特許 5936220 ＣＯ２ガス放電レーザを駆動するための結合ＲＦ電力供給源を平衡化する装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5936220

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】ＣＯ２ガス放電レーザを駆動するための結合ＲＦ電力供給源を平衡化する装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/097 20060101AFI20160609BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/097 A

   H01S3/00 G

【請求項の数】20

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2014-527209(P2014-527209)

(86)(22)【出願日】2012年8月17日

(65)【公表番号】特表2014-527723(P2014-527723A)

(43)【公表日】2014年10月16日

(86)【国際出願番号】US2012051467

(87)【国際公開番号】WO2013028564

(87)【国際公開日】20130228

【審査請求日】2015年5月15日

(31)【優先権主張番号】13/216,091

(32)【優先日】2011年8月23日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】512095392

【氏名又は名称】コヒレント， インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】シュメルザー， デイビッド ピー．

(72)【発明者】

【氏名】ハウアー， フレデリック ダブリュー．

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２０４１３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０１−１４７７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５９４１９１６（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００ − ３／３０

Ｈ０３Ｆ １／００ − ３／４５

３／５０ − ３／５２

３／６２ − ３／６４

３／６８ − ３／７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線周波数（ＲＦ）電力をガス放電レーザの放電電極に供給するための無線周波数（ＲＦ）電力供給源装置であって、前記装置は、
第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールであって、そのそれぞれがＲＦ出力を有する第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールと、
前記放電電極に接続された単一の結合ＲＦ出力に前記トランジスタ増幅器モジュールのＲＦ出力を結合するための電力結合配列と、
ＤＣ電圧を前記第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールのそれぞれに供給するためのＤＣ電力供給源であって、前記ＤＣ電力供給源は、前記トランジスタ増幅器モジュールのそれぞれに、対応する第１の複数の電気スイッチを介して、別個に接続可能または切断可能である、ＤＣ電力供給源と、
前記ＤＣ電力供給源と前記第１の複数の電気スイッチとの間の電気経路内に位置する第１の電流センサであって、前記第１の電流センサは、前記第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールのうちの任意の１つが前記ＤＣ電力供給源に接続されるとき、前記トランジスタ増幅器モジュールよって引き込まれる電流を監視する、第１の電流センサと
を備える、装置。

【請求項2】

第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールであって、前記第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのそれぞれは、ＲＦ出力を有し、前記第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのＲＦ出力は、前記電力結合配列によって、前記単一の結合ＲＦ出力に結合され、前記第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのそれぞれは、対応する第２の複数の電気スイッチによって、前記ＤＣ電力供給源に接続可能または切断可能である、第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールと、前記ＤＣ電力供給源と前記第２の複数の電気スイッチとの間の電気経路内に位置する第２の電流センサであって、前記第２の電流センサは、前記第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのうちの任意の１つが前記ＤＣ電力供給源に接続されるとき、前記トランジスタ増幅器モジュールによって引き込まれる電流を監視する、第２の電流センサとをさらに含む、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールおよび第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのそれぞれには、等しい数Ｎ個のトランジスタ増幅器モジュールが存在する、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

Ｎ個のＲＦ増幅器ステージが存在し、前記Ｎ個のＲＦ増幅器ステージのそれぞれは、プッシュ−プル構成に配列された、前記第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールのうちの１つのみと前記第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのうちの１つのみとを含む、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記電力結合配列は、前記トランジスタ増幅器モジュールのＲＦ出力をＮ個のＲＦ増幅器ステージ出力に結合するための、前記増幅器ステージのそれぞれに１つずつのＮ個のインピーダンス整合ネットワークと、前記放電電極に接続された前記単一のＲＦ出力に前記Ｎ個のＲＦ増幅器ステージ出力を結合するための単一のＲＦ電力結合器とを含む、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

２Ｎ個の増幅器ステージが存在し、前記２Ｎ個の増幅器ステージのそれぞれが、前記第１および第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールのうちの１つのみを含む、請求項３に記載の装置。

【請求項7】

前記電力結合配列は、前記放電電極に接続された前記単一のＲＦ出力に前記トランジスタ増幅器モジュールのＲＦ出力を結合するための単一のＲＦ電力結合器を含む、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

増幅されるＲＦ信号は、信号分割器によって２Ｎ個の部分に分割され、前記２Ｎ個の信号部分は、２Ｎ個の入力接続の対応する１つによって、前記２Ｎ個のトランジスタ増幅器モジュールの対応する１つに接続され、２Ｎ個の選択的可変リアクタンス回路が存在し、前記２Ｎ個の選択的可変リアクタンス回路のうちの１つは、対応する前記トランジスタ増幅器モジュールに接続された対応する前記信号部分の振幅および位相を調節するために、前記２Ｎ個の入力接続のそれぞれの対応する１つに接続されている、請求項３に記載の装置。

【請求項9】

前記選択的可変リアクタンス回路はそれぞれ、並列接続された選択的可変キャパシタを含む、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記結合されたＲＦ出力は、インピーダンス整合ネットワークを介して、前記放電電極に接続されている、請求項１に記載の装置。

【請求項11】

無線周波数（ＲＦ）電力をガス放電レーザの放電電極に供給するための無線周波数（ＲＦ）電力供給源装置であって、前記装置は、
第１の複数Ｎ個のＲＦ増幅器ステージであって、前記第１の複数Ｎ個のＲＦ増幅器ステージそれぞれは、プッシュ−プル配列において、第１および第２のトランジスタ増幅器モジュールを含み、ＲＦ増幅器ステージ出力を提供する、第１の複数Ｎ個のＲＦ増幅器ステージと、
前記放電電極に接続された単一の結合ＲＦ出力に前記ＲＦ増幅器ステージ出力を結合するための電力結合配列と、
ＤＣ電力供給源であって、前記ＤＣ電力供給源は、前記ＤＣ電力供給源からの第１および第２の電気経路を有し、前記第１および第２の電気経路は、それぞれ、前記ＲＦ増幅器ステージのそれぞれにおける前記第１および第２のトランジスタ増幅器モジュールにＤＣ電圧を供給する、ＤＣ電力供給源と、
前記ＲＦ増幅器ステージのそれぞれにおける第１のトランジスタ増幅器モジュールであって、前記第１のトランジスタ増幅器モジュールは、対応する第１の複数の電気スイッチを介して、前記ＤＣ電力供給源からの前記第１の電気経路に、別個に接続可能または切断可能である、第１のトランジスタ増幅器モジュールと、
前記ＲＦ増幅器ステージのそれぞれにおける第２のトランジスタ増幅器モジュールであって、前記第２のトランジスタ増幅器モジュールは、対応する第２の複数の電気スイッチを介して、前記ＤＣ電力供給源からの前記第２の電気経路に、別個に接続可能または切断可能である、第２のトランジスタ増幅器モジュールと、
前記ＤＣ電力供給源からの前記第１の電気経路内に位置する第１および第２の電流センサであって、前記第１および第２の電流センサは、トランジスタ増幅器モジュールのうちの任意の１つが前記ＤＣ電力供給源への対応する電気経路に接続されるとき、前記トランジスタ増幅器モジュールによって引き込まれる電流を監視する、第１および第２の電流センサと
を備える、装置。

【請求項12】

増幅されるＲＦ信号は、第１の信号分割器によってＮ個の第１のＲＦ信号部分に分割され、前記Ｎ個のＲＦ信号部分はそれぞれ、前記Ｎ個のＲＦ増幅器ステージのうちの対応する１つによって受信される、請求項１１に記載の装置。

【請求項13】

前記ＲＦ増幅器ステージはそれぞれ、第２の信号分割器を含み、前記第２の信号分割器は、前記第１の信号分割器からの前記第１のＲＦ信号部分を、前記第１のトランジスタ増幅器モジュールに接続された第１のＲＦ信号部分と、第２のトランジスタ増幅器モジュールに接続された第２のＲＦ信号部分とに分割するように配列されている、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

第１および第２の選択的可変リアクタンス回路が存在し、対応する前記トランジスタ増幅器モジュールに接続された対応する前記第２の信号部分の振幅および位相を調節するために、前記第１の選択的可変リアクタンス回路は、前記第２の信号分割器と、前記第１のトランジスタ増幅器モジュールとの間の接続に接続され、前記第２の選択的可変リアクタンス回路は、前記第２の信号分割器と、前記第２のトランジスタ増幅器モジュールとの間の接続に接続されている、請求項１３に記載の装置。

【請求項15】

前記選択的可変リアクタンス回路はそれぞれ、並列接続された選択的可変キャパシタを含む、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記結合されたＲＦ出力は、インピーダンス整合ネットワークを介して、前記放電電極に接続されている、請求項１１に記載の装置。

【請求項17】

ＲＦ電力をガス放電レーザの放電電極に供給するために使用されるＲＦ電力供給源を構成する方法であって、前記電力供給源は、ＲＦ信号発生器を含み、前記ＲＦ信号発生器の出力は、少なくとも３つの並列接続された増幅器モジュールに供給され、前記増幅器モジュールの出力は、結合されて、次いで、前記電極に供給され、前記増幅器モジュールは、ＤＣ電力供給源によって給電され、前記方法は、
（ａ）２つ以下の増幅器モジュールが前記ＤＣ電力供給源に接続されるように、１つまたは複数の増幅器モジュールを前記ＤＣ電力供給源から切断するステップと、
（ｂ）前記増幅器モジュールの出力の電流および位相が所定の範囲内であるように、前記ＤＣ電力供給源に接続されたままである前記増幅器モジュールの出力を調節するステップと、
（ｃ）ステップ（ａ）および（ｂ）を１回または複数回繰り返すステップであって、毎回、全ての増幅器モジュールからの出力の電流および位相が所定の範囲内になるまで、異なる増幅器モジュールまたは対の増幅器モジュールを前記ＤＣ電力供給源に接続する、ステップと
を含む、方法。

【請求項18】

前記ＲＦ電力供給源は、前記増幅器モジュールのそれぞれと関連付けられた可変インピーダンスユニットを含み、前記増幅器モジュールの出力を調節する前記ステップは、前記関連付けられた可変インピーダンスユニットのインピーダンスを調節することによって行なわれる、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

ステップ（ｂ）の間、２つの増幅器モジュールが前記ＤＣ電力供給源に接続され、前記増幅器モジュールを調節するステップの間、前記位相は、２つの接続された増幅器モジュールの出力の位相を比較することによって測定される、請求項１７に記載の方法。

【請求項20】

ステップ（ｂ）の間、１つのみの増幅器モジュールが前記ＤＣ電力供給源に接続され、前記増幅器モジュールを調節するステップの間、前記位相は、前記信号発生器の出力の位相と前記接続された増幅器モジュールの出力の位相とを比較することによって測定される、請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス放電レーザに関する。本発明は、特に、複数のＲＦトランジスタ電力供給源の結合出力によって駆動されるＣＯ_２ガス放電レーザに関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＯ_２ガス放電レーザでは、レーザ筐体内のレイジングガス混合物は、一対の平行に離間された電極間に達するガス混合物における無線周波数（ＲＦ）放電によって励起される。高出力ＣＯ_２レーザ、例えば、１００ワット（Ｗ）またはそれより大きい出力電力を有するＣＯ_２スラブレーザでは、ガス混合物は、典型的には、ＣＯ_２、窒素（Ｎ_２）およびヘリウムＨｅを含み、約５０〜１５０トルの圧力である。レーザを駆動する（ガス放電を励起する）ためのＲＦ電圧（ＲＦ電力）は、単一のＲＦ発振器に接続される複数のＲＦ増幅器の結合出力によって提供され、その出力は、必要に応じて、事前に増幅される。典型的には、増幅器はそれぞれ、プッシュ−プル配列において、２つのＲＦトランジスタ増幅器モジュールを含む。

【0003】

典型的には、ＣＯ_２スラブレーザ内でガス放電を励起するために要求されるＲＦ電圧は、約８０〜１００ＭＨｚ駆動周波数において、約２２５ボルトである。印加される一定電圧Ｖに対する放電内の電流は、放電内へ送達される電力に伴って、線形に増加する。放電のインピーダンスは、放電内へのＲＦ電力が増加されるにつれて減少する。ＣＯ_２スラブレーザは、放電内へのＲＦ電力をレーザ出力電力に変換するために、約１０％の効率を有する。一例として、２５０Ｗ出力を有するＣＯ_２レーザは、放電内へ送達される約１１アンペア（Ａ）の電流において、約２５００ＷのＲＦ電力を要求する。放電のインピーダンスは、約２０オームである。

【0004】

一例として、トランジスタ電力モジュールを使用して、２５００ＷのＲＦ電力を提供するために、最低でも６つのＭＯＳＦＥＴ ＢＬＦ２７８モジュール（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｈｏｌｌａｎｄ）から入手可能）が、要求される。モジュールの出力は、レーザガス放電を発生させる電極に提供される単一の出力を形成するように結合される必要がある。

【0005】

複数のトランジスタ電力増幅器モジュールの出力を結合する際に対処される必要がある問題は、個々の増幅器のそれぞれの出力の電流平衡化および位相調節である。これは、最小の後方反射で、負荷（放電電極）中への最大電力出力を得るために要求される。この後方反射は、トランジスタモジュール内で消散される熱として発現する。

【0006】

図１は、ＣＯ_２拡散冷却型レーザを駆動する際に使用されるＲＦ結合器タイプの電力供給源内のＲＦ電力増幅器を電流および位相平衡化するための従来技術の配列１０を図式的に図示する。ここでは、ＲＦ発振器１２の出力は、ドライバ増幅器１４の入力に提供される。ドライバ増幅器の出力は、１〜３個の信号スプリッタ（信号分割器）１６の入力に提供される。スプリッタの３つの出力はそれぞれ、対応する電力増幅器ステージ１８に提供される。増幅器ステージは、公称上、同じであるが、増幅器ステージおよびその構成要素における製造公差により、わずかな差異が存在し得るという事実を反映するために、ステージ１８Ａ、１８Ｂ、および１８Ｃとして別個に指定される。これらの差異は、前述の電流および位相平衡化のための要件につながる。

【0007】

増幅器ステージ１８Ａでは、スプリッタ１６からの対応する信号は、信号スプリッタ（信号分割器）Ｄ１によって、２つの部分にさらに分けられる。一方の部分は、トランジスタ増幅器モジュールＡ１に送信され、他方の部分は、トランジスタ増幅器モジュールＡ２に送信される。増幅器モジュールＡ１およびＡ２は、ここでは、プッシュ−プル構成に配列される。増幅器出力は、インピーダンス整合ネットワークＺ１によって結合される。増幅器ステージ１８Ｂでは、スプリッタ１６からの対応する信号は、信号スプリッタＤ２によって、２つの部分にさらに分けられる。それらの部分は、トランジスタ増幅器モジュールＡ３およびＡ４によって増幅され、増幅された出力は、インピーダンス整合ネットワークＺ２によって結合される。増幅器ステージ１８Ｃでは、スプリッタ１６からの対応する信号は、信号スプリッタＤ３によって、２つの部分にさらに分けられる。それらの部分は、トランジスタ増幅器モジュールＡ５およびＡ６によって増幅され、増幅された出力は、インピーダンス整合ネットワークＺ３によって結合される。

【0008】

インピーダンス整合ネットワークＺ１、Ｚ２、およびＺ３の出力は、ＲＦ出力電力結合器２０によって結合される。結合された出力は、離間され、相互に平行である電極２４および接地電極２６を備える電極対２２（放電電極）の活電極２４に印加される。電極は、レイジングガス混合物を含むレーザ筐体（図示せず）内に位置する。インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）２８は、結合器２０の出力インピーダンスと放電電極のインピーダンスとを整合させる。

【0009】

トランジスタ増幅器モジュールＡ１−６は、ＤＣ電力供給源３０からのＤＣ電圧によって給電される。ＤＣ電力供給源は、トランジスタ増幅器モジュールＡ−６のそれぞれに、６つの対応する電流センサＣＳ１−６のうちの１つを通して電力を送達する。好ましい電流センサは、ホール効果センサである。ホール効果電流センサは、それを通して流れる電流に比例して、出力電圧を生成する。そのようなセンサは、印刷回路基板技術に適合可能なパッケージ内において、サブアンペアから数百アンペアまでの広範囲の電流を取り扱うことができる。

【0010】

電流および位相平衡化は、トランジスタ増幅器モジュールＡ１−６の個別の入力に接続された選択的可変インピーダンス回路Ｂ１−６を調節することによって達成される。ここでの回路はそれぞれ、可変分路（並列）静電容量部の形態である。回路Ｂ１−６のインピーダンスの調節は、トランジスタ増幅器モジュールＡ１−６内への入力電力および入力の位相を調節し、次に、ＤＣ電力供給源３０からトランジスタ増幅器モジュールによって引き込まれるＤＣ電流の量を変動させる。さらに、これは、次に、トランジスタ増幅器モジュールの出力電力および出力の位相を変動させ、それに応じて、インピーダンス整合ネットワークＺ１−３のＲＦ出力の振幅および位相を変動させる。

【0011】

可変インピーダンス回路Ｂ１−６のインピーダンスは、電力結合器２０への入力のそれぞれの振幅および位相が等しいか、またはほぼ等しくなるまで、調節される。振幅および位相は、当技術分野において公知であるように、オシロスコープおよび一時的接続を用いて監視されることができる。調節は、増幅器ステージ１８Ａ−Ｃの構成要素の、製造公差内の変動を補償するために必要である。増幅器ステージからの出力から同一の電流および位相を得ることは、電極対２２によって生成されるガス放電内への最大ＲＦ電力送達を達成するために重要である。

【0012】

電力結合器２０によって結合された入力の電流および位相平衡化を理解するために十分な装置１０の説明のみが、提供されていることに留意されたい。ＲＦ電力結合器およびそのためのインピーダンス整合ネットワークの詳細な説明は、特許文献１および特許文献２に提供されている（それぞれ、本発明の譲受人に譲渡され、それぞれの完全な開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）。

【0013】

前述の電流および位相平衡化方法は、完成したＣＯ_２レーザ内の放電電極への電力移送の所望の最適化を達成するために非常に適しているが、本方法は、製造の観点から、特に、平衡化動作のために要求される時間および対応するコストに関して、特定の欠点を有する。このような要求される時間は、増幅器間のクロストークが存在し、これが、平衡化動作を反復工程にし、平衡点に収束するように、各可変インピーダンス回路に一連の再調節が要求されるので、比較的に長い。反復工程を習得するために、相当の熟練および経験が、オペレータに要求される。別の欠点は、トランジスタ増幅器モジュールとＤＣ電力供給源との間の接続のそれぞれにおいて、電流センサを設置するために要求される時間およびコストである。結合された増幅器出力のために電流および位相平衡化する、より単純かつ時間がかからない方法が必要とされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国特許第７，７５５，４５２号明細書

【特許文献2】米国特許第７，９７０，０３７号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明の一側面では、無線周波数（ＲＦ）電力をガス放電レーザの放電電極に供給するための無線周波数（ＲＦ）電力供給源装置は、第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールを備え、そのそれぞれが、ＲＦ出力を有する。電力結合配列は、放電電極に接続された単一の結合ＲＦ出力にトランジスタ増幅器モジュールのＲＦ出力を結合するために提供される。ＤＣ電力供給源は、ＤＣ電圧を第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールのそれぞれに供給するために提供される。ＤＣ電力供給源は、トランジスタ増幅器モジュールのそれぞれに、対応する第１の複数の電気スイッチを介して、別個に接続可能または切断可能である。第１の電流センサは、ＤＣ電力供給源と第１の複数の電気スイッチとの間の電気経路内に位置し、第１の複数のトランジスタ増幅器モジュールの任意の１つがＤＣ電力供給源に接続されるとき、そのトランジスタ増幅器モジュールによって引き込まれる電流を監視する。

【0016】

本発明の好ましい実施形態では、第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールが存在し、そのそれぞれは、ＲＦ出力を有し、第２の複数のトランジスタモジュールのＲＦ出力は、電力結合配列によって、単一の結合ＲＦ出力に結合される。第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールはそれぞれ、対応する第２の複数の電気スイッチによって、ＤＣ電力供給源に接続可能または切断可能である。第２の電流センサは、ＤＣ電力供給源と第２の複数の電気スイッチとの間の電気経路内に位置し、第２の複数のトランジスタ増幅器モジュールの任意の１つがＤＣ電力供給源に接続されるとき、そのトランジスタ増幅器モジュールによって引き込まれる電流を監視する。

【0017】

本発明の回路配列は、２つの電流センサによって監視されながら、常時、電力供給源に接続された一対のトランジスタ増幅器モジュールのみによって、電力結合配列内の電流および位相平衡化を可能にする。これは、従来技術の装置における複数対のセンサ間の前述のクロストーク問題を回避すると同時に、トランジスタ増幅器モジュール対の数に関わらず、要求されるセンサの総数を２つに低減することによって、コストを節約する。

【0018】

明細書内に組み込まれ、その一部を構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、前述に与えられる一般的な説明および以下に与えられる好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、３つの増幅器ステージのＲＦ出力が結合された従来技術の回路を図式的に図示し、各増幅器ステージが、プッシュ−プル構成において、２つのトランジスタ増幅器を含み、トランジスタ増幅器は、６つの対応する電流センサを通して単一の電力供給源から送達されるＤＣ電流によって給電され、６つの選択的可変インピーダンス回路が、結合に先立って、増幅器ステージの出力の振幅および位相を平衡化するために、トランジスタ増幅器への入力を調節するために提供される。

【図2】図２は、本発明による回路のある好ましい実施形態を図式的に図示し、図１の回路と同様に、３つの増幅器ステージのＲＦ出力が結合されるが、振幅および位相平衡化動作の間、増幅器ステージのそれぞれに別個に接続可能であるように配列された２つのみの電流センサが存在する。

【図3】図３は、本発明による回路の別の好ましい実施形態を図式的に図示し、図２の回路と同様に、３つの増幅器ステージのＲＦ出力が結合されるが、増幅器ステージはそれぞれ、１つのみのトランジスタモジュールを含み、３つのみの選択的可変インピーダンス回路が存在し、１つのみの電流センサが存在し、その電流センサは、ＤＣ電力供給源に接続され、振幅および位相平衡化動作の間、増幅器ステージのそれぞれに別個に接続可能であるように配列される。

【図4】図４は、本発明による回路のさらに別の好ましい実施形態を図式的に図示し、図３の実施形態と同様に、４つ（２対）の増幅器ステージのＲＦ出力が結合されるが、ＤＣ電力供給源に接続された２つ（１対）の電流センサが存在し、各対は、振幅および位相平衡化動作の間、増幅器ステージ対に別個に接続可能である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図面（同様の特徴が、同様の参照番号によって指定される）を引き続き参照すると、図２は、３つの増幅器ステージのＲＦ出力が結合される、本発明による回路のある好ましい実施形態４０を図式的に図示する。回路４０は、以下の点を除き、図１の回路１０と類似する。回路４０では、ＤＣ電力供給源２０への２つの接続４２および４４に、２つのみの電流センサＣＳ１およびＣＳ２が存在する。好適な電流センサは、Ａｌｌｅｇｒｏ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．（Ｉｒｖｉｎｅ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）によって製造された型番ＡＥ５７５８等のホール効果電流センサである。接続４２および４４は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、およびＳ６を介して、増幅器ステージ１８Ａ−Ｃの全てに接続可能である。接続のうちの一方は、（適切なスイッチを介して）増幅器ステージ内のトランジスタ増幅器モジュールのうちの一方に行なわれ、他方の接続は、（適切なスイッチを介して）増幅器ステージ内のトランジスタ増幅器モジュールの他方に行なわれる。

【0021】

ユーザによる実際の動作では、スイッチＳ１−６は全て、全３つの増幅器ステージが給電されるように、つながれる。電流および位相平衡化動作では、１度に１つのみの増幅器が、電力供給源に接続され得る。図２では、増幅器ステージ１８Ｃは、スイッチＳ５および６がつながれた状態において、電力供給源に接続されるように描写される一方、増幅器ステージ１８Ａおよび１８Ｂは、スイッチＳ１およびＳ２ならびにスイッチＳ３およびＳ４を開放することによって、電力供給源から切断される。増幅器ステージはそれぞれ、プッシュ−プル構成において、２つの増幅器モジュールを含み、増幅器ステージと関連付けられた両方のスイッチは、増幅器ステージが動作するために、つながれなければならない。

【0022】

図１の回路におけるように、選択的可変インピーダンス回路Ｂ１−６（ここでは、分路キャパシタの形態である）が、それぞれ、電力結合器への入力を平衡化するためにトランジスタ増幅器モジュールＡ１−６への入力を調節するために提供される。前述のＰｈｉｌｉｐｓ ＮＸＰ ＢＬＦ２７８（ＭＯＳＦＥＴ）増幅器モジュールに対して、分路キャパシタは、好ましくは、約３〜１５ピコファラッド（ｐＦ）の値を有する。ＮＸＰ ＢＬＦ２７８ ＭＯＳＦＥＴは、１００ＭＨｚにおいて、最大４００Ｗの持続的出力電力に定格される。本トランジスタモジュールは、電力供給源３０から、４８ボルトのＤＣを要求する。本ＭＯＳＦＥＴを使用することによって、全増幅器モジュールＡ１−６に対して、電力結合器２０の出力は、最大２４００Ｗであり得、これは、２４０Ｗ出力を有するレーザを駆動するために十分なＲＦ電力である。

【0023】

増幅器ステージ１８Ａ−Ｃへの接続は、説明を明確にするために、機械的に動作されるスイッチＳ１−Ｓ６によって、接続可能または切断可能であるように描写および説明される。しかしながら、実際は、切替動作のための取り外し可能なリンクまたはヒューズを、接続を開放するために取り外され、接続をつなぐために置換されるヒューズ（リンク）で代用することが、より便利かつ低コストであることが見出された。用語「スイッチ」は、本説明および添付の特許請求の範囲に使用されるように、そのような取り外し可能なリンクまたはヒューズを含むことが意図される。前述の電力レベルに対して、これらの取り外し可能なリンクは、典型的には、薄型ヒューズソケット（型番３５５７−２等）を伴う、ＬＩＴＴＥＬＦＵＳＥ（部品番号０８９１）（両方とも、Ｋｅｙｓｔｏｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ａｓｔｏｒｉａ，ＮｅｗＹｏｒｋ）から利用可能である）等の低コストかつ低背型の小型ヒューズであり得る。

【0024】

図２の回路内の電流および平衡化動作の一実施例では、Ｃａｄｅｎｃｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ（ＳａｎＪｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から利用可能なＰＳＰＩＣＥ等の市販の回路分析ソフトウェアを使用する、回路のコンピュータシミュレーションが、可変インピーダンス回路Ｂ１−６のための公称値（増幅器ステージ１８Ａ−Ｃのための公称構成要素仕様に基づく）を確立するために実施される。次いで、増幅器ステージ１８ＡのみがＤＣ電力供給源３０に接続されるように、スイッチＳ３−６が、Ｓ１およびＳ２をつないだまま開放される。反復様式、すなわち、試行錯誤様式において、等しい電流（電流センサＣＳ１およびＣＳ２によって測定される）がトランジスタ増幅器モジュールＡ１およびＡ２によって引き込まれるまで、回路Ｂ１およびＢ２のインピーダンス（リアクタンス）値は、変動される。Ａ１およびＡ２からの出力ＲＦ信号の位相もまた、観測される。出力が同相ではない場合、位相は、ソフトウェアシミュレーションによって計算されたおよその公称値に回路Ｂ１およびＢ２のリアクタンス値を再調節することによって等しくされる。これは、通常、以前に確立された電流平衡を乱す。回路Ｂ１およびＢ２のリアクタンスの微調節が、電流および位相の最適平衡が確立されるまで、反復的に継続される。

【0025】

次に、スイッチＳ１およびＳ２が開放され、増幅器ステージ１８Ａを電力供給源から切断し、スイッチＳ３およびＳ４がつながれ、増幅器ステージ１８ＢをＤＣ電力供給源に（電流センサを介して）接続する。次いで、回路Ｂ３およびＢ４のリアクタンスが、増幅器ステージ１８Ａに対して行なわれたように、増幅器モジュールＡ３およびＡ４によって引き込まれる電流ならびに増幅器モジュール出力の位相を平衡化するために調節される。増幅器１８Ａおよび増幅器１８Ｂの電流が、比較される。それらの電流は、増幅器ステージ１８Ｂによって出力電力結合器に送給されるＲＦ電力がステージ１８Ａからのものと整合するように、等しくあるべきである。それらの電流が等しくない場合、回路Ｂ１およびＢ２ならびにＢ３およびＢ４（１度に１つのみの増幅器ステージが電力供給源に接続される）のリアクタンスの反復調節が、許容可能な位相および電流平衡が、４つの増幅器電流ならびに電力結合器２０への入力の振幅および位相に対して確立されるまで行なわれる。

【0026】

この許容可能な平衡が達成されると、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、およびＳ４は、開放され、増幅器ステージ１８Ａおよび１８ＢをＤＣ電力供給源から切断し、スイッチＳ５およびＳ６は、つながれて、増幅器ステージ１８ＣをＤＣ電力供給源に接続する。前述のような反復工程が、許容可能な平衡が増幅器ステージによって引き込まれる電流および電力結合器２０への入力の位相に対して確立されるまで、必要に応じて、回路Ｂ１、およびＢ２、およびＢ３およびＢ４に対する再調節とともに実施される。

【0027】

許容可能な平衡が、個々に調節された増幅器ステージ１８Ａ−Ｃのそれぞれによって達成されると、スイッチＳ１−６は全て、つながれ、全３つの増幅器ステージをＤＣ電力供給源に接続する。ステージ１８Ａ−ＣからのＲＦ電力出力および位相が、ＲＦ電力結合器への入力において測定される。電力および位相が規定公差内で等しい場合、電流および位相平衡化が、完了する。電流または位相平衡化のいずれかが規定公差外にある場合、平衡化は、前述のように、さらに調節され得る。さらなる微調整が、インピーダンス整合回路Ｚ１−３のうちの１つ以上における構成要素値を調節することによって達成され得る。前述の説明から分かり得るように、これは、労力を要するタスクであるが、増幅器ステージ間のクロストークが反復平衡化手順を複雑化する、図１の従来技術の装置における電流および位相平衡化工程より有意に時間がかからないことが見出された。

【0028】

可変インピーダンス（可変リアクタンス）回路Ｂ１−６はそれぞれ、分路接続（並列接続）された選択的可変キャパシタとして描写されるが、他の形態の選択的可変リアクタンス回路が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用されてもよいことに留意されたい。このようなものとして、容量性素子または誘導性素子を含む、より複雑な回路の直列接続された選択的可変キャパシタが挙げられる。

【0029】

図３は、３つの増幅器ステージ１９Ａ、１９Ｂ、および１９ＣのＲＦ出力が結合される、本発明による回路の別の好ましい実施形態５０を図式的に図示する。回路５０は、図２の回路４０と類似するが、回路５０では、増幅器ステージはそれぞれ、それぞれがモジュールＡ１、Ａ２、およびＡ３として指定されるモジュールを有する１つのみのトランジスタ増幅器モジュールを含む。それぞれがＢ１、Ｂ２、およびＢ３として指定される３つのみの選択的可変インピーダンス回路が存在し、電流および位相平衡化動作の間、増幅器ステージのそれぞれに、それぞれスイッチＳ１、Ｓ２、およびＳ３を介して、別個に接続可能であるように配列された１つのみの電流センサＣＳ１が存在する。

【0030】

図３の回路内の電流および平衡化動作の一実施例では、回路のコンピュータシミュレーションが、図２の回路の動作を参照して上記に論じられたように、可変インピーダンス回路Ｂ１−３に対する公称値を確立するために実施される。スイッチＳ１が、次いで、つながれ、スイッチＳ２およびＳ３が、開放される。トランジスタ増幅器モジュールＡ１によって、ＤＣ電力供給源から引き込まれる電流は、電流センサＣＳ１によって測定される。分路リアクタンスＢ１は、増幅器によって引き込まれるＤＣ電流に正比例する所望の出力電力範囲内で増幅器Ａ１を動作させるように調節される。

【0031】

次に、トランジスタ増幅器Ａ１の出力における位相が、ドライバ増幅器１４の出力と信号スプリッタ１６への入力との間に位置する試験点Ｔにおいて測定され、入力信号の位相と比較される。この位相比較は、例えば、試験点Ｔにおける二重掃引オシロスコープの一方のリード、および出力電力結合器２０の前に位置する試験点Ｔ１を接触させることによって行なわれることができる。増幅器によって与えられる位相シフトは、存在する場合、オシロスコープ画面上に表示される２つの波形の変位によって分かり得る。点Ｔ２およびＴ３は、それぞれ、増幅器Ａ２およびＡ３に関して、同様の位相比較を行なうために提供される。

【0032】

前述の手順は、他の２つの増幅器に対して（別個に）繰り返され、各増幅器Ａ１、Ａ２、およびＡ３によって引き込まれる電流が同一であり、試験点Ｔと試験点Ｔ１、Ｔ２、およびＴ３との間の測定によって示される位相シフトが同一であるように、選択的可変キャパシタＢ２およびＢ３を調節する。これによって、電流および位相平衡化手順が完了する。

【0033】

図３の一般的配列は、３つよりも多い増幅器モジュールを含むように拡張されることができる。しかしながら、３つよりも多い増幅器ステージが所望の電力を放電内に提供するために必要とされるとき、図４に描写されるように配列された偶数の増幅器ステージが、好ましい。ここでは、回路６０は、４つの増幅器ステージ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、および１９Ｄを有し、それぞれ、トランジスタ増幅器モジュールＡ１、Ａ２、Ａ３、およびＡ４を含む。ＤＣ電力供給源３０は、電流センサＣＳ１を通して、トランジスタ増幅器モジュールＡ１およびＡ３に給電する。電力供給源は、電流センサＣＳ２を通して、トランジスタモジュールＡ２およびＡ４に給電する。

【0034】

本配列は、図２の配列に類似するが、トランジスタ増幅器モジュールは、プッシュ−プル構成に配列されない。好ましい電流および位相平衡化手順は、本質的に、図２を参照して上記に説明されたものである。最初に、増幅器ステージ１９Ａおよび１９Ｂは、スイッチＳ１およびＳ２がつながれ、スイッチＳ３およびＳ４が開放された状態において、平衡化され得る。次いで、増幅器ステージ１９Ｃおよび１９Ｄは、スイッチＳ１およびＳ２が開放され、スイッチＳ３およびＳ４がつながれた状態において、平衡化され得る。

【0035】

本発明は、例示的な数の増幅器を含む実施形態および好ましい回路構成要素を参照して上記に説明されている。当業者は、本明細書に添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、より多くの数の増幅器が、結合されてもよく、または異なる構成要素が、使用されてもよいことを認識する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】