JP4825835B2 - Signal transmission structure - Google Patents
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Description
本発明は、低温で動作する信号伝送デバイスを保持する低温環境と、室温環境との間を接続する信号伝送構造に関する。 The present invention relates to a signal transmission structure for connecting a low temperature environment holding a signal transmission device operating at a low temperature and a room temperature environment.
近年、移動通信システムにおける高効率な電波の共同利用に向けた技術の開発が進められている。そのような技術開発の一貫として、超伝導送信フィルタや超伝導アンテナ回路など、低温で動作する高周波電力デバイスや回路の開発が行われている。超伝導材料としては、ＹＢＣＯ（Y-Ba-Cu-O系）、ＢＳＣＣＯ（Bi-Sr-Ca-Cu-O）、ＢＰＳＣＣＯ（Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O）、ＢＣＣＯ（Ba-Ca-Cu-O）等、臨界温度（Ｔｃ）の比較的高い酸化物超伝導体の使用が有望視されている。ＹＢＣＯのＹ元素を適当な希土類元素で置換することで、９０Ｋ前後の臨界温度（Ｔｃ）が得られ、またビスマス系酸化物ＢＳＣＣＯは、臨界温度を１００Ｋまで引き上げることができる。 In recent years, development of technology for joint use of highly efficient radio waves in mobile communication systems has been underway. As part of such technological development, high-frequency power devices and circuits that operate at low temperatures such as superconducting transmission filters and superconducting antenna circuits have been developed. Superconducting materials include YBCO (Y-Ba-Cu-O system), BSCCO (Bi-Sr-Ca-Cu-O), BPSCCO (Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O), BCCO (Ba--). The use of oxide superconductors having a relatively high critical temperature (Tc) such as Ca—Cu—O) is considered promising. By substituting the Y element of YBCO with an appropriate rare earth element, a critical temperature (Tc) of about 90 K can be obtained, and the bismuth-based oxide BSCCO can raise the critical temperature to 100 K.
このような酸化物超伝導材料で高周波電力を扱う超伝導高周波デバイスや超伝導高周波回路を動作させるためには、動作環境を数十Ｋ程度にまで冷却するシステムが必要である。また、冷却された超伝導高周波デバイス／回路と、室温環境との間で電力信号を伝送（入出力）させる信号伝送構成が必要である。 In order to operate a superconducting high-frequency device or a superconducting high-frequency circuit that handles high-frequency power with such an oxide superconducting material, a system that cools the operating environment to several tens of K is necessary. In addition, a signal transmission configuration for transmitting (input / output) a power signal between the cooled superconducting high-frequency device / circuit and the room temperature environment is required.
無線受信用など信号電力が小さい場合は、室温と低温（冷却環境）を結ぶケーブルとして、同軸ケーブルや平面回路型伝送線路が用いられる。そのような場合でも、より小型の冷凍機に超伝導デバイスや回路を搭載するために、低熱伝導と低損失を維持する必要がある。 When signal power is small, such as for wireless reception, a coaxial cable or a planar circuit type transmission line is used as a cable connecting room temperature and low temperature (cooling environment). Even in such a case, it is necessary to maintain low heat conduction and low loss in order to mount a superconducting device or circuit in a smaller refrigerator.
ところが、同軸ケーブルで伝送損失を小さくするためには、電気良導体で信号線を構成し、ケーブル長を短く、ケーブル径を大きくする必要がある。これは、ケーブルの室温−低温間の熱伝導を増大させることになり、熱負荷を小さくすることと相反する。さらに、信号電力が増大するほど、ケーブルのジュール熱が増大し、熱負荷が増えるという課題もある。このため、室温−低温間を結ぶケーブルには、できるだけ高い断熱性（低い熱伝導性）と、できるだけ低い通過損失を兼ね備えることが望ましい。 However, in order to reduce transmission loss with a coaxial cable, it is necessary to configure a signal line with a good electrical conductor, shorten the cable length, and increase the cable diameter. This increases the heat conduction between the room temperature and the low temperature of the cable, which is contrary to reducing the heat load. Furthermore, there is a problem that as the signal power increases, the Joule heat of the cable increases and the heat load increases. For this reason, it is desirable that the cable connecting between the room temperature and the low temperature has both the highest possible heat insulation (low thermal conductivity) and the lowest possible passage loss.
上記課題を解決するために、同軸ケーブルを介した外部からの熱流入を抑制するために、被冷却デバイスの入力側と出力側の少なくとも一方に、マイクロストリップ型の熱遮断信号伝送ユニットを挿入する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。 In order to solve the above-described problem, a microstrip type thermal cutoff signal transmission unit is inserted into at least one of the input side and the output side of the cooled device in order to suppress heat inflow from the outside via the coaxial cable. A configuration has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、高速ディジタル信号の伝送のために、光ファイバで室温−低温間を結ぶ方法も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。 For transmission of high-speed digital signals, a method of connecting between room temperature and low temperature with an optical fiber has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
さらに、マイクロ波、ミリ波を室温側から極低温部へ導入するために、ステンレス鋼、Ｃｕ−Ｎｉ合金などの表面にＡｇなどの電気良導体をメッキした導波管を使用することが提案されている（たとえば、特許文献３参照）。
しかし、提案されている従来方法では、数十ワット（Ｗ）の大電力を要する高周波デバイスや高周波回路、たとえば無線基地局の送信側の超伝導フィルタデバイスやアンテナ回路基板などに対して、室温環境から信号を入出力する場合に、高い断熱効果と低い通過損失の双方を充分に達成することができない。 However, the proposed conventional method has a room temperature environment for high-frequency devices and high-frequency circuits that require large power of several tens of watts (W), such as superconducting filter devices and antenna circuit boards on the transmission side of radio base stations. In the case of inputting and outputting a signal from the above, it is impossible to sufficiently achieve both a high heat insulation effect and a low passage loss.
そこで、実施形態では、低温動作のための冷却環境と、室温の外部環境の間で信号伝送する場合のように、温度差のある環境間で高周波電力信号を伝送する系において、熱伝導性をできるだけ排除し、かつ通過損失をできるだけ低減した信号伝送構造を提供する。 Therefore, in the embodiment, thermal conductivity is reduced in a system that transmits a high-frequency power signal between environments having a temperature difference, such as when a signal is transmitted between a cooling environment for low-temperature operation and an external environment at room temperature. Provided is a signal transmission structure which eliminates as much as possible and reduces passage loss as much as possible.
上記課題を解決するために、一つの側面では、信号伝送構造は、
信号伝送デバイスを実装する実装部を有する第１の導波管と、
前記第１の導波管を冷却する冷却部と、
前記第１の導波管に非接触で接続される第２の導波管と、
前記第２の導波管内に配置され、外部の同軸ケーブルを伝搬する信号と、前記第１の導波管へ又は前記第１の導波管から伝搬する信号の伝搬モードを相互変換する同軸−導波管変換部と、
を備える。
In order to solve the above problem, in one aspect, the signal transmission structure is:
A first waveguide having a mounting portion for mounting a signal transmission device;
A cooling unit for cooling the first waveguide;
A second waveguide connected in a non-contact manner to the first waveguide;
Coaxially arranged in the second waveguide and interconverts a propagation mode of a signal propagating through an external coaxial cable and a signal propagating to or from the first waveguide A waveguide converter;
Is provided.
上記構成によって、室温環境から冷却部への熱伝導による熱流入を低減することができる。また、低温環境内で同軸ケーブルを用いる場合と比較して、大電力伝送時にジュール熱の発生を大幅に低減できる。 With the above configuration, heat inflow due to heat conduction from the room temperature environment to the cooling unit can be reduced. In addition, compared to the case where a coaxial cable is used in a low temperature environment, the generation of Joule heat can be significantly reduced during high power transmission.
その結果、冷凍機の熱負荷を減らすことができ、消費電力の低減、冷凍機の小型化に貢献することができる。 As a result, the heat load of the refrigerator can be reduced, which can contribute to reduction of power consumption and downsizing of the refrigerator.
以下で、添付図面を参照して、良好な実施形態を説明する。図１は、実施形態における信号伝送構造１０の構成例を示す概略構成図である。図１の構成例において、信号伝送構造１０は、室温環境と、真空断熱容器１１内の極低温環境下で動作する信号伝送デバイス又は回路（以下、単に「信号伝送デバイス」と称する）３０との間で、高周波信号を伝送する。
In the following, preferred embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration example of a
信号伝送構造１０は、信号伝送デバイス３０を実装する実装部１４を有する第１の導波管１６と、第１の導波管１６を冷却するコールドプレート（冷却板）１５と、第１の導波管１６に非接触で接続される第２の導波管１７Ａ、１７Ｂと、第２の導波管１７Ａ、１７Ｂの内部に配置される同軸−導波管変換部２０を含む。
The
第１の導波管１６は、直接又はインジウムシート（不図示）などを介して、コールドプレート１５と熱的にアンカー(接触)される。第１の導波管１６を、便宜上、冷却側導波管１６と称してもよい。第１の導波管（冷却側導波管）１６の実装部１４に、信号伝送デバイス３０が、直接又はインジウムシート（不図示）を介して配置され、コールドプレート１５と熱的にアンカー（接触）される。信号伝送デバイス３０は、たとえば高周波信号を伝搬させる超伝導高周波フィルタや、超伝導高周波アンテナ回路基板などの高周波デバイスである。第１の導波管１６は、両端に開口部２６Ａ、２７Ｂを有する。
The
第１の導波管（冷却側導波管）１６に対して非接触で配置される第２の導波管１７Ａ、１７Ｂを、便宜上、高温側導波管と称してもよい。第２の導波管（高温側導波管）１７Ａ、１７Ｂはそれぞれ、開口部２７Ａ、２７Ｂを有する。第１の導波管１６との非接触での嵌合を実現するために、第２の導波管１７Ａ、１７Ｂの開口部２７Ａ、２７Ｂのサイズは第１の導波管１６の開口部２６Ａ、２６Ｂのサイズよりもやや大きい。
For convenience, the
好ましい例では、第１の導波管（冷却側導波管）１６と、第２の導波管（高温側導波管）１７Ａ、１７Ｂの非接触の嵌合長Ｌｃは、伝送信号の実効波長λの１／４（λ／４）である。第１の導波管１６と第２の導波管１７Ａ、１７Ｂを非接触で嵌合させることで、信号伝送デバイス３０を保持する実装部１４への熱流入を遮断することができる。
In a preferred example, the non-contact fitting length Lc of the first waveguide (cooling side waveguide) 16 and the second waveguides (high temperature side waveguides) 17A and 17B is effective for the transmission signal. It is 1/4 (λ / 4) of the wavelength λ. By fitting the
第２の導波管１７Ａ、１７Ｂの内部に、同軸−導波管変換部２０が設けられる。同軸−導波管変換部２０は、真空断熱容器１１の外部の同軸ケーブル２３を伝搬する信号と、第１の導波管１６の開口２６Ａ、２６Ｂ側を伝搬する信号の伝搬モードを相互変換する。同軸ケーブル２３は、たとえばハーメチック同軸コネクタ１９を介して、真空断熱容器１１に接続されている。
A coaxial-
同軸−導波管変換部２０は、同軸コネクタ１９に連結される導体ブロック（金属ブロック）１８を含む。同軸ケーブル２３を伝搬してきた信号電流が、金属ブロック１８に流れることによって、金属ブロック１８の周りに矢印のように電磁場が発生する。これによって、同軸モード（ＴＥＭモード）で同軸ケーブル２３を伝搬してきた信号は、ＴＥモード、ＴＭモードなどの電磁場モードに変換され、開口部２６Ａ（入力側開口部とする）から第１の導波管１６に入射する。
The coaxial-
図１の例では、金属ブロック１８は、同軸コネクタ１９からの伝播信号の磁界を発生する、又は導波管内の伝播信号を受信するためのものであり、伝播信号の周波数帯域の伝送特性を調整するため階段状の形状になっているが、この形状に限定されず、伝播信号の実効波長をλとすると、伝搬方向に一定の長さ（λ／４）が確保できれば、周波数帯域の特性に応じた任意の形状とすることができる。
In the example of FIG. 1, the
図１の例では、低温冷却環境は、真空断熱容器１１と、コールドプレート１５が接続される冷凍機（不図示）とを組み合わせたクライオスタットの構造内に形成される。真空断熱容器１１は、容器本体１１ａと、上蓋１１ｂを有する。容器本体１１ａと上蓋１１ｂは真空シール用Ｏリンク１３で密着封止され、フランジ用ネジ１２で固定されている。図示の簡略化のために、真空維持のための詳細な構成は省略されている。
In the example of FIG. 1, the low-temperature cooling environment is formed in a cryostat structure in which the vacuum
図２は、図１の信号伝送構造１０で用いられる第１の導波管（冷却側導波管）１６の一例を示す概略図である。この例では、第１の導波管１６は、信号伝送デバイス３０を配置する実装部（実装空間）１４の両側から下方に折れるコの字型の導波管であり、開口部２６Ａ、２６Ｂは、実装部１４に対して下方に開口する。開口部２６Ａ、２６Ｂの外寸（ｌ×ｗ）は、５ＨＧｚ帯に合わせて３８ｍｍ×１８ｍｍとする。実装部１４での信号伝搬方向に垂直な断面の外寸も、３８ｍｍ×１８ｍｍとするが、これ以外のサイズ、たとえば２０ｍｍ×１０ｍｍでもよい。後者の場合は、第１の導波管１６は、実装部１４への入出力部分がくびれた形状になる。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the first waveguide (cooling side waveguide) 16 used in the
図２（ｂ）に示すように、第１の導波管１６は、導波管本体１６ａと、導波管上蓋１６ｂを有する。高周波デバイス（信号伝送デバイス）３０を実装部１４に実装する場合は、導波管上蓋１６ｂを開けて、実装部１４に高周波デバイス３０を固定する。その後、導波管上蓋１６ｂを閉めて、たとえばネジ１６ｃにより導波管本体１６ａをコールドプレート１５にネジ止めする。
As shown in FIG. 2B, the
図３は、第１の導波管１６の実装部１４に実装される被冷却体としての信号伝送デバイス３０の一例を示す図である。図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は上面図であり、図３（ｃ）は、図３（ａ）のサークルＡの部分の拡大断面図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、信号伝送デバイス３０は、たとえば無線基地局の送信側で用いられる超伝導高周波フィルタデバイスである。この高周波フィルタデバイスは、誘電体基板３１と、誘電体基板３１の表面に形成される共振器パターン３３と、誘電体基板３１の裏面に形成されるグランドベタ膜３２とを有する。共振器パターン３３は、たとえば、ディスク型の共振器３３ａ、３３ｂを２段に配置したＴＭ11モード共振用パターンである。誘電体基板３１は、０．５ｍｍ厚のＭｇＯ（１００）結晶の基板、又はＬａＡｌＯ3（１００）結晶の基板である。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
共振器パターン３３とグランドベタ膜３２は、ＹＢＣＯ（ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏx，ｘ＝6.90〜6.99）等の酸化物超伝導膜で形成されている。ＹＢＣＯ膜は、誘電体基板３１に対して垂直方向に強くｃ軸結晶配向したエピタキシャル膜を用いている。共振器パターン３３、誘電体基板３１、グランドベタ膜３２で、マイクロストリップ線路を構成する。なお、ＭｇＯ基板を用い、上記の組成のＹＢＣＯ膜で共振パターン３３を形成し、使用周波数が５ＧＨｚであるときは、共振器３３ａ、３３ｂの直径は約１．１ｍｍである。
The
共振器パターン３３の近傍には、共振器パターン３３へ、又は共振器パターン３３から電磁界的結合により信号を供給／出力する入出力フィーダ３５ａ、３５ｂが、ＹＢＣＯ等の酸化物超伝導膜で形成されている。入出力フィーダ３５ａ、３５ｂは、信号伝送デバイス３０に対する入出力ポートとして機能する。
In the vicinity of the
図３（ｃ）に示すように、入出力フィーダ３５ａ、３５ｂの各々には、モノポールアンテナ３４が接続されている。モノポールアンテナ３４は、円板状の底部３４ｂを有し、入出力フィーダ３５ａに形成された接続層３６に固定されている。接続層３６は、たとえば、Ａｇ(500nm)／Ｐｄ(100nm)／Ｃｒ(50nm)の積層である。モノポールアンテナ３４の底部３４ｂは、たとえばインジウム（Ｉｒ）等の接合材３８で接続層３６に固定される。なお、アンテナ３４は、モノポールに限定されず、パッチ、誘電体、ループ、ダイポールなど、任意の構成とすることができる。いずれの場合も、被冷却体である信号伝送デバイス３０の入出力ポートに設置される。
As shown in FIG. 3C, a
入力ポート（たとえば入力フィーダ３５ａ側）に位置するアンテナ３４は、同軸−導波管変換部２０で電磁場モードに変換されて第１の導波管１６に入射した伝搬信号を受信する。そして、マイクロストリップ線路を構成する入出力フィーダ３５ａ、３５ｂ及び共振器パターン３３を流れる電流の伝搬モードに変換する。マイクロストリップ線路がＴＥＭモードで近似される伝送線路のときは、受信信号をＴＥＭモードに変換する。出力ポート（たとえば出力フィーダ３５ｂ側）に位置するアンテナ３４は、ＴＥＭモードで近似される伝送線路（共振器パターン３３及び出力フィーダ３５ｂ）を伝搬し、フィルタリングされた信号を、ＴＥモード、ＴＭモードなどの導波管の電磁場モードに変換して、第１の導波管１６の反対側のポートに放射する。
The
放射された信号は、図１に示すように、第１の導波管１６の開口部２６Ｂから、非接触嵌合の第２の導波管１７Ｂへと伝搬し、同軸−導波管変換部２０で、同軸ケーブル２３での伝搬用に同軸モード（ＴＥＭモード）に変換される。
As shown in FIG. 1, the radiated signal propagates from the
図４〜図７は、伝送特性の測定、評価に用いた信号伝送構造モデルの概略図である。図４は、図１に示す実施例１に対応するモデル１であり、図２のように屈曲した第１の導波管１６と、第１の導波管１６に対して非接触で嵌合する第２の導波管１７Ａ、１７Ｂを用いている。第１の導波管１６と、第２の導波管１７Ａ、１７Ｂとの非接触嵌合長Ｌｃはλ／４である。伝送信号は、電力１０Ｗ、５ＧＨｚの連続波（ＣＷ信号）とし、被冷却体である信号伝送デバイス３０として、５ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタを実装部１４に実装し、コールドプレート１５で７０Ｋに冷却した。実装部１４を含む冷却側での伝搬長は１０ｃｍである。
4 to 7 are schematic diagrams of a signal transmission structure model used for measurement and evaluation of transmission characteristics. FIG. 4 is a
また、図４（ａ）のＣ−Ｃ’断面における第１の導波管１６の開口部２６（２６Ａ、２６Ｂを総称する）の外寸は、３８ｍｍ×１８ｍｍである。図４（ａ）のＤ−Ｄ’断面における第２の導波管１７Ａ、１７Ｂの開口部２７（２７Ａ、２７Ｂを総称する）の内寸は、４０ｍｍ×２０ｍｍである。
In addition, the outer dimension of the opening 26 (26A, 26B is generically referred to) of the
図５は、実施例２に対応するモデル２の概略図である。モデル２は、コの字型に代えて直線型の第１の導波管（冷却側導波管）３６を用いる。開口２６Ａ、２６Ｂのサイズはモデル１と同様に、外寸が３８ｍｍ×１８ｍｍであるが、実装部１４に対して側方に開口する点でモデル１と異なる。冷却側の伝搬長は１０ｃｍである。その他の構成はモデル１と同様であり、同軸−導波管変換部２０を収容する第２の導波管１７Ａ、１７Ｂは、非接触で直線型の第１の導波管３６に嵌合する。第２の導波管１７Ａ、１７Ｂの開口サイズも、モデル１と同様に内寸が４０ｍｍ×２０ｍｍである。第１の導波管３６は、導波管の外側（たとえば上面側から）コールドプレート１５にネジ止め（不図示）されている。
FIG. 5 is a schematic diagram of the
伝送信号は、電力１０Ｗ、５ＧＨｚの連続波（ＣＷ）信号である。実装される被冷却体は、５ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタである。 The transmission signal is a continuous wave (CW) signal with a power of 10 W and 5 GHz. The object to be cooled is a 5 GHz band-pass filter.
図６は、比較例として、同軸ケーブル１０２で被冷却体まで信号を伝送する従来方式のモデル３を示す。被冷却体としての５ＧＨｚ帯バンドパスフィルタは金属パッケージ１０１内に収容され、金属パッケージ１０１ごとコールドプレート１５で冷却される。同軸ケーブル１０２は、真空断熱容器の内壁及び外壁に取り付けられた同軸コネクタ４９Ｃ〜４９Ｆを介して、真空断熱容器１１内へ導入され、金属パッケージ１０１の同軸コネクタ４９Ａと４９Ｂにそれぞれ接続される。
FIG. 6 shows, as a comparative example, a model 3 of a conventional method in which a signal is transmitted to the object to be cooled by the
同軸ケーブル１０２としては、２．２ｍｍ径、真空断熱容器１１内部でのケーブル長が１２．５ｃｍの銅（Ｃｕ）セミリジッドケーブルを用いる例（モデル３Ａ）と、１．２ｍｍ径、真空断熱容器１１内部でのケーブル長が１０ｃｍのＣｕ−Ｎｉ合金セミリジッドケーブルを用いる例（モデル３Ｂ）の２通りで測定、評価した。
As the
図７は、比較例として、直線導波管１２６で被冷却体まで信号を伝送する従来方式のモデル４を示す。モデル４では、被冷却体である５ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタ（不図示）を、コールドプレート１５上の実装部１４に実装するが、実装部１４の入力ポート側、出力ポート側で断熱されていない。同軸−導波管変換部２０を配置した部分以外の導波管の伝搬長は約１０ｃｍである。
FIG. 7 shows, as a comparative example, a
図８は、上述したモデル１、２、３Ａ、３Ｂ、４について、５ＧＨｚバンドパスフィルタを実装し、１０Ｗ、５ＧＨｚのＣＷ信号を伝送したときの、各伝送線路の熱負荷を測定、評価した結果を示す表である。熱負荷の算出において、伝送路（真空断熱容器１１と外部ケーブルとの接続部からコールドプレート１５までの）の熱伝導による実装部１４への熱流入量（Ｗ）（ファクタＡ）と、１０Ｗの電力信号入力時の伝送線路部分の自己発熱（Ｗ）（ファクタＢ）を計算し、ファクタＡとファクタＢの合計を伝送線路の熱負荷とした。評価結果を表わすシンボルは、マル印が良好、三角が許容範囲内、×印が悪い結果、二重の×印が非常に悪い結果を意味する。
FIG. 8 shows the result of measuring and evaluating the thermal load of each transmission line when a 5 GHz bandpass filter is mounted and a 10 W, 5 GHz CW signal is transmitted for the above-described
ファクタＡ（熱伝導による熱流量）に関し、実施例１、２のモデル１、２では、冷却側の第１の導波管１６、３６が、室温側の第２の導波管１７Ａ、１７Ｂに対して被接触で配置されているので、熱伝導に起因する熱流入量はほとんどない。これに対し、Ｃｕセミリジッドケーブルを用いたモデル３Ａでは、冷却温度６５Ｋで０．６Ｗの熱流入がある。径の小さいＣｕ−Ｎｉ合金セミリジッドケーブルを用いたモデル３Ｂでは、６５Ｋでの熱流入量は０、０３Ｗ以下に低減できる。断熱手段のない従来の直線導波管を用いたモデル４では、６５Ｋでの熱流入は１１０〜１３０Ｗにも達する（評価［××］）。
Regarding the factor A (heat flow rate due to heat conduction), in the
ファクタＢ（自己発熱）に関し、実施例１、２に対応するモデル１、２や、従来の直線導波管のモデル４では、０．０１Ｗ未満である。これに対し、同軸ケーブルを用いた場合の自己発熱は、Ｃｕセミリジッドケーブルを用いたモデル３Ａで、０．８８Ｗとなり、径の小さいＣｕ−Ｎｉ合金セミリジッドケーブルを用いたモデル３Ｂでは、２．０６Ｗになる。
Regarding the factor B (self-heating), in the
ファクタＡとファクタＢを加算すると、実施例のモデル１，モデル２では、断熱効果により熱負荷が非常に小さいが、同軸ケーブルを用いた従来モデル３Ａ、３Ｂでは、熱負荷が増え、直線導波管の従来モデル４では、熱負荷が非常に大きくなる。
When factor A and factor B are added, in
図９は、上述したモデル１、２、３Ａ、３Ｂ、４について、５ＧＨｚバンドパスフィルタを実装し、１０Ｗ、５ＧＨｚのＣＷ信号を伝送したときの、通過伝送損失（ｄＢ）を測定、評価した結果を示す表である。
FIG. 9 shows a result of measuring and evaluating a passing transmission loss (dB) when a 5 GHz band pass filter is mounted and a 10 W, 5 GHz CW signal is transmitted for the above-described
真空断熱容器１１内で導波管伝送を採用したモデル１、２、４では、伝送損失は０．１〜０．２ｄＢと小さく、損失のほとんどは同軸−導波管変換部２０で生じたものである。これに対し、Ｃｕセミリジッドケーブルで実装部１４へ信号伝送したモデル３Ａでは、伝送損失が０．４ｄＢとなり、径の小さいＣｕ−Ｎｉ合金のセミリジッドケーブルを用いたモデル３Ｂでは、伝送損失が０．９５〜１．１５ｄＢにもなる。
In the
図８及び図９の結果から、伝送損失を低減するには導波管を用いるのが有効であるが、断熱手段のない従来構成の導波管では、外部からの熱流入が非常に大きくなるので、熱負荷低減の観点からは、望ましくない。一方、同軸ケーブルを真空断熱容器１１内に導入すると、熱流入は比較的小さいが、ケーブルの自己発熱により伝送線路の熱負荷が増大してします。また、導波管と比較して伝送損失が大きいという問題がある。
From the results shown in FIGS. 8 and 9, it is effective to use a waveguide to reduce the transmission loss. However, in a conventional waveguide having no heat insulation means, heat flow from the outside becomes very large. Therefore, it is not desirable from the viewpoint of heat load reduction. On the other hand, when a coaxial cable is introduced into the
これに対し、実施例１、２のように被接触で配置した場合、特に、非接触でλ／４の長さ分をオーバラップさせて嵌合させた場合は、断熱効果が大きく、捏伝導による熱流入を効果的に抑制できる。これにより、冷凍機の熱負荷を減らすことができ、消費電力の低減や冷凍機の小型化を実現できる。また、伝送損失も小さい。 On the other hand, when arranged in contact as in Examples 1 and 2, particularly when non-contact and overlapped by a length of λ / 4, the heat insulation effect is large, and soot conduction The heat inflow due to can be effectively suppressed. Thereby, the thermal load of a refrigerator can be reduced and reduction of power consumption and size reduction of a refrigerator can be implement | achieved. Also, transmission loss is small.
以上、特定の構成例に基づいて実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。第１の導波管（冷却側導波管）の開口サイズは、伝送する信号の帯域に応じて適切に選択することができ、第２の導波管（室温側導波管）の開口サイズも、第１の導波管に非接触で嵌合する適切なサイズに設定することができる。 As mentioned above, although embodiment was described based on the specific structural example, this invention is not limited to these examples. The opening size of the first waveguide (cooling side waveguide) can be appropriately selected according to the band of the signal to be transmitted, and the opening size of the second waveguide (room temperature side waveguide). Also, it can be set to an appropriate size that fits the first waveguide in a non-contact manner.
同軸−導波管変換部２０の金属ブロックは、階段型に限定されず、電流と電磁場との間を相互変換できる任意の形状をとることができる。被冷却体である信号伝送デバイスの入出力ポートに設けられるアンテナ構成は、電磁波を送受信できる任意のタイプを用いることができる。
The metal block of the coaxial-
このような信号伝送構造により、低温動作する送信側の大電力デバイスに対しても、熱負荷や伝送損失を増大させることなく、室温環境との間で信号の入出力を行うことができる。 With such a signal transmission structure, it is possible to input / output signals to / from a room temperature environment without increasing a thermal load or transmission loss even for a transmission-side high-power device operating at a low temperature.
以上の記載に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
信号伝送デバイスを実装する実装部を有する第１の導波管と、
前記第１の導波管を冷却する冷却部と、
前記第１の導波管に非接触で接続される第２の導波管と、
前記第２の導波管内に配置され、外部の同軸ケーブルを伝搬する信号と、前記第１の導波管へ又は前記第１の導波管から伝搬する信号の伝搬モードを相互変換する同軸−導波管変換部と、
を備える信号伝送構造。
（付記２）
前記第１の導波管と、前記第２の導波管は、伝送信号の実効波長の１／４に相当する嵌合長で、非接触で嵌合することを特徴とする付記１に記載の信号伝送構造。
（付記３）
前記第１の導波管は、その両端に第１の開口部と第２の開口部を有し、
第１の開口部と第２の開口部のうち、前記第２の導波管側と勘合される開口部が、前記第２の導波管の一端に設けられた開口部の内側に挿入されている
ことを特徴とする付記１又は２に記載の信号伝送構造。
（付記４）
前記第１の導波管は、その両端が折れ曲がったコの字型を有する
ことを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記５）
前記同軸−導波管変換部は、前記同軸ケーブルを流れる電流から電磁場を発生させ、及び／又は前記第１の導波管から発生する磁界から誘導電流を生じさせる導体ブロックを含むことを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記６）
前記第１及び第２の導波管、前記冷却部、及び前記同軸−導波管変換部を収容する真空断熱容器、
をさらに含み、
前記同軸ケーブルは、同軸コネクタを介して前記真空断熱容器に接続され、
前記同軸−導波管変換部は、前記同軸コネクタの少なくとも一部を含むことを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記７）
前記信号伝送デバイスに対する入出力ポートに位置し、前記第１の導波管から又は前記第１の導波管へ伝搬する信号を送受信して、前記信号伝送デバイスから又は前記信号伝送デバイスへ信号を伝搬させるアンテナ構造、
をさらに含むことを特徴とする、付記１〜６のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記８）
前記信号伝送デバイスは、マイクロストリップ線路を有し、
前記アンテナ構造は、前記マイクロストリップ線路に電気的に接続される
ことを特徴とする付記７に記載の信号伝送構造。
（付記９）
前記信号伝送デバイスは、低温で動作する超伝導高周波デバイスであることを特徴とする付記１〜８のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記１０）
前記冷却部は、前記第１の導波管と熱的に接触するコールドプレートを有し、
前記真空断熱容器の外部から、前記コールドプレートを経由して前記第１の導波管を冷却する
ことを特徴とする付記１〜９のいずれかに記載の信号伝送構造。
（付記１１）
前記第１の導波管は、分離可能な上蓋を有する
ことを特徴とする付記１〜１０のいずれかに記載の信号伝送構造。
For the above description, the following additional notes are presented.
(Appendix 1)
A first waveguide having a mounting portion for mounting a signal transmission device;
A cooling unit for cooling the first waveguide;
A second waveguide connected in a non-contact manner to the first waveguide;
Coaxially arranged in the second waveguide and mutually converts a propagation mode of a signal propagating through an external coaxial cable and a signal propagating to or from the first waveguide A waveguide converter;
A signal transmission structure comprising:
(Appendix 2)
The
(Appendix 3)
The first waveguide has a first opening and a second opening at both ends thereof,
Of the first opening and the second opening, the opening fitted to the second waveguide side is inserted inside the opening provided at one end of the second waveguide. The signal transmission structure according to
(Appendix 4)
The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 5)
The coaxial-waveguide converter includes a conductor block that generates an electromagnetic field from a current flowing through the coaxial cable and / or generates an induced current from a magnetic field generated from the first waveguide. The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 6)
A vacuum heat insulating container that houses the first and second waveguides, the cooling unit, and the coaxial-waveguide conversion unit;
Further including
The coaxial cable is connected to the vacuum insulation container via a coaxial connector;
The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 7)
Located at an input / output port for the signal transmission device, transmits / receives a signal propagating from the first waveguide or to the first waveguide, and transmits a signal from the signal transmission device to the signal transmission device. Antenna structure to propagate,
The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 8)
The signal transmission device has a microstrip line,
The signal transmission structure according to appendix 7, wherein the antenna structure is electrically connected to the microstrip line.
(Appendix 9)
The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 10)
The cooling unit has a cold plate in thermal contact with the first waveguide,
10. The signal transmission structure according to any one of
(Appendix 11)
The signal transmission structure according to any one of
１０ 信号伝送構造
１１ 真空断熱容器
１４ 実装部
１５ コールドプレート（冷却部）
１６ 第１の導波管（冷却側導波管）
１７、１７Ａ，１７Ｂ 第２の導波管（高温側導波管）
１８ 金属ブロック（導体ブロック）
１９ 同軸コネクタ
２０ 同軸−導波管変換部
２３ 同軸ケーブル
２６，２６Ａ、２６Ｂ 第１の導波管の開口部
２７，２７Ａ、２７Ｂ 第２の導波管の開口部
３０ 信号伝送デバイス（被冷却体）
３３ 共振パターン
３４ アンテナ（アンテナ構造）
Ｌｃ 被接触の嵌合長
DESCRIPTION OF
16 1st waveguide (cooling side waveguide)
17, 17A, 17B Second waveguide (high temperature side waveguide)
18 Metal block (conductor block)
DESCRIPTION OF
33
Lc Contact length of contact
Claims (8)
前記第１の導波管を冷却する冷却部と、
前記第１の導波管に非接触で接続される第２の導波管と、
前記第２の導波管内に配置され、外部の同軸ケーブルを伝搬する信号と、前記第１の導波管を伝搬する信号の伝搬モードを相互変換する同軸−導波管変換部と、
を備える信号伝送構造。 A first waveguide having a mounting portion for mounting a signal transmission device;
A cooling unit for cooling the first waveguide;
A second waveguide connected in a non-contact manner to the first waveguide;
Disposed in said second waveguide, a signal propagating through the external of the coaxial cable, coaxial with said first waveguide interconverting propagation mode of the signal to be propagated - and waveguide conversion unit,
A signal transmission structure comprising:
第１の開口部と第２の開口部のうち、前記第２の導波管側と勘合される開口部が、前記第２の導波管の一端に設けられた開口部の内側に挿入されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の信号伝送構造。 The first waveguide has a first opening and a second opening at both ends thereof,
Of the first opening and the second opening, the opening fitted to the second waveguide side is inserted inside the opening provided at one end of the second waveguide. The signal transmission structure according to claim 1, wherein the signal transmission structure is provided.
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号伝送構造。 The signal transmission structure according to claim 1, wherein the first waveguide has a U-shape in which both ends are bent.
をさらに含み、
前記同軸ケーブルは、同軸コネクタを介して前記真空断熱容器に接続され、
前記同軸−導波管変換部は、前記同軸コネクタの少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の信号伝送構造。 A vacuum heat insulating container that houses the first and second waveguides, the cooling unit, and the coaxial-waveguide conversion unit;
Further including
The coaxial cable is connected to the vacuum insulation container via a coaxial connector;
The signal transmission structure according to claim 1, wherein the coaxial-waveguide converter includes at least a part of the coaxial connector.
をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の信号伝送構造。 Located at an input / output port for the signal transmission device, transmits / receives a signal propagating from the first waveguide or to the first waveguide, and transmits a signal from the signal transmission device to the signal transmission device. Antenna structure to propagate,
The signal transmission structure according to claim 1, further comprising:
前記アンテナ構造は、前記マイクロストリップ線路に電気的に接続される
ことを特徴とする請求項７に記載の信号伝送構造。 The signal transmission device has a microstrip line,
The signal transmission structure according to claim 7, wherein the antenna structure is electrically connected to the microstrip line.
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