(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ユニットにおいて、
熱遮蔽函と、
上記熱遮蔽函内を冷却する冷却装置と、
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信号経路と、
上記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信号経路とインピーダンス整合して第１信号経路へ出力し、上記第２信号経路に対してはインピーダンス不整合状態として上記入力された受信高周波信号を遮断し、非超伝導状態時には上記第２信号経路とインピーダンス整合して上記入力された受信高周波信号を第２信号経路へ出力し、上記第１信号経路に対してはインピーダンス無限大として上記入力された受信高周波信号を遮断する分岐点を有するストリップラインで形成される出力選択回路と、
を含み、
上記ストリップラインは、Ｔ字状のストリップラインであり、その第１の端に上記受信高周波信号が入力され、第２の端は上記第１信号経路の入力側に接続され、第３の端は上記第２信号経路の入力側に接続され、上記Ｔ字状のストリップラインの分岐点から上記第１信号経路までの経路の特性インピーダンスは、上記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の特性インピーダンスと整合する値であり、上記分岐点から上記第１信号経路までの長さは、上記第１信号経路が非超伝導状態において上記分岐点から上記第１信号経路を見たインピーダンスが無限大に近くなるように選定され、上記分岐点から上記第２信号経路までの長さは０以上である。
【請求項２】
請求項１に記載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、上記高周波ユ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。
【請求項３】
請求項１に記載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。
【請求項４】
請求項３に記載の高周波ユニットにおいて、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イッチ素子が挿入されている。
【請求項５】
請求項２乃至４の何れかに記載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イッチ素子と、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イッチ素子を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。
【請求項６】
請求項１に記載の高周波ユニットにおいて、上記スイッチ素子は上記分岐点に形成されたＭＥＭＳ  ＲＦスイッチである。
【請求項７】
請求項５に記載の高周波ユニットにおいて、上記検出器は、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イッチ素子をＯＮとする手段である。
【請求項８】
請求項５に記載の高周波ユニットにおいて、上記検出器は、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イッチ素子をＯＮとする手段である。
【請求項９】
請求項１乃至４の何れかに記載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。
【請求項１０】
請求項１乃至４の何れかに記載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。
【請求項１１】
請求項２に記載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。
【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に使用される高周波ユニットに関する。
【０００２】
【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／Ｎ（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。
【０００３】
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、帯域フィルタ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。
【０００４】
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８1, 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ＳＣ１のアンテナ１1, １2は異なる熱遮蔽函８1, ８3内の帯域フィルタ３1, ３2に接続され、セクタＳＣ２のアンテナ１3, １4は異なる熱遮蔽函８1, ８2内の帯域フィルタ３3, ３4に接続され、セクタＳＣ３のアンテナ１5, １6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３1, ３2の出力はダイバーシチ受信機９1に接続され、帯域フィルタ３3, ３4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の出力はダイバーシチ受信機９3に接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この構成によれば、例えばセクタＳＣ１及びセクタＳＣ２の帯域フィルタ３1,３3を収容する熱遮蔽函８1が故障すれば、ダイバ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３1〜３6により処理を行い、帯域フィルタ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９1, 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／Ｎが劣化する。
【０００６】
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は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ユニットを提供することである。
この発明による高周波ユニットは、
熱遮蔽函と、
上記熱遮蔽函内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。
【０００８】
【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力インピー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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１関連例
この発明に関連する高感度無線受信装置の第１関連例を図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ＳＣ１におけるアンテナ１1からの受信信号を入力するアンテナ端子２1と、アンテナ端子２1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３1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４1と、低雑音増幅器４1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５1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２1〜２6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。
【００１０】
また、アンテナ１2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１2を送信と受信で共用するための送受共用器６1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６1は送信高周波信号を入力するための入力端子７1を有している。
【００１１】
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５1と５2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２０により選択されセクタ出力端子221から出力される。
セクタＳＣ１と同様にセクタＳＣ２においても、アンテナ１3, １4、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ＳＣ３においてもセクタＳＣ１と同様に、アンテナ１5, １6、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ＳＣ２、ＳＣ３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２０により選択されてセクタ出力端子212, 213から出力される。
【００１２】
この関連例においては、帯域フィルタ３1と低雑音増幅器４1の直列接続は熱遮蔽函８1に封入され、外部と断熱されるとともに冷却装置９1により冷却される。これら帯域フィルタ３1、低雑音増幅器４1、熱遮蔽函８1、冷却装置９1は高周波ユニット５０1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ユニット５０3〜５０6を構成している。送受共用器６1〜６3及び高周波ユニット５０1〜５０6は筺体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４1〜４6、並びに冷却装置９1〜９6にはそれぞれ動作電力が供給されている。
【００１３】
送受共用器６1〜６3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６Ａ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６Ｂ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６Ｃ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６Ｂ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６Ａ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。
【００１４】
熱遮蔽函８1〜８6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８1〜８6の内部に封入された帯域フィルタ３1〜３6、及び低雑音増幅器４1〜４6は冷却装置９1〜９6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。冷却装置９1〜９6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。
【００１５】
このように、帯域フィルタ３1〜３6、及び低雑音増幅器４1〜４6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３1〜３6、及び低雑音増幅器４1〜４6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Ｃ／Ｎ（搬送波電力／雑音電力）の受信出力を得ることができ、かつ規定された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済む、等の効果を得ることができる。
【００１６】
しかも、この関連例では、各アンテナに対応した帯域フィルタ３iと低雑音増幅器４iの直列接続は個別に設けられた冷却装置９i(i=1,2,...,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っても、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。
【００１７】
第２関連例
図４はこの発明に関連する高感度無線受信装置の第２関連例を示す。この関連例では、筺体１０内に２つの熱遮蔽函８1, ８2が設けられ、熱遮蔽函８1内には超伝導帯域フィルタ３1, ３2, ３3とそれらの出力に接続された低雑音増幅器４1, 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４1〜４3、４4〜４6の出力は出力端子５1〜５3、５4〜５6を介して筺体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８1, ８2はそれぞれ冷却装置９1, ９2により内部が冷却されている。この関連例においては、３組の直列接続された帯域フィルタ３1〜３3と低雑音増幅器４1〜４3と、熱遮蔽函８1と、冷却装置９1は３つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函８1と冷却装置９1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つの高周波ユ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１1, １2からの受信高周波信号は、アンテナ端子２1, ２2に与えられ、一方は直接、他方は送受共用器６1を介して別々の熱遮蔽函８1, ８2に収容された帯域フィルタ３1, ３4に入力される。
【００１８】
第２セクタについても同様であり、アンテナ１3からの受信高周波信号は、アンテナ端子２3を介して一方の熱遮蔽函８1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１4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１5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８1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１4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。
【００１９】
このように、この第２関連例では帯域フィルタ３1〜３3、及び低雑音増幅器４1〜４3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３1〜３3、及び低雑音増幅器４1〜４3は熱遮蔽函８1に封入されると共に冷却装置９1で冷却され、帯域フィルタ３4〜３6、及び低雑音増幅器４4〜４6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。
【００２０】
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８1, 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２1, ２2と帯域フィルタ３1, ３4の接続を入れ替えてもよいし、アンテナ端子２3, 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９1又は９2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、この関連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。
【００２１】
第３関連例
図５にこの発明に関連する高感度無線受信装置の第３関連例を示す。この関連例では、筺体１０内に３つの熱遮蔽函８1, ８2, ８3と、それらに対する冷却装置９1, 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８1, 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８1には帯域フィルタ３1, ３2とそれらに接続された低雑音増幅器４1, 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には帯域フィルタ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。
【００２２】
この関連例では２組の直列接続された帯域フィルタ３1, ３2と低雑音増幅器４1, ４2と、熱遮蔽函８1と、冷却装置９1は２つの高周波ユニットを構成しているが、熱遮蔽函８1と冷却装置９1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つの高周波ユニットを構成し、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, ３6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。
【００２３】
図５に示すアンテナ端子２1〜２6と帯域フィルタ３1〜３6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の関連例と同様に、冷却装置９1、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。
【００２４】
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。例えば６セクタの場合では１２本のアンテナが必要となり、組合せとしては１２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の関連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の関連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の関連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、１２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。
【００２５】
上記の各関連例では、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。
【００２６】
上述の各関連例において、帯域フィルタ３1〜３6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。
【００２７】
超伝導材料としては、例えばBi、Tl、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77.4Ｋ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。
【００２８】
第１実施例
上述の各関連例においては、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ユ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の関連例における熱遮蔽函８1〜８6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。
【００２９】
この実施例の高周波ユニットは、同軸ケーブル８ａ、同軸コネクタ８C1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８b、同軸コネクタ８C2とを有する。この信号経路を第１信号経路ＳＰ１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８Ｓ上に密着固定され、冷却基板８Ｓは冷却装置９により冷却される。
【００３０】
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１１と結合器１７がそれぞれ挿入されており、出力選択回路１１からスイッチ素子１３、帯域フィルタ１５、低雑音増幅器１６の直列接続を経由して結合器１７に到る第２受信信号経路ＳＰ２が設けられている。
出力選択回路１１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ＳＰ１と、スイッチ素子１３と常温帯域フィルタ１５と低雑音増幅器１６の直列接続を通る第２信号経路ＳＰ２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１５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ＳＰ１，ＳＰ２の出力側は結合器１７により結合され、出力選択回路１１により選択された信号経路からの信号が出力される。
【００３１】
第１信号経路ＳＰ１の出力選択回路１１と同軸コネクタ８C1との間にサーキュレータ１２が挿入されており、出力選択回路１１からの受信高周波信号はサーキュレータ１２を通ってそのまま同軸コネクタ８C1に供給される。熱遮蔽函８の温度が臨界点より高くなって帯域フィルタ３のインピーダンスが変化し、その結果同軸ケーブル８C1との間にイ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、サーキュレータ１２を通してレベル検出器１４に供給される。レベル検出器１４は、予め決めたレベル以上の反射波を検出すると、スイッチ素子１３をＯＮに制御し、第２信号経路ＳＰ２を導通させる。
【００３２】
図７は出力選択回路１１の一例を示し、Ｔ字状のマイクロストリップ線路によって構成されている。Ｏ点は受信信号の入力端であり、Ｓ点はスイッチ素子１３、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Ｌ１,Ｌ２,Ｌ３はそれぞれ分岐点までの線路長を示す。Ｌ１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。
【００３３】
線路長Ｌ２,Ｌ３は次のように定める。図８はスミス・チャート上の帯域フィルタ３の入力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インピーダンスを示し、超伝導状態では同軸ケーブル８ａとインピー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のインピーダンスはＢ点に移り、同軸ケーブル８ａとイ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、スイッチ素子１３をＯＦＦとすることによりＳ点のインピーダンスを不整合状態とし、Ｒ点のインピーダンスを無限大とするようにＬ３を設計することで、Ｓ点方向への信号伝達を阻止する。
【００３４】
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、０dBの場合には無損失で伝達することを示し、−１０dBの場合には信号が１０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Ｌ２を定める。なお、この時スイッチ素子１３をＯＮとすることによりＳ点ではインピーダンス整合はとれている。
【００３５】
線路長Ｌ２を０からλ/2まで変化させたとき、線路Ｌ２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、λは出力選択回路１１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Ｌ２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１１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７の点Ｐから点Ｔまでの線路の特性インピーダンスは超伝導フィルタの特性イ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Ｌ２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。
【００３６】
図１０は線路長Ｌ２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Ｏ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ＳＰ１の帯域フィルタ３を回避して第２信号経路ＳＰ２の帯域フィルタ１５へと信号を効率よく伝達することができる。
【００３７】
図１１に、スイッチ素子１３としてＭＥＭＳ  ＲＦスイッチを用いた場合の出力選択回路１１の実施例を示す。図７に示した出力選択回路１１との違いはＬ３が０となっている点である。これはＭＥＭＳ  ＲＦスイッチの特性として、ＯＮ状態には物理的にスイッチ内の端子間を接続し、ＯＦＦ状態には物理的にスイ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ＭＥＭＳ  ＲＦスイッチがＯＮ状態の時は整合に、ＭＥＭＳ  ＲＦスイッチがＯＦＦ状態の時は解放にすることが可能なためである。Ｌ３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。
【００３８】
スイッチ素子１３は、ＯＮ状態時にはインピー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ＰＩＮダイオードによるＲＦスイッチやＭＥＭＳ (Microelectromechanical Systems)ＲＦスイッチ（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。
【００３９】
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）がサーキュレータ１２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はスイッチ素子１３をＯＮとし、出力選択回路１１からの受信高周波信号は第２信号経路ＳＰ２を経由して結合器１７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、スイッチ素子１３はＯＦＦに保持されている。
【００４０】
第２信号経路ＳＰ２の帯域フィルタ１５及び低雑音増幅器１６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。
【００４１】
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、スイッチ素子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１８Ｓを設け、その検出温度を判定器１８で臨界温度値と比較し、臨界温度以上であればスイッチ素子１３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関連例にも適用できる。ただし、図４及び５の関連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ユニットで共用されることになる。
【００４２】
第２実施例
図１２はこの発明による高周波ユ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１１、スイッチ素子１３、帯域フィルタ１５、低雑音増幅器１６、サーキュレータ１２、及びレベル検出器１４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１１及びサーキュレータ１２で発生される熱雑音を低減することが可能である。
【００４３】
第３実施例
図１２の実施例において、第２信号経路ＳＰ２のスイッチ素子１３、帯域フィルタ１５、低雑音増幅器１６を図１３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１３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１８Ｓで検出した温度を判定器１８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１３をＯＮに制御する場合を示している。
【００４４】
第４実施例
図１４にこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例では、図１２の実施例における結合器１７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１７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１７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１２における同軸ケーブル８ｃ及び同軸コネクタ８C3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、スイッチ素子１３、帯域フィルタ１５、低雑音増幅器１６を熱遮蔽函８の外に配置し、冷却しなくても良い。
【００４５】
第５実施例
図１５はこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例は図１４の実施例において、２つの低雑音増幅器４、１６と結合器１７の代わりに入力選択回路１９と１つの低雑音増幅器４を設け、帯域フィルタ３と１５のいずれかの出力を入力選択回路１９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。
【００４６】
図１６は図１５における入力選択回路１９の構成例を示す。Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６は線路長を示す。Ｌ４については前述のＬ１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。Ｌ５、Ｌ６については図７及び８で説明したＬ２、Ｌ３の求め方と同様の手法を利用する。即ち、Ｌ６は帯域フィルタ３が超伝導状態にあり、スイッチ素子１３がＯＦＦ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、Ｌ５は帯域フィルタ３が超伝導状態にない場合にＰ'点のイ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１５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２１により、第２信号経路ＳＰ２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。
【００４７】
第６実施例
図１７はこの発明による高周波ユニットの他の実施例を示す。この実施例は、図１５の実施例において帯域フィルタ１５と入力選択回路１９との間にスイッチ素子３１を設け、レベル検出器１４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イッチ素子１３、２１をＯＮに制御するように構成されている。帯域フィルタ１５と入力選択回路１９の間にスイッチ素子３１を挿入することにより、帯域フィルタ１５としてどのようなフィルタを使用しても、図１６のＳ'点のインピーダンスがスイッチ素子３１により決定され、このイ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Ｌ６を定めることができる。従って帯域フィルタ１５としてどのようなものを使用しても、Ｌ６を新たに設計する必要がないため、図１５の実施例と比較して帯域フィルタ１５に対する汎用性が高い。なお、スイッチ素子３１は、スイッチ素子１３と同様に、レベル検出器１４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ＯＦＦ、超伝導状態にない時にはＯＮとする。
【００４８】
図１８にスイッチ素子３１としてＭＥＭＳ  ＲＦスイッチを使用した場合の入力選択回路２１の実施例を示す。図１６による入力選択回路１９と比較してＬ６が０となっている点が異なっている。これは図１１における出力選択回路１１の実施例の場合と同様に、スイッチ素子としてＭＥＭＳ  ＲＦスイッチを使用することによる。Ｌ６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。
【００４９】
前述した図６、１２〜１５、１７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１１及び入力選択回路１９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、１２〜１５、１７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関連例のいずれにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は従来技術による高感度無線受信装置の例を示すブロック図。
【図２】図２はこの発明に関連する高感度無線受信装置の第１関連例を示すブロック図。
【図３】図３は送受共用器の一例を示すブロック図。
【図４】図４は第２の関連例を示すブロック図。
【図５】図５は第３の関連例を示すブロック図。
【図６】図６はこの発明による高周波ユニットの第１実施例を示すブロック図。
【図７】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】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】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１０】図１０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１１】図１１はスイッチ素子にＭＥＭＳ ＲＦスイッチを用いた場合の出力選択回路の構成例を示す図。
【図１２】図１２はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図１３】図１３はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図１４】図１４はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図１５】図１５はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図１６】図１６は図１５の高周波ユニットに用いられる入力選択回路の構成例を示す図。
【図１７】図１７はこの発明による高周波ユニットの他の構成例を示す図。
【図１８】図１８はスイッチ素子にＭＥＭＳ ＲＦスイッチを用いた場合の入力選択回路の構成例を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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