Brevet FR2837635A1 — publié le 20030926

roulemenL (84). La présente invention concerne un appareil d'amplification haute fréquence à basse température, dans lequel un amplificateur haute fréquence fonctionne à une basse température, ainsi qu'un appareil de transmission sans fil utilisant cet appareil d'amplification. Dans la technique antérieure, un amplificateur à bruit extrêmement faible est nécessaire immédiatement après un récepteur (antenne) d'un appareil de réception servant à recevoir des ondes extrêmement faibles, par exemple dans des communications mobiles, des communications par satellites, etc. De manière générale, un procédé effficace pour réduire le niveau de bruit d'un amplificateur consiste à le refroidir. La publication de la demande de brevet japonais non examinée n 61-48 201 décrit un système amplificateur à faible bruit qui comporte un guide d'ondes possédant une partie de couqure, un amplificateur disposé dans la partie de coupure, et un dispositif de refroidissement qui est en mesure de refroidir directement l'amplificateur. Il est également intéressant de disposer un circuit haute fréquence à l'intérieur d'un bain thermostatique afin de maintenir la température ambiante en vue d'un fonctionnement stable d'un circuit haute fréquence ou pour faire fonctionner le circuit dans des conditions de supraconduction permettant un fonctionnement à faibles pertes du circuit. La publication de la demande de brevet japonais non examinée n 9-129 041 décrit un appareil permettant de transmettre des signaux entre un circuit haute fréquence disposé dans un bain thermostatique et un dispositif externe via un câble coaxial thermiquement isolé. Puisque ce cable, associé à une faible pénétration de la chaleur, est pri nci pa lement conçu de fason à avoir u ne forte isolation the rmique, les pertes de transmission électriques ne sont pas nécessairement faibles et les pertes de transmission de signal sont supérieures à celles des câbles typiques. Ce câble est donc plus avantageux en ce qui concerne le facteur de bruit (noté NF, d'après "Noise Figure") du circuit d'amplification haute fréquence. Typiquement, les câbles pour haute fréquence offrent une médiocre isolation thermique, ce qui entrane une pénétration importante de la chaleur depuis l'extérieur dans le circuit disposé dans le bain thermostatique. Ceci amène un fonctionnement instable du circuit se trouvant dans le bain thermostatique ou nécessite un dispositif de refroidissement doté de plus grandes capacités afin de traiter d'importantes pénétrations de chaleur. Ainsi, la diminution de la pénétration de la chaleur et la rébuction des pertes de transmission ne sont pas compatibles. Les pertes de transmission et la longueur de cable sont sensiblement proportionnelles, et la quantité de pénétration de la chaleur et la longueur de cable sont sensiblement en proportion inverse. Les appareils décrits dans les publications ci-dessus indiquées ne sont pas conçus pour amener, de manière efficace, à la fois une réduction de la pénétration de la chaleur et une rébuction des pertes de transmission, mais ils sont conçus pour sacrifier la réduction des pertes de transmission ou de pénétration de chaleur lorsque les côtés d'entrée et de sortie présentent d'égales longueurs de câble. C'est donc un but de l'invention de produire un appareil d'amplification haute fréquence à basse température, dans lequel la pénétration de la chaleur et les pertes de transmission sont toutes deux diminuées de facon à réduire le facteur de bruit, ainsi qu'un appareil de transmission sans fil, employant cet appareil d'amplification. Selon un aspect de l'invention, I'appareil d'amplification haute fréquence à basse température comporte un circuit d'amplification, une unité de refroidissement servant à refroidir le circuit d'amplification, et un container thermiquement isolé qui loge au moins le circuit d'amplification et l'unité de refroidissement. Le container thermiquement isolé possède un con necteur d'entrée qui est exposé à l 'extérieu r, et le con necteu r d'entrée est con necté à u ne pa rtie d 'entrée d u circuit d'am plification via une lig ne haute fréquence d'entrée. Le container thermiquement isolé possède un connecteur de sortie exposé à l'extérieur, et le connecteur de sortie est connecté avec une partie de sortie du circuit d'amplification via une ligne haute fréquence de sortie. Les pertes de transmission de signal de la ligne haute fréquence d'entrée sont inférieures aux pertes de transmission de signal de la ligne haute fréquence de sortie, et la quantité de pénétration de la chaleur depuis la ligne haute fréquence de sortie jusque dans le circuit d'amplification est inférieure à la quantité de pénétration de chaleur depuis la ligne haute fréquence d'entrée jusque dans le circuit d'amplification. Par conséquent, le facteur de bruit est amélioré sans qu'il y ait réduction du rendement de refroidissement de l'appareil dans son ensemble, de sorte que l'on obtient un appareil d'amplification haute fréquence à basse température qui est compact, et qui présente une faible consommation électrique ainsi que de meilleures propriétés électriques. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon l'invention, la ligne haute fréquence d'entrée est de préférence plus courte que la ligne haute fréquence de sortie. Puisque des câbles ayant la méme forme péuvent être utilisés pour la ligne haute fréquence d'entrée et la ligne haute fréquence de sortie, les parties d'entrée et de sortie de l'amplificateur ont la méme structure en ce qui concerne la connexion aux câbles coaxiaux. En outre, les connecteurs d'entrée et de sortie du container thermiquement isolé qui sont exposés à l'extérieur ont toutes la méme forme, ce qui réduit, par conséquent, le coût. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon l'invention, la distance de la partie d'entrée du circuit d'amplification jusqu'à une paroi du container thermiquement isolée est de préférence sensiblement égale à la distance qui va de la partie de sortie du circuit d'amplification jusqu'à la paroi du container thermiquement isolé, et la longueur de ligne de la ligne haute fréquence d'entrée est diminuée par comparaison avec la longueur de ligne de la ligne haute fréquence de sortie. Ceci permet que le circuit d'amplification soit placé au centre du container thermiquement isolé, tout en réduisant au minimum les pertes de transmission du câble d'entrée, de sorte que l'on a améliore efficacement le facteur de bruit et le rendement de refroidissement. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon l'invention, la ligne haute fréquence d'entrée possède une aire en section droite qui est plus grande que celle de la ligne haute fréquence de sortie. Il est donc par conséquent inutile de placer la ligne haute fréquence de sortie de manière complexe tout autour dans le container thermiquement isolé, si bien qu'il y a un agencement simple des lignes haute fréquence dans le container thermiquement isolé. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température de l'invention, le circuit d'amplification peut comporter un amplificateur et un filtre haute fréquence qui est connecté aux côtés d'entrée de 1'amplificateur. Par conséquent, les distorsions dues à un signal appartenant à une bande de fréquences non voulue peuvent être diminuées, ce qui améliore le fa*eur de bruit. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon l'invention, le filtre haute fréquence comprend de préférence un filtre supraconducteur possédant une électrode faite en un supraconducteur. Par conséquent, les pertes d'insertion provoquées par le filtre peuvent être fortement diminuées, ce qui améliore le facteur de bruit. Selon un autre aspe* de l'invention, un appareil sans fil comporte un étage d'amplification permettant d'amplifier un signal haute fréquence, et l'étage d'amplification comporte l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température ayant l'une quelconque des stru*ures cidessus mentionnées. Un appareil sans fil qui utilise un appareil d'amplification haute fréquence à basse température compact possédant un haut rendement de refroidissement et un fa*eur de bruit bas convient pour la réception d'ondes faibles et la transmission sans fil avec un faible taux de code d'erreur et une vitesse élevée de transmission de données. La description suivante, conçue à titre d'illustration de I'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue simplifiée d'un appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une vue en se*ion droite d'un câble d'entrée ou de sortie de l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température; les figures 3A à 3C sont des graphes montrant la relation qui existe entre le rapport de la longueur de cable d'entrée à la longueur de câble de sortie et diverses valeurs cara*éristiques; la figure 4 est une vue simplifiée d'un deuxième mode de réalisation de l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température; la figure 5 est une vue simplifiée d'un appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon un troisième mode de réalisation de l'invention; et la figure 6 est un schéma fonctionnel d'un appareil de transmission sans fil selon un aspect de l'invention. On va maintenant décrire, en liaison avec les figures 1 à 4, la structure d'un appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1 est une vue simplifiée montrant un appareil d'amplification haute fréquence à basse température. Un dispositif de refroidissement 1 refroidit un étage froid 2. Un amplificateur 5 est monté sur l'étage froid 2. Un blindage anti-rayonnement 4 entoure l'amplificateur 5. Le blindage anti-rayonnement 4 est logé dans un container thermiquement isolé 3 dans lequel le vide a été fait. Le container thermiquement isolé 3 possède un connecteur d'entrée 16 et un connecteur de sortie 17. Une partie d'entrée de l'amplificateur 5 est connectée avec le connecteur d'entrée 16 via un cable d'entrée 6. Une partie de sortie de l'amplificateur 5 est connectée avec le connecteur de sortie 17 via un câble de sortie 7. Le container thermiquement isolé 3 possède également un connecteur d'alimentation électrique 18. Le connecteur d'alimentation électrique 18 est connecté avec l'amplificateur 5 via un câble 8 d'alimentation électrique. Sur la figure 1, le dispositif de refroidissement 1 est un dispositif de refroidissement tel qu'un réfrigérateur "Stirling", un réfrigérateur GM, un réfrigérateur à tube puisé ("puise tube refrigerator"), ou un moyen de refroidissement à effet Peltier. Le câble d'entrée 6 et le câble de sortie 7 sont par exemple des câbles coaxiaux et sont de préférence des câbles coaxiaux thermiquement isolés qui possèdent une basse conductivité thermique et de faibles pertes de transmission. La figure 2 est une vue en section droite d'un câble coaxial thermiquement isolé que l'on utilise pour le câble d'entrée 6 et le câble de sortie 7. Le conducteur externe 1 1 est fait en un métal à faible conductivité thermique, comme de l'acier inoxydable ou du cupronickel. La paroi interne 12 du conducteur externe 11 est faite d'une pellicule métallique de conductivité élevée, par exemple une pellicule d'argent ou de cuivre. L'épaisseur de la pellicule métallique est par exemple de 1 à , um. Le conducteur interne 13 est fait en métal à faible conductivité thermique. La paroi externe 14 du conducteur interne 13 est faite d'une pellicule de métal à conductivité élevée. L'espace défini entre la paroi externe 14 du conducteur interne 13 et la paroi interne 12 du conducteur externe 11 est rempli au moyen d'un isolant 15, constitué d'un matériau à faible conductivité thermique, comme par exemple le PTFE (polytétra fluoroéthylène). Ainsi, chacun des câbles d'entrée 6 et de sortie 7 possède une faible conductivité thermique par aire en section droite du câble total, ceci entranant une faible pénétration de chaleur depuis l'extérieur du container thermiquement isolé 3 jusqu'à l'amplificateur 5 représenté sur la figure 1. Les figures 3A à 3C sont des graphes montrant la relation qui existe entre le rapport de la longueur du câble d'entrée à la longueur du câble de sortie et diverses valeurs caractéristiques. Sur la figure 3A à 3C, la quantité totale de pénétration de chaleur depuis le câble d'entrée 6 et le câble de sortie 7 est maintenue constante (0,2 W). Sur les figures 3A à 3C, la référence Lin indique la longueur du câble d'entrée 6, et la référence Lout indique la longueur du câble de sortie 7. L'axe x représente le rapport de Lin à Lout. On suppose ici que les pertes du cable sont de 1 dB/m et le facteur de bruit NF de l'amplificateur est de 0,2 dB. La figure 3A présente le facteur de bruit (NF) du câble d'entrée 6, du câble de sortie 7 et de l'amplificateur 5 en fonction du rapport Lin/Lout. Sur la figure 3, la ligne en trait continu désigne la caractéristique correspondant au cas o le facteur d'amplification de l'amplificateur 5 est de 20 dB, et la ligne en trait interrompu désigne la caractéristique correspondant au cas o le facteur d'amplification de l'amplificateur 5 est de 30 dB. Eu égard à l'amplification des signaux, il est souhaitable de réduire les pertes du câble le plus possible. Toutefois, puisque le signal amplifié par l'amplificateur 5 et délivré en sortie par celui-ci possède une intensité de signal élevée, les pertes du câble de sortie 7 ne sont pas aussi importantes que les pertes du câble d'entrée 6. Ainsi, comme décrit sur la figure 3A, le facteur de bruit NF peut étre réduit Iorsque le rapport Lin/Lout diminue. La figure 3B représente la longueur de câble en fonction du rapport Lin/Lout. Comme représenté sur la figure 3B, pour réduire le rapport Lin/Lout, le câble d'entrée 6 doit être court tandis que le câble de sortie 7 doit être long. La figure 3C représente la quantité de pénétration de chaleur en fonction du rapport Lin/Lout. Comme représenté sur la figure 3C, pour réduire le rapport Lin/Lout, il faut que la quantité de pénétration de chaleur depuis le câble de sortie 7 diminue tandis que la quantité de pénétration de chaleur depuis le câble d'entrée 6 augmente, c'est-à-dire 1 0 que 1 'on sacrifie la réduction de la pénétration de chaleu r de puis le câble d'entrée 6. En utilisant les caractéristiques ci-dessus indiquées, on fait en sorte que le câble d'entrée 6 soit plus court que le câble de sortie 7, tandis que les câbles d'entrée et de sortie 6 et 7 ont la même forme et les mêmes dimensions en section droite. La distance de la partie d'entrée de l'amplificateur 5 à la paroi du container thermiquement isolé 3 est de préférence fixée de façon à être sensiblement égal à la distance de la partie de sortie de l'amplificateur 5 à la paroi du container thermiquement isolé 3. Ainsi, on maintient un haut rendement de refroidissement. De plus, la longueur de ligne du câble d'entrée 6 est de préférence diminuée, si bien que 1'on réduit les pertes de transmission du câble d'entrée 6 le plus possible. Comme cela résulte des caractéristiques présentées sur les figures 3A à 3C, les pertes de transmission de signal du câble d'entrée doivent être plus petites que les pertes de transmission de signal du câble de sortie, et la quantité de pénétration de chaleur depuis le câble de sortie en direction de l'amplificateur doit être plus petite que la quantité de pénétration de chaleur depuis le câble d'entrée en direction de l'amplificateur. Les caractéristiques ci-dessus indiquées peuvent également être obtenues au moyen d'un câble d'entrée 6 et d'un câble de sortie 7 ayant des longueurs de câble égales, o le câble d'entrée 6 possède une plus grande aire en section droite que le câble de sortie 7. Un appareil d'amplification haute fréquence à basse température possédant une semblable structure est représenté au titre du deuxième mode de réalisation sur la figure 4. Dans ces exemples, le câble d'entrée 6 et le câble de sortie 7 sont des câbles coaxiaux thermiquement isolés. Le câble d'entrée 6 emploie un câble coaxial thermiquement isolé qui présente une plus grande aire en section droite que le câble de sortie 7. Sur la figure 4, la distance de la partie d'entrée de l'amplificateur 5 à la paroi du container thermiquement isolé 3 est sensiblement égale à la distance de la partie de sortie de l'amplificateur 5 à la paroi du container thermiquement isolé 3. Ceci permet de placer l'amplificateur 5 au centre du container thermiquement isolé 3, tout en réduisant les pertes de transmission du câble d'entrée 6 au minimum, si bien que l'on améliore efficacement le facteur de bruit et le rendement de refroidissement. Les structures de l'appareil d'amplification représenté sur la figure 1 et de l'appareil d'amplification représenté sur la figure 3 peuvent être combinées. Plus spécialement, le câble de sortie 7 peut être plus long que le câble d'entrée 6, et l'aire en section droite du câble de sortie 7 peut être plus petit que celui du câble d'entrée 6. On décrit ci-après, en liaison avec la figure 5, la structure d'un appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon le premier mode de réalisation, seul l'amplificateur 5 est monté sur l'étage froid 2. Toutefois, dans l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température qui est représenté sur la figure 5, I'amplificateur 5 et un filtre haute fréquence 9 sont tous deux montés sur l'étage froid 2. Le filtre haute fréquence 9 est de préférence connecté au côté d'entrée de l'amplificateur 5. Une partie d'entrée du filtre haute fréquence 9 est connectée avec le connecteur d'entrée 16 via le câble d'entrée 6. Le filtre haute fréquence 9 est un filtre diélectrique qui possède un matériau diélectrique et une pellicule formant une électrode placée sur les deux surfaces interne et externe du matériau diélectrique, et la pellicule formant l'électrode est une pellicule supraconductrice. Par conséquent, les pertes du conducteur peuvent être fortement réduites, et on peut obtenir une caractéristique à faibles pertes dinsertion. Par conséquent, il est efficace de refroidir le filtre supraconducteur 9 jusqu'à la température critique de la pellicule supraconductrice, ou à une température inférieure. Puisqu'un circuit d'amplification formé du filtre haute fréquence 9 et de l'amplificateur 5 présente des caractéristiques analogues à celles indiquées sur les figures 3A à 3C, une relation semblable doit être définie entre le câble d'entrée 6 et le câble de sortie 7, comme décrit en liaison avec les premier et deuxième modes de réalisation. Un câble 10 servant à connecter le filtre haute fréquence 9 à l'amplificateur 5 ne présente aucune relation avec la pénétration de chaleur depuis l'extérieur du container thermiquement isolé 3, et, par conséquent, il ne doit pas être thermiquement isolé. Il est effcace d'utiliser un câble coaxial ayant de faibles pertes de transmission électriques, comme le câble 10. La structure d'un appareil de télécommunications selon un aspect de l'invention va être décrit ci-après en liaison avec la figure 6. Sur la figure 6, l'appareil de télécommunications comporte une antenne de réception 20, un filtre haute fréquence 9 (noté BPF), un amplificateur 5, et un circuit de réception 21. Le filtre haute fréquence 9 permet de laisser passer des composantes d'une bande de fréquences de réception prédéterminée du signal resu par l'antenne 20, et l'amplificateur amplifie les composantes qui ont été laissées passer avec un niveau de bruit diminué. Le circuit de réception 21 démodule le signal reSu, lequel est amplifié jusqu'à un gain prédéterminé, et laisse passer le signal démodulé à destination du dispositif de traitement de signaux placé plus loin. Le filtre haute fréquence 9 et l'amplificateur 5 représentés sur la figure 6, sont de préférence formés par un appareil d'amplification haute fréquence semblable à celui représenté sur la figure 5. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir des appareils dont la description vient d'être données à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température, caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit d'amplification (5); une unité de refroidissement () servant à refroidir le circuit d'amplification; et un container thermiquement isolé (3) qui loge au moins le circuit d'amplification (5) et l'unité de refroidissement (1); o le container thermiquement isolé possède un connecteur d'entrée (16) exposé à l'extérieur du container, le connecteur d'entrée À étant connecté avec une partie d'entrée du circuit d'amplification via une ligne haute fréquence d'entrée (6); le container therm iq uement isolé possède u n con necteu r de sortie (17) exposé à l'extérieur du container, le connecteur de sortie étant connecté à une partie de sortie dudit circuit d'amplificateur via une ligne haute fréquence de sortie (7); les pertes de transmission de signal de la ligne haute fréquence d'entrée (6) sont inférieures aux pertes de transmission de signal de la ligne haute fréquence de sortie (7); et la quantité de pénétration de chaleur de la ligne haute fréquence de sortie au circuit d'amplification est inférieure à la quantité de pénétration de chaleur de la ligne haute fréquence d'entrée au circuit d'amplification. 2. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne haute fréquence d'entrée (6) est plus courte que la ligne haute fréquence de sortie (7). 3. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance de la partie d'entrée du circuit d'amplification (5) à une paroi du container thermiq uement isolé (3) est sensi blement éga le à la distance de la pa rtie de sortie du circuit d'amplification à la paroi du container thermiquement isolé. 4. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne haute fréquence d'entrée (6) possède une aire en section droite plus grande que la ligne haute fréquence de sortie (7). 5. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'amplification (5) comporte un amplificateur (5) et un filtre haute fréquence (9) qui est connecté à l'un des côtés d'entrée et de sortie de l'amplificateur. 6. Appareil d'amplification haute fréquence à basse température selon la revendication 5, caractérisé en ce que le filtre haute fréquence (9) comprend un filtre supraconducteur possédant une électrode faite en un supraconducteur. 7. Appareil de transmission sans fil comprenant une partie d'amplification servant à amplifier un signal haute fréquence, caractérisé en ce que ladite partie d'amplification comporte l'appareil d'amplification haute fréquence à basse température qui est défini dans la revendication