送線路ｂ及びｃと、その伝送線路ｂ及びｃのそれぞれの左端側に、同一の静電容量を有する２つのキャパシタC1、C1を備える。可変周波数交流電力源Vs側のキャパシタをC1、負荷である所望の対象側のキャパシタをC2とする。【００７５】
図１５中の破線（２）で切断し、可変周波数交流電力源Vs側（図１５中の左側）を見たインピーダンスZｉを導出する。まず、可変周波数交流電力源VsとC1のインピーダンスZ1は
【数１２】
2019103134.tif 000014
となる。更に右側に伝送線路ｃを加えたインピーダンスZ2は
【数１３】
2019103134.tif 000015
となる。Z11は、伝送線路ｃのインピーダンスZcc Ωを、（ｊtanΦc）で除した係数である。Φcとは、伝送線路ｃの物理長Lc（ｍｍ）×２／λである（λは伝送線路ｃ上の波長（ｍｍ）である）。Z12とZ21は共に、Zcc Ωを、（ｊsinΦc）で除した係数である。【００７６】
従って、
【数１４】
2019103134.tif 000016
となる。γｉは数４と同じである。【００７７】
実施例１と同様、伝送線路ｂ、ｃと２つのC1、C2は、所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなり、同周波帯帯域の上限でγｉが目標最大反射係数となるように定める。実施例１と同様に所望の周波数帯域として、IMSバンドを考え、下限周波数2.4GHz 、上限周波数を2.5GHz、目標最大反射係数を0.8とすると、C1＝C2＝0.5pF、Zcc 15Ω、Lc 173 deg（2.45GHz）となる。【００７８】
数１４のZｉをスミスチャート上にプロットすると、図１６に示すように原点から外に向かう周波数軌跡となる。【００７９】
次に、図１５中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図１５中の左側）を見たインピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）を導出すると、数５〜数７となる。可変周波数交流電力源Vsの周波数を所望の周波数帯域内で変更して、数５のZｉｉをスミスチャート上にプロットすると、図１７に示すように渦巻き状の軌跡となる。【００８０】
図１５に示すインピーダンス整合回路が無損失とすると、数１０が得られる（併せて数９も参照）。実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図１５の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図１８に示す。図１８より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【００８１】
更に、本出願人が図１５のインピーダンス整合回路を試作して検証した結果、比誘電率３程度、厚み１ｍｍ以下の基板を用いて、幅約２５ｍｍ、奥行き４０ｍｍ程度のサイズに収まる事を確認した。【００８２】
更に実施例３に係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態と実施例１が有する効果に加えて、少なくとも１つの集中定数素子（C1又はC2）を備える事により、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となると共に、インピーダンス整合回路の設計が容易となる。【００８３】
（実施例４、実施例５）
次に図１９〜図２２を用いて、実施例４のインピーダンス整合回路に関して説明する。また図２３〜図２６を用いて、本発明に係る実施例５のインピーダンス整合回路に関して説明する。なお、図４及び前記各実施例と同一箇所には同一番号又は符号を付し、重複する説明は省略、又は簡略化して記述する。【００８４】
図１９より、可変周波数交流電力源Vsを備えるインピーダンス整合回路として、キャパシタC3、伝送線路bとｄ、及び結合線路CLからなるインピーダンス整合回路を実施例４とする。一方図２３より、可変周波数交流電力源Vsを備えるインピーダンス整合回路として、伝送線路ｂと、２つの結合線路CL1とCL2のみから構成されるインピーダンス整合回路を実施例５とする。実施例４及び実施例５では、Zｉを回路シミュレーションによって、所望の周波帯帯域の上限でZｉの虚部が０Ωとなり、同周波帯帯域の下限でγｉが目標最大反射係数となるように求めた。即ち、所望の周波数帯域の上限と下限の関係が、前記実施例１と実施例３までとは反転している。実施例４及び実施例５でも、所望の周波数帯域としてIMSバンドを考える。よって、実施例４及び実施例５では共に上限周波数を2.4GHz、下限周波数を2.5GHzとした。【００８５】
更に実施例４では目標最大反射係数を0.7とした。この場合、C3が3.8 pF、伝送線路ｄのインピーダンスZcdが41Ω、Ldが157deg（2.45GHz）、結合線路CLは偶モードインピーダンスZeven 87Ω、奇モードインピーダンスZodd 44Ω、L 119deg（2.45GHz）となる。図２０に示すようにZｉはスミスチャート上の原点から外に向かう軌跡となる。但し、原点が上限周波数となり、下限周波数がスミスチャートの単位円周側にある。【００８６】
次に、図１９中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図１９中の左側）を見たインピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）をスミスチャート上にプロットすると、図２１に示すように渦巻き状の軌跡となる。【００８７】
実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図１９の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図２２に示す。図２２より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【００８８】
一方、実施例５では目標最大反射係数を0.9とした。この場合、図２３に示すインピーダンス整合回路の可変周波数交流電力源Vs側の結合線路CL1はZeven1が57.65Ω、Zodd1が40.4Ω、L 96deg（2.45GHz）、負荷側の結合線路CL2はZeven2が57.65Ω、Zodd2が40.4Ω、L 80.5deg（2.45GHz）となる。【００８９】
図２３中の破線（２）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２３中の左側）を見たインピーダンスZｉをスミスチャートにプロットすると、図２４に示すように原点から外に向かう軌跡となる。但し実施例４と同様、原点が上限周波数となり、下限周波数がスミスチャートの単位円周側にある。【００９０】
次に、図２３中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２３中の左側）を見たインピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）をスミスチャート上にプロットすると、図２５に示すように渦巻き状の軌跡となる。【００９１】
実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図２３の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図２６に示す。図２６より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【００９２】
実施例４及び５に係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態と実施例１が有する効果に加えて、少なくとも１つの結合線路（CL、CL1、CL2）を備える事で、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となる。【００９３】
また実施例４に係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態と実施例１が有する効果に加えて、少なくとも１つの集中定数素子（C3）を備える事により、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となると共に、インピーダンス整合回路の設計が容易となる。【００９４】
（実施例６、実施例７、実施例８）
次に図２７〜図３８を用いて、実施例６〜８のインピーダンス整合回路に関して説明する。なお、図４及び前記各実施例と同一箇所には同一番号又は符号を付し、重複する説明は省略、又は簡略化して記述する。実施例６〜８でも、所望の周波数帯域としてIMSバンドを考える。【００９５】
実施例１〜５で説明した通り、各実施例の回路図（図５、図１１、図１５、図１９、図２３）として、原点から外に向かって弧を描く出力インピーダンスと、インピーダンスZcbが50Ωである伝送線路ｂが接続されている回路図を例示した。各実施例のスミスチャートでは、周波数の渦巻き状の軌跡を実現する事が出来る。この原点から外に向かって弧を描く出力インピーダンスは、フィルタの通過域と遮断域の急峻性を利用している事でもある。そこで可変周波数交流電力源Vsを備えるインピーダンス整合回路として、LとCから成るチェビシェフフィルタを用いたインピーダンス整合回路を、図２７〜図２９にそれぞれ図示した。【００９６】
図２７は実施例６に係り、LPFを出力インピーダンスに用いたインピーダンス整合回路の回路図である。図２８は実施例７に係り、HPFを出力インピーダンスに用いたインピーダンス整合回路の回路図である。図２９は実施例８に係り、BPFを出力インピーダンスに用いたインピーダンス整合回路の回路図である。【００９７】
図２７のインピーダンス整合回路に於けるZｉは、図２７を破線（２）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２７中の左側）を見たインピーダンスである。まず図２７中の破線（K+1）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２７中の左側）を見た時のインピーダンスZK+1は、
【数１５】
2019103134.tif 000017
となる。但し、K+1＜最終段Nである。【００９８】
通常のフィルタでは各々を１つの段として数えるが、今回LとCの２つの回路素子を一つの組とした。入出力の各々のインピーダンスを50Ωにする為、段数を奇数とした。最終段NのインピーダンスZNは、
【数１６】
2019103134.tif 000018
となる。【００９９】
同様に図２８のインピーダンス整合回路に於けるZｉを示す。図２８中の破線（K+1）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２８中の左側）を見た時のインピーダンスZK+1は、
【数１７】
2019103134.tif 000019
となる。但し、K+1＜最終段Nである。図２８でも、LとCの２つの回路素子を一つの組とした。入出力の各々のインピーダンスを50Ωにする為、段数を奇数とした。最終段NのインピーダンスZN（＝Zｉ）は、
【数１８】
2019103134.tif 000020
となる。【０１００】
同様に図２９のインピーダンス整合回路に於けるZｉを示す。図２９中の破線（K+1）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２９中の左側）を見た時のインピーダンスZK+1は、
【数１９】
2019103134.tif 000021
となる。BPFではN-1がフィルタ段数を示し、NはCの数を示す。出力のインピーダンスZN（＝Zｉ）は、
【数２０】
2019103134.tif 000022
となる。【０１０１】
次に、回路素子の値を求める。LPFでは、LとCの値は、チェビシェフフィルタのリップルとフィルタ段数と、所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなる手順を基に決まる。目標最大反射係数はリップルとフィルタの段数で定まる。LPF（リップル0.5）で、９段の例を図３０〜図３２に示す。【０１０２】
チェビシェフLPFでは、リップルが0.5で９段の場合、目標最大反射係数は0.8になる。これまでと同様に、Zｉはスミスチャート上の原点から外に向かう軌跡となる（図３０参照）。【０１０３】
次に、図２７中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２７中の左側）を見た時の、インピーダンスZｉｉ（出力インピーダンス）をスミスチャート上にプロットすると、図３１に示すように渦巻き状の軌跡となる。【０１０４】
実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図２７の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図３２に示す。図３２より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【０１０５】
HPFの場合は、LPFと中心周波数で対称となる。LPFでは下限周波数を基準としたが、HPFの場合は上限周波数が基準となる。従って、LとCの値は、チェビシェフフィルタのリップルとフィルタ段数と、所望の周波帯帯域の上限でZｉの虚部が０Ωとなる手順を基に決まる。LPFの場合と同様に、目標最大反射係数はリップルとフィルタの段数で定まる。【０１０６】
チェビシェフHPFでは、リップルが0.5で９段の場合、目標最大反射係数は0.8になる。これまでと同様に、Zｉはスミスチャート上の原点から外に向かう軌跡となる（図３３参照）。但し、原点が上限周波数であり、スミスチャートの単位円方向側が下限周波数となる。【０１０７】
次に、図２８中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２８中の左側）を見た時の、インピーダンスZｉｉをスミスチャート上にプロットすると、図３４に示すように渦巻き状の軌跡となる。【０１０８】
実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図２８の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図３５に示す。図３５より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【０１０９】
BPFは、LPFとHPFの両方を併せ持つフィルタと考える事が出来る。同じリップル、フィルタ段数でも、所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなる手順又は所望の周波帯帯域の上限でZｉの虚部が０Ωとなる手順のどちらでも取る事が出来る。実施例８では所望の周波帯帯域の下限でZｉの虚部が０Ωとなる手順の場合を示す。【０１１０】
リップルを0.1、フィルタの段数を３段とした場合のZｉを、図３６に示す。目標最大反射係数は0.9になる。これまでと同様に、Zｉはスミスチャート上の原点から外に向かう軌跡となる。【０１１１】
次に、図２９中の破線（１）で切断して、可変周波数交流電力源Vs側（図２９中の左側）を見た時の、インピーダンスZｉｉをスミスチャート上にプロットすると、図３７に示すように渦巻き状の軌跡となる。【０１１２】
実施例１及び前記図８と同様、ランダムに10点のインピーダンスをスミスチャート円内で疎らに与え、図２９の破線（３）で反射が生じた時の反射係数γｉｉｉを図３８に示す。図３８より全ての負荷に於いて、反射係数γｉｉｉが-10dB以下となる周波数が１点以上存在する事が分かる。【０１１３】
チェビシェフフィルタでは同じリップル値の場合、段数が大きいほど渦巻き状の軌跡は大きくなる。また、同じフィルタ段数の場合、リップル値が大きいほど渦巻き状の軌跡の大きさは大きくなり、複素共役整合の範囲が広がる。【０１１４】
実施例６〜８の何れかに係るインピーダンス整合回路に依れば、前記図４で示した実施形態と実施例１が有する効果に加えて、少なくとも１つの集中定数素子（L又はC）を備える事により、インピーダンス整合回路を小型化する事が可能となると共に、インピーダンス整合回路の設計が容易となる。
【符号の説明】
【０１１５】
１、２、３          インピーダンス整合回路
ａ、ｂ、ｃ、ｄ      伝送線路
C、C1、C2、C3       キャパシタ
CL、CL1、CL2        結合線路
L                   インダクタ
Ｖ                  固定周波数交流電力源
Vs                  可変周波数交流電力源
ZL                  所望の対象負荷が示すインピーダンス
【図１】
2019103134.tif 000023
【図２】
2019103134.tif 000024
【図３】
2019103134.tif 000025
【図４】
2019103134.tif 000026
【図５】
2019103134.tif 000027
【図６】
2019103134.tif 000028
【図７】
2019103134.tif 000029
【図８】
2019103134.tif 000030
【図９】
2019103134.tif 000031
【図１０】
2019103134.tif 000032
【図１１】
2019103134.tif 000033
【図１２】
2019103134.tif 000034
【図１３】
2019103134.tif 000035
【図１４】
2019103134.tif 000036
【図１５】
2019103134.tif 000037
【図１６】
2019103134.tif 000038
【図１７】
2019103134.tif 000039
【図１８】
2019103134.tif 000040
【図１９】
2019103134.tif 000041
【図２０】
2019103134.tif 000042
【図２１】
2019103134.tif 000043
【図２２】
2019103134.tif 000044
【図２３】
2019103134.tif 000045
【図２４】
2019103134.tif 000046
【図２５】
2019103134.tif 000047
【図２６】
2019103134.tif 000048
【図２７】
2019103134.tif 000049
【図２８】
2019103134.tif 000050
【図２９】
2019103134.tif 000051
【図３０】
2019103134.tif 000052
【図３１】
2019103134.tif 000053
【図３２】
2019103134.tif 000054
【図３３】
2019103134.tif 000055
【図３４】
2019103134.tif 000056
【図３５】
2019103134.tif 000057
【図３６】
2019103134.tif 000058
【図３７】
2019103134.tif 000059
【図３８】
2019103134.tif 000060
【国際調査報告】
2019103134.tif 000061
2019103134.tif 000062
2019103134.tif 000063