JP2006262014A

JP2006262014A - 共振高周波デバイス

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Publication number: JP2006262014A
Application number: JP2005076039A
Authority: JP
Inventors: Georgios Zouganelis; ゲオルギオスゾウガネリス; Hitoshi Osato; 齊大里; Motosuke Cho; 元佑趙
Original assignee: Japan Fine Ceramics Center; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Japan Fine Ceramics Center; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】マイクロ波及びミリ波通信用等に使用する共振高周波デバイスを提供する。
【解決手段】半導体や誘電体等で構成の基板１の上にギャップＧを形成のストリップライン９を形成し、そのギャップＧに、検出素子２０を接合して、ストリップライン９と検出素子２０とで閉ループを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波及びミリ波通信用等の共振高周波デバイスに関する。

従来、文献１（Toward a Simulation of an Optically Controlled Microwave Microstrip Line at 10GHz)には、幅１５ｍｍ、厚み４００μｍのＳｉ基板上にＴ字状のストリップラインが形成してあるデバイスが開示してある。このＴ字状のストリップラインは、幅（ｗ＝３７７μｍ）で、左右の長さがＳi基板の幅１５ｍｍで、中央部の長さが５ｍｍに形成してある。
そして、このストリップラインのＴ字状の端部に光信号を照射すると、Ｓｉ基板の左側から発信する高周波（Ｐin）は、Ｓｉ基板の左側から反射する高周波（Ｐref）と透過する高周波（Ｐout）が得られる。
そして、反射率（Ｓ11）²＝（Ｐref）／（Ｐin）、透過率（Ｓ21)²＝（Ｐout）／（Ｐin）と定義して、光信号の照射量（パワー）をパラメータとして、種々の高周波（Ｐin）で測定する。
この結果、光信号の照射量（パワー）がなくて、６．８ＧＨｚ付近において、透過率（Ｓ２１）に極値があり、光信号の照射量（パワー）が３０ｍＷのときには約６．３ＧＨｚで極値があることを明らかにしてる。

IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS.VOL.38,NO 2 ,MARCH 2002（Toward a Simulation of an Optically Controlled Microwave Microstrip Line at 10GHz) by Jean-Daniel Arnould,Anne Vilcot,and Gerard Meunier

前記のように、Ｓｉ基板上にストリップラインを形成して、端部を励起させると、特定の周波数において、反射率（Ｓ11）²＝（Ｐref）／（Ｐin）、透過率（Ｓ21）²＝（Ｐout）／（Ｐin）が極値を取ることが判明している。
そこで、本願の発明は、更に、この現象を追及し、新たに共振特性を得て、多くの分野に利用可能な共振高周波デバイスを提供するものである。

請求項１の共振高周波デバイスは、半導体や誘電体等で構成の基板の上にギャップを形成のストリップラインを形成する。そして、そのギャップに、検出素子を接合して、ストリップラインと検出素子とで閉ループを形成する。
前記検出素子を励起すると、共振高周波デバイスには温度や周波数に依存して検出素子の反射率や透過率を異にする。従って、この相違を利用することが容易にできる。
又、請求項２の共振高周波デバイスは、検出素子に強誘電体（例えば、ＢaＴiＯ₃）を用い、この強誘電体の温度を変更すると、温度の相違による強誘電体の誘電率の相違に基づく反射率や透過率を得ることができる。従って、この温度制御をすることによって、反射率等の大きな変化を検出することによって、スイッチ等の利用を図ることができる。
又、請求項３の共振高周波デバイスは、検出素子に半導体（例えば、シリコン（ｎーＳｉ））を使用して、その半導体を光で励起することによって、導電率を異にすることによる反射率等の大きな変化を検出することによって、スイッチ等の利用を図ることができる。

本願の発明は、熱、光等によって、簡便に共振高周波デバイスの反射率等を変化させることができ、スイッチ等に利用することができる。

本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）は、基板１の上に形成のストリップライン９であり、基板１とストリップライン９で共振高周波デバイスを構成する。又、図１（Ｂ）は共振高周波デバイスの現象を測定する状態を示す。
基板１の材料として、例えば、ＦＲ4等のＬＴＣＣ（Low Temperature Cofired Ceramics）、又はフッソ樹脂フィルム等の積層プリント基板（ＰＴＦＥ等のＰＣＢｓ）、ＳiやＧａＡｓ等の半導体、ホルステライト等の誘電体や、異方性を示す共振構造を持つメタマテリアル等である。
尚、図１（Ａ）における実施例では、基板１は、厚み０．８６７ｍｍ、ε＝２．２のＰＴＦＥを用い、裏表面を厚み０．０１８ｍｍの「Ｃｕ」でコーチングした。

又、前記基板１の上に形成のストリップライン９は、幅（ｗ＝３ｍｍ）、横（ｄ＝１１ｍｍ）、縦（ｌ＝１１ｍｍ）の四角状で、その一部にギャップ（ストリップラインを構成せず、長さ（０．６ｍｍ）の隙間）Ｇを形成する。
尚、この実施例では、前記ギャップＧには、４ｍｍ×３ｍｍ×１ｍｍ（厚み）の四角状に、検出素子（強誘電体検出素子としてＢaＴiＯ₃、密度ρ＝５．４ｇ／ｃｍ³、Ｔｃ＝１３０℃）２０を前記ストリップライン９に接合する。
この検出素子２０（ＢaＴiＯ₃）は、温度によって誘電率が変化し、その温度を変化させるためにハロゲンランプ等を介して温度制御、即ち、サーマルチューニングをする。

又、基板１の上のストリップライン９に形成のギャップＧには、検出素子２０を接合するので、前記ストリップライン９と検出素子２０とで閉ループが形成される。
又、前記基板１上には、前記ストリップライン９の相対する２辺に対して０．５ｍｍ離れた位置に、幅（ｗ＝２．２ｍｍ）のＴ字状の入力電極１０と出力電極１１が形成してある。
又、前記ストリップライン９及び入出力電極１０、１１の材質は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ等の金属、高温超伝導体（ＨＴＳＣ）等の導電物質、Ｎｂ等の低温超伝導体（ＬＴＳＣ）を用いて、適宜の厚みで形成する。

尚、前記ギャップＧには検出素子に、熱変化による誘電率の相違に基づくものであるが、光の励起による導電率の変化に基づく半導体を使用してもよく、この半導体には特定の周波数でロスを生ずるＳiやＧaＡs等である。
この半導体は、光を照射すると励起し、オプチカルチューニングが可能であり、前記熱によるサーマルチューニングの他に、電子（エレクトロン）によって変化する材料を用いて、エレクトロンチューニングによる方式であってもよい。

次に、図１（Ｂ）に示すように、共振高周波デバイス（図１（Ａ））の強誘電体（ＢaＴiＯ₃等）に、レンズを通してハロゲンランプを照射したときの結果について、図２を参照して説明する。
尚、共振高周波デバイスの共振周波数（ｆ）は、下記の式で与えられる。
ｆ＝ｎｃ／ｌ／（ε_eff）^1/2 （１）
ここで、ｎは整数又は半整数（半分の値）であり、（ｎ＝１／２、１、３／２、２、…）である。ｃは光の速度、ｌは閉ループを形成のストリップライン９の長さ、ε_effは基板１の実効比誘電率である。

図２は、共振高周波デバイスの入力電極に、ｎ＝１とｎ＝２の共振周波数（ｆ）を入力（Ｐin）し、入力電極１０で反射値（Ｐref）を、出力電極１１で透過値（Ｐout））を測定した結果を示す。
尚、反射率（Ｓ11）²＝（Ｐref）／（Ｐin）、透過率（Ｓ２１）²＝（Ｐout）／（Ｐin）で定義し、測定値とシミュレート値（非特許文献１に基づくＦＤＴＤ（Frequency Domain Time Domain）の比較である。尚、Ｓーパラメータは、２〜１２ＧＨｚにおいて、ネットアナライザーを使用した。
この図２から、測定値とシミュレート値は良く合致し、Ｔｃ（キュリー温度：約１３０℃）における物性（誘電率）変化は著しく、この反射率のＳ11（ｎ＝１）と透過率のＳ21（ｎ＝１）の変化が利用可能である。強誘電体を加熱することによって、キューリ点における共振高周波デバイスの反射率S11と透過率S21をチューニングすることができる。
従って、この共振高周波デバイスは、温度が約１３０℃とそれ以外の温度とで異なる出力値を得ることができるので、熱スイッチとして使用できる。

次に、検出素子２０の導電率変化を利用する共振高周波デバイスについて、図３（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。
この共振高周波デバイスは、前記図１（Ａ）に示す共振高周波デバイスとは検出素子２０を異にするだけであり、検出素子２０として半導体（例えば、ｎ−Ｓi）を使用する。
又、図３（Ｂ）における測定条件は、前記図１（Ｂ）と、共振高周波デバイスの透過率に対して「ＯＮ」と「ＯＦＦ」に変化をさせる点を異にしている。
尚、Ｓパラメータの透過率Ｓ21が大きい場合は「ＯＮ」状態でありハロゲンランプを消したときであり、透過率Ｓ21が少ない場合は「ＯＦＦ」状態であり、ハロゲンランプを点灯したときである。
又、ハロゲンランプの負荷電圧の最小と最大で行い、そのハロゲンランプの負荷電圧の最大、最小において、検出素子（ｎ-Ｓｉ）２０は、ハロゲンランプからレンズを通して励起され、図４と図５に、その結果を示す。

図４は、ハロゲンランプを消した状態で、検出素子（半導体ｎ−Ｓｉ）に光が照射されない状態（励起のない状態）であり、共振デバイスから０〜２０ＧＨｚの電磁波を照射したときＳパラメータ（反射率Ｓ11、透過率Ｓ21）の測定値とシミュレートした値の図である。この時の（ｎ−Ｓｉ）の導電率は、０．０３５Ｓ／ｍである。この図４から、ＳパラメータＳ11、Ｓ21は、ｎ＝０．５、１、１．５、２．０において極値を取る。
又、図５は、ハロゲンランプを点灯した状態であり、検出素子（半導体ｎ−Ｓｉ）に光を照射した状態（励起状態）であり、共振デバイスから０〜２０ＧＨｚの電磁波を照射したときＳパラメータ（反射率Ｓ11、透過率Ｓ21）の測定値とシミュレートした値の図である。この時の（ｎ−Ｓｉ）の導電率は、５．０Ｓ／ｍである。この図５から、ＳパラメータＳ11、Ｓ21は、ｎ＝０．５、１、１．５、２．０において極値を取る。
図４と図５を比較すると、ｎ＝０．５、１．５におけるＳパラメータS21の透過率に差があるため、この差を利用して共振高周波デバイスの「ＯＮ」「ＯＦＦ」の状態にする。即ち、ｎ＝０．５、１．５において、Ｓパラメータは、図４において透過率が高いので「ＯＮ」であり、図５において透過率が低いので「ＯＦＦ」である。
尚、ｎ＝２においては、図４と図５に示すように、Ｓパラメータの透過率がに差がないので、共振高周波デバイスのスイッチとして使用できない。
又、ギャップＧにおいて、導電率が増加すると、整数ｎ＝０．５、１．５、のような半整数のときには透過率は小さく、ｎ＝１のとき透過率は大きくなり、共振器がギャップＧがない共振器のような振舞いを始める。

次に、図６は、前記図１（Ａ）、図３（Ａ）に示すストリップライン９と検出素子２０の図柄とは異なる形状及び羅列する個数の例示であり、これらについて説明する。尚、後述する図６（ｅ）を除いて、マイクロストリップの技術に基づいて形成され（ストリップライン、基板、グランド）、検出素子は、光又は強誘電体、或はそれらに相当するメタマテリアルである。
図６（ａ）の共振高周波デバイスは、ストリップライン９と検出素子２０とでリング状の閉ループに形成し、検出素子２０を１箇所で、電極を形成しないものである。
この共振高周波デバイスは、検出素子２０に熱又は光を与えることによって、リング自体が共振するので、その状態を検知可能な回路素子との組合せで使用する。
尚、この図６（ａ）の共振高周波デバイスにおいて、共振する極値の位置は、リング状の閉ループの形状ではなく長さ（ｌ）が重要な要素である。

又、図６（ｂ）の共振高周波デバイスは、ストリップライン９と検出素子２０とで四角状の閉ループを形成し、検出素子２０（強誘電体検出素子又は半導体検出素子等）が、後述する図６（ｄ）の検出素子２０に比して、小さな素子であるので共振周波数がずれる。しかし、共振周波数λとλ_effの差が小さいと、特に、共振周波数が低周波の場合には変化は僅かである。尚、電極は片方のみであるので、反射率によって検知する。
図６（ｂ）と図６（ｄ）は同じであり、図１（ａ）に示す共振高周波デバイスに、入力電極１０のみを設けたものである。これらの共振高周波デバイスは、検出素子２０の大きさをを変更して、共振周波数を変更するものである。そして、検出素子２０を励起すると、入力電極１０に変調信号が表れる。又、ギャップＧ（検出素子２０）の位置の変更は、電磁界の近接場が最大になる場所が変わるので、効果的に変調することができる。この共振高周波デバイスは、図６（ｃ）を除いて、光と熱スイッチ、或は伝達チューニングとして使用できる。
又、図６（ｃ）は、図６（ｂ）の共振高周波デバイスに、出力電極１１を設けたものである。
図６（ｅ）は、グランドメタルがない状態で、基板上に周期的に配置された共振高周波デバイスで構成してある。即ち、四角の閉ループ状の共振高周波デバイスを、４個箱状に羅列した構成である。
そして、共振高周波デバイスの特性が変化すると、メタマテリアルの電磁気特性が変化する。又、各検出素子２０を熱又は光で励起することによって、共振性質をチューニングでき、メタマテリアルの電磁気特性の変更は、各検出素子２０を励起したときに起こり反射率を変更する。

又、図６（ｆ）は、バンドパスとバンドストップを行うフィルタであり、この共振高周波デバイスは、四角状の閉ループを形成の共振高周波デバイスを一列に、４個配置し、それらの共振高周波デバイスに共通の電極１０を設けて構成してある。
そして、共振周波数のパスフィルタ或はストップフィルタは、検出素子２０の励起に対応していて、励起する共振高周波デバイスの数によって共振強度を変更できるし、共振ピークを変更できる。
図６（ｇ）は、図１（ａ）に示す共振高周波デバイスを４個、羅列したものであり、各々、独立に、共振高周波デバイスの励起状態であるか否かの信号（ＯＮ、ＯＦＦ）を得ることができる。
図６（ｈ）は、位相変更を行うものであり、例えば、sin(wt)をインプットして、検出素子２０を励起すると、sin(wt-Δ）のアウトプットが得られる。

尚、前記図６に示す電極１０、１１は、制御回路、アンテナ素子、フィルタ素子共振器等の位置を示す。これらの共振高周波デバイスは、共振周波数λ_effとε_effの変化に対応することによって適用できる。又、共振高周波デバイスは、単体で、一対の伝送ライン、ＦＳＳ（周波数選択性表面材）のユニット、メタマテリアルに対して作用できる。
熱又は光或は電子の励起は、共振周波数λ_effとε_effの変化によって、或は、共振周波数のずれ、共振点の強度の変化をもたらす。

以上のように、基板１の上にギャップＧを形成のストリップライン９を設け、そのギャップＧに検出素子２０（強誘電体検出素子又は半導体検出素子等）を接合することによって、前記ストリップライン９と検出素子２０とで閉ループを形成する。そして、前記検出素子２０に、熱或は光を照射することによって、共振器として作用し、その値を取り出すことによって、スイッチング等に使用できる。
なお、前記ストリップライン９は前記の四角状に限定されず、楕円、多角形等、使用する目的に合わせて選定することはいうまでもないし、検出素子２０もストリップライン９の閉ループに１個の他に複数個で構成してもよい。

（Ａ）は、基板の上に形成のストリップラインと検出素子であり、（Ｂ）は共振高周波デバイスの現象を測定する状態を示す。測定結果とシミュレーション結果を示す図である。（Ａ）は基板の上に形成のストリップラインと異なる材料の検出素子であり、（Ｂ）は共振高周波デバイスの現象を測定する状態を示す。ハロゲンランプが点灯していない状態のときの測定結果とシミュレーション結果を示す図である。ハロゲンランプが点灯している状態のときの測定結果とシミュレーション結果を示す図である。他の構成のストリップラインと検出素子の図である。

符号の説明

１基板
９ストリップライン
１０入力電極
１１出力電極
２０検出素子
Ｇギャップ

Claims

半導体や誘電体等で構成の基板の上に、ギャップを形成のストリップラインを形成し、前記ギャップに検出素子を接合し、前記ストリップラインと検出素子とで閉ループを形成し、前記検出素子を励起することを特徴とする共振高周波デバイス。
検出素子を強誘電体とし、その強誘電体を熱で励起することを特徴とする請求項１の共振高周波デバイス。
検出素子を半導体とし、その半導体を光で励起することを特徴とする請求項１の共振高周波デバイス。