インピーダンス整合回路の高周波信号合成方法及び装置
【課題】 本発明は高周波信号合成方法及び装置に関し、容易に高電圧高周波信号と他の高周波信号を合成することができるインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法及び装置を提供することを目的としている。
【解決手段】 第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランス２と、該整合トランス２の２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路３と、前記整合トランス２の２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタ４，５と、このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランス６とを備えて構成される。
【解決手段】 第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランス２と、該整合トランス２の２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路３と、前記整合トランス２の２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタ４，５と、このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランス６とを備えて構成される。
【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の高周波信号合成方法及び装置に関し、更に詳しくは、高周波誘導結合プラズマ質量分析計の４重極イオンガイド用高周波電源でＡｒイオンの選択的排除のために複数（第１の高周波信号ｆ１：数ＭＨｚ、ｆ１の最大電圧：数ｋＶ、第２の高周波信号周波数ｆ２：およそ１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚ、ｆ２の電圧：数１０Ｖ〜数１００Ｖ）の周波数の異なる高周波信号を合成するインピーダンス整合装置、及びその他合成する周波数が異なり合成したい周波数成分だけを出力できる高周波信号を合成するようにしたインピーダンス整合方法及び装置に関する。ここで、異なる２つの周波数を合成する目的は、イオンガイドに閉じ込められているイオンのうち、ｆ２として所定の質量電荷比を持つイオンに対してのみ、イオンガイド内での振動運動の振幅を共鳴により増大させて、イオンガイドの外に飛び出さないようにするものである。これにより、イオン化部から質量分析部までイオンを輸送するイオン輸送系において、分析に必要なイオンを高効率に透過すると共に、不要なイオンを質量分析部に到達する前に、排除可能な多重極イオンガイドを実現するようにしている。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置で、合成する周波数が異なり、合成したい周波数成分だけを出力できる高周波信号の合成方法として以下のような方法がある。
（ａ）抵抗分配器を用いた方法（例えば非特許文献１参照）
（ｂ）高電位側での並列合成方法（例えば特許文献１及び特許文献２参照）
（ｃ）低電位側での直列合成方法
等がある。
【０００３】
ここでは、本発明には前記３．が適すると考えられるので、３．について説明する。図８は従来回路の構成例を示す図である。図において、１は第１の電力増幅器、８は第２の電力増幅器である。２は整合トランスであり、１次巻線１０と、２次巻線１１と１２とから構成されている。６は第２のトランスであり、それぞれ３個の巻線１３〜１５から構成されている。
【０００４】
電力増幅器１には整合トランス２の１次巻線１０が接続されており、整合トランス２の２次側には２次巻線１１と１２が巻回されている。これら２次巻線１１と１２は、負荷コンデンサ７が接続されている。一方、整合トランス２の２次側巻線の接地側には第２のトランス６が接続されている。このトランス６は、高周波信号をインピーダンス整合する整合トランス２の接地電位側又は基準電位側に設けられている。そして、第２の高周波信号を入力する第２のトランス６を設けることにより、第１の高周波信号と第２の高周波信号を合成することができる。
【非特許文献１】トランジスタ技術 ２００２年１１月号 Ｐ２３２
【特許文献１】特開２０００−１４４４１６号公報（段落００１３〜００１７、図１）
【特許文献２】特開平２００１−３３２２１１号公報（段落００２６〜００３４、図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した（ａ）に示す従来技術では、抵抗を用いているので、抵抗損失が大きく、数Ｖ程度の小信号用であり、高電圧・大電力用には採用できない。前記した（ｂ）に示す従来技術では、高電圧・大電力用として一般的に用いられているが、高周波合成部のコンデンサやフィルタ用のコンデンサ、コイル等には耐電圧が高く、しかも大電流用のものが必要であり、更に合成する高周波信号の各出力には、当該高周波信号を除いた他の高周波信号の全てに対してフィルタを必要とするので、高周波信号合成装置が大型化し、しかも高価格となり、本発明の利用分野には不向きである。
【０００６】
（ｃ）に示す従来技術では、第１の高周波信号をインピーダンス整合する整合トランスの接地電位側又は基準電位側に、第１の高周波信号よりも周波数が低い第２の高周波信号を入力する第２のトランスを設けることによって、第１の高周波信号と第２の高周波信号を合成することができる（図８参照）。しかしながら、以下の問題点がある。
【０００７】
１．整合トランスの１次側から見た入力インピーダンスＺｉｎは、第２の高周波信号を入力する第２のトランスの１次側から電力増幅器８側を見たインピーダンスＺｆ２の影響を受け、Ｚｆ２の値によっては第１の高周波信号に対してインピーダンス整合がとれない状態となる。
【０００８】
従って、第１の高周波信号に対する電圧反射率が大きくなり、整合トランスへ第１の高周波信号電力を供給できないので、第１の高周波信号を負荷コンデンサに供給できない。
２．若しも、第１の高周波信号を負荷コンデンサに供給できるように第２の電力増幅器８のインピーダンスＺｆ２の値を選択した場合、第２のトランスの１次側にも負荷コンデンサに流れる第１の高周波信号電流が第２のトランスの１次／２次巻線比に応じて流れるので、第２の高周波信号を供給する電力増幅器には第１の高周波信号電力や周波数に対応できる増幅器等が必要となり、第２の高周波信号を供給する電力増幅器が大型化し、高価格となり、しかも無駄な電力消費となる。
【０００９】
３．整合トランス２の接地電位側又は基準電位側（又は第２のトランス６の２次側）に第１の高周波信号電流をバイパスするコンデンサの構成が考えられるが、このコンデンサに電流バイパス効果を発揮させることができる容量は、負荷コンデンサ容量の数１０倍程度の容量が必要である。このため、第２の高周波信号に対して低インピーダンスとして作用し、第２の高周波信号を供給する電力増幅器には負荷コンデンサに供給する程度の電流よりも極めて大きな電流を供給する電力増幅器が必要となる。
【００１０】
即ち、第１の高周波信号電流をバイパスするコンデンサには、第１の高周波信号に対しては負荷コンデンサの容量性リアクタンスの１／数１０程度と小さく、第２の高周波信号に対しては第２の高周波信号を供給する電力増幅器の供給電流を抑制するために容量性リアクタンスを大きくしたいという相反する要求がある。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第２の高周波信号を供給する電力増幅器を大型化することなく、また、高周波を合成しない基本整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ10と高周波を合成するようにした整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ１との差を小さくすることができ、容易に第１の高周波信号周波数を許容範囲にすることができるインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法及び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】
【００１２】
（１）請求項１記載の発明は、整合トランスを用いて電力増幅器からの２つの周波数の高周波信号を負荷側に供給するようにした高周波信号合成方法において、第１の高周波ｆ１に第２の高周波ｆ２を重畳させる際に、第１の高周波ｆ１が第２の高周波源に入らないようにするために、両者の間にｆ１の阻止フィルタを設け、合成後のｆ１信号を、ｆ２信号を合成したことによる影響がないように、整合トランスＴ１の低電位側にインダクタンスとコンデンサからなるｆ１電流バイパス回路を設けるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
（２）請求項２記載の発明は、第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランスと、該整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路と、前記整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタと、このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランスと、を備え、上記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内となるようにし、第１の高周波信号は整合トランスの１次側から入力し、第２の高周波信号は第２のトランスの１次側から入力し、この第２のトランス２次側が前記フィルタを通して整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続されるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
（３）請求項３記載の発明は、前記整合トランスの２次側は分離された２巻線からなり、この分離部に電流バイパス回路が接続され、前記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、前記電流バイパス回路全体及びそれぞれの電流バイパス回路のコンデンサとコイルとの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることを特徴とする。
【００１５】
（４）請求項４記載の発明は、前記第２の高周波信号は、複数の高周波信号を信号合成回路で合成された高周波信号とし、信号合成回路は小信号で合成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（１）請求項１記載の発明によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にコンデンサとコイルからなるｆ１電流バイパス回路を設けたので、第２の電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００１７】
（２）請求項２記載の発明によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にｆ１電流バイパス回路を設けたので、電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００１８】
（３）請求項３記載の発明によれば、より良好な高周波信号の合成を行なうことができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、第２の高周波信号を更に複数の高周波信号として合成を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
（第１の形態例）
図１は本発明の第１の実施の形態例を示す回路図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す回路は、負荷コンデンサＣに対する要求が以下の場合の実施例である。
【００２０】
第１の高周波信号周波数ｆ１：数ＭＨｚ、最大電圧：数ｋＶ
第２の高周波信号周波数ｆ２：およそ１５０〜７５０ｋＨｚ、電圧：数１０Ｖ〜数１００Ｖ
図において、１は第１の電力増幅器、８は第２の電力増幅器、２は第１の電力増幅器１の出力が接続される整合トランスＴ１、３は整合トランスＴ１の２次側の低電位部に設けられた電流バイパス回路、４は整合トランスＴ１の２次側の低電位部に設けられたｆ１阻止フィルタ、５は同じく整合トランスＴ１の２次側に設けられたｆ１阻止フィルタ、６はこれらｆ１阻止フィルタ４，５が接続される第２のトランスＴ２である。ｆ１阻止フィルタ４，５に接続された第２のトランスＴ２のコイルはその一端が接地されている。７は整合トランスＴ１の２次側の両端間に接続されたコンデンサＣである。該負荷コンデンサＣに高周波信号が印加されることになる。
【００２１】
整合トランスＴ１は、インピーダンス整合トランスであり、第１の高周波信号ｆ１に対して整合トランスＴ１の１次側から負荷側をみた入力インピーダンスＺｉｎを伝送線路の特性インピーダンスＺωに整合させるトランスである。３は整合トランスＴ１の２次側に設けられた電流バイパス回路である。該電流バイパス回路３は、コンデンサＣ３１，Ｃ３２、コイルＬ３１，Ｌ３２及び抵抗Ｒ３１，Ｒ３２の直列接続からなる電流バイパス回路である。これら電流バイパス回路の一端は接地されている。
【００２２】
この電流バイパス回路３は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、電流バイパス回路３のそれぞれの直列共振周波数（Ｃ３１とＬ３１との直列共振周波数，Ｃ３２とＬ３２との直列共振周波数）、及び電流バイパス回路全体の直列共振周波数（Ｃ３１，Ｃ３２，Ｌ３１，Ｌ３２全体の直列共振周波数）ｆｂが第１の高周波信号周波数ｆ１の±１０％以内となるようにコンデンサＣ３１，Ｃ３２及びコイルＬ３１，Ｌ３２の値が決定される。なお、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２はコイルＬ３１，Ｌ３２の第１の高周波信号ｆ１に対する高周波巻線抵抗を示している。
【００２３】
ｆ１阻止フィルタ４，５は第１の高周波信号ｆ１を阻止し、第１の高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスになり、第２の高周波信号ｆ２に対しては低インピーダンスになるようなフィルタであり、例えば第２の高周波信号ｆ２は通過し、第１の高周波信号ｆ１を阻止する低域通過フィルタや高周波信号ｆ１付近の帯域を除去する帯域除去フィルタである。なお、高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスにするため、電流バイパス回路３と第２のトランスＴ２の２次側に直列接続される部分は、共振周波数がｆ１付近で並列共振するようになっている。
【００２４】
第２のトランスＴ２は、第２の高周波信号ｆ２を供給するトランスで、２次側は２巻線である。負荷コンデンサＣは、イオンガイド電極等の等価静電容量を示すコンデンサである。第２の電力増幅器８は、第２の高周波信号ｆ２を発生し、伝送線路Ｗ２を介して第２のトランスＴ２に必要な第２の高周波信号電力を供給する増幅器である。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２５】
図２は第１の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。（ａ）は整合トランスＴ１の１次側電圧波形、（ｂ）は第２のトランスＴ２の１次側電圧波形、（ｃ）は負荷コンデンサＣにかかる電圧、（ｄ）は整合トランスＴ１の２次側電流である。整合トランスＴ１の１次側電圧の振幅は±５０Ｖ程度であり、第２のトランスＴ２の１次側電圧は±４０Ｖ程度である。負荷コンデンサＣに印加される電圧は、周波数ｆ１に応じた±２ｋＶ程度の信号となっている。
【００２６】
第１の高周波信号ｆ１の電力は、電力増幅器１から伝送線路Ｗ１を介して整合トランスＴ１に伝送される。該整合トランスＴ１は、インピーダンス整合トランスであり、整合トランスＴ１の１次側から負荷側をみた入力インピーダンスＺｉｎを伝送線路Ｗ１の特性インピーダンスＺωに整合させる。
【００２７】
図１の回路で、第２の高周波信号ｆ２の合成がない場合の基本入力インピーダンスＺｉｎｏは、基本等価回路である図３から計算することができる。図３は第１の電力増幅器から負荷側をみた等価回路である。図において、Ｌ１は整合トランスＴ１の１次巻線のインダクタンス、Ｌ２は整合トランスＴ１の２次巻線側のインダクタンス、Ｍは整合トランスＴ１の１次側と２次側の相互インダクタンスである。Ｒ２は整合トランスＴ１の２次側巻線の高周波抵抗を含む２次側回路のＲ２１,Ｒ２２に基づく等価抵抗である。
【００２８】
整合トランスＴ１の１次側インダクタンスをＬ１、整合トランスＴ１の２次側インダクタンスをＬ２とし、Ｍは整合トランスＴ１の相互インダクタンス、Ｒ２はトランスＴ１の２次巻線高周波抵抗を含む２次側等価抵抗である。Ｃは負荷コンデンサである。この時の第１の高周波信号周波数がｆ10であるものとすると、それぞれの素子の値として識別記号をそのまま用いるものとすると、ｆ10は次式で表わされる。
【００２９】
ｆ10＝１／｛２π√（Ｌ２・Ｃ）｝ （１）
ここで、Ｌ１＜＜Ｌ２の時（整合トランスＴ１の１次巻線数は通常１ターンである）、トランスＴ１の１次側からみた入力インピーダンスＺｉｎｏは次式で表わされる。
【００３０】
Ｚｉｎｏ＝Ｍ・Ｍ／（Ｒ２・Ｌ２・Ｃ） （２）
第２の高周波信号ｆ２の合成がある場合の入力インピーダンスＺｉｎは、電流バイパス回路３を含めた等価回路図４から計算できる。図４は電流バイパス回路も考慮した等価回路である。Ｌ３は電流バイパス回路のコイルのインダクタンス、Ｒ３はコイルの抵抗Ｒ３１とＲ３２に基づく高周波巻線抵抗、Ｃ３はＣ３１,Ｃ３２に基づく回路の容量とすると、第１の高周波信号周波数ｆ１は次式で表わされる。
【００３１】
ｆ１＝１／［２π√｛（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝］ （３）
ここで、Ｃ０は次式で表わされる。
Ｃ０＝（Ｃ・Ｃ３）／（Ｃ＋Ｃ３） （４）
ここで、Ｌ１＜＜（Ｌ２＋Ｌ３）の時、次式が成立する。
【００３２】
Ｚｉｎ＝Ｍ・Ｍ／｛（Ｒ２＋Ｒ３）・（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝ （５）
ｆ１＝１／［２π√｛（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝］ （６）
但し、ｆ１素子フィルタ４，５は、第１の高周波信号ｆ１を阻止し、第１の高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスになるようにしているので、ｆ１阻止フィルタ４，５の影響がないものとしている。
【００３３】
電流バイパス回路３の直列接続された全体の直列接続された直列共振周波数ｆｂは次式で表わされる。
ｆｂ＝１／｛２π√（Ｌ３・Ｃ３）｝ （７）
また、電流バイパス回路のそれぞれの直列共振周波数
１／｛２π√（Ｌ３１・Ｃ３１）｝と
１／｛２π√（Ｌ３２・Ｃ３２）｝をｆ10の±１０％以内にする。
【００３４】
前記直流バイパス回路３の直列共振周波数ｆｂを、ｆ10の±１０％以内程度にして、第１の高周波信号ｆ１とｆｂとの差を小さくすることができる。また、入力インピーダンスＺｉｎは、抵抗Ｒ３をできる限り小さくするか、或いは抵抗Ｒ２を調整するなどして、必要とする入力インピーダンスＺｉｎにする。
【００３５】
入力インピーダンスＺｉｎが必要とする特性インピーダンスＺωに整合していく過程を図５のスミスチャートに示す。図４を参照しながら、図５を説明する。図５中、０がスタート時点で負荷コンデンサＣを接続し、順次Ｓ１がＬ２−Ｍを接続、Ｓ２がＲ２を接続、Ｓ３がＣ３を接続、Ｓ４がＬ３を接続、Ｓ５がＲ３を接続、Ｓ６がＭを接続、Ｓ７がＬ１−Ｍを接続した状態である。
【００３６】
スミスチャートの中心が正規化インピーダンス１で、この場合５０Ωを正規化インピーダンス１としている。図のＳ２〜Ｓ５が電流バイパス回路３によるものであり、コンデンサＣ３による容量性リアクタンスの増加をコイルＬ３の誘導性リアクタンスで補償し、Ｚｉｎを５０Ωに近づけている。なお、図５は、ｆｂがｆ10より５％（Ｌ３が約−１０％）高い場合の一例である。この時の周波数はｆ１である。この場合、ｆ１とｆ10との差は約５％（Ｌ３が約−１０％）高い場合の一例で、周波数はｆ１である。この場合、ｆ１とｆ10との周波数差は約1％であった。
【００３７】
第２の高周波信号ｆ２は、第２の高周波信号ｆ２電力を供給する電力増幅器８から、伝送線路Ｗ２を介して第２のトランスＴ２に供給される。第２のトランスＴ２の２つの２次巻線に逆極性で生じた第２の高周波信号ｆ２は、一方がｆ１阻止フィルタ５を介して整合トランスＴ１のＬ２１の接地電位側へ、他方が整合トランスＴ１のＬ２２の接地電位側へ接続され、第２の高周波信号ｆ２が第１の高周波信号ｆ１に合成される。この様子の信号波形を図２に示す。
【００３８】
負荷コンデンサＣには第１の高周波信号ｆ１と、第２の高周波信号ｆ２との合成された電圧が印加されている。なお、この場合、負荷コンデンサＣの電圧の周波数成分は、第１の高周波信号ｆ１と、第２の高周波信号ｆ２の周波数成分だけである。
【００３９】
以上、説明したように、この実施の形態例によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にｆ１電流バイパス回路を設けたので、第２の電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、また、第１の高周波信号に大きな影響を与えることなく第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００４０】
（第２の形態例）
図１の実施の形態例を参照して説明する。前述した実施の形態例では、整合トランスＴ１の２次巻線は２巻線としたが、１巻線の場合にも、適用することができる。この場合は、１巻線の接地電位値又は基準電位側に電流バイパス回路３の片側のｆ１阻止フィルタ４が配置され、第２のトランスＴ２も２次側１巻線となる。但し、この場合、負荷コンデンサＣの片側は接地電位又は基準電位である。また、第２の高周波信号ｆ２の入力である第２のトランスＴ２に対してインピーダンス整合を適用するようにしてもよい。更に、電流バイパス回路３のコンデンサ及びコイルを可変できるようにして、整合トランスＴ１の整合可能な周波数を可変できるようにしてもよい。
【００４１】
（第３の形態例）
図６は本発明の第３の実施の形態例を示す回路図、図７は第３の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。図７において、（ａ）は負荷Ｃに印加される負荷電圧で、±２ｋＶ程度である。（ｂ）は第２のトランスＴ２の２次電圧であり、その振幅は２００Ｖ程度である。（ｃ）は高周波信号ｆ２の電圧であり、その振幅は±４Ｖ程度である。（ｄ）は高周波信号ｆ３の電圧であり、その振幅は±１０Ｖ程度である。（ｅ）は高周波信号ｆ４の電圧であり、その振幅は±２０Ｖ程度である。（ｆ）は整合トランスＴ１の１次側電圧であり、その振幅は±５０Ｖ程度である。
【００４２】
図６において、図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図１と比較して異なっている部分は、高周波信号入力を受ける受け口に高周波信号ｆ２，ｆ３，…ｆｎを小信号で合成する信号合成回路９が用いられている点である。なお、信号合成回路９は演算増幅器等からなる加算増幅器である。その他の構成は、図１に示す回路と全く同一である。信号合成回路９の出力は、第２の電力増幅器８に入力されている。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００４３】
信号合成回路９で高周波信号ｆ２，ｆ３…ｆｎを小信号で合成し、第２の電力増幅器８を介して第２のトランスＴ２に入力するようにしている。このように構成すれば、信号合成回路９は、第２の高周波信号を更に複数の高周波信号として合成を行なうことができる。
【００４４】
（本発明の効果）
以下に、本発明の効果を列挙する。
１）整合トランスを用いたインピーダンス整合回路で、複数の高周波信号を合成する方法と装置において、第１の高周波信号をバイパスする直列接続されたコンデンサとコイルとからなる電流バイパス回路が、整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続され、更に直列接続されたコンデンサとコイルとの共振周波数が第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることにより、
１．高周波を合成しない基本整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ10と、高周波を合成するようにした整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ１との差を小さくすることができ、容易に第１の高周波信号周波数を許容範囲にすることができる。また、電流バイパス回路の第１の高周波信号に対するインピーダンスが負荷コンデンサのインピーダンスに対して大きくならないので、第１の電力増幅器の出力レベルは、第１の高周波信号を第２の高周波信号を合成しない場合と同程度の出力レベルで負荷に供給することができる。
【００４５】
なお、電流バイパス回路の直列接続されたコンデンサ及びコイルの共振周波数が高周波を合成しない基本整合回路である第１の高周波信号周波数ｆ10の±１０％以内ということは、コンデンサ容量及びコイルインダクタンス値を総合した誤差が約２０％程度まで許容されるので、コンデンサ及びコイルの選択が容易になる。
２．電流バイパス回路のコンデンサの容量値を、負荷コンデンサの数倍程度まで減じることができるので、第２の高周波信号ｆ２に対するインピーダンスを比較的に高くすることができるので、第２の高周波信号ｆ２用電力増幅器の出力電流を増加させないので、第２の高周波信号を供給する電力増幅器の大型化、高価格化、無駄な電力消費等が抑制される。
３．電流バイパス回路やｆ１阻止フィルタを整合トランスの接地電位側又は基準電位側に構成することができるので、従来の高電位側での並列的合成方法に比較して、電流バイパス回路やフィルタ用に耐電圧が低いコンデンサ、コイル等を採用することができる。また、電流バイパス回路には、負荷コンデンサに流れる電流と同程度の電流が流れるが、ｆ１阻止フィルタが第１の高周波信号周波数ｆ１に対して高インピーダンスにしているので、フィルタには負荷コンデンサ電流は殆ど流れない。このため、ｆ１阻止フィルタのコンデンサ、コイルは第２の高周波信号電流に対する許容電流値でよいので、フィルタを小型化することができ、安価にすることができる。
【００４６】
更に、第１の高周波信号側に第２の高周波信号を阻止するフィルタは必要としないので、整合装置を小型化（部品点数が従来の約１／２）することができ、安価にすることができる。
【００４７】
２）第２の高周波信号が、複数の高周波信号を合成した信号とする場合は、小信号の信号合成回路で合成してから、１台の電力増幅器を介して第２のトランスＴ２に供給することができ、第１の高周波信号側に複数の高周波信号を合成した第２の高周波信号を阻止するフィルタは必要としないので、多数の高周波信号を合成する装置を小型化することができ、安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。
【図３】第１の電力増幅器から負荷側をみた等価回路である。
【図４】電流バイパス回路も考慮した等価回路である。
【図５】本発明のスミスチャートを示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態例を示す回路図である。
【図７】第３の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。
【図８】従来回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 第１の電力増幅器
２ 整合トランス
３ 電流バイパス回路
４ ｆ１阻止フィルタ
５ ｆ１阻止フィルタ
６ 第２のトランス
７ 負荷コンデンサ
８ 第２の電力増幅器
９ 信号合成回路
【技術分野】
【０００１】
本発明はインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法及び装置に関し、更に詳しくは、高周波誘導結合プラズマ質量分析計の４重極イオンガイド用高周波電源でＡｒイオンの選択的排除のために複数（第１の高周波信号ｆ１：数ＭＨｚ、ｆ１の最大電圧：数ｋＶ、第２の高周波信号周波数ｆ２：およそ１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚ、ｆ２の電圧：数１０Ｖ〜数１００Ｖ）の周波数の異なる高周波信号を合成するインピーダンス整合装置、及びその他合成する周波数が異なり合成したい周波数成分だけを出力できる高周波信号を合成するようにしたインピーダンス整合方法及び装置に関する。ここで、異なる２つの周波数を合成する目的は、イオンガイドに閉じ込められているイオンのうち、ｆ２として所定の質量電荷比を持つイオンに対してのみ、イオンガイド内での振動運動の振幅を共鳴により増大させて、イオンガイドの外に飛び出さないようにするものである。これにより、イオン化部から質量分析部までイオンを輸送するイオン輸送系において、分析に必要なイオンを高効率に透過すると共に、不要なイオンを質量分析部に到達する前に、排除可能な多重極イオンガイドを実現するようにしている。
【背景技術】
【０００２】
この種の装置で、合成する周波数が異なり、合成したい周波数成分だけを出力できる高周波信号の合成方法として以下のような方法がある。
（ａ）抵抗分配器を用いた方法（例えば非特許文献１参照）
（ｂ）高電位側での並列合成方法（例えば特許文献１及び特許文献２参照）
（ｃ）低電位側での直列合成方法
等がある。
【０００３】
ここでは、本発明には前記３．が適すると考えられるので、３．について説明する。図８は従来回路の構成例を示す図である。図において、１は第１の電力増幅器、８は第２の電力増幅器である。２は整合トランスであり、１次巻線１０と、２次巻線１１と１２とから構成されている。６は第２のトランスであり、それぞれ３個の巻線１３〜１５から構成されている。
【０００４】
電力増幅器１には整合トランス２の１次巻線１０が接続されており、整合トランス２の２次側には２次巻線１１と１２が巻回されている。これら２次巻線１１と１２は、負荷コンデンサ７が接続されている。一方、整合トランス２の２次側巻線の接地側には第２のトランス６が接続されている。このトランス６は、高周波信号をインピーダンス整合する整合トランス２の接地電位側又は基準電位側に設けられている。そして、第２の高周波信号を入力する第２のトランス６を設けることにより、第１の高周波信号と第２の高周波信号を合成することができる。
【非特許文献１】トランジスタ技術 ２００２年１１月号 Ｐ２３２
【特許文献１】特開２０００−１４４４１６号公報（段落００１３〜００１７、図１）
【特許文献２】特開平２００１−３３２２１１号公報（段落００２６〜００３４、図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した（ａ）に示す従来技術では、抵抗を用いているので、抵抗損失が大きく、数Ｖ程度の小信号用であり、高電圧・大電力用には採用できない。前記した（ｂ）に示す従来技術では、高電圧・大電力用として一般的に用いられているが、高周波合成部のコンデンサやフィルタ用のコンデンサ、コイル等には耐電圧が高く、しかも大電流用のものが必要であり、更に合成する高周波信号の各出力には、当該高周波信号を除いた他の高周波信号の全てに対してフィルタを必要とするので、高周波信号合成装置が大型化し、しかも高価格となり、本発明の利用分野には不向きである。
【０００６】
（ｃ）に示す従来技術では、第１の高周波信号をインピーダンス整合する整合トランスの接地電位側又は基準電位側に、第１の高周波信号よりも周波数が低い第２の高周波信号を入力する第２のトランスを設けることによって、第１の高周波信号と第２の高周波信号を合成することができる（図８参照）。しかしながら、以下の問題点がある。
【０００７】
１．整合トランスの１次側から見た入力インピーダンスＺｉｎは、第２の高周波信号を入力する第２のトランスの１次側から電力増幅器８側を見たインピーダンスＺｆ２の影響を受け、Ｚｆ２の値によっては第１の高周波信号に対してインピーダンス整合がとれない状態となる。
【０００８】
従って、第１の高周波信号に対する電圧反射率が大きくなり、整合トランスへ第１の高周波信号電力を供給できないので、第１の高周波信号を負荷コンデンサに供給できない。
２．若しも、第１の高周波信号を負荷コンデンサに供給できるように第２の電力増幅器８のインピーダンスＺｆ２の値を選択した場合、第２のトランスの１次側にも負荷コンデンサに流れる第１の高周波信号電流が第２のトランスの１次／２次巻線比に応じて流れるので、第２の高周波信号を供給する電力増幅器には第１の高周波信号電力や周波数に対応できる増幅器等が必要となり、第２の高周波信号を供給する電力増幅器が大型化し、高価格となり、しかも無駄な電力消費となる。
【０００９】
３．整合トランス２の接地電位側又は基準電位側（又は第２のトランス６の２次側）に第１の高周波信号電流をバイパスするコンデンサの構成が考えられるが、このコンデンサに電流バイパス効果を発揮させることができる容量は、負荷コンデンサ容量の数１０倍程度の容量が必要である。このため、第２の高周波信号に対して低インピーダンスとして作用し、第２の高周波信号を供給する電力増幅器には負荷コンデンサに供給する程度の電流よりも極めて大きな電流を供給する電力増幅器が必要となる。
【００１０】
即ち、第１の高周波信号電流をバイパスするコンデンサには、第１の高周波信号に対しては負荷コンデンサの容量性リアクタンスの１／数１０程度と小さく、第２の高周波信号に対しては第２の高周波信号を供給する電力増幅器の供給電流を抑制するために容量性リアクタンスを大きくしたいという相反する要求がある。
【００１１】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第２の高周波信号を供給する電力増幅器を大型化することなく、また、高周波を合成しない基本整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ10と高周波を合成するようにした整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ１との差を小さくすることができ、容易に第１の高周波信号周波数を許容範囲にすることができるインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法及び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】
【００１２】
（１）請求項１記載の発明は、整合トランスを用いて電力増幅器からの２つの周波数の高周波信号を負荷側に供給するようにした高周波信号合成方法において、第１の高周波ｆ１に第２の高周波ｆ２を重畳させる際に、第１の高周波ｆ１が第２の高周波源に入らないようにするために、両者の間にｆ１の阻止フィルタを設け、合成後のｆ１信号を、ｆ２信号を合成したことによる影響がないように、整合トランスＴ１の低電位側にインダクタンスとコンデンサからなるｆ１電流バイパス回路を設けるようにしたことを特徴とする。
【００１３】
（２）請求項２記載の発明は、第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランスと、該整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路と、前記整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタと、このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランスと、を備え、上記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内となるようにし、第１の高周波信号は整合トランスの１次側から入力し、第２の高周波信号は第２のトランスの１次側から入力し、この第２のトランス２次側が前記フィルタを通して整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続されるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
（３）請求項３記載の発明は、前記整合トランスの２次側は分離された２巻線からなり、この分離部に電流バイパス回路が接続され、前記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、前記電流バイパス回路全体及びそれぞれの電流バイパス回路のコンデンサとコイルとの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることを特徴とする。
【００１５】
（４）請求項４記載の発明は、前記第２の高周波信号は、複数の高周波信号を信号合成回路で合成された高周波信号とし、信号合成回路は小信号で合成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
（１）請求項１記載の発明によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にコンデンサとコイルからなるｆ１電流バイパス回路を設けたので、第２の電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００１７】
（２）請求項２記載の発明によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にｆ１電流バイパス回路を設けたので、電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００１８】
（３）請求項３記載の発明によれば、より良好な高周波信号の合成を行なうことができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、第２の高周波信号を更に複数の高周波信号として合成を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
（第１の形態例）
図１は本発明の第１の実施の形態例を示す回路図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す回路は、負荷コンデンサＣに対する要求が以下の場合の実施例である。
【００２０】
第１の高周波信号周波数ｆ１：数ＭＨｚ、最大電圧：数ｋＶ
第２の高周波信号周波数ｆ２：およそ１５０〜７５０ｋＨｚ、電圧：数１０Ｖ〜数１００Ｖ
図において、１は第１の電力増幅器、８は第２の電力増幅器、２は第１の電力増幅器１の出力が接続される整合トランスＴ１、３は整合トランスＴ１の２次側の低電位部に設けられた電流バイパス回路、４は整合トランスＴ１の２次側の低電位部に設けられたｆ１阻止フィルタ、５は同じく整合トランスＴ１の２次側に設けられたｆ１阻止フィルタ、６はこれらｆ１阻止フィルタ４，５が接続される第２のトランスＴ２である。ｆ１阻止フィルタ４，５に接続された第２のトランスＴ２のコイルはその一端が接地されている。７は整合トランスＴ１の２次側の両端間に接続されたコンデンサＣである。該負荷コンデンサＣに高周波信号が印加されることになる。
【００２１】
整合トランスＴ１は、インピーダンス整合トランスであり、第１の高周波信号ｆ１に対して整合トランスＴ１の１次側から負荷側をみた入力インピーダンスＺｉｎを伝送線路の特性インピーダンスＺωに整合させるトランスである。３は整合トランスＴ１の２次側に設けられた電流バイパス回路である。該電流バイパス回路３は、コンデンサＣ３１，Ｃ３２、コイルＬ３１，Ｌ３２及び抵抗Ｒ３１，Ｒ３２の直列接続からなる電流バイパス回路である。これら電流バイパス回路の一端は接地されている。
【００２２】
この電流バイパス回路３は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、電流バイパス回路３のそれぞれの直列共振周波数（Ｃ３１とＬ３１との直列共振周波数，Ｃ３２とＬ３２との直列共振周波数）、及び電流バイパス回路全体の直列共振周波数（Ｃ３１，Ｃ３２，Ｌ３１，Ｌ３２全体の直列共振周波数）ｆｂが第１の高周波信号周波数ｆ１の±１０％以内となるようにコンデンサＣ３１，Ｃ３２及びコイルＬ３１，Ｌ３２の値が決定される。なお、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２はコイルＬ３１，Ｌ３２の第１の高周波信号ｆ１に対する高周波巻線抵抗を示している。
【００２３】
ｆ１阻止フィルタ４，５は第１の高周波信号ｆ１を阻止し、第１の高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスになり、第２の高周波信号ｆ２に対しては低インピーダンスになるようなフィルタであり、例えば第２の高周波信号ｆ２は通過し、第１の高周波信号ｆ１を阻止する低域通過フィルタや高周波信号ｆ１付近の帯域を除去する帯域除去フィルタである。なお、高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスにするため、電流バイパス回路３と第２のトランスＴ２の２次側に直列接続される部分は、共振周波数がｆ１付近で並列共振するようになっている。
【００２４】
第２のトランスＴ２は、第２の高周波信号ｆ２を供給するトランスで、２次側は２巻線である。負荷コンデンサＣは、イオンガイド電極等の等価静電容量を示すコンデンサである。第２の電力増幅器８は、第２の高周波信号ｆ２を発生し、伝送線路Ｗ２を介して第２のトランスＴ２に必要な第２の高周波信号電力を供給する増幅器である。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２５】
図２は第１の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。（ａ）は整合トランスＴ１の１次側電圧波形、（ｂ）は第２のトランスＴ２の１次側電圧波形、（ｃ）は負荷コンデンサＣにかかる電圧、（ｄ）は整合トランスＴ１の２次側電流である。整合トランスＴ１の１次側電圧の振幅は±５０Ｖ程度であり、第２のトランスＴ２の１次側電圧は±４０Ｖ程度である。負荷コンデンサＣに印加される電圧は、周波数ｆ１に応じた±２ｋＶ程度の信号となっている。
【００２６】
第１の高周波信号ｆ１の電力は、電力増幅器１から伝送線路Ｗ１を介して整合トランスＴ１に伝送される。該整合トランスＴ１は、インピーダンス整合トランスであり、整合トランスＴ１の１次側から負荷側をみた入力インピーダンスＺｉｎを伝送線路Ｗ１の特性インピーダンスＺωに整合させる。
【００２７】
図１の回路で、第２の高周波信号ｆ２の合成がない場合の基本入力インピーダンスＺｉｎｏは、基本等価回路である図３から計算することができる。図３は第１の電力増幅器から負荷側をみた等価回路である。図において、Ｌ１は整合トランスＴ１の１次巻線のインダクタンス、Ｌ２は整合トランスＴ１の２次巻線側のインダクタンス、Ｍは整合トランスＴ１の１次側と２次側の相互インダクタンスである。Ｒ２は整合トランスＴ１の２次側巻線の高周波抵抗を含む２次側回路のＲ２１,Ｒ２２に基づく等価抵抗である。
【００２８】
整合トランスＴ１の１次側インダクタンスをＬ１、整合トランスＴ１の２次側インダクタンスをＬ２とし、Ｍは整合トランスＴ１の相互インダクタンス、Ｒ２はトランスＴ１の２次巻線高周波抵抗を含む２次側等価抵抗である。Ｃは負荷コンデンサである。この時の第１の高周波信号周波数がｆ10であるものとすると、それぞれの素子の値として識別記号をそのまま用いるものとすると、ｆ10は次式で表わされる。
【００２９】
ｆ10＝１／｛２π√（Ｌ２・Ｃ）｝ （１）
ここで、Ｌ１＜＜Ｌ２の時（整合トランスＴ１の１次巻線数は通常１ターンである）、トランスＴ１の１次側からみた入力インピーダンスＺｉｎｏは次式で表わされる。
【００３０】
Ｚｉｎｏ＝Ｍ・Ｍ／（Ｒ２・Ｌ２・Ｃ） （２）
第２の高周波信号ｆ２の合成がある場合の入力インピーダンスＺｉｎは、電流バイパス回路３を含めた等価回路図４から計算できる。図４は電流バイパス回路も考慮した等価回路である。Ｌ３は電流バイパス回路のコイルのインダクタンス、Ｒ３はコイルの抵抗Ｒ３１とＲ３２に基づく高周波巻線抵抗、Ｃ３はＣ３１,Ｃ３２に基づく回路の容量とすると、第１の高周波信号周波数ｆ１は次式で表わされる。
【００３１】
ｆ１＝１／［２π√｛（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝］ （３）
ここで、Ｃ０は次式で表わされる。
Ｃ０＝（Ｃ・Ｃ３）／（Ｃ＋Ｃ３） （４）
ここで、Ｌ１＜＜（Ｌ２＋Ｌ３）の時、次式が成立する。
【００３２】
Ｚｉｎ＝Ｍ・Ｍ／｛（Ｒ２＋Ｒ３）・（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝ （５）
ｆ１＝１／［２π√｛（Ｌ２＋Ｌ３）・Ｃ０｝］ （６）
但し、ｆ１素子フィルタ４，５は、第１の高周波信号ｆ１を阻止し、第１の高周波信号ｆ１に対して高インピーダンスになるようにしているので、ｆ１阻止フィルタ４，５の影響がないものとしている。
【００３３】
電流バイパス回路３の直列接続された全体の直列接続された直列共振周波数ｆｂは次式で表わされる。
ｆｂ＝１／｛２π√（Ｌ３・Ｃ３）｝ （７）
また、電流バイパス回路のそれぞれの直列共振周波数
１／｛２π√（Ｌ３１・Ｃ３１）｝と
１／｛２π√（Ｌ３２・Ｃ３２）｝をｆ10の±１０％以内にする。
【００３４】
前記直流バイパス回路３の直列共振周波数ｆｂを、ｆ10の±１０％以内程度にして、第１の高周波信号ｆ１とｆｂとの差を小さくすることができる。また、入力インピーダンスＺｉｎは、抵抗Ｒ３をできる限り小さくするか、或いは抵抗Ｒ２を調整するなどして、必要とする入力インピーダンスＺｉｎにする。
【００３５】
入力インピーダンスＺｉｎが必要とする特性インピーダンスＺωに整合していく過程を図５のスミスチャートに示す。図４を参照しながら、図５を説明する。図５中、０がスタート時点で負荷コンデンサＣを接続し、順次Ｓ１がＬ２−Ｍを接続、Ｓ２がＲ２を接続、Ｓ３がＣ３を接続、Ｓ４がＬ３を接続、Ｓ５がＲ３を接続、Ｓ６がＭを接続、Ｓ７がＬ１−Ｍを接続した状態である。
【００３６】
スミスチャートの中心が正規化インピーダンス１で、この場合５０Ωを正規化インピーダンス１としている。図のＳ２〜Ｓ５が電流バイパス回路３によるものであり、コンデンサＣ３による容量性リアクタンスの増加をコイルＬ３の誘導性リアクタンスで補償し、Ｚｉｎを５０Ωに近づけている。なお、図５は、ｆｂがｆ10より５％（Ｌ３が約−１０％）高い場合の一例である。この時の周波数はｆ１である。この場合、ｆ１とｆ10との差は約５％（Ｌ３が約−１０％）高い場合の一例で、周波数はｆ１である。この場合、ｆ１とｆ10との周波数差は約1％であった。
【００３７】
第２の高周波信号ｆ２は、第２の高周波信号ｆ２電力を供給する電力増幅器８から、伝送線路Ｗ２を介して第２のトランスＴ２に供給される。第２のトランスＴ２の２つの２次巻線に逆極性で生じた第２の高周波信号ｆ２は、一方がｆ１阻止フィルタ５を介して整合トランスＴ１のＬ２１の接地電位側へ、他方が整合トランスＴ１のＬ２２の接地電位側へ接続され、第２の高周波信号ｆ２が第１の高周波信号ｆ１に合成される。この様子の信号波形を図２に示す。
【００３８】
負荷コンデンサＣには第１の高周波信号ｆ１と、第２の高周波信号ｆ２との合成された電圧が印加されている。なお、この場合、負荷コンデンサＣの電圧の周波数成分は、第１の高周波信号ｆ１と、第２の高周波信号ｆ２の周波数成分だけである。
【００３９】
以上、説明したように、この実施の形態例によれば、第１の高周波源の周波数ｆ１が、第２の高周波源に入らないように、ｆ１阻止フィルタを設け、更にｆ１電流バイパス回路を設けたので、第２の電力増幅器に対して大容量のものを用いることなく、また、第１の高周波信号に大きな影響を与えることなく第１の高周波信号と第２の高周波信号とを合成することが可能となる。
【００４０】
（第２の形態例）
図１の実施の形態例を参照して説明する。前述した実施の形態例では、整合トランスＴ１の２次巻線は２巻線としたが、１巻線の場合にも、適用することができる。この場合は、１巻線の接地電位値又は基準電位側に電流バイパス回路３の片側のｆ１阻止フィルタ４が配置され、第２のトランスＴ２も２次側１巻線となる。但し、この場合、負荷コンデンサＣの片側は接地電位又は基準電位である。また、第２の高周波信号ｆ２の入力である第２のトランスＴ２に対してインピーダンス整合を適用するようにしてもよい。更に、電流バイパス回路３のコンデンサ及びコイルを可変できるようにして、整合トランスＴ１の整合可能な周波数を可変できるようにしてもよい。
【００４１】
（第３の形態例）
図６は本発明の第３の実施の形態例を示す回路図、図７は第３の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。図７において、（ａ）は負荷Ｃに印加される負荷電圧で、±２ｋＶ程度である。（ｂ）は第２のトランスＴ２の２次電圧であり、その振幅は２００Ｖ程度である。（ｃ）は高周波信号ｆ２の電圧であり、その振幅は±４Ｖ程度である。（ｄ）は高周波信号ｆ３の電圧であり、その振幅は±１０Ｖ程度である。（ｅ）は高周波信号ｆ４の電圧であり、その振幅は±２０Ｖ程度である。（ｆ）は整合トランスＴ１の１次側電圧であり、その振幅は±５０Ｖ程度である。
【００４２】
図６において、図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図１と比較して異なっている部分は、高周波信号入力を受ける受け口に高周波信号ｆ２，ｆ３，…ｆｎを小信号で合成する信号合成回路９が用いられている点である。なお、信号合成回路９は演算増幅器等からなる加算増幅器である。その他の構成は、図１に示す回路と全く同一である。信号合成回路９の出力は、第２の電力増幅器８に入力されている。このように構成された回路の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００４３】
信号合成回路９で高周波信号ｆ２，ｆ３…ｆｎを小信号で合成し、第２の電力増幅器８を介して第２のトランスＴ２に入力するようにしている。このように構成すれば、信号合成回路９は、第２の高周波信号を更に複数の高周波信号として合成を行なうことができる。
【００４４】
（本発明の効果）
以下に、本発明の効果を列挙する。
１）整合トランスを用いたインピーダンス整合回路で、複数の高周波信号を合成する方法と装置において、第１の高周波信号をバイパスする直列接続されたコンデンサとコイルとからなる電流バイパス回路が、整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続され、更に直列接続されたコンデンサとコイルとの共振周波数が第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることにより、
１．高周波を合成しない基本整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ10と、高周波を合成するようにした整合回路の第１の高周波信号周波数ｆ１との差を小さくすることができ、容易に第１の高周波信号周波数を許容範囲にすることができる。また、電流バイパス回路の第１の高周波信号に対するインピーダンスが負荷コンデンサのインピーダンスに対して大きくならないので、第１の電力増幅器の出力レベルは、第１の高周波信号を第２の高周波信号を合成しない場合と同程度の出力レベルで負荷に供給することができる。
【００４５】
なお、電流バイパス回路の直列接続されたコンデンサ及びコイルの共振周波数が高周波を合成しない基本整合回路である第１の高周波信号周波数ｆ10の±１０％以内ということは、コンデンサ容量及びコイルインダクタンス値を総合した誤差が約２０％程度まで許容されるので、コンデンサ及びコイルの選択が容易になる。
２．電流バイパス回路のコンデンサの容量値を、負荷コンデンサの数倍程度まで減じることができるので、第２の高周波信号ｆ２に対するインピーダンスを比較的に高くすることができるので、第２の高周波信号ｆ２用電力増幅器の出力電流を増加させないので、第２の高周波信号を供給する電力増幅器の大型化、高価格化、無駄な電力消費等が抑制される。
３．電流バイパス回路やｆ１阻止フィルタを整合トランスの接地電位側又は基準電位側に構成することができるので、従来の高電位側での並列的合成方法に比較して、電流バイパス回路やフィルタ用に耐電圧が低いコンデンサ、コイル等を採用することができる。また、電流バイパス回路には、負荷コンデンサに流れる電流と同程度の電流が流れるが、ｆ１阻止フィルタが第１の高周波信号周波数ｆ１に対して高インピーダンスにしているので、フィルタには負荷コンデンサ電流は殆ど流れない。このため、ｆ１阻止フィルタのコンデンサ、コイルは第２の高周波信号電流に対する許容電流値でよいので、フィルタを小型化することができ、安価にすることができる。
【００４６】
更に、第１の高周波信号側に第２の高周波信号を阻止するフィルタは必要としないので、整合装置を小型化（部品点数が従来の約１／２）することができ、安価にすることができる。
【００４７】
２）第２の高周波信号が、複数の高周波信号を合成した信号とする場合は、小信号の信号合成回路で合成してから、１台の電力増幅器を介して第２のトランスＴ２に供給することができ、第１の高周波信号側に複数の高周波信号を合成した第２の高周波信号を阻止するフィルタは必要としないので、多数の高周波信号を合成する装置を小型化することができ、安価にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を示す回路図である。
【図２】第１の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。
【図３】第１の電力増幅器から負荷側をみた等価回路である。
【図４】電流バイパス回路も考慮した等価回路である。
【図５】本発明のスミスチャートを示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態例を示す回路図である。
【図７】第３の実施の形態例の各部の動作波形を示す図である。
【図８】従来回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 第１の電力増幅器
２ 整合トランス
３ 電流バイパス回路
４ ｆ１阻止フィルタ
５ ｆ１阻止フィルタ
６ 第２のトランス
７ 負荷コンデンサ
８ 第２の電力増幅器
９ 信号合成回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
整合トランスを用いて電力増幅器からの２つの周波数の高周波信号を負荷側に供給するようにした高周波信号合成方法において、
第１の高周波ｆ１に第２の高周波ｆ２を重畳させる際に、第１の高周波ｆ１が第２の高周波源に入らないようにするために、両者の間にｆ１の阻止フィルタを設け、合成後のｆ１信号を、ｆ２信号を合成したことによる影響がないように、整合トランスＴ１の低電位側にインダクタンスとコンデンサからなるｆ１電流バイパス回路を設けるようにしたことを特徴とするインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法。
【請求項２】
第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランスと、
該整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路と、
前記整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタと、
このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランスと、
を備え、上記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内となるようにし、第１の高周波信号は整合トランスの１次側から入力し、第２の高周波信号は第２のトランスの１次側から入力し、この第２のトランス２次側が前記フィルタを通して整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続される、
ようにしたことを特徴とするインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【請求項３】
前記整合トランスの２時側は分離された２巻線からなり、この分離部に電流バイパス回路が接続され、前記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、前記電流バイパス回路全体及びそれぞれの電流バイパス回路のコンデンサとコイルとの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることを特徴とする請求項２記載のインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【請求項４】
前記第２の高周波信号は、複数の高周波信号を信号合成回路で合成された高周波信号とし、信号合成回路は小信号で合成されたことを特徴とする請求項２記載のインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【請求項１】
整合トランスを用いて電力増幅器からの２つの周波数の高周波信号を負荷側に供給するようにした高周波信号合成方法において、
第１の高周波ｆ１に第２の高周波ｆ２を重畳させる際に、第１の高周波ｆ１が第２の高周波源に入らないようにするために、両者の間にｆ１の阻止フィルタを設け、合成後のｆ１信号を、ｆ２信号を合成したことによる影響がないように、整合トランスＴ１の低電位側にインダクタンスとコンデンサからなるｆ１電流バイパス回路を設けるようにしたことを特徴とするインピーダンス整合回路の高周波信号合成方法。
【請求項２】
第１の高周波信号をインピーダンス整合する第１のトランスとしての整合トランスと、
該整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号をバイパスするコンデンサ及びコイルの直列接続からなる電流バイパス回路と、
前記整合トランスの２次巻線の接地電位側又は基準電位側に接続され、第１の高周波信号を阻止し、第１の高周波信号に対して高インピーダンスとなり第２の高周波信号に対しては等価直列インピーダンスが低インピーダンスになるフィルタと、
このフィルタの反対側に２次巻線が接続される第２の高周波信号を入力する第２のトランスと、
を備え、上記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内となるようにし、第１の高周波信号は整合トランスの１次側から入力し、第２の高周波信号は第２のトランスの１次側から入力し、この第２のトランス２次側が前記フィルタを通して整合トランスの接地電位側又は基準電位側に接続される、
ようにしたことを特徴とするインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【請求項３】
前記整合トランスの２時側は分離された２巻線からなり、この分離部に電流バイパス回路が接続され、前記電流バイパス回路は、直列接続されたコンデンサ及びコイルからなり、接地電位又は基準電位に対して対称に１対設けると共に、前記電流バイパス回路全体及びそれぞれの電流バイパス回路のコンデンサとコイルとの直列共振周波数が第２の高周波信号を合成する前の整合回路共振周波数である第１の高周波信号周波数の±１０％以内とすることを特徴とする請求項２記載のインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【請求項４】
前記第２の高周波信号は、複数の高周波信号を信号合成回路で合成された高周波信号とし、信号合成回路は小信号で合成されたことを特徴とする請求項２記載のインピーダンス整合回路の高周波信号合成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−２０９９７６（Ｐ２００６−２０９９７６Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６３２４（Ｐ２００５−１６３２４）
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２５日（２００５．１．２５）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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