WO2002027962A1

WO2002027962A1 - Dispositif de reception sans fil a haute sensibilite et unite haute frequence utilisee dans celui-ci

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Publication number: WO2002027962A1
Application number: PCT/JP2001/008621
Authority: WO
Inventors: Shoichi Narahashi; Kunihiro Kawai; Kei Satoh; Toshio Nojima
Original assignee: Ntt Docomo, Inc.
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2002-04-04
Also published as: CN1237731C; JPWO2002027962A1; CN1393064A; KR20020072539A; EP1233537A4; EP1233537A1; US20020173343A1; EP1233537B1; JP3895276B2; DE60133264D1; DE60133264T2; US6963758B2

Description

明細書

高感度無線受信装置及びそれに使用される高周波ュニット技術分野

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及びそれに使用される高周波ュニッ卜に関する。

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 ZN (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。

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、帯域フィル夕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。

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 8 ,， 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 S C 1のアンテナ 1い 1 ₂は異なる熱遮蔽函 8 ,, 8₃内の帯域フィルタ 3 , , 3₂に接続され、セクタ S C 2のアンテナ 1 ₃, 1 ₄は異なる熱遮蔽函 8 ,， 8₂内の帯域フィルタ 3₃, 3₄に接続され、セクタ S C 3のアンテナ 1 ₅, 1 ₆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 3 _t， 3₂の出力はダイバーシチ受信機 9 ,に接続され、帯域フィルタ 3₃, 3 ₄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の出力はダィバーシチ受信機 9 ₃に接続されている。

この構成によれば、例えばセクタ S C 1及びセクタ S C 2の帯域フィルタ 3い 3₃を収容する熱遮蔽函 8 ,が故障すれば、ダイパ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 S ^ S eにより処理を行い、帯域フィル夕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 9 ,, 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 ZNが劣化する。

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。

この発明の目的は複数の冷却装置の 1つが故障しても受信不能とならず、しかも雑音指数の優れた高感度無線受信装置を提供することである。この発明のもう 1つの目的は、上記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ュニットを提供することである。

発明の開示この発明によれば、複数セクタのそれぞれに少なくとも 2本ずつ設けられたァンテナからの信号を受信する高感度無線受信装置は、

複数の熱遮蔽函と、

上記複数の熱遮蔽函の内部をそれぞれ冷却する複数の冷却装置と、

各上記熱遮蔽函に収容され、それぞれ決められた周波数帯域の受信高周波信号を取り出す複数の帯域フイルクと、各セクタの上記少なくとも 2本のアンテナはそれぞれ上記複数の熱遮蔽函のうちの異なる熱遮蔽函内の上記帯域フィルタに接続されており、

各上記熱遮蔽函に収容され、上記複数の帯域フィルタの出力にそれぞれ直列接続され、上記受信高周波信号を増幅して出力する低雑音増幅器、

とを含むように構成され、上記帯域フィルタと低雑音増幅器の各直列接続と、その直列接続を収容する上記熱遮蔽函と、上記直列接続を冷却する上記冷却装置の組は高周波ュニットを構成している。

この発明による高周波ュニットは、

熱遮蔽函と、

上記熱遮蔽函內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。図面の簡単な説明

図 1は従来技術による高感度無線受信装置の例を示すプロック図。

図 2はこの発明による高感度無線受信装置の第 1実施例を示すプロック図。図 3は送受共用器の一例を示すプロック図。図 4はこの発明の第 2の実施例を示すプロック図。

図 5はこの発明の第 3実施例を示すプロック図。

図 6はこの発明による高周波ュニットの実施例を示すブロック図。

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 1 0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 1 1はスィッチ素子に M E M S R Fスィッチを用いた場合の出力選択回路の構成例を示す図。

図 1 2はこの発明による高周波ュニットの他の構成例を示す図。

図 1 3はこの発明による高周波ュニットの他の構成例を示す図。

図 1 4はこの発明による高周波ュニッ卜の他の構成例を示す図。

図 1 5はこの発明による高周波ュニットの他の構成例を示す図。

図 1 6は図 1 5の高周波ュニットに用いられる入力選択回路の構成例を示す図。

図 1 7はこの発明による高周波ュニットの他の構成例を示す図。

図 1 8はスィッチ素子に M E M S R Fスィッチを用いた場合の入力選択回路の構成例を示す図。発明を実施するための最良の形態

第 1実施例

この発明による従来の高感度無線受信装置の実施例を図 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 S C 1におけるアンテナ 1 ,からの受信信号を入力するアンテナ端子 2 ,と、アンテナ端子 2 ,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 3 ,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 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ための出力端子 5 ,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 2 , 〜2 ₆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。

また、アンテナ 1 ₂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 1 ₂を送信と受信で共用するための送受共用器 6 ,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 6 ,は送信高周波信号を入力するための入力端子 7 , を有している。

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 5 ,と 5 ₂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 2 0により選択されセクタ出力端子 22,から出力される。

セクタ S C 1 と同様にセクタ S C 2においても、アンテナ 1 ₃. 1 ₄、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 S C 3においてもセクタ S C 1と同様に、アンテナ 1 ₅, 1 ₆、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 S C 2、 S C 3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 2 0により選択されてセクタ出力端子 21₂. 21₃から出力される。

この実施例においては、帯域フィルタ 3 ,と低雑音増幅器 4 ,の直列接続は熱遮蔽函 8 ,に封入され、外部と断熱されるとともに冷却装置 9,により冷却される。これら帯域フィルタ 3ぃ低雑音増幅器 4ぃ熱遮蔽函 8,、冷却装置 9,は高周波ュニット 50,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ュニット 50₃~50_βを構成している。送受共用器 6 ,〜 6₃及び高周波ュニット 50,〜50₆は筐体 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 4,〜4₆、並びに冷却装置

にはそれぞれ動作電力が供給されている。

送受共用器 6,~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 6 Α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 6 B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 6 C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 6 B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 6 A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。

熱遮蔽函 8,~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 8,~8₆の内部に封入された帯域フィルタ 3,〜3₆、及び低雑音増幅器 4,〜4₆は冷却装置 9,〜9₆により、例えば数 1 0K程度といつ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 9,〜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 1 OKといつ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。

このように、帯域フィルタ β, β^ 及び低雑音増幅器 Ai e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 3,〜3₆、及び低雑音増幅器 4, 〜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 CZN (搬送波電カノ雑音電力）の受信出力を得ることができ、かつ規定された CZN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。

しかも、この実施例では、各アンテナに対応した帯域フィルタ 3,と低雑音増幅器 4 iの直列接続は個別に設けられた冷却装置 9 i(i = l, 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つても、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。第 2実施例

図 4はこの発明による高感度無線受信装置の第 2実施例を示す。この実施例では、筐体 10内に 2つの熱遮蔽函 8,， 8₂が設けられ、熱遮蔽函 8t内には超伝導帯域フィルタ 3,， 3₂, 3₃とそれらの出力に接続された低雑音増幅器 4,. 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 4,〜4₃、 4₄〜4₆の出力は出力端子 5,〜5₃、 5₄〜5₆を介して筐体 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 8ぃ 8₂はそれぞれ冷却装置 9ぃ 9₂により内部が冷却されている。この実施例においては、 3組の直列接続された帯域フィルタ Si Ssと低雑音増幅器 4 ,~4₃と、熱遮蔽函 8,と、冷却装置 9,は 3つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函 8,と冷却装置 9,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つの高周波ュ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 1い 1₂からの受信高周波信号は、アンテナ端子 2L 2₂に与えられ、一方は直接、他方は送受共用器 6,を介して別々の熱遮蔽函 8 , , 8 ₂に収容された帯域フィルタ 3 ,， 3₄に入力される。

第 2セクタについても同様であり、アンテナ 1 ₃からの受信高周波信号は、ァンテナ端子 2 ₃を介して一方の熱遮蔽函 8 ,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 1 ₄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 1 ₅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 8 ,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 1 ₄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。

このように、この第 2実施例では帯域フィルタ 3 ,〜3₃、及び低雑音増幅器 4 , 〜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 3 ,〜 3₃、及び低雑音増幅器 4 ,〜4₃は熱遮蔽函 8 ,に封入されると共に冷却装置 9 ,で冷却され、帯域フィルタ 3₄〜3₆、及び低雑音増幅器 4₄〜4 _β 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。

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 8 , , 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 2 ,. 2₂と帯域フィルタ 3ぃ 3₄の接続を入れ替えてもよいし、アンテナ端子 2 ₃. 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 9 ,又は 9 ₂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、この実施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。第 3実施例図 5にこの発明による高感度無線受信装置の第 3実施例を示す。この実施例では、筐体 1 0内に 3つの熱遮蔽函 8 , , 8₂, 8₃と、それらに対する冷却装置 9 , , 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 8ぃ 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 8 !には帯域フィルタ 3ぃ 3₂とそれらに接続された低雑音増幅器 4 , . 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には帯域フィル夕 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。

この実施例では 2組の直列接続された帯域フィルタ 3い 3₂と低雑音増幅器 4 ,. 4₂と、熱遮蔽函 8 ,と、冷却装置 9 ,は 2つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函 8 ,と冷却装置 9 ,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つの高周波ュニットを構成し、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, 3 _β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。

図 5に示すアンテナ端子 2 ,〜 2₆と帯域フィルタ 3 , 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の実施例と同様に、冷却装置 9 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。

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 c 例えば 6セクタの場合では 1 2本のアンテナが必要となり、組合せとしては 1 2 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の実施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の実施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の実施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、 1 2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。上記の各実施例では、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。

上述の各実施例において、帯域フィルタ β , β β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。

超伝導材料としては、例えば Bi、 T l、 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. 4Κ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。第 4実施例

上述の各実施例においては、 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ュ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の実施例における熱遮蔽函 8 i〜 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。

この実施例の高周波ユニットは、同軸ケーブル 8 a、同軸コネクタ 8 C1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 8 b、同軸コネクタ 8 C2とを有する。この信号経路を第 1信号経路 S P 1 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 8 S上に密着固定され、冷却基板 8 Sは冷却装置 9により冷却される。

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 1 1 と結合器 1 7がそれぞれ挿入されており、出力選択回路 1 1からスィツチ素子 1 3、帯域フィルタ 1 5、低雑音増幅器 1 6の直列接続を経由して結合器 1 7に到る第 2受信信号経路 S P 2が設けられている。出力選択回路 1 1 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 S P 1 と、スィッチ素子 1 3と常温帯域フィルタ 1 5と低雑音増幅器 1 6の直列接続を通る第 2信号経路 S P 2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 1 5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 S P 1 , S P 2の出力側は結合器 1 7により結合され、出力選択回路 1 1により選択された信号経路からの信号が出力される。

第 1信号経路 S P 1の出力選択回路 1 1 と同軸コネクタ 8 C1 との間にサ一キュレータ 1 2が揷入されており、出力選択回路 1 1からの受信高周波信号はサーキユレ一夕 1 2を通ってそのまま同軸コネクタ 8 C1 に供給される。熱遮蔽函 8 の温度が臨界点より高くなつて帯域フィルタ 3のインピーダンスが変化し、その結果同軸ケーブル 8 C1 との間にィ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、サーキュレ一タ 1 2を通してレべル検出器 1 4に供給される。レベル検出器 1 4は、予め決めたレベル以上の反射波を検出すると、スィツチ素子 1 3を O Nに制御し、第 2信号経路 S P 2を導通させる。

図 7は出力選択回路 1 1の一例を示し、 T字状のマイクロストリップ線路によつて構成されている。 O点は受信信号の入力端であり、 S点はスィッチ素子 1 3、 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 L 1 , L 2 , L 3はそれぞれ分岐点までの線路長を示す。 L 1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。

線路長 L 2 , L 3は次のように定める。図 8はスミス ' チヤ一ト上の帯域フィルタ 3の入カ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ィンピーダンスを示し、超伝導状態では同軸ケーブル 8 aとインピ一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のインピ一ダンスは B点に移り、同軸ケーブル 8 aとィ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、スィッチ素子 1 3を O F F とすることにより S点のィンピーダンスを不整合状態とし、 R点のィンピーダンスを無限大とするように L 3を設計することで、 S点方向への信号伝達を阻止する。

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、 O dBの場合には無損失で伝達することを示し、一 1 0 dBの場合には信号が 1 0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 L 2を定める。なお、この時スィツチ素子 1 3を O Nとすることにより S点ではィンピーダンス整合はとれている。

線路長 L 2を 0から / i /2まで変化させたとき、線路 L 2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、は出力選択回路 1 1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 L 2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 1 1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 8の点 Pから点 Tまでの線路の特性ィンピ一ダンスは超伝導フィルタの特性ィ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 L 2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。

図 1 0は線路長 L 2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 0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 S P 1の帯域フィルタ 3を回避して第 2信号経路 S P 2の帯域フィルタ 1 5へと信号を効率よく伝達することができる。

図 1 1に、スィツチ素子 1 3として M E M S R Fスィツチを用いた場合の出力選択回路 1 1の実施例を示す。図 7に示した出力選択回路 1 1との違いは L 3 が 0となっている点である。これは M E M S R Fスィッチの特性として、 O N 状態には物理的にスィツチ内の端子間を接続し、 O F F状態には物理的にスィ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 MEM S RFスィッチが ON状態の時は整合に、 MEMS RFスィッチが OFF状態の時は解放にすることが可能なためである。 L 3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。

スィツチ素子 1 3は、 ON状態時にはィンピ一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 P I Nダイオードによる RFスィツチや MEMS

(Microelectromechanical Systems) R Fスィッチ（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。

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）がサーキユレータ 1 2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はスィッチ素子 1 3を ONとし、出力選択回路 1 1からの受信高周波信号は第 2信号経路 S P 2を経由して結合器 1 7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、スィツチ素子 1 3は OFFに保持されている。

第 2信号経路 S P 2の帯域フィルタ 1 5及び低雑音増幅器 1 6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。

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、スィツチ素子 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 1 8 Sを設け、その檢出温度を判定器 1 8で臨界温度値と比較し、臨界温度以上であればスィツチ素子 1 3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実施例にも適用できる。ただし、図 4及び 5の実施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ュニットで共用されることになる。

第 5実施例

図 1 2はこの発明による高周波ュ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 1 1、スィツチ素子 1 3、帯域フィルタ 1 5、低雑音増幅器 1 6、サーキユレータ 1 2、及びレベル検出器 1 4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 1 1及ぴサーキュレータ 1 2で発生される熱雑音を低減することが可能である。

第 6実施例

図 1 2の実施例において、第 2信号経路 S P 2のスィツチ素子 1 3、帯域フィルタ 1 5、低雑音増幅器 1 6を図 1 3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 1 3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 1 8 Sで検出した温度を判定器 1 8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 1 3を O Nに制御する場合を示している。

第 7実施例

図 1 4にこの発明による高周波ュニットの他の実施例を示す。この実施例では、図 1 2の実施例における結合器 1 7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 1 7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 1 7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 1 2における同軸ケーブル 8 c及び同軸コネクタ 8 C3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、スィッチ素子 1 3、帯域フィルタ 1 5、低雑音増幅器 1 6を熱遮蔽函 8の外に配置し、冷却しなくても良い。第 8実施例

図 1 5はこの発明による高周波ュニットの他の実施例を示す。この実施例は図 1 4の実施例において、 2つの低雑音増幅器 4、 1 6と結合器 1 7の代わりに入力選択回路 1 9と 1つの低雑音増幅器 4を設け、帯域フイルク 3と 1 5のいずれかの出力を入力選択回路 1 9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。

図 1 6は図 1 5における入力選択回路 1 9の構成例を示す。 L 4、 L 5、 L 6 は線路長を示す。 L 4については前述の L 1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。 L 5、 L 6については図 7及び 8で説明した L 2、 L 3の求め方と同様の手法を利用する。即ち、 L 6は帯域フィルタ 3が超伝導状態にあり、スィツチ素子 1 3が O F F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、 L 5は帯域フィルタ 3が超伝導状態にい場合に P '点のィ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 1 5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 2 1により、第 2信号経路 S P 2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。第 9実施例

図 1 7はこの発明による高周波ュニッ卜の他の実施例を示す。この実施例は、図 1 5の実施例において帯域フイルク 1 5と入力選択回路 1 9との間にスィツチ素子 3 1を設け、レベル検出器 1 4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ィツチ素子 1 3、 2 1を O Nに制御するように構成されている。帯域フィルタ 1 5と入力選択回路 1 9の間にスィツチ素子 3 1を揷入することにより、帯域フィルタ 1 5としてどのようなフィルタを使用しても、図 1 6の S '点のィンピーダンスがスィツチ素子 3 1により決定され、このィ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 L 6を定めることができる。従って帯域フィルタ 1 5としてどのようなものを使用しても、 L 6を新たに設計する必要がないため、図 1 5の実施例と比較して帯域フィルタ 1 5に対する汎用性が高い。なお、スィッチ素子 3 1 は、スィッチ素子 1 3と同様に、レベル検出器 1 4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 OF F、超伝導状態にない時には ONとする。

図 18にスィツチ素子 3 1として MEMS RFスィツチを使用した場合の入力選択回路 21の実施例を示す。図 1 6による入力選択回路 1 9と比較して L 6 が 0となっている点が異なっている。これは図 1 1における出力選択回路 1 1の実施例の場合と同様に、スィッチ素子として MEMS RFスィッチを使用することによる。 L 6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。

前述した図 6、 12〜 1 5、 1 7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 1 1及び入力選択回路 1 9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、 1 2〜 15、 1 7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実施例のいずれにも適用できる。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カインピ一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。

Claims

請求の範囲

1 . 複数セクタのそれぞれに少なくとも 2本ずつ設けられたアンテナからの信号を受信する高感度無線受信装置であり、

複数の熱遮蔽函と、

各上記熱遮蔽函に収容され、それぞれ決められた周波数帯域の受信高周波信号を取り出す複数の帯域フィル夕と、各セクタの上記少なくとも 2本のアンテナはそれぞれ上記複数の熱遮蔽函のうちの異なる熱遮蔽函内の上記帯域フィルタに接続されており、

とを含み、上記帯域フィルタと低雑音増幅器の各直列接続と、その直列接続を収容する上記熱遮蔽函と、上記直列接続を冷却する上記冷却装置の組は高周波ュニットを構成している。

2 . クレーム 1の高感度無線受信装置において、各上記帯域フィルタは上記冷却装置により冷却され、臨界温度以下で超伝導状態となる超伝導材料で形成された超伝導帯域フィルタである。

3 . クレーム 2の高感度無線受信装置において、上記超伝導材料は高温超伝導材料である。

4 . クレーム 1、 2又は 3の高感度無線受信装置において、各セクタの上記複数のアンテナの 1本とそれに接続された上記帯域フィルタとの間に挿入され、送受信で共用するための送信入力端子を有する送受共用器が設けられている。

5 . クレーム 2の高感度無線受信装置において、上記超伝導帯域フィルタと低雑音増幅器の直列接続を通る信号経路を第 1信号経路とし、各上記高周波ュニットは更に、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信号経路を有する。

6 . クレーム 5の高感度無線受信装置において、各上記高周波ユニットは上記超伝導帯域フィルタが接続されたアンテナからの受信高周波信号を、上記超伝導帯域フィルタが超伝導状態時には上記第 1信号経路に出力し、非超伝導状態時には上記第 2信号経路に出力する出力選択回路を有している。

7 . クレーム 6の高感度無線受信装置において、各上記高周波ユニットの上記第 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、上記高周波ュニットは上記第 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有している。

8. クレーム 6の高感度無線受信装置において、各上記高周波ユニットの上記第 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入力選択回路が挿入されており、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。

9 . クレーム 8の高感度無線受信装置において、各上記高周波ユニットの上記常伝導帯域フィルタの出力側において上記第 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 0 F Fとされ、非超伝導状態では O Nとされる信号経路出カスィツチ素子が挿入されている。

1 0 . クレーム 7、 8又は 9の高感度無線受信装置において、各上記高周波ュニットは上記常伝導帯域フィルタの入力側において上記第 2信号経路に挿入された信号経路入力スィッチ素子と、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ィッチ素子を O F Fとし、超伝導状態でなければ O Nとする検出手段が設けられている。

1 1 . クレーム 1 0の高感度無線受信装置において、上記検出手段は、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ィツチ素子を O Nとする手段である。

1 2 . クレーム 1 0の高感度無線受信装置において、上記検出手段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ィツチ素子を O Nとする手段である。

1 3 . クレーム 6、 7、 8又は 9のいずれかの高感度無線受信装置において、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。

1 4 . クレーム 6、 7、 8又は 9のいずれかの高感度無線受信装置において、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。

1 5 . クレーム 7の高感度無線受信装置において、上記結合器は上記熱遮蔽函の中に設けられている。

1 6 . 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ュニットにおいて、

熱遮蔽函と、

上記熱遮蔽函内を冷却する冷却装置と、

を含む。

1 7 . クレーム 1 6の高周波ュニットは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信号経路に出力し、非超伝導状態時には上記第 2信号経路に出力する出力選択回路を含む。

1 8 . クレーム 1 7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、上記高周波ュ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。

1 9 . クレーム 1 7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。

20. クレーム 1 9の高周波ュニットにおいて、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ィツチ素子が挿入されている。

21. クレーム 18、 1 9又は 20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ィツチ素子と，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ィツチ素子を 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。

22. クレーム 21の高周波ユニットにおいて、上記出力選択回路は分岐点を有するあらかじめ決めた特性ィンピーダンスのストリップラインで形成されている。

23. クレーム 22の高周波ユニットにおいて、上記スィッチ素子は上記分岐点に形成された MEMS RFスィッチである。

24. クレーム 21の高周波ユニットにおいて、上記検出手段は、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ィッチ素子を ONとする手段である。

25. クレーム 21の高周波ユニットにおいて、上記検出手段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ィツチ素子を ONとする手段である。

26. クレーム 1 7、 18、 1 9又は 20のいずれか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。

27. クレーム 1 7、 1 8、 1 9又は 20のいずれか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。

28. クレーム 18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。