DE60303727T2

DE60303727T2 - Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE60303727T2
Application number: DE60303727T
Authority: DE
Inventors: Inc. Intel.Propert.Dept. Ning NTT DoCoMo Chen; Inc. Int.Prop.Dep Yoshiaki NTT DoCoMo Tarusawa; Inc. Intel.Propert.Dept. Kei NTT DoCoMo Satoh; Inc. Int.Prop.Dep Shoichi NTT DoCoMo Narahashi; Inc. Int.Prop.Dep Noriyoshi NTT DoCoMo Terada; Inc. Intel.Prop.Dept. Toshio NTT DoCoMo Nojima
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: CN1507163A; EP1427112B1; DE60303727D1; CN1287534C; US20040162042A1; US7327996B2; EP1427112A2; EP1427112A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Funkempfänger, der beispielsweise in einem Mobilkommunikations-Basisstationssystem benutzt werden kann, und insbesondere auf einen Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit, der durch das Kühlen einer Funkfrequenzempfängergruppe eine verbesserte Empfangsempfindlichkeit zeigt und der ein empfangenes Signal in ein optisches Signal umwandelt, das als Ausgabe übergeben wird.
STAND DER TECHNIK
1 zeigt ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Funkempfängers mit hoher Empfindlichkeit.
Der herkömmliche Empfänger mit hoher Empfindlichkeit beinhaltet eine Antenne 1, eine Antennenspeisung 2, um ein durch die Antenne 1 empfangenes Signal zu übertragen, einen Empfangs-Bandpassfilter (nachfolgend als "RXF" bezeichnet) 3, um ein Signal in einem gewünschten Band auszuwählen, einen rauscharmen Empfangsverstärker (nachfolgend als "LNA" bezeichnet) 4, um eine Ausgabe vom RFX3 auf einen gewünschten Pegel zu verstärken, eine Laserdiode (nachfolgend als "LD" bezeichnet) 5, einen Ausgangsanschluss 6, einen durch ein optisches Faserkabel gebildeten Übertragungsweg 20, und einen optoelektronischen Wandler (nachfolgend als "O/E" bezeichnet) 21. RXF 3, LNA 4 und LN5 sind in einem einzigen Gehäuse enthalten. Obwohl nicht gezeigt, kann zwischen RXF 3 und LNA 4 ein Isolator vorgesehen sein, um eine Anpassung zwischen ihnen zu erzielen. Damit der Ausgangsanschluss 6 ein optisches Signal zu liefert, wandelt LD 5 ein vom LNA 4 ausgegebenes elektrisches Signal in ein optisches Signal. Das von dem Ausgangsanschluss 6 gelieferte optische Signal wird auf dem Übertragungsweg 20 übermittelt und wird durch O/E 21 wieder in ein als Empfangssignal zu lieferndes elektrisches Signal umgewandelt. (siehe beispielsweise Literaturhinweis 1: Ta-Shing Chu, Fellow, IEEE, and Michael J. Gans, "Fiber Optic Microcellular Radio", IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, Bd.40, No.3, AUGUST 1991, S.599-606). Eine Baugruppe, welche LD 5, Ausgangsanschluss 6, Übertragungsweg 20 und O/E 21 beinhaltet, wird als eine optische Übertragungsbaugruppe bezeichnet.
In dem oben erwähnten Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit wird das Empfangssignal, das von LNA 4 geliefert wird, von LD 5 in ein optisches Signal umgewandelt, bevor es auf dem optischen Faserkabel übertragen wird. Entsprechend wird im Vergleich zur Übertragung eines elektrischen Signals, die ein Koaxialkabel benutzt, eine Verminderung des Gewichts und des Verlusts und eine Erhöhung der Bandbreite des Übertragungsweges erreicht.
Eine funktionelle Anordnung eines herkömmlichen Funkempfängers mit hoher Empfindlichkeit, der für die Antenne 1 eine Array-Antenne benutzt, wird in Bezug auf 2 beschrieben. Es wird eine Anordnung für die Anzahl n=4 von Antennen-Elementen veranschaulicht.
Der gezeigte herkömmliche Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit beinhaltet die Antenne 1, die aus 4 Antennen-Elementen 1a, 1b, 1c und 1d geformt ist, eine Element-Speisungsleitung 2 (2a, 2b, 2c und 2d), die mit jedem Element verbunden ist, einen Empfangsphasenschieber 14, gebildet durch Empfangsphasenschieber-Schaltkreise (14a, 14b, 14c, 14d), der die Phasendifferenzen zwischen den Empfangssignalen der jeweiligen Element-Speisungsleitungen ausgleicht, ein Empfangs-Bandpassfiltermittel (RXF 3), das Filter (3a, 3b, 3c, 3d) enthält, die in gewünschten Empfangsbändern Signale der Empfangsphasenschieber-Schaltkreise 14a, 14b, 14c und 14d auswählen und übergeben, einen rauscharmen Empfangsverstärker (LNA) 4 (gebildet aus Verstärkergruppen 4a, 4b, 4c, 4d), der eine rauscharme Verstärkung der entsprechenden Ausgaben von RXF 3 auf gewünschte Pegel liefert, einen Synthesizer 15, um die Ausgaben der einzelnen Gruppen von LNA 4 zusammenzusetzen, LD 5, die eine Ausgabe des Synthesizers 15 in ein optisches Signal umwandelt, einen Empfänger-Ausgangsanschluss, der das Ausgabesignal von LD 5 liefert, eine Übertragungsleitung 20, die durch ein optisches Faserkabel gebildet wird, und O/E 21. Der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4, der Synthesizer 15 und LD 5 sind in einem Gehäuse 7 enthalten.
Der Empfangsphasenschieber 14 ist beispielsweise wie in 3 dargestellt konstruiert. Empfangssignale mit einer Wellenlänge λ, welche unter einem Einfallswinkel θ einfallen, erreichen die Antenne mit einer Phasendifferenz von 2πd sinθ/λ zwischen angrenzenden Antennen-Elementen, die voneinander durch einen Abstand d getrennt sind. (In dem in 3 gezeigten Beispiel, hat das Empfangssignal eine Phasenverzögerung, die in einer Richtung von 1d nach 1a ansteigt.) Entsprechend werden die Empfangssignale von den Antennen-Elementen 1b, 1c und 1d unter aufeinanderfolgender Addition einer nacheilenden Phasenverschiebung von Δϕ=2πd sinθ/λ, wie vom Empfangssignal des Antennen-Elements 1a vorgegeben, zusammengesetzt. Wenn die Signale unter der durch den Einfallswinkel θ angegebenen Richtung einfallen, werden dementsprechend die Empfangssignale der einzelnen Antennen-Elemente mit einer gleichen Phase zusammengesetzt, um den stärksten Empfang zu erreichen, wodurch man dem Zentrum des Antennenstrahls erlaubt, sich in die durch den Einfallswinkel θ angegebene Richtung zu richten. In einem Mobilkommunikations-Basisstationssystem kann eine Konstruktion eingesetzt werden, welche die Empfangsempfindlichkeit der Basisstation in Bezug auf das von einer mobilen Station, die im Bereich der Basisstation liegt, übertragene Signal durch Neigen des Zentrums des Antennenstrahls gegen die Bodenoberfläche erhöht. Obwohl in 3 nicht gezeigt, kann, wo die Antenne 1 ebenfalls als Sendeantenne benutzt wird, das Zentrum des Sende-Antennenstrahls der Basisstation gegen die Bodenoberfläche geneigt werden, um Funkinterferenzen mit angrenzenden Gebieten zu reduzieren.
Das vom Synthesizer 15 gelieferte Empfangssignal des in 2 gezeigten herkömmlichen Empfängers wird durch LD 5 auf die gleiche Weise, wie in 1 gezeigt, in ein optisches Signal umgewandelt, und das optische Signal wird auf der Übertragungsleitung 20 übermittelt und durch O/E 21 wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, um von Verstärkergruppen (4a bis 4d), die von den Energieversorgungsanschlüssen 50a bis 50d mit Betriebsenergie versorgt werden, als Empfangssignale geliefert zu werden.
Ein Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit, der mit einer Array-Antenne ausgestattet ist, kann gekühlt werden, um die Empfangsempfindlichkeit zu erhöhen, wie beispielsweise in dem U.S.-Patent Nr. 6.480.706 offenbart ist. Speziell können, wie in unterbrochenen Linien in 2 dargestellt, der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 auf die gleiche Art wie der Empfänger mit hoher Empfindlichkeit in 1 in einem Wärmeabschirm- bzw. -schutzbehälter 8 enthalten sein, der durch ein Kühlungsmittel 9 gekühlt wird, um sie auf einer gegebenen Temperatur zu halten. Zu dem Kühlungsmittel 9 gehört ein Kühlkopf mit einem Kühlteil 9a, das von einer Kupferplatte, auf welcher der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 montiert sind, gebildet ist. Der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3 und dergleichen sind aus einem supraleitenden Material gebildet, das durch die Kühlung einen supraleitenden Zustand annimmt, und werden durch das Kühlungsmittel 9 gekühlt, bis der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3 und dergleichen einen supraleitenden Zustand annehmen, und werden auf einer solchen Temperatur gehalten, um eine drastische Abnahme des Schaltungsverlustes zu erreichen. Eine Betriebsenergie für das Kühlungsmittel 9 wird vom Energieversorgungsanschluss 90 eingespeist.
In den in 1 und 2 gezeigten herkömmlichen Empfängern mit hoher Empfindlichkeit hat eine optische Übertragungsbaugruppe 22 des Empfängers einen Dynamikbereich (nachfolgend als "DR" bezeichnet), der ein Parameter ist, welcher die Verstärkung, Rauschen und Verzerrungsantworten der optischen Übertragungsbaugruppe vollständig widerspiegelt. Die Definition des Dynamikbereichs wird nun in Bezug auf 4, wo die Abszisse die Frequenz und die Ordinate eine Ausgangsleistung angibt, beschrieben. Wenn zwei Trägersignale Sc1 und Sc2 mit den Frequenzen f1 und f2 und gleichem Pegel durch die optische Übertragungsbaugruppe 22 übertragen werden, ist ein Dynamikbereich DR definiert als ein unter der Bedingung, dass die Leistungen P_D1 und P_D2 der Kreuzmodulationsverzerrungs-Komponenten D1 und D2 zwischen den Frequenzen 2f1-f2 und 2f2-f1 nicht die Rauschleistung P_N übersteigen, maximales C/N-Verhältnis (Trägerleistung/Rauschleistung), das am Ausgang der optischen Übertragungsbaugruppe erreicht werden kann.
Ein Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit, wie oben erwähnt, ist oft im Außenbereich installiert, und in diesem Fall kann eine Änderung in der Umgebungstemperatur eine große Veränderung des E/O-Verhaltens der LD 5 verursachen. Der Dynamikbereich DR wird grundsätzlich durch die E/O-Verhalten der LD 5 beeinflusst und unterliegt so einer großen Veränderung, wenn die Umgebungstemperatur sich verändert.
Auf der anderen Seite ist die Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m als eine der Messzahlen bekannt, welche die Empfangsleistung eines Empfängers mit hoher Empfindlichkeit repräsentieren. Wenn die Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m hoch ist, kann eine Beziehung zwischen der Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m und dem Dynamikbereich DR durch folgende Näherung ausgedrückt werden:
(Siehe Veröffentlichung von T. Olson, "An RF and Microwave Fiber-Optic Design Guide", Microwave Journal, 1996, 39, (8) S.54-78). Entsprechend ist es möglich, dass eine geforderte Anzahl von multiplexierbaren Kanälen m nicht sichergestellt werden kann, wenn der Dynamikbereich DR einer Veränderung unterliegt.
Wenn, um ein Beispiel zu bringen, für LD 5 eine DFB-LD benutzt wird und wenn die Arbeitstemperatur von LD 5 bei Normaltemperatur steigt, beispielsweise von 298K (25°C) auf 318K (45°C), ist es möglich, dass der Dynamikbereich DR um 3,3dB reduziert werden kann. In diesem Fall wird, unter der Annahme, dass die Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m bei 298K gleich zweiunddreißig Wellen ist, nach Gleichung (1) eine entsprechende Anzahl bei 318K in der Größenordnung von zehn Wellen liegen, was eine sehr große Abnahme der Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m als Antwort auf einen Anstieg der Arbeitstemperatur von LD 5 belegt.
In Anbetracht dessen werden nach dem Stand der Technik generell Peltier-Elemente benutzt, um die Arbeitstemperatur von LD 5 zu stabilisieren. Jedoch ist es schwierig, im Außenbereich, wo sich die Umgebungstemperatur stark verändert, die Temperatur von LD 5 unter Benutzung von Peltier-Elementen zu stabilisieren. Aus diesem Grund war es extrem schwierig, den Dynamikbereich DR sicherzustellen, durch den eine gewünschte Anzahl von multiplexierbaren Kanälen m trotz irgendeiner Veränderung der Umgebungstemperatur stabil erreicht wird, wenn der herkömmliche Empfänger mit hoher Empfindlichkeit im Außenbereich installiert ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit zur Verfügung zu stellen, der unempfindlich gegen eine Änderung in der Umgebungstemperatur ist, um einen geringen Verlust/geringes Rauschen Verfügung zu stellen und dabei eine Erhöhung des Dynamikbereichs DR einer optischen Übertragungsbaugruppe gegenüber dem Stand der Technik zu ermöglichen, wenn ein Empfänger mit hoher Empfindlichkeit im Außenbereich installiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei einem Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung durchläuft ein empfangenes Funkfrequenzsignal ein Empfangs-Bandpassfiltermittel, um in ein Signal in einem gewünschten Frequenzband umgewandelt zu werden. Ein Ausgabesignal des Empfangs-Bandpassfiltermittels wird durch einen rauscharmen Empfangsverstärker einer rauscharmen Verstärkung auf einen gewünschten Pegel unterzogen, ein Ausgangssignal von ihm wird durch LD in ein auszugebendes optisches Signal umgewandelt. Das Empfangs-Bandpassfiltermittel und der rauscharme Empfangsverstärker sind in einem Wärmeschutzbehälter enthalten, der durch ein Kühlungsmittel auf eine im hohen Maße konstante Temperatur gekühlt ist. Speziell ist die LD ebenso in dem Wärmeschutzbehälter enthalten, um unterhalb einer normalen Temperatur gehalten zu werden.
Als eine Folge der beschriebenen Anordnung bietet die LD, da sie unterhalb einer normalen Temperatur gehalten wird, einen größeren Dynamikbereich als nach dem Stand der Technik, was eine Erhöhung der Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m erlaubt. Wenn der Empfänger einer Ver änderung der Temperatur ausgesetzt ist, wie sie im Stand der Technik vorkommt, macht dies den Empfänger weniger anfällig gegen eine Schwankung der Temperatur, wenn eine gleiche Anzahl von Kanälen in Betracht gezogen wird. Da das Empfangs-Bandpassfiltermittel und der rauscharme Empfangsverstärker ebenso gekühlt sind, ist die Entwicklung von thermischem Rauschen minimiert, was zu geringen Verlusten/geringem Rauschen beiträgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften funktionellen Anordnung eines herkömmlichen Empfängers mit hoher Empfindlichkeit;
2 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften funktionellen Anordnung eines herkömmlichen Array-Antennen-Empfängers mit hoher Empfindlichkeit;
3 ist eine schematische Darstellung der Funktionalität eines in 2 gezeigten Empfangsphasenschiebers;
4 ist eine Darstellung zur Beschreibung des Dynamikbereichs DR;
5 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Anordnung einer grundlegenden Ausgestaltung eines Empfängers mit hoher Empfindlichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 zeigt graphisch ein Ergebnis eines Experiments, welches das Dynamikbereich-DR-der-LD/Betriebstemperatur-Verhalten zeigt;
7 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und ein Heizwiderstandsteil gebildet sind;
8 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und ein Heizwiderstandsteil gebildet sind;
9 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und Heizwiderstandsteile gebildet sind;
10A ist ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils einer anderen Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und ein Heizwiderstandsteil gebildet sind;
10B ist ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils einer weiteren Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und ein Heizwiderstandsteil gebildet sind;
10C ist ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils noch einer anderen Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und Heizwiderstandsteile gebildet sind;
10D ist ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils noch einer anderen Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsteil und Heizwiderstandsteile gebildet werden;
11 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, die eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln benutzt;
12 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, die eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln benutzt;
13 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, die eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln benutzt;
14 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsmittel, das eine Mehrzahl von Teilen besitzt, gebildet ist;
15 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsmittel, das eine Mehrzahl von Teilen besitzt, gebildet ist;
16 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten durch ein Kühlungsmittel, das eine Mehrzahl von Teilen besitzt, gebildet ist;
17 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 5 gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
18 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 7 gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
19 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 10B gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
20 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 11 gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
21 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 14 gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
22 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausgestaltung eines Array-Antennen-Empfängers mit hoher Empfindlichkeit;
23 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel des in 22 gezeigten Phasen-Schiebungs-Synthesizers 16 zeigt;
24 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, das die Anwendung der in 5 gezeigten Ausgestaltung auf einen Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt;
25 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, bei der in einem Empfänger mit hoher Empfindlichkeit ein LD-Strom-Steuerungsmittel zur Verfügung gestellt wird;
26A ist eine Darstellung des Prinzips, nach dem eine LD benutzt wird, um ein Funkfrequenzsignal mit hoher Amplitude in ein optisches Signal umzuwandeln;
26B ist eine Darstellung des Prinzips, nach dem eine LD benutzt wird, um ein Funkfrequenzsignal mit kleiner Amplitude in ein optisches Signal umzuwandeln;
27 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der dem Empfänger mit hoher Empfindlichkeit ein Fehleranzeigemittel zur Verfügung gestellt wird;
28A ist ein Blockdiagramm einer Modifikation der Ausgestaltung 2;
28B ist ein Blockdiagramm einer Modifikation der Ausgestaltung 4; und
29 ist ein Blockdiagramm einer Ausgestaltung, in der die Geräte in Ausgestaltung 5 in drei zu kühlende Gruppen unterteilt sind.
ART UND WEISEN, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
AUSGESTALTUNG 1
5 zeigt eine Ausgestaltung eines Funkempfängers mit hoher Empfindlichkeit gemäß vorliegender Erfindung, und Teile, welche den in 1 gezeigten entsprechen, sind mit den gleichen Bezeichnungen, die vorher verwendet wurden, versehen. In der folgenden Beschreibung sind gezeigte Teile, die denjenigen entsprechen, die in Zeichnungen, welche oben erwähnt wurden, dargestellt sind, mit den gleichen Bezeichnungen versehen, und auf deren doppelte Beschreibung wird verzichtet. Im Vergleich zu der in 1 gezeigten Anordnung unterscheidet sich diese Ausgestaltung insofern, als RXF 3, LNA 4 und LD 5 in einen Wärmeschutzbehälter 8, der beispielsweise ein Dewar-Gefäß beinhalten kann, eingeschlossen sind und durch ein Kühlungsmittel 9 gekühlt werden, das in Reaktion auf eine Energieversorgung von außerhalb durch einen Energieversorgungsanschluss 90 arbeitet. In diesem Bespiel werden RXF 3, LNA 4 und LD 5 durch eine einzelne Kühleinheit gekühlt. Das Kühlungsmittel 9 besitzt einen Kühlkopf, auf den ein Kühlteil 9a montiert ist, und RXF 3, LNA 4 und LD 5 sind auf dem Kühlteil 9a montiert. Diese Geräte werden durch das gemeinsame Kühlteil 9a oder durch eine einzelne Kühleinheit gekühlt. Beides, der Wärmeschutzbehälter und das Kühlungsmittel 9, sind in einem einzigen Gehäuse 7 enthalten.
Eine kommerziell erhältliche Einheit, wie in dem zitierten U.S.-Patent gezeigt, kann als Kühlungsmittel 9 benutzt werden. Solch ein Kühlungsmittel benutzt beispielsweise einen Wärmeaustauschzyklus durch Kompression und Expansion von Helium-Gas und ist in der Lage, auf eine Temperatur in der Größenordnung von einigen zehn K herab zu kühlen. Es enthält einen Tiefsttemperatur-Kühler, einen Erhitzer, einen Temperaturfühler, der auf das Kühlteil 9a montiert ist, um seine Temperatur zu erfassen, und eine Temperatursteuerungsschaltung. Die Temperatursteuerungsschaltung vergleicht die Temperatur des Kühlteils 9a, die durch den Temperatursensor bestimmt wird, mit einer gewünschten Temperatur, und wenn das Kühlteil 9a eine höhere Temperatur aufweist, wird die Wärmeabsorption des Kühlers erhöht, während, wenn die Temperatur des Kühlteils niedrig ist, die Wärmeerzeugung des Erhitzers erhöht wird. Eine Regelung, die auf diese Weise stattfindet, hält die Arbeitstemperatur des Kühlteils 9a über längere Zeit stabil auf einer gewünschten Temperatur. Hier ist bevorzugt, dass die Temperatur von LD 5 durch einen Temperaturfühler Ts, wie durch die gepunkteten Linien in 5 angezeigt, ermittelt wird, um die Temperatur auf einem gewünschten Wert zu halten. Das Innere des Wärmeschutzbehälters 8 kann in einen Vakuumzustand versetzt werden, um eine Wärmeleitung zu einer Umgebung zu unterbrechen, um eine Belastung des Kühlers zu vermindern, und eine Vereisung von LD 5 als Folge der Sublimation von Wasserdampf in der Luft, wenn LD 5 auf tiefste Temperaturen gekühlt wird, zu verhindern.
Wenn LD 5 auf einen Punkt unterhalb einer normalen Temperatur gekühlt wird, kann der Dynamikbereich DR der optischen Übertragungsbaugruppe 22 erhöht werden. Ein Ergebnis eines exemplarischen Experiments, das die Reaktion einer LD vom DB-Typ auf die Arbeitstemperatur zeigt, wird in 6 gezeigt, wo die Abszisse die Temperatur angibt, während die Ordinate den Dynamikbereich DR angibt. In diesem Beispiel kann der Dynamikbereich DR der optischen Übertragungsbaugruppe gegenüber dem Dynamikbereich, der vorliegt, wenn die Arbeitstemperatur bei der Normaltemperatur von 298K (25°C) liegt, um einen Betrag in der Größenordnung von 7dB verbessert werden, wenn die Arbeitstemperatur auf 213K eingestellt wird. Angenommen, die Zahl der multiplexierbaren Kanäle m bei 298K beträgt zweiunddreißig Wellen, dann lässt sich aus Gleichung (1) ersehen, dass die Zahl der multiplexierbaren Kanäle m bei 213K auf mehr als dreihundertsechzig Wellen ansteigen wird. Auf diese Weise erlaubt die Entdeckung der vorliegenden Erfindung eine drastischen Steigerung der Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m durch Kühlung von LD 5 auf eine niedrige Temperatur.
Gemäß dieser Ausgestaltung, kann, wie oben erwähnt, der Dynamikbereich von LD 5 durch Kühlung von LD 5 auf einen Punkt unter einer normalen Temperatur vergrößert werden und, wenn eine gleiche Anzahl von multiplexierbaren Kanälen in Betracht gezogen wird, ist die Anordnung, verglichen mit dem Stand der Technik, entsprechend weniger anfällig gegen eine Änderung der Umgebungstemperatur. Zusätzlich werden RXF 3 und LNA 4 zusammen mit LD 5 innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 durch das Kühlungsmittel 9 gekühlt, um sie auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Mit anderen Worten wird eine Wärmekapazität, die größer als die erwartete Wärmekapazität zur Stabilisierung der LD durch Peltier-Elemente ist, auf eine gewünschte Tempe ratur gesteuert, und der Dynamikbereich von LD 5 ist darüber hinaus entsprechend weniger gegen den Einfluss einer Änderung der Umgebungstemperatur anfällig.
Das gilt ebenso für andere Ausgestaltungen, die unten beschrieben sind.
Wenn RXF 3 und LNA 4 in gleicher Weise gekühlt sind, um sie auf einer konstanten Kühltemperatur zu halten, kann einer Schwankung der elektrischen Antworten von RXF 3 und LNA 4 als Reaktion auf eine Änderung der Umgebungstemperatur vorgebeugt werden, was dazu beiträgt, den Dynamikbereich dieser Geräte zu erhöhen und das durch sie generierte thermische Rauschen zu vermindern. Wenn eine LD 5 mit einem E/O-Verhalten, welches den Dynamikbereich DR der optischen Übertragungseinheit bei oder nahe der kritischen Temperatur eines supraleitenden Materials (einige zehn K) oder der kritischen Temperatur eines bei höherer Temperatur supraleitenden Materials (z.B. 77,4K) maximiert, gewählt wird, wird ein RXF 3, das aus supraleitendem Material oder bei höherer Temperatur supraleitendem Material gebildet ist, benutzt, und wenn RXF 3, LNA 4 und LD 5 durch das Kühlungsmittel 9 auf einen Punkt unterhalb der kritischen Temperatur gekühlt werden, kann die Empfangsempfindlichkeit erhöht werden. Wenn in diesem Fall mehrerer Resonatorstufen genutzt werden, um RXF 3 zu konstruieren, bleibt der Verlust gering, da RXF 3 einen supraleitenden Zustand annimmt, wodurch es gelingt, ein Antwortverhalten von RXF 3 mit steiler Dämpfung zu erhalten.
Als eine Konsequenz erlaubt der Gebrauch eines Funkempfängers mit hoher Empfindlichkeit gemäß dieser Ausgestaltung, ein Empfangssignal von einem Niedrig-Pegel-Empfangssignal mit einem vorgeschriebenen C/N-Verhältnis unter gleichzeitiger Sicherstellung eines hinreichenden Dynamikbereichs DR für die optische Übertragungsbaugruppe 22 zu erhalten. An dem in 6 gezeigten Antwortverhalten ist zu erkennen, dass der Dynamikbereich DR bei einer Temperatur gleich oder unter 270K schart ansteigt, woraus zu ersehen ist, dass es vorzuziehen ist, LD 5 bei oder unter 270K zu halten. Ebenso ist zu sehen, dass in einem Temperaturbereich zwischen 240K und 200K der Dynamikbereich DR größer wird und mit der Temperaturänderung eine kleinere Änderung besitzt, was darauf hinweist, dass es vorzuziehen ist, LD 5 in diesem Bereich zu halten. Wo ein maximierter Dynamikbereich DR gewünscht ist, kann dies erreicht werden, indem LD 5 bei einer Temperatur in der Größenordnung von 213K gehalten wird.
Das Dynamikbereich DR – Betriebstemperatur – Verhalten von LD 5 ist nicht auf ein in 6 gezeigtes Verhalten beschränkt, sondern es ist vorzuziehen, LD 5 bei einer Temperatur unterhalb einer normalen Temperatur zu halten, die in einem Bereich liegt, wo eine Änderung des Dynamikbereichs DR relativ unempfindlich gegen den Einfluss des Temperaturänderung ist. In Anbetracht dieser Faktoren sollte ein Empfänger mit dem Ziel hoher Empfindlichkeit in Übereinstimmung mit einem gewünschten Dynamikbereich DR und einer gewünschten Empfangsempfindlichkeit so eingestellt werden, dass das eine davon einen am meisten bevorzugten Zustand annimmt, auch wenn das andere nicht in seinem am meisten bevorzugten Zustand ist. Der mit dem Kühlungsmittel 9 benutzte Temperaturfühler kann beispielsweise auf die gleiche Weise wie nach dem Stand der Technik positioniert werden, er kann so positioniert werden, dass er die Temperatur des Kühlungsmittels 9 ermittelt, um die Änderung im Dynamikbereich DR mit der Arbeitstemperatur im Vergleich zum Stand der Technik klein genug zu halten. Wenn jedoch der Temperaturfühler Ts benutzt wird, um, wie oben erwähnt, die Temperatur von LD 5 zu ermitteln, kann eine Änderung im Dynamikbereich DR mit einer Änderung der Betriebstemperatur weiter reduziert werden. All diese Betrachtungen werden auf jede einzelne der unten beschriebenen Ausgestaltungen angewandt.
AUSGESTALTUNG 2
In der Ausgestaltung 2 sind, RXF 3, LNA 4 und LD 5 in zwei Gruppen geteilt, deren eine durch eine erste Kühleinheit gekühlt wird, während die andere durch eine zweite Kühleinheit gekühlt wird.
7 zeigt eine Ausgestaltung, wo RXF 3 und LNA 4 auf der einen Seite und LD 5 auf der anderen Seite auf verschiedene Temperaturen gekühlt werden.
Was im Vergleich zu der in 5 gezeigten Anordnung unterschiedlich ist, ist die Tatsache, dass RXF 3 und LNA 4 direkt auf das Kühlteil 9a montiert sind, während LD 5 mit einem dazwischen gesetzten Heizwiderstandsteil 10-1 darauf montiert ist. Das bedeutet, dass RXF 3 und LNA 4 durch das Kühlteil 9a direkt gekühlt werden, während LD 5 über das Heizwiderstandsteil 10-1 durch das Kühlteil 9a gekühlt wird. Das Heizwiderstandsteil 10-1 hat eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit, und es wird beispielsweise eine Aluminiumplatte oder eine Keramikplatte, deren thermische Leitfähigkeit geringer als die einer Kupferplatte ist, benutzt.
Mit dieser Anordnung wird RXF 3 für eine längere Zeit auf stabile Weise auf einer ersten Temperatur gehalten. Das Heizwiderstandsteil 10-1 leitet die Wärme, die durch die Arbeit von LD 5 entsteht, zum Kühlteil 9a und hält LD 5 für längere Zeit in stabiler Weise auf einer zweiten Temperatur. So stellt die Benutzung des Heizwiderstands 10-1 einen geforderten Temperaturabstand zwischen der ersten und der zweiten Temperatur zur Verfügung.
Als erste Temperatur wird beispielsweise die kritische Temperatur des supraleitenden Materials gewählt, das benutzt wird, um RXF 3 zu bilden. Bei dieser Temperatur nimmt RXF 3 einen supraleitenden Zustand an. Wenn mehrere Resonatorstufen benutzt werden, um RXF 3 zu konstruieren, wird der Verlust entsprechend reduziert, und es kann eine steile Dämpfung des Antwortverhaltens erzielt werden, während gleichzeitig das von RXF 3 generierte thermische Rauschen reduziert wird.
Andererseits wird die zweite Temperatur als eine Temperatur gewählt, die notwendig ist, damit LD 5 in einer bevorzugten E/O-Reaktion arbeitet. Beispielsweise wird in den in 6 gezeigten exemplarischen experimentellen Daten der Dynamikbereich DR der optischen Übertragungsbaugruppe 22 durch das E/O-Verhalten von LD 5 bei der Temperatur von 213K maximiert. Um die Anzahl der multiplexierbaren Kanäle m der optischen Übertragungsbaugruppe 22 zu maximieren, ist es dementsprechend wünschenswert, wenn die zweite Temperatur von LD 5 auf 213K eingestellt wird.
Beispiele der ersten und der zweiten Temperatur wurden oben erwähnt. Jedoch ist die erste Temperatur, die für RXF 3 bevorzugt wird, nicht generell vereinbar mit der zweiten Temperatur, die für LD 5 bevorzugt wird. Entsprechend wird in der vorliegenden Ausgestaltung eine Temperatursteuerung durch das Kühlungsmittel 9 ausgeführt, um RXF 3 auf stabile Weise auf der ersten Temperatur zu halten, und das Heizwiderstandsteil 10-1 ist zwischen LD 5 und das Kühlteil 9a gesetzt, so dass LD 5 bei der zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur ist, stabilisiert wird. Ein geforderter Temperaturabstand zwischen der zweiten und der ersten Temperatur kann durch eine geeignete Wahl der thermischen Leitfähigkeit und der Zusammenstellung des Materials, das benutzt wird, um das Heizwiderstandsteil 10-1 zu konstruieren, erreicht werden.
Wir werden sehen, dass das Kühlungsmittel 9 betrachtet werden kann als eine Kühleinheit 91, die durch eine direkte thermische Verbindung mit dem Kühlteil 9a eine Kühlung durchführt, und eine andere Kühleinheit 92 enthaltend, die durch eine thermische Verbindung über das Heizwiderstandsteil 10-1 eine Kühlung durchführt. In dieser Ausgestaltung bilden RXF 3 und LNA 4 eine Gruppe, während LD 5 eine andere Gruppe bildet, und diese Gruppen werden durch die Kühleinheit 91 bzw. durch die Kühleinheit 92 gekühlt.
8 zeigt eine Ausgestaltung, in der RXF 3 eine Gruppe bildet, während LNA 4 und LD 5 eine andere Gruppe bilden, und diese Gruppen werden auf verschiedene Temperaturen gekühlt.
Verglichen mit der in 5 gezeigten Anordnung unterscheidet sich diese Ausgestaltung insofern, als RXF 3 durch das dazwischen gesetzte Heizwiderstandsteil 10-2 auf das Kühlteil 9a montiert ist und durch die Kühleinheit 92 gekühlt wird, während LNA 4 und LD 5 direkt auf das Kühlteil 9a montiert sind und durch die Kühleinheit 91 gekühlt werden. RXF 3 wird durch das Kühlteil 9a über das dazwischen gesetzte Heizwiderstandsteil 10-2 gekühlt und wird auf stabile Weise für längere Zeit auf einer ersten Temperatur gehalten. LD 5 wird direkt durch das Kühlteil 9a gekühlt und wird auf stabile Weise für längere Zeit auf der zweiten Temperatur, die unter der ersten Temperatur liegt, gehalten. Der Grund hierfür ist, dass es abhängig von der Charakteristik von LD 5 möglich ist, dass die Arbeitstemperatur, bei welcher der Dynamikbereich DR maximiert ist, niedriger liegen kann als die kritische Temperatur von für RXF 3, und umgekehrt, ein bei höheren Temperaturen supraleitendes Material, das eine kritische Temperatur gleich oder höher als 77,4K besitzt, gefunden werden kann und aus diesem Grund kann die in 8 gezeigte Anordnung wirkungsvoll sein.
9 zeigt eine Ausgestaltung, in der RXF 3, LNA 4 und LD 5 getrennt auf unterschiedliche Temperaturen gekühlt werden.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zur Anordnung von 7 besteht in der Tatsache, dass RXF 3 über das dazwischen gesetzte Heizwiderstandsteil 10-2 durch das Kühlteil 9a gekühlt wird. In der in 9 gezeigten Anordnung werden RXF 3, LNA 4 und LD 5 auf stabile Weise für längere Zeit auf einer ersten Temperatur, einer zweiten Temperatur bzw. einer dritten Temperatur gehalten. Das Vorhandensein der Heizwiderstandsteile 10-2 und 10-1 erlaubt es, einen gewünschten Temperaturabstand zwischen der ersten und dritten Temperatur und einen gewünschten Temperaturabstand zwischen der zweiten und dritten Temperatur einzustellen. Für RXF 3, das aus einem bei höheren Temperaturen supraleitenden Material konstruiert ist, kann die erste Temperatur bei oder um 77K liegen, die zweite Temperatur für die LD 5, kann bei 213K liegen, was durch die in 6 gezeigten exemplarischen, experimentellen Daten dargestellt wird, und die dritte Temperatur kann auf die Größenordnung einiger zehn K eingestellt werden, um das im LNA 4 generierte thermische Rauschen zu minimieren, um Beispiele der ersten, zweiten und dritten Temperatur zu geben.
Das in der Ausgestaltung von 9 benutzte Kühlungsmittel 9 kann betrachtet werden, als enthalte es eine Kühleinheit 91, die direkt durch das Kühlteil 9a gekühlt wird, und zwei andere Kühleinheiten 92-1 und 92-2, die über die Heizwiderstandsteile 10-1 bzw. 10-2 gekühlt werden.
Wie sich aus der obigen Beschreibung mehrerer Ausgestaltungen versteht, kühlt das Kühlungsmittel 9 das Innere des Wärmeschutzbehälters 8 auf eine gegebene Temperatur. Es kann jedoch erforderlich sein, dass RXF 3, LNA 4 und LD 5 alle auf eine gemeinsame Temperatur gesteuert werden oder dass ein Gerät auf einer konstanten Temperatur, die sich von derjenigen der beiden anderen Geräte unterscheidet, gehalten wird oder dass alle Geräte auf jeweils unterschiedlichen konstanten Temperaturen gehalten werden. Aufgrund dieser Anforderungen ist es wünschenswert, die Temperatur eines einzelnen Gerätes mit einem Temperaturfühler zu ermitteln und sie in Abhängigkeit von der geforderten Leistung des Empfängers auf eine gewünschte Temperatur zu steuern und andere Geräte im Wesentlichen auf ihre beabsichtigten Temperaturen zu steuern. Dies gilt ebenso für Ausgestaltungen, die unten beschrieben werden.
Andere Ausgestaltungen, die ein Kühlungsmittel 9 benutzen, das eine Mehrzahl von Kühleinheiten beinhaltet, die ein Kühlteil 9a und ein Heizwiderstandsteil oder -teile benutzen, um RXF 3, LNA 4 und LD 5 zu kühlen, werden schematisch in den 10A bis 10D gezeigt. In 10A kühlt die Kühleinheit 91 RXF 3 und die Kühleinheit 92 kühlt LNA 4 und LD 5. In 10B kühlt die Kühleinheit 91 LD 5 und die Kühleinheit 92 kühlt RXF 3 und LNA 4. In 10C kühlt die Kühleinheit 91 LD 5, eine Kühleinheit 92-1 kühlt RXF 3 und eine Kühleinheit 92-2 kühlt LNA 4. In 10D kühlt die Kühleinheit 91 RXF 3, die Kühleinheit 92-1 kühlt LNA 4 und die Kühleinheit 92-2 kühlt LD 5.
AUSGESTALTUNG 3
Ausgestaltung 3 benutzt eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln, die als eine Mehrzahl von Kühleinheiten von Kühlungsmitteln 9 zur Verfügung gestellt werden. Diese Ausgestaltung wird in 11 gezeigt.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung besteht in der Tatsache, dass RXF 3 und LNA 4 durch ein erstes Kühlungsmittel 9-1 gekühlt werden, während LD 5 durch ein zweites Kühlungsmittel 9-2 gekühlt wird. Speziell sind RXF1 und LNA 4 auf das erste Kühlteil 9a1 im ersten Kühlungsmittel 9-1 montiert, um auf eine erste Temperatur gekühlt und auf stabile Weise für eine längere Zeit dort gehalten zu werden. LD 5 ist auf das Kühlteil 9a2 des zweiten Kühlungsmittels 9-2 montiert, um auf eine zweite Temperatur gekühlt und auf stabile Weise für eine längere Zeit dort gehalten zu werden. Der Zweck, zu dem das erste und das zweite Kühlungsmittel 9-1 und 9-2 zur Verfügung gestellt werden, ist, zu erlauben, dass die erste Temperatur für RXF 3 und die zweite Temperatur für LD 5 unabhängig eingestellt werden. Die Kühlungs mittel 9-1 und 9-2 bilden zusammen das Kühlungsmittel 9, das als zwei Kühleinheiten enthaltend, namentlich die Kühleinheit 91, gebildet von dem Kühlungsmittel 9-1, und die Kühleinheit 92, gebildet von dem Kühlungsmittel 9-2, betrachtet werden kann.
12 zeigt eine andere Ausgestaltung, die eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln benutzt.
In dieser Ausgestaltung sind RXF 3, LNA 4 und LD 5 jeweils auf einem Kühlteil 9a1 des Kühlungsmittels 9-1, auf einem Kühlteil 9a2 des zweiten Kühlungsmittels 9-2 und auf einem Kühlteil 9a3 des dritten Kühlungsmittels 9-3 montiert, um gekühlt zu werden. Mit dieser Anordnung werden RXF 3, LNA 4 und LD 5 jeweils auf stabile Weise über eine längere Zeit auf einer ersten Temperatur, einer zweiten Temperatur und einer dritten Temperatur gehalten. Um Beispiele der ersten, zweiten und dritten Temperatur zu geben, kann für RXF 3, der aus einem bei höheren Temperaturen supraleitenden Material gebildet ist, die erste Temperatur auf oder um 77K eingestellt werden, die zweite Temperatur kann auf die Größenordnung einiger zehn K eingestellt werden, um das von LNA 4 generierte thermische Rauschen zu minimieren, und die dritte Temperatur für die LD 5 kann auf 213K eingestellt werden, was durch die in 6 gezeigten experimentellen Daten dargestellt wird.
Das erste Kühlungsmittel 9-1, das zweite Kühlungsmittel 9-2 und das dritte Kühlungsmittel 9-3 bilden zusammen ein Kühlungsmittel 9, das als 3 drei Kühleinheiten, namentlich eine Kühleinheit 91, gebildet aus dem ersten Kühlungsmittel 9-1, eine Kühleinheit 92, gebildet aus dem zweiten Kühlungsmittel 9-2, und eine Kühleinheit 93, gebildet aus dem dritten Kühlungsmittel 9-3, enthaltend betrachtet werden kann. Ein anders Beispiel des Kühlungsmittels 9, das Kühleinheiten besitzt, die jeweils Kühlungsmittel enthalten, ist in 13 dargestellt. RXF 3 ist auf einem Kühlteil 9a1 des Kühlungsmittels 9-1, das als Kühleinheit 91 dient, montiert und LNA 4 und LD 5 sind auf einem Kühlteil 9a2 des Kühlungsmittels 9-2, das als Kühleinheit 92 dient, montiert.
AUSGESTALTUNG 4
Ausgestaltung 4 stellt ein Kühlungsmittel 9 dar, das eine Mehrzahl von Kühleinheiten besitzt, die durch jeweils ein Teil eines Kühlungsmittels; das eine Mehrzahl von Teilen besitzt, bedient werden. Diese Ausgestaltung wird in 14 dargestellt.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 5 gezeigten Anordnung besteht in der Verwendung eines zweiteiligen Kühlungsmittels 9', das als Kühlungsmittel 9 dient. RXF 3 und LNA 4 sind auf einem ersten Kühlteil 9s1 des zweiteiligen Kühlungsmittels 9', durch das sie gekühlt werden, montiert und LD 5 ist auf einem zweiten Kühlteil 9s2 des zweiteiligen Kühlungsmittels 9', durch das sie gekühlt wird, montiert. Kühlteile mit Kühltemperaturen, die unabhängig eingestellt werden können, werden nachfolgend als „Stufe" bezeichnet. Das zweiteilige Kühlungsmittel 9' ist als kommerzielles Produkt verfügbar. RXF 3 und LNA 4 werden für längere Zeit stabil auf einer ersten Temperatur, die für die erste Stufe 9s1 eingestellt wird, gehalten. LD 5 wird für längere Zeit stabil auf einer zweiten Temperatur, die für die zweite Stufe 9s2 eingestellt wird, gehalten.
Wie in 15 gezeigt, kann RXF 3 auf der ersten Stufe 9s1 montiert werden, und LNA 4 und LD 5 können beide auf der zweiten Stufe 9s2 montiert werden.
Wir werden sehen, dass die erste Stufe 9s1 und die zweite Stufe 9s2 die Kühleinheiten 91 und 92 des Kühlungsmittels 9 bilden.
16 zeigen eine andere Ausgestaltung, die ein Kühlmittel benutzt, das eine Mehrzahl von Teilen enthält.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der Anordnung in 15 besteht im Gebrauch eines dreiteiligen Kühlungsmittels 9'' als Kühlungsmittel 9. RXF 3, LNA 4 und LD 5 werden auf einer ersten Stufe 9s1, einer zweiten Stufe 9s2 bzw. einer dritten Stufe 9s3 des dreiteiligen Kühlungsmittels 9'' montiert. In dem dreiteiligen Kühlungsmittel 9'' können die Temperaturen der drei Teile unabhängig eingestellt werden. RXF 3, LNA 4 und LD 5 werden für längere Zeit stabil auf einer ersten, einer zweiten und einer dritten Temperatur, die für die erste, die zweite bzw. die dritte Stufe 9s1, 9s2 bzw. 9s3 eingestellt werden, gehalten. Als Beispiele für die erste, die zweite und die dritte Temperatur kann die erste Temperatur auf oder um 77K für RXF 3, das aus einem bei höheren Temperaturen supraleitenden Material gebildet wird, eingestellt werden, die zweite Temperatur kann in der Größenordnung von einigen zehn K eingestellt werden, um das von LNA 4 generierte thermische Rauschen zu minimieren, und die dritte Temperatur kann auf 213K für LD 5 eingestellt werden, was durch die in 6 gezeigten experimentellen Daten dargestellt wird.
Diese Geräte können in zwei Gruppen geteilt werden, wobei die eine RXF 3 und LD 5 und die andere LNA 4 enthält, und eine Gruppe kann durch Kühleinheit 91 gekühlt werden, während die andere Gruppe durch die Kühleinheit 92 gekühlt wird. Wenn, wie in 28A gezeigt, ein Heizwiderstandsteil benutzt wird, kann LNA 4 direkt auf einem Kühlteil 9a, das durch die Kühleinheit 91 gekühlt wird, montiert werden, während RXF 3 und LD 5 auf dem Kühlteil 9a über ein dazwischen gesetztes Heizwiderstandsteil 10-1 montiert werden. Umgekehrt kann RXF 3 und LD 5 direkt auf dem Kühlteil 9a montiert werden, während LNA 4 über ein dazwischen gesetztes Heizwiderstandsteil 10-1 auf das Kühlteil 9a montiert wird. Wenn das zweiteilige Kühlungsmittel 9' benutzt wird, können RXF 3 und LD 5 durch eine Kühleinheit 91, die eine erste Stufe 9s1 beinhaltet, gekühlt werden, während LNA 4 durch eine zweite Kühleinheit 92, die eine zweite Stufe 9s2 beinhaltet, gekühlt wird. Umgekehrt kann LNA 4 durch eine erste Stufe 9s1 gekühlt werden, während RXF 3 und LD 5 durch eine zweite Stufe gekühlt werden können. Das selbe gilt, wenn das erste Kühlungsmittel 13 und das zweite Kühlungsmittel 14 benutzt werden. Zusammenfassend sind die in den 5, 7 bis 16, 28A und 28B gezeigten Ausgestaltungen so zu verstehen, dass RXF 3, LNA 4 und LD 5 in s Gruppen geteilt werden können, die durch s Kühleinheiten gekühlt werden können, wobei s einen der Werte 1, 2 und 3 annimmt.
AUSGESTALTUNG 5
Ausgestaltung 5 stellt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Empfänger mit hoher Empfindlichkeit mit einer Array-Antenne dar.
17 zeigt eine Ausgestaltung, welche die Anwendung der Ausgestaltung 1 auf einen Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit darstellt.
Eine Antenne 1 ist auf die gleiche Weise wie in dem in 2 gezeigten herkömmlichen Empfänger aus 4 Antennen-Elementen 1a bis 1d gebildet. Jedoch sind ein Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4, ein Synthesizer 15 und LD 5, die auf gleiche in 2 gezeigte Weise gebildet werden, in dieser Ausgestaltung in einem Wärmeschutzbehälter 8 eingeschlossen, der mit einer Vakuum-Wärmeisolierung ausgestattet ist, um den Wärmefluss von außerhalb in die Box zu unterbrechen, und werden durch ein Kühlungsmittel 9 gekühlt, das in der Lage ist, eine sehr niedrige Temperatur, die beispielsweise einige zehn K betragen kann, stabil für längere Zeit zu halten. Damit wird in dieser Ausgestaltung ein Kühlungsmittel 9, das ähnlich zu dem in Verbindung mit der in 5 gezeigten Ausgestaltung beschriebenen ist, benutzt, und der Empfangsphasenschieber 14, RFX 3, LNA 4, der Synthesizer 15 und LD 5 sind auf dem Kühlteil 9a des Kühlungsmittels 9a montiert und so durch eine einzelne Kühleinheit gekühlt.
Wenn der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 der Synthesizer 15 und LD 5 für längere Zeit stabil auf tiefste Temperaturen gekühlt werden, kann das thermische Rauschen, das von diesen Geräten generiert wird, minimiert werden, und, sofern der Empfangsphasenschieber 14 und RXF 3 einen supraleitenden Zustand einnehmen, kann ihr Betriebsverlust minimiert werden. Als eine Konsequenz wird die Rauschzahl des Array-Antennen-Funkempfängers mit hoher Empfindlichkeit, der die Empfangsempfindlichkeit ist, signifikant verbessert. Wenn dieser Empfänger mit hoher Empfindlichkeit benutzt wird, kann damit von einem Empfangssignal mit niedrigem Pegel eine Ausgabe mit einem vorgegebenen C/N-Verhältnis erreicht werden und eine Sendeleistung auf der Senderseite, die benötigt wird, um die Ausgabe eines Empfangssignals mit einem vorgegeben C/N-Verhältnis zu erhalten, kann reduziert werden. Zusätzlich kann einem Vereisen von LD 5 als Ergebnis der Sublimation von Wasserdampf aus der Luft, wenn LD 5 auf tiefste Temperaturen gekühlt wird, vorgebeugt werden, wenn der Wärmeschutzbehälter 8 evakuiert wird.
18 zeigt eine andere Ausgestaltung, in der das Kühlungsmittel 9 für den Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit unter Benutzung eines Heizwiderstandsteils auf ähnliche Weise wie in 7 dargestellt konstruiert ist. Damit besteht ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 17 gezeigten Anordnung in der Tatsache, dass der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 direkt durch ein Kühlteil 9a auf eine erste Temperatur gekühlt werden, während LD 5 durch das Kühlteil 9a und ein Heizwiderstandsteil 10-1 auf eine zweite Temperatur gekühlt wird.
Der Gebrauch des Heizwiderstandsteils 10-1 stellt einen geforderten Temperaturabstand zwischen der ersten und der zweiten Temperatur bereit. Wenn beispielsweise RXF 3 durch ein supraleitendes Material gebildet wird, wird die erste Temperatur auf einen Punkt gleich oder unterhalb der kritischen Temperatur von RXF 3 eingestellt. Bei dieser Temperatur nimmt RXF 3 einen supraleitenden Zustand an und folglich wird, wenn mehrere Resonatorstufen benutzt werden, um RXF 3 zu bilden, der Verlust reduziert, und man kann ein steil abfallendes Verhalten bei gleichzeitiger Minimierung des thermischen Rauschens erhalten. Wenn beispielsweise das supraleitende Material ein bei höheren Temperaturen supraleitendes Material umfasst, kann die kritische Temperatur 100K übersteigen, und die beabsichtigte Temperatur kann z. B. auf oder um 77,4K eingestellt werden, was der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff ist.
Auf der anderen Seite ist die zweite Temperatur ausgewählt, damit LD 5 mit einem bevorzugten elektrischen Verhalten arbeitet. Beispielsweise ist nach den in 6 dargestellten experimentellen Daten der Dynamikbereich DR von LD 5 bei einer Temperatur von 213K maximal. Verglichen mit dem DR, der bei Normaltemperatur, beispielsweise 298K (25°C), zur Verfügung steht, ist DR bei der Temperatur von 213K um 7dB angehoben. Gemäß Gleichung (1) bedeutet diese Anhebung, dass die Anzahl der multiplexierbaren Kanäle der optischen Übertragungsbaugruppe 22 m mit einem Faktor 11,2 multipliziert wird. Wenn zum Beispiel m der optischen Übertragungsbaugruppe 22 bei 298K mit zweiunddreißig Wellen angenommen wird, wird der Wert von m bei 213K dreihundertsechzig Wellen betragen. Entsprechend wird die zweite Temperatur für LD 5 auf 213K eingestellt, um m der optischen Übertragungsbaugruppe 22 zu maximieren.
Wie oben erwähnt, kann sich die für LD 5 bevorzugte Temperatur von der Temperatur, die für den Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und den Synthesizer 15 bevorzugt ist, unterscheiden. Entsprechend werden in dieser Ausgestaltung Bedingungen hergestellt, unter denen der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 durch das Kühlungsmittel 9 bei einer ersten Temperatur stabilisiert werden, während LD 5 bei einer zweiten Temperatur, die höher als die erste Temperatur liegt, durch Einfügen des Heizwiderstands 10-1 zwischen LD 5 und dem Kühlteil 9a stabilisiert wird. In diesem Fall kann ein geforderter Abstand zwischen der ersten und der zweiten Temperatur durch eine geeignete Wahl der thermischen Leitfähigkeit und der Zusammenstellung der Teile, die den Heizwiderstand 10-1 bilden, erreicht werden. Die vorliegende Ausgestaltung kann so betrachtet werden, dass die Geräte in zwei Gruppen unterteilt werden, wobei eine den Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und den Synthesizer 15 enthält und die andere LDA5, und die erste Gruppe durch die Kühleinheit 91 gekühlt wird, während die zweite Gruppe durch die Kühleinheit 92 gekühlt wird.
19 zeigt eine Ausgestaltung, in der das Kühlungsmittel 9 für den Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit auf eine ähnliche Weise wie in 10B konstruiert ist.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 17 gezeigten Anordnung liegt in der Tatsache, dass LD 5 durch ein Kühlteil 9a (Kühleinheit 91) direkt auf eine zweite Temperatur gekühlt wird, während der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 durch eine Kühleinheit 92 oder über ein Heizwiderstandsteil 10-2 auf eine erste Temperatur gekühlt werden, die höher als die zweite Temperatur liegt.
20 zeigt eine Ausgestaltung, in der ein Kühlungsmittel 9 für den Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit unter Benutzung einer Mehrzahl von Kühlungsmitteln auf ähnliche Weise, wie in 11 gezeigt, konstruiert ist.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 18 gezeigten Anordnung besteht in der Tatsache, dass der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 durch ein erstes Kühlungsmittel 9-1 zusammen auf eine erste Temperatur gekühlt werden, während LD 5 durch ein zweites Kühlungsmittel 9-2 auf eine zweite Temperatur gekühlt wird.
21 zeigt eine Ausgestaltung, in der ein Kühlungsmittel 9 des Array-Antennen-Empfängers mit hoher Empfindlichkeit unter Benutzung eines Kühlungsmittels, das eine Mehrzahl von Teilen enthält, auf eine ähnliche Weise, wie in 14 gezeigt, konstruiert ist.
Ein Unterschied dieser Ausgestaltung zu der in 20 gezeigten Anordnung besteht in der Benutzung eines zweiteiligen Kühlungsmittels 9'. Speziell sind der Empfangsphasenschieber 14, RXF 3, LNA 4 und der Synthesizer 15 auf zusammen einer ersten Stufe 9s1 des zweiteiligen Kühlungsmittels 9' montiert, während LD 5 auf einer zweiten Stufe des zweiteiligen Kühlungsmittels 9' montiert ist, um auf eine zweite Temperatur gekühlt zu werden.
Es wurden verschiedene Formen des Kühlungsmittels 9 für den Array-Antennen-Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gezeigt, inklusive eines Beispiels, bei dem ein Heizwiderstandsteil benutzt wurde, um eine Mehrzahl von Kühleinheiten 91, 92 zu definieren, eines weiteren Beispiels, bei dem eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln benutzt wurde, um eine Mehrzahl von Kühleinheiten 91, 92 zu definieren, und eines weiteren Beispiels, bei dem ein Kühlungsmittel, das eine Mehrzahl von Teilen besitzt, benutzt wurde, um eine Mehrzahl von Kühleinheiten 91, 92 zu definieren. Eine Kühlung des Empfangsphasenschiebers 14 und des RXF 3 auf der einen Seite und des LNA 4, des Synthesizers 15 und der LD 5 auf der anderen Seite auf unterschiedliche Temperaturen kann unter Benutzung eines Kühlungsmittels 9, das eine Mehrzahl von Kühleinheiten 91 und 92 oder 91, 92 und 93, die unter Benutzung verschiedener Techniken konstruiert sind, ohne sich auf die oben gezeigten Beispiele zu beschränken, auf ähnliche Weise wie in den 8, 9, 10a, 13 und 15 gezeigten Ausgestaltungen durchgeführt werden. Alternativ ist es ebenso möglich, die Kombination des Empfangsphasenschiebers 14 und des RXF 3, die Kombination von des LNA 4 und des Synthesizers 15 und der LD 5 auf ähnliche Weise wie in den in den 9, 10C, 10D, 12 und 16 gezeigten Ausgestaltungen auf jeweils unterschiedliche Temperaturen zu kühlen. Allgemein können der Empfangsphasenschieber 14, der RXF 3, der LNA 4, der Synthesizer 15 und die LD 5 in zwei Gruppen aufgeteilt werden, die durch verschiedene Kühleinheiten gekühlt werden, sie können in drei Gruppen aufgeteilt werden, die durch drei Kühleinheiten gekühlt werden, oder sie können in vier Gruppen geteilt werden, die durch vier Kühleinheiten gekühlt werden, oder sie können in fünf Abteilungen aufgeteilt werden, die einzeln durch fünf Kühleinheiten gekühlt werden. Zusammengefasst können in diesen Ausgestaltungen und der in 17 gezeigten Ausgestaltung Geräte auf dem Signalweg, die in einem Wärmeschutzbehälter 8 enthalten sind, namentlich der Empfangsphasenschieber 14, der RXF 3, der LNA 4, der Synthesizer 15 und die LD 5, in s Gruppen aufgeteilt werden, die durch s Kühleinheiten gekühlt werden, wobei s eine der Zahlen 1, 2, 3, 4 und 5 ist, inklusive eines Falls, bei dem die Geräte separat gekühlt werden. Was hierbei als Gerät innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 bezeichnet wird, bezieht sich auf solch ein Gerät.
Um ein Beispiel zu geben, zeigt 29 schematisch ein Beispiel, das Heizwiderstandsteile benutzt, um Geräte innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 in drei Gruppen zu kühlen. Um durch eine Kühleinheit 92 gekühlt zu werden, sind der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 über ein Heizwiderstandsteil 10-1 auf ein Kühlteil 9a montiert, RXF 3 und LNA 4 sind direkt auf das Kühlungsmittel 9a montiert, um durch eine Kühleinheit 91 gekühlt zu werden, und LD 5 ist über ein dazwischen gesetztes Heizwiderstandsteil 10-2 auf das Kühlungsmittel 9a montiert, um durch eine Kühleinheit 93 gekühlt zu werden. Das Heizwiderstandsteil 10-1 beinhaltet einen Heizwiderstandsabschnitt 10-1a, auf den der Empfangsphasenschieber 14 montiert ist, einen Heizwiderstandsabschnitt 10-1b, auf den der Synthesizer 15 montiert ist, und einen Heizwiderstandsabschnitt 10-1c, der die Heizwiderstandsabschnitte 10-1a und 10-1b verbindet, die zusammen eine Einheit bilden. Auf diese Weise können eine Kombination des Empfangsphasenschiebers 14 und des Synthesizers 15, eine Kombination von RXF 3 und LNA 4 und LD 5 auf voneinander unterschiedliche Temperaturen gekühlt werden. Wie leicht zu verstehen ist, ist die oben gezeigte Anordnung, wo die Geräte in andere Kombinationen oder Gruppen unterteilt werden, nicht nur auf eine Anordnung, in der eine Mehrzahl von Kühleinheiten unter Benutzung eines Heizwiderstands oder mehrerer Wärmewiderstände gebildet werden, anwendbar, sondern auch auf eine Anordnung, wo die Mehrzahl von Kühleinheiten von einer Mehrzahl von Kühlteilen oder von einer Mehrzahl von Kühlungsmitteln gebildet wird.
22 zeigt eine andere Ausgestaltung eines hochempfindlichen Array-Antennen-Empfängers.
Verglichen mit der in 17 gezeigten Anordnung besteht ein Unterschied dieser Ausgestaltung in der Tatsache, dass das Empfangssignal der Antennen-Elemente 1a, 1b, 1c und 1d in RXF 3 (3a, 3b, 3c und 3d) eingespeist wird, und die Ausgaben von 3a, 3b, 3c und 3d durch vier Verstärker (4a, 4b, 4c und 4d) von LNA 4 verstärkt werden und die verstärkten Signale zur Korrektur der Phasendifferenzen zwischen ihnen vier Phasenschieberschaltungen 14a, 14b, 14c und 14d des Empfangsphasenschiebers 14 zugeordnet werden, damit sie eine identische Phase annehmen, bevor sie im Synthesizer 15 zusammengesetzt werden, und das zusammengesetzte Signal wird an LD geliefert, wobei zu bemerken ist, dass der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 außerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sind.
RXF 3 und LNA 4 werden durch das Kühlungsmittel 9 auf einer Tiefsttemperatur gehalten, so dass sich das Phasenantwortverhalten von RXF 3 und LNA 4 nicht verändert. Entsprechend kann der Phasenschieber 14 auf LNA 4 folgend angeordnet werden. Wenn der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 außerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sind, kann die thermische Belastung des Kühlungsmittels 9 reduziert werden. Wie jedoch durch die gepunkteten Linien in 22 angedeutet ist, kann eine Anordnung, wo das durch den Empfangsphasenschieber 14 und den Synthesizer 15 generierte thermische Rauschen reduziert werden können, benutzt werden, um eine weitere Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit zu erreichen.
In den in den 17 bis 22 gezeigten Ausgestaltungen, beinhaltet der Empfangsphasenschieber 14 vier Phasenschieberschaltungen 14a, 14b, 14c und 14d, wobei jedoch aufgrund der Anforderung an den Empfangsphasenschieber 14, die Empfangssignale von den vier Antennen mit einer gleichen Phase zu liefern, eine der Phasenschieberschaltungen 14a, 14b, 14c und 14d weggelassen werden kann. Allgemein kann bei einer Anzahl n von Antennen-Elementen der Empfangsphasenschieber 14 eine Anzahl n oder (n-1) von Phasenschieberschaltungen haben.
In der in 22 gezeigten Ausgestaltung bilden der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 in Kombination einen Phasenschieber-Synthesizer 16, der eine Phasenberichtigung und die Zusammensetzung macht. Ein Phasenschieber-Synthesizer 16 kann beispielsweise wie in 23 gezeigt konstruiert werden. Speziell wird ein Ausgangssignal des Verstärkers 4a von LNA 4 in eine Phasenschieberschaltung 14a eingespeist, und ein Ausgangssignal von dort und ein Ausgangssignal des Verstärkers 4b werden in einem Synthesizer 15a zusammengesetzt. Dann wird ein Ausgangssignal des Synthesizers 15a in eine Phasenschieberschaltung 14b eingespeist, und ein Ausgangssignal von dort und ein Ausgangssignal des Verstärkers 4b werden in einem Synthesizer 15b zusammengesetzt. Ein Ausgangssignal des Synthesizers 15b wird in eine Phasenschieberschaltung 14c eingespeist, und ein Ausgangssignal von dort und ein Ausgangssignal des Verstärkers 4d werden in einem Synthesizer 15c zusammengesetzt, um an LD 5 übergeben zu werden. Es kann auch eine andere Anordnung als die exemplarisch in 2 der Zeichnungen des zitierten U.S.-Patents aufgezeigte für den Phasenschieber-Synthesizer 16 benutzt werden. Ebenso können in der in 22 gezeigten Ausgestaltung Geräte auf dem Signalweg, die in dem Wärmeschutzbehälter 8 enthalten sind, namentlich RXF 3, LNA 4, LD 5 genauso wie, wenn vorhanden, der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15, in s Gruppen aufgeteilt werden, die durch s Kühleinheiten gekühlt werden, wobei s eine ganze Zahl zwischen 1 und 3 ist, wenn der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sind, und eine ganze Zahl zwischen 1 und 5 ist, wenn der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 außerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sind. Dies lässt sich beispielsweise aus der in 29 dargestellten Technik leicht verstehen.
24 zeigt eine Ausgestaltung, die eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine im zitierten U.S.-Patent offenbarte Anordnung veranschaulicht, in der die Empfangssignale von einzelnen Antennen-Elementen zuerst einer Phasenberichtigung unterzogen und zusammengesetzt werden, bevor sie in LNA 4 eingespeist werden. Empfangene Funkfrequenzsignale von einzelnen Antennen-Elementen 1a bis 1d werden zuerst einer Anpassung der Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Signalen und einer Zusammensetzung in einem Phasenschieber-Synthesizer 16 unterzogen, wobei die vier empfangenen Funkfrequenzsignale mit einer gleichen Phase zu einem einzigen Funkfrequenzsignal zusammengesetzt werden, das in RXF 3, das einen einzigen Filter enthält, eingespeist wird. Die nachfolgende Signalverarbeitung findet auf ähnliche Weise wie in der in 5 gezeigten Ausgestaltung statt. Der Phasenschieber-Synthesizer 16 ist in dem Wärmeschutzbehälter 8 enthalten und wird durch ein Kühlungsmittel 9 gekühlt. In diesem Beispiel ist der Phasenschieber-Synthesizer 16 zusammen mit RXF 3, LNA 4 und LD 5 auf ein Kühlteil 9a montiert, um durch eine einzige Kühleinheit auf eine gemeinsame Temperatur gekühlt zu werden.
In jeder der in den 7 bis 16 gezeigten und Kühlungsmittel 9, die eine Mehrzahl an Kühleinheiten enthalten, benutzenden Ausgestaltungen kann der Phasenschieber-Synthesizer 16 durch irgendeine Kühleinheit auf eine gemeinsame Temperatur mit anderen Geräten gekühlt werden oder kann auf eine von anderen Geräten unterschiedliche Temperatur gekühlt werden. Es ist wichtig zu wissen, dass es nicht immer notwendig ist, dass der Phasenschieber-Synthesizer 16 auf eine gemeinsame Temperatur mit RFX 3 gekühlt wird. Wie in 24 durch die gepunkteten Linien angedeutet ist, kann der Phasenschieber-Synthesizer 16 außerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sein, um die Belastung für das Kühlungsmittel 9 zu reduzieren.
Wenn der Empfangsphasenschieber 14, der Synthesizer 15 oder der Phasenschieber-Synthesizer 16 in dem Wärmeschutzbehälter 8 enthalten ist und auf eine gemeinsame Temperatur mit anderem Gerät, das in dem Wärmeschutzbehälter 8 platziert ist, gekühlt wird, wird es auf die gemeinsame Temperatur mit RXF 3 und LNA 4 gekühlt. Wenn es auf eine andere Temperatur als LD 5 gekühlt wird, wird der Empfangsphasenschieber 14 oder der Phasenschieber-Synthesizer 16 auf die gemeinsame Temperatur mit RXF 3 gekühlt. Wenn der Synthesizer 15 auf die gemeinsame Temperatur mit LNA 4 und/oder LD 5 gekühlt wird, wird der Phasenschieber-Synthesizer 16 auf die gemeinsame Temperatur mit LNA 4 und/oder LD 5 gekühlt. Wenn er auf eine andere Temperatur als RXF 3 gekühlt wird, wird er den Erfordernissen entsprechend durch eine der Kühleinheiten 91 bis 93 gekühlt. Ebenso können in der in 24 gezeigten Ausgestaltung die Geräte innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 generell in s Gruppen aufgeteilt werden, die durch s Kühleinheiten gekühlt werden können, wobei s eine der Zahlen 1, 2, 3 und 4 ist, wenn der Phasenschieber-Synthesizer 16 benutzt wird, und eine der Zahlen 1, 2, 3, 4 und 5 ist, wenn der Empfangsphasenschieber 14 und der Synthesizer 15 benutzt werden.
Wenn der Funkempfänger mit hoher Empfindlichkeit beispielsweise in einer Basisstation eines Mobilkommunikationssystems angewandt wird, ist es für jede der in den 5 bis 24 gezeigten Ausgestaltungen wünschenswert, dass die Antenne 1 des Empfängers mit hoher Empfindlichkeit sowohl zum Empfangen als auch zum Senden benutzt wird, um eine kompakte und ökonomische Konstruktion der Basisstationsausrüstung zu ermöglichen. Dies kann realisiert werden, indem ein Antennen-Duplexer zwischen der Antennenspeisungsleitung 2 und RXF 3 oder zwischen jeder Speisungsleitung 2a, 2b, 2c und 2d der Antennen-Elemente und einer der Phasenschieberschaltungen 14a, 14b, 14c und 14d oder zwischen dem Phasenschieber-Synthesizer und RXF 3 zur Verfügung gestellt wird.
Duplexer für die Array-Antenne können auf ähnliche Weise, wie in dem zitierten U.S.-Patent veröffentlicht, konstruiert werden.
ANDERE AUSGESTALTUNGEN
25 zeigt eine Steuerung eines Vorspannungs- bzw. Ruhestroms von LD 5 gemäß der Größe der in LD 5 eingespeisten Signalleistung, angewandt auf die in 7 gezeigte Ausgestaltung. Ein Ausgangssignal von LNA 4 wird durch einen Verteiler, der die in LD 5 und ein Ruhestrom-Steuerungsmittel 12 einzuspeisende Leistung verteilt, verzweigt. Das Ruhestrom-Steuerungsmittel 12 übt eine Steuerung aus, indem es den in LD 5 einzuspeisenden Ruhestrom erhöht, wenn das Eingabesignal einen hohen Leistungspegel besitzt, und indem es den in LD 5 einzuspeisenden Ruhestrom erniedrigt, wenn das Eingabesignal einen niedrigen Leistungspegel besitzt.
Bezug nehmend auf 26 wird nun für den Fall, dass LD 5 benutzt wird, um das Funkfrequenzsignal in ein optisches Signal umzuwandeln, eine Ruhestrom-Steuerung beschrieben.
26A ist eine Darstellung für den Fall, dass ein Funkfrequenzsignal s(t) eine größte Anzahl an multiplexierbaren Kanälen besitzt. In diesem Fall besitzt s(t) einen hohen Leistungspegel und hat eine entsprechend große Maximalamplitude. Um beispielsweise bei ihrem Vorkommen ein Abschneiden zu verhindern, wenn das Funkfrequenzsignal s(t) in ein optisches Signal p(t) umgewandelt wird, wird ein mit I₁ bezeichneter Ruhestrom für LD 5 genügend groß gewählt. Nun nimmt eine mittlere optische Ausgangsleistung P₁ von LD 5 einen hohen Wert an. Eine Anzahl von empfangenen Funkfrequenzsignal-Kanälen, die durch einen Empfänger mit hoher Empfindlichkeit multiplexiert werden können, schwankt mit der zeitlichen Änderung des Kommunikationsverkehrs, was eine Änderung der Maximalamplitude des Funkfrequenzsignals s(t) verursacht. Wenn beispielsweise, wie in 26B dargestellt, die Maximalamplitude des Funkfrequenzsignals s(t) klein ist, wird für den Ruhestrom für LD 5 ein kleiner Stromwert I₂ gewählt. In diesem Fall kann die mittlere optische Ausgangsleistung von LD 5 auf einen kleinen Wert P₂ reduziert werden. Auf diese Weise kann die Wärmeproduktion von LD 5 reduziert werden, wodurch die Belastung des Kühlungsmittels 9 reduziert wird und gleichzeitig der Alterungseffekt von LD 5 gegenüber einem Betrieb mit einem permanent hohen Ruhestrom und einer permanent hohen mittleren optischen Ausgangsleistung verzögert werden kann. Diese Ruhestrom-Steuerung von LD 5 ist auf die in den 5, 8 bis 16 und 24 gezeigten Ausgestaltungen anwendbar und ist ebenso anwendbar auf die in den 17 bis 22 gezeigten Ausgestaltungen. Wie durch die gepunkteten Linien in 25 angedeutet, ist in diesem Fall ein Verteiler 11 zwischen den Synthesizer 15 und LD 5 eingefügt, um zu erlauben, dass ein Ausgangssignal des Synthesizers 15 in den Verteiler 11 eingespeist wird.
27 zeigt die Verwendung eines Überwachungsmittels, das ein Pilotsignal verwendet, das auf die in 5 gezeigte Ausgestaltung angewandt wird. Es muss angemerkt werden, dass dieses Überwachungsmittel auf jede der in den 7 bis 16 und 24 gezeigten Ausgestaltungen anwendbar ist.
Ein Pilotsignal-Generator 30, der ein Pilotsignal erzeugt, das innerhalb eines Dämpfungsbandes von RXF 3 liegt, wird außerhalb eines Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet, und es wird ein Pilotsignal-Einschleuser 31, der das durch den Pilotsignal-Generator 30 generierte Pilotsignal in einen Signalweg zwischen RXF 3 und LNA 4 einschleust, zur Verfügung gestellt. Auf der von LD 5 aus am gegenüberliegenden Ende der Übertragungsleitung 20, die ein optisches Faserkabel zur Übertragung eines optischen Signals von einem Ausgangsanschluss 6 ist, gelegenen Ausgangsseite von O/E 21 sind ein Auskopplungsfilter 32, der das Empfangssignal und das Pilotsignal trennt, ein Pegeldetektor 33, der den Pegel des abgetrennten Pilotsignals ermittelt, und ein Überwacher 34, der den Pegel des Pilotsignals, der durch den Pegeldetektor 33 ermittelt wird, mit einer voreingestellten Schwelle vergleicht, vorgesehen. Der Pilotsignal-Generator 30 wird nicht innerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet, um dessen Belastung zu vermindern. Als Pegeldetektor 33 kann ein ausgewählter Pegelmesser benutzt werden, der eine Komponente mit der Pilotsignal-Frequenz aus wählt und deren Pegel ermittelt. Der Überwacher 34 kann einen Referenzspannungsgenerator, der die voreingestellte Spannung generiert, und eine Vergleicherschaltung enthalten, oder kann unter Benutzung von Basisschaltungen, die einen A/D-Wandler, einen Mikroprozessor, ROM, RAM und dergleichen enthalten, konstruiert sein.
Ein vom Pilotsignal-Generator 30 generiertes Pilotsignal wird über den Pilotsignal-Einschleuser 31 in LNA 4 eingeschleust. Da die Frequenz des Pilotsignals so eingestellt ist, dass sie innerhalb des Dämpfungsbandes von RXF 3 liegt, wird das eingeschleuste Pilotsignal in LNA 4 eingespeist, ohne von der Antenne 1 abgestrahlt zu werden und Störungen in anderen Systemen zu verursachen. Das Empfangssignal, zu dem das Pilotsignal hinzugefügt wurde, wird durch LNA 4 verstärkt und wird durch LD 5 in ein optisches Signal umgewandelt, um von dem Ausgangsanschluss 6 übergeben zu werden. Der Auskopplungsfilter 32 trennt das Empfangssignal und Pilotsignal beispielsweise im Innenbereich, und der Pegeldetektor 33 bestimmt den Pegel des Pilotsignals. Der Überwacher 34 vergleicht den Pegel des Pilotsignals, der vom Pegeldetektor 33 ermittelt wurde, mit einer voreingestellten Schwelle, um zu sehen, ob er tiefer als die Schwelle liegt, was erlaubt, das Vorkommen oder Nicht-Vorkommen irgendeines Fehlers in LNA 4 oder LD 5 innerhalb des im Außenbereich installierten Empfängers mit hoher Empfindlichkeit sofort auf verlässliche Weise zu ermitteln. Gegebenenfalls kann ein Umschalten auf ein Reserve-LNA 4 oder -LD 5 innerhalb des Empfängers mit hoher Empfindlichkeit stattfinden.
Es muss angemerkt werden, dass der Pilotsignal-Einschleuser 31 außerhalb des Wärmeschutzbehälters 8 angeordnet sein kann.
Wenn der Empfänger mit hoher Empfindlichkeit im Außenbereich installiert ist, wird ein Blitzschlag-Überspannungsschutz innerhalb des Gehäuses 7 zwischen der Antennenspeisungsleitung 2 oder 2a bis 2d und RXF 3 oder zwischen den Antennenspeisungsleitungen 2a bis 2d und dem Empfangsphasenschieber 14 oder dem Phasenschieber-Synthesizer 16 und in jede zugehörige Geräte versorgende (nicht gezeigte) Energieversorgungsleitung eingefügt, um jeden einem Blitzschlag zuzuschreibenden Fehler zu vermeiden.
Der Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß vorliegender Erfindung ist unempfindlich gegen einen Wechsel der Umgebungstemperatur, bleibt verlust- und rauscharm und stellt gleichzeitig einen genügenden Dynamikbereich DR der optischen Übertragungsbaugruppe sicher, wenn er im Außenbereich installiert ist. Durch das Einschließen des Empfangsbandpassfilters, des rauscharmen Empfangsverstärkers und der LD und jedes Phasenschiebers, Synthesizers oder Phasenschieber-Synthesizers für die Array-Antennen-Anordnung, in einem einzigen zu kühlenden Wärmeschutzbehälter kann die Bereitstellung von elektrischen Kabeln, die für die Signalverbindung zwischen Wärmeschutzbehältern benutzt werden, die andernfalls benötigt würden, wenn diese Geräte getrennt eingeschlossen wären, entfallen, während gleichzeitig ein Wärmefluss in jeden Wärmeschutzbehälter durch elektrische Kabel und der daraus resultierende Anstieg der Belastung der Kühlungsmittel vermieden wird, was eine kompakte und ökonomische Konstruktion des gesamten Empfängers mit hoher Empfindlichkeit erlaubt.

Claims

Empfänger mit hoher Empfindlichkeit, enthaltend: ein Empfangs-Bandpassfiltermittel (3), um ein Funkfrequenzsignal als Eingabe zu empfangen und um ein Signal in einem gewünschten Frequenzband durchzulassen; einen rauscharmen Empfangsverstärker (4), um eine rauscharme Verstärkung eines Ausgangssignals des Empfangs-Bandpassfiltermittels auf einen gewünschten Pegel zur Verfügung zu stellen; eine Laserdiode (5), um ein Ausgangssignal des rauscharmen Empfangsverstärkers in ein auszugebendes optisches Signal umzuwandeln; einen Wärmeschutzbehälter (8), um das Empfangs-Bandpassfiltermittel, den rauscharmen Empfangsverstärker und die Laserdiode darin einzuschließen; und ein Kühlungsmittel (9), um das Innere des Wärmeschutzbehälters zu kühlen.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangs-Bandpassfiltermittel, der rauscharme Empfangsverstärker und die Laserdiode in s Gruppen aufgeteilt sind und das Kühlungsmittel s Kühleinheiten enthält, von denen jede eine der Gruppen kühlt, wobei s eine der Zahlen 1, 2 oder 3 ist.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus n Antennen-Elementen gebildete Array-Antenne, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer 2 ist; und einen Phasenschieber-Synthesizer, um Empfangssignale von den n Antennen-Elementen zu empfangen, die Phasendifferenzen zwischen den Empfangssignalen einzustellen und sie zusammenzusetzen, um eine zusammengesetzte Ausgabe als besagtes Funkfrequenzsignal zu übergeben.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenschieber-Synthesizer innerhalb des zu kühlenden Wärmeschutzbehälters angeordnet ist.
Ein Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus n Antennen-Elementen gebildete Array-Antenne, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer 2 ist; einen Phasenschieber, um die Empfangssignale der n Antennen-Elemente als Eingabe zu empfangen und um die Phasendifferenzen zwischen den Empfangssignalen einzustellen, um n Signale abzugeben; besagtes Funkfrequenzsignal, bestehend aus n Ausgabesignalen des Phasenschiebers, die Eingaben für das Empfangs-Bandpassfilter-Mittel sind, das n Filter beinhaltet, um Signale in gewünschten Frequenzbändern durchzulassen; besagten rauscharmen Empfangsverstärker, der n Verstärker enthält, in welche die n Filter-Ausgabesignale jeweils eingespeist werden; und einen Synthesizer, um die Ausgabesignale der n Verstärker einer Eingabe für die Laserdiode zur Verfügung zu stellen; wobei der Phasenschieber und der Synthesizer innerhalb des zu kühlenden Wärmeschutzbehälters angeordnet sind.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfangsphasenschieber, das Empfangs-Bandpassfilter-Mittel, der rauscharme Empfangsverstärker, der Synthesizer und die Laserdiode in s Gruppen geteilt sind und das Kühlungsmittel s Kühleinheiten, die jeweils eine der Gruppen kühlen, enthält, wobei s eine der Zahlen 1, 2, 3, 4 oder 5 ist.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine aus n Antennen-Elementen gebildete Array-Antenne, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer 2 ist; wobei besagtes Funkfrequenzsignal aus Empfangssignalen von den n Antennen-Elementen besteht, das Empfangs-Bandpassfilter-Mittel n Filter umfasst, von denen jeder ein von einem der n Antennen-Elemente empfangenes Funkfrequenzsignal empfängt, um ein Signal in einem gewünschten Frequenzband durchzulassen, der rauscharme Empfangsverstärker n Verstärker umfasst, in welche die Ausgaben der n Filter eingespeist werden, und einen Phasenschieber-Synthesizer, um die Ausgangssignale der n Verstärker als Eingaben zu empfangen und um die Phasendifferenzen zwischen diesen Ausgangssignalen einzustellen und um die Ausgangssignale zusammenzusetzen, um sie in die Laserdiode einzuspeisen.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangs-Bandpassfiltermittel, der rauscharme Empfangsverstärker, der Phasenschieber-Synthesizer und die Laserdiode in s Gruppen aufgeteilt sind und das Kühlungsmittel s Kühleinheiten, die jeweils eine der Gruppen kühlen, enthält, wobei s eine der Zahlen 1, 2, 3 oder 4 ist.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungsmittel eine durch eine Kühlplatte gebildete Kühleinheit und mindestens eine andere, durch eine Kühlplatte in Kombination mit einem Heizwiderstandsteil gebildete Kühleeinheit enthält, um eines oder mehrere der Elemente, Empfangs-Bandpassfiltermittel, rauscharmer Verstärker und Laserdiode, auf gegenseitig unterschiedliche Temperaturen zu kühlen.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungsmittel eine Mehrzahl von Kühlungsmitteln enthält, um ein oder zwei der Geräte in einem Signaldurchgang, welche innerhalb des Wärmeschutzbehälters angeordnet sind, auf gegenseitig unterschiedliche Temperaturen zu kühlen.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass besagtes Kühlungsmittel eine Mehrzahl von Kühleinheiten enthält, die durch ein Kühlteil gebildet sind, von den jedes eines oder mehrere der Element, Empfangs-Bandpassfiltermittel rauscharmer Verstärker und Laserdiode, auf gegenseitig unterschiedliche Temperaturen kühlt.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß einer der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Leistungsverteiler, angeschlossen zwischen dem rauscharmen Empfangsverstärker und der Laserdiode, um einen Teil des Signals, das in die Laserdiode eingespeist wird, auszukoppeln; und ein Ruhestrom-Steuerungsmittel, um einen Ruhestrom, mit welchem die Laserdiode gespeist wird, entsprechend dem Leistungspegel des Signals, das durch den Leistungsverteiler ausgekoppelt wurde, zu steuern.
Empfänger mit hoher Empfindlichkeit gemäß einer der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen der Laserdiode vorgeschalteten Pilotsignal-Generator, um ein zu besagtem Funkfrequenzsignal hinzu zu addierendes Pilotsignal zu generieren; einen optoelektrischen Umformer, um das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuformen; einen Auskopplungsfilter, um das Pilotsignal von einem elektrischen Ausgangssignal des optoelektrischen Umformers zu trennen; einen Pegeldetektor, um den Pegel des Pilotsignals, das durch den Auskopplungsfilter ausgefiltert wurde, zu ermitteln; und einen Überwacher, um den Pegel des ermittelten Pilotsignals mit einer voreingestellten Schwelle zu vergleichen und um das Vorkommen eines Fehlers mindestens in der Laserdiode zu ermitteln.