JP2014212469A - Microwave power oscillator and output control method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microwave power oscillator capable of adjusting its output by itself.SOLUTION: The microwave power oscillator includes a semiconductor element 12 and a positive feedback circuit 14 that has a resonator 30 and positively feeds back an output of a semiconductor element to an input, and performs oscillation by self-oscillation of the semiconductor element and adjusts average output power of the semiconductor element 12 by changing a duty ratio of an input of the semiconductor 12 with a pulse controller 20.

Description

本発明は、マイクロ波を発振すると共にその出力を調整することができるマイクロ波電力発振器及びその出力制御方法に関する。   The present invention relates to a microwave power oscillator capable of oscillating microwaves and adjusting the output thereof, and an output control method thereof.

従来、マイクロ波電力発振器としては、小信号を発振する発振器が一般的であり、その出力を調整するためには、発振器に多段のアンプを接続し、信号を増幅すると共に、発振器とアンプとの間に可変アッテネータを挿入し、小信号の減衰の調整を行うことで、出力電力を変化させることが一般的に行われている（例えば、特許文献１〜４）。   Conventionally, as a microwave power oscillator, an oscillator that oscillates a small signal is generally used, and in order to adjust its output, a multi-stage amplifier is connected to the oscillator to amplify the signal, and between the oscillator and the amplifier. It is generally performed to change output power by inserting a variable attenuator between them and adjusting the attenuation of a small signal (for example, Patent Documents 1 to 4).

または、最終段のアンプを構成する半導体素子に印加するドレイン電圧を変化させることにより、出力電圧を変化させることも知られている（例えば、特許文献４）   Alternatively, it is also known to change the output voltage by changing the drain voltage applied to the semiconductor element constituting the final-stage amplifier (for example, Patent Document 4).

特開２００４−３１２１２６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-312126 特開２００５−４５４７１号公報JP-A-2005-45471 特開２０１０−７４７４２号公報JP 2010-74742 A 特開２００３−２２９７２９号公報JP 2003-229729 A

しかしながら、上記従来の方式では、信号を増幅するための多段アンプ、出力電力を可変させるための可変アッテネータといった多数の部品を用いることにより、部品自体にかかる電力によって、電力付加効率（ＰＡＥ）が悪くなり、さらに大電力のマイクロ波を出力する場合には、最終段のアンプにより出力を増幅させる関係で、出力電圧を絞った場合の電力付加効率（ＰＡＥ）が悪くなる、という問題がある。   However, in the conventional method, the power added efficiency (PAE) is deteriorated due to the power applied to the component itself by using a large number of components such as a multi-stage amplifier for amplifying the signal and a variable attenuator for varying the output power. Thus, when a higher power microwave is output, there is a problem that the power added efficiency (PAE) when the output voltage is reduced is deteriorated because the output is amplified by the amplifier in the final stage.

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、マイクロ波電力発振器自体でその出力を調整することができるマイクロ波電力発振器及びその出力制御方法を提供することをその目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a microwave power oscillator and an output control method thereof that can adjust the output of the microwave power oscillator itself.

上記目的を達成するために、本発明によるマイクロ波電力発振器は、半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うと共に、半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a microwave power oscillator according to the present invention comprises a semiconductor element and a positive feedback circuit that has a resonator and positively feeds back the output of the semiconductor element to an input, Oscillation is performed by oscillation, and the output of the semiconductor element is adjusted by changing the duty ratio of the input of the semiconductor element.

半導体素子の入力に対してパルス変調を行うことで、デューティ比を変化させるパルス制御回路を備えるとよい。   A pulse control circuit for changing the duty ratio by performing pulse modulation on the input of the semiconductor element may be provided.

パルス制御回路は、デューティ比でオン・オフするパルス波を生成するものであり、そのパルス波の電圧は、半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応するとよい。   The pulse control circuit generates a pulse wave that is turned on / off at a duty ratio, and the voltage of the pulse wave may correspond to a bias voltage for the operation of the semiconductor element.

また、パルス制御回路で生成されるパルス波の電圧の絶対値は、初期時に半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応し、その後は小さくなるようにすることができる。   Further, the absolute value of the voltage of the pulse wave generated by the pulse control circuit corresponds to the bias voltage for the operation of the semiconductor element at the initial stage, and can be reduced thereafter.

また、半導体素子は、複数個の半導体素子が並列に接続されたものであることができる。   Further, the semiconductor element can be a plurality of semiconductor elements connected in parallel.

また、本発明によるマイクロ波電力発振器の出力制御方法は、半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うマイクロ波電力発振器に対して、その半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とする。   The output control method of the microwave power oscillator according to the present invention includes a semiconductor element and a positive feedback circuit that has a resonator and positively feeds back the output of the semiconductor element to the input. The output of the semiconductor element is adjusted by changing the duty ratio of the input of the semiconductor element to the microwave power oscillator that performs oscillation.

本発明によれば、自励発振する半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、自励発振する半導体素子の出力自体を調整することができる。また、デューティ比を広い範囲で調整することにより、出力を広い範囲で調整することができる。また、特に大電力の信号を出力する場合に、デューティ比を変化させることによって出力を調整することにより、従来のアンプによる出力調整のように最終段のアンプにより出力を増幅する場合に比べて、出力電圧を絞った場合でも電力付加効率（ＰＡＥ）が一定とできる。また、デューティ比に従い半導体素子の入力をオン・オフさせることにより、高効率の電力発振器とすることができる。   According to the present invention, by changing the duty ratio of the input of the semiconductor element that self-oscillates, the output itself of the semiconductor element that self-oscillates can be adjusted. Further, by adjusting the duty ratio in a wide range, the output can be adjusted in a wide range. Also, especially when outputting a high-power signal, by adjusting the output by changing the duty ratio, compared to the case where the output is amplified by the final stage amplifier as in the case of output adjustment by a conventional amplifier, Even when the output voltage is reduced, the power added efficiency (PAE) can be kept constant. Further, by turning on / off the input of the semiconductor element according to the duty ratio, a highly efficient power oscillator can be obtained.

本発明の実施形態によるマイクロ波電力発振器の概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a microwave power oscillator according to an embodiment of the present invention. 図１のマイクロ波電力発振器の回路図である。It is a circuit diagram of the microwave power oscillator of FIG. パルス制御回路２０の生成パルスのデューティ比、出力電流、平均出力電力の関係を表すタイムチャートである。3 is a time chart showing a relationship among a duty ratio of a generated pulse of the pulse control circuit 20, an output current, and an average output power. デューティ比と出力電力との関係を表すグラフである。It is a graph showing the relationship between a duty ratio and output electric power. 本発明の第２の実施形態によるマイクロ波電力発振器の概略図である。It is the schematic of the microwave power oscillator by the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態によるパルス制御回路の生成パルスの波形例を表す。10 illustrates an example of a waveform of a generated pulse of a pulse control circuit according to a third embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１及び図２に示すように、本実施形態によるマイクロ波電力発振器１０は、大まかに、アンプとなる半導体素子１２と、半導体素子１２に対して正帰還を行う正帰還回路１４と、半導体素子１２の入力側と出力側にそれぞれ設けられる入力整合回路１６と出力整合回路１８と、半導体素子１２の入力側に設けられるパルス制御回路２０と、半導体素子１２の出力側に設けられて反射等を阻止するアイソレータ２２と、半導体素子１２への給電を行う電源回路２４と、を備える。   As shown in FIGS. 1 and 2, the microwave power oscillator 10 according to the present embodiment roughly includes a semiconductor element 12 serving as an amplifier, a positive feedback circuit 14 that performs positive feedback on the semiconductor element 12, and a semiconductor element. 12, input matching circuit 16 and output matching circuit 18 provided on the input side and output side, pulse control circuit 20 provided on the input side of semiconductor element 12, reflection provided on the output side of semiconductor element 12, etc. An isolator 22 for blocking and a power supply circuit 24 for supplying power to the semiconductor element 12 are provided.

半導体素子１２は、マイクロ波信号を発振できるものとして、ＬＤＭＯＳＦＥＴ，ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮＦＥＴ等のＦＥＴを例示することができる。以下、半導体素子１２をＦＥＴ１２としても説明する。   Examples of the semiconductor element 12 that can oscillate a microwave signal include FETs such as LDMOSFETs, GaAsFETs, and GaNFETs. Hereinafter, the semiconductor element 12 is also described as the FET 12.

正帰還回路１４は、半導体素子１２の出力を入力に正帰還するもので、共振器３０と、位相の調整を行う移相器３２を備える。共振器３０は、ＬＣ共振器や誘電体共振器によって構成され、共振周波数がマイクロ波帯（３００ＭＨｚ〜４０ＧＨｚ、例えば、２．４５ＧＨｚ）の周波数で調整されている。尚、共振器３０の共振周波数は可変とすることも可能である。正帰還回路１４によって、半導体素子１２は、共振器３０によって決まる共振周波数で自励発振することになる。   The positive feedback circuit 14 positively feeds back the output of the semiconductor element 12 to the input, and includes a resonator 30 and a phase shifter 32 that adjusts the phase. The resonator 30 is configured by an LC resonator or a dielectric resonator, and the resonance frequency is adjusted at a frequency in a microwave band (300 MHz to 40 GHz, for example, 2.45 GHz). Note that the resonance frequency of the resonator 30 can be variable. The positive feedback circuit 14 causes the semiconductor element 12 to self-oscillate at a resonance frequency determined by the resonator 30.

パルス制御回路２０は、半導体素子１２の入力に対してパルス変調を行うもので、ＦＥＴ１２のゲート電圧をピンチオフ電圧と定常電圧になるように制御する。具体的には、外部からの指令信号を受けて、指令信号に対応するデューティ比に従ってオン・オフするパルス波を生成する。パルス波の繰り返し周波数は、任意の値とすることができる。   The pulse control circuit 20 performs pulse modulation on the input of the semiconductor element 12, and controls the gate voltage of the FET 12 to be a pinch-off voltage and a steady voltage. Specifically, it receives a command signal from the outside and generates a pulse wave that is turned on / off according to a duty ratio corresponding to the command signal. The repetition frequency of the pulse wave can be an arbitrary value.

以上のように構成されるマイクロ波電力発振器１０においては、図３に示すように、パルス制御回路２０によって生成され指令信号に対応するデューティ比でオン・オフするパルス波（図３（ａ））によってＦＥＴ１２のゲート電圧をパルス変調する。   In the microwave power oscillator 10 configured as described above, as shown in FIG. 3, a pulse wave generated by the pulse control circuit 20 and turned on / off at a duty ratio corresponding to the command signal (FIG. 3A). To pulse-modulate the gate voltage of the FET 12.

これによって、ＦＥＴ１２は間歇的に発振を行うことになり（図３（ｂ））、平均出力電圧がデューティ比によって変化する（図３（ｃ））。   As a result, the FET 12 oscillates intermittently (FIG. 3B), and the average output voltage changes depending on the duty ratio (FIG. 3C).

この平均出力電圧は、図４に示すように、パルス繰り返し周波数にはほとんど依存せずに、線形に変化するため、指令信号に応じて精度良い制御が可能となる。   As shown in FIG. 4, the average output voltage hardly changes depending on the pulse repetition frequency and changes linearly, so that accurate control can be performed according to the command signal.

これに対して、仮にドレイン電圧またはゲート電圧を制御することで出力電圧を制御しようとする場合、電圧を下げすぎると、発振が不安定になるため、可変できる電力の範囲が制限される。また、ドレイン電圧は比較的高く大電流も流れるため、制御回路が複雑になるという問題がある。これに対して、本実施形態では、ゲート電圧のデューティ比をほぼ０％から１００％まで変化させることができ、可変できる電力の範囲を広げることができ、且つ、パルス制御回路２０で生成されるパルス波の電圧は、ＦＥＴ１２が発振する前の最低限のバイアス電圧で良いため、比較的低くてよく、構成も簡単である。   On the other hand, if the output voltage is controlled by controlling the drain voltage or the gate voltage, if the voltage is lowered too much, the oscillation becomes unstable, and the range of power that can be varied is limited. Further, since the drain voltage is relatively high and a large current flows, there is a problem that the control circuit becomes complicated. On the other hand, in this embodiment, the duty ratio of the gate voltage can be changed from approximately 0% to 100%, the range of power that can be varied can be expanded, and the pulse control circuit 20 generates the duty ratio. Since the voltage of the pulse wave may be a minimum bias voltage before the FET 12 oscillates, it may be relatively low and the configuration is simple.

また、パルス波がオフの間には電流は全く流れていないために、その区間の消費電力を節約することができて、より一層、効率を良好にすることができる。   In addition, since no current flows while the pulse wave is off, power consumption in that section can be saved, and efficiency can be further improved.

また、１つの半導体素子１２で構成することができるので、構成が簡単で小型化が可能である。但し、このマイクロ波電力発振器１０の後段に１つ以上のアンプを接続することにより、さらに大電力を出力するようにしてもよい。   Moreover, since it can be comprised with the one semiconductor element 12, a structure is simple and size reduction is possible. However, more power may be output by connecting one or more amplifiers downstream of the microwave power oscillator 10.

図５は、本発明の第２の実施形態によるマイクロ波電力発振器１０を表す図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating a microwave power oscillator 10 according to the second embodiment of the present invention.

この実施形態では、半導体素子１２を複数個、並列に接続して、複数個の半導体素子１２の合成出力を、正帰還回路１４によって合成入力したものである。このように、複数個の半導体素子を並列接続することによって、出力電力を、１個の半導体素子１２の場合の複数倍にすることが可能である。   In this embodiment, a plurality of semiconductor elements 12 are connected in parallel, and a combined output of the plurality of semiconductor elements 12 is combined and input by a positive feedback circuit 14. In this way, by connecting a plurality of semiconductor elements in parallel, the output power can be increased several times as compared with the case of one semiconductor element 12.

図６は、本発明の第３の実施形態を表す図である。   FIG. 6 is a diagram illustrating a third embodiment of the present invention.

この実施形態では、パルス制御回路２０によって生成されるパルス波を矩形波ではなく、初期時に瞬間的に高く、その後に低くなる変形波としている。初期時の電圧の絶対値をＦＥＴ１２の動作のためのバイアス電圧に対応させて、ＦＥＴ１２を確実に発振させ、発振後のパルス波の電圧の絶対値を低くして、効率を向上させるようにしてもよい。   In this embodiment, the pulse wave generated by the pulse control circuit 20 is not a rectangular wave but a deformed wave that is instantaneously high at the initial stage and then low. By making the absolute value of the voltage at the initial time correspond to the bias voltage for the operation of the FET 12, the FET 12 is reliably oscillated, the absolute value of the voltage of the pulse wave after oscillation is lowered, and the efficiency is improved. Also good.

以上のように、上記各実施形態によるマイクロ波電力発振器は、間歇的な出力で良く、且つ平均出力電圧で動作を決めることができる応用に好適であり、例えば、マイクロ波加熱に適している。上述のように精度良く平均出力電圧を制御することができるので、例えば、マイクロ波加熱に用いる場合に、その加熱自体を精度良く制御することができる。よって、マイクロ波加熱を用いて、冷凍品の解凍、発酵食品の発酵、薬品・化粧品の合成等に用いる場合にも好適である。   As described above, the microwave power oscillator according to each of the embodiments described above is suitable for applications that can have intermittent output and whose operation can be determined by the average output voltage, and is suitable for microwave heating, for example. Since the average output voltage can be controlled with high accuracy as described above, for example, when used in microwave heating, the heating itself can be controlled with high accuracy. Therefore, it is also suitable when using microwave heating for thawing frozen products, fermentation of fermented foods, synthesis of medicines and cosmetics, and the like.

ＬＤＭＯＳＦＥＴを用いて以下の条件で自励発振させた。   Self-excited oscillation was performed under the following conditions using an LDMOSFET.

パルス制御回路生成のゲート電圧：Ｖｇ＝２．１Ｖ
電源回路によるドレイン電圧：Ｖｄ＝２８Ｖ
初期時のドレイン電流（直流分）：Ｉｄｑ＝１．３Ａ
発振時のドレイン電流（直流分）：Ｉｄｑ＝１０．１Ａ
出力電圧：０Ｗ〜１３７Ｗ （デューティ比０〜１００％）
電力付加効率：約５０％ （デューティ比０〜１００％）

デューティ比０〜１００％において、ほぼ５０％の電力付加効率を得ることができた。 Pulse voltage generated by pulse control circuit: Vg = 2.1V
Drain voltage by power supply circuit: Vd = 28V
Initial drain current (DC component): Idq = 1.3 A
Drain current (DC component) during oscillation: Idq = 10.1A
Output voltage: 0W to 137W (duty ratio 0 to 100%)
Power added efficiency: approx. 50% (duty ratio 0-100%)

A power added efficiency of almost 50% could be obtained at a duty ratio of 0 to 100%.

１０ マイクロ波電力発振器
１２ 半導体素子
１４ 正帰還回路
２０ パルス制御回路
３０ 共振器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microwave power oscillator 12 Semiconductor element 14 Positive feedback circuit 20 Pulse control circuit 30 Resonator

Claims (6)

半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うと共に、半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とするマイクロ波電力発振器。   A semiconductor element and a positive feedback circuit that has a resonator and positively feeds back the output of the semiconductor element to the input, oscillates by self-excited oscillation of the semiconductor element, and changes the duty ratio of the input of the semiconductor element The microwave power oscillator characterized by adjusting the output of a semiconductor element. 半導体素子の入力に対してパルス変調を行うことで、デューティ比を変化させるパルス制御回路を備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波電力発振器。   2. The microwave power oscillator according to claim 1, further comprising a pulse control circuit that changes a duty ratio by performing pulse modulation on an input of the semiconductor element. パルス制御回路は、デューティ比でオン・オフするパルス波を生成するものであり、そのパルス波の電圧は、半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応することを特徴とする請求項２記載のマイクロ波電力発振器。   3. The pulse control circuit generates a pulse wave that is turned on / off at a duty ratio, and a voltage of the pulse wave corresponds to a bias voltage for the operation of the semiconductor element. Microwave power oscillator. パルス制御回路で生成されるパルス波の電圧の絶対値は、初期時に半導体素子の動作のためのバイアス電圧に対応し、その後は小さくなるようにすることを特徴とする請求項３記載のマイクロ波電力発振器。   4. The microwave according to claim 3, wherein the absolute value of the voltage of the pulse wave generated by the pulse control circuit corresponds to a bias voltage for the operation of the semiconductor element at the initial stage, and thereafter becomes smaller. Power oscillator. 半導体素子は、複数個の半導体素子が並列に接続されたものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロ波電力発振器。   5. The microwave power oscillator according to claim 1, wherein the semiconductor element includes a plurality of semiconductor elements connected in parallel. 半導体素子と、共振器を有し半導体素子の出力を入力に正帰還する正帰還回路と、を備えて、半導体素子の自励発振により発振を行うマイクロ波電力発振器に対して、その半導体素子の入力のデューティ比を変化させることで、半導体素子の出力を調整する、ことを特徴とするマイクロ波電力発振器の出力制御方法。   A microwave power oscillator that includes a semiconductor element and a positive feedback circuit that has a resonator and positively feeds back the output of the semiconductor element to an input. An output control method for a microwave power oscillator, characterized by adjusting an output of a semiconductor element by changing a duty ratio of an input.
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