DE19538446A1 - Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ausbreitungswellentyp-Wandler, der beispielsweise für ein Spannungsnormal, ein Strom/Spannungs-Meßgerät höchster Auflösung etc. verwendet wird.

Der Wellentypwandler der vorliegenden Erfindung empfängt eine elektromagnetische Welle, die sich als Wellenleiter-Wellentyp ausbreitet, mittels einer Antenne und wandelt die empfangene Welle zu einem Band- oder Streifenleitungs-Wellentyp um oder führt die umgekehrte Umwand­ lung aus. Eine Streifenleitung, bei der eine Signalleitung aus Reihenschaltungen vieler sogenann­ ter Josephson-Kontakte (Josephson-Übergänge) gebildet ist, kann als die Band- oder Streifenlei­ tung (strip line) verwendet werden. In diesem Fall wird die elektromagnetische Welle, die sich in Form des Wellenleiter-Wellentyps ausbreitet, in die Streifenleitung eingespeist, und die an jedem der Josephson-Kontakte, die die Streifenleitung bilden, erhaltene Spannung wird summiert und die Summenspannung dann ausgegeben. Eine Josephson-Kontakt-Gruppe mit einer Antenne, bei der ein Wellentypwandler dieser Art eingesetzt ist, und ein Spannungsnormal-Generator, der die Josephson-Kontakt-Gruppe verwendet, sind beispielsweise in der Druckschrift "The NBS Josephson Array Voltage Standard" von C. Hamilton et. al., IEEE Trans., Instrum. Meas., Band IM-36, Nr. 2, Juni 1987, Seiten 258-261 dargestellt.

Fig. 5 zeigt eine Josephson-Kontakt-Gruppe, bei der dieser bekannte Wellenleiter/Streifen­ leitungs-Wellentypwandler (Wellenleiter-Wellentyp-Streifenleitungs-Wellentypwandler) eingesetzt ist. Eine Antenne 12 ist auf einer Hälfte eines dielektrischen Substrats 11 ausgebildet und eine Josephson-Kontakt-Gruppe 13 ist auf der anderen Hälfte des Substrats 11 ausgebildet. Wie in Fig. 2A gezeigt, ist in der Mitte der Längsseite an einem Ende eines rechtwinkligen Wellenleiters 15 eine Nut 16 ausgebildet. Das Substrat 11 ist in die Nut 16 eingeführt, um die Antenne 12 innerhalb des Wellenleiters 15 anzuordnen.

Die Antenne 12 ist eine Rippen- oder Flossenleitungs-Antenne (fin-line antenna), wobei eine Flosse 12b Teil einer auf dem aus Silizium bestehenden Substrat ausgebildeten Masseebene ist, während die andere Flosse 12a auf einem dielektrischen Film ausgebildet ist, der auf die Masseebene aufgedampft ist. Die Länge der Antenne 12 beträgt zwei Wellenlängen (so genannte reduzierte Wellenlänge auf einem Substrat, das von dem Wellenleiter 15 und dem Substrat 11 beeinflußt wird) der sich durch den Wellenleiter 15 ausbreitenden elektromagneti­ schen Wellen. Die jeweiligen Randteile 12a₁ und 12b₁ der Flossen 12a und 12b, deren Außen­ seiten jeweils geschlitzt sind, sind an der Nut 16 des Wellenleiters 15 angeordnet und mit dem Wellenleiter 15 verbunden, so daß die Hochfrequenz nach Masse abgeleitet wird.

Ein Teil des Querschnitts der Josephson-Kontakt-Gruppe 13 ist in Fig. 2B gezeigt. Darin ist ein Josephson-Kontakt 27 dadurch aufgebaut, daß auf der gesamten Oberfläche einer Silizium­ scheibe 18 eine Masseschicht 19 aus Nb ausgebildet wird, auf der gesamten Oberfläche der Masseschicht 19 eine dielektrische Schicht 21 aus SiO ausgebildet wird, auf der dielektrischen Schicht 21 eine linien- oder leitungsförmige Nb-Schicht 22 diskret ausgebildet wird, auf der Schicht 22 eine Al₂O₃-Schicht ausgebildet wird, auf der Al₂0₃-Schicht 23 ein Paar Nb-Schich­ ten 24 ausgebildet werden, die längs der Richtung der längeren Seite ausgerichtet sind, jede Gruppe aus der Nb-Schicht 22, Al₂O₃-Schicht 23 und Nb-Schicht 24 mittels eines SiO-Trenn­ teiles 25 gleichen Intervalls in Richtung der längeren Seite getrennt wird, und ein SiO-Trennteil 26 zwischen die Nb-Schichten 24 auf der Al₂O₃-Schicht 23 gesetzt wird, so daß ein Joseph­ son-Kontakt 27 von der Nb-Schicht 22, der Al₂O₃-Schicht 23 und der Nb-Schicht 24 gebildet wird. Diese Josephson-Kontakte 27 sind mittels Verbindungsleiterschichten 28 aus Pbln in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltungen von Josephson-Kontakten bilden als eine Signalleitung 29 zusammen mit der Masseleitung (Masseschicht) 19 eine Streifenleitung 31.

Das Substrat 11 wird in einem Behälter mit flüssigem Helium (nicht gezeigt) gekühlt, damit die Masseschicht 19 supraleitend wird. Der Verlust der Streifenleitung 31 ist damit nahezu null. Die Streifenleitung 31 ist zickzack-förmig gewendet oder gefaltet, wie in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 2A gezeigt, liegt die Antenne 12 in der Mitte der längeren Seite des Querschnitts des Wellenlei­ ters 15, wo, geht man davon aus, daß sich die elektromagnetische Welle 10 in dem Wellenleiter 15 als TE₁₀ Wellentyp ausbreitet, die Ebene der Antenne 12 orthogonal zum magnetischen Feld H und parallel zum elektrischen Feld E liegt und sich damit die Leistungsdichte nach Berechnung anhand des Poyntingschen Vektors als maximal ergibt. Die von der Antenne 12 empfangene elektromagnetische Welle 10 wird im Zustand der Anpassung zwischen der Antenne 12 und der Streifenleitung 31 an die Streifenleitung 31 geliefert.

Die Querschnitte an den in Fig. 5 durch die strichpunktierten Schnittlinien a, b, c und d markier­ ten Stellen sind in Fig. 3A, B, C bzw. D gezeigt. Bei den Schnittlinien a und b sind die Flossen 12a und 12b auf einer jeweiligen der beiden Seiten der dielektrischen Schicht 21 angeordnet, wobei die Positionen in Richtung senkrecht zur dielektrischen Schicht 21 gesehen gegeneinan­ der versetzt sind, und ferner jede Innenseite der Flossen ein Doppelrippenteil ist, dessen Form wie eine Exponentialkurve aussieht. Die elektrischen Felder zwischen diesen Flossen sind gepunktet in Fig. 3 dargestellt. An der Stelle der Schnittlinie c bilden Leiter 32a, 32b, die auf beiden Seiten der dielektrischen Schicht 21 jeweilig mit den Flossen 12a und 12b verbunden sind, eine symmetrische Übertragungsleitung, wo die beiden Flossen einander zugewandt sind. An der Stelle der Schnittlinie d bilden die Signalleitung 29 und die Masseleitung 19, die mit den Leitern 32a bzw. 32b verbunden sind, eine Streifenleitung (unsymmetrische Übertragungslei­ tung) 31. Bei solch einer Anordnung wird eine Umsetzung zwischen der charakteristischen Impedanz von angenähert 450 Ω des Wellenleiters 15 und der charakteristischen Impedanz von angenähert 8 Ω der Streifenleitung 31 erzielt.

Bei dieser Anordnung wird die von der Antenne 12 empfangene elektromagnetische Welle in den Streifenleitungs-Wellentyp umgewandelt und dann, wie in Fig. 5 gezeigt, an einem Verzweigungspunkt 33 auf zwei Wege aufgeteilt, an jedem Verzweigungspunkt 34 und 35 wiederum auf zwei Wege aufgeteilt und an jedem der Verzweigungspunkte 34a, 34b, 35a und 35b zur Einspeisung in die Josephson-Kontakt-Gruppe 13 wiederum auf zwei Wege aufgeteilt. Ein Ersatzschaltbild der die Josephson-Kontakt-Gruppe 13 aufweisenden Streifenleitung 31 ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 4 dargestellt, sind Koppelkondensatoren 36 und 37 zum Blockieren eines Gleichstroms in Reihenschaltung zwischen dem Verzweigungspunkt 33 und dem Verzwei­ gungspunkt 34 bzw. zwischen dem Verzweigungspunkt 33 und dem Verzweigungspunkt 35 angeordnet. Jedes der beiden an dem Verzweigungspunkt 34 aufgeteilten Signale breitet sich durch die Streifenleitung 31 aus und wird am Ende über einen Abschlußwiderstand 38 und einen Hochfrequenz-Ableitungskondensator 39 zur Masseschicht 19 abgeleitet. In ähnlicher Weise breitet sich jedes am Verzweigungspunkt 35 aufgeteilte Signal durch die Streifenleitung 31 aus und gelangt über einen Abschlußwiderstand 38 und einen Hochfrequenzableitungskon­ densator 39 zur Masseschicht 19. In Fig. 4 ist eine mit der Antenne 12 empfangene Welle als an den Verzweigungspunkt 33 anzulegende Signalquelle 41 dargestellt. Die von jedem Joseph­ son-Kontakt 27 erzeugte Spannung wird aufsummiert, und die Summenspannung erhält man zwischen den beiden Enden der in Reihe geschalteten Josephson-Kontakte 27, das heißt zwischen den Anschlüssen 42 und 43.

Im Stand der Technik ist die Länge der Antenne 12 gleich oder größer als zwei Wellenlängen, und die Breite W₁ ist gleich der Höhe h₁ des TE₁₀-Wellentyp-Wellenleiters 15, daß heißt die maximale Breite, so daß die Umwandlung zwischen dem Wellenleiter-Wellentyp in dem Wellen­ leiter 15 und dem Streifenleitungs-Wellentyp in der Streifenleitung 31 möglichst effizient ausge­ führt werden kann.

Der herkömmliche Wellentypwandler bietet aber keine effiziente Umwandlung, weshalb eine längere Flossenleitungs-Antenne mit mehr als zwei Wellenlängen verwendet wurde, um in einem Wellenleiter begrenzter Größe eine größere Ausgangsleistung zu erzielen. Wenn daher bei der herkömmlichen Josephson-Kontakt-Gruppe beispielsweise die physikalische Größe des Substrats begrenzt ist, ist die Fläche zur Anordnung der Josephson-Kontakte gering, und die Anzahl anzuordnender Josephson-Kontakte ist begrenzt. Damit ist die Josephson-Spannung entsprechend niedrig.

Darüberhinaus ist bei dem herkömmlichen Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandler der Übertragungswirkungsgrad nicht gut.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandler mit hohem Umwandlungswirkungsgrad zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter/Streifenleitungs- Wellentypwandler zu schaffen, bei dem eine kleinere Antenne ausgebildet werden kann und der Umwandlungswirkungsgrad höher als bei einem bekannten Wellentypwandler ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter/Streifenleitungs- Wellentypwandler zu schaffen, bei dem die Antenne klein ist, der Umwandlungswirkungsgrad und der Übertragungswirkungsgrad hoch sind, indem die zulässigen Grenzen für die Krümmung und die Nähe der Streifenleitungen, wenn die Streifenleitung gewendet wird, klar gemacht werden.

Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellenleiter/Streifen­ leitungs-Wellentypwandler zu schaffen, bei die Empfindlichkeit auf gleiche Höher wie bei dem bekannten Wellentypwandler liegt, die physikalische Größe jedoch kleiner ist und mehr Josephson-Kontakte auf dem Substrat untergebracht werden können, wenn das Substrat glei­ che Größe wie bei dem bekannten Wellentypwandler aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind bei einem Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwand­ ler, wo Antennen auf einer Hälfte eines in einen Wellenleiter einzusteckenden dielektrischen Substrats ausgebildet sind und eine mit diesen Antennen verbundene Streifenleitung auf der anderen Hälfte des Substrats ausgebildet ist, n (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2) Antennen und Verbindungsmittel zum Verbinden eines Endes der Streifenleitung mit den n Antennen vorgesehen.

Jeder der n Antennen ist vorzugsweise eine Flossenleitungs-Antenne, und die Länge ist gleich oder geringer als eine Wellenlänge (reduzierte Wellenlänge auf einem Substrat) der empfangenen elektromagnetischen Welle.

Der eingeschlossene Winkel der Flossenleitungs-Antenne ist vorzugsweise weniger als 6,6 Grad.

Die Streifenleitung umfaßt bei einer Ausführungsform Reihenschaltungen von Josephson- Kontakten und ist hochfrequenzmäßig in 4n Abschnitte unterteilt. Die Verbindungsmittel verbin­ den jede von n Gruppen mit je 4 der unterteilten Abschnitte mit einer entsprechenden der n Antennen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Verhältnis R/W des Krümmungsdurchmessers R eines Wende- oder Umkehrabschnitts der Streifenleitung zur Signalleitungsbreite W gleich oder größer als 3.5.

Das Verhältnis S/W eines Abstands S der benachbarten Signalleitungen zur Signalleitungsbreite W ist vorzugsweise gleich oder größer als 1,5.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 1B eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1A innerhalb eines strichpunktierten Kreises 1 liegenden Teils,

Fig. 2A eine perspektivische Ansicht, die beispielhaft die Verbindung einer Josephson- Kontakt-Gruppe mit einem Wellenleiter zeigt,

Fig. 2B einen Querschnitt einer Streifenleitung 31,

Fig. 3A bis 3D Querschnitte, die durch strichpunktierte Schnittlinien a bis d in Fig. 5 markiert sind,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 5 gezeigten Josephson-Kontakt-Gruppe,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Josephson-Kontakt-Gruppe mit einem herkömmlichen Wellen­ typwandler,

Fig. 6 ein Ersatzschaltbild der Josephson-Kontakt-Gruppe in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1A,

Fig. 7A bis 7E Flossenleitungs-Antennenmuster mit verschiedenen eingeschlossenen Winkeln Θ,

Fig. 8 Verlustcharakteristiken der Antennen mit verschiedenen eingeschlossenen Winkeln, die in den Fig. 7A bis 7E gezeigt sind,

Fig. 9A eine herkömmliche 2-Wellenlängen-Flossenleitungs-Antenne,

Fig. 9B eine 1-Wellenlängen-Flossenleitungs-Antenne,

Fig. 9C eine 1 -Wellenlängen-Doppelflossenleitungs-Antenne,

Fig. 10 ein Simulationsergebnis von Verlustcharakteristiken jeder der in den Fig. 9A bis 9C gezeigten Antennen,

Fig. 11 ein Simulationsergebnis des Zusammenhangs zwischen einem Streifenleitungs-Krüm­ mungsdurchmesser R, normiert auf die Signalleitungsbreite W und dem Verlust,

Fig. 12 ein Simulationsergebnis des Zusammenhangs zwischen einem Streifenleitungsabstand S, normiert auf die Signalleitungsbreite W, und dem Verlust, und

Fig. 13 eine Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei die gleichen Bezugssym­ bole jeweiligen Teilen zugeordnet sind, die solchen in Fig. 4 und 5 entsprechen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Antennen verwendet (bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind es zwei Antennen 51 und 52). Die Antennen 51 und 52 sind jeweils Flos­ senleitungs-Antennen, wobei die Antenne 51 Flossen 51a und 51b aufweist und die Antenne 52 Flossen 52a und 52b. Diese Antennen sind in dieselbe Richtung gerichtet, und die Flossen 51b und 52b sind zu einem einzigen Körper integriert, während die Flossen 51a und 52a außer­ halb der Flossen 51b bzw. 52b ausgebildet sind. Die Flossen 51a und 52a sind auf einer Seiten­ flächen der dielektrischen Schicht 21 (Fig. 2B) ausgebildet, während die Flossen 51b und 52b auf der anderen Seitenfläche der dielektrischen Schicht 21 ausgebildet sind. Die Summe W₂ der Breite der Antennen 51 und 52 ist der gleich der Höhe h₁ des Wellenleiters 15 (Fig. 2A), in den diese Antennen eingeführt werden. Die äußeren Kantenabschnitte 51a₁ und 52a₁ der Antennen 51 bzw. 52, in die Schlitze eingegraben sind, sind an den Nuten 16 des Wellenleiters 15 so angeordnet, daß diese Abschnitte hochfrequenzmäßig zum Wellenleiter 15 auf Masse liegen.

Die Länge der Antennen 51 und 52 ist jeweils gleich oder geringer als eine Wellenlänge. Diese Antennen 51 und 52 sind in ähnlicher Weise wie in Fig. 5 gezeigt, mit einer Streifenleitung verbunden, und es erfolgt die Impedanzwandlung. Jede von einer jeweiligen Antenne empfan­ gene Welle wird vierfach unterteilt und an die Josephson-Kontakt-Gruppe 13 geliefert. Bei diesem Beispiel ist die Josephson-Kontakt-Gruppe 13 in acht Abschnitte unterteilt, und jede der acht von den Antennen 51 und 52 empfangenen Teilwellen wird einem jeweiligen der acht Abschnitte der Gruppe zugeführt.

Fig. 6 zweigt ein Ersatzschaltbild für Fig. 1 in ähnlicher Weise wie das von Fig. 4. Jede von den Antennen 51 und 52 empfangene Welle wird an jedem der Verzweigungspunkte 55 und 56 einer Schaltung der Wilkinsonart als Ausgangssignal einer der Signalquellen 53 und 54 auf zwei Wege aufgeteilt. Jedes der Teilsignale wird einem von jeweiligen Gleichstrom-Blockkondensato­ ren 57 bis 60 zugeführt und an einem von jeweiligen Verzweigungspunkten 61 bis 64 einer Schaltung der Wilkinsonart auf zwei Wege aufgeteilt und an die jeweiligen Streifenleitungen 31 geliefert. Jede Streifenleitung 31 umfaßt sieben parallel angeordnete und in Reihe geschaltete Leitungen. Ein der Streifenleitung 31 geliefertes Signal breitet sich durch die Streifenleitung aus und wird über einen Abschlußwiderstand 38 und einen Hochfrequenzableitungskondensator 39 zur Masseschicht 19 abgeleitet. Die Summenspannung der von jedem Josephson-Kontakt 27 erzeugten Josephson-Spannung wird zwischen den beiden End-Anschlüssen 42 und 43 der Reihenschaltungen aller Josephson-Kontakte gewonnen.

Bei dem in Fig. 1A gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Streifenleitung 31 in acht Abschnitte unterteilt. Jeder der Teilabschnitte ist so aufgebaut, daß die parallel zur Richtung der längeren Seite der Antennen 51 und 52 liegende Streifenleitung sechs mal gewendet wird. Jeweils vier dieser sich zickzack-artig hin und her wendenden Streifenleitungs-Abschnitte sind auf jeder Seite einer Mittellinie 50 zwischen den Antennen 51 und 52 angeordnet. Die von der Antenne 51, die auf einer Seite der Mittellinie 50 liegt, empfangene Welle wird an den Verzweigungs­ punkten 55, 61 und 62 auf vier Wege aufgeteilt und an die vier Streifenleitungs-Abschnitte geliefert, die auf derselben Seite wie die Antenne 51 liegen. Die von der Antenne 52, die auf der anderen Seite der Mittellinie 50 angeordnet ist, empfangene Welle wird an den Verzwei­ gungspunkten 56, 63 und 64 auf vier Wege aufgeteilt und an die vier Streifenleitungs- Abschnitte geliefert, die auf derselben Seite wie die Antenne 52 liegen.

Da die Streifenleitung 31 von den empfangenen Signalen beider Antennen 51 und 52 gespeist wird, ist, wenn die Gesamtlänge der Streifenleitung 31 zwischen den Anschlüssen 42 und 43 dieselbe ist, die Länge von der Speisequelle zum Abschlußwiderstand 38 jeder Streifenleitung 31 kürzer als im herkömmlichen Fall von Fig. 5, wo die Streifenleitung von einer einzelnen Antenne gespeist wird. Damit ist der Verlust der Streifenleitung 31 entsprechend verringert.

Wenn man mit Θ den Winkel bezeichnet, der von den Tangentiallinien an jedem Kreuzungspunkt der inneren Ränder der jeweiligen Flossen 51a, 51b, 52a und 52b der Antennen 51 und 52 eingeschlossen wird, dann ergibt sich das Simulationsergebnis des Streuparameters S₂₁, (ent­ sprechend dem Empfangswirkungsgrad) gemäß Darstellung in Fig. 8 für die eingeschlossenen Winkel Θ von 5,06°, 6,64°, 10,92°, 19,49° und 44,99°, wie sie in den Fig. 7A bis 7E dargestellt sind. Fig. 8 zeigt die Simulationsergebnisse des Betriebs im Millimeterwellenband von 74,6 bis 95,6 GHz, simuliert durch den Betrieb im Mikrowellenband von 2,80 bis 3,60 GHz. Da diese Antennen für 94 GHz als Betriebsfrequenz ausgelegt sind, ergibt sich aus Fig. 8, daß für eingeschlossene Winkel kleiner als 6,6° der Einspeisungsverlust und die Änderung der Einspei­ sungsverlustcharakteristik verringert werden.

Fig. 9A zeigt eine herkömmliche Flossenleitungs-Antenne, deren Flossenlänge zwei Wellenlän­ gen beträgt, Fig. 9B zeigt eine Flossenleitungs-Antenne der Flossenlänge eine Wellenlänge beträgt, und Fig. 9C zeigt zwei Flossenleitungs-Antennen (als Doppel-Flossenleitungs-Antenne bezeichnet), deren Flossenlänge jeweils eine Wellenlänge ist, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein Skalie­ rungssimulationsergebnis des Streuparameters S₂₁ für diese Antennen ist in Fig. 10 gezeigt. Es ergibt sich aus Fig. 10, daß die Doppel-Flossenleitungs-Antenne einen gleichen oder besseren Empfangswirkungsgrad bietet und gleiche oder bessere (flache) Frequenzcharakteristiken aufweist als die herkömmliche Flossenleitungs-Antenne mit zwei Wellenlängen und Einzelstruk­ tur oder die Flossenleitungs-Antenne einer Wellenlänge und Einzelstruktur.

Der Zusammenhang zwischen dem Verhältnis R/W zwischen dem Krümmungsdurchmesser R (siehe Fig. 1B) des Wende- oder Umkehrabschnitts der Streifenleitung 31 und der Breite W der Signalleitung 29 der Streifenleitung 31 einerseits und dem Streuparameter S₂₁ bei 3,53 GHz andererseits ist in Fig. 11 gezeigt. Aus Fig. 11 geht hervor, daß der Verlust deutlich zunimmt, wenn R/W kleiner als 3,5 ist. R/W größer als 3,5 führt zu weniger Reflexion und geringerem Verlust. Im Hinblick auf einen geringeren Platzbedarf und mehr Josephson-Kontakte auf einem begrenzten Platz auf dem Substrat 11 wird empfohlen R/W näher bei 3,5 zu wählen.

Der Zusammenhang zwischen dem Verhältnis S/W des Abstands S der Signalleitungen 29 und der Breite W der Signalleitung 29 einerseits und dem Streuparameter S₂₁ bei 3,5 GHz anderer­ seits ist in Fig. 12 gezeigt. Aus Fig. 12 geht hervor, daß der Verlust wegen der gegenseitigen Interferenz zwischen benachbarten Signalleitungen relativ abrupt schlimmer wird, wenn S/W unter dem Wert von 1,5 liegt. S/W größer als 1,5 ist besser, aber S/W gleich 1,5 ist vom Standpunkt kleineren Platzbedarfs und der Anordnung von mehr Josephson-Kontakten auf einem begrenzten Platz des Substrats 11 wünschenswert.

Nebenbei bemerkt sind die Abmessungen der Streifenleitung 31 bei der bekannten Josephson- Kontakt-Gruppe nicht bekannt. Aus den Abbildungen in der eingangs genannten Druckschrift kann man etwa folgende Werte vermuten W = 50 µm, R = 200 µm und S = 100 µm. In diesem Fall wäre jedes der Verhältnisse R/W = 4 und S/W = 7 größer als die bei dem vorge­ nannten Ausführungsbeispiel jeweils günstigen Werte. Dementsprechend ist die Packungsdichte der Josephson-Kontakte gering.

Obwohl bei dem obigen Ausführungsbeispiel zwei Flossenleitungs-Antennen 51 und 52 verwendet werden, können drei oder mehr Antennen verwendet werden. Eine Mehrzahl von Antennen anderer Art als der Flossenleitungsart kann auch benutzt werden, wenn die Antennen die Funktion haben, einen Wellenleiter-Wellentyp zu einem Streifenleitungs-Wellentyp (oder umgekehrt) zu wandeln. Der Wellentypwandler der vorliegenden Erfindung kann eine elektro­ magnetische Welle von einem Wellenleiter nicht nur an eine Josephson-Kontakt-Gruppe, sondern auch an andere Vorrichtungen oder Elemente liefern, und zwar über eine einfache Strei­ fenleitung 31, umfassend eine Masseschicht, eine Leiterleitung und eine zwischen der Masse­ schicht und der Leiterleitung angeordnete dielektrische Schicht. Der Wellentypwandler der vorliegenden Erfindung kann auch dazu verwendet werden, eine sich durch eine Streifenleitung ausbreitende elektromagnetische Welle einem Wellenleiter zuzuführen.

Ein Ausführungsbeispiel einer einfachen Umwandlung zwischen einem Wellenleiter-Wellentyp und einem Streifenleitungs-Wellentyp ist beispielsweise in Fig. 13 gezeigt, wobei alle Teile in Fig. 13, die Teilen in Fig. 1 entsprechen, mit demselben Bezugssymbol versehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede von Flossen 51a und 52a mit einem Ende von 1/4-Wellen­ längen-Streifenleitungen 71a und 71b verbunden, die jeweils nahezu parallel angeordnet sind, und jedes der anderen Enden der Streifenleitungen 71a und 71b ist mit einem Ende einer 1/4- Wellenlängen-Streifenleitung 71c verbunden. Das andere Ende der Streifenleitung 71c ist mit einem Ende der Streifenleitung 31 verbunden, und das andere Ende der Streifenleitung 31 ist ein Signaleingangs/Ausgangsanschluß. Zur Verbreiterung des Betriebsfrequenzbandes ist bedarfsweise ein Widerstandselement 72 zwischen den Verbindungspunkt der Flosse 51a mit der Streifenleitung 71a und den Verbindungspunkt der Flosse 52a mit der Streifenleitung 71b geschaltet. Wenn die Impedanzen der Streifenleitungen 71a, 71b und 71c Z₁, Z₂ bzw. Z₃ sind, ergibt sich Z₃ zu Z₃ = √(Z₁ × Z₂). Diese Streifenleitungen 71a, 71b, 71c und das Widerstands­ element 72 sind Komponenten einer sogenannten Wilkensonschen Multiplex/Verzweigungs­ einrichtung (Verbindungseinrichtung) 71. Die von den Antennen 51 und 52 empfangenen Wellen werden gemultiplext und dann der Streifenleitung 31 geliefert. Umgekehrt wird eine elektromagnetische Welle von der Streifenleitung 31 auf die Antennen 51 und 52 aufgeteilt. Wenn beispielsweise die Impedanz der Antennen 51 und 52 50 Θ beträgt, jede Impedanz der Streifenleitungen 71a und 71b 59,4 Θ beträgt, die Impedanz der Streifenleitung 71c 42,0 Θ beträgt, der Widerstandswert des Widerstandselements 72 100 Θ beträgt und die Impedanz der Streifenleitung 31 50 Θ beträgt, ergibt sich ein Multiplexen/Verzweigen mit guter Impedanzanpassung.

Wie oben erwähnt, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Antenne unter Beibehaltung derselben Empfindlichkeit wie eine herkömmliche Antenne zweifacher Wellenlänge in kompakter Größe ausgebildet werden, und die Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandlung kann, verglichen mit dem Stand der Technik, mit höherem Wirkungsgrad ausgeführt werden. Da die Antenne in kompakter Größe ausgeführt werden kann, können im Fall der aus Reihenschaltun­ gen von Josephson-Kontakten gebildeten Streifenleitung mehr Josephson-Kontakte auf dem Substrat 11 angeordnet werden, als beim Stand der Technik mit einem Substrat derselben Fläche. Im Fall des in Fig. 1A gezeigten Ausführungsbeispiels, werden 20% des Substrats 11 von dem Antennenabschnitt und 80% von dem Josephson-Kontakt-Gruppenabschnitt einge­ nommen, während bei dem in Fig. 5 gezeigten herkömmlichen Fall 36% der Antennenabschnitt einnimmt und 64% der Josephson-Kontakt-Gruppenabschnitt. In den beiden obigen Fällen ist die Antennenempfindlichkeit angenähert gleich. Wenn daher die Fläche des Substrats 11 gleich ist, kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine höhere Josephson-Spannung liefern, als die herkömmliche Vorrichtung.

Darüber hinaus kann gemäß der vorliegenden Erfindung jeder der Teilabschnitte der Streifenlei­ tung 31 von jeder der entsprechenden einen der Mehrzahl von Antennen gespeist werden, so daß jeder Teilabschnitt der langen Streifenleitung 31 ausreichend gespeist werden kann. Das heißt, wenn die Gesamtlänge der Streifenleitung gleich ist, ist bei der vorliegenden Erfindung die Streifenleitungslänge von einem Einspeisungspunkt zu einem Abschlußpunkt kürzer als im Fall des Standes der Technik, und der Streifenleitungsverlust ist entsprechend geringer. Auch dies führt verglichen mit dem Stand der Technik zu einer höheren Josephson-Spannung.

Dadurch, daß das Verhältnis R/W des Krümmungsdurchmessers R eines Wendeabschnitts einer Streifenleitung zur Breite W einer Signalleitung 29 auf angenähert 3,5 gesetzt wird, kann der Verlust durch eine kleine Krümmung verringert werden. Wenn ferner das Verhältnis S/W des Leitungsabstands S der Streifenleitungen zur Signalleitungsbreite W auf annähernd 1,5 gesetzt wird, kann der Leitungsabstand unter Beibehaltung des geringen Verlusts klein gemacht werden.

Dadurch schließlich, daß eine Flossenleitungs-Antenne verwendet wird, deren eingeschlossener Winkel weniger als 6,6 Grad beträgt, kann der Einsetzverlust verringert werden.

Wenn bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Größe des Substrats 10,5 × 17,0 mm² ist, R/W = 3,5 ist, S/W = 1,5 ist, die Anzahl von auf dem Substrat angeordneten Josephson- Kontakten 25.944 ist und eine Millimeterwelle von 94 GHz und 13 mW angelegt wird, erhält man eine Josephson-Spannung von 18,5 V. Dies ist gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung von 37%. Nebenbei bemerkt beträgt bei dem herkömmlichen Fall von Fig. 5 die Größe des Substrats 19 × 10,5 mm² und die Anzahl von auf dem Substrat angeordneten Josephson-Kontakten ist 18.992.

Claims (12)

1. Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandler, umfassend:
ein dielektrisches Substrat (11), von dem ein Teil in einen Wellenleiter (15) einsetzbar ist,
n auf einem in den Wellenleiter (15) einzusetzenden Abschnitt des Substrats (11) ausgebildete Antennen (51, 52), wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist,
eine auf einem Abschnitt des Substrats außerhalb des Wellenleiters (15) ausgebildete Streifenleitung (31), deren eines Ende mit einem Signaleingangs/Ausgangs-Anschluß verbunden ist, und
Verbindungsmittel (55, 56, 61-64) zum hochfrequenzmäßigen Anschluß des anderen Endes der Streifenleitung an jede der Antennen.

2. Wellentypwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Anten­ nen (51, 52) eine Flossenleitungsantenne ist, deren Länge gleich oder geringer als eine Wellen­ länge (reduzierte Wellenlänge auf einem Substrat) der verwendeten elektromagnetischen Welle ist.

3. Wellentypwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlos­ sene Winkel der Flossenleitungsantennen (51, 52) weniger als etwa 6,6 Grad beträgt.

4. Wellentypwandler nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Flossenleitungsantennen (51, 52) zwei beträgt, daß die beiden Flossenleitungsantennen parallel und in derselben Längsrichtung angeordnet sind, daß innere Flossen (51b, 52b) der beiden Antennen zu einem Körper integriert sind, und daß die Gesamtbreite der beiden parallel angeordneten Antennen etwa gleich der Innenhöhe des Wellenleiters (15) ist.

5. Wellentypwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Signalleitung (29) der Streifenleitung (31) Reihenschaltungen vieler Joseph­ son-Kontakte (27) umfaßt, die Streifenleitung hochfrequenzmäßig in 4n Streifenleitungsab­ schnitte unterteilt ist und beide Enden der Streifenleitung Ausgangsanschlüsse (42, 43) sind, und daß die Verbindungsmittel (55, 56, 61-64) jeweils eine Gruppe aus jeweils 4 der Streifenlei­ tungsabschnitte hochfrequenzmäßig mit einer der Antennen (51, 52) verbindet.

6. Wellenleiter/Streifenleitungs-Wellentypwandler, umfassend:
ein dielektrisches Substrat (11), von dem ein Teil in einen Wellenleiter (1 5) einsetzbar ist,
n auf einem in den Wellenleiter (15) einzusetzenden Abschnitt des Substrats (11) ausgebildete Antennen (51, 52), wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 2 ist,
eine auf einem Abschnitt des Substrats (11) außerhalb des Wellenleiters ausgebildete Streifenleitung (31) mit einer Signalleitung (29), die Reihenschaltungen vieler Josephson- Kontakte (27) umfaßt, wobei die Streifenleitung hochfrequenzmäßig in 4n Streifenleitungsab­ schnitte unterteilt ist und beide Enden der Streifenleitung Ausgangsanschlüsse (42, 43) sind, und
Verbindungsmittel (55, 56, 61-64) zum hochfrequenzmäßigen Verbinden von jeweils eine Gruppe aus jeweils 4 der Streifenleitungsabschnitte mit einer der Antennen (51, 52).

7. Wellentypwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Anten­ nen (51, 52) eine Flossenleitungsantenne ist, deren Länge gleich oder geringer als eine Wellen­ länge (reduzierte Wellenlänge auf einem Substrat) der verwendeten elektromagnetischen Welle ist.

8. Wellentypwandler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der einge­ schlossene Winkel der Flossenleitungsantennen (51, 52) weniger als etwa 6,6 Grad beträgt.

9. Wellentypwandler nach Anspruch 6 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Flossenleitungsantennen (51, 52) zwei beträgt, daß die beiden Flossenleitungsantennen parallel und in derselben Längsrichtung angeordnet sind, daß innere Flossen (51b, 52b) der beiden Antennen zu einem Körper integriert sind, und daß die Gesamtbreite der beiden parallel angeordneten Antennen etwa gleich der Innenhöhe des Wellenleiters (15) ist.

10. Wellentypwandler nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der acht Streifenleitungsabschnitte der Streifenleitung (31) so ausgebildet ist, daß die sich längs der Längsrichtung der Flossenleitungsantennen erstreckende Streifenleitung mehrfach um kehrt, daß vier dieser acht umkehrenden Streifenleitungsabschnitte parallel zu einer Verlängerung einer Mittellinie (50) zwischen den beiden Antennen (51, 52) auf deren einer Seite angeordnet sind, daß die anderen vier parallel zu der Verlängerung der Mittellinie auf deren anderer Seite ange­ ordnet sind, daß eine der beiden Antennen (51), die auf der einen Seite der Mittellinie angeord­ net ist, mit den vier Streifenleitungsabschnitten auf der entsprechenden Seite verbunden ist, während die andere, auf der anderen Seite der Mittellinie angeordnete Antenne (52) mit den anderen vier Streifenleitungsabschnitten auf der entsprechenden Seite verbunden ist.

11. Wellentypwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R/W des Krümmungsdurchmessers R eines Umkehrabschnitts einer Signallei­ tung (29) der Streifenleitung (31) zur Breite W der Signalleitung annähernd 3,5 beträgt.

12. Wellentypwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis S/W des Abstands S zwischen benachbarten Signalleitungen zur Breite W der Signalleitung annähernd 1,5 beträgt.