电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发送微波等电磁波并集中向规定部位照射电磁波以进行加热或化学变化、功率传输的系统所使用的电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统。
【背景技术】
[0002]电磁波发送装置及电磁波发送系统被用于微波加热炉(包括微波反应炉、微波冶炼炉、微波精炼炉、微波熔解炉、微波熔矿炉、微波烧结炉等)或微波电力传输系统。例如，在微波加热或宇宙太阳能发电系统的实验装置等的微波功率传输系统中，电磁波发送装置要求大功率的微波输出。因此，这些系统的微波发送装置使用的是以往具有高输出特征的磁控管或速调管等电子管放大器。
[0003]另一方面，近年来，半导体放大器在雷达或通信设备等领域中的技术日益发展，例如在C带中输出数十W?200W左右的高输出微波半导体放大器正在研发中。将这些放大器搭载到有源相控阵天线(Active Phased Array Antenna:APAA)等微波发送装置中，可以实现大规模及高输出的系统。
现有技术文献专利文献
[0004]专利文献1:W02010/087464
专利文献2:日本专利特开2001-308649号公报专利文献3:日本专利特开平2-104103号公报专利文献4:日本专利特开2010-272913号公报非专利文献
[0005]非专利文献1:佐藤元泰等，第5次日本电磁波能源应用学会论坛，讲座摘要集2B07(2011)PP.98-99
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0006]专利文献I所记载的微波加热冶炼炉(微波加热炉)在炉上设置了多个微波照射窗，并从设置在外部的通过控制微波的波面和相位使得波束的方向以电学方式可变的微波照射装置照射微波。专利文献I的记载表示，利用所照射的微波，使投入到微波照射室内的铁矿石等材料在高功率通量密度的微波下熔解，从而能够进行冶铁等。另一方面，该专利文献I中并没有记载为了在微波照射室内得到高功率通量密度的微波照射装置的具体结构和设计等，从而存在微波照射室内难以得到高功率通量密度的问题。另外，也没有提出为了使微波加热或卫星太阳能发电系统的实验装置等的微波功率传输系统实现大规模化而增大微波的输出和照射功率的方法，例如在一个系统中设置更多个微波发送装置等具体的大规模且高输出的方法，从而还存在系统规模难以扩张的问题。
[0007]非专利文献I中，提出了在炉的外周排布相控阵天线并经由多个反射镜向配置有材料的微波照射室照射微波的系统。这些系统需要向相控阵天线的各元件输出数百W连续波的高输出微波照射装置。但是，非专利文献I中并没有公开具体的输出连续波的高输出微波照射装置的实现方法。因此，非专利文献I所记载的内容中，例如使用GaN(氮化镓)元件的半导体放大器存在如下问题。即，在以连续波的方式输出数百W程度以上的高输出时，半导体放大器无法实现充分的散热，温度上升导致增益下降或者烧毁，从而难以稳定地照射功率。
[0008]专利文献2中，公开了时分多路连接方式(Time Divis1n Multiple Access:TDMA)的通信使用的功率放大器。其记载了如下高频功率放大器，在该功率放大器中，为了抑制发送期间内输出级放大部的输出级晶体管的Tj上升，使多个输出级放大部每隔占空比为输出级放大部的倒数的脉冲宽度依次进行动作，并使该功率放大器在规定的发送期间内进行动作。但是，对于输出连续波的高频功率放大器并没有任何记载。
[0009]本发明的目的是为了解决上述问题。即，得到一种用于稳定地向材料或受电装置等的被照射部照射连续波且高输出的微波的电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统。该电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统适合用于需要照射高输出的微波等电磁波的电磁波加热系统或电磁波功率传输系统。
解决技术问题所采用的技术方案
[0010]本发明所涉及的电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统将以规定的发送占空比反复进行脉冲驱动的电磁波、或者以规定的发送占空比反复进行脉冲驱动并放大后的电磁波照射到被照射体上。脉冲驱动分别在不同的发送时刻进行，且相邻的所述不同的发送时刻之间的时间为对应于所述规定的发送占空比的发送时间。
发明效果
[0011]本发明具有能够稳定且高效地向所期望的部位照射连续波且高输出的微波的效果。另外，本发明还具有能够实现大规模、高输出、且高扩张性的电磁波发送装置、功率放大装置及电磁波发送系统的效果。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统所能适用的微波加热炉(微波冶炼炉)的结构说明图。
图2是本发明的实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统的微波发送部(电磁波发送部)的动作示意图。
图3是本发明的实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统的微波发送部(电磁波发送部)的输出功率示意图。
图4是本发明的实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统的微波发送部(电磁波发送部)的系统框图。
图5是本发明的实施方式2所涉及的功率放大装置的框图。
图6是本发明的实施方式2所涉及的功率放大装置的输出功率示意图。
图7是本发明的实施方式3所涉及的功率放大装置的框图。
图8是本发明的实施方式3所涉及的功率放大装置的输出功率示意图。
图9是本发明的实施方式4所涉及的功率放大装置的框图。 图10是本发明的实施方式4所涉及的功率放大装置的输出功率示意图。
图11是本发明的实施方式5所涉及的功率放大装置的框图。
图12是本发明的实施方式5所涉及的功率放大装置的输出功率示意图。
图13是本发明的实施方式6所涉及的功率放大装置的框图。
图14是本发明的实施方式6所涉及的功率放大装置的输出功率示意图。
【具体实施方式】
[0013]实施方式I
图1是实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统所能适用的微波加热炉(微波冶炼炉)的结构说明图。图1中，电磁波发送部I(微波发送部I)由发送出发送微波11的APAA等构成。反射板2对发送微波11进行反射。加热炉3包括焦点部4和材料12 (被照射体12)，生成铁等。焦点部4是相当于微波发送部I发送的发送微波11聚焦的焦点的部位。窗5设置于加热炉3的上部，以供发送微波11透过。材料12被保持在焦点部4上，是被发送微波11加热的对象。焦点部4由用于将材料12保持在焦点附近的工作台或坩锅构成。另外，工作台或坩锅也可以称为对被照射体即材料12进行保持的被照射体保持部、或者载放被照射体即材料12的被照射体载放部。图中，同一标号表示相同或相当的部分，省略对其的详细说明。
[0014]另外，图1中，在加热炉3的发送微波11入射的上部设有窗5，从而防止材料12或废气、热量或发送微波11等漏出到外部。图1中，为了示出配置于加热炉3内部的焦点部4、窗5(—部分)、材料12、工作台(被照射体保持部)的结构，用虚线来表示加热炉3的内部。另外，实施方式I所涉及的电磁波发送系统除了具有实施方式I所涉及的电磁波发送装置的电磁波发送部I (微波发送部I)以外，还具有被照射体保持部，以对被照射来自电磁波发送部I的电磁波的被照射体进行保持。图中，同一标号表示相同或相当的部分，省略对其的详细说明。
[0015]接下来，对实施方式I所涉及的电磁波发送装置及电磁波发送系统的基本动作进行说明。从微波发送部I照射来的发送微波11经反射镜2反射后，通过加热炉3上部的窗5，照射到被保持在焦点部4附近的材料12上。此时，利用APAA的波束方向控制、波束形成及反射板的光学系统，控制从各微波发送部I照射来的发送微波11的功率通量密度，使其在焦点部4的附近变强，以此方式来进行照射。在将实施方式I所涉及的电磁波发送装置(电磁波发送系统)应用到微波加热炉(微波冶炼炉)的情况下，将受到被照射体保持部支承的材料12 (被照射体12)设置于焦点部4。另一方面，在将实施方式I所涉及的电磁波发送装置(电磁波发送系统)应用到微波功率传输系统的情况下，将受到被照射体保持部支承的受电装置12 (被照射体12)设置于焦点部4。受电装置12接收电磁波并将其转换成电力。
[0016]这里，对于将实施方式I所涉及的电磁波发送装置(电磁波发送系统)应用于微波加热炉(微波冶炼炉)的情况，用图1所示的微波加热炉(微波冶炼炉)进行补充说明。如图1所示，在微波加热炉(微波冶炼炉)的加热炉3的焦点部4相应的位置上收纳被照射体即材料12。为了利用从微波发送部I (电磁波发送装置)照射来的电磁波进行加热和精炼，加热炉3上设有供电磁波通过但加热和精炼所产生的产物不能通过的窗5。焦点部4配置于窗5的内侧，即位于加热炉3的内部。
[0017]另外，图1所示的微波加热炉(微波冶炼炉)中，微波发送部I包围加热炉3而配置成圆环状。微波发送部I与加热炉3(窗5)之间的电磁波照射路径中，具有对电磁波进行反射和聚光的反射镜2。微波发送部I的配置和从微波发送部I到加热炉3(窗5)的电磁波路径并不限于图1所记载的情况。图1中，示意性地示出微波发送部I以#1、#2、#3为一组，多组包围加热炉3而配置成圆环状。另外，为了示出加热炉3的外观和内部，省略了配置成圆环状的微波发送部I的一部分图示。
[0018]接下来，使用图2和图3，对实施方式I中使用脉冲输出的微波发送部I的情况下的动作进行说明。微波发送部la、lb、lc……相当于APAA等微波发送部I。微波发送部la、微波发送部lb、微波发送部Ic相当于图1中以#1、#2、#3表示的微波发送部I。微波发送部la、lb、lc......在不同的发送时刻，向设置于焦点部的材料12发送脉冲的发送微波11a、
I Ib、I Ic。首先，为了简化说明，考虑如下情况:微波发电部I为la、Ib、Ic这3台，使发送微波11的发送占空比为33.3%，控制各个微波发送部I发送出发送微波11的发送时刻，从而发送图3所示的微波。另外，发送占空比是指在脉冲驱动的发送微波中，将一组的发送时间和非发送时间设为一周期时间，将该一周期时间中发送时间的比例称为发送占空比。例如，后述的图3(a)的一周期中导通时间的比例。