特許 6334440 高周波用受信モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6334440

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】高周波用受信モジュール

(51)【国際特許分類】

   H04B 1/18 20060101AFI20180521BHJP

【ＦＩ】

   H04B1/18 G

【請求項の数】3

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2015-49679(P2015-49679)

(22)【出願日】2015年3月12日

(65)【公開番号】特開2016-171443(P2016-171443A)

(43)【公開日】2016年9月23日

【審査請求日】2017年3月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000235

【氏名又は名称】特許業務法人 天城国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高木 一考

【審査官】 金子 秀彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２５８５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２４７５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２８９１５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｂ １／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

信号を受信するアンテナに接続された第１のスイッチと、
前記第１のスイッチに接続されたリミッタ素子、および、前記リミッタ素子に接続され、前記信号を増幅する第１の増幅素子、を有する第１の増幅系と、
前記第１のスイッチに、前記第１の増幅系の前記リミッタ素子に対して並列に接続された超伝導回路、および、前記超伝導回路に直接に接続され、前記第１の増幅素子より低温で前記信号を増幅する第２の増幅素子、を有する第２の増幅系と、
前記第１の増幅系および前記第２の増幅系に接続され、前記第１のスイッチに同期する第２のスイッチと、
を具備することを特徴とする高周波用受信モジュール。

【請求項2】

前記第２の増幅系は、入力回路、前記第２の増幅素子を含む増幅回路、および出力回路、によって構成される高周波回路、を備え、
前記入力回路が前記超伝導回路によって構成されること
を特徴とする請求項１に記載の高周波用受信モジュール。

【請求項3】

前記第２の増幅系は、入力回路、前記第２の増幅素子を含む増幅回路、および出力回路、によって構成される高周波回路、を備え、
前記増幅回路の一部が前記超伝導回路によって構成されること
を特徴とする請求項１に記載の高周波用受信モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、高周波用受信モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば無線通信に使用される高周波用受信モジュールは、一般に、受信した信号を増幅する増幅素子を内部に有する。受信信号が小さくなるに連れて、高周波用受信モジュールには高い感度が必要となる。増幅素子は低温にするほど雑音が小さくなることが知られている。さらに極低温で超伝導動作する受信回路を用いることで、入力損失を極小にすると共に、高周波用受信モジュールの内部雑音を低減し、高周波用受信モジュールの高感度化を図ることができる。感度は高くないが常温で動作する第１の増幅系と、極低温までの冷却を必要とするが高い感度を有する第２の増幅系と、を並列に配置し、これらを、スイッチを用いて適宜選択して使用する高周波用受信モジュールが知られている。

【0003】

このような高周波用受信モジュールを構成する各増幅系の増幅素子の前段には、サージ、大電力信号、等の大電力から増幅素子を保護するためのリミッタ素子が配置される。リミッタ素子は、自身に所定以上の大電力が入力された場合に、その電力を所定電力まで抑制して後段に出力する素子である。このようなリミッタ素子を配置すると、所定以上の大電力が増幅素子に入力されることを抑制できるため、増幅素子を保護することができる。

【0004】

しかしながら、リミッタ素子は損失の大きな素子であるため、これを通過する受信信号のＮＦを増加させる。したがって、とくに微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系にリミッタ素子が適用されると、信号のＮＦを増幅前に劣化させるため、極めて低いＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）を有する増幅素子で極低温下で増幅しても、低いＮＦは得られない。すなわち、第２の増幅系にリミッタ素子が適用されると、第２の増幅系の受信感度は高くならない。したがって、後段の受信回路において正常に受信信号を識別できず、正常な信号処理が実行されない場合がある。

【0005】

第２の増幅系からリミッタ素子を除去すれば、第２の増幅系の受信感度は向上する。しかしながら、リミッタ素子を除去すれば、第２の増幅系の増幅素子は大電力から保護されなくなり、大電力が入力されることによる熱破壊が生じる可能性がある。すなわち、従来の高周波用受信モジュールは、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系に使用される増幅素子の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることは困難である、という問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１３−２５８５０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

実施形態は、微弱な受信信号を増幅する増幅系に使用される増幅素子の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることができる高周波用受信モジュールを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

実施形態に係る高周波用受信モジュールは、信号を受信するアンテナに接続された第１のスイッチと、前記第１のスイッチに接続されたリミッタ素子、および、前記リミッタ素子に接続され、前記信号を増幅する第１の増幅素子、を有する第１の増幅系と、前記第１のスイッチに、前記第１の増幅系の前記リミッタ素子に対して並列に接続された超伝導回路、および、前記超伝導回路に直接に接続され、前記第１の増幅素子より低温で前記信号を増幅する第２の増幅素子、を有する第２の増幅系と、前記第１の増幅系および前記第２の増幅系に接続され、前記第１のスイッチに同期する第２のスイッチと、を具備する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの要部を示す分解斜視図である。

【図3】高周波半導体増幅装置の第１の電磁結合回路を示す斜視図である。

【図4A】実施形態に係る高周波半導体増幅モジュールに適用される高周波半導体装置の第１の高さ調整回路を、斜め上方から見た場合の斜視図である。

【図4B】実施形態に係る高周波半導体増幅モジュールに適用される高周波半導体装置の第１の高さ調整回路を、斜め下方から見た場合の斜視図である。

【図5】図４Ａおよび図４Ｂに示す第１の高さ調整回路、および第１の電磁結合回路、を示す分解斜視図である。

【図6】図５の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路の部分断面図である。

【図7】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの要部を示す分解斜視図である。

【図8】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの一断面図である。

【図9】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの断熱容器の一部を示す斜視図である。

【図10】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの要部を示す斜視図である。

【図11】第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの高周波回路を示す上面図である。

【図12】第２の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。

【図13】第２の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの高周波回路を示す上面図である。

【図14】第３の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。

【図15】第３の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの高周波回路を示す上面図である。

【図16】第４の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。

【図17】第４の実施形態に係る高周波用受信モジュールの第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの高周波回路を示す上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明の実施形態に係る高周波用受信モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。

【0011】

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。図1に示す高周波用受信モジュール１０００は、高周波信号を受信するアンテナ１００１に接続されており、受信した高周波信号（受信信号）を増幅して、出力する。また、アンテナ１００１と後段受信回路１００２との間には、第１スイッチ１００３、および第１のスイッチ１００３に同期する第２のスイッチ１００４を介して、前段の受信回路である２系統の増幅系１００５、１００６が並列に設けられている。なお、「第１のスイッチ１００３に同期する第２のスイッチ１００４」とは、完全に同時に動作する必要はなく、第１のスイッチ１００３を増幅系１００５、１００６のいずれかの系統に接続したときに、第２のスイッチ１００４を同じ系統に接続していればよい。

【0012】

高周波用受信モジュール１０００がアンテナ１００１で高周波信号を受信すると、その受信信号は、選択されるいずれか一方の増幅系１００５、１００６で増幅されて、後段受信回路１００２に入力される。

【0013】

このような高周波用受信モジュール１０００において、一方の増幅系１００５は、感度は高くないが常温で受信信号を増幅する第１の増幅系１００５である。第１の増幅系１００５は、通常使用される増幅系であり、アンテナ１００１側から後段受信回路１００２側に向かって、リミッタ素子１００７、バンドパスフィルタ１００８、および第１の増幅素子１００９、が直列に接続されることによって構成されている。第１の増幅素子１００９は、例えば常温（室温）で動作する低雑音増幅素子である。

【0014】

第１の増幅系１００５はリミッタ素子１００７を有するため、第１の増幅素子１００９は大電力から保護されるが、リミッタ素子１００７を通過した受信信号のＮＦ（Ｎｏｉｓｅ Ｆｉｇｕｒｅ）は増加する。しかし、この増幅系１００５は、比較的大きな受信信号が入力されるときに運用されるため、リミッタ素子１００７でＮＦが増加しても、後段受信回路１００２において正常な信号処理が阻害されるほどには増加しない。したがって、この増幅系１００５にリミッタ素子１００７が使用されても、実質的な問題は生じない。

【0015】

また、他方の増幅系１００６は、極低温までの冷却を必要とするが、第１の増幅系１００５より高い感度を有する第２の増幅系１００６である。第２の増幅系１００６は、微弱な受信信号を増幅する。ここで、「微弱な受信信号」とは、例えば、第１の増幅系１００５を介して信号を受信した場合に、第１の増幅系１００５が発生する熱雑音よりも弱い受信信号を意味する。したがって、第２の増幅系１００６には、熱雑音が生じにくい高周波半導体増幅モジュール１００が適用される。高周波半導体増幅モジュール１００は、アンテナ１００１側から後段受信回路１００２側に向かって、第１の電磁結合部１９、バンドパスフィルタ１６´、第２の増幅素子１５、および第２の電磁結合部２０、が直列に接続されることによって構成されている。第２の増幅素子１５は、少なくとも第１の増幅素子１００９より低温で動作する増幅素子である。より具体的に、第２の増幅素子１５は、例えばＮＦ特性が良好な低温（例えば８０Ｋ程度）で動作する低雑音増幅素子である。

【0016】

第２の増幅系１００６に適用される高周波半導体増幅モジュール１００は、冷却体と、この冷却体上に配置された高周波半導体増幅装置と、冷却体および高周波半導体増幅装置を内部に収容する断熱容器と、を具備する。高周波半導体増幅装置は冷却体によって例えば８０Ｋ程度の低温にされる。そして、冷却体および高周波半導体増幅装置が断熱容器で覆われているため、外部からの熱の流入が抑制され、低温状態を効率的に維持することができる。したがって、高周波半導体増幅装置は低温で動作することができ、増幅動作によるＮＦ低下を抑制することができる。以下に、このような高周波半導体増幅モジュール１００の詳細な構造について、図面を参照して説明する。

【0017】

図２は、第２の増幅系を構成する高周波半導体増幅モジュールの冷却体および高周波半導体増幅装置を示す分解斜視図である。図２に示すように、高周波半導体増幅装置１０は、冷却体１１上に配置されている。

【0018】

冷却体１１上に配置される高周波半導体増幅装置１０において、例えばＣｕによって構成されるキャリアプレートであるベース板１２の上面上には、受信信号を増幅する増幅回路１３が配置されている。増幅回路１３は、絶縁基板１４と、この基板１４の上面上に設けられた第２の増幅素子である複数の低雑音増幅素子１５（以下、ＬＮＡ（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）称する場合がある。）と、絶縁基板１４の上面上に設けられ、複数のＬＮＡ１５に接続される分岐・整合回路１６および合成・整合回路１７と、によって構成される。

【0019】

絶縁基板１４は例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成される基板である。また、分岐・整合回路１６および合成・整合回路１７にはそれぞれ、バンドパスフィルタ１６´として機能するとともに、受信信号を分岐または合成するランゲカプラ、および整合線路、等が含まれている。

【0020】

なお、図示は省略しているが、増幅回路１３には、キャパシタ素子等も設けられている。

【0021】

このような増幅回路１３に対して断熱容器１８（図８〜１０）の外部から受信信号を入力する部分、および増幅回路１３から出力される受信信号を断熱容器１８の外部に出力する部分、はそれぞれ、電磁結合部１９、２０によって構成されている。電磁結合部１９、２０は、増幅回路１３に電気的に接続されている。そして、電磁結合部１９、２０は、断熱容器１８の内部と外部とを電磁結合によって電気的に接続すると同時に、断熱容器１８の内部と外部とを非接触にする。以下に、電磁結合部１９、２０について詳述する。

【0022】

増幅回路１３に対して断熱容器１８（図８〜１０）の外部から受信信号を入力する入力側の電磁結合部１９である第１の電磁結合部１９は、増幅回路１３に電気的に接続される内部入力回路２１、および内部入力回路２１の上方に配置された第１の電磁結合回路２２、によって構成されている。

【0023】

内部入力回路２１は、所望の基板２３上にＷ字状の配線２４を設けることによって構成されている。内部入力回路２１の詳細については後述するが、この内部入力回路２１は、ベース板１２の上面上に配置され、ベース板１２に設けられた板バネ等の固定具２５によって、ベース板１２に対して押し付けられている。そして、増幅回路１３の分岐・整合回路１６に、ワイヤー等の接続導体２６によって電気的に接続されている。

【0024】

第１の電磁結合回路２２は、内部入力回路２１のＷ字状の配線２４に対して電磁結合によって受信信号を供給する回路であって、内部入力回路２１の上方に、内部入力回路２１から離間するように配置されている。第１の電磁結合回路２２は、例えば内部入力回路２１から１ｍｍ程度上方に離間した位置に配置されている。なお、第１の電磁結合回路２２は、後述する断熱容器１８によって所定位置に支持される（図８）。

【0025】

図３は、高周波半導体増幅装置の第１の電磁結合回路を示す斜視図である。図３に示すように、第１の電磁結合回路２２は、例えば厚さ１ｍｍ程度のアルミナ等によって構成される絶縁基板２７の上面上に、Ｉ字状の配線２８ａ、Ｉ字状の配線２８ａに接続される引き出し配線２８ｂ、および引き出し配線２８ｂに接続されるパッド電極２８ｃ、を設けることによって構成されている。また、この上面上のうち、Ｉ字状の配線２８ａ、引き出し配線２８ｂ、およびパッド電極２８ｃ、が設けられた領域およびこの周辺領域を除く全面には、接地金属２９が設けられている。なお、上記周辺領域とは、接地金属２９がＩ字状の配線２８ａ、引き出し配線２８ｂ、およびパッド電極２８ｃから絶縁されるのに必要な領域である。

【0026】

他方、絶縁基板２７の下面上の全面には接地金属３０が設けられており、接地金属３０の一部は、Ｕ字状に除去されている。すなわち、接地金属３０は、Ｕ字状の一部領域を除く下面全面に設けられている。

【0027】

絶縁基板２７の周辺部には、この基板２７を貫通するスルーホール３１が設けられている。絶縁基板２７の上面の接地金属２９と下面の接地金属３０とは、スルーホール３１内に設けられる導体によって電気的に接続されている。

【0028】

次に、増幅回路１３から出力される受信信号を断熱容器１８（図８〜１０）の外部に出力する出力側の電磁結合部である第２の電磁結合部２０は、増幅回路１３に電気的に接続される内部出力回路３２、および内部出力回路３２の上方に配置された第２の電磁結合回路３３、によって構成されている。

【0029】

内部出力回路３２は、例えば増幅回路１３から延在するアルミナ等の絶縁基板１４の表面上に、金（Ａｕ）によって、増幅回路１３の合成・整合回路１７から延在するように、Ｗ字状の配線３４を設けることによって構成されている。この内部出力回路３２は増幅回路１３とともにベース板１２の上面上に配置され、ベース板１２に設けられた板バネ等の固定具２５によって、増幅回路１３とともにベース板１２に対して押し付けられている。

【0030】

第２の電磁結合回路３３は、内部出力回路３２のＷ字状の配線３４から電磁結合によって受信信号が供給される回路であって、内部出力回路３２の上方に、内部出力回路３２から離間するように配置されている。第２の電磁結合回路３３は、例えば内部出力回路３２から１ｍｍ程度上方に離間した位置に配置されている。なお、第２の電磁結合回路３３の具体的な構成は、図３に示す第１の電磁結合回路２２と同様に構成されており、絶縁基板の上面上に、Ｉ字状の配線３５ａ、引き出し配線３５ｂ、およびパッド電極３５ｃが設けられており、また、これらの周囲を囲うように接地金属３６が設けられている。このような第２の電磁結合回路３３は、第１の電磁結合回路２２と同様に、後述する断熱容器１８によって所定位置に支持される（図８）。

【0031】

このような第２の電磁結合回路３３の下方に配置される内部出力回路３２のＷ字状の配線３４に受信信号が入力されると、その受信信号は、電磁結合によって、第２の電磁結合回路３３の表面のＩ字状の配線３５ａに伝達される。

【0032】

以上に説明したように、第１、第２の電磁結合部１９、２０は、断熱容器１８の内部と外部とを電磁結合によって電気的に接続する。さらに、第１、第２の電磁結合部１９、２０は、上述したように断熱容器１８の内部と外部とを非接触にするが、これについては後述する。

【0033】

第１の電磁結合部１９の第１の電磁結合回路２２は、高周波半導体増幅モジュール１００の外部から受信信号を受け取る第１の外部信号線３７を有する外部回路である外部入力回路３８に電気的に接続される。また、第２の電磁結合部２０の第２の電磁結合回路３３は、高周波半導体増幅モジュール１００の外部に受信信号を送出する第２の外部信号線３９を有する外部回路である外部出力回路４０に電気的に接続される。外部入力回路３８および外部出力回路４０はそれぞれプリント基板であって、絶縁基板４１の上面上に第１の外部信号線３７または第２の外部信号線３９を設けることによって構成されている。外部入力回路３８および外部出力回路４０はそれぞれ、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される（図８、図１０）。なお、外部入力回路３８および外部出力回路４０にはそれぞれ、接地される接地用線路４２も設けられている。

【0034】

第１の電磁結合回路２２と、外部入力回路３８と、の高さ方向における位置は異なっている。この理由については後述するが、このように高さ方向における位置が互いに異なるため、これらの回路２２、３８間を、例えばワイヤー等の第１の接続導体で接続することを考えると、第１の接続導体の長さが長くなる。この結果、第１の接続導体でのインダクタンス（または抵抗、放射損）が大きくなる。

【0035】

また、一般に、第１の電磁結合回路２２の各配線２８ａ、２８ｂおよびパッド電極２８ｃは５０Ωのインピーダンスを有するように設計されており、外部入力回路３８の第１の外部信号線３７も同様に５０Ωのインピーダンスを有するように設計されている。一方、パッド電極２８ｃと第１の外部信号線３７とを接続する第１の接続導体をワイヤーとすると、そのインピーダンスが５０Ωから乖離し、その結果、パッド電極２８ｃと第１の外部信号線３７との間にインピーダンスの不整合が発生する。第１の接続導体の長さが短いときには、インピーダンスの不整合は小さいが、上記のように第１の接続導体の長さが長くなると、第１の接続導体によるインピーダンスの不整合が大きくなり、反射損が大きくなる。

【0036】

このように、第１の電磁結合回路２２と、外部入力回路３８と、の高さ方向における位置が異なっていると、上記問題が生じ、入力損失が増大する。

【0037】

そこで、第１の電磁結合回路２２の上面上には、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８とを電気的に接続する第１の接続配線４３を有する第１の高さ調整回路４４が、例えば銀ナノ粒子によって固定されている。第１の電磁結合回路２２上に、この回路２２に電気的に接続されるように第１の高さ調整回路４４を設けることによって、第１の接続配線４３が、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃを、外部入力回路３８が配置される高さ位置まで電気的に引き出す。第１の接続配線４３のインピーダンスを、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃおよび外部入力回路３８の第１の外部信号線３７に整合するように、例えば５０Ωに設計することにより、第１の接続配線４３を、パッド電極２８ｃおよび第１の外部信号線３７、と整合させることができる。そして、第１の接続配線４３と外部入力回路３８の第１の外部信号線３７とは同じ高さ位置に存在するため、これらを電気的に接続する後述の第１の接続導体４５の長さを短くでき、第１の接続導体４５のインダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第１の接続配線４３と第１の外部信号線３７とのインピーダンスの不整合を小さくすることができる。その結果、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８との間の配線（第１の接続配線４３および第１の接続導体４５によって構成される受信信号の線路）においてインピーダンスが不連続になることを抑制することができる。

【0038】

図４Ａは、第１の高さ調整回路を斜め上方から見た場合の斜視図である。また、図４Ｂは、第１の高さ調整回路を斜め下方から見た場合の斜視図である。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第１の高さ調整回路４４は、筒状の第１の誘電体６０に、第１の接続配線４３および接地金属５１を設けることによって構成されている。第１の誘電体６０は例えばセラミック、アルミナ等によって構成され、第１の接続配線４３および接地金属５１はそれぞれ、例えば金等の金属薄膜によって構成される。

【0039】

第１の誘電体６０には、上面から下面に向かって第１の誘電体６０を貫通する貫通孔６１が設けられている。そして、この貫通孔６１の内壁はメタライズされており、これが配線４３ａとして機能する。そして、貫通孔６１の上端を含む第１の誘電体６０上面の一部には、貫通孔６１の内部の配線４３ａに接続される島状の配線４３ｂが設けられており、貫通孔６１の下端を含む第１の誘電体６０の下面の一部には、貫通孔６１の内部の配線４３ａに接続される島状の配線４３ｃが設けられている。第１の接続配線４３は、貫通孔６１の内部の配線４３ａ、第１の誘電体６０の上面の島状の配線４３ｂ、および第１の誘電体６０の側壁の下面の島状の配線４３ｃ、によって構成されている。

【0040】

他方、接地金属５１は、第１の誘電体６０の上面、下面、および外側面の略全面に、第１の接続配線４３に接しないように設けられている。なお、接地金属５１は、さらに、第１の誘電体６０の内側面に、第１の接続配線４３に接しないように設けられてもよいが、製造コストが高くなるため、第１の誘電体６０の内側面には設けないことが好ましい。

【0041】

図５は、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路を示す分解斜視図である。また、図６は、図５の一点鎖線Ｘ−Ｘ´に沿った、第１の高さ調整回路および第１の電磁結合回路の部分断面図である。図５および図６に示すように、第１の高さ調整回路４４は、第１の誘電体６０の側壁の下面の島状の配線４３ｃが、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃに、例えば銀ナノ粒子（不図示）を介して接続され、第１の誘電体６０の下面の接地金属５１が、第１の電磁結合回路２２の接地金属２９に、例えば銀ナノ粒子（不図示）を介して接続されるように、第１の電磁結合回路２２上に設けられる。このようにして、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３は、第１の電磁結合回路２２のパッド電極２８ｃに電気的に接続される。

【0042】

なお、第１の誘電体６０の上面の島状の配線４３ｂには、図２等に示す第１の接続用基板４９上に設けられた第１の信号用リード線４５が接続され、第１の誘電体６０の上面の接地金属５１には、図２等に示す接地用リード線５０が接続される。このように、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３は、第１の接続用基板上４９の第１の信号用リード線４５を介して、外部入力回路３８の第１の外部信号線３７に電気的に接続される。

【0043】

以上に説明した第１の高さ調整回路４４を、第１の電磁結合回路２２に整合するように第１の電磁結合回路２２上に設けることによって、第１の電磁結合回路２２のＩ字状の配線２８ａは、外部入力回路３８が配置される高さ位置まで引き出されている。そして、第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８とを第１の接続導体４５で接続することにより、第１の接続導体４５でのインダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。この結果、第１の電磁結合回路２２と外部入力回路３８との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。

【0044】

このような構造は、出力側においても同様になっている。すなわち、第２の電磁結合回路３３の上面上には、第２の電磁結合回路３３と外部出力回路４０とを電気的に接続する第２の接続配線４６を有する第２の高さ調整回路４７が、例えば銀ナノ粒子によって固定されている。第２の電磁結合回路３３上に、この回路３３に整合した状態で電気的に接続されるように第２の高さ調整回路４７を設けることによって、第２の電磁結合回路３３のＩ字状の配線３５ａは、外部出力回路４０が配置される高さ位置まで引き出されている。そして、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０とを第２の接続導体４８で接続することにより、第２の接続導体４８の長さを短くでき、インダクタンス（または抵抗、放射損）を小さくできるとともに、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。この結果、第２の電磁結合回路３３と外部出力回路４０との間のインピーダンスの不整合を小さくすることができる。

【0045】

第１の高さ調整回路４４と外部入力回路３８とは同じ高さに設けられているため、これらを接続する第１の接続導体４５として、ワイヤーが適用されてもよい。しかしながら、本実施形態において、第１の接続導体４５は、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される第１の接続用基板４９上に設けられた第１の信号用リード線４５が適用されている（図２）。第１の信号用リード線４５は、第１の高さ調整回路４４の第１の接続配線４３と外部入力回路３８の第１の外部信号線３７とを接続する。なお、第１の接続用基板４９上において、第１の信号用リード線４５の両側には、接地用リード線５０も設けられており、これらの接地用リード線５０は、第１の高さ調整回路４４の接地金属５１と、外部入力回路３８の接地用線路４２と、を接続する。

【0046】

同様に、第２の高さ調整回路４７と外部出力回路４０とは同じ高さに設けられているため、これらを接続する第２の接続導体４８として、ワイヤーが適用されてもよい。しかしながら、本実施形態において、第２の接続導体４８は、後述する断熱容器１８の外周面上に配置される第２の接続用基板５２上に設けられた第２の信号用リード線４８が適用されている（図２）。第２の信号用リード線４８は、第２の高さ調整回路４７の第２の接続配線４６と外部出力回路４０の第２の外部信号線３９とを接続する。なお、第２の接続用基板５２上において、第２の信号用リード線４８の両側には、接地用リード線５３も設けられており、これらの接地用リード線５３は、第２の高さ調整回路４７の接地金属５４と、外部出力回路４０の接地用線路４２と、を接続する。

【0047】

図７は、以上に説明した高周波半導体増幅モジュールの冷却体および高周波半導体増幅装置を示す斜視図である。以上説明した高周波半導体増幅装置１０（以下、半導体増幅装置１０と称する場合もある。）は、実際には、図７に示すように組み立てられて構成される。このような半導体増幅装置１０は、冷却体１１上に配置されている。したがって、半導体増幅装置１０は、低温下において動作することができ、ＮＦ特性を向上させることができる。

【0048】

図８は、以上に説明した高周波半導体増幅モジュールの一断面図である。図８に示すように、高周波半導体増幅モジュール１００において、冷却体１１上に配置された半導体増幅装置１０は、その一部を除いて、内部が実質的に真空状態となっている断熱容器１８に覆われている。断熱容器１８は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって構成される金属容器である。

【0049】

冷却体１１内には、冷却用の媒体（例えば液体窒素）の流路となるパイプ５５が設けられており、このパイプ５５は、冷却体１１の側面から外部方向に延在している。断熱容器１８は、冷却体１１から延在するパイプ５５に、断熱材５６を介して固定されている。すなわち、冷却体１１を含む半導体増幅装置１０は、パイプ５５によって、断熱容器１８内の所定位置に固定されている。なお、冷却体１１は、熱を能動的に外部に放熱する、いわゆる冷凍機であってもよい。

【0050】

図９は、高周波半導体増幅モジュールに適用される断熱容器の一部を示す斜視図であり、図１０は、半導体増幅装置に断熱容器を設けることによって構成される高周波半導体増幅モジュールの要部を示す斜視図である。なお、図９に示す断熱容器の一部は、半導体増幅装置上に配置される断熱容器である。上述の図８、および図９、図１０にそれぞれ示すように、断熱容器１８の２箇所には開口部５７が設けられている。そして、断熱容器１８は、第１、第２の高さ調整回路４４、４７の各々が開口部５７内に配置されるようにして、半導体増幅装置１０上に配置されている。なお、図８に示すように、上述の第１、第２の電磁結合回路２２、３３は、断熱容器１８の開口部５７を封止するように配置され、例えば銀ナノ粒子によって固定される。第１、第２の電磁結合回路２２、３３がこのように固定されることによって、第１、第２の電磁結合回路２２、３３は、内部入力回路２１、内部出力回路３２の上方に、これらの回路２１、３２から離間するように配置される。さらに、第１、第２の電磁結合回路２２、３３をこのように固定することによって、断熱容器１８の内部は密閉される。

【0051】

また、図８および図１０にそれぞれ示すように、第１、第２の接続用基板４９、５２および外部入出力回路３８、４０は、開口部５７近傍の断熱容器１８の外周面上に配置されている。

【0052】

ここで、第１、第２の電磁結合回路２２、３３の上面と、断熱容器１８の外周面上に配置される外部入出力回路３８、４０の上面と、が同程度の高さとなる程度に断熱容器１８の厚さが薄ければ、前述した第１、第２の高さ調整回路４４、４７は不要となる。しかし、このように断熱容器１８を薄くすると、十分な断熱効果が補償されないばかりか、断熱容器１８の機械的強度も極めて弱くなり、高周波半導体増幅モジュール１００の信頼性を損なう恐れがある。したがって、断熱容器１８は、十分に厚い金属によって構成される必要がある。この結果、第１、第２の電磁結合回路２２、３３の上面と、断熱容器１８の外周面上に配置される外部入出力回路３８、４０の上面と、の高さ位置は異なってしまう。したがって、上述したように、第１、第２の高さ調整回路４４、４７が必要となる。

【0053】

なお、図８および図９に示すように、断熱容器１８の内面には、断熱容器１８の内部方向に延在する複数の遮蔽板５８が設けられている。他方、図２、図７、および図８に示すように、ベース板１２のうち、内部入力回路２１を挟む複数個所と、増幅回路１３および内部出力回路３２を略囲う複数個所と、にはそれぞれ、溝５９が設けられている。そして、断熱容器１８は、図８に示すように、各遮蔽板５８がベース板１２の各溝５９内に、溝５９に接触しないように挿入されるようにして配置される。このように遮蔽板５８を有する断熱容器１８を配置することによって、断熱容器１８と半導体増幅装置１０とを接触させずに、半導体増幅装置１０と断熱容器１８との間の空間を電磁空間的に細かく分離することができる。この結果、断熱容器１８から半導体増幅装置１０への熱の流入を抑制し、かつ半導体増幅装置１０と断熱容器１８との間の空間の共振周波数を、使用周波数帯において無視できる程度に高くすることができる。

【0054】

なお、本実施形態において、遮蔽板５８および溝５９は、半導体増幅装置１０の内部入力回路２１上の空間と、増幅回路１３および内部出力回路３２上の空間と、を電磁空間的に分離しているが、さらに、増幅回路１３上の空間と内部出力回路３２上の空間とを電磁空間的に分離するように、遮蔽板５８および溝５９が設けられていてもよい。

【0055】

図１１は、ベース板の上面上に配置される高周波回路を示す上面図である。図１１に示すように、内部入力回路２１、増幅回路１３、および内部出力回路３２、によって構成される高周波回路６２のうち、増幅回路１３および内部出力回路３２は上述したように一体的に設けられている。しかしながら、内部入力回路２１は、増幅回路１３および内部出力回路３２とは別に設けられている。

【0056】

上述の高周波半導体増幅モジュール１００において、内部入力回路２１は、超伝導回路である。超伝導回路は、超伝導基板２３（酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板等の基板上に、ＹＢＣＯ薄膜（不図示）と保護層となる金（Ａｕ）薄膜（不図示）が設けられた基板）上のＹＢＣＯ薄膜及び金薄膜をドライエッチングすることにより、超伝導基板２３にＷ字状の配線２４を設けることによって構成されている。

【0057】

この超伝導回路において、Ｗ字状の配線２４である超伝導配線は、常温下においては極めて高い（例えば金の１０００倍程度）の抵抗値を有し、極めて低い温度（例えば８０Ｋ）下においては実質的に抵抗値が０となる配線である。したがって、このような超伝導回路によって構成される内部入力回路２１は、常温下においては高抵抗の保護回路として機能する一方、極めて低い温度下においては、ＮＦをほとんど低下させない回路として機能する。

【0058】

以上に説明した第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００によれば、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系１００６に、損失が大きいリミッタ素子を適用せず、第２の増幅系１００６を構成する高周波半導体増幅モジュール１００の内部入力回路２１に、超伝導回路が適用されている。超伝導回路は、通常使用される常温時には極めて高い抵抗になる。したがって、常温時に、サージ、大電力信号等の大電力が第２の増幅系１００６に入力されても、内部入力回路２１が、この回路２１の後段に配置される第２の増幅素子１５を保護する。また、第２の増幅系１００６が微弱な受信信号を受信するときに、第２の増幅系１００６を構成する高周波半導体増幅装置１０は、例えば８０Ｋまで低温にされるため、超伝導回路によって構成される内部入力回路２１の抵抗を、実質的に０にすることができる。したがって、内部入力回路２１による受信信号のＮＦ増加を抑制することができる。

【0059】

このように、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００によれば、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系１００６に使用される第２の増幅素子１５の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることができる。

【0060】

＜第２の実施形態＞
図１２は、第２の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。図１２に示す高周波用受信モジュール２０００において、第１の増幅系１００５の構成は、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様である。したがって、第１の増幅系１００５の構成の説明は省略する。

【0061】

高周波用受信モジュール２０００の第２の増幅系２００１には、第１の電磁結合部１９´の内部入力回路２１´と、バンドパスフィルタ１６´と、の間の増幅回路に超伝導回路６３を配置することにより構成された、ＮＦ増加が生じにくい高周波半導体増幅モジュール２００が適用される。なお、超伝導回路６３の膜構成は、超伝導配線６４の形状を除いて、第１の実施形態において説明した内部入力回路２１と同様であるため、詳しい説明は省略する。

【0062】

図１３は、第２の実施形態に係る高周波用受信モジュールの高周波半導体増幅モジュールに適用される高周波回路を示す上面図である。図１３に示すように、内部入力回路２１´、増幅回路６５、および内部出力回路３２、によって構成される高周波回路６６は、例えばアルミナ等によって構成される絶縁基板６７に一体的に設けられている。特に内部入力回路２１´は、超伝導回路ではなく、増幅回路６５および内部出力回路３２と同一の絶縁基板６７の上面上に、Ｗ字状の配線２４´を設けることによって構成されている。しかしながら、増幅回路６５のうち、分岐・整合回路１６の前段には、超伝導回路６３が適用されており、この回路６３の超伝導配線６４は、周囲の配線６８と、ワイヤー６９によって接続されている。

【0063】

以上に説明した第２の実施形態に係る高周波用受信モジュール２０００においても、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系２００１に、損失が大きいリミッタ素子を適用せず、第２の増幅系２００１を構成する高周波半導体増幅モジュール２００の増幅回路６５の一部に、超伝導回路６３が適用されている。したがって、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様の理由により、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系２００１に使用される第２の増幅素子１５の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることができる。

【0064】

＜第３の実施形態＞
図１４は、第３の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。図１４に示す高周波用受信モジュール３０００において、第１の増幅系１００５の構成は、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様である。したがって、第１の増幅系１００５の構成の説明は省略する。

【0065】

高周波用受信モジュール３０００の第２の増幅系３００１には、増幅回路の分岐・整合回路のランゲカプラによって構成されるバンドパスフィルタ７０を、超伝導回路とすることにより構成された、ＮＦ増加が生じにくい高周波半導体増幅モジュール３００が適用される。

【0066】

図１５は、第３の実施形態に係る高周波用受信モジュールの高周波半導体増幅モジュールに適用される高周波回路を示す上面図である。図１５に示すように、内部入力回路２１´、増幅回路７１、および内部出力回路３２、によって構成される高周波回路７２は、例えばアルミナ等によって構成される絶縁基板７３に一体的に設けられている。しかしながら、増幅回路７１のうち、分岐・整合回路１７２のランゲカプラによって構成されるバンドパスフィルタ７０には、超伝導回路が適用されており、この回路７０は、周囲の配線１７３と、ワイヤー７４によって接続されている。

【0067】

なお、図１５においては、分岐・整合回路１７２の全体が超伝導回路によって構成されている。実際の分岐・整合回路１７２は、ランゲカプラ、および整合パターンによって構成されるが、超伝導回路は、このような分岐・整合回路１７２のうち、ランゲカプラにのみ適用されている。もちろん、図示するようにランゲカプラ、および整合パターンによって構成される分岐・整合回路１７２の全体が超伝導回路によって構成されてもよい。

【0068】

以上に説明した第３の実施形態に係る高周波用受信モジュール３０００においても、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系３００１に、損失が大きいリミッタ素子を適用せず、第２の増幅系３００１を構成する高周波半導体増幅モジュール３００の増幅回路７１の一部に、超伝導回路が適用されている。したがって、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様の理由により、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系３００１に使用される第２の増幅素子１５の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることができる。

【0069】

＜第４の実施形態＞
図１６は、第４の実施形態に係る高周波用受信モジュールの構成を示すブロック図である。図１６に示す高周波用受信モジュール４０００において、第１の増幅系１００５の構成は、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様である。したがって、第１の増幅系１００５の構成の説明は省略する。

【0070】

高周波用受信モジュール４０００の第２の増幅系４００１には、ランゲカプラによって構成されるバンドパスフィルタ１６´を含む分岐・整合回路１６と、第２の増幅素子１５と、の間の増幅回路に超伝導回路７５を配置することにより構成された、ＮＦ増加が生じにくい高周波半導体増幅モジュール４００が適用される。

【0071】

図１７は、第４の実施形態に係る高周波用受信モジュールの高周波半導体増幅モジュールに適用される高周波回路を示す上面図である。図１７に示すように、内部入力回路２１´、増幅回路７６、および内部出力回路３２、によって構成される高周波回路７７は、例えばアルミナ等によって構成される絶縁基板７８に一体的に設けられている。しかしながら、増幅回路７６のうち、分岐・整合回路１６と第２の増幅素子１５の間には、超伝導回路７５が適用されており、この回路７５の超伝導配線１７８は、周囲の配線７９と、ワイヤー８０によって接続されている。

【0072】

以上に説明した第４の実施形態に係る高周波用受信モジュール４０００においても、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系４００１に、損失が大きいリミッタ素子を適用せず、第２の増幅系４００１を構成する高周波半導体増幅モジュール４００の増幅回路７６の一部に、超伝導回路７５が適用されている。したがって、第１の実施形態に係る高周波用受信モジュール１０００と同様の理由により、微弱な受信信号を増幅する第２の増幅系４００１に使用される第２の増幅素子１５の破損を抑制し、かつ受信感度を向上させることができる。

【0073】

以上に、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0074】

例えば、第１の高さ調整回路の接地金属５１は、第１の誘電体６０の内面には設けられなくてもよい。また、第１の誘電体６０の内部には、さらに誘電体が設けられていてもよい。また、第１の誘電体の形状についても箱状に限定されず、筒状であってもよいし、板状であってもよい。さらに、第１の接続配線４３は、第１の誘電体６０を貫通するように設けられなくてもよく、例えば第１の誘電体の表面に設けられてもよい。このように、第１の高さ調整回路の構造は、上述の構造に限定されない。第２の高さ調整回路の構造についても同様である。

【0075】

また、第１、第２の高さ調整回路の構造によっては、第１、第２の電磁結合回路２２、３３に対して電磁シールドの効果を有さない場合があり、この場合には、第１、第２の電磁結合回路２２、３３に電磁シールドを設けてもよい。

【0076】

また、内部入力回路２１、増幅回路１３、および内部出力回路３２はそれぞれベース板１２上に配置されており、固定具２５によって上方から押さえつけられることによってベース板１２に固定されているが、上記各回路２１、１３、３２は、ベース板１２に対して接着剤等によって固定されてもよい。

【0077】

また、断熱容器１８に設けられる遮蔽板５８は、受信信号が通り抜けないように設けられた金属製のばね等であってもよい。

【符号の説明】

【0078】

１０・・・高周波半導体増幅装置（半導体増幅装置）
１１・・・冷却体
１２・・・ベース板
１３、６５、７１、７６・・・増幅回路
１４、６７、７３、７８・・・絶縁基板
１５・・・第２の増幅素子（低雑音増幅素子、ＬＮＡ）
１６、１７２・・・分岐・整合回路
１６´・・・バンドパスフィルタ
１７・・・合成・整合回路
１８・・・断熱容器
１９・・・（第１の）電磁結合部
２０・・・（第２の）電磁結合部
２１、２１´・・・内部入力回路
２２・・・第１の電磁結合回路
２３・・・（超伝導）基板
２４、２４´・・・Ｗ字状の配線
２５・・・固定具
２６・・・接続導体
２７・・・絶縁基板
２８ａ・・・Ｉ字状の配線
２８ｂ・・・引き出し配線
２８ｃ・・・パッド電極
２９・・・接地金属
３０・・・接地金属
３１・・・スルーホール
３２・・・内部出力回路
３３・・・第２の電磁結合回路
３４・・・Ｗ字状の配線
３５ａ・・・Ｉ字状の配線
３５ｂ・・・引き出し配線
３５ｃ・・・パッド電極
３６・・・接地金属
３７・・・第１の外部信号線
３８・・・外部入力回路
３９・・・第２の外部信号線
４０・・・外部出力回路
４１・・・絶縁基板
４２・・・接地用線路
４３・・・第１の接続配線
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ・・・配線
４４・・・第１の高さ調整回路
４５・・・第１の接続導体（第１の信号用リード線）
４６・・・第２の接続配線
４７・・・第２の高さ調整回路
４８・・・第２の接続導体（第２の信号用リード線）
４９・・・第１の接続用基板
５０・・・接地用リード線
５１・・・接地金属
５２・・・第２の接続用基板
５３・・・接地用リード線
５４・・・接地金属
５５・・・パイプ
５６・・・絶縁体
５７・・・開口部
５８・・・遮蔽板
５９・・・溝
６０・・・第１の誘電体
６１・・・貫通孔
６２、６６、７２、７７・・・高周波回路
６３、７５・・・超伝導回路
６４、１７８・・・超伝導配線
６８、１７３、７９・・・配線
６９、７４、８０・・・ワイヤー
７０・・・バンドパスフィルタ
１００、２００、３００、４００・・・高周波半導体増幅モジュール
１０００、２０００、３０００、４０００・・・高周波用受信モジュール
１００１・・・アンテナ
１００２・・・後段受信回路
１００３・・・第１のスイッチ
１００４・・・第２のスイッチ
１００５・・・（第１の）増幅系
１００６、２００１、３００１、４００１・・・（第２の）増幅系
１００７・・・リミッタ素子
１００８・・・バンドパスフィルタ
１００９・・・第１の増幅素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】