IDXマイクロ波に飛ぶ

IDXホームに飛ぶ

マイクロ波大電力発振器
効率と伝送技術
２００６．１１．２
IDX 岡本 正電波と主な利用
周波数

波長

慣用の名称

1mHz～3Hz

0.3Tm～0.1Gm

極々超長波 ULF

3Hz～3kHz

0.1Gm～0.1Mm

極超長波

ELF

3kHz～30kHz

0.1Mm～10km

超長波

VLF

標準電波、潜水艦通信

30kHz～0.3MHz

10km～1km

長波

LF

船舶無線、ロランC

0.3MHz～3MHz

1km～0.1km

中波

MF

中波ラジオ

3MHz～30MHz

0.1km～10m

短波

HF

短波ラジオ、ｱﾏﾁｭｱ無線

30MHz～0.3GHz 10m～1m

超短波

VHF

VHFテレビ、FMラジオ

0.3GHz～3GHz

1m～0.1m

極超短波

UHF

UHFテレビ、携帯電話

3GHz～30GHz

0.1m～10mm

マイクロ波 SHF

衛星通信、衛星テレビ

30GHz～0.3THz

10mm～1mmミリ波

衛星通信、簡易無線

0.3THz～3THz

1mm～0.1mm

サブミリ波

IDXマイクロ波

EHF

主用途

電波天文大電力マイクロ波管
マグネトロン

1921年、 A.W.Hull
1927 年、岡部金治郎が陽極を分割して性能を大幅に高めた

クライストロン

1939年、W. C. Hahn、G. F. Metcalf、R. H.
Varian、S. F.Varian
バリアン兄弟が命名

進行波管

1942年、R. Kompfner
1947年、 J. R. Pierce 理論確立

ジャイロトロン

1958年、R. Q. Twiss 理論提唱。
1974年、N. I. ZaytzevらがMIGを使って効率30%を達成、ジャイロトロンと命名

IDXマイクロ波マグネトロン
レーダ、電子レンジ、マイクロ波加熱

クライストロン
反射型クライストロン
通信装置、測定器に多用、今はこれらの装置は固体装置化
出力 数mＷ～数100mW
直進型クライストロン
UHF-TV放送、見通し外通信、衛星通信･衛星放送地球局、レーダ、マイクロ波加熱、核融合LHH、加速器
出力 ～1MW（CW) 、～100MW(パルス)

進行波管
通信、放送、レーダ

ジャイロトロン
核融合ECH、ミリ波加熱
IDXマイクロ波マグネトロンの動作

IDXマイクロ波マグネトロン
２Ｍ130

ＰＯ：1,800Ｗ、強制空冷

IDXマイクロ波マグネトロン発振装置の問題点：①

出力を変えると周波数が変化する②

反射によって出力と周波数が変わる③

周波数スペクトラムが良くない(6－10MHzの幅を持っている)

リーケダイヤグラム
単相全波整流定格陽極電流出力
周波数
IDXマイクロ波マグネトロンの特性改善
マグネトロン f(lower)
マグネトロンf(upper)

マグネトロンおよび制御型マグネトロン装置の出力特性

ｆ(upper)f(lower)

マグネトロン発振装置の出力波形
IDXマイクロ波(代表的な波形の一例)

制御型マグネトロン装置の出力波形(代表波的な波形の一例)

クライストロン(直進形)

コレクタ部
電子銃部の電子軌道
RF出力空胴部

RF入力
電子銃部

コレクタ部の電子軌道

IDXマイクロ波クライストロンにおける電子ビームの集群速度変調

密度変調

出力端で減速電子の運動エネルギーが電波のエネルギーに変換される
IDXマイクロ波IDXマイクロ波

５００MHｚ2,856MHｚCW 1,200kW

パルス100MW(324MHz、パルス 3MW、パルス幅 620μs）
IDXマイクロ波進行波管

IDXマイクロ波進行波管
マイクロ波中継回線

UHFテレビ放送・らせん形、空胴結合形TWTなど

衛星通信･衛星放送搭載/地球局・固体化が進んでいるが、21GHz次期放送衛星搭載用TWTなどの開発も進められている。

レーダ

飛翔体搭載測定器

12GHz 200W TWT
21GHz 10W TWTIDXマイクロ波初期のジャイロトロン

PM収束ジャイロトロン
GTC0301
28GHz CW10kW
TE02 モード
IDXマイクロ波

ジャイロトロン

IDXマイクロ波LHD ECH ジャイロトロン

写真：NIFS提供
IDXマイクロ波

出力窓

カソード

電子銃部の電子軌道

IDXマイクロ波

１７０GHｚ 600kW 1,000s
ジャイロトロン

広がるマイクロ波の応用技術
マイクロ波化学
通信・放送･レーダ

食品加熱･加工

電波天文

乾燥・殺菌･防黴

高周波、マイクロ波、ミリ波の応用

ゴムの加硫粉末冶金プラズマ加熱セラミック焼成

IDXマイクロ波

医療ISM周波数

IDXマイクロ波

ISM周波数

帯域幅6.78 MHz±15.0 kHz13.56 MHz

±7.0 ｋHz27.12 MHz

±163.0 ｋHz

40.68 MHz

±20.0 ｋHz915 MHz±13.0 MHz2,450 MHz

±50.0 MHz

5,800 MHz

±75.0 MHz24,125 MHz±125.0 MHz

61.25 GHz

±250.0 MHz

122.50 GHz±500.0 MHz

245.00 GHz±1.0 GHz

マイクロ波は金属面で反射される導波管(無反射終端を接続すると反射がなくなる)

入射波
IDXマイクロ波

空胴反射波

方形導波管利用周波数

型名

EIAJ型名EIA型名内径呼寸法(mm)915MHz－WRI-9WR975

247.65×123.82

2,450MHzWRJ-2

WRI-22

WR430

109.22×54.61

5.8GHz

WRJ-6WRI-58

WR159

40.39×20.19

IDXマイクロ波

伝送線路とモード□TE10モード

55110~110Φ

○TM01モード~160Φ

○TE01モード

電界IDXマイクロ波

a

遮断波長：
□TE10:

λc＝2a○ＴＭ mn、TE mn

λc＝(2πR)/χmn

遮断域の単位長当たりの減衰：54.6cc 2 1 ( )λ＞λc 、 [dB/単位長]

IDXマイクロ波

Rモード
TE11TM01TE21TM11TE01

χmn
1.84112.40483.0542
3.8317
3.8317

マイクロ波加熱、マイクロ波効果：
誘電体：
誘電体内の電界により直接加熱する。
磁性、導電性を持つ物質: 条件により直接加熱が可能。

① 選択加熱② 高速加熱③ 高温加熱④ 高効率加熱⑤ 閉じた空間内の加熱

単純な加熱・乾燥装置

IDXマイクロ波・粉末冶金装置

・セラミック焼成・化学反応装置

マイクロ波と誘電体
誘電体パラメータ
比誘電率 εr
誘電体損失角 tanδ

周波数と温度の関数である

下記のパラメータも重要な影響を持つ

・電界分布
・誘電体の形状
・誘電体の大きさ

・誘電体と電界の相互関係
IDXマイクロ波

比誘電率、tanδ、浸透深さ（ｆ＝2450MHｚ）
浸透深さ (m)

誘電正接 tanδ
IDXマイクロ波Maxwellの方程式
H
rot E     j H （ ”－j ’）Ht
Erot H   E   (  j ) E  {(   " )  j ' }Et

複素誘電率ε＝ε’－ｊε”
複素導磁率μ＝μ’＋jμ”
マイクロ波損失：

PL＝ (IDXマイクロ波

2＊＊＊E E ＋πfμ H H ＋πfε E E )dV””

電界と変異電流

電界 E
変位電流
ωεE
変位電流の同相成分

ωε”E

δ

00.5

変位電流の進相成分(b)

IDXマイクロ波

ωε’E

11.5

22.5(a)3

境界条件
電界が境界面に平行の場合

電界が境界面に直交の場合

電界が斜めになっている場合

誘電体内外で電界が等しい

誘電体内部で1/εr になる

電界の向きが表面に沿う方向に屈折する

例えば、アルミナでは電界が1/9、石英では1/4になる
IDXマイクロ波

誘電体の影響

IDXマイクロ波

(a)(b)[0.66]
誘電体(c)[0.32]

IDXマイクロ波

誘電体内外で電界が等しい

誘電体

電界の強さ

誘電体内で電界が弱まっている

IDXマイクロ波

誘電体(比誘電率＝6)

円柱状誘電体によるTE10モード方形導波管の電界εr=1 [1.00]

εr = 50 [0.111]

εr=10 [0.222]

εr = 70 [0.141][ ]内の数値はεr＝１の中心電界に対する円柱中心の電界の比d=20mmIDXマイクロ波

εr=30 [0.116]

誘電体の大きさによっても電界分布と強度が変わる

d=20mm[0.222]d=10mm[0.195]d=4mm[0.183]
IDXマイクロ波

εr=10マイクロ波と化学反応1)効果1 迅速・内部・均一加熱
効果2 ローカルスーパヒーティング

効果3 特殊効果(非熱効果)
極めて短い時間での化学反応(1ないし3桁の加速)
高収率
特異な選択性
無触媒反応
無溶媒反応

・ 現状は殆ど実験室レベル
・セミプラントレベルの装置開発の動きがある(バッチ、セミバッチ、流通型)
1) 和田、竹内、滝沢、小林：マイクロ波の化学プロセスへの応用、化学工学Vol.69,No.4、pp205
IDXマイクロ波

マイクロ波反応器の種類
反応器の種類整 合 負 荷 E と⊥導波管型 E と短絡E と⊥導波管型 E とE と⊥空胴共振器型 E とモード□□

TE10TE10TE110○TE010□
T M110○TM010
ﾏﾙﾁﾓｰﾄﾞ

整合
＊
必要
＊
必要

位置調整
必要

備考
ｸﾞﾘｰﾝﾓﾁｰﾌ

化学＆粉末冶金装置

○

必要

必要

ｼｰﾄ加熱装置
化学反応装置＊＊＊
ポストのような簡単なもので対応＊
ポストで対応＊＊ 工業用加熱装置では整合器を使用している** 工業用では整合器を使用

IDXマイクロ波同調

化学反応装置マイクロ波装置
反射波電力 進行波電力

マイクロ波
発振器

IDXマイクロ波

アイソレータパワー
モニタ

インピーダンス
整合器

アプリケータ（導波管型）

短絡器

アプリケータ（導波管型）

無反射終端器アプリケータ（空胴型）

シングルモード反応器

TM010モード
IDXマイクロ波

TM110モード

マイクロ波
導波管y

空胴共振器
ｘz

シートyTM110zIDXマイクロ波

IDXマイクロ波

TM010およびTE010モードの電界分布

TM010(ｚｒ平面)

TE010(ｒθ平面)
IDXマイクロ波メンブレンリアクタ実験装置

IDXマイクロ波

写真：産総研コンパクト化学プロセス研究センター殿提供

TM010空胴による加熱例

IDXマイクロ波

TE１０３ モードの共振

電界に平行な板を挿入

電界と直交する板を挿入
誘電体内で電界は約約1/6に低下している

比誘電率＝６
IDXマイクロ波

142

5

3

1 2,337MHｚ

4 2,431MHｚ

2 2,346MHｚ

5 2,517MHｚ

3 2,402MHｚ
マルチモード空胴の計算例(ＴＭ)(2次元シミュレーション)
IDXマイクロ波マルチモード共振の電界分布
下 1/3 の 部 分 に 比 誘 電 率
誘電体を充填した場合

IDXマイクロ波= 6のマルチモード共振の電界分布
下 1/3 の 部 分 に 比 誘 電 率 70 ＋ j10 の誘電体を充填した場合