高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を備えた高周波電力出力装置
【課題】高出力かつ大電力動作時でも出力電力の位相を正確に検出し、任意の位相に制御可能な高周波電力増幅器等を提供する。
【解決手段】
高周波電力増幅器は、入力端子を介して受け取った高周波電力信号を増幅する増幅器と、増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、同相および直交検波出力信号に基づいて増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および位相検出部から出力された位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、入力端子と増幅器との間に設けられ、制御信号に基づいて、増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器とを備えている。
【解決手段】
高周波電力増幅器は、入力端子を介して受け取った高周波電力信号を増幅する増幅器と、増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、同相および直交検波出力信号に基づいて増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および位相検出部から出力された位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、入力端子と増幅器との間に設けられ、制御信号に基づいて、増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦ帯からマイクロ波帯で動作する高周波電力増幅器に関する。より具体的には、高周波電力増幅器から出力される高周波電力信号の位相を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護が世界的に問題となっており、様々な産業分野において、省エネルギーを目的とした技術開発が活発化してきている。
【０００３】
たとえば大電力通信機器では、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの高速動作と高耐圧および大電力密度を備えた高効率なパワー半導体デバイスが用いられ、省エネルギー化が進められている。
【０００４】
ＲＦ帯からマイクロ波帯の高周波を利用する、無線技術を応用した通信機器においては、高周波電力信号の周波数や位相を制御してシステムの効率を向上する技術が存在する。例えば、アダプティブ・アレー・アンテナなどを用いて、アンテナ指向性を制御して送信機および受信機の電力効率を向上させる技術は、その一例である。アンテナ指向性を利用して出力電力の位相を制御することにより、大電力で動作する通信システムでは顕著な省エネルギー効果を発揮することが可能になる。
【０００５】
従来、電力増幅器の変調波出力の一部を取り出し、直交復調分離した信号を、送信ベースバンド信号に負帰還することにより、電力増幅器出力の位相補正を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、増幅器の非線形性による位相の歪み成分を検出して変調信号に負帰還することによって、位相の歪み成分を補償する。これにより、増幅器の増幅効率は改善される。
【特許文献１】特開２０００−３１５９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
増幅器出力の位相を任意に制御するために上述のアダプティブ・アレー・アンテナを利用すると、複数のアンテナが必要になり、設備が大型化する傾向にある。よって、アダプティブ・アレー・アンテナはサイズ的な制約が大きいといえる。増幅器を備えた機器は種々の技術分野にわたって開発されているが、たとえば家電調理機器として小型化の要請が強い電子レンジには、アダプティブ・アレー・アンテナを採用することは困難である。したがって、このようなアダプティブ・アレー・アンテナは汎用性を欠く。
【０００７】
また、特許文献１の技術は小型化こそ可能であるが、位相の歪み成分を補償する技術であり、増幅器出力の位相を任意の位相に制御することはできない。
【０００８】
本発明の目的は、高出力かつ大電力動作時でも出力電力の位相を正確に検出し、任意の位相に制御可能な高周波電力増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による高周波電力増幅器は、高周波電力信号を受け取る入力端子、前記高周波電力信号を増幅する増幅器、および、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子を有する高周波電力増幅器であって、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、前記入力端子と前記増幅器との間に設けられ、前記制御信号に基づいて、前記増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器とを備えている。
【００１０】
前記高周波電力増幅器は、前記入力端子と前記増幅器との間に配置されて、前記入力端子において受け取った前記高周波電力信号を分波する第１分波器と、前記増幅器と前記出力端子との間に配置されて、前記増幅器によって増幅された前記高周波電力信号を分波する第２分波器とをさらに備え、前記直交検波部は、前記第１分波器によって分波された、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記第２分波器によって分波された、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波してもよい。
【００１１】
前記第１分波器および前記第２分波器の少なくとも一方は方向性結合器であってもよい。
【００１２】
前記第１分波器は、抵抗分波器であってもよい。
【００１３】
本発明による高周波電力出力装置は、基準信号を出力する基準信号発振器と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記基準信号の位相と前記高周波電力信号の位相とを比較して、位相差に基づいて前記高周波発振器を制御することにより、前記位相差を小さくする位相ロックループ回路と、前記高周波電力信号を受け取って増幅し、出力する高周波電力増幅器とを備えており、前記高周波電力増幅器は、高周波電力信号を受け取る入力端子と、前記高周波電力信号を増幅する増幅器と、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子と、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部とを備えており、前記位相ロックループ回路は、前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相を比較する位相比較器と、前記制御信号に基づいて、前記位相比較器に入力される前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相の一方を変化させる移相器とを備えている。
【００１４】
本発明による電子レンジは、加熱庫と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記高周波電力信号を受け取る、上述の高周波電力増幅器と、前記高周波電力増幅器から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナとを備えている。
【００１５】
本発明による他の電子レンジは、加熱庫と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記高周波電力信号を受け取る、上述の高周波電力出力装置と、前記高周波電力出力装置から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナとを備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入力電力の一部で出力電力の一部を直交同期検波し、出力電力の位相を検出し、検出した出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報を基に、入力電力の移相量を決定して、移相器の移相量を制御する。これにより、高出力かつ大電力動作時でも、出力電力の位相を正確に検出し、制御できる。
【００１７】
たとえば、本発明による高周波電力増幅器を電子レンジなどの調理機器に採用すると、数百Ｗの高周波電力を食品に照射することによって食品を加熱する際、照射する高周波電力の信号の周波数や位相を変化させることにより、調理機器庫内の過熱電磁界分布を制御することが可能になる。これにより、どのような食品でも均一に加熱することができる。
【００１８】
また、照射する高周波電力信号の位相を制御することにより、電子レンジの庫内の電磁界分布を自由に制御できる。たとえば、食品の大きさや形状に応じた位相制御によって電磁界分布を制御することにより、反射の少ない状態（送出した電力のほとんどが食品に吸収されている状態）を作り出すことができる。これにより、食品を高効率で加熱することが可能となり、位相を制御していなかった従来のマグネトロンを用いた電子レンジでは実現し得なかった極めて高い省エネルギー化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、添付の図１を参照しながら、本発明による高周波電力増幅器の概念を説明する。その後、添付の図２を参照しながら、高周波電力増幅器の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の高周波電力増幅器１００の基本構成を示すブロック図である。
【００２１】
高周波電力増幅器１００は、外部のシステム制御部１１０と接続されており、システム制御部１１０から設定位相情報を受け取る。高周波電力増幅器１００は、設定位相情報に基づいて出力する高周波電力信号の位相を制御する。
【００２２】
高周波電力増幅器１００は、入力端子１０１と、出力端子１０２と、分波器１０３と、移相器１０４と、電力増幅器１０５と、分波器１０６と、直交検波部１０７と、位相検出部１０８と、位相制御部１０９とを備えている。入力端子１０１、分波器１０３、移相器１０４、電力増幅器１０５、分波器１０６および出力端子１０２は、この順序で直列に接続されている。
【００２３】
高周波電力信号は、入力端子１０１、分波器１０３、移相器１０４を介して、電力増幅器１０５に入力され、電力増幅器１０５で増幅された高周波電力信号は、分波器１０６を介して、出力端子１０２より出力される。
【００２４】
入力端子１０１は、たとえば高周波電力増幅器１００の外部に設けられた高周波発振器（図示せず）と接続され、当該高周波発振器から高周波電力信号を受け取る。分波器１０３は入力された高周波電力信号を分波する。移相器１０４は高周波電力信号の位相を変化させる。
【００２５】
電力増幅器１０５は高周波電力信号を増幅する。分波器１０６は電力増幅器１０５の高周波出力電力を分波する。そして出力端子１０２は高周波電力信号を出力する。
【００２６】
分波器１０３によって分波された入力電力の一部と、分波器１０６で分波された出力電力の一部とは、それぞれ直交検波部１０７の入力に接続されている。直交検波部１０７は、入力高周波電力信号の一部を利用して、出力高周波電力信号の一部を直交検波する。このとき、出力高周波電力信号の一部と、入力高周波電力信号の一部の周波数は同一であるので、完全な同期検波となる。直交検波部１０７からは同相検波出力信号および直交検波出力信号が出力され、位相検出部１０８へ入力される。
【００２７】
直交検波部１０７の検波出力は位相検出部１０８に接続され、位相検出部１０８の出力は位相制御部１０９に接続されている。移相検出部１０８は、直交検波部１０７から入力された同相検波出力信号および直交検波出力信号より、位相を検出する。位相検出部１０８は、検出された位相を示す位相検出情報を、位相制御部１０９へ出力する。
【００２８】
位相制御部１０９は、位相検出部１０８から入力された出力電力の位相情報と、外部のシステム制御部１１０から入力された、設定位相情報より、移相器１０４での移相量を決定し、移相器１０４の移相量制御入力端子に制御信号を出力する。位相制御部１０９の出力は移相器１０４の移相量制御信号入力端子に接続されている。
【００２９】
移相器１０４は、位相制御部１０９から入力された制御信号に応じて、入力電力の位相を変化させる。
【００３０】
上述の高周波電力増幅器１００の構成によれば、入力電力の一部で出力電力の一部が直交同期検波されて、出力電力の位相が検出される。移相器１０４は、検出された出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報に基づいて、入力電力の移相量を決定し、移相器１０４が移相量を制御する。よって、高出力かつ大電力動作時でも、電力増幅器の出力電力の位相を、正確に検出し、制御できる、高周波電力増幅器を実現することができる。
【００３１】
続いて、図１に示す高周波電力増幅器１００のより具体的な構成を説明する。
【００３２】
図２は、本実施形態による高周波電力増幅器２００のブロック構成図である。
【００３３】
高周波電力増幅器２００は、入力端子２０１と、出力端子２０２と、分波器２０３と、移相器２０４と、電力増幅器２０５と、方向性結合器２０６と、直交検波部２０７と、位相検出部２０８と、位相制御部２０９と、出力分波電力低域通過フィルタ２１０と、出力分波電力増幅器２１１と、入力分波電力低域通過フィルタ２１２と、入力分波電力増幅器２１３と、設定位相情報入力端子２２２とを備えている。
【００３４】
直交検波部２０７は、π／２移相器２１４、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６を有している。
【００３５】
位相検波部２０８は、同相（Ｉ）側アナログ−デジタル変換器２１７、直交（Ｑ）側アナログ−デジタル変換器２１８および位相検出演算部２１９を有している。
【００３６】
位相制御部２０９は、位相制御演算部２２０およびデジタル−アナログ変換器２２１を有している。
【００３７】
ここで、図２では、電力増幅器２０５は１つだけ示されているが、これは例である。高出力かつ大電力の出力電力を得るために、電力増幅器２０５を複数設け、多段直列接続や並列的に合成して構成してもよい。また、方向性結合器２０６は、２本の平行なマイクロストリップ線路による誘導結合を利用した回路である。方向性結合器２０６は、電力増幅器２０５から出力端子２０２へ出力される順方向電力の一部を分波するように構成されている。
【００３８】
入力端子２０１から入力された入力電力は、分波器２０３、移相器２０４を介して電力増幅器２０５に入力される。電力増幅器２０５で増幅された出力電力は、方向性結合器２０６を介して、出力端子２０２より出力される。
【００３９】
分波器２０３、移相器２０４、電力増幅器２０５および方向性結合器２０６の各構成は周知である。
【００４０】
たとえば移相器２０４は、複数ビットステップ可変型移相器や、連続可変型移相器を用いることができる。
【００４１】
複数ビットステップ可変型移相器（たとえば３ビットステップ可変型移相器）は、デジタル制御において用いられ、経路切換えの組合せで、ステップ的に数段階の移相量を制御する。移相量は、外部から入力された移相量を示す制御信号に基づいて決定される。
【００４２】
一方、連続可変型移相器はアナログ電圧制御に用いられ、たとえば伝送線を用いたローデッドライン型移相器と、９０°ハイブリッドカプラを用いたハイブリッド結合型移相器として知られている。いずれも、バラクタダイオードの逆バイアス電圧を変化させることにより、２つの共振回路での反射位相を変化させ、入力−出力間の挿入移相を変化させる。挿入移相の変化量は外部から入力された移相量を示す制御信号に基づいて決定される。
【００４３】
また、分波器２０３として、方向性結合器を用いてもよいし、他の構成を用いてもよい。たとえば、抵抗分波器、サーキュレーター、ハイブリッドカプラのいずれを用いてもよい。サーキュレーターは磁石を用いた高周波受動素子であり、ハイブリッド・カプラはマイクロストリップ線路による位相操作により、方向性結合器と同様の出力を得る回路要素である。方向性結合器２０６についても同様に、分波器２０３と独立して構成を決定することができる。
【００４４】
方向性結合器２０６で分波された、出力電力の一部は、出力分波電力低域通過フィルタ２１０に入力される。出力分波電力低域通過フィルタ２１０は、入力端子２０１より入力される入力電力の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。出力分波電力低域通過フィルタ２１０で高調波成分を抑圧された出力分波電力は、出力分波電力増幅器２１１によって、後段の直交検波部２０７で直交検波するのに十分な電力まで増幅されたのち、直交検波部２０７へ入力される。直交検波部２０７へ入力された出力分波電力は、２分配され、それぞれ、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６へ入力される。なお、出力分波電力が直交検波するのに十分であり、増幅の必要が無い場合は、出力分波電力増幅器２１１は省いてもよい。
【００４５】
一方、分波器２０３で分配された入力電力の一部は、入力分波電力低域通過フィルタ２１２に入力される。入力分波電力低域通過フィルタ２１２は、前述の出力分波電力低域通過フィルタ２１０と同様の特性を持ち、入力端子２０１より入力される入力電力の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。入力分波電力低域通過フィルタ２１２で高調波成分を抑圧された入力分波電力は、入力分波電力増幅器２１３によって、後段の直交検波部２０７で直交検波するのに十分な電力まで増幅されたのち、直交検波部２０７へ入力される。なお、入力分波電力が直交検波するのに十分であり、増幅の必要が無い場合は、入力分波電力増幅器２１３は省いてもよい。
【００４６】
直交検波部２０７へ入力された入力分波電力は、π／２移相器２１４に入力され、入力された入力分波電力に対して、同相の同相入力分波電力と、π／２だけ位相ａシフトした直交入力分波電力が出力される。同相入力分波電力は同相（Ｉ）側ミキサー２１５へ、直交入力分波電力は直交（Ｑ）側ミキサー２１６へそれぞれ入力される。
【００４７】
同相（Ｉ）側ミキサー２１５は、出力分波電力を、π／２移相器２１４から入力された同相入力分波電力と積算することによる検波、即ち、出力分波電力を同相入力分波電力で同期検波し、２つの入力信号の乗算結果として、同相（Ｉ）成分検波信号が出力され、位相検出部２０８へ入力される。同様に、直交（Ｑ）側ミキサー２１６は、出力分波電力を、π／２移相器２１４から入力された直交入力分波電力で同期検波し、直交（Ｑ）成分検波信号が出力され、位相検出部２０８へ入力される。このとき、図２には示していないが、同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号のＳ／Ｎ比を向上する目的で、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６のそれぞれの出力に低域通過フィルタを配置してもよい。
【００４８】
直交検波部２０７の同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６より出力され、位相検出部２０８へ入力された同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号は、それぞれ、同相（Ｉ）アナログ−デジタル変換器２１７および直交（Ｑ）アナログ−デジタル変換器２１８へ入力され、デジタル信号に変換されて、位相検出演算部２１９へ入力される。
【００４９】
位相検出演算部２１９は、出力分波電力を入力分波電力で直交同期検波して得られた同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号より、出力分波電力の位相をデジタル演算により算出し、演算により算出した出力分波電力の位相情報を位相制御部２０９に出力する。
【００５０】
設定位相情報入力端子２２２には、外部のシステム制御部２２３より、設定したい位相情報を表す、設定位相情報が入力される。設定位相情報入力端子２２２より入力された設定位相情報は、位相制御部２０９に入力される。
【００５１】
位相検出部２０８の位相検出演算部２１９より出力され、位相制御部２０９へ入力された、出力分波電力の位相情報、および、設定位相情報入力端子２２２より位相制御部２０９へ入力された設定位相情報は、それぞれ位相制御演算部２２０へ入力される。位相制御演算部２２０は、出力分波位相情報と設定位相情報に基づき、移相器２０４で変化させる移相量を決定し、デジタル−アナログ変換器２２１でアナログ電圧信号に変換して、移相器２０４に出力する。このとき、位相制御演算部２２０は、出力分波位相情報と設定位相情報により、両位相の位相差を算出し、位相差を零にするように移相器２０４を制御する。
【００５２】
上記したように、本実施形態では、入力電力の一部で出力電力の一部を直交同期検波し、出力電力の位相を検出し、検出した出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報を基に、入力電力の移相量を決定して、移相器の移相量を制御する。本実施形態による高周波電力増幅器は、電力増幅器が高出力かつ大電力動作により、増幅器出力電力の非線形位相歪みが発生した場合でも、また、電力増幅器の製造バラツキや、動作状態や温度などによりＡＭ−ＰＭ特性の変動が大きい場合でも、電力増幅器の出力電力の位相を、正確に検出し、外部より設定した任意の位相に制御することができる。
【００５３】
（実施形態２）
本実施形態においては、図１に示す移相器１０４に代えて、高周波電力増幅器の外部に位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を設けた構成を説明する。
【００５４】
図３は、本実施形態による高周波電力増幅装置３５０の構成を示す。図３において、図１に示す構成要素と同じ機能を有する構成要素には、同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
高周波電力増幅装置３５０は、基準信号発振器３６０と、ＰＬＬ回路３７０と、高周波発振器３８０と、高周波電力増幅器３００とを備えている。
【００５６】
高周波電力増幅器３００と実施形態１による高周波電力増幅器１００（図１）との差異は、高周波電力増幅器３００には移相器１０４が設けられていないこと、および、位相制御部１０９からの位相制御信号が、ＰＬＬ回路３７０にフィードバックされる点にある。
【００５７】
ＰＬＬ回路３７０は、ＴＣＸＯなどの基準信号発振器３６０の出力信号の位相と、ＶＣＯなどの高周波発振器３８０の出力信号の位相とを比較し、差分に対応する差分信号を出力して高周波発振器３８０を制御し、両出力信号の位相差が小さく（たとえばゼロに）なるようにフィードバックするループである。
【００５８】
図４は、ＰＬＬ回路３７０のブロック構成を示す図である。ＰＬＬ回路３７０は、分周器３７１および３７４と、位相比較器３７２と、積分器３７３とを有している。位相比較器３７２は、基準信号発振器３６０からの基準信号を分周器３７１で分周した信号と、高周波発振器３８０からの高周波信号を分周器３７４で分周した信号とを比較する。このとき、両者の信号の周波数が同じになるように、分周器３７１および３７４の分周数を決定することが可能である。
【００５９】
本実施形態においては、位相比較器３７２において位相を比較する前に、位相制御部１０９からの位相制御信号を利用して基準信号発振器３６０から出力された信号の位相を強制的に変化させる。その結果、ＰＬＬ回路３７０においてロックされる位相が変化して、高周波発振器の出力信号の位相を変化させることができる。
【００６０】
次に、図５〜７を参照しながら、ＰＬＬ回路の構成の変形例を説明する。
【００６１】
図５は、第１の変形例によるＰＬＬ回路４００の構成を示す。図４に示すＰＬＬ回路３７０との相違点は、ＰＬＬ回路４００は、高周波発振器３８０からＰＬＬ回路４００内の分周器３７４へのフィードバック経路上に移相器３７５を有していることにある。
【００６２】
移相器３７５は分周器３７４への入力前に配置されており、位相制御部１０９からの位相制御信号を受け取る。そしてその位相制御信号に基づいて、フィードバック信号の位相を制御する。なお移相器３７５の動作周波数は高周波発振器３８０の出力周波数となる。
【００６３】
図６は、第２の変形例によるＰＬＬ回路４２０の構成を示す。図５に示すＰＬＬ回路４００との相違点は、分周器３７４および移相器３７５の位置を入れ替えたことにある。高周波発振器３８０からＰＬＬ回路４２０へのフィードバック経路上、分周器３７４と位相比較器３７２との間に移相器３７５が配置されている。移相器３７５は、位相制御部１０９からの位相制御信号に基づいて、フィードバック信号の位相を制御する。なお、移相器３７５の動作周波数は、高周波発振器３８０の出力周波数を分周器３７４で分周した周波数となる。
【００６４】
図６に示す構成によれば矩形波信号を取り扱うため、移相器３７５として、デジタル移相器を使用できる。
【００６５】
図７は、第３の変形例によるＰＬＬ回路４４０の構成を示す。図４に示すＰＬＬ回路３７０との相違点は、ＰＬＬ回路４４０は、基準信号発振器３６０の分周器３７１と位相比較器３７２の間に移相器３７６を配置したことにある。移相器３７６は、位相制御部１０９からの位相制御信号に基づいて、基準信号の位相を制御する。なお、移相器３７６の動作周波数は基準信号発振器３６０の出力周波数を分周器３７１で分周した周波数となる。本変形例においても矩形波信号を取り扱うため、移相器３７６として、デジタル移相器を使用できる。
【００６６】
なお、ＰＬＬ回路４４０のように、分周器３７１と位相比較器３７２との間に移相器３７６を設ける場合であって、かつ、分周器３７１を可変分周器と固定分周器の組合せで構成する場合には、図８に示すよう構成してもよい。図８は、移相器３７６の設置構成例を示す図である。この例では、固定分周器３８１と可変分周器３８２との間に移相器３７６が設けられる。
【００６７】
市販されているＰＬＬ ＩＣでは、一般に、可変分周器３８２はＩＣに内蔵されており、固定分周器３８１を外付けで構成することが多い。そこで、図７に示す分周器３７１と移相器３７６とを、図８に示すように構成することが好ましい。
【００６８】
（実施形態３）
図９は、本実施形態による電子レンジ９０１の外観図である。
【００６９】
電子レンジ９０１は、実施形態１による大電力高周波出力装置２００と、高周波発振器３８０と、アンテナ９０２とを備えている。大電力高周波出力装置２００の入力端子１０１（図１）は高周波発振器３８０と接続されており、高周波発振器３８０から出力される高周波電力信号を受け取る。また、大電力高周波出力装置２００の出力端子１０２（図１）はアンテナ９０２と接続されている。アンテナ９０２は、大電力高周波出力装置２００からの高周波電力を電子レンジ９０１の加熱庫内に出力する。加熱庫内の食品は、大電力高周波出力装置２００のアンテナ９０２から出力される大電力高周波によって加熱される。
【００７０】
上述のように、大電力高周波出力装置２００から出力される高周波電力信号の位相は、外部のシステム制御部１１０を介して設定された位相と一致するように制御されている。加熱庫内の食品に応じて、庫内の過熱電磁界分布が一様になるよう位相を制御することにより、どのような食品でも均一に加熱することができる。
【００７１】
また、食品の大きさや形状に応じて照射する高周波電力信号の位相を制御することにより、電子レンジの庫内の電磁界分布を自由に制御できる。食品の大きさや形状に応じて反射の少ない状態（送出した電力のほとんどが食品に吸収されている状態）を作り出すことにより、食品を高効率で加熱することが可能となる。よって、位相を制御していなかった従来のマグネトロンを用いた電子レンジでは実現し得なかった極めて高い省エネルギー化を実現できる。
【００７２】
なお、電子レンジ９０１の大電力高周波出力装置２００に代えて、実施形態２による高周波電力増幅装置３５０を採用することもできる。このとき、ＰＬＬ回路３７０のみならず、その変形例にかかるＰＬＬ回路４００、４２０および４４０のいずれを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の高周波電力増幅器は、高出力および大電力動作時の、増幅器出力における正確な位相の検出と制御の課題を、高出力および大電力で動作する移相器などの特殊な高価で大型な部品を使用することなく克服できる。よって、ＲＦ帯からマイクロ波帯の高周波の位相を制御して省エネルギー効果を発揮する通信機器や家電機器への展開が容易となり、産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】高周波電力増幅器１００の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１による高周波電力増幅器２００のブロック構成図である。
【図３】本発明の実施形態２による高周波電力増幅装置３５０の構成を示す図である。
【図４】ＰＬＬ回路３７０のブロック構成を示す図である。
【図５】第１の変形例によるＰＬＬ回路４００の構成を示す図である。
【図６】第２の変形例によるＰＬＬ回路４２０の構成を示す図である。
【図７】第３の変形例によるＰＬＬ回路４４０の構成を示す図である。
【図８】移相器３７６の設置構成例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態３による電子レンジ９０１の外観図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００、３００ 高周波電力増幅器
１０１ 入力端子
１０２ 出力端子
１０３ 入力電力分波器
１０４ 移相器
１０５ 電力増幅器
１０６ 出力電力分波器
１０７ 直交検波部
１０８ 位相検出部
１０９ 位相制御部
１１０ システム制御部
３５０ 高周波電力増幅装置
３６０ 基準信号発振器
３７０ ＰＬＬ回路
３８０ 高周波発振器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＲＦ帯からマイクロ波帯で動作する高周波電力増幅器に関する。より具体的には、高周波電力増幅器から出力される高周波電力信号の位相を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護が世界的に問題となっており、様々な産業分野において、省エネルギーを目的とした技術開発が活発化してきている。
【０００３】
たとえば大電力通信機器では、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などの高速動作と高耐圧および大電力密度を備えた高効率なパワー半導体デバイスが用いられ、省エネルギー化が進められている。
【０００４】
ＲＦ帯からマイクロ波帯の高周波を利用する、無線技術を応用した通信機器においては、高周波電力信号の周波数や位相を制御してシステムの効率を向上する技術が存在する。例えば、アダプティブ・アレー・アンテナなどを用いて、アンテナ指向性を制御して送信機および受信機の電力効率を向上させる技術は、その一例である。アンテナ指向性を利用して出力電力の位相を制御することにより、大電力で動作する通信システムでは顕著な省エネルギー効果を発揮することが可能になる。
【０００５】
従来、電力増幅器の変調波出力の一部を取り出し、直交復調分離した信号を、送信ベースバンド信号に負帰還することにより、電力増幅器出力の位相補正を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術では、増幅器の非線形性による位相の歪み成分を検出して変調信号に負帰還することによって、位相の歪み成分を補償する。これにより、増幅器の増幅効率は改善される。
【特許文献１】特開２０００−３１５９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
増幅器出力の位相を任意に制御するために上述のアダプティブ・アレー・アンテナを利用すると、複数のアンテナが必要になり、設備が大型化する傾向にある。よって、アダプティブ・アレー・アンテナはサイズ的な制約が大きいといえる。増幅器を備えた機器は種々の技術分野にわたって開発されているが、たとえば家電調理機器として小型化の要請が強い電子レンジには、アダプティブ・アレー・アンテナを採用することは困難である。したがって、このようなアダプティブ・アレー・アンテナは汎用性を欠く。
【０００７】
また、特許文献１の技術は小型化こそ可能であるが、位相の歪み成分を補償する技術であり、増幅器出力の位相を任意の位相に制御することはできない。
【０００８】
本発明の目的は、高出力かつ大電力動作時でも出力電力の位相を正確に検出し、任意の位相に制御可能な高周波電力増幅器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による高周波電力増幅器は、高周波電力信号を受け取る入力端子、前記高周波電力信号を増幅する増幅器、および、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子を有する高周波電力増幅器であって、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、前記入力端子と前記増幅器との間に設けられ、前記制御信号に基づいて、前記増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器とを備えている。
【００１０】
前記高周波電力増幅器は、前記入力端子と前記増幅器との間に配置されて、前記入力端子において受け取った前記高周波電力信号を分波する第１分波器と、前記増幅器と前記出力端子との間に配置されて、前記増幅器によって増幅された前記高周波電力信号を分波する第２分波器とをさらに備え、前記直交検波部は、前記第１分波器によって分波された、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記第２分波器によって分波された、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波してもよい。
【００１１】
前記第１分波器および前記第２分波器の少なくとも一方は方向性結合器であってもよい。
【００１２】
前記第１分波器は、抵抗分波器であってもよい。
【００１３】
本発明による高周波電力出力装置は、基準信号を出力する基準信号発振器と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記基準信号の位相と前記高周波電力信号の位相とを比較して、位相差に基づいて前記高周波発振器を制御することにより、前記位相差を小さくする位相ロックループ回路と、前記高周波電力信号を受け取って増幅し、出力する高周波電力増幅器とを備えており、前記高周波電力増幅器は、高周波電力信号を受け取る入力端子と、前記高周波電力信号を増幅する増幅器と、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子と、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部とを備えており、前記位相ロックループ回路は、前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相を比較する位相比較器と、前記制御信号に基づいて、前記位相比較器に入力される前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相の一方を変化させる移相器とを備えている。
【００１４】
本発明による電子レンジは、加熱庫と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記高周波電力信号を受け取る、上述の高周波電力増幅器と、前記高周波電力増幅器から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナとを備えている。
【００１５】
本発明による他の電子レンジは、加熱庫と、高周波電力信号を出力する高周波発振器と、前記高周波電力信号を受け取る、上述の高周波電力出力装置と、前記高周波電力出力装置から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナとを備えている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入力電力の一部で出力電力の一部を直交同期検波し、出力電力の位相を検出し、検出した出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報を基に、入力電力の移相量を決定して、移相器の移相量を制御する。これにより、高出力かつ大電力動作時でも、出力電力の位相を正確に検出し、制御できる。
【００１７】
たとえば、本発明による高周波電力増幅器を電子レンジなどの調理機器に採用すると、数百Ｗの高周波電力を食品に照射することによって食品を加熱する際、照射する高周波電力の信号の周波数や位相を変化させることにより、調理機器庫内の過熱電磁界分布を制御することが可能になる。これにより、どのような食品でも均一に加熱することができる。
【００１８】
また、照射する高周波電力信号の位相を制御することにより、電子レンジの庫内の電磁界分布を自由に制御できる。たとえば、食品の大きさや形状に応じた位相制御によって電磁界分布を制御することにより、反射の少ない状態（送出した電力のほとんどが食品に吸収されている状態）を作り出すことができる。これにより、食品を高効率で加熱することが可能となり、位相を制御していなかった従来のマグネトロンを用いた電子レンジでは実現し得なかった極めて高い省エネルギー化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施形態１）
以下、添付の図１を参照しながら、本発明による高周波電力増幅器の概念を説明する。その後、添付の図２を参照しながら、高周波電力増幅器の実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の高周波電力増幅器１００の基本構成を示すブロック図である。
【００２１】
高周波電力増幅器１００は、外部のシステム制御部１１０と接続されており、システム制御部１１０から設定位相情報を受け取る。高周波電力増幅器１００は、設定位相情報に基づいて出力する高周波電力信号の位相を制御する。
【００２２】
高周波電力増幅器１００は、入力端子１０１と、出力端子１０２と、分波器１０３と、移相器１０４と、電力増幅器１０５と、分波器１０６と、直交検波部１０７と、位相検出部１０８と、位相制御部１０９とを備えている。入力端子１０１、分波器１０３、移相器１０４、電力増幅器１０５、分波器１０６および出力端子１０２は、この順序で直列に接続されている。
【００２３】
高周波電力信号は、入力端子１０１、分波器１０３、移相器１０４を介して、電力増幅器１０５に入力され、電力増幅器１０５で増幅された高周波電力信号は、分波器１０６を介して、出力端子１０２より出力される。
【００２４】
入力端子１０１は、たとえば高周波電力増幅器１００の外部に設けられた高周波発振器（図示せず）と接続され、当該高周波発振器から高周波電力信号を受け取る。分波器１０３は入力された高周波電力信号を分波する。移相器１０４は高周波電力信号の位相を変化させる。
【００２５】
電力増幅器１０５は高周波電力信号を増幅する。分波器１０６は電力増幅器１０５の高周波出力電力を分波する。そして出力端子１０２は高周波電力信号を出力する。
【００２６】
分波器１０３によって分波された入力電力の一部と、分波器１０６で分波された出力電力の一部とは、それぞれ直交検波部１０７の入力に接続されている。直交検波部１０７は、入力高周波電力信号の一部を利用して、出力高周波電力信号の一部を直交検波する。このとき、出力高周波電力信号の一部と、入力高周波電力信号の一部の周波数は同一であるので、完全な同期検波となる。直交検波部１０７からは同相検波出力信号および直交検波出力信号が出力され、位相検出部１０８へ入力される。
【００２７】
直交検波部１０７の検波出力は位相検出部１０８に接続され、位相検出部１０８の出力は位相制御部１０９に接続されている。移相検出部１０８は、直交検波部１０７から入力された同相検波出力信号および直交検波出力信号より、位相を検出する。位相検出部１０８は、検出された位相を示す位相検出情報を、位相制御部１０９へ出力する。
【００２８】
位相制御部１０９は、位相検出部１０８から入力された出力電力の位相情報と、外部のシステム制御部１１０から入力された、設定位相情報より、移相器１０４での移相量を決定し、移相器１０４の移相量制御入力端子に制御信号を出力する。位相制御部１０９の出力は移相器１０４の移相量制御信号入力端子に接続されている。
【００２９】
移相器１０４は、位相制御部１０９から入力された制御信号に応じて、入力電力の位相を変化させる。
【００３０】
上述の高周波電力増幅器１００の構成によれば、入力電力の一部で出力電力の一部が直交同期検波されて、出力電力の位相が検出される。移相器１０４は、検出された出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報に基づいて、入力電力の移相量を決定し、移相器１０４が移相量を制御する。よって、高出力かつ大電力動作時でも、電力増幅器の出力電力の位相を、正確に検出し、制御できる、高周波電力増幅器を実現することができる。
【００３１】
続いて、図１に示す高周波電力増幅器１００のより具体的な構成を説明する。
【００３２】
図２は、本実施形態による高周波電力増幅器２００のブロック構成図である。
【００３３】
高周波電力増幅器２００は、入力端子２０１と、出力端子２０２と、分波器２０３と、移相器２０４と、電力増幅器２０５と、方向性結合器２０６と、直交検波部２０７と、位相検出部２０８と、位相制御部２０９と、出力分波電力低域通過フィルタ２１０と、出力分波電力増幅器２１１と、入力分波電力低域通過フィルタ２１２と、入力分波電力増幅器２１３と、設定位相情報入力端子２２２とを備えている。
【００３４】
直交検波部２０７は、π／２移相器２１４、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６を有している。
【００３５】
位相検波部２０８は、同相（Ｉ）側アナログ−デジタル変換器２１７、直交（Ｑ）側アナログ−デジタル変換器２１８および位相検出演算部２１９を有している。
【００３６】
位相制御部２０９は、位相制御演算部２２０およびデジタル−アナログ変換器２２１を有している。
【００３７】
ここで、図２では、電力増幅器２０５は１つだけ示されているが、これは例である。高出力かつ大電力の出力電力を得るために、電力増幅器２０５を複数設け、多段直列接続や並列的に合成して構成してもよい。また、方向性結合器２０６は、２本の平行なマイクロストリップ線路による誘導結合を利用した回路である。方向性結合器２０６は、電力増幅器２０５から出力端子２０２へ出力される順方向電力の一部を分波するように構成されている。
【００３８】
入力端子２０１から入力された入力電力は、分波器２０３、移相器２０４を介して電力増幅器２０５に入力される。電力増幅器２０５で増幅された出力電力は、方向性結合器２０６を介して、出力端子２０２より出力される。
【００３９】
分波器２０３、移相器２０４、電力増幅器２０５および方向性結合器２０６の各構成は周知である。
【００４０】
たとえば移相器２０４は、複数ビットステップ可変型移相器や、連続可変型移相器を用いることができる。
【００４１】
複数ビットステップ可変型移相器（たとえば３ビットステップ可変型移相器）は、デジタル制御において用いられ、経路切換えの組合せで、ステップ的に数段階の移相量を制御する。移相量は、外部から入力された移相量を示す制御信号に基づいて決定される。
【００４２】
一方、連続可変型移相器はアナログ電圧制御に用いられ、たとえば伝送線を用いたローデッドライン型移相器と、９０°ハイブリッドカプラを用いたハイブリッド結合型移相器として知られている。いずれも、バラクタダイオードの逆バイアス電圧を変化させることにより、２つの共振回路での反射位相を変化させ、入力−出力間の挿入移相を変化させる。挿入移相の変化量は外部から入力された移相量を示す制御信号に基づいて決定される。
【００４３】
また、分波器２０３として、方向性結合器を用いてもよいし、他の構成を用いてもよい。たとえば、抵抗分波器、サーキュレーター、ハイブリッドカプラのいずれを用いてもよい。サーキュレーターは磁石を用いた高周波受動素子であり、ハイブリッド・カプラはマイクロストリップ線路による位相操作により、方向性結合器と同様の出力を得る回路要素である。方向性結合器２０６についても同様に、分波器２０３と独立して構成を決定することができる。
【００４４】
方向性結合器２０６で分波された、出力電力の一部は、出力分波電力低域通過フィルタ２１０に入力される。出力分波電力低域通過フィルタ２１０は、入力端子２０１より入力される入力電力の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。出力分波電力低域通過フィルタ２１０で高調波成分を抑圧された出力分波電力は、出力分波電力増幅器２１１によって、後段の直交検波部２０７で直交検波するのに十分な電力まで増幅されたのち、直交検波部２０７へ入力される。直交検波部２０７へ入力された出力分波電力は、２分配され、それぞれ、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６へ入力される。なお、出力分波電力が直交検波するのに十分であり、増幅の必要が無い場合は、出力分波電力増幅器２１１は省いてもよい。
【００４５】
一方、分波器２０３で分配された入力電力の一部は、入力分波電力低域通過フィルタ２１２に入力される。入力分波電力低域通過フィルタ２１２は、前述の出力分波電力低域通過フィルタ２１０と同様の特性を持ち、入力端子２０１より入力される入力電力の高調波を抑圧するよう遮断周波数が決められている。入力分波電力低域通過フィルタ２１２で高調波成分を抑圧された入力分波電力は、入力分波電力増幅器２１３によって、後段の直交検波部２０７で直交検波するのに十分な電力まで増幅されたのち、直交検波部２０７へ入力される。なお、入力分波電力が直交検波するのに十分であり、増幅の必要が無い場合は、入力分波電力増幅器２１３は省いてもよい。
【００４６】
直交検波部２０７へ入力された入力分波電力は、π／２移相器２１４に入力され、入力された入力分波電力に対して、同相の同相入力分波電力と、π／２だけ位相ａシフトした直交入力分波電力が出力される。同相入力分波電力は同相（Ｉ）側ミキサー２１５へ、直交入力分波電力は直交（Ｑ）側ミキサー２１６へそれぞれ入力される。
【００４７】
同相（Ｉ）側ミキサー２１５は、出力分波電力を、π／２移相器２１４から入力された同相入力分波電力と積算することによる検波、即ち、出力分波電力を同相入力分波電力で同期検波し、２つの入力信号の乗算結果として、同相（Ｉ）成分検波信号が出力され、位相検出部２０８へ入力される。同様に、直交（Ｑ）側ミキサー２１６は、出力分波電力を、π／２移相器２１４から入力された直交入力分波電力で同期検波し、直交（Ｑ）成分検波信号が出力され、位相検出部２０８へ入力される。このとき、図２には示していないが、同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号のＳ／Ｎ比を向上する目的で、同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６のそれぞれの出力に低域通過フィルタを配置してもよい。
【００４８】
直交検波部２０７の同相（Ｉ）側ミキサー２１５および直交（Ｑ）側ミキサー２１６より出力され、位相検出部２０８へ入力された同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号は、それぞれ、同相（Ｉ）アナログ−デジタル変換器２１７および直交（Ｑ）アナログ−デジタル変換器２１８へ入力され、デジタル信号に変換されて、位相検出演算部２１９へ入力される。
【００４９】
位相検出演算部２１９は、出力分波電力を入力分波電力で直交同期検波して得られた同相（Ｉ）成分検波信号および直交（Ｑ）成分検波信号より、出力分波電力の位相をデジタル演算により算出し、演算により算出した出力分波電力の位相情報を位相制御部２０９に出力する。
【００５０】
設定位相情報入力端子２２２には、外部のシステム制御部２２３より、設定したい位相情報を表す、設定位相情報が入力される。設定位相情報入力端子２２２より入力された設定位相情報は、位相制御部２０９に入力される。
【００５１】
位相検出部２０８の位相検出演算部２１９より出力され、位相制御部２０９へ入力された、出力分波電力の位相情報、および、設定位相情報入力端子２２２より位相制御部２０９へ入力された設定位相情報は、それぞれ位相制御演算部２２０へ入力される。位相制御演算部２２０は、出力分波位相情報と設定位相情報に基づき、移相器２０４で変化させる移相量を決定し、デジタル−アナログ変換器２２１でアナログ電圧信号に変換して、移相器２０４に出力する。このとき、位相制御演算部２２０は、出力分波位相情報と設定位相情報により、両位相の位相差を算出し、位相差を零にするように移相器２０４を制御する。
【００５２】
上記したように、本実施形態では、入力電力の一部で出力電力の一部を直交同期検波し、出力電力の位相を検出し、検出した出力電力の位相情報と、外部から入力された設定位相情報を基に、入力電力の移相量を決定して、移相器の移相量を制御する。本実施形態による高周波電力増幅器は、電力増幅器が高出力かつ大電力動作により、増幅器出力電力の非線形位相歪みが発生した場合でも、また、電力増幅器の製造バラツキや、動作状態や温度などによりＡＭ−ＰＭ特性の変動が大きい場合でも、電力増幅器の出力電力の位相を、正確に検出し、外部より設定した任意の位相に制御することができる。
【００５３】
（実施形態２）
本実施形態においては、図１に示す移相器１０４に代えて、高周波電力増幅器の外部に位相ロックループ（ＰＬＬ）回路を設けた構成を説明する。
【００５４】
図３は、本実施形態による高周波電力増幅装置３５０の構成を示す。図３において、図１に示す構成要素と同じ機能を有する構成要素には、同じ参照符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
高周波電力増幅装置３５０は、基準信号発振器３６０と、ＰＬＬ回路３７０と、高周波発振器３８０と、高周波電力増幅器３００とを備えている。
【００５６】
高周波電力増幅器３００と実施形態１による高周波電力増幅器１００（図１）との差異は、高周波電力増幅器３００には移相器１０４が設けられていないこと、および、位相制御部１０９からの位相制御信号が、ＰＬＬ回路３７０にフィードバックされる点にある。
【００５７】
ＰＬＬ回路３７０は、ＴＣＸＯなどの基準信号発振器３６０の出力信号の位相と、ＶＣＯなどの高周波発振器３８０の出力信号の位相とを比較し、差分に対応する差分信号を出力して高周波発振器３８０を制御し、両出力信号の位相差が小さく（たとえばゼロに）なるようにフィードバックするループである。
【００５８】
図４は、ＰＬＬ回路３７０のブロック構成を示す図である。ＰＬＬ回路３７０は、分周器３７１および３７４と、位相比較器３７２と、積分器３７３とを有している。位相比較器３７２は、基準信号発振器３６０からの基準信号を分周器３７１で分周した信号と、高周波発振器３８０からの高周波信号を分周器３７４で分周した信号とを比較する。このとき、両者の信号の周波数が同じになるように、分周器３７１および３７４の分周数を決定することが可能である。
【００５９】
本実施形態においては、位相比較器３７２において位相を比較する前に、位相制御部１０９からの位相制御信号を利用して基準信号発振器３６０から出力された信号の位相を強制的に変化させる。その結果、ＰＬＬ回路３７０においてロックされる位相が変化して、高周波発振器の出力信号の位相を変化させることができる。
【００６０】
次に、図５〜７を参照しながら、ＰＬＬ回路の構成の変形例を説明する。
【００６１】
図５は、第１の変形例によるＰＬＬ回路４００の構成を示す。図４に示すＰＬＬ回路３７０との相違点は、ＰＬＬ回路４００は、高周波発振器３８０からＰＬＬ回路４００内の分周器３７４へのフィードバック経路上に移相器３７５を有していることにある。
【００６２】
移相器３７５は分周器３７４への入力前に配置されており、位相制御部１０９からの位相制御信号を受け取る。そしてその位相制御信号に基づいて、フィードバック信号の位相を制御する。なお移相器３７５の動作周波数は高周波発振器３８０の出力周波数となる。
【００６３】
図６は、第２の変形例によるＰＬＬ回路４２０の構成を示す。図５に示すＰＬＬ回路４００との相違点は、分周器３７４および移相器３７５の位置を入れ替えたことにある。高周波発振器３８０からＰＬＬ回路４２０へのフィードバック経路上、分周器３７４と位相比較器３７２との間に移相器３７５が配置されている。移相器３７５は、位相制御部１０９からの位相制御信号に基づいて、フィードバック信号の位相を制御する。なお、移相器３７５の動作周波数は、高周波発振器３８０の出力周波数を分周器３７４で分周した周波数となる。
【００６４】
図６に示す構成によれば矩形波信号を取り扱うため、移相器３７５として、デジタル移相器を使用できる。
【００６５】
図７は、第３の変形例によるＰＬＬ回路４４０の構成を示す。図４に示すＰＬＬ回路３７０との相違点は、ＰＬＬ回路４４０は、基準信号発振器３６０の分周器３７１と位相比較器３７２の間に移相器３７６を配置したことにある。移相器３７６は、位相制御部１０９からの位相制御信号に基づいて、基準信号の位相を制御する。なお、移相器３７６の動作周波数は基準信号発振器３６０の出力周波数を分周器３７１で分周した周波数となる。本変形例においても矩形波信号を取り扱うため、移相器３７６として、デジタル移相器を使用できる。
【００６６】
なお、ＰＬＬ回路４４０のように、分周器３７１と位相比較器３７２との間に移相器３７６を設ける場合であって、かつ、分周器３７１を可変分周器と固定分周器の組合せで構成する場合には、図８に示すよう構成してもよい。図８は、移相器３７６の設置構成例を示す図である。この例では、固定分周器３８１と可変分周器３８２との間に移相器３７６が設けられる。
【００６７】
市販されているＰＬＬ ＩＣでは、一般に、可変分周器３８２はＩＣに内蔵されており、固定分周器３８１を外付けで構成することが多い。そこで、図７に示す分周器３７１と移相器３７６とを、図８に示すように構成することが好ましい。
【００６８】
（実施形態３）
図９は、本実施形態による電子レンジ９０１の外観図である。
【００６９】
電子レンジ９０１は、実施形態１による大電力高周波出力装置２００と、高周波発振器３８０と、アンテナ９０２とを備えている。大電力高周波出力装置２００の入力端子１０１（図１）は高周波発振器３８０と接続されており、高周波発振器３８０から出力される高周波電力信号を受け取る。また、大電力高周波出力装置２００の出力端子１０２（図１）はアンテナ９０２と接続されている。アンテナ９０２は、大電力高周波出力装置２００からの高周波電力を電子レンジ９０１の加熱庫内に出力する。加熱庫内の食品は、大電力高周波出力装置２００のアンテナ９０２から出力される大電力高周波によって加熱される。
【００７０】
上述のように、大電力高周波出力装置２００から出力される高周波電力信号の位相は、外部のシステム制御部１１０を介して設定された位相と一致するように制御されている。加熱庫内の食品に応じて、庫内の過熱電磁界分布が一様になるよう位相を制御することにより、どのような食品でも均一に加熱することができる。
【００７１】
また、食品の大きさや形状に応じて照射する高周波電力信号の位相を制御することにより、電子レンジの庫内の電磁界分布を自由に制御できる。食品の大きさや形状に応じて反射の少ない状態（送出した電力のほとんどが食品に吸収されている状態）を作り出すことにより、食品を高効率で加熱することが可能となる。よって、位相を制御していなかった従来のマグネトロンを用いた電子レンジでは実現し得なかった極めて高い省エネルギー化を実現できる。
【００７２】
なお、電子レンジ９０１の大電力高周波出力装置２００に代えて、実施形態２による高周波電力増幅装置３５０を採用することもできる。このとき、ＰＬＬ回路３７０のみならず、その変形例にかかるＰＬＬ回路４００、４２０および４４０のいずれを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の高周波電力増幅器は、高出力および大電力動作時の、増幅器出力における正確な位相の検出と制御の課題を、高出力および大電力で動作する移相器などの特殊な高価で大型な部品を使用することなく克服できる。よって、ＲＦ帯からマイクロ波帯の高周波の位相を制御して省エネルギー効果を発揮する通信機器や家電機器への展開が容易となり、産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】高周波電力増幅器１００の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１による高周波電力増幅器２００のブロック構成図である。
【図３】本発明の実施形態２による高周波電力増幅装置３５０の構成を示す図である。
【図４】ＰＬＬ回路３７０のブロック構成を示す図である。
【図５】第１の変形例によるＰＬＬ回路４００の構成を示す図である。
【図６】第２の変形例によるＰＬＬ回路４２０の構成を示す図である。
【図７】第３の変形例によるＰＬＬ回路４４０の構成を示す図である。
【図８】移相器３７６の設置構成例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態３による電子レンジ９０１の外観図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００、３００ 高周波電力増幅器
１０１ 入力端子
１０２ 出力端子
１０３ 入力電力分波器
１０４ 移相器
１０５ 電力増幅器
１０６ 出力電力分波器
１０７ 直交検波部
１０８ 位相検出部
１０９ 位相制御部
１１０ システム制御部
３５０ 高周波電力増幅装置
３６０ 基準信号発振器
３７０ ＰＬＬ回路
３８０ 高周波発振器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力信号を受け取る入力端子、前記高周波電力信号を増幅する増幅器、および、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子を有する高周波電力増幅器であって、
前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、
前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、
外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、
前記入力端子と前記増幅器との間に設けられ、前記制御信号に基づいて、前記増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器と
を備えた、高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記入力端子と前記増幅器との間に配置されて、前記入力端子において受け取った前記高周波電力信号を分波する第１分波器と、
前記増幅器と前記出力端子との間に配置されて、前記増幅器によって増幅された前記高周波電力信号を分波する第２分波器と
をさらに備え、
前記直交検波部は、前記第１分波器によって分波された、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記第２分波器によって分波された、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波する、請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記第１分波器および前記第２分波器の少なくとも一方は方向性結合器である、請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記第１分波器が、抵抗分波器である、請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
基準信号を出力する基準信号発振器と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記基準信号の位相と前記高周波電力信号の位相とを比較して、位相差に基づいて前記高周波発振器を制御することにより、前記位相差を小さくする位相ロックループ回路と、
前記高周波電力信号を受け取って増幅し、出力する高周波電力増幅器と
を備えた高周波電力出力装置であって、
前記高周波電力増幅器は、
高周波電力信号を受け取る入力端子と、
前記高周波電力信号を増幅する増幅器と、
増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子と、
前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、
前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、
外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と
を備えており、
前記位相ロックループ回路は、
前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相を比較する位相比較器と、
前記制御信号に基づいて、前記位相比較器に入力される前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相の一方を変化させる移相器と
を備えた、高周波電力出力装置。
【請求項６】
加熱庫と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記高周波電力信号を受け取る、請求項１に記載の高周波電力増幅器と、
前記高周波電力増幅器から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナと
を備えた、電子レンジ。
【請求項７】
加熱庫と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記高周波電力信号を受け取る、請求項５に記載の高周波電力出力装置と、
前記高周波電力出力装置から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナと
を備えた、電子レンジ。
【請求項１】
高周波電力信号を受け取る入力端子、前記高周波電力信号を増幅する増幅器、および、増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子を有する高周波電力増幅器であって、
前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、
前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、
外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と、
前記入力端子と前記増幅器との間に設けられ、前記制御信号に基づいて、前記増幅器に入力される高周波電力信号の位相を変化させる移相器と
を備えた、高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記入力端子と前記増幅器との間に配置されて、前記入力端子において受け取った前記高周波電力信号を分波する第１分波器と、
前記増幅器と前記出力端子との間に配置されて、前記増幅器によって増幅された前記高周波電力信号を分波する第２分波器と
をさらに備え、
前記直交検波部は、前記第１分波器によって分波された、前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記第２分波器によって分波された、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波する、請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
前記第１分波器および前記第２分波器の少なくとも一方は方向性結合器である、請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記第１分波器が、抵抗分波器である、請求項２に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
基準信号を出力する基準信号発振器と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記基準信号の位相と前記高周波電力信号の位相とを比較して、位相差に基づいて前記高周波発振器を制御することにより、前記位相差を小さくする位相ロックループ回路と、
前記高周波電力信号を受け取って増幅し、出力する高周波電力増幅器と
を備えた高周波電力出力装置であって、
前記高周波電力増幅器は、
高周波電力信号を受け取る入力端子と、
前記高周波電力信号を増幅する増幅器と、
増幅された前記高周波電力信号を出力する出力端子と、
前記増幅器に入力される高周波電力信号に基づいて、前記増幅器から出力された高周波電力信号を直交検波し、同相検波出力信号および直交検波出力信号を出力する直交検波部と、
前記同相検波出力信号および前記直交検波出力信号に基づいて前記増幅器から出力された高周波電力信号の位相を検出し、位相情報を出力する位相検出部と、
外部から受け取った、設定すべき位相を示す設定位相情報および前記位相検出部から出力された前記位相情報に基づいて、位相を変化させるための制御信号を生成する位相制御部と
を備えており、
前記位相ロックループ回路は、
前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相を比較する位相比較器と、
前記制御信号に基づいて、前記位相比較器に入力される前記基準信号の位相および前記高周波電力信号の位相の一方を変化させる移相器と
を備えた、高周波電力出力装置。
【請求項６】
加熱庫と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記高周波電力信号を受け取る、請求項１に記載の高周波電力増幅器と、
前記高周波電力増幅器から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナと
を備えた、電子レンジ。
【請求項７】
加熱庫と、
高周波電力信号を出力する高周波発振器と、
前記高周波電力信号を受け取る、請求項５に記載の高周波電力出力装置と、
前記高周波電力出力装置から出力された高周波電力信号を受け取り、前記加熱庫内に出力するアンテナと
を備えた、電子レンジ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−４４５３（Ｐ２０１０−４４５３Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６３２１５（Ｐ２００８−１６３２１５）
【出願日】平成２０年６月２３日（２００８．６．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２３日（２００８．６．２３）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]