JP2002528899A - 電圧制御型バラクタ及びかかるバラクタを備えた制御可能な装置 - Google Patents
電圧制御型バラクタ及びかかるバラクタを備えた制御可能な装置Info
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- JP2002528899A JP2002528899A JP2000577729A JP2000577729A JP2002528899A JP 2002528899 A JP2002528899 A JP 2002528899A JP 2000577729 A JP2000577729 A JP 2000577729A JP 2000577729 A JP2000577729 A JP 2000577729A JP 2002528899 A JP2002528899 A JP 2002528899A
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- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Abstract
(57)【要約】
電圧制御型誘電バラクタは、誘電定数が低く、ほぼ平坦な表面を有する基板と、基板のほぼ平坦な表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成る。第1及び第2の電極はその間にギャップを形成するように分離されている。バラクタは、無線周波数信号を受ける入力と、無線周波数信号を与える出力とを有する。電極にバイアス電圧を印加すると、入力と出力の間のバラクタの容量が変化する。移相器及びバラクタを含むフィルタも記載されている。
Description
【0001】
本願は、1998年10月16日付け米国仮特許出願第60/104、504
号の優先権を主張する。
号の優先権を主張する。
【0002】
本発明は、一般的に、室温で動作する電圧制御型バラクタ及びかかるバラクタ
を有する制御可能な装置に関する。
を有する制御可能な装置に関する。
【0003】 位相調整アレイアンテナは、多数の素子により位相が制御された信号を発射さ
せて電波ビームを形成するアンテナである。この電波ビームは、個々のアンテナ
素子の相対位相を能動的に操作することにより電子的ステアリングが可能である
。この電子式ビームステアリングリン法は、送信機と受信機の両方に採用される
。位相調整アレイアンテナは、機械式アンテナと比較すると、速度、精度及び信
頼性の点で有利である。ジンバル走査式アンテナを電子走査式アンテナで置きか
えると、より迅速且つ正確に目標を捕捉同定することができる。位相調整アレイ
アンテナシステムにより、複雑な追跡を迅速且つ正確に行うことも可能である。
せて電波ビームを形成するアンテナである。この電波ビームは、個々のアンテナ
素子の相対位相を能動的に操作することにより電子的ステアリングが可能である
。この電子式ビームステアリングリン法は、送信機と受信機の両方に採用される
。位相調整アレイアンテナは、機械式アンテナと比較すると、速度、精度及び信
頼性の点で有利である。ジンバル走査式アンテナを電子走査式アンテナで置きか
えると、より迅速且つ正確に目標を捕捉同定することができる。位相調整アレイ
アンテナシステムにより、複雑な追跡を迅速且つ正確に行うことも可能である。
【0004】 位相調整アレイアンテナのビームステアリングのために、調整可能な移相器が
用いられる。この分野の特許には、米国特許第5,370,033;5,032
,805;及び5,561,407号に示すように、強誘電体移相器に関するも
のがある。これらの移相器は、強誘電体の基板上に移相変調素子として1または
それ以上のマイクロストリップラインを備えたものである。強誘電体の誘電率は
、基板上の電界強度を変えると変化する。基板の誘電率を制御すると、RF信号
がマイクロストリップラインを通過する際、位相がシフトする。それらの特許に
開示されたマイクロストリップ強誘電体移相器は、強誘電体基板の誘電定数が大
きいため導体損失が大きくインピーダンスマッチングに問題があるという欠点を
有する。
用いられる。この分野の特許には、米国特許第5,370,033;5,032
,805;及び5,561,407号に示すように、強誘電体移相器に関するも
のがある。これらの移相器は、強誘電体の基板上に移相変調素子として1または
それ以上のマイクロストリップラインを備えたものである。強誘電体の誘電率は
、基板上の電界強度を変えると変化する。基板の誘電率を制御すると、RF信号
がマイクロストリップラインを通過する際、位相がシフトする。それらの特許に
開示されたマイクロストリップ強誘電体移相器は、強誘電体基板の誘電定数が大
きいため導体損失が大きくインピーダンスマッチングに問題があるという欠点を
有する。
【0005】 将来の通信は、多量のデジタルデータを帯域全体にわたって伝送することがで
きるように広帯域の周波数ホッピング方式が使用されるであろう。これらの用途
に用いる重要なコンポーネントは、低コストで高速のチューナブルフィルタであ
る。チューナブルフィルタの制御回路により決まる順序で或る周波数帯域にわた
りデジタルデータを配分または符号化することができる。これにより、いくつか
のユーザーが共通の周波数範囲にわたってデータの送受信を行うことが可能とな
る。
きるように広帯域の周波数ホッピング方式が使用されるであろう。これらの用途
に用いる重要なコンポーネントは、低コストで高速のチューナブルフィルタであ
る。チューナブルフィルタの制御回路により決まる順序で或る周波数帯域にわた
りデジタルデータを配分または符号化することができる。これにより、いくつか
のユーザーが共通の周波数範囲にわたってデータの送受信を行うことが可能とな
る。
【0006】 バラクタは、個別部品として用いるか、あるいは低コストのチューナブルフィ
ルタに一体化することが可能である。これらのバラクタ及びフィルタは、無数の
商業上及び軍事的な用途において、Lバンドより上の周波数を含む多数の周波数
範囲において使用することができる。これらの用途には、(a)無線ローカルエ
リアネットワークシステム、パーソナル通信システム及び衛星通信システムのL
バンド(1−2GHz)チューナブルフィルタ、(b)衛星通信及びレーダーシ
ステムのための周波数ホッピングに用いるCバンド(4−6GHz)バラクタ及
びチューナブルフィルタ、(c)レーダーシステムに用いるXバンド(9−12
GHz)バラクタ及びフィルタ、(d)衛星テレビジョンシステムに用いるKu
バンド(12−18GHz)、及び(e)衛星通信のためのKAバンドチューナ
ブルフィルタが含まれる。
ルタに一体化することが可能である。これらのバラクタ及びフィルタは、無数の
商業上及び軍事的な用途において、Lバンドより上の周波数を含む多数の周波数
範囲において使用することができる。これらの用途には、(a)無線ローカルエ
リアネットワークシステム、パーソナル通信システム及び衛星通信システムのL
バンド(1−2GHz)チューナブルフィルタ、(b)衛星通信及びレーダーシ
ステムのための周波数ホッピングに用いるCバンド(4−6GHz)バラクタ及
びチューナブルフィルタ、(c)レーダーシステムに用いるXバンド(9−12
GHz)バラクタ及びフィルタ、(d)衛星テレビジョンシステムに用いるKu
バンド(12−18GHz)、及び(e)衛星通信のためのKAバンドチューナ
ブルフィルタが含まれる。
【0007】 現用で普通のバラクタは、シリコンGaAsをベースとしたダイオードである
。これらのバラクタの性能は、容量比Cmax/Cmin、周波数範囲及び特定の周波
数範囲における良度指数またはQファクタ(1/tan δ)により決まる。周波数
が最大2GHzのこれら半導体バラクタのQファクタは通常、非常に良好である
。しかしながら、周波数が2GHzを越えると、これらのバラクタのQファクタ
は急速に劣化する。実際、これらバラクタの10GHzにおけるQファクタは通
常約30にすぎない。
。これらのバラクタの性能は、容量比Cmax/Cmin、周波数範囲及び特定の周波
数範囲における良度指数またはQファクタ(1/tan δ)により決まる。周波数
が最大2GHzのこれら半導体バラクタのQファクタは通常、非常に良好である
。しかしながら、周波数が2GHzを越えると、これらのバラクタのQファクタ
は急速に劣化する。実際、これらバラクタの10GHzにおけるQファクタは通
常約30にすぎない。
【0008】 超伝導素子と共に電圧制御素子として薄膜強誘電体セラミックを用いるバラク
タが記載されている。例えば、米国特許第5,640,042号は、担持基板層
と、この基板上に付着された高温超伝導層と、金属層上に付着された薄膜強誘電
体層と、薄膜強誘電体層上に付着された複数の金属導電手段とより成り、これら
複数の金属導電手段が制御装置のRF伝送ラインと電気的接触関係にある薄膜誘
電体バラクタを開示している。超伝導素子と共に強誘電体素子を用いる別の制御
可能なキャパシタが、米国特許第5,721,194号に開示されている。 超伝導の発生に必要な温度よりも高い温度且つ最高10GHz及びそれ以上の
周波数で作動可能であり、同時に高いQファクターを維持するバラクタが要望さ
れている。さらに、かかるバラクタを備えたマイクロ波装置が要望されている。
タが記載されている。例えば、米国特許第5,640,042号は、担持基板層
と、この基板上に付着された高温超伝導層と、金属層上に付着された薄膜強誘電
体層と、薄膜強誘電体層上に付着された複数の金属導電手段とより成り、これら
複数の金属導電手段が制御装置のRF伝送ラインと電気的接触関係にある薄膜誘
電体バラクタを開示している。超伝導素子と共に強誘電体素子を用いる別の制御
可能なキャパシタが、米国特許第5,721,194号に開示されている。 超伝導の発生に必要な温度よりも高い温度且つ最高10GHz及びそれ以上の
周波数で作動可能であり、同時に高いQファクターを維持するバラクタが要望さ
れている。さらに、かかるバラクタを備えたマイクロ波装置が要望されている。
【0009】
電圧制御型誘電バラクタは、第1の誘電定数を有し、ほぼ平坦な表面を有する
基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な
表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可
能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及び第2の
電極はその間にギャップを形成するように分離されている。電極に印加されるバ
イアス電圧は、入力と出力の間におけるバラクタの容量を変化させる。
基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な
表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可
能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及び第2の
電極はその間にギャップを形成するように分離されている。電極に印加されるバ
イアス電圧は、入力と出力の間におけるバラクタの容量を変化させる。
【0010】 本発明はまた、かかるバラクタを備えた移相器を包含する。かかる移相器の1
つの実施例は、RF入力及びRF出力を有するラットレースカプラーと、ラット
レースカプラー上に位置する第1及び第2のマイクロストリップと、第1のマイ
クロストリップの端部に隣接して配置された第1の反射性終端部と、第2のマイ
クロストリップの端部に隣接して配置された第2の反射性終端部とより成り、第
1の反射性終端部と第2の反射性終端部はそれぞれ1つの制御可能なバラクタを
有する。
つの実施例は、RF入力及びRF出力を有するラットレースカプラーと、ラット
レースカプラー上に位置する第1及び第2のマイクロストリップと、第1のマイ
クロストリップの端部に隣接して配置された第1の反射性終端部と、第2のマイ
クロストリップの端部に隣接して配置された第2の反射性終端部とより成り、第
1の反射性終端部と第2の反射性終端部はそれぞれ1つの制御可能なバラクタを
有する。
【0011】 かかる移相器は、RF入力及びRF出力を有するマイクロストリップと、マイ
クロストリップから延びる第1及び第2の半径方向スタブと、第1の半径方向ス
タブ内にある第1のバラクタと、第2の半径方向スタブ内にある第2のバラクタ
とより成り、第1及び第2のバラクタはそれぞれ上記の制御可能なバラクタの1
つを有する。
クロストリップから延びる第1及び第2の半径方向スタブと、第1の半径方向ス
タブ内にある第1のバラクタと、第2の半径方向スタブ内にある第2のバラクタ
とより成り、第1及び第2のバラクタはそれぞれ上記の制御可能なバラクタの1
つを有する。
【0012】 本発明の平坦な強誘電バラクタは、種々のマイクロ波デバイスやチューナブル
フィルタにような他のデバイスにおいて位相ずれを発生するために使用可能であ
る。ここで説明するデバイスは、特異な設計で、10GHzを超える周波数でも
挿入損が低い。これらのデバイスは、低損失で制御可能な塊状または薄膜の誘電
素子を利用する。
フィルタにような他のデバイスにおいて位相ずれを発生するために使用可能であ
る。ここで説明するデバイスは、特異な設計で、10GHzを超える周波数でも
挿入損が低い。これらのデバイスは、低損失で制御可能な塊状または薄膜の誘電
素子を利用する。
【0013】
図面を参照して、図1及び2はそれぞれ、本発明に従って構成したバラクタ1
0の平面図及び断面図である。バラクタ10は、頂部表面14がほぼ平坦の基板
12を備えている。制御可能な強誘電体層16は、基板の頂部表面に隣接する位
置にある。1対の金属電極18、20は、強誘電体層の頂部上にある。基板12
は、MgO、アルミナ、LaAlO3、サファイアまたはセラミックのような誘
電率が比較的低い材料で形成されている。本発明の目的を達成するためには、低
い誘電率とは約30よりも小さい誘電率である。制御可能な強誘電体層16は、
誘電率が約20から約2000の範囲にあり、制御性が約10V/μmのバイア
ス電圧で約10%から約80%の範囲にある材料により形成されている。好まし
い実施例において、この層は、好ましくは、チタン酸バリウム−ストロンチウム
、BaxSr1-xTiO3(BSTO)(xが0から1の範囲にある)、またはBST
O複合セラミックである。かかるBSTO複合物の例は、これに限定されないが
、BSTO−MgO、BSTO−MgAl2O4、BSTO−CaTiO3、BS
TO−MgTiO3、BSTO−MgSrZrTiO6及びこれらの組合せである
。1つの好ましい実施例の制御可能な層は、典型的なDCバイアス電圧、例えば
、約5から約300ボルトの範囲の電圧を印加されると100よりも大きい誘電
率を有する。電極18と20の間には、幅gのギャップ22が形成されている。
このギャップの幅は、最小の容量Cminに対する最大の容量Cmaxの比率Cmax/
Cminを増加させ且つデバイスのQファクタを増加させるために最適化する必要
がある。ギャップの幅は、バラクタのパラメータに対して最も大きな影響を与え
る。最適幅gは、デバイスが最大の比率Cmax/Cminと最小の損失正接とを有す
る幅により決まる。
0の平面図及び断面図である。バラクタ10は、頂部表面14がほぼ平坦の基板
12を備えている。制御可能な強誘電体層16は、基板の頂部表面に隣接する位
置にある。1対の金属電極18、20は、強誘電体層の頂部上にある。基板12
は、MgO、アルミナ、LaAlO3、サファイアまたはセラミックのような誘
電率が比較的低い材料で形成されている。本発明の目的を達成するためには、低
い誘電率とは約30よりも小さい誘電率である。制御可能な強誘電体層16は、
誘電率が約20から約2000の範囲にあり、制御性が約10V/μmのバイア
ス電圧で約10%から約80%の範囲にある材料により形成されている。好まし
い実施例において、この層は、好ましくは、チタン酸バリウム−ストロンチウム
、BaxSr1-xTiO3(BSTO)(xが0から1の範囲にある)、またはBST
O複合セラミックである。かかるBSTO複合物の例は、これに限定されないが
、BSTO−MgO、BSTO−MgAl2O4、BSTO−CaTiO3、BS
TO−MgTiO3、BSTO−MgSrZrTiO6及びこれらの組合せである
。1つの好ましい実施例の制御可能な層は、典型的なDCバイアス電圧、例えば
、約5から約300ボルトの範囲の電圧を印加されると100よりも大きい誘電
率を有する。電極18と20の間には、幅gのギャップ22が形成されている。
このギャップの幅は、最小の容量Cminに対する最大の容量Cmaxの比率Cmax/
Cminを増加させ且つデバイスのQファクタを増加させるために最適化する必要
がある。ギャップの幅は、バラクタのパラメータに対して最も大きな影響を与え
る。最適幅gは、デバイスが最大の比率Cmax/Cminと最小の損失正接とを有す
る幅により決まる。
【0014】 制御可能な電圧源24は、ライン26及び28により電極18及び20に接続
されている。この電圧源は、強誘電体層にDCバイアス電圧を供給して該層の誘
電率を制御するために使用する。バラクタはまた、RF入力30とRF出力32
とを有する。RF入力及び出力はそれぞれ、半田づけまたはボンド接続により電
極18及び20に接続される。
されている。この電圧源は、強誘電体層にDCバイアス電圧を供給して該層の誘
電率を制御するために使用する。バラクタはまた、RF入力30とRF出力32
とを有する。RF入力及び出力はそれぞれ、半田づけまたはボンド接続により電
極18及び20に接続される。
【0015】 好ましい実施例において、バラクタは幅が5-50μm未満のギャップを用い
る。強誘電体層の厚さは約0.1μmから約20μmの範囲にある。ギャップ内
のシーラント34は、ギャップにアークを発生させないように高電圧の印加を許
容する高い絶縁破壊強度を持つ任意の非導電性材料でよい。好ましい実施例にお
いて、このシーラントはエポキシまたはポリウレタンでよい。
る。強誘電体層の厚さは約0.1μmから約20μmの範囲にある。ギャップ内
のシーラント34は、ギャップにアークを発生させないように高電圧の印加を許
容する高い絶縁破壊強度を持つ任意の非導電性材料でよい。好ましい実施例にお
いて、このシーラントはエポキシまたはポリウレタンでよい。
【0016】 バラクタの設計に大きな影響を与えるもう1つの寸法は、図1に示すギャップ
の長さLである。ギャップの長さLは、電極の端部36及び38の長さを変える
ことにより調整可能である。この長さのばらつきは、バラクタの容量に大きな影
響を及ぼす。ギャップの長さは、このパラメータに対して最適化される。ギャッ
プの幅が一旦選択されると、容量はこの長さLの線形関数となる。望ましい容量
を得るためには、長さLを実験的に、あるいはコンピュータによるシミュレーシ
ョンで決定することができる。
の長さLである。ギャップの長さLは、電極の端部36及び38の長さを変える
ことにより調整可能である。この長さのばらつきは、バラクタの容量に大きな影
響を及ぼす。ギャップの長さは、このパラメータに対して最適化される。ギャッ
プの幅が一旦選択されると、容量はこの長さLの線形関数となる。望ましい容量
を得るためには、長さLを実験的に、あるいはコンピュータによるシミュレーシ
ョンで決定することができる。
【0017】 制御可能な強誘電体層の厚さも、容量比Cmax/Cminに大きな影響を与える。
強誘電体層の最適な厚さは、最大の容量比Cmax/Cminが得られる厚さにより決
まる。図1及び2のバラクタの強誘電体層は、チタン酸バリウム−ストロンチウ
ム、BaxSr1-xTiO3(BSTO)、BSTO及び種々の酸化物、又は種々
のドーパントを添加したBSTO複合物のような薄膜、厚膜または塊状強誘電体
より成る。これら全ての材料は低い損失正接を示す。この説明の目的で、約1.
0GHzから約10GHzの範囲の周波数で作動させるためには、損失正接は約
0.0001から0.001の範囲にある。約10GHzから約20GHzの範
囲の周波数で作動させるためには、損失正接は約0.001から0.01の範囲
にある。約20GHzから約30GHzの範囲の周波数で作動させるためには、
損失正接は約0.005から0.02の範囲にある。
強誘電体層の最適な厚さは、最大の容量比Cmax/Cminが得られる厚さにより決
まる。図1及び2のバラクタの強誘電体層は、チタン酸バリウム−ストロンチウ
ム、BaxSr1-xTiO3(BSTO)、BSTO及び種々の酸化物、又は種々
のドーパントを添加したBSTO複合物のような薄膜、厚膜または塊状強誘電体
より成る。これら全ての材料は低い損失正接を示す。この説明の目的で、約1.
0GHzから約10GHzの範囲の周波数で作動させるためには、損失正接は約
0.0001から0.001の範囲にある。約10GHzから約20GHzの範
囲の周波数で作動させるためには、損失正接は約0.001から0.01の範囲
にある。約20GHzから約30GHzの範囲の周波数で作動させるためには、
損失正接は約0.005から0.02の範囲にある。
【0018】 電極は、所定幅のギャップを含む任意の幾何学的形状に形成可能である。本発
明に示すバラクタの容量を調整するに必要な電流は、通常、1μA未満である。
好ましい実施例において、電極材料は金である。しかしながら、銅、銀またはア
ルミニウムのような他の導体を用いてもよい。金は耐腐蝕性を有し、RF入力及
び出力に容易に接着できる。銅は高い導電率を有し、通常は、接着のために金を
、または半田づけのためにニッケルを被覆する。
明に示すバラクタの容量を調整するに必要な電流は、通常、1μA未満である。
好ましい実施例において、電極材料は金である。しかしながら、銅、銀またはア
ルミニウムのような他の導体を用いてもよい。金は耐腐蝕性を有し、RF入力及
び出力に容易に接着できる。銅は高い導電率を有し、通常は、接着のために金を
、または半田づけのためにニッケルを被覆する。
【0019】 図1及び2は、単一層より成る制御可能な塊状、厚膜または薄膜誘電体上に平
坦な電極が所定のギャップを形成するように分離された平坦な電圧制御型バラク
タを示す。電圧を印加すると制御可能な誘電体のギャップを横切る方向に電界が
発生し、これによりバラクタの容量が全体的に変化する。ギャップの幅は、要求
される性能に応じて5μmから50μmの範囲にある。バラクタは、半導体バラ
クタと共に常用されるような無数の制御可能なデバイスに一体化することが可能
である。
坦な電極が所定のギャップを形成するように分離された平坦な電圧制御型バラク
タを示す。電圧を印加すると制御可能な誘電体のギャップを横切る方向に電界が
発生し、これによりバラクタの容量が全体的に変化する。ギャップの幅は、要求
される性能に応じて5μmから50μmの範囲にある。バラクタは、半導体バラ
クタと共に常用されるような無数の制御可能なデバイスに一体化することが可能
である。
【0020】 本発明の電圧制御型誘電バラクタの好ましい実施例は、約1GHzから約40
GHzの周波数範囲で作動されると、Qファクタが約50乃至約10,000の
範囲になる。ギャップの距離が10及び20μm、周波数が3、10及び20G
Hzで測定したバラクタの容量(pF)及び損失正接(tanδ)を、図3a、3
b及び3cに示す。図3a、3b及び3cに示すデータに基づき、バラクタのQ
ファクタはほぼ以下の通りである。3GHzで200、10GHzで80、また
20GHzで45−55である。これとは対照的に、GaAsの半導体ダイオー
ドバラクタの典型的なQファクタは、2GHzで175、10GHzで35、さ
らに高い周波数では一段と低いものとなる。従って、10GHzに等しいかそれ
より高い周波数では、本発明のバラクタの方が非常に良好なQファクタを有する
。
GHzの周波数範囲で作動されると、Qファクタが約50乃至約10,000の
範囲になる。ギャップの距離が10及び20μm、周波数が3、10及び20G
Hzで測定したバラクタの容量(pF)及び損失正接(tanδ)を、図3a、3
b及び3cに示す。図3a、3b及び3cに示すデータに基づき、バラクタのQ
ファクタはほぼ以下の通りである。3GHzで200、10GHzで80、また
20GHzで45−55である。これとは対照的に、GaAsの半導体ダイオー
ドバラクタの典型的なQファクタは、2GHzで175、10GHzで35、さ
らに高い周波数では一段と低いものとなる。従って、10GHzに等しいかそれ
より高い周波数では、本発明のバラクタの方が非常に良好なQファクタを有する
。
【0021】 図4は、1.8GHzから1.9GHzの作動範囲で用いる本発明のバラクタ
を備えた移相器40の頂面図である。この移相器40は、ラットレースカプラー
(rat-race coupler)42、2つの反射性終端部44、46及び、図1に示すが図
4には図示しないバラクタに接続されたバイアス回路を有する。各反射性終端部
は、図1及び2の強誘電体バラクタとインダクタ48、50とが直列接続された
ものである。2つのDCブロック52、54は、それぞれラットレースカプラー
の入力56及び出力58のアームに取付けられている。DCブロックは、高容量
の表面実装型キャパシタまたは分散パスバンドフィルタ(distribution passband
filter)を用いるなどして公知の方法で構成することができる。
を備えた移相器40の頂面図である。この移相器40は、ラットレースカプラー
(rat-race coupler)42、2つの反射性終端部44、46及び、図1に示すが図
4には図示しないバラクタに接続されたバイアス回路を有する。各反射性終端部
は、図1及び2の強誘電体バラクタとインダクタ48、50とが直列接続された
ものである。2つのDCブロック52、54は、それぞれラットレースカプラー
の入力56及び出力58のアームに取付けられている。DCブロックは、高容量
の表面実装型キャパシタまたは分散パスバンドフィルタ(distribution passband
filter)を用いるなどして公知の方法で構成することができる。
【0022】 図4の移相器の実験結果として、0から300ボルトの直流バイアス電圧をバ
ラクタに加えることにより、図5に示すような結果が得られた。良度指数は約1
10であり、1.8GHzから1.9GHzの周波数範囲にわたり相対的な位相
ずれエラーは3%未満であった。移相器の挿入損は約1.0dBであるが、これ
は金属薄膜における損失及びミスマッチングに関連する0.5dBを含む。この
デバイスの動作温度は300K°であった。
ラクタに加えることにより、図5に示すような結果が得られた。良度指数は約1
10であり、1.8GHzから1.9GHzの周波数範囲にわたり相対的な位相
ずれエラーは3%未満であった。移相器の挿入損は約1.0dBであるが、これ
は金属薄膜における損失及びミスマッチングに関連する0.5dBを含む。この
デバイスの動作温度は300K°であった。
【0023】 図6は、装荷ライン62マイクロストリップ回路により構成された10GHz
の移相器60の平面図である。2つの平坦な強誘電体バラクタ10は、ライン6
2のギャップ64、66に組み込まれている。RF信号がそれぞれ、50オーム
のマイクロストリップ68、70を介して入力され、出力される。中央のマイク
ロストリップは、この例では40オームのインピーダンスを有する。4分の1波
長半径方向スタブ72、74、76、78を、インピーダンスマッチング用に使
用する。バラクタは、接点パッド80及びワイヤ82を介して印加されるDCバ
イアス電圧により制御される。2つのDCブロック84、86は、図4に示した
ものと同じである。図6の移相器の等価回路(DCブロックは含まず)を図7に
示す。バラクタの容量が0.4pFから0.8pFの範囲にあるデバイスの挿入
損(S21)、反射係数(S11)、反射係数(S11)及び位相ずれ(Δφ)
の計算値を図8a,8b及び8cに示す。図6の移相器の良度係数は、約0.5
GHzの周波数範囲にわたって180°/dBである。このデバイスは、位相ず
れの条件が100°未満の用途に好適である。
の移相器60の平面図である。2つの平坦な強誘電体バラクタ10は、ライン6
2のギャップ64、66に組み込まれている。RF信号がそれぞれ、50オーム
のマイクロストリップ68、70を介して入力され、出力される。中央のマイク
ロストリップは、この例では40オームのインピーダンスを有する。4分の1波
長半径方向スタブ72、74、76、78を、インピーダンスマッチング用に使
用する。バラクタは、接点パッド80及びワイヤ82を介して印加されるDCバ
イアス電圧により制御される。2つのDCブロック84、86は、図4に示した
ものと同じである。図6の移相器の等価回路(DCブロックは含まず)を図7に
示す。バラクタの容量が0.4pFから0.8pFの範囲にあるデバイスの挿入
損(S21)、反射係数(S11)、反射係数(S11)及び位相ずれ(Δφ)
の計算値を図8a,8b及び8cに示す。図6の移相器の良度係数は、約0.5
GHzの周波数範囲にわたって180°/dBである。このデバイスは、位相ず
れの条件が100°未満の用途に好適である。
【0024】 図9は、矩形の導波管の対称的なフィンライン上に4つの強誘電体バラクタを
備えたチューナブルフィルタ88の平面図である。本発明のこの実施例において
、電気的にチューナブルなフィルタは、数個の強誘電体バラクタをフィンライン
導波管上に実装することにより室温で実現される。フィンラインの構成は、厚さ
が0.2mmの3つの箔状銅プレート90、92、94を導波管96の中央部に
おいてその縦方向軸に沿って配置したものである。短絡端部フィンライン共振器
98、100を有する2つの横方向プレートは、導波管との接触により接地され
ている。中央プレート92は、DC電圧をかけるためマイカ102、104によ
り導波管から絶縁されており、制御可能な誘電体バラクタ106、108、11
0、112に制御電圧(Ub)を印加するために使用される。制御可能な誘電体
バラクタは、フィンライン共振器の端部においてプレート90と92の間、また
プレート94と92の間に半田づけされている。フランジ114、116はこれ
らのプレートを支持する。図9のフィルタの応答特性を図10に示す。ΔF−0
.8GHz(−4%)の制御周波数範囲において、このフィルタは、0.9dB
を超えない挿入損(Lo)と、レベルLoにおいてΔf/f−2.0%の帯域幅を
有する。中心周波数での反射係数は、制御範囲のいかなる点でも20dBを超え
なかった。制御の周波数範囲ΔFに含まれるフィルタのバンドΔfの数は、約Δ
F/Δf=2であった。高いバイアス電圧では、フィルタをさらに制御すること
が可能であることに注意されたい。
備えたチューナブルフィルタ88の平面図である。本発明のこの実施例において
、電気的にチューナブルなフィルタは、数個の強誘電体バラクタをフィンライン
導波管上に実装することにより室温で実現される。フィンラインの構成は、厚さ
が0.2mmの3つの箔状銅プレート90、92、94を導波管96の中央部に
おいてその縦方向軸に沿って配置したものである。短絡端部フィンライン共振器
98、100を有する2つの横方向プレートは、導波管との接触により接地され
ている。中央プレート92は、DC電圧をかけるためマイカ102、104によ
り導波管から絶縁されており、制御可能な誘電体バラクタ106、108、11
0、112に制御電圧(Ub)を印加するために使用される。制御可能な誘電体
バラクタは、フィンライン共振器の端部においてプレート90と92の間、また
プレート94と92の間に半田づけされている。フランジ114、116はこれ
らのプレートを支持する。図9のフィルタの応答特性を図10に示す。ΔF−0
.8GHz(−4%)の制御周波数範囲において、このフィルタは、0.9dB
を超えない挿入損(Lo)と、レベルLoにおいてΔf/f−2.0%の帯域幅を
有する。中心周波数での反射係数は、制御範囲のいかなる点でも20dBを超え
なかった。制御の周波数範囲ΔFに含まれるフィルタのバンドΔfの数は、約Δ
F/Δf=2であった。高いバイアス電圧では、フィルタをさらに制御すること
が可能であることに注意されたい。
【0025】 所定寸法の低損失(tanδ<0.02)誘電体の特異な例を用いることにより、本発
明は半導体バラクタの高周波数(>3GHz)性能を凌駕する高い高周波数高電
力バラクタを提供する。これらのバラクタの制御可能なデバイスへの使用は、本
発明により実現される。移相器及びチューナブルフィルタにおけるバラクタの特
別な利用例をいくつか説明した。本発明は、多くの実用的な用途を有し、開示し
たデバイスの多くの他の利用例が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
当業者にとって明らかであろう。さらに、本発明の制御可能な誘電体バラクタは
高いRF電力取扱い能力と低い電力消費率及び低コストを有する。
明は半導体バラクタの高周波数(>3GHz)性能を凌駕する高い高周波数高電
力バラクタを提供する。これらのバラクタの制御可能なデバイスへの使用は、本
発明により実現される。移相器及びチューナブルフィルタにおけるバラクタの特
別な利用例をいくつか説明した。本発明は、多くの実用的な用途を有し、開示し
たデバイスの多くの他の利用例が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく
当業者にとって明らかであろう。さらに、本発明の制御可能な誘電体バラクタは
高いRF電力取扱い能力と低い電力消費率及び低コストを有する。
【0026】 本発明はフィルタ、移相器、電圧制御発振器、遅延ライン、可同調共振器また
はこれらの任意の組合せのような室温電圧制御デバイスに利用可能な電圧制御型
塊状、厚膜及び薄膜バラクタを提供する。バラクタ、フィンラインチューナブル
フィルタ及び移相器の例を提供した。フィンラインフィルタは2またはそれ以上
のバラクタより成り、矩形導波管の対称的なフィンライン上に形成される。この
例の移相器は、ハイブリッドカプラーを有する反射性終端部と、平坦なバラクタ
を組み込んだ装荷ライン回路とを有する。この例の移相器は、2、10、20及
び30GHzの周波数で作動可能である。
はこれらの任意の組合せのような室温電圧制御デバイスに利用可能な電圧制御型
塊状、厚膜及び薄膜バラクタを提供する。バラクタ、フィンラインチューナブル
フィルタ及び移相器の例を提供した。フィンラインフィルタは2またはそれ以上
のバラクタより成り、矩形導波管の対称的なフィンライン上に形成される。この
例の移相器は、ハイブリッドカプラーを有する反射性終端部と、平坦なバラクタ
を組み込んだ装荷ライン回路とを有する。この例の移相器は、2、10、20及
び30GHzの周波数で作動可能である。
【0027】 本発明を現在において好ましい実施例につき説明したが、かかる実施例の種々
の変形例及び設計変更は頭書の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲か
ら逸脱することなく実現可能である。
の変形例及び設計変更は頭書の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲か
ら逸脱することなく実現可能である。
【図1】 図1は、本発明に従って構成した平坦な電圧制御型誘電バラクタの平面図であ
る。
る。
【図2】 図2は、線2−2に沿う図1のバラクタの断面図である。
【図3a】 図3aは、種々の動作周波数及びキャップ幅における本発明の電圧制御型バラ
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
【図3b】 図3bは、種々の動作周波数及びキャップ幅における本発明の電圧制御型バラ
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
【図3c】 図3cは、種々の動作周波数及びキャップ幅における本発明の電圧制御型バラ
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
クタの容量及び損失正接を示すグラフである。
【図4】 図4は、本発明のバラクタを組み込んだラットレースハイブリッドカプラーよ
り成るアナログ反射性終端部付き移相器の平面図である。
り成るアナログ反射性終端部付き移相器の平面図である。
【図5】 図5は、種々の周波数及びバイアス電圧において図4の移相器が発生させる位
相ずれを示すグラフである。
相ずれを示すグラフである。
【図6】 図6は、本発明に従って構成した平坦なバラクタを備えた装荷ライン回路移相
器の平面図である。
器の平面図である。
【図7】 図7は、図7の移相器の等価回路である。
【図8a】 図8aは、図6に示す装荷ライン移相器の性能データのシミュレーション結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図8b】 図8bは、図6に示す装荷ライン移相器の性能データのシミュレーション結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図8c】 図8cは、図6に示す装荷ライン移相器の性能データのシミュレーション結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図9】 図9は、本発明に従って構成した平坦なバラクタを有するフィンライン導波管
によるチューナブルフィルタの平面図である。
によるチューナブルフィルタの平面図である。
【図10】 図10は、図9のフィンラインによるチューナブルフィルタの測定データを示
すグラフである。
すグラフである。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年10月16日(2000.10.16)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0008
【補正方法】変更
【補正内容】
【0008】 超伝導素子と共に電圧制御素子として薄膜強誘電体セラミックを用いるバラ
クタが記載されている。例えば、米国特許第5,640,042号は、担持基板
層と、この基板上に付着された高温超伝導層と、金属層上に付着された薄膜強誘
電体層と、薄膜強誘電体層上に付着された複数の金属導電手段とより成り、これ
ら複数の金属導電手段が制御装置のRF伝送ラインと電気的接触関係にある薄膜
誘電体バラクタを開示している。超伝導素子と共に強誘電体素子を用いる別の制
御 可能なキャパシタが、米国特許第5,721,194号に開示されている。 Kozyrev A. et al., "Ferroelectric Films: Nonlinear Properties And Appl
ications In Microwave Devices", IEEE MIT-S International Microwave Sympo
sium Digest, US, New York, NY, IEEE, 7-12 June 1998, pages 985-988は、基
板上の制御可能な誘電層と、基板とは反対側の誘電層上の電極とを有する電圧制
御型バラクタを開示している。 超伝導の発生に必要な温度よりも高い温度且つ最高10GHz及びそれ以上の
周波数で作動可能であり、同時に高いQファクターを維持するバラクタが要望さ
れている。さらに、かかるバラクタを備えたマイクロ波装置が要望されている。
クタが記載されている。例えば、米国特許第5,640,042号は、担持基板
層と、この基板上に付着された高温超伝導層と、金属層上に付着された薄膜強誘
電体層と、薄膜強誘電体層上に付着された複数の金属導電手段とより成り、これ
ら複数の金属導電手段が制御装置のRF伝送ラインと電気的接触関係にある薄膜
誘電体バラクタを開示している。超伝導素子と共に強誘電体素子を用いる別の制
御 可能なキャパシタが、米国特許第5,721,194号に開示されている。 Kozyrev A. et al., "Ferroelectric Films: Nonlinear Properties And Appl
ications In Microwave Devices", IEEE MIT-S International Microwave Sympo
sium Digest, US, New York, NY, IEEE, 7-12 June 1998, pages 985-988は、基
板上の制御可能な誘電層と、基板とは反対側の誘電層上の電極とを有する電圧制
御型バラクタを開示している。 超伝導の発生に必要な温度よりも高い温度且つ最高10GHz及びそれ以上の
周波数で作動可能であり、同時に高いQファクターを維持するバラクタが要望さ
れている。さらに、かかるバラクタを備えたマイクロ波装置が要望されている。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0009
【補正方法】変更
【補正内容】
【0009】
【発明の概要】 電圧制御型誘電バラクタは、第1の誘電定数を有し、ほぼ平坦な表面を有する
基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な
表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可
能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及び第2の
電極はその間にギャップを形成するように分離されている。電極に印加されるバ
イアス電圧は、入力と出力の間におけるバラクタの容量を変化させる。制御可能
な強誘電性層は、チタン酸バリウム−ストロンチウム複合セラミックより成る。
基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な
表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可
能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及び第2の
電極はその間にギャップを形成するように分離されている。電極に印加されるバ
イアス電圧は、入力と出力の間におけるバラクタの容量を変化させる。制御可能
な強誘電性層は、チタン酸バリウム−ストロンチウム複合セラミックより成る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,UZ ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 ストウェル,スティーブン,シー アメリカ合衆国 メリーランド州 21045 コロンビア ウォンダリング・ウェイ 9525 (72)発明者 ズー,ヨンフェイ アメリカ合衆国 メリーランド州 21044 コロンビア リベンデル・レーン 5275 スイート 6 (72)発明者 セングプタ,ソンナス アメリカ合衆国 メリーランド州 21912 ウォーウィック ニュー・ヘブン・ブー ルバード 12 (72)発明者 チウ,ルナ,エイチ アメリカ合衆国 メリーランド州 21009 アビングトン ブッシュ・コート 3929 (72)発明者 ザング,クシュバイ アメリカ合衆国 メリーランド州 21044 コロンビア リベンデル・レーン 5275 スイート 6 (72)発明者 コジレフ,アンドレイ ロシア国 サンクトペテルブルグ 197342 ビボルグスカヤ,ナベレツァナヤ 69 /3 ナンバー101 Fターム(参考) 5J006 LA02 MA08 5J012 GA11
Claims (19)
- 【請求項1】 第1の誘電定数を有し、ほぼ平坦な表面を有する基板と、 第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な表面上
にある制御可能な強誘電体層と、 基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可能な強誘電体層の表面上にある第1及
び第2の電極とより成り、第1及び第2の電極はその間にギャップを形成するよ
うに分離されている電圧制御型誘電バラクタ。 - 【請求項2】 ギャップ内に絶縁材料を有する請求項1の電圧制御型誘電バ
ラクタ。 - 【請求項3】 制御可能な強誘電体層は約100を超える誘電率を有する請
求項1の電圧制御型誘電バラクタ。 - 【請求項4】 基板は約30未満の誘電率を有する請求項1の電圧制御型誘
電バラクタ。 - 【請求項5】 制御可能な誘電体層の誘電率は約20から約2000の範囲
にあり、制御率は約10V/μmのバイアス電圧で約10%から約80%の範囲
にある請求項1の電圧制御型誘電バラクタ。 - 【請求項6】 基板は、MgO3、アルミナ、LaAlO3、サファイア及び
セラミックより成る群の1つである請求項1の電圧制御型誘電バラクタ。 - 【請求項7】 制御可能な強誘電体層は、 強誘電体層の制御可能な厚膜と、 強誘電体の制御可能な塊状セラミックと、 強誘電体の制御可能な薄膜のうちの1つである請求項1の電圧制御型誘電バラ
クタ。 - 【請求項8】 制御可能な強誘電体層はRF信号をその第1の方向において
通過させるためのRF入力及びRF出力を有し、ギャップは第1の方向とほぼ垂
直な第2の方向に延びる請求項1の電圧制御型誘電バラクタ。 - 【請求項9】 RF入力及びRF出力を有するラットレースカプラーと、 ラットレースカプラー上に位置する第1及び第2のスタブと、 第1のスタブの端部に隣接して配置された第1の反射性終端部と、 第2のスタブの端部に隣接して配置された第2の反射性終端部とより成り、 第1の反射性終端部と第2の反射性終端部はそれぞれ、第1の誘電定数を有し
、ほぼ平坦な表面を有する基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数
を有し、基板のほぼ平坦な表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平
坦な表面とは反対の制御可能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極と
より成り、第1及び第2の電極はその間にギャップを形成するように分離されて
いる電圧制御型誘電バラクタより成る反射性終端部付き移相器。 - 【請求項10】 制御可能な強誘電体層は約100を超える誘電率を有する
請求項9の反射性終端部付き移相器。 - 【請求項11】 基板は約30未満の誘電率を有する請求項9の反射性終端
部付き移相器。 - 【請求項12】 第1の反射性終端部と第2の反射性終端部とはそれぞれバ
ラクタに直列接続されたインダクタを有する請求項9の反射性終端部付き移相器
。 - 【請求項13】 さらに第1及び第2のDCブロックを有し、第1のDCブ
ロックはRF入力に、また第2のDCブロックはRF出力に位置する請求項9の
反射性終端部付き移相器。 - 【請求項14】 RF入力及びRF出力を有するマイクロストリップと、 マイクロストリップから延びる第1及び第2の半径方向スタブと、 第1の半径方向スタブ内にある第1のバラクタと、 第2の半径方向スタブ内にある第2のバラクタとより成り、 第1及び第2のバラクタはそれぞれ、第1の誘電定数を有し、ほぼ平坦な表面
を有する基板と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほ
ぼ平坦な表面上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対
の制御可能な強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及
び第2の電極はその間にギャップを形成するように分離されている装荷ライン移
相器。 - 【請求項15】 制御可能な強誘電体層は約100を超える誘電率を有する
請求項14の装荷ライン移相器。 - 【請求項16】 基板は約30未満の誘電率を有する請求項14のの装荷ラ
イン移相器。 - 【請求項17】 矩形の導波管と、 導波管の縦方向軸に沿って位置し、1つが導波管から絶縁された3つの導電性
プレートと、 短絡端部付きフィンライン共振器を有し、導波管に接地された2つの横方向プ
レートと、 各々が各フィンライン共振器に接続された複数のバラクタとより成り、 制御可能なバラクタは、第1の誘電定数を有し、ほぼ平坦な表面を有する基板
と、第1の誘電定数よりも大きい第2の誘電定数を有し、基板のほぼ平坦な表面
上にある制御可能な強誘電体層と、基板のほぼ平坦な表面とは反対の制御可能な
強誘電体層の表面上にある第1及び第2の電極とより成り、第1及び第2の電極
はその間にギャップを形成するように分離されているチューナブルフィンライン
フィルタ。 - 【請求項18】 制御可能な強誘電体層は約100を超える誘電率を有する
請求項17のチューナブルフィンラインフィルタ。 - 【請求項19】 基板は約30未満の誘電率を有する請求項17のチューナ
ブルフィンラインフィルタ。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US10450498P | 1998-10-16 | 1998-10-16 | |
US60/104,504 | 1998-10-16 | ||
PCT/US1999/024161 WO2000024079A1 (en) | 1998-10-16 | 1999-10-15 | Voltage tunable varactors and tunable devices including such varactors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002528899A true JP2002528899A (ja) | 2002-09-03 |
Family
ID=22300851
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000577729A Pending JP2002528899A (ja) | 1998-10-16 | 1999-10-15 | 電圧制御型バラクタ及びかかるバラクタを備えた制御可能な装置 |
Country Status (12)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US6531936B1 (ja) |
EP (1) | EP1121725B1 (ja) |
JP (1) | JP2002528899A (ja) |
KR (1) | KR20010089308A (ja) |
CN (1) | CN1326599A (ja) |
AT (1) | ATE244459T1 (ja) |
AU (1) | AU1117500A (ja) |
CA (1) | CA2346856A1 (ja) |
DE (1) | DE69909313T2 (ja) |
EA (1) | EA200100448A1 (ja) |
ES (1) | ES2201797T3 (ja) |
WO (1) | WO2000024079A1 (ja) |
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CA2405115A1 (en) | 2000-05-02 | 2001-11-08 | Vitaly Osadchy | Microstrip phase shifter |
US8744384B2 (en) | 2000-07-20 | 2014-06-03 | Blackberry Limited | Tunable microwave devices with auto-adjusting matching circuit |
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