無線周波数電力結合アセンブリ及び当該アセンブリの使用方法

著者らは特許

H01P1/30 - 温度または湿気の影響に対する補償用または保護用
H01P5/12 - 3個以上の端子をもつ結合装置(H01P5/04が優先)

の所有者の特許 JP2016528836:

シーメンス エルエルシーSiemens LLC

 

本発明は、無線周波数(RF)電力結合アセンブリ、及び、ラック内でのアセンブリの使用方法に関する。本発明のアセンブリは、少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を含み、この電力合成器及び/又は電力分配器は、RF電力の入出力のための複数のコネクタ(1,4)と、これらのコネクタ(1)を少なくとも1つの中央導体(2)に電気的に接続する複数のボックス内導体(3)と、少なくとも1つの外側導体(5)とを有する。本発明によれば、少なくとも1つの外側導体はボックス形ケーシングである。

 

 

本発明は、少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を含む、無線周波数電力結合アセンブリ、及び、このアセンブリの使用方法に関する。電力合成器及び/又は電力分配器は、RF電力の入出力のための複数のコネクタと、これらのコネクタを少なくとも1つの中央導体に電気的に接続する複数のボックス内導体と、少なくとも1つの外側導体とを有する。
電力分配器は、単独のRFジェネレータからのRF電力を複数の受容者へ分配するために用いられる。電力合成器は、複数の源からのRF電力を合成して単独の受容者へ付加的電力として供給するために用いられる。RF電力を受け取る受容者とは、例えば負荷もしくはアンテナである。電力分配器もしくは電力合成器として用いられる多くの装置はレシプロ動作を行う装置であり、つまりこれらは分配器としても合成器としても利用可能である。以下では、分配器という語を用いる際には合成器の使用の意も含み、逆も同様とする。RF電力処理の観点での合成器/分配器の主たるパラメータは、熱及びブレイクダウン電圧である。使用時には、低い挿入帰還損失でRF電力の送信を行うことが要求される。さらに、コンパクト性、組み立て乃至製造の容易さ、及び、費用効率も要求されている。
従来技術から公知の電力合成器/分配器の主たるタイプには、プリント回路板PCBをベースにしたものと同軸コネクタをベースにしたものとの2つがある。PCBベースの合成器/分配器は主として低電力分野で用いられる。ここで云う低電力とは、連続波モードでの数キロワットからパルスモードでの使用の約10キロワットまでの領域である。PCBベースの装置はきわめてコンパクトであるが、高電力では使用できない。同軸コネクタベースの合成器/分配器は、低電力分野、及び、特に数百キロワットまでの超高電力分野の双方で使用可能である。ただし、同軸コネクタベースの合成器/分配器は、コンパクト性に欠ける、すなわち、大きな寸法容積を要するという欠点を有する。
従来技術から公知の合成器として、例えば、US4459568に記載されているエアストリップカプラが挙げられる。ここでは電力が2つのストリップライン間のギャップを伝搬する。当該装置はPCBを含むので、高電圧での使用は不可能である。また、US2012029327からは、高電力信号を処理可能な電力合成器/分配器が公知である。当該電力合成器/分配器は、寸法がかなり大きくコンパクト性に欠け、しかも円筒形状を有するためにラック内では使用できない。なお、この電力合成器/分配器の構造体内には余剰のスペースが存在している。さらに、US5111166には、特に電力結合に適用される、マルチ入力用の電気線路長の等化装置が記載されている。当該装置はPCBベースであるので、低電力分野でしか使用できない。しかも、当該装置の製造もしくは取り扱いは容易でない。アセンブリが複雑な構造を有するためである。
したがって、本発明の課題は、低コストで容易に組み立て乃至製造可能であり、高電力分野で使用可能な、コンパクトな無線周波数電力結合アセンブリを提供することである。本発明はさらに、こうしたアセンブリをコンパクトに使用する方法を提供することも課題とする。
上記課題は、請求項1記載の無線周波数電力結合アセンブリと、請求項13記載の無線周波数(RF)電力結合アセンブリの使用方法、特に上述したアセンブリの使用方法とによって解決される。本発明の有利な実施形態は各従属請求項に記載されている。各独立請求項の特徴は相互にもしくは各従属請求項の特徴と組み合わせ可能であり、各従属請求項の特徴も相互に組み合わせ可能である。
本発明の無線周波数(RF)電力結合アセンブリは、少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を含み、この電力合成器及び/又は電力分配器は、RF電力の入出力のための複数のコネクタと、これらのコネクタを少なくとも1つの中央導体に電気的に接続する複数のボックス内導体と、少なくとも1つの外側導体とを有する。本発明によれば、少なくとも1つの外側導体はボックス形ケーシングである。
ボックス形状により、コンパクトな無線周波数電力結合アセンブリを実現できる。電力合成器/分配器の構造が単純なため、組み立て及び製造を低コストで容易に行える。また、本発明のアセンブリは高電力分野で使用可能である。
ボックス形ケーシングは、平行多面体、特には直方体として形成できる。これにより、ラック内に容易に格納でき、電力合成器/分配器のコンパクトなアセンブリが実現される。外形を綿密に調整しなくても、スペースをさほど必要とせず、また、損失スペースが発生しない。
少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の複数の部分、特には全ての部分を、中実の金属部材から形成できる。当該金属部材は、特に、銅及び/又はアルミニウム及び/又は銅コーティングを有する鋼を含むかもしくはこれらから形成できる。これにより、高電力分野での適用が可能となるうえ、電力合成器/分配器内の電気抵抗損失及び/又は周波数損失も大きくならない。
少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの電力合成部もしくは分配部Aと、少なくとも1つのインピーダンス変換部Bとを含むことができる。ここで、インピーダンス変換部Bは狭帯域もしくは広帯域の周波数エレメントであってよい。なお、当該周波数エレメントは、RF電力の反射を低減するRFマッチングエレメントであってよく、特には、少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の一方側の50Ω同軸マルチプルコネクタと他方側の50Ωシングルコネクタとの間に配置される。
インピーダンス変換部Bは、段(ステップ)形状もしくは先細(テーパ)形状もしくは双頭(バイノミナル)形状の外形を有する導電線路として構成できる。こうした形状は、適用分野すなわち使用される電力及び周波数に応じて選択でき、出力損失及び生じる熱を低減するために最適化できる。
少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの同軸コネクタ及び/又は少なくとも1つの方形導波コネクタ及び/又は少なくとも1つの円形導波コネクタを含むことができる。これらのコネクタは、特定の適用分野すなわち使用される周波数及び電力に応じて、並びに、各電力合成器及び/又は電力分配器に接続される装置の種類に応じて、選択される。対応する接続線路は他の装置との接続に使用可能である。
少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、実質的に19インチラックの寸法、特に482.6mmのモジュールフロントパネル幅を有することができる。このようにすれば、19インチラックはエレクトロニクス分野及びデバイスで最も広汎に利用されているラックであるので、利用が容易となる。他の標準部品と組み合わせたきわめてコンパクトなラックも実現できる。
少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの流体式冷却装置、特に水冷装置を含むことができる。冷却装置は、高電力分野では、電力合成器からの廃熱を除去するために必須である。水冷装置は中央導体内に配置可能である。水冷装置は、ボックス形ケーシングの形態の外側導体のうち、入出力のためのRF電力用コネクタが配置されるのと同じ側に流入口を有する。これにより、水冷系統が電力合成器/分配器の内部空間へ進入することによる電力合成器/分配器のRF特性の混乱が防止される。こうして、電力合成器/分配器で使用可能な最大動作RF出力が増大される。
少なくとも1つの中央導体を、扁平なプレート状をなすように、特に、少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の底面に対して平行に配置できる。これにより、小さい寸法の電力合成器/分配器、ひいては、きわめてコンパクトなアセンブリが実現される。
各コネクタと少なくとも1つの中央導体とを電気的に接続するボックス内導体を、ロッド状をなすように、特に、円形断面及び/又は方形断面を有する中実の屈曲ロッド状をなすように構成できる。こうしたアセンブリにより、低い抵抗損失での良好な電気的接続、及び、RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)から中央導体への高周波伝送が可能となる。低損失のため、除去すべき廃熱も僅かとなる。よって、冷却装置なしで又は小規模の冷却装置のみでの動作が可能である。
本発明の無線周波数(RF)電力結合アセンブリ、特に上述したアセンブリの使用方法は、複数のボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を特には19インチラック内で相互に横方向及び/又は上下方向に積み重ねるステップを含む。
本発明の無線周波数(RF)電力結合アセンブリの上述した使用方法に関連する利点は、無線周波数(RF)電力結合アセンブリに即して上述した利点と同様であり、逆も当てはまる。特に、電力合成器/分配器がコンパクトに組み立て可能となること、及び、従来技術の電力合成器/分配器よりも必要スペースが小さくなることなどが、上述したのと共通する利点である。
本発明を以下に添付図に示した実施形態に即して詳細に説明する。
本発明のアセンブリの電力合成器/分配器を示す斜視図である(ただし電力合成器/分配器の一部の内部要素も見えている)。 電力合成部もしくは分配部Aとインピーダンス変換部Bとを有する図1の電力合成器/分配器を長手軸線に沿って切断した側方断面図である。 図1の電力合成器/分配器を長手軸線に沿って切断した上方断面図である。
図1には、本発明のアセンブリの電力合成器/分配器の斜視図が示されている。ここでは、外側ケーシング5の一部が除去され、電力合成器/分配器の内部要素の一部が見えるようになっている。電力合成器/分配器は、直方体ボックスの形態を有しており、このボックス形ケーシング5の一方側に複数のRF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1が設けられ、他方側にRF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4が設けられている。こうした構成は可能な実施形態の一例にすぎないが、他の構成は簡明性のために図示していない。
ケーシング5内には扁平な中央導体2がボックス形ケーシング5の底面に対して平行に配置されている。当該中央導体2は、RF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4に直接に電気的に接続されている。各RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1は各ボックス内導体3を介して中央導体2に導電接続されており、各ボックス内導体3は円形断面を有する屈曲ロッド状をなしている。
ボックス形ケーシング5は導電性を有する。外側導体5は、金属シート、特には銅もしくはアルミニウムもしくは銅めっきされた鋼から形成可能である。
中央導体2内には、冷却装置、特に水冷装置を配置可能である。ただし、図をわかりやすくするために、冷却装置は図示していない。なお、中央導体2からの廃熱は、電力合成器/分配器の外側へ放出可能である。
図2には、電力合成器/分配器を長手軸線に沿って切断した側方断面図が示されている。左方では、RF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4が、ケーシング5に取り付けられて、中央導体2に電気的に接続されている。ケーシング5の右方では、RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1の各コネクタが、2列(もしくは2段)で、一方の列が他方の列の上方に位置するように配置されている。RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1の第1の列は中央導体2の上方に配置されており、第2の列は中央導体2の下方に配置されている。簡明性のために図示していないが、コネクタ1を他の個数及び他の構成で配置することもできる。
図2の実施形態では、コネクタ1は50Ω同軸コネクタである。コネクタ4は50Ωシングルコネクタである。電力合成器/分配器のアセンブリの適用分野及び使用される周波数に応じて、他のコネクタ1,4を使用することもできる。
図2の側方断面図及び図3の上方断面図に示されているように、電力合成器/分配器は、電力合成部もしくは分配部Aとインピーダンス変換部Bとを含む。インピーダンス変換部Bは、狭帯域もしくは広帯域の周波数エレメントである。当該周波数エレメントは、RF電力の反射を低減するRFマッチングエレメントであり、特にはボックス形ケーシング5の一方側の12個の50Ω同軸コネクタと他方側の1個の50Ωシングルコネクタとの間に配置される。
図2,図3のインピーダンス変換部Bは、段(ステップ)形状の外形を有する導電線路である。また、簡明性のために図示していないが、当該インピーダンス変換部Bは先細(テーパ)形状もしくは双頭(バイノミナル)形状を有してもよい。こうした形状は、適用分野すなわち使用される電力及び周波数に応じて定められ、電力損失の低減のために最適化可能である。
図2,図3に示されているように、12個のRF電力用コネクタ1は、それぞれ、屈曲ロッド状のボックス内導体3を介して、相互に6列(もしくは6段)に並べられて、中央導体2に電気的に接続されている。ロッドは中実の銅もしくはアルミニウムもしくは銅めっきされた鋼又は他の金属から形成可能である。図2,図3に示されているロッドは円形断面を有する。適用分野に応じて、各ロッドが長方形もしくは正方形などの別の断面形状を有してもよい。導体3はその長辺において中央導体2の平坦側へ向かって屈曲されている。各導体3は各コネクタ1を電気的かつ機械的に中央導体2に直接に接続している。
上述した各特徴は、単独で又は任意に組み合わせて、従来技術から公知の種々の実施形態に統合することができる。複数のRF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1、中央導体2、複数のボックス内導体3、RF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4、及び、ボックス形ケーシングの形態の外側導体5などに対して、金もしくは銀などの金属又は半導体又は導電性ポリマーなどの他の材料も利用可能である。なお、各要素は同じ材料から形成しても異なる材料から形成してもよい。
RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)1の個数及びRF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4の数は、図示の実施形態と異なっていてもよい。例えば、特にRF電力を受け取る別の出力装置との接続のため、2個以上のRF電力用コネクタ(シングルコネクタ)4を設けることができる。中央導体2はプレート状もしくは扁平円錐などの他の形状を有してもよい。冷却装置は、ボックス5に取り付けられてもよいし、ボックス5内、特に中央導体2内に収容されてもよい。また、インピーダンス変換部Bは、湾曲形、波形、段形など、種々の形状を有することができる。
コネクタ1,4は、同軸コネクタもしくは方形導波体もしくは円形導波体又は他の形態のいずれであってもよい。ボックス形ケーシング5は、平行多面体、特には直方体、又は、扁平円錐などの他の形状を有することができる。簡明性のために図示していないが、各部材を配向及び固定するエレメントを設けてもよい。
1 RF電力用コネクタ(マルチプルコネクタ)、 2 中央導体、 3 コネクタと中央導体とを電気的に接続するボックス内導体、 4 RF電力用コネクタ(シングルコネクタ)、 5 ボックス形ケーシングの形態の外側導体、 RF 無線周波数、 A 電力合成部もしくは分配部、 B インピーダンス変換部



  1. 少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を含む、無線周波数(RF)電力結合アセンブリであって、
    前記電力合成器及び/又は電力分配器は、RF電力の入出力のための複数のコネクタ(1,4)と、該複数のコネクタ(1)を少なくとも1つの中央導体(2)に電気的に接続する複数のボックス内導体(3)と、少なくとも1つの外側導体(5)とを有する、アセンブリにおいて、
    前記少なくとも1つの外側導体は、ボックス形ケーシングである、
    ことを特徴とするアセンブリ。

  2. 前記ボックス形ケーシングは、平行多面体、特には直方体である、
    請求項1記載のアセンブリ。

  3. 前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の複数の部分、特には全ての部分が、中実の金属部材から形成されており、特に、銅及び/又はアルミニウム及び/又は銅コーティングを有する鋼を含む、又は、これらから成る、
    請求項1又は2記載のアセンブリ。

  4. 前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの電力合成部もしくは分配部(A)と少なくとも1つのインピーダンス変換部(B)とを含む、
    請求項1から3までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  5. 前記インピーダンス変換部(B)は、狭帯域もしくは広帯域の周波数エレメントである、
    請求項4記載のアセンブリ。

  6. 前記インピーダンス変換部(B)は、RF電力の反射を低減するRFマッチングエレメントであり、特に、前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の一方側の50Ω同軸マルチプルコネクタと他方側の50Ωシングルコネクタとの間に配置されている、
    請求項4又は5記載のアセンブリ。

  7. 前記インピーダンス変換部(B)は、段形状、又は、先細形状、又は、双頭形状の外形を有する導電線路である、
    請求項4から6までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  8. 前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの同軸コネクタ、及び/又は、少なくとも1つの方形導波コネクタ、及び/又は、少なくとも1つの円形導波コネクタ(1,4)を含む、
    請求項1から7までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  9. 前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、実質的に19インチラックの寸法を有し、特に、482.6mmのモジュールフロントパネル幅を有する、
    請求項1から8までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  10. 前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器は、少なくとも1つの流体式冷却装置、特に水冷装置を含む、
    請求項1から9までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  11. 前記少なくとも1つの中央導体(2)は、扁平なプレート状をなしており、特に、前記少なくとも1つのボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器の底面に対して平行に配置されている、
    請求項1から10までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  12. 前記コネクタ(1)と前記少なくとも1つの中央導体(2)とを電気的に接続する前記複数のボックス内導体(3)は、ロッド状をなしており、特に、円形及び/又は方形の断面を有する中実の屈曲ロッド状をなしている、
    請求項1から11までのいずれか1項記載のアセンブリ。

  13. 特に請求項1から12までのいずれか1項記載の、無線周波数(RF)電力結合アセンブリの使用方法であって、
    複数のボックス形の電力合成器及び/又は電力分配器を、特には19インチラック内で、相互に横方向及び/又は上下方向に積み重ねるステップを含む、
    ことを特徴とする方法。

 

 

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