電力結合器
４方向バイナリ電力結合器の実施形態は、第１の１：１変圧器からなり、これは第１の電力増幅器の出力から受け取った５０オーム出力インピーダンスと第２の電力増幅器の出力から受け取った５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第１の変圧器出力における２５オーム第１の変圧器出力インピーダンスを与える。第１の１００オーム差分抵抗は第１の電力増幅器出力と第２増幅器出力との間に接続されている。第２の１：１変圧器は、第３の電力増幅器の出力から受け取った５０オーム出力インピーダンスと第４の電力増幅器の出力から受け取った５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第２の変圧器出力における２５オーム第２の変圧器出力インピーダンスを与える。第２の１００オーム差分抵抗は第３の電力増幅器出力と第４電力増幅器出力との間に接続されている。５０オーム差分抵抗は第１の変圧器出力と第２の変圧器出力との間に接続されている。第３の変圧器は、２５オーム第１の変圧器出力インピーダンスと２５オーム第２の変圧器出力インピーダンスとを結合して、負荷への直接接続に適合する第３の変圧器出力における１２．５オーム出力インピーダンスを与える。第２の実施形態は修正されたウィルキンソン電力結合器を与え、これは、等長で等インピーダンス特性を有する四分の１波長同軸伝送ラインからなる。各々の同軸伝送ラインの内側導体の入力端は、関連する電力増幅器の出力から５０オーム出力インピーダンスを受け取るように適合されている。各々の同軸伝送ラインの内側導体の出力端は共通の伝送ライン出力接続点へ接続されて、１２．５オーム出力インピーダンスを受け取る。各々の同軸伝送ラインの外側導体は接地へ接続されている。各々の同軸伝送ラインについて、５０オーム差分抵抗は伝送ラインの内側導体と共通差分抵抗接続点との間に接続されている。共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている。第３の好ましい実施形態は、等長で等インピーダンス特性を有する複数の同軸伝送ラインからなる電力結合器を与える。各々の同軸伝送ラインの内側導体の入力端は関連する電力増幅器からの電力増幅器出力インピーダンスを受け取るように適合されている。各々の同軸伝送ラインの内側導体の出力端は、伝送ライン出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続されている。同軸伝送ラインの各々の外側導体は接地へ接続される。共通伝送ライン出力インピーダンスは負荷へ直接に接続するように適合されている。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明はレーザーシステムに関するものであり、特に、中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーのためのＲＦ個体電源に用いられるＲＦ電力結合器に関する。
【０００２】
発明の背景
幅（Ｗ)と長さ(Ｌ)を有する二つの矩形電極間の固定分離(Ｄ)のために、拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーの出力を電極の領域で線形に計ることは良く知られている。電極間の分離Ｄの最適の値は、ガス圧力、レーザーの波長、二本の電極間で放電を励起させるために用いられる電源のＲＦ周波数により主に定められる。代表的なガス圧力は約５０−１５０トルであり、代表的な波長は約９−１１ミクロンであり、代表的な周波数は約８―１００ＭＨｚである。これら圧力及びＲＦ周波数の範囲のために、電極分離Ｄは約０．０５−０．１３インチ（約０．１２５―０．３２５センチ）である。これらの圧力、周波数及び電極分離の範囲において、拡散冷却されたＣＯ２レーザーを最適に操作するために要求される放電へ印加されるＲＦ電圧は約２２５ボルトである。
【０００３】
良く知られた電圧、電流、電力の関係Ｉ＝Ｐ／Ｖから、図１に実線直線１０によって概略的に図示されるように、電極に印加される定電圧のための放電への電流は、放電へのＲＦ電力と共に線形に増加する。良く知られた電力、電圧、インピーダンスの関係Ｚ＝Ｖ２／Ｐから、図１に破線曲線１２によって図示されるように、放電のインピーダンスは、放電へのＲＦ電力が増大するにつれて、電力の逆数として減少する。
【０００４】
レーザーのパラメータに依存して、拡散冷却ＣＯ２レーザー出力の放電のための５０オー身のインピーダンスは、代表的には１００−１５０Ｗで生じる。レーザー効率を１０％とすると、このレーザー出力は放電へのＲＦ出力について約１０００−１５００Ｗで生じる。このＲＦ出力範囲よりも下では、放電インピーダンスは概ね５０オームよりも高く、この出力範囲よりも上では、放電インピーダンスは概ね５０オームよりも低い。従って、この二つの状況のために電力を放電へ効果的に結合するように、固体ＲＦ電力増幅器、電力結合器、及びインピーダンス整合ネットワークを設計するための試みは、異なったものとなる。
【０００５】
一般的に、ＦＭラジオ送信機の場合のように、固体ＲＦ電力結合器は、５０オーム以上の負荷を駆動するように設計されている。低インピーダンス負荷（即ち、＜＜５０オーム）を駆動する固体ＲＦ電力結合器は中間及び高出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーにむしろ特有である。
【０００６】
本発明は、低インピーダンス負荷を駆動するための（即ち、中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザー放電を駆動するための）ＲＦ固体電力結合器を与える。ここに開示される技術は、放電への電力が増大するにつれて、低インピーダンス・レベルから生じる固体ＲＦ電源の電力結合器部分における高電流を取り扱うためのコストの低減ももたらす。固体電力結合器において低インピーダンス出力を実現することは、コスト低減及びレーザー効率向上の目的で、中間乃至高出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザー放電の低インピーダンスを駆動するＲＦ電源における固体デバイスの効率的利用において重要である。レーザー出力が増大するにつれて、レーザー出力が最終的に到達するのは、真空管技術の使用が費用効果のよいレーザー製品を与えるために必要とされるところである。ここに開示された発明の技術が利用されるならば、ＲＦ電源のために固体から真空管技術への移行を必要とするレーザー出力レベルは１０００Ｗを越えると考えられている。
【０００７】
図２は、拡散冷却ＣＯ２ガスレーザーを駆動するために固体ＲＦ電源において使われる一般的な従来の試みを概略的に示す。一例として、図２の回路２０は、五つの出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）の各々に四つの３００Ｗトランジスタ（即ち、フィリップスＢＬＦ２７８Ａ）が用いられるならば、６ＫＷの出力のために構成されている。各々の出力増幅器２２を構成するのは、プッシュ／プル増幅器形態で配置された二つのトランジスタのセットである。二つのプッシュ／プル増幅器は、バイナリ電力結合器形態で、当技術分野で公知のように、出力増幅器を形成するように配置されている。控えめに回路損失を考慮に入れて、図２に示される試みは、指定されたトランジスタと五つの出力増幅器２２により、約５００Ｗ以上の平均出力を有するＣＯ２レーザーを駆動するのに充分である。単一より少ないデューティ・サイクル（Ｃｙ）における操作のパルスモードにおいて出力増幅器２２を駆動することは、Ｃｙで除した連続波長（ＣＷ）平均出力（Ｐ３）に等しいＲＦピーク出力（Ｐｐ）を与えることができる。このパルス化の場合には、レーザー放電（ＺＬ）のインピーダンスは、より高駆動になることに起因して、ＣＷの場合よりも低い。
【０００８】
図２に示される試みは、望ましい周波数（例えば、１００ＭＨｚ）を有するトランジスタ発振器２４により開始される。発振器２４の出力は、前置増幅器チェーン（ＰｒＡ）２６へ与えられ、当技術分野で公知のように、前置増幅器ＰｒＡの出力が五つの出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）を最大効率のための非線形操作で駆動するために充分に大きいものとなるようにした。出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）２２の各々への入力は、五つの出力増幅器２２の各々から約１２００Ｗの出力ＲＦ電力を得るために、等しい増幅及び等相ＲＦ信号を有することにより、６０００Ｗの全出力平均電力出力を与える。出力増幅器２２の各々の出力は、関連する方向カプラー（ＤＣ）２８へ与えられ、その設計も当業者には公知である。
方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８からの信号は、レーザー放電からの後方散乱出力（ＢＰ）のみならず、放電への順方向出力（ＦＰ）を測定するために用いられる。
【０００９】
図２の回路２０の方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８からの順方向電力信号ＦＰは、（存在するならば）操作上の問題（例えば、出力増幅器２２が等しい出力を出力する）を診断するために、個々の出力増幅器２２の出力性能を決定／監視するために用いられる。図２の回路２０における方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８の収集によって検出されたる後方散乱出力は、電源がレーザー放電（即ち、負荷）にどのくらい良く整合するかを監視するために用いられる。放電が点火してないとき、放電インピーダンスは非常に高く（即ち、放電中は電流が殆ど若しくは全く流れない）、出力の大部分は、大きなインピーダンス不適合のために発振器へ向かって後方へ反射される。後方散乱力（ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｐｏｗｅｒ（ＢＰ））が大きいとき、大きなＢＰ信号はそれを損傷から保護するために電源を切るのに用いられる。前置点火器は通常は放電（単純化のために図２には示さない）を点火して、それを点火しておき、相当な後方散乱力が生じないようにするのに用いられる。米国特許第５,４３４,８８１号（１９９５年７月１８日発行）は、ＣＯ２拡散冷却スラブレーザーにおける点火器アセンブリの例を開示する。
【００１０】
後方反射防止回路を実行する多数の手法があり、これは当業者にはよく知られている。従って、そのような回路は図２には示さない。放電が点火されるとき、インピーダンスは低く、計画的に、ＲＦ電源は点火放電インピーダンスに整合して、反射された力が低いか零になるようにされている。
【００１１】
図２に更に示すように、方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８の各々の出力は対応するインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ１−ＩＭＮ５）３０へ与えられ、これは出力増幅器２２の各々の入力インピーダンスを電力結合器（ＰＣ）３２のインピーダンスへ整合させるために用いられる。従来技術では、電力結合器３２の入力インピーダンスは通常は５０オームであるようにされる。インピーダンス整合ネットワーク２８によって出力増幅器２２、方向カプラー２８及び電力結合器３２の間でこのインピーダンス整合を達成するための当業者にはよく知られた多数の手段がある。この種の昇圧器へ用いられる一つの従来の試みが米国仮特許出願番号第６０/８１０,５３８号（２００６年６月２日出願，Ｗ．Ｓ．Ｒｏｂｏｔｈａｍ ＪＲＦｒｅｄｉｒｉｃｋ Ｗ．Ｈａｕｅｒ，Ｌｅｏｎ Ａ．Ｎｅｗｍａｎ）；出願番号第６０／８１０，５３８号に開示されており、これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００１２】
電力結合器３２と、図２の回路２０のレーザー放電３６の前段に置かれたインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４とは、数百ワット及びそれ以上の出力を有する拡散冷却ＣＯ２拡散冷却スラブレーザーを駆動するＲＦ個体電源の設計において最も困難なアイテムの一つである。というのは、高電流が電力結合器３２及び最終的インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４へ一緒に到来して離れるためである。市販用途のためには、電力結合器３２は、部品点数をコストの削減のために極力に少なくする必要がある。ＲＦ固体電源についての従来技術では、電源のコストはレーザー全体のコストの約半分に相当した。本発明は、このコスト比率を低減するための技術を提供する。
【００１３】
当業者にとっては、電力結合器（ＰＣ）と最終的なインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４を設計するために利用できる多数の試みが公知である（例えば、”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｃｈａｐｔｅｒ Ｓ； Ｓａｍｕａｌ Ｖ．Ｌｉａｏ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．ｐｐ１６１−１９２参照）。電力結合器（ＰＣ）のための一つの既知の試みは「Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ」電力結合器／デバイダを使うことである。（”Ａｎ Ｎ−Ｗａｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｖｉｄｅｒ”Ｅｒｎｅｓｔ Ｊ．Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ；ＩＲＥ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｊａｎｕａｒｙ １９６０，ｐｐ ３１１−３１３（及びｐｐ．１８３−１８４も参照），Ｌｉａｏ出版）他の公知の試みは、Ｌｉａｏ出版の１７４頁の図５−４−１に説明された”バイナリー”電力結合器／デバイダ構造体である。
【００１４】
本発明は、上述のＷｉｌｋｉｎｓｏｎ及びバイナリＰＣ設計に対する変更並びに従来技術に打ち勝つ中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーに関連した低インピーダンス負荷整合に対する効率的な低コスト電力結合器を実現する一つの全く新たな広帯域参照電力結合器設計に基づく二つの電力結合器を提供する。Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ及びバイナリ電力結合器の簡単な説明は本発明の利点の完全な評価のために以下に与えられている。これらの上述の試みは、１５０−２００ワットより低い出力を有する拡散冷却ＣＯ２レーザーの放電インピーダンスに対するＲＦ電源をインピーダンス整合させるのに現在用いられている試みである。これらの低出力レーザーは、高インピーダンス、例えば５０オーム周辺であり、上述した中間及び高出力ＣＯ２レーザーによって持つものよりも高いインピーダンスを有する。本発明は、１５０−２００百ワットより高い出力を有する拡散冷却スラブレーザーの放電を駆動する個体ＲＦ電力結合器のコストを低減し、従って５０オームよりも非常に低い入力インピーダンスを持たせる。本発明の概念は導波又はスラブレーザー形態の低出力ＣＯ２レーザーにも適用可能なことに留意することは重要である。
【００１５】
図３は当業者には公知の従来の４方向バイナリの電力結合器４０を概略的に示す。図３の例は、等しい振幅と位相を有して５０オーム負荷へＲＦ出力を搬送する四つの別々の出力増幅器源（ＰＡ１−ＰＡ４）４２からの５０オーム入力を有する。この例では、四つの出力増幅器４２が示されており、その各々は５０オーム入力を有し、その出力は上記で参照したトランジスタを用いる従来技術の試みにおける代表的なものである。この配置は１００ＭＨｚにおける５ＫＷの出力を与える。１００オーム抵抗４４は、何らかの不均衡出力を消散させるために、増幅器ＰＡ１と増幅器ＰＡ２との出力の間に、及び増幅器ＰＡ３と増幅器ＰＡ４との出力の間に接続されている。これらの抵抗４４は当業者には差分抵抗又は平衡抵抗として知られている。出力増幅器ＰＡ１／ＰＡ２と出力増幅器ＰＡ３／ＰＡ４との出力は１：１変圧器Ｔ１及びＴ２によりそれぞれ組み合わされている。変圧器Ｔ１及びＴ２は、それらの各々の出力においてインピーダンスを２５オームへ変換する。５０オーム差分抵抗４６は変圧器Ｔ１の出力と変圧器Ｔ２の出力との間で接続されており、１：１昇圧器Ｔ３における１２．５オーム出力インピーダンスを与える。標準的な慣行は、この１２．５オームを図３に示される５０オーム負荷ＺＬに整合させていた。このインピーダンス整合移行を達成するために一般的に用いられる一つの試みは、１２．５オームを５０オームへ変換して負荷（ＺＬ）４８に整合させるために１:２昇圧器Ｔ４を用いることである。これらの変圧器と抵抗は高出力デバイスであるので、高価な部品である。
【００１６】
図４は従来の４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ結合器５０を示し、この場合も代表的には５０オーム入出力を有する。この場合、四分の一波長同軸伝送ライン５２が用いられ、各々が電力結合器を与えるように５０オーム特性インピーダンスを有する。図４に示される同軸伝送ラインの代わりに、しばしばマイクロストリップ伝送線を使用することもできる。同軸伝送ライン５２の各々の外側コンダクタの端部は図示のように電気的接地へ取り付けられている。各々の抵抗５４の一端は、各々が５０オームの値を有し、図示のように四つの同軸伝送ラインの入力内側のコンダクタの一つへ接続されており、各々の抵抗の反対側端部が共通の電気的接続点へ接続されている。これらの抵抗５４は差分又は平衡抵抗である。四つの中央コンダクタの各々は、伝送ライン５２の各々の端部において、１２．５０オーム出力インピーダンスを生じる他の共通電気接続点へ接続されている。この従来技術の例では、通常は共通接続点を或る程度離間して位置している５０オーム負荷へ接続することが望ましい。これは代表的には、図４に示すように、２５オーム特性インピーダンスを有するλ／４長、又は１／４の複数倍の波長同軸ケーブルの使用により達成される。この１／４波長伝送ラインの使用は、この技術を図３の試みに比べて狭帯域にする。平衡抵抗はやはり高価な部品である。
【００１７】
図３及び図４に示す電力結合機器の変形例は、放電接続の前方にインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）を加えて、このＩＭＮｆ部品を調整して、図３又は図４の電力結合器からＩＭＮｆへ見いだされるインピーダンスが５０オームとなるようにすることにより、１０ワットと５００ワットを越える出力との間に出力を有する拡散冷却ＣＯ２レーザーを駆動でき、且つその駆動に用いられる。このような従来の電力結合器技術の使用は、レーザーヘッドのコストに概ね等しいＲＦ電源のコストをもたらす。本発明はＲＦ電源とレーザーヘッドとの間のこのコスト比を低減する。
【００１８】
例えば、図３の電力結合器における出力インピーダンス変圧器Ｔ４の省略は、相当なコスト低減をもたらすであろう。更に、変圧器Ｔ３の１２．５オーム出力の低出力インピーダンスは中間出力レーザーの放電の低入力インピーダンスにより密接に整合する。例えば、５００Ｗレーザーの放電インピーダンスは約６オームに近似する。このより密接するインピーダンスは、電力結合器の１２．５オーム出力を放電の６オームインピーダンスへ整合させるのに必要なＩＭＮｆのコストも低減させる。高出力ＲＦ変圧器は高価であり、付加的な出力損失を出力伝送回路にもたらすので、レーザーの壁プラグ効率を低減させる。
【００１９】
図４の電力結合器に示される高出力λ／４伝送ラインインピーダンス変圧器も同軸ラインの長さ及び径又はそれを適切に冷却する必要性に起因して同様に付加的な損失及びパッケージングの困難性を与える。電力結合器についての低出力インピーダンスにおける操作は低い回路Ｑをもたらし、これは結合器出力とレーザー放電との間のインピーダンス整合回路（ＩＭＮｆ）における減少された循環電流損失をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は概略的な電流及びインピーダンスの挙動を拡散冷却ＣＯ２レーザーへのＲＦ出力の関数として示すプロットである。
【図２】図２はＣＯ２拡散冷却レーザーを駆動するための固体ＲＦ電源を示す概略図である。
【図３】図３は従来のバイナリ４方向電力結合器を示す概略図である。
【図４】図４は従来の４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器を示す概略図である。
【図５】図５は本発明の実施例による４方向電力結合器を示す概略図である。
【図６】図６は本発明の実施例による４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器を示す概略図である。
【図７】図７は本発明によるＲＦ電力結合器の代替的な実施例を示す概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明による電力結合器のパッケージングを示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明による電力結合器のパッケージングを示す斜視図である。
【図９】図９は本発明によるＣＯ２レーザー放電を駆動する電力結合器を用いるＲＦ電源を示すブロック図である。
【図１０】図１０は本発明による電力結合器の動作のコンピュータシミュレーション・データを与える図である。
【図１１】図１１は同軸ケーブル長の関数として図１０と同様な状況の下で位相角における変化を示すコンピュータシミュレーション・データを与える図である。
【詳細な説明】
【００２１】
図５は、低放電インピーダンスを駆動するためにコスト効果的に用いることができる本発明の概念による修正された４方向バイナリ電力結合器６０を示す。図５に示される４方向実施例は、例示としてのみ与えられるのであって、本発明を制限するものとして斟酌すべきではない。当業者は、他の複数の方向のバイナリ電力結合器が本発明の要旨及び目的の範疇にあることを理解するであろう。
【００２２】
図３の電力結合器４０を本発明の図５の電力結合器６０と比較すると、図３の回路から変圧器Ｔ４を除去して、図５の回路６０を得ていることが示される。即ち、図５に示すように、また図３の回路４０のように、電力結合器６０は四つの別個の電力増幅源（ＰＡ１−ＰＡ２）６２（これらは等しい増幅及び位相を有し、ＲＦ出力を５０オーム負荷へ伝送する）から５０オーム入力を受ける。１００オーム抵抗６４が、出力増幅器ＰＡ１と出力増幅器ＰＡ２との出力の間に、また出力増幅器ＰＡ３と出力増幅器ＰＡ４との間に接続されている。
出力増幅器ＰＡ１／ＰＡ２及び出力増幅器ＰＡ３／ＰＡ４の出力は、それぞれ１：１比変圧器Ｔ１及びＴ２により結合される。変圧器Ｔ１及びＴ２は、それぞれの出力においてインピーダンスを２５オームに変換する。５０オーム差分抵抗６６が変圧器Ｔ１の出力と変圧器Ｔ２の出力との間に接続されており、これにより変圧器Ｔ３の出力において１２.５オームの出力インピーダンスを提供する。これはインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）６８へ直接に供給される１２.５オームの出力インピーダンスを有する電力結合器６０を与える。インピーダンス整合ネットワークＩＭＮｆは二つのコンデンサと誘導子のＰｉ（Π）ネットワーク、又は当業者には公知の他のインピーダンス整合ネットワークからなるようにすることができる。１２．５オームと６．０オームとの間の整合を達成するために少量のインピーダンス調整を必要とするのみなので、ＩＭＮｆは効率的である。電力結合器６０の出力をＩＭＮｆに接続している伝送線がないので、変圧器Ｔ３の出力とＩＭＮｆとの間、及びＩＭＮｆとレーザー電極との間の接続を短距離でなす必要があることに留意されたい。この短距離接続は如何にして達成できるかの詳細は図８に関連して以下に示す。この修正されたバイナリ電力結合器の設計は、図３に示す従来の設計に勝る少ない部品数及び低コストの利点を有する。
【００２３】
図６は本発明の概念による修正された４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器７０を示し、これは低インピーダンス放電を駆動するのに適する５０オーム入力及び１２．５オーム出力を有する。図６の設計７０を図４の従来の設計５０を比べると、電力結合器を負荷へ接続する同軸伝送ライン変圧器が省かれていることが示される。このことは、図６の電力結合器７０に１２．５オーム出力インピーダンス及び部品数／コスト削減の優位性を与える。
【００２４】
図６に示すように、また図４の回路５０の場合のように、四つの４分の１波長同軸伝送ライン７２が用いられており、その各々は、電力結合を与えるために５０オーム特性インピーダンスを有する。同軸伝送ライン７２の各々の外側コンダクタの端部は、電気的接地へ取り付けられている。四つの５０オーム抵抗７４の各々の一端は、四つの同軸伝送ライン７２の入力内側コンダクタの一つに接続しており、その各々の抵抗７４の他端は、共通の電気的接続点へ接続されている。同軸伝送ライン７２の端部において四つの中央コンダクタの各々は、１２．５オーム出力インピーダンスを与える共通の電気的接続点へ接続されている。電力結合器７０の１２．５オーム出力は、図５の設計と同様な方式で、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）７６へ直接に供給され、次いでレーザー放電へ供給される。電力結合器７０の出力とＩＭＮｆとの間、及びＩＭＮｆとレーザー電極との間の短距離接続も図８に示すように作成することができる。４分の１波長伝送ライン７２は、図６の電力結合器を与え、これは図５に示す電力結合器によって利用可能なものよりも非常に狭い帯域を有する。この試みは図５の電力結合器よりもコストが低い。
【００２５】
図７は低インピーダンス拡散冷却スラブレーザー放電を駆動する好ましい電力結合器８０を示す。図７の設計８０を図５及び図６のＰＣ方式と比べると、この試みがより単純であり、部品数が少ないので、低コストであることが示される。これは、一つの４分の１波長伝送ラインを必要としないので、これも図６の設計よりも広い帯域幅を有する。従って図７の電力結合器８０は、単にレーザー放電を駆動するよりも広い適用性を持たねばならない。そのような試みはアンテナを駆動する交信トランスミッタになすことができる。
【００２６】
図７に示される電力結合器８０を用いるＲＦ電源は、図３又は図４に示されるＰＣを用いる電源よりもコストが約４０％少ないと見積もられる。この非従来型の低コスト広帯域４方向電力結合器は、ＣＯ２レーザー電源に用いられている個体ＲＦ増幅器と共に使用するために独特に適用できる。この新たな電力結合器は超パルス４００ワットレーザーを駆動するパルス型ＲＦ電源に用いることができる。これは、連続波長（ＣＷ）又はパルス型ＣＯ２レーザーを駆動するのに用いることができる。
【００２７】
この非従来型の電力結合の試みは、製造コストが非常に低いが、図５及び図６の電力結合器よりも個々の増幅器負荷インピーダンスの制御が少ない。試験によって、５方向電力結合器における個々の増幅器負荷インピーダンスの制御が低インピーダンス放電を駆動するのに充分であることが判明している。放電はＮが５．０に等しく優良な結果を有するところで駆動された。入力を意図的に不均衡にさせたときの図７の電力結合器８０の挙動のコンピュータシミュレーションは、調整がより効率的であることを示した。五つの増幅器のうちの一つの増幅器が意図的に部分的な故障を被るようにされているときに、隣接する増幅器の故障は６０００ワットの試作品では起こらないことが実験的に判明している。
【００２８】
図７の電力結合器８０に電力増幅器（ＰＡ１−ＰＡ５）８２を持たせて、それらの出力と出力インピーダンスとを代表的には１０％以内で整合させて、隣接する電力増幅器に強いられる付加的な散逸及び波形歪を最小化させることは賢明である。インピーダンス整合は最適操作のために通常は全ての電力結合器について実行されるので、これは図７の設計に異例な負担をかけるものではない。
【００２９】
図７に示される５方向電力結合器８２について、図示のように正しく終了されている合計ノード８４によれば、コンピュータシミュレーションは、一つの電力増幅器８２の５０％出力削減が、他の四つの残りの出力増幅器８２に１：３：１内の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）で見られる効果的な負荷インピーダンスがもたらされることを示した。これは良く許容できるものであり、高ピークパワートランジスタの低い内部損失によって取り扱える能力がある。
【００３０】
実験は、一つの電力増幅器８２を構成する四つのトランジスタのうちの一つの完全な故障は、損傷した電力増幅器内の他の三つのトランジスタの各々が出力パワーについて良く整合する限りは、四つの残りの電力増幅器８２に２：１内の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）で見られる効果的な負荷インピーダンスがもたらされることを示した。
【００３１】
図７に示すように、代表的な実施形態は、全ての電力結合器入力についてＺｏ＝５０オームの伝送ライン８６を使用し、全ての伝送ライン８６は同じ長さを有する。合計ノードインピーダンスは従ってＺｏ／Ｎである。Ｎ＝５については、合計ノードインピーダンスは図７に示すように１０オームである。この好ましい電力結合器の試みは、不均衡な増幅器出力を解消するために差分（即ち平衡させる）抵抗を必要としない。五つの伝送ライン８６の長さは重要ではないが、上述のように、それらは組み合わせノードにおいて等位相シフトを保つように全て同じ長さにせねばならない。かくして図７の電力結合器８０は、図５及び図６の修正された通常の電力結合設計よりも、コスト及び複雑さを相当に低減して実施することができる。
【００３２】
図５及び図６に関して上述したように、この好ましいＰＣ実施形態で自然に得られる低出力インピーダンスは、ＩＭＮｆＲＦ入力インピーダンスをＣＯ２レーザー放電とＰＣ出力インピーダンスとの両方に整合させることを容易にする。
【００３３】
コスト及びレーザー効率の観点からは、ＲＦ電源をレーザー管ハウジングへ直接に取り付けておくことが望ましい。このような装着はレーザーをロボットアームへ直接に装着するために特に望ましい。というのは、度重なる屈曲の下では破断し易いＲＦセミフレキシブルパワーケーブルを省略できるためである。ＲＦ電源をレーザー管ハウジングへ直接に装着することは、図５、図６，及び図７のＰＣ実施例について、電源出力とレーザー放電接続との間の距離が短いことを必要とする（即ち図６及び図７のＰＣの共通ノードの電気的接続点の間の出力と、電極、光学的共振器のミラー、及びＣＯ２：Ｎ２：Ｈｅガス混合体を包含するレーザー包囲体内の電極へのＲＦ接続との間）。電源をレーザー管に装着することの更なる利点は、レーザー管とＲＦ電源との双方の液体冷却がより少ないコストでより容易に促進されて実行されることである。ＰＣ出力とレーザー電極との間のこの短いＲＦ接続を実現するための多数の手段がある。
【００３４】
図８Ａは、ガス混合体、誘導子、電極及び光学的共振器を包含するレーザー管へＲＦ電源を装着する一つの好ましいパッケージング配置の外観を概略的に示す。図８Ｂは、図５，図６，又は図７の電力結合器の何れかを組み込むＲＦ電源パッケージのより詳細を示す。
これは、５００Ｗレーザーのために好ましい一般的なパッケージングの試みである。図８Ａに示すように、電源は、冷却板の片側に搭載された三つのＰＣＢ、発振器／駆動回路のための他のＰＣＢの反対側に沿う二つのＰＣＢを有する５枚の出力増幅器印刷回路基板（ＰＣＢ）を用いる。この６枚目の基板は、図９に示される電力制御及び保護回路サブシステムを包含することもできる。各々の出力増幅器ＰＡ基板は、上述のように、指向性カプラーＤＣ及びＩＭＮのみならず、四つのパワートランジスタを有する。
【００３５】
上述の発明の実施例において、λ／４テフロン５０オーム同軸ケーブルの長さは約２０インチ（即ち５１ｃｍ）であり、；ＣＯ２レーザー管の長さは３０ｃｍ長である。従って、同軸ケーブルの長さは、各々の印刷回路基板から全ての５０オームケーブルの端部を図８Ｂに示されるＩＭＮｆボックス内のインピーダンスネットワークへ接続するための共通ノード点へ持っていくのに充分である。使用された好ましいＩＭＮｆ回路は、Ｐｉ（Π）構成における二つのキャパシタ／一つの誘導子ネットワークである。他のネットワーク構成、例えばＬ構成における一つの誘導子／一つのキャパシタネットワークも使用できる。インピーダンス同調調整は、主にキャパシタのボリュームを調節することによってなされる。ＩＭＮｆの出力は、レーザー管ハウジング内の最も近い金属レーザー電極に接続されている。距離「Ｄ」で離間されている二本の平行な金属レーザー電極の幅寸法は、レーザー管ハウジング内に垂直に置かれている。平行電極の長さはレーザー管ハウジングの長さに沿って置かれている。反対側のレーザー電極は、電気的接地としての役割を果たすレーザー管ハウジングの金属ハウジングへ接続されている。ＲＦ放電を包含するレーザー管の電気接地は、逸れたＲＦ輻射がレーザー管の外側へ逃げることを防ぐ。
【００３６】
本発明の図７の実施例は、最も低コストであるが、図５及び図６の試みより平衡保護がより少なく、帯域幅が最も広い。この広い帯域幅特徴は、相当な帯域幅を必要とする用途、例えばアンテナを駆動する交信送信機用途のために注目すべきものである。最適の放電点火ＲＦ周波数は、一旦放電が点火されたならば、放電を効率的に操作するために要求される最適ＲＦ周波数とは異なることはよく知られている。図７の電力結合器の大きな帯域幅特性は、この異なる周波数特性を取り扱うために魅力的なものとなる。
【００３７】
図６の実施例を実施するには図７の実施例よりコストが高くなるが、より良好な平衡保護が提供される。その狭細な帯域幅特性は、最適な点火とＣＷ操作周波数との差異を取り扱うその能力において不利なものとなる。幸いにも、余分な平衡保護は、レーザー放電駆動用途では必要とされない。データは、図７に示される試みが、低インピーダンスＣＯ２レーザー放電駆動の意図された用途のための充分な平衡保護よりも多くのものを提供することを示する。
【００３８】
図５（即ち、修正されたバイナリＰＣ）の実施例は、数百乃至１キロワットの媒体出力範囲における拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーを駆動するために実行するのに最も高価なものである。増大した費用は、その多くが変圧器に関係している。
【００３９】
図９は、図７に示される低コストな広帯域幅５方向電力結合器８０を用いるＲＦ電源のより完全な図を示す。図９に示すように、固定又は可変の周波数発振器９０は、（図２にも示されるように）レーザー放電を駆動するためにＲＦ周波数を設定するために用いられる。
発振器信号は、一連の駆動増幅器９２へ与えられて、五つのＲＦ電力増幅器９４を駆動するのに充分なレベルへ電力を増大させる。一連の駆動増幅器の出力は、５方向スプリッタ９６により、全てが同位相を有する五つの等価な増幅信号へ分割される。このスプリッタ９６を実装する当業者には良く知られた多数の方式があるので、単純化のためにスプリッタ９６の詳細は与えない。スプリッタ９６からの五つの信号は、対応する個々のＲＦ電力増幅器９４へ供給される。ＲＦ電力増幅器出力の各々は、対応する個別の５０オーム同軸ケーブル９８へ提供される。全５本のケーブル９８は任意の長さを持つが、これらは全て同じ長さにせねばならない。５本のケーブル９８の出力は、一つの共通点１００に接続している。電力産業で使われる用語に従い、この共通電気接続点１００を「ワイヤー−ナッツ」と称する。この共通ＲＦ接続点１００は、５枚の電力増幅器基板からインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）まで五本のケーブルから結合ＲＦ電力を持ってくるために、図８Ｂにも概略的に示されている。単純化のために、五本のケーブルは図８Ｂには図示していない。ＩＭＮｆは図９には図示していない。ＲＦ電力センサ１０２は、当技術分野で公知のように、共通ノード接続点１００における電力を監視して、その情報を電力制御及び保護回路サブシステム１０４へ与えるのに用いることができ、その電力制御及び保護回路サブシステム１０４も図８Ａ／図８Ｂの六枚の印刷回路基板のうちの一枚に搭載されている。レーザー管からの出力パワーは検出器で監視され、これも当技術分野では周知である。電力制御及び保護回路サブシステム１０４は、発振器９０から、駆動増幅器９２の出力から、方向カプラー（図２に示される）によるＲＦ電力増幅器９４の各々から、及び、ｄｃ電力を上述のモジュールの各々へ与えるdc電源１０６から信号を受け取ることもできる。
これは、詳細不明の変化がレーザーの出力パワー又はＲＦ電源の出力パワーで生じた際に、電力制御及び保護回路サブシステム１０４が較正信号を監視してモジュールへ与えることを可能にする。
【００４０】
上述のように、図９はＣＯ２レーザーＲＦ電力供給システムの好ましい実施形態における図７の電力結合器を示す。ＲＦ増幅器の一つ以上で故障が生じる際に、レーザー放電から起きるＲＦ電力の大きな後方反射のために、保護回路を電力レーザーシステムの停止のために用いてもよいことは当業者には良く知られている。一定レーザー出力パワーを維持して、電力ライン変動又は図９により要約されたシステムを有するＲＦ部品の劣化を補償するために電力制御を用いてもよいことも当業者には良く知られている。
【００４１】
図７の電力結合器の入力インピーダンスは、入力ポートの間で起こり得る電力の差異により影響を受けることが理解される。入力インピーダンスは、伝送ライン長によっても影響される。というのは、この差異（非平衡電力）は出力ノードから位相シフトして、入力において現われるようにするためにラインの付加的な長さを通じて戻るためである。ラインの長さは、位相又は大きさの変化を最小にするか、どちらも最大の変化に達しない操作点を設定するように選択してもよい。
【００４２】
伝送ライン長の関数としてのこのような変動を図１０及び図１１に示す。図１０及び図１１は、図７の５方向電力結合器のコンピュータシミュレーションの結果を示す。プロットは、１００ＭＨｚにおける結合操作であって、１ＫＷにおける四本の伝送ラインの各々への四つの入力を有し、且つ五本の伝送ラインへの６５０Ｗにおける１入力を有する結合操作からのデータを示す。図１０は、ライン長（メートルで）が変化すると電源増幅器負荷インピーダンスの大きさの変動を示す。ポート１−４についてのインピーダンスにおけるピークの大きさの変動に対する合計ピーク（即ち、実線曲線）は、ポート５についての３８オーム（即ち、点線曲線）と比べると７オームである。この例においては、ポート５は、ポート１−４（即ち各々が１ＫＷ）よりも非常に低いパワー（即ち６５０Ｗ）で駆動されて、非平衡は、各ポートが被る有効インピーダンスを変化させる。第５のポートで３５％のパワー低減が生じるときに四つのポートが被る入力インピーダンスので、図７の電力結合器は損失を伴わずにこのような非平衡に良く耐えることを意味する。
【００４３】
図１１は図１０についてと同じ周囲環境の下に、ポートが被る位相角度の変化を示す。このプロットにおいて、（＋）及び（−）１８０度は同じ位相角度である。ポート１−４についての合計ピーク対ピ−ク位相変化は、ポート５についての２４度（明るい線の曲線）に比べて８度（暗い線の曲線）である。図１１により図示された解析は、最小位相差は、１／４波長（１００ＭＨｚにおいて０．４９メートル）及び３／４波長（１００ＭＨｚにおいて約１．５メートル伝送ライン長）で起こることを示している。最大位相差は１／２波長である。再び、四つのポートで被るこのような小さな位相差は、第５のポートで出力パワーにおける３５％低減が生じるとき、図７の電力結合器が損失を伴うことなくこのような非平衡に耐えることを示す。
【００４４】
図１０及び図１１についての同様な結果は、ポート１が１２００Ｗにて２４５ボルトを出力し、ポート２，４，及び５が１１００Ｗにて２３４ボルトを出力し、ポート３が１０００Ｗ出力にて２２３ボルトを出力する。伝送ライン長の関数としての入力電圧及び電流変動が解析される。この分析は、電力増幅器により発せられた規定の条件下で解析された位相、インピーダンス、電圧及び電流はここでも容認できるものであることを示している。
【００４５】
その出力を結合させる電力増幅器は、更なる故障を引き起こすことなく、インピーダンスの変動を許容できるように設計せねばならない。１００％よりも低い負荷サイクルにおけるパルスモードでＣＯ２レーザーを駆動するのに用いられるＲＦ電源は、一般にこの程度のロバスト性を有する。
【００４６】
上述したコンピュータシミュレーションは、図７の電力結合器が、例えば図８及び図９に示されるように、５０オームよりも非常に低いインピーダンスを有する中間出力パワー（即ち数百乃至１０００Ｗ）拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーを駆動するＲＦ電源に用いることができる電力増幅器出力の間の非平衡を容認するのに充分に頑強である。図５及び図６に示される電力結合器は優れた非平衡保護を有しているが、そのような保護は図７の実施例のそれよりも高いコストをもたらす。
【００４７】
図７の電力結合器は−６４ｄＢのトランジスタ増幅器の間のアイソレーションを有し、図６の修正されたウィルキンソン電力結合器はその中心の周波数の−２０ｄＢ周辺である。この中心周波数は１／４波長伝送ラインの長さにより決定される。トランジスタの間のアイソレーションは中心周波数の両側で迅速に低下する。図７の電力結合器は１／４波長ラインを必要としないので、中心周波数はなく、トランジスタの間のアイソレーションは広い帯域幅に亘って一定にとどまる。トランジスタの間の−６ｄＢアイソレーションは、図６のウィルキンソン結合器の−２０ｄＢに比べて小さい。パルスレーザー放電用途の場合、ＲＦ電力が所定の低レベルへ落ちるならば、レーザーの作動を停止して、保守をする必要がある。この低レベルはガス圧、前置電離化装置の性能、電極の間の分離、操作温度、ガス混合体における変化等により決定する。一旦にこの低レベルに達するならば、放電を再点火することは困難になるので、他に選択肢はないが、レーザー電源を修理する。図１０及び図１１に示される解析は、要求されるレーザー放電を駆動する要請を満足する図７の結合器における充分に穏やかな劣化があることを示す。
【００４８】
図５、図６及び図７に示される発明は５０オーム未満の入力のインピーダンスに限定されるものではないことに再度留意することは重要である。電力増幅器は多くの有益な出力インピーダンスで生産することができ、同軸ケーブル及び変圧器について電力増幅器インピーダンスを整合させる様々な異なるインピーダンスがある。ＰＣサブシステムは、修正されたバイナリ（図５）及びウィルキンソン（図６）結合器のみならず、図７の結合器の利点を採り、数オーム乃至数百オームのインピーダンス、即ちキロワット乃至数十ワット範囲における出力パワーを有するＣＯ２レーザーを丁寧に取り扱う。このインピーダンス範囲は多数の手段により適合でき、これは例えば、ポートの数の変更、伝送ラインの特性インピーダンスの変更、昇圧器／降圧比の変更その他である。（図６及び図７についての）同軸ケーブル・インピーダンス及び（図５についての）昇圧比の有効性は、結合器を使用できるインピーダンス範囲限界を設定する。図７の結合器の一般原理は、数ヘルツから短波限界（即ちＧＨｚ）へ上げるように操作するシステムに使用することができる。次に広い帯域結合器は図５の実施例である。最も狭い帯域結合器は図６の実施例である。
上記に特定された実施例の幾多の変形例が上述の説明を考慮すれば当業者には自明であることを認識されたい。従って本発明は本明細書に図示及び説明された本発明の特定の実施例及び方法によって限定されるものではない。むしろ、本発明の目的は以下の請求項及びそれらの均等物によって規定される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明はレーザーシステムに関するものであり、特に、中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーのためのＲＦ個体電源に用いられるＲＦ電力結合器に関する。
【０００２】
発明の背景
幅（Ｗ)と長さ(Ｌ)を有する二つの矩形電極間の固定分離(Ｄ)のために、拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーの出力を電極の領域で線形に計ることは良く知られている。電極間の分離Ｄの最適の値は、ガス圧力、レーザーの波長、二本の電極間で放電を励起させるために用いられる電源のＲＦ周波数により主に定められる。代表的なガス圧力は約５０−１５０トルであり、代表的な波長は約９−１１ミクロンであり、代表的な周波数は約８―１００ＭＨｚである。これら圧力及びＲＦ周波数の範囲のために、電極分離Ｄは約０．０５−０．１３インチ（約０．１２５―０．３２５センチ）である。これらの圧力、周波数及び電極分離の範囲において、拡散冷却されたＣＯ２レーザーを最適に操作するために要求される放電へ印加されるＲＦ電圧は約２２５ボルトである。
【０００３】
良く知られた電圧、電流、電力の関係Ｉ＝Ｐ／Ｖから、図１に実線直線１０によって概略的に図示されるように、電極に印加される定電圧のための放電への電流は、放電へのＲＦ電力と共に線形に増加する。良く知られた電力、電圧、インピーダンスの関係Ｚ＝Ｖ２／Ｐから、図１に破線曲線１２によって図示されるように、放電のインピーダンスは、放電へのＲＦ電力が増大するにつれて、電力の逆数として減少する。
【０００４】
レーザーのパラメータに依存して、拡散冷却ＣＯ２レーザー出力の放電のための５０オー身のインピーダンスは、代表的には１００−１５０Ｗで生じる。レーザー効率を１０％とすると、このレーザー出力は放電へのＲＦ出力について約１０００−１５００Ｗで生じる。このＲＦ出力範囲よりも下では、放電インピーダンスは概ね５０オームよりも高く、この出力範囲よりも上では、放電インピーダンスは概ね５０オームよりも低い。従って、この二つの状況のために電力を放電へ効果的に結合するように、固体ＲＦ電力増幅器、電力結合器、及びインピーダンス整合ネットワークを設計するための試みは、異なったものとなる。
【０００５】
一般的に、ＦＭラジオ送信機の場合のように、固体ＲＦ電力結合器は、５０オーム以上の負荷を駆動するように設計されている。低インピーダンス負荷（即ち、＜＜５０オーム）を駆動する固体ＲＦ電力結合器は中間及び高出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーにむしろ特有である。
【０００６】
本発明は、低インピーダンス負荷を駆動するための（即ち、中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザー放電を駆動するための）ＲＦ固体電力結合器を与える。ここに開示される技術は、放電への電力が増大するにつれて、低インピーダンス・レベルから生じる固体ＲＦ電源の電力結合器部分における高電流を取り扱うためのコストの低減ももたらす。固体電力結合器において低インピーダンス出力を実現することは、コスト低減及びレーザー効率向上の目的で、中間乃至高出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザー放電の低インピーダンスを駆動するＲＦ電源における固体デバイスの効率的利用において重要である。レーザー出力が増大するにつれて、レーザー出力が最終的に到達するのは、真空管技術の使用が費用効果のよいレーザー製品を与えるために必要とされるところである。ここに開示された発明の技術が利用されるならば、ＲＦ電源のために固体から真空管技術への移行を必要とするレーザー出力レベルは１０００Ｗを越えると考えられている。
【０００７】
図２は、拡散冷却ＣＯ２ガスレーザーを駆動するために固体ＲＦ電源において使われる一般的な従来の試みを概略的に示す。一例として、図２の回路２０は、五つの出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）の各々に四つの３００Ｗトランジスタ（即ち、フィリップスＢＬＦ２７８Ａ）が用いられるならば、６ＫＷの出力のために構成されている。各々の出力増幅器２２を構成するのは、プッシュ／プル増幅器形態で配置された二つのトランジスタのセットである。二つのプッシュ／プル増幅器は、バイナリ電力結合器形態で、当技術分野で公知のように、出力増幅器を形成するように配置されている。控えめに回路損失を考慮に入れて、図２に示される試みは、指定されたトランジスタと五つの出力増幅器２２により、約５００Ｗ以上の平均出力を有するＣＯ２レーザーを駆動するのに充分である。単一より少ないデューティ・サイクル（Ｃｙ）における操作のパルスモードにおいて出力増幅器２２を駆動することは、Ｃｙで除した連続波長（ＣＷ）平均出力（Ｐ３）に等しいＲＦピーク出力（Ｐｐ）を与えることができる。このパルス化の場合には、レーザー放電（ＺＬ）のインピーダンスは、より高駆動になることに起因して、ＣＷの場合よりも低い。
【０００８】
図２に示される試みは、望ましい周波数（例えば、１００ＭＨｚ）を有するトランジスタ発振器２４により開始される。発振器２４の出力は、前置増幅器チェーン（ＰｒＡ）２６へ与えられ、当技術分野で公知のように、前置増幅器ＰｒＡの出力が五つの出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）を最大効率のための非線形操作で駆動するために充分に大きいものとなるようにした。出力増幅器（ＰＡ１―ＰＡ５）２２の各々への入力は、五つの出力増幅器２２の各々から約１２００Ｗの出力ＲＦ電力を得るために、等しい増幅及び等相ＲＦ信号を有することにより、６０００Ｗの全出力平均電力出力を与える。出力増幅器２２の各々の出力は、関連する方向カプラー（ＤＣ）２８へ与えられ、その設計も当業者には公知である。
方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８からの信号は、レーザー放電からの後方散乱出力（ＢＰ）のみならず、放電への順方向出力（ＦＰ）を測定するために用いられる。
【０００９】
図２の回路２０の方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８からの順方向電力信号ＦＰは、（存在するならば）操作上の問題（例えば、出力増幅器２２が等しい出力を出力する）を診断するために、個々の出力増幅器２２の出力性能を決定／監視するために用いられる。図２の回路２０における方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８の収集によって検出されたる後方散乱出力は、電源がレーザー放電（即ち、負荷）にどのくらい良く整合するかを監視するために用いられる。放電が点火してないとき、放電インピーダンスは非常に高く（即ち、放電中は電流が殆ど若しくは全く流れない）、出力の大部分は、大きなインピーダンス不適合のために発振器へ向かって後方へ反射される。後方散乱力（ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｐｏｗｅｒ（ＢＰ））が大きいとき、大きなＢＰ信号はそれを損傷から保護するために電源を切るのに用いられる。前置点火器は通常は放電（単純化のために図２には示さない）を点火して、それを点火しておき、相当な後方散乱力が生じないようにするのに用いられる。米国特許第５,４３４,８８１号（１９９５年７月１８日発行）は、ＣＯ２拡散冷却スラブレーザーにおける点火器アセンブリの例を開示する。
【００１０】
後方反射防止回路を実行する多数の手法があり、これは当業者にはよく知られている。従って、そのような回路は図２には示さない。放電が点火されるとき、インピーダンスは低く、計画的に、ＲＦ電源は点火放電インピーダンスに整合して、反射された力が低いか零になるようにされている。
【００１１】
図２に更に示すように、方向カプラー（ＤＣ１−ＤＣ５）２８の各々の出力は対応するインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ１−ＩＭＮ５）３０へ与えられ、これは出力増幅器２２の各々の入力インピーダンスを電力結合器（ＰＣ）３２のインピーダンスへ整合させるために用いられる。従来技術では、電力結合器３２の入力インピーダンスは通常は５０オームであるようにされる。インピーダンス整合ネットワーク２８によって出力増幅器２２、方向カプラー２８及び電力結合器３２の間でこのインピーダンス整合を達成するための当業者にはよく知られた多数の手段がある。この種の昇圧器へ用いられる一つの従来の試みが米国仮特許出願番号第６０/８１０,５３８号（２００６年６月２日出願，Ｗ．Ｓ．Ｒｏｂｏｔｈａｍ ＪＲＦｒｅｄｉｒｉｃｋ Ｗ．Ｈａｕｅｒ，Ｌｅｏｎ Ａ．Ｎｅｗｍａｎ）；出願番号第６０／８１０，５３８号に開示されており、これは参照により本明細書に組み込まれている。
【００１２】
電力結合器３２と、図２の回路２０のレーザー放電３６の前段に置かれたインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４とは、数百ワット及びそれ以上の出力を有する拡散冷却ＣＯ２拡散冷却スラブレーザーを駆動するＲＦ個体電源の設計において最も困難なアイテムの一つである。というのは、高電流が電力結合器３２及び最終的インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４へ一緒に到来して離れるためである。市販用途のためには、電力結合器３２は、部品点数をコストの削減のために極力に少なくする必要がある。ＲＦ固体電源についての従来技術では、電源のコストはレーザー全体のコストの約半分に相当した。本発明は、このコスト比率を低減するための技術を提供する。
【００１３】
当業者にとっては、電力結合器（ＰＣ）と最終的なインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）３４を設計するために利用できる多数の試みが公知である（例えば、”Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ，Ｃｈａｐｔｅｒ Ｓ； Ｓａｍｕａｌ Ｖ．Ｌｉａｏ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ， Ｉｎｃ．ｐｐ１６１−１９２参照）。電力結合器（ＰＣ）のための一つの既知の試みは「Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ」電力結合器／デバイダを使うことである。（”Ａｎ Ｎ−Ｗａｙ Ｈｙｂｒｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｖｉｄｅｒ”Ｅｒｎｅｓｔ Ｊ．Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ；ＩＲＥ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｊａｎｕａｒｙ １９６０，ｐｐ ３１１−３１３（及びｐｐ．１８３−１８４も参照），Ｌｉａｏ出版）他の公知の試みは、Ｌｉａｏ出版の１７４頁の図５−４−１に説明された”バイナリー”電力結合器／デバイダ構造体である。
【００１４】
本発明は、上述のＷｉｌｋｉｎｓｏｎ及びバイナリＰＣ設計に対する変更並びに従来技術に打ち勝つ中間出力拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーに関連した低インピーダンス負荷整合に対する効率的な低コスト電力結合器を実現する一つの全く新たな広帯域参照電力結合器設計に基づく二つの電力結合器を提供する。Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ及びバイナリ電力結合器の簡単な説明は本発明の利点の完全な評価のために以下に与えられている。これらの上述の試みは、１５０−２００ワットより低い出力を有する拡散冷却ＣＯ２レーザーの放電インピーダンスに対するＲＦ電源をインピーダンス整合させるのに現在用いられている試みである。これらの低出力レーザーは、高インピーダンス、例えば５０オーム周辺であり、上述した中間及び高出力ＣＯ２レーザーによって持つものよりも高いインピーダンスを有する。本発明は、１５０−２００百ワットより高い出力を有する拡散冷却スラブレーザーの放電を駆動する個体ＲＦ電力結合器のコストを低減し、従って５０オームよりも非常に低い入力インピーダンスを持たせる。本発明の概念は導波又はスラブレーザー形態の低出力ＣＯ２レーザーにも適用可能なことに留意することは重要である。
【００１５】
図３は当業者には公知の従来の４方向バイナリの電力結合器４０を概略的に示す。図３の例は、等しい振幅と位相を有して５０オーム負荷へＲＦ出力を搬送する四つの別々の出力増幅器源（ＰＡ１−ＰＡ４）４２からの５０オーム入力を有する。この例では、四つの出力増幅器４２が示されており、その各々は５０オーム入力を有し、その出力は上記で参照したトランジスタを用いる従来技術の試みにおける代表的なものである。この配置は１００ＭＨｚにおける５ＫＷの出力を与える。１００オーム抵抗４４は、何らかの不均衡出力を消散させるために、増幅器ＰＡ１と増幅器ＰＡ２との出力の間に、及び増幅器ＰＡ３と増幅器ＰＡ４との出力の間に接続されている。これらの抵抗４４は当業者には差分抵抗又は平衡抵抗として知られている。出力増幅器ＰＡ１／ＰＡ２と出力増幅器ＰＡ３／ＰＡ４との出力は１：１変圧器Ｔ１及びＴ２によりそれぞれ組み合わされている。変圧器Ｔ１及びＴ２は、それらの各々の出力においてインピーダンスを２５オームへ変換する。５０オーム差分抵抗４６は変圧器Ｔ１の出力と変圧器Ｔ２の出力との間で接続されており、１：１昇圧器Ｔ３における１２．５オーム出力インピーダンスを与える。標準的な慣行は、この１２．５オームを図３に示される５０オーム負荷ＺＬに整合させていた。このインピーダンス整合移行を達成するために一般的に用いられる一つの試みは、１２．５オームを５０オームへ変換して負荷（ＺＬ）４８に整合させるために１:２昇圧器Ｔ４を用いることである。これらの変圧器と抵抗は高出力デバイスであるので、高価な部品である。
【００１６】
図４は従来の４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ結合器５０を示し、この場合も代表的には５０オーム入出力を有する。この場合、四分の一波長同軸伝送ライン５２が用いられ、各々が電力結合器を与えるように５０オーム特性インピーダンスを有する。図４に示される同軸伝送ラインの代わりに、しばしばマイクロストリップ伝送線を使用することもできる。同軸伝送ライン５２の各々の外側コンダクタの端部は図示のように電気的接地へ取り付けられている。各々の抵抗５４の一端は、各々が５０オームの値を有し、図示のように四つの同軸伝送ラインの入力内側のコンダクタの一つへ接続されており、各々の抵抗の反対側端部が共通の電気的接続点へ接続されている。これらの抵抗５４は差分又は平衡抵抗である。四つの中央コンダクタの各々は、伝送ライン５２の各々の端部において、１２．５０オーム出力インピーダンスを生じる他の共通電気接続点へ接続されている。この従来技術の例では、通常は共通接続点を或る程度離間して位置している５０オーム負荷へ接続することが望ましい。これは代表的には、図４に示すように、２５オーム特性インピーダンスを有するλ／４長、又は１／４の複数倍の波長同軸ケーブルの使用により達成される。この１／４波長伝送ラインの使用は、この技術を図３の試みに比べて狭帯域にする。平衡抵抗はやはり高価な部品である。
【００１７】
図３及び図４に示す電力結合機器の変形例は、放電接続の前方にインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）を加えて、このＩＭＮｆ部品を調整して、図３又は図４の電力結合器からＩＭＮｆへ見いだされるインピーダンスが５０オームとなるようにすることにより、１０ワットと５００ワットを越える出力との間に出力を有する拡散冷却ＣＯ２レーザーを駆動でき、且つその駆動に用いられる。このような従来の電力結合器技術の使用は、レーザーヘッドのコストに概ね等しいＲＦ電源のコストをもたらす。本発明はＲＦ電源とレーザーヘッドとの間のこのコスト比を低減する。
【００１８】
例えば、図３の電力結合器における出力インピーダンス変圧器Ｔ４の省略は、相当なコスト低減をもたらすであろう。更に、変圧器Ｔ３の１２．５オーム出力の低出力インピーダンスは中間出力レーザーの放電の低入力インピーダンスにより密接に整合する。例えば、５００Ｗレーザーの放電インピーダンスは約６オームに近似する。このより密接するインピーダンスは、電力結合器の１２．５オーム出力を放電の６オームインピーダンスへ整合させるのに必要なＩＭＮｆのコストも低減させる。高出力ＲＦ変圧器は高価であり、付加的な出力損失を出力伝送回路にもたらすので、レーザーの壁プラグ効率を低減させる。
【００１９】
図４の電力結合器に示される高出力λ／４伝送ラインインピーダンス変圧器も同軸ラインの長さ及び径又はそれを適切に冷却する必要性に起因して同様に付加的な損失及びパッケージングの困難性を与える。電力結合器についての低出力インピーダンスにおける操作は低い回路Ｑをもたらし、これは結合器出力とレーザー放電との間のインピーダンス整合回路（ＩＭＮｆ）における減少された循環電流損失をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は概略的な電流及びインピーダンスの挙動を拡散冷却ＣＯ２レーザーへのＲＦ出力の関数として示すプロットである。
【図２】図２はＣＯ２拡散冷却レーザーを駆動するための固体ＲＦ電源を示す概略図である。
【図３】図３は従来のバイナリ４方向電力結合器を示す概略図である。
【図４】図４は従来の４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器を示す概略図である。
【図５】図５は本発明の実施例による４方向電力結合器を示す概略図である。
【図６】図６は本発明の実施例による４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器を示す概略図である。
【図７】図７は本発明によるＲＦ電力結合器の代替的な実施例を示す概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明による電力結合器のパッケージングを示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明による電力結合器のパッケージングを示す斜視図である。
【図９】図９は本発明によるＣＯ２レーザー放電を駆動する電力結合器を用いるＲＦ電源を示すブロック図である。
【図１０】図１０は本発明による電力結合器の動作のコンピュータシミュレーション・データを与える図である。
【図１１】図１１は同軸ケーブル長の関数として図１０と同様な状況の下で位相角における変化を示すコンピュータシミュレーション・データを与える図である。
【詳細な説明】
【００２１】
図５は、低放電インピーダンスを駆動するためにコスト効果的に用いることができる本発明の概念による修正された４方向バイナリ電力結合器６０を示す。図５に示される４方向実施例は、例示としてのみ与えられるのであって、本発明を制限するものとして斟酌すべきではない。当業者は、他の複数の方向のバイナリ電力結合器が本発明の要旨及び目的の範疇にあることを理解するであろう。
【００２２】
図３の電力結合器４０を本発明の図５の電力結合器６０と比較すると、図３の回路から変圧器Ｔ４を除去して、図５の回路６０を得ていることが示される。即ち、図５に示すように、また図３の回路４０のように、電力結合器６０は四つの別個の電力増幅源（ＰＡ１−ＰＡ２）６２（これらは等しい増幅及び位相を有し、ＲＦ出力を５０オーム負荷へ伝送する）から５０オーム入力を受ける。１００オーム抵抗６４が、出力増幅器ＰＡ１と出力増幅器ＰＡ２との出力の間に、また出力増幅器ＰＡ３と出力増幅器ＰＡ４との間に接続されている。
出力増幅器ＰＡ１／ＰＡ２及び出力増幅器ＰＡ３／ＰＡ４の出力は、それぞれ１：１比変圧器Ｔ１及びＴ２により結合される。変圧器Ｔ１及びＴ２は、それぞれの出力においてインピーダンスを２５オームに変換する。５０オーム差分抵抗６６が変圧器Ｔ１の出力と変圧器Ｔ２の出力との間に接続されており、これにより変圧器Ｔ３の出力において１２.５オームの出力インピーダンスを提供する。これはインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）６８へ直接に供給される１２.５オームの出力インピーダンスを有する電力結合器６０を与える。インピーダンス整合ネットワークＩＭＮｆは二つのコンデンサと誘導子のＰｉ（Π）ネットワーク、又は当業者には公知の他のインピーダンス整合ネットワークからなるようにすることができる。１２．５オームと６．０オームとの間の整合を達成するために少量のインピーダンス調整を必要とするのみなので、ＩＭＮｆは効率的である。電力結合器６０の出力をＩＭＮｆに接続している伝送線がないので、変圧器Ｔ３の出力とＩＭＮｆとの間、及びＩＭＮｆとレーザー電極との間の接続を短距離でなす必要があることに留意されたい。この短距離接続は如何にして達成できるかの詳細は図８に関連して以下に示す。この修正されたバイナリ電力結合器の設計は、図３に示す従来の設計に勝る少ない部品数及び低コストの利点を有する。
【００２３】
図６は本発明の概念による修正された４方向Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ電力結合器７０を示し、これは低インピーダンス放電を駆動するのに適する５０オーム入力及び１２．５オーム出力を有する。図６の設計７０を図４の従来の設計５０を比べると、電力結合器を負荷へ接続する同軸伝送ライン変圧器が省かれていることが示される。このことは、図６の電力結合器７０に１２．５オーム出力インピーダンス及び部品数／コスト削減の優位性を与える。
【００２４】
図６に示すように、また図４の回路５０の場合のように、四つの４分の１波長同軸伝送ライン７２が用いられており、その各々は、電力結合を与えるために５０オーム特性インピーダンスを有する。同軸伝送ライン７２の各々の外側コンダクタの端部は、電気的接地へ取り付けられている。四つの５０オーム抵抗７４の各々の一端は、四つの同軸伝送ライン７２の入力内側コンダクタの一つに接続しており、その各々の抵抗７４の他端は、共通の電気的接続点へ接続されている。同軸伝送ライン７２の端部において四つの中央コンダクタの各々は、１２．５オーム出力インピーダンスを与える共通の電気的接続点へ接続されている。電力結合器７０の１２．５オーム出力は、図５の設計と同様な方式で、インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）７６へ直接に供給され、次いでレーザー放電へ供給される。電力結合器７０の出力とＩＭＮｆとの間、及びＩＭＮｆとレーザー電極との間の短距離接続も図８に示すように作成することができる。４分の１波長伝送ライン７２は、図６の電力結合器を与え、これは図５に示す電力結合器によって利用可能なものよりも非常に狭い帯域を有する。この試みは図５の電力結合器よりもコストが低い。
【００２５】
図７は低インピーダンス拡散冷却スラブレーザー放電を駆動する好ましい電力結合器８０を示す。図７の設計８０を図５及び図６のＰＣ方式と比べると、この試みがより単純であり、部品数が少ないので、低コストであることが示される。これは、一つの４分の１波長伝送ラインを必要としないので、これも図６の設計よりも広い帯域幅を有する。従って図７の電力結合器８０は、単にレーザー放電を駆動するよりも広い適用性を持たねばならない。そのような試みはアンテナを駆動する交信トランスミッタになすことができる。
【００２６】
図７に示される電力結合器８０を用いるＲＦ電源は、図３又は図４に示されるＰＣを用いる電源よりもコストが約４０％少ないと見積もられる。この非従来型の低コスト広帯域４方向電力結合器は、ＣＯ２レーザー電源に用いられている個体ＲＦ増幅器と共に使用するために独特に適用できる。この新たな電力結合器は超パルス４００ワットレーザーを駆動するパルス型ＲＦ電源に用いることができる。これは、連続波長（ＣＷ）又はパルス型ＣＯ２レーザーを駆動するのに用いることができる。
【００２７】
この非従来型の電力結合の試みは、製造コストが非常に低いが、図５及び図６の電力結合器よりも個々の増幅器負荷インピーダンスの制御が少ない。試験によって、５方向電力結合器における個々の増幅器負荷インピーダンスの制御が低インピーダンス放電を駆動するのに充分であることが判明している。放電はＮが５．０に等しく優良な結果を有するところで駆動された。入力を意図的に不均衡にさせたときの図７の電力結合器８０の挙動のコンピュータシミュレーションは、調整がより効率的であることを示した。五つの増幅器のうちの一つの増幅器が意図的に部分的な故障を被るようにされているときに、隣接する増幅器の故障は６０００ワットの試作品では起こらないことが実験的に判明している。
【００２８】
図７の電力結合器８０に電力増幅器（ＰＡ１−ＰＡ５）８２を持たせて、それらの出力と出力インピーダンスとを代表的には１０％以内で整合させて、隣接する電力増幅器に強いられる付加的な散逸及び波形歪を最小化させることは賢明である。インピーダンス整合は最適操作のために通常は全ての電力結合器について実行されるので、これは図７の設計に異例な負担をかけるものではない。
【００２９】
図７に示される５方向電力結合器８２について、図示のように正しく終了されている合計ノード８４によれば、コンピュータシミュレーションは、一つの電力増幅器８２の５０％出力削減が、他の四つの残りの出力増幅器８２に１：３：１内の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）で見られる効果的な負荷インピーダンスがもたらされることを示した。これは良く許容できるものであり、高ピークパワートランジスタの低い内部損失によって取り扱える能力がある。
【００３０】
実験は、一つの電力増幅器８２を構成する四つのトランジスタのうちの一つの完全な故障は、損傷した電力増幅器内の他の三つのトランジスタの各々が出力パワーについて良く整合する限りは、四つの残りの電力増幅器８２に２：１内の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）で見られる効果的な負荷インピーダンスがもたらされることを示した。
【００３１】
図７に示すように、代表的な実施形態は、全ての電力結合器入力についてＺｏ＝５０オームの伝送ライン８６を使用し、全ての伝送ライン８６は同じ長さを有する。合計ノードインピーダンスは従ってＺｏ／Ｎである。Ｎ＝５については、合計ノードインピーダンスは図７に示すように１０オームである。この好ましい電力結合器の試みは、不均衡な増幅器出力を解消するために差分（即ち平衡させる）抵抗を必要としない。五つの伝送ライン８６の長さは重要ではないが、上述のように、それらは組み合わせノードにおいて等位相シフトを保つように全て同じ長さにせねばならない。かくして図７の電力結合器８０は、図５及び図６の修正された通常の電力結合設計よりも、コスト及び複雑さを相当に低減して実施することができる。
【００３２】
図５及び図６に関して上述したように、この好ましいＰＣ実施形態で自然に得られる低出力インピーダンスは、ＩＭＮｆＲＦ入力インピーダンスをＣＯ２レーザー放電とＰＣ出力インピーダンスとの両方に整合させることを容易にする。
【００３３】
コスト及びレーザー効率の観点からは、ＲＦ電源をレーザー管ハウジングへ直接に取り付けておくことが望ましい。このような装着はレーザーをロボットアームへ直接に装着するために特に望ましい。というのは、度重なる屈曲の下では破断し易いＲＦセミフレキシブルパワーケーブルを省略できるためである。ＲＦ電源をレーザー管ハウジングへ直接に装着することは、図５、図６，及び図７のＰＣ実施例について、電源出力とレーザー放電接続との間の距離が短いことを必要とする（即ち図６及び図７のＰＣの共通ノードの電気的接続点の間の出力と、電極、光学的共振器のミラー、及びＣＯ２：Ｎ２：Ｈｅガス混合体を包含するレーザー包囲体内の電極へのＲＦ接続との間）。電源をレーザー管に装着することの更なる利点は、レーザー管とＲＦ電源との双方の液体冷却がより少ないコストでより容易に促進されて実行されることである。ＰＣ出力とレーザー電極との間のこの短いＲＦ接続を実現するための多数の手段がある。
【００３４】
図８Ａは、ガス混合体、誘導子、電極及び光学的共振器を包含するレーザー管へＲＦ電源を装着する一つの好ましいパッケージング配置の外観を概略的に示す。図８Ｂは、図５，図６，又は図７の電力結合器の何れかを組み込むＲＦ電源パッケージのより詳細を示す。
これは、５００Ｗレーザーのために好ましい一般的なパッケージングの試みである。図８Ａに示すように、電源は、冷却板の片側に搭載された三つのＰＣＢ、発振器／駆動回路のための他のＰＣＢの反対側に沿う二つのＰＣＢを有する５枚の出力増幅器印刷回路基板（ＰＣＢ）を用いる。この６枚目の基板は、図９に示される電力制御及び保護回路サブシステムを包含することもできる。各々の出力増幅器ＰＡ基板は、上述のように、指向性カプラーＤＣ及びＩＭＮのみならず、四つのパワートランジスタを有する。
【００３５】
上述の発明の実施例において、λ／４テフロン５０オーム同軸ケーブルの長さは約２０インチ（即ち５１ｃｍ）であり、；ＣＯ２レーザー管の長さは３０ｃｍ長である。従って、同軸ケーブルの長さは、各々の印刷回路基板から全ての５０オームケーブルの端部を図８Ｂに示されるＩＭＮｆボックス内のインピーダンスネットワークへ接続するための共通ノード点へ持っていくのに充分である。使用された好ましいＩＭＮｆ回路は、Ｐｉ（Π）構成における二つのキャパシタ／一つの誘導子ネットワークである。他のネットワーク構成、例えばＬ構成における一つの誘導子／一つのキャパシタネットワークも使用できる。インピーダンス同調調整は、主にキャパシタのボリュームを調節することによってなされる。ＩＭＮｆの出力は、レーザー管ハウジング内の最も近い金属レーザー電極に接続されている。距離「Ｄ」で離間されている二本の平行な金属レーザー電極の幅寸法は、レーザー管ハウジング内に垂直に置かれている。平行電極の長さはレーザー管ハウジングの長さに沿って置かれている。反対側のレーザー電極は、電気的接地としての役割を果たすレーザー管ハウジングの金属ハウジングへ接続されている。ＲＦ放電を包含するレーザー管の電気接地は、逸れたＲＦ輻射がレーザー管の外側へ逃げることを防ぐ。
【００３６】
本発明の図７の実施例は、最も低コストであるが、図５及び図６の試みより平衡保護がより少なく、帯域幅が最も広い。この広い帯域幅特徴は、相当な帯域幅を必要とする用途、例えばアンテナを駆動する交信送信機用途のために注目すべきものである。最適の放電点火ＲＦ周波数は、一旦放電が点火されたならば、放電を効率的に操作するために要求される最適ＲＦ周波数とは異なることはよく知られている。図７の電力結合器の大きな帯域幅特性は、この異なる周波数特性を取り扱うために魅力的なものとなる。
【００３７】
図６の実施例を実施するには図７の実施例よりコストが高くなるが、より良好な平衡保護が提供される。その狭細な帯域幅特性は、最適な点火とＣＷ操作周波数との差異を取り扱うその能力において不利なものとなる。幸いにも、余分な平衡保護は、レーザー放電駆動用途では必要とされない。データは、図７に示される試みが、低インピーダンスＣＯ２レーザー放電駆動の意図された用途のための充分な平衡保護よりも多くのものを提供することを示する。
【００３８】
図５（即ち、修正されたバイナリＰＣ）の実施例は、数百乃至１キロワットの媒体出力範囲における拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーを駆動するために実行するのに最も高価なものである。増大した費用は、その多くが変圧器に関係している。
【００３９】
図９は、図７に示される低コストな広帯域幅５方向電力結合器８０を用いるＲＦ電源のより完全な図を示す。図９に示すように、固定又は可変の周波数発振器９０は、（図２にも示されるように）レーザー放電を駆動するためにＲＦ周波数を設定するために用いられる。
発振器信号は、一連の駆動増幅器９２へ与えられて、五つのＲＦ電力増幅器９４を駆動するのに充分なレベルへ電力を増大させる。一連の駆動増幅器の出力は、５方向スプリッタ９６により、全てが同位相を有する五つの等価な増幅信号へ分割される。このスプリッタ９６を実装する当業者には良く知られた多数の方式があるので、単純化のためにスプリッタ９６の詳細は与えない。スプリッタ９６からの五つの信号は、対応する個々のＲＦ電力増幅器９４へ供給される。ＲＦ電力増幅器出力の各々は、対応する個別の５０オーム同軸ケーブル９８へ提供される。全５本のケーブル９８は任意の長さを持つが、これらは全て同じ長さにせねばならない。５本のケーブル９８の出力は、一つの共通点１００に接続している。電力産業で使われる用語に従い、この共通電気接続点１００を「ワイヤー−ナッツ」と称する。この共通ＲＦ接続点１００は、５枚の電力増幅器基板からインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮｆ）まで五本のケーブルから結合ＲＦ電力を持ってくるために、図８Ｂにも概略的に示されている。単純化のために、五本のケーブルは図８Ｂには図示していない。ＩＭＮｆは図９には図示していない。ＲＦ電力センサ１０２は、当技術分野で公知のように、共通ノード接続点１００における電力を監視して、その情報を電力制御及び保護回路サブシステム１０４へ与えるのに用いることができ、その電力制御及び保護回路サブシステム１０４も図８Ａ／図８Ｂの六枚の印刷回路基板のうちの一枚に搭載されている。レーザー管からの出力パワーは検出器で監視され、これも当技術分野では周知である。電力制御及び保護回路サブシステム１０４は、発振器９０から、駆動増幅器９２の出力から、方向カプラー（図２に示される）によるＲＦ電力増幅器９４の各々から、及び、ｄｃ電力を上述のモジュールの各々へ与えるdc電源１０６から信号を受け取ることもできる。
これは、詳細不明の変化がレーザーの出力パワー又はＲＦ電源の出力パワーで生じた際に、電力制御及び保護回路サブシステム１０４が較正信号を監視してモジュールへ与えることを可能にする。
【００４０】
上述のように、図９はＣＯ２レーザーＲＦ電力供給システムの好ましい実施形態における図７の電力結合器を示す。ＲＦ増幅器の一つ以上で故障が生じる際に、レーザー放電から起きるＲＦ電力の大きな後方反射のために、保護回路を電力レーザーシステムの停止のために用いてもよいことは当業者には良く知られている。一定レーザー出力パワーを維持して、電力ライン変動又は図９により要約されたシステムを有するＲＦ部品の劣化を補償するために電力制御を用いてもよいことも当業者には良く知られている。
【００４１】
図７の電力結合器の入力インピーダンスは、入力ポートの間で起こり得る電力の差異により影響を受けることが理解される。入力インピーダンスは、伝送ライン長によっても影響される。というのは、この差異（非平衡電力）は出力ノードから位相シフトして、入力において現われるようにするためにラインの付加的な長さを通じて戻るためである。ラインの長さは、位相又は大きさの変化を最小にするか、どちらも最大の変化に達しない操作点を設定するように選択してもよい。
【００４２】
伝送ライン長の関数としてのこのような変動を図１０及び図１１に示す。図１０及び図１１は、図７の５方向電力結合器のコンピュータシミュレーションの結果を示す。プロットは、１００ＭＨｚにおける結合操作であって、１ＫＷにおける四本の伝送ラインの各々への四つの入力を有し、且つ五本の伝送ラインへの６５０Ｗにおける１入力を有する結合操作からのデータを示す。図１０は、ライン長（メートルで）が変化すると電源増幅器負荷インピーダンスの大きさの変動を示す。ポート１−４についてのインピーダンスにおけるピークの大きさの変動に対する合計ピーク（即ち、実線曲線）は、ポート５についての３８オーム（即ち、点線曲線）と比べると７オームである。この例においては、ポート５は、ポート１−４（即ち各々が１ＫＷ）よりも非常に低いパワー（即ち６５０Ｗ）で駆動されて、非平衡は、各ポートが被る有効インピーダンスを変化させる。第５のポートで３５％のパワー低減が生じるときに四つのポートが被る入力インピーダンスので、図７の電力結合器は損失を伴わずにこのような非平衡に良く耐えることを意味する。
【００４３】
図１１は図１０についてと同じ周囲環境の下に、ポートが被る位相角度の変化を示す。このプロットにおいて、（＋）及び（−）１８０度は同じ位相角度である。ポート１−４についての合計ピーク対ピ−ク位相変化は、ポート５についての２４度（明るい線の曲線）に比べて８度（暗い線の曲線）である。図１１により図示された解析は、最小位相差は、１／４波長（１００ＭＨｚにおいて０．４９メートル）及び３／４波長（１００ＭＨｚにおいて約１．５メートル伝送ライン長）で起こることを示している。最大位相差は１／２波長である。再び、四つのポートで被るこのような小さな位相差は、第５のポートで出力パワーにおける３５％低減が生じるとき、図７の電力結合器が損失を伴うことなくこのような非平衡に耐えることを示す。
【００４４】
図１０及び図１１についての同様な結果は、ポート１が１２００Ｗにて２４５ボルトを出力し、ポート２，４，及び５が１１００Ｗにて２３４ボルトを出力し、ポート３が１０００Ｗ出力にて２２３ボルトを出力する。伝送ライン長の関数としての入力電圧及び電流変動が解析される。この分析は、電力増幅器により発せられた規定の条件下で解析された位相、インピーダンス、電圧及び電流はここでも容認できるものであることを示している。
【００４５】
その出力を結合させる電力増幅器は、更なる故障を引き起こすことなく、インピーダンスの変動を許容できるように設計せねばならない。１００％よりも低い負荷サイクルにおけるパルスモードでＣＯ２レーザーを駆動するのに用いられるＲＦ電源は、一般にこの程度のロバスト性を有する。
【００４６】
上述したコンピュータシミュレーションは、図７の電力結合器が、例えば図８及び図９に示されるように、５０オームよりも非常に低いインピーダンスを有する中間出力パワー（即ち数百乃至１０００Ｗ）拡散冷却ＣＯ２スラブレーザーを駆動するＲＦ電源に用いることができる電力増幅器出力の間の非平衡を容認するのに充分に頑強である。図５及び図６に示される電力結合器は優れた非平衡保護を有しているが、そのような保護は図７の実施例のそれよりも高いコストをもたらす。
【００４７】
図７の電力結合器は−６４ｄＢのトランジスタ増幅器の間のアイソレーションを有し、図６の修正されたウィルキンソン電力結合器はその中心の周波数の−２０ｄＢ周辺である。この中心周波数は１／４波長伝送ラインの長さにより決定される。トランジスタの間のアイソレーションは中心周波数の両側で迅速に低下する。図７の電力結合器は１／４波長ラインを必要としないので、中心周波数はなく、トランジスタの間のアイソレーションは広い帯域幅に亘って一定にとどまる。トランジスタの間の−６ｄＢアイソレーションは、図６のウィルキンソン結合器の−２０ｄＢに比べて小さい。パルスレーザー放電用途の場合、ＲＦ電力が所定の低レベルへ落ちるならば、レーザーの作動を停止して、保守をする必要がある。この低レベルはガス圧、前置電離化装置の性能、電極の間の分離、操作温度、ガス混合体における変化等により決定する。一旦にこの低レベルに達するならば、放電を再点火することは困難になるので、他に選択肢はないが、レーザー電源を修理する。図１０及び図１１に示される解析は、要求されるレーザー放電を駆動する要請を満足する図７の結合器における充分に穏やかな劣化があることを示す。
【００４８】
図５、図６及び図７に示される発明は５０オーム未満の入力のインピーダンスに限定されるものではないことに再度留意することは重要である。電力増幅器は多くの有益な出力インピーダンスで生産することができ、同軸ケーブル及び変圧器について電力増幅器インピーダンスを整合させる様々な異なるインピーダンスがある。ＰＣサブシステムは、修正されたバイナリ（図５）及びウィルキンソン（図６）結合器のみならず、図７の結合器の利点を採り、数オーム乃至数百オームのインピーダンス、即ちキロワット乃至数十ワット範囲における出力パワーを有するＣＯ２レーザーを丁寧に取り扱う。このインピーダンス範囲は多数の手段により適合でき、これは例えば、ポートの数の変更、伝送ラインの特性インピーダンスの変更、昇圧器／降圧比の変更その他である。（図６及び図７についての）同軸ケーブル・インピーダンス及び（図５についての）昇圧比の有効性は、結合器を使用できるインピーダンス範囲限界を設定する。図７の結合器の一般原理は、数ヘルツから短波限界（即ちＧＨｚ）へ上げるように操作するシステムに使用することができる。次に広い帯域結合器は図５の実施例である。最も狭い帯域結合器は図６の実施例である。
上記に特定された実施例の幾多の変形例が上述の説明を考慮すれば当業者には自明であることを認識されたい。従って本発明は本明細書に図示及び説明された本発明の特定の実施例及び方法によって限定されるものではない。むしろ、本発明の目的は以下の請求項及びそれらの均等物によって規定される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイナリ電力結合器回路であって、
第１の出力増幅器から受け取られる出力と第２の出力増幅器から受け取られる出力とを結合して、第１の変圧器出力を与える第１の変圧器と、
第１の出力増幅器の出力と第２の出力増幅器の出力との間に接続された第１の差分抵抗と、
第３の出力増幅器から受け取られる出力と第４の出力増幅器から受け取られる出力とを結合して、第２の変圧器出力を与える第２の変圧器と、
第３の出力増幅器の出力と第４の出力増幅器の出力との間に接続された第２の差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力との間に接続された第３の差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力とを結合して、第３の変圧器出力を直接に負荷へ与える第３の変圧器とを備える回路。
【請求項２】
４方向バイナリ電力結合器回路であって、
第１の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスと第２の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第１の変圧器出力において２５オームの第１の変圧器出力インピーダンスを与える第１の１：１変圧器と、
第１の出力増幅器の出力と第２の出力増幅器の出力との間に接続された第１の１００オーム差分抵抗と、
第３の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスと第４の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第２の変圧器出力において２５オームの第２の変圧器出力インピーダンスを与える第２の１：１変圧器と、
第３の出力増幅器の出力と第４の出力増幅器の出力との間に接続された第２の１００オーム差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力との間に接続された５０オーム差分抵抗と、
第３の変圧器であり、２５オームの第１の変圧器出力インピーダンスを２５オームの第２の変圧器出力インピーダンスへ組み合わせて、第３の変圧器において１２．５オーム出力インピーダンスを与え、その第３の変圧器の出力は負荷への直接接続に適合されている第３の変圧器とを備える４方向バイナリ電力結合器。
【請求項３】
請求項２の４方向バイナリ電力結合器において、前記負荷は、レーザーへ出力を与えるインピーダンス整合ネットワークを含む４方向バイナリ電力結合器。
【請求項４】
修正されたウィルキンソン電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の四分の１波長伝送ラインであり、その各々の伝送ラインは、関連する電力増幅器の出力から出力インピーダンスを受け取るように接続された入力端を有し、各々の伝送ラインは、共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端を更に有する複数の四分の１波長伝送ラインを備え、
各々の伝送ラインについて、差分抵抗が前記伝送ラインの前記入力端と共通差分抵抗接続点との間に接続されており、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項５】
修正された４方向ウィルキンソン電力結合器であって、
等長及び５０オーム特性インピーダンスを有する第１、第２、第３、及び第４の四分の一波長同軸伝送ラインを備え、各々の同軸伝送ラインは、入力端及び出力端を有する内側導体と外側導体とを有し、前記内側導体の前記入力端は、関連する電力増幅器の出力から５０オーム出力インピーダンスを受け取るように適合されており、前記内側導体の前記出力端は、１２．５オーム出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続され、前記外側導体は接地へ接続されており、
各々の同軸伝送ラインについて、５０オーム差分抵抗が前記同軸伝送ラインの前記内側導体と共通差分抵抗接続点との間に接続されており、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項６】
請求項５の修正された４方向ウィルキンソン電力結合器であって、前記負荷は、レーザーへ出力インピーダンスを与えるインピーダンス整合ネットワークを含む電力結合器。
【請求項７】
電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の伝送ラインを備え、その各々の伝送ラインは、関連する電力増幅器の出力から電力増幅器出力インピーダンスを受け取るように接続された入力端と、伝送ライン出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端とを有し、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項８】
電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の同軸伝送ラインを備え、その各々の同軸伝送ラインは、関連する電力増幅器から電力増幅器出力インピーダンスを受け取るように適合された入力端と、伝送ライン出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端とを有し、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項１】
バイナリ電力結合器回路であって、
第１の出力増幅器から受け取られる出力と第２の出力増幅器から受け取られる出力とを結合して、第１の変圧器出力を与える第１の変圧器と、
第１の出力増幅器の出力と第２の出力増幅器の出力との間に接続された第１の差分抵抗と、
第３の出力増幅器から受け取られる出力と第４の出力増幅器から受け取られる出力とを結合して、第２の変圧器出力を与える第２の変圧器と、
第３の出力増幅器の出力と第４の出力増幅器の出力との間に接続された第２の差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力との間に接続された第３の差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力とを結合して、第３の変圧器出力を直接に負荷へ与える第３の変圧器とを備える回路。
【請求項２】
４方向バイナリ電力結合器回路であって、
第１の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスと第２の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第１の変圧器出力において２５オームの第１の変圧器出力インピーダンスを与える第１の１：１変圧器と、
第１の出力増幅器の出力と第２の出力増幅器の出力との間に接続された第１の１００オーム差分抵抗と、
第３の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスと第４の出力増幅器の出力から受け取られる５０オーム出力インピーダンスとを結合して、第２の変圧器出力において２５オームの第２の変圧器出力インピーダンスを与える第２の１：１変圧器と、
第３の出力増幅器の出力と第４の出力増幅器の出力との間に接続された第２の１００オーム差分抵抗と、
第１の変圧器出力と第２の変圧器出力との間に接続された５０オーム差分抵抗と、
第３の変圧器であり、２５オームの第１の変圧器出力インピーダンスを２５オームの第２の変圧器出力インピーダンスへ組み合わせて、第３の変圧器において１２．５オーム出力インピーダンスを与え、その第３の変圧器の出力は負荷への直接接続に適合されている第３の変圧器とを備える４方向バイナリ電力結合器。
【請求項３】
請求項２の４方向バイナリ電力結合器において、前記負荷は、レーザーへ出力を与えるインピーダンス整合ネットワークを含む４方向バイナリ電力結合器。
【請求項４】
修正されたウィルキンソン電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の四分の１波長伝送ラインであり、その各々の伝送ラインは、関連する電力増幅器の出力から出力インピーダンスを受け取るように接続された入力端を有し、各々の伝送ラインは、共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端を更に有する複数の四分の１波長伝送ラインを備え、
各々の伝送ラインについて、差分抵抗が前記伝送ラインの前記入力端と共通差分抵抗接続点との間に接続されており、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項５】
修正された４方向ウィルキンソン電力結合器であって、
等長及び５０オーム特性インピーダンスを有する第１、第２、第３、及び第４の四分の一波長同軸伝送ラインを備え、各々の同軸伝送ラインは、入力端及び出力端を有する内側導体と外側導体とを有し、前記内側導体の前記入力端は、関連する電力増幅器の出力から５０オーム出力インピーダンスを受け取るように適合されており、前記内側導体の前記出力端は、１２．５オーム出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続され、前記外側導体は接地へ接続されており、
各々の同軸伝送ラインについて、５０オーム差分抵抗が前記同軸伝送ラインの前記内側導体と共通差分抵抗接続点との間に接続されており、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項６】
請求項５の修正された４方向ウィルキンソン電力結合器であって、前記負荷は、レーザーへ出力インピーダンスを与えるインピーダンス整合ネットワークを含む電力結合器。
【請求項７】
電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の伝送ラインを備え、その各々の伝送ラインは、関連する電力増幅器の出力から電力増幅器出力インピーダンスを受け取るように接続された入力端と、伝送ライン出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端とを有し、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【請求項８】
電力結合器であって、
等長及び等特性インピーダンスを有する複数の同軸伝送ラインを備え、その各々の同軸伝送ラインは、関連する電力増幅器から電力増幅器出力インピーダンスを受け取るように適合された入力端と、伝送ライン出力インピーダンスを受け取る共通伝送ライン出力接続点へ接続された出力端とを有し、
前記共通伝送ライン出力接続点は負荷への直接接続に適合されている電力結合器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公表番号】特表２０１０−５２１８３４（Ｐ２０１０−５２１８３４Ａ）
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５１６５９（Ｐ２００９−５５１６５９）
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０００９０８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０５９８５
【国際公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０００９７１９７）コヒーレント・インク (13)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０００９０８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０５９８５
【国際公開日】平成２０年９月４日（２００８．９．４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（５０００９７１９７）コヒーレント・インク (13)
【Ｆターム（参考）】
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