JP3957997B2 - 高感度無線受信機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば移動通信、衛星通信や固定マイクロ波通信システムに用いられる無線受信機に関し、特に高周波受信部を冷却することによって受信感度の向上を図った、高感度無線受信機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に従来の無線受信機のブロック図を示す。
この従来の無線受信機は、受信アンテナ１と、受信アンテナ１から出力された信号から所望の受信帯域の信号を選択して通過させる受信帯域フィルタ２と、受信帯域フィルタ２の出力を所望のレベルまで低雑音で増幅する受信低雑音増幅器３と、受信低雑音増幅器３からの出力信号を出力する出力端子４とを備えている。
【０００３】
また、受信アンテナ１からの受信信号を受信帯域フィルタ２へ伝達するための給電線５と、受信低雑音増幅器３に電力を供給するための第１電源端子６が設けられ、受信帯域フィルタ２と受信低雑音増幅器３は筐体７内に収容されている。
無線受信機の性能を表す指標の一つに受信感度がある。受信感度が高いほど、低いレベルの受信信号に対しても規定されたＣ／Ｎ（搬送電力／雑音電力）の受信機出力を得ることができ、また、同じＣ／Ｎで受信機出力を得るための送信側の送信電力が小さくても良いことになる。受信信号のレベルが同じであれば雑音信号レベルが低いほどＣ／Ｎは大きくなるので、雑音レベルを低くすることにより受信感度を向上させることができる。受信感度には、受信アンテナに到来する地表放射雑音、太陽放射雑音、大気雑音、人工雑音などの外来雑音、および受信アンテナ、受信帯域フィルタ、受信低雑音増幅器などの受信機を構成する回路の各部で付加される受信機雑音が影響する。外来雑音は受信アンテナが設置される周囲環境と受信アンテナ自身の特性によって決まる。また、受信機雑音を低減するために、低損失かつ低雑音の回路が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の無線受信機では、アンテナビーム指向性利得がビーム中心方向のみでなく、例えば地表方向や天空方向にも存在することから、アンテナが地表放射雑音や太陽放射雑音を受信し、受信感度を劣化させる。更に、送信信号方向への指向性を強くしようとすると、アンテナ素子数を多くする必要があるため、アンテナが大きくなるという問題があった。
この発明は、アンテナを大型化することなく、高い受信感度をもった高感度無線受信機を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、受信アンテナからの受信信号は、受信アンテナに接続された給電線を介して受信帯域フィルタに通され、その受信帯域フィルタの出力が受信低雑音増幅器で増幅されて出力端子へ出力される無線受信機において、
請求項１に記載の発明は、受信アンテナを送信電波の到来方向に向けて間隙の開いた電磁波吸収手段で覆い、受信アンテナおよび電磁波吸収手段を熱遮蔽函に封入し、電磁波吸収手段を冷却部材を介して冷却手段にて冷却する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、受信帯域フィルタおよび受信低雑音増幅器を熱遮蔽函に封入し、冷却部材を介して冷却手段にて冷却する。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、受信アンテナを送信電波の到来方向に向けて間隙の開いた電磁波吸収手段で覆い、受信アンテナと電磁波吸収手段と受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器を熱遮蔽函に封入し、電磁波吸収手段と受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器を冷却部材を介して冷却手段にて冷却する。
請求項４に記載の発明は、請求項２乃至３の発明において、受信帯域フィルタを冷却手段によって冷却された温度で超電導状態となる超電導材料を用いて構成する。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４に記載の何れかの発明において、受信アンテナを冷却手段で冷却された温度で超電導状態となる超電導材料を用いて構成し、熱遮蔽函に封入し、冷却部材を介して冷却手段で冷却する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１に請求項１の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図を示す。図１０と対応する部分に同一番号を付けてある。
この実施例では、受信アンテナ１が一部に間隙１１ａの開いた電磁波吸収手段１１で覆われ、受信アンテナ１及び電磁波吸収手段１１が、例えば真空断熱により外部からの熱侵入を遮断する第１熱遮蔽函１２に封入されて、上記電磁波吸収手段１１を冷却部材１３ａを介して第１冷却手段１３にて、例えば数１０Ｋといった極めて低い温度を長時間安定して維持されている点が図１０と異なる。
【０００８】
第１冷却手段１３としては極低温冷凍機等があり、これらは市販の装置を利用することができる。このように、受信アンテナ１を送信装置の送信アンテナ、あるいは反射板等の送信電波の到来方向に向けて間隙１１ａの開いた電磁波吸収手段１１で覆い、冷却部材１３ａを介して第１冷却手段１３にて冷却することによって、受信アンテナ１外部の熱放射源から放射された電磁波エネルギーは、受信アンテナ１を覆う電磁波吸収手段１１で、熱エネルギーに変換・吸収され、吸収された熱エネルギーは第１冷却手段１３によって第１熱遮蔽函１２外部に排出される。
【０００９】
電磁波吸収手段１１に設けられた間隙１１ａを送信電波の到来方向に向けることによって、他方向からの熱放射源から放射された熱雑音を受信アンテナ１で受信することなく、所望の信号を低雑音で受信することが可能となる。
図２に電磁波吸収手段１１に入射した電磁波エネルギーの流れを示す。
電磁波吸収手段の表面（境界面）のインピーダンスの値を、自由空間におけるインピーダンスの値（３７６.７Ω）に近づけることにより、電磁波吸収手段表面における、電磁波エネルギーの反射を減少させることができる。また、反射されずに電磁波吸収手段内部に入射した電磁波エネルギーは、電磁波吸収手段が有する導電損失、誘電損失、磁性損失により減衰し、熱エネルギーに変換され、電磁波吸収手段に吸収される。電磁波吸収手段として使用される材料は、電磁波エネルギー吸収機構から、導電性損失材料、誘電性損失材料、磁性損失材料に分類される。
【００１０】
導電率σの導電性損失材料に電界が加えられると、導電電流が流れ、電磁波エネルギーは熱に変換される。このような導電性損失材料には、導電性繊維を布状に織り上げた布や、酸化インジウムすずを蒸着した誘電体シート等がある。
誘電性損失材料の場合、高周波領域では、媒質の複素誘電率は導電率と誘電率の虚部とから表される。従って、加えた電界より生じる誘電分散による吸収と、導電電流による吸収により電磁波エネルギーは熱に変換される。このような、吸収材料としてはカーボン粒子を混入したゴムシート、グラファイト含有発泡ポリスチロール、カーボン含有発泡ウレタン等がある。
【００１１】
誘電損失材料は、加えた電界により電波を吸収するのに対し、磁性損失材料においては加えた磁界により吸収する。この主の代表的な材料にはフェライトがある。フェライトの複素透磁率の実部と虚部の周波数特性は、図３のようになる。図３のＣ領域における虚部は、周波数が高くなるにつれて減少するため、整合する周波数帯が広くなる。この周波数帯は、数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚ帯に存在することから、テレビゴースト対策や電波暗室の吸収材料として利用されている。また、Ｄ領域は、数ＧＨｚから数１０ＧＨｚ帯に存在しており、レーダ虚像防止用吸収体として薄型の１層型電磁波吸収手段に利用されている。このようなマイクロ波帯で使用されるフェライトには、フェライト粉末をゴムのような非磁性材料に分散させた複合フェライトがあり、緩和現象がマイクロ波帯に存在する。しかし、一部の材料を除いては、一般に虚部は小さく、磁性損失による減衰があまり期待できないことから、特に高周波領域においては誘電損失材料との組み合わせによりその吸収効果を大きくしている。
以上のように、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換する電磁波吸収手段１１は、多種存在し、電磁波エネルギー吸収機構にて分類される。また、これらの電磁波吸収手段は、一般に市販されている。
【００１２】
図４に請求項２の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図を示す。
この実施例では、受信帯域フィルタ２および受信低雑音増幅器３を第２熱遮蔽函２１に封入し、第２冷却手段２２にて冷却している。受信帯域フィルタ２および受信低雑音増幅器３が発生する受信機雑音を低減できることから、大幅な高感度受信が可能となる。
【００１３】
図５に請求項３の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図を示す。
この実施例では、電磁波吸収手段１１、受信帯域フィルタ２、および受信低雑音増幅器３を第１熱遮蔽函１２に封入し、第１冷却手段１３で冷却する。受信アンテナ１と受信帯域フィルタ２間の給電線５を短くすることができるため、更なる受信感度の改善が実現できる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項２、３の発明において、受信帯域フィルタ２を超電導材料を用いて構成する。
受信帯域フィルタ２の構造としては、例えば誘電体基板上の超電導成膜でパターンを形成したマイクロストリップライン形フィルタや、空洞共振器形フィルタ、誘電体共振器形フィルタ、半同軸形フィルタ等が用いられ、いずれも電極が超電導材料で構成される。このように受信帯域フィルタ２を超電導材料で構成することにより、回路損失が著しく低減されるため、低い挿入損失で非常に急峻なフィルタ特性が実現でき、受信感度や周波数選択度の大幅な改善が実現できる。このように受信帯域フィルタ２及び受信低雑音増幅器３を長時間安定して極低温に冷却することにより、受信帯域フィルタ２および受信低雑音増幅器３で発生する受信機雑音を極限的に低減するとともに、受信帯域フィルタ２の挿入損失を小さくすることができる。その結果、受信機の雑音指数は大幅に改善され、受信感度が大幅に改善される。
【００１５】
請求項５の発明は、請求項１乃至４の何れかの発明において、受信アンテナ１を超電導材料を用いて構成する。
例えばアンテナ放射素子の構造としては、背面に地板を有するマイクロストリップアンテナや、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、ヘリカルアンテナ等が用いられる。いずれも超電導材料で構成される。このように受信アンテナ１を超電導材料で構成することにより、回路損失が著しく低減されるため、低損失の受信アンテナ１を実現でき、受信感度の大幅な改善が実現できる。
【００１６】
図６、７、および８に請求項４の発明の第１、第２および第３の実施例における高感度無線受信機のブロック図を示す。
第１、第２および第３の実施例とも、受信アンテナ１が超電導材料で構成され、冷却部材１３ａを介して、第１冷却手段１３にて冷却している点が請求項１の実施例、請求項２の実施例および請求項３の実施例とは異なる。例えば、受信アンテナ１として、超電導材料を用いて構成されたマイクロストリップアンテナを使用した場合の、具体的な構成例を図９に示す。マイクロストリップアンテナは、地板１ｃ及び地板と平行に置かれた放射板（ストリップライン１ａ）で構成される。通常は放射板を保持するために、放射板と地板間に誘電体１ｂなどが挿入される。従って、地板、放射板及び誘電体を、例えば止めビス等で冷却部材１３ａに固定することによって、超電導材料で構成される地板および放射板は、冷却部材１３ａを介して第１冷却手段１３で極低温に冷却される。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば受信アンテナを送信電波の到来方向に向けて間隙を設けた電磁波吸収手段で覆い、電磁波吸収手段を冷却手段で冷却することで外部からの熱雑音を低減し、受信アンテナを大型化することなく、高い受信感度を実現できる。受信帯域フィルタおよび受信低雑音増幅器を冷却手段で冷却することで、受信帯域フィルタおよび受信低雑音増幅器が発生する熱雑音を低減できることから、高い受信感度が得られる。また、受信帯域フィルタや受信アンテナを超電導材料で構成することにより、雑音レベルを極限的に低減することが可能となり、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る、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すむ、等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図２】電磁波吸収手段に入射した電磁波エネルギーの流れを示す図。
【図３】一般的なフェライトの複素比透磁率の周波数特性を示すグラフ。
【図４】請求項２の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図５】請求項３の発明の実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図６】請求項５の発明の第１実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図７】請求項５の発明の第２実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図８】請求項５の発明の第３実施例における高感度無線受信機のブロック図。
【図９】超電導マイクロストリップアンテナの構成例を示す図。
【図１０】従来の無線受信機のブロック図。
【符号の説明】
１ 受信アンテナ
２ 受信帯域フィルタ
３ 受信低雑音増幅器
５ 給電線
７ 第２筺体
１５ 第１筺体
１１ 電磁波吸収手段
１２ 第１熱遮蔽函
１３ 第１冷却手段
２１ 第２熱遮蔽函
２２ 第２冷却手段

Claims (5)

1. 受信アンテナと、受信アンテナで受信された信号を所望の周波数帯域の信号にろ波するための受信帯域フィルタと、受信帯域フィルタの出力を増幅する受信低雑音増幅器を有する無線受信機において、
   受信アンテナ全体を覆い、受信アンテナに到来する電磁波エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換する、送信電波の到来方向に向けて間隙の開いた電磁波吸収手段と、
   電磁波吸収手段を封入する、一部に電磁波エネルギー透過窓を有する第１の熱遮蔽函と、
   電磁波吸収手段を冷却部材を介して冷却し、電磁波吸収手段の熱エネルギーを第１の熱遮蔽函の外部に排出する第１の冷却手段と、
   を備えたことを特徴とする無線受信機。
2. 請求項１に記載の無線受信機において、
   受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器を封入する第２の熱遮蔽函と、
   受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器を冷却するための第２の冷却手段と、
   を備えたことを特徴とする無線受信機。
3. 受信アンテナと、受信アンテナで受信された信号を所望の周波数帯域の信号にろ波するための受信帯域フィルタと、受信帯域フィルタの出力を増幅する受信低雑音増幅器を有する無線受信機において、
   受信アンテナ全体を覆い、受信アンテナに到来する電磁波エネルギーを吸収して熱エネルギーに変換する、送信電波の到来方向に向けて間隙の開いた電磁波吸収手段を有し、
   電磁波吸収手段と受信帯域フィルタと受信低雑音増幅器を封入する、一部に電磁波エネルギー透過窓を有する第１の熱遮蔽函と、
   電磁波吸収手段を冷却部材を介して冷却し、電磁波吸収手段の熱エネルギーを第１の熱遮蔽函の外部に排出する第１の冷却手段と、
   を備えたことを特徴とする無線受信機。
4. 請求項２又は３に記載の無線受信機において、
   受信帯域フィルタは、冷却手段で冷却された温度で超電導状態となる超電導材料で構成すること
   を特徴とする無線受信機。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の無線受信機において、
   受信アンテナは、冷却手段で冷却された温度で超電導状態となる超電導材料により構成すること
   を特徴とする無線受信機。

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