JP2009231947A - 超伝導フィルタ装置及び通信用モジュール - 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フィルタ装置を提供する。
【解決手段】高周波電気信号に対するフィルタ特性を有する超伝導フィルタ装置（１０）は、第１の主面と第２の主面を有する誘電体基板（１１）と、前記誘電体基板の前記第１の主面に形成され、超伝導体材料を含む共振器パターン（１２）と、前記誘電体基板の前記第２の主面に形成され、開口（１４ａ）を有するグランド層（１４）と、前記第１の主面側で、前記共振器パターンから離間して配置され、前記フィルタ特性を調整する第１の調整部材（２０，２３）と、前記第２の主面側で、前記グランド層の開口位置に設けられ、前記フィルタ特性を調整する第２の調整部材（２５，２６）と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超伝導フィルタ装置に関し、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）および図１（ｂ）は、従来の超伝導チューナブルフィルタの構成例を示す。図１（ａ）に示すように、マイクロストリップ構成の超伝導共振器フィルタパターン１１２は、たとえばヘアピン形状の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１１２ａ〜１１２ｃ間、および共振器１１２とフィーダ１１３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。

中心周波数や帯域幅、遮断特性、帯域外抑圧特性などのフィルタ特性は、各共振器１２ａ〜１２ｃの共振周波数ｆo、共振器間結合係数ｋ、外部Q値によって決まってくる。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変化させ、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）制御で同調制御する３種類の手段が考えられる。この中で、メカニカルに変える方法が最も大きな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。

この場合、たとえば図１（ｂ）に示すように、裏面にグランド層１２４を設けた誘電体基板１１１の上面に、共振器フィルタパターン１１２を形成し、その上方に、低損失の誘電体又は磁性体のプレート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ｄを変えることで、εeffもしくはμeffを変化させチューナブル可能にする（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の上方全体をプレート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、それぞれ個別に制御可能な第１および第２の調整手段を用いて、中心周波数と帯域幅の双方を独立して調整する。

具体的には、本発明の第１の側面では、高周波電気信号に対するフィルタ特性を有する超伝導フィルタ装置を提供する。この超伝導フィルタ装置は、
第１の主面と第２の主面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１の主面に形成され、超伝導体材料を含む共振器パターンと、
前記誘電体基板の前記第２の主面に形成され、開口を有するグランド層と、
前記第１の主面側で、前記共振器パターンから離間して配置され、前記フィルタ特性を調整する第１の調整部材と、
前記第２の主面側で、前記グランド層の開口位置に設けられ、前記フィルタ特性を調整する第２の調整部材と、
を有する。

上述の超伝導フィルタ装置は通信用モジュールに適用可能である。この場合、通信用モジュールは、超伝導フィルタ装置と、前記超伝導フィルタ装置を冷却する冷却部材とを有し、前記超伝導フィルタ装置は、
超伝導体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周波数及び／又は帯域幅を調整する可動部材と、
を有し、
前記可動部材は、前記冷却部材の振動方向と直交する方向に移動可能である。

共振器フィルタパターン全体に対する誘電率又は透磁率の影響と、各共振器間及び／又は共振器−フィーダ間の結合の度合いを、それぞれ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フィルタ装置１０の構成を示す。図２（ａ）は基本概念図、図２（ｂ）は、概略断面図である。図２の例では、超伝導フィルタ装置１０は、たとえばＭｇＯ単結晶で構成される誘電体基板１１上に、超伝導材料で多段に配列されたディスク型の共振器１２ａ〜１２ｃを含む共振器パターン１２と、共振器パターン１２の近傍に延びる入出力フィーダ１３が形成されている。超伝導材料として、たとえばＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用いる。入出力フィーダ１３の一方（入力線）を伝達する高周波信号は、たとえば共振器１２ａと電磁的に結合して共振器１２ａを流れる。同様に、電磁的な結合により、共振器１２ｂ、１２ｃを流れ、入出力フィーダ１３の他方（出力線）に出力される。なお、図２（ａ）の例では、共振器１２ａ〜１２ｃは、ディスク形状をしているが、図１（ａ）のようにヘアピン形状の共振器であってもよい。また、楕円形、多角形などの任意のパッチ形状としてもよい。

誘電体基板１１の裏面にはグランド層１４が形成され、誘電体基板１１上の共振器パターン１２とともに、マイクロストリップ線路を構成する。グランド層１４は良導体であってもよいが、超伝導材料で形成されるのが望ましい。グランド層１４には、帯域幅調整用の開口１４ａが設けられている。一方、誘電体基板１１の共振器パターン１２の上方には、中心周波数調整用の調整プレート２０が配置される。調整プレート２０は、たとえばサファイアなどの誘電体プレートである。

図２（ｂ）に示すように、共振器パターン１２を有する誘電体基板１１は、パッケージ３０内に配置される。誘電体基板１１上の入出力フィーダ１３は、ワイヤボンディング１８により、入出力コネクタ３１を介して入出力コネクタ３１の中心導体に接続される。

パッケージ３０の共振器パターン１２に対向する面（図２（ｂ）では上面）には、プレート調整トリマ２３が設けられ、調整プレート２０に接続される。プレート調整トリマ２３により、矢印Ａで示すように、共振器パターン１２に対する調整プレート２０の高さ位置を調整する。

一方、パッケージ３０のグランド層１４側の面（図２（ｂ）では底面）には、ロッド調整トリマ２６が配置される。ロッド調整トリマ２６の先端部には、サファイアなどの誘電体で構成されるチューニングロッド２５が設けられる。チューニングロッド２５は、パッケージ３０の貫通穴３０ａに挿入され、グランド層１４の開口１４ａを介して、誘電体基板１１に対向する。矢印Ｂで示すように、対応するロッド調整トリマ２６により、各チューニングロッド２５の垂直位置は、個別に調整可能である。なお、パッケージ３０の側面に内部観察用の窓を設けてもよい。

図３は、共振器パターン１２に対するグランド層１４の開口１４ａ及びチューニングロッド２５の位置関係を示す図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、チューニングロッド２５の先端を誘電体基板１１に対向させるための開口１４ａは、互いに隣接する共振器１２ａ〜１２ｃの各々の間、及び／又は共振器パターン１２と入出力フィーダ１３の間に対応する位置に設けられている。開口１４ａを介して誘電体基板１１に対するチューニングロッド２５の垂直位置を変化させることによって、共振器と共振器の間、及び／又は共振器パターン１２と入出力フィーダ１３の間に対応する部分の誘電体基板１１の誘電率を変化させて、漏れ電磁界の結合を変化させる。

図３（ｂ）の例では、誘電体基板１１の裏面に、ロッド挿入用のホール２１が形成されている。ホール２１は、レーザ加工、超音波加工などにより、誘電体基板１１の所望の位置に形成することができ、この例においても、ホール２１は共振器と共振器の間、及び／又は共振器パターン１２と入出力フィーダ１３の間に対応する位置に設けられる。この場合、チューニングロッド２５は、グランド層１４の開口１４ａから、それぞれ対応するホール２１内に挿入され、帯域幅をより効果的にチューニングすることができる。

図４は、誘電体基板１１にヘアピン形状の共振器パターン１２が形成されたときの、グランド層１４の開口１４ａの位置（及び誘電体基板１１のホール２１の位置）を示す概略図である。この例でも、互いに隣接するヘアピン共振器１２ａ〜１２ｃの各々の間、及び／又は共振器パターン１２と入出力フィーダ１３の間に対応する位置に、開口１４ａが形成される。図４の例では、開口１４ａは四角形であるが、この例に限定されず、円形、楕円形など、チューニングロッド２５の断面形状に合わせた形状でよい。

図５は、図２（ｂ）のパッケージ３０内に収容した超伝導フィルタ装置１０を、真空容器２７内のコールドプレート４２に搭載した通信用モジュール５０の概略図である。通信モジュール５０を搭載したコールドプレート４２は、冷凍機（コンプレッサ）４１に接続されて、パッケージ３０および断熱性の真空容器４７の内部全体を冷却する。パッケージ３０内に収容される超伝導フィルタ装置１０（図２参照）は、入出力コネクタ３１を介して図示しない同軸ケーブルにより、真空容器４７の外部のネットワークアナライザ（不図示）に接続される。このような通信用モジュール５０は、たとえば無線通信基地局で用いられ、送信アンテナの近傍に設置される。

図５において、冷凍機４１からコールドプレート４２を介してパッケージ３０に伝わる微振動の方向は、矢印Ｃの方向である。

この振動方向Ｃに対して、プレート／ロッド位置調整方向（チューニング方向）が直交するように、パッケージ３０を配置する。図５の例では、調整部材として、プレート調整トリマ２３とロッド調整トリマ２６に代えて、真空容器４７の外部に直線導入制御機構４５、４６を設け、それぞれ支持部材４８、４９を介して、パッケージ３０内の調整プレート２０とチューニングロッド２５の位置を調整する。支持部材４８の移動方向Ａ、及び支持部材４９の移動方向Ｂは、図２（ｂ）の調整プレート２０とチューニングロッド２５の移動方向Ａ、Ｂに一致する。

調整部材の移動方向（チューニング方向）を、冷却部の機械的な振動に対して直交させることにより、振動の影響を最少にして、同調制御をより正確にすることができる。

図６は、デュアルモードフィルタへの適用例を示す図である。デュアルモードでは、一つの共振器で２つの共振を発生させる。図６（ａ）の例では、誘電体基板１１の裏面のグランド膜１４に、開口２４ａ、２４ｂを形成する。開口２４ａ、２４ｂの配置位置は、誘電体基板１１の表面に形成されたディスク型共振器１２ａ、１２ｂの各々の外周の一部とオーバラップする位置である。たとえば、ディスク型共振器１２ａを１段目の共振器とすると、グランド膜２４の一部に開口２４ａを形成することにより、入力フィーダ１３から電磁界的な結合によりディスク型共振器１２ａに伝搬する信号がディスクの中で縮退していたものが、開校２４ａの存在によって乱されて２つの共振モードを発生し、２つの共振が結合した状態で中継フィーダ１９に電磁界的に伝搬する。

開口２４ａ、２４ｂは、デュアルモード発生用の開口であると同時に、チューニングロッド２５によるフィルタ特性調整用の開口としても機能する。ディスク共振器１２ａ、１２ｂの外周とオーバラップする位置で、グランド層１４にデュアルモード発生用の開口２５ａ、２４を形成することによって、各共振器１２ａ、１２ｂにおいて、互いに直交する電磁界モードの縮退を解いて共振周波数を分離させ、デュアルモードフィルタとして機能させることができる。

図６（ｂ）の例では、ディスク共振器１２ａ、１２ｂの外周の一部に切り欠き（ノッチ）５４ａ、５４ｂを設ける。この場合も、切り欠き５４ａ、５４ｂの存在により、ディスク共振器１２ａ、１２ｂ上で互いに直交する電磁界モードの縮退を解いて、共振周波数をデュアルモードに分離させることができる。

好ましくは、デュアルモード発生パターン５１ａ、５１ｂと、切り欠き５４ａ、５４ｂは、ディスク共振器１２ａ、１２ｂの中心に対して、入出力フィーダ１３及び中継フィーダ１９と点対称の位置に配置される。

図６（ａ）、図６（ｂ）のいずれの例でも、グランド層１４の入出力フィーダ１３とディスク共振器１２の間、及び／又はディスク共振器１２と中継フィーダ１９の間に対応する位置に、ロッド調整用の開口を設けてもよい。

図７は、実施形態の超伝導フィルタ装置のチューニング特性を説明するグラフである。共振器パターン１２として、図６（ａ）に示すディスク型共振器１２ａを一段で構成し、グランド層１４に開口２４ａを形成し、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と調整プレート２０の間の距離ｄを変えたときの共振周波数の変化を示す。シミュレーションサンプルにおいて、ディスク共振器１２ａの直径は１１．１ｍｍ、グランド層１４の開口２４ａの直径は２．５ｍｍ、開口２４ａの配置位置は、ディスク外周において、ディスクの中心に対して入出力フィーダ１３と点対称の位置、調整プレート２０は、誘電率ε_rが３９、厚さが０．５ｍｍの誘電体プレートである。グラフにおいて、細い実線のカーブは、距離ｄが１０μｍのときの透過特性（Ｓ２１）、点線が反射特性（Ｓ１１）である。太線の実線は距離ｄが１０ｍｍのときの透過特性（Ｓ２１）、太い点線が反射特性（Ｓ１１）である。

チューニングロッド２５を一定にして、調整プレート２０を共振器パターン２０に近づけると、中心周波数が低い方へシフトするが、帯域幅は変化していない。このことは、中心周波数と帯域幅をそれぞれ独立して制御可能であることを示している。そして、帯域幅については、誘電体基板１１の裏面で、共振器に対するロッド２５の垂直位置を調整して、共振器間の結合を変えることで、調整することができる。つまり、ロッド２５の存在により、共振器１２の実効比誘電率εeffが増大し、同時に共振器１２と入出力フィーダとの間の結合係数ｋが増大して、外部Ｑが下がるため、帯域幅が増大する。また、ロッド２５を近づけることにより、リップルを低減する方向に調整できる。共振器１２を複数段に配置した場合も同様のことが当てはまる。

このように、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、調整プレート２０の制御とは独立して、共振器間結合係数ｋや外部Qを可変にし、特性を最適化することができる。

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。

調整プレート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。

調整プレート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、調整プレート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。

最後に以上の説明に対して、以下の付記を添付する。
（付記１）
高周波電気信号に対するフィルタ特性を有する超伝導フィルタ装置であって、
第１の主面と第２の主面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第１の主面に形成され、超伝導体材料を含む共振器パターンと、
前記誘電体基板の前記第２の主面に形成され、開口を有するグランド層と、
前記第１の主面側で、前記共振器パターンから離間して配置され、前記フィルタ特性を調整する第１の調整部材と、
前記第２の主面側で、前記グランド層の開口位置に設けられ、前記フィルタ特性を調整する第２の調整部材と、
を有することを特徴とする超伝導フィルタ装置。
（付記２）
前記誘電体基板は、前記第２の主面において、前記グランド層の開口に対応する位置にホールを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装置。
（付記３）
前記共振器パターンは、複数の共振器の配列を含み、
前記グランド層の開口は、前記共振器と共振器の間に対応する位置に設けられていることを特徴とする付記１又は２に記載の超伝導フィルタ装置。
（付記４）
前記第１の調整部材は、前記共振器パターンに対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする付記１乃至３のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
（付記５）
前記第２の調整部材は、前記グランド層の開口に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
（付記６）
前記第１の調整部材は、前記共振器パターンに対して移動可能な誘電体又は磁性体のプレートを含むことを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
（付記７）
前記第２の調整部材は、前記グランド層の開口に対して移動可能なロッドを含むことを特徴とする付記１乃至６のいずれかに記載の超伝導フィルタ装置。
（付記８）
前記共振器パターンは、パッチ形状の共振器を含み、
前記グランド層は、前記パッチ型共振器の外周の一部とオーバラップする位置に前記開口を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装置。
（付記９）
超伝導フィルタ装置と、
前記超伝導フィルタ装置を冷却する冷却部材と、
を有する通信用モジュールにおいて、
前記超伝導フィルタ装置は、超伝導体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周波数及び／又は帯域幅を調整する可動部材と、
を有し、
前記可動部材は、前記冷却部材の振動方向と直交する方向に移動可能であることを特徴とする通信用モジュール。

従来のマイクロストリップ型の超伝導フィルタ装置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フィルタ装置の構成例を示す図である。 実施形態のチューニング用の開口パターンの例を示す図である。 ヘアピン共振器の配列を用いたときの開口パターンの例を示す図である。 図２の超伝導フィルタ装置を適用した通信用モジュールの構成例を示す概略図である。 図２の超伝導フィルタ装置のデュアルモードフィルタへの適用例を示す図である。 図６（ａ）のディスク共振器を一段にして測定したフィルタ特性の電磁界シミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 超伝導フィルタ装置
１１ 誘電体基板
１２ 共振器パターン
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 共振器
１３ フィーダ（信号入出力線）
１４ グランド層
１４ａ、２４ａ 開口
１９ 中継フィーダ
２０ 調整プレート
２１ ホール
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
４１ 冷凍機
４２ コールドプレート
５０ 通信用モジュール
５４ａ、５４ｂ 切り欠き（ノッチ）
Ａ プレート調整方向
Ｂ ロッド調整方向
Ｃ 冷却部振動方向

Claims (5)

1. 高周波電気信号に対するフィルタ特性を有する超伝導フィルタ装置であって、
   第１の主面と第２の主面を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板の前記第１の主面に形成され、超伝導体材料を含む共振器パターンと、
   前記誘電体基板の前記第２の主面に形成され、開口を有するグランド層と、
   前記第１の主面側で、前記共振器パターンから離間して配置され、前記フィルタ特性を調整する第１の調整部材と、
   前記第２の主面側で、前記グランド層の開口位置に設けられ、前記フィルタ特性を調整する第２の調整部材と、
   を有することを特徴とする超伝導フィルタ装置。
2. 前記誘電体基板は、前記第２の主面において、前記グランド層の開口に対応する位置にホールを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装置。
3. 前記共振器パターンは、複数の共振器の配列を含み、
   前記グランド層の開口は、前記共振器と共振器の間に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超伝導フィルタ装置。
4. 前記第１の調整部材は、前記共振器パターンに対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超伝導フィルタ装置。
5. 前記第２の調整部材は、前記グランド層の開口に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超伝導フィルタ装置。

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