JP2008028835A - 超伝導チューナブルフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】中心周波数と帯域幅を独立して制御可能な超伝導チューナブルフィルタを提供する。
【解決手段】超伝導チューナブルフィルタは、誘電体基板（１１）上に超伝導材料で形成された共振器パターン（１２）と、前記共振器パターンの上方に位置し貫通穴（２１）を有する誘電体または磁性体のプレート（２０）と、前記貫通穴に挿入される誘電体または磁性体のロッド（２５）と、前記共振器パターンに対する前記プレートとロッドの位置をそれぞれ個別に制御する位置制御手段（２３，２６）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導チューナブルフィルタに関し、特に、中心周波数と帯域幅をそれぞれ独立して制御可能な超伝導チューナブルフィルタに関する。

近年、次世代移動通信システムや広帯域無線アクセスなど高速・大容量のデータ通信へ移行するにともない、周波数の有効利用が必要不可欠となっている。また、最適な通信アクセスを得るために、複数のシステム、すなわち複数の周波数帯に対応する通信機器が望まれるような状況となっている。したがって、低損失で高周波数遮断特性が得られる高Ｑ超伝導フィルタにチューナブル機能が付加されれば、周波数干渉を解決する技術として最大の候補となる。

図１（ａ）は、一般的なマイクロストリップ型の超伝導共振器フィルタパターン１１２を示す。マイクロストリップ線路を超伝導体で構成し、複数の共振器間、および共振器−フィーダ間を電磁界カップリングさせて、超伝導バンドパスフィルタを形成している。

各共振器の共振周波数ｆoと共振器間結合係数ｋ、外部Q値によって、フィルタの中心周波数や帯域幅、遮断特性、帯域外抑圧特性などが決まってくる。したがって、ｆoとｋを何らかの手段によって可変にできれば、そのフィルタはチューナブル機能を持つ。材料物性の視点に立てば実効比誘電率εeffと実効比透磁率μeffの少なくとも一方を、また、回路の視点に立てばキャパシタンスCとインダクタンスLの少なくとも一方を変化させることができればよい。

しかし、高Ｑフィルタを維持するためには、チューナブル手段による損失増大を避ける必要がある。現状では、電界制御、磁界制御、機械的（メカニカル）制御で変える３種類の手段がある。この中で、メカニカルに変える方法が最も大きいチューナビリティが得られ、低損失で維持できる手段として有望視されている。

図１（ｂ）は、従来の超伝導チューナブルフィルタの構成例である。誘電体基板１１１上に形成されたマイクロストリップ型の共振器フィルタパターン１１２の上方に、低損失の誘電体や磁性体のプレート１２０を配置する。圧電素子などのアクチュエータ１２１を用いて、共振器フィルタパターン１１２と誘電体（磁性体）プレート１２０の間の距離を変えることで、εeffもしくはμeffを変化させチューナブル化する（たとえば、特許文献１参照）。

しかし、従来の技術では、共振器フィルタパターン１１２の上方全面をプレート１２０で覆うため、中心周波数の可変量の増大に伴って帯域幅も変わってしまい、任意にチューニングできないという問題があった。一方、誘電体ロッドや磁性体ロッドを上方から挿入することで、フィルタ帯域内の特性（帯域幅など）を調整することは可能であったが（たとえば、特許文献２参照）、この場合は、中心周波数の可変は困難であった。
特許第３５３５４６９号公報 特開２００２−５７５０６号公報

上述のように、従来の方法では、中心周波数か帯域幅のいずれかをチューナブルにすることはできるが、双方を個別に変化させることは困難であった。

そこで本発明は、中心周波数と帯域幅の双方を独立して制御可能な超伝導チューナブルフィルタを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、貫通穴を設けた低損失な誘電体又は磁性体プレートを用い、その貫通穴に帯域幅チューニングロッドを通して、誘電体（または磁性体）プレートとチューニングロッドの位置を、それぞれ個別に制御できる構造を採用する。これにより、中心周波数と帯域幅を、それぞれ独立して制御することが可能になる。

具体的には、本発明の第１の側面では、超伝導チューナブルフィルタは、
（ａ）誘電体基板上に超伝導材料で形成された共振器パターンと、
（ｂ）前記共振器パターンの上方に位置し貫通穴を有する誘電体または磁性体のプレートと、
（ｃ）前記貫通穴に挿入される誘電体または磁性体のロッドと、
（ｄ）前記共振器パターンに対する前記プレートとロッドの位置をそれぞれ個別に制御する位置制御手段と、
を備える。

良好な構成例では、前記位置制御手段は、共振器パターンに対する前記ロッドの位置を調整するロッド調整トリマを含む。

あるいは、前記位置制御手段は、共振器パターンに対する前記プレートの位置を調整するプレート調整トリマを含む。

位置制御手段は、前記プレートと、前記ロッドに個別に設けられるピエゾアクチュエータまたはＭＥＭＳ素子であってもよい。

前記共振器パターンは、たとえば、複数のディスク型共振器を隣接して配置したパターンであり、プレートの貫通穴は、隣接するディスク型共振器の間、および／またはディスク型共振器とこの共振器へ信号を伝送する入出力フィーダとの間に位置するように設けられる。

誘電体又は磁性体のプレートと帯域幅チューニングロッドを独立に制御して、共振器フィルタパターンとの間の距離を個別に調整することによって、中心周波数だけでなく、帯域幅も任意にチューニングすることができる。

以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。

図２に、本発明の一実施形態に係る超伝導チューナブルフィルタの概略構成を示す。図２（ａ）は基本概念図、図２（ｂ）は断面図である。超伝導チューナブルフィルタ１０はベースとなるＭｇＯ単結晶誘電体基板１１と、誘電体基板１１の表面に超伝導材料で所定の形状に形成された共振器フィルタパターン１２と、超伝導共振器パターン１２の近傍に延びる信号入出力線（フィーダ）１３と、誘電体基板１１の裏面に形成されたグランド用電極（グランド層）１４と、を備える。図２の例では、超伝導材料としてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用いている。

図２では、超伝導共振器フィルタパターン１２は、送信用として有望なディスクパターン（２次元回路パターン）となっているが、ヘアピンなどの１次元のストリップパターンであっても構わない。この例では、複数のディスク型共振器を電磁界カップリングさせて、超伝導バンドパスフィルタを構成している。

なお、本明細書および特許請求の範囲において「２次元回路パターン」あるいは「２次元回路型のパターン」という場合は、ラインまたはストリップ状（１次元）のパターンとは区別され、円形、楕円形、多角形などの平面図面型のパターンを意味するものとする。

図示しない信号入出力用の電極から共振器フィルタパターン１２へ向かって延びるフィーダ１３の一方は、信号入力として用いられ、他方は、信号出力として用いられる。

ベースとなる誘電体基板１１の上方に、サファイアなどの誘電体プレート２０を配置する。誘電体プレート２０は、図２（ｂ）に示すように、プレート調整トリマ２３で、上下に位置を可変に制御できるようになっている。

誘電体プレート２０には、複数の貫通穴２１が開けられ、各貫通穴２１にサファイアなどの誘電体で形成されるチューニングロッド２５が挿入されている。各チューニングロッド２５の垂直位置は、対応するロッド調整トリマ２６により、個別に調整可能である。なお、誘電体プレート２０の貫通穴２１は、各チューニングロッド２５が、隣接するディスク型共振器パターン１２の間、および／またはディスク型共振器パターン１２と信号入出力線１３とに位置するように、その位置が決められている。

なお、図２（ａ）の例では、共振器パターンはディスク型としているが、ヘアピン型でも同様の位置調整機構を用いることができる。

超伝導共振器フィルタパターン１２が形成された誘電体基板１１と、誘電体プレート２０およびチューニングロッド２５は、パッケージ３０内に収容される。プレート調整トリマ２３とロッド調整トリマ２６は、パッケージ３０の上部に設けられ、パッケージ３０の外部から微調整が可能である。この場合、パッケージ３０の側面に内部観察用の窓を設けてもよい。

次に、共振器フィルタのチューナブルの度合いについて説明する。図３および図４は、実施形態に係る超伝導チューナブルフィルタにおいて、超伝導ヘアピン型共振器を３段で構成し、チューニングロッド２５の位置を固定として、共振器フィルタパターン１２と誘電体プレート１６の間の距離ｈを変えたときの共振周波数の変化を示す。図３は透過特性（Ｓ２１）のグラフ、図４は反射特性（Ｓ１１）のグラフである。なお、用いた誘電体プレート１６の誘電率ε_rは３９、厚さｄは０．５ｍｍである。

チューニングロッド２５を一定にして、誘電体プレート１６を共振器フィルタパターン１２に近づけると、共振周波数は低周波側へシフトしていくが、同時に帯域幅が増大している。これは、各共振器の実効比誘電率εeffが増大するが、同時に共振器間の結合係数ｋが増大し、外部Ｑが下がるためである。

図５は、実施形態に係る超伝導チューナブルフィルタにおいて、超伝導のディスク型共振器を形成し、同じくチューニングロッド２５の位置を固定として、共振器フィルタパターン１２と誘電体プレート１６の距離ｈを変えたときの共振周波数の変化（反射特性）を示す。誘電体プレート１６の誘電率ε_rは３０、プレートの厚さｄは、０．５ｍｍである。この場合も、誘電体プレート１６を共振器フィルタパターン１２に近づけるにつれて、共振周波数は低周波側へシフトしているが、同時に帯域幅が増大している。

図６は、誘電体プレート２０で中心周波数の調整を行った後に、チューニングロッド２５の垂直位置をロッド調節トリマ２６で調整（トリミング）したときの、帯域内特性の変化を示すグラフである。共振器フィルタパターン１２は、３段のヘアピン型共振器とし、チューニングロッド２５は、ヘアピン型共振器の上方で隣接するヘアピン型共振器の間に位置するものとする。

図中、点線は調整前の特性を、実線は調整後の特性を示す。チューニングロッド２５で帯域幅を微調整することにより、リップルを低減し、特性を最適化できる。すなわち、誘電体プレート２０の制御とは独立して、共振器間結合係数ｋや外部Qを可変にできることがわかる。

このように、本発明によれば、中心周波数だけでなく帯域幅も独立して任意にチューニングすることができるので、良好な超伝導チューナブルフィルタが実現される。この超伝導チューナブルフィルタを、移動通信基地局のＲＦフロントエンドに適用した場合、より一層の周波数有効利用を図ることができる。

なお、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

たとえば、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5<ｐ<2.5、2.5<ｑ<3.5、3.5<ｒ<4.5）を超伝導材料に用いてもよい。

誘電体基板１１は、ＭｇＯ単結晶基板に限定されず、たとえば、ＬａＡｌＯ３基板、サファイア基板などを用いてもよい。

誘電体プレート２０やチューニングロッド２５は、サファイアに限定されず、たとえば、ＭｇＯ基板、ＬａＡｌＯ３基板、ＮｄＧａＯ３基板、ＬＳＡＴ基板、ＬａＳｒＧａＯ４基板、ＬａＧａＯ３基板、ＹＳＺ基板、ＴｉＯ2基板などでもよいし、磁性体のプレートおよび／またはチューニングロッドとしてもよい。この場合、磁性体として、ＹＩＧなどを利用することができる。

誘電体プレート２０やチューニングロッド２５の位置を変える機構として、トリマ２３、２６に限定されず、ピエゾアクチュエータやＭＥＭＳ素子などを用いてもよい。その場合、誘電体プレート２０を制御するためのピエゾアクチュエータ又はＭＥＭＳ素子と、チューニングロッド２５を制御するためのピエゾアクチュエータ又はＭＥＭＳ素子を、それぞれ別個に設けて、独立して制御する。

従来のマイクロストリップ型の超伝導チューナブルフィルタの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る超伝導チューナブルフィルタの構成例を示す図である。 実施形態の超伝導共振器フィルタ（ヘアピン型）の透過特性を示す図である。 実施形態の超伝導共振器フィルタ（ヘアピン型）の反射特性を示す図である。 実施形態の超伝導共振器フィルタ（ディスク型）の反射特性を示す図である。 トリミング前後の周波数特性の調整効果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超伝導チューナブルフィルタ
１１ 誘電体基板
１２ 共振器フィルタパターン
１３ フィーダ（信号入出力線）
１４ グランド電極（グランド層）
２０ 誘電体（磁性体）プレート
２１ 貫通穴
２３ プレート調整トリマ
２５ チューニングロッド
２６ ロッド調整トリマ
３０ パッケージ

Claims (9)

1. 誘電体基板上に超伝導材料で形成された共振器パターンと、
   前記共振器パターンの上方に位置し貫通穴を有する誘電体または磁性体のプレートと、
   前記貫通穴に挿入される誘電体または磁性体のロッドと、
   前記共振器パターンに対する前記プレートとロッドの位置をそれぞれ個別に制御する位置制御手段と、
   を備えることを特徴とする超伝導チューナブルフィルタ。
2. 前記位置制御手段は、
   前記共振器パターンに対する前記ロッドの位置を調整するロッド調整トリマ、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
3. 前記位置制御手段は、
   前記共振器パターンに対する前記プレートの位置を調整するプレート調整トリマ、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
4. 前記位置制御手段は、
   前記プレートと、前記ロッドに個別に設けられるピエゾアクチュエータまたはＭＥＭＳ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
5. 前記共振器パターンは、２次元回路パターンであることを特徴とする請求項１〜４に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
6. 前記共振器パターンは、複数の共振器を隣接して配置したパターンであり、前記貫通穴は、前記隣接する共振器の間、および／または前記共振器と当該共振器へ信号を伝送する入出力フィーダの間に位置するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
7. 前記共振器パターンは、複数のディスク型共振器を隣接して配置したパターンであり、前記貫通穴は、前記隣接するディスク型共振器の間、および／または前記ディスク型共振器と当該共振器へ信号を伝送する入出力フィーダとの間に位置するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
8. 前記超伝導の共振器パターンが形成された誘電体基板と、前記プレートと、前記ロッドを収容するパッケージ
   をさらに備え、
   前記位置制御手段は、前記パッケージの外側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の超伝導チューナブルフィルタ。
9. 前記位置制御手段は、前記プレートと前記ロッドの各々に対して、前記パッケージの上部に個別に設けられる調整トリマであることを特徴とする請求項８に記載の超伝導チューナブルフィルタ。

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