JP4021844B2 - 同調可能な強誘電体共振器装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振器装置を含む同調可能な共振装置に関する。電磁エネルギは、入力結手段を介し共振器装置の内外で結合され、かつ共振器装置の同調をとる場合、同調デバイスを使用して共振器装置にバイアス電圧または同調電圧（electric field）を印加する。本発明は、このような共振器装置および同調可能なフィルタ装置に関するとともに、共振装置の同調をとる方法に関する。

電気的に同調可能な共振器は、鋭敏なレーダーシステムや移動無線通信システムの必要な構成部品であり、各種タイプの共振器が知られている。誘電体や平行板共振器、また、たとえば円形などの何らかの形の誘電体ディスクを使用するマイクロ波周波数用のフィルタは、Vendikほかによる1995年発行のエレクトロニックス・レター、第31巻、654頁からよく知られている。ここでは、この開示内容を本願に組み入れることにする。

たとえば、強誘電物質または反強誘電物質など、誘電率が非常に高い非線形誘電物質の基板を含む平行板共振器は寸法が小さく、かつ高度なマイクロ波通信システムが動作する周波数帯域で使う非常に小型のフィルタを提供するため、これらの非線形誘電物質を使用することができる。このような非線形誘電物質は、たとえば、液体窒素の温度における誘電率が約2000で、室温における誘電率が約300のSTO（SrTiO₃）でよい。

誘電体平行板共振器は簡単なプローブまたはループで励起する。大部分の実用的な実施例の場合、共振器が最低次のTMモードだけをサポートするため、かつ基板の両側に電極が配置された誘電体基板を含む共振器の電気的同調に必要な直流電圧を可能な限り小さくしておくために、平行板共振器の厚さは、共振器のマイクロ波信号の波長より遙かに小さい。このような共振器の電気的同調は、オーミック接点により共振器の極板の役目をする電極に供給される外部の直流バイアス電圧を印加することによって行われる。誘電体の厚膜（bulk）基板とともに薄膜基板を使う同調可能な共振器も公知である。ディスクの軸に沿って定在波が生じないように厚さが共振器におけるマイクロ波信号の波長の半分以下であれば、共振器は電気的に薄いと考えられる。最近、強誘電体ディスクに基づく電気的に同調可能な共振器は望しい存在であり、たとえば、移動無線通信システムとともにマイクロ波通信システムの同調可能なフィルタの用途として注目を集めている。

このようなデバイスは、たとえば、出願番号が9502137-4のスエーデン特許出願「同調可能なマイクロ波デバイス」と出願番号が9502138-2のスエーデン特許出願「同調可能なデバイスに対する装置と方法」の中で説明されている。ここで、これらの特許出願の開示内容を本願に組み入れることにする。

共振器とフィルタの中の強誘電物質を含む基板は、他の理由からも興味深い。とりわけ強誘電物質は、高いピーク出力を処理することができ、スイッチ時間が短く、基板の誘電率は印加される電界によって変わるので、印加されるバイアス電界によってデバイスのインピーダンスが変わる。たとえば、US-A-5 908 811、「高いTcで同調可能な超伝導強誘電体フィルタ」は、単結晶強誘電物質を使用することにより低損失になるこのようなフィルタを示し、薄膜強誘電物質を使用している。しかし、強誘電物質を使用する他の共振器やフィルタと同様、このデバイスには、バイアス電圧が印加されると印加された電圧によって強誘電体基板または素子の品質因子（Qの値）が急激に低下するという欠点がある。最近、この事実は、印加されたバイアス電界によって強誘電物質の中に誘起する（疑似デバイ効果（quasi-Debye Effectと呼ばれる）基本的な損失メカニズムであることが、応用物理レター、第76巻、第9号、1182-84頁「強誘電体において直流電界によって誘起するマイクロ波損失と同調可能な構成部品の品質因子に対する固有の限界」の中でA. Tagantsev によって確立されている。しかし、これまでのところ、同調可能な強誘電体共振器において誘起する損失に関連したこの問題に対する満足な解答は見つかっていない。

（発明の要約）
したがって、必要とされることは、同調可能な共振装置であり、より詳細には、寸法が小さく、各種の高度なマイクロ波通信システムや移動無線通信システムで使用できるマイクロ波またはミリ波用の同調可能な共振装置である。高性能、つまり少なくとも十分満足できる性能で、かつ製造が容易な同調可能な共振装置が必要なのである。特に、同調のために使う電界または電圧を印加すると強誘電体基板の中の損失を補償することができる、同調可能な共振装置が必要である。特に、大電力を扱う能力を持つ同調可能な共振装置が必要である。更に特別なことは、共振器の品質因子（Qの値）を実質的に劣化させずに直流バイアスの印加によって同調をとることができる同調可能な共振装置が必要である。

サイズがコンパクトで、各種タイプの構成部品に使用され、過大な電力量を必要とせず効率的に同調可能であり、かつ動作が信頼できる装置が必要である。その上、強靱で同調の選択性と同調の感度が十分であり、それによって挿入損を小さくするか、挿入損を補償することができる装置が必要である。

１つまたは複数の共振器装置を含み、上記した１つまたは複数の目的に合致する同調可能なフィルタ装置も必要である。さらには上述の目的を達成することができる共振器装置の同調をとる方法が必要であり、特に電気的または電子的同調によって強誘電共振器基板に誘起する損失を補償する方法が必要である。

したがって、共振器装置と、電磁エネルギを共振器装置の内外で結合する入出力結合手段と、さらにバイアス電圧または電界を共振器装置に印加する同調デバイスとを含む同調可能な共振装置を提供する。この共振器装置は、第１の共振器と第２の共振器を含む。第１の共振器は非同調の高品質（つまり、Qが大きい）共振器であり、第２の共振器は、強誘電体基板を含む同調可能な共振器である。第１と第２の共振器は、第１と第２の共振器に共通な接地面、つまり共用される接地面によって隔離され、さらに結合手段は、前記第１と第２の共振器の間を結合するために設けられる。共振器装置の同調をとる場合、同調電圧または電界は、第２の共振器に印加される。都合の良いことに、第１の共振器はディスク共振器または平行板共振器であり、第２の共振器は他のディスク共振器または平行板共振器である。都合の良いことに、第１の共振器は誘電体基板を含み、この基板の誘電率は印加電圧によって変化しないか、または実質的に変化せず、この誘電体基板は第１と第２の電極板の間に配置され、これらの電極の内、第２の電極は接地面を形成する。

第２の共振器は、望ましくは同調可能な強誘電体基板と、第１と第２の電極板を含む。第２の電極板は共通接地面を形成しているので、第１の共振器の第２の電極と共通、つまり同じであり、これらの２つの共振器は、前記共振器の両方の接地面を形成する、電極板を共用することを意味している。

第１の共振器の誘電体基板は、たとえば、LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃、サファイアまたは特性が同じ何らかの他の物質を含むことができる。特に第１の共振器の品質因子（Qの値）は約10⁵〜5x10⁵以上でよい。

第２の共振器の基板は、たとえば、SrTiO₃、KTaO₃、またはBaSTO₃あるいは特性が同様な物質を含むことができる。

第１の実施例における各共振器の第１および第２の電極、ここでは第１の電極と共通接地面を意味する第２の電極は、たとえば、金、銀、銅のような普通の導電物質で構成される。他の実施例における第１と第２の電極、つまり第１の電極と共通接地面は、超伝導物質から構成される。さらに特別なことは、第１と第２の電極、つまり第１の電極と共通接地面は、たとえば、YBCO（Y-Ba-Cu-O）などの高温超伝導物質（HTS）から構成される。他の代替物質は、TBCCOとBSCCOである。特定の実施例においては、超伝導体または超伝導膜（HTS）が使用され、たとえば、金、銀、銅、または同様に超伝導ではない高導電率の膜でこれらの膜を覆うことができる。このようなデバイスは、本願に開示内容を組み入れることにした「同調可能なマイクロ波デバイス」の中で考察されている。詳細には、第１と第２の共振器はTM020モードの共振器である。しかし、出願番号が9901190-0のスエーデン特許出願「マイクロ波デバイスとそれに関する方法」の中で考察されている例のように、他のモードを選択することもでき、異なるモードを選択することができる方法を示しており、さらには実証するために選択できるモードの例を示している。なお、この特許出願の開示内容は本願に組み入れる。

第２の共振器に対する同調（バイアス）電圧の印加により電磁エネルギが第１の共振器に対して配分され、特に、バイアス電圧が上昇すると益々多くの電磁エネルギが第１の共振器に対して配分または転送される。何故ならば、複数の共振器は結合されるからである。このことは、第１と第２の共振器の間の電磁エネルギは、バイアス（同調）電圧またはバイアス電界と、当然のことであるが結合手段とに依存することを意味している。上昇するバイアス電圧を印加すると、第２の共振器の共振周波数は高くなる。バイアス電圧が上昇すると、強誘電性の第２の共振器の損失係数が増大し、同時に第２の共振器内の電磁エネルギーが減少する。そのため、第２の共振器の増大した損失係数は自動的に補償され、第１と第２の共振器を含む結合された共振器装置に対するその影響は緩和する。

特に、第１と第２の共振器は誘電体または強誘電体厚膜物質を使うディスク共振器を含む。しかし、ディスク共振器は薄膜基板を含むことができる。しかしながら、同調可能なディスク共振器を使用することによって、共振装置、特に同調可能な薄膜から作られたフィルタより遙かに大電力を扱う能力を持つフィルタを実現することができる。

特に、共振装置は少なくとも２つの共振器装置を含み、共通接地面は、同調可能なフィルタを形成する少なくとも２つの共振器装置に対して共通である（２つの共振器装置によって共用される）。

本発明によれば、第１と第２の共振器を相互に結合するため、結合手段は、共振器装置ごとに共通接地面の中にスロットまたは開口部を含む。共振器は、実質的にはいかなる形状であってもよく、たとえば、円、正方形、長方形、または長円体などでもよい。第１の共振器の形状は、第２の共振器の形状と異なったものでもよい。共振器装置は２重モードの共振器装置でもよい。つぎに各共振器は、たとえば、突出部、切れ込みまたは何らかの他の手段のように２重モード動作を提供するモード結合手段を含む。これらの例は、本願に組み入れた特許出願の中で与えられている。本発明によれば、同調可能性と損失は共振器装置の２つの共振器の間で交換または分配され、電気的同調によって誘起し増大した損失の効果が減少する。

このように本発明によれば、同調可能な共振器装置は、非同調の第１の共振器と、同調可能で強誘電体の第２の共振器を含む。つまり、第１と第２の共振器は、共通の接地面によって隔離される。結合手段は、前記第１と第２の共振器の間を結合するために設けられ、共振器装置の同調をとるために、第２の共振器に対して同調電圧を印加する。特に第１と第２の共振器は、ディスク共振器または平行板共振器、および第２の共振器の第２の電極板と共通である、第１の共振器の第２の電極板により形成された共通接地面を含む。結合手段は、スロット、開口部または共通接地面に共通のそのようなものを含み、これらを通して電磁エネルギが１つの共振器から他の共振器に伝送される。

また本発明は、共振器装置の同調をとる方法を開示しており、この方法は、第１と第２の共振器が共通接地面によって隔離されるように第１の非同調の共振器を設け、第２の共振器を設け、第１と第２の共振器の間に電磁エネルギを伝送するため、第１と第２の共振器が結合されるように共通接地面の中に結合手段を設け、バイアス電圧または電界あるいは同調電圧または電界を第２の共振器に印加することにより第２の共振器の共振周波数を変更して、両方の共振周波数、第２の共振器の損失係数、および第１の共振器への電磁エネルギの再配分を増大させ、第１の共振器に対する電磁エネルギの伝送を大きくなることにより、結合された共振器装置上の第２の共振器における増大した損失係数の影響が補償されるように、バイアス電圧または電界の印加を最適にするステップを含む。特に共振器装置については、上述した１つまたは複数の特徴を開示している。

以下、添付の図面を参照し、本発明を限定しないように詳細に説明する。

図１Ａ〜１Ｆは、円形の平行板共振器のTM_nmpモード、つまりTM₀₁₀、TM₁₁₀、TM₂₁₀、TM₀₂₀、TM₃₁₀、TM₄₁₀−モードのフィールド分布を開示している。実線は電流を示し、点線は磁界を示し、点と十字記号は電界を示している。p=0、つまり基板の厚さは、共振器の波長の半分よりも小さく、共振器はTM_nm0モードだけをサポートしていると想定する。装置（たとえば、結合ループ、結合プローブまたは他の共振器など）を結合することによりフィールド分布または電流分布は空間の中で固定される。

たとえば、誘電体基板上の円形の誘電体ディスクや円形のパッチの形をした平行板共振器には、マイクロ波のいくつかの異なる用途があることが判明している。厚さ（ｄ）が共振器内のマイクロ波の波長（λ_g）の半分よりも薄い場合、つまりd＜λ_g/2の場合、これらの共振器は電気的に薄いと見られるので、ディスクの軸に沿って定在波が生じない。円形の強誘電体ディスクに基づく電気的に同調可能な共振器は、同調可能なフィルタにおける応用のため広範囲の研究が行われてきた。平行板共振器の簡単な電気力学的解析から、共振周波数に対する簡単な式を提案する。

ここでc₀=3ｘ10⁸m/sは真空中の光速であり、εはディスクまたは基板の相対的誘電率であり、ｒは導電板の半径であり、k_nmはモード指標がｎとｍのベッセル関数の根である。電気的に薄い平行板共振器の場合、３番目の指標は０である。周縁電界（fringing field） を考慮して上式を訂正してもよい。

フィルタの用途として特に関心をひくことは、たとえば、極板を流れる電流がラジアル方向だけの軸方向に対象なモードである。これらのモードは、より大きい品質因子（Q）によって特徴付けされる。何故ならば、これらのモードでは、導電板の縁に沿って流れる表面電流が存在しないからである。

本発明の特に有利な実施例では、共振器を選択したモードは、TM₀₂₀モードである。しかし、本発明は特定のモードに限定されず、実質的にはいかなるモードを選択してもよい。モード選択は、本願の中で前に考察した出願番号9901190-0の「マイクロ波デバイスとそれに関する方法」の中でとくに考察されている。

図２は、液体窒素（N）の温度における誘電率が約2000以上で、室温における誘電率が約300を有する、STO（SrTiO₃）など、誘電率が極度に高い非線形誘電体基板３₀に基づく電気的に同調可能な共振器１０₀を模式的に示している。この基板の両側には、たとえば、YBCOの高温超伝導体１₀₁、１₂が設けられ、この実施例におけるこれら超伝導体は、たとえば金など、薄膜超伝導体ではない高導電率の膜２₀₁、２₀₂で順次覆われている。直径が10 mm で厚さが0.5 mm の円形の平行板ディスク共振器の共振周波数は、温度と印加される直流バイアスに依存して0.2GHzから2.0GHzの範囲内である。このような共振器は、入出力結合手段として簡単なプローブまたはループによって励起する。最も実用的な場合、共振器が最低次のTMモードだけをサポートするため、かつ非線形誘電体基板がある共振器の電気的同調に必要な直流電圧を可能な限り小さくしておくために、平行板共振器の厚さはマイクロ路信号の波長より遙かに小さい。このことは、1996年10月発刊のIEEE季報、マイクロ波の理論と技術、第44巻、第10号のGevorgian ほかによる「低次モードのYBCO/STO/YBCO円形ディスク共振器」の中で考察されている。なお、この資料の開示内容は本願に組み入れられている。このような共振器のフィールド分布は、TM₀₁₀モードに対しては図１Ａに、TM₀₂₀モードに対しては図１Ｄの中に示されていた。

図３は、２つの共振器について測定したマイクロ波の性能を示すグラフを模式的に示している。この図では、普通に導電する、つまり超伝導ではない電極板が使用され、Q_IIに対応している共振器と、YBCOのHTS電極が使用され、線Q_Iに対応している共振器に対して無負荷の品質因子Qがバイアス電圧の関数として示されている。これに対応して、銅の電極とYBCOの電極に対してF_I、F_IIに対応する共振周波数が印加されたバイアス電圧の関数としてそれぞれの共振周波数が示されている。バイアス電圧が高いときは、YBCO電極が使用されているか否か、または普通に導電する（超伝導ではない）電極が使用されているか否かによって大きな違いが生じないことが分かる。

都合の良いことに、このような共振器の共振周波数は0.5 GHz〜3 GHzの間になければならず、この周波数範囲はセルラー通信システムの周波数範囲である。したがって、上記したように、電界が印加されると急激に低下する強誘電体素子または非線形誘電物質のQの値に関する問題点が、本発明によれば、たとえば、図４で説明したように、いわゆる損失補償する２つの結合された共振器を含む共振器装置によって解決される。

このように、図４に本発明の第１の実施例が示されている。この図は、相互に結合されている第１の共振器１と第２の共振器２を含む共振器装置１０を示している。第１の共振器は第１の電極板１２を持つ円形ディスク共振器と、品質因子（Q）が大きく同調可能な線形基板１１とを含む。この基板の物質には、たとえば、サファイア、LaAlO₃、または本願で前述した他の物質のいずれかを含めることができる。第１の共振器１は、線形基板の他の側に配置されたもう１つの電極板１３を含むことができる。電極１２、１３は、たとえば、金、銀、銅など、「普通に」導電する（つまり、超伝導ではなく、望ましくは高導電率の）金属を含むが、超伝導物質を含むこともできる。特に有利な実施例における電極板１２、１３は、たとえば、YBCOなど、高温超伝導物質を含む。

共振器装置１０は第２の共振器２を含むが、共振器２は同調可能であり、たとえば、SrTiO₃、KTaO₃、または本願の前述に参照したように、損失率（loss factor）が大きくなる、つまり、図３を参照して上述したように電圧が印加されると品質因子が低下する何らかの他の物質、たとえば、強誘電物質の基板物質21を含む。また第２の共振器２は、第１の電極板22と第２の電極板１３を持つ円形ディスク共振器であり、第２の電極板１３は第１の共振器１の第２の電極と同じ電極板である。

このように共通電極１３は、第１と第２の共振器１，２の共通接地面を形成する。第１と第２の共振器１，２は、結合手段５を介して相互に結合され、この結合手段５は、共通接地板１３の中にスロットまたは開口部を含み、バイアス電圧を印加すると２つの共振器間の電磁エネルギの配分を可能にする。バイアス電圧の印加の場合、接地面１３と第２の共振器２の第１の電極２１に接続される可変電圧源を含み、第２の共振器２にバイアス電圧を印加して共振器装置の同調をとるバイアス手段３が設けられている。バイアス電圧V_Bが印加され上昇すると、第２の共振器２の共振周波数が上昇する。電磁エネルギが第１の共振器１に再配置されるが、上述したように、このことは、バイアス電圧が上昇すると増大する第２の共振器の損失係数が共振器装置に及ぼす影響を、このように小さくすることを意味している。したがって、バイアス電圧が上昇すると益々多くの電磁エネルギが第１の共振器１に対して伝送され再配分される。このように同調可能な第２の共振器２の増大した損失が補償される。

望ましくは、結合スロットは円形であり、スロットがとるべき形状は、選択された１つのモードまたは複数のモードに依存して決まる。一般に電流線（図１Ａから図１Ｆを参照）は中断されてはならない。通常、スロットは、すべてのモードに対して円形のスロットにより機能する。スロットは長円形でもよい。長方形の共振器の場合、スロットも長円形でよい。

第１と第２の共振器は別の形でよく、同じ形でも異なった形でもよい。接地面のサイズ（形状）は第１の共振器と同じでよく、あるいは接地面が第１の共振器より小さくない限りいずれの他の形でもよい。

この図の中で、アンテナの形をした入力結合手段４は、該当する１つまたは複数のモードを励起するマイクロ波デバイスに対するマイクロ波信号の入力として示されている。原理的にはいかなる入出力結合手段でも使用できるが、入力結合手段の例を示すためにアンテナが示されているにすぎない。1997年4月18日出願、出願番号第9701450-0号のスエーデン特許出願「マイクロ波デバイスに関する装置と方法」の中で各種タイプの入出力結合手段が考察されている。なお、この特許出願の開示内容は本願に組み入れることにする。この特許出願の中では、特にバイアス電圧の印加に対する結合手段の使用方法が示されている。またこの特許出願は、いくつかの先行技術によるデバイスと同様に別々のバイアス手段を必要とするが、使用できる結合手段の例が示されている。本発明は、デバイスの中に向かってマイクロ波エネルギを結合し、デバイスの外に向かってマイクロ波エネルギを結合するいずれの特定の方法に限定されるものではなく、主要事項は、バイアス電圧を同調可能な第２の共振器に印加し、かつ非同調の他の共振器に結合させて、電磁エネルギの再配分が可能なように共振器が一方から他へ結合されることである。

本発明による共振器装置の中で使用できる第２の共振器の一例が図３の中で開示された。第２の共振器２は薄型の平行板マイクロ波共振器でもよい。ここで薄いということは、共振器の厚さが共振器の波長λ_g、と比較して薄いということであり、より明確には、d＜λ_g/2ということである。ここでｄは、共振器２の厚さであり、λ_gはこの共振器の波長である。（前述したように、厚膜基板デバイスが望ましいが、一般に装置は薄膜デバイスでもよい。）

図４の結合された２つの共振器１，２の等価回路が図５に示されている。Z_inは装置の入力インピーダンスを示し、R₁、C₁は第１の非同調共振器１の抵抗器とコンデンサを表す。R₂、C₂は、第２の共振器２の同調可能な構成部品を表し、C₀ 5は、第１と第２の共振器を相互に結合する結合コンデンサである。

図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃを参照すると、これらは図５の等価回路の入力インピーダンスのシミュレーションの例示である。ここで、d₁は第１の共振器の線形誘電体基板の損失率であり、d₂(U)は、バイアス電圧の関数としての第２の共振器の非線形強誘電体基板の損失率である。バイアス電圧Vはボルトで与えられ、L（インダクタンス）はnHで与えられる。U₀とkは、強誘電物質の現象学的特性（phenomenological characteristics）である。シミュレーションは、３つの異なるバイアス電圧、すなわちV = 0、100V、200VとU0 = 200Vに対して実施されている。さらにC1 = 2.5 pF、C20 = 120 pFで、C₀ = 200 pF、L = 1.59 x 10^-9、m = 0.115、L2 = 0.0517 x 10^-9、d20 = 3 x 10^-4で、k = 30、L0 = L x mおよびL00 = L x (1-m)と想定する。

図６Ａは、印加電圧UとC2(U)の関係を示し、図６Ｂは印加されたバイアス電圧とd2(U)の関係を示している。第１の共振器の入力インピーダンスは次式によって与えられ：

第２の共振器の入力インピーダンスは次式によって与えられる：

したがって、等価回路の入力インピーダンスは次式となるはずである：

図７Ａは、印加電圧が０ボルトのときの入力インピーダンスの実数部と虚数部を示している。これに対応して図７Ｂ、７Ｃは、バイアス電圧がそれぞれ100ボルトと200ボルトのときのインピーダンスの実数部と虚数部を示している。これらの図から判るように、0ボルトのバイアス電圧に対する共振周波数は、約2459.4MHzであり、100ボルトのバイアス電圧に対する共振周波数は、2509.3MHzであり、200ボルトのバイアス電圧に対する共振周波数は、約2530.9MHzである。周波数シフトΔFは、100ボルトのバイアス電圧に対し49.9MHz、200ボルトのバイアス電圧に対し71.5MHzである。印加される所定の電圧範囲では、同調可能な強誘電体基板物質の損失率は、約30倍変化する。しかし、品質因子の変化の総計は約±30％にすぎない。共振器の周波数帯域が0.5MHzであるとすれば、共振器の良度指数（figure of merit）は、ΔF/Δf=71.5/0.5=約140である。しかし、図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ、７Ｃは例証と模範を示すために含まれているにすぎないことは明白なはずである。

図８Ａは、たとえば、図４に示すように、第１の共振器１Ａの１つの特定な例を示しており、この例は円形ディスク共振器を含む。この共振器は、非同調の高品質の線形基板１１Ａと、たとえば、超伝導か高温超伝導でありうる第１の導電電極１２Ａと、たとえば、基板１１Ａと第１の電極１２Ａより大きい第２の電極１３Ａを含む。また共振器１Ａのサイズは第１の電極１２Ａと同じである。この第２の電極板１３Ａは、図８Ｂの第１の共振器１Ａと第２の共振器２Ａの共通接地面の役目をする。共通接地面１３は第１の共振器１Ａと第２の共振器２Ａを相互に結合する結合手段５Ａを含む。

第２の共振器２Ａは、たとえば、非線形で誘電率が（極度に）高いSTOの強誘電体基板上に配置された第１の電極板２２Ａを含む。接続リードを持つ可変電圧源V₀ 3を含むバイアス手段は、共通接地面１３Ａと第２の共振器２Ａの第１の電極板２２とに接続されている。望ましくは、TM₀₂₀モードは、入力結合手段（図示せず）を介して励起する。結合手段５Ａは、円形または長円形のスロットを含むことができ、第２の共振器２Ａに対してバイアス電圧が印加されると、このスロットを通じて第２の共振器２Ａからの電磁エネルギが第１の共振器１Ａに対して再配分される。

図８Ａ、８Ｂの共振器装置と同様に、図９Ａ、９Ｂは、２つが一緒になって代替可能な共振器装置を形成する第１の共振器１Ｂ（図９Ａ）と第２の共振器２Ｂ（図９Ｂ）を示しており、この中で第１と第２の共振器１Ｂ、２Ｂは正方形の形をしている。前の実施例と同様、第１の共振器１Ｂは、高品質で、たとえば、LaAlO₃の非同調の線形物質を含み、第２の共振器２Ｂは、たとえば、STOの同調可能な強誘電物質を含む。第１の共振器１Ｂは、正方形をしているという相違があるとしても図８Ａの電極板と同じでよい第１の電極板１２Ｂを含んでいるが、第１の共振器１Ｂは、この図に示されていて、同様に保護の目的で、基板と反対側で、たとえば、金、銀、銅など、超伝導ではない高導電率の膜１２Ｂ₂で覆われた非常に薄い（表面インピーダンスに影響を及ぼさないために薄い）超伝導層を含む第１の電極板１２Ｂを含んでいる。特に超伝導膜は、たとえば、YBCOの高温超伝導膜である。

これと対応して、第２の共振器２Ｂは、超伝導ではない金属層２２Ｂ₂で覆われた（高温）超伝導層２２Ｂ₁を持つ第１の電極板２２Ｂを含む。前述の実施例と同様の第１と第２の共振器１Ｂ、２Ｂは、この特定の実施例では極薄で超伝導ではない金属層１３Ｂ₂、１３Ｂ₃で両面が覆われた（高温）超伝導層１３Ｂ₁を含む第２の電極１３Ｂを形成する共通接地面を含む。代替的には、実際に接地面を超伝導層で構成する。第２の共振器２Ｂの第１と第２の電極２２Ｂ、１３Ｂの間にバイアス電圧が印加されると、ここでは長方形のスロットを含む結合手段５Ｂを介して、第１の共振器１Ｂに対し電磁エネルギが再配分される。結合手段はスロットの形は長方形である必要はなく、当該モードに対する電磁エネルギの伝送に関する限り、スロットは、所望の特性を与える開口部であればいかなる種類でもよい。同様に、開口部は円形でも長円形でもよい。さらに電極を普通の金属のみで構成してもよい。

この発明の基本的な考え方は、２重モードで動作する共振器、発振器、フィルタに対して適用可能であり、２重モード動作は、たとえば、特許出願「同調可能なマイクロ波デバイス」の中で開示されているように、２重モード動作を各種の方法で与えることができる。なお、この特許出願の開示内容は本願に組み入れることにする。

図１０は、入力４Ｃ_inと出力４Ｃ_out結合手段および２重モード動作を可能にする結合の突出部６を含む２重モード共振器装置の非常に簡単な平面図を示している。長方形の形をした共振器または何らかの他の適切な方法で２重モードで動作する共振器装置を設けることもできる。第１と第２の共振器の間を結合する結合スロットは、点線の円で示されている。

１つの実施例における本発明の基本的な考え方は、同調可能なフィルタ１００に拡張されている。図１１を参照すること。各装置がそれぞれ第１の共振器１Ｄ、１Ｅと第２の共振器２Ｄ、２Ｅを含む２つの共振器装置１０Ｄ、１０Ｅが設けられ、これらの共振器装置は共通接地面１３Ｆを共用する。この実施例における第１の共振器１Ｄ、１Ｅは共通基板１１Ｃを含む。代替的には、別々の基板があればよい。これらの共振器装置の間の距離はフィルタの結合強度を与える。共振器装置は、たとえば、図４から図８の中で説明したように、円形ディスク共振器または何らかの他の代替可能な種類の共振器を含むと想定してもよく、主要事項は、本明細書で考察したように、同調可能な２極フィルタを設けるために２つの共振器装置を使用することである。各共振器装置の共振器間は、結合手段５Ｄ、５Ｅによって結合される。同調可能な円形ディスク共振器を使用することにより、電力処理能力は、薄膜共振器を使用する場合よりも高いであろう。入力結合手段と出力結合手段はこの図に示されていない。

図１２は、図１１の２極フィルタ1００の等価回路を示しており、このフィルタは伝送線路部分によって接続される。この図では、第１の非同調共振器１Ｄが抵抗Ｒ_1DとコンデンサＣ_1Dに対応し、かつ同期可能共振器２Ｄが抵抗Ｒ_2DとコンデンサＣ_2Dを有し、これらの共振器はコンデンサＣ₀₄で示めした結合手段５Ｄにより相互に結合された第１の共振装置１０Ｄを示している。図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂを参照して前述したように、共振器のインダクタンス、L₀₄、L₀₀₄、L₀₅、L₀₀₅がこの図に示されている。第１の共振器装置には、第1の共振器1Eと第２の共振器2Eを含む第２の共振器装置１０Ｅが接続され、これらの共振器は、該当する非同調と同調可能な構成部品、R_1E、C_1E；R_2E、C_2Eと、結合手段5Eに対応する接続用コンデンサＣ₀₅を含む。２極フィルタは伝送線路部分によって接続されると想定する。模範的な図における外部線路の特性インピーダンスはZ₀ = 50オーム、結合用線路の特性インピーダンスはZ₀₁ = 45オーム、さらに中心周波数における結合用線路の電気的長さ（electrical length）は80°である。

図１３Ａ、１３Ｂは図１０の同調可能な２極フィルタのシミュレーション曲線を示すグラフである。dBで表した挿入損とdBで表した反射減衰量（return losses）は、伝送特性Tと反射率に対応する。Γはバイアス電圧Vの３つの異なる値に対して与えられている。図１３ＡにおけるT₁は、バイアス電圧がゼロのときの周波数の関数としての伝送特性に対応し、T₂は、バイアス電圧が100ボルトのときのGHzで表した周波数の関数としての伝送特性に対応し、T₃は、バイアス電圧が100ボルトのときの伝送特性である。これに対応して、Γ₁、Γ₂、Γ₃は、バイアス電圧0ボルト、100ボルト、200ボルトに対して図１３Ｂに示されている。この図から判るように、バイアス電圧が高いときでも挿入損と反射減衰量は維持されている。平均帯域幅は15MHzであり、挿入損=約0.5dBのときの同調可能性（tunability）の範囲は、およそ70MHzである。急激に増大する第２の共振器の強誘電物質の損失率は、本発明の基本的な考え方の応用を通じて大きく補償される。

本発明の基本的な考え方は、特許請求の範囲から逸脱することなくいくつかの方法で変わりうることは明白なはずである。とくに共振器は、他の各種形状でよく、前に考察したように、各種基板物質を含むことができ、超伝導ではない電極や、とくに（高温）超伝導電極などを含むことができる。また共振器は、単一モード動作または２重モード動作でよく、さらには所望のモード、つまり選択されたモード、とくにTM₀₂₀モードを励起するため電磁エネルギを結合することができる。しかし、何らかの適切な方法で他のモードを選択してもよい。

帯域消去フィルタだけでなく、帯域フィルタなど、各種のフィルタを作成するために、本発明の基本的な考え方を使用することが可能である。

いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 いくつかの異なるTMモードに対する実例を示すため、円形の平行板共振器の電流線（フィールド分布）を示す図である。 フィールド分布が図１Ａと同じである先行技術による共振器を詳細に示す図である。 図２の共振器のマイクロ波性能の測定値を示す図である。 本発明による共振器装置の第１の実施例の断面図を示す図である。 図４の共振器装置の２つの結合された共振器の等価回路を示す図である。 共振器の容量の相関関係をバイアス電圧の関数として示す図である。 損失率をバイアス電圧の関数として示す図である。 バイアス電圧をかけたとき等価回路の入力インピーダンスのシミュレーション結果を示す図である。 バイアス電圧をかけたとき等価回路の入力インピーダンスのシミュレーション結果を示す図である。 バイアス電圧をかけたとき等価回路の入力インピーダンスのシミュレーション結果を示す図である。 図４の共振器装置で使用される第１の共振器の一例を模式的に示す図である。 図４の共振器装置において第２の共振器として使用することができる共振器の一例を模式的に示す図である。 本発明による共振器装置の第１の共振器の代替実施例を示す図である。 本発明による共振器装置において図９Ａの第１の共振器の代替実施例を示す図である。 本発明による共振器装置において使用することができる２重モード共振器の一例を非常に模式的に示す図である。 本発明による共振装置に基づく２極フィルタを模式的に示す図である。 図１１の２極フィルタの等価回路を示す図である。 図１１の同調可能な２極フィルタの挿入損と反射減衰量のシミュレーション結果をバイアス電圧の各種値に対する周波数の関数として示す図である。 図１１の同調可能な２極フィルタの挿入損と反射減衰量のシミュレーション結果をバイアス電圧の各種値に対する周波数の関数として示す図である。

Claims (27)

1. 共振器装置（１０；１００）と、前記共振器装置の内外で電磁エネルギを結合させる入出力結合（４；４Ｃ_in、４Ｃ_out）手段と、前記共振器装置にバイアス電圧または電界を印加する同調デバイス（３）とを含む同調可能な共振装置において、
   前記共振器装置は、
   同調不能な第１の共振器（１；１Ａ；１Ｂ；１Ｃ；１Ｄ；１Ｅ）と、
   同調可能であり、かつ強誘電体基板（２１）を有する第２の共振器（２；２Ａ；２Ｂ；２Ｄ；２Ｅ）と、
   前記第１および第２の共振器に共通であり、かつ前記第１および第２の共振器を互いに隔離する接地面（１３；１３Ａ；１３Ｂ；１３Ｆ）と、
   前記共振器装置の同調をとるために、前記バイアス電圧または電界が前記第２の共振器（２；２Ａ；２Ｂ；２Ｄ；２Ｅ）に印加されると、前記第１および第２の共振器の間で互いに電磁エネルギが再分配されるように、前記第１および第２の共振器の間を結合する結合手段（５；５Ａ；５Ｂ；５Ｃ；５Ｄ；５Ｅ）と、
   を備えることを特徴とする同調可能な共振装置。
2. 請求項１に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第１の共振器（１；１Ａ；１Ｂ；１Ｃ；１Ｄ；１Ｅ）は、ディスク共振器または平行板共振器であることを特徴とする同調可能な共振装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第２の共振器（２；２Ａ；２Ｂ；２Ｄ；２Ｅ）は、ディスク共振器または平行板共振器であることを特徴とする同調可能な共振装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第１の共振器は、誘電体基板（１１；１１Ａ；１１Ｂ；１１Ｃ）を有し、該誘電体基板の電気誘電率は、印加されるバイアス電圧によって実質的に変化せず、前記誘電体基板は、第１および第２の電極間に配され、前記第１の共振器の前記第２の電極は、前記接地面を形成することを特徴とする同調可能な共振装置。
5. 請求項４に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第１の共振器の前記誘電体基板（１１；１１Ａ；１１Ｂ；１１Ｃ）は、LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃、サファイアまたは同じ特性の物質を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第１の共振器（１；１Ａ；１Ｂ；１Ｃ；１Ｄ；１Ｅ）は大きい品質因子（Q）、たとえば10⁵ - 5x10⁵であることを特徴とする同調可能な共振装置。
7. 請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第２の共振器（２；２Ａ；２Ｂ；２Ｄ；２Ｅ）は、同調可能な強誘電体基板と第１（２２；２２Ａ；２２Ｂ）と第２の電極（１３；１３Ａ；１３Ｂ；１３Ｆ）を有し、かつ前記第２の共振器の前記第２の電極は、前記共通接地面を形成して、前記第１の共振器の前記第２の電極と同じであることを特徴とする同調可能な共振装置。
8. 請求項７に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第２の共振器の前記強誘電体基板（２１；２１Ａ；２１Ｂ）は、SrTiO₃、KTaO₃、BaSTO₃または同じ特性の物質を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
9. 請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
   前記第１と第２の電極、すなわち、前記第１の電極と前記共通接地面は、正規の非超伝導金属、たとえば、金、銀、銅からなることを特徴とする同調可能な共振装置。
10. 請求項４から請求項８のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置であって、
    前記第１と第２の電極、すなわち、前記第１の電極と前記共通接地面は、超伝導物質からなることを特徴とする同調可能な共振装置。
11. 請求項４から請求項８または請求項１０のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第１と第２の電極、すなわち、前記第１の電極と前記共通接地面は、高温超伝導物質（HTS）、たとえばYBCOからなることを特徴とする同調可能な共振装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第２の共振器（２；２Ａ；２Ｂ；２Ｄ；２Ｅ）に同調（バイアス）電圧を印加すると、前記結合手段（５；５Ａ；５Ｂ；５Ｃ；５Ｄ；５Ｅ）を介して前記第２と第１の共振器の間に電磁エネルギ（EM）が再配分されることを特徴とする同調可能な共振装置。
13. 請求項１２に記載の同調可能な共振装置において、
    前記電磁エネルギの分布は、前記バイアス電圧に依存することを特徴とする同調可能な共振装置。
14. 請求項１３に記載の同調可能な共振装置であって、
    電磁エネルギの前記第２の共振器から前記第１の共振器への転送は、バイアス電圧の上昇とともに増大することを特徴とする同調可能な共振装置。
15. 請求項１０、請求項１３または請求項１４のいずれかに記載の同調可能な共振装置において、
    前記第２の共振器の前記共振周波数と損失係数は、上昇するバイアス電圧の印加とともに増大し、かつ前記第２の共振器から前記第１の共振器への電磁エネルギの転送も増大し、結合された共振器装置上でそれらの影響を小さくすることにより、前記第２の共振器の増大した損失係数を自動的に補償することを特徴とする同調可能な共振装置。
16. 請求項１に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第１と第２の共振器は、薄膜基板を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
17. 請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第１および第２の共振器は、少なくとも２つの共振器装置を有し、前記共通接地面（１３；１３Ａ；１３Ｂ；１３Ｆ）は、同調可能なフィルタ（１００）を形成する、前記少なくとも２つの共振器装置に共通であることを特徴とする同調可能な共振装置。
18. 請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
    前記結合手段は、共振器装置ごとに前記共通接地面の中にスロットまたは開口部（５；５Ａ；５Ｂ；５Ｃ；５Ｄ；５Ｅ）を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
19. 請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の同調可能な共振装置において、
    各共振器は、円形、正方形、長方形または長円形であることを特徴とする同調可能な共振装置。
20. 請求項１９に記載の同調可能な共振装置において、
    前記各共振器は、２重モード共振器装置を有し、かつ各共振器は、突起部（６）、切れ込みまたは摂動（perturbation）を有し、２重モード動作を提供することを特徴とする同調可能な共振装置。
21. 同調可能な共振装置において、
    同調不能な第１の共振器と、
    同調可能な強誘電体共振器である第２の共振器と、
    前記第１および第２の共振器に共通であり、かつ前記第１および第２の共振器を互いに隔離する接地面と、
    前記共振器装置の同調をとるために、バイアス電圧が前記第２の共振器に印加されると、前記第１および第２の共振器の間で互いに電磁エネルギが再分配されるように、前記第１および第２の共振器の間を結合する結合手段と、
    を備えることを特徴とする同調可能な共振装置。
22. 請求項２１に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第１の共振器と前記第２の共振器は平行板共振器を含み、前記共通接地面は、前記第１の共振器の第２の電極板と前記第２の共振器の第２の電極とによって形成され、かつ前記結合手段は前記共通接地面の中にスロットまたは開口部を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
23. 請求項２２に記載の同調可能な共振装置において、
    前記第１の共振器は、LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃、サファイアまたは同じ特性の物質の基板、厚膜または薄膜を含み、前記第２の共振器は、SrTiO₃、KTaO₃または同じ特性の物質の基板、厚膜または薄膜を含み、前記電極板は普通の金属または（高温）超伝導体を含むことを特徴とする同調可能な共振装置。
24. 共振器装置の同調をとる方法において、
    同調不能な第１の共振器を設け、
    同調可能な第２の共振器を設け、
    前記第１および第２の共振器を共通接地面によって隔離し、
    前記第１および第２の共振器が結合された一共振器装置となるように、前記共通接地面に結合手段を設けることで、前記第１および第２の共振器の間で電磁エネルギの伝送を可能にし、
    共振周波数、前記第２の共振器の損失係数、および前記第１の共振器に対する電磁エネルギの伝送を増加するように、前記第２の共振器にバイアス電圧または同調電圧を印加し、
    前記結合された共振器装置において、前記第１の共振器の増加した損失係数の影響が前記第１の共振器に対する電磁エネルギの増加した伝送により補償されるように、前記バイアス電圧の印加を最適にする、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
25. 請求項２４に記載の方法において、
    前記第１の共振器と前記第２の共振器は、ディスク共振器または平行板共振器を含み、前記共通接地面は、前記第１の共振器の第２の電極板と前記第２の共振器の第２の電極とによって形成され、かつ前記結合手段は、前記共通接地面の中にスロットまたは開口部を含むことを特徴とする方法。
26. 請求項２４から請求項２５のいずれかに記載の方法において、
    前記第１の共振器は、LaAlO₃、MgO、NdGaO₃、Al₂O₃、サファイアまたは同じ特性の物質の基板、厚膜または薄膜を含み、前記第２の共振器は、SrTiO₃、KTaO₃または同じ特性の物質の基板、厚膜または薄膜を含み、前記電極板は、普通の金属または（高温）超伝導体を含むことを特徴とする方法。
27. 請求項２４から請求項２６のいずれかに記載の方法において、
    フィルタになるように、２つまたはそれ以上の共振器装置を結合し、
    前記強誘電体基板で上昇したバイアス電圧によって生じる損失率の増大を小さくできるように、それぞれの第１と第２の共振器の間の結合を最適にする、ステップ
    を含むことを特徴とする方法。

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