JP3895276B2 - 高感度無線受信装置に使用される高周波ユニット - Google Patents

高感度無線受信装置に使用される高周波ユニット Download PDF

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    • H04B7/0491Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas using two or more sectors, i.e. sector diversity

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば移動通信システムの基地局無線装置に適用され、帯域フィルタを冷却して、所望の高周波信号を受信する高感度無線受信装置に使用される高周波ユニットに関する。
【0002】
【従来の技術】
移動通信システムの複数セクタを有する基地局では、移動局からの送信信号を高い感度で受信するため、各セクタに複数のアンテナを設け、空間ダイバーシティ受信を行うことが提案されている。この場合、移動局からの送信信号を複数のアンテナで受け、かつ、高いC/N(搬送波対雑音比)を実現するため各セクタ内のそれぞれのアンテナからの受信高周波信号を極低温に冷却した帯域フィルタにより所望の特性のフィルタリング処理をし、それらの出力のうち、最もレベルの高い出力を選択し、受信機で復調する。
【0003】
これらの帯域フィルタに対する冷却が停止し、温度が上昇すると、帯域フィルタで生成される熱雑音が大きくなり、冷却により改善されていた雑音指数が著しく劣化し、結果として受信信号の劣化又は受信不能となる問題があった。とりわけ、帯域フィルタを超伝導フィルタにより構成する場合、冷却装置の障害により雑音指数の劣化はもとより、帯域フィルタの超伝導状態が維持できなくなると、すべてのセクタの帯域フィルタを1つの熱遮蔽函に収容して冷却装置により冷却した場合、帯域フィルタはフィルタとして機能しなくなるため、全セクタにおいて受信不能となる問題があった。また、各セクタごとに設けられた冷却装置によりそのセクタの複数のアンテナに接続された帯域フィルタを共通の冷却装置で冷却すれば、冷却装置の数はセクタ数だけでよいので経済的ではあるが、1つの冷却装置が故障すればそのセクタの受信は不能となってしまう。
【0004】
この問題を解決する構成が米国特許No.5828944に示されている。その構成を図1に示す。この米国特許によれば、図1に示すように、3つのセクタのそれぞれにアンテナが2つずつ設けられ、セクタ数と同じ数の熱遮蔽函81, 82, 83が設けられている。各熱遮蔽函には2つずつ超伝導帯域フィルタが収容されている。セクタSC1のアンテナ11, 12は異なる熱遮蔽函81, 83内の帯域フィルタ31, 32に接続され、セクタSC2のアンテナ13, 14は異なる熱遮蔽函81, 82内の帯域フィルタ33, 34に接続され、セクタSC3のアンテナ15, 16は異なる熱遮蔽函82, 83内の帯域フィルタ35, 36に接続されている。帯域フィルタ31, 32の出力はダイバーシチ受信機91に接続され、帯域フィルタ33, 34の出力はダイバーシチ受信機92に接続され、帯域フィルタ35, 36の出力はダイバーシチ受信機93に接続されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この構成によれば、例えばセクタSC1及びセクタSC2の帯域フィルタ31,33を収容する熱遮蔽函81が故障すれば、ダイバーシチ効果は得られなくなるが、これらのセクタに対応する他の帯域フィルタ32, 34はそれぞれ熱遮蔽函83, 82に収容されているので、受信が不能になることはない。この米国特許では受信高周波信号に対し超伝導帯域フィルタ31〜36により処理を行い、帯域フィルタの出力はそのまま熱遮蔽函の外に導出され、ダイバーシティ受信機91, 92, 93内で増幅される入力されるので、増幅時の熱雑音により受信高周波信号のC/Nが劣化する。
【0006】
超伝導帯域フィルタを使用した高感度無線受信装置においては、超伝導フィルタの冷却温度がある温度(臨界温度)以上となると超伝導状態ではなくなるためフィルタとしての性能が急激に劣化することから、その冷却装置には極めて信頼性の高いものが使用されている。しかし如何なる信頼性の高い冷却装置を用いても無故障ということはありえないため、冷却装置の経年劣化あるいは故障発生時の冷却温度の上昇による超伝導フィルタの急激な性能劣化に伴う高感度無線受信装置の受信動作が不能となる問題がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は高感度無線受信機に使用され、超伝導帯域フィルタの冷却に障害が生じても受信高周波信号を出力できる高周波ユニットを提供することである。
の発明による高周波ユニットは、
熱遮蔽函と、
上記熱遮蔽函内を冷却する冷却装置と、
上記熱遮蔽函内に収容され、臨界温度以下の超伝導状態で動作する超伝導帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続を有し、受信高周波信号を通す第1信号経路と、
少なくとも上記超伝導帯域フィルタの臨界温度以上で動作し、上記超伝導帯域フィルタとほぼ同じ通過周波数帯を有する常伝導帯域フィルタを含み、上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態でなくなると、上記第1信号経路を迂回して上記受信高周波信号を出力する第2信号経路、
を含むように構成される。
【0008】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、高感度無線受信装置において冷却装置に障害が発生した場合であっても、全セクタの受信劣化又は受信不能となる状態を回避することができる。
また、この発明の高周波ユニットによれば、温度上昇、故障等による超伝導フィルタの急激な性能劣化が発生した場合に、超伝導フィルタの入力及び出力インピーダンスの変化を利用することにより補助回路系へ受信信号を伝達することで、受信装置の動作不能を回避することが可能である。
【0009】
【発明の実施の形態】
第1関連
この発明に関連する高感度無線受信装置の第1関連例を図2に示す。図2は3セクタ構成の場合を示す。
高感度無線受信装置が適用される移動通信では、1つのセクタにおいて2本のアンテナを用いた空間ダイバーシチ構成により受信される。図2の例ではそのうち1本のアンテナを送信と受信に共用している。この高感度無線受信装置は、セクタSC1におけるアンテナ11からの受信信号を入力するアンテナ端子21と、アンテナ端子21より入力された受信高周波信号から所望の帯域の信号を選択する帯域フィルタ31の出力を所望のレベルまで低雑音にて増幅する低雑音増幅器41と、低雑音増幅器41で増幅された受信高周波信号を出力するための出力端子51とを備えている。高感度無線受信装置は、受信高周波信号がアンテナ端子21〜26に入力されるまでの損失を低減するために、屋外やアンテナ鉄塔の塔頂部近傍に設置されることが多い。
【0010】
また、アンテナ12からの受信高周波信号を入力するアンテナ端子22と、アンテナ端子22より入力された受信高周波信号から所望の帯域の信号を選択する帯域フィルタ32と、アンテナ端子22と帯域フィルタ32との間に、同じアンテナ12を送信と受信で共用するための送受共用器61とが設けられるとともに、帯域フィルタ32の出力を所望のレベルまで低雑音にて増幅する低雑音増幅器42と、低雑音増幅器42で増幅された受信高周波信号を出力するための出力端子52とが設けられている。送受共用器61は送信高周波信号を入力するための入力端子71を有している。
【0011】
ダイバーシチ受信における合成受信法として、例えば選択合成があり、出力端子51と52から出力される受信高周波信号に関して、受信強度情報に基づいて感度の良好な方の受信高周波信号がセレクタ20により選択されセクタ出力端子221から出力される。
セクタSC1と同様にセクタSC2においても、アンテナ13, 14、アンテナ端子23, 24、帯域フィルタ33, 34、送受共用器62、低雑音増幅器43, 44、出力端子53, 54、及び入力端子72を具備する。更にセクタSC3においてもセクタSC1と同様に、アンテナ15, 16、アンテナ端子25, 26、帯域フィルタ35, 36、送受共用器63、低雑音増幅器45, 46、出力端子55, 56、及び入力端子73を具備する。
セクタSC2、SC3においても出力端子53と54、出力端子55と56から出力される受信高周波信号がセレクタ20により選択されてセクタ出力端子212, 213から出力される。
【0012】
この関連例においては、帯域フィルタ31と低雑音増幅器41の直列接続は熱遮蔽函81に封入され、外部と断熱されるとともに冷却装置91により冷却される。これら帯域フィルタ31、低雑音増幅器41、熱遮蔽函81、冷却装置91は高周波ユニット501を構成している。帯域フィルタ32と低雑音増幅器42の直列接続も熱遮蔽函82に収納されており、冷却装置92により冷却される。これら帯域フィルタ32、低雑音増幅器42、熱遮蔽函82、冷却装置92は高周波ユニット502を構成している。以下同様に、帯域フィルタ33〜36と低雑音増幅器43〜46の直列接続はそれぞれ熱遮蔽函83〜86に収容され、それぞれ冷却装置93〜96により冷却される。これらはそれぞれ高周波ユニット503〜506を構成している。送受共用器61〜63及び高周波ユニット501〜506は筺体10に収納されている。
なお、図示していないが低雑音増幅器41〜46、並びに冷却装置91〜96にはそれぞれ動作電力が供給されている。
【0013】
送受共用器61〜63はその1つを例えば図3に示すように、方向性フィルタで構成される。この例ではアンテナ側からの受信高周波信号を受信側に通す帯域フィルタ6Aと、送信側からの送信高周波信号をアンテナ側に通す帯域フィルタ6Bと、これら両フィルタの各一端をアンテナ側に結合するための方向性結合回路6Cにより構成される。アンテナ側からの受信高周波信号は帯域フィルタ6Bで阻止されて送信側には伝達されず、また送信側からの送信高周波信号は帯域フィルタ6Aで阻止された受信側へは伝達されないため、1本のアンテナに送信側回路と受信側回路を接続することが可能である。
【0014】
熱遮蔽函81〜86は、例えば真空断熱により外部からの熱侵入を遮断する構造となっており、熱遮蔽函81〜86の内部に封入された帯域フィルタ31〜36、及び低雑音増幅器41〜46は冷却装置91〜96により、例えば数10K程度といった極めて低い温度に長時間安定して冷却される。冷却装置91〜96は、ヘリウムガス等の圧縮・膨張による熱交換サイクルを利用することにより数10Kといった極めて低い温度を長時間安定して維持できる極低温冷凍機で構成され、これらは市販の製品を利用することができる。
【0015】
このように、帯域フィルタ31〜36、及び低雑音増幅器41〜46を長時間安定して極低温に冷却することにより、帯域フィルタ31〜36、及び低雑音増幅器41〜46で発生する熱雑音を極限的に低減することができる。その結果、図2に示した高感度無線受信装置を用いることにより、低いレベルの受信信号に対しても例えば規定されたC/N(搬送波電力/雑音電力)の受信出力を得ることができ、かつ規定されたC/Nの受信出力を得るのに必要な送信側の送信電力が小さくて済む、等の効果を得ることができる。
【0016】
しかも、この関連例では、各アンテナに対応した帯域フィルタ3iと低雑音増幅器4iの直列接続は個別に設けられた冷却装置9i(i=1,2,...,6)により冷却されるので、どのセクタも、その2つのアンテナに対応する2つの冷却装置のいずれか一方が故障してその経路の帯域フィルタと低雑音増幅器の冷却ができなくなっても、他方の経路の帯域フィルタと低雑音増幅器により受信高周波信号を得ることができる。
【0017】
第2関連
図4はこの発明に関連する高感度無線受信装置の第2関連例を示す。この関連例では、筺体10内に2つの熱遮蔽函81, 82が設けられ、熱遮蔽函81内には超伝導帯域フィルタ31, 32, 33とそれらの出力に接続された低雑音増幅器41, 42, 43が収容されている。熱遮蔽函82内には帯域フィルタ34, 35, 36とそれらの出力に接続された低雑音増幅器44, 45, 46が収容されている。これらの低雑音増幅器41〜43、44〜46の出力は出力端子51〜53、54〜56を介して筺体10の外の図示してない3つのダイバーシチ増幅器に選択的に接続される。熱遮蔽函81, 82はそれぞれ冷却装置91, 92により内部が冷却されている。この関連例においては、3組の直列接続された帯域フィルタ31〜33と低雑音増幅器41〜43と、熱遮蔽函81と、冷却装置91は3つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函81と冷却装置91は共用されている。同様に、3組の直列接続された帯域フィルタ34〜36と低雑音増幅器44〜46と、熱遮蔽函82と、冷却装置92は3つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函82と冷却装置92は共用されている。
第1セクタの2つのアンテナ11, 12からの受信高周波信号は、アンテナ端子21, 22に与えられ、一方は直接、他方は送受共用器61を介して別々の熱遮蔽函81, 82に収容された帯域フィルタ31, 34に入力される。
【0018】
第2セクタについても同様であり、アンテナ13からの受信高周波信号は、アンテナ端子23を介して一方の熱遮蔽函81に収容された帯域フィルタ32に接続されており、アンテナ14はアンテナ端子24、送受共用器62を介して他方の熱遮蔽函82内の帯域フィルタ35に接続されている。更に、第3セクタについても同様であり、アンテナ15からの受信高周波信号は、端子23を介して一方の熱遮蔽函81に収容された帯域フィルタ33に接続されており、アンテナ14は端子26、送受共用器63を介して他方の熱遮蔽函82内の帯域フィルタ36に接続されている。
【0019】
このように、この第2関連例では帯域フィルタ31〜33、及び低雑音増幅器41〜43と、帯域フィルタ34〜36、及び低雑音増幅器44〜46との2組に分けられ、帯域フィルタ31〜33、及び低雑音増幅器41〜43は熱遮蔽函81に封入されると共に冷却装置91で冷却され、帯域フィルタ34〜36、及び低雑音増幅器44〜46は熱遮蔽函82に封入されると共に冷却装置92で冷却され、同一セクタにおける帯域フィルタ並びに低雑音増幅器からなる2つの受信経路が別個の冷却装置で冷却される。
【0020】
図4に示す各セクタの2つのアンテナを異なる熱遮蔽函81, 82の帯域フィルタに接続する接続例は一例であり、その他にも例えば図4においてアンテナ端子21, 22と帯域フィルタ31, 34の接続を入れ替えてもよいし、アンテナ端子23, 24と帯域フィルタ32, 35の接続を入れ替えてもよい。このような異なる接続の組み合わせは4通り可能である。このような構成をとることにより、図1の従来技術と同様に冷却装置91又は92の何れか一方に障害が発生して冷却不能となった場合でも、少なくとも各セクタにおいて一方の経路には影響しないので全セクタの受信劣化又は受信不能という事態は回避できる。しかも、この関連例においても各帯域フィルタとそれに接続された低雑音増幅器をともに熱遮蔽函内に収容して冷却するので、増幅器での熱雑音の発生も著しく削減でき、より品質の高い受信高周波信号を得ることができる。
【0021】
第3関連
図5にこの発明に関連する高感度無線受信装置の第3関連例を示す。この関連例では、筺体10内に3つの熱遮蔽函81, 82, 83と、それらに対する冷却装置91, 92, 93が設けられている。各セクタの2つのアンテナは図1の従来技術と同様にこれら3つの熱遮蔽函81, 82, 83のうちの異なる2つの帯域フィルタに接続されている。熱遮蔽函81には帯域フィルタ31, 32とそれらに接続された低雑音増幅器41, 42が収容され、熱遮蔽函82には帯域フィルタ33, 34とそれらに接続された低雑音増幅器43, 44が収容され、熱遮蔽函8には帯域フィルタ35, 36とそれらに接続された低雑音増幅器45, 46が収容されている。
【0022】
この関連例では2組の直列接続された帯域フィルタ31, 32と低雑音増幅器41, 42と、熱遮蔽函81と、冷却装置91は2つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函81と冷却装置91は共用されている。同様に、2組の直列接続された帯域フィルタ33, 34と低雑音増幅器43, 44と、熱遮蔽函82と、冷却装置92は2つの高周波ユニットを構成し、熱遮蔽函82と冷却装置92は共用されており、2組の直列接続された帯域フィルタ35, 36と低雑音増幅器45, 46と、熱遮蔽函83と、冷却装置93は2つの高周波ユニットを構成し、熱遮蔽函83と冷却装置93は共用されている。
【0023】
図5に示すアンテナ端子21〜26と帯域フィルタ31〜36の接続例は一例であり、各セクタの2つのアンテナを3つの熱遮蔽函のうちの異なる2つの熱遮蔽函内の帯域フィルタに接続する方法は8通りある。
このような構成をとることにより、図2及び4の関連例と同様に、冷却装置91、92又は93の何れかに障害が発生して冷却不能となった場合でも、少なくとも各セクタにおいて一方の経路には影響しないので全セクタの受信劣化又は受信不能という事態は回避される。
【0024】
なお、これまでは3セクタ構成の場合を例に説明してきたが、3セクタ構成以外においても同様に高感度無線受信装置を構成することができる。例えば、6セクタにおいても3セクタのときの考え方と全く同様にして構成することができる。例えば6セクタの場合では12本のアンテナが必要となり、組合せとしては12本のアンテナから全経路の帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続に対し、
(1) 図2の関連例のようにそれぞれ熱遮蔽函と冷却装置の組を設ける場合と、
(2) 図4の関連例のように熱遮蔽函と冷却装置の組を2つ設け、それぞれ帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続経路を6経路ずつ収容する場合と、
(3) 図5の関連例のように熱遮蔽函と冷却装置の組を3つ設け、それぞれ帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続経路を4経路ずつ収容する場合と、
(4) 図に示してないが、熱遮蔽函と冷却装置の組を4つ設け、それぞれ帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続経路を3経路ずつ収容する場合と、
(5) 熱遮蔽函と冷却装置の組を6つ設け、それぞれ帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続経路を2経路ずつ収容する場合、
とがある。それぞれの場合において、同一セクタの2経路の帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続が同一の熱遮蔽函に封入されて同一の冷却装置で冷却されないような構成をとればよいし、もちろん、小型かつ低消費電力の冷却装置を利用できる場合には、12経路のそれぞれに熱遮蔽函及び冷却装置を設けてもよい。
【0025】
上記の各関連例では、同一のセクタの2本のアンテナのうち、1本を送信と受信共用アンテナ、他の1本を受信用アンテナとして用いているが同一のセクタに3本以上のアンテナを設けて、そのうちの1本のアンテナを送信と受信共用とし、他の2本以上のアンテナを受信用とすることもでき、また、送受共用器を用いないで全てのアンテナを受信用とすることもできる。
【0026】
上述の各関連例において、帯域フィルタ31〜36は例えばマイクロストリップラインで構成され、そのマイクロストリップラインを構成するグランド層と信号線とが共に超伝導材料で構成することにより、帯域フィルタの損失を著しく小さくし、受信機の雑音指数を大幅に改善することができ、結果として受信機の感度を大幅に改善することができる。
【0027】
超伝導材料としては、例えばBi、Tl、Pb、又はY等を含む銅酸化物超伝導体が高温超伝導材料として知られており、これらは何れも使用可能である。高温超伝導体には超伝導状態が達成される臨界温度が100Kを越えるものもあり、このような超伝導体では、例えば液体窒素の沸点77.4K程度に冷却するだけで超伝導状態が得られるため、冷却装置9の冷却能力を緩和でき、より小型で、かつ安価な極低温冷凍機が使用可能となる。この結果、高感度無線受信装置を小型かつ安価に構成することができる。
しかしながら、帯域フィルタを常伝導材料で形成しても冷却することにより雑音指数を改善することができる。
【0028】
実施例
上述の各関連例においては、1つの冷却装置が故障しても対応するセクタの受信装置がすべて使用不能とならないようにしているが、冷却する帯域フィルタと低雑音増幅器の各組に対し、冷却装置が故障した場合においてもその経路の受信が可能であるように構成した高周波ユニットの実施例を以下に説明する。
図6の実施例は、例えば図2の関連例における熱遮蔽函81〜86の任意の1つに対し、何らかの障害により熱遮蔽函8内の温度が臨界点を超えた場合に、迂回経路で入力受信高周波信号に対し必要な帯域フィルタ処理と、増幅を行うように構成している。
【0029】
この実施例の高周波ユニットは、同軸ケーブル8a、同軸コネクタ8C1を経て入力された受信高周波信号から所望の帯域の信号を選択する超伝導帯域フィルタ3と、帯域フィルタ3の出力を所望のレベルまで低雑音で増幅する低雑音増幅器4と、低雑音増幅器4で増幅された受信高周波信号を出力する同軸ケーブル8b、同軸コネクタ8C2とを有する。この信号経路を第1信号経路SP1とする。超伝導帯域フィルタ3と低雑音増幅器4は、熱遮蔽函8内の冷却基板8S上に密着固定され、冷却基板8Sは冷却装置9により冷却される。
【0030】
更に、この実施例では、帯域フィルタ3と低雑音増幅器4の直列接続の入力側と出力側に出力選択回路11と結合器17がそれぞれ挿入されており、出力選択回路11からスイッチ素子13、帯域フィルタ15、低雑音増幅器16の直列接続を経由して結合器17に到る第2受信信号経路SP2が設けられている。
出力選択回路11により超伝導帯域フィルタ3と低雑音増幅器4の直列接続を通る第1信号経路SP1と、スイッチ素子13と常温帯域フィルタ15と低雑音増幅器16の直列接続を通る第2信号経路SP2とのいずれかが選択され、入力された受信高周波信号はその選択された信号経路を通して伝達される。常温帯域フィルタ15は超伝導帯域フィルタ3とほぼ同じ通過周波数帯域を有している。第1、第2信号経路SP1,SP2の出力側は結合器17により結合され、出力選択回路11により選択された信号経路からの信号が出力される。
【0031】
第1信号経路SP1の出力選択回路11と同軸コネクタ8C1との間にサーキュレータ12が挿入されており、出力選択回路11からの受信高周波信号はサーキュレータ12を通ってそのまま同軸コネクタ8C1に供給される。熱遮蔽函8の温度が臨界点より高くなって帯域フィルタ3のインピーダンスが変化し、その結果同軸ケーブル8C1との間にインピーダンス不整合が生じると、帯域フィルタ3に入力された受信高周波信号が反射され、サーキュレータ12を通してレベル検出器14に供給される。レベル検出器14は、予め決めたレベル以上の反射波を検出すると、スイッチ素子13をONに制御し、第2信号経路SP2を導通させる。
【0032】
図7は出力選択回路11の一例を示し、T字状のマイクロストリップ線路によって構成されている。O点は受信信号の入力端であり、S点はスイッチ素子13、T点は超伝導帯域フィルタ3の入力側にそれぞれ接続される。図中のL1,L2,L3はそれぞれ分岐点までの線路長を示す。L1は設置の状況により決定するものであるが、より信号の損失を小さくするという観点から、可能な限り短いことが望ましい。
【0033】
線路長L2,L3は次のように定める。図8はスミス・チャート上の帯域フィルタ3の入力インピーダンスの例を示している。A点は帯域フィルタ3が超伝導状態におけるインピーダンスを示し、超伝導状態では同軸ケーブル8aとインピーダンス整合がとれている。超伝導状態にない場合には帯域フィルタ3のインピーダンスはB点に移り、同軸ケーブル8aとインピーダンス不整合状態となる。帯域フィルタ3が超伝導状態にある場合、図7のS点へは信号を伝達させず、図7のT点へ信号を伝達させる必要がある。そのため、スイッチ素子13をOFFとすることによりS点のインピーダンスを不整合状態とし、R点のインピーダンスを無限大とするようにL3を設計することで、S点方向への信号伝達を阻止する。
【0034】
図9は帯域フィルタ3が超伝導状態の時の図7のO点からT点への信号伝達特性を示したものである。横軸は周波数で、中心が信号の周波数である。縦軸は伝達特性で、0dBの場合には無損失で伝達することを示し、−10dBの場合には信号が10分の1に減衰してしまうことを示す。このように超伝導状態にある場合には、O点からT点即ち入力端から帯域フィルタ3へ効率的に信号が伝達可能である。
一方、帯域フィルタ3が超伝導状態にない場合、信号を帯域フィルタ3に入力させず、図7のS点へ信号を伝達するためには、P点におけるインピーダンスを可能な限り無限大に近くする必要がある。そこで、図8のB点を基に、図7のP点においてインピーダンスが可能な限り無限大に近くなるようにL2を定める。なお、この時スイッチ素子13をONとすることによりS点ではインピーダンス整合はとれている。
【0035】
線路長L2を0からλ/2まで変化させたとき、線路L2の特性インピーダンスが、後続の超伝導フィルタ3の特性インピーダンスに等しいとすると、図7の点Pにおけるインピーダンスの軌跡は図8の点Bを通る円Qとなる。なお、λは出力選択回路11を作成する基板における、信号の中心周波数の波長である。実際、線路長L2を設計する際には、超伝導フィルタ3が超伝導状態にあった場合、出力選択回路11に入力された信号を有効に超伝導フィルタに伝達するために、図の点Pから点Tまでの線路の特性インピーダンスは超伝導フィルタの特性インピーダンスと同一にする。さて、この円Q上において、最もインピーダンスが無限大に近い点は点Iである。線路長L2は図7の点Pにおけるインピーダンスが図8の点Iとなるよう設定する。
【0036】
図10は線路長L2を上記のように設定した場合において帯域フィルタ3が超伝導状態にないときの図7の点Oから点Sへの信号伝達特性を示したもので、図9と同様に中心が信号の中心周波数である。このように超伝導状態にない場合においてはO点からS点へ、即ち第1信号経路SP1の帯域フィルタ3を回避して第2信号経路SP2の帯域フィルタ15へと信号を効率よく伝達することができる。
【0037】
図11に、スイッチ素子13としてMEMS RFスイッチを用いた場合の出力選択回路11の実施例を示す。図7に示した出力選択回路11との違いはL3が0となっている点である。これはMEMS RFスイッチの特性として、ON状態には物理的にスイッチ内の端子間を接続し、OFF状態には物理的にスイッチ内の端子間を非接続としているため、S”点におけるインピーダンスをMEMS RFスイッチがON状態の時は整合に、MEMS RFスイッチがOFF状態の時は解放にすることが可能なためである。L3が0となることから、図7による出力選択回路と比較して、より低損失に信号を帯域フィルタ15へと伝達することが可能となる。
【0038】
スイッチ素子13は、ON状態時にはインピーダンス整合をとりつつ信号を伝達し、OFF状態の時には信号を伝達せず、インピーダンスが不整合となるようなもの、例えばPINダイオードによるRFスイッチやMEMS (Microelectromechanical Systems)RFスイッチ(例えば、J.J.Yao and M.F.Chang: A Surface Micromachined Miniature Switch for Telecommunications Applications with Signal Frequencies from DC up to 4GHz, ibid, pp.384-387参照)を用いる。
【0039】
帯域フィルタ3の温度が臨界温度以上に上昇し、その結果、帯域フィルタ3で生じた反射波(不整合状態)がサーキュレータ12を通してレベル検出器14で検出されると、レベル検出器14はスイッチ素子13をONとし、出力選択回路11からの受信高周波信号は第2信号経路SP2を経由して結合器17に送られる。レベル検出器14で反射波が検出されない状態では、帯域フィルタ3は超伝導状態にあることを意味し、スイッチ素子13はOFFに保持されている。
【0040】
第2信号経路SP2の帯域フィルタ15及び低雑音増幅器16は、それぞれ冷却温度が臨界温度以上で動作可能なフィルタ及び冷却温度が臨界温度以上に上昇した状態で最も優れた性能を示すように設計された低雑音増幅器である。従って、冷却装置が故障した場合においても機能する。
【0041】
図6の実施例において、帯域フィルタ3の温度が臨界点を超えたことを検出し、スイッチ素子13をONにする手段として、図6に破線で示すように熱遮蔽函8内に温度検出素子18Sを設け、その検出温度を判定器18で臨界温度値と比較し、臨界温度以上であればスイッチ素子13をONとするように構成してもよい。図6に示した高周波ユニットの実施例は、図2、4及び5のいずれの高感度無線受信装置の関連例にも適用できる。ただし、図4及び5の関連例に適用する場合は、各熱遮蔽函8と冷却装置9の組が複数の高周波ユニットで共用されることになる。
【0042】
実施例
図12はこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。図6の実施例と異なる点は、出力選択回路11、スイッチ素子13、帯域フィルタ15、低雑音増幅器16、サーキュレータ12、及びレベル検出器14も熱遮蔽函8内に収容され、冷却装置9により冷却される点である。これにより、帯域フィルタ3が超伝導状態にある場合において、出力選択回路11及びサーキュレータ12で発生される熱雑音を低減することが可能である。
【0043】
実施例
図12の実施例において、第2信号経路SP2のスイッチ素子13、帯域フィルタ15、低雑音増幅器16を図13に示すように熱遮蔽函8の外に設けて、冷却しなくてもよい。図13の例では、超伝導状態の検出は、反射波の検出ではなく、熱遮蔽函8内に設けられた温度センサ18Sで検出した温度を判定器18で臨界点以上か否かを判定することにより行い、検出温度が臨界点以上であればスイッチ素子13をONに制御する場合を示している。
【0044】
実施例
図14にこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例では、図12の実施例における結合器17を熱遮蔽函8に収容して冷却するように構成されている。これにより、帯域フィルタ3が超伝導状態の時、結合器17で発生される熱雑音を低減することが可能である。また、結合器17を熱遮蔽函8に収容したために熱遮蔽函8に接続される同軸ケーブルの本数を減すことができ、これにより図12における同軸ケーブル8c及び同軸コネクタ8C3を介して外部から侵入する熱量を無くすことができ、装置の低消費電力化、小型化が可能となる。
なお、同軸コネクタとケーブルの数は増えるが、スイッチ素子13、帯域フィルタ15、低雑音増幅器16を熱遮蔽函8の外に配置し、冷却しなくても良い。
【0045】
実施例
図15はこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例は図14の実施例において、2つの低雑音増幅器4、16と結合器17の代わりに入力選択回路19と1つの低雑音増幅器4を設け、帯域フィルタ3と15のいずれかの出力を入力選択回路19により選択し、低雑音増幅器4に与えるように構成したものである。なお、低雑音増幅器4は冷却温度が臨界温度以上でも動作可能なものとする。
【0046】
図16は図15における入力選択回路19の構成例を示す。L4、L5、L6は線路長を示す。L4については前述のL1同様設置の状況により決定するが、より短いことが望ましい。L5、L6については図7及び8で説明したL2、L3の求め方と同様の手法を利用する。即ち、L6は帯域フィルタ3が超伝導状態にあり、スイッチ素子13がOFFとなっているのでS'点のインピーダンスが不整合となっている場合において、R'点のインピーダンスを無限大とするように定め、L5は帯域フィルタ3が超伝導状態にない場合にP'点のインピーダンスが無限大となるように定める。これにより、帯域フィルタ3が超伝導状態にある場合には、帯域フィルタ3から入力された信号を低雑音増幅器4へと出力し、超伝導状態にない場合には、帯域フィルタ15から出力された信号を低雑音増幅器4へと出力する。この入力選択回路21により、第2信号経路SP2に低雑音増幅器を設ける必要がないため受信装置の低消費電力化、小型化が可能となる。
【0047】
実施例
図17はこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例は、図15の実施例において帯域フィルタ15と入力選択回路19との間にスイッチ素子31を設け、レベル検出器14により帯域フィルタ3が超伝導状態でないことが検出されるとスイッチ素子13、21をONに制御するように構成されている。帯域フィルタ15と入力選択回路19の間にスイッチ素子31を挿入することにより、帯域フィルタ15としてどのようなフィルタを使用しても、図16のS'点のインピーダンスがスイッチ素子31により決定され、このインピーダンスを基に、帯域フィルタ3が超伝導状態においてR'点のインピーダンスを無限大とするようにL6を定めることができる。従って帯域フィルタ15としてどのようなものを使用しても、L6を新たに設計する必要がないため、図15の実施例と比較して帯域フィルタ15に対する汎用性が高い。なお、スイッチ素子31は、スイッチ素子13と同様に、レベル検出器14の出力により帯域フィルタ3が超伝導状態にある時にはOFF、超伝導状態にない時にはONとする。
【0048】
図18にスイッチ素子31としてMEMS RFスイッチを使用した場合の入力選択回路21の実施例を示す。図16による入力選択回路19と比較してL6が0となっている点が異なっている。これは図11における出力選択回路11の実施例の場合と同様に、スイッチ素子としてMEMS RFスイッチを使用することによる。L6を0とすることにより、より低損失で低雑音増幅器4へと信号を伝達することが可能である。
【0049】
前述した図6、12〜15、17の実施例においては、マイクロストリップ線路を用いて出力選択回路11及び入力選択回路19を構成したが、同様の特性を有するものであれば良く、例えば同軸ケーブル、ストリップ線路、集中定数回路によるものでも良い。図6、12〜15、17による高周波ユニットの各実施例は、図2、4及び5の高感度無線受信装置の関連例のいずれにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は従来技術による高感度無線受信装置の例を示すブロック図。
【図2】図2はこの発明に関連する高感度無線受信装置の第1関連例を示すブロック図。
【図3】図3は送受共用器の一例を示すブロック図。
【図4】図4は第の関連例を示すブロック図。
【図5】図5は第の関連例を示すブロック図。
【図6】図6はこの発明による高周波ユニットの第1実施例を示すブロック図。
【図7】図7は図6における出力選択回路の構成例を示す図。
【図8】図8は帯域フィルタ3の超伝導状態と非超伝導状態の場合の入力インピーダンスの例を示すスミス・チャート。
【図9】図9は帯域フィルタ3が超伝導状態での出力選択回路のO点からT点への信号伝達特性を示す図。
【図10】図10は帯域フィルタ3が超伝導状態にない場合の出力選択回路のO点からS点への信号伝達特性を示す図。
【図11】図11はスイッチ素子にMEMS RFスイッチを用いた場合の出力選択回路の構成例を示す図。
【図12】図12はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図13】図13はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図14】図14はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図15】図15はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図16】図16は図15の高周波ユニットに用いられる入力選択回路の構成例を示す図。
【図17】図17はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図18】図18はスイッチ素子にMEMS RFスイッチを用いた場合の入力選択回路の構成例を示す図。

Claims (11)

  1. 入力された受信高周波信号をフィルタリングし、増幅して出力する高周波ユニットにおいて、
    熱遮蔽函と、
    上記熱遮蔽函内を冷却する冷却装置と、
    上記熱遮蔽函内に収容され、臨界温度以下の超伝導状態で動作する超伝導帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続を有し、受信高周波信号を通す第1信号経路と、
    少なくとも上記超伝導帯域フィルタの臨界温度以上で動作し、上記超伝導帯域フィルタとほぼ同じ通過周波数帯を有する常伝導帯域フィルタを含み、上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態でなくなると、上記第1信号経路を迂回して上記受信高周波信号を出力する第2信号経路と、
    上記入力された受信高周波信号を上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態時には上記第1信号経路とインピーダンス整合して第1信号経路へ出力し、上記第2信号経路に対してはインピーダンス不整合状態として上記入力された受信高周波信号を遮断し、非超伝導状態時には上記第2信号経路とインピーダンス整合して上記入力された受信高周波信号を第2信号経路へ出力し、上記第1信号経路に対してはインピーダンス無限大として上記入力された受信高周波信号を遮断する分岐点を有するストリップラインで形成される出力選択回路と、
    を含み、
    上記ストリップラインは、T字状のストリップラインであり、その第1の端に上記受信高周波信号が入力され、第2の端は上記第1信号経路の入力側に接続され、第3の端は上記第2信号経路の入力側に接続され、上記T字状のストリップラインの分岐点から上記第1信号経路までの経路の特性インピーダンスは、上記臨界温度以下の超伝導状態で動作する超伝導帯域フィルタの特性インピーダンスと整合する値であり、上記分岐点から上記第1信号経路までの長さは、上記第1信号経路が非超伝導状態において上記分岐点から上記第1信号経路を見たインピーダンスが無限大に近くなるように選定され、上記分岐点から上記第2信号経路までの長さは0以上である。
  2. 請求項1に記載の高周波ユニットにおいて、上記第2信号経路には上記常伝導帯域フィルタの出力側に少なくとも臨界温度以上で動作する第2低雑音増幅器が直列接続して設けられ、上記高周波ユニットは更に上記第1信号経路の出力と上記第2信号経路の出力を結合し、上記受信高周波信号を出力する結合器を含んでいる。
  3. 請求項1に記載の高周波ユニットにおいて、上記第1信号経路の上記超伝導帯域フィルタと上記低雑音増幅器の間に、上記超伝導帯域フィルタの出力と上記常伝導帯域フィルタの出力のいずれかを上記低雑音増幅器に入力する入力選択回路が挿入されている。
  4. 請求項3に記載の高周波ユニットにおいて、上記常伝導帯域フィルタの出力側に上記第2信号経路に上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態ではOFFとされ、非超伝導状態ではONとされる信号経路出力スイッチ素子が挿入されている。
  5. 請求項2乃至4の何れかに記載の高周波ユニットは、上記第2信号経路において上記常伝導帯域フィルタの入力側に挿入された信号経路入力スイッチ素子と、上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態であるかを検出し、超伝導状態であれば上記信号経路入力スイッチ素子をOFFとし、超伝導状態でなければONとする検出手段を更に含む。
  6. 請求項1に記載の高周波ユニットにおいて、上記スイッチ素子は上記分岐点に形成されたMEMS RFスイッチである。
  7. 請求項5に記載の高周波ユニットにおいて、上記検出器は、超伝導状態でないときに上記超伝導帯域フィルタからの反射波を検出し、その検出出力により上記信号経路入力スイッチ素子をONとする手段である。
  8. 請求項5に記載の高周波ユニットにおいて、上記検出器は、上記熱遮蔽函内の温度を検出し、温度が臨界温度以上となると上記信号経路入力スイッチ素子をONとする手段である。
  9. 請求項1乃至4の何れかに記載の高周波ユニットにおいて、上記出力選択回路は上記熱遮蔽函の中に設けられている。
  10. 請求項1乃至4の何れかに記載の高周波ユニットにおいて、上記常伝導帯域フィルタは上記熱遮蔽函の中に設けられている。
  11. 請求項2に記載の高周波ユニットにおいて、上記結合器は上記熱遮蔽函の中に設けられている。
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