JP5888427B2 - 電磁波送信装置及び電磁波送信システム - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波等の電磁波を送信して、所定の場所に集中させて電磁波を照射し、加熱や化学変化、電力伝送を行うシステムに用いられる電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムに関するものである。

電磁波送信装置及び電磁波送信システムは、マイクロ波加熱炉（マイクロ波反応炉、マイクロ波製錬炉、マイクロ波精錬炉、マイクロ波溶解炉、マイクロ波溶鉱炉、マイクロ波焼結炉等を含む）やマイクロ波電力伝送システムに用いられるものである。例えば、マイクロ波加熱や宇宙太陽光発電システムの実験装置などのマイクロ波電力伝送システムにおいては、電磁波送信装置は大電力なマイクロ波の出力が要求される。このため、これらのシステムのマイクロ波送信装置には古くから高出力が特徴のマグネトロンやクライストロン等の電子管増幅器が使われてきた。

一方、近年、半導体増幅器は、レーダ或いは通信機器などの分野において技術が進歩しており、例えばＣ帯においては、数十Ｗ〜２００Ｗ程度を出力する高出力マイクロ波半導体増幅器の開発が進んでいる。これらの増幅器をアクティブフェーズドアレーアンテナ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ：ＡＰＡＡ）などのマイクロ波送信装置に搭載して、大規模化・高出力化可能なシステムを実現している。

ＷＯ２０１０／０８７４６４ 特開２００１−３０８６４９号公報 特開平２−１０４１０３号公報 特開２０１０−２７２９１３号公報

佐藤元泰 他、第５回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム、公演要旨集２Ｂ０７（２０１１）ＰＰ．９８−９９．

特許文献１に記載されたマイクロ波加熱製錬炉（マイクロ波加熱炉）は、炉に複数のマイクロ波照射窓を設け、外部に設置したマイクロ波の波面及び位相を制御することでビームの方向を電気的に可変できるマイクロ波照射装置からマイクロ波を照射するものである。特許文献１の記載には、照射したマイクロ波によって、マイクロ波照射室内に投入した鉄鉱石などの材料を高い電力束密度のマイクロ波で溶かして製鉄などを行うことができることが示されている。一方、この特許文献１では、マイクロ波照射室において、高い電力束密度を得るための具体的なマイクロ波照射装置の構成やレイアウト等が記載されておらず、マイクロ波照射室内で高い電力束密度を得ることが困難であるという課題があった。また、マイクロ波加熱や宇宙太陽光発電システムの実験装置などのマイクロ波電力伝送システムの大規模化のために、マイクロ波の出力・照射電力を大きくする方法、例えば、一つのシステムにさらに複数のマイクロ波送信装置を設けるなどの具体的な大規模・高出力の方法も提示されておらず、システムの規模の拡張が困難であるという課題もあった。

非特許文献１においては、フェーズドアレーアンテナを炉の外周に並べ、複数の反射鏡を経由し、材料が配置されているマイクロ波照射室にマイクロ波を照射するシステムが提案されている。これらのシステムにおいては、フェーズドアレーアンテナの各素子に対して数百Ｗの連続波の高出力マイクロ波照射装置が必要になる。しかし、非特許文献１には具体的な連続波の高出力マイクロ波照射装置の実現方法は開示されていない。よって、非特許文献１の記載事項には、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）素子を用いた半導体増幅器において課題があった。すなわち、百Ｗ程度以上の高出力を連続波として出力する場合、半導体増幅器は、十分な排熱が実現できず、温度上昇による利得低下、或いは、焼損等により、安定して電力を照射することが難しくなるという課題があった。

特許文献２においては、時分割多元接続方式（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ：ＴＤＭＡ）による通信に使用する電力増幅器が開示されている。この電力増幅器において、送信期間中の出力段増幅部の出力段トランジスタのＴｊの上昇を抑制するため、複数の出力段増幅部をデューティ比が出力段増幅部の逆数であるパルス幅毎に順次動作させて、所定の送信期間で動作させる高周波電力増幅器が記載されている。しかし、連続波を出力させる高周波電力増幅器に係る記載は無い。

本発明の目的は、上記のような課題を解決するものである。すなわち、材料や受電装置などの被照射部に安定して、連続波の高出力のマイクロ波を照射するための電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムを得ることである。この電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムは、高出力のマイクロ波など電磁波の照射が必要となる電磁波加熱システムや電磁波電力伝送システムなどに好適である。

本発明に係る電磁波送信装置及び電磁波電力伝送システムは、複数の電磁波送信ユニットのそれぞれが複数の電磁波送信部を有し、電磁波送信ユニットが有する複数の電磁波送信部のうち何れか１つが、他の電磁波送信ユニットが有する複数の電磁波送信部のうち何れか１つと、同じ送信タイミングで動作し、複数の電磁波送信部が、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動された電磁波を、被照射体が配置される焦点部へ照射するものである。

本発明は、連続波相当の高出力のマイクロ波を安定して効率よく所望の場所に照射することができるという効果を奏する。また、本発明は、大規模化・高出力化が可能な、拡張性の高い電磁波送信装置及び電磁波送信システムを得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムが適用可能なマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）の構成説明図である。 本発明の実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムのマイクロ波送信部（電磁波送信部）の動作イメージ図である。 本発明の実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムのマイクロ波送信部（電磁波送信部）の出力電力イメージ図である。 本発明の実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムのマイクロ波送信部（電磁波送信部）のシステムブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅装置のブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。 本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置のブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。 本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置のブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。 本発明の実施の形態６に係る電力増幅装置のブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムが適用可能なマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）の構成説明図である。図１において、電磁波送信部１（マイクロ波送信部１）は、送信マイクロ波１１を送信するＡＰＡＡ等から構成される。反射板２は、送信マイクロ波１１を反射するものである。加熱炉３は、焦点部４や材料１２（被照射体１２）を含み、鉄などを生成するものである。焦点部４は、マイクロ波送信部１が送信した送信マイクロ波１１が集まる焦点に相当する部位である。窓５は、加熱炉３の上部に設置され送信マイクロ波１１は透過するものである。材料１２は、焦点部４に保持され送信マイクロ波１１で加熱される対象である。焦点部４は、材料１２を焦点付近に保持しておくためのテーブルやるつぼで構成される。なお、テーブルやるつぼは、被照射体である材料１２を保持する被照射体保持部や被照射体である材料１２を載置する被照射体載置部と称してもよい。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

また、図１において、加熱炉３は、送信マイクロ波１１が入射してくる上部には、材料１２や排ガス、熱や送信マイクロ波１１等が外部に漏れ出さないように窓５が設けられている。図１では、加熱炉３の内部に配置された焦点部４，窓５（一部），材料１２，テーブル（被照射体保持部）の構造を示すため、加熱炉３の内部を点線で示している。なお、実施の形態１に係る電磁波送信システムは、実施の形態１に係る電磁波送信装置の電磁波送信部１（マイクロ波送信部１）に加えて、電磁波送信部１からの電磁波が照射される被照射体を保持する被照射体保持部を備えたものとしている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

次に、実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムにおける基本動作を説明する。マイクロ波送信部１から照射された送信マイクロ波１１は、反射鏡２で反射して加熱炉３の上部の窓５を通過し、焦点部４付近に保持されている材料１２に照射される。この際、ＡＰＡＡによるビーム方向制御・ビーム形成及び反射板の光学系により、各マイクロ波送信部１から照射される送信マイクロ波１１の電力束密度は焦点部４付近で強くなるように制御されて照射される。実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）をマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）に適用する場合、焦点部４には、被照射体保持部に支持された材料１２（被照射体１２）が設けられる。一方、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）をマイクロ波電力伝送システムに適用する場合、焦点部４には被照射体保持部に支持された受電装置１２（被照射体１２）が設けられる。受電装置１２は、電磁波を受信して電力に変換するものである。

ここで、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）をマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）に適用する場合について、図１に示すマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）を用いて補足説明する。図１に示すように、マイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）の加熱炉３の焦点部４に相当する位置に被照射体である材料１２を収納する。マイクロ波送信部１（電磁波送信装置）から照射された電磁波により加熱・精錬を行うため、加熱炉３には、電磁波を通過し、加熱・精錬により発生する発生物を閉じ込める窓５が設けられている。焦点部４は、窓５の内側である加熱炉３の内部に配置されている。

また、図１に示すマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）では、マイクロ波送信部１が、加熱炉３を取り囲み円環状に配置されている。さらに、マイクロ波送信部１と加熱炉３（窓５）との間の電磁波の照射経路に電磁波を反射・集光する反射鏡２とを有している。マイクロ波送信部１の配置やマイクロ波送信部１から加熱炉３（窓５）までの電磁波の経路は、図１に記載のものに限るものではない。図１では、マイクロ波送信部１は、＃１，＃２，＃３の組み合わせで、複数のものが加熱炉３を取り囲み円環状に配置されていることを模式的に示している。なお、加熱炉３の外観や内部を示すために、円環状に配置されたマイクロ波送信部１の一部の図示を省略している。

次に、図２及び図３を用いて、実施の形態１におけるパルス出力のマイクロ波送信部１を用いた場合の動作を説明する。マイクロ波送信部１ａ、１ｂ、１ｃ・・・は、ＡＰＡＡ等のマイクロ波送信部１に相当するものである。なお、マイクロ波送信部１ａ，マイクロ波送信部１ｂ，マイクロ波送信部１ｃは、図１では、＃１，＃２，＃３と示されたマイクロ波送信部１に相当するものである。マイクロ波送信部１ａ、１ｂ、１ｃ・・・は、異なる送信タイミングでパルスの送信マイクロ波１１ａ、１１ｂ、１１ｃを、焦点部に設置された材料１２に向けて送信する。まずは、説明の簡素化のために、マイクロ波送電部１が１ａ、１ｂ、１ｃの３台、送信マイクロ波１１の送信デューティが３３．３％である場合とし、それぞれのマイクロ波送信部１から送信マイクロ波１１が送信される送信タイミングを制御して、図３のようなマイクロ波を送信する場合を考える。なお、送信デューティとは、パルス駆動の送信マイクロ波において、一組の送信時間と非送信時間とを１周期時間とし、この１周期時間における送信時間の比率をいう。例えば、後述の図３（ａ）の１周期におけるＯＮの時間の比率である。また、送信タイミングとは、送信時間と非送信時間とからなるパルス駆動の送信マイクロ波において、非送信時間から送信時間に切り替わる時（タイミング）をいう。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図３のグラフにおいて、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸は、マイクロ波送信部１のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）はマイクロ波送信部１の送信タイミングを指している。上から順に、図３（ａ）がマイクロ波送信部１ａの出力を示すマイクロ波送信部１ａの送信マイクロ波波形のイメージ図である。図３（ｂ）がマイクロ波送信部１ｂの出力を示すマイクロ波送信部１ｂの送信マイクロ波波形のイメージ図である。図３（ｃ）がマイクロ波送信部１ｃの出力を示すマイクロ波送信部１ｃの送信マクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図３（ｐ）が材料１２付近における送信マイクロ波の合成波の電力束密度を示すイメージ図である。なお、図３（ｐ）の縦軸は、送信マイクロ波の合成波の電力束密を示し、横軸は、時間を示している。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、それぞれのマイクロ波送信部１（マイクロ波送信部１ａ，マイクロ波送信部１ｂ，マイクロ波送信部１ｃ）からのパルス波の出力の送信タイミングを１／３周期ずつずらして（順次遅延させて）、電磁波を材料１２（被照射体１２）へ繰り返し送信する。これを換言すると、複数のマイクロ波送信部１は、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動されるものであるといえる。そして、隣接するマイクロ波送信部１同士の異なる送信タイミング間の時間は、所定の送信デューティに対応する送信時間であるといえる。実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）では、電磁波送信装置（電磁波送信システム）内に制御回路３０を形成して、制御回路３０によって複数の電磁波送信部１（各電磁波送信部１）のパルス駆動を行ってもよい。つまり、制御回路３０は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれのマイクロ波送信部１（各マイクロ波送信部１）の送信タイミングを順次遅延させるものである。制御回路３０の詳細は後述する。

所定の送信デューティの定義は、１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるマイクロ波送信部１の数）である。よって、図１〜図３に示すマイクロ波送信部１において、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象は、マイクロ波送信部１ａ，マイクロ波送信部１ｂ，マイクロ波送信部１ｃの３つなので、所定の送信デューティは１／３となる。このように、各マイクロ波送信部１が、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動された電磁波を被照射体１２（材料１２）へ照射することで、材料１２付近の電力束密度は、図３の最下部、つまり、図３（ｐ）のグラフのように、連続波のマイクロ波を照射させたのと同じ電力束密度が得られる。

マイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）において、材料１２（焦点部４）における電力束密度を高くする場合は、マイクロ波送信部１の数を３台ごとに増やし、同様に１／３周期毎にずらして電磁波を照射することで、連続波相当の高い電力束密度を得ることができる。例えば、図１に示すマイクロ波加熱炉（電磁波送信システム）のマイクロ波送信部１において、加熱炉３の円周方向に、図１の＃１、＃２、＃３、その次はまた＃１、＃２・・・の送信タイミングで送信すればよい。この送信タイミングは、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の縦軸に示すＯＮの状態である時間である。

なお、各マイクロ波送信部１と材料１２までの光路長が異なる場合、あるいはシステム内に通過位相差がある場合は、材料部（焦点部４）で位相が合うように、例えば、特許文献３に記載の素子電界ベクトル法を用いて、各送信マイクロ波１１の位相誤差や通過位相誤差を測定・検出し、補正することで、材料１２付近においてコヒーレントな連続波のマイクロ波照射と同様の電力束密度を得ることができる。また、各マイクロ波送信部１から出力される送信マイクロ波１１の位相や振幅を調整して、自由に送電マイクロ波ビームの形状を形成することもできる。

図４は、実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムにおけるＡＰＡＡを用いたマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）のマイクロ波送信部周辺のシステムブロック図である。図４において、マイクロ波送信部１（電磁波送信部１）の内部は、初段高出力増幅器モジュール２１（初段ＨＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）モジュール２１）が設けられている。分配回路２２は初段ＨＰＡモジュール２１からのマイクロ波や最終段ＨＰＡモジュール制御信号３３を分配するものである。最終段高出力増幅器モジュール２３（最終段ＨＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）モジュール２３，電力増幅装置２３）は、マイクロ波送信部１内に複数設けられ、それぞれが分配回路２２と接続されている。アンテナ２４はマイクロ波を送信するものであり、それぞれ最終段ＨＰＡモジュール２３と接続されている。移相器２５及びＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は、初段ＨＰＡモジュール２１や最終段ＨＰＡモジュール２３に内蔵されている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

また、図４において、制御回路３０はＣＰＵやＦＰＧＡなどで構成されている。信号発生器３４は、被照射体１２へ照射（送信）する電磁波の基になる源振信号２７を生成して、初段ＨＰＡモジュール２１へ源振信号２７を供給する。アンテナ制御ユニット３５は各マイクロ波送信部１の制御を統合的に行うものであり、各マイクロ波送信部１の制御回路３０にマイクロ波送信部制御信号３１を送るものである。制御回路３０は、マイクロ波送信部制御信号３１に基づいて、初段ＨＰＡモジュール２１へ初段ＨＰＡモジュール制御信号３２を送る。同様に、制御回路３０は、マイクロ波送信部制御信号３１に基づいて、最終段ＨＰＡモジュール２３へ最終段ＨＰＡモジュール制御信号３３を分配回路２２経由で送る。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

実施の形態１に係る電磁波送信装置及び電磁波送信システムのうち、図４に示すものは、それぞれのマイクロ波送信部１（各マイクロ波送信部１）に形成された制御回路３０（各制御回路３０）が、アンテナ制御ユニット３５からのマイクロ波送信部制御信号３１をそれぞれ受ける。マイクロ波送信部制御信号３１を受けた各制御回路３０は、マイクロ波送信部制御信号３１によって、所定の送信デューティに対応する送信時間で、各マイクロ波送信部１の送信タイミングを順次遅延させるための動作を行う。

つまり、制御回路３０は、初段ＨＰＡモジュール制御信号３２及び最終段ＨＰＡモジュール制御信号３３を送って、最終段ＨＰＡモジュール制御信号３３を初段ＨＰＡモジュール２１及び最終段ＨＰＡモジュール２３を制御する。この制御を各制御回路３０が行うことで、所定の送信デューティに対応する送信時間で、各マイクロ波送信部１の送信タイミングを順次遅延させることができる。よって、電磁波送信装置（電磁波送信システム）における制御回路は、各制御回路３０を指すといえるだけでなく、各制御回路３０に加えて、アンテナ制御ユニット３５を含めたものを制御回路としてもよい。もちろん、アンテナ制御ユニット３５を制御回路としてもよい。

以上のように、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）は、例えば、図１に示すマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）の焦点部４において高い送信マイクロ波１１の電力束密度が必要となる場合であっても適用可能である。すなわち、複数のパルス出力のマイクロ波送信部１を、パルスを送信する送信タイミングをずらして切り替えて送信マイクロ波１１を送信することで、焦点部４付近に連続波の送信マイクロ波１１を効率よく照射でき、電力束密度を高くするように制御が可能になる。図１に示すマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）の場合で詳しく説明すると、ＡＰＡＡによるビーム方向制御・ビーム形成、及び反射板２により、焦点部４付近に連続波の送信マイクロ波１１を効率よく照射できるといえる。

これまでは、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）における、複数のマイクロ波送信部１をそれぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動するものを説明した。複数のマイクロ波送信部１が複数組ある場合を説明する。なお、図１に示す３つずつのマイクロ波送信部１の組が複数存在していたが、全てのマイクロ波送信部１をそれぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動されるものであった。つまり、ここで説明する実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）は、複数のマイクロ波送信部１の組が複数存在し、かつ、同じく組の複数のマイクロ波送信部１だけが、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動されるものである。加えて、別の組のマイクロ波送信部１同士の送信タイミングを同じとし、二つのマイクロ波送信部１からの電磁波（送信マイクロ波１１）を被照射体１２に照射（送信）することで、焦点部４付近の電力束密度をさらにあげることができる。

詳しくは、複数の電磁波送信ユニットごとにそれぞれ、複数のマイクロ波送信部１、を有する構成を採用することにある。この構成において、制御装置３０（アンテナ制御ユニット３５）は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれの電磁波送信ユニット毎に、電磁波送信ユニット内のそれぞれのマイクロ波送信部１の送信タイミングを順次遅延させると共に、電磁波送信ユニットが有する複数のマイクロ波送信部のうち、いずれか１つが他の電磁波送信ユニットが有する複数のマイクロ波送信部のうち、いずれか１つと同じ送信タイミングで動作させるものである。ここでも、所定の送信デューティの定義は、１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるマイクロ波送信部１の数）である。

マイクロ波送信部１の配列が図１に示すものである場合で説明する。なお、ここでの「＃」の表記とは図１に明記されている部分だけに言及して例示しており、「＃」の表記が省略されたマイクロ波送信部１を対象に説明はしていない。図１に示す配置の場合は、複数の電磁波送信ユニットごとにそれぞれ、３つのマイクロ波送信部１（マイクロ波送信部１ａ，マイクロ波送信部１ｂ，マイクロ波送信部１ｃ）を有しているといえる。電磁波送信ユニットが有する３つのマイクロ波送信部１（例えば、図１の左からの順に、＃１マイクロ波送信部１，＃２マイクロ波送信部１，＃３マイクロ波送信部１）のうち、いずれか１つが他の電磁波送信ユニットが有する３つのマイクロ波送信部１（例えば、図１の右からの順に、＃３マイクロ波送信部１，＃２マイクロ波送信部１，＃１マイクロ波送信部１）のうち、いずれか１つと同じ送信タイミングで動作するといえる。

この場合でも、マイクロ波送信部１において、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象は、図１の左からの順に、＃１マイクロ波送信部１，＃２マイクロ波送信部１，＃３マイクロ波送信部１の組と、図１の右からの順に、＃３マイクロ波送信部１，＃２マイクロ波送信部１，＃１マイクロ波送信部１の組は、それぞれ３つずつなので、それぞれの所定の送信デューティは１／３となる。

このような同じ組のマイクロ波送信部１同士の送信タイミングを別とし（異ならせ）、別の組のマイクロ波送信部１同士の送信タイミングを同じとし、二つのマイクロ波送信部１からの電磁波（送信マイクロ波１１）を被照射体１２に照射（送信）する場合でも制御装置３０の基本動作は次のとおりである。つまり、制御装置３０（アンテナ制御ユニット３５）は、それぞれの電磁波送信ユニットからの電磁波の位相が被照射体１２で揃うように、それぞれの電磁波送信ユニット内のそれぞれのマイクロ波送信部１の位相を制御する。制御装置３０（アンテナ制御ユニット３５）は、それぞれの電磁波送信ユニットからの電磁波が被照射体１２へ収束するようにそれぞれの電磁波送信ユニット内のそれぞれのマイクロ波送信部１からの電磁波の指向性を制御する。

また、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）は、パルスの長さや送信デューティに従って、マイクロ波送信部１の送信や切り替えのタイミングをアンテナ制御ユニット３５や制御回路３０でソフトウエアやＦＰＧＡで制御すればよい。そのため、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）は、通常のマイクロ波送電システムやＡＰＡＡのハードウエアに、特殊なハードウエアを追加することなく、焦点部４付近に連続波の送信マイクロ波１１を効率よく照射でき、電力束密度を高くするように制御が可能にすることができる、という効果を奏する。

また、一般的なＡＰＡＡでは、マイクロ波の送信の切り替えのための各初段ＨＰＡモジュール２１及び最終段ＨＰＡモジュール２３へのＯＮ／ＯＦＦの制御信号は、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ等の制御信号を各モジュールに入力することで、即時（μ秒以下）に制御することできる。このため、実施の形態１に係る電磁波送信装置（電磁波送信システム）は、マイクロ波送信部１のパルス波の送信タイミングや、各マイクロ波送信部１をタイミングよく切り替えることが可能である。

なお、システムによっては、初段での増幅が不要となる場合や、初段ＨＰＡモジュール２１の移相器２５で補正・調整等を行う位相補正等を最終段ＨＰＡモジュール２３の移相器２５で実施するなどが可能であり、それらの場合は、初段ＨＰＡモジュール２１或いは初段ＨＰＡモジュール２１内のＨＰＡ２６や移相器２５を省略することができる。

更に、制御回路３０で実施する処理をアンテナ制御ユニット３５などで実施することで、制御回路３０を省略することもできる。逆に、特許文献４にあるような発信機を備えたＲＦＩＣ等をマイクロ波送信部１或いは初段ＨＰＡモジュール２１に内蔵し、アンテナ制御ユニット３５を介して同期をとることで信号発生器３４を省略することもできる。

また、各マイクロ波送信部１の切り替えと同期して信号発生器３４から創出される源振信号２７の通過経路を切り替えることで、信号発生器３４で生成する源振信号の電力を低減することができる。

なお、実施の形態１の例示では、異なる送信タイミングのマイクロ波送信部１は３台としたが、２台でも、４台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（マイクロ波送信部１の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。つまり、所定の送信デューティが１／（マイクロ波送信部１の台数）となる。また、同じ組のマイクロ波送信部１同士の送信タイミングを別とし（異ならせ）、別の組のマイクロ波送信部１同士の送信タイミングを同じとし、二つのマイクロ波送信部１からの電磁波（送信マイクロ波１１）を被照射体１２に照射（送信）する場合を含める。このように解釈すると、前述のとおり、送信タイミングは、１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるマイクロ波送信部１の数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよいといえる。つまり、所定の送信デューティが１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるマイクロ波送信部１の数）といえる。

実施の形態２．
まず、実施の形態２と実施の形態１の相違点を説明する。実施の形態１では、図２及び図４に示すように、複数の最終段ＨＰＡモジュール２３が複数集まったマイクロ波送信部１の単位で、ビームの照射のタイミングを調整して材料１２付近で大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を生成している。一方、実施の形態２では、最終段ＨＰＡモジュール２３内に複数のＨＰＡ２６を有しており、最終段ＨＰＡモジュール２３内で切り替えて出力することにより、最終段ＨＰＡモジュール２３の出力部において、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を得るものである。最終段ＨＰＡモジュール２３が実施の形態２に係る電力増幅装置（電力増幅装置２３）に相当する。

そのため、実施の形態２に係る電磁波送信装置の電磁波送信部１における電磁波を増幅する電力増幅装置を実施の形態２に係る電力増幅装置としている。また、実施の形態２に係る電磁波送信装置の電磁波送信部１（マイクロ波送信部１）に加えて、電磁波送信部１からの電磁波が照射される被照射体を保持する被照射体保持部を備えた電磁波送信システムを実施の形態２に係る電磁波送信システムとしている。

図５は、実施の形態２に係る電力増幅装置の最終段ＨＰＡモジュール２３の構成ブロック図である。図５において、前置増幅器３６は、マイクロ波をある程度まで増幅するものである。分配回路２２（分配器２２）は、前置増幅器３６によって増幅されたマイクロ波を分配するものである。ＨＰＡ２６は、分配回路２２によって分配されたマイクロ波を高出力に増幅するものである。切り替え回路３７（出力側切替器３７）はＨＰＡ２６の出力を切り替えて出力するものであり、これらが最終段ＨＰＡモジュール２３としてパッケージされている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

この最終段ＨＰＡモジュール２３に源振信号２７を入力し、移相器２５でビーム方向制御やビーム形成やＨＰＡ２６間の位相補正のための位相調整を行い、前置増幅器３６とＨＰＡ２６で増幅され、ＨＰＡ２６の出力を切り替え回路３７により切り替えてアンテナ２４へ出力する。アンテナ２４より連続波の送信マイクロ波１１が送信される。なお、移相器２５、ＨＰＡ２６、切り替え回路３７を制御する制御信号は、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部から直接、若しくは終段ＨＰＡモジュール２３内の制御部３９から供給される。外部の場合は、実施の形態１で説明したアンテナ制御ユニット３５に相当するアンテナ制御ユニットが存在する。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図６は、実施の形態２に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。つまり、図６は、図５のような最終段ＨＰＡモジュール２３における各ＨＰＡ２６の出力と、最終段ＨＰＡモジュールの出力である送信マイクロ波１１のイメージ図である。図６のグラフにおいて、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の縦軸は、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はＨＰＡ２６の送信タイミングを指している。上から順に、図６（ａ）がＨＰＡ２６（＃１）の出力を示すＨＰＡ２６（＃１）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図６（ｂ）がＨＰＡ２６（＃２）の出力を示すＨＰＡ２６（＃２）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図６（ｃ）がＨＰＡ２６（＃３）の出力を示すＨＰＡ２６（＃３）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図６（ｄ）がＨＰＡ２６（＃４）の出力を示すＨＰＡ２６（＃４）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図６（ｐ）は、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）が出力する送信マイクロ波の合成波の電力（マイクロ波電力）を示すイメージ図である。なお、図６（ｐ）の縦軸は、マイクロ波電力を示し、横軸は、時間を示している。

この例では、各ＨＰＡ２６は送信デューティ２５％の繰り返しパルス出力を想定している。つまり、各ＨＰＡ２６からのパルスのマイクロ波の照射を１／４周期分だけ送信タイミングをずらす（順次遅延させる）。これにより、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）から出力されるマイクロ波は、図６の最下段、図６（ｐ）の様に連続波の出力を得ることができる。また、切り替え回路３７は、ＯＮ状態となっているＨＰＡ２６を選択するように、１／４周期毎にＨＰＡ２６のタイミングに同期して切り替わる。

実施の形態２に係る電力増幅装置は、マイクロ波を被照射体１２へ照射するマイクロ波送信部１における電磁波を増幅する電力増幅装置である。詳しくは、電力増幅装置が、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動され電磁波を増幅する複数のＨＰＡ２６、複数のＨＰＡ２６の前段側に設けられ、複数のＨＰＡ２６へ電磁波を分配する分配回路２２、この分配回路２２の前段側に設けられ、入力した電磁波の位相を変化させて分配回路２２側へ出力する移相器２５、複数のＨＰＡ２６の後段側に設けられ、いずれかのＨＰＡ２６を選択して出力する切り替え回路３７、複数のＨＰＡ２６の送信タイミングと移相器２５と切り替え回路３７とを制御する制御部３９（制御装置３９）を備えている。

実施の形態２に係る電力増幅装置の制御部３９（制御装置３９）は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれのＨＰＡ２６の送信タイミングを順次遅延させ、それぞれの送信タイミングに対応したＨＰＡ２６を選択するように切り替え回路３７を切り替え、それぞれの送信タイミング毎に切り替え回路３７から出力される電磁波が所定の位相となるように移相器２５を制御するものである。

つまり、図５及び図６では、異なる送信タイミングのＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は４台として実施の形態２を説明しているが、２から３台でも、５台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（ＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（ＨＰＡ２６の台数）となる。

以上のように、実施の形態２によれば、焦点部４において高い送信マイクロ波１１の電力束密度が必要となるマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）などにおいて、マイクロ波送信部１の最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）の中に、複数のパルス出力のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）を搭載する。そして、各ＨＰＡ２６を、パルスを送信する送信タイミングをずらして切り替えて送信マイクロ波１１を送信することで、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を照射することができる。また、実施の形態１の説明で用いた図１に記載のマイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）に、実施の形態２に係る電磁波送信システムを適用することで、ＡＰＡＡによるビーム方向制御・ビーム形成、及び、反射板２により、焦点部４付近に連続波の送信マイクロ波１１を効率よく照射でき、電力束密度を高くするように制御が可能である。

更に、実施の形態２によれば、実施の形態１のように、マイクロ波送信部１（電磁送信部１）という大きな単位でＯＮ／ＯＦＦを切り替えて送信するのではなく、マイクロ波送信部１の中のいくつかの最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）内の複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）の出力を切り替えて使用するものである。よって、各アンテナ素子２４から送信される送信マイクロ波１１の位相や振幅を調整することによりビーム方向やビーム形成の制御を行う場合に、焦点部４付近で合成される送信マイクロ波ビームは、より自由度が高く形成することができる、という効果を奏する。

なお、図５で例示した実施の形態２に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムの切り替え回路３７（出力側切替器３７）は、例えば、ＰＩＮダイオードやＭＯＳ−ＦＥＴを用いたスイッチなどで構成することで、高速な切り替えが実現できる。

実施の形態３．
まず、実施の形態３と実施の形態２の相違点を説明する。実施の形態２に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおいては、分配回路２２（分配器２２）を用いていたが、実施の形態３に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおいては、分配回路２２（分配器２２）に代えて、切り替え回路３７ａ（入力側切替器３７ａ）を用いる。実施の形態３の説明は、実施の形態２との相違点を中心に行う。

図７は、実施の形態３に係る電力増幅装置の最終段ＨＰＡモジュール２３の構成ブロック図である。図７において、切り替え回路３７ａ（入力側切替器３７ａ）は、前置増幅器３６によって増幅されたマイクロ波を切り替えて伝送するものである。ＨＰＡ２６は、切り替え回路３７ａ（入力側切替器３７ａ）から伝送されたマイクロ波を高出力に増幅するものである。切り替え回路３７ｂ（出力側切替器３７ｂ）は、ＨＰＡ２６の出力を切り替えて出力するものであり、これらが最終段ＨＰＡモジュール２３としてパッケージされている。なお、切り替え回路３７ｂ（出力側切替器３７ｂ）は、実施の形態２における切り替え回路３７（出力側切替器３７）に相当する。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

この最終段ＨＰＡモジュール２３に源振信号２７を入力し、移相器２５でビーム方向制御やビーム形成やＨＰＡ２６間の位相補正のための位相調整を行い、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を切り替え回路３７ａで切り替えて伝送し、ＨＰＡ２６で増幅され、ＨＰＡ２６の出力を切り替え回路３７ｂにより切り替えてアンテナ２４へ出力する。アンテナ２４より連続波の送信マイクロ波１１が送信される。なお、移相器２５、ＨＰＡ２６、切り替え回路３７ａ、切り替え回路３７ｂを制御する制御信号は、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部から直接、若しくは終段ＨＰＡモジュール２３内の制御部３９から供給される。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図８は、実施の形態３に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。つまり、図８は、図７のような最終段ＨＰＡモジュール２３における各ＨＰＡ２６の出力と、最終段ＨＰＡモジュールの出力である送信マイクロ波１１のイメージ図である。図８のグラフにおいて、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の縦軸は、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図８（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はＨＰＡ２６の送信タイミングを指している。上から順に、図８（ａ）がＨＰＡ２６（＃１）の出力を示すＨＰＡ２６（＃１）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図８（ｂ）がＨＰＡ２６（＃２）の出力を示すＨＰＡ２６（＃２）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図８（ｃ）がＨＰＡ２６（＃３）の出力を示すＨＰＡ２６（＃３）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図８（ｄ）がＨＰＡ２６（＃４）の出力を示すＨＰＡ２６（＃４）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図８（ｐ）は、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）が出力する送信マイクロ波の合成波の電力（マイクロ波電力）を示すイメージ図である。なお、図８（ｐ）の縦軸は、マイクロ波電力を示し、横軸は、時間を示している。

この例では、実施の形態２と同じく、各ＨＰＡ２６は送信デューティ２５％の繰り返しパルス出力を想定している。つまり、各ＨＰＡ２６からのパルスのマイクロ波の照射を１／４周期分だけ送信タイミングをずらす（順次遅延させる）。これにより、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）から出力されるマイクロ波は、図８の最下段、図８（ｐ）の様に連続波の出力を得ることができる。また、切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂは、ＯＮ状態となっているＨＰＡ２６を選択するように、１／４周期毎にＨＰＡ２６の送信タイミングに同期して切り替わる。

また、実施の形態２と同様に、実施の形態３でも、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）内で複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）を有しており、最終段ＨＰＡモジュール２３内で切り替えて出力することにより、ＨＰＡモジュール２３の出力部において、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を得ることができる。

実施の形態３に係る電力増幅装置は、マイクロ波を被照射体１２へ照射するマイクロ波送信部１における電磁波を増幅する電力増幅装置である。詳しくは、電力増幅装置が、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動され電磁波を増幅する複数のＨＰＡ２６、複数のＨＰＡ２６の前段側に設けられ、いずれかのＨＰＡ２６を選択して電磁波をＨＰＡ２６へ出力する切り替え回路３７ａ、この切り替え回路３７ａの前段側に設けられ、入力した電磁波の位相を変化させて切り替え回路３７ａ側へ出力する移相器２５、複数のＨＰＡ２６の後段側に設けられ、いずれかのＨＰＡ２６を選択して電磁波を出力する切り替え回路３７ｂ、
複数のＨＰＡ２６の送信タイミングと移相器２５と切り替え回路３７ａと切り替え回路３７ｂとを制御する制御部３９（制御装置３９）を備えている。

実施の形態３に係る電力増幅装置の制御部３９（制御装置３９）は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれのＨＰＡ２６の送信タイミングを順次遅延させ、それぞれの送信タイミングに対応したＨＰＡ２６を選択するように切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂを切り替え、それぞれの送信タイミング毎に切り替え回路３７ｂから出力される電磁波が所定の位相となるように移相器２５を制御するものである。

つまり、図７及び図８では、異なる送信タイミングのＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は４台として実施の形態３を説明しているが、実施の形態２と同じく、２から３台でも、５台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（ＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（ＨＰＡ２６の台数）となる。

以上のように、本実施の形態３によれば、実施の形態２と同様の効果を奏する。更に、実施の形態３によれば、ＨＰＡ２６の入力側と出力側の切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂは、実施の形態２における切り替え回路３７と同じ構成・回路で、それらの制御も同じ信号で済むことから、回路等を簡素化することができる効果を奏する。

実施の形態４．
まず、実施の形態４と実施の形態２の相違点を説明する。実施の形態２に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおいては、分配回路２２（分配器２２）を用いていたが、実施の形態４に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおいては、分配回路２２（分配器２２）に代えて、合成回路３８（合成器３８）を用いる。実施の形態４の説明は、実施の形態２との相違点を中心に行う。そのため、実施の形態４と実施の形態３の相違点も自明となる。

図９は、実施の形態４に係る電力増幅装置の最終段ＨＰＡモジュール２３の構成ブロック図である。図９において、分配回路２２（分配器２２）は増幅されたマイクロ波を分配して伝送するものである。合成回路３８（合成器３８）は、ＨＰＡ２６の出力を合成するものであり、これらが最終段ＨＰＡモジュール２３としてパッケージされている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

この最終段ＨＰＡモジュール２３に源振信号２７を入力し、移相器２５でビーム方向制御やビーム形成やＨＰＡ２６間の位相補正のための位相調整を行い、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を分配回路２２で分配して伝送し、ＨＰＡ２６で増幅され、合成回路３８で合成して出力し、アンテナ２４より連続波の送信マイクロ波１１が送信される。なお、移相器２５、ＨＰＡ２６を制御する制御信号は、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部から直接、若しくは終段ＨＰＡモジュール２３内の制御部３９から供給される。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図１０は、実施の形態４に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。つまり、図１０は、図９のような最終段ＨＰＡモジュール２３における各ＨＰＡ２６の出力と、最終段ＨＰＡモジュールの出力である送信マイクロ波１１のイメージ図である。図１０のグラフにおいて、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の縦軸は、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はＨＰＡ２６の送信タイミングを指している。上から順に、図１０（ａ）がＨＰＡ２６（＃１）の出力を示すＨＰＡ２６（＃１）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１０（ｂ）がＨＰＡ２６（＃２）の出力を示すＨＰＡ２６（＃２）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１０（ｃ）がＨＰＡ２６（＃３）の出力を示すＨＰＡ２６（＃３）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１０（ｄ）がＨＰＡ２６（＃４）の出力を示すＨＰＡ２６（＃４）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図１０（ｐ）は、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）が出力する送信マイクロ波の合成波の電力（マイクロ波電力）を示すイメージ図である。なお、図１０（ｐ）の縦軸は、マイクロ波電力を示し、横軸は、時間を示している。

この例では、実施の形態２及び３と同じく、各ＨＰＡ２６は送信デューティ２５％の繰り返しパルス出力を想定している。つまり、各ＨＰＡ２６からのパルスのマイクロ波の照射を１／４周期分だけ送信タイミングをずらす（順次遅延させる）。これにより、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）から出力されるマイクロ波は、図１０の最下段、図１０（ｐ）の様に連続波の出力を得ることができる。

また、実施の形態２及び３と同様に、実施の形態４でも、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）内で複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）を有しており、最終段ＨＰＡモジュール２３内で切り替えて出力することにより、ＨＰＡモジュール２３の出力部において、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を得ることができる。

実施の形態４に係る電力増幅装置は、マイクロ波を被照射体１２へ照射するマイクロ波送信部１における電磁波を増幅する電力増幅装置である。詳しくは、電力増幅装置が、複数のＨＰＡ２６の前段側に設けられ、複数の前記電力増幅部へ電磁波を分配する分配回路２２、この分配回路２２の前段側に設けられ、入力した電磁波の位相を変化させて分配回路２２側へ出力する移相器２５、複数のＨＰＡ２６の後段側に設けられ、複数のＨＰＡ２６からの電磁波を合成し出力する合成回路３８、複数のＨＰＡ２６の送信タイミングと移相器２５とを制御する制御部３９（制御装置３９）を備えている。

実施の形態４に係る電力増幅装置の制御部３９（制御装置３９）は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれのＨＰＡ２６の送信タイミングを順次遅延させ、それぞれの送信タイミング毎に合成回路３８から出力される電磁波が所定の位相となるように移相器２５を制御するものである。

つまり、図９及び図１０では、異なる送信タイミングのＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は４台として実施の形態３を説明しているが、実施の形態２及び３と同じく、２から３台でも、５台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（ＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（ＨＰＡ２６の台数）となる。

以上のように、本実施の形態４によれば、実施の形態２及び３と同様の効果を奏する。更に、本実施の形態４では、実施の形態２及び３のように切替手段とＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦ制御の同期をとる必要がないため、制御部３９（制御装置３９）を簡素化することができるという効果を奏する。

これまでの説明から、実施の形態２〜４に係る電力増幅装置は、電磁波を被照射体へ照射するマイクロ波送信部１における電磁波を増幅するものであって、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動され電磁波を増幅する複数のＨＰＡ２６を備え、複数のＨＰＡ２６は、各々異なる送信タイミングでパルス駆動され、隣接する前記異なる送信タイミング間の時間は前記所定の送信デューティに対応する送信時間であるといえる。

実施の形態２〜４に係る電力増幅装置（電磁波送信装置）では、最終段ＨＰＡモジュール２３（電磁波送信部１）内に制御回路３９を形成して、制御回路３９によって複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）のパルス駆動を行ってもよい。つまり、制御回路３９は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれのＨＰＡ２６（各ＨＰＡ２６）の送信タイミングを順次遅延させるものである。

次に、実施の形態５及び６を説明するが、予め、実施の形態５及び６と実施の形態４との関係を、ここで説明する。実施の形態５及び６に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムは、実施の形態４に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムに、切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂを追加したものである。切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂの配置の概要に関しては、次のとおりである。実施の形態４に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおける前置増幅器３６、分配回路２２、ＨＰＡ２６のいずれかの間に切り替え回路３７ａを配置する。実施の形態４に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムにおけるＨＰＡ２６、合成回路３８、アンテナ２４のいずれかの間に切り替え回路３７ｂを配置する。

詳しくは、実施の形態５及び６に係る電力増幅装置（電力増幅装置２３，最終段ＨＰＡモジュール２３）において、切り替え回路３７ａは、移相器２５の後段であって、分配回路２２の前段側又は後段側に設けられ、複数組の複数のＨＰＡ２６及び複数のＨＰＡ２６のいずれかを接続先として選択して電磁波を送るものである。また、切り替え回路３７ｂは、切り替え回路３７ａが分配回路２２の前段側に設けられている場合、合成回路２２の後段側に設けられる（実施の形態５として後述する）。切り替え回路３７ｂは、切り替え回路３７ａが分配回路２２の後段側に設けられている場合、合成回路３８の前段側に設けられる（実施の形態６として後述する）。そして、切り替え回路３７ｂは、切り替え回路３７ａが選択している接続先（複数組の複数のＨＰＡ２６及び複数のＨＰＡ２６のいずれかの組）を選択して電磁波を受ける。

実施の形態５及び６に係る電力増幅装置（電力増幅装置２３，最終段ＨＰＡモジュール２３）において、制御部３９（制御装置３９）は、所定の送信デューティに対応する送信時間で、少なくとも接続先となった方の複数のＨＰＡ２６のそれぞれのＨＰＡ２６の送信タイミングを順次遅延させる。そして、制御部３９（制御装置３９）は、それぞれの送信タイミングに対応した複数のＨＰＡ２６の組を選択するように切り替え回路３７ａ及び切り替え回路３７ｂを切り替え、それぞれの送信タイミング毎に合成回路３８から出力される電磁波が所定の位相となるように前記移相器を制御するものである。

実施の形態５及び６における送信タイミングは、実施の形態２〜４と同じく、１／（ＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（ＨＰＡ２６の台数）となる。なお、実施の形態５及び６おいて、ＨＰＡ２６の台数とは、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるＨＰＡ２６の台数となる。よって、所定の送信デューティは、１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるＨＰＡ２６の数）ともいえる。

これは、同じ組のＨＰＡ２６同士の送信タイミングを別とし（異ならせ）、別の組のＨＰＡ２６同士の送信タイミングを同じとし、二つのＨＰＡ２６からの電磁波（送信マイクロ波１１）を被照射体１２に照射（送信）する場合を含めているためである。よって、実施の形態２〜４においても、送信タイミングは、１／（それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるＨＰＡ２６の数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよいといえる。

さらに、異なる組のＨＰＡ２６のうち、少なくとも１つ同士を同じ送信タイミングでそれぞれ動作させること、つまり、同じ送信タイミングで動作させることで、最終段ＨＰＡモジュール２３の出力部において、組数分の台数のＨＰＡ２６の出力を重ねあわせたものを得ることができる。

実施の形態５．
実施の形態５の説明は、実施の形態４との相違点を中心に行う。図１１は、実施の形態５に係る電力増幅装置の最終段ＨＰＡモジュール２３の構成ブロック図である。図１１において、切り替え回路３７ａ（入力側切替器３７ａ）は、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を切り替えて伝送するものである。分配回路２２（分配器２２）は増幅されたマイクロ波を分配して伝送するものである。合成回路３８（合成器３８）は、ＨＰＡ２６の出力を合成するものである。切り替え回路３７ｂ（出力側切替器３７ｂ）は、切り替えてマイクロ波を出力するものであり、これらが最終段ＨＰＡモジュール２３としてパッケージされている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

この最終段ＨＰＡモジュール２３に源振信号２７を入力し、移相器２５でビーム方向制御やビーム形成やＨＰＡ２６間の位相補正のための位相調整を行い、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を切り替え回路３７ａと分配回路２２で切り替え・分配して伝送し、ＨＰＡ２６で増幅され、合成回路３８と切り替え回路３７ｂにより合成・切り替えて出力し、アンテナ２４より連続波の送信マイクロ波１１が送信される。なお、移相器２５、ＨＰＡ２６、切り替え回路３７ａ、切り替え回路３７ｂを制御する制御信号は、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部から直接、若しくは終段ＨＰＡモジュール２３内の制御部３９から供給される。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図１２は、実施の形態５に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。つまり、図１２は、図１１のような最終段ＨＰＡモジュール２３における各ＨＰＡ２６の出力と、最終段ＨＰＡモジュールの出力である送信マイクロ波１１のイメージ図である。図１２のグラフにおいて、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の縦軸は、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はＨＰＡ２６の送信タイミングを指している。上から順に、図１２（ａ）がＨＰＡ２６（＃１）の出力を示すＨＰＡ２６（＃１）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１２（ｂ）がＨＰＡ２６（＃２）の出力を示すＨＰＡ２６（＃２）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１２（ｃ）がＨＰＡ２６（＃３）の出力を示すＨＰＡ２６（＃３）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１２（ｄ）がＨＰＡ２６（＃４）の出力を示すＨＰＡ２６（＃４）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図１２（ｐ）は、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）が出力する送信マイクロ波の合成波の電力（マイクロ波電力）を示すイメージ図である。なお、図１２（ｐ）の縦軸は、マイクロ波電力を示し、横軸は、時間を示している。

この例では、実施の形態４と異なり、各ＨＰＡ２６を図１１に示す＃１ＨＰＡ２６及び＃３ＨＰＡ２６の組、＃２ＨＰＡ２６及び＃４ＨＰＡ２６の組に分け、各組のＨＰＡ２６は送信デューティ５０％の繰り返しパルス出力を想定している。つまり、各組のＨＰＡ２６からのパルスのマイクロ波の照射を１／２周期分だけ送信タイミングをずらす（順次遅延させる）。これにより、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）から出力されるマイクロ波は、図１２の最下段、図１２（ｐ）のように連続波の出力を得ることができる。また、切り替え回路３７ａ・３７ｂは、ＯＮ状態となっているＨＰＡ２６の組を選択するように、１／２周期毎にＨＰＡ２６の送信タイミングに同期して切り替わる。さらに、各組のＨＰＡ２６のいずれか１つ同士のＯＮのタイミングを図１２に示すように同期させているので、ＨＰＡ２６の２台分の出力を得ることができる。図１２では、＃１ＨＰＡ２６と＃２ＨＰＡ２６とが同じ送信タイミングで、ＯＮとなっている。

また、実施の形態４と同様に、実施の形態５でも、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）内で複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）を有しており、最終段ＨＰＡモジュール２３内で切り替えて出力することにより、ＨＰＡモジュール２３の出力部において、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を得ることができる。加えて、各組のＨＰＡ２６のいずれか１つ同士のＯＮのタイミングを同期させているので、２台分のＨＰＡ２６の出力を重ねあわせたものを得ることができる。これは、実施の形態５における組数が２であるためである。

つまり、実施の形態５によれば、最終段ＨＰＡモジュール２３の内部で、ＨＰＡ２６の組が異なる＃１と＃２のＨＰＡ２６、あるいはＨＰＡ２６の組が異なる＃３と＃４の２つのＨＰＡ２６出力を合成することができるので、最終段ＨＰＡモジュール２３の出力のマイクロ波は、より大きな出力が得られる、という効果を奏する。

図１１及び図１２では、異なる送信タイミングのＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は２台として実施の形態５を説明しているが、３台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（一組あたりのＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（一組あたりのＨＰＡ２６の台数）となる。複数のＨＰＡ２６の組数は、二組以上であればよい。なお、一組あたりのＨＰＡ２６の台数は、それぞれ異なる送信送信タイミングでパルス駆動される対象であるＨＰＡ２６（電力増幅部２６）であるといえる。

実施の形態６．
実施の形態６の説明は、実施の形態４との相違点を中心に行う。図１３は、実施の形態６に係る電力増幅装置の最終段ＨＰＡモジュール２３の構成ブロック図である。図１３において、分配回路２２（分配器２２）は、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を分配するものである。切り替え回路３７ａ（入力側切替器３７ａ）は、マイクロ波を切り替えて伝送するものである。切り替え回路３７ｂ（出力側切替器３７ｂ）は、ＨＰＡ２６の出力を切り替えてマイクロ波を出力するものである。合成回路３８（合成器３８）は、マイクロ波を合成するものであり、これらが最終段ＨＰＡモジュール２３としてパッケージされている。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

この最終段ＨＰＡモジュール２３に源振信号２７を入力し、移相器２５でビーム方向制御やビーム形成やＨＰＡ２６間の位相補正のための位相調整を行い、前置増幅器３６で増幅されたマイクロ波を分配回路２２と切り替え回路３７ａで分配・切り替えて伝送し、
ＨＰＡ２６で増幅され、ＨＰＡ２６で増幅され、切り替え回路３７ｂと合成回路３８により切り替え・合成して、アンテナ２４より連続波の送信マイクロ波１１が送信される。なお、移相器２５、ＨＰＡ２６、切り替え回路３７ａ、切り替え回路３７ｂを制御する制御信号は、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部から直接、若しくは終段ＨＰＡモジュール２３内の制御部３９から供給される。図中、同一符号は、同一又は相当部分を示しそれらについての詳細な説明は省略する。

図１４は、実施の形態６に係る電力増幅装置の出力電力イメージ図である。つまり、図１２は、図１１のような最終段ＨＰＡモジュール２３における各ＨＰＡ２６の出力と、最終段ＨＰＡモジュールの出力である送信マイクロ波１１のイメージ図である。図１４のグラフにおいて、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の縦軸は、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は、時間を示している。すなわち、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はＨＰＡ２６の送信タイミングを指している。上から順に、図１４（ａ）がＨＰＡ２６（＃１）の出力を示すＨＰＡ２６（＃１）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１４（ｂ）がＨＰＡ２６（＃２）の出力を示すＨＰＡ２６（＃２）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１４（ｃ）がＨＰＡ２６（＃３）の出力を示すＨＰＡ２６（＃３）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。図１４（ｄ）がＨＰＡ２６（＃４）の出力を示すＨＰＡ２６（＃４）の送信マイクロ波波形のイメージ図である。一番下に示す図１４（ｐ）は、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）が出力する送信マイクロ波の合成波の電力（マイクロ波電力）を示すイメージ図である。なお、図１４（ｐ）の縦軸は、マイクロ波電力を示し、横軸は、時間を示している。

この例では、実施の形態４と異なり、各ＨＰＡ２６を図１１に示す＃１ＨＰＡ２６及び＃２ＨＰＡ２６の組、＃３ＨＰＡ２６及び＃４ＨＰＡ２６の組に分け、各組のＨＰＡ２６は送信デューティ５０％の繰り返しパルス出力を想定している。つまり、各組のＨＰＡ２６からのパルスのマイクロ波の照射を１／２周期分だけ送信タイミングをずらす（順次遅延させる）。これにより、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）から出力されるマイクロ波は、図１４の最下段、図１４（ｐ）のように連続波の出力を得ることができる。また、切り替え回路３７ａ・３７ｂは、ＯＮ状態となっているＨＰＡ２６の組を選択するように、１／２周期毎にＨＰＡ２６の送信タイミングに同期して切り替わる。さらに、各組のＨＰＡ２６のいずれか１つ同士のＯＮのタイミングを図１４に示すように同期させているので、ＨＰＡ２６の２台分の出力を得ることができる。図１４では、＃１ＨＰＡ２６と＃３ＨＰＡ２６とが同じ送信タイミングで、ＯＮとなっている。

また、実施の形態４と同様に、実施の形態６でも、最終段ＨＰＡモジュール２３（電力増幅装置２３）内で複数のＨＰＡ２６（電力増幅部２６）を有しており、最終段ＨＰＡモジュール２３内で切り替えて出力することにより、ＨＰＡモジュール２３の出力部において、大電力の連続波相当の送信マイクロ波１１を得ることができる。加えて、各組のＨＰＡ２６のいずれか１つ同士のＯＮのタイミングを同期させているので、２台分のＨＰＡ２６の出力を重ねあわせたものを得ることができる。これは、実施の形態６における組数が、実施の形態５と同様に２であるためである。

つまり、実施の形態６によれば、最終段ＨＰＡモジュール２３の内部で、ＨＰＡ２６の組が異なる＃１と＃３のＨＰＡ２６、あるいはＨＰＡ２６の組が異なる＃２と＃４の２つのＨＰＡ２６出力を合成することができるので、最終段ＨＰＡモジュール２３の出力のマイクロ波は、より大きな出力が得られる、という効果を奏する。

また、実施の形態６は、実施の形態５と比較して、同時に動作するＨＰＡ２６が離れているため、ＨＰＡ２６の放熱における問題がより緩和され、発熱の大きな大出力のＨＰＡ２６を搭載しても、より安定的に動作する、という効果を奏する。図１３を用いて説明すると、ＨＰＡ２６の組み合わせが、＃１と＃２のものと＃３と＃４のものの二組が、図のとおり、順に並んでいる。そのため、＃１ＨＰＡ２６がＯＮのときは、＃２ＨＰＡ２６がＯＦＦとなり、そのとき、隣接する＃３ＨＰＡ２６はＯＮとなり、＃３ＨＰＡ２６の隣の＃４ＨＰＡ２６はＯＦＦとなっているので、熱が集中しにくい。よって、実施の形態５の説明で用いた図１１では、隣り合うＨＰＡ２６同士が同時にＯＮとなることに対して、ＨＰＡ２６の放熱における問題がより緩和されているといえる。

図１３及び図１４では、異なる送信タイミングのＨＰＡ２６（電力増幅部２６）は２台として実施の形態６を説明しているが、実施の形態５と同様に、３台以上でもよい。その場合、送信タイミングは、１／（一組あたりのＨＰＡ２６の台数）の周期だけずらして（順次遅延させて）繰り返し送信すればよい。よって、所定の送信デューティが１／（一組あたりのＨＰＡ２６の台数）となる。複数のＨＰＡ２６の組数は、二組以上であればよい。なお、一組あたりのＨＰＡ２６の台数は、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象であるＨＰＡ２６（電力増幅部２６）であるといえる。

実施の形態２〜６においては、ＨＰＡ２６のＯＮ／ＯＦＦのタイミングや切り替え回路３７（切り替え回路３７ａ，切り替え回路３７ｂ）の切り替えのタイミングは、最終段ＨＰＡモジュール２３の外部の制御回路３０から、切り替えタイミングのクロックをＨＰＡ２６や切り替え回路３７に送信することで制御をおこなう。なお、最終段ＨＰＡモジュール２３に、ＨＰＡ２６や切り替え回路３７（切り替え回路３７ａ，切り替え回路３７ｂ）などの切り替え等の制御対象が複数ある場合には、最終段ＨＰＡモジュール２３の中に、簡素な制御部３９を設けてこれらの制御を行うことで、制御回路３０は各最終段ＨＰＡモジュール２３に対して、切り替えの基準となる１種類のクロックを送信するだけでよくなる。このようにすることで、制御回路３０を簡素化することもできる。図５、図７、図９、図１１及び図１３の制御部３９を備えた場合がこれに相当する。

また、実施の形態１〜６では、マイクロ波加熱炉（マイクロ波製錬炉）を中心に例示し、マイクロ波反応炉、マイクロ波精錬炉、マイクロ波溶解炉、マイクロ波溶鉱炉、マイクロ波焼結炉等なども含む加熱システムへの適用を示した。しかし、実施の形態１〜６に係る電波送信システムは、加熱システムと同様に、マイクロ波を送信して、所定の場所に受電装置を設置し、そこに集中させてマイクロ波を照射するようなマイクロ波電力伝送システムにも適用が可能である。このようなマイクロ波電力伝送システムにおいても、同様にパルス出力の高出力のマイクロ波送信部やＨＰＡモジュールを切り替えて動作させることにより、連続波相当の高出力のマイクロ波を安定して照射して電力を安定的に供給することができる。また、マイクロ波送信部やＨＰＡモジュールを複数用意することで大規模化・高出力化が可能な、拡張性の高いマイクロ波送信システムを実現することができる。

更に、本実施の形態１〜６においては、マイクロ波のシステムを例示したが、例えばミリ波やテラヘルツ等の電磁波を送信するシステムにおいても、それぞれの電磁波の複数のパルス出力の電磁波送信装置や電磁波増幅器を切り替えて使用することで、大電力の連続波相当の電磁波を効率よく照射することができる、という同様の効果が得られる。

以上、実施の形態１〜６に係る電磁波送信装置、電力増幅装置及び電磁波送信システムは、大出力の連続波のマイクロ波を送信するマイクロ波送信部やＨＰＡモジュールがなくても、パルス出力の高出力のマイクロ波送信部１や最終段ＨＰＡモジュール２３を切り替えて動作させることにより、連続波相当の高出力のマイクロ波を安定して効率よく所望の場所に照射することができる。

１ マイクロ波送信部（電磁波送信部）
２ 反射板
３ 加熱炉
４ 焦点部
５ 窓
１１ 送信マイクロ波
１２ 材料（被照射体）
２１ 初段ＨＰＡモジュール
２２ 分配回路（分配器）
２３ 最終段ＨＰＡモジュール（電力増幅装置）
２４ アンテナ
２５ 移相器
２６ ＨＰＡ（電力増幅部）
２７ 源振信号
２８ 初段増幅されたマイクロ波
２９ 分配されたマイクロ波
３０ 制御回路（制御部）
３１ マイクロ波送信部制御信号
３２ 初段ＨＰＡモジュール制御信号
３３ 最終段ＨＰＡモジュール制御信号
３４ 信号発生器
３５ アンテナ制御ユニット
３６ 前置増幅器
３７ 切り替え回路（切替器）
３８ 合成回路（合成器）
３９ 制御部（制御装置）

Claims (5)

1. 複数の電磁波送信ユニットと、
   前記電磁波送信ユニット毎に同じ数ずつ設けられた複数の電磁波送信部と、
   前記電磁波送信ユニット毎に前記複数の電磁波送信部の送信タイミングを制御し、所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動された電磁波を、被照射体が配置される焦点部へ照射させる制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれの前記電磁波送信ユニット毎に、前記電磁波送信ユニット内の前記複数の電磁波送信部の送信タイミングを順次遅延させると共に、前記電磁波送信ユニットが有する前記複数の電磁波送信部のうち何れか１つが、他の前記電磁波送信ユニットが有する前記複数の電磁波送信部のうち何れか１つと、同じ送信タイミングで動作させるものであって、
   前記焦点部は、前記複数の電磁波送信部が送信する電磁波が集まる焦点に相当し、
   前記所定の送信デューティは、前記それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象である前記電磁波送信部の数の逆数である電磁波送信装置。
2. 所定の送信デューティで繰り返しパルス駆動された電磁波を、被照射体が配置される焦点部へ照射する複数の電磁波送信部を備え、
   複数の電磁波送信ユニットのそれぞれが前記複数の電磁波送信部を有し、
   前記焦点部は、前記複数の電磁波送信部が送信した電磁波が集まる焦点に相当し、
   前記複数の電磁波送信部は、それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動され、隣接する前記異なる送信タイミング間の時間は前記所定の送信デューティに対応する送信時間であり、
   前記電磁波送信ユニットが有する前記複数の電磁波送信部のうち何れか１つが、他の前記電磁波送信ユニットが有する前記複数の電磁波送信部のうち何れか１つと、同じ送信タイミングで動作する電磁波送信装置。
3. 複数の前記電磁波送信部の送信タイミングを制御する制御装置を、さらに備え、
   前記制御装置は、前記所定の送信デューティに対応する送信時間で、それぞれの前記電磁波送信部の送信タイミングを順次遅延させている請求項２に記載の電磁波送信装置。
4. 前記所定の送信デューティは、前記それぞれ異なる送信タイミングでパルス駆動される対象である前記電磁波送信部の数の逆数である請求項２又は請求項３に記載の電磁波送信装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電磁波送信装置と、
   前記電磁波送信部からの電磁波が照射される前記被照射体を保持する被照射体保持部とを備えた電磁波送信システム。

Images