JP2005514842A - 共振器同調アセンブリおよび方法 - Google Patents

Abstract

プレーナフィルタを広範囲の中心周波数にわたり同調する装置および方法が開示される。同調アセンブリは、超伝導同調チップおよび、共振器の共振周波数を０．０１％以下の少なくとも１増分で未同調周波数の少なくとも約１０％ずつ変化させるために共振器またはその一部から十分な範囲の距離にわたり同調チップを移動させるように構成および適応されたアクチュエータを含む。同調チップの位置を制御するために、アクチュエータおよび位置センサが閉ループフィードバックシステムで使用され得る。本発明に従ったフィルタを同調する方法は、共振器の共振周波数を０．０１％以下の少なくとも１増分で少なくとも約１０％ずつ変化させるために共振器から十分な範囲の距離にわたり同調チップを移動させることを含む。

Description

本願は、２００２年１２月２７日、米国を除く全部の国を指定して米国内企業たるコンダクタス・インコーポレーテッドの名義によるＰＣＴ国際出願として出願されている。
本発明は、全体として電子フィルタの同調に、より詳細には、１つ以上の同調ピンを用いて広範囲の周波数にわたりフィルタを機械的に同調する装置および方法に関する。

電子フィルタは、無線通信を含む多様な用途において広範に使用されている。現代の無線通信システムは、フィルタ性能に厳しい要求条件を課している。通信チャネルの増大する需要は、割り当てられたスペクトルスロットのより効率的な使用を強いている。用途はますます、帯域幅内で精確な中心周波数および高い信号スループットを備える（０．０５％帯域幅程度の狭さの）超狭帯域フィルタとともに、精確な中心周波数および高い阻止を伴う帯域阻止フィルタを必要としている。どちらの場合も、フィルタ応答曲線は、使用可能な帯域幅の最大量が許容できないレベルのクロストークを伴うことなく利用され得るように、急峻なスカートを有していなければならない。フィルタはまた、信号損失を最小にするために、（例えば５，０００以上の）高いＱ値またはＱを有していなければならない。

精確なフィルタ周波数を得るために種々の同調手段が使用されている。例えば、コンダクタス・インコーポレーテッド（Conductus,Inc.）社に譲渡されている米国特許第５，９６８，８７６号は、超伝導の誘電性または磁気同調チップを有するばね式同調ピンを用いて共振器の共振周波数を同調することを開示している。共振周波数は、同調チップと共振器との間の距離を調整することによって調整される。そのような同調機構は一般に、他の性能パラメータを維持しつつフィルタによって得られる中心周波数の範囲が通常極めて小さいことから、実質的に中心周波数を変えるのではなく、フィルタの中心周波数を維持するために使用される。例えば、米国特許第５，９６８，８７６号に開示された形式の同調装置の場合、同調チップは一般に、約０．５ｍｍより近くまで共振器に進行するように設計されていない。同調範囲は通常、約８５０ＭＨｚ〜１．９ＧＨｚ程度の中心周波数について数メガヘルツである。

ここに開示される本発明は、広範な用途に適合するためにフィルタの広範囲な同調を可能にする。

全体として、本発明は、共振器およびフィルタの性能を維持しながら精確に広範囲の周波数にわたりプレーナ共振器およびフィルタを機械的に同調する同調アセンブリおよび方法を提供する。

本発明の１態様によれば、同調アセンブリは、同調チップと、０．０１％以下の少なくとも１増分で未同調周波数の少なくとも約１０％ずつ共振器の共振周波数を変化させるために共振器またはその一部から十分な範囲の距離を同調チップを移動させるように構成および適応されたアクチュエータと含む。

本発明の別の態様によれば、同調チップの位置を制御するために、アクチュエータおよび位置検出装置が閉ループフィードバックシステムにおいて使用される。

本発明の別の態様によれば、フィルタを同調する方法は、０．０１％以下の少なくとも１増分で少なくとも約１０％ずつ共振器の共振周波数を変化させるために共振器から十分な範囲の距離を同調チップを移動させることを含む。

本発明の他の目的および利益は、以下の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば明白となるであろう。

本発明は種々の修正および代替形態を受け入れることができ、その特定の実施形態が図面において例として図示されここに詳述される。しかし、特定の実施形態のここでの説明は本発明を開示された特定の形態に限定しようと意図するものではなく、反対に、その意図は、添付の請求の範囲に記載される本発明の精神および範囲に該当する全部の修正物、均等物および代替物を包含することであることを理解しなければならない。

ここに記載する本発明の実施形態は、マイクロストリップ構成によるフィルタおよび共振器についてのものである。マイクロストリップ構成において、誘電性基板は、導電性または超伝導体よりなる接地平面が一方の表面に堆積されている。反対の表面には１つ以上の共振器がパターン形成されており、各共振器は誘導性および容量性素子よりなる。共振器は、ヘアピン共振器および集中素子形共振器といった分散形態を含む多様な形式のものとすることができる。それはまた、インダクタのループと並列にかつその内側に配置されたインターディジタルキャパシタを備える半ループインダクタといった周波数依存形構成要素を有する共振器により実施され得る。本発明はまた、他のプレーナフィルタ構成によっても実施され得る。一般に本発明によれば、同調アセンブリは、基板上に堆積された超伝導薄膜としてよい超伝導同調チップおよび、同調チップと有効に接続されたアクチュエータを含む。あるいは、チップはバルク超伝導体から形成することもできる。アクチュエータは、共振器からある範囲の距離について同調チップを移動させるように構成されている。範囲は、共振器の共振周波数を少なくとも１０％変化可能にするほど十分に大きい。同調チップは、共振器の性能（例えばＱ）が共振周波数の範囲全体で実質的に維持されることを保証するための大きさおよび形状とされる。さらにアクチュエータは、共振周波数が各ステップにより０．０１％以下ずつ変化するように十分に小さいステップで共振器からある範囲の距離について同調チップを移動させるように構成され得る。

本発明に従った同調アセンブリを用いて、フィルタの中心周波数は、フィルタの性能が実質的に維持されながら、少なくとも１０％変えることができる。好ましい実施形態の１つにおいて、超伝導同調チップは、共振器から２５０ｎｍ以内までの精度で位置決めされる。

本発明の１態様に従った同調アセンブリの一般的特徴が図１において図式的に例示されている。同調アセンブリ１００は同調チップ１１０を備える。同調チップ１１０は、アクチュエータ１２０に支持されそれによって移動され得る。アクチュエータ１２０は、駆動装置１２２および、駆動装置１２２と接続された移動アーム１２４を含む。同調チップ１１０は、移動アーム１２４に取り付けられている。

同調アセンブリ１００は、いくつかの共振器１４０を含み得る（図１には１つだけ示す）フィルタ回路の少なくとも一部の上に同調チップ１１０を位置決めするように構成されている。例えば、共振器１４０は、内側にインターディジタル化キャパシタ１４４を備える半ループインダクタ１４２とすることができる。共振器は、誘電性基板１５０の上にパターン形成された超伝導体によって形成され得る。同調アセンブリ１００は、少なくとも１つの、しかし一般にはそれ以上の同調チップ１１０を含む。各同調チップ１１０は、そのそれぞれのアクチュエータに向けてまたはそれから離れるように独立して移動され得る。

中心周波数を広範囲にわたり同調するために、同調チップ１１０は、超伝導体で作られている。例えばそれは、酸化マグネシウム、サファイヤまたはアルミン酸ランタンといった誘電性基板上に堆積されたイットリウム−バリウム−銅酸化物（ＹＢＣＯ）といった酸化物超伝導体の薄膜とすることができる。それはまた、ＹＢＣＯまたは別の超伝導体のロッドまたはディスクといったバルクであってもよい。発明者らは、超伝導同調チップが、他の点では同一の同調アセンブリにおいて誘電性チップよりもはるかに広い同調可能範囲を生じることを発見した。しかし、以下でさらに詳述するように、広範囲の周波数にわたる精確な同調を達成するために誘電性同調チップを超伝導体チップと組み合わせて使用することができる。

駆動装置１２２は、移動アーム１２４を移動させることができる多様な装置としてよい。駆動装置１２２はさらに、電気信号で制御される装置とすることができる。例えば、駆動装置１２２は、コンピュータによって制御され得るステッピングモータとすることができる。リニアサーボモータおよび圧電アクチュエータといった他の装置もまた使用され得る。

必要な場合、同調チップの線形運動を生じるために歯車が使用できる。例えば、移動アーム１２４および同調チップ１１０を前進または後退させるためにウォームギヤが使用され得る。

各同調チップ１１０は、例えば半ループ１４２およびインターディジタル化キャパシタ１４４の組合せといった共振器１４０の少なくとも一部の上に位置決めされるように構成されている。同調チップが共振器１４０の十分に近くにある時、共振器１４０の共振周波数は同調チップによって影響される。このように共振器１４０の共振周波数は、同調チップと共振器１４０との間の距離により変化する。アクチュエータは、例えば３％、５％および１０％と、少なくとも約３％ずつ共振器１４０の共振周波数を変化させるように同調チップを移動させるために十分なレンジを有する。発明者らは、共振器から例えば約２５０ｎｍ以内といった極めて小距離まで超伝導同調チップを移動させることによって、共振器のＱを著しく低下させることなくそのような広範な同調を達成できることを発見した。５０％もの同調範囲が達成されており、さらに大きい範囲が達成可能なはずである。

アクチュエータはまた、共振器１４０の共振周波数が共振周波数の０．０１％未満の増分での同調チップの移動によって変化し得るほど十分な精度も有する。例えば、（カリフォルニア州サンホゼのニュー・フォーカス・インコーポレーテッド（New Focus, Inc.）から入手可能な）ピコモータ（Picomotor）８３２１−Ｖアクチュエータによれば、最小ステップは、９００ＭＨｚ近辺で１０ｋＨｚ未満の周波数増分に対応する、＜３０ｎｍである。他の装置および方法もまた、以下でさらに詳述するように、精密同調を達成するために使用され得る。

同調チップは好ましくは、最も高い電流密度を有する共振器の部分上に位置決めされる。一般に、これは同調チップをインダクタ上に位置決めすることを必要とする。図１９に示すように、超伝導同調チップがキャパシタ上ではなくインダクタ上に位置決めされた場合、共振器に向かう移動の各増分について中心周波数のより大きな変化が得られる。

同調チップは、意図した範囲の共振周波数全体で共振器１４０のＱを維持するための形状および大きさとされる。Ｑの劣化はフリンジ場を通る放射エネルギー損に主に起因すると考えられる。従って、同調範囲全体でＱを維持するためには、インダクタ１４２の寸法と少なくともほぼ同じ大きさである同調チップを有することが有利である。他の検討事項が同調チップ１００の望ましい大きさを制限するかもしれない。例えば、同調チップ１００の大きさは一般に、共振器１４０または同調チップが、共振器１４０に隣接するデバイスと相当に重なり合い、それらの動作に干渉するような大きさよりも著しく大きくあってはならない。従って、同調チップの下のインダクタのフットプリントとほぼ同じ大きさおよび形状である同調チップを有することが望ましい。例えば、内側にインターディジタル化キャパシタを備える方形の半ループを備える共振器の場合、半ループとほぼ同じ大きさである方形同調チップを有することが望ましい。

動作時、アクチュエータ１２０は、同調チップ１１０を共振器１４０に向けて前進させるかまたは、それから同調チップ１１０を後退させ、それによって共振器の共振周波数を変化させる。多極フィルタの場合、個々の共振器は、フィルタの特性周波数を変えるために集合的に同調され得る。フィルタのＱは、周波数変化の範囲全体で約１０，０００以上に維持される。

図２および３に図式的に例示された本発明の例示的実施形態において、４つの共振器を有するフィルタ２５０のための同調アセンブリ２００は、各共振器のための同調サブアセンブリを含む。同調アセンブリ２００およびフィルタ２５０は、真空容器（図示せず）において一緒に堅固に取り付けられている。各サブアセンブリは、同調チップ２１０およびアクチュエータ２２０を含む。各アクチュエータ２２０は、真空適合直流マイクロメータサーボモータパッケージ（ポリテック・ピー・アイ（Polytec PI）から入手可能な型番Ｍ−２２７．２５）の４つのサーボモータのうちの１つである。このサーボモータパッケージはまた、モータシャフト２２２の移動を制御するコンピュータにサーボモータをインタフェースするための４チャネル制御ボード（図示せず）を含む。各サーボモータ２２０は、６０ｎｍの精度で約２．５ｍｍの距離にわたりシャフト２２２を移動させることができる。

非回転式である各シャフト２２２は移動アーム２２４の一部をなす。移動アーム２２４の残部は、シャフト２２２に取り付けられた断熱材２２６、滑動ピンプッシングパッド２２８および滑動ピンアセンブリ２３０（２３０ａ〜２３０ｄの１つ）を含む。

より具体的に図３に言及すれば、滑動ピンアセンブリ２３０は、滑動ピン２３２、ブッシング２３４および偏倚ばね２３６を含む。滑動ピン２３２は、一端で同調ピン２１０に取り付けられており、他方端にフランジ２３８を形成する。ブッシング２３４は、滑動ピン２３２を保持し、滑動ピン２３２の移動をそれらの共通軸に沿った滑動に実質的に制限する。偏倚ばね２３６はブッシング２３４の凹部とフランジ２３８との間に配置され、同調アセンブリ２００が同調させるフィルタ上に取り付けられると、同調チップ２１０を共振器から離すように偏倚させる。

滑動ピンアセンブリ２３０の構成要素は、いずれかの適格な材料で作られ得る。極低温、すなわち超伝導体フィルタおよび同調チップが動作するように設計されている温度（例えば、特定の酸化物超伝導体の場合６０〜７０Ｋ）での動作のために、構成要素は、構成要素にそうした温度で各自の意図された機能を実行可能にさせる材料で作られる。例えば、ばね２３８およびブッシング２３４はベリリウム−銅合金または、極低温において十分な弾性を維持する他の材料で作ることができる。滑動ピンは、ステンレス鋼、バリウム−銅合金および他の適格な材料で作ることができる。

再び図２に、そして図４にさらに詳細に言及すれば、断熱材２２６は、サーボモータを非極低温で動作可能にしつつ、同調チップ２１０を極低温で動作可能にするように設計されている。例示的実施形態における断熱材２２６は、壁の大部分が切り抜かれているステンレスチューブである。ステンレス鋼の残りの狭いストリップ２２７は、移動アーム２２４の必要な構造的完全性および移動アーム２２４に沿った高耐熱性を付与する。断熱材のための他の材料および形状もまた使用され得る。

滑動ピンプッシングパッド２２８は、例示的実施形態ではステンレス鋼で作られているが、極低温に適格なあらゆる材料で作られ得る。各プッシングパッドは、断熱材２２６と滑動ピンアセンブリ２３０との間に延びており、両者間のあらゆる位置合わせ不良に適応する。例えば、図２に示された例示的実施形態において、滑動ピンアセンブリ２３０ａ〜ｄは線形配列で構成されているが、サーボモータシャフトは２×２正方行列にまとめられている。このように、いくつかのプッシュパッド（例えば２２８ｂおよび２２８ｃ）は、それぞれ、断熱材２２６ｂ、２２６ｃおよび滑動ピンアセンブリ２３０ｂ、２３０ｃ間を連結するために側方に拡張している。

同調アセンブリ２００は、例示的実施形態において以下のようにしてフィルタ２５０上に取り付けられる。フィルタ２５０は、真鍮でできたコールドプレート２６０上に取り付けられる真鍮製シールド２５２に入れられる。また、ベリリウム−銅製のシールドおよびコールドプレートも使用できる。エポキシ含浸ガラス繊維材料（多数の供給元から入手可能なＧ１０）といった絶縁体でできた絶縁フレーム２７０もまた、コールドプレート２６０上に取り付けられる。同調アセンブリ２００は真鍮製フレーム２８０に取り付けられ、それは転じて絶縁フレーム２７０に取り付けられる。移動アーム２２４は、真鍮製フレーム２８０および絶縁フレーム２７０を通りフィルタ２５０に向けて延びる。滑動ピンアセンブリのブッシング２３４は、シールド２５２のそれぞれの開口を通じてシールド２５２上に取り付けられる。滑動ピン２３２は、ブッシング２３４およびシールド２５２の開口を通って延びる。このようにして同調チップ２１０はフィルタ２５０の共振器の上方に位置決めされる。

動作時、フィルタ２５０および同調チップ２１０は、コールドプレート２６０およびシールド２５２を介してクライオクーラによって極低温に冷却される。サーボモータがそのシャフトを共振器の方へ駆動すると、対応する滑動ピン２３２および、従って同調チップ２１０は、偏倚ばね２３６の偏倚に抗して共振器の方へ押される。サーボモータがそのシャフトを共振器から離して駆動すると、対応する偏倚ばね２３６は伸張し、滑動ピン２３２および同調チップ２１０を共振器から後退させる。

図２、３および４に例示した形式の同調アセンブリは、図５に図式的に示された４極ノッチフィルタ５００における共振器の共振周波数を変えるために使用された。フィルタ５００は、アルミン酸ランタン基板にパターン形成されたＹＢＣＯで作られた。半ループインダクタ５１０の寸法は、約３ｍｍ×３．４ｍｍであった。大きさがほぼ５ｍｍの正方形である各ＹＢＣＯ同調チップは、半ループインダクタ５１０およびインターディジタル化キャパシタ５２０の組合せの上方に向き合って位置決めされた。

サーボモータは、サーボモータパッケージの制御ボードとのインタフェースとなり、様々な位置に関するサーボモータ位置をルックアップテーブルに格納するようにプログラムされたコンピュータによって制御された。ルックアップテーブルは、格納された同調パラメータを単純に呼び出すことによって共振器周波数の容易なスイッチングを可能にする。代替的に、較正実行からの最良適合曲線のパラメータを格納し、後で必要な同調パラメータを計算するために使用することができる。

図６において周波数対同調チップの動きのグラフに図示された通り、図５に示されたフィルタは、約１０ＭＨｚの未同調帯域幅（すなわち、共振器の共振周波数に対してほとんどいかなる影響も及ぼさないように同調チップが共振器から十分に遠く離れている状態）および約８３５ＭＨｚの中心周波数（相対移動＝０）を有していた。同調チップが各自の共振器に向けて動かされると、共振周波数は増加した。サーボモータの機械的レンジ（２．５ｍｍ）内で、共振器の共振周波数は、１０％以上の倍率で変化することができた。例えば、同調チップを共振器の上方に、約０．８ｍｍ（＃１）、約１．２ｍｍ（＃２）、約１．７ｍｍ（＃３）および約１．７ｍｍ（＃４）進めることによって、共振周波数は、約８９０ないし９００ＭＨｚに同調された。

類似の集合の測定は、図７に図式的に示された４極帯域フィルタ７００について行われた。フィルタは４つの共振器を含み、各々、インターディジタル化キャパシタ７２０を包囲する半ループインダクタ７１０よりなる。フィルタはまた、共振器間および接地平面への結合のための種々の容量性パッド７３０も含む。やはり、未同調共振器の共振周波数は８３０ないし８４０ＭＨｚであった。図８に示す通り、共振器の共振周波数は、共振器に向けた同調チップの前進により増加した。最大約１０％の周波数変化の範囲が得られた。

図７に図式的に示された４極帯域フィルタは、フィルタの帯域幅の１０倍である範囲にわたり図２、３および４に示した形式の同調アセンブリにより同調された。図９（ａ）に示す通り、フィルタは約１．３ＭＨｚの帯域幅を有し、当初約８３９ＭＨｚを中心としていた。フィルタはその後、その中心周波数を高めるために１０増分で同調され、各増分はフィルタの帯域幅、すなわち約１．３ＭＨｚであった。１０の異なる中心周波数におけるフィルタの周波数応答の合成グラフが図９（ｂ）に示されている。周波数シフトの最大範囲は、約１３ＭＨｚ、つまり初期値の約１．５％であった。同調アセンブリが周波数ステップを掃引する際に、初期の低い反射損および挿入損が維持されたことは明白である。最初の周波数掃引の間の増加の各段階の後、サーボモータ位置は以後の使用に備えて記憶された。フィルタの中心周波数はその後、適切なサーボモータ位置をルックアップテーブルから再ロードすることによって確実に再現できた。

同じ４極帯域フィルタ同調アセンブリは、それぞれ図１０〜１２に示されたように、３％、５％および１０％の中心周波数シフトを生じるために使用された。先行例の場合と同様、フィルタは約１．３ＭＨｚの帯域幅を有し、当初約８３９ＭＨｚを中心としていた。中心周波数の３％シフトの場合、フィルタはその後、その中心周波数を約８６４ＭＨｚに高めるために同調された。図１０（ａ）における上方同調されたフィルタの周波数応答曲線および、図１０（ｂ）における初期および最終周波数でのフィルタの周波数応答の合成グラフを参照されたい。

中心周波数の５％シフトの場合、フィルタはその後、８３９ＭＨｚから約８８９ＭＨｚに、つまり５０ＭＨｚ高く同調された。図１１（ａ）における上方同調されたフィルタの周波数応答曲線および、図１１（ｂ）における初期および最終周波数でのフィルタの周波数応答の合成グラフを参照されたい。

最後に、中心周波数の１０％シフトの場合、フィルタは８３９ＭＨｚから約９２３ＭＨｚに同調された。図１２（ａ）における上方同調されたフィルタの周波数応答曲線および、図１２（ｂ）における初期および最終周波数でのフィルタの周波数応答の合成グラフを参照されたい。上に例示された結果は、同調の方向に関わらず再現可能であると判明している。

本発明に従った同調アセンブリは、高いフィルタ性能を維持しながら、広範な同調範囲を達成する。例証として、図１７に示すように、４極ノッチフィルタが中心周波数の最大１９％の範囲にわたり手作業で同調された。フィルタのＱは、この範囲にわたり３０，０００超に保たれた。

図１３に図式的に示されたように、本発明の別の態様によれば、同調アセンブリ１３００は、フィードバック制御回路１３３０をさらに含む。フィードバック制御回路１３３０は、フィルタ１３５０の周波数応答といった特定のパラメータ１３４０を測定し、測定値および、（中心周波数といった）所要のフィルタパラメータを示す基準信号１３７０に基づき制御信号１３６０をアクチュエータ１３２０に出力する。各共振器のためのアクチュエータ１３２０は、信号１３６０に応答してそれぞれの同調チップ１３１０を移動させる。このプロセスは、フィルタ１３５０の各共振器について所要の共振周波数に達するまで継続する。

フィードバック制御回路１３３０は、図１４（ａ）に図式的に示されたように、フィルタパラメータを測定するための入力モジュール１３３２を含む。入力モジュール１３３２は、用途の必要性に応じて、完全なネットワークアナライザと同程度に精巧にするか、または固定掃引回路と同程度に単純にすることができる。例えば、出荷前フィルタ較正用には、ネットワークアナライザを備える制御回路を使用することができ、現場用途には、より単純な入力モジュールが使用され得る。

フィードバック制御回路はまた、コントローラ１３３４も含み、これは所要の制御機能を実行するようにプログラムされたプロセッサまたはコンピュータとしてよい。コントローラ１３３４は、必要な場合、フィルタパラメータを測定するように入力モジュール１３３２に命令し、測定値および基準信号１３７０に応答して制御信号１３６０を出力する。

また、同調チップ１３１０の移動は、図１４（ｂ）に図式的に例示された通り、フィードバック制御システムによっても遂行され得る。制御システム１４００は、プロセッサまたはコンピュータといったコントローラ１４１０を含み、これは、以下の例でさらに詳述する同調チップ位置センサ１４２０からの入力を受け取る。コントローラは、位置設定コマンド１４３０に基づきアクチュエータ１３２０を駆動する。アクチュエータ１３２０は、同調チップ１３１０を移動させ、それによって共振器周波数を調整する（１４４０）。

本発明の別の態様によれば、自動同調が実現され得る。ネットワークアナライザが４極ノッチフィルタの周波数応答を測定するために使用される。ネットワークアナライザの出力は、アクチュエータを駆動するための信号を計算するためにコンピュータによって使用される。

自動同調のためのアルゴリズムは、以下の検討事項によって選定された。自動アプローチが同調プロセスの人間的経験を定式化するはずである。手動同調の間において、オペレータはネットワークアナライザでの未同調フィルタ出力から始める。手動同調の方法は、周波数の特定の範囲において、この特定の事例では８３５〜８４５ＭＨｚにおいて、反射すなわちＲ（ｆ）をできる限り小さくし、８４５．２５〜８４６．２５ＭＨｚのノッチ範囲において伝送信号の値またはＴ（ｆ）を最小にすることである。これに従って、以下の自動同調アルゴリズムが開発され、これは、特定の汎関数の最小化の形式数学的アプローチを同調パラメータの関数として使用する。図１６ａおよび１６ｂに示された例において、同調はバラクターで行われたが、アルゴリズムは本発明の機械的同調に等しく適用可能である。アルゴリズムは以下のステップから構成される。

１．コンピュータが、ネットワークアナライザから全フィルタ帯域（ｆ_０，ｆ_１）における反射信号および伝送信号の値および、全部の同調電極のいずれかの開始位置を取得する。

２．関数Φ（ν_１，ν_２，．．．ν_ｉ）が以下の規則によって構成される（ここで、ν_１，ν_２，．．．ν_ｉは同調電極の位置である）。

式中、Ｆ（）は、ネットワークアナライザの対数出力Ｒ（ｆ），Ｔ（ｆ）を線形値に変換し、信号の極めて低い値を切り捨て、それによって汎関数Φの感度を電極位置に増大させるように設計されたカットオフ関数である。最初の段階で、関数Ｆ（）は、入力データを線形スケールに変形する。

Ｒ_{ｌｉｎｅａｒ}＝１０^{（Ｒ−Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）／１０} 式（２）

ここで、Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄはカットオフレベルである。その後、Ｆ（Ｒ_{ｌｉｎｅａｒ}）が以下の式によって計算される。

Ｆ（ｘ）＝０，ｘ＜１．０；Ｆ（ｘ）＝（ｘ−１．０）^２，ｘ≧１ 式（３）

３．汎関数Φ（ν_１，ν_２，．．．ν_ｉ）はパラメータのあらゆる値について計算され得るので、それは数学的アルゴリズムによる最小化の対象となり得る。多くの数値最小化アルゴリズムが、この目的に使用され得る。そのようなアルゴリズムは周知であり、例えば、ウィリアム・Ｈ．プレス他（William H. Press, et al.）、『ニューメリカル・レシピーズ・イン・シー（Numerical Recipes in C）』、ケンブリッジ・ユニバーシティ・プレス（Cambridge University Press）（１９９６）に見ることができる。２つのアルゴリズムが試験された。すなわち、（１）ディレクションズ・セット法（Directions Set Method）、前掲書、ｐ．４１２〜４１６および、（２）ダウンヒル・シンプレックス法（Downhill Simplex Method）、前掲書、ｐ．４０８〜４１２。両者の方法とも類似の最終結果を生じたが、第２のもののほうが検討された関数のクラスについてより高速な収束をもたらしたと考えられた。

アルゴリズムは独立変数について無限区間を前提としているので、電極の実際の位置はいずれかの区間［ａ，ｂ］を有するが、アルゴリズムに代入される変数は以下の公式によって計算される。

μ_ｉ＝Ａｒｔｈ（（２．０ν_ｉ−ａ−ｂ）／（ｂ−ａ）） 式（４）

これは電極の位置を区間［ａ，ｂ］から区間［−∞，＋∞］にマップする。このアルゴリズムは、μ_１，μ_２，．．．μ_ｉの値を変え、以下の式によって電極の実際の位置を計算し、

ν_ｉ＝０．５（ａ＋ｂ＋（ｂ−ａ）ｔｈ μ_ｉ） 式（５）

これは式（４）の逆関数である。

４．最小化の望ましい精度が得られない限り、アルゴリズムはステップ１に戻る。各ステップで、アルゴリズムは最小化された関数Φの可能な値の集合を生じ、収束の基準は以下である。

０．５（Φ_ｍａｘ−Φ_ｍｉｎ）／（Φ_ｍａｘ＋Φ_ｍｉｎ）＜ε 式（６）

ここで表記法は自明である。同調の全サイクルは、２３３ＭＨｚのＰＣで約３分かかる。コードはマイクロソフト・ビジュアル・ベーシック（Microsoft Visual Basic）６．０で書かれた。

本発明に従った同調アセンブリおよび方法の別の例が、図１５（ａ）および１５（ｂ）に図式的に例示されている。同調アセンブリ１５００は、１つ以上の超伝導同調チップ１５１０を含み、各々は移動アーム１５２４に取り付けられており、これは、小型ステッピングリニアアクチュエータ（リン・エンジニアリング（Lin Engineering）部品番号ＬＳ１０Ｎ２０Ｓ−００１）といったモータドライブ１５２２に取り付けられ、それによって移動可能である。モータドライブ１５２２は断熱フレーム１５８０に取り付けられており、これは転じてベース１５６０に取り付けられている。高温超伝導体フィルタ１５５０が真鍮製ハウジング１５５２の内部にシールドされており、それもまたベース１５６０に取り付けられている。同調チップ１５１０は、フィルタの個々の共振器（図示せず）の上方に位置決めされる。同調チップと各自の共振器との間の距離は、モータドライブ１５２２によって調整される。図２および３に示した同調アセンブリで使用されているものと類似の他の構成要素が、種々の設計検討事項に対処するために使用され得る。例えば、フィルタ１５５０を極低温に維持しながらモータドライブ１５２２を非極低温で動作可能にするために、移動アーム１５２４に沿って断熱材を備えることができる。

さらに、同調アセンブリ１５００は、同調チップ１５１０の位置または動きを測定するセンサアセンブリ１５９０を含む。同調チップの位置または動きの測定は、同調チップ１５１０の閉ループフィードバック制御を助成する。そのような制御は一般に、モータドライブの機械的特性が多様な理由で時間とともに変化し得るので、モータドライブの規定の、またはたとえ校正されたにせよ、ステップ距離に単に頼るだけよりも、より精確である。

例示的実施形態におけるセンサアセンブリは、１つ以上の光学（赤外波長を含む）センサ１５９２を備えるが、付加的または代替的に磁気または容量性センサといった他の適格なセンサを備えることができる。光学位置センサは周知である。例示的実施形態において、各光学センサは、発光ダイオード（ＬＥＤ、ハネウェル／マイクロスイッチ（Honeywell/Microswitch）、部品番号ＳＥＰ８７０６−００３）といった発光器および、ホトダイオードまたはホトトランジスタ（ハネウェル／マイクロスイッチ（Honeywell/Microswitch）、部品番号ＳＤＰ８４０６−００３）といった受光器を含む。チップ位置の変化は、以下に限らないが、直読（発光器が受光器に向けてまたは離れて動く）、ビーム経路の遮断（シャッターが発光器／受光器の対に対して移動する）または反射（反射器が発光器／受光器の対に対して移動する）を含む、多様な方式で測定され得る。例示的実施形態におけるセンサアセンブリは反射形式のものであり、反射器またはセンサフラグ１５９６が移動アーム１５２４に取り付けられているか、または一体化されている。図１５（ｃ）を参照されたい。従って、同調チップ１５１０の位置は、発光器から受光器への光ビームの反射に基づいて測定され得る。同調チップの検出された位置または動きは、チップが所要の位置に着くまで同調チップを前進または後退させるモータドライブコントローラへの入力として表示または使用され得る。

また、フィルタの精確で広範囲の同調は、本発明に従った他の方式でも実現され得る。例えば、図１８（ａ）に例示されたように、フィルタ１８００は、上述のように半ループインダクタ１８２０の内側ではなく外側にインターディジタルキャパシタ１８３０を有する共振器１８１０を含み得る。フィルタはまた、隣り合う共振器間の結合部材１８４０も含む。図１８（ｂ）に例示されるように、フィルタ１８５０は、半ループインダクタ１８７０およびインターディジタルキャパシタ１８８０の位置が図１８（ａ）でのそれらに対して反転している共振器１８６０および図１８（ａ）のものに類似の共振器間結合部材１８９０を有することもできる。同調アセンブリは、広範囲の同調を達成するために半ループインダクタ１８２０、１８７０またはインターディジタルキャパシタ１８３０、１８８０の上方に同調チップを位置決めするように構成され得る。本発明の発明者らは、図１９に示すように、半ループインダクタの上方に同調チップを位置決めすることによって得られる同調範囲が、インターディジタルキャパシタの上方に同調チップを位置決めすることによるよりも大きくなることを発見した。

その異なる部品の２つ以上における共振器を同調できる能力は、広範囲の周波数にわたり精確にフィルタを同調できる別の方法を提供する。図１８（ａ）のフィルタ１８００を再び例として使用すれば、粗同調のための第１の同調チップが半ループインダクタ１８２０の上方に位置決めされ、微同調のための第２の同調チップがインターディジタルキャパシタ１８３０の上方に位置決めされ得る。第２の同調チップは、超伝導体または誘電性材料としてよい。誘電性チップは、超伝導体チップよりもはるかに小さい同調範囲を生じる。このようにして、誘電性チップを微同調のために使用することができる。同調範囲はインダクタからよりもインターディジタルキャパシタからのほうが小さいので、中心周波数を第２の同調チップの範囲に持ってくるために第１の同調チップを使用した後、所要の周波数を精確に得るために第２の同調チップを使用することができる。

中心周波数の粗同調はまた、フィルタの帯域幅の同調と組み合わせることができる。この場合、超伝導体または誘電性材料のどちらかの同調チップが、２つの共振器１８４０の間にあるキャパシタ上に位置決めされる。チップがキャパシタに向けてまたはそれから離れて移動されると、共振器間の結合強度は変化し、帯域幅を変化させる。超伝導チップの場合、キャパシタに向けてチップを移動させると、静電容量を減少させ帯域幅を狭める。誘電性チップの場合、キャパシタに向けてチップを移動させると、静電容量を増大させ帯域幅を広げる。

粗／微同調の別の方式は、各同調チップにつき２つのアクチュエータを採り入れる。ステッピングモータといった長いレンジを備える粗動アクチュエータが、転じて同調チップを保持する圧電アクチュエータといった短いレンジを備える精密装置を保持する。

粗／微同調の別の方式は、微同調を達成するためにバラクターを採り入れる。米国特許出願第０９／６３３５９２号は、超伝導フィルタを同調するためにバラクターの使用を記載している。

このようにして、本発明に従った装置および方法は、フィルタ性能の著しい犠牲を伴うことなく、フィルタの正確で広範囲の同調を提供する。一般に、本発明を用いて、使用者は、周波数帯を変えることにより所望の周波数帯または一連の事象を指定することができる（図２０の２０１０）。本発明に従った装置は、制御信号を相応に生成し（２０２０）、アクチュエータにより同調チップを位置決めする（２０３０）。同調チップの位置決めは、共振器の共振周波数またはフィルタにおける種々の共振器間の結合を設定し（２０４０）、それによってフィルタを所望の帯域に設定する（２０５０）。

そのような能力は、従来のフィルタにまさる多数の利益を提供する。例えば、広範囲の周波数にわたり同調可能なフィルタは、現場用途における柔軟性を付与する。最終使用者は、使用者の必要性が変わったか、またはフィルタの中心周波数が時間とともにずれたかのどちらの理由でも、フィルタの中心周波数を変えることができる。また、アクチュエータを駆動するためのコントローラは、フィルタの中心周波数を定期的に検査し、必要に応じて自動的にフィルタを再同調するようにプログラムされ得る。従って、特注周波数を備える複数のフィルタを特別に注文するか、または再同調のためにフィルタをオフラインで工場に送り返す必要は、低減または排除される。フィルタ製造者にとっては、汎用フィルタを製造および用意しておくことができ、フィルタの中心周波数は迅速な出荷のために受注設定できる。フィルタはまた、商用および軍用の周波数ホッピング用途のために、ある範囲の周波数を走査したり、または所定の周波数の集合内でジャンプしたりするようにプログラムすることができる。

上述の特定の実施形態は例示的なものにすぎず、本発明は、ここでの教示の利益を有する当業者には明白な別様であるが等価な態様において修正および実施され得る。さらに、ここに示された構成または設計の詳細には、以下の特許請求の範囲に記載されているところ以外、いかなる制限も意図されていない。従って、上述の特定の実施形態は変更または修正することができ、全部のそのような変更例は本発明の範囲および精神の範囲内とみなされることは明白である。従って、ここで求められる保護は、以下の特許請求の範囲に記載された通りである。

本発明の実施形態を図式的に示す。 本発明の別の実施形態を図式的に示す。 図２のアクチュエータの部分の詳細を図式的に示す。 図２のアクチュエータにおいて使用される断熱材の詳細を図式的に示す。 ４極ノッチフィルタを図式的に示しており、そのフィルタの個々の共振器の同調の結果は図６に示される。 図５に示されたノッチフィルタにおける共振器について共振周波数を同調チップ移動の関数として図式的に示す。 ４極帯域フィルタを図式的に示しており、そのフィルタの個々の共振器の同調の結果は図８に示される。 図７に示された帯域フィルタにおける共振器について共振周波数を同調チップ移動の関数として図式的に示す。 図７の帯域フィルタの周波数応答を示す。 図７の帯域フィルタの周波数応答を示しており、フィルタの中心周波数はフィルタの帯域幅の１０倍の範囲にわたり同調されている。 図７の帯域フィルタの周波数応答を示しており、フィルタの中心周波数は３％の範囲にわたり同調されている。 図１０ａに示された周波数応答の一部をより詳細に示す。 図７の帯域フィルタの周波数応答を示しており、フィルタの中心周波数は５％の範囲にわたり同調されている。 図１１ａに示された周波数応答の一部をより詳細に示す。 図７の帯域フィルタの周波数応答を示しており、フィルタの中心周波数は１０％の範囲にわたり同調されている。 図１２ａに示された周波数応答の一部をより詳細に示す。 本発明の別の態様に従ったフィードバック制御回路を備える同調アセンブリをブロック図形式で示す。 フィードバック制御回路をブロック図形式で示す。 本発明の別の態様に従った別のフィードバック制御回路を備える同調アセンブリをブロック図形式で示す。 本発明の別の態様に従った同調アセンブリを示す。 図１５ａに示された同調アセンブリの構成要素の分解図である。 本発明の態様に従った同調アクチュエータを図式的に示す。 自動同調が本発明の態様に従って実行される以前のフィルタの周波数応答を例示する。 図１６ａに示された同調前の周波数応答についてのものと同じであるが、本発明の態様に従って自動同調が実行された後のフィルタの周波数応答を例示する。 様々な中心周波数に同調された４極ノッチフィルタのＱ測定値の結果を示す。 本発明の態様に従った４極帯域フィルタの２つの機器構成を図式的に示す。同調アセンブリの同調チップは半ループインダクタまたはインターディジタルキャパシタの上方に位置決めされ得る。 本発明の態様に従った４極帯域フィルタの２つの機器構成を図式的に示す。同調アセンブリの同調チップは半ループインダクタまたはインターディジタルキャパシタの上方に位置決めされ得る。 それぞれ図１８ａおよび１８ｂに示された形式のフィルタ回路における半ループインダクタおよびインターディジタルキャパシタの上方に同調チップを位置決めすることによって得られる同調範囲を図式的に示す。 本発明の構成要素のブロック図を示す。

Claims (21)

1. 共振器の共振周波数を同調するための同調アセンブリであって、共振器はキャパシタおよびインダクタを含んでおり、同調アセンブリは、
   （ａ）超伝導同調チップと、
   （ｂ）同調チップと有効にリンクされ、同調チップを共振器からある範囲の距離に位置決めするように構成配置されたアクチュエータとを含み、範囲は共振器の共振周波数を共振周波数の少なくとも約１％変化させるために十分である、同調アセンブリ。
2. アクチュエータはさらに、同調チップと共振器との間の距離を、共振周波数の約０．０１％以下の共振周波数変化に対応するステップで変化させるように構成配置されている、請求項１の同調アセンブリ。
3. アクチュエータは、駆動装置および、駆動装置と同調チップとの間を連結する移動アームを含む、請求項１の同調アセンブリ。
4. 駆動装置は電気モータよりなる、請求項３の同調アセンブリ。
5. 同調チップは、インダクタのフットプリントと少なくとも同程度の大きさを有する超伝導体である、請求項３の同調アセンブリ。
6. 駆動装置は同調チップよりも高い温度で動作するように構成配置されており、移動アームは同調チップと駆動装置との間に配置された断熱材を含む、請求項３の同調アセンブリ。
7. 同調チップの位置を測定するために構成された位置検出装置をさらに含む、請求項１の同調アセンブリ。
8. 位置検出装置は反射装置である、請求項７の同調アセンブリ。
9. 位置検出装置は直読装置である、請求項７の同調アセンブリ。
10. 位置検出装置はビーム経路遮断装置である、請求項７の同調アセンブリ。
11. 位置検出装置およびアクチュエータは、同調チップと共振器との間の距離を制御するように意図された閉ループフィードバック制御システムで使用されている、請求項７の同調アセンブリ。
12. 共振器の出力周波数を測定するための周波数検出装置をさらに含む、請求項１の同調アセンブリ。
13. 周波数検出装置およびアクチュエータは、同調チップと共振器との間の距離を制御するように意図された閉ループフィードバック制御システムで使用されている、請求項１２の同調アセンブリ。
14. 共振器の共振周波数を同調するための同調アセンブリであって、共振器はキャパシタおよびインダクタを含んでおり、同調アセンブリは、
    （ａ）複数の同調チップと、同調チップのうちの少なくとも１つは超伝導体よりなり、
    （ｂ）複数のアクチュエータとを含み、各アクチュエータは対応する同調チップと有効にリンクされており、各アクチュエータは対応する同調チップを共振器からある範囲の距離にわたり位置決めするように構成されている、同調アセンブリ。
15. 同調アセンブリは、超伝導体よりなる同調チップに対応するバラクターをさらに含み、バラクターは共振器の共振周波数をある範囲の周波数にわたり変更するように構成されており、バラクターによって変更される周波数の範囲は同調チップによって生じる周波数変動の範囲より小さい、請求項１４の同調アセンブリ。
16. 複数のアクチュエータの第１のものがその対応する同調チップをインダクタからある範囲の距離にわたり位置決めするように構成されており、複数のアクチュエータの第２のものがその対応する同調チップをキャパシタからある範囲の距離にわたり位置決めするように構成されており、第１および第２のアクチュエータに対応する同調チップの少なくとも１つは超伝導体よりなる、請求項１４の同調アセンブリ。
17. 複数の同調チップのうちの少なくとも１つは誘電性材料で作られている、請求項１４の同調アセンブリ。
18. フィルタを同調するための同調アセンブリであって、アセンブリは、
    （ａ）超伝導体よりなる同調チップと、
    （ｂ）同調チップと有効にリンクされ、同調チップをフィルタの少なくとも一部からある範囲の距離に位置決めするように構成されたアクチュエータとを含み、距離の範囲はフィルタの帯域幅の範囲に対応している、同調アセンブリ。
19. 帯域幅の範囲は帯域幅の少なくとも約１０％である、請求項１７の同調アセンブリ。
20. 同調可能フィルタであって、
    （ａ）少なくとも共振器を有するプレーナフィルタと、
    （ｂ）同調アセンブリであり、
    （ｉ）同調チップと、
    （ｉｉ）同調チップと有効にリンクされ、同調チップを共振器からある範囲の距離に位置決めするように構成配置されたアクチュエータとを含み、範囲は共振器の共振周波数を共振周波数の少なくとも約１％変化させるために十分である、同調アセンブリとを含み、
    同調チップは共振器のＱを少なくとも１０，０００に維持するように構成配置されている、同調可能フィルタ。
21. 少なくとも１つの共振器を有するフィルタを同調する方法であって、方法は、
    （ａ）同調チップを共振器からある範囲の距離に位置決めすることと、範囲は共振器の共振周波数を共振周波数の少なくとも約１％変化させるために十分であり、
    （ｂ）フィルタのＱを少なくとも１０，０００に維持することとを含む、方法。

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