JP2017059884A - 断熱導波路及び無線通信装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1の実施形態は、断熱導波路に関する。第1の実施形態の断熱導波路は、真空容器における高温部と低温部との間の断熱導波路であって、高温部において、第1線路を備えた第1基板と、低温側において、第2線路を備えた第2基板と、各基板を接続する断熱部材であって、各線路を接続するインダクタンス成分を有する第3線路を備えた断熱部材と、を具備し、第1基板は前記第1線路と接続する第1キャパシタ部を備え、第2基板は前記第2線路と接続する第2キャパシタ部を備える。実施形態の断熱導波路では、第1線路を含む第1基板上の信号伝送線路を第1信号伝送線路とし、第2線路を含む第2基板上の信号伝送線路を第2信号伝送線路とし、第3線路を含む断熱部材上の信号伝送線路を第3信号伝送線路とする。第1信号伝送線路と第2信号伝送線路は、第3信号伝送線路で接続される。実施形態の断熱導波路では、第1信号伝送線路、第3信号伝送線路と第2信号伝送線路の有線をマイクロ波が伝送する。なお、実施形態では、10MHzから10GHzまでの周波数帯をマイクロ波とする。また、導波路の構造としては、マイクロストリップ線路の他に、ストリップ線路、コプレーナ線路といった多様な適した構造とすることができる。なお、下記複数の実施形態において、共通する説明については適宜省略する。
真空容器100は、少なくとも断熱導波路を収容する真空断熱の容器である。真空容器100は、断熱導波路が配置される空間内の温度と減圧状態を保つための容器である。真空容器100は、例えば、ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属部材で構成される。図示はしていないが、真空容器100内を減圧するためのポンプが真空容器100に接続され設けられている。真空容器100内には、図示しない帯域通過フィルタや低雑音信号増幅器等の回路素子が冷却器109で冷却された低温側に存在していてもよい。
第1線路101は、高周波信号を伝送し、高温側の第1基板103上に存在し、マイクロストリップ線路構造を有する配線である。第1線路101と第1パッチ電極105とが、第1信号伝送線路を構成する。第1線路101は、第1電極パッチ105を介して、第3信号伝送線路107と電気的に接続する。第1線路101は、金属配線であることが好ましい。金属配線としては、銅、金、銀、アルミニウムとニッケル等からなる群から選ばれる金属を少なくとも1種以上含むものが挙げられる。第1線路は、図示しない線路によって、例えば、真空容器100の外部の高温(常温)の部材と電気的に接続している。
第2線路102は、高周波信号を伝送し、低温側の第2基板104上に存在し、マイクロストリップ線路構造を有する配線である。第2線路102は、冷却器109で冷却されている。第2線路102と第2パッチ電極106とが、第2信号伝送線路を構成する。第2線路102は、第3信号伝送線路107と電気的に接続する。第2線路102は、常伝導体又は超伝導体を用いることが好ましい。常伝導体としは、第1配線101にて挙げた材料を用いることが好ましい。超伝導体としては、Y,Ba,Cu,La、Ta,Bi,Sr,CaとPb等からなる群から選ばれる元素を1種以上含む酸化物超伝導材料を用いることが好ましい。第2線路102は、例えば、冷却された図示しない帯域通過フィルタや低雑音信号増幅器など回路素子と電気的に接続する。
第1基板103は、第2基板104と空間を介して対向に配置された基板である。第1基板103の表面には、第1線路101と第1パッチ電極105が存在する。第1基板103の裏面には、グランド層110が存在する。第1基板103には、アルミナ等の誘電体基板を用いる。第1基板103は、マイクロ波領域での誘電損失の低い基板を用いることが好ましい。
第2基板104は、第1基板103と空間を介して対向に配置された基板である。低温側の第2基板104は、冷却器109で冷却されてなる。第2基板104の表面には、第2線路101と第2パッチ電極106が存在する。第2基板104の裏面には、グランド層111が存在する。第2線路102及び第2パッチ電極106が常伝導体である場合、第2基板104には、第1基板103と同様の誘電体基板を用いることが好ましい。第2線路102及び第2パッチ電極106が超伝導体である場合、第2基板104には、Al2O3、 MgO、LaALO3やSrTiO3等の超伝導材料に用いられる基板を用いることが好ましい。第2基板104は、マイクロ波領域での誘電損失の低い基板を用いることが好ましい。
第1パッチ電極105は、高周波信号を伝送し、高温側の第1基板103上に存在し、グランドとの間に第2キャパシタ部を形成するためパッチ形状を有する配線である。第1パッチ電極105は、第1線路101と電気的に接続している。第1パッチ電極105と第1グランド層110は、誘電体の第1基板101を挟むことで、第1キャパシタンス成分125を構成する。第1パッチ電極105は、第1線路101で挙げた材料を用いることが好ましく、第1線路101と同じ材料で構成されていることが好ましい。
第2パッチ電極106は、高周波信号を伝送し、低温側の第2基板104上に存在し、グランドとの間に第2キャパシタ部を形成するためパッチ形状を有する配線である。第2パッチ電極106は、第2線路102と電気的に接続している。第2パッチ電極106と第2グランド層111は、誘電体の第2基板102を挟むことで、第2キャパシタンス成分126を構成する。第2パッチ電極106は、第2線路102で挙げた常伝導又は超伝導材料を用いることが好ましく、第2線路102と同じ材料で構成されていることが好ましい。
第3線路107は、高周波信号を伝送し、第1断熱部材108上に存在する第3信号伝送線路となる細線である。細線である第3線路107は、第1インダクタンス成分127として動作する。第3線路107は、第1信号伝送線路と第2信号伝送線路と電気的に接続する。第3線路107は、第1線路101と第2線路102と電気的に接続する。実施形態では、高温側と低温側の基板を別基板に分けて、その基板間を第3信号伝送線路で接続することで、基板間の熱伝導を低減するものである。第1線路101は、金属配線であることが好ましい。金属配線としては、銅、金、銀、アルミニウムとニッケル等からなる群から選ばれる金属を少なくとも1種以上含むものが挙げられる。第3線路107を介して、高温側と低温側の間の熱移動を少なくするために、第3線路107の厚さは、50μm以下、より好ましくは、10μm以下であることが好ましい。
第1断熱部材108は、第3線路107を支持する断熱部材である。第3線路107は、低温側と高温側の断熱性のために、細線を用いているために、機械的強度が低い。そこで、第3線路107の機械的強度を補うために、第3線路107上に第1断熱部材108を設けることが好ましい。第1断熱部材108は、第1基板103の第1信号伝送線路が存在する表面上と、第2基板104の第2信号伝送線路が存在する表面上に存在し、第1基板103と第2基板104を接続する。第1断熱部材108は、熱伝導の低い部材であることが好ましい。第1断熱部材108としては、ガラスクロス積層体、ガラスポリイミド樹脂、ガラスエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの絶縁性で1W/(m・K)以下の熱伝導率の低い部材が用いられる。第1断熱部材108は、基板面、線路面、又は基板面及び線路面に設けられる。エポキシ系樹脂などの有機系接着剤、無機系接着剤やはんだ等を用いて、第1断熱部材108と基板面、パッチ電極面や線路面が接合されることが好ましい。
冷却器109は、低温側の第2基板104と熱的に接続し、第2基板104を冷却する。冷却器109による冷却と、断熱導波路の構造により、第2基板104の温度は、第1基板103の温度と比べて150K以上低いことが好ましい。例えば、高温超伝導体を第2線路102及び第2パッチ電極106に用いる場合、低温側は例えば77K以下となるため高温側(常温)との温度差が150K以上となるように、冷却を行う。断熱導波路の高い断熱性により、断熱性が優れない導波路に利用する冷却器よりも、冷却能力の低い冷却器109を用いることができるという利点がある。低温側の導電材料に超伝導材料を用いた場合や低温側が接続する部材(例えば、帯域通過フィルタ)を超伝導材料にする場合などは、冷却器109によって、これらの超伝導材料が超伝導状態になるまで冷却を行う。冷却器109は、具体的には、基板面と接続するコールドヘッドとコールドヘッドを冷却する冷凍機とで構成される。
第1グランド層110は、第1信号伝送線路のグランド配線である。第1グランド層110は、第1基板101の第1信号伝送線路が形成された面とは反対側の面に形成されている。第1グランド層110の配線形状は、例えば、第1基板103の裏面すべてをカバーするように形成される。また、第1グランド層110の配線形状は、形成する第1キャパシタ部の容量などを考慮して、設計される。第1グランド層110には、第1線路101や第1パッチ電極105と同様の導電材料が用いられる。
第2グランド層111は第2信号伝送線路のグランド配線である。第2グランド層111は、第2基板102の第2信号伝送線路が形成された面とは反対側の面に形成されている。第2グランド層111の配線形状は、例えば、第1基板104の裏面すべてをカバーするように形成される。また、第2グランド層111の配線形状を、形成する第2キャパシタ部の容量などを考慮して、設計される。第2グランド層111には、第2線路102や第2パッチ電極106と同様の導電材料が用いられる。
第2の実施形態は、断熱導波路に関する。図6に第2の実施形態の断熱導波路の断面概念図を示す。図6に示す第2の実施形態の断熱導波路は、第1の実施形態の断熱導波路の変形例であって、高温側の第1グランド側110と低温側のグランド層111を第4線路112を設けた第2断熱部材113を用いて接続する構造となっている。グランド側も断熱性のある線路で接続していること以外は、第2の実施形態の断熱導波路と、第1の実施形態の断熱導波路は、同様の構成であり、共通する構成の説明については、省略する。
第3の実施形態は、断熱導波路に関する。図7に第3実施形態の断熱導波路の斜視概念図を図8に断面概念図示す。第3の実施形態の断熱導波路は、高温側の第1基板103と、低温側の第2基板104と、第1基板102と第2基板104を接続する第1断熱部材108を第1断熱部材の材料で一体に構成し、グランド側も断熱性に優れた断熱性のある部材上に設けた第4線路112で接続した例となる。図7及び図8では、基板に第1断熱部材108の材料を用いているために、第1基板102、第2基板104を第1断熱部材108として、示しているが、材料以外の構成については、第3の実施形態と第1の実施形態の第1基板102、第2基板104は共通する。第1の実施形態の高温側と低温側の基板を第1断熱部材108で構成したこと、グランド側の第4線路112を設けた以外は、第2の実施形態の断熱導波路と、第1の実施形態の断熱導波路は、同様の構成であり、共通する構成の説明については、省略する。
第4実施形態は、断熱導波路に関する。図9に、第4の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示す斜視概念図を示す。第4の実施形態では、低域通過フィルタ構造を構成するキャパシタやインダクタにチップ部品を用いた場合について示す。図9の概念図の構成では、第1パッチ電極105と第2パッチ電極106が省かれ、第1線路101と、第2線路102が第3線路107と接続している。さらに、高温側の第1キャパシタ部として、第1線路101と接続した第1チップキャパシタ114が、低温側の第2キャパシタ部として、第2線路102と接続した第2チップキャパシタ115が設けられている。
第5の実施形態は、断熱導波路に関する。第5の実施形態の断熱導波路は、真空容器における高温部と低温部との間の断熱導波路であって、高温部において、第1線路を備えた第1基板と、低温側において、第2線路を備えた第2基板と、各基板を接続する断熱部材であって、各線路を接続するインダクタンス成分を有する第3線路を備えた断熱部材と、を具備し、第2基板は第2線路と接続する第2キャパシタ部、及び、第1インダクタを備え、又は、第1基板は第1線路と接続する第1キャパシタ部、及び、第2インダクタを備える。
第6の実施形態は、断熱導波路に関する。図12に第6の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示すブロック図を、図13に断面概念図を示す。第6の実施形態では、冷却装置を用いるマイクロ波受信システムに断熱導波路を適用した例を示す。第6実施形態では、複数の断熱導波路を含み、複数の断熱導波路はそれぞれ、帯域通過フィルタ及び低雑音増幅器に接続されてなる。図12及び図13に示す断熱導波路は、真空容器201外にアンテナなどと接続される信号入力ポート205と、信号処理回路や後段の低雑音増幅器と接続される出力ポート212と、真空容器201の外部と内部をつなぐ真空コネクタ206、211と、真空容器内の高温部202、204と、断熱導波路207、210と、低温部203に実装された、断熱導波路207と210の間の帯域通過フィルタ208と低雑音増幅器209からなり、それぞれの系を複数もつ構成となっている。断熱導波路207、210には、実施形態の断熱導波路が用いられる。低温部は、冷却器213で冷却される。断熱導波路207、210の冷却器213側と、帯域通過フィルタ208と、低雑音増幅器209は、冷却器213で冷却されて低温部となる。高温部側の断熱導波路207、210は、冷却されていない高温部側の支持基板214と215上に配置され、真空容器201外の高温(常温)の外部装置と接続する、
第7の実施形態は、無線通信装置に関する。実施形態の断熱導波路は、アンテナと接続される。図16に第7の実施形態に係る携帯電話用等の基地局装置に使われる無線通信装置の構成例のブロック図を示す。実施形態の無線通信装置は、複数のセクタで構成され、図16のブロック図では、例として、3セクタの例を示している。無線通信装置は、例えば120度で分割した3セクタの構成にて、受信ダイバーシチを用いた構成となっている。基本セクタとなる1セクタは、受信ダイバーシチ用の受信アンテナ317と送受共用アンテナ318の2系統で構成される。受信アンテナ317には、第6の実施形態で示した冷却器を用いた高感度受信機301(真空容器)が接続され、その出力部は、基地局装置321と接続される。高感度受信機301は、真空容器の外部と内部をつなぐ真空コネクタ305、310、311、316と、真空容器内の高温部302、304と、断熱導波路306、309、312、315と、低温部303に実装された、断熱導波路306と309の間及び断熱導波路312と315間の帯域通過フィルタ307と低雑音増幅器308及び帯域通過フィルタ313と低雑音増幅器314からなる。断熱導波路306、309、312、315には、実施形態の断熱導波路が用いられる。
第8の実施形態は、無線通信装置のうち、レーダ装置に関する。実施形態の断熱導波路は、アンテナと接続される。図17は、第8の実施形態の無線通信装置の全体構成を示すブロック図である。無線通信装置は、(a)から(n)までの複数のアンテナを有する。第8の実施形態の無線通信装置は、第6の実施形態で示した高感度受信機401(真空容器)を有する。無線通信装置は、分配器413(DIST)、各アンテナの送信用移相器416(φ)(以下、「送信用移相器416」と呼ぶ。)、各アンテナの電力増幅器415(以下、「電力増幅器415」と呼ぶ。)、各アンテナの送信用帯域通過フィルタ414(BPF)(以下、「送信用帯域通過フィルタ414」と呼ぶ。)、各アンテナの送受信切替器412(T/R SW)(以下、「送受信切替器412」と呼ぶ。)、各アンテナ部411(以下、「アンテナ部411」と呼ぶ。)、各リミッタ417(以下、「リミッタ417」と呼ぶ。)、各真空コネクタ405、410(以下、「真空コネクタ405、410」と呼ぶ。)と、各第1信号伝送断熱導波路406(以下、「第1信号伝送断熱導波路406」と呼ぶ。)と、各帯域通過フィルタ407(以下、「帯域通過フィルタ407」と呼ぶ。)と、各低雑音増幅器408(以下、「低雑音増幅器408」と呼ぶ。)と、各第2信号伝送断熱導波路409(以下、「第2信号伝送断熱導波路409」と呼ぶ。)と、各受信用移相器418(以下、「受信用移相器418」と呼ぶ。)、および合成器419(SYNTH)を有する。また、受信用帯域通過フィルタ407および低雑音増幅器408は、真空断熱容器内に配置され、冷却器等を用いて低温に冷やされる。第1信号伝送断熱導波路406および第2信号伝送断熱導波路409は、「断熱導波路」の一例である。
高感度受信機401の真空断熱容器内の高温部と低温部との接続には、高周波信号を伝送し、かつ低損失な入出力方法が望まれるが、本実施例の用に複数の入出力部が必要な場合、高周波ケーブル等を用いると熱侵入が大きくなりすぎ、冷却機構が大型化してしまう問題がある。そこで、本発明の断熱導波路を入出力部405、410の間に用いる。
Claims (14)
- 真空容器における高温部と低温部との間の断熱導波路であって、
前記高温部において、第1線路を備えた第1基板と、
前記低温側において、第2線路を備えた第2基板と、
前記各基板を接続する断熱部材であって、前記各線路を接続するインダクタンス成分を有する第3線路を備えた断熱部材と、を具備し、
前記第1基板は前記第1線路と接続する第1キャパシタ部を備え、
前記第2基板は前記第2線路と接続する第2キャパシタ部を備える断熱導波路。 - 前記第2基板の温度が前記第1基板の温度と比べて150K以下となるように前記第2基板は冷却されてなる請求項1に記載の断熱導波路。
- 前記第2線路の一部又は全部は超伝導材料で構成される請求項1又は2に記載の断熱導波路。
- 前記断熱部材は、ガラスクロス積層体、ガラスエポキシ樹脂、ガラスポリイミド樹脂、ポリイミド樹脂又はフッ素樹脂である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の断熱導波路。
- 前記第1キャパシタ部、前記第2キャパシタ部、及び、前記第3線路に含まれるインダクタンス成分とが第1の低域通過フィルタを構成してなる請求項1乃至4のいずれか1項に記載の断熱導波路。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の断熱導波路は、複数であり、
前記複数の断熱導波路は、それぞれ、帯域通過フィルタ及び低雑音増幅器に接続されてなる断熱導波路。 - 真空容器における高温部と低温部との間の断熱導波路であって、
前記高温部において、第1線路を備えた第1基板と、
前記低温側において、第2線路を備えた第2基板と、
前記各基板を接続する断熱部材であって、前記各線路を接続するインダクタンス成分を有する第3線路を備えた断熱部材と、を具備し、
前記第2基板は前記第2線路と接続する第2キャパシタ部、及び、第1インダクタを備え、
又は、
前記第1基板は前記第1線路と接続する第1キャパシタ部、及び、第2インダクタを備える断熱導波路。 - 前記第2基板の温度が前記第1基板の温度と比べて150K以下となるように前記第2基板は冷却されてなる請求項7に記載の断熱導波路。
- 前記第2線路の一部又は全部は超伝導材料で構成される請求項7又は8に記載の断熱導波路。
- 前記断熱部材は、ガラスクロス積層体、ガラスエポキシ樹脂、ガラスポリイミド樹脂、ポリイミド樹脂又はフッ素樹脂である請求項7乃至9のいずれか1項に記載の断熱導波路。
- 前記第1キャパシタ部、前記第2インダクタ、及び、前記第3線路に含まれるインダクタンス成分、
又は、
前記第1キャパシタ部、前記第2インダクタ及び前記第3線路に含まれるインダクタンス成分とが第2の低域通過フィルタを構成してなる請求項7乃至10のいずれか1項に記載の断熱導波路。 - 請求項7乃至11のいずれか1項に記載の断熱導波路は、複数であり、
前記複数の断熱導波路は、それぞれ、帯域通過フィルタ及び低雑音増幅器に接続されてなる断熱導波路。 - 前記請求項1乃至12のいずれか1項に記載の断熱導波路と、
前記断熱導波路と接続したアンテナとを備える無線通信装置。 - 前記無線通信装置は、基地局装置又はレーダ装置である請求項13に記載の無線通信装置。
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