電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)送微波等電磁波并集中向規(guī)定部位照射電磁波以進(jìn)行加熱或化學(xué)變化、功率傳輸?shù)南到y(tǒng)所使用的電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)被用于微波加熱爐(包括微波反應(yīng)爐、微波冶煉爐、微波精煉爐、微波熔解爐、微波熔礦爐、微波燒結(jié)爐等)或微波電力傳輸系統(tǒng)。例如，在微波加熱或宇宙太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置等的微波功率傳輸系統(tǒng)中，電磁波發(fā)送裝置要求大功率的微波輸出。因此，這些系統(tǒng)的微波發(fā)送裝置使用的是以往具有高輸出特征的磁控管或速調(diào)管等電子管放大器。
[0003]另一方面，近年來(lái)，半導(dǎo)體放大器在雷達(dá)或通信設(shè)備等領(lǐng)域中的技術(shù)日益發(fā)展，例如在C帶中輸出數(shù)十W?200W左右的高輸出微波半導(dǎo)體放大器正在研發(fā)中。將這些放大器搭載到有源相控陣天線(Active Phased Array Antenna:APAA)等微波發(fā)送裝置中，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模及高輸出的系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
[0004]專利文獻(xiàn)1:W02010/087464
專利文獻(xiàn)2:日本專利特開(kāi)2001-308649號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3:日本專利特開(kāi)平2-104103號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4:日本專利特開(kāi)2010-272913號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)
[0005]非專利文獻(xiàn)1:佐藤元泰等，第5次日本電磁波能源應(yīng)用學(xué)會(huì)論壇，講座摘要集2B07(2011)PP.98-99

【發(fā)明內(nèi)容】

發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]專利文獻(xiàn)I所記載的微波加熱冶煉爐(微波加熱爐)在爐上設(shè)置了多個(gè)微波照射窗，并從設(shè)置在外部的通過(guò)控制微波的波面和相位使得波束的方向以電學(xué)方式可變的微波照射裝置照射微波。專利文獻(xiàn)I的記載表示，利用所照射的微波，使投入到微波照射室內(nèi)的鐵礦石等材料在高功率通量密度的微波下熔解，從而能夠進(jìn)行冶鐵等。另一方面，該專利文獻(xiàn)I中并沒(méi)有記載為了在微波照射室內(nèi)得到高功率通量密度的微波照射裝置的具體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)等，從而存在微波照射室內(nèi)難以得到高功率通量密度的問(wèn)題。另外，也沒(méi)有提出為了使微波加熱或衛(wèi)星太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置等的微波功率傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；龃笪⒉ǖ妮敵龊驼丈涔β实姆椒ǎ缭谝粋€(gè)系統(tǒng)中設(shè)置更多個(gè)微波發(fā)送裝置等具體的大規(guī)模且高輸出的方法，從而還存在系統(tǒng)規(guī)模難以擴(kuò)張的問(wèn)題。
[0007]非專利文獻(xiàn)I中，提出了在爐的外周排布相控陣天線并經(jīng)由多個(gè)反射鏡向配置有材料的微波照射室照射微波的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)需要向相控陣天線的各元件輸出數(shù)百W連續(xù)波的高輸出微波照射裝置。但是，非專利文獻(xiàn)I中并沒(méi)有公開(kāi)具體的輸出連續(xù)波的高輸出微波照射裝置的實(shí)現(xiàn)方法。因此，非專利文獻(xiàn)I所記載的內(nèi)容中，例如使用GaN(氮化鎵)元件的半導(dǎo)體放大器存在如下問(wèn)題。即，在以連續(xù)波的方式輸出數(shù)百W程度以上的高輸出時(shí)，半導(dǎo)體放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分的散熱，溫度上升導(dǎo)致增益下降或者燒毀，從而難以穩(wěn)定地照射功率。
[0008]專利文獻(xiàn)2中，公開(kāi)了時(shí)分多路連接方式(Time Divis1n Multiple Access:TDMA)的通信使用的功率放大器。其記載了如下高頻功率放大器，在該功率放大器中，為了抑制發(fā)送期間內(nèi)輸出級(jí)放大部的輸出級(jí)晶體管的Tj上升，使多個(gè)輸出級(jí)放大部每隔占空比為輸出級(jí)放大部的倒數(shù)的脈沖寬度依次進(jìn)行動(dòng)作，并使該功率放大器在規(guī)定的發(fā)送期間內(nèi)進(jìn)行動(dòng)作。但是，對(duì)于輸出連續(xù)波的高頻功率放大器并沒(méi)有任何記載。
[0009]本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題。即，得到一種用于穩(wěn)定地向材料或受電裝置等的被照射部照射連續(xù)波且高輸出的微波的電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)。該電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)適合用于需要照射高輸出的微波等電磁波的電磁波加熱系統(tǒng)或電磁波功率傳輸系統(tǒng)。
解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明所涉及的電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)將以規(guī)定的發(fā)送占空比反復(fù)進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)的電磁波、或者以規(guī)定的發(fā)送占空比反復(fù)進(jìn)行脈沖驅(qū)動(dòng)并放大后的電磁波照射到被照射體上。脈沖驅(qū)動(dòng)分別在不同的發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行，且相鄰的所述不同的發(fā)送時(shí)刻之間的時(shí)間為對(duì)應(yīng)于所述規(guī)定的發(fā)送占空比的發(fā)送時(shí)間。
發(fā)明效果
[0011]本發(fā)明具有能夠穩(wěn)定且高效地向所期望的部位照射連續(xù)波且高輸出的微波的效果。另外，本發(fā)明還具有能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、高輸出、且高擴(kuò)張性的電磁波發(fā)送裝置、功率放大裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的效果。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)所能適用的微波加熱爐(微波冶煉爐)的結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的微波發(fā)送部(電磁波發(fā)送部)的動(dòng)作示意圖。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的微波發(fā)送部(電磁波發(fā)送部)的輸出功率示意圖。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的微波發(fā)送部(電磁波發(fā)送部)的系統(tǒng)框圖。
圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的功率放大裝置的框圖。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的功率放大裝置的輸出功率示意圖。
圖7是本發(fā)明的實(shí)施方式3所涉及的功率放大裝置的框圖。
圖8是本發(fā)明的實(shí)施方式3所涉及的功率放大裝置的輸出功率示意圖。
圖9是本發(fā)明的實(shí)施方式4所涉及的功率放大裝置的框圖。 圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式4所涉及的功率放大裝置的輸出功率示意圖。
圖11是本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的功率放大裝置的框圖。
圖12是本發(fā)明的實(shí)施方式5所涉及的功率放大裝置的輸出功率示意圖。
圖13是本發(fā)明的實(shí)施方式6所涉及的功率放大裝置的框圖。
圖14是本發(fā)明的實(shí)施方式6所涉及的功率放大裝置的輸出功率示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施方式I
圖1是實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)所能適用的微波加熱爐(微波冶煉爐)的結(jié)構(gòu)說(shuō)明圖。圖1中，電磁波發(fā)送部I(微波發(fā)送部I)由發(fā)送出發(fā)送微波11的APAA等構(gòu)成。反射板2對(duì)發(fā)送微波11進(jìn)行反射。加熱爐3包括焦點(diǎn)部4和材料12 (被照射體12)，生成鐵等。焦點(diǎn)部4是相當(dāng)于微波發(fā)送部I發(fā)送的發(fā)送微波11聚焦的焦點(diǎn)的部位。窗5設(shè)置于加熱爐3的上部，以供發(fā)送微波11透過(guò)。材料12被保持在焦點(diǎn)部4上，是被發(fā)送微波11加熱的對(duì)象。焦點(diǎn)部4由用于將材料12保持在焦點(diǎn)附近的工作臺(tái)或坩鍋構(gòu)成。另外，工作臺(tái)或坩鍋也可以稱為對(duì)被照射體即材料12進(jìn)行保持的被照射體保持部、或者載放被照射體即材料12的被照射體載放部。圖中，同一標(biāo)號(hào)表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠?，省略?duì)其的詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]另外，圖1中，在加熱爐3的發(fā)送微波11入射的上部設(shè)有窗5，從而防止材料12或廢氣、熱量或發(fā)送微波11等漏出到外部。圖1中，為了示出配置于加熱爐3內(nèi)部的焦點(diǎn)部4、窗5(—部分)、材料12、工作臺(tái)(被照射體保持部)的結(jié)構(gòu)，用虛線來(lái)表示加熱爐3的內(nèi)部。另外，實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送系統(tǒng)除了具有實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置的電磁波發(fā)送部I (微波發(fā)送部I)以外，還具有被照射體保持部，以對(duì)被照射來(lái)自電磁波發(fā)送部I的電磁波的被照射體進(jìn)行保持。圖中，同一標(biāo)號(hào)表示相同或相當(dāng)?shù)牟糠?，省略?duì)其的詳細(xì)說(shuō)明。
[0015]接下來(lái)，對(duì)實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置及電磁波發(fā)送系統(tǒng)的基本動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。從微波發(fā)送部I照射來(lái)的發(fā)送微波11經(jīng)反射鏡2反射后，通過(guò)加熱爐3上部的窗5，照射到被保持在焦點(diǎn)部4附近的材料12上。此時(shí)，利用APAA的波束方向控制、波束形成及反射板的光學(xué)系統(tǒng)，控制從各微波發(fā)送部I照射來(lái)的發(fā)送微波11的功率通量密度，使其在焦點(diǎn)部4的附近變強(qiáng)，以此方式來(lái)進(jìn)行照射。在將實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置(電磁波發(fā)送系統(tǒng))應(yīng)用到微波加熱爐(微波冶煉爐)的情況下，將受到被照射體保持部支承的材料12 (被照射體12)設(shè)置于焦點(diǎn)部4。另一方面，在將實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置(電磁波發(fā)送系統(tǒng))應(yīng)用到微波功率傳輸系統(tǒng)的情況下，將受到被照射體保持部支承的受電裝置12 (被照射體12)設(shè)置于焦點(diǎn)部4。受電裝置12接收電磁波并將其轉(zhuǎn)換成電力。
[0016]這里，對(duì)于將實(shí)施方式I所涉及的電磁波發(fā)送裝置(電磁波發(fā)送系統(tǒng))應(yīng)用于微波加熱爐(微波冶煉爐)的情況，用圖1所示的微波加熱爐(微波冶煉爐)進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。如圖1所示，在微波加熱爐(微波冶煉爐)的加熱爐3的焦點(diǎn)部4相應(yīng)的位置上收納被照射體即材料12。為了利用從微波發(fā)送部I (電磁波發(fā)送裝置)照射來(lái)的電磁波進(jìn)行加熱和精煉，加熱爐3上設(shè)有供電磁波通過(guò)但加熱和精煉所產(chǎn)生的產(chǎn)物不能通過(guò)的窗5。焦點(diǎn)部4配置于窗5的內(nèi)側(cè)，即位于加熱爐3的內(nèi)部。
[0017]另外，圖1所示的微波加熱爐(微波冶煉爐)中，微波發(fā)送部I包圍加熱爐3而配置成圓環(huán)狀。微波發(fā)送部I與加熱爐3(窗5)之間的電磁波照射路徑中，具有對(duì)電磁波進(jìn)行反射和聚光的反射鏡2。微波發(fā)送部I的配置和從微波發(fā)送部I到加熱爐3(窗5)的電磁波路徑并不限于圖1所記載的情況。圖1中，示意性地示出微波發(fā)送部I以#1、#2、#3為一組，多組包圍加熱爐3而配置成圓環(huán)狀。另外，為了示出加熱爐3的外觀和內(nèi)部，省略了配置成圓環(huán)狀的微波發(fā)送部I的一部分圖示。
[0018]接下來(lái)，使用圖2和圖3，對(duì)實(shí)施方式I中使用脈沖輸出的微波發(fā)送部I的情況下的動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。微波發(fā)送部la、lb、lc……相當(dāng)于APAA等微波發(fā)送部I。微波發(fā)送部la、微波發(fā)送部lb、微波發(fā)送部Ic相當(dāng)于圖1中以#1、#2、#3表示的微波發(fā)送部I。微波發(fā)送部la、lb、lc......在不同的發(fā)送時(shí)刻，向設(shè)置于焦點(diǎn)部的材料12發(fā)送脈沖的發(fā)送微波11a、
I Ib、I Ic。首先，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，考慮如下情況:微波發(fā)電部I為la、Ib、Ic這3臺(tái)，使發(fā)送微波11的發(fā)送占空比為33.3%，控制各個(gè)微波發(fā)送部I發(fā)送出發(fā)送微波11的發(fā)送時(shí)刻，從而發(fā)送圖3所示的微波。另外，發(fā)送占空比是指在脈沖驅(qū)動(dòng)的發(fā)送微波中，將一組的發(fā)送時(shí)間和非發(fā)送時(shí)間設(shè)為一周期時(shí)間，將該一周期時(shí)間中發(fā)送時(shí)間的比例稱為發(fā)送占空比。例如，后述的圖3(a)的一周期中導(dǎo)通時(shí)間的比例。