JP2003283257A - 低温高周波増幅装置および無線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱侵入を抑え、且つ伝送損失を低減してＮＦ
を抑制した低温高周波増幅装置を、およびそれを備えた
無線装置を構成する。 【解決手段】 増幅器５と高周波フィルタ９とからなる
増幅回路を、それらを冷却する冷却台２とともに断熱容
器３の内部に設け、断熱容器３外部に露出する入力側コ
ネクタ１６と高周波フィルタ９の入力部との間を入力側
ケーブル６で接続し、増幅器５の出力部と出力側コネク
タ１７との間を出力側ケーブル７で接続する。そして、
入力側ケーブル６の信号伝送損失を出力側ケーブル７の
信号伝送損失より小さくし、且つ出力側ケーブル７から
の熱侵入を入力側ケーブル６からの熱侵入より小さくす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は高周波増幅器を低
温状態で動作させるようにした低温高周波増幅装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば移動体通信や衛星通信等に
おいて、極めて微弱な電波を受信するために、受信装置
の受信部（アンテナ）の直後に極めて低雑音の増幅器が
必要とされている。このような増幅器の雑音レベルを低
減する方法として、一般に、増幅器自体を冷却する方法
が有効である。特開昭６１−４８２０１には、導波管
の一部をカットオフ形状に形成し、そのカットオフ形状
部分に増幅器を実装し、さらにその増幅器を直接冷却可
能な冷却装置を備えた低雑音増幅器が示されている。

【０００３】一方、高周波回路の安定動作を目的とし
て、環境温度を一定に保つために、または低損失動作を
目的として、超伝導状態で動作させるために、高周波回
路を恒温槽の内部に設けることが有効である。特開平
９−１２９０４１には、恒温槽内部の高周波回路と外部
との間で、断熱性の同軸ケーブルを介して信号の伝送を
行うようにした装置が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
熱侵入の少ないケーブルは、断熱性を主眼として構造が
設計されているので、電気的な伝送損失は必ずしも低く
なく、一般的なケーブルに比べて信号の伝送損失が大き
い。そのため、高周波増幅回路のＮＦ（Noise Figure：
雑音指数）の点で不利であった。一般的な高周波用のケ
ーブルでは、断熱性が低いため、外部から上記恒温槽内
部の回路への熱侵入が大きくなって、恒温槽内の回路の
動作が不安定になったり、大きな熱侵入に抗して冷却装
置の冷却能力を高めなければならない、といった問題が
生じる。すなわち、熱侵入の削減と伝送損失の削減とは
相反する関係にあると言える。

【０００５】また、伝送損失とケーブル長とは略比例関
係にあり、熱侵入量とケーブル長とは略反比例関係にあ
る。前記，の公報に示されている装置では、熱侵入
の低減と伝送損失の低減の双方を効果的に設計したもの
ではなく、入力側と出力側のケーブル長が等しい場合
に、伝送損失か熱侵入のいずれかを犠牲にすることにな
っていた。

【０００６】この発明の目的は、熱侵入を抑え、且つ伝
送損失を低減してＮＦを抑制した低温高周波増幅装置
を、およびそれを備えた無線装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の低温高周波増
幅装置は、少なくとも増幅回路と、該増幅回路を冷却す
る冷却台とを断熱容器内に収め、該断熱容器の外部に露
出させて設けた入力側コネクタから前記増幅回路の入力
部までを入力側高周波線路で接続し、前記断熱容器の外
部に露出させて設けた出力側コネクタから前記増幅回路
の出力部までを出力側高周波線路で接続して構成する
が、入力側高周波線路の信号伝送損失を出力側高周波線
路の信号伝送損失より小さくし、かつ、出力側高周波線
路から増幅回路への熱侵入を入力側高周波線路から増幅
回路への熱侵入より小さくしたことを特徴とする。

【０００８】また、この発明の低温高周波増幅装置は、
入力側高周波線路の長さを出力側高周波線路の長さより
短くしたことを特徴とする。

【０００９】また、この発明の低温高周波増幅装置は、
増幅回路の入力部から前記断熱容器の壁面までの距離
と、前記増幅回路の出力部から前記断熱容器の壁面まで
の距離とを略等しくし、且つ、前記入力側高周波線路の
線路長を最短距離としたことを特徴とする。

【００１０】また、この発明の低温高周波増幅装置は、
入力側高周波線路の断面積を出力側高周波線路の断面積
より大きくしたことを特徴する。

【００１１】また、この発明の低温高周波増幅装置は、
前記増幅回路を、増幅器とその増幅器の入力側に接続し
た高周波フィルタとから構成したことを特徴とする。

【００１２】また、この発明の低温高周波増幅装置は、
前記高周波フィルタを、電極材料に超伝導体を用いた超
伝導フィルタとしたことを特徴とする。

【００１３】また、この発明の無線装置は、上記いずれ
かの構造の低温高周波増幅装置を高周波信号の増幅部に
備えたことを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】第１の実施形態に係る低温高周波
増幅装置の構成を、図１〜図４を参照して説明する。図
１は低温高周波増幅装置の構造を示す図である。ここで
２は、冷却台（コールドステージ）、１は冷却台２を冷
却する冷却装置である。冷却台２の上部には増幅器５を
搭載している。増幅器５の周囲には輻射シールド４を設
けている。この輻射シールド４の外周には真空断熱容器
３を設けている。断熱容器３には、入力側コネクタ１６
および出力側コネクタ１７を設けている。増幅器５の入
力部と入力側コネクタ１６との間を入力側ケーブル６で
接続している。また、増幅器５の出力部と出力側コネク
タ１７との間を出力側ケーブル７で接続している。ま
た、断熱容器３には電源コネクタ１８を設けている。こ
の電源コネクタ１８と増幅器５との間を電源ケーブル８
で接続している。

【００１５】図１において冷却装置１は、例えばスター
リング冷凍機、ＧＭ冷凍機、パルス管冷凍機、ペルチェ
素子等の冷却装置である。入力側ケーブル６および出力
側ケーブル７は、例えば同軸ケーブルであり、伝送損失
が小さく且つ熱伝導性の低い断熱性同軸ケーブルを用い
ることが望ましい。

【００１６】図２は入力側ケーブル６および出力側ケー
ブル７に用いる断熱性同軸ケーブルの断面構造を示す図
である。ここで１１は、例えばステンレススチールやキ
ュプロニッケル等の熱伝導率の低い金属からなる外導体
である。１２は、銀や銅等の伝導率の高い金属膜からな
る外導体内壁である。この金属膜の厚みは例えば１〜１
０μｍとする。１３は熱伝導率の低い金属からなる内導
体である。１４は導電率の高い金属膜からなる内導体外
壁である。１５は、内導体外壁１４と外導体内壁１２と
の間の空間を埋める、熱伝導率の低いＰＴＦＥ等の絶縁
体である。

【００１７】このような断面構造を備えたことにより、
入力側ケーブル６および出力側ケーブル７は、ケーブル
全体の断面積当たりの熱伝導率が低く、図１に示した断
熱容器３外部から増幅器５への熱侵入量を抑えることが
できる。

【００１８】図３は、入力側ケーブルと出力側ケーブル
の長さの比と各種特性値との関係を示す図である。図３
の（Ａ）〜（Ｃ）は、入力側ケーブルと出力側ケーブル
からの全熱侵入量を一定値（０．２［Ｗ］）にした条件
で計算している。ここでＬｉｎは入力側ケーブルの長
さ、Ｌｏｕｔは出力側ケーブルの長さを表している。図
３の（Ａ）〜（Ｃ）のいずれも横軸をＬｉｎ／Ｌｏｕｔ
にとっている。ここで、ケーブルロスは１ｄＢ／ｍ、増
幅器のＮＦは０．２ｄＢとしている。

【００１９】図３の（Ａ）は、Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔに対す
る、入力側ケーブル６，出力側ケーブル７，および増幅
器５によるＮＦ（Noise Figure：雑音指数）の関係を示
している。ここで、実線は増幅器の増幅率が２０ｄＢで
ある時、破線はそれが３０ｄＢである時の特性である。
信号増幅の観点からは、ケーブルでの損失は極力小さく
することが望ましい。但し、増幅器で増幅されて出力さ
れる信号は、その信号強度が高いため、出力側ケーブル
での損失は、入力側ケーブルでの損失に比較してあまり
問題とはならない。すなわち、図３の（Ａ）に示すよう
に、Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔを小さくするほどＮＦを抑えるこ
とができる。

【００２０】図３の（Ｂ）は、Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔとケー
ブル長との関係を示している。このように、Ｌｉｎ／Ｌ
ｏｕｔを小さくしようとすれば、入力側ケーブルを短く
し、出力側ケーブルを長くすればよい。

【００２１】図３の（Ｃ）は、Ｌｉｎ／Ｌｏｕｔに対す
る熱侵入量の関係を示している。このように、Ｌｉｎ／
Ｌｏｕｔを小さくするには、入力側ケーブルからの熱侵
入量を大きくする代わりに（犠牲にする代わりに）出力
側ケーブルからの熱侵入量を抑えればよい。このような
特性を利用して、断面形状および断面各部の寸法を同じ
にして、入力側ケーブル６の長さを出力側ケーブル７の
長さより短くする。そして、増幅器５の入力部から断熱
容器３の壁面までの距離と、増幅器５の出力部から断熱
容器３の壁面までの距離とを略等しくすることにより、
冷却効率を高く維持する。その上で、入力側ケーブル６
の線路長を最短距離とすることにより、入力側ケーブル
での伝送損失を可能な限り低減する。

【００２２】また、図３に示した特性から、入力側ケー
ブルでの信号伝送損失を出力側ケーブルでの信号伝送損
失より小さくして、且つ出力側ケーブルから増幅器への
熱侵入を入力側ケーブルから増幅器への熱侵入より小さ
くすればよいことが分かる。従って、入力側ケーブル６
と出力側ケーブル７のケーブル長を等しくし、出力側ケ
ーブル７に対して入力側ケーブル６の断面積を大きくし
てもよい。

【００２３】図４はその例を示している。この例では、
入力側ケーブル６および出力側ケーブル７は共に断熱性
同軸ケーブルである。但し、入力側ケーブル６には、出
力側ケーブル７に比べて、その断面積を大きくした断熱
性同軸ケーブルを用いている。このように、増幅器５の
入力部から断熱容器３壁面までの距離と、増幅器５の出
力部から断熱容器３の壁面までの距離とを略等しくし、
且つ、入力側高周波線路６の線路長を最短距離としてい
る。これにより、断熱容器内３の中央部に増幅器５を配
置することができ、かつ入力側ケーブル６による伝送損
失が最小限に抑えられるので、ＮＦの改善および冷却効
率の改善が効果的に行える。

【００２４】なお、図１に示した構成と図４に示した構
成を組み合わせてもよい。すなわち、出力側ケーブル７
を入力側ケーブル６に比べて、そのケーブル長を長く
し、且つ断面積を小さくしてもよい。次に、第２の実施
形態に係る低温高周波増幅装置の構成を図５を参照して
説明する。第１の実施形態では、冷却台２に増幅器５の
みを搭載したが、この図５に示す例では、冷却台２に増
幅器５と共に高周波フィルタ９を搭載している。そし
て、増幅器５の入力側に高周波フィルタ９を接続してい
る。さらに高周波フィルタ９の入力部と入力側コネクタ
１６との間を入力側ケーブル６で接続している。ここ
で、高周波フィルタ９は、誘電体部材の内外の表面に電
極膜を設けた誘電体フィルタであり、その電極膜を超伝
導膜としている。これにより、導体損を極めて低くし
て、低挿入損失特性を得ている。したがって、この超伝
導フィルタ９は超伝導膜の臨界温度以下となるように冷
却する。

【００２５】このように高周波フィルタ９と増幅器５と
によって増幅回路を構成した場合にも、図３に示した場
合と同様の特性を示すので、入力側ケーブル６と出力側
ケーブル７の関係を、第１・第２の実施形態の場合と同
様に定めればよい。なお、高周波フィルタ９と増幅器５
との間を接続するケーブル１０は、断熱容器３外部から
の熱侵入とは無関係であるので、特に断熱性を備えてい
る必要はなく、電気的に低伝送損失の同軸ケーブルを用
いればよい。

【００２６】次に、第３の実施形態として通信装置の構
成を図６を参照して説明する。図６において２０は受信
アンテナ、９は高周波フィルタ、５は増幅器である。高
周波フィルタ９は、アンテナ２０で受けた受信信号のう
ち、所定の受信周波数帯域のみを通過させ、増幅器５は
それを低雑音増幅する。受信回路２１は所定のゲインま
で増幅された受信信号を復調して、後段の信号処理部へ
与える。

【００２７】この図６に示した高周波フィルタ９および
増幅器５を、図５に示したように低温高周波増幅装置に
より構成する。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、全体の冷却効率を低
下させることなくＮＦの改善が図れ、小型低消費電力で
電気的特性にも優れた低温高周波増幅装置が得られる。

【００２９】また、この発明によれば、入力側高周波線
路の長さを出力側高周波線路の長さより短くしたことに
より、同一形状のケーブルを用いることができ、それに
合わせて増幅器の入出力部の同軸ケーブルに対する接続
部の構造および断熱容器外部へ露出させる入出力側のコ
ネクタの形状を共通化でき、コストダウンが図れる。

【００３０】また、この発明によれば、増幅回路の入力
部から前記断熱容器の壁面までの距離と、前記増幅回路
の出力部から前記断熱容器の壁面までの距離とを略等し
くし、且つ、前記入力側高周波線路の線路長を最短距離
としたことにより、断熱容器内の中央部に増幅回路を配
置することができ、かつ入力側ケーブルによる伝送損失
を最小限に抑えられるので、ＮＦの改善および冷却効率
の改善を効果的に行える。

【００３１】また、この発明によれば、出力側高周波線
路の断面積を入力側高周波線路の断面積より小さくした
ことにより、出力側高周波線路を断熱容器内で引き回す
必要がなく、断熱容器内への高周波線路の配置が容易と
なる。

【００３２】また、この発明によれば増幅器とそれに接
続した高周波フィルタとによって増幅回路を構成したこ
とにより、不要な周波数帯域の信号による歪みが抑えら
れ、さらにＮＦが改善される。

【００３３】また、この発明によれば、前記高周波フィ
ルタを超伝導フィルタとしたことにより、フィルタによ
る挿入損失が極めて小さくなり、ＮＦがさらに改善でき
る。

【００３４】また、この発明によれば、小型で冷却効率
が高く、且つＮＦの低い低温高周波増幅装置を用いたこ
とにより、微弱電波の受信に適用し、符号誤り率が低
く、データ伝送レートの高い無線通信に適用した無線装
置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る低温高周波増幅装置の構
成を示す図

【図２】同装置に用いる入力側および出力側のケーブル
の断面図

【図３】出力側ケーブルに対する入力側ケーブルの長さ
の比と各種特性との関係を示す図

【図４】低温高周波増幅装置の他の構成例を示す図

【図５】第２の実施形態に係る低温高周波増幅装置の構
成を示す図

【図６】第３の実施形態に係る無線装置の構成を示すブ
ロック図

【符号の説明】

１−冷却装置 ２−冷却台 ３−断熱容器 ４−輻射シールド ５−増幅器 ６−入力側ケーブル ７−出力側ケーブル ８−電源ケーブル ９−高周波フィルタ １０−ケーブル １１−外導体 １２−外導体内壁 １３−内導体 １４−内導体外壁 １５−絶縁体 １６−入力側コネクタ １７−出力側コネクタ １８−電源コネクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M114 AA02 AA27 BB05 CC07 CC11 DA12 5J067 AA04 CA36 CA41 CA87 CA92 FA00 KA44 KA46 KA68 LS07 QA04 SA13 TA02 5J092 AA04 CA36 CA41 CA87 CA92 FA00 KA44 KA46 KA68 QA04 SA13 TA02 UR03 5J500 AA04 AC36 AC41 AC87 AC92 AF00 AK44 AK46 AK68 AQ04 AS13 AT02 RU03

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも増幅回路と、該増幅回路を冷
   却する冷却台とを断熱容器内に収め、該断熱容器の外部
   に露出させて設けた入力側コネクタから前記増幅回路の
   入力部までを入力側高周波線路で接続し、前記断熱容器
   の外部に露出させて設けた出力側コネクタから前記増幅
   回路の出力部までを出力側高周波線路で接続してなる低
   温高周波増幅装置において、 入力側高周波線路の信号伝送損失を出力側高周波線路の
   信号伝送損失より小さくし、且つ、出力側高周波線路か
   ら前記増幅回路への熱侵入を入力側高周波線路から前記
   増幅回路への熱侵入より小さくした低温高周波増幅装
   置。
2. 【請求項２】 入力側高周波線路の長さを出力側高周波
   線路の長さより短くした請求項１に記載の低温高周波増
   幅装置。
3. 【請求項３】 前記増幅回路の入力部から前記断熱容器
   の壁面までの距離と、前記増幅回路の出力部から前記断
   熱容器の壁面までの距離とを略等しくし、且つ、前記入
   力側高周波線路の線路長を最短距離とした請求項２に記
   載の低温高周波増幅装置。
4. 【請求項４】 入力側高周波線路の断面積を出力側高周
   波線路の断面積より大きくした請求項１に記載の低温高
   周波増幅装置。
5. 【請求項５】 前記増幅回路を、増幅器と、該増幅器の
   入力側または出力側に接続した高周波フィルタとから構
   成した、請求項１〜４のいずれかに記載の低温高周波増
   幅装置。
6. 【請求項６】 前記高周波フィルタを、電極材料に超伝
   導体を用いた超伝導フィルタとした請求項５に記載の低
   温高周波増幅装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の低温高
   周波増幅装置を高周波信号の増幅部に備えた無線装置。