JP2008172652A - Superconductive tunable filter using piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピエゾ素子の特性に依存することなく、共振周波数を制御することが可能なピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルターに関する。 The present invention relates to a superconducting tunable filter using a piezoelectric element capable of controlling a resonance frequency without depending on the characteristics of the piezoelectric element.
超伝導配線によるマイクロ波のフィルターは古くから開発が行われてきたが、近年、携帯電話の普及してきたことから、カットオフ周波数を制御できるマイクロ波フィルターが必要とされている。 Microwave filters using superconducting wiring have been developed for a long time. However, since cellular phones have become widespread in recent years, a microwave filter capable of controlling the cut-off frequency is required.
そのようなマイクロ波フィルターに於けるカットオフ周波数の制御では、超伝導配線の実効透磁率または実効誘電率を制御する方法が主流になっている。 In controlling the cut-off frequency in such a microwave filter, a method of controlling the effective magnetic permeability or effective permittivity of the superconducting wiring has become the mainstream.
その実効誘電率を制御する方法としては、超伝導配線の上に誘電体を配置し、誘電体の位置を変える方法が知られている。 As a method for controlling the effective dielectric constant, a method is known in which a dielectric is disposed on a superconducting wiring and the position of the dielectric is changed.
近年、この誘電体にピエゾ素子を取り付け、精密に位置を制御して、実効誘電率を正確に制御する方法が考えられている(例えば、特許文献1、特許文献2などを参照。)。
In recent years, a method has been considered in which a piezo element is attached to this dielectric, the position is precisely controlled, and the effective dielectric constant is accurately controlled (see, for example,
然しながら、これら公知の方法に依った場合、ピエゾ素子の特性により、制御できる共振周波数が決まってしまう旨の問題がある。 However, when these known methods are used, there is a problem that the resonance frequency that can be controlled is determined by the characteristics of the piezoelectric element.
また、一般にピエゾ素子は低温になると特性が1/3〜1/10まで低下するため、広範囲に共振周波数の制御をすることができない。
本発明は、ピエゾ素子の特性に影響されることなく、広範囲に共振周波数を制御できるようにしようとする。 The present invention seeks to be able to control the resonance frequency over a wide range without being affected by the characteristics of the piezoelectric element.
本発明に依るピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルターに於いては、誘電体ベース基板上に超伝導材料で形成された2次元図形からなる共振器パターンと、前記共振器パターンの上方に対向して位置する誘電体と、先端に前記誘電体を保持した支持棒をピエゾ素子の変位で上下させる機構とを備えてなることを基本とする。 In a superconducting tunable filter using a piezo element according to the present invention, a resonator pattern formed of a superconducting material on a dielectric base substrate and made of a two-dimensional figure is opposed to the resonator pattern. And a mechanism for moving a support rod holding the dielectric at the tip up and down by the displacement of the piezo element.
前記手段を採ることに依り、誘電体の精密な位置制御、及び、広範囲な移動距離が実現され、そして、ピエゾ素子の特性に依存することなく、共振周波数を広範囲に制御することが出来る。 By adopting the above means, precise position control of the dielectric and a wide range of movement distance are realized, and the resonance frequency can be controlled over a wide range without depending on the characteristics of the piezoelectric element.
本発明の超伝導チューナブルフィルターは、超伝導共振器の上に配置した誘電体の位置を変え、超伝導の共振周波数を制御するものの範疇に入るのであるが、誘電体の位置を精密に制御する為、ピエゾ素子の変位を利用し、その変位を誘電体を上下させる機構を介して誘電体に伝えることで位置を変化させている。 The superconducting tunable filter of the present invention falls within the category of controlling the superconducting resonance frequency by changing the position of the dielectric disposed on the superconducting resonator, but precisely controlling the position of the dielectric. Therefore, the position is changed by utilizing the displacement of the piezo element and transmitting the displacement to the dielectric through a mechanism for moving the dielectric up and down.
この場合のピエゾ素子は、例えばスティック・アンド・スリップ(stick and slip)法(例えば、非特許文献1を参照。)を適用して駆動することで、精密な位置制御と広範囲な移動距離を実現することができる。 In this case, the piezo element is driven by applying, for example, a stick and slip method (for example, see Non-Patent Document 1), thereby realizing precise position control and a wide range of movement distance. can do.
図1は本発明に依る超伝導チューナブルフィルターの一例を表す説明図であり、(A)は要部平面を、(B)は要部切断側面、(C)は(B)と直交する方向を右側から見た要部切断側面をそれぞれ示している。 1A and 1B are explanatory diagrams showing an example of a superconducting tunable filter according to the present invention, where FIG. 1A is a main part plane, FIG. 1B is a main part cut side surface, and FIG. 1C is a direction orthogonal to FIG. The main part cutting | disconnection side surface which looked at from the right side is each shown.
図に於いて、1はMgOからなる誘電体ベース基板、2は超伝導共振器パターン、3は誘電体、4は支持棒、5は信号入出力線、6は螺子、6Aはバネ、7はピエゾ素子、8は金属パッケージ、9はグランド電極をそれぞれ示している。尚、誘電体3は磁性体に代替しても良い。 In the figure, 1 is a dielectric base substrate made of MgO, 2 is a superconducting resonator pattern, 3 is a dielectric, 4 is a support bar, 5 is a signal input / output line, 6 is a screw, 6A is a spring, 7 is Piezoelectric elements, 8 is a metal package, and 9 is a ground electrode. The dielectric 3 may be replaced with a magnetic material.
超伝導チューナブルフィルターは、例えば移動通信システムの基地局に於ける送信用フィルタとして用いる為、ノイズの除去或いは低減は重要課題であることから、金属パッケージ8に実装されている。
Since the superconducting tunable filter is used as, for example, a transmission filter in a base station of a mobile communication system, noise removal or reduction is an important issue, and is thus mounted on the
超伝導チューナブルフィルターは、例えばMgO単結晶基板からなる誘電体ベース基板1と、誘電体ベース基板1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に搭載される誘電体3と、誘電体3をピエゾ素子7により上下する機構を備え、ピエゾ素子7の変位は支持棒4を介して誘電体3に伝えられる。尚、バネ6Aは支持棒4を抑える役割を果たしている。
The superconducting tunable filter includes, for example, a
ピエゾ素子7は室温で使用することを前提に作製されているが、低温で使用した場合、特性は低下するが、動作することは確認されている(例えば、非特許文献1を参照)。
The
図1に示した超伝導チューナブルフィルターでは、超伝導材料としてYBCO(Y−Ba−Cu−O系)材料を用い、超伝導共振器パターン2を2次元回路パターンとして形成している。
In the superconducting tunable filter shown in FIG. 1, a YBCO (Y—Ba—Cu—O-based) material is used as a superconducting material, and the
誘電体ベース基板1としては、MgO単結晶基板以外に3〜5GHzの周波数に於いて8〜10の誘電率を有する任意の誘電体材料からなる基板を用いることができる。
As the
信号入出力線5の一方は信号入力用として使用され、他方は信号出力用として用いられる。また、誘電体ベース基板1の裏面には、グランド電極9が形成されている。
One of the signal input /
図2は超伝導チューナブルフィルターに於ける共振周波数の調整についてシミュレーションする場合のモデルを表す要部斜面図であり、図1に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。 FIG. 2 is a main part slope view showing a model for simulating the adjustment of the resonance frequency in the superconducting tunable filter. The parts indicated by the same symbols as those used in FIG. 1 are the same or effective. This part is represented.
モデルに於ける誘電体3としては、単結晶LaAlO3 を用い、その誘電体3を上下方向に移動した際の伝送特性(S21)についてシミュレーションを行った。 As the dielectric 3 in the model, single crystal LaAlO 3 was used, and a simulation was performed on transmission characteristics (S21) when the dielectric 3 was moved in the vertical direction.
図3はピエゾ素子と支持棒との動きを説明する為の超伝導チューナブルフィルターを表す要部説明図であり、(A)はピエゾ素子に印加する電圧の波形を、また、(B)はピエゾ素子の支持棒に対する作用を説明する要部切断側面をそれぞれ示している。 FIG. 3 is an explanatory view of the main part showing a superconducting tunable filter for explaining the movement of the piezo element and the support rod. FIG. 3A shows the waveform of the voltage applied to the piezo element, and FIG. The main part cutting side surface explaining the effect | action with respect to the support rod of a piezo element is each shown.
(A)に見られるように、ピエゾ素子を変位させる電圧の波形は一種の鋸歯状波であって、この波形の電圧をピエゾ素子7に印加した場合、ピエゾ素子7と摩擦結合されている支持棒4は(B)及び(C)に見られるような動作を行う。
As can be seen from (A), the waveform of the voltage for displacing the piezo element is a kind of sawtooth wave. The
即ち、鋸歯状波がA→Bのように立ち上がった場合、ピエゾ素子7は(B)に破線で示してあるように変位し、ピエゾ素子7と摩擦結合されている支持棒4も破線で示してあるようにピエゾ素子7の変位に相当する長さLだけ移動する。
That is, when the sawtooth wave rises as A → B, the
次いで、鋸歯状波がB→Cのように立ち下がった場合、ピエゾ素子7は(C)に実線で示してあるように復位するのであるが、ピエゾ素子7と摩擦結合している支持棒4はスリップして、長さLだけ移動した位置に留まることとなり、結局、その分だけ誘電体3を移動させたことになる。尚、支持棒4の動作方向を逆にするには、ピエゾ素子に印加する電圧を逆にすれば良い。
Next, when the sawtooth wave falls as B → C, the
図4はシミュレーションを行った結果を表す線図であり、縦軸に共振周波数(GHz)を、また、横軸に距離(mm)をそれぞれ採ってあり、誘電体ベース基板1から誘電体3までの距離を変えたときの共振周波数の変化を示している。
FIG. 4 is a diagram showing the result of the simulation, with the vertical axis representing the resonance frequency (GHz) and the horizontal axis representing the distance (mm), from the
図からすると、誘電体3に単結晶LaAlO3 を用いた場合、共振周波数の約4%を制御可能であることを看取できよう。 From the figure, it can be seen that when single crystal LaAlO 3 is used for the dielectric 3, about 4% of the resonance frequency can be controlled.
図5は図1について説明した誘電体の上下機構の複数組を用いた超伝導チューナブルフィルターを表す要部切断側面図であり、図1に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。 FIG. 5 is a cut-away side view of a main part showing a superconducting tunable filter using a plurality of sets of dielectric up-and-down mechanisms described with reference to FIG. 1, and the parts indicated by the same symbols as those used in FIG. It shall represent the same or equivalent part.
図5に見られるように、誘電体3の上下機構を複数箇所に設置し、それぞれを独立に制御することで、誘電体3の高さ方向の角度ずれを精密に補正することができるので、共振周波数の制御を更に精密に実施することが可能になって、所望のフィルター特性を実現することができる。 As can be seen in FIG. 5, by installing the vertical mechanism of the dielectric 3 at a plurality of locations and controlling each independently, the angular deviation in the height direction of the dielectric 3 can be accurately corrected, The control of the resonance frequency can be performed more precisely, and a desired filter characteristic can be realized.
前記各実施の形態に於いては、誘電体を上下させる機構として、ピエゾ素子に依るスティック・アンド・スリップ法を適用する場合について説明したが、これに限られず、例えば、ピエゾアクチュエータやピエゾモーターを用いることで、ピエゾ素子の変位を上下方向の運動に変えて誘電体を上下させても良い。 In each of the above-described embodiments, the case where the stick-and-slip method depending on the piezo element is applied as the mechanism for raising and lowering the dielectric has been described. However, the present invention is not limited to this. By using this, the dielectric may be moved up and down by changing the displacement of the piezo element into a vertical movement.
また、超伝導共振器パターン2の材料としてYBCO薄膜を用いたが、この他に任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。例えば、RBCO(R−Ba−Cu−O)系薄膜、即ち、R元素としてY(イットリウム)をNd、Sm、Gd、Dy、Hoなどに代替した超伝導材料を用いたり、或いは、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良い。
Further, although the YBCO thin film is used as the material of the
更に、誘電体ベース基板1は、MgO単結晶基板に限定されず、例えば、LaAlO3 基板、サファイア基板などを用いてもよい。
Furthermore, the
更にまた、誘電体3は、LaAlO3 単結晶に限定されず、単結晶のSrTiO3 、MgO、NdGaO3 、LaSrAlO4 、LaSrGaO4 、YAlO3 、Si、GaAs、LiNbO3 、LiTaO3 、BaB2 O4 、YbO4 、TiO2 、CaCO3 、KTiOPO4 、LiB3 O5 、KH2 PO4 、LiIO3 、サファイアなどを用いることができ、また、多結晶材料を用いることもできる。 Furthermore, the dielectric 3 is not limited to a LaAlO 3 single crystal, but is a single crystal SrTiO 3 , MgO, NdGaO 3 , LaSrAlO 4 , LaSrGaO 4 , YAlO 3 , Si, GaAs, LiNbO 3 , LiTaO 3 , BaB 2 O. 4 , YbO 4 , TiO 2 , CaCO 3 , KTiOPO 4 , LiB 3 O 5 , KH 2 PO 4 , LiIO 3 , sapphire, or the like can be used, and a polycrystalline material can also be used.
一般に、高周波フィルターに於けるフィルター帯域は、電極パターンの誤差、或いは、フィルタ実装方法の如何、などに依ってシフトすることが知られていて、通常、10個のフィルタを製造して、そのうち9個は目標とする帯域のものが得られるが1個は外れてしまう。 In general, it is known that the filter band in a high frequency filter shifts depending on an error of an electrode pattern or a filter mounting method. Usually, ten filters are manufactured, of which 9 The target is obtained in the target band, but one is lost.
そこで、前記説明した本発明のチューナブル機構を用いればフィルター帯域を補正することができるので、製造した高周波フィルターは、全て目標通りのフィルター帯域に於いて正常に使用することができ、また、フィルター帯域の選択のみでなく、通常のフィルターの補正にも有効である。 Therefore, since the filter band can be corrected by using the tunable mechanism of the present invention described above, all of the manufactured high frequency filters can be used normally in the target filter band. This is effective not only for selecting a band but also for normal filter correction.
1 MgOからなる誘電体ベース基板
2 超伝導共振器パターン
3 誘電体
4 支持棒
5 信号入出力線
6 螺子
6A バネ
7 ピエゾ素子
8 金属パッケージ
9 グランド電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
先端に前記誘電体を保持した支持棒をピエゾ素子の変位で上下させる機構と
を備えてなることを特徴とするピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルター。 A resonator pattern composed of a two-dimensional figure formed of a superconducting material on a dielectric base substrate; and a dielectric positioned opposite to the resonator pattern;
A superconducting tunable filter using a piezo element, comprising a mechanism for moving a support rod holding the dielectric at the tip thereof up and down by displacement of the piezo element.
先端に前記誘電体を保持した複数の支持棒を対応する複数のピエゾ素子の変位で上下させる複数の機構と
を備えてなることを特徴とするピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルター。 A resonator pattern composed of a two-dimensional figure formed of a superconducting material on a dielectric base substrate; and a dielectric positioned opposite to the resonator pattern;
A superconducting tunable filter using a piezo element, comprising a plurality of mechanisms for moving up and down a plurality of support rods holding the dielectric at the tip by displacement of the corresponding piezo element.
先端に前記誘電体を保持した複数の支持棒を対応する複数のピエゾ素子の各々独立した変位で独立に上下させる複数の機構と
を備えてなることを特徴とするピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルター。 A resonator pattern composed of a two-dimensional figure formed of a superconducting material on a dielectric base substrate; and a dielectric positioned opposite to the resonator pattern;
A superconducting tuner using a piezo element, comprising: a plurality of mechanisms for vertically moving a plurality of support rods holding the dielectric at the tip thereof by independent displacements of the corresponding piezo elements. Bull filter.
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1記載のピエゾ素子を用いた超伝導チューナブルフィルター。 Single-crystal LaAlO 3 , SrTiO 3 , MgO, NdGaO 3 , LaSrAlO 4 , LaSrGaO 4 , YAlO 3 , Si, GaAs, LiNbO 3 , LiTaO 3 , BaB 2 O 4 , YbO 4 , TiO 2 , CaCO 3 , KTiOPO 4, LiB 3 O 5, KH 2 PO 4, LiIO 3, superconducting tuner using a piezoelectric element of any one of claims 1 to claim 3, characterized in that one selected from sapphire Bull filter.
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