JP6441123B2 - 断熱導波装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、マイクロ波信号を高温部側から低温部側へ、出力位相ずれを引き起こすことなく断熱的に伝送するための断熱導波装置に関する。

超伝導フィルタや低雑音増幅器などのように常温（３００Ｋ付近）との温度差が１５０Ｋ以上となるような極低温で動作させるデバイスにマイクロ波信号を入力、あるいは、これらのデバイスからマイクロ波信号を出力する際に、常温と極低温との間でマイクロ波信号を導波する必要がある場合がある。極低温環境を維持するためには、外部からの熱流入を抑制することが望ましいため、熱流入を抑制しつつ、マイクロ波信号を低損失で導波する断熱導波装置が必要になる。そのような断熱導波装置としては、例えば特許文献１のように、導波管の途中に空隙を設けた断熱導波装置が提案されている。

特開２０１０−１５４３９２号公報

しかしながら、前述したような断熱導波装置は、導波管を適用しているためにその断面積が大きく、高背であり、小型化に適さないという問題がある。

導波管の断面積を小さくするためには導波管内部に誘電体を装荷する方法（誘電体装荷型ギャップ導波管）も知られているが、この場合には一般的に金属に比べて放射率の大きい誘電体間の熱輻射によって、熱流入量が増大してしまう。

また、導波路として導波管を用いる場合には、導波管からフィルタや低雑音増幅器などの平面回路系に変換する際に、ミスマッチによって、損失が増大する問題もある。

したがって、導波管ではなく、小型でありながら熱流入量が小さく、マイクロ波信号の伝送損失も小さい断熱導波装置が求められている。さらに、その断熱導波装置においては、２つの共振器間の距離のずれに伴う出力位相ずれを補償するために、入出力間の位相差を調整する機構が付加されていることが望ましい。

本実施形態の目的は、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送することが可能な、小型で断熱性に優れた断熱導波装置を提供することにある。

実施形態の断熱導波装置は、マイクロ波信号を高温部側から低温部側へ、断熱的に伝送するための断熱導波装置であって、第１の共振器と、第２の共振器と、発信部と、受信部と、位相差調整手段とを備えている。第１の共振器は、高温部側に配置される。第２の共振器は、低温部側に、第１の共振器と空隙を介して対向するように配置されるとともに、空隙を介して第１の共振器と電磁界結合されている。発信部は、第１の共振器に備えられ、伝送されるマイクロ波信号を発信する。受信部は、第２の共振器に備えられ、発信部から発信されたマイクロ波信号を受信する。位相差調整手段は、発信部と受信部との間の位相差を調整する。発信部によって発信されたマイクロ波信号は、空隙を介して第１の共振器と第２の共振器とが電磁界結合されることによって形成された導波路を介して、受信部まで断熱的に伝送される。

第１の実施形態の断熱導波装置の構成例を示す断面図である。 第１の実施形態の断熱導波装置に適用される２つの共振器の構成例を示す斜視図である。 第１の実施形態の断熱導波装置によって得られるマイクロ波特性の一例を示す図である。 第１の実施形態の断熱導波装置の通過帯域内における、出力位相の設計値からの位相ずれの大きさを示す図である。 第１の実施形態の断熱導波装置の別の構成例を示す断面図である。 第２の実施形態の断熱導波装置の構成例を示す断面図である。 第２の実施形態の断熱導波装置の変形例の構成を示す断面図である。 第２の実施形態の断熱導波装置の別の変形例の構成を示す断面図である。 第３の実施形態の断熱導波装置に適用される２つの共振器の構成例を示す斜視である。 第３の実施形態の断熱導波装置に適用される誘電体ブロックの２つの共振器との位置関係の一例を示す断面図。 誘電体ブロックの有無による断熱導波装置の出力位相特性の一例を示す図である。 第４の実施形態の断熱導波装置に適用される共振器の構成例を示す断面図である。

以下に、本発明の各実施形態の断熱導波装置を、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の断熱導波装置１００の構成例を示す断面図である。

本実施形態の断熱導波装置１００は、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送するための断熱導波装置であって、高温部側に配置された第１の共振器１０１と、低温部側に配置された第２の共振器１０２と、スペーサ１０３とを備えている。

共振器１０１と共振器１０２とは、空隙１０４を介して互いに対向するように配置される。さらに、共振器１０１と共振器１０２とが、空隙１０４を介して電磁界結合されることによって、共振器１０１と共振器１０２との間に、導波路が形成されるようにしている。

図２は、これら２つの共振器１０１，１０２の構成例を示す斜視図である。

共振器１０１は、下面にグランドプレーン２００ａを有する誘電体基板２０２ａと、そのグランドプレーンの一部を切り欠くことで形成された共振器パターン２０１ａにて構成されたスロット共振器である。

共振器パターン２０１ａは、一例として、幅Ｗ_１＝０．７ｍｍ、折り曲げ間隔Ｒ_１＝１ｍｍであるヘアピン形状である。また、共振器１０１の共振周波数は約９ＧＨｚである。誘電体基板２０２ａの上面にはマイクロストリップ型の入力線路２０３ａが形成されており、共振器パターン２０１ａの共振モードを励起する。

共振器１０２は、マイクロストリップ型共振器であり、下面にグランドプレーンを有する誘電体基板２０２ｂの上面に共振器パターン２０１ｂが形成されている。ただし、図２においてグランドプレーンは共振器１０２を見易くするために記載を省略している。

共振器パターン２０１ｂには出力線路２０３ｂが接続されており、共振器パターン２０１ｂに励起された共振モードをピックアップする。共振器パターン２０１ｂは、一例として、幅Ｗ２＝０．５ｍｍ、折り曲げ間隔Ｒ２＝０．６ｍｍのメアンダ形状である。

共振器パターン２０１ａが形成された誘電体基板２０２ａと、共振器パターン２０１ｂが形成された誘電体基板２０２ｂとは、空隙１０４を介して略平行に配置されており、前述したように空隙１０４を介して電磁界結合している。

空隙１０４の間隔（長さ）は、例えば約１ｍｍである。ただし空隙１０４は、図２においては、共振器１０１，１０２の形状を見易く表示するために誇張して図示している。

入力線路２０３ａ、出力線路２０３ｂ、共振器パターン２０１ｂ、およびグランドプレーンはすべて金薄膜を用いて形成されており、誘電体基板２０２ａ、２０２ｂは、例えば厚さ０．５ｍｍのアルミナ基板である。

共振器パターン２０１ａは、入力線路２０３ａに入力されたマイクロ波信号を、共振器１０２側に向けて伝送するための発信部として機能する。

また、共振器パターン２０１ｂは、発信部である共振器パターン２０１ａから発信されたマイクロ波信号を受信し、出力線路２０３ｂから出力させるための受信部として機能する。

このような構成によって、入力線路２０３ａに入力されたマイクロ波信号が、共振器１０１から、前述した導波路を介して、共振器１０２へ伝送され、共振器１０２の出力線路２０３ｂから出力されるようにしている。

再び図１に示すように、共振器１０２は、冷凍機（図示せず）のコールドヘッド１０５の先端に接触して配置されたスペーサ１０３に接触して配置されている。スペーサ１０３は、共振器１０１と共振器１０２との間の距離を所定値に保つための部材であり、薄板構造をしている。共振器１０１と共振器１０２との間の距離を所定値に保つために、異なる厚みを有する複数のスペーサ１０３を準備しておき、共振器１０１と共振器１０２との間の距離が所望の値になるような厚みを有するスペーサ１０３を、共振器１０２とコールドヘッド１０５との間に配置することにより、スペーサ１０３は、発信部である共振器パターン２０１ａと、受信部である共振器パターン２０１ｂとの間の位相差を調整する位相差調整手段として機能するようになる。

スペーサ１０３は、例えば銅、アルミニウム、銀のように、高い熱伝導特性を有する物質からなる。少なくとも、コールドヘッド１０５と同程度、もしくは、コールドヘッド１０５よりも高い熱伝導特性を有する物質で形成することが好ましい。これによって、共振器１０２は、コールドヘッド１０５との間にスペーサ１０３が配置されていても、コールドヘッド１０５によって効率的に冷却されるようになる。

さらに、このように冷却された共振器１０２を低温状態に維持するために、共振器１０２、スペーサ１０３、コールドヘッド１０５は、真空容器１１０内に収納されている。

一方、共振器１０１は、真空容器１１０の一部を構成するように、図１に示すように上部側が常温に曝されて配置されている。

このように、本実施形態では、共振器１０１が高温部側（常温）に配置され、共振器１０２が低温部側（冷凍機側）に配置されている。

このような配置構成において、例えば、冷凍機によって、共振器１０２が約７０Ｋの低温まで冷却されている場合、約３００Ｋである常温とは約２３０Ｋの温度差がある。すなわち、共振器１０１は、共振器１０２に対して約２３０Ｋ高温である。

次に、以上のような構成を有する本実施形態の断熱導波装置１００の作用について説明する。

図３は、本実施形態の断熱導波装置１００によって得られるマイクロ波特性の一例を示す図である。

図３において横軸は周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は通過および反射量（ｄＢ）を示す。また、曲線Ｓ３１が通過量を、曲線Ｓ３２が反射量を示している。曲線Ｓ３１から、本実施形態の断熱導波装置１００は、およそ８．７ＧＨｚから９．３ＧＨｚに通過帯域を持つ導波路として機能することが分かる。

本実施形態の断熱導波装置１００は、高温（常温）部側に配置された共振器１０１と、低温部側（コールドヘッド１０５側）に配置された共振器１０２とが電磁的に結合することで、特定の周波数範囲を通過帯域として有する導波路を有するようになる。通過帯域の幅は、空隙１０４の大きさを変えることによって調整される。

例えば、空隙１０４を小さくして共振器１０１と共振器１０２との間の結合強度を強めれば、通過帯域が広がる。なおその際に、入力線路２０３ａおよび出力線路２０３ｂと、それぞれの共振器１０１および共振器１０２との結合強度（外部Ｑ値）を所定の値に調整することで、通過帯域内の周波数特性を平坦にするようにすれば、さらに望ましい。

また、本実施形態の断熱導波装置１００では、通過帯域における挿入損失が０．２ｄＢ以下となる。一方、同一の通過帯域を有する従来技術による誘電体装荷型ギャップ導波管の場合、通過帯域における挿入損失が０．４ｄＢである。したがって、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、従来技術に比べて、通過帯域における挿入損失が半分以下にまで低減され、低損失化が達成される。

さらに、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、図２に示すように、共振器パターン２０１ｂを含む領域Ａの面積は約１１ｍｍ^２となる。一方、従来技術による誘電体装荷型ギャップ導波管の場合、対応する領域の面積（導波管の断面積）は約２０ｍｍ^２である。このように、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、従来技術に比べて、共振器パターン２０１ｂを含む領域Ａの面積が約半分まで低減され、小型化が達成される。

さらにまた、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、マイクロ波信号の伝送による熱輻射によって、共振器１０１から共振器１０２へと流入する熱流入は、約２ｍＷとなる。一方、従来技術による誘電体装荷型ギャップ導波管の場合、熱流入は、約６７ｍＷである。このように、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、従来技術に比べて、格段に優れた断熱性が達成される。

それに加えて、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、以下に説明するように、スペーサ１０３が、共振器パターン２０１ａと共振器パターン２０１ｂとの間の位相差を調整する位相差調整手段として機能することにより、出力位相ずれも回避される。

例えば、図１の構成においてスペーサ１０３がない場合、共振器１０２はコールドヘッド１０５の先端に直接的に固定され配置されることになる。しかしながら、現実的には、真空容器１１０とコールドヘッド１０５との位置関係には、有限の設計からのずれが存在するために、例えば±０．１ｍｍ程度の位置ずれが生じる。

このような位置ずれが生じた場合には、共振器１０１と共振器１０２との間の空隙１０４の大きさにもずれが生じ、これに起因して、出力線路２０３ｂから出力されるマイクロ波信号の出力位相が、設計値からずれてしまう。

図４は、このような位相ずれの一例を示す図であって、本実施形態の断熱導波装置１００の通過帯域内における、出力位相の設計値からの位相ずれの大きさを、位相差（ｄｅｇ）で示している。なお、横軸は周波数（ＧＨｚ）である。

図４において曲線Ｆ４１は、空隙１０４の値が設計値から０．１ｍｍずれた場合の位相差を示している。一方、曲線Ｆ４２は、空隙１０４の寸法を設計値に合わせるように補正するために、図１の構成の通り、共振器１０２とコールドヘッド１０５の間に、厚さ０．１ｍｍの銅製のスペーサ１０３を挿入した場合の位相差を示している。

空隙１０４の寸法が設計値から０．１ｍｍずれたことによって、曲線Ｆ４１のように、周波数に依存して位相差が生じるのに対し、スペーサ１０３を挿入することによって空隙１０４の寸法を設計値に一致させることによって、曲線Ｆ４２のように、位相差がなくなることが示されている。

つまり、断熱導波装置１００の製作後に、出力線路２０３ｂから出力されるマイクロ波信号の出力位相の、設計値からの差を測定し、その位相差に応じた厚みのスペーサ１０３を共振器１０２とコールドヘッド１０５の間に挿入することによって、出力位相を設計値通りに調整することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の断熱導波装置１００によれば、従来技術による導波管を用いないので、従来技術よりも小型の構成とすることが可能となる。さらに、スペーサ１０３によって、空隙１０４の値を調整することによって、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく伝送することが可能となる。しかも、本実施形態の断熱導波装置１００は、従来技術による導波管に比べて、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、低損失かつ断熱的に伝送することが可能となる。

このような効果を奏する本実施形態の断熱導波装置１００は、例えば常温部に配置されたアンテナからのマイクロ波信号を、超伝導フィルタや低雑音増幅器などの極低温で動作するデバイスへ伝送のために適用することが好適である。

また、本実施形態の断熱導波装置１００は、前述したように、優れた断熱性を有しており、熱流入も極めて低く抑えられるので、仮に冷凍機の熱負荷を下げた場合であっても、これらデバイスを、従来技術よりも低温度で動作させる環境を実現することが可能となる。これによって、冷凍機のダウングレードをも可能にするという副次的な効果も得られる。

さらにまた、本実施形態の断熱導波装置１００は、フェーズドアレイアンテナのように、各々の位相関係が重要となる複数のアンテナ素子からのマイクロ波信号の伝送のために適用することも好適である。

なお、本実施形態では、図１に示すように、対向配置された１対の共振器１０１、１０２を備えた断熱導波装置１００を例に挙げて説明した。しかしながら、本実施形態は、図１に示すような構成に限られるものではなく、他の構成の断熱導波装置にも同様に適用される。その一例として、図５に示すように、空洞共振器を備えた断熱導波装置３００がある。

図５に示される断熱導波装置３００を、図１に示される断熱導波装置１００との相違点について説明する。

すなわち、断熱導波装置３００は、共振器１０１、１０２に代えて、空洞共振器３０１、３０２を備えている。空洞共振器３０１は、共振器１０１と同様に、真空容器１１０の上面に設定され、空洞共振器３０２は、共振器１０２と同様に、スペーサ１０３を介してコールドヘッド１０５に固定されている。

空洞共振器３０１と、空洞共振器３０２とは、互いの結合口（それぞれ結合口３１０、結合口３１２）を対向して配置されており、これによって空洞共振器３０１と、空洞共振器３０２とは電磁界結合している。

そして空洞共振器３０１へのマイクロ波信号の入力は、空洞共振器３０１の内部に挿入され、先端にループ形状を設けた同軸励振線３１４によってなされる。また、空洞共振器３０２からのマイクロ波信号の出力は、空洞共振器３０２の内部に挿入され、先端にループ形状を設けた同軸励振線３１６によってなされる。すなわち、同軸励振線３１４が発信部として機能し、同軸励振線３１６が受信部として機能する。

このような構成をなす断熱導波装置３００であっても、スペーサ１０３によって、空洞共振器３０１と空洞共振器３０２との間の距離が所望の値に調節することによって、発信部である同軸励振線３１４と、受信部である同軸励振線３１６との間の位相差を調整することができる。

したがって、図５に示すような断熱導波装置３００であっても、図１に示すような断熱導波装置１００と同様に、小型化を達成しつつ、マイクロ波信号を高温部側から低温部側へと、低損失かつ断熱的に、かつ出力位相ずれを引き起こすことなく伝送することが可能となる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態の断熱導波装置２００の構成例を示す断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、位相差調整手段としてスペーサ１０３の代わりに、ネジ５０５を用いた点が異なる。したがって、図１と同一部位については同一付番を付して、その説明を省略し、以下では、第１の実施形態と異なる点にのみについて説明する。

すなわち、本実施形態では、位相差調整手段としてスペーサ１０３の代わりに、ネジ５０５を用いているので、スペーサ１０３はない。したがって、図６に示すように、共振器１０２が、コールドヘッド１０５の先端部１０５（＃ａ）に直接的に固定されて配置されるようにしている。

また、コールドヘッド１０５は、先端部１０５（＃ａ）と中間部１０５（＃ｂ）と本体部１０５（＃ｃ）とからなる略コの字型のバネ形状をしている。ネジ５０５は、コの字の先端側（すなわち、図中右側）において、本体部１０５（＃ｃ）を図中下側から貫通して、先端部１０５（＃ａ）に固定されている。

そして、このネジ５０５は、順回転されると、コールドヘッド１０５の先端部１０５（＃ａ）を図中上側に押し上げ、先端部１０５（＃ａ）の図中右側を、本体部１０５（＃ｃ）からより離す。一方、その状態から、ネジ５０５が逆回転されると、先端部１０５（＃ａ）を押し上げる力が弱まるので、先端部１０５（＃ａ）の図中右側が下降する。さらにネジ５０５が逆回転され、先端部１０５（＃ａ）の図中右側が初期位置に戻ると、ネジ５０５は以上逆回転されないようになっている。

本実施形態は、このようなネジ５０５の回転方向および回転量を調整することによって、共振器１０１と共振器１０２との間の距離、すなわち、空隙１０４の大きさを調整する。

なお、コールドヘッド１０５は、コの字の先端側（すなわち、図中右側）において、先端部１０５（＃ａ）と本体部１０５（＃ｃ）とが接触していないが、先端部１０５（＃ａ）と本体部１０５（＃ｃ）とは図中左側において中間部１０５（＃ｂ）によって接続されている。よって、先端部１０５（＃ａ）は、本体部１０５（＃ｃ）および中間部１０５（＃ｂ）を介して、冷凍機（図示せず）によって冷却されるようになっている。

前述したように、共振器１０１と共振器１０２との間の空隙１０４の大きさが設計値からずれてしまうと、これに起因して、出力線路２０３ｂから出力されるマイクロ波信号の出力位相もまた、設計値からのずれが生ずる。

しかしながら、本実施形態では、第１の実施形態の変形例として、出力位相を設計値通りに調整するために、ネジ５０５の回転方向および回転量を調整することによって、空隙１０４の値を、設計値に一致させることができる。

なお、このようなネジ５０５を用いた空隙１０４の値の調整は、先端部１０５（＃ａ）の図中右側を上げることによってなされる。したがって、共振器１０２の共振器１０１に対する平行性が悪化する。しかしながら、共振器１０１と共振器１０２との平行性に対するマイクロ波信号の伝送特性の感度は低く、共振器１０２の共振器１０１に対する平行性の悪化は、マイクロ波信号の伝送特性に悪影響を及ぼすことはない。

したがって、本実施形態の断熱導波装置２００であっても、第１の実施形態と同様に、従来技術よりも小型の構成で、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送することが可能となる。

しかも、本実施形態のようにネジ５０５を用いて空隙１０４の値を調整する場合、ネジ５０５を回転させることによって、連続的な調整が可能となる。一方、第１の実施形態では、同じような調整を行う場合、スペーサ１０３の厚みを変えることによって行わねばならないので、連続的な調整は困難であり、どうしても離散的な調整となってしまう。

したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態よりも、空隙１０４の値を、容易に、かつきめ細やかに調整することが可能となる。

なお、図６では、１本のネジ５０５しか示していないが、ネジ５０５の本数は複数であっても良い。

また、図７に示す変形例のように、コールドヘッド１０５を、中間部１０５（＃ｂ）を設けずに、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）に分離する一方、コールドヘッド１０５と同じ材質からなる２本のネジ５０５（＃１）５０５（＃２）を用いて本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）との距離を変化させることができるような構成としても良い。

このような構成によれば、ネジ５０５（＃１）とネジ５０５（＃２）とを同じ方向に同じ量だけ回転させることにより、先端部１０５（＃ａ）を平行移動させることができるので、空隙１０４の値を、共振器１０１と共振器１０２との平行性を維持しながら調整することが可能となる。しかも、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）とは分離されているものの、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）とは、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）と同じ材質、すなわち、高い熱伝導特性を有する材質からなるネジ５０５（＃１、＃２）によって接続されているので、先端部１０５（＃ａ）もまた、本体部１０５（＃ｃ）およびネジ５０５（＃１），５０５（＃２）を介して、冷凍機（図示せず）によって冷却されるようになるので、冷却特性が低下することはない。

さらに、図８は、別の変形例であり、図７と同様に、コールドヘッド１０５を、中間部１０５（＃ｂ）を設けずに、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）とを分離しているが、本体部１０５（＃ｃ）と先端部１０５（＃ａ）とを一対の蛇腹５０６（＃１），５０６（＃２）によって両端部をともに接続するとともに、中央側に、前述したようなネジ５０５を設けている。

一対の蛇腹５０６（＃１），５０６（＃２）は、ネジ５０５の回転方法および回転量に応じて先端部１０５（＃ａ）が移動することに伴って伸び縮みする構成となっており、好適には、コールドヘッド１０５と同様に高い熱伝導特性を有する物質から構成されることが好ましい。また、ネジ５０５も、コールドヘッド１０５と同様に高い熱伝導特性を有する物質から構成されることがこのましい。

このような構成によっても、ネジ５０５の回転方向および回転量に関わらず、先端部１０５（＃ａ）を平行移動させることができるので、空隙１０４の値を、共振器１０１と共振器１０２との平行性を維持しながら調整することが可能となる。また、蛇腹５０６（＃１），５０６（＃２）およびネジ５０５を、コールドヘッド１０５と同様に高い熱伝導特性を有する物質で構成することによって、先端部１０５（＃ａ）は、本体部１０５（＃ｃ）およびネジ５０５ならびに蛇腹５０６（＃１、＃２）を介して、冷凍機（図示せず）によって冷却されるので、冷却特性が低下することもない。

なお、上記では、図６を用いて、図１に示す断熱導波装置１００からの相違の観点から説明した。しかしながら、本実施形態のように、ネジ５０５を用いて位相差を調整する概念は、図５のように空洞共振器３０１，３０２を備えた構成の断熱導波装置３００に対しても同様に適用することができる。

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態の断熱導波装置に適用される共振器１０１，１０２の構成例を示す断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、図９に示すように、位相差調整手段としてスペーサ１０３の代わりに、共振器１０１と共振器１０２との間に、共振器パターン２０１ａ、２０１ｂの間を遮断しないように配置された誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを備えた点が異なる。したがって、図２と同一部位については同一付番を付して、その説明を省略し、以下では、第１の実施形態と異なる点にのみについて説明する。

誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは損失を軽減するために誘電正接が小さいほど好ましい。このため材質としては、例えばアルミナ、サファイア、酸化マグネシウム等のように誘電損失が少ない（例えば、０．０１％以下）物質とする。あるいは、誘電体基板２０２ａ、２０２ｂよりも誘電損失が少ない物質とする。

さらに、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは、共振器１０１、１０２の共振周波数に影響をおよぼさないように、共振器パターン２０１ａ、２０１ｂと空間的に重ならない、すなわち共振器パターン２０１ａ、２０１ｂの間を遮断しない場所に配置されるようにする。

また、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの厚みは、空隙１０４の間隔よりも小さくする。例えば、空隙１０４の間隔が１ｍｍであれば、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの厚みを例えば０．８ｍｍとする。図９の例では、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは、誘電体基板２０２ｂ上に固定されている。これによって、図１０に示すように、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの先端と、誘電体基板２０２ａとの間に０．２ｍｍの隙間Ｈが確保される。この隙間Ｈによって、誘電体基板２０２ａと誘電体基板２０２ｂとの間の直接的な熱移動を阻止するようにしている。なお、図９および図１０では、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは、誘電体基板２０２ｂの上に固定されている例を示しているが、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは、誘電体基板２０２ａの下に固定されるようにしても良い。

また、図９および図１０では、箱状の誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを示しているが、これは一例であって、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの形状は箱状に限定されることはなく、少なくとも、誘電体基板２０２ａと誘電体基板２０２ｂとの両方に接触していなければ、その形状およびサイズは任意でよい。すなわち、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂは、空隙１０４内にさえ配置されていれば、後述するような位相調整効果を奏することができる。

次に、以上のような構成を有する本実施形態の断熱導波装置の作用について説明する。

図１１は、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの有無による断熱導波装置の出力位相特性の一例を示す図であって、横軸は周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂがない場合を０（ｄｅｇ）とした場合の位相差を示す。

曲線Ｆ５１は、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂがない場合における位相差を示し、曲線Ｆ５２は、前述したように誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを設けた場合における位相差を示す。

図１１は、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを設けたことにより、−４（ｄｅｇ）の位相差が生じることを示している。さらに、この位相差は、前述した図４に示すような周波数に対する依存性はなく、周波数に対してほぼ一定となっている。

以上のことから、本実施形態では、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを設けることによって、通過帯域内において、ほぼ一様に（平坦に）位相調整することが可能であることが分かる。さらには、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂの体積や形状等を調整することによって、位相差を、所望の値に調整することも可能であることが分かる。

このように、本実施形態の断熱導波装置のように、スペーサ１０３の代わりに誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを位相差調整手段として適用した場合であっても、第１の実施形態と同様に、従来技術よりも小型の構成で、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送することが可能となる。

［第４の実施形態］
図１２は、第４の実施形態の断熱導波装置に適用される共振器１０１，１０２の構成例を示す断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、図１２に示すように、位相差調整手段としてスペーサ１０３の代わりに、入力線路２０３ａの前段、または出力線路２０３ｂの後段のうちの少なくとも一方に移相器８０５ａ、８０５ｂを備えた点が異なる。そして、これら移相器８０５ａ、８０５ｂを用いて、位相差を調整する。

その他の構成については、第１の実施形態と同じであるので、重複説明を避ける。

このような構成をなす本実施形態の断熱導波装置によれば、第１の実施形態と同様に、従来技術よりも小型の構成で、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送することが可能となるが、特に、出力位相の調整を、基本構造に大きな変化を加えることなく達成することが可能となる。

なお、上記では、図１２を用いて、図１に示す断熱導波装置１００からの相違の観点から説明した。しかしながら、本実施形態のように、移相器８０５ａ、８０５ｂを用いて位相差を調整する概念は、図５のように空洞共振器３０１，３０２を備えた構成の断熱導波装置３００に対しても同様に適用することができる。

［その他の変形例］
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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、発明の要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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

例えば、位相差調整手段として、第１の実施形態ではスペーサ１０３を、第２の実施形態ではネジ５０５を、第３の実施形態では誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂを、第４の実施形態では移相器８０５ａ、８０５ｂを用いる例について説明した。しかしながら、これらさまざまな位相差調整手段は、必ずしも単独で用いられる場合に限定されず、任意に組み合わせて用いることも可能である。

例えば、前述したように、スペーサ１０３は、空隙１０４の値を調整する場合、連続的な調整はできず、離散的に調整することしかできない。一方、ネジ５０５を用いた場合、ネジの回転方向および回転量を調整することによって、空隙１０４の値を連続的に調整することができる。

したがって、位相差調整手段として、スペーサ１０３とネジ５０５との両方を用いるような構成の断熱導波装置としても良い。そして、このような構成の断熱導波装置によって空隙１０４の値を調整する場合、先ず、スペーサ１０３によって粗調整を行い、次にネジ５０５によって精細調整を行うようにすれば、スペーサ１０３のみ、あるいは、ネジ５０５のみを用いる場合よりも、より容易に距離を調整することができるようになる。

同様に、位相差調整手段として、スペーサ１０３と誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂとの両方を用いるような構成の断熱導波装置とし、先ず、スペーサ１０３によって粗調整を行い、次に誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂによって精細調整を行うようにしても、同じ効果を奏することができるようになる。

また、これまでの説明では、何れの実施形態においても、共振器１０１が常温雰囲気に配置され、共振器１０２が冷却されることによって、高温部側である共振器１０１から、低温部側である共振器１０２へのマイクロ波信号の導波について説明した。

しかしながら、高温部側と、低温部側とは、必ずしもこのような構成によって実現されるものに限られず、逆に、共振器１０２を常温環境に配置し、共振器１０１を加熱することによっても実現される。

このような構成においても同様に、前述した実施形態を適用することが可能であり、位相差調整手段として、スペーサ１０３や、ネジ５０５や、誘電体ブロック６０５ａ，６０５ｂや、移相器８０５ａ、８０５ｂを単独で、あるいは任意に組み合わせて実現することが可能であることは、当業者であれば容易に想到することができるであろう。

そして、第１の実施形態と同様に、従来技術よりも小型の構成で、マイクロ波信号を、高温部側から低温部側へと、出力位相ずれを引き起こすことなく、低損失かつ断熱的に伝送することが可能となる。

１００ 断熱導波装置、１０１，１０２ 共振器、１０３ スペーサ、１０４ 空隙、１０５ コールドヘッド、１０５（＃ｃ） コールドヘッドの本体部、１０５（＃ｂ） コールドヘッドの中間部、１０５（＃ａ） コールドヘッドの先端部、１１０ 真空容器、２００ 断熱導波装置、２００ａ グランドプレーン、２０１ａ，２０１ｂ 共振器パターン、２０２ａ，２０２ｂ 誘電体基板、２０３ａ 入力線路、２０３ｂ 出力線路、３００ 断熱導波装置、３０１，３０２ 空洞共振器、３１０，３１２ 結合口、３１４，３１６ 同軸励振線、５０５ ネジ、５０６ 蛇腹、６０５ａ，６０５ｂ 誘電体ブロック、８０５ａ，８０５ｂ 移相器

Claims (3)

1. マイクロ波信号を高温部側から低温部側へ、断熱的に伝送するための断熱導波装置であって、
   前記高温部側に配置された第１の共振器と、
   前記低温部側に、前記第１の共振器と空隙を介して対向するように配置されるとともに、前記空隙を介して前記第１の共振器と電磁界結合されている第２の共振器と、
   前記第１の共振器に備えられ、伝送されるマイクロ波信号を発信する発信部と、
   前記第２の共振器に備えられ、前記発信部から発信されたマイクロ波信号を受信するための受信部と、
   前記発信部と前記受信部との間の位相差を調整する位相差調整手段とを備え、
   前記発信部によって発信されたマイクロ波信号は、前記空隙を介して前記第１の共振器と前記第２の共振器とが電磁界結合されることによって形成された導波路を介して、前記受信部まで断熱的に伝送されるようにした、断熱導波装置。
2. 前記第１の共振器が、常温環境に配置される一方、前記第２の共振器が、冷却されている前記低温部に配置されている場合、前記位相差調整手段は、前記第１の共振器に対する前記第２の共振器の位置を調整することによって、前記発信部と前記受信部との間の位相差を調整する、請求項１に記載の断熱導波装置。
3. 前記位相差調整手段は、前記第２の共振器と前記低温部との間に配置され、前記第１の共振器と前記第２の共振器との間の距離を所定値に保つスペーサである、請求項２に記載の断熱導波装置。