JP4267324B2 - 超伝導フィルタ装置及び無線受信増幅装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は移動体通信の基地局に用いる超伝導フィルタ装置及び超伝導フィルタを備えた無線受信増幅装置に係り、特に、冷凍機の異常を速やかに検出することが可能な超伝導フィルタ装置及び超伝導フィルタを備えた無線受信増幅装置に関する。
背景技術
一般に、通信用フィルタで急峻な遮断特性を得るためにはフィルタの段数を大きくしなければならない。しかし、その分、通過帯域における損失が大きくなる問題が発生する。そこで、超伝導体が通常の金属に比べて抵抗が２〜３桁低いことに着目し、フィルタの導体として超伝導体を用いて通過帯域における損失を極力小さく抑えるようにした超伝導フィルタが実用化されている。かかる超伝導フィルタは、近年、移動帯通信における周波数の有効利用、加入者容量の増加、基地局カバーエリアの増大等を目的として注目を浴びている。超伝導フィルタの超伝導体材料として臨界温度（Ｔｃ）＝９０Ｋ程度のＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）が知られており、特性が安定するＴｃ＝７０Ｋ程度で使用されている。
図１８は超伝導フィルタを備えた従来の無線受信増幅装置の構成図である。超伝導フィルタ（ＳＣＦ）１と低雑音増幅器（ＬＮＡ）２はコールヘッド（冷却端）４上に固定され、真空容器３内に収容されている。コールヘッド４は冷凍機５により冷却されるようになっておリ、超伝導フィルタ１、低雑音増幅器２はこのコールヘッド４を介して冷凍機５により冷却されてＴｃ＝７０Ｋで動作するようになっている。真空容器３及び冷凍機５は屋外に設置できるように筐体６の中に配設され、筐体６及び真空容器３に設けた端子７ａ、７ｂ間並びに８ａ，８ｂ間は同軸ケーブル９ａ，９ｂにより接続され、又、端子７ｂ→超伝導フィルタ１→低雑音増幅器２→端子８ｂ間も同軸ケーブル９ｃにより接続されている。
超伝導フィルタ１は図１９（Ａ），（Ｂ）に示すように、厚さｔ＝０．５ｍｍのＭｇＯ基板１ａ上にフィルタ電極１ｂとｎ段（図ではｎ＝５）のλ／２共振器１ｃをＹＢＣＯ膜でパターニングし、アルミ合金パッケージ１ｄで密封した構成を備えている。パッケージ１ｄは電磁界の漏れを防ぎ、これにより均一にフィルタ基板１ａを冷却する。尚、図１９（Ａ）はパッケージの上蓋１ｅを取り除いた平面図、図１９（Ｂ）は（Ａ）におけるＡＡ断面図である。又、１ｆ，１ｇは同軸コネクタ、１ｈは厚さ０．４μｍのＹＢＣＯ膜で形成したグランドである。
真空容器内における電気接続構成は図２０に示すようになっており、例えば２系統の無線受信増幅装置が形成されている。超伝導フィルタ１，１′は７０Ｋの極低温に冷却されると所定の通過帯域特性を示し、入力端子７ｂ，７ｂ′から入力する受信信号に含まれる信号のうち該通過帯域成分を出力する。低雑音増幅器（ＬＮＡ）２，２′は超伝導フィルタ１，１′を通過した信号を増幅して出力端子８ｂ，８ｂ′より送出する。低雑音増幅器２，２′は図２１（Ａ），（Ｂ）に示すゲイン特性、雑音指数特性を備えている。実線は常温時（＝２３℃）、点線は７７Ｋの極低温時の特性であり、極低温にするとゲインが２ｄＢ程度上昇し、かつ、雑音指数（Ｎｏｉｚｅ Ｆｉｇｕｒｅ）が減小することがわかる。すなわち、低雑音増幅器２，２′は常温より極低温で使用する方が好ましい。
以上より、超伝導フィルタ１は真空容器３内に納められ、冷凍機５によってたとえばＴ＝７０Ｋといった極低温に冷却されて動作する。また、受信した信号を所定のレベルまで増幅する低雑音増幅器（ＬＮＡ）２も極低温化すると雑音指数を小さくできるので、超伝導フィルタ１と同時に冷却するのが一般的である。アンテナ（図示せず）により受信された信号はアンテナフィーダを介して入力端７ａから筐体６に入力され、同軸ケーブル９ａ，９ｃを伝播し、必要な周波数帯の信号だけが超伝導フィルタ１によって取り出され、低雑音増幅器２によって所定の信号レベルまで増幅され、出力端８ａから出力される。
移動体通信システムにおいて、図１８に示す無線受信装置はビルの屋上といった屋外に設置され、真夏などでは高温多湿の悪環境下に置かれる。このように非常に過酷な条件にありながら、無線受信装置は例えば数万時間といった長時間安定運転の信頼性が求められる。しかし、冷凍機５には多くの摺動部分が用いられるため、機械的に故障してしまう可能性がある。冷凍機５が故障すると、たとえばＴ＝７０Ｋに保たれていた温度が当然上昇してしまい、超伝導フィルタ１が本来の機能を果たせなくなり、通信不能という状態に陥ってしまう。そこで、冷凍機に故障が発生した場合、該故障を即座に検出して通報する機能あるいは故障を軽微の段階で検出して通報する機能が必要である。従来は真空容器内における温度を測定し、該温度が設定温度以上になったか監視することで冷凍機の異常を検出するものがあるが、装置が大がかりになり、重量も増加し、小型軽量化の要求にマッチしない問題がある。
以上より、本発明の目的は、冷凍機の障害を素早く、確実に検出でき、しかも、小型軽量化が可能な超伝導フィルタ装置や無線受信増幅装置を提供することである。
本発明の別の目的は、冷凍機の障害検出及び障害の程度を検出できる超伝導フィルタ装置及び無線受信増幅装置を提供することである。
本発明の別の目的は、冷凍機、低雑音増幅器のいずれに障害が発生したのか、あるいは両方に障害が発生したのかを確実に検出できるようにすることである。
発明の開示
本発明の超伝導フィルタ装置は、極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、該超伝導フィルタを極低温に冷却する冷凍機、前記通過帯域外のパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルに基づいて冷凍機の異常を判定する判定部を備えている。冷凍機に障害が発生して温度が上昇すると、超伝導フィルタの通過帯域が低周波側に移動し、パイロット信号周波数が超伝導フィルタの通過帯域内に入り、パイロット信号が超伝導フィルタを通過する。従って、超伝導フィルタから出力する信号にパイロット信号が含まれているか監視することにより冷凍機の異常を検出できる。本発明によれば以下の効果が期待できる。
（１）冷凍機の障害を素早く検出でき、しかも、超伝導フィルタ装置の小型軽量化が可能である。
（２）パイロット信号発生部を受信アンテナの近傍に設けることにより、例えば、パイロット信号放射アンテナを受信アンテナ近傍に設けることにより、損失なくパイロット信号を受信信号に挿入して超伝導フィルタに入力できる。
（３）アンテナフィーダ線にアイソレータを挿入することにより、パイロット信号が超伝導フィルタで反射されてもアンテナより空間に放射されないようでき、これにより他の通信系に干渉波とならないようにできる。
（４）超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルを検出し、該検出レベル波形に基づいて、例えば、レベル変化の割合に基づいて障害の程度を判断することができる。
（５）周波数の異なる２波のパイロット信号を発生して超伝導フィルタに入力し、判定部において各パイロット信号のレベルを検出し、それぞれの検出レベル波形に基づいて障害の程度を判断することもできる。
（６）超伝導フィルタに低雑音増幅器を接続し、該超伝導フィルタと低雑音増幅器をともに極低温に冷却することにより、超伝導フィルタを通過する信号を低雑音増幅器で増幅して出力する無線受信増幅装置を構成できる。
本発明の無線受信装置は、極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、超伝導フィルタより出力する信号を増幅する低雑音増幅器、該超伝導フィルタと低雑音増幅器を極低温に冷却する冷凍機、前記通過帯域外のパイロット信号を超伝導フィルタと低雑音増幅器の中間部に印加するパイロット信号印加手段、低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号のレベル低下を検出し、設定レベルまで低下したとき冷凍機の異常と判定し、該設定レベル以外のレベルまで低下した時低雑音増幅器の異常と判定する判定部を備えている。
冷凍機（超伝導フィルタ）及び低雑音増幅器がともに正常であれば、パイロット信号印加手段から印加されたパイロット信号の半分の電力部分は超伝導フィルタ方向に進み、残りの半分の電力に相当するパイロット信号部分は低雑音増幅器の方向に進む。超伝導フィルタが正常に動作してれば、パイロット信号は全て反射して低雑音増幅器方向に折り返され、結局パイロット信号の全電力が低雑音増幅器に入力する。一方、冷凍機の障害により温度が上昇するとパイロット信号は超伝導フィルタに吸収されて全て熱となり、低雑音増幅器に入力する電力は１／２になる。従って、冷凍機が正常時と障害時とでは低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号レベルが異なり、障害時には正常時より所定レベル低下する。以上より、低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号のレベル低下を監視し、所定レベルまで低下したとき冷凍機の異常と判定し、該所定レベル以外のレベルまで低下した時低雑音増幅器の異常と判定する。
又、別のパイロット信号を超伝導フィルタに入力し、低雑音増幅器から出力する信号に含まれる該パイロットの検出レベルに基づいて冷凍機の異常を検出する。このようにすれば、確実に冷凍機の障害を検出でき、しかも、超伝導フィルタと低雑音増幅器の中間部に印加したパイロット信号の受信レベル低下に基づいて、低雑音増幅器の異常を確実に判定することが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
（Ａ）第１実施例
（ａ）全体の構成
図１は本発明の無線受信増幅装置の構成図である。超伝導フィルタ（ＳＣＦ）１１と低雑音増幅器（ＬＮＡ）１２はコールヘッド（冷却端）１４上に固定され、真空容器１３内に収容されている。真空容器１３の中は真空に保たれ、外気温度は遮断されている。コールヘッド１４は冷凍機１５により冷却されるようになっており、超伝導フィルタ１１、低雑音増幅器１２はこのコールヘッド１４を介して冷凍機１５により冷却されてＴｃ＝７０Ｋで動作するようになっている。真空容器１３及び冷凍機１５は屋外に設置できるように筐体１６の中に配設され、筐体１６、真空容器１３の端子１７ａ、１７ｂ間並びに１８ａ，１８ｂ間は同軸ケーブル１９ａ，１９ｂにより接続され、又、端子１７ｂ→超伝導フィルタ１１→低雑音増幅器１２→端子１８ｂ間も同様に同軸ケーブル１９ｃにより接続されている。
筐体１６の入力端子１７ａにはアンテナフィーダ３１を介して受信アンテナ３２が接続され、該アンテナにより受信された信号は入力端子１７ａを介して超伝導フィルタ１１に入力する。又、パイロット信号発生部３３はパイロット信号を発生し、信号結合器３４を介して該パイロット信号をアンテナ受信信号に重畳する。従って、パイロット信号はアンテナ受信信号と共に超伝導フィルタに入力する。このパイロット信号の周波数ｆｃは、７０Ｋの超伝導フィルタ１１の通過帯域外の周波数である。
筐体１６の出力端子１８ａにはパイロット信号検出部２１が接続され、低雑音増幅器１２から出力する信号にパイロット信号が含まれているか監視すると共にそのレベルを検出するようになっている。パイロット信号検出部２１は、一部入力信号を取り込む方向結合器２１ａ、パイロット信号を通過する中心周波数ｆｃのバンドパスフィルタ２１ｂ、バンドパスフィルタ出力に基づいてパイロット信号レベルを検出するレベル検出部２１ｃを備えている。
（ｂ）本発明の原理
超伝導フィルタ１１は７０Ｋの極低温に冷却されると所定の通過特性Ｓ２１を示す。図２は超伝導フィルタ１１のＴ_０＝７０Ｋにおける通過特性例であり、１９５０ＭＨｚ〜１９７０ＭＨｚの通過帯域を有している。超伝導フィルタ１１は、臨界温度（Ｔｃ）以下で動作させるが、図３（Ａ）に示すように温度をＴ＝Ｔ_０→Ｔ_１→Ｔ_２（Ｔ_０＜Ｔ_１＜Ｔ_２）と上昇させると、フィルタ通過帯域の中心周波数ｆ_０がｆ_００→ｆ_０１→ｆ_０２と低くなり、又、挿入損失Ｌｏｓｓが大きくなり、その変化の割合は臨界温度Ｔｃに近づくほど大きくなる。このため、温度により超伝導フィルタ１１の通過特性Ｓ２１は、図３（Ｂ）に示すように変化する。実際は、超伝導フィルタ１１の直後に低雑音増幅器１２が接続されているため、該低雑音増幅器１２の利得（ｇａｉｎ）分だけ信号が増幅される結果、総合の通過特性は温度により図３（Ｃ）に示すように変化する。
そこで、Ｔ＝Ｔ_０（＝７０Ｋ）におけるフィルタ通過帯域外の周波数ｆｃを有するパイロット信号を超伝導フィルタ１１に入力しておく。ただし、パイロット信号の周波数ｆｃを通過帯域周波数より低くくなるように設定する。以上より、Ｔ＝Ｔ_０においてパイロット信号周波数ｆｃは超伝導フィルタ１１の通過帯域外であるので、パイロット信号Ｓｆｃはフィルタ部分で反射され、低雑音増幅器１２には入力されない。
しかし、冷凍機１５の障害等により温度Ｔが上昇すると、図３（Ｃ）に示すように超伝導フィルタ１１の通過帯域が低周波側にずれ始め、次第にパイロット周波数ｆｃをフィルタ１１の通過帯域に含むようになる。この結果、パイロット信号Ｓｆｃがフィルタ１１を通過し始める（時刻ｔ＝ｔ_１）。そして、温度がさらに上昇してパイロット周波数ｆｃが超伝導フィルタ１１の通過帯域に完全に入るまで（ｔ＝ｔ_２）、パイロット信号の通過量が漸増する。パイロット周波数ｆｃが通過帯域に完全に入ればパイロット信号の通過量はほぼ一定となり、さらに、温度が大きくなってパイロット周波数ｆｃが超伝導フィルタの減衰域に入り始めると（ｔ＝ｔ_３）、パイロット信号の通過量が漸減し、やがては完全に通過帯域外に入ると（ｔ＝ｔ_４）通過量は零になる。この結果、パイロット信号検出部２１に入力するパイロット信号レベルは時間の経過に応じて図４に示すような波形になる。
以上より、閾値レベルＬ_ＴＨを決めておき、これを上回れば、パイロット信号検出部２１は超伝導フィルタ１１の周波数特性（通過特性）が変化したと判定する。すなわち、パイロット信号検出部２１は検出レベルが閾値レベルＬ_ＴＨを越えれば、冷凍機１５が故障して温度上昇が発生したと判定し、アラーム信号ＡＬＭを出力する。
（ｃ）冷凍機故障検出
超伝導フィルタ１１および低雑音増幅器１２を冷却端１４に固定し、真空容器１３の中で真空に保ち、外気温度を遮断する。超伝導フィルタ１１は、たとえば、酸化マグネシウムＭｇＯ基板上にＴｃ＝９０ＫのＹＢＣＯ超伝導体で９段、通過域１９２０ＭＨｚ〜１９４０ＭＨｚのフィルタパターンを構成し、サイズ５０×５０×１５ｍｍ程度の金属パッケージに収めて均一に冷却する。動作温度Ｔ_０＝７０Ｋでは通過域の損失は０．１ｄＢ以下が実現できる。冷凍機１５には、図示しない外部から電源が供給され、図示しない駆動電源、温調機等によりフィルタ動作温度＝７０Ｋになるように駆動制御されている。これらはサイズ５００×５００×３００ｍｍ程度の筐体１６に収められ、ビルの屋上などの屋外に設置される。このため、真夏の昼間などは内部温度が６０℃〜８０℃になることもあり、冷凍機１５は過酷な条件に置かれても長時間安定運転することが求められている。
アンテナから受信された信号は、入力端１７ａから入力され、所望の周波数帯の信号だけが超伝導フィルタ１１を通過し、低雑音増幅器１２で増幅され、出力端１８ａから出力され、パイロット信号検出部２１を介して次段に送出される。ここで、フィルタ帯域外のパイロット信号（例えばｆｃ＝１９００ＭＨｚ）を受信信号に印加して入力端１７ａに入力させると、正常動作（Ｔ＝Ｔ_０）している場合は、図３（Ｃ）に示したように、パイロット周波数ｆｃはフィルタの通過帯域外であるので、フィルタ部分で反射される。この結果、パイロット信号Ｓｆｃは低雑音増幅器１２に入力せず、該低雑音増幅器の出力信号にも含まれない。
しかし、冷凍機１５が故障して、超伝導フィルタ部分の温度が上昇すると、周波数特性が低周波側にずれ始め、パイロット信号は超伝導フィルタ１１を通過し始める。通過したパイロット信号は低雑音増幅器１２で増幅され、パイロット信号検出部２１に送られる。パイロット信号検出部２１は、パイロット信号成分だけを取り出し、一定時間毎のパイロット信号レベルをサンプリングする。冷凍機１５が故障すると、図４に示した検出レベルの時間波形が得られるから、パイロット信号検出部２１は検出レベルが閾値を超えると冷凍機故障というアラーム信号ＡＬＭを出力する。
以上のように、冷凍機故障時、パイロット信号検出部２１は一定時間毎のパイロット信号検出レベルをサンプリングして記録するが（図４参照）、温度の上昇速度に応じて検出レベルの時間波形の立上り、立下がり時の変化度合や閾値Ｌ_ＴＨを越えている時間幅が異なる。すなわち、重度の冷凍機故障の場合には、温度上昇速度が大きくなり図５のＣａｓｅ Ｂに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりが急峻になり、閾値Ｌ_ＴＨを越えている時間幅が狭まくなる。一方、軽度の冷凍機故障の場合には、温度上昇速度が小さくなり図５のＣａｓｅ Ｃに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりが緩やかになり、閾値Ｌ_ＴＨを越えている時間幅が広くなる。また、中度の冷凍機故障の場合には、図５のＣａｓｅ Ａに示すように、検出レベルの時間波形の立上り、立下がりの傾斜及び閾値Ｌ_ＴＨを越えている時間幅はＣａｓｅ Ｂ，Ｃの中間になる。以上より、Ｃａｓｅ Ａ〜Ｃの波形を識別する機構をパイロット信号検出部２１に搭載すれば、冷凍機の故障の程度がわかる。すなわち、障害の程度を、Ｃａｓｅ Ｂ＝重度、Ｃａｓｅ Ｃ＝軽度、Ｃａｓｅ Ａ＝平均的といったように分類することができ、障害の程度に応じて作業員派遣の優先順位をつけることができたり、故障原因特定のフィードバックにも役に立たせることが可能となる。
（Ｂ）第２実施例
図６は本発明の第２実施例の構成図であり、パイロット信号をアンテナ受信信号に挿入する好ましい構成を備えており、図１の第１実施例と同一部分には同一符号を付している。
パイロット信号は、第１実施例のように結合器などを用いてアンテナ受信信号に印加することができるが、低雑音増幅器１２より前の損失が増加し、雑音指数（ＮＦ）が増加してしまい、低雑音増幅器１２を冷却した利点を生かしきれない。そこで、図６に示すように受信アンテナ３２の近傍にパイロット信号発生装置３３を設置する。パイロット信号発生装置３３は、超伝導フィルタ１１の通過帯域外の周波数ｆｃのパイロット信号を発生する発振器３３ａと、該パイロット信号を受信アンテナ３２に向けて放射する指向性アンテナ３３ｂを備えているから、該アンテナ３３ｂを受信アンテナ３２に向け、かつ接近して配置する。この状態で発振器３３ａを発振するとパイロット信号が受信アンテナ３２に向けて放射され、アンテナ３２はパイロット信号を移動局からの信号と共に受信しアンテナフィーダ３１を介して信号入力端子１７ａに入力する。この結果、結合器のように余分な損失を含むことなくパイロット信号を移動局からの受信信号に重畳して入力端子１７ａに入力することができ、雑音指数（ＮＦ）を増加させることなく冷凍器の異常を検出することができる。
（Ｃ）第３実施例
図７は本発明の第３実施例の構成図であり、アイソレータ３５を受信アンテナ３２と筐体１６の入力端子１７ａ間に設けた構成を備えている点を除けば図６の第２実施例と同一構成を備え、同一部分には同一符号を付している。
冷凍機１５が正常動作している場合、超伝導フィルタ１１の通過帯域外のパイロット信号はフィルタ部分でほぼ全反射され、反射されたパイロット信号が逆にアンテナ３２から放射される。このとき、アンテナ３２が指向性をもち、利得がある場合、反射された信号レベルが大きくなって放射され、他の通信系にとって干渉波となる場合がある。そこで、第３実施例ではアイソレータ３５をアンテナフィーダ３１中に挿入することにより、超伝導フィルタ１１から反射されてきたパイロット信号を遮断する。第３実施例によれば、反射パイロット信号がアンテナから放射されて他の通信に悪影響を与えることはない。
（Ｄ）第４実施例
図８は本発明の第４実施例の構成図であり、第１、第２の２つのパイロット信号をアンテナ受信信号に挿入する構成を備えており、図６の第２実施例と同一部分には同一符号を付している。受信アンテナ３２の近傍に配置したパイロット信号発生装置３３は、周波数ｆ_Ｃ１の第１のパイロット信号Ｓｆｃ_１を発生する発振器３３ｃ、周波数ｆ_Ｃ２（＞ｆ_Ｃ１）の第２のパイロット信号Ｓｆｃ_２を発生する発振器３３ｄ、第１、第２のパイロット信号Ｓｆｃ_１，Ｓｆｃ_２を合成する合成部３３ｅ、第１、第２のパイロット信号を受信アンテナ３２に向けて放射するアンテナ３３ｆを有している。
長時間使用により冷凍機の冷凍能力が低下すると（軽度な故障）、冷凍機周囲温度の上昇により超伝導フィルタ１１の動作温度はＴ_０（＝７０Ｋ）以上に上昇する。しかし、夜間になって冷凍機の周囲温度が室温程度まで下がると、超伝導フィルタ１１の動作温度はＴ_０まで戻って正常動作する。一方、重度の故障では超伝導フィルタ１１の動作温度はＴ_０（＝７０Ｋ）以上に上昇しっぱなしになり超伝導フィルタ１１は正常な動作をできなくなる。かかる故障の程度を検出できれば、故障程度に応じた対策を講じることが可能になる。
そこで、図９（Ａ）に示すように、Ｔ＝Ｔ_０の超伝導フィルタ１１の通過帯域外の周波数ｆ_Ｃ１，ｆ_Ｃ２をそれぞれ有する２波のパイロット信号Ｓｆｃ_１，Ｓｆｃ_２を受信信号と共に超伝導フィルタ１１に入力し、各パイロット信号Ｓｆｃ_１，Ｓｆｃ_２のレベルをパイロット信号検出部２１で検出して冷凍機障害の程度を判定する。
冷凍能力の一時的低下のように冷凍機の軽度な故障であれば、超伝導フィルタ１１の通過特性（周波数特性）は温度上昇により一旦低周波側にずれるが、正規の温度に戻るため通過特性も正規の特性に戻る。すなわち、一時的な温度上昇により超伝導フィルタ１１の通過特性は図９（Ｂ）の点線に示すようになり、しかる後、正規温度への復帰により実線の通過特性に戻る。このため、図１０（Ａ）に示すように、温度上昇時には、まず周波数ｆ_Ｃ２のパイロット信号Ｓｆｃ_２が検出され、ついで、周波数ｆ_Ｃ１のパイロット信号Ｓｆｃ_１が検出され、一方、温度復帰時には、まず、周波数ｆ_Ｃ１のパイロット信号Ｓｆｃ_１が検出されなくなり、ついで、周波数 ｆ_Ｃ２のパイロット信号Ｓｆｃ_２が検出されなくなる。尚、温度上昇がわずかであれば、超伝導フィルタ１１の通過特性は図９（Ｃ）の点線で示すようになり、周波数ｆ_Ｃ１のパイロット信号Ｓｆｃ_１は検出されず、パイロット信号Ｓｆｃ_２のみ検出されその検出レベル時間波形は図１０（Ｂ）のようになる。
一方、重度の故障であれば、超伝導フィルタ１１の通過特性（周波数特性）は温度上昇により図９（Ｄ）の点線に示すように、周波数ｆ_Ｃ１，ｆ_Ｃ２より低周波側にずれっぱなしになる。このため、図１０（Ｃ）に示すように、温度上昇時に、まず周波数ｆ_Ｃ２のパイロット信号Ｓｆｃ_２が検出され、ついで、周波数ｆ_Ｃ１のパイロット信号Ｓｆｃ_１が検出され、更に温度が上昇して、まず、周波数ｆ_Ｃ２のパイロット信号Ｓｆｃ_２が検出されなくなり、ついで、周波数ｆ_Ｃ１のパイロット信号Ｓｆｃ_１が検出されなくなる。
パイロット信号検出部２１は、パイロット信号Ｓｆｃ_１，Ｓｆｃ_２の成分を取り出し、一定時間毎の各パイロット信号レベルをサンプリングし、各パイロット信号の検出レベルの時間波形に基づいて障害の程度を検出する。このようにすれば、障害の程度に応じて作業員派遣の優先順位をつけることができたり、故障原因特定のフィードバックにも役に立たせることが可能となる。
（Ｅ）第５実施例
図１１は本発明の第５実施例の構成図であり、冷凍機の故障及び低雑音増幅器の故障を検出するもので、図１の第１実施例と同一部分には同一符号を付している。第５実施例では、超伝導フィルタ１１と低雑音増幅器１２の中間に方向結合器４１を設け、該方向結合器を介してパイロット信号発生装置４２から出力するパイロット信号を超伝導フィルタ１１の出力信号に重畳する。パイロット信号の周波数ｆ_Ｌは超伝導フィルタ１１の通過帯域外の周波数であり、例えばｆ_Ｌ＝２０００ＭＨｚである。方向結合器４１は図１２に示す構成を備え、パイロット信号発生装置（発振器）４２より出力するパイロット信号を超伝導フィルタ１１と低雑音増幅器１２の各方向に流し込むように結合する。
正常時、印加されたパイロット信号Ｓｆ_Ｌは低雑音増幅器１２で増幅され、アンテナ受信信号とともに出力端１８ａから出力される。パイロット信号検出部４３は、パイロット信号のレベルを検出し、該パイロット信号レベルに基づいて低雑音増幅器１２の異常をチェックする。すなわち、低雑音増幅器１２に故障が発生するとパイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルが低下するから該パイロット信号レベルに基づいて低雑音増幅器の異常をチェックする。
ところで、超伝導フィルタ１１に通過帯域外のパイロット信号を入力すると、超伝導フィルタ１１が正常動作していれば、図１３に示すようにリターンロス（Ｓ１１（Ｔ＝７０Ｋ）参照）がほぼ０ｄＢなので、図１４（Ａ）に示すようにパイロット信号は超伝導フィルタ１１で全反射する。しかし、冷凍機の故障で温度が臨界温度よりも大きくなって超伝導状態でなくなると、図１３に示すようにリターンロス（Ｓ１１（Ｔ＝３００Ｋ）参照））は、−１０ｄＢ〜−２０ｄＢとなる。このため、図１４（Ｂ）に示すようにパイロット信号は超伝導フィルタ１１で１０％〜１％しか反射されなくなり、残りの９０％〜９９％は超伝導フィルタ内に吸収されて熱となる。
以上より、超伝導フィルタ１１が正常動作している場合、パイロット信号は結合器４１から超伝導フィルタ１１に流れ込もうとしても、全反射されて低雑音増幅器１２側に流れ込み、パイロット信号の全電力が低雑音増幅器１２に流れ込む。しかし、冷凍機１５の故障で臨界温度よりも大きくなると、パイロット信号は反射されずに超伝導フィルタ１１に流れ込むため、低雑音増幅器１２に流れ込むパイロット信号電力は正常時の半分になる。すなわち、パイロット信号は結合器部４１で５：５に分離して超伝導フィルタ１１及び低雑音増幅器１２に流れるため、故障時、パイロット信号検出部４３におけるパイロット信号検出レベルは３ｄＢ分下がることになる。尚、温度上昇時に低雑音増幅器１２のゲインも低下するため、実際には該ゲイン低下分も含めて５ｄＢ程度レベルが低下する。このレベル低下分は、結合器及び低雑音増幅器の特性から既知の値となるから以後Ｌ_Ｄ（ｄＢ）とする。
パイロット信号検出部４３はパイロット信号レベルがＬ_Ｄ（ｄＢ）下がったか否かの判定を常時行っており、例えばＬ_Ｄ（ｄＢ）下がれば冷凍機１５に故障が発生したものとしてアラーム信号ＡＬＭを出力する。また、Ｌ_Ｄ（ｄＢ）より大きなレベル低下が発生すれば低雑音増幅器１２に障害が発生したものとしてアラーム信号を出力する。
（Ｆ）第６実施例
図１５は本発明の第６実施例の構成図であり、第２実施例と第５実施例を組み合わせ、冷凍機の故障及び低雑音増幅器の故障を精度良く検出できるようにしたもので、第２、第５実施例と同一部分には同一符号を付している。第６実施例はパイロット信号として、▲１▼パイロット信号発生部３２より発生する周波数ｆｃ（＝１９００ＭＨｚ）の冷凍機障害検出用のパイロット信号Ｓｆｃ、▲２▼パイロット信号発生部４２より発生する周波数ｆ_Ｌ（＝２０００ＭＨｚ）の低雑音増幅器障害検出用のパイロット信号Ｓｆ_Ｌを使用する。
アンテナ受信信号、周波数ｆｃのパイロット信号Ｓｆｃ、周波数ｆ_Ｌのパイロット信号Ｓｆ_Ｌはそれぞれ出力端子１８ａから出力し、周波数ｆｃのパイロット信号検出部２１および周波数ｆ_Ｌのパイロット信号検出部４３の順に通過する。それぞれの検出部２１，４３は周波数ｆｃ，ｆ_Ｌのパイロット信号レベルを検出して障害箇所判定部５１に入力し、障害箇所判定部５１は図１６に従って障害箇所を判定する。すなわち、障害箇所判定部５１は周波数ｆｃのパイロット信号Ｓｆｃを検出しなければ、冷凍機１５は正常であると判定し、周波数ｆｃのパイロット信号Ｓｆｃを検出すれば冷凍機１５に障害が発生したと判定する。また、障害箇所判定部５１は、（１）パイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルが正常であれば正常と判定し、（２）冷凍機が正常でパイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルがＬ_Ｄ（ｄＢ）低下すれば、低周波増幅器１２に障害が発生したと判定し、（３）冷凍機が正常でパイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルが任意ｄＢ低下すれば、低周波増幅器１２に障害が発生したと判定し、（４）冷凍機が異常でパイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルがＬ_Ｄ（ｄＢ）低下すれば、低周波増幅器１２は正常であると判定し、（４）冷凍機が異常でパイロット信号Ｓｆ_Ｌの検出レベルがＬ_Ｄ（ｄＢ）以上低下すれば、低周波増幅器１２も異常であると判定する。
以上より、第６実施例によれば、冷凍機が故障なのか、低雑音増幅器が故障なのか、両方故障なのかをより確実に検出でき、必要最低限の故障部品だけ交換すれば良いというメリットがある。特に、Ｌ_Ｄ（ｄＢ）下がった場合、たまたま低雑音増幅器が故障してＬ_Ｄ（ｄＢ）下がっただけなのか、冷凍機が故障してＬ_Ｄ（ｄＢ）下がったのか原因を特定できる。
（Ｇ）第７実施例
以上では低雑音増幅器１２を真空容器内に納めて超伝導フィルタ１１と一緒に冷却したが、各実施例において低雑音増幅器１２は必ずしも冷却する必要はなく、筐体１６の外部に設けることができる。図１７は第２実施例（図６参照）の低雑音増幅器１２を筐体１６の外部に配置した例であり、５０は超伝導フィルタ装置である。
以上本発明によれば、冷凍機の故障の有無、故障内容、故障の程度を判定、報告することができ、移動体通信の通信不能という状況を最小限に押えることができる。
また、本発明によれば、冷凍機の障害を素早く、確実に検出でき、しかも、ハードウェア手段としてパイロット信号挿入手段及びパイロット信号検出手段を必要とするだけでよいため超伝導フィルタ装置及び無線受信増幅装置の小型軽量化が可能である。
また、本発明によれば、冷凍機、低雑音増幅器のいずれに障害が発生したのか、あるいは両方に障害が発生したのかを確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の無線受信増幅装置の構成図である。
図２は超伝導フィルタの通過特性図である。
図３は超伝導フィルタの通過特性及び損失特性の温度依存性説明図である。
図４は温度上昇時におけるパイロット検出レベルの時間波形図である。
図５は冷凍機の故障程度とパイロット検出レベル時間波形との関係説明図である。
図６は本発明の第２実施例の構成図である。
図７は本発明の第３実施例の構成図である。
図８は本発明の第４実施例の構成図である。
図９は２波のパイロット信号を用いて冷凍機の故障程度を検出する場合の通過特性説明図である。
図１０は２波のパイロット信号を用いて冷凍機の故障程度を検出する場合の検出レベルの時間波形である。
図１１は本発明の第５実施例の構成図である。
図１２は方向結合器の構成、動作説明図である。
図１３は超伝導フィルタの極低温時と高温時における通過特性Ｓ２１／反射特性Ｓ１１の説明図である。
図１４は第５実施例の障害箇所検出原理説明図である。
図１５は本発明の第６実施例の構成図である。
図１６は各パイロット検出レベルと障害箇所の対応説明図表である。
図１７は低雑音増幅器を筐体の外部に配置した超伝導フィルタ装置の構成図である
図１８は超伝導フィルタを備えた従来の無線受信増幅装置の構成図である。
図１９は超伝導フィルタの説明図である。
図２０は真空容器内における電気接続構成図である。
図２１は低雑音増幅器のゲイン特性、雑音指数特性である。

Claims (9)

1. 超伝導フィルタ装置において、
   極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、
   該超伝導フィルタを極低温に冷却する冷凍機、
   前記通過帯域特性の通過帯域外であって低周波側の周波数を有するパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、
   超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号が設定レベル以上になったとき超伝導フィルタシステムの異常を判定する判定部、
   を備えたことを特徴とする超伝導フィルタ装置。
2. 前記パイロット信号発生部を受信アンテナの近傍に設けたことを特徴とする請求項１記載の超電導フィルタ装置。
3. 前記パイロット信号発生部はパイロット信号放射アンテナを備え、該放射アンテナを前記受信アンテナ近傍に設けた、
   ことを特徴とする請求項２記載の超伝導フィルタ装置。
4. アンテナフィーダ線にアイソレータが挿入された、
   ことを特徴とする請求項２記載の超伝導フィルタ装置。
5. 前記判定部は超伝導フィルタから出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルを検出し、該検出レベル波形に基づいて異常の程度を判断する、
   ことを特徴とする請求項１記載の超伝導フィルタ装置。
6. アンテナにより受信された信号のうち所定帯域の信号を増幅して出力する無線受信増幅装置において、
   極低温に冷却されたとき所定の通過帯域特性を示す超伝導フィルタ、
   超伝導フィルタより出力する信号を増幅する低雑音増幅器、
   該超伝導フィルタと低雑音増幅器を極低温に冷却する冷凍機、
   前記通過帯域特性の通過帯域外であって低周波側の周波数を有するパイロット信号を発生し、該パイロット信号を超伝導フィルタにアンテナ受信信号と共に入力するパイロット信号発生部、
   低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号が設定レベル以上になったとき超伝導フィルタシステムの異常を判定する判定部、
   を備えたことを特徴とする無線受信増幅装置。
7. 前記パイロット信号発生部はパイロット信号放射アンテナを備え、該放射アンテナを前記受信アンテナ近傍に設けた、
   ことを特徴とする請求項６記載の無線受信増幅装置。
8. アンテナフィーダ線にアイソレータが挿入された、
   ことを特徴とする請求項７記載の無線受信増幅装置。
9. 前記判定部は低雑音増幅器から出力する信号に含まれるパイロット信号のレベルを検出し、該検出レベル波形に基づいて異常の程度を判断する、
   ことを特徴とする請求項６記載の無線受信増幅装置。

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