JP2005130158A

JP2005130158A - 極低温低雑音増幅装置

Info

Publication number: JP2005130158A
Application number: JP2003362902A
Authority: JP
Inventors: Takashi Uchida; 貴内田; Masaki Sudo; 雅樹須藤; Noriyuki Kagaya; 範行加賀屋
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19
Also published as: US20050128025A1

Abstract

【課題】小型化、軽量化、省電力化、低価格化を実現できる高感度の極低温低雑音増幅装置を提供する。
【解決手段】この発明の極低温低雑音増幅装置１において、初段増幅器１１の前段に配置された第１の信号伝達手段である高周波ケーブル３２，３３および超伝導フィルタ１０の挿入損失は、極低温低雑音増幅装置全体の雑音指数を大きくする影響が一番大きいが、それらが挿入損失が小さい材料で作られることによって、装置全体の雑音指数を効果的に小さくすることができる。また、雑音指数にあまり影響のない第３の信号伝達手段である高周波ケーブル４２は熱伝導が小さい材料で作られているので、外部熱が出力コネクタ４１から熱遮断容器７１の中に流入するのを防止し、熱遮断容器の内部を安定的に低温に保ち、雑音指数を低く抑えるように作用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、入力コネクタと出力コネクタの間に極低温に冷却される初段増幅器と終段増幅器とを備えた極低温低雑音増幅装置に関するものである。

図６は、無線通信機などに利用される従来の高感度増幅装置の構成を簡略に示すブロック図である。この高感度増幅装置６１において、入力コネクタ１３１に印加された入力信号は、初段増幅器１１１によって増幅され、終段増幅器１２１に引き渡される。終段増幅器１２１は、受け取った増幅された信号をさらに増幅して出力コネクタ１４１から出力する。初段増幅器１１１および終段増幅器１２１には、電源供給コネクタ１５１を介して電源が供給されている。この場合、初段増幅器１１１および終段増幅器１２１の主要構成素子である増幅素子としては、低雑音特性（雑音指数が小さいという特性）のものを選択することにより、増幅素子単体の雑音指数を改良することができ、それにより高感度増幅装置全体の高感度特性を向上させている。

上述した雑音指数は、高感度増幅装置を評価する上で重要な要素であり、できるだけ小さいことが望まれ、例えば、マイクロ波の周波数領域のための低雑音増幅素子としてＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）などが用いられている。しかし、ＨＥＭＴなどの低雑音増幅素子を用いても、雑音指数は増幅を行う入力信号の周波数領域によって違いがあり、周波数領域によっては所望する雑音指数が得られないという問題が生じる。他方、増幅素子は一般的に高温で使用するよりも低温で使用する方が、雑音指数が小さくなるということが知られている。そこで、高感度増幅装置に適応する雑音指数を得るために、増幅素子を冷却して用いる冷却型の高感度増幅装置が既に提案されている。

図７は、上述の冷却型の高感度増幅装置である低温低雑音増幅装置の従来例の構成を簡略に示すブロック図である。この低温低雑音増幅装置６２においては、電源供給コネクタ１５１から電源供給をうける増幅器１１１，１２１が入力コネクタ１３１に印加される入力信号を増幅して出力コネクタ１４１に出力する。したがって、この機能は、図６の高感度増幅装置で６１の場合と同じである。しかし、図７の例においては、冷凍機１７３によって冷却される低温保持体１７２が増幅器１１１，１２１に接触するように配置されている。また、増幅器１１１，１２１、低温保持体１７２、および、コネクタ１３１，１４１，１５１の増幅器側は、熱遮断容器１７１の中に密封され、かつ、熱遮断容器１７１の中は真空排気装置（不図示）によって真空状態に保たれている。したがって、低温保持体１７２をはじめ熱遮断容器１７１の内部は安定的に低温に保たれている。

上述の例では信号処理のために内部に配置されているのは増幅器だけであるが、高周波信号を処理する高感度増幅装置の場合には高温超伝導材料からなる受信フィルタを備えているものがある。酸化物超伝導材料のような高温超伝導体は、臨界温度（絶対温度７０度程）以下で超伝導状態になる。そこで、これらの超伝導材料を用いて受信フィルタを作成し、低温低雑音増幅装置と組合せ、受信フィルタなどの必要な部分を臨界温度以下に保つようにすれば、受信フィルタなどを非常に低損失にすることができ、ひいては、装置全体の雑音指数を大幅に改良することができる。

図８は、上述のように低温低雑音増幅装置と、高温超伝導体を用いた受信フィルタとを組合せ、極低温低雑音増幅装置を構成した従来例を示すブロック図である。この極低温低雑音増幅装置６３は、図７の低温低雑音増幅装置６２の初段増幅装置１１１と、入力コネクタ１３１との間に超伝導フィルタ１１０を挿入した形で構成している。この例の場合、超伝導フィルタ１１０は、初段増幅装置１１１および終段増幅装置１２１とともに、低温保持体１７２に接するように配置され、臨界温度以下の予め設定された温度まで冷却されている。

図８で示される例において、入力コネクタ１３１に印加された高周波信号は、高周波ケーブル１３２を通過して超伝導フィルタ１１０によって通過周波数帯域の成分のみが通過させられ、高周波ケーブル１３３を通過して初段増幅器１１１によって増幅される。初段増幅器１１１によって増幅された高周波信号は、高周波ケーブル１４３を通過して終段増幅器１２１によって増幅され、高周波ケーブル１４２を通過して出力コネクタ１４１から出力される。したがって、図８の無線増幅装置６３は、入力された高周波信号を超伝導フィルタ１１０によって濾波することを除けば図７の低温低雑音増幅装置６２とほぼ同じ機能を有している。

図８の無線増幅装置６３を適切に作動させるためには、極低温低雑音増幅装置６３の各部を冷凍機１７３によって安定的に臨界温度以下に冷却保持しなければならず、冷凍機１７３の機能に対する信頼性を保つことが重要なことになる。熱遮断容器１７１に対し、外部から流入する熱量が増加すると、冷凍能力をより大きくする必要が生じ、冷凍機の大型化、重量化、電力多消費化につながりコスト高を招来する。

この発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、小型化、軽量化、省電力化、低価格化を実現できる高感度の極低温低雑音増幅装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、この本発明は、入力コネクタと出力コネクタの間に極低温に冷却される初段増幅器と終段増幅器とを備えた極低温低雑音増幅装置であって、前記入力コネクタと前記初段増幅器とを接続する、挿入損失が小さくなるように構成された入力接続部と、前記終段増幅器と前記出力コネクタとを接続する、熱伝導が小さくなるように構成された出力接続部とを備えることを特徴とする。

初段増幅器の前段に配置された第１の信号伝達手段の挿入損失は、極低温低雑音増幅装置全体の雑音指数を大きくする影響が一番大きい。その第１の信号伝達手段を挿入損失が小さい材料で作ることによって、極低温低雑音増幅装置全体の雑音指数を効果的に小さくすることができる。また、雑音指数にあまり影響のない第３の信号伝達手段を熱伝導が小さい材料で作っているので、外部熱が出力コネクタから熱遮断容器の中に流入するのを防止し、熱遮断容器の内部を安定的に低温に保ち、雑音指数を低く抑えるように作用させることができる。

発明の実施の形態においては、入力コネクタからの高周波信号を伝達する第１の信号伝達手段と、第１の信号伝達手段からの高周波信号を増幅する初段増幅器と、初段増幅器によって増幅された高周波信号を伝達する第２の信号伝達手段と、第２の信号伝達手段からの高周波信号を増幅する終段増幅器と、終段増幅器によって増幅された高周波信号を出力コネクタに伝達する第３の信号伝達手段と、初段増幅器および終段増幅器に電源供給を行う電源供給コネクタと、冷却手段によって極低温に冷却されるとともに、上述の各部のうち必要な部分を極低温に冷却保持する低温保持体と、外壁に前記入力コネクタ、出力コネクタ、電源供給コネクタを備えるとともに、第１，第２，第３の信号伝達手段、初段増幅器、終段増幅器、低温保持体を真空状態に密封する熱遮断容器とを有する極低温低雑音増幅装置において、第１の信号伝達手段は挿入損失が小さい材料で、第３の信号伝達手段は熱伝導が小さい材料でそれぞれ構成されている。

以上に詳述したように本発明によれば、極低温低雑音増幅装置の入力側の第１の信号伝達手段および出力側の第３の信号伝達手段について適切な材料を選択することにより、雑音指数を改良でき、冷却手段の冷却能力をあまり大きくする必要が無く、ひいては、小型化、軽量化、省電力化、低価格化を実現できる高感度の極低温低雑音増幅装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１および図２は、この発明の原理を説明するためのブロック図、図３は、この発明の極低温低雑音増幅装置の第１の実施の形態を示すブロック図、図４は、この発明の極低温低雑音増幅装置の第２の実施の形態を示すブロック図、図５は、この発明の極低温低雑音増幅装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。

まず、この発明の高感度の極低温低雑音増幅装置を実現させた原理について説明する。極低温低雑音増幅装置を図８の極低温低雑音増幅装置６３と同様に構成し、熱遮断容器１７１に流入する熱量を少なくさせ、かつ、雑音指数を大きくさせないように工夫することとする。ここで、２段構成の増幅装置が図１に示されるように、入力コネクタ１３１と出力コネクタ１４１との間に、利得Ｇ１および雑音指数Ｆ１をもった初段増幅手段Ｍ１と、利得Ｇ２および雑音指数Ｆ２をもった終段増幅手段Ｍ２とから構成されているものとする。図１の増幅装置は、全体として利得Ｇおよび雑音指数Ｆをもっているものとする。この場合、図１の増幅装置の雑音指数Ｆは、下記の式（１）によって表される。すなわち、
Ｆ＝Ｆ１＋（Ｆ２−１）／Ｇ１・・・・（１）

上記の式（１）から、２段構成の増幅装置において、雑音指数Ｆに大きな影響を与えるのは初段増幅手段Ｍ１の雑音指数Ｆ１だけであって、終段増幅手段Ｍ２の雑音指数Ｆ２は、ほとんど影響を与えないことが分かる。換言すれば、“増幅装置全体の雑音指数は、初段増幅手段の雑音指数が大きく影響し、初段増幅手段の利得が大きくなればなるほど終段増幅手段の雑音指数の影響は少なくなる”ということが言える。したがって、入力側は利得が大きく、かつ、雑音指数が小さい構成にし、初段増幅手段Ｍ１に入力される前の損失はできるだけ小さくすることが望ましく、他方、出力側は入力側の利得が大きいほど、終段増幅手段Ｍ２の雑音指数は影響を及ぼさない。

ここで、図８によって示された極低温低雑音増幅装置６３について、利得、損失、雑音指数のみに着目して等化的に表現すると図２のようなブロック図として表すことができる。減衰器Ｔ１は、図８の高周波ケーブル１３２と、超伝導フィルタ１１０と、高周波ケーブル１３３とを合成したもの（第１の信号伝達手段）を表している。減衰器Ｔ２は、高周波ケーブル１４３を表している（第２の信号伝達手段）。減衰器Ｔ３は、高周波ケーブル１４２を表している（第３の信号伝達手段）。図１の説明と、図２の表示とから、増幅装置全体の雑音指数に直接大きな影響を及ぼすのは、減衰器Ｔ１の損失と、初段増幅器１１１の雑音指数であり、超伝導フィルタ１１０が超電導体の特性を利用して低損失であることを考えれば、高周波ケーブル１３２，１３３の損失が大きい場合には、雑音指数を著しく劣化させてしまう。初段増幅器１１１より後段については、初段増幅器１１１の利得が高ければ高いほど雑音指数に対する影響は無いものと考えてよい。

図３は、上述したような原理に基づいて構成した極低温低雑音増幅装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。図３の極低温低雑音増幅装置１において、入力コネクタ３１に印加された高周波信号は、高周波ケーブル３２および超伝導フィルタ１０を通って濾波され、高周波ケーブル３３を通って初段増幅器１１に引き渡される。これらの高周波ケーブル３２，３３としては、セミリジットケーブルのように銅などの抵抗率の小さな（挿入損失の小さな）材料を用いて作られたケーブルを使用する。入力側は、外部熱の侵入よりも雑音指数を小さくすることが重要である。この場合、高周波ケーブル３２，３３の抵抗率をできるだけ小さくするためにケーブルの断面積はできるだけ大きくするのが好ましい。

初段増幅器１１によって増幅された高周波信号は、高周波ケーブル４３を通って終段増幅器２１に引き渡され、終段増幅器２１で増幅された高周波信号は高周波ケーブル４２を通って出力コネクタ４１から出力される。これらの高周波ケーブルのうち、高周波ケーブル４２は、熱伝導率の小さなモリブデンを材料とするケーブルを使用する。このことにより、出力コネクタ４１からの外部熱の流入を防止している。高周波ケーブル４３は、適宜な材料のケーブルでよいが、好ましくは、抵抗率の小さな材料を用いる。低温保持体７２は、冷凍機７３によって冷却されるとともに、超伝導フィルタ１０および増幅器１１，２１に接触するように配置されている。

熱遮断容器７１は、側壁などに入力コネクタ３１、出力コネクタ４１、電源供給コネクタ５１を備え、外部熱の流入を最小限にするとともに、高周波ケーブル３２，３３，４３，４２、超伝導フィルタ１０、増幅器１１，２１を密封し、外部熱の流入を遮断している。この場合、熱遮断容器７１の中は真空排気装置（不図示）によって真空状態に保たれている。したがって、冷凍機７３によって冷却される低温保持体７２をはじめ熱遮断容器７１の内部は安定的に低温に保たれている。なお、上述の例で高周波ケーブル３２，３２および高周波ケーブル４２の材料として使用することとした銅とモリブデンの特性値の比較を示すと、下記のごとくである。すなわち、

熱伝導率電気抵抗率
1) 銅４０３κ／（W・m−１・K−１）１．５５ ρ／（Ω・ｍ）
2) モリブデン１３９κ／（W・m−１・K−１）５．００ ρ／（Ω・ｍ）

となり、高周波ケーブルの材料の選択に関し、銅を用いる入力側は電気抵抗率が小さく、モリブデンを用いる出力側は熱伝導率が小さく、材料の選択が目的に合致していることが分かる。

図４は、この発明の極低温低雑音増幅装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。この極低温低雑音増幅装置２は、図３の極低温低雑音増幅装置１とほぼ同様な構成となっているが、入力コネクタ３１に印加された高周波信号が高周波ケーブル３２を経由しないで直接的に超伝導フィルタ１０に引き渡されるように構成されている点が異なっている。このように、入力コネクタ３１と超伝導フィルタ１０とを直接接続することにより、高周波ケーブル３２による損失を低減でき、ひいては、極低温低雑音増幅装置全体の雑音指数を改良することができる。

図５は、この発明の極低温低雑音増幅装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。この極低温低雑音増幅装置３は、図３の極低温低雑音増幅装置１とほぼ同様な構成となっているが、超伝導フィルタ１０と、増幅器１１，２１とが低雑音増幅モジュール７９として一体化されている点が図３の場合とは異なっている。このように、超伝導フィルタ１０と、増幅器１１，２１とを低雑音増幅モジュール７９の中に一体化したことにより、図３の場合に使用していた高周波ケーブル３３，４３が不要となり、その削除分だけ挿入損失を低減できる。高周波ケーブル３３，４３があった部分については、マイクロストリップラインなどで接続する方法が考えられる。また、その接続材料としては高温超伝導材料を使用するのが好ましい。

なお、上述の例においては、高周波ケーブルの材料のみに着目して説明したが、処理対象の信号が交流であるから、外部との接続を物理的に遮断するが電気的には接続するといった手段（カップリングコンデンサ）をとることも可能である。また、出力側としては、高周波ケーブルを長くすることも可能である。また、上述の例においては、超伝導フィルタを用いた例のみについて説明したが、超伝導フィルタを用いない増幅装置についても同じことが言える。さらに、これらの例では、増幅器は、２個であるとしているがそれ以上の場合にも同じ原理は適用できることは言うまでもない。

この発明の原理を説明するためのブロック図である。この発明の原理を説明するためのブロック図である。この発明の極低温低雑音増幅装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。この発明の極低温低雑音増幅装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。この発明の極低温低雑音増幅装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。無線通信機などに利用される従来の高感度増幅装置の構成を簡略に示すブロック図である。上述の冷却型の高感度増幅装置である低温低雑音増幅装置の従来例の構成を簡略に示すブロック図である。図７の低温低雑音増幅装置と、高温超伝導体を用いた受信フィルタとを組合せ、極低温低雑音増幅装置を構成した従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１，２，３極低温低雑音増幅装置、１０超伝導フィルタ、１１初段増幅器、２１終段増幅器、３１入力コネクタ、３２，３３，４２，４３高周波ケーブル、４１出力コネクタ、５１電源供給コネクタ、７１熱遮断容器、７２低温保持体、７３冷凍機、７９低雑音増幅モジュール。

Claims

入力コネクタと出力コネクタの間に極低温に冷却される初段増幅器と終段増幅器とを備えた極低温低雑音増幅装置であって、
前記入力コネクタと前記初段増幅器とを接続する、挿入損失が小さくなるように構成された入力接続部と、
前記終段増幅器と前記出力コネクタとを接続する、熱伝導が小さくなるように構成された出力接続部と
を備えることを特徴とする極低温低雑音増幅装置。