[論文レビュー] Localized Lna Cooling in Vacuum

F. Schreuder, De Vaate, J. -G. Bij|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、パルティエ素子を用いて真空下で低雑音増幅器（LNA）を局所的に冷却することで、Square Kilometre Array（SKA）電波望遠鏡の雑音温度とシステムコストを低減する手法を提案している。6本のボンドワイヤー（4本のグランド、2本の信号）を介して最小限の熱伝導（31 mW）でLNAチップを冷却したところ、61 mWの電気的入力で60Kの温度低下を達成し、雑音が30％低減された。これは、わずか35 mWの電力で15％の雑音低減が可能であることを示しており、局所的冷却が実用的であることを実証した。

ABSTRACT

In the Square Kilometre Array (SKA) telescope [1], [2], the noise temperature of the first LNA must be reduced in order to reduce the necessary active area and the total system costs. Cooling the LNA locally would significantly decrease the noise figure but also the necessary power since not the whole system has to be cooled. For optimal thermal isolation, an LNA chip which only needs 6 bondwires has been chosen, 4 Ground and 2 signal wires. Biasing occurs on-chip. If the bondwires are 1.5mm long, the total heat conduction of the 6 bondwires is 31 mW, which is added to the power consumption of the LNA (30 mW). With a power of 61 mW to cool, the Peltier element can achieve a -T of 60K. With this system, a noise reduction of 30% has been measured with 0.5W of electrical power. For 15% noise reduction, only 35mW of electrical power was needed.

研究の動機と目的

• Square Kilometre Array（SKA）電波望遠鏡の最初のLNAの雑音温度を低減し、システムコストとアクティブ領域の要件を低下させること。
• システム全体ではなくLNAチップのみを冷却することで、消費電力を最小限に抑えること。
• 最小限のボンドワイヤー（合計6本：4本のグランド、2本の信号）を用いてLNAの効果的な熱的遮断を実現すること。
• 局所的冷却が、低消費電力で雑音性能を顕著に改善できることを実証すること。
• 高感度電波天文観測用途における、チップ内バイアスと真空下での熱管理の実現可能性を検証すること。

提案手法

• LNAチップへの熱伝導を最小限に抑えるために、ボンドワイヤーがたった6本（4本のグランド、2本の信号）のLNAチップを選定した。
• パルティエ素子を用いて、真空下でLNAチップを冷却し、温度差（ΔT）を60K達成した。
• 1.5 mmの長さのワイヤーを想定し、ボンドワイヤーを通じた総熱伝導を31 mWとして計算した。この値は、LNAの30 mWの消費電力に加算された。
• LNAの30 mWと31 mWの伝導損失を合算し、合計冷却負荷を61 mWとして算出した。
• 外部接続を減らし、熱的遮断を向上させるために、チップ内バイアスを実装した。
• 制御された熱的条件下で、真空下での測定を実施し、雑音指数の低減を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空下でのLNAの局所的冷却が、SKA電波望遠鏡におけるコスト削減を十分に裏付けるほど、システム雑音温度を低減できるか？
• RQ2 最小限のボンドワイヤーインターフェース（6本）の真空下における熱伝導度はどの程度で、冷却効率にどのように影響するか？
• RQ3 冷却システムへの電気的入力がたった35 mWの場合、雑音指数はどの程度低減できるか？
• RQ4 チップ内バイアスは、熱的遮断および全体的なシステム性能にどのように寄与するか？
• RQ5 LNAチップのみを冷却する場合、パルティエ素子を用いて達成可能な最大温度差（ΔT）はどの程度か？

主な発見

• 冷却に0.5 Wの電気的入力を使用した場合、実験的に30％の雑音指数低減が測定された。
• わずか35 mWの電気的入力で15％の雑音低減が達成され、低消費電力での実用性が実証された。
• 冷却すべき合計熱負荷は61 mWであり、LNAの30 mWと6本のボンドワイヤーを通じた31 mWの熱伝導損失から成る。
• 1.5 mmの長さのボンドワイヤーにおける熱伝導は31 mWと計算され、冷却負荷を特定する上で極めて重要であった。
• パルティエ素子を用いて60Kの温度差（ΔT）が達成され、効果的な局所的冷却が確認された。
• システム全体ではなくLNAチップのみを冷却するアプローチは、消費電力とシステムコストの両方を顕著に低減することが可能である。