JP2008172305A - 超伝導フィルタデバイスおよびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、共振周波数および帯域幅を微調整可能な超伝導フィルタデバイスを提供する。
【解決手段】超伝導フィルタデバイス（１０）は、誘電体ベース基板（１）と、この誘電体ベース基板上に超伝導材料で形成された共振器パターン（２）と、前記共振器パターンの上方に位置する異方性のある誘電体または磁性体（３）と、入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変える角度調整機構（１５）と、を含む。入力信号に対する誘電体または磁性体の角度を変えることによって、誘電率または透磁率を変え、これによって超伝導フィルタデバイスの共振周波数および帯域幅を微調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導フィルタデバイスに関し、特に簡単な構成で共振周波数を変更、調整することのできるチューナブル超伝導フィルタとその調整方法に関する。

近年、携帯電話の普及、発展に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠になってきている。超伝導体は、高周波領域においても、通常の電気的良導体に比べて表面抵抗が非常に小さいので、低損失、高Ｑ値（Ｑは損失の目安であり、高いほど損失が低いことを示す）の共振器が期待でき、移動通信の基地局用のフィルタとして有望視されている。

超伝導フィルタを移動通信の用途で用いる場合、周波数のチューニング能力が要求される。周波数のチューニングは、超伝導配線の実効透磁率または実効誘電率を制御して行う方式が主流になっている。実効誘電率を制御する方法として、超伝導配線の上に誘電体を配置し、電圧を印加して誘電率を制御する方法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
G. Subramanyam, et al., "Design and development of ferroelectric tunable HTS microstrip filters for Ku- and K-band applications", Materials Chemistry and Physics 79 (2003) 147-150

しかし、上記の方法では、誘電体に直接電圧を印加して誘電率を制御するため、誘電体の劣化による損失の増大や、高電圧が必要であるなどの問題がある。
本発明は上記事実に鑑みて、劣化による損失増大等の問題がなく、共鳴周波数と帯域幅の微調整が容易なチューナブル超伝導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、異方性の誘電体または磁性体を超伝導共振器パターンの上方に配置し、入力信号に対する誘電体または磁性体の水平方向の角度を変えることによって、入力信号に対する誘電率または透磁率を変化させる。

具体的には、本発明の第１の側面では、超伝導フィルタデバイスは、
（ａ）誘電体ベース基板と、
（ｂ）前記誘電体ベース基板上に超伝導材料で形成された共振器パターンと、
（ｃ）前記共振器パターンの上方に位置する異方性のある誘電体または磁性体と、
（ｄ）入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変える角度調整機構と、
を有する。

良好な構成例では、前記回転機構は、前記異方性のある誘電体または磁性体を前記共振器パターンの上方に支持する支持棒を含む。

この場合、支持棒は、前記回転機構により回転可能であり、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体を入力信号に対して水平に回転する
別の良好な構成例では、指示棒は、超伝導の共振器パターンに対して上下方向に移動可能に支持され、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体と、前記超伝導の共振器パターンとの間の距離を可変にする。

第２の側面では、超伝導フィルタ特性の調整方法を提供する。この調整方法は、
（ａ）超伝導フィルタデバイスの共振器パターンの上方に、異方性のある誘電体または磁性体を配置し、
（ｂ）入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変えることによって、前記入力信号に対する共振周波数と帯域幅を調整する
ことを特徴とする。

超伝導配線の上に配置する磁性体または誘電体に対して、外場で特性を制御する必要がない。したがって、特性劣化による損失増大の問題を生じさせない。
また、入力信号に対する誘電体または磁性体の方向を変えることにより、容易に超伝導共振器フィルタの共鳴周波数と帯域幅を微調整することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
図１に、本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタデバイスの構成例を示す。図１（ａ）は水平断面図、図１（ｂ）は垂直断面図である。超伝導フィルタデバイスは、たとえば移動通信システムの基地局の送信用フィルタに用いるために、金属パッケージ８に実装されている。超伝導デバイスは、ＭｇＯ単結晶基板などの誘電体ベース基板１と、誘電体ベース基板の表面に超伝導材料で所定の形状に形成された超伝導共振器パターン２と、超伝導共振器パターン２の近傍に延びる信号入出力線５と、誘電体ベース基板１に搭載される異方性のある誘電体または磁性体３と、入力信号に対する異方性の誘電体または磁性体３の角度（方向）を変えるための角度調整機構１５を備える。図１の例では、角度調整機構１５は、誘電体または磁性体３を回転させることによって入力信号に対する角度を変える回転機構である。

超伝導共振器パターン２は、たとえば超伝導材料としてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用い、マイクロストリップパターンとして形成されている。誘電体ベース基板１は、たとえばＭｇＯ単結晶基板を用いるが、これ以外にも、３〜５ＧＨｚの周波数で８〜１０の誘電率を有する任意の誘電体基板を用いることができる。
入出力用の信号入出力線５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。また、誘電体ベース基板１の裏面には、グランド用電極（グランド膜）１１が形成されている。

角度調整機構１５は、圧電体（ピエゾ素子）７と、移動プレート９と、移動プレート９からパッケージ８の内部に伸びる支持棒４と、移動プレートをピエゾ素子７に対して抑えるバネ６を含む。ピエゾ素子７の変位は、移動プレート９により回転力として支持棒４に伝えられる。

異方性の誘電体（または磁性体）３は、支持棒４に固定されている。図２に示すように、支持棒４の回転により、誘電体３が両方向の矢印で示すように回転する。誘電体３は異方性を持ち、方向によってその誘電率εijが異なるため、支持棒４の回転によって、入力信号に対する誘電率が変化する。誘電率が小さくなると、共振周波数が高くなり、誘電率が大きくなると、共振周波数が低くなる。入力信号に対する誘電率を変えることによって、後述するように、超伝導共振器フィルタの共振周波数や帯域幅を調整することができる。異方性のある誘電体３としては、単結晶のＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＢ2Ｏ4、ＹｂＯ4、ＴｉＯ2、ＣａＣＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＫＨ2ＰＯ4、ＬｉＩＯ3、サファイア等を用いることができる。また、単結晶材料に代えて、多結晶に分極を施した材料を用いてもよい。

図３は、ピエゾ素子７を利用した回転機構を説明するための図である。図３（ａ）のように、ピエゾ素子７に対してのこぎり歯状のパルス電圧を印加する。すなわち、ＡからＢの時点までは、ピエゾ素子７の変位につれて移動プレート９も移動するように、一定の時間をかけて電圧が上昇させる（図３（ｂ）参照）。Ｂ時点に達すると、ピエゾ素子７に印加する電圧を一気に下げる。ＢからＣ時点までの電圧降下は急峻であり、パルス波形がのこぎり歯状になる。この急激な電圧の降下により、ピエゾ素子７がもとの位置（形状）に戻る力が、移動プレート９との間の摩擦力に打ち勝って、移動プレート９を移動後の位置に残したまま、ピエゾ素子７だけがオリジナル位置に戻る。これを繰り返すことにより、移動プレート９が回転する。移動プレート９を反対方向に回転させるときは、逆向きの電圧を印加すればよい。

図４は、超伝導共振器フィルタの共振周波数の調整シミュレーションに用いたモデルを示す図である。異方性のある誘電体３として、厚さ約０．５ｍｍの単結晶ＬｉＮｂＯ3を用いた。ＬｉＮｂＯ3の誘電率の対角成分ε11は２７．９、ε33は４４．３である。

ＬｉＮｂＯ3を、誘電体ベース基板１に形成された超伝導共振器パターン２から、１０μｍ離して設置し、共振器パターン２と水平な位置でＬｉＮｂＯ3を回転させて、伝送特性（Ｓ２１）をシミュレーションした。
図５は、シミュレーション結果を示すグラフである。図５（a）は、０°〜９０°の範囲で回転角を変えたときの、各角度における伝送特性を示し、図５（ｂ）は、共振周波数の角度依存を示している。このグラフから、異方性誘電体３として単結晶ＬｉＮｂＯ3を用いたときには、約２％の共振周波数の制御が可能であることがわかる。また、図５（ａ）から、共振周波数だけではなく、帯域幅の微調整もできることがわかる。

なお、シミュレーションでは、入力信号に対する異方性誘電体３の水平方向の角度のみを変えることによって、誘電率を変化させたが、このような角度調整と組み合わせて、支持棒４の高さを調整してもよい。この場合、超伝導共振器パターン２と異方性誘電体３の間の距離を変えることによって、共振周波数と帯域幅の微調整をさらに効果的にすることができる。これを実現するには、図１の超伝導フィルタデバイスにおいて、角度調整機構１５に加え、支持棒４の高さ調整機構が必要になるが、支持棒４をねじ式のトリマーにすることによって、容易に角度調整機構１５に高さ調整機能を組み込むことができる。

図６は、異方性のある磁性体３を用いたときの入力信号に対する透磁率の変化を説明するための図である。この例では、異方性のある磁性体３として、反強磁性体を用いている。反強磁性体としては、たとえばＣｒ2Ｏ3、ＢｉＦｅＯ3を用いることができる。図６（ａ）は、紙面で横向きの磁場Ｈが印加された状態、図６（ｂ）は、紙面で縦向きの磁場Ｈが印加された状態である。横軸が磁場Ｈの大きさ、縦軸が磁化Ｍの大きさであり、グラフの傾きが透磁率に当たる。

反強磁性体は、外部磁場の印加のない状態（Ｈ＝０）で、隣接するスピンは互いに反対方向を向いている。図６（ａ）のように、スピンと直交する方向に磁場をかけた場合は、磁化の大きさは磁場に比例し、磁化の方向は、外部磁場の方向と、自分以外のスピンの副格子による内部磁場とを足したものになる。もっとも、磁場によるエネルギーがスピンの異方性のエネルギーを上回ると、スピン全体が磁場の方向に向く。

図６（ｂ）のように、スピンと平行な方向に磁場をかけた場合は、磁場のエネルギーがスピンの異方性のエネルギーを越えない範囲Ａにおいて、ほんのわずかの磁化しか示さない。すなわち、外部磁場の大きさが小さい領域では、副格子のスピンに対する磁場の方向が垂直方向と平行方向で、磁化率が大きく異なる。そして、通常は、入力信号の磁場Ｈは、きわめて小さい範囲にある。したがって、入力信号に対して磁性体の角度を変えることによって、効果的に透磁率を変化させることができる。

反強磁性体を用いると、通常の強磁性体を用いた場合と異なり、超伝導への漏れ磁場の影響が無くなるという効果もある。異方性のある磁性体として、反強磁性体の他に、鉄原子を含む材料を用いてもよい
以上説明したように、本発明によれば、超伝導フィルタデバイスにおいて、共鳴周波数を高精度に調整することができるため、所望のフィルタ特性を得ることができる。
また、構成が容易であり、製造歩留まりの向上に加え、チューナブルフィルタへの適用範囲が拡大される。

本発明について、特定の実施形態に基づいて説明してきたが、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。
誘電体ベース基板１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。

また、角度調整機構として、圧電体（ピエゾ素子）を利用した回転機構を採用したが、モータを利用した回転機構を用いてもよいし、手動式の回転機構や、その他、入力信号に対する誘電体（または磁性体）の水平方向の角度（向き）を変えることのできる任意の機構を用いることができる。

最後に、以上の説明に対し、以下の付記を開示する。
（付記１）誘電体ベース基板と、
前記誘電体ベース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する異方性のある誘電体または磁性体と、
入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変える角度調整機構と、
を有することを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
（付記２）前記角度調整機構は、圧電体を用いることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記３）前記超伝導の共振器パターンと、前記異方性のある誘電体または磁性体との間の距離を調整する機構
をさらに有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記４）前記回転機構は、前記異方性のある誘電体または磁性体を前記共振器パターンの上方に支持する支持棒を含むことを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記５）前記支持棒は、前記回転機構により回転可能であり、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体を入力信号に対して水平に回転することを特徴とする付記４に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記６）前記支持棒は、前記超伝導の共振器パターンに対して上下方向に移動可能に支持され、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体と、前記超伝導の共振器パターンとの間の距離を可変にすることを特徴とする付記４に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記７）前記異方性のある誘電体は、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＢ2Ｏ4、ＹｂＯ4、ＴｉＯ2、ＣａＣＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＫＨ2ＰＯ4、ＬｉＩＯ3、サファイアを含む単結晶材料、または、多結晶に分極を施した材料で構成されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記８）前記異方性のある磁性体は、反強磁性体材料または鉄原子を含む材料で構成されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記９）前記反強磁性体材料は、Ｃｒ2Ｏ3およびＢｉＦｅＯ3を含むことを特徴とする付記８に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記１０）前記角度調整機構は、圧電体と、この圧電体を押圧する移動プレートと、移動プレートから延びて前記異方性のある誘電体または磁性体を支持する支持棒とを含み、前記移動プレートは、前記圧電体に生じた変位を、回転力として前記支持棒に伝達することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記１１）超伝導フィルタデバイスの共振器パターンの上方に、異方性のある誘電体または磁性体を配置し、
入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変えることによって、前記入力信号に対する共振周波数と帯域幅を調整する
ことを特徴とする超伝導フィルタ特性の調整方法。
（付記１２）前記異方性のある誘電体または磁性体を、支持棒で前記共振器パターンの上方に支持し、
前記支持棒を回転することによって、前記異方性のある誘電体または磁性体の入力信号に対する水平方向の角度を変える
ことを特徴とする付記１１に記載の超伝導フィルタ特性の調整方法。

本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタデバイスの概略構成図である。 異方性のある誘電体を用いる例を説明するための図である。 異方性のある誘電体の角度調整機構としてピエゾ素子を用いる例を説明するための図である。 図１の超伝導フィルタデバイスの特性シミュレーションに用いたモデルを示す模式図である。 図４のシミュレーション結果を示す図である。 異方性のある磁性体の例として、反強磁性体の磁化過程を説明するための図である。

符号の説明

１ 誘電体ベース基板
２ 超伝導共振器パターン
３ 異方性のある誘電体または磁性体
４ 支持棒
５ 電極
６ バネ
７ 圧電対（ピエゾ素子）
８ パッケージ
９ 移動プレート
１０ 超伝導フィルタデバイス
１１ グランド膜
１５ 角度調整機構

Claims (10)

1. 誘電体ベース基板と、
   前記誘電体ベース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する異方性のある誘電体または磁性体と、
   入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変える角度調整機構と、
   を有することを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
2. 前記角度調整機構は、圧電体を用いることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
3. 前記超伝導の共振器パターンと、前記異方性のある誘電体または磁性体との間の距離を調整する機構
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
4. 前記回転機構は、前記異方性のある誘電体または磁性体を前記共振器パターンの上方に支持する支持棒
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
5. 前記支持棒は、前記回転機構により回転可能であり、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体を入力信号に対して水平に回転する
   ことを特徴とする請求項４に記載の超伝導フィルタデバイス。
6. 前記支持棒は、前記超伝導の共振器パターンに対して上下方向に移動可能に支持され、これによって、前記異方性のある誘電体または磁性体と、前記超伝導の共振器パターンとの間の距離を可変にする
   ことを特徴とする請求項４に記載の超伝導フィルタデバイス。
7. 前記異方性のある誘電体は、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ＢａＢ2Ｏ4、ＹｂＯ4、ＴｉＯ2、ＣａＣＯ3、ＫＴｉＯＰＯ4、ＬｉＢ3Ｏ5、ＫＨ2ＰＯ4、ＬｉＩＯ3、サファイアを含む単結晶材料、または、多結晶に分極を施した材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
8. 前記異方性のある磁性体は、反強磁性体材料または鉄原子を含む材料で構成されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
9. 超伝導フィルタデバイスの共振器パターンの上方に、異方性のある誘電体または磁性体を配置し、
   入力信号に対する前記異方性のある誘電体または磁性体の水平方向の角度を変えることによって、前記入力信号に対する共振周波数と帯域幅を調整する
   ことを特徴とする超伝導フィルタ特性の調整方法。
10. 前記異方性のある誘電体または磁性体を支持棒で前記共振器パターンの上方に支持し、
    前記支持棒を回転することによって、前記異方性のある誘電体または磁性体の入力信号に対する水平方向の角度を変える
    ことを特徴とする請求項９に記載の超伝導フィルタ特性の調整方法。

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