JP4757664B2

JP4757664B2 - マイクロ波供給源装置

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Inventors: 正之金近
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Description

本発明はマイクロ波電力（マイクロ波帯の電磁波）を発生して出力するマイクロ波発生源装置に関する。

高エネルギーのマイクロ波電力は、マイクロ波放電ランプや電子レンジなど、種々様々のエネルギー源として利用されている。例えば、特許文献１には、マグネトロンにより発生させたマイクロ波電力を、マイクロ波放電ランプに供給して、該ランプの発光を行なうようにしている。マイクロ波放電ランプは、マイクロ波を共振させる共振器の内部空間に、発光物質を封入した発光セル（バルブ）を収容したものであり、この放電ランプの共振器の内部空間に、該共振器の共振周波数を有するマイクロ波を供給して共振させ、その共振するマイクロ波のエネルギーによって、発光セル内の発光物質を励起して発光させる。

また、周知のように電子レンジでは、マグネトロンにより発生させたマイクロ波電力によって食料物などを加熱する。
特開２００３−２４９１９７号公報

ところで、前記マイクロ波放電ランプや電子レンジなどでマイクロ波電力の発生源として使用されるマグネトロンは、比較的高価であると共に、高圧電源を必要とするため、その高圧電源を含めた装置構成の小型化や軽量化が困難であるという不都合があった。さらに、高圧電源の絶縁対策も必要となるため、それに伴う装置構成の大型化も招き易いという不都合がある。

さらに、マグネトロンで発生するマイクロ波は、あらかじめ定めた所定周波数を中心とする狭帯域のマイクロ波である。このため、マイクロ波放電ランプに対するマイクロ波発生源としてマグネトロンを使用した場合に、マイクロ波放電ランプの共振器の共振周波数が該共振器の熱変形や負荷変動などにより変化すると、マグネトロンで発生したマイクロ波を共振器で共振させることができなくなり、ひいては、発光物質の発光を行なうことができなくなる場合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、マグネトロンや高圧電源を必要としない、小型で安価なマイクロ波発生源装置を提供することを目的とする。そして、マイクロ波放電ランプの発光を安定して行なうために適したマイクロ波発生源装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロ波発生源装置は、かかる目的を達成するために、熱雑音電力を発生する抵抗体と、該抵抗体で発生した熱雑音電力が入力され、該熱雑音電力のうちの所定のマイクロ波周波数帯域の熱雑音電力を抽出するフィルタ手段と、増幅率を可変的に制御可能であり、前記フィルタ手段で抽出された熱雑音電力であるマイクロ波電力を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器が出力するマイクロ波電力の強度を検出し、その検出した強度に応じて、前記第１の増幅器が出力するマイクロ波電力が所定の一定強度になるように該第１の増幅器の増幅率を制御する制御手段と、該第１の増幅器が出力するマイクロ波電力を所定の増幅率で増幅し、その増幅してなるマイクロ波電力を外部に供給すべきマイクロ波電力として出力する第２の増幅器とを備え、前記抵抗体を、前記第１の増幅器および第２の増幅器のうちの第２の増幅器に該第２の増幅器で発生する熱を受けるように装着したことを特徴とする。

抵抗体は、一般に、その温度に依存する熱雑音電力を発生する。この熱雑音電力の周波数分布は、該抵抗体の周波数特性に依存するが、本発明における前記抵抗体は、マイクロ波帯の熱雑音電力を含む熱雑音電力を発生するような抵抗体が使用される。該抵抗体が発生する熱雑音電力は、一般には、マイクロ波帯以外の周波数帯域も含むが、この熱雑音電力から、前記フィルタ手段によって、所定のマイクロ波周波数帯域の熱雑音電力が抽出される。

そして、本発明では、該フィルタ手段によって抽出されたマイクロ波電力、すなわち、前記抵抗体で発生した熱雑音電力のうちの前記所定のマイクロ波周波数帯域の熱雑音電力が、まず、前記第１の増幅器で増幅され、さらに、前記第２の増幅器で増幅される。そして、該第２の増幅器が出力するマイクロ波電力が最終的に外部に出力される。

ここで、前記抵抗体が発生する熱雑音電力は、該抵抗体の温度に依存するので、該熱雑音電力の強度、ひいては、前記フィルタ手段により抽出された熱雑音電力（第１の増幅器に入力される熱雑音電力）の強度は、一般には変動するものの、前記制御手段によって、第１の増幅器が出力するマイクロ波電力の強度が所定の一定強度となるように該第１の増幅器の増幅率が制御される。また、前記抵抗体は、前記第１の増幅器および第２の増幅器のうちの第２の増幅器に該第２の増幅器で発生する熱を受けるように装着されているので、本発明のマイクロ波発生源装置の動作中に、第２の増幅器が発生する熱によって加熱されて昇温する。従って、該抵抗体が発生する熱雑音電力が該抵抗体の昇温に伴い増加していく。さらに、第１の増幅器が出力するマイクロ波電力には、該第１の増幅器で発生する熱雑音電力も付加される。

その結果、本発明のマイクロ波発生源装置の動作時の定常状態では、第１の増幅器から前記所定の一定強度のマイクロ波電力が出力されるようになり、ひいては、前記第２の増幅器からほぼ一定の高強度のマイクロ波電力が出力されることとなる。

かかる本発明では、前記第１の増幅器としては、公知の増幅率可変型の高増幅率アンプを使用すればよく、また、前記第２の増幅器としては、公知のパワーアンプを使用すればよい。さらに、前記制御手段も公知のＡＧＣ回路（オート・ゲイン・コントロール回路）を使用することができる。また、前記フィルタ手段や抵抗体も公知のフィルタ回路や抵抗素子を使用することができる。そして、これらのアンプやＡＧＣ回路、フィルタ回路、抵抗素子は、小型なものが安価に提供されている。さらに、これらのアンプやＡＧＣ回路の電源として高電圧電源を必要としない。従って、本発明によれば、マグネトロンや高圧電源を必要とすることなく、小型で安価なマイクロ波発生源装置を提供できる。

補足すると、本発明のマイクロ波発生源装置で発生させるマイクロ波電力（第２の増幅器から出力するマイクロ波電力）の強度をできるだけ高める上では、前記抵抗体が発生する熱雑音電力の強度を高めることが望ましい。そして、本発明では、一般的には、最終的なマイクロ波電力の増幅を行なう第２の増幅器の方が第１の増幅器よりも高温になりやすいので、該第２の増幅器に抵抗体を装着した。

かかる本発明のマイクロ波発生源装置は、例えば、マイクロ波を共振させる共振器の内部空間に、発光物質を封入した発光セルを収容し、該共振器の内部空間で共振するマイクロ波のエネルギーによって前記発光セル内の発光物質を励起して発光させるマイクロ波放電ランプを、前記第２の増幅器が出力するマイクロ波電力の供給対象とすることができる。そして、この場合、前記所定のマイクロ波周波数帯域が、前記マイクロ波放電ランプの共振器の共振周波数の変動範囲を含む周波数帯域に設定されていることが好ましい。

これによれば、マイクロ波放電ランプの共振器の共振周波数が該共振器の熱変形や負荷変動等により変動しても、該共振周波数に等しい周波数のマイクロ波をマイクロ波放電ランプに供給できる。このため、マイクロ波放電ランプの発光を安定して行なうことができる。

なお、共振器の共振周波数の変動範囲は、該共振器の共振周波数をあらかじめ種々様々の環境下で実測しておき、その実測データに基づいて特定しておけばよい。

本発明のマイクロ波発生源装置の一実施形態を図１を参照して説明する。図１は、本実施形態のマイクロ波発生源装置と、それにより発生させるマイクロ波電力を供給するマイクロ波放電ランプとから構成された光源システムの全体構成を示す図である。

図１を参照して、１はマイクロ波発生源装置、２はマイクロ波放電ランプである。マイクロ波発生源装置１は、熱雑音電力を発生する抵抗体３と、フィルタ手段としての帯域通過フィルタ４と、第１の増幅器としての増幅率可変型高増幅率アンプ５（以下、可変ゲインアンプ５という）と、制御手段としてのＡＧＣ回路６（オート・ゲイン・コントロール回路）と、第２の増幅器としてのパワーアンプ７とを備える。

抵抗体３は、例えば窒化タンタルからなる抵抗体であり、その抵抗値は回路インピーダンスに合わせて設定され、例えば５０Ωである。

この抵抗体３は、本実施形態では、パワーアンプ７の外装体の表面部に接触して装着され、該パワーアンプ７で生じる熱が抵抗体３に与えられるようになっている。そして、該抵抗体３の一端部は接地され、他端部が帯域通過フィルタ４の入力側に伝送線路８を介して接続されている。これにより、抵抗体３で発生する熱雑音電力が、帯域通過フィルタ４に入力されるようになっている。

なお、抵抗体３で発生する熱雑音電力の周波数分布は、該抵抗体３の周波数特性（抵抗値の周波数特性）に応じたものとなり、例えばＤＣ（直流成分）〜１０ＧＨｚの周波数成分を持つような周波数分布である。その熱雑音電力には、マイクロ波帯の熱雑音電力が含まれる。

帯域通過フィルタ４は、これに入力される熱雑音電力のうち、所定のマイクロ波周波数帯域の熱雑音電力を通過させるバンドパスフィルタである。そして、該帯域通過フィルタ４の出力側は、可変ゲインアンプ５の入力側に同軸ケーブルなどのマイクロ波伝送路９を介して接続され、該帯域通過フィルタ４から出力されるマイクロ波電力（帯域通過フィルタ４を通過したマイクロ波帯の熱雑音電力）が可変ゲインアンプ５に入力されるようになっている。

可変ゲインアンプ５は、その制御入力部５ａに付与する制御信号によって増幅率（ゲイン）を可変的に制御可能なアンプであり、帯域通過フィルタ４から入力されるマイクロ波電力を、制御された増幅率で増幅して出力する。そして、該可変ゲインアンプ５の出力側が、同軸ケーブルなどのマイクロ波伝送路１０を介してパワーアンプ７の入力側に接続され、該可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力がパワーアンプ７に入力されるようになっている。なお、本実施形態では、可変ゲインアンプ５はその増幅率の可変範囲を広くするために、複数の（図では２個の）要素アンプ５ｘにより構成されている。

この可変ゲインアンプ５とパワーアンプ７との間のマイクロ波伝送路１０には、方向性結合器１１が介装されている。この方向性結合器１１は、可変ゲインアンプ５側から入力されるマイクロ波電力の一部のマイクロ波電力（可変ゲインアンプ５が出力するマイクロ波電力の強度に比例した強度を持つマイクロ波電力。以下、検波用マイクロ波電力という）を出力するポート１１ａを備えており、そのポート１１ａから上記検波用マイクロ波電力を前記ＡＧＣ回路６に入力するようにしている。なお、方向性結合器１１は、パワーアンプ７側のマイクロ波電力の一部のマイクロ波電力を出力するポート１１ｂも備えるが、そのポート１１ｂに適当な負荷１２が接続されている。

前記ＡＧＣ回路６は、方向性結合器１１から入力される検波用マイクロ波電力により、可変ゲインアンプ５が出力するマイクロ波電力の強度を検出し、その検出強度に応じて、可変ゲインアンプ５の増幅率を制御するものである。この場合、該ＡＧＣ回路６は、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度が所定の一定値（以下、目標電力強度という）になるように、可変ゲインアンプ５に付与する制御信号を生成し、その制御信号を可変ゲインアンプ５の制御入力部５ａに付与する。すなわち、ＡＧＣ回路６は、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の検出強度が、前記目標電力強度よりも小さい場合には、可変ゲインアンプ５の増幅率を増加させる制御信号を可変ゲインアンプ５の制御入力部５ａに付与する。また、ＡＧＣ回路６は、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の検出強度が、前記目標電力強度よりも大きい場合には、可変ゲインアンプ５の増幅率を減少させる制御信号を可変ゲインアンプ５の制御入力部５ａに付与する。これにより、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度が一定の目標電力強度に維持されるように、可変ゲインアンプ５の増幅率がＡＧＣ回路６により制御されることとなる。

パワーアンプ７は、所定の増幅率を有するアンプであり、可変ゲインアンプ５から入力されるマイクロ波電力をその所定の増幅率で増幅して外部に出力する。本実施形態では、マイクロ波発生源装置１のパワーアンプ７が出力するマイクロ波電力の供給対象をマイクロ波放電ランプ２とし、該パワーアンプ７の出力側が同軸ケーブルなどのマイクロ波伝送路１２を介してマイクロ波放電ランプ２のマイクロ波入力部２ａ（本実施形態では同軸コネクタ）に接続されている。これにより、パワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力が、マイクロ波放電ランプ２のエネルギー源として該マイクロ波放電ランプ２に供給されるようになっている。

補足すると、抵抗体３、帯域通過フィルタ４、可変ゲインアンプ５、ＡＧＣ回路６、方向性結合器１１、パワーアンプ７は、例えば市販されている公知のものを使用すればよく、それらは、小型なものを採用することができる。また、可変ゲインアンプ５およびパワーアンプ７は、その増幅率が、少なくとも帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域においてほぼ一定になるような周波数特性を有するアンプである。

マイクロ波放電ランプ２は、マイクロ波を共振させる共振器２０と、この共振器２０の内部空間（空洞）に収容された発光セル２１とを備え、発光セル２１内に封入された発光物質をマイクロ波を共振器２０で共振するマイクロ波のエネルギーによって励起して発光させるものである。

以下に本実施形態におけるマイクロ波放電ランプ２の概略的な構成を例示的に説明する。

このマイクロ波放電ランプ２の共振器２０は、本実施形態では半同軸共振器である。該半同軸共振器２０は、円筒状の外導体２２と、この外導体２２の一端側の短絡面を構成する板状導体２３と、該外導体２２の他端側の短絡面を構成する金属メッシュ２４と、該外導体２２の軸心部に板状導体２３側から、金属メッシュ２４と間隔を存する位置まで該金属メッシュ２４に向かって延設された丸棒状の（横断面が円形の）中心導体２５とから構成されている。

この場合、板状導体２３は、外導体２２の一端側で外導体２２と一体に形成されて該外導体２２の一端部を閉蓋し、金属メッシュ２４は、外導体２２の他端部を閉蓋するように該他端部に装着されている。なお、金属メッシュ２４は、その目開きの寸法が、半同軸共振器２０の内部空間で共振させるマイクロ波を透過しないような寸法（該マイクロ波の波長よりも十分に小さい寸法）に設定されている。

板状導体２３の外面には、マイクロ波入力部２ａとしての同軸コネクタ２ａが装着され、この同軸コネクタ２ａの図示しない中心導体が、半同軸共振器２０の中心導体２５に導通して連結されている。なお、中心導体２５は、板状導体２３と絶縁されている。また、同軸コネクタ２ａの外周部は板状導体２３に導通されている。

発光セル２１は、例えば石英ガラスにより構成され、その内部に硫黄、水銀、アルゴンガス（Ａｒ）、キセノンガス（Ｘｅ）等の発光物質が単独又は混合状態で封入されている。発光物質の種類は、マイクロ波放電ランプ２で発生させようとする所望の光の波長（もしくは周波数）に応じて選択される。本実施形態では、この発光セル２１は、半同軸共振器２０の外導体２２の内径とほぼ同一の外径を有する中空の円板状に形成され、半同軸共振器２０の中心導体２５の先端と前記金属メッシュ２４との間で外導体２２に同軸心に挿入されて、該外導体２２の内部空間に収容されている。

なお、マイクロ波放電ランプ２で発生させる「光」は可視光に限られるものではなく、紫外域、ＴＨｚ域の電磁波など（より詳しくは、発光物質から発生可能な電磁波で、マイクロ波よりも十分に波長の短い電磁波）であってもよい。

以上のように構成されたマイクロ波放電ランプ２では、共振器（半同軸共振器）２０の共振周波数とほぼ同等の周波数を有するマイクロ波を同軸コネクタ２ａに供給したときに、該マイクロ波が共振器２０の内部空間で共振し、その共振するマイクロ波のエネルギーによって発光セル２１内の発光物質が励起されて発光する。そして、該発光物質が発生した光が、金属メッシュ２４を通って共振器２０の外部に放出される。この場合、共振器２０は、半同軸共振器であるので、その共振周波数は、共振器２０の中心導体２５の長さＬ（より詳しくは、板状導体２３の内面から中心導体２５の先端までの長さ）に応じたものとなる。具体的には、マイクロ波の波長をλとしたとき、λ／４の奇数倍と中心導体２５の長さＬとがほぼ等しくなるような、マイクロ波の周波数が、共振器２０の共振周波数となる。そして、その共振周波数の帯域幅（共振器２０で共振可能な周波数の帯域幅）は、狭帯域であり、その帯域幅は例えば１ＭＨｚ程度である。

補足すると、発光セル２１内で発生させる光が、可視光である場合には、例えば発光セル２１の端面（中心導体２５と反対側の端面）に透明導電性膜（いわゆるＩＴＯ膜）を固着して該透明性導電性膜を外導体２２に導通させ、金属メッシュ２４の代わりに、この透明性導電性膜により外導体２２の他端側（板状導体２３と反対側）の短絡面を構成するようにしてもよい。また、外導体２２を金属メッシュにより構成してもよい。さらに、マイクロ波放電ランプ２の共振器２０は、半同軸共振器である必要はなく、例えば同軸共振器であってもよい。また、マイクロ波放電ランプ２へのマイクロ波の供給は、導波管を介して行なうようにしてもよい。

ここで、前記マイクロ波放電ランプ２の共振器２０（本実施形態では半同軸共振器２０）の共振周波数と、前記帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域（前記所定のマイクロ波周波数帯域）との関係を説明しておく。

マイクロ波放電ランプ２の共振器２０は、本実施形態では半同軸共振器であるので、その共振周波数は、前記したように中心導体２５の長さＬに応じたものとなる。この場合、中心導体２５の熱膨張などが発生せず、共振器２０の共振周波数が常に一定に維持されるのであれば、マイクロ波発生源装置１のパワーアンプ７からマイクロ波放電ランプ２に供給すべきマイクロ波の周波数は、共振器２０の共振周波数とほぼ同等の一定周波数であればよい。従って、その場合には、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域は、共振器２０の共振周波数を中心とする狭帯域（１ＭＨｚ程度）に設定しておけばよい。

ただし、実際には、マイクロ波放電ランプ２の発光時の発熱に伴う中心導体２５の熱膨張などの影響によって、共振器２０の共振周波数が変動することがある。なお、このような共振周波数の変動は、共振器として同軸共振器を使用した場合にも同様に発生し得る現象である。そして、その場合には、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域を上記のような狭帯域に設定すると、共振器２０の共振周波数の変動を生じたときに、マイクロ波発生源装置１のパワーアンプ７から出力するマイクロ波を共振器２０で共振させることができなくなり、ひいては、マイクロ波放電ランプ２の発光を行なうことができなくなる。

そこで、本実施形態では、上記のような共振器２０の共振周波数の変動を考慮し、その共振周波数の変動範囲が、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域に収まるように、該帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域を設定している。この場合、共振器２０の共振周波数の変動範囲を決定するにあたっては、例えば、マイクロ波放電ランプ２と同一仕様の複数のマイクロ波放電ランプについて、その共振器の共振周波数を種々様々の温度環境で実測しておき、その実測データに基づいて、共振器２０の共振周波数の変動範囲を特定しておけばよい。

次に、前記マイクロ波発生源装置１の作動を中心に、本実施形態の光源システムの作動を説明する。

マイクロ波発生源装置１の可変ゲインアンプ５、パワーアンプ７およびＡＧＣ回路６に電源を供給して、マイクロ波発生源装置１を起動すると、抵抗体３で発生する熱雑音電力のうちの、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域の熱雑音電力（マイクロ波電力）が、帯域通過フィルタ４を介して可変ゲインアンプ５に入力され、該可変ゲインアンプ５で増幅される。なお、このとき、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力には、可変ゲインアンプ５に入力されるマイクロ波電力を増幅したものだけでなく、該可変ゲインアンプ５で発生する熱雑音電力も付加される。

さらに、該可変ゲインアンプ５から出力されたマイクロ波電力がパワーアンプ７に入力され、該パワーアンプ７で増幅される。そして、このパワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力がマイクロ波放電ランプ２に供給される。

このとき、マイクロ波発生源装置１の起動直後でパワーアンプ７などの温度が比較的低い状態では、抵抗体３で発生する熱雑音電力や可変ゲインアンプ５で発生する熱雑音電力は小さいので、一般には、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度は、前記目標電力強度に満たないので、可変ゲインアンプ５の増幅率は、ＡＧＣ回路６によって増加される。

一方、パワーアンプ７の温度は、可変ゲインアンプ５の出力の増幅に伴い上昇していき、それに伴い、抵抗体３が発生する熱雑音電力も増加していく。さらに、可変ゲインアンプ５の温度も上昇するので、該可変ゲインアンプ５が発生する熱雑音電力も増加していく。このため、最終的に、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度は、前記目標電力強度まで上昇し、以後は、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度が、該目標電力強度に維持されるように、ＡＧＣ回路６によって可変ゲインアンプ５の増幅率が可変的に調整される。

このように、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の強度が目標電力強度に維持されるようになると、パワーアンプ７からほぼ一定で高強度のマイクロ波電力が出力されるようになる。そして、このマイクロ波がマイクロ波放電ランプ２に供給され、その供給されるマイクロ波のうちのマイクロ波放電ランプ２の共振周波数にほぼ等しい周波数のマイクロ波が該マイクロ波放電ランプ２の共振器２０で共振する。そして、その共振するマイクロ波のエネルギーによって、前記発光セル２１内の発光物質が励起されて発光し、その光（可視光には限られない）がマイクロ波放電ランプ２から放出される。

この場合、マイクロ波発信源装置１のパワーアンプ７から出力されるマイクロ波の帯域は、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域の全体の帯域にほぼ等しい帯域（以下、その幅をＢｐとおく）であり、その帯域はマイクロ波放電ランプ２の共振器２０の共振周波数の変動範囲を含んでいる。従って、共振器２０の中心導体２５の熱変形などによって該共振器２０の共振周波数が変動しても、その変動後の共振周波数にほぼ等しい周波数を有するマイクロ波をマイクロ波放電ランプ２の共振器２０に供給することができる。このため、マイクロ波放電ランプ２の共振器２０の共振周波数が変動しても、安定してマイクロ波放電ランプ２の発光を行なうことができる。

補足すると、パワーアンプ７から出力されるマイクロ波の帯域幅（≒帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域の幅）をＢｐとし、共振器２０の共振周波数の帯域幅をＢｃ（１ＭＨｚ程度）おくと、マイクロ波発生源装置１から実際にマイクロ波放電ランプ２に供給されるマイクロ波電力（マイクロ波放電ランプ２の共振器２０で共振するマイクロ波電力）の強度は、パワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力のＢｃ／Ｂｐ（＜１）倍の強度となる。

ここで、具体的な数値例を以下に説明する。

帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域を、例えば２４４８．５ＭＨｚ〜２４５１．５ＭＨｚのマイクロ波帯とする。なお、この通過周波数帯域の帯域幅Ｂｐ（＝３ＭＨｚ）は、前記したようなマイクロ波放電ランプ２の共振器２０の共振周波数の変動分を見込んで設定され、該通過周波数帯域内に共振器２０の共振周波数の変動範囲が収まるように設定される。なお、通過周波数帯域をマイクロ波帯内で、高い周波数域に設定すると、マイクロ波伝送路での伝送損失が大きくなるので、大きなケーブルを使用するなど、装置が大型化するとともにコスト増加となり、好ましくない。逆に、通過周波数帯域をマイクロ波帯内で低い周波数域に設定すると、マイクロ波放電ランプ２、特に、中心導体２５が大型化すると共に、コスト増加となり、好ましくない。そこで、マイクロ波発生源装置１をマイクロ波放電ランプに用いる場合には、通過周波数帯域の範囲は、上記の範囲が好適である。

また、可変ゲインアンプ５は、その増幅率を１１０ｄＢ〜１５０ｄＢの範囲で変更可能であるとし、マイクロ波発生源装置１の動作時の定常状態での可変ゲインアンプ５の増幅率が例えば１３０［ｄＢ］に制御されるとする。そして、該定常状態における可変ゲインアンプ５の雑音指数が例えば２０［ｄＢ］であるとする。

また、パワーアンプ７の増幅率を例えば１０［ｄＢ］とする。そして、該パワーアンプ７の温度（絶対温度の単位での温度）は、マイクロ波発生源装置１の動作時の定常状態で、例えば３５３［Ｋ］（＝８０［℃］）になるとする。

一方、抵抗体３で発生する熱雑音電力は、その強度（電力値）をＰ［Ｗ］とすると、Ｐは、一般に次式（１）により与えられる。

Ｐ＝Ｋ×Ｔ×Ｂ ……（１）

なお、Ｋはボルツマン定数（＝１．３８×１０^−２３［Ｊ／Ｋ］）、Ｔは絶対温度の単位での抵抗体３の温度［Ｋ］、Ｂは周波数帯域幅［Ｈｚ］である。

この場合、前記帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域の帯域幅Ｂｐは前記した通り、３ＭＨｚであるから、マイクロ波発生源装置１の動作時の定常状態において、帯域通過フィルタ４から可変ゲインアンプ５に入力される熱雑音電力（マイクロ波帯の熱雑音電力）の強度（電力値）は、前記式（１）でＴ＝３５３［Ｋ］、Ｂ＝３×１０^６［Ｈｚ］としたときのＰの値である。よって、可変ゲインアンプ５に入力されるマイクロ波帯の熱雑音電力の強度は、本例では、（１．３８×１０^−２３［Ｊ／Ｋ］）×３５３［Ｋ］×（３×１０^６［Ｈｚ］）＝１．４６×１０^−１４［Ｗ］（＝−１０８．３５［ｄＢｍ］）となる。なお、電力の単位［Ｗ］と［ｄＢｍ］との間の関係は、Ｑを任意の値として、次式（２）により定義される。

Ｑ［Ｗ］＝１０×log₁₀（Ｑ×１０００）［ｄＢｍ］
＝１０×log₁₀Ｑ＋３０［ｄＢｍ］ ……（２）

従って、定常状態において可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力（可変ゲインアンプ５に入力される熱雑音電力を１３０ｄＢの増幅率で増幅したものと、２０ｄＢの雑音指数で可変ゲインアンプ５において発生する熱雑音電力との総和）の強度、すなわち、パワーアンプ７に入力されるマイクロ波電力は、本例では、−１０８．３５［ｄＢｍ］＋（１３０［ｄＢ］＋２０［ｄＢ］）＝４１．６５［ｄＢｍ］（＝１４．６２［Ｗ］）となる。

さらに、定常状態でパワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力（パワーアンプ７に入力されるマイクロ波電力を１０ｄＢの増幅率で増幅したもの）の強度は、本例では、４１．６５［ｄＢｍ］＋１０［ｄＢ］＝５１．６５［ｄＢｍ］（＝１４６．２２［Ｗ］）となる。

このように、本実施形態におけるマイクロ波発生源装置１では、上記のように帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域、可変ゲインアンプ５の増幅率、パワーアンプ７の増幅率を設定することで、１４６．２２［Ｗ］の電力強度のマイクロ波（帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域とほぼ同等のマイクロ波帯域の熱雑音電力を増幅したもの）を出力することが可能である。なお、この場合、可変ゲインアンプ５から出力されるマイクロ波電力の目標電力強度は、１４．６２［Ｗ］に設定しておけばよい。

そして、パワーアンプ７から出力されるマイクロ波の帯域幅は、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域の帯域幅Ｂｐ（＝３ＭＨｚ）にほぼ等しく、また、マイクロ波放電ランプ２の共振器２０の共振周波数の帯域幅Ｂｃは、前記したように１ＭＨｚ程度であるので、マイクロ波発生源装置１からマイクロ波放電ランプ２の共振器２０に実際に供給されるマイクロ波電力（共振器２０で共振するマイクロ波の電力強度）は、本例では、５１．６５［ｄＢｍ］＋１０×log₁₀（Ｂｃ／Ｂｐ）［ｄＢ］＝５１．６５［ｄＢｍ］−４．７７［ｄＢ］＝４６．８８［ｄＢｍ］（＝１４６．２２［Ｗ］×（Ｂｃ／Ｂｐ）＝４８．７４［Ｗ］）となる。従って、発光セル２１内の発光物質を励起して発光させる上で十分な強度のマイクロ波電力をマイクロ波放電ランプ２に供給することが可能である。

以上のように、本実施形態の光源システムに適用したマイクロ波発生源装置１によれば、抵抗体３で発生する熱雑音電力を利用することによって、高圧電源やマグネトロンを必要とすることなく、抵抗体３、帯域通過フィルタ４、可変ゲインアンプ５、ＡＧＣ回路６、パワーアンプ７を使用した簡単且つ小型な構成で、マイクロ波放電ランプ２での発光を行い得る高強度（ほぼ一定強度）のマイクロ波を発生できる。

そして、本実施形態では、帯域通過フィルタ４の通過周波数帯域を、マイクロ波放電ランプ２の共振器１０の共振周波数の変動分を見込んで設定しているので、該共振器１０の共振周波数が変動しても、該共振器１０でのマイクロ波の共振を適切に行い、マイクロ波放電ランプ２の発光を安定して行なうことができる。

なお、以上説明した実施形態では、マイクロ波発生源装置１をマイクロ波放電ランプ２に対するマイクロ波発生源として利用した場合を例に採って説明したが、マイクロ波発生源装置１の利用形態はこれに限られるものではない。例えばマイクロ波発生源装置１のパワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力の強度をさらに高め、電子レンジなどのマイクロ波発生源として利用することも可能である。

また、前記実施形態では、抵抗体３をパワーアンプ７に装着するようにしたが、可変ゲインアンプ５に装着するようにしてもよい。ただし、マイクロ波発生源装置１のパワーアンプ７から出力されるマイクロ波電力の強度を高める上では、パワーアンプ７と、可変ゲインアンプ５とのうちの、より高温となる方に抵抗体３を装着することが望ましい。

本発明の一実施形態のマイクロ波発生源装置と、それにより発生させるマイクロ波電力を供給するマイクロ波放電ランプとから構成された光源システムの全体構成を示す図。

符号の説明

１…マイクロ波発生源装置、２…マイクロ波放電ランプ、３…抵抗体、４…帯域通過フィルタ（フィルタ手段）、５…可変ゲインアンプ（第１の増幅器）、６…ＡＧＣ回路（制御手段）、７…パワーアンプ（第２の増幅器）、２０…共振器、２１…発光セル。

Claims

熱雑音電力を発生する抵抗体と、該抵抗体で発生した熱雑音電力が入力され、該熱雑音電力のうちの所定のマイクロ波周波数帯域の熱雑音電力を抽出するフィルタ手段と、増幅率を可変的に制御可能であり、前記フィルタ手段で抽出された熱雑音電力であるマイクロ波電力を増幅する第１の増幅器と、該第１の増幅器が出力するマイクロ波電力の強度を検出し、その検出した強度に応じて、前記第１の増幅器が出力するマイクロ波電力が所定の一定強度になるように該第１の増幅器の増幅率を制御する制御手段と、該第１の増幅器が出力するマイクロ波電力を所定の増幅率で増幅し、その増幅してなるマイクロ波電力を外部に供給すべきマイクロ波電力として出力する第２の増幅器とを備え、前記抵抗体を、前記第１の増幅器および第２の増幅器のうちの第２の増幅器に該第２の増幅器で発生する熱を受けるように装着したことを特徴とするマイクロ波発生源装置。
マイクロ波を共振させる共振器の内部空間に、発光物質を封入した発光セルを収容し、該共振器の内部空間で共振するマイクロ波のエネルギーによって前記発光セル内の発光物質を励起して発光させるマイクロ波放電ランプを、前記第２の増幅器が出力するマイクロ波電力の供給対象とし、前記所定のマイクロ波周波数帯域が、前記マイクロ波放電ランプの共振器の共振周波数の変動範囲を含む周波数帯域に設定されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波発生源装置。