JPH0370357B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はトランジスタ等の半導体素子を用いた
高周波発振器を用いた高周波加熱装置にかかり、
高周波発振器で発生した高周波を加熱装置へ導く
給電回路の改善に関するものである。

従来例の構成とその問題点 従来、高周波加熱装置として広く民生用に用い
られている電子レンジの場合、そのほとんどが高
周波発振器としてマイクロ波真空管であるマグネ
トロンを使用しているが、近年トランジスタ技術
の進歩に伴い、トランジスタ等の半導体素子で高
周波発振器を構成し、低電圧化、軽量小型化、長
寿命化を図ることが検討されている。

しかしながらこうしたトランジスタの電波発生
能力は一般に使用周波数ｆの一乗から二乗に比例
して低下すると言われ、従来の電子レンジに使用
されている2450MHzの周波数帯で大出力、高効率
のトランジスタを作ることは困難が大きい。従つ
てトランジスタ化をはるかには、現在の技術をも
つてしても、もう一つのＩ・Ｓ・Ｍ周波数帯であ
る915MHz帯という低い周波数を使わざるを得な
いのが現状である。

トランジスタ等の固体素子を用いた高周波発振
器を使用した高周波加熱装置の場合、第１図のよ
うに、高周波発振器１と加熱室３へ電波を放出す
るアンテナ２の間にサーキユレータ７と無反射終
端８を介在させる構成を取るのが一般的である。

このようにサーキユレータ７といつた高価な部
品を使用する理由は、次の通りである。まず第１
にトランジスタ等の固体素子を用いた高周波発振
器１そのものが、反射電力に対して弱いこと、第
２に固体化する上で必然的な915MHz帯電波の使
用によりアンテナ２から加熱室３側を見た定在波
比（インピーダンス）も負荷量の変化にかかわら
ず常に低い値に抑えておくことは、2450MHz帯の
電波を使用する場合以上に困難となる。以上２つ
の理由により、加熱室３から反射して来る電波を
全て無反射終端８へ吸収して高周波発振器１へ電
波を戻させない構成を取るのが、トランジスタ化
電子レンジの従来の構成である。

ここで、915MHzを利用すると2450MHzを使用
するのに比較して、インピーダンス整合を取るの
が困難となる理由について若干述べておく。
915MHzの場合波長が2450MHzの約３倍の33cmで
あり、本発明にかかる一般民生用の高周波加熱装
置の場合、その加熱室の大きさに波長がほぼ対応
する。このため2450MHzに比較して加熱室３で共
振可能なモード数が大巾に減少し、従つて被加熱
物４が変わると、アンテナ２から加熱室３側を見
たインピーダンスが大巾に変動する。このため特
に軽負荷や空に近い状態を含めて、インピーダン
ス整合を取ることは2450MHzの場合以上に困難
で、サーキユレータが無ければ、発振器１から出
た電波は、負荷状態によつては大部分が反射して
戻つて来ることになる。

しかしながら、このサーキユレータ７は高価な
部品であるばかりでなく、電子レンジに使用する
数百Ｗクラスの大電力用のものは、非常に大型で
作り悪いという問題があり、電子レンジのような
高周波加熱装置に半導体化した高周波発振器を使
用する場合の一つの大きな障害となつていた。

発明の目的 本発明は、半導体素子を用いた高周波発振器を
用いた高周波加熱装置において、加熱室からの反
射電波から高周波発振器を保護するために従来必
要とされたサーキユレータを省略可能とすること
を目的としたものである。

発明の構成 上記目的を達成するため、本発明の高周波加熱
装置は、サーキユレータより安価で構成の簡単な
方向性結合器と、これにより分割された電波をそ
れぞれ加熱室内へ導く複数のアンテナ、及び加熱
室から反射して来た電波の一部を吸収するための
無反射終端を設けた構成になつている。

この構成により、方向性結合器という簡単な部
品を使つて加熱室からの反射電力の一部又は全て
を無反射終端で吸収し、高周波発振器への反射の
低減を実現することができる。

実施例の説明 以下、本発明の一実施例を第２図を用いて説明
する。第２図における方向性結合器５のうち代表
的なものに３dBカプラーがあり、この場合、端
子１から入つた電波は２分割されて端子２と端子
３に出力される一方、端子４には出力が現われな
いという働きを有している。このような方向性結
合器の一般的な性質は、各端子における入射波と
反射波の関係を表わすＳマトリツクスにより、次
式のように表現される。

b₁ b₂ b₃ b₄＝Ｏ jβ α Ｏ jβ Ｏ Ｏ α α Ｏ Ｏ jβ Ｏ α jβ Ｏa₁ a₂ a₃ a₄ ……(1) 但し、 α2＋β2＝１（α、β、実数） 式(1)において、a₁，a₂，a₃，a₄は、各端子１，
２，３，４へ入射する電波の振幅と位相を複素量
で表わしたもので、a_i・a_i ^*（ｉ＝１、２、３、
４）は入射電力となるように規定されている。又
b₁，b₂，b₃，b₄は各端子１，２，３，４から出て
行く電波の振幅と位相を表わし、a_iと同様b_i・b_i ^*
は、出てゆく電波の電力を示す。

上述の方向性結合器の働きに従つて本実施例を
説明する。高周波発振器１で発生した電波は端子
１より方向性結合器５に入る。この電波をa₁とす
れば、端子２，３，４に出ていく電波b₂，b₃，b₄
は式(1)で a₂＝a₃＝a₄＝０ とおいて得られ、 b₂＝jβa₁、b₃＝αa₁、b₄＝０ ……(2) 故に （b₂・b₂ ^*）／（a₁・a₁ ^*）＝β2、 （b₃・b₃ ^*）／（a₁・a₁ ^*）＝α2 ……(3) となる。ここで話を簡単にするため、α2＝β2＝
１／２である3dBカプラーの場合について考えるこ
ととすれば（以降、簡単のためにα＝β＝１／√２ の3dBカプラーの場合について説明するがα＝β
＝１／√２以外の場合も同様の働きをすることは容 易に理解される） （b₂・b₂ ^*）／（a₁・a₁ ^*）＝1/2 （b₃・b₃ ^*）／（a₁・a₁ ^*）＝1/2 （b₄・b₄ ^*）／（a₁・a₁ ^*）＝０ ……(4) となり、端子１から入つた電波は２分割されて端
子２，３より出ていく一方、端子４には現われな
い。

さて、端子２，３から出た電波は、アンテナ２
ｄ，２ｂを通じて加熱室３内へ放射されるが、各
アンテナから加熱室３側を見たインピーダンス
は、被加熱物４が変わると変動するため常に整合
状態を実現することは不可能である。従つて端子
２，３より出ていつた電波の一部は、反射して再
び方向性結合器５へ戻つて来る。今この反射波の
みを注目して考えるとこれらの反射波は、方向性
結合器５から見た場合、端子２，３への入射波で
あるから、これらをa₂′，a₃′とおきa₁′＝a₄′＝０と
すれば、 と書ける。アンテナ２ａ，２ｂ、からの反射はア
ンテナ２ａ，２ｂを含む加熱室３の設計と被加熱
物４により変化する。端子２，３からアンテナ側
を見た反射係数をP₂，P₃とし、最も簡単な場合
の一つとして、 P₂＝P₃＝Re^jo（Ｒ、ｏ任意の実数） ……(6) となつたとすると、式(2)の関係を用いて、 式(7)を式(5)に代入すれば b₁＝０ b₄＝jbe^joa₁ ……(8) となり、端子２，３からの反射が式(6)で示される
ように同位相でかつ同振幅であればその反射波は
全て無反射終端６に結合された端子４のみに現わ
れ、高周波発振器１に結合された端子１には現わ
れない。

上例と正反対の場合として考えられるのは、 P₂＝−P₃＝Re^jo（Ｒ、ｏ、任意の実数） ……(9) となるときで、反射が同振幅であるが位相が180゜
異なる。式(9)と式(2)の関係から、 式(10)を式(5)に代入すれば、 b₁＝−Re^joa₁ b₄＝０ ……（11） となり、反射波は全て端子１のみに現われる。

上記２つの場合は最も単純な条件を設定してみ
たわけであるが、現実にこうした状態が出現する
ことはまずありえず、両者の中間的な状態が実際
には発生すると考えられる。すなわち端子２，３
よりアンテナ２ａ，２ｂへ出た電波のうち、イン
ピーダンス不整合のために反射したもののうち、
一部は端子１を通じて高周波発振器１へ、残りは
端子４を通じて無反射終端６で吸収されることに
なる。

従つて、従来例でもしサーキユレータ７を用い
なければアンテナ２から反射して来た電波の全て
が、高周波発振器１へ戻るのに対し、上述の構成
の場合反射波の一部が無反射終端６で吸収され、
高周波発振器１への反射は大巾に低減される。

一方、アンテナ２から加熱室３へ効率良く電波
を供給するためには、被加熱物４の変化にかかわ
らず、できるだけインピーダンス整合を取る必要
があり、915MHz帯の場合、波長と加熱室３との
関係から共振可能モードが大巾に減少して、イン
ピーダンス整合が取り難いことは既に述べた。こ
の問題自身についても、例えば上記実施例では２
つのアンテナ２ａ，２ｂによつて給電を行うた
め、それぞれのアンテナが励振し易いモードを持
ち、従つて１つのアンテナ２では実現できない広
範囲でのインピーダンス整合が実現でき、これに
よつても高周波発振器１への反射は大きく低減さ
れる。

又上述の例では、高周波を２分配して給電する
構成について説明したが、２分配した電波をさら
に２分配する２つの方向性結合器を追加し、全部
で３つの方向性結合器で４分配した電波を４つの
アンテナで給電し、上述の効果をさらに向上する
構成を得ることも可能である。

発明の効果 上記説明のとおり、本発明の構成によれば、ま
ず加熱室からの反射電波のうち高周波発振器へ戻
るのは一部であり、残りは無反射終端で吸収され
るため、基本的に高周波発振器への反射は小さく
なる。又高周波発振器をトランジスタ等の半導体
素子で構成する場合、従来一般的に利用されてい
る2450MHz帯より低いI.M.S周波数帯である
915MHz帯を使うことになるが、この場合に波長
が従来の2450MHz帯に比して約３倍になるために
励振モード数が少なくなり、インピーダンス整合
を取り難い。この問題に対しても、複数のアンテ
ナで給電しているためそれぞれのアンテナが励振
し易いモードを有することになり、その分だけイ
ンピーダンス整合が取り易く、従つて、高周波発
振器１への反射電力を広い負荷範囲にわたつて小
さくできる。上述の２つの理由により、反射電力
に弱いトランジスタ等の半導体素子で構成した高
周波発振器１を使用した場合にも、サーキユレー
タといたつ高価な部品を使用する必要がなくな
り、安価で信頼性の高い高周波加熱装置をトラン
ジスタ等の半導体素子からなる高周波発振器を用
いて構成可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高周波加熱装置の基本構成図、
第２図は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置
の構成図である。 １……高周波発振器、２……アンテナ、３……
加熱室、４……被加熱物、５……方向性結合器、
６……無反射終端、７……サーキユレータ、８…
…無反射終端。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 半導体素子を用いた高周波発振器と、この高
   周波発振器の出力電波を分割する方向性結合器
   と、分割された電波をそれぞれ加熱室内へ導くた
   めの複数のアンテナと、加熱室からの反射電波の
   一部を吸収する無反射終端とからなる高周波加熱
   装置。