(57)【要約】【課題】高感度無線受信機を冷却する構造において、冷却手段で発生した熱を小型・軽量かつ簡単な手段で、効率よく筐体の外部に排出する。【解決手段】受信帯域フィルタ及び受信低雑音増幅器を熱遮蔽函に封入し、熱遮蔽函の内部でこれらを冷却して動作させる高感度無線受信機において、冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する熱電変換素子と、冷却手段の温度を測定する温度検出手段と、温度検出手段の測定温度に基づき、熱電変換素子を駆動・停止制御する第１制御手段を設けた。【選択図】  図１
2004201107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、そのアンテナからの信号が入力される受信帯域フィルタと、その受信帯域フィルタの後に接続された受信低雑音増幅器とを有し、上記受信帯域フィルタ及び上記受信低雑音増幅器は熱遮蔽函に封入されて冷却手段により冷却され、上記熱遮蔽函及び上記冷却手段は筐体に収容される高感度無線受信機において、
上記冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する熱電変換素子と、上記冷却手段の温度を測定する温度検出手段と、上記温度検出手段の測定温度に基づき上記熱電変換素子を駆動、停止制御する第１制御手段を設けたことを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項２】
請求項１記載の高感度無線受信機において、上記熱電変換素子の高温部に、上記熱電変換素子で強制排出された上記冷却手段の熱を大気中に放出するための放熱板を設けたことを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項３】
請求項２記載の高感度無線受信機において、上記放熱板を冷却する送風機と、上記温度検出手段の測定温度に基づき上記送風機を駆動、停止制御する第２制御手段を設けたことを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項４】
請求項１乃至３記載のいずれかの高感度無線受信機において、太陽光を利用して電力を発生させる発電手段を設け、上記熱電変換素子或は上記送風機の少なくともいずれか一方の駆動電力として上記発電手段の電力が用いられることを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項５】
請求項４記載の高感度無線受信機において、上記発電手段で発生した電力を貯蔵する蓄電池と、上記発電手段で発生した電力の上記蓄電池への貯蔵や、上記熱電変換素子への供給を制御する、第３制御手段を設けたことを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項６】
請求項１乃至５記載のいずれかの高感度無線受信機において、上記熱電変換素子に加えて、上記冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する伝熱手段を設け、上記冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する手段を二重化したことを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項７】
請求項１乃至６記載のいずれかの高感度無線受信機において、上記受信帯域フィルタは、上記冷却手段で冷却された温度で超伝導状態となる超伝導材料で構成されていることを特徴とする高感度無線受信機。
【請求項８】
請求項７記載の高感度無線受信機において、上記超伝導材料は、高温超伝導材料で構成されていることを特徴とする高感度無線受信機。
【発明の詳細な説明】
【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等の基地局受信装置に適用され、冷却手段で高周波回路を極低温に冷却して、所望の信号を受信する高感度無線受信機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高感度無線受信機の基本構成を図１２に示す。この構成では、アンテナ１と、アンテナ１で受信された信号を伝送するためのアンテナフィーダ２と、所望の帯域の信号を選択する受信帯域フィルタ３と、受信帯域フィルタ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４と、受信低雑音増幅器４で増幅された受信信号を出力するための出力端子５とを備えている。また、受信帯域フィルタ３及び受信低雑音増幅器４は、熱遮蔽函６に封入され、外部と断熱されるとともに、冷却手段７により冷却部材７ａを介して冷却される。更に、受信低雑音増幅器４に電力を供給するための第１の電源端子８と冷却手段７に電力を供給するための第２電源端子９がそれぞれ設けられる。ここで図示はしていないが、受信帯域フィルタ３と受信低雑音増幅器４との間で整合をとるために、両者の間にアイソーレタを設ける場合もある。
【０００３】
受信帯域フィルタ３及び受信低雑音増幅器４は、例えば真空チャンバ等の熱遮蔽函６に封入され、冷却手段７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。ここで冷却手段７は、例えばヘリウムガスの圧縮・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。
このように、受信帯域フィルタ３及び受信低雑音増幅器４を長時間安定して極限的に冷却することにより、これらで発生する熱雑音を極限的に低減するとともに、受信帯域フィルタ３を構成する段数を増やしても低温のため受信帯域フィルタ３の損失分が少なくてすむので受信帯域フィルタ３の減衰特性を急峻にすることができる。その結果、図１２に示した高感度無線受信機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比（搬送波電力／雑音電力比）の受信出力を得ることができる。また、規定されたＣ／Ｎ比の受信出力を得るのに必要な送信側の電力が少なくて済む。
【０００４】
高感度無線受信機は、アンテナフィーダ２による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。その場合、筐体１０は風雨、粉塵等の環境に耐えうるために密封構造とする必要がある。ここで、冷却手段７は熱交換サイクルを利用することにより熱遮蔽函６の内部を極限的に冷却しているが、冷却手段７は筐体１０の内部に収容されているから、密封構造である筐体内部の温度上昇を防ぐ必要がある。そのため、例えば、冷却手段７の熱交換サイクルの過程で発生する熱を筐体１０の外部に伝達する伝熱手段１２１が設けられ、更に伝熱手段１２１で伝達された熱を大気の自然対流により放熱板１２２で大気中に放出している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１２６２９０号公報（第５頁、図１及び図２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の高感度無線受信機は、冷却手段で発生する熱を、例えばヒートパイプなどの伝熱手段で筐体外に伝達している。ヒートパイプの基本構造を図１３に示す。図１３Ａはヒートパイプの横断面図、図１３Ｂはヒートパイプの軸方向断面図である。ヒートパイプ１３０は構造上、密封容器１３１と、ウイック構造体１３２と、蒸気空間１３３と、及び作動流体１３４とによって構成される。また、機能上、蒸気空間１３３は、軸方向に関して蒸発部１３５と、断熱部１３６及び凝縮部１３７に分けられる。ヒートパイプ１３０は蒸発部１３５で吸収した熱を凝縮部１３７まで伝達し、凝縮部１３７でその熱を排出する機構を有するものであるから、図１２の高感度無線受信機において、蒸発部１３５を冷却手段７に接続し、断熱部１３６を筐体１０の壁面に接合し、凝縮部１３７を筐体１０の外部に配置することにより、筐体１０を密封構造としたまま冷却手段７で発生した熱を筐体１０の外部に排出することができる。
【０００７】
ヒートパイプ１３０には、その熱伝導量が断面積と長さの等しい銅棒と比較して１００倍程度大きいという特徴があり、効率よく冷却手段７で発生した熱を筐体１０の外部に排出することができる。然し乍ら、熱伝導効率が良くても、単純な熱輸送手段であるため、輸送元の冷却手段表面温度と比較して、輸送先の放熱板温度が高くなることはない。例えば、冷却手段の表面温度が４０℃であれば、放熱板温度は４０℃以下となり、雰囲気温度や風力等の周囲環境によっては十分な放熱作用が得られず、冷却手段７の冷却効率が劣化し、受信帯域フィルタ３及び受信低雑音増幅器４が所望の温度に冷却されないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、高感度無線受信機を高雰囲気温度の屋外に設置する場合に、筐体１０を密封構造とした場合においても、冷却手段７において発生した熱を小型・軽量かつ簡単な手段で、効率よく筐体１０の外部に排出することができる高感度無線受信機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アンテナと、アンテナフィーダと、そのアンテナフィーダからの信号が入力される受信帯域フィルタとその受信帯域フィルタの後に接続された受信低雑音増幅器と、その受信低雑音増幅器を出力信号を出力する出力端子を有し、受信帯域フィルタ及び上記受信低雑音増幅器は熱遮蔽函に封入されて冷却手段により冷却され、上記熱蔽函及び上記冷却手段は筐体に収容される高感度無線受信機に関する。
【００１０】
（１）  この発明の請求項１では、上記冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する熱電変換素子と、上記冷却手段の温度を測定する温度検出手段と、上記温度検出手段の測定温度に基づき上記熱電変換素子を駆動、停止制御する第１制御手段とが設けられる。
（２）  この発明の請求項２では、上記（１）において、上記熱電変換素子の高温度部に、上記熱電変換素子で強制排出された上記冷却手段の熱を大気中に放出するための放熱板が設けられる。
【００１１】
（３）  この発明の請求項３では、上記（２）において、上記放熱板を冷却する送風機と、上記温度検出手段の測定温度に基づき上記送風機を駆動、停止制御する第２制御手段が設けられる。
（４）  この発明の請求項４では、上記（１）乃至（３）において、太陽光を利用して電力を発生させる発電手段を設け、上記熱電変換素子或は上記送風機の少なくともいずれか一方の駆動電力として用いる。
（５）  この発明の請求項５では上記（４）において、上記発電手段で発生した電力を貯蔵する蓄電池と、上記発電手段で発生した電力の上記蓄電池への貯蔵や、上記熱電変換素子或は上記送風機への供給を制御する、第３制御手段が設けられる。
【００１２】
（６）  この発明の請求項６では上記（１）乃至（５）において、上記冷却手段で発生する熱を筐体にの外部に排出する伝熱手段が、熱電変換素子と共に併設される。
（７）  この発明の請求項７では、上記（１）乃至（６）において、上記受信帯域フィルタは超伝道材料で構成され、上記冷却手段により超伝導状態とされている。
（８）  この発明の請求項８では、上記（７）において、超伝導材料は高温超電導体で構成される。
【００１３】
作用
この発明によれば筐体内で発生した熱は、熱電変換素子によって強制的に筐体の外部に排出することができる。この結果、外気が高温であっても筐体の内部温度を一定値に維持することができる。特に筐体の外部に放熱板を設け、放熱板を送風機で冷却する構成とした場合には筐体内部から外部への熱の排出効果が向上し、少ない電力で筐体内部の温度を一定値に維持することができる。更に、太陽光発電手段と蓄電池を設けた場合は更に一層電力消費量を少なくすることができる。また、受信帯域フィルタを超伝導材料で構成した場合には受信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る利点が得られる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に請求項１の発明の実施例を示す。図１には図１２と対応する部分に同一の符号を付けている。この実施例では、熱電変換素子２１と温度検出手段２２と第１制御手段２３が設けられている点が図１２と異なる。
熱電変換素子２１の基本構造として、熱電半導体を用いた例を図２に示す。熱電変換素子は、第１電極１１を有するＮ型熱電半導体１４と、第２電極１２を有するＰ型熱電半導体１５と、及びこれらの熱電半導体１４及び１５を接合する第３電極１３で構成される。この構造では、１対のＰ型及びＮ型熱電半導体１４及び１５を組み合わせた例（サブモジュールとも言う）を示しているが、例えば図３に示すように直列に数〜数十対を基板１６上で一組にしたもの（モジュールとも言う）や、数十個のモジュールを直・並列に組み合わせたものもある。
【００１５】
第１電極１１から直流電流を流すと、エネルギーは電子と共に、電流と逆方向、即ち第３電極から第１電極１１へ移動する。Ｎ型熱電半導体１４では、電子が第３電極からＮ型熱電半導体１４に移動するためのエネルギーとＮ型熱電半導体１４の内部を第１電極１１まで移動するためのエネルギーを第３電極１３側から得る。その結果第３電極１３側でエネルギーが不足し、温度を下げる。これに対して、第１電極１１側では電子が奪ったエネルギーを放出して温まる。この時に第１電極１１から十分な放熱を行なうと、第３電極１３から第１電極１１への吸熱作用を連続に得ることができる。Ｐ型熱電半導体１５では、正孔が同様の働きをするため、第３電極１３側のエネルギーは第２電極１２に移動する。熱の吸収は、電流及び半導体の数に比例することから、冷却すべき熱負荷に応じて熱電半導体の数や電流値を設計すれば良い。また、熱電半導体は熱伝導率が低いことから、吸熱側と放熱側との間に大きな温度差を設けることができ、外気温が高い場合でも効率よく放熱することができる。
【００１６】
ここで、図１に示した温度検出手段２２は冷却手段７の温度を検出し、検出結果を第１制御手段２３へ伝達する機能を有するものである。第１制御手段２３の検出結果を基に、熱電変換素子２１を駆動・停止制御する。
図４に第１制御手段２３の動作例を示す。図４では冷却手段７の温度が熱電変換開始温度を超えた場合に熱電変換素子２１に対して電力を供給して熱電変換を行ない、熱電変換停止温度を下回った場合に熱電変換素子２１に供給する電力を停止し、熱電変換を停止させている。ここで、熱電変換開始温度と熱電変換停止温度は冷却手段の発熱量や周囲環境条件等に応じて設計される。
【００１７】
上記のように、図１の構成をとることにより、図１２に示した従来の構成と比較して、雰囲気温度が高いときでも、冷却手段７において発生した熱を筐体１０の外部へ効率よく排出することができる。
図５に請求項２の発明の実施例を示す。図１と対応する部分には同一の符号が付けられている。この実施例では、熱電変換素子２１の高温部に放熱板３１が設けられている点が図１と異なる。放熱効率が上がるため、冷却効率の向上につながる。エネルギー収支を考慮すると、放熱量は吸熱量に消費電力を加えた量が必要となる。放熱手段はアルミ製のフィンが一般的であるが、その他にも液冷却式やヒートパイプなどの手段や、それらの組み合わせも適用可能である。
【００１８】
図６に請求項３の発明の実施例を示す。図５と対応する部分には同一の符号を付けている。この実施例では、放熱板３１を冷却する送風機４１と、上記温度検出手段２２で測定した温度に基づき送風機４１を駆動、停止制御する第２制御手段４２を設けた点が図５と異なる。
図７に第２制御手段４２の動作例を示す。図７では、冷却手段７の温度が送風開始温度を超えた場合に送風機４１に対して電力を供給して送風機４１を駆動し、送風停止温度を下回った場合に送風機４１に供給される電力を停止し、送風機４１を停止させている。
【００１９】
ここで、送風開始温度と送風停止温度は冷却手段７の発熱量や周囲環境条件等に応じて設計される。また、送風機４１を第１制御手段２３に接続し、第１制御手段２３が熱電変換素子２１と共に送風機４１を制御する場合もある。この場合は、第２制御手段４２を省くことができる。
図８に請求項４の発明の第１の実施例を示し、図５と対応する部分には同一の符号を付けている。この実施例では、熱電変換素子２１を駆動する電力を、太陽光を利用した発電手段５１から得る点が図５と異なる。
【００２０】
ここで、発電手段５１は太陽光から電力を発生させる機能を有するものである。発電手段５１としては、例えば太陽電池があり、その種類は大きく分けてバルク型太陽電池と、薄膜太陽電池に分類される。バルク型太陽電池は、太陽電池材料として単結晶Ｓｉや多結晶Ｓｉ、III−Ｖ族化合物を用いている。半導体の厚さがＳｉウェーハと同じ０．４ｍｍ前後の太陽電池で、Ｓｉ太陽電池やIII−Ｖ族化合半導体太陽電池などがこれに属する。一方、薄膜太陽電池は、太陽電池材料としてアモルファスＳｉやＣｄＴｅ、カルコパイライト、多結晶Ｓｉ薄膜を用いている。半導体層が薄いため何らかの支持体が必要なもので、代表例がアモルファスＳｉ太陽電池である。これらの種々の太陽電池は市販されており、いずれも本発明に適用可能である。
【００２１】
図９に請求項４の第２実施例を示し、図６及び図８と対応する部分には同一の符号を付けている。この実施例では、熱電変換素子２１及び送風機４１を駆動する電力を、太陽光を利用した発電手段５１から得る点が図６及び図８と異なる。図８に示した第１実施例と同様に、発電手段５１としては、例えば太陽電池がある。特に、雰囲気温度が上昇する真夏の日中帯は、太陽電池による電力供給が効果的である。
図１０に請求項５の発明で、図９に示した実施例に対応した実施例を示す。図９と対応する部分には同一の符号を付けいている。この実施例では、発電手段５１で発生した電力を貯蔵する蓄電池６１と、発生した電力の蓄電池６１への貯蔵や熱電変換素子２１或は送風機４１への供給を制御する第３制御手段６２を設けた点が図８及び図９と異なる。
【００２２】
ここで蓄電池６１は発電手段５１で発生した電力を熱電変換停止かつ送風停止時に貯蔵する機能を有し、第３制御手段６２は、発電手段５１で発生した電力を熱電変換停止かつ送風停止時に蓄電池６１に貯蔵し、十分な太陽光が得られない場合に蓄電池６１から熱電変換素子２１或は送風機４１に電力を供給する機能を有するものである。もちろん、送風機４１及び蓄電池６１を第１制御手段２３に接続し、第１制御手段２３が熱電変換素子２１、送風機４１及び蓄電池６１を制御する場合もある。このとき、制御手段を１つに集約することができる。
【００２３】
図１１に請求項６の発明の実施例を示す。図１０と対応する部分には同一符号を付けている。この実施例では、冷却手段７と、伝熱手段７１に排出した熱を効率よく大気に放熱するための放熱板７２を設け、上記冷却手段で発生する熱を筐体の外部に排出する手段を二重化した点が図１０と異なる。冷却手段７で発生した熱を筐体外部に排出する手段を二重化することにより、雰囲気温度が低いときは伝熱手段７１を利用して排熱し、雰囲気温度が高いときのみ熱電変換素子２１を利用することで、消費電力の低減が図れる。
【００２４】
一方、図１、図５、図６、図８乃至図１１のような請求項１乃至６の発明において、受信帯域フィルタ３を冷却手段７により冷却した温度で超伝導状態となる超伝導材料を用いて構成したのが請求項７の発明である。受信帯域フィルタ３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される。受信帯域フィルタ３を超伝導材料で構成することにより、受信帯域フィルタ３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る。
【００２５】
ここで、超伝導材料として高温超電導体を用いたが請求項８の発明である。高温超電導体としては、例えばＢｉ、Ｔｌ系、Ｐｂ系、Ｙ系等の銅酸化物超伝導体があり、これらは何れも使用可能である。高温超電導体には超伝導体状態が達成される臨界温度が１００Ｋを超えるものであり、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、冷却手段７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、高感度無線受信機を小型かつ安価に構成することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、高感度無線受信機を高雰囲気温度の屋外に設置する場合に、筐体を密封構造とした場合においても、冷却手段において発生した熱を小型・軽量かつ簡単な手段で、効率よく筐体の外部に排出し、大気中に放熱することができるとともに、送風機への電力供給制御や太陽光による発電手段を用いることで高感度無線受信機の消費電力を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の実施例を示すブロック図。
【図２】熱電変換素子の基本構造図。
【図３】熱電変換素子をモジュール化した場合の構造を説明するための斜視図。
【図４】第１制御手段の動作例。
【図５】請求項２の発明の実施例を示すブロック図。
【図６】請求項３の発明の実施例を示すブロック図。
【図７】第２制御手段の動作例。
【図８】請求項４の発明の第１実施例を示すブロック図。
【図９】請求項４の発明の第２実施例を示すブロック図。
【図１０】請求項５の発明の実施例を示すブロック図。
【図１１】請求項６の発明の実施例を示すブロック図。
【図１２】従来の高感度無線受信機の基本構成を示すブロック図。
【図１３】ヒートパイプの基本構造図。
【符号の説明】
１      アンテナ                    １５      Ｐ型熱電半導体
２      アンテナフィーダ            １６      基板
３      受信帯域フィルタ            ２１      熱電変換素子
４      受信低雑音増幅器            ２２      温度検出手段
５      受信信号出力端子            ２３      第１制御手段
６      熱遮蔽函                    ３１      放熱板
７      冷却手段                    ４１      送風機
７ａ    冷却部材                    ４２      第２制御手段
８      第１電源端子                ５１      発電手段
９      第２電源端子                ６１      蓄電池
１０    筐体                        ６２      第３制御手段
１１    第１電極                    ７１      伝熱手段
１２    第２電極                    ７２      放熱板
１３    第３電極
１４    Ｎ型熱電半導体
【図１】
2004201107.tif 000003
【図２】
2004201107.tif 000004
【図３】
2004201107.tif 000005
【図４】
2004201107.tif 000006
【図５】
2004201107.tif 000007
【図６】
2004201107.tif 000008
【図７】
2004201107.tif 000009
【図８】
2004201107.tif 000010
【図９】
2004201107.tif 000011
【図１０】
2004201107.tif 000012
【図１１】
2004201107.tif 000013
【図１２】
2004201107.tif 000014
【図１３】
2004201107.tif 000015