KR100838969B1 - 극저온 장치, 극저온 수신기 및 일체형 안테나 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온 장치에 관한 것이고, 특히 초전도 요소, 열전달이 낮은 상호 연결부, 및 전력 소산이 낮은 반도체 장치에 기초한 매우 작은 크기의 극저온 장치에 관한 것이다.

극저온 장치, 고온 초전도체 필터, 활성 반도체 회로, 공진기, 커넥터, 극저온 수신기

Description

극저온 장치, 극저온 수신기 및 일체형 안테나 조립체 {CRYOGENIC DEVICE WITH RECEIVER AND INTEGRATED ANTENNA ASSEMBLY}

본 발명은 극저온 전위 수신기에 관한 것이고, 특히 초전도 요소, 열전달이 낮은 상호 연결부, 자기 공진식(self-resonating) 필터 및 낮은 전력 소산 프로파일에 기초한 최소 크기의 극저온 전위 수신기에 관한 것이다.

1980년대 후반까지, 초전도 현상은 액체 헬륨의 범위 내의 온도에서 작동해야 하는 요구로 인하여 실질적으로 거의 적용되지 못하였다. 1980년대 후반에, 희토류 중심 원소를 함유하는 세라믹 금속 산화 화합물이 이러한 상황을 급격하게 바꾸기 시작하였다. 그러한 재료들의 중요한 예는 YBCO(이트륨-바륨-구리 산화물, WO88/05029 및 EP-A-0281753 참조), TBCCO(탈륨-바륨-칼슘-구리 산화물, 미국 특허 제4,962,083호 참조), 및 TPSCCO(탈륨-납-스트론튬-칼슘-구리 산화물, 미국 특허 제5,017,554호 참조)를 포함한다. 상기 문헌들 모두는 본원에서 전체적으로 참조되었다.

HTS(high temperature superconductor: 고온 초전도체) 재료로 불리는 이러한 화합물들은 냉각제로서 액체 질소를 사용할 수 있기에 충분히 높은 온도에서 초전도 특성을 나타낸다. 77K(196℃/321℉)의 액체 질소가 액체 헬륨보다 20배 효과적으로 냉각시키며 10배 저렴하기 때문에, 매우 다양한 잠재적인 용도에 의하여 경 제적인 타당성의 전망이 제시되기 시작하였다. 예를 들어, HTS 재료는 진단 의료용 장비에서 입자 가속기에 이르는 용도에서 사용되어 왔다.

통신 산업의 천문학적인 성장과 총인구에 의한 소비자 전자 제품의 사용 증가로 인하여, 현재 가장 빠르게 성장하는 초전도 적용 분야들 중 하나는 전자 공학 및 관련 마이크로파 공학의 영역이다. 그러나, 초전도 분야의 최근의 발전에도 불구하고, 크기, 비용 및 전력 요구가 우주 장비 및 군사적 용도와 같은 최첨단 분야 이외의 모든 분야에서 이 유망한 기술의 상업적인 이용을 제한해 왔다.

특히 통신 분야의 많은 전자 장치들의 핵심 구성요소는 필터 요소이다. HTS 필터는 HTS 재료의 매우 낮은 고주파(radio frequency: RF) 손실에 의한 매우 낮은 밴드내 삽입 손실, 높은 밴드외 제거 및 급경사 스커트의 중요한 장점을 갖는다.

그러나, 조립 블록으로서 (스트립 라인 공진기와 같은) 종래의 HTS 공진기를 갖는 종래의 전송 라인 HTS 필터는 공진기의 적어도 한 치수가 반파장(즉, λ/2)과 대체로 동일해야하는 면적 조건으로 인하여 큰 실질 면적을 요구한다. 예를 들어, 미국 특허 제5,616,538호(본원에서 전체적으로 참조되었음)를 참조하면 된다. 따라서, 종래의 저주파 HTS 필터 설계가 다중 극을 가지며 비소화갈륨(GaAs) 증폭기와 같은 종래의 반도체 전자 구성요소와 결합되어 있으므로, HTS 재료를 그의 임계 온도(T_c) 아래로 냉각시키는 데 요구되는 극저온 냉각기는 비교적 크고 20℃의 주위 온도 및 80K에서 적어도 6 W정도의 전력을 요구한다.

도1은 그러한 종래의 극저온 수신기의 사시도이다. 전체 패키지는 여러 다 른 요소들로 구성되어 있다. 커넥터(110)들은 RF 필터 및 증폭기와 같은 극저온 구성요소(130)들을 포함하는 드와르(dewar) 조립체(120)로 구성된 극저온 전자 부분 내로 그리고 그로부터 전력 및 RF 신호를 전달하는 데 사용된다. 드와르 조립체(120)는 드와르 조립체(120) 내부에서 분자로부터 극저온 전자 구성요소로의 대류 열전달을 감소시키는 데 필요한 진공 공동이다. 이 경우에는 냉각기(140)인 극저온원은 극저온 전자 부분을 냉각시킨다. 외피(150)는 냉각기에 대한 제어 기능과 다른 오류 또는 실패 검출 및 경보를 제공하는 회로 기판(160)과 앞서 설명된 요소들, 그리고 회로 기판(160)을 냉각시키기 위한 팬(170)을 포함하는 외부 패키지이다.

도1에 도시된 바와 같이 종래 유닛의 크기는 통상 적어도 약 15 인치의 폭 x 20 인치의 길이 x 10 인치의 깊이(약 38.1 x 50.8 x 25.4 cm) 정도이다. 이러한 종래 유닛의 큰 크기 및 중량은 주로 극저온 전자 부분의 물리적인 크기, 증폭기에 요구되는 전력, 및 주위 환경으로부터 드와르 조립체(120) 내로의 보통은 커넥터를 구비한 동축 케이블인 RF 전달부로부터의 추가적인 대류 열전달로 인하여 요구되는 냉각으로부터 기인한다. 따라서, 물리적인 크기, 중량 및 유닛으로 공급되는 총 작동 전력은 냉각기(140) 및 드와르 조립체(120)에 의해 좌우된다. 종래의 유닛에 있어서, 채널당 요구되는 냉각 용량은 20℃에서 작동될 때 약 1 W이고, 따라서 냉각기(140) 자체에 필요한 총 작동 전력은 125 W를 넘는다.

종래 유닛의 예로는 미국 캘리포니아주 산타 바바라 소재의 슈퍼컨덕터 테크놀로지스 인크.(Superconductor Technologies Inc.)로부터 구입 가능한 상표명 슈 퍼필터 시스템즈(Superfilter^TM Systems, 더 많은 정보가 필요하면 www.suptech.com를 참조)와, 미국 캘리포니아주 써니베일 소재의 컨덕터스 인크.(Conductus Inc.)로부터 구입 가능한 상표명 클리어사이트 시스템즈(Clearsite^TM Systems, 더 많은 정보가 필요하면 www.conductus.com을 참조)가 있다.

이러한 종래 유닛의 큰 크기 및 중량은 이러한 기술의 적용을 실질적으로 제한한다. 그러한 적용 중 하나는 미국 특허 제6,104,934호(본원에서 전체적으로 참조되었음)에 개시된 것과 같이 수신기 전단부가 이동 전화 또는 그와 유사한 기지국의 안테나 상에 장착되어 있는 타워 탑(tower top) 장치이다. 개시된 수신기의 크기 및 냉각 요구는 냉각 유닛이 안테나에 인접한 어딘가에 위치되어야 하며 전자 장치들과 함께 통합된 유닛으로 조합될 수 없을 정도이다.

소형화를 목적으로, 최대 필요 면적을 갖는 구성요소들은 냉각기(140), 극저온 전자 구성요소(130) 및 드와르 조립체(120)이다.

극저온 전자 전위 수신기의 면적 요구를 감소시키기 위한 한가지 방법은 종래의 HTS 필터에 기초한 통합된 요소 구조를 채용하는 것이다. 이러한 필터들은 어느 정도 더 작은 물리적인 크기로 5 GHz 아래의 주파수에서 작동하도록 만들어질 수 있지만, 이러한 종래의 통합 요소 HTS 필터들의 필터 성능은 통상 모듈간 제품 및 삽입 손실에 의하여 제한된다.

HTS 필터들을 포함하는 장치의 사용은 다른 설계상의 문제점을 나타낸다. 예를 들어, 장치(통상 진공 하에서 HTS 필터를 포함하는 드와르)의 극저온 부분을 다른 전자 구성요소에 연결시키는 데 통상 사용되는 상호 연결부는 긴 동축 케이블이다. 이러한 긴 케이블은 그 길이 때문에 낮은 열전달을 나타내고, 이는 구성요소들을 차갑게 유지하는 것이 중요한 극저온 시스템에서는 매우 바람직하다. 그러나, 이러한 긴 케이블 라인은 또한 RF 손실을 나타내고, 따라서 RF 성능의 열화(즉, 신호 대 잡음 비의 증가)의 원인이 된다. 문제점들을 더욱 복잡하게 하는 것으로, 긴 케이블은 또한 장치의 극저온 부분의 드와르가 체적이 더 커지도록 요구하는 것이며, 이는 유닛의 수명에 걸쳐 필요한 더 큰 진공을 유지할 수 있는 설계를 요구하며 달성하기가 더욱 어렵다.

HTS 재료로 구성된 필터 요소의 크기를 감소시키기 위한 오랜 요구와 당업자에 의한 수많은 시도가 있어왔다. 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 제6,108,569호는 HTS 재료 필터의 크기를 감소시키기 위하여 자기 공진식 나선 공진기의 사용을 개시하며 현재로서는 혼선 및 연결 문제점을 해결했다. 최근의 현저한 기술 발전에 의해 가능해진 소형화에 대한 큰 잠재력에도 불구하고, 진공 열화, 높은 열전달 및 전력 소산이 높은 반도체 장치의 문제점은 최적 성능보다 낮은 결과를 초래했고 냉각 비용을 증가시켰다.

더욱이, 종래의 극저온 전위 수신기는 유닛의 중요한 기능을 포함하는 필터들을 수동으로 조정하는 데 많은 시간을 요구한다. 종래의 필터 구조의 공진 필터들이 각각 고정 단계 방식으로 변화하지 않으므로, 필터의 각각의 극은 개별적으로 회전되어야 하고 각각의 극의 회전은 필터 어레이 내의 다른 모든 극에 영향을 미친다. 회전 과정은 통상 수행되는 데 수일이 걸린다.

또한, 종래의 극저온 전위 수신기는 제조 공정 중에 장치 벽에 부착된 분자들이 배기되는 문제가 있다. 통상, 이러한 문제점은 잔류 산소, 질소, 이산화탄소, 아르곤, 수증기와 같은 가스를 배기시키기 위하여 단지 장치를 장시간에 걸쳐 천천히 가열함으로써 극복된다. 공정은 보통 완료되기까지 수일이 걸리며, 이는 단시간 내에 장치 벽에서 배기시키는 데 필요한 온도가 극저온 유닛의 일부를 구성하는 압축기 모터를 손상시키기 때문이다.

종래 기술은 수신기 및/또는 송신기에 인접해서 채용되거나 그와 통합될 수 있는 감소된 크기의 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

종래 기술은 또한 드와르를 더욱 단열시키기 위하여 드와르와 극저온 냉각기 사이의 매우 낮은 열전달을 나타내는 상호 연결부를 구비한 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

종래 기술은 또한 RF 손실을 감소시키고 RF 성능의 열화를 개선하기 위하여 열 차단 재료 및 자기 조정식의 감소된 길이를 채용한 상호 연결부를 갖는 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

더욱이, 종래 기술은 감소된 전력 소비 용량을 갖는 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

종래 기술은 HTS 재료로 만들어지고 5 GHz 아래의 주파수에서 공진하는 실질적인 크기가 감소된 공진 필터를 채용한 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

종래 기술은 드와르 조립체의 차등 가열을 채용한 진공 드와르를 배기시키기 위한 방법을 개시하지 않는다.

종래 기술은 전위 수신기의 내부 작동 온도를 변화시킴으로써 조정될 수 있는 극저온 전위 수신기를 개시하지 않는다.

본 발명은 상기 사실의 관점에서 이루어졌으며 일 태양으로서 극저온 전위 수신기를 갖는다.

본 발명의 다른 태양은 극저온 장치로서 특징지어질 수 있고, 장치는 열 차단 부분을 더 포함하는 극저온 전자 부분 및 비극저온 전자 부분을 포함한다.

실시되고 개략적으로 설명된 바와 같이 본 발명의 목적에 따른 이러한 그리고 다른 장점들을 달성하기 위하여, 본 발명은 일 태양에 따르면 극저온 전자 유닛을 포함하는 극저온 전위 유닛으로서 특징지어질 수 있고, 극저온 유닛은 입력 신호 인터페이스 및 출력 신호 인터페이스를 포함한다. 극저온 냉각기가 극저온 전자 유닛과 열적으로 연통된다. 극저온 유닛은 입력 신호 인터페이스에 연결된 입력 신호 상호 연결부와, 출력 신호 인터페이스에 연결된 출력 신호 상호 연결부를 더 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 극저온 전자 부분과, 비극저온 전자 부분과, 극저온 및 비극저온 전자 부분들을 연결하는 상호 연결부를 포함하는 극저온 장치로 특징지어질 수 있고, 상호 연결부는 극저온 및 비극저온 전자 부분들 사이에 열 차단부를 포함한다.

본 발명의 다른 태양은 진공 드와르 조립체 내부에 포함된 극저온 전자 부분을 포함하는 극저온 장치로서 특징지어질 수 있고, 극저온 전자 부분은 입력 단부 및 출력 단부를 가지며, 주위 단부를 갖는 주위로부터 극저온으로의 입력 커넥터는 진공 드와르 조립체를 통과하여 극저온 전자 부분의 입력 단부에 연결된 극저온 단부로 이어진다. 극저온 전자 부분의 출력 단부에 연결된 극저온 단부를 구비한 극저온으로부터 주위로의 출력 커넥터는 진공 드와르 조립체를 통과하여 주위 단부로 이어진다. 극저온원은 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 극저온 전자 부분과 밀접하게 접촉하도록 진공 드와르 조립체에 연결된다. 극저온 전자 부분은 고온 초전도체 필터 요소 및 (저잡음 증폭기와 같은) 극저온 활성 반도체 회로 중 적어도 하나를 포함한다. 극저온 전자 부분의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고, 극저온 전자 부분의 출력 단부는 출력 커넥터의 극저온 단부에 연결된다. 활성 반도체 회로가 사용되는 경우에, 그러한 활성 반도체 회로는 극저온 전자 부분 내로 소산되는 총 전력을 약 850 mW보다 작게 생산해야 한다. 극저온 장치는 20℃의 주위 온도 및 80K에서 약 3 W보다 작은 최대 냉각기 용량을 갖는다.

바꾸어 말하면, 본 발명의 이러한 태양은,

(1) 진공 드와르 조립체 내부에 포함되어 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 극저온 전자 부분과,

(2) 진공 드와르 조립체를 통과하여 극저온 전자 부분의 입력 단부에 연결된 극저온 단부로 이어지며 주위 단부를 갖는 주위로부터 극저온으로의 입력 커넥터와,

(3) 진공 드와르 조립체를 통과하여 주위 단부로 이어지며 극저온 전자 부분의 출력 단부에 연결된 극저온 단부를 갖는 극저온으로부터 주위로의 출력 커넥터 와,

(4) 극저온 전자 부분과 밀접하게 접촉하도록 진공 드와르 조립체에 연결된 극저온원을 포함하고,

(ⅰ) 극저온 전자 부분은 고온 초전도체 필터 요소 및 극저온 활성 반도체 회로 중 적어도 하나를 포함하고,

(ⅱ) 활성 반도체 회로가 존재하면, 이는 극저온 전자 부분 내로 소산되는 총 전력을 약 850 mW보다 작게 생성하고,

(ⅲ) 극저온 장치는 20℃의 주위 온도 및 80K에서 약 3 W보다 작은 최대 냉각기 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 태양은 전술한 극저온 장치의 극저온 전자 부분이 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 고온 초전도체 필터 요소와, 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 활성 반도체 회로를 포함하는 극저온 수신기로서 특징지어질 수 있고, 활성 반도체 회로의 입력 단부는 고온 초전도체 필터 요소를 통하여 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결된다. 필터 요소의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고, 필터 요소의 출력 단부는 활성 반도체 회로의 입력 단부에 연결된다.

바꾸어 말하면, 이러한 다른 태양은,

전술한 극저온 장치의 극저온 전자 부분이 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 고온 초전도체 필터 요소와, 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 활성 반도체 회로를 포함하고,

활성 반도체 회로의 입력 단부는 고온 초전도체 필터 요소를 통하여 입력 커 넥터의 극저온 단부에 연결되고,

필터 요소의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고,

필터 요소의 출력 단부는 활성 반도체 회로의 입력 단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 극저온 수신기에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 태양은 진공 드와르 조립체 내부에 포함되어 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 극저온 전자 부분을 포함하는 극저온 수신기로서 특징지어질 수 있다. 주위 단부를 갖는 주위로부터 극저온으로의 입력 커넥터는 진공 드와르 조립체를 통과하여 극저온 전자 부분의 입력 단부에 연결된 극저온 단부로 이어지고, 극저온 전자 부분의 출력 단부에 연결된 극저온 단부를 갖는 극저온으로부터 주위로의 출력 커넥터는 진공 드와르 조립체를 통과하여 주위 단부로 이어진다. 극저온 수신기는 극저온 전자 부분과 밀접하게 접촉하도록 진공 드와르 조립체에 연결된 극저온원을 더 포함한다. 극저온 전자 부분은 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 고온 초전도체 필터 요소와, 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 활성 반도체 회로를 추가로 포함한다. 필터 요소의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고, 필터 요소의 출력 단부는 활성 반도체 회로의 입력 단부에 연결된다. 활성 반도체 회로의 출력 단부는 출력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고, 활성 반도체 회로는 극저온 전자 부분 내로 소산되는 총 전력을 약 850 mW보다 작게 생성한다. 극저온 수신기는 20℃의 주위 온도 및 80K에서 약 3 W보다 작은 최대 냉각기 용량을 갖는다.

바꾸어 말하면, 본 발명의 또 다른 태양은,

(1) 진공 드와르 조립체 내부에 포함되어 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 극저온 전자 부분과,

(2) 진공 드와르 조립체를 통과하여 극저온 전자 부분의 입력 단부에 연결된 극저온 단부로 이어지며 주위 단부를 갖는 주위로부터 극저온으로의 입력 커넥터와,

(3) 극저온 전자 부분의 출력 단부에 연결된 극저온 단부를 가지며 진공 드와르 조립체를 통과하여 주위 단부로 이어지는 극저온으로부터 주위로의 출력 커넥터와,

(4) 극저온 전자 부분과 밀접하게 접촉하도록 진공 드와르 조립체에 연결된 극저온원을 포함하고,

(ⅰ) 극저온 전자 부분은,

(a) 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 고온 초전도체 필터 요소와,

(b) 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 활성 반도체 회로를 포함하고,

(ⅱ) 필터 요소의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고,

(ⅲ) 필터 요소의 출력 단부는 활성 반도체 회로의 입력 단부에 연결되고,

(ⅳ) 활성 반도체 회로의 출력 단부는 출력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고,

(ⅴ) 활성 반도체 회로는 극저온 전자 부분 내로 소산되는 총 전력을 약 850 mW보다 작게 생성하고,

(ⅵ) 극저온 수신기는 20℃의 주위 온도 및 80K에서 약 3 W보다 작은 최대 냉각기 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 수신기에 관한 것이다.

독자는 하나의 "구성요소"가 다른 "구성요소"에 연결될 때 순서만이 포함되고 따라서 다른 구성요소들이 그 사이에 연결될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어, 입력 커넥터 - 필터 요소 - 활성 반도체 회로 - 출력 커넥터는 다른 구성요소들에 의하여 개재될 수 있는 순서이다. 진공 드와르 조립체 내의 구성요소의 개수를 최소로 유지하는 것(예를 들어, 냉각 요구를 감소시키는 것)은 통상 허용되는 관례이고, 따라서 이하에서 더욱 상세히 논의되는 바와 같이 입력 커넥터로부터 필터 요소로, 필터 요소로부터 활성 반도체 회로로, 그리고 활성 반도체 회로로부터 출력 커넥터로 직접적인 연결을 이루는 것이 바람직하다.

(특히 자기 공진식 나선 공진기에 기초한) HTS 필터, (요구되는 극저온 상태 하에서 효과적으로 작동하는) 전력 소산이 낮은 반도체 장치 및 전술한 바와 같은 상호 연결부의 조합에 의하여, (저잡음 수신기와 같은) 훨씬 더 작은 극저온 장치가 구성되어 20℃의 주위 온도 및 80K에서 극저온 전자 부분을 냉각시키기 위하여 약 3 W보다 적은 전력, 양호하게는 약 2 W보다 적은 전력, 더욱 양호하게는 약 1 W보다 적은 전력을 요구하는 작은 극저온 냉각기에 의하여 냉각될 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명은 최소의 크기 및 냉각 비용으로 최적의 성능을 제공하는 소형 극저온 장치를 제공한다.

본 발명에 의하여 가능한 소형화의 추가적인 이점은 작동 유닛의 열 수득의 현저한 감소이고, 이는 개선된 극저온 냉각기 효율, 증가된 시스템 작동 수명 및 신뢰성, 그리고 감소된 에너지 소비 및 작동 비용과 직접적인 관계가 있다.

본 발명은 또한 고온 초전도체 필터 요소를 포함하며 특정 작동 주파수 및 특정 온도에서 작동하도록 프로그램되어 있는 극저온 수신기를 조정하는 방법을 제공하고, 방법은 극저온 수신기의 작동 주파수의 변위를 유도하도록 특정 작동 온도를 변경하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 장점들은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에 의해 더욱 쉽게 이해될 것이다. 이상의 개괄적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 단지 예시적이고 설명적인 것이며 청구된 본 발명을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다. 예를 들어, 명확하게 하기 위하여 개별 실시예의 맥락에서 아래에서 설명되는 본 발명의 특징들은 단일 실시예로 조합되어 제공될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 역으로, 간결하게 하기 위하여 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징들은 개별적으로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다.

본원 명세서에 포함되어 본원 명세서의 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 여러 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.

도1은 종래의 통합된 극저온 수신기의 사시도를 도시한다.

도2는 본 발명에 따른 극저온 수신기의 실시예의 전방 사시도를 도시한다.

도2a는 본 발명에 따른 극저온 수신기의 실시예의 상부 사시도를 도시한다.

도3은 주위로부터 극저온으로의 (또는 그 반대의) 커넥터의 일부로 사용될 수 있는 열 차단부를 구비한 마이크로 스트립 전송 라인의 개략도이다.

도4는 주위로부터 극저온으로의 (또는 그 반대의) 커넥터의 일부로서 사용될 수 있는 열 차단부를 구비한 도파 구조물의 개략도이다.

도5a는 본 발명의 실시예의 기밀 밀봉된 극저온 수신기의 전방 사시도를 도시한다.

도5b는 본 발명의 도5a에 도시된 실시예의 전방 분해 사시도를 도시한다.

도5c는 본 발명의 절단선 AA 상의 요소들의 도5b에 도시된 실시예의 전개된 전방 사시도이다.

도5d는 본 발명의 절단선 BB 상의 요소들의 도5b에 도시된 실시예의 전개된 전방 사시도이다.

도5e는 본 발명의 절단선 BB 상의 요소들의 도5b에 도시된 실시예의 전개된 전방 사시도이다.

도6a는 이동 전화 기지국과 본 발명의 실시예의 주 수신기 안테나 및 다이버시티 수신기 안테나 입력부 구조를 포함하는 극저온 수신기의 개략적인 회로 선도를 도시한다.

도6b는 이동 전화 기지국과 본 발명의 다른 실시예의 다중 수신기 입력부 및 바이패스 회로 구조를 포함하는 주 수신기 안테나 및 다이버시티 수신기 안테나 입력부 구조를 포함하는 수신기의 개략적인 회로 선도를 도시한다.

도6c는 이동 전화 기지국과 본 발명의 다른 실시예의 바이패스 회로 및 필터 구조를 포함하는 주 수신기 안테나 및 다이버시티 수신기 안테나 입력부를 포함하는 수신기의 개략적인 회로를 도시한다.

도6d는 이동 전화 기지국과 본 발명의 다른 실시예의 주 수신기 안테나 입력부 및 바이패스 회로 구조를 포함하는 수신기의 개략적인 회로 선도를 도시한다.

도6e는 이동 전화 기지국과 본 발명의 다른 실시예의 다중 다이플렉서 및 바이패스 회로 구조를 구비한 주 수신기 안테나 입력 극저온 수신기를 포함하는 수신기의 개략적인 회로를 도시한다.
도6f는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제6 실시예를 도시한다.

이제 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명될 것이며, 실시예의 예시는 첨부된 도면에 도시되어 있다. 가능한 한, 동일한 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부품(요소)을 지시하도록 사용될 것이다.

본 발명은 상기 언급된 바와 같은 종래 기술의 결점을 극복하며 수신기 크기, 전력 요구, 단열, 수신기 또는 송신기와의 통합, 및 RF 손실을 감소시키기 위하여 길이가 감소된 상호 연결부의 영역에서 종래 기술에 대한 기술적인 장점을 제공한다.

본원에서 사용되는 "주위"라는 용어는 주변 환경, 즉 드와르 조립체 외부에 존재하는 상태를 가리킨다. 예를 들어, 주위는 정상 실내 상태, 따뜻한 날씨 및/또는 장비의 작동 중에 발생된 열의 결과로서 존재하는 상승된 온도 상태, 또는 외부 공간에 존재하는 낮은 온도 상태를 가리킬 수 있다. 이는 드와르 조립체 내부의 상태를 가리키는, 즉 극저온 전자 부분의 최적 작동을 위하여 요구되는 낮은 온도를 유지하기 위하여 (극저온원에 의하여) 의도적으로 냉각된 "극저온"과 대비된다.

본 발명에 따른 현재 상태의 기술의 개선이 도2 및 도3에 도시되어 있다. 예시를 목적으로 극저온 전자 부분이 활성 반도체 회로(210)에 연결된 HTS 필터 요소(205)의 조합체이며 진공 드와르 조립체(215) 내에 포함되어 있는 극저온 수신기가 도시되어 있다. 진공 드와르 조립체(215)는 몸체(220)와, 기부로서 극저온 전자 부분 및 극저온원 모두에 대해 밀접하게 접촉하거나 매우 근접한 냉각판(225)을 포함한다. 본 실시예에서, 극저온원은 소형 극저온 냉각기(230)이다. 진공 드와르 조립체(215)는 하우징 또는 외피를 포함하는 자가 수용형 유닛이다. 드와르(215)는 도5a 내지 도5e에 도시된 바와 같이 커버(520)를 포함한다. 통상, 진공 드와르 조립체(215) 및 극저온 냉각기(230)는 서로 매우 근접해 있다. 다른 실시예에서, 드와르(215) 및 극저온 냉각기(230)는 서로 매우 근접해 있거나 또는 도2에 도시된 바와 같이 (상호 고정된) 통합된 유닛 또는 조립체로서 형성된다.

또한, 진공 드와르 조립체(215)는 예를 들어 극저온 장치의 냉각 및 전력 요구를 더욱 감소시키기 위하여 적어도 HTS 필터 요소(205)를 덮는 열/적외선 열 차폐부(235)를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 극저온 장치의 크기는 적어도 HTS 필터 요소(205)에 대면하며 또한 냉각판(225)과 밀접하게 접촉하는 열/적외선 열 차폐부(235)의 저면 상에 (도시되지 않은) 초전도 판을 위치시킴으로써 더욱 감소될 수 있다. 본 실시예에서의 초전도 판의 사용은 극저온 장치 요소에 대하여 감소된 표면적을 제공하는 것을 도와주고, 따라서 장치의 냉각 및 전력 요구를 더욱 감소시킨다.

예를 들어, 초전도 판은 적어도 HTS 필터 요소(205)와 대면하는 디스크의 측 면 상에 HTS 재료의 필름을 구비한 디스크를 포함할 수 있다. 디스크는 통상 HTS 필터 요소(205)와 물리적으로 접촉하지 않지만, 드와르 조립체의 구조가 허용하는 한 HTS 필터 요소(205)와 접촉하지 않고서 그에 가까이 있을 수 있다. 디스크는 냉각판(225)과 접촉하지만 HTS 필터 요소(205)와는 접촉하지 않도록, 하나 이상의 스페이서 레그 또는 에지를 포함할 수 있다. 통상, 디스크는 드와르 조립체가 허용하는 한 많은 극저온 전자 부분을 덮는다.

또한, 초전도 판은 예를 들어 본원에서 전체적으로 참조된 WO01/41251에 개시된 바와 같이 조정을 목적으로 사용될 수 있다.

조정을 위하여 사용될 수 있는 방법은 유닛이 작동하도록 프로그램되어 있는 온도를 변경하는 것이다. 예를 들어, 79.5K 또는 80.0K에서 작동하는 유닛은 필터 설계에 따라서 HTS 필터 요소(205)의 작동 주파수 내에서 200 KHz보다 작은 변위를 도입할 수 있다. 이러한 온도 조절은 극저온 냉각기(230)용 온도 제어기의 설정 온도를 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 이러한 온도를 조절하는 다른 방법은 제어기 내의 온도 측정 실리콘 다이오드 또는 저항식 온도 장치(Resistive Temperature Device: RTD)의 온도 전압 곡선을 변경하거나, 또는 추가적인 저항을 RTD 또는 실리콘 다이오드에 직렬로 추가하여 전압 곡선을 고정되게 유지하는 것이다.

다른 실시예에서, 극저온 유닛의 작동 온도는 유닛이 좁은 밴드 적용에서 응급 또는 백업을 목적으로 제2 중심 주파수에서 작동할 수 있도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 유닛이 2 MHz의 밴드 폭을 갖는 1950 MHz의 중심 주파수에서 작동하도 록 설계된다면, 작동 범위는 1949 내지 1951 MHz가 될 것이다. 작동 온도를 변화시킴으로써, 유닛은 1948 내지 1950 MHz의 밴드 폭을 갖는 1949 MHz의 중심 주파수에서 작동하도록 만들어 질 수 있다. 온도는 또한 유닛이 제조 공정에서의 편차로 인하여 의도하는 중심 주파수의 중심에서 약간 벗어나서 작동하는 극저온 유닛을 미세 조정하기 위하여 더 작은 증분으로 변화될 수 있다.

극저온 전자 부분은 도5a에 도시된 바와 같이 진공 드와르 조립체(215) 내부의 극저온 상태로부터 진공 드와르 조립체(215) 외부의 주위 상태로 연결되는 입력 및 출력 커넥터(240, 245) 각각을 통하여 입력원 및 출력 구성요소(260, 265)에 연결된다.

상기 언급된 바와 같이, 극저온 전자 부분에 의하여 요구되는 총 냉각 전력은 극저온원으로서 기능하는 극저온 냉각기의 크기, 중량 및 총 작동 전력에 직접적으로 영향을 미친다. 요구되는 총 냉각 전력이 클수록, 냉각기의 크기, 중량 및 총 작동 전력이 크다. 요구되는 총 냉각 전력은 차가운 표면의 적외선 가열, 가스 분자의 따뜻한 표면으로부터 차가운 표면으로의 전도 열전달, 활성 반도체 회로(210)에 의하여 진공 드와르 조립체(215) 내로 소산되는 전력, 및 커넥터(240, 245)에 의한 전도 열 누출을 포함하지만 그에 제한되지 않는 복수의 인자들의 함수이다. 차가운 표면의 적외선 가열은 차가운 표면의 크기 및 차가운 표면이 주위에 대하여 유지되는 온도를 변화시킴으로써 감소될 수 있다. 필터 크기 및 패키징이 차가운 표면의 크기를 좌우하는 경향이 있다.

상기 설명된 특징 이외에, 본 발명은 도2 및 도2a에 도시된 바와 같이 극저 온 전자 부분을 최적 작동 온도로 유지하는 데 요구되는 크기 및 총 냉각 전력을 감소시키기 위한 복수의 다른 특징들을 채용한다.

도2 및 도2a에서 알 수 있는 바와 같이, 커넥터(240, 245)들은 도1의 종래 기술에 도시된 분리식 모듈(110)과 반대로 진공 드와르 조립체(215)에 통합되어 만들어진다. 커넥터(240, 245)는 입력 및 출력 기밀 커넥터(260, 265)에 각각 연결되어 있는 점퍼(jumper)(250, 255)를 포함한다. 기밀 커넥터(260, 265)는 진공 드와르 조립체(215)로부터의 전기적인 연결을 제공하고, 예를 들어 진공 드와르 조립체(215) 내부의 진공 밀봉을 유지하기 위하여 "O"-링, 납땜 시일 및/또는 금속 시일에 대한 다이렉트 글래스를 사용한다. 금속 시일에 대한 다이렉트 글래스는 통상 서스펜션 시일을 제공한다. 기밀 커넥터(260, 265)의 드와르 조립체 외부의 부분은, 예를 들어 요구되는 연결 유형에 따라서 광섬유(광섬유 연결을 이용하기 위해서는 RF 신호의 암호화된 광신호로의 변환이 요구됨) 및 꼬임쌍 등과 같은 동축 또는 다른 공지된 커넥터의 형태일 수 있다.

점퍼(250, 255)는 극저온 구성요소로의 연결부에서의 극저온 온도로부터 기밀 커넥터(260, 265)로의 연결부에서의 주위 온도로 연결된다. 점퍼(250, 255)는 최종 용도에 따라서, 예를 들어 저주파 신호용 마이크로 스트립 전송 라인 또는 고주파 신호용 도파관인 종래의 구조일 수 있다. 다른 실시예에서, 상호 연결부(즉, 점퍼(250, 255))는 주위로부터의 열 수득을 감소시키기 위하여 열 차단 재료 상에 형성된다. 예를 들어, 점퍼(250, 255)는 알루미나, 글래스(용융 실리카, 석영 및 MACOR 등), 광섬유 에폭시, 또는 두께가 0.002 인치(0.051 mm)보다 큰 에어로겔과 같은 기판 상의 마이크로 스트립 전송 라인으로서 형성될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 기판은 용융 실리카(약 1.5 W/m-K의 열 전도도(K)) 또는 실리카계 에어로겔(약 0.02 W/m-K(300K, 1 기압) 내지 0.004 W/m-K(300K, 진공)의 K 값)과 같은 효과적인 열 차단부로서 기능하는 매우 낮은 열 전도성 재료로 구성된다. 다른 실시예에서, 어떤 유형의 열 차단 재료를 또한 포함하는 높은 열 전도성 기판이 고려된다. 당업자는 여러 열 차단부가 채용될 수 있고 본 발명의 개시 내용으로부터 벗어나지 않는 다는 것을 알 것이다.

본 실시예의 예시는 도3에 도시되어 있고, 여기서 상호 연결부는 삽입된 열 차단부를 포함한다. 기판 재료(320)는 마이크로 스트립 라인 상의 전도성 스트립의 차가운 단부(310)와 따뜻한 단부(340) 사이에 (에어로겔과 같은) 낮은 열 전도성 재료의 삽입물(330)을 포함한다. 유사한 맥락에서, 도파관 공동은 적어도 내부 표면 상에서 금속화된 에어로겔과 같은 낮은 열 전도성 재료로 구성될 수 있거나, 또는 삽입된 열 차단부를 구비한 금속과 같은 표준 재료로 구성될 수 있다. 삽입된 열 차단 재료의 실시예는 도4에 도시되어 있으며, 기판 재료(410)는 도파관 공동의 차가운 단부(440)와 따뜻한 단부(450) 사이에 적어도 내부 표면(430) 상에서 금속화된 (에어로겔과 같은) 낮은 열 전도성 재료의 삽입물(420)을 포함한다.

열 차단부가 주위로부터의 열 전도를 추가적으로 감소시키지만 낮은 열 전도성 재료는 우선 극저온 전자 부분 내의 전도성 열 수득을 가능한 한 많이 회피하도록 사용되어야 하는 것을 알아야 한다. 낮은 열 전도성 재료들의 조합과 설계에 있어서 열 차단부의 적용은 통상 증가된 크기의 대가로 가장 양호하고, 따라서 모 든 용도에서 실용적일 수는 없다. 전도 열전달이 전도성 재료의 길이에 반비례하기 때문에, 점퍼(250, 255; 도5d 참조)는 길어질 수 있지만, 이는 증가된 신호 손실 및 진공 드와르 조립체의 크기의 증가로 이어질 수 있다. 그러나, RF 손실과 낮은 열 수득 사이의 균형은 점퍼(250, 255)의 재료 및 구조 치수에 기초하여 당업자에 의하여 최적화될 수 있다.

극저온 수신기가 도5a 내지 도5e를 참조하여 상세하게 설명될 것이다.

도5a는 본 발명의 기밀 밀봉된 극저온 수신기의 전방 사시도를 도시하고, 도5b는 도5a의 전방 분해 사시도를 도시한다. 극저온 수신기가 도5a 내지 도5e를 각각 참조하여 조립될 것이다.

진공 드와르 조립체(215)의 뚜껑(520)은 용접, 납땜 또는 기계적인 연결에 의하여 드와르 몸체(220)에 부착될 수 있다. 도5b에 도시된 바와 같이, 나사(522)가 뚜껑(520) 내의 구멍을 통해 삽입되어 나사 구멍(523)을 통하여 몸체(220)와 결합한다. "O-링" 시일(530)이 홈(222) 내에 위치되어 뚜껑(520)이 나사(522)에 의하여 몸체(520)와 결합될 때 밀봉을 형성한다.

O-링 시일(530)은 진공 상태를 유지하는 데 요구되는 고무, 합성 재료 또는 금속으로 만들어질 수 있지만, 그에 제한되는 것은 아니다. 다른 실시예에서, 뚜껑(520)의 부착은 통상 납땜 및 금속으로 만들어진 O-링 시일(530)에 의하여 달성된다. 구성요소들 중 일부가 열에 민감하여 종래의 용접 또는 납땜 기술을 사용하기 어렵게 만드는 본 발명의 다른 실시예에서, (인듐으로 구성된 것과 같은) 가단 금속 O-링이 뚜껑(520)과 드와르 몸체(220) 사이에 위치되고 O-링(530)을 홈(222)에서 압축시키기 위하여 뚜껑(520)에 압력을 가함으로써 밀봉이 조정되는 "냉간" 용접 기술이 채용될 수 있다.

하우징/몸체(220)가 진공 튜브(266)를 통하여 배기된 후 남아있는 불순물을 흡수하는 게터(getter)(525)가 볼트(527)를 구비한 패스너(fastener)(526)에 의하여 제 위치에 유지된다. 본 실시예에서, 네 개의 게터(525)가 도시되어 있지만, 게터가 극저온 유닛의 수명에 걸쳐 예상되는 저해 불순물을 흡수하기에 충분한 용량을 갖는 한 개수는 상관없다.

냉각판(225)은 내부에 형성된 내부 공동 영역(555)을 갖는 몸체(220) 내부에 수납된다. 정렬 공구(510)가 냉각판(225)을 유닛의 몸체(220)와 정렬시키도록 사용된다. 공구(510)는 냉각판(225)이 공동(555) 내부에서 적절하게 고정되면 제거된다. 필터(205) 및 증폭기(210)는 냉각판(225) 상에 또는 냉각판(225)에 매우 근접하게 위치된다. RF 차폐부(235)는 냉각판(225)과 차폐 필터(205)와 증폭기(210)와 연통되도록 위치된다. 브래킷(535, 539, 541)은 냉각판(225), 필터(205) 및 증폭기(210) (즉, 전위 수신기)를 공동(555) 내부에서 그들 각각의 위치에 유지하도록 사용된다. 공동(555) 내부의 모든 극저온 및 비극저온 표면들은 양호하게는 예를 들어 금, 백금, 은 또는 유사한 유형의 금속 (즉, 환경에 대하여 낮은 반응성을 갖는 높은 전도성 금속)과 같은 높은 반사성 재료로 도금된다. 점퍼(250, 255)는 필터(205) 및 증폭기(210)와 연통된다.

다양한 입력 및 출력이 포트(260(Rf_in), 265(Rf_out), 270(DC_in))를 통하여 수 신기에 접근 가능하게 된다. 유닛 내부의 온도 표시는 포트(564)를 통하여 제공된다.

냉각 핑거(finger)(572)는 공동(555)의 중심 개구(554)를 통하여 연장되어 냉각판(225)과 열적으로 연통된다. 냉각 핑거(572)는 드와르 조립체(215) (즉, 방열 구역)의 상부(280)로부터 연장된다. O-링(570)은 바닥판(565)이 볼트 또는 나사에 의하여 드와르 상부(280) 내에 형성된 볼트 또는 나사 구멍(290)에 고정될 때 영역(282)과의 밀봉을 형성한다.

복수의 열 수지 인자를 고려하는 예시로서, HTS 필터 요소의 크기를 40 cm²보다 작게 유지하고, 활성 반도체 회로의 발산 전력을 350 mW보다 작게 유지하고, 점퍼(길이가 5 cm이고, 두께가 0.005 인치(0.127 mm)이고, 폭이 5 mm인 용융 실리카 기판 상의 마이크로 스트립 전송 라인)에 의하여 생성되는 열 누출을 100 mW보다 작게 유지함으로써, 채널당 요구되는 냉각 용량을 20℃의 주위 온도 및 80K에서 600 mW보다 작게 감소시킬 수 있다.

앞서 언급된 바와 같이, 점퍼(250, 255)는 양호하게는, 시간이 지남에 따라 진공을 열화시킬 수 있으며 배기된 재료에 의한 열 전도로 인하여 냉각기로의 열 부하를 증가시킬 수 있는 배기되는 재료의 부재로 인하여 장시간 진공 환경에서 효과적으로 사용될 수 있고, 매우 낮은 열 전도성 기판인 용융 실리카 또는 실리카 에어로겔 기판 상에 형성된 마이크로 스트립 전송 라인이다. 또한, 에어로겔 기판의 추가적인 이점은 재료가 본질적으로 큰 표면적의 실리카 재료라는 것이다. 실 리카 표면은 수증기를 흡수하는 경향이 있고, 따라서 진공의 품질을 개선시킨다. 용융 실리카 또는 실리카 에어로겔과 같은 실리카 재료는 최적의 전기 및 열 인터페이스이며 드와르 내에서 요구되는 진공을 유지하는 것을 도와주는 "게터"로 기능하고, 따라서 진공 신뢰성을 개선시킨다.

다른 실시예에서, 점퍼(250, 255)는 통상 길이가 5 cm이고 폭이 2.5 내지 5 mm이고 두께가 0.005 인치(0.127 mm)인 용융 실리카 기판의 일 측면 상에 적층된 (두께가 1.5 ㎛인 금선과 같은) 마이크로 스트립 전송 라인을 포함하고, 기판의 타 측면은 그 위에 접지층(예를 들어, 금과 같은 전도성 금속)을 갖는다.

전체가 전도성 금속으로 만들어진 종래의 도파관 공동은 대략 2 GHz보다 낮은 주파수 범위 내에서 사용되는 극저온 전자 부분에 대하여 너무 큰 열 누출을 생성하는 경향이 있다. 따라서, (도파관이 적용되는 경우) 도파관 공동을 낮은 열 전도도를 갖는 금속 코팅 기판(예를 들어, 에어로겔)으로부터 구성하거나, 또는 적어도 도파관 공동 구조물 내로 금속 코팅 에어로겔 재료의 "열 차단부"를 삽입하여 전도 열전달을 감소시키는 것이 추천된다.

HTS 필터 요소는 진공 드와르 조립체의 구조에 의하여 부과된 크기 제한을 만족시킬 수 있는 하나 이상의 소형 필터일 수 있다. 양호한 소형 필터는 앞서 참조된 미국 특허 제6,108,569호에 개시되어 있으며 사각형, 둥근 모서리를 갖는 사각형, 다각형, 헤어핀, 타원형 및 원형을 포함하지만 그에 제한되지 않는 다양한 형태의 자기 공진식 나선 공진기를 기초로 한다. 자기 공진식 나선 공진기의 크기는 인접한 라인들 사이의 갭의 폭을 감소시키고 나선 공진기 내의 중심 개방 영역 을 감소시킴으로써 감소된다. 자기 공진식 나선 공진기의 공진 주파수(f)는 나선(λ; f = λ/2)의 길이를 변화시키고 나선의 인접한 라인들 사이의 갭 폭을 변화시키고 전도성 조정 패드를 나선의 중심에 위치시킴으로써 변화될 수 있다. 마지막 방법은 미세 주파수 조정으로서 사용될 수 있다. 주파수 조정은 또한 상기 논의된 바와 같이 필터 요소 위에 위치된 HTS 판의 사용 및 작동 온도 변화를 통하여 달성될 수 있다.

HTS 필터 요소의 설계는 또한, 예를 들어 필터 요소의 목적(예를 들어, 밴드 통과 또는 밴드 제거), 작동 주파수, 민감도, 및 당업자에 의하여 인식 가능한 다른 인자와 같은 복수의 인자에 의존한다. 이러한 인자에 기초하여, 당업자는 앞서 참조된 미국 특허 제6,108,569호에서 제공된 지침과, 상업적으로 구입 가능한 소프트웨어 패키지(예를 들어, 소넷 소프트웨어, 인크.(Sonnet Software, Inc.)로부터 구입 가능한 소넷 이엠 스위트(Sonnet EM Suite))를 사용하여 적절한 필터 요소를 설계할 수 있다.

다양한 실시예에서, HTS 필터 요소 (및 초전도 재료를 포함하는 다른 구성요소)의 초전도 재료는 약 77K보다 큰 전이 온도(T_c)를 갖는다. 또한, HTS 필터 요소용 기판은 약 0.0001보다 작은 손실 탄젠트를 가지고 그 위에 적층된 HTS 필름에 정합된 유전 재료 격자를 가져야 한다. 특별히 양호한 재료는 다음을 포함하지만 그에 제한되지는 않는다.

HTS 재료 - YBa₂Cu₃O₇, Tl₂Ba₂CaCu₂O ₈, TlBa₂Ca₂Cu₃O₉, (TlPb)Sr₂CaCu₂ O₇ 및 (TlPb)Sr₂Ca₂Cu₃O₉ 중 하나 이상, 그리고

기판 재료 - LaAlO₃, MgO, LiNbO₃, 사파이어 및 석영 중 하나 이상.

기판 및 HTS 재료 이외에, 다양한 버퍼 및 배향층이 (예를 들어) 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 제5,508,255호 및 미국 특허 제5,262,394호에 개시된 바와 같이 적절한 곳에 사용될 수 있다.

나선 공진기에 기초한 소형 필터의 입력 및 출력 커플링은 두 가지의 통상적으로 허용되는 구조를 갖는다. 하나는 라인 상부 상의 보통의 금속 접촉 패드를 통하여 소형 필터의 커넥터에 연결된 일 단부를 구비한 전송 라인을 포함하는 평행선 구조이며, 라인의 타 단부는 필터용 입력 또는 출력 커플링을 제공하도록 (입력 회로용) 제1 공진기 또는 (출력 회로용) 최종 공진기의 나선에 가깝도록 또는 평행하게 정렬되도록 연장된다. 다른 하나는 라인 상부 상의 보통의 금속 접촉 패드를 통하여 소형 필터의 커넥터에 연결된 일 단부를 구비한 전송 라인을 포함하는 삽입 라인 구조이며, 라인의 타 단부는 필터용 입력 또는 출력 커플링을 제공하도록 (입력 회로용) 제1 공진기 또는 (입력 회로용) 최종 공진기의 분할된 나선 내로 삽입되도록 연장된다. 다른 세부 사항은 앞서 참조된 미국 특허 제6,108,569호를 참조하면 찾을 수 있다.

소형 필터 내의 인접한 나선 공진기들 사이의 공진기간 커플링은 인접한 공진기들의 에지들에서 전자기장을 중첩시킴으로써 제공된다. 커플링 강도는 인접한 나선 공진기들 사이의 종방향 거리를 변화시키고 나선 공진기들의 배향을 변화시키 고 횡방향을 따른 나선 공진기의 위치를 변위시킴으로써 조절될 수 있다. 마지막 방법은 커플링 강도의 미세 조절을 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 세부 사항은 앞서 참조된 미국 특허 제6,108,569호를 참조하면 찾을 수 있다.

소형 필터는 양호하게는 소형 필터 기판의 "후방"면 상의 금속화된 접지 평면을 통하여 진공 드와르 조립체(215)의 냉각판(225)과 밀접하게 접촉하고, 이에 대한 다른 세부 사항은 앞서 참조된 미국 특허 제6,108,569호를 참조하면 알 수 있다. 소형 필터 및 활성 반도체 회로는 예를 들어, 금속화된 접지 평면과 냉각판(225) 사이의 전도성 에폭시 또는 납땜을 사용함으로써, 또는 금속화된 접지 평면을 냉각판(225)에 저항 용접함으로써, 또는 단순히 나사와 같은 기계적인 수단에 의하여 냉각판(225)에 부착될 수 있다.

활성 반도체 회로(210)는 납땜, 와이어 본딩 또는 평행 갭 용접과 같은 임의의 종래 수단에 의하여 필터 요소(205)에 연결될 수 있지만, 통상 납땜, 열 압축 본딩 또는 저항 용접에 의하여 활성 반도체 회로(210) 상의 (도시되지 않은) 접촉 패드로부터 필터 요소(205) 상의 (도시되지 않은) 접촉 패드로 부착되는 짧은 금속 와이어에 의하여 연결된다.

활성 반도체 회로(210)는 예를 들어, 증폭기, 혼합기, 아날로그-디지털 변환기 및 디지털 프로세서 중 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. 통상 수신기용으로는, 활성 반도체 회로(210)는 InP 또는 GaAs HEMT, HBT, pHEMT, nHEMT, Ⅲ-Ⅴ 헤테로 구조물, 또는 모놀리식 마이크로파 집적 회로(monolithic microwave integrated circuit: MMIC) 증폭기와 같은 그러나 그에 제한되지 않는 증폭기를 포함한다. 그 러한 증폭기들은 공지되어 있다. InP 또는 GaAs pHEMT 또는 nHEMT 증폭기가 통상 양호하다. 상업적으로 구입 가능한 예는 예를 들어, 마이텍 인크.(Miteq Inc.; 미국 뉴욕주 하우퍼그, 모델 번호 SAFS1-01500200-08-CR-S) 및 마이크로웨이브 테크놀로지 인크.(Microwave Technology Inc.; 미국 캘리포니아주 프레몬트, 모델 번호 SG0-7446, 부품 번호 01-50-660)과 같은 여러 공급처로부터 구입 가능하다.

극저온 장치의 극저온원은 극저온 전자 구성요소를 냉각시킨다. 장치가 외부 공간에 배치되면 극저온원은 주위의 외부 공간 상태일 수 있지만, 극저온원은 통상 적절한 크기 및 전력을 필요로 하는 소형 극저온 냉각기 유닛(230)이다. 그러한 소형 극저온 냉각기는 통상 미국 특허 제4,397,155호, EP-A-0028144, WO90/12961 및 WO90/13710(모두 본원에서 전체적으로 참조되었음)에 개시된 바와 같은 스털링(Stirling) 사이클 기계이다.

상기 설명된 극저온 장치는 여러 분야, 특히 무선 통신 분야에서 밴드 통과 및 밴드 제거 필터 장치에서 사용될 수 있다. 그러한 영역 중 하나는 지상 타워 탑 장치 내의 무선 통신 기지국 수신기 전단부이다. 그러한 용도에 대한 보편적인 세부 사항은 앞서 참조된 문헌들에서 찾을 수 있다. 그러한 용도에서, 본 발명의 극저온 전위 수신기는 기지국의 다른 구성요소들에 직접 또는 원격으로 전기적으로 연결될 수 있는 단일 외피 내의 극저온 전자 유닛 및 제어 회로를 포함한다는 점에서 몇몇 일반적인 태양에서 (도1에 도시된 바와 같은) 종래의 유닛과 유사한 통합된 패키지일 수 있다. 그러나, 본원에서 설명된 극저온 전자 유닛의 진보된 특징 때문에, 본 발명에 따른 전위 수신기의 크기, 중량 및 전력 요구는 몇몇의 경우에 그러한 종래의 유닛과 동등하거나 그에 비해 훨씬 나은 성능을 유지하면서 수배 이상으로 현저하게 감소될 수 있다.

크기, 중량 및 전력 요구의 현저한 감소는 본 발명에 따른 극저온 장치를 예를 들어 안테나 조립체, 위성 기지국, 레이더 어레이 및 RF 수신기 내로 통합되기에 이상적으로 만든다.

상기의 특정한 예는 극저온 장치 및 무선 기지국의 적어도 하나의 안테나가 통합된 유닛으로서 조립되어 있는 통합된 안테나 조립체를 포함한다. 유닛의 극저온 전자 부분이 안테나에 매우 근접할 수 있는 앞서 참조된 미국 특허 제6,104,934호에 도시되어 있는 시스템과 대조적으로, 본 발명은 시스템에 대한 잡음 오염을 훨씬 더 감소시키는 안테나와 함께 통합된 유닛을 가능케 한다.

도6a 내지 도6f는 무선 통신 기지국 및 자기 조정식 극저온 전위 수신기의 여러 실시예를 도시한다. 도6a는 다이버시티 안테나(605) 및 주 수신기(610)를 포함하는 무선 기지국 극저온 유닛 구조의 개략적인 선도를 도시한다. 다이버시티 안테나(605)는 주 수신기(610)를 통하여 수신되는 신호의 게인에 대하여 대략 3 db의 추가적인 게인을 제공한다. 다이버시티 수신기는 단지 신호를 수신하기만 하지만, 주 수신기(610)는 수신과 송신을 동시에 한다. 대응 신호들은 다이버시티 안테나(605)의 경우에는 극저온 유닛(630)으로 직접 송신되고, 주 수신기(610)에 대해서는 극저온 유닛(630)으로 송출되기 전에 다이플렉서(615)로 송신된다.

다이플렉서(615)는 신호를 그의 송신 신호 요소와 수신 신호 요소로 분리하기 위한 필터(620, 625)로 구성된다. 그 다음, 수신 신호 요소는 극저온 유닛(630)으로 송신된다. 통상적인 경우에, 송신 신호는 가열 용량 제한 때문에 극저온 유닛을 통하여 처리되지 않지만, 가열 용량 제한이 없으면 극저온 유닛(630)에 의하여 처리될 수 있다. 본 실시예에서, 극저온 유닛(630)은 증폭기(640, 650)를 각각 구비한 HTS 필터(635, 645)로 구성된다. 통상, 증폭기는 저 잡음 증폭(low-noise-amplification: LNA) 증폭기이다. 그 다음, 수신 신호는 각각 증폭기(655, 660)로 송출되며 주 수신기(610) 전기 경로의 경우에 다이플렉서(665)에 의하여 신호의 송신 요소로 다이플렉싱되고, 그 다음 기지국의 나머지 부분으로 송신된다.

도6b는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제2 실시예를 도시한다. 도6b는 극저온 유닛(630, 680)들이 각각 주 수신기(610) 신호 및 다이버시티 안테나(605) 신호 전용이라는 점에서 도6a에 도시된 실시예와 다르다. 이러한 구조는 증대된 신뢰성을 제공하고, 각각 바이패스 회로(642, 692)를 또한 포함하여 유닛(630, 680)의 하나 또는 모두가 고장나더라도 기지국이 계속해서 RF 신호를 수신 및 송신하도록 보장한다.

도6c는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제3 실시예를 도시하고, 여기서 다이버시티 안테나(605) 신호만이 극저온 유닛(630)에 의하여 처리되는 신호이다. 또한, 바이패스 회로(642)는 필터(644)를 더 포함하여 도6a 및 도6b에 도시된 실시예에서 제공되지 않은 증대된 신뢰성 및 이러한 경로를 따른 필터링을 제공한다.

도6d는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제4 실시예를 도시한 다. 도6d는 도6a 내지 도6c에 도시된 실시예의 다이버시티 안테나를 포함하지 않는다. 본 실시예는 필터(644)가 없는 바이패스(642)를 포함하지만, 다른 모든 측면에서는 이전의 실시예들과 같이 기능한다.

도6e는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제5 실시예를 도시한다. 도6e는 신호가 기지국의 잔류 부분으로 송출되기 이전에 회로 내에 다이플렉서(665)를 포함한다는 점에서 제4 실시예와 다르다.

도6f는 무선 기지국 및 본 발명의 극저온 유닛 구조의 제6 실시예를 도시한다. 도6f는 다이버시티 안테나(605) 신호만이 극저온 유닛(630)에 의하여 처리되는 구조를 도시한다. 본 실시예는 처리된 신호를 기지국의 나머지 부분으로 송신하기 이전에 바이패스 필터(644)를 구비한 바이패스 회로(642) 및 다이플렉서(665)를 더 포함한다.

독자는 상기 실시예들이 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 알아야 한다. 본 발명은 레이더 어레이, 위성 설비(가정용 또는 상업용), 및 무선 및 이동 전화 기지국과 같은 그러나 그에 제한되지 않는 RF 신호 (및 특히 마이크로파)가 수신 및 송신되는 어떠한 환경에서도 적용될 수 있다. 그러한 경우에, 본 발명에 따른 극저온 장치는 용도 및 구성요소 구성에 따라서 출력 신호 대 잡음 비에서 1, 2, 3 또는 현저하게 높은 db 게인을 제공할 수 있다.

본 발명 및 본 발명의 구성에 있어서 다양한 변경 및 변화가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백한 것이다. 본 발명의 다른 실시예들은 본원에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시예를 고려함으로써 당 업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 예시들은 단지 예시적인 것으로 고려되어야 하며 본 발명의 진정한 범위 및 취지는 이하의 청구범위에 의하여 한정될 것이다.

본 발명의 다른 실시예들은 본원에 개시된 본 발명의 명세서 및 실시예를 고려함으로써 당업자에게 명백할 것이다. 명세서 및 예시들은 단지 예시적인 것으로 고려되어야 하며 본 발명의 진정한 범위 및 취지는 이하의 청구범위에 의하여 한정될 것이다.

Claims (20)

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6. (1) 진공 드와르 조립체 내부에 포함되고 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 극저온 전자 부분과,

   (2) 극저온 전자 부분의 입력 단부에 연결된 극저온 단부를 향해 진공 드와르 조립체를 통과하는 주위 단부를 갖는 극저온 입력 커넥터에 대한 주위와,

   (3) 주위 단부를 향해 진공 드와르 조립체를 통과하며, 극저온 전자 부분의 출력 단부에 연결된 극저온 단부를 갖는 주위 출력 커넥터에 대한 극저온부와,

   (4) 극저온 전자 부분과 밀접하게 접촉되도록 진공 드와르 조립체에 연결되는 극저온원을 포함하며,

   (ⅰ) 극저온 전자 부분은 고온 초전도체 필터 요소와 극저온 활성 반도체 회로 중 적어도 하나를 포함하고,

   (ⅱ) 활성 반도체 회로는, 존재하는 경우에 850 mW보다 적은 극저온 전자 부분으로 소산되는 총 전력을 생산하고,

   (ⅲ) 극저온 장치는 20℃의 주위 온도 및 80K에서 3 W보다 작은 최대 냉각기 리프트를 갖는 극저온 장치.
7. 제6항에 있어서, 극저온 전자 부분은 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 고온 초전도체 필터 요소와, 입력 단부 및 출력 단부를 갖는 활성 반도체 회로를 포함하며,

   활성 반도체 회로의 입력 단부는 고온 초전도체 필터 요소를 통하여 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고,

   필터 요소의 입력 단부는 입력 커넥터의 극저온 단부에 연결되고,

   필터 요소의 출력 단부는 활성 반도체 회로의 입력 단부에 연결되는 극저온 장치.
8. 제6항에 있어서, 극저온 전자 부분은 증폭기, 혼합기, 아날로그-디지털 변환기와 디지털 프로세서 중 하나 또는 이들의 조합으로부터 선택된 활성 반도체 회로를 포함하는 극저온 장치.
9. 제8항에 있어서, 활성 반도체 회로는 극저온 증폭기인 극저온 장치.
10. 제6항에 있어서, 극저온 전자 부분은 자기 공진식 나선 공진기에 기초한 하나 이상의 소형 필터를 포함하는 고온 초전도체 필터 요소를 포함하는 극저온 장치.
11. 제10항에 있어서, 적어도 필터 요소 위에 극저온원과 밀접하게 접촉되는 초전도판을 더 포함하는 극저온 장치.
12. 제6항에 있어서, 극저온 입력 커넥터에 대한 주위와 주위 출력 커넥터에 대한 극저온부 중 하나 또는 모두는 열 차단부인 극저온 장치.
13. 제6항에 있어서, 극저온원은 극저온 냉각기이고, 극저온 냉각기 및 진공 드와르 조립체는 일체형 유닛 또는 조립체로서 형성되는 극저온 장치.
14. 제6항에 있어서, 극저온 전자 부분은 자기 공진식 나선 공진기에 기초한 하나 이상의 소형 필터를 포함하는 고온 초전도체 필터 요소를 포함하며, 극저온 입력 커넥터에 대한 주위와 주위 출력 커넥터에 대한 극저온부 중 하나 또는 모두는 열 차단부이고, 극저온원은 극저온 냉각기이고, 극저온 냉각기 및 진공 드와르 조립체는 일체형 유닛 또는 조립체로서 형성되는 극저온 장치.
15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항의 극저온 장치를 포함하는 극저온 수신기.
16. 제15항의 극저온 수신기 및 일체형 유닛으로서 조립된 안테나를 포함하는 일체형 안테나 조립체.
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