JP2004508732A - Cryogenic equipment - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的に極低温装置、より詳しくは、超伝導素子、熱透過の低いインタコネクト、および散逸電力の低い半導体デバイスをベースとする非常に小さなサイズの極低温装置に関する。The present invention relates generally to cryogenic devices, and more particularly to very small sized cryogenic devices based on superconducting elements, low heat transmission interconnects, and low dissipated power semiconductor devices.

Description

【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、一般的に極低温前端受信機、より詳しくは、超伝導素子、熱透過の低いインタコネクト、自己共振型フィルタおよび低い散逸電力特性をベースとする最小サイズの極低温前端受信機に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
１９８０年代後期まで、超伝導現象は、液体ヘリウムの範囲の温度で動作する必要性の故に、ごく僅かな実用的用途しか見いだせなかった。１９８０年代後期に、希土類源を含むセラミック酸化金属化合物がこの状況を劇的に変え始めた。このような材料の傑出した例は、ＹＢＣＯ（イットリウムバリウム酸化銅、ＷＯ８８／０５０２９およびＥＰ−Ａ−０２８１７５３参照）、ＴＢＣＣＯ（タリウムバリウムカルシウム酸化銅、米国特許第４９６２０８３号参照）、およびＴＰＳＣＣＯ（タリウム鉛ストロンチウムカルシウム酸化銅、米国特許第５０１７５５４号参照）を含む。上述の文献のすべては、本明細書にあたかも完全に記載されているようなすべての目的のために参考として組み込まれている。
【０００３】
ＨＴＳ（高温超伝導体）材料と呼ばれるこれらの化合物は、冷却剤としての液体窒素の使用を許容する程度に十分に高い温度で超伝導特性を示す。７７Ｋ（１９６℃／３２１°Ｆ）における液体窒素の冷却効率は液体ヘリウムの２０倍であり、コストが十分の一未満であるので、多様な潜在的用途が経済的有用性の見込みを獲得し始めた。例えば、ＨＴＳ材料は医療診断機器から粒子加速器の範囲の用途に使用されてきた。
【０００４】
現在、超伝導の急速に成長している用途の１つは、遠距離通信産業の天文学的成長および一般市民による民生用電子機器の使用の増大の故に、エレクトロニクスおよび関連のマイクロ波技術の領域にある。しかし、超伝導における最近の進歩にもかかわらず、サイズ、コストおよび電力要件は、この有望な技術の商業的利用を宇宙用計測装置および軍事用途のようなハイエンド用途のみに限定してきた。
【０００５】
多くの電子デバイス、特に通信分野における本質的な構成要素は、フィルタ素子である。ＨＴＳフィルタは、ＨＴＳ材料の無線周波数（ＲＦ）損失が著しく低いため、著しく低いインバンド挿入損失、高いオフバンド拒絶および急勾配の縁の点において大きな利点を有する。
【０００６】
しかし、ビルディングブロックとして従来のＨＴＳ共振器（例えばストリップライン共振器）を有する従来の伝送線路ＨＴＳフィルタは、共振器の少なくとも１つの寸法が約半波長（すなわちλ ／ ２）に等しいという面積要件の故に、大きな基板面積を必要とする。例えば米国特許第５６１６５３８号（本明細書にあたかも完全に記載されているようなすべての目的のために参考として組み込まれている）参照。このようにして、従来の低周波ＨＴＳフィルタ設計は多数の極を有し、またガリウム砒素（ＧａＡｓ）増幅器のような従来の半導体電子部品に結合されるので、ＨＴＳ材料をその臨界温度（Ｔ_ｃ）以下に冷却するために必要とされる極低温冷却器は比較的大きく、周囲温度２０℃、８０Ｋで少なくとも６ワットの電力レベルを必要とする。
【０００７】
図１は、このような従来の極低温受信機の従来技術の斜視図である。統合パッケージ全体は複数の別個の素子から構成される。コネクタ１１０は、ＲＦフィルタおよび増幅器のような極低温電子部品１３０を収容するデュワアセンブリ１２０から構成される極低温電子セクションの中にまたそこから電力およびＲＦ信号を送るために使用される。デュワアセンブリ１２０は、その中の分子による極低温電子部品への対流熱負荷を低減するために必要な真空キャビティである。極低温源、本例では冷却器１４０は、極低温電子セクションの冷却を行う。筺体１５０は、前述の素子ならびに冷却器用の制御機能および他の誤差または不具合の検出と警報を行う回路基板１６０と、回路基板１６０を冷却するためのファン１７０とを収容する外部パッケージである。
【０００８】
図１に示したように、従来のユニットのサイズは、典型的に、少なくとも約１５インチの幅、２０インチの長さ、１０インチの深さ（約３８．１×５０．８×２５．４ｃｍ）のオーダである。これらの従来ユニットの大きなサイズおよび重量の原因は、主に、極低温電子セクションの物理的サイズ、増幅器に必要な電力、および周囲状態からデュワアセンブリ１２０内への、ＲＦ移行部、通常はコネクタと同軸のケーブルからの追加的な対流熱の流れのために必要とされる冷却である。したがって、物理的サイズ、重量、およびユニットに供給される合計動作電力は、冷却器１４０およびデュワアセンブリ１２０によって左右される。従来のユニットでは、２０℃で動作する場合、１チャネル当たり必要な冷却リフトは約１Ｗであるので、冷却器１４０のみに必要な合計動作電力は＞１２５Ｗである。
【０００９】
従来のユニットの例は、Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　Ｉｎｃ．（Ｓａｎｔａ　Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ）から入手可能なＳｕｐｅｒｆｉｌｔｅｒ（登録商標）Ｓｙｓｔｅｍｓ（ｗｗｗ．ｓｕｐｔｅｃｈ．ｃｏｍ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ参照）、およびＣｏｎｄｕｃｔｕｓ　Ｉｎｃ．（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ，ＣＡ　ＵＳＡ）から入手可能なＣｌｅａｒＳｉｔｅ（登録商標）ｓｙｓｔｅｍｓ（ｗｗｗ．ｃｏｎｄｕｃｔｕｓ．ｃｏｍ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ参照）である。
【００１０】
これらの従来のユニットの大きなサイズおよび重量は、この技術の応用を実質的に制限する。このような１つの応用は、米国特許第６１０４９３４号（本明細書にあたかも完全に記載されているようなすべての目的のために参考として組み込まれている）に開示されているような、受信機前端がセルラまたは同様の基地局のアンテナに装着されるタワートップ用途である。開示されている受信機のサイズおよび冷却要件は、アンテナに隣接したどこかに冷却ユニットを配置することを必要とし、電子回路と共に統合ユニット内に結合することが不可能である。
【００１１】
小型化のために、必要とされる最大のリアルエステートを有する構成要素は、冷却器１４０、極低温電子部品１３０およびデュワアセンブリ１２０である。
【００１２】
極低温電子前端受信機のリアルエステート要件を低減する一つの方法は、従来のＨＴＳフィルタをベースとする集中素子アーキテクチャを採用することである。これらのフィルタは、幾分よりコンパクトな物理的サイズで５Ｇｈｚ未満の周波数で動作させることができるが、これらの従来の集中素子のＨＴＳフィルタのフィルタ性能は、相互変調積および挿入損失によって一般的に制限される。
【００１３】
ＨＴＳフィルタを収容する装置の使用は他の設計上の問題をもたらす。例えば、装置の極低温部分（通常、真空下のＨＴＳフィルタを収容するデュワ）を他の電子部品に接続するために典型的に利用されるインタコネクトは、長い同軸ケーブルである。これらの長いケーブルは、それらの長さのため熱透過が低く、このことは、構成要素を低温に保つことが重要である極低温システムに著しく望ましい。しかし、これらの長いケーブルラインはＲＦ損失も有するので、ＲＦ性能の劣化（すなわち信号対雑音比の増加）の一因となる。さらに問題に取り組むために、長いケーブルにより装置の極低温部分のデュワの体積を大きくすることも必要となり、このことは、ユニットの寿命にわたって必要となる真空の増大を維持できる設計を必要とし、この達成はより困難である。
【００１４】
ＨＴＳ材料から構成されるフィルタ素子のサイズを低減する必要性が長い間認識され、また当業者により多くの試みがなされてきた。あたかも完全に記載されているようなすべての目的のために本明細書に参考として組み込まれている米国特許第６１０８５６９号は、ＨＴＳ材料フィルタのサイズを低減するために自己共振型スパイラル共振器の使用を開示しており、同時にクロストークおよび接続の問題を解決する。最近の大きな技術的進歩によって提供されている小型化の大きな可能性にもかかわらず、真空劣化、高い熱透過、および散逸電力の高いデバイスの問題のため性能は最適に達せず、冷却コストの増加をもたらした。
【００１５】
さらに、従来の極低温前端受信機は、ユニットの重要な機能を含むフィルタを手で調整するために相当な時間を必要とする。従来のフィルタ構造の共振フィルタの各々はロックステップして変化しないので、フィルタの各々の極を個別に調整しなければならず、また各極の調整はフィルタアレイの他のすべての極に影響を及ぼす。調整プロセスは、実行するのに典型的に数日かかることがある。
【００１６】
さらに、従来の極低温前端受信機はまた、製造工程中に装置壁部に付着するモジュールのガス抜きの問題も蒙る。典型的に、この問題は、長時間にわたってゆっくりと装置を簡単に加熱して、残留酸素、窒素、二酸化炭素、アルゴン、水蒸気のようなガスをガス抜きすることによって克服される。プロセスが完了するのに通常数日かかるが、この理由は、装置壁部を短時間にガス抜きするために必要な温度が、極低温ユニットの部分を備えるコンプレッサモータを損傷すると思われるからである。
【００１７】
従来技術は、受信機および／または送信機に隣接またはそれらと統合して使用できる縮小サイズの極低温前端受信機を欠いている。
【００１８】
従来技術はまた、デュワをさらに断熱するためにデュワと熱透過が著しく低い極低温冷却器との間に相互接続体を有する極低温前端受信機を欠いている。
【００１９】
さらに、従来技術は、熱遮断材料とＲＦ損失を低減しかつＲＦ性能の劣化を改善するために自己調整に短縮した長さとを採用する相互接続体を有する極低温前端受信機を欠いている。
【００２０】
さらに、従来技術は、電力消費能力が低減された極低温前端受信機を欠いている。
【００２１】
従来技術は、ＨＴＳ材料から製造されまた周波数５Ｇｈｚ未満で共振する縮小基板サイズの共振フィルタを使用する極低温前端受信機を欠いている。
【００２２】
従来技術は、デュワアセンブリの差熱を利用する真空デュワをガス抜きするための方法を欠いている。
【００２３】
従来技術は、前端受信機の内部動作温度を変更することによって調整できる極低温前端受信機を欠いている。
【００２４】
（発明の概要）
本発明は、上記の状況に鑑み製造され、一態様として極低温前端受信機を有する。
【００２５】
本発明のさらなる態様は、極低温電子部分と熱遮断セクションとをさらに含む非極低温電子部分を含む極低温装置と特徴づけることができる。
【００２６】
これらのおよび他の利点を達成するために、また本発明の目的によれば、具現化しかつ広範囲に記述したように、一態様によれば、本発明は、入力信号インタフェースと出力信号インタフェースとを含む極低温電子ユニットを含む極低温前端ユニットと特徴づけることができる。極低温冷却器は極低温電子ユニットと熱連通する。極低温ユニットは、入力信号インタフェースに接続される入力信号インタコネクトと、出力信号インタフェースに接続される出力信号インタコネクトとをさらに含む。
【００２７】
本発明の他の態様は、極低温電子部分と、非極低温電子部分と、極低温電子部分と非極低温電子部分とを接続するインタコネクトとを含み、インタコネクトが極低温電子部分と非極低温電子部分との間に熱遮断体を備える、極低温装置と特徴づけることができる。
【００２８】
本発明のさらなる態様は、真空デュワアセンブリ内に収容された極低温電子部分を含む極低温装置であって、極低温電子部分は、入力エンドと出力エンドと、真空デュワアセンブリを通して極低温電子部分の入力エンドに接続されている極低温エンドに至る周囲エンドを有する周囲から極低温への入力コネクタとを有する、極低温装置と特徴づけることができる。極低温電子部分の出力エンドに接続された極低温エンドを有する極低温から周囲への出力コネクタは、真空デュワアセンブリを通して周囲エンドに至る。極低温源は、入力エンドと出力エンドとを有する極低温電子部分と密着するように真空デュワアセンブリに接続される。極低温電子部分は、高温超伝導体フィルタ素子および極低温能動半導体回路（例えば低雑音増幅器）の少なくとも１つを備える。極低温電子部分の入力エンドは入力コネクタの極低温エンドに接続され、極低温電子部分の出力エンドは出力コネクタの極低温エンドに接続される。能動半導体回路が使用される場合、当該能動半導体回路は、約８５０ｍＷ未満の合計散逸電力を極低温電子部分に生成すべきである。極低温装置は、２０℃の周囲温度、８０Ｋで約３Ｗ未満の最大クーラーリフトを有する。
【００２９】
言い換えれば、本発明のこの態様は、
（１）真空デュワアセンブリ内に収容された、入力エンドと出力エンドとを有する極低温電子部分と、
（２）真空デュワアセンブリを通して、極低温電子部分の入力エンドに接続された極低温エンドに至る周囲エンドを有する周囲から極低温への入力コネクタと、
（３）真空デュワアセンブリを通して周囲エンドに至る、極低温電子部分の出力エンドに接続された極低温エンドを有する極低温から周囲への出力コネクタと、
（４）極低温電子部分と密着するように真空デュワアセンブリに接続された極低温源とを具備し、
（ｉ）極低温電子部分は、高温超伝導体フィルタ素子および極低温能動半導体回路の少なくとも１つを備え、
（ｉｉ）能動半導体回路であって、該能動半導体回路が存在する場合、約８５０ｍＷ未満の合計散逸電力を極低温電子部分に生成し、
（ｉｉｉ）極低温装置が、２０℃の周囲温度のとき、８０Ｋで約３Ｗ未満の最大クーラーリフトを有する、極低温装置に関する。
【００３０】
本発明の他の態様は、上述の極低温装置の極低温電子部分が、入力エンドと出力エンドとを有する高温超伝導体フィルタ素子と、入力エンドと出力エンドとを有する能動半導体回路とを備え、能動半導体回路の入力エンドが高温超伝導体フィルタ素子を介して入力コネクタの極低温エンドに接続される、極低温受信機と特徴づけることができる。フィルタ素子の入力エンドは入力コネクタの極低温エンドに接続され、またフィルタ素子の出力エンドは能動半導体回路の入力エンドに接続される。
【００３１】
言い換えれば、本発明の他の態様は、上述の極低温装置の極低温電子部分が、入力エンドと出力エンドとを有する高温超伝導体フィルタ素子と、入力エンドと出力エンドとを有する能動半導体回路とを備え、
能動半導体回路の入力エンドは、高温超伝導体フィルタ素子を介して入力コネクタの極低温エンドに接続され、
フィルタ素子の入力エンドは入力コネクタの極低温エンドに接続され、
フィルタ素子の出力エンドは能動半導体回路の入力エンドに接続される、極低温受信機に関する。
【００３２】
本発明のなおさらなる態様はまた、入力エンドと出力エンドとを有する、真空デュワアセンブリ内に収容された極低温電子部分を含む極低温受信機と特徴づけることができる。周囲エンドを有する周囲から極低温への入力コネクタは、真空デュワアセンブリを通して極低温電子部分の入力エンドに接続された極低温エンドに通過し、また極低温電子部分の出力エンドに接続された極低温エンドを有する極低温から周囲への出力コネクタは、真空デュワアセンブリを通して周囲エンドに至る。極低温受信機は、極低温電子部分と密着するように真空デュワアセンブリに接続された極低温源をさらに備える。さらに、極低温電子部分は、入力エンドと出力エンドとを有する高温超伝導体フィルタ素子と、入力エンドと出力エンドとを有する能動半導体回路とを備える。フィルタ素子の入力エンドは入力コネクタの極低温エンドに接続され、前記フィルタ素子の出力エンドは能動半導体回路の入力エンドに接続される。能動半導体回路の入力エンドは出力コネクタの極低温エンドに接続され、能動半導体回路は、約８５０ｍＷ未満の合計散逸電力を極低温電子部分に生成する。極低温受信機は、２０℃の周囲温度、８０Ｋで約３Ｗ未満の最大クーラーリフトを有する。
【００３３】
言い換えれば、本発明のなおさらなるこの態様はまた、
（１）真空デュワアセンブリ内に収容された、入力エンドと出力エンドとを有する極低温電子部分と、
（２）真空デュワアセンブリを通して極低温電子部分の入力エンドに接続された極低温エンドに至る周囲エンドを有する周囲から極低温への入力コネクタと、
（３）真空デュワアセンブリを通して周囲エンドに至る、極低温電子部分の出力エンドに接続された極低温エンドを有する極低温から周囲への出力コネクタと、
（４）極低温電子部分と密着するように真空デュワアセンブリに接続された極低温源とを具備し、
（ｉ）極低温電子部分が、
（ａ）入力エンドと出力エンドとを有する高温超伝導体フィルタ素子と、
（ｂ）入力エンドと出力エンドとを有する能動半導体回路とを具備し、
（ｉｉ）フィルタ素子の入力エンドは入力コネクタの極低温エンドに接続され、
（ｉｉｉ）フィルタ素子の出力エンドは能動半導体回路の入力エンドに接続され、
（ｉｖ）能動半導体回路の出力エンドは出力コネクタの極低温エンドに接続され、
（ｖ）能動半導体回路は約８５０ｍＷ未満の合計散逸電力を極低温電子部分に生成し、
（ｖｉ）極低温装置は、２０℃の周囲温度のとき、８０Ｋで約３Ｗ未満の最大クーラーリフトを有する、極低温受信機に関する。
【００３４】
読者は、１つの「構成要素」が他の「構成要素」に接続される場合、順序のみが意味され、したがって、他の構成要素を中間に接続し得ることに留意すべきである。例えば、入力コネクタ−フィルタ素子−能動半導体−出力コネクタは、他の構成要素によって遮断できる順序である。真空デュワアセンブリ内の構成要素の数を最小限に維持すること（例えば、冷却の要求を低減すること）は、一般的に受け入れられた実務であり、したがって、以下にさらに詳細に説明するように、入力コネクタからフィルタ素子への、フィルタ素子から能動半導体デバイスへの、また能動半導体デバイスから出力コネクタへの直接接続を有することが望ましい。
【００３５】
ＨＴＳフィルタ（特に自己共振型スパイラル共振器をベースとするフィルタ）、低い散逸電力の半導体デバイス（必要な極低温状態下で有効に動作する）および上述のようなインタコネクトの組合せによって、２０℃の周囲温度で極低温電子セクションを８０Ｋに冷却するために、約３ワット未満、より好ましくは約２ワット未満、なおより好ましくは約１ワット以下の電力を必要とするより小さな極低温冷却器によって、はるかに小さな極低温装置（例えば、低雑音受信機）を構成かつ冷却することができる。言い換えれば、本発明は、最小の寸法および冷却コストで最適な性能を提供する小型極低温装置を提供する。
【００３６】
本発明によって可能となる小型化の追加の利点は、動作ユニットの熱収支の大きな低減であり、これは、極低温冷却器の効率の向上、システムの動作寿命と信頼性の向上、およびエネルギ消費と運転コストの低減と直接的な相関関係を有する。
【００３７】
本発明はまた、特定の温度で特定の動作周波数で動作するようにプログラミングされた、高温超電導フィルタ素子を具備する極低温受信機を調整する方法であって、特定の動作温度を変更して極低温受信機の動作周波数をシフトさせるステップを含む方法を提供する。
【００３８】
本発明の上記および他の特徴と利点は、次の詳細な説明から当業者によってより容易に理解されるであろう。前述の一般的な説明と次の詳細な説明の両方が模範的かつ説明目的にすぎず、また請求されるような本発明を限定するものでないことを理解すべきである。例えば、分かりやすくするために別個の実施態様に関連して以下に説明する本発明のある特徴は、単一の実施態様で組み合わせても提供し得ることが認識される。逆に、簡潔さのために単一の実施態様に関連して説明する本発明の種々の特徴は、個別にまたは任意の下位の組合せでも提供し得る。
【００３９】
本明細書に組み込まれかつその一部を構成する添付図は、本発明の複数の実施態様を例示し、記述と共に本発明の原理を説明するために使用される。
【００４０】
（好適な実施態様の詳細な説明）
次に、本発明の実施態様について詳細に参照し、またそれらの実施例を添付図に示す。可能な場合、同一の参照番号は、図面全体にわたって同一または同様の部分（要素）を指すために使用される。
【００４１】
本発明は、上述のような従来技術の短所を克服し、また受信機サイズ、電力要件、断熱、受信機と送信機との統合、およびＲＦ損失低減のために短縮した長さの相互接続の領域において、従来技術に対し技術的な利点を提供する。
【００４２】
本明細書に使用されているような「周囲」という用語は、周囲の環境、すなわちデュワアセンブリの外部に存在する状態を指すことに留意されたい。例えば、周囲は、通常の部屋の状態、暖かい日および／または装置の操作による生成熱の結果として存在する高温状態、あるいは外部空間に存在する低温状態を指すことがある。このことは、デュワアセンブリ内の状態を指す、すなわち極低温電子部分の最適動作のための所望の低温を維持するために意図的に冷却される（極低温源により）「極低温」と反対である。
【００４３】
関連技術の現在の状態の本発明による改良が、図２と図３に示されている。説明目的のために、極低温電子部分が、能動半導体回路２１０に接続されまた真空デュワアセンブリ２１５内に収容されたＨＴＳフィルタ素子２０５の組合せである極低温受信機が示されている。真空デュワアセンブリ２１５は、本体２２０と、基部として、極低温電子部分と極低温源の両方に密着または密接した低温板２２５とを備える。本実施態様では、極低温源は小型極低温冷却器２３０である。真空デュワアセンブリ２１５は、ハウジングまたは筺体を備える自立ユニットである。図５に示したように、デュワ２１５は蓋５２０を含む。一般的に言えば、真空デュワアセンブリ２１５および極低温冷却器２３０は互いに密接している。代替的実施態様では、デュワ２１５と極低温冷却器２３０は互いに密接しているか、あるいは図２に示したような統合ユニットまたはアセンブリ（互いに取り付けられる）として形成される。
【００４４】
真空デュワアセンブリ２１５は、例えば、極低温装置の冷却および電力要件をさらに低減するために、ＨＴＳフィルタ素子２０５を少なくとも覆う熱／赤外線熱シールド２３５も収容し得る。
【００４５】
他の実施態様では、極低温装置のサイズは、ＨＴＳフィルタ素子２０５に少なくとも対面しさらに低温板２２５に密着した熱／赤外線熱シールド２３５の下側に超伝導板（図示せず）を配置することによって、さらに低減できる。本実施態様の超伝導板の適用により、極低温装置素子の表面積の低減が支援され、このようにして装置の冷却および電力要件がさらに低減される。
【００４６】
超伝導板は、例えば、ＨＴＳフィルタ素子２０５に対面するディスクの少なくとも側面にＨＴＳ材料のフィルムを有するディスクを備えることができる。典型的に、ディスクはＨＴＳフィルタ素子２０５と物理的に接触していないが、デュワアセンブリの構造が許容する程度に、ＨＴＳフィルタ素子２０５に接触せずに近接し得る。低温板２２５と接触するがＨＴＳフィルタ素子２０５とは接触しないようにするために、ディスクは１つ以上のスペーサ脚部または縁部を収容することができる。一般的に、ディスクは、デュワアセンブリの構造が許容する程度に極低温電子部分の多くを覆う。
【００４７】
超伝導板は、例えば、本明細書にあたかも完全に記載されているようなすべての目的のために参考として組み込まれているＷＯ０１／４１２５１に開示されているような調整目的のためにも使用できる。
【００４８】
調整のために使用できる方法は、ユニットがプログラミングされる動作温度を修正することである。例えば、８０．０Ｋに対し７９．５Ｋで動作するユニットは、フィルタ設計に応じて、ＨＴＳフィルタ素子２０５の動作周波数に＜２００ＫＨｚのシフトを導入できる。この温度調整は、極低温冷却器２３０用の温度制御器の設定点温度を変更することによって行うことができる。この温度を調整する他の方法は、制御器内の温度測定シリコンダイオードまたはＲｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｄｅｖｉｃｅ（ＲＴＤ）の温度電圧曲線を修正すること、あるいはＲＴＤまたはシリコンダイオードと直列に追加抵抗を付加して、電圧曲線を固定することである。
【００４９】
代替的実施態様では、極低温ユニットの動作温度は、ユニットが狭帯域用途の緊急またはバックアップ目的のために第２の中心周波数で動作できるように変更し得る。例えば、２Ｍｈｚの帯域幅の１９５０Ｍｈｚの中心点周波数で動作するようにユニットが設計されるならば、動作範囲は１９４９〜１９５１Ｍｈｚであろう。動作温度を変更することによって、１９４８〜１９５０Ｍｈｚの範囲の帯域幅の１９４９Ｍｈｚの中心点周波数でユニットを動作させることができる。温度をより小さな増分で変更して、極低温ユニットを微調整することもでき、この場合、製造工程における変動の故に、ユニットはその意図する中心点周波数の中心から僅かにずれて動作している。
【００５０】
極低温電子部分は、図５Ａに示したように、それぞれ入力および出力コネクタ２４０と２４５を通して入力源および出力構成要素２６０と２６５に接続され、前記入力および出力コネクタは、真空デュワアセンブリ２１５内の極低温状態から真空デュワアセンブリ２１５の外側の周囲状態に移行する。
【００５１】
上に示したように、極低温電子部分が必要とする合計冷却電力は、極低温源として機能する極低温冷却器のサイズ、重量および合計動作電力に直接影響を及ぼす。必要な合計冷却電力が大きくなると、それだけ冷却器のサイズ、重量および合計動作電力が大きくなる。必要な合計冷却電力は、低温の表面の赤外線加熱、高温の表面から低温の表面へのガス分子からの伝導熱の流れ、真空デュワアセンブリ２１５内への能動半導体回路２１０による散逸電力、およびコネクタ２４０と２４５による伝導熱の漏洩を含むが、それらに限定されないいくつかのファクタの関数である。低温の表面の赤外線加熱は、低温の表面のサイズ、および低温の表面が周囲に対して保持される温度を変更することによって低減できる。フィルタサイズおよびパッケージングは、低温表面のサイズを左右する傾向を有する。
【００５２】
上述の特徴に加えて、図２と図２ａに示したように、本発明はいくつかの他の特徴を利用して、極低温電子部分を最適動作温度に維持するために必要なサイズおよび合計冷却電力を低減する。
【００５３】
図２と図２ａから理解できるように、コネクタ２４０と２４５は、従来技術の図１に示したような別個のモジュール１１０と対照的に真空デュワアセンブリ２１５に統合される。コネクタ２４０と２４５は、それぞれ入力および出力密閉コネクタ２６０と２６５に接続されるジャンパ２５０と２５５を備える。密閉コネクタ２６０と２６５は真空デュワアセンブリ２１５からの電気的遷移を行い、例えば「Ｏ」リング、はんだ付けシールおよび／またはガラス対金属の直接シールを利用して、真空デュワアセンブリ２１５内の真空シールを維持する。ガラス対金属の直接シールは、一般的にサスペンションシールを提供する。デュワアセンブリの外側の密閉コネクタ２６０と２６５の部分は、例えば、必要とする接続の型式に応じて、光ファイバ（光ファイバ接続を使用するには、ＲＦ信号から符号化光信号への変換が必要であろう）ツイストペア等のような同軸または他の周知のコネクタの形態であり得る。
【００５４】
ジャンパ２５０と２５５は、極低温構成要素との接続部における極低温から、密閉コネクタ２６０と２６５との接続部における周囲温度に移行する。ジャンパ２５０と２５５は、最終用途、例えばより低い周波数信号用のマイクロストリップ伝送線路またはより高い周波数信号用の導波管に応じて、従来の構造であり得る。代替的実施態様では、インタコネクト（すなわちジャンパ２５０と２５５）は熱遮断材料の上に形成され、周囲からの熱ゲインを低減する。例えば、ジャンパ２５０と２５５は、アルミナ、ガラス（石英ガラス、水晶、ＭＡＣＯＲ等）、ファイバグラスエポキシ樹脂、またはその厚さが＞０．００２インチ（＞０．０５１ｍｍ）であるエーロゲルのような基板上にマイクロストリップ伝送線路として形成できる。本発明に利用される基板は、石英ガラス（約１．５Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率（Ｋ））またはシリカベースのエーロゲル（約０．０２Ｗ／ｍ−Ｋ（３００Ｋ、１気圧）〜０．００４Ｗ／ｍ−Ｋ（３００Ｋ、真空）のＫ値）のような、有効な熱遮断体として機能する非常に低い熱伝導性の材料から構成される。代替的実施態様では、熱伝導率のより高い基板は、ある種類の熱遮断材料も含むことが考えられる。当業者は、本発明の教示から逸脱せずに多くの熱遮断体が使用可能であることを理解するであろう。
【００５５】
インタコネクトが挿入熱遮断体を含む本実施態様の実施例が図３に示されている。基板材料３２０は、マイクロストリップラインの伝導性ストリップのより低温のエンド３１０とより高温のエンド３４０との間に、低い熱伝導率の材料（例えばエーロゲル）の挿入部３３０を収容する。同様の関連で、導波管キャビティは、少なくとも内面で金属化されるエーロゲルのような低い熱伝導性の材料から構成できるか、あるいは熱遮断体が挿入された金属のような標準材料から構成できる。挿入熱遮断材料の実施態様が図４に示されており、基板材料４１０は、導波管キャビティのより低温のエンド４４０とより高温のエンド４５０との間の少なくとも内面４３０で金属化された低い熱伝導性の材料（エーロゲルのような）の挿入部４２０を収容する。
【００５６】
熱遮断体は周囲からの熱伝導率をさらに低減するが、低い熱伝導率の材料を最初に利用して、極低温電子部分の伝導熱ゲインを可能な限り回避すべきであることに留意されたい。低い熱伝導率の材料の組合せ、同様に構造内の熱遮断体の適用は、両方を最善に提供するが、サイズの増大という犠牲が伴い、したがってすべての用途に実用的でないかもしれない。伝導熱の流れは伝導性材料の長さと反比例するので、ジャンパ２５０と２５５（図５Ｄ参照）を長くすることができるが、このことは、信号損失の増加および真空デュワアセンブリのサイズの増大をもたらす可能性がある。しかし、ＲＦ損失と熱ゲイン低下との相殺関係は、ジャンパ２５０と２５５の構造の材料および寸法に基づき当業者により最適化されることができる。
【００５７】
次に、図５Ａ〜図５Ｅを参照して、極低温受信機の詳細な説明を行う。
【００５８】
図５Ａは、本発明の密閉シールされた極低温受信機の傾斜正面斜視図を示しており、図５Ｂは図５Ａの傾斜正面拡大斜視図を示している。極低温受信機の組立は、それぞれ図５Ａ〜図５Ｅを参照してなされる。
【００５９】
真空デュワアセンブリ２１５の蓋５２０は、溶接、はんだ付けまたは機械的接続によってデュワ本体２２０に取り付けることができる。図５Ｂに示したように、ねじ５２２は蓋５２０内の孔を通して挿入され、ねじ孔５２３を介して本体２２０に係合する。蓋５２０がねじ５２２を介して本体５２０に係合されるとき、「Ｏリング」シール５３０は溝２２２に配置されてシールを形成する。
【００６０】
Ｏリングシール５３０は、真空状態の維持に必要なゴム、合成材料または金属から製造できるが、それらに限定されない。代替的実施態様では、蓋５２０の取付けは、はんだ付けおよび典型的に金属製のＯリングシール５３０によって達成される。
【００６１】
いくつかの構成要素が感熱性であり、これによって従来の溶接またははんだ付け技術を利用することが困難な本発明のさらなる実施態様では、「冷間」溶接技術を利用でき、この場合、可鍛性金属のＯリング（インジウムから成るＯリング）は蓋５２０とデュワ本体２２０との間に配置され、またシールは、蓋５２０に圧力を加えてＯリング５３０を溝２２内に圧縮することによって調整される。
【００６２】
真空チューブ２６６を介してハウジング／本体２２０が真空にされた場合に後に残される不純物を吸収するゲッタ５２５は、ボルト５２７を有するファスナ５２６によって位置保持される。本実施態様では、図示したように４つのゲッタ５２５があるが、ゲッタが、極低温ユニットの寿命にわたって負担となる予想される不純物を吸収する程度に十分な能力を有する限り、任意の数でよい。低温板２２５は本体２２０内に収容され、本体はその内部に形成された内部キャビティ領域５５５を有する。低温板２２５とユニットの本体２２０とを整列するために、整列工具５１０が利用される。低温板２２５がキャビティ５５５内に適切に固定されると、工具５１０は取り除かれる。フィルタ２０５および増幅器２１０は低温板２２５にまたは低温板２２５に密接して配置される。ＲＦシールド２３５は低温板２２５と連通して配置されて、フィルタ２０５と増幅器２１０とを遮蔽する。低温板２２５とフィルタ２０５と増幅器２１０（すなわち前端受信機）とをキャビティ５５５内のそれらのそれぞれの位置に保持するために、ブラケット５３５、５３９、５４１が利用される。キャビティ５５５の内部の極低温および非極低温のすべての表面は、例えば金、プラチナ、銀または同様の種類の金属（すなわち、環境に対し反応の小さい著しく伝導性の金属）のような高反射性材料でめっきされることが好ましい。ジャンパ２５０と２５５はフィルタ２０５と増幅器２１０とに連通している。
【００６３】
様々な入力および出力はポート２６０（Ｒｆ_ｉｎ）、２６５（Ｒｆ_ｏｕｔ）および２７０（ＤＣ_ｉｎ）を介して受信機にアクセス可能にされる。ユニット内部の温度表示はポート５６４を介して行われる。
【００６４】
低温の指部５７２はキャビティ５５５の中央開口部５５４を通して延在し、低温板２２５と熱連通する。低温の指部５７２はデュワアセンブリ２１５の頂部２８０（すなわちヒートシンク領域）から延在する。底板５６５がボルトまたはねじによって、デュワの頂部２８０に形成されたボルトまたはねじ孔２９０に固定されると、Ｏリング５７０は領域２８２とのシールを形成する。
【００６５】
いくつかの熱収支ファクタを考慮に入れる例として、ＨＴＳフィルタ素子を＜４０ｃｍ^２のサイズに、能動半導体回路を＜３５０ｍＷの散逸電力に、ジャンパ（長さ５ｃｍ、厚さ０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）、および幅５ｍｍの石英ガラス基板上のマイクロストリップ伝送線路）によって生成される熱漏洩を＜１００ｍＷに維持することによって、１チャネル当たり必要な冷却容量を周囲温度２０℃、８０Ｋで＜６００ｍＷに低減できる。
【００６６】
以前に示したように、ジャンパ２５０と２５５は、石英ガラスまたはシリカエーロゲル基板に形成されたマイクロストリップ伝送線路であることが好ましく、前記ジャンパは熱伝導が非常に低い基板であり、またガス抜き材料による熱伝導の故に時間の経過と共に真空を劣化させかつ冷却器に対する熱負荷を増大させる可能性のあるガス抜き材料が基板にないため、長期にわたる真空環境に有効に使用できる。さらに、エーロゲル基板の追加の利点は、材料が本質的に大きな表面積のシリカ材料であることである。シリカ表面は水蒸気を吸収する傾向を有するので、真空の品質を改善する。石英ガラスまたはシリカエーロゲルのようなシリカ材料は、最適な電気的および熱的なインタフェースであり、またデュワ内の必要な真空の維持を補助する「ゲッタ」として機能し、したがって真空の信頼性を改善する。
【００６７】
代替的実施態様では、ジャンパ２５０と２５５は、典型的に長さ５ｃｍ、幅２．５〜５ｍｍおよび厚さ０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の石英ガラス基板の一方の側面に蒸着されるマイクロストリップ伝送線路（例えば、厚さ１．５μｍの金線）を備え、基板の他方の側面はその上に接地層（例えば、金のような伝導性金属）を有する。
【００６８】
完全に伝導性金属から製造される従来の導波管キャビティは、約２Ｇｈｚ未満の周波数範囲の用途の極低温電子部分に過大な熱漏洩を発生する傾向を有する。したがって、低い熱伝導率の金属被覆基板（例えばエーロゲル）から導波管キャビティを製造するか、少なくとも、金属被覆エーロゲル材料の「熱遮断体」を導波管キャビティ構造体に挿入して、伝導性の熱伝達を低減することが推奨される（導波管が適用可能な場合）。
【００６９】
ＨＴＳフィルタ素子は、真空デュワアセンブリの構造によって課されるサイズ制限に対応できる１つ以上のミニフィルタであり得る。好ましいミニフィルタは、以前に組み込まれた米国特許第６１０８５６９号に開示されており、また長方形、丸い角を有する長方形、多角形、ヘアピン、楕円形および円形を含むがそれらに限定されない様々な形状の自己共振型スパイラル共振器をベースとする。自己共振型スパイラル共振器のサイズは、隣接ラインの間のギャップ幅を低減しまたスパイラル共振器内の中心開口領域を低減することによって低減される。自己共振型スパイラル共振器の共振周波数（ｆ）は、渦巻線の長さ（λ）を変更し（この場合ｆ ≒ λ ／ ２）、隣接渦巻線の間のギャップ幅を変更することによって、また伝導性の調整パッドをスパイラルの中心に配置することによって変更できる。最後の方法は周波数の微調整として利用できる。周波数の調整はまた、上述のように、フィルタ素子の上方に配置されるＨＴＳ板を使用し、また動作温度を変更することによって達成できる。
【００７０】
ＨＴＳフィルタ素子の設計は、例えば、フィルタ素子の目的（例えば帯域通過または帯域拒否）、動作周波数、感度のようないくつかのファクタ、および当業者が認識し得る他のファクタにさらに左右される。これらのファクタに基づき、当業者は、以前に組み込まれた米国特許第６１０８５６９号に提供されているガイダンスおよび商業的に入手可能なソフトウェアパッケージ（例えばＳｏｎｎｅｔ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｉｎｃ．から入手可能なＳｏｎｎｅｔ　ＥＭ　Ｓｕｉｔｅ）のような標準設計の工具を用いて、適切なフィルタ素子を設計できる。
【００７１】
様々な実施態様では、ＨＴＳフィルタ素子（および超伝導材料を含む他の構成要素）の超伝導材料は、約７７Ｋよりも高い転移温度Ｔ_ｃを有する。さらに、ＨＴＳフィルタ素子用の基板は、それらの上に蒸着されたＨＴＳフィルムに適合される誘電体材料格子を有するべきであり、その損失正接は約０．０００１未満である。好ましい特定の材料は次のものを含むが、それらに限定されない。
ＨＴＳ材料、すなわちＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７、Ｔｌ_２Ｂａ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８、ＴｌＢａ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_９、（ＴｌＰｂ）Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_７および（ＴｌＰｂ）Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_９の１つ以上、
基板材料、すなわちＬａＡｌＯ_３、ＭｇＯ、ＬｉＮｂＯ_３、サファイヤおよび水晶の１つ以上。
【００７２】
基板およびＨＴＳ材料に加えて、適切ならば、米国特許第５５０８２５５号および米国特許第５２６２３９４号に（例えば）開示されているような様々なバッファおよび配向層を利用でき、それらの両方は、あたかも完全に記載されているようなすべての目的のために本明細書に組み込まれている。
【００７３】
スパイラル共振器ベースのミニフィルタの入力および出力結合部は、一般に受け入れられている２つの構造を有する。１つは、一方のエンドがラインの頂部の通常の金属接触パッドを介してミニフィルタのコネクタに接続される伝送線路を備える平行ライン構造であり、そのラインの他方のエンドは、最初の共振器（入力回路用）または最後の共振器（出力回路用）の渦巻線に近接かつそれと平行に整列して延在して、フィルタ用の入力または出力結合を行う。他の構造は、一方のエンドがラインの頂部の通常の金属接触パッドを介してミニフィルタのコネクタに接続される伝送線路を備える挿入ライン構造であり、そのラインの他方のエンドは、最初の共振器（入力回路用）または最後の共振器（入力回路用）の分割渦巻線に挿入されるように延在して、フィルタ用の入力または出力結合を行う。さらなる詳細は、以前に組み込まれた米国特許第６１０８５６９号を参照して確認できる。
【００７４】
ミニフィルタの隣接したスパイラル共振器の間の共振器の相互結合は、隣接共振器の縁部における電磁界のオーバーラップによって行われる。結合の強さは、隣接したスパイラル共振器の間の長手方向の距離を変更し、スパイラル共振器の配向を変更し、また横断方向に沿ってスパイラル共振器の位置をシフトすることによって調整できる。結合の強さの微調整のために最後の方法を利用できる。再び、さらなる詳細は、以前に組み込まれた米国特許第６１０８５６９号を参照して確認できる。
【００７５】
ミニフィルタは、ミニフィルタ基板の「裏」側の金属化接地面を介して真空デュワアセンブリ２１５の低温板２２５に密着していることが好ましく、ミニフィルタのさらなる詳細は、以前に組み込まれた米国特許第６１０８５６９号を参照して理解できる。ミニフィルタおよび能動半導体回路は、例えば、金属化接地面と低温板２２５との間に伝導性のエポキシ樹脂またははんだを使用することによって、あるいは金属化接地面を低温板２２５に抵抗溶接することによって、あるいは単にねじのような機械的手段によって低温板２２５に取り付けることができる。
【００７６】
能動半導体回路２１０は、はんだ付け、ワイヤボンディングまたは並列ギャップ溶接のような任意の従来の手段によってフィルタ素子２０５に接続し得るが、はんだによって取り付けられる短い金属ワイヤ、熱圧縮接合または抵抗溶接によって、能動半導体回路２１０の接触パッド（図示せず）からフィルタ素子２０５の接触パッド（図示せず）に典型的に接続される。
【００７７】
能動半導体回路２１０は、例えば増幅器、ミキサ、アナログデジタル変換器およびデジタルプロセッサの１つまたはそれらの組合せであり得る。典型的に受信機では、能動半導体回路２１０は、ＩｎＰまたはＧａＡｓ　ＨＥＭＴ、ＨＢＴ、ｐＨＥＭＴ、ｎＨＥＭＴ、ＩＩＩ−Ｖヘテロ構造またはモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）増幅器のような、しかしそれらに限定されない増幅器を備える。このような増幅器は関連技術でよく知られている。ＩｎＰまたはＧａＡｓ　ｐＨＥＭＴまたはｎＨＥＭＴ増幅器が典型的に好ましい。商業的に入手可能な例は、例えばＭｉｔｅｑ　Ｉｎｃ．（Ｈａｕｐｐａｕｇｅ，ＮＹ　ＵＳＡ，Ｍｏｄｅｌ　Ｎｏ．ＳＡＦＳ１−０１５００２００−０８−ＣＲ−Ｓ）およびＭｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ．（Ｆｒｅｍｏｎｔ，ＣＡ　ＵＳＡ，Ｍｏｄｅｌ　Ｎｏ．ＳＧ０−７４４６，Ｐａｒｔ　Ｎｏ．０１−５０−６６０）のようないくつかの入手源から入手可能である。
【００７８】
極低温装置の極低温源は極低温電子部品の冷却を行う。極低温源は、装置が外部空間に配置されるならば、周囲外部空間の状態であり得るが、典型的に、極低温源は適切なサイズおよび電力要件の小型極低温冷却器ユニット２３０である。典型的に、このような小型極低温冷却器は、米国特許第４３９７１５５号、ＥＰ−Ａ−００２８１４４、ＷＯ９０／１２９６１およびＷＯ９０／１３７１０（それらのすべては、本明細書にあたかも完全に記載されているように参考として組み込まれている）に記述されているようなスターリングサイクル機械である。
【００７９】
上述の極低温装置は、いくつかの分野、特に帯域通過および帯域拒否フィルタ用途の無線通信分野に利用できる。このような１つの分野は、地上ベースおよびタワートップ用途における無線通信基地局の受信機前端にある。このような用途の全般的な詳細は、以前に組み込まれた引例に確認できる。このような用途では、本発明の極低温前端受信機は、直接的または間接的に基地局の他の構成要素にさらに電気的に接続できる単一筺体内の極低温電子ユニットおよび制御回路を備えるという点で、ある一般的な観点において従来のユニット（例えば図１に図示）と同様の統合パッケージであり得る。しかし、本明細書に記述した極低温電子ユニットの創意に富んだ特徴のため、本発明による前端受信機のサイズ、重量および電力要件は、このような従来のユニットと比較して等しいかあるいは優れてさえもいる性能を維持しつつ、相当、ある場合には１桁以上低減できる。
【００８０】
サイズ、重量および電力要件の相当の低減により、本発明による極低温装置は、例えばアンテナアセンブリ、衛星基地局、レーダアレイおよびＲＦ受信機に統合するのに理想的となる。
【００８１】
このような特定の例は、極低温装置と無線基地局の少なくとも１つのアンテナとが統合ユニットとして組み立てられる統合アンテナアセンブリを含む。ユニットの極低温電子部分がアンテナに密接し得る以前に組み込まれた米国特許第６１０４９３４号に示したシステムとは対照的に、本発明はアンテナとの統合ユニットを可能にし、システムに対するノイズ汚染さえもさらに低減する。
【００８２】
図６Ａ〜図６Ｆは、無線通信基地局および自己調整の極低温前端受信機の複数の実施態様を示している。図６Ａは、ダイバシティアンテナ６０５と主受信機６１０とを含む無線基地局の極低温ユニット構造の概略図を示している。ダイバシティアンテナ６０５は、主受信機６１０を介して受信される信号の利得に対し約３ｄｂの追加利得を提供する。主受信機６１０は同時に受信および送信し、この場合ダイバシティ受信機は信号のみを受信する。対応する信号は、ダイバシティアンテナ６０５の場合に極低温ユニット６３０に、また極低温ユニット６３０に送られる前に主受信機６１０用のダイプレクサ６１５に直接送信される。
【００８３】
ダイプレクサ６１５は、信号をその送信信号成分と受信信号成分とに分離するためのフィルタ６２０と６２５から構成される。次に、受信信号成分は極低温ユニット６３０に送信される。一般的な場合、送信信号は、加熱容量の制約のため極低温ユニットによって処理されないが、他の方法で極低温ユニット６３０によって処理できる。本実施態様では、極低温ユニット６３０は、それぞれ増幅器６４０と６５０を有するＨＴＳフィルタ６３５と６４５から構成される。一般的に、増幅器は低雑音増幅（ＬＮＡ）増幅器である。次に、受信信号はそれぞれ増幅器６５５と６６０に送られ、主受信機６１０の電気経路の場合、ダイプレクサ６６５によって信号の送信成分とダイプレクスされ、次に基地局の残りのセクションに送信される。
【００８４】
図６Ｂは本発明の無線基地局および極低温ユニット構造の第２の実施態様を示している。図６Ｂは、極低温ユニット６３０と６８０が、それぞれ主受信機６１０の信号およびダイバシティアンテナ６０５の信号専用であるという点で、図６Ａに示した実施態様とは異なる。この構造は、信頼性の付加を可能にし、また一方または両方の極低温ユニット６３０と６８０が不具合になった場合、基地局がＲＦ信号をなお受信かつ処理することをさらに保証するため、それぞれバイパス回路６４２と６９２も含む。
【００８５】
図６Ｃは本発明の無線基地局および極低温ユニット構造の第３の実施態様を示しており、ダイバシティアンテナ６０５の信号は、極低温ユニット６３０によって処理される唯一の信号である。さらに、バイパス回路６４２はフィルタ６４４をさらに含み、したがって、図６Ａと図６Ｂに示した実施態様のいずれにおいても提供されないこの経路に沿った追加の信頼性およびフィルタ処理を提供する。
【００８６】
図６Ｄは、本発明の無線基地局および極低温ユニット構造の第４の実施態様を示している。図６Ｄは、図６Ａ〜６Ｃに示した実施態様のダイバシティアンテナを含まない。本実施態様は、フィルタ６４４なしのバイパス６４２を含むが、他のすべての観点において以前の実施態様と同様に機能する。
【００８７】
図６Ｅは、本発明の無線基地局および極低温ユニット構造の第５の実施態様を示している。図６Ｅは、基地局の残りのセクションに信号が送られる前の回路にダイプレクサ６６５を含むという点で第４の実施態様とは異なる。
【００８８】
図６Ｆは、本発明の無線基地局および極低温ユニット構造の第６の実施態様を示している。図６Ｆは、ダイバシティアンテナ６０５の信号のみが極低温ユニット６３０によって処理される構造を示している。本実施態様は、バイパスフィルタ６４４を有するバイパス回路６４２と、基地局の残りのセクションに処理信号を送信する前のダイプレクサ６６５とをさらに含む。
【００８９】
読者は、上述の実施態様が模範的なものであり、本発明の範囲を限定するようには意図されていないことを指摘すべきである。本発明は、ＲＦ信号（特にマイクロ波）が受信かつ放送される任意の環境、例えばレーダアレイ、衛星施設（家庭用または商業用）、および無線およびセルラ基地局のような、しかしそれらに限定されない環境に適用できる。このような用途では、本発明による極低温装置は、用途および構成要素の構造に応じて、出力信号対雑音比で１、２、３またははるかに高いｄｂ利得さえも提供できる。
【００９０】
本発明の範囲または意図から逸脱することなく、本発明および本発明の構造において、種々の修正および別形態を実施できることが当業者には明白であろう。本発明の他の実施態様は、本明細書に開示した本発明の仕様と実施を考慮すれば当業者には明白であろう。仕様および実施例は模範的なものに過ぎないと考えられ、本発明の真の範囲および精神は次の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【００９１】
本発明の他の実施態様は、本明細書に開示した本発明の仕様と実施を考慮すれば当業者には明白であろう。仕様および実施例は模範的なものに過ぎないと考えられ、本発明の真の範囲および精神は、次の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の統合極低温受信機の斜視図である。
【図２】
本発明による極低温受信機の実施態様の傾斜正面斜視図である。
【図２Ａ】
本発明による極低温受信機の実施態様の頂部斜視図である。
【図３】
極低温（またはその逆）コネクタの周囲の部分として使用できる熱遮断体を有するマイクロストリップ伝送線路の図面である。
【図４】
極低温（またはその逆）コネクタの周囲の部分として使用できる熱遮断体を有する導波管構造体の図面である。
【図５Ａ】
本発明の実施態様の密閉シールされた極低温受信機の傾斜正面斜視図である。
【図５Ｂ】
本発明の図５Ａに示した実施態様の傾斜正面分解斜視図である。
【図５Ｃ】
本発明の切断ラインＡＡの上のそれらの素子の図５Ｂに示した実施態様の拡大傾斜正面斜視図である。
【図５Ｄ】
発明の切断ラインＢＢの上のそれらの素子の図５Ｂに示した実施態様の拡大傾斜正面斜視図である。
【図５Ｅ】
本発明の切断ラインＢＢの下のそれらの素子の図５Ｂに示した実施態様の拡大傾斜正面斜視図である。
【図６Ａ】
本発明の実施態様の主受信アンテナとダイバシティ受信アンテナ入力構造とを含むセルラ基地局および極低温受信機の概略回路図である。
【図６Ｂ】
本発明の代替的実施態様の主受信アンテナとダイバシティ受信アンテナ入力構造の多数の受信入力部とを含むセルラ基地局および受信機、およびバイパス回路構造の概略回路図である。
【図６Ｃ】
本発明の代替的実施態様の主受信アンテナと、バイパス回路とフィルタ構造とを含むダイバシティ受信アンテナ入力部とを含むセルラ基地局および受信機の概略回路図である。
【図６Ｄ】
本発明の代替的実施態様の主受信アンテナ入力部とバイパス回路構造とを含むセルラ基地局および受信機の概略回路図である。
【図６Ｅ】
本発明の代替的実施態様の多数のダイプレクサを有する主受信アンテナ入力極低温受信機とバイパス回路構造とを含むセルラ基地局および受信機の概略回路図である。
【図６Ｆ】[0001]
(Background of the Invention)
(Field of the Invention)
The present invention relates generally to cryogenic front-end receivers, and more particularly to the smallest cryogenic front-end receiver based on superconducting elements, low heat transmission interconnects, self-resonant filters and low dissipated power characteristics. .
[0002]
(Explanation of related technology)
Until the late 1980's, superconductivity phenomena had found very few practical applications due to the need to operate at temperatures in the range of liquid helium. In the late 1980's, ceramic metal oxide compounds containing rare earth sources began to dramatically change this situation. Prominent examples of such materials are YBCO (yttrium barium copper oxide, see WO 88/05029 and EP-A-0281753), TBCCO (thallium barium calcium copper oxide, see US Pat. No. 4,962,083), and TPSCCO (thallium lead). Strontium calcium copper oxide, see US Pat. No. 5,017,554). All of the above references are incorporated by reference for all purposes as if fully set forth herein.
[0003]
These compounds, called HTS (High Temperature Superconductor) materials, exhibit superconducting properties at temperatures high enough to allow the use of liquid nitrogen as a coolant. Since the cooling efficiency of liquid nitrogen at 77K (196 ° C./321° F.) is 20 times that of liquid helium and costs less than one tenth, a variety of potential applications begin to gain the promise of economic utility. Was. For example, HTS materials have been used in applications ranging from medical diagnostic equipment to particle accelerators.
[0004]
Currently, one of the rapidly growing applications of superconductivity is in the area of electronics and related microwave technology due to the astronomical growth of the telecommunications industry and the increasing use of consumer electronics by the general public. is there. However, despite recent advances in superconductivity, size, cost and power requirements have limited the commercial use of this promising technology to only high end applications such as space instrumentation and military applications.
[0005]
An essential component of many electronic devices, especially in the field of communications, is the filter element. HTS filters have significant advantages in terms of significantly lower in-band insertion loss, higher off-band rejection and steep edges due to the significantly lower radio frequency (RF) loss of HTS materials.
[0006]
However, a conventional transmission line HTS filter having a conventional HTS resonator (eg, a stripline resonator) as a building block has an area requirement that at least one dimension of the resonator is equal to about a half wavelength (ie, λ / 2). Therefore, a large substrate area is required. See, for example, U.S. Patent No. 5,616,538, which is incorporated by reference for all purposes as if fully set forth herein. In this way, the conventional low frequency HTS filter design has a large number of poles and is coupled to conventional semiconductor electronics, such as a gallium arsenide (GaAs) amplifier, so that the HTS material is brought to its critical temperature (T _c ) The cryogenic cooler required to cool below is relatively large and requires a power level of at least 6 watts at an ambient temperature of 20 ° C. and 80K.
[0007]
FIG. 1 is a perspective view of such a conventional cryogenic receiver according to the related art. The entire integrated package is composed of a number of separate elements. The connector 110 is used to route power and RF signals into and out of a cryogenic electronic section consisting of a dewar assembly 120 that houses cryogenic electronic components 130 such as RF filters and amplifiers. Dewar assembly 120 is a vacuum cavity required to reduce the convective heat load on the cryogenic electronic components by the molecules therein. A cryogenic source, in this case cooler 140, provides cooling of the cryogenic electronic section. The housing 150 is an external package that houses a circuit board 160 that performs the above-described elements and control functions for the cooler and other errors or defects and detects and issues an alarm, and a fan 170 that cools the circuit board 160.
[0008]
As shown in FIG. 1, the size of a conventional unit is typically at least about 15 inches wide, 20 inches long and 10 inches deep (about 38.1 × 50.8 × 25.4 cm). ). The large size and weight of these conventional units are mainly due to the physical size of the cryogenic electronic section, the power required for the amplifier, and the RF transitions, usually connectors, from ambient conditions into the Dewar assembly 120. The cooling required for additional convective heat flow from the coaxial cable. Thus, the physical size, weight, and total operating power provided to the unit are governed by cooler 140 and Dewar assembly 120. In a conventional unit, when operating at 20 ° C., the required cooling lift per channel is about 1 W, so the total operating power required only for cooler 140 is> 125 W.
[0009]
Examples of conventional units are Superconductor Technologies Inc. Superfilter (R) Systems (see www.suptech.com for more information), available from (Santa Barbara, CA); and Conductus Inc. ClearSite® systems (see www.conductors.com for more information) available from (Sunnyvale, CA USA).
[0010]
The large size and weight of these conventional units substantially limit the application of this technology. One such application is disclosed in US Pat. No. 6,104,934, which is incorporated by reference for all purposes as if fully set forth herein, such as a receiver. For front-top applications where the front end is attached to the antenna of a cellular or similar base station. The disclosed receiver size and cooling requirements require that the cooling unit be located somewhere adjacent to the antenna, and cannot be combined with the electronics in an integrated unit.
[0011]
The components with the largest real estate required for miniaturization are the cooler 140, the cryogenic electronics 130 and the Dewar assembly 120.
[0012]
One way to reduce the real estate requirements of cryogenic electronic front-end receivers is to employ a lumped element architecture based on conventional HTS filters. Although these filters can be operated at frequencies below 5 Ghz with a somewhat more compact physical size, the filter performance of these conventional lumped element HTS filters is typically due to intermodulation products and insertion loss. Limited.
[0013]
The use of a device containing an HTS filter poses another design problem. For example, the interconnect typically used to connect the cryogenic part of the device (usually a dewar containing an HTS filter under vacuum) to other electronic components is a long coaxial cable. These long cables have low heat transmission due to their length, which is highly desirable in cryogenic systems where it is important to keep the components cool. However, these long cable lines also have RF loss, which contributes to poor RF performance (ie, increased signal-to-noise ratio). To address the problem further, it is also necessary to increase the volume of the dewar in the cryogenic part of the device with long cables, which requires a design that can maintain the required vacuum increase over the life of the unit, Achieving is more difficult.
[0014]
The need to reduce the size of filter elements constructed from HTS materials has long been recognized and many attempts have been made by those skilled in the art. US Pat. No. 6,108,569, incorporated herein by reference for all purposes as fully described, describes the use of self-resonant spiral resonators to reduce the size of HTS material filters. And at the same time solve the problem of crosstalk and connection. Despite the great potential for miniaturization provided by recent major technological advances, suboptimal performance and increased cooling costs due to vacuum degradation, high heat transmission, and high power dissipation device issues Brought.
[0015]
Furthermore, conventional cryogenic front-end receivers require a considerable amount of time to manually tune the filter, which contains the critical functions of the unit. Since each of the resonant filters in the conventional filter structure locksteps and does not change, each pole of the filter must be adjusted individually, and adjustment of each pole affects all other poles of the filter array. Exert. The reconciliation process can typically take several days to perform.
[0016]
In addition, conventional cryogenic front-end receivers also suffer from the problem of degassing modules that adhere to equipment walls during the manufacturing process. Typically, this problem is overcome by simply heating the device slowly over a long period of time to degas gases such as residual oxygen, nitrogen, carbon dioxide, argon, water vapor. The process usually takes several days to complete, since the temperature required to degas the equipment wall in a short time would damage the compressor motor with the part of the cryogenic unit. .
[0017]
The prior art lacks a reduced size cryogenic front end receiver that can be used adjacent to or integrated with a receiver and / or transmitter.
[0018]
The prior art also lacks a cryogenic front end receiver having an interconnect between the dewar and a cryogenic cooler with significantly lower heat transmission to further insulate the dewar.
[0019]
Further, the prior art lacks a cryogenic front-end receiver that employs a thermal barrier material and an interconnect that employs a reduced length for self-adjustment to reduce RF losses and improve RF performance degradation.
[0020]
Further, the prior art lacks a cryogenic front end receiver with reduced power consumption capabilities.
[0021]
The prior art lacks a cryogenic front end receiver that uses a reduced substrate size resonant filter manufactured from HTS material and resonating below 5 Ghz.
[0022]
The prior art lacks a method for degassing a vacuum dewar utilizing the differential heat of the dewar assembly.
[0023]
The prior art lacks a cryogenic front end receiver that can be adjusted by changing the internal operating temperature of the front end receiver.
[0024]
(Summary of the Invention)
The present invention is made in view of the above situation, and has a cryogenic front-end receiver as one embodiment.
[0025]
A further aspect of the present invention can be characterized as a cryogenic device that includes a non-cryogenic electronic portion that further includes a cryogenic electronic portion and a thermal isolation section.
[0026]
To achieve these and other advantages, and in accordance with the objectives of the present invention, and as embodied and broadly described, according to one aspect, the present invention provides an input signal interface and an output signal interface. A cryogenic front end unit including a cryogenic electronic unit. The cryogenic cooler is in thermal communication with the cryogenic electronic unit. The cryogenic unit further includes an input signal interconnect connected to the input signal interface and an output signal interconnect connected to the output signal interface.
[0027]
Another aspect of the invention includes a cryogenic electronic portion, a non-cryogenic electronic portion, and an interconnect that connects the cryogenic electronic portion and the non-cryogenic electronic portion, wherein the interconnect is not connected to the cryogenic electronic portion. It can be characterized as a cryogenic device with a thermal barrier between the cryogenic electronic part.
[0028]
A further aspect of the invention is a cryogenic device that includes a cryogenic electronic portion housed within a vacuum dewar assembly, wherein the cryogenic electronic portion has an input end, an output end, and a cryogenic electronic portion through the vacuum dewar assembly. It can be characterized as a cryogenic device having an ambient to cryogenic input connector with a peripheral end to a cryogenic end connected to the input end. A cryogenic-to-ambient output connector having a cryogenic end connected to the output end of the cryogenic electronic portion leads through a vacuum dewar assembly to the peripheral end. The cryogenic source is connected to the vacuum dewar assembly in intimate contact with a cryogenic electronic portion having an input end and an output end. The cryogenic electronic portion comprises at least one of a high temperature superconductor filter element and a cryogenic active semiconductor circuit (eg, a low noise amplifier). The input end of the cryogenic electronic part is connected to the cryogenic end of the input connector, and the output end of the cryogenic electronic part is connected to the cryogenic end of the output connector. If an active semiconductor circuit is used, the active semiconductor circuit should generate less than about 850 mW of total dissipated power in the cryogenic electronics portion. The cryogenic device has a maximum cooler lift of less than about 3 W at an ambient temperature of 20 ° C., 80 K.
[0029]
In other words, this aspect of the invention
(1) a cryogenic electronic part having an input end and an output end housed in a vacuum dewar assembly;
(2) an ambient to cryogenic input connector having a peripheral end through the vacuum dewar assembly to a cryogenic end connected to the input end of the cryogenic electronic portion;
(3) a cryogenic-to-ambient output connector having a cryogenic end connected to the output end of the cryogenic electronic portion to a peripheral end through the vacuum dewar assembly;
(4) a cryogenic source connected to the vacuum dewar assembly so as to be in close contact with the cryogenic electronic part;
(I) the cryogenic electronic portion comprises at least one of a high-temperature superconductor filter element and a cryogenic active semiconductor circuit;
(Ii) generating active dissipated power of less than about 850 mW in the cryogenic electronic portion when the active semiconductor circuit is present;
(Iii) The cryogenic device has a maximum cooler lift of less than about 3 W at 80 K at an ambient temperature of 20 ° C.
[0030]
Another aspect of the present invention is that the cryogenic electronic portion of the cryogenic device described above comprises a high temperature superconductor filter element having an input end and an output end, and an active semiconductor circuit having an input end and an output end. The cryogenic receiver may be characterized in that the input end of the active semiconductor circuit is connected to the cryogenic end of the input connector via a high temperature superconductor filter element. The input end of the filter element is connected to the cryogenic end of the input connector, and the output end of the filter element is connected to the input end of the active semiconductor circuit.
[0031]
In other words, another aspect of the present invention is a cryogenic electronic portion of the cryogenic device described above, wherein the cryogenic electronic portion has a high temperature superconductor filter element having an input end and an output end, and an active semiconductor circuit having an input end and an output end. With
The input end of the active semiconductor circuit is connected to the cryogenic end of the input connector via a high temperature superconductor filter element,
The input end of the filter element is connected to the cryogenic end of the input connector,
The output end of the filter element relates to a cryogenic receiver, which is connected to the input end of an active semiconductor circuit.
[0032]
Still further aspects of the invention can also be characterized as a cryogenic receiver that includes a cryogenic electronic portion housed in a vacuum dewar assembly having an input end and an output end. An ambient to cryogenic input connector having a peripheral end passes through a vacuum dewar assembly to a cryogenic end connected to the input end of the cryogenic electronic portion and to a cryogenic terminal connected to the output end of the cryogenic electronic portion. A cryogenic to ambient output connector with an end is routed through the vacuum dewar assembly to the ambient end. The cryogenic receiver further comprises a cryogenic source connected to the vacuum dewar assembly in intimate contact with the cryogenic electronic portion. Further, the cryogenic electronic portion includes a high temperature superconductor filter element having an input end and an output end, and an active semiconductor circuit having an input end and an output end. The input end of the filter element is connected to the cryogenic end of an input connector, and the output end of the filter element is connected to the input end of an active semiconductor circuit. The input end of the active semiconductor circuit is connected to the cryogenic end of the output connector, and the active semiconductor circuit produces less than about 850 mW of total dissipated power in the cryogenic electronic portion. Cryogenic receivers have a maximum cooler lift of less than about 3 W at an ambient temperature of 20 ° C., 80K.
[0033]
In other words, this further aspect of the invention also provides
(1) a cryogenic electronic part having an input end and an output end housed in a vacuum dewar assembly;
(2) an ambient to cryogenic input connector having a peripheral end to a cryogenic end connected through a vacuum dewar assembly to an input end of a cryogenic electronic part;
(3) a cryogenic-to-ambient output connector having a cryogenic end connected to the output end of the cryogenic electronic portion to a peripheral end through the vacuum dewar assembly;
(4) a cryogenic source connected to the vacuum dewar assembly so as to be in close contact with the cryogenic electronic part;
(I) The cryogenic electron part is
(A) a high temperature superconductor filter element having an input end and an output end;
(B) an active semiconductor circuit having an input end and an output end;
(Ii) the input end of the filter element is connected to the cryogenic end of the input connector;
(Iii) an output end of the filter element is connected to an input end of the active semiconductor circuit;
(Iv) the output end of the active semiconductor circuit is connected to the cryogenic end of the output connector;
(V) the active semiconductor circuit produces less than about 850 mW of total dissipated power in the cryogenic electronic portion;
(Vi) The cryogenic device relates to a cryogenic receiver having a maximum cooler lift of less than about 3 W at 80 K at an ambient temperature of 20 ° C.
[0034]
The reader should note that when one "component" is connected to another "component", only the order is implied, and thus the other components may be connected in the middle. For example, the input connector-filter element-active semiconductor-output connector is in an order that can be interrupted by other components. Keeping the number of components in a vacuum dewar assembly to a minimum (eg, reducing cooling requirements) is a generally accepted practice and therefore, as described in further detail below. It is desirable to have a direct connection from the input connector to the filter element, from the filter element to the active semiconductor device, and from the active semiconductor device to the output connector.
[0035]
The combination of HTS filters (particularly filters based on self-resonant spiral resonators), low dissipated power semiconductor devices (effectively operating under the required cryogenic conditions) and interconnects as described above, results in a 20 ° C. With a smaller cryogenic cooler that requires less than about 3 watts, more preferably less than about 2 watts, and even more preferably less than about 1 watt of power to cool the cryogenic electronic section to 80 K at ambient temperature, A much smaller cryogenic device (eg, a low noise receiver) can be constructed and cooled. In other words, the present invention provides a miniature cryogenic device that provides optimal performance with minimal dimensions and cooling costs.
[0036]
An additional benefit of miniaturization enabled by the present invention is a significant reduction in the heat balance of the operating unit, which increases the efficiency of the cryogenic cooler, increases the operating life and reliability of the system, and reduces energy consumption. Has a direct correlation with the reduction in operating costs.
[0037]
The present invention is also a method of adjusting a cryogenic receiver comprising a high temperature superconducting filter element programmed to operate at a particular temperature and a particular operating frequency, wherein the cryogenic receiver is modified to operate at a particular operating temperature. A method is provided that includes shifting an operating frequency of a cryogenic receiver.
[0038]
These and other features and advantages of the present invention will be more readily understood by those of ordinary skill in the art from the following detailed description. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention as claimed. For example, it will be appreciated that certain features of the invention, which are, for clarity, described below in the context of separate embodiments, may also be provided in combination in a single embodiment. Conversely, various features of the invention which are, for brevity, described in the context of a single embodiment, may be provided individually or in any subcombination.
[0039]
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate several embodiments of the invention and, together with the description, are used to explain the principles of the invention.
[0040]
(Detailed description of preferred embodiments)
Reference will now be made in detail to embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to refer to the same or like parts (elements).
[0041]
The present invention overcomes the disadvantages of the prior art as described above and also reduces the size of the receiver for receiver size, power requirements, insulation, receiver and transmitter integration, and RF loss reduction. In the area, it offers technical advantages over the prior art.
[0042]
It should be noted that the term "ambient" as used herein refers to the surrounding environment, that is, conditions that are external to the Dewar assembly. For example, ambient may refer to normal room conditions, hot conditions that exist as a result of warm days and / or heat generated by operation of the device, or cold conditions that exist in external space. This refers to the condition within the Dewar assembly, i.e., as opposed to "cryogenic", which is intentionally cooled (by a cryogenic source) to maintain the desired low temperature for optimal operation of the cryogenic electronics. is there.
[0043]
An improvement according to the present invention of the current state of the related art is shown in FIGS. For illustrative purposes, a cryogenic receiver is shown in which the cryogenic electronic portion is connected to the active semiconductor circuit 210 and is a combination of HTS filter elements 205 housed within a vacuum dewar assembly 215. The vacuum dewar assembly 215 includes a body 220 and, as a base, a cryogenic plate 225 that is in close or close contact with both the cryogenic electronic portion and the cryogenic source. In this embodiment, the cryogenic source is a small cryogenic cooler 230. The vacuum dewar assembly 215 is a self-contained unit with a housing or housing. As shown in FIG. 5, dewar 215 includes a lid 520. Generally speaking, vacuum dewar assembly 215 and cryogenic cooler 230 are in close proximity to each other. In an alternative embodiment, the dewar 215 and the cryogenic cooler 230 are in close proximity to each other or are formed as an integrated unit or assembly (attached to one another) as shown in FIG.
[0044]
The vacuum dewar assembly 215 may also house a thermal / infrared heat shield 235 that at least covers the HTS filter element 205, for example, to further reduce the cooling and power requirements of the cryogenic device.
[0045]
In another embodiment, the size of the cryogenic device is to place a superconducting plate (not shown) under the heat / infrared heat shield 235 at least facing the HTS filter element 205 and in close contact with the cold plate 225. Can be further reduced. The application of the superconducting plate of this embodiment assists in reducing the surface area of the cryogenic device element, thus further reducing device cooling and power requirements.
[0046]
The superconducting plate can comprise, for example, a disk having a film of HTS material on at least a side of the disk facing the HTS filter element 205. Typically, the disk is not in physical contact with the HTS filter element 205, but may be in close proximity without contacting the HTS filter element 205, as the structure of the Dewar assembly allows. In order to make contact with the cold plate 225 but not with the HTS filter element 205, the disc may contain one or more spacer legs or edges. Generally, the disk covers as much of the cryogenic electronic portion as the construction of the Dewar assembly allows.
[0047]
The superconducting plate can also be used for conditioning purposes, for example as disclosed in WO 01/41251, incorporated by reference for all purposes as if fully described herein. .
[0048]
A method that can be used for adjustment is to modify the operating temperature at which the unit is programmed. For example, a unit operating at 79.5K versus 80.0K can introduce a <200KHz shift in the operating frequency of the HTS filter element 205, depending on the filter design. This temperature adjustment can be performed by changing the set point temperature of the temperature controller for the cryogenic cooler 230. Other methods of adjusting this temperature include modifying the temperature voltage curve of the temperature measuring silicon diode or Resistive Temperature Device (RTD) in the controller, or adding an additional resistor in series with the RTD or silicon diode to reduce the voltage. Fixing the curve.
[0049]
In an alternative embodiment, the operating temperature of the cryogenic unit may be changed so that the unit can operate at the second center frequency for emergency or backup purposes in narrowband applications. For example, if the unit is designed to operate at a center frequency of 1950 Mhz with a bandwidth of 2 Mhz, the operating range would be 1949-1951 Mhz. By changing the operating temperature, the unit can be operated at a center frequency of 1949 Mhz with a bandwidth in the range of 1948 to 1950 Mhz. The temperature can be changed in smaller increments to fine tune the cryogenic unit, where the unit is operating slightly off center from its intended center point frequency due to variations in the manufacturing process. .
[0050]
The cryogenic electronics are connected to input source and output components 260 and 265 through input and output connectors 240 and 245, respectively, as shown in FIG. 5A, wherein the input and output connectors are connected to poles in a vacuum dewar assembly 215. The low temperature state transitions to a surrounding state outside the vacuum dewar assembly 215.
[0051]
As indicated above, the total cooling power required by the cryogenic electronics directly affects the size, weight, and total operating power of the cryogenic cooler acting as a cryogenic source. The greater the total cooling power required, the greater the size, weight and total operating power of the cooler. The total cooling power required is: infrared heating of the cold surface, conduction heat flow from gas molecules from the hot surface to the cold surface, dissipated power by the active semiconductor circuit 210 into the vacuum dewar assembly 215, and the connector 240 And 245 as a function of several factors, including but not limited to conduction heat leakage. Infrared heating of a cold surface can be reduced by changing the size of the cold surface and the temperature at which the cold surface is held against the surroundings. Filter size and packaging tend to dictate the size of the cold surface.
[0052]
In addition to the features described above, as shown in FIGS. 2 and 2a, the present invention takes advantage of several other features to achieve the size and total size required to maintain the cryogenic electronic portion at an optimal operating temperature. Reduce cooling power.
[0053]
As can be seen from FIGS. 2 and 2a, connectors 240 and 245 are integrated into vacuum dewar assembly 215, as opposed to a separate module 110 as shown in FIG. 1 of the prior art. Connectors 240 and 245 include jumpers 250 and 255 connected to input and output sealed connectors 260 and 265, respectively. Hermetic connectors 260 and 265 make electrical transitions from vacuum dewar assembly 215 and utilize a vacuum seal within vacuum dewar assembly 215 utilizing, for example, "O" rings, soldered seals and / or direct glass-to-metal seals. maintain. A glass-to-metal direct seal generally provides a suspension seal. The portions of the hermetically sealed connectors 260 and 265 outside the Dewar assembly may require, for example, optical fiber (a conversion from an RF signal to an encoded optical signal to use an optical fiber connection), depending on the type of connection required. It may be in the form of a coaxial or other well-known connector, such as a twisted pair or the like.
[0054]
Jumpers 250 and 255 transition from cryogenic at the connection with the cryogenic component to ambient temperature at the connection between the sealed connectors 260 and 265. Jumpers 250 and 255 may be of conventional construction, depending on the end use, for example, a microstrip transmission line for lower frequency signals or a waveguide for higher frequency signals. In an alternative embodiment, interconnects (ie, jumpers 250 and 255) are formed over the thermal barrier material to reduce thermal gain from the surroundings. For example, jumpers 250 and 255 may be mounted on a substrate such as alumina, glass (quartz glass, quartz, MACOR, etc.), fiberglass epoxy resin, or airgel whose thickness is> 0.002 inches (> 0.051 mm). Can be formed as a microstrip transmission line. The substrate utilized in the present invention may be quartz glass (thermal conductivity (K) of about 1.5 W / m-K) or silica-based airgel (about 0.02 W / m-K (300 K, 1 atm) to 0 (K value of .004 W / m-K (300 K, vacuum)), composed of a very low thermal conductivity material that acts as an effective thermal barrier. In an alternative embodiment, the higher thermal conductivity substrate may also include some type of thermal barrier material. One skilled in the art will appreciate that many thermal barriers can be used without departing from the teachings of the present invention.
[0055]
An example of this embodiment where the interconnect includes an insertion thermal barrier is shown in FIG. Substrate material 320 contains an insert 330 of a low thermal conductivity material (eg, airgel) between the lower end 310 and the higher end 340 of the conductive strip of the microstrip line. In a similar connection, the waveguide cavity can be composed of a low thermal conductivity material, such as an airgel, which is metallized on at least the inner surface, or can be composed of a standard material, such as a metal into which a thermal barrier has been inserted. . An embodiment of the insert thermal barrier material is shown in FIG. 4, where the substrate material 410 has a low metallized metal at least at the inner surface 430 between the cooler end 440 and the hotter end 450 of the waveguide cavity. It contains an insert 420 of a thermally conductive material (such as airgel).
[0056]
It is noted that thermal barriers further reduce the thermal conductivity from the surroundings, but materials with low thermal conductivity should be utilized first to avoid the conduction thermal gain of the cryogenic electronic part as much as possible. I want to. The combination of low thermal conductivity materials, as well as the application of thermal barriers in the structure, offer both best, but at the cost of increased size and may therefore not be practical for all applications. Jumpers 250 and 255 (see FIG. 5D) can be lengthened because the conduction heat flow is inversely proportional to the length of the conductive material, but this results in increased signal loss and increased size of the vacuum dewar assembly. there is a possibility. However, the tradeoff between RF loss and thermal gain reduction can be optimized by those skilled in the art based on the materials and dimensions of the structure of jumpers 250 and 255.
[0057]
Next, the cryogenic receiver will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5E.
[0058]
FIG. 5A shows an oblique front perspective view of the hermetically sealed cryogenic receiver of the present invention, and FIG. 5B shows an oblique front enlarged perspective view of FIG. 5A. The assembly of the cryogenic receiver is made with reference to FIGS. 5A to 5E, respectively.
[0059]
The lid 520 of the vacuum dewar assembly 215 can be attached to the dewar body 220 by welding, soldering, or a mechanical connection. As shown in FIG. 5B, screw 522 is inserted through a hole in lid 520 and engages body 220 via screw hole 523. When the lid 520 is engaged with the body 520 via the screw 522, an “O-ring” seal 530 is placed in the groove 222 to form a seal.
[0060]
O-ring seal 530 can be made of, but is not limited to, rubber, synthetic materials, or metals needed to maintain a vacuum. In an alternative embodiment, attachment of lid 520 is accomplished by soldering and typically a metal O-ring seal 530.
[0061]
In a further embodiment of the present invention where some components are heat sensitive, which makes it difficult to utilize conventional welding or soldering techniques, a "cold" welding technique can be utilized, in which case the malleable An O-ring of inactive metal (an O-ring made of indium) is placed between the lid 520 and the Dewar body 220 and the seal is adjusted by applying pressure to the lid 520 to compress the O-ring 530 into the groove 22. Is done.
[0062]
The getter 525, which absorbs any impurities left behind when the housing / body 220 is evacuated via the vacuum tube 266, is held in place by a fastener 526 having bolts 527. In this embodiment, there are four getters 525 as shown, but any number may be used as long as the getters have sufficient capacity to absorb the expected impurities that will burden the life of the cryogenic unit. . Cold plate 225 is contained within body 220, which has an internal cavity region 555 formed therein. An alignment tool 510 is used to align the cold plate 225 with the body 220 of the unit. Once the cold plate 225 is properly secured in the cavity 555, the tool 510 is removed. Filter 205 and amplifier 210 are located on or in close proximity to cold plate 225. The RF shield 235 is disposed in communication with the cold plate 225 and shields the filter 205 and the amplifier 210. Brackets 535, 539, 541 are utilized to hold the cold plate 225, the filter 205, and the amplifier 210 (ie, the front end receiver) at their respective locations within the cavity 555. All cryogenic and non-cryogenic surfaces inside cavity 555 are highly reflective, such as, for example, gold, platinum, silver or similar types of metals (ie, highly conductive metals that are less responsive to the environment). Preferably, it is plated with a material. Jumpers 250 and 255 are in communication with filter 205 and amplifier 210.
[0063]
Various inputs and outputs are connected to port 260 (Rf _in ), 265 (Rf _out ) And 270 (DC _in ) Is made accessible to the receiver. The temperature inside the unit is indicated through the port 564.
[0064]
Cold finger 572 extends through central opening 554 of cavity 555 and is in thermal communication with cold plate 225. The cold finger 572 extends from the top 280 of the Dewar assembly 215 (ie, the heat sink area). O-ring 570 forms a seal with region 282 when bottom plate 565 is secured by bolts or screws to bolts or screw holes 290 formed in dewar top 280.
[0065]
As an example to take into account several heat balance factors, the HTS filter element is <40 cm ² The active semiconductor circuit is generated by a jumper (microstrip transmission line on quartz glass substrate 5 cm long, 0.005 inch (0.127 mm) thick, and 5 mm wide) with a dissipated power of <350 mW. By maintaining the heat leakage at <100 mW, the required cooling capacity per channel can be reduced to <600 mW at 80 ° K at 20 ° C.
[0066]
As previously indicated, jumpers 250 and 255 are preferably microstrip transmission lines formed on a quartz glass or silica airgel substrate, said jumpers being substrates with very low heat conduction and venting. The substrate can be effectively used in a long-term vacuum environment because there is no degassing material on the substrate that can degrade the vacuum over time and increase the thermal load on the cooler due to heat conduction by the material. Further, an additional advantage of the airgel substrate is that the material is essentially a high surface area silica material. The silica surface has a tendency to absorb water vapor, thus improving the quality of the vacuum. Silica materials, such as quartz glass or silica airgel, are the optimal electrical and thermal interface, and also function as "getters" to help maintain the required vacuum in the Dewar, thus increasing vacuum reliability. Improve.
[0067]
In an alternative embodiment, jumpers 250 and 255 are micro-deposited on one side of a quartz glass substrate, typically 5 cm long, 2.5-5 mm wide and 0.005 inch (0.127 mm) thick. It has a strip transmission line (eg, 1.5 μm thick gold wire) and the other side of the substrate has a ground layer (eg, a conductive metal such as gold) thereon.
[0068]
Conventional waveguide cavities made entirely of conductive metals have a tendency to generate excessive heat leakage in the cryogenic electronics for applications in the frequency range below about 2 Ghz. Thus, the waveguide cavity may be fabricated from a low thermal conductivity metal-coated substrate (e.g., airgel) or at least a "thermal barrier" of metal-coated airgel material may be inserted into the waveguide cavity structure to provide a conductive material. It is recommended to reduce the heat transfer (if waveguides are applicable).
[0069]
The HTS filter element can be one or more mini-filters that can accommodate the size limitations imposed by the structure of the vacuum dewar assembly. Preferred minifilters are disclosed in previously incorporated U.S. Patent No. 6,108,569 and include a variety of shapes including, but not limited to, rectangles, rectangles with rounded corners, polygons, hairpins, ellipses and circles. Based on self-resonant spiral resonator. The size of the self-resonant spiral resonator is reduced by reducing the gap width between adjacent lines and reducing the central aperture area within the spiral resonator. The resonance frequency (f) of the self-resonant spiral resonator changes the length (λ) of the spiral (f 渦 λ / 2 in this case), changes the gap width between adjacent spirals, and It can be changed by placing a conductive adjustment pad in the center of the spiral. The last method can be used for fine tuning of the frequency. Adjustment of the frequency can also be achieved by using an HTS plate located above the filter element and changing the operating temperature, as described above.
[0070]
The design of an HTS filter element is further dependent on several factors, such as, for example, the purpose of the filter element (eg, band pass or band rejection), operating frequency, sensitivity, and other factors that those skilled in the art will recognize. Based on these factors, those skilled in the art will appreciate the guidance provided in previously incorporated US Pat. No. 6,108,569 and the commercially available software packages (eg, Sonnet EM Suite available from Sonnet Software, Inc.). An appropriate filter element can be designed using a standard design tool such as
[0071]
In various embodiments, the superconducting material of the HTS filter element (and other components including superconducting material) has a transition temperature T of greater than about 77K. _c Having. Further, substrates for HTS filter elements should have a dielectric material grid adapted to the HTS film deposited thereon, with a loss tangent of less than about 0.0001. Preferred specific materials include, but are not limited to:
HTS material, ie YBa ₂ Cu ₃ O ₇ , Tl ₂ Ba ₂ CaCu ₂ O ₈ , TlBa ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₉ , (TlPb) Sr ₂ CaCu ₂ O ₇ And (TlPb) Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O ₉ One or more of
Substrate material, ie LaAlO ₃ , MgO, LiNbO ₃ , One or more of sapphire and quartz.
[0072]
In addition to the substrate and HTS material, where appropriate, various buffers and alignment layers, such as those disclosed (for example) in US Pat. Nos. 5,508,255 and 5,262,394 can be utilized, both of which are as if they were completely Are incorporated herein for all purposes as described in US Pat.
[0073]
The input and output couplings of the spiral resonator based mini-filter have two generally accepted structures. One is a parallel line structure with a transmission line, one end of which is connected to the connector of the mini-filter via a normal metal contact pad at the top of the line, the other end of the line being the first resonator Extending close to and in parallel with the spiral of the last resonator (for the input circuit) or the last resonator (for the output circuit) provides input or output coupling for the filter. Another structure is an insertion line structure with a transmission line, one end of which is connected to the connector of the mini-filter via a normal metal contact pad at the top of the line, the other end of the line being the first resonant line. It extends to be inserted into the split spiral of the vessel (for the input circuit) or the last resonator (for the input circuit) to provide input or output coupling for the filter. Further details can be ascertained with reference to previously incorporated US Pat. No. 6,108,569.
[0074]
Resonator mutual coupling between adjacent spiral resonators of the mini-filter is provided by the overlap of electromagnetic fields at the edges of adjacent resonators. The strength of the coupling can be adjusted by changing the longitudinal distance between adjacent spiral resonators, changing the orientation of the spiral resonator, and shifting the position of the spiral resonator along the transverse direction. The last method is available for fine-tuning the bond strength. Again, further details can be ascertained with reference to previously incorporated US Pat. No. 6,108,569.
[0075]
The mini-filter preferably adheres to the cold plate 225 of the vacuum dewar assembly 215 via a metallized ground plane on the “back” side of the mini-filter substrate, further details of the mini-filter are described in US Pat. It can be understood with reference to Japanese Patent No. 6108569. The mini-filter and active semiconductor circuit may be provided, for example, by using a conductive epoxy or solder between the metallized ground plane and the cold plate 225, or by resistance welding the metallized ground plane to the cold plate 225. Alternatively, it can be attached to the cold plate 225 by mechanical means such as simply screws.
[0076]
The active semiconductor circuit 210 may be connected to the filter element 205 by any conventional means, such as soldering, wire bonding or parallel gap welding, but is activated by short metal wires attached by solder, thermocompression bonding or resistance welding. Typically connected from contact pads (not shown) of semiconductor circuit 210 to contact pads (not shown) of filter element 205.
[0077]
Active semiconductor circuit 210 may be, for example, one or a combination of an amplifier, a mixer, an analog-to-digital converter, and a digital processor. Typically, in a receiver, the active semiconductor circuit 210 includes an amplifier such as, but not limited to, an InP or GaAs HEMT, HBT, pHEMT, nHEMT, III-V heterostructure or monolithic microwave integrated circuit (MMIC) amplifier. Prepare. Such amplifiers are well-known in the related art. InP or GaAs pHEMT or nHEMT amplifiers are typically preferred. Commercially available examples include, for example, Miteq Inc. (Hauppage, NY USA, Model No. SAFS1-01500200-08-CR-S) and Microwave Technology Inc. (Fremont, CA USA, Model No. SG0-7446, Part No. 01-50-660).
[0078]
The cryogenic source of the cryogenic device cools the cryogenic electronic components. The cryogenic source may be in ambient external space if the device is located in an external space, but typically the cryogenic source is a small cryogenic cooler unit 230 of appropriate size and power requirements. . Typically, such miniature cryogenic coolers are described in U.S. Pat. No. 4,397,155, EP-A-0028144, WO 90/12961 and WO 90/13710, all of which are fully described herein. Stirling cycle machine as described in US Pat.
[0079]
The cryogenic devices described above can be used in several fields, especially in the field of wireless communications for bandpass and band-reject filter applications. One such area is at the receiver front end of wireless communication base stations in ground-based and tower-top applications. The general details of such an application can be found in the previously incorporated references. In such applications, the cryogenic front-end receiver of the present invention comprises a cryogenic electronic unit and control circuitry in a single housing that can be further electrically connected, directly or indirectly, to other components of the base station. In that respect, it may be an integrated package similar in some general respects to a conventional unit (eg, shown in FIG. 1). However, due to the inventive features of the cryogenic electronic unit described herein, the size, weight and power requirements of the front end receiver according to the present invention are equal or better than such conventional units. It can be reduced considerably, in some cases an order of magnitude or more, while maintaining the performance that it has.
[0080]
Due to the considerable reduction in size, weight and power requirements, the cryogenic device according to the invention is ideal for integration in, for example, antenna assemblies, satellite base stations, radar arrays and RF receivers.
[0081]
A particular example of this includes an integrated antenna assembly in which the cryogenic device and at least one antenna of the radio base station are assembled as an integrated unit. In contrast to the system shown in US Pat. No. 6,104,934, where the cryogenic electronic portion of the unit could be close to the antenna, the present invention allows for an integrated unit with the antenna and even noise contamination to the system. Further reduce.
[0082]
6A-6F illustrate embodiments of a wireless communication base station and a self-tuning cryogenic front-end receiver. FIG. 6A shows a schematic diagram of a cryogenic unit structure of a wireless base station including a diversity antenna 605 and a main receiver 610. Diversity antenna 605 provides about 3 db of additional gain over the gain of the signal received via main receiver 610. The main receiver 610 receives and transmits at the same time, in which case the diversity receiver receives only the signal. The corresponding signal is transmitted directly to the cryogenic unit 630 in the case of the diversity antenna 605 and to the diplexer 615 for the main receiver 610 before being sent to the cryogenic unit 630.
[0083]
Diplexer 615 comprises filters 620 and 625 for separating the signal into its transmitted and received signal components. Next, the received signal component is transmitted to the cryogenic unit 630. In the general case, the transmitted signal is not processed by the cryogenic unit due to heating capacity constraints, but can be otherwise processed by the cryogenic unit 630. In this embodiment, cryogenic unit 630 comprises HTS filters 635 and 645 having amplifiers 640 and 650, respectively. Generally, the amplifier is a low noise amplifier (LNA) amplifier. The received signal is then sent to amplifiers 655 and 660, respectively, and in the case of the electrical path of main receiver 610, is diplexed with the transmit component of the signal by diplexer 665 and then transmitted to the remaining sections of the base station.
[0084]
FIG. 6B shows a second embodiment of the wireless base station and the cryogenic unit structure of the present invention. FIG. 6B differs from the embodiment shown in FIG. 6A in that cryogenic units 630 and 680 are dedicated to the signal of main receiver 610 and the signal of diversity antenna 605, respectively. This structure allows for added reliability, and in order to further assure that the base station will still receive and process the RF signal if one or both cryogenic units 630 and 680 fail, respectively, Also includes circuits 642 and 692.
[0085]
FIG. 6C shows a third embodiment of the radio base station and cryogenic unit structure of the present invention, in which the signal of the diversity antenna 605 is the only signal processed by the cryogenic unit 630. In addition, bypass circuit 642 further includes a filter 644, thus providing additional reliability and filtering along this path that is not provided in either of the embodiments shown in FIGS. 6A and 6B.
[0086]
FIG. 6D shows a fourth embodiment of the wireless base station and the cryogenic unit structure of the present invention. FIG. 6D does not include the diversity antenna of the embodiment shown in FIGS. 6A-6C. This embodiment includes a bypass 642 without a filter 644, but functions similarly to the previous embodiment in all other respects.
[0087]
FIG. 6E shows a fifth embodiment of the wireless base station and the cryogenic unit structure of the present invention. FIG. 6E differs from the fourth embodiment in that it includes a diplexer 665 in the circuit before the signal is sent to the remaining sections of the base station.
[0088]
FIG. 6F shows a sixth embodiment of the wireless base station and the cryogenic unit structure of the present invention. FIG. 6F shows a structure in which only the signal of the diversity antenna 605 is processed by the cryogenic unit 630. This embodiment further includes a bypass circuit 642 having a bypass filter 644 and a diplexer 665 before transmitting the processed signal to the remaining sections of the base station.
[0089]
The reader should point out that the embodiments described above are exemplary and are not intended to limit the scope of the invention. The invention relates to any environment in which RF signals (especially microwaves) are received and broadcast, such as, but not limited to, radar arrays, satellite facilities (home or commercial), and wireless and cellular base stations. Applicable to In such applications, the cryogenic device according to the present invention can provide 1, 2, 3 or even much higher db gain in output signal to noise ratio, depending on the application and component construction.
[0090]
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention and in the structure of the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the invention disclosed herein. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only, with a true scope and spirit of the invention being indicated by the following claims.
[0091]
Other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification and practice of the invention disclosed herein. It is intended that the specification and examples be considered as exemplary only, with a true scope and spirit of the invention being indicated by the following claims.
[Brief description of the drawings]
FIG.
It is a perspective view of the conventional integrated cryogenic receiver.
FIG. 2
1 is an oblique front perspective view of an embodiment of a cryogenic receiver according to the present invention.
FIG. 2A
1 is a top perspective view of an embodiment of a cryogenic receiver according to the present invention.
FIG. 3
Figure 3 is a drawing of a microstrip transmission line with a thermal barrier that can be used as a perimeter of a cryogenic (or vice versa) connector.
FIG. 4
Figure 2 is a drawing of a waveguide structure having a thermal barrier that can be used as a perimeter of a cryogenic (or vice versa) connector.
FIG. 5A
1 is an oblique front perspective view of a hermetically sealed cryogenic receiver according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5B
FIG. 5B is an exploded front perspective view of the embodiment of the invention shown in FIG. 5A.
FIG. 5C
FIG. 5B is an enlarged front perspective view of the embodiment shown in FIG. 5B of those elements above the cutting line AA of the present invention.
FIG. 5D
FIG. 5B is an enlarged perspective front perspective view of the embodiment shown in FIG. 5B of those elements above the cutting line BB of the invention.
FIG. 5E
FIG. 5B is an enlarged front perspective view of the embodiment shown in FIG. 5B of those elements below the cutting line BB of the present invention.
FIG. 6A
FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a cellular base station and a cryogenic receiver including a main receiving antenna and a diversity receiving antenna input structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6B
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a cellular base station and receiver including a main receive antenna and multiple receive inputs of a diversity receive antenna input structure, and a bypass circuit structure of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 6C
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a cellular base station and receiver including a main receive antenna and a diversity receive antenna input including a bypass circuit and a filter structure of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 6D
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a cellular base station and receiver including a main receive antenna input and a bypass circuit structure of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 6E
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a cellular base station and receiver including a main receiving antenna input cryogenic receiver with multiple diplexers and a bypass circuit structure of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 6F

Claims (17)

極低温電子部分と、非極低温電子部分と、前記極低温電子部分と前記非極低温電子部分とを接続するインタコネクトとを具備する極低温装置であって、前記インタコネクトは前記極低温電子部分と前記非極低温電子部分との間に熱遮断体を備えることを特徴とする極低温装置。A cryogenic device comprising a cryogenic electronic portion, a non-cryogenic electronic portion, and an interconnect connecting the cryogenic electronic portion and the non-cryogenic electronic portion, wherein the interconnect comprises the cryogenic electron. A cryogenic device comprising a thermal barrier between a portion and the non-cryogenic electronic portion. 前記インタコネクトは、熱伝導率が低い基板にマイクロストリップラインを備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。The cryogenic device according to claim 1, wherein the interconnect comprises a microstrip line on a substrate having low thermal conductivity. 前記基板は、石英ガラスおよびエーロゲルの１つ以上を含むことを特徴とする請求項２に記載の極低温装置。The cryogenic device of claim 2, wherein the substrate comprises one or more of quartz glass and airgel. 前記極低温電子部分は、高温超伝導体フィルタ素子および極低温能動半導体回路の一方または両方を備えることを特徴とする請求項１に記載の極低温装置。The cryogenic device of claim 1, wherein the cryogenic electronic portion comprises one or both of a high temperature superconductor filter element and a cryogenic active semiconductor circuit. 前記極低温電子部分は、自己共振型スパイラル共振器をベースとする１つ以上のミニフィルタを備える高温超伝導体フィルタ素子を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の極低温装置。5. The cryogenic electronic part comprises a high-temperature superconductor filter element comprising one or more mini-filters based on a self-resonant spiral resonator. Cryogenic equipment. 極低温装置であって、
（１）真空デュワアセンブリ内に収容された、入力エンドと出力エンドとを有する極低温電子部分と、
（２）前記真空デュワアセンブリを通して、前記極低温電子部分の前記入力エンドに接続されている極低温エンドに至る周囲エンドを有する、周囲から極低温への入力コネクタと、
（３）前記極低温電子部分の前記出力エンドに接続されている極低温エンドを有し、前記真空デュワアセンブリを通して周囲エンドに至る、極低温から周囲への出力コネクタと、
（４）前記極低温電子部分と密着するように前記真空デュワアセンブリに接続されている極低温源とを具備し、
（ｉ）前記極低温電子部分は、高温超伝導体フィルタ素子および極低温能動半導体回路の少なくとも１つを備え、
（ｉｉ）能動半導体回路であって、該能動半導体回路が存在する場合、約８５０ｍＷ未満の合計散逸電力を前記極低温電子部分に生成し、
（ｉｉｉ）前記極低温装置は、２０℃の周囲温度のとき、８０Ｋで約３Ｗ未満の最大クーラーリフトを有することを特徴とする、極低温装置。A cryogenic device,
(1) a cryogenic electronic part having an input end and an output end housed in a vacuum dewar assembly;
(2) an ambient to cryogenic input connector having a peripheral end through the vacuum dewar assembly to a cryogenic end connected to the input end of the cryogenic electronic portion;
(3) a cryogenic to ambient output connector having a cryogenic end connected to the output end of the cryogenic electronic portion and through the vacuum dewar assembly to a peripheral end;
(4) a cryogenic source connected to the vacuum dewar assembly so as to be in close contact with the cryogenic electronic part;
(I) the cryogenic electronic portion comprises at least one of a high-temperature superconductor filter element and a cryogenic active semiconductor circuit;
(Ii) generating active dissipated power of less than about 850 mW in the cryogenic electronic portion when the active semiconductor circuit is present;
(Iii) The cryogenic device has a maximum cooler lift of less than about 3 W at 80 K at an ambient temperature of 20 ° C. 前記極低温電子部分は、入力エンドと出力エンドとを有する高温超伝導体フィルタ素子と、入力エンドと出力エンドとを有する能動半導体回路とを備え、
前記能動半導体回路の入力エンドは、前記高温超伝導体フィルタ素子を介して前記入力コネクタの前記極低温エンドに接続され、
前記フィルタ素子の前記入力エンドは前記入力コネクタの前記極低温エンドに接続され、
前記フィルタ素子の前記出力エンドは前記能動半導体回路の前記入力エンドに接続されることを特徴とする請求項６に記載の極低温装置。The cryogenic electronic portion includes a high-temperature superconductor filter element having an input end and an output end, and an active semiconductor circuit having an input end and an output end,
An input end of the active semiconductor circuit is connected to the cryogenic end of the input connector via the high-temperature superconductor filter element,
The input end of the filter element is connected to the cryogenic end of the input connector;
The cryogenic device according to claim 6, wherein the output end of the filter element is connected to the input end of the active semiconductor circuit. 前記極低温電子部分は、増幅器、ミキサ、アナログデジタル変換器およびデジタルプロセッサの１つまたは組合せから選択される能動半導体回路を備えることを特徴とする請求項６に記載の極低温装置。The cryogenic device according to claim 6, wherein the cryogenic electronic part comprises an active semiconductor circuit selected from one or a combination of an amplifier, a mixer, an analog-to-digital converter and a digital processor. 前記能動半導体回路は極低温増幅器であることを特徴とする請求項８に記載の極低温装置。The cryogenic device according to claim 8, wherein the active semiconductor circuit is a cryogenic amplifier. 前記極低温電子部分は、自己共振型スパイラル共振器をベースとする１つ以上のミニフィルタを備える高温超伝導体フィルタ素子を備えることを特徴とする請求項６に記載の極低温装置。7. The cryogenic device according to claim 6, wherein the cryogenic electronic portion comprises a high temperature superconductor filter element comprising one or more mini-filters based on a self-resonant spiral resonator. 少なくとも１つの前記フィルタ素子の上方にありかつ前記極低温源と密着した超伝導プレートをさらに具備することを特徴とする請求項１０に記載の極低温装置。The cryogenic device of claim 10, further comprising a superconducting plate above at least one of the filter elements and in close contact with the cryogenic source. 前記周囲から極低温への入力コネクタ、および前記極低温から周囲への出力コネクタの一方または両方が熱遮断体であることを特徴とする、請求項６に記載の極低温装置。7. The cryogenic device of claim 6, wherein one or both of the ambient to cryogenic input connector and the cryogenic to ambient output connector is a thermal isolator. 前記極低温源は極低温冷却器であり、前記極低温冷却器および前記真空デュワアセンブリが、一体ユニットまたはアセンブリとして形成されることを特徴とする、請求項６に記載の極低温装置。The cryogenic device of claim 6, wherein the cryogenic source is a cryogenic cooler, and wherein the cryogenic cooler and the vacuum dewar assembly are formed as an integral unit or assembly. 前記極低温電子部分は、自己共振型スパイラル共振器をベースとする１つ以上のミニフィルタを備える高温超伝導体フィルタ素子を備え、前記周囲から極低温への入力コネクタおよび前記極低温から周囲への出力コネクタの一方または両方が熱遮断体であり、前記極低温源は極低温冷却器であり、前記極低温冷却器および前記真空デュワアセンブリが、一体ユニットまたはアセンブリとして形成されることを特徴とする、請求項６に記載の極低温装置。The cryogenic electronic portion comprises a high temperature superconductor filter element comprising one or more mini-filters based on a self-resonant spiral resonator, an input connector from the ambient to the cryogenic and from the cryogenic to the ambient. Wherein one or both of the output connectors is a thermal interrupter, the cryogenic source is a cryogenic cooler, and the cryogenic cooler and the vacuum dewar assembly are formed as an integral unit or assembly. The cryogenic device according to claim 6, wherein 請求項６〜１４のいずれか１項に記載の極低温装置を具備することを特徴とする極低温受信機。A cryogenic receiver comprising the cryogenic device according to any one of claims 6 to 14. 請求項１５に記載の低温受信機と、統合ユニットとして組み立てられたアンテナとを具備することを特徴とする統合アンテナアセンブリ。An integrated antenna assembly, comprising the cryogenic receiver according to claim 15 and an antenna assembled as an integrated unit. 前記高温超電導フィルタ素子を具備するとともに特定の温度で特定の動作周波数で動作するようにプログラミングされる極低温受信機を調整する方法であって、前記極低温受信機の動作周波数をシフトさせるために特定の動作温度を変更するステップを含むことを特徴とする方法。A method of adjusting a cryogenic receiver comprising the high-temperature superconducting filter element and programmed to operate at a specific temperature and a specific operating frequency, the method comprising: Changing the particular operating temperature.

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