JP2005123761A - 超電導平面回路フィルタおよびそれを用いた無線受信機 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きさを変えずに、高温超電導体の複数の共振器の間の電磁結合量を所望のフィルタ特性に従って調節できる超電導平面回路フィルタを提供する。
【解決手段】 本発明に係る超電導平面回路フィルタは、高温超電導体パターンを用いて誘電体基板１１の表面に複数の共振器１２が形成されたフィルタ回路基板１０を用いる。このフィルタ回路基板においては、共振器と共振器との間の誘電体基板の表面に、共振器間の電磁結合量をパターン形状、例えば、パターン幅Ｍなどの変更により調節できる結合制御用パターン３０を配置する。したがって、フィルタ特性は所望によって変化されても、フィルタ回路基板およびそれを収納するキャビティの大きさは変わらない。この場合、結合制御用パターン３０は、原則的に高温超電導体パターンで形成するが、その替わりに誘電体からなるプレートを用いてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超電導平面回路フィルタに関し、特に、高温超電導体パターンを用いて誘電体基板の表面に複数の共振器が形成されたフィルタ回路基板を用いる超電導平面回路フィルタおよびそれを用いた無線受信機に関する。

携帯電話サービスなどの移動無線通信の飛躍的な普及により、準マイクロ波、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯域を利用する無線通信機器において希望周波数信号のみを通過させるために、急峻な濾波特性をもったフィルタが必要とされている。このような急峻な濾波特性をもったフィルタを実現するために、誘電体基板の上に、高温超電導体で構成した複数の共振器を多段に配置することが提案されている。このような例のものを、従来の常導電体で作ったものと比較すると、Ｑ値を２桁以上改良できることが分かった。

図５（Ａ）は、上述の提案の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の従来例を示す平面図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のラインＰ１−Ｐ１から見たフィルタ回路基板の断面図である。図５のフィルタ回路基板の誘電体基板１０１の表面には、１／２波長Ｕ字形状（ヘアピン形状）の複数の共振器１０２がラインＰ１−Ｐ１に沿って順次に上下の向きを変えながら配置され、全体として帯域通過フィルタを形成している。また、誘電体基板１０１の裏面にはグランドパターン１０６が形成されている。この共振器１０２、電極用パターン１０３，１０４およびグランドパターン１０６は、高温超電導体材料から形成されている。入力信号は、電極用パターン１０３に入力され、濾波されて電極用パターン１０４から出力される。この場合、共振器１０２と共振器１０２との間の間隔１０８ａ，１０８ｂが共振器１０２と共振器１０２との間の電磁結合量（共振器結合量）を決定している。

上述の電磁結合をも含めて図５で示されるものを等価回路で示すと図６のようになる。すなわち、等価回路は、図５の共振器１０２に基づき並列共振の中心周波数が同じである４つの共振素子２０２と、相互間が図５（Ｂ）の間隔１０８ａ，１０８ｂに対応して決まる結合量に基づく結合素子２０８ａ，２０８ｂとで示されている。また、電極用パターン１０３，１０４は、誘電体基板１０１の両端近くに配置された共振器１０２に対して間隔１０７をもって電磁結合をするように配置されている。このような構造の場合、図５で示される回路の通過帯域幅を変更しようとすると、共振器間の間隔１０８ａ，１０８ｂを変更しなければならない。これらの間隔１０８ａ，１０８ｂを変更すると、それに伴って誘電体基板１０１の大きさ、例えば、長さＬも変わってくる。

図７（Ａ）は、図５および図６で示された誘電体基板１０１を超電導平面回路フィルタとして組み立てたところを示している平面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のラインＰ３−Ｐ３から見た断面図である。ＲＦ入力コネクタ３０３と、ＲＦ出力コネクタ３０４とが組み付けられたキャビティ３０６の底面に誘電体基板１０１の裏面のグランドパターン１０６が接触するように配置し、誘電体基板１０１の外縁の数個所を固定用板ばね３０９によってキャビティ３０６の底面に固定する。その後に、ＲＦ入出力コネクタ３０３，３０４と、電極用パターン１０３，１０４とを接続部３０５のようにボンディング接続する。

このように組み立てられる超電導平面回路フィルタにおいて、上述したように誘電体基板１０１の長さＬが変わってくると、誘電体基板１０１を収納するためのキャビティ３０６の大きさも変更しなければならなくなる場合がある。また、急峻なスカート特性をもつフィルタを作成しようとするときには、共振器を図８のようにさらに多段に配置しなければならなくなる。しかし、このように常電導体パターンの共振器を多段に配置すると挿入損失が著しく増加してしまうという問題がある。そこで、フィルタの形成に超電導材料を利用することが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１０１４３１号公報 （第２図）

上述した多段構成のフィルタも超電導体パターンの共振器を用いれば、挿入損失が著しく増加すること無く作成することが比較的に容易である。しかし、共振器を多段に配置し、所望の特性を得るためには、共振器の間隔と結合量とに関する詳細なデータが必要であり、フィルタを実際に設計あるいは試作するには多大な時間が必要となる。また、これらの間隔の決定にはキャビティの大きさも関係し、それによっては誘電体基板の大きさも再設定する必要が生じてくる。すなわち、共振器と共振器との間の結合量が所望の値となるように、共振器と共振器の間隔だけで制御しようとすると、フィルタに与えようとする帯域幅などの特性が変わる毎にフィルタの誘電基板やキャビティの大きさを変えなければならず、開発、設計、試作に多大な時間や費用を必要とし、コスト高の主要な原因となっている。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、誘電体基板やキャビティの寸法を変えないでも、共振器の間の電磁結合量を調節できるようにし、所望のフィルタ特性の獲得を可能にさせることにより、類似しているフィルタに関しては、特性が異なっていたとしても、同じ寸法の誘電体基板やキャビティを使用することができるファミリ化構造とし、フィルタの開発、設計、試作に要する時間およびコストを大幅に低減できる超電導平面回路フィルタおよびそれを用いた無線受信機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本発明に係る超電導平面回路フィルタは、高温超電導体パターンを用いて誘電体基板の表面に複数の共振器が形成されたフィルタ回路基板を用いる超電導平面回路フィルタにおいて、前記共振器と共振器との間の誘電体基板の表面に、前記共振器間の電磁結合量をパターン形状変更により調節できる結合制御用パターンを有する。

このような構成によれば、フィルタを形成する各部のパターンは高温超電導体パターンで形成されているので、挿入損失は小さくすることができる。また、帯域幅などを決定する共振器間の電磁結合量は、結合制御用パターンのパターン幅などのパターン形状を変更することにより、誘電体基板の大きさを変えること無く容易に調整でき、所望のフィルタ特性を実現することができる。さらに、誘電体基板の大きさを変える必要がないことから、フィルタ特性が異なってもフィルタ回路基板を収納して超電導平面回路フィルタを完成するためのキャビティの寸法も変える必要が無く、ファミリ化が容易になる。

また、本発明に係る無線受信機は、請求項１記載の超電導平面回路フィルタと、増幅器と、前記超伝導平面回路フィルタ及び前記増幅器を収容する断熱容器と、前記断熱容器を冷却する冷却手段とを用いている。したがって、その無線受信機に必要なフィルタの帯域幅などを容易に設定することができる。

以上に詳述したように本発明の超電導平面回路フィルタによれば、フィルタを形成する各部のパターンは高温超電導体パターンで形成されているので、挿入損失は小さくすることができる。また、帯域幅などを決定する共振器間の電磁結合量は、結合制御用パターンのパターン幅などのパターン形状を変更することにより、誘電体基板の大きさを変えること無く容易に調整でき、容易に所望のフィルタ特性を実現することができる。さらに、誘電体基板の大きさを変える必要がないことから、フィルタ特性が異なってもフィルタ回路基板を収納して超電導平面回路フィルタを完成するためのキャビティの寸法も変える必要が無く、設計、試作、ファミリ化などが容易になる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第１の実施の形態を示す平面図、図２は、図１のフィルタ回路基板を用いて超電導平面回路フィルタを構成した場合の結合制御用パターンのパターン幅と、共振器結合量との関係を特性曲線で示すグラフ、図３（Ａ）は、本発明の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第２の実施の形態を示す平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のラインＰ７−Ｐ７から見たフィルタ回路基板の断面図、図４（Ａ）は、超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第３の実施の形態を示す平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のラインＰ８−Ｐ８から見たフィルタ回路基板の断面図である。

図１に示されたフィルタ回路基板１０に用いられる誘電体基板１１の上には、電極用パターン１３と、電極用パターン１３から間隔をあけて配置された下向きのＵ字形状（ヘアピン形状）の共振器１２と、下向きのＵ字形状の共振器１２から所定の間隔をあけて配置されたパターン幅Ｍの結合制御用パターン３０と、結合制御用パターン３０から間隔をあけて配置された上向きのＵ字形状の共振器１２と、上向きのＵ字形状の共振器１２から間隔をあけて配置された電極用パターン１４とが形成されている。また、誘電体基板１１の裏面にはグランドパターン（不図示）が形成されている。この例における共振器１２、結合制御用パターン３０、電極用パターン１３，１４およびグランドパターンは、高温超電導体材料から形成されている。入力信号は、電極用パターン１３に入力され、濾波されて電極用パターン１４から出力される。

上述のフィルタ回路基板１０を用いて超電導平面回路フィルタを図７に示されると同様な構成で作成すると、結合制御用パターン３０のパターン幅Ｍと、共振器間の電磁結合を示す共振器結合量との関係は、図２のように表される。したがって、図１に示されるようなフィルタ回路基板１０を設計する場合には、共振器１２を図１のように配置するとともに、所望のフィルタ特性を得るための共振器間の共振器結合量を設定するために、結合制御用パターン３０の図１のような形状およびパターン幅Ｍを図２の特性曲線に従って決定する。図２の特性曲線によれば、結合制御用パターン３０を配置しないフィルタ回路基板１０を用いた場合には、共振器結合量が“０．００３”であり、２．３ｍｍのパターン幅Ｗの結合制御用パターン３０を配置するとその共振器結合量が“０．０２５”に増加することが分かる。

図２の特性曲線から明らかなように、超電導平面回路フィルタの所望のフィルタ特性を実現するように、結合制御用パターン３０のパターン幅Ｍを“０．０ｍｍ”から“２．３ｍｍ”の間の適宜な値に設定することにより、結共振器間の共振器結合量を“０．００３”から“０．０２５”までの値に設定することができる。このようにすれば、作成する超電導平面回路フィルタの特性が異なっていても、特性が類似している限り、結合制御用パターン３０のパターン幅Ｍを変更するだけで所望の特性の超電導平面回路フィルタを実現でき、その場合、誘電体基板およびキャビティの寸法を同じ寸法にすることができる。この例においては、結合制御用パターン３０は、形状が矩形で、パターン幅Ｍのみを変更することとしたが、矩形を他の形状に変えてもよいし、共振器との相互位置関係を適宜に変更してもよいことはいうまでもない。

上述の例において、誘電体基板１１の材料としては、酸化チタン、ランタンアルミネート、酸化セリウムコートサファイア、酸化マグネシューム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウムが好ましい。また、この例における共振器１２、結合制御用パターン３０、電極用パターン１３，１４およびグランドパターンを形成するための高温超電導体材料からなる高温超電導体パターンは、ＹＢ２Ｃｕ３Ｏ７＿δを用いて、例えば、厚さ０．４μｍ〜１．０μｍの膜に形成するのが好ましい。なお、共振器１２は、高温超電導体材料から形成するが、その他のパターンは、高温超電導体材料以外の材料から構成してもよい。例えば、結合制御用パターン３０を誘電体材料のパターンあるいは誘電体材料のプレートに置き換えてもよい。

次に、この発明の超電導平面回路フィルタの第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は、本発明の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第２の実施の形態を示す平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のラインＰ７−Ｐ７から見たフィルタ回路基板の断面図である。図３のフィルタ回路基板１０ａにおいて、誘電体基板１１の表面には、１／２波長Ｕ字形状（ヘアピン形状）の複数の共振器１２がラインＰ７−Ｐ７に沿って順次に上下の向きを変えながら配置され、共振器間には、幅ｗａ，ｗｂの結合制御用パターン３８ａ，３８ｂが配置され、両端縁は電極用パターン１３，１４が配置され、全体として帯域通過フィルタを形成している。また、誘電体基板１１の裏面にはグランドパターン１６が形成されている。

図３のフィルタ回路基板１０ａにおいて、これらの共振器１２、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂ、電極用パターン１３，１４およびグランドパターン１６は、高温超電導体材料から形成されている。入力信号は、電極用パターン１３に入力され、濾波されて電極用パターン１４から出力される。この場合、共振器間の結合制御用パターン３８ａ，３８ｂが共振器間の共振器結合量を決定している。その他、誘電基板１１の材料、共振器１２、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂ、電極用パターン１３，１４およびグランドパターンを形成するための高温超電導体材料などについては図１で示されたものと同様なことが言える。特に、例えば、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂを誘電体材料のパターンあるいは誘電体材料のプレートに置き換えることも可能である。

次に、この発明の超電導平面回路フィルタの第３の実施の形態について図４（Ａ）および図４（Ｂ）を参照して説明する。図４（Ａ）は、超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第３の実施の形態を示す平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のラインＰ８−Ｐ８から見たフィルタ回路基板の断面図である。図４のフィルタ回路基板１０ｂにおいては、２枚の誘電体基板１１の間で図３と同様に、高温超電導材料からなる共振器１２、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂ、電極用パターン１３，１４が形成されているとともに、フィルタ回路基板１０ｂの上下の外面には高温超電導材料からなるグランドパターン１６が形成され、いわゆるトリプレートストリップライン構造の４段帯域通過フィルタとして形成されている。

図４の場合においても、通過帯域幅に主に関係する共振器間の結合量を共振器間の間隔の調整に依存せずに、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂのパターン幅ｗａ，ｗｂの調節で実現できるので、異なる通過帯域幅のフィルタを開発・設計・試作する際に同じ大きさのフィルタ回路基板に形成することができる。したがって、誘電体基板やキャビティをファミリ化することができ、設計時間の短縮、部品の共通化、コストの低減が可能となる点は、図１および図３の場合と同じである。同様に、結合制御用パターン３８ａ，３８ｂを誘電体材料のパターンあるいは誘電体材料のプレートに置き換えることも可能である。

携帯電話サービスなどの移動無線通信の飛躍的な普及により、準マイクロ波、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯域を利用する無線通信機器において希望周波数信号のみを通過させるために、急峻な濾波特性をもったフィルタが必要とされているが、このような急峻な濾波特性をもったフィルタを実現するために、上述の超電導平面回路フィルタを用いれば、Ｑ値が非常に高く保つことができ、フィルタ特性も容易に調節できる。したがって、例えば、新規な無線受信機などを短時間で設計・試作を行うことができ、ひいては、コストを大幅に低減することができる。例えば、図９は本発明の無線受信機の一例を示すブロック図であり、本発明の超伝導平面回路フィルタによる帯域フィルタ１と、増幅器（例えば低雑音増幅器）２と、これら帯域フィルタ１と増幅器２を断熱して収容する断熱容器３と、断熱容器３を冷却する冷却手段４と、増幅器２の出力端に設けられるチョークコイル５及びコンデンサ６とを備えている。

なお、増幅器２を動作させる直流電源は外部より供給される。そして、上記直流電源はチョークコイル５を通過して増幅器２に供給される。チョークコイル５では、直流は通過させるが、高周波は通過させない。よって、図９の回路では増幅器２によって増幅された信号がチョーク回路５を通過することはない。同様に、コンデンサ６はバイパスコンデンサであり、チョークコイル５から増幅器２に供給される直流電力をコンデンサ６で遮断して、直流はすべて増幅器２に供給されるようにしている。増幅器２で増幅された高周波信号はコンデンサ６を通過することができる。

本発明の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第１の実施の形態を示す平面図である。 図１のフィルタ回路基板を用いて超電導平面回路フィルタを構成した場合の結合制御用パターンのパターン幅と、共振器結合量との関係を特性曲線で示すグラフである。 （Ａ）は、本発明の超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第２の実施の形態を示す平面図である。 （Ｂ）は、（Ａ）のラインＰ７−Ｐ７から見たフィルタ回路基板の断面図である。 （Ａ）は、超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の第３の実施の形態を示す平面図である。 （Ｂ）は、（Ａ）のラインＰ８−Ｐ８から見たフィルタ回路基板の断面図である。 （Ａ）は、超電導平面回路フィルタに用いられるフィルタ回路基板の従来例を示す平面図である。 （Ｂ）は、（Ａ）のラインＰ１−Ｐ１から見たフィルタ回路基板の断面図である。 図５で示される超電導平面回路フィルタを示す等価回路である。 （Ａ）は、図５および図６で示された誘電体基板を超電導平面回路フィルタとして組み立てたところを示している平面図である。 （Ｂ）は、（Ａ）のラインＰ３−Ｐ３から見た断面図である。 共振器を多段に配置した場合の超電導平面回路フィルタの従来例を示す平面図である。 本発明の超伝導平面回路フィルタを用いた無線受信機の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 帯域フィルタ、２ 増幅器、３ 断熱容器、４ 冷却手段、５ チョークコイル、６ コンデンサ、１０，１０ａ，１０ｂ フィルタ回路基板、１１ 誘電体基板、１２ 共振器、１３，１４ 電極用パターン、１６ グランドパターン

Claims (2)

1. 高温超電導体パターンを用いて誘電体基板の表面に複数の共振器が形成されたフィルタ回路基板を用いる超電導平面回路フィルタにおいて、
   前記共振器と共振器との間の誘電体基板の表面に、前記共振器間の電磁結合量をパターン形状変更により調節できる結合制御用パターンを有することを特徴とする超電導平面回路フィルタ。
2. 請求項１記載の超電導平面回路フィルタと、増幅器と、前記超伝導平面回路フィルタ及び前記増幅器を収容する断熱容器と、前記断熱容器を冷却する冷却手段とを用いた無線受信機。

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