JP2020031404A - 電磁波伝送路、電磁波伝送路の製造方法、および電子デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】位相速度を高め、かつ、特性インピーダンスを低くすることができる電磁波伝送路、電磁波伝送路の製造方法、および電磁波増幅器、発振器などの電子デバイスを提供すること。【解決手段】所定の間隔を隔てて構成される導体１０，１１を有し、導体１０，１１間に導体１０，１１よりも電気抵抗率の高い絶縁体２０が配されている。絶縁体２０は、ポリイミドに所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる微粒子化された磁性体が含まれて構成されたマイクロストリップ線路内に、能動素子としてのガンダイオード４０を配置する。電子デバイス２は、ガンダイオード４０とマイクロストリップ線路とが組み合わされて構成されている。ガンダイオード４０が発振する所定の周波数の電磁波は、低損失でマイクロスロリップ線路に伝送される。【選択図】図９
Description
本発明は、位相速度を高め、かつ、特性インピーダンスを低くすることができる電磁波伝送路と、その電磁波伝送路の製造方法と、電磁波増幅器、発振器などの電子デバイスに関する。ここでいう電磁波は、波長１０μｍ以下の光領域の電磁波も含む。
従来、マイクロストリップ線路などの電磁波伝送路では、導体間に絶縁体を配している。
一方、電磁波伝送路に交流磁界をかけると定常的、または一時的に磁気分極が磁界の方向とは正反対の方向に向くマイナス透磁率の性質が知られている。ここでいう透磁率とは、（磁束密度Ｂ）／（磁界の強さＨ）である。なお、磁束密度Ｂ，磁界の強さＨはマクスウェルの方程式で用いられる磁気密度Ｂ，磁界の強さＨと同じ意味を持つ。
特許文献１では、中空の管と、管の全内周面上に設けられた導波層とを備える導波管について開示されている。この導波層は、導体と、導体内に分散し負の透磁率を有する複数の磁性微粒子とにより構成されている。また、導波管において、中空の管を備え、管は、導体と、導体内に分散し負の透磁率を有する複数の磁性微粒子とにより構成されている。配線基板において、基板と、基板の表面上に設けられた導波層とを備え、導波層は、導体と、導体内に分散し負の透磁率を有する複数の磁性微粒子とにより構成されている。この構成により、表皮深さに起因する挿入損失を抑止している。
B.Rejaei and M.Vroubel,"Suppression of skin effect in metal／ferromagnet superlattice conductors" B.Rejaei and M.Vroubel, J.Appl.Phys.96,6863(2004).
ところで、マイクロストリップ線路などの電磁波伝送路では、導体間に導入された絶縁体の比透磁率が１以上であるため、位相速度と特性インピーダンスとが制限されるという問題があった。ここでいう絶縁体は全く電気を通さないというものでは無く、導体よりも直流において１万倍程度以上抵抗率が高い媒質を想定している。また、抵抗率の単位はΩ・ｍであり、空間的に平均化された値である。誘電体と呼ばれるものも直流の抵抗率が導体よりも高ければ絶縁体と呼ぶ。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位相速度を高め、かつ、特性インピーダンスを低くすることができる電磁波伝送路、電磁波伝送路の製造方法、および電磁波増幅器、発振器などの電子デバイスを提供することを目的とする。具体的には、特性インピーダンスを下げることにより、インダクタンスに起因する高周波損失を低減しようとするものである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電磁波伝送路は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路であって、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体は、第１媒質に前記所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる第２媒質が含まれて構成されることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記第２媒質は、軟磁性体または反磁性体を含む磁性体であることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記絶縁体は、複数の粒子で構成される前記第２媒質が前記第１媒質内に分散されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記第２媒質の磁気分極の方向は、前記電磁波が伝送される方向に対して直交するとともに、前記第１の導体と前記第２の導体とが対向する方向に対して直交するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記第２媒質は、前記第１の導体と前記第２の導体に対して層状に形成されることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記第１媒質に対する前記第２媒質の体積比は、前記第２媒質の透磁率の絶対値に対する前記第２媒質の透磁率の絶対値の比の逆数であることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記体積比は、１／２０以下であることを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路は、上記の発明において、前記第２媒質の分子量または密度は、前記第１媒質の分子量または密度より大きいことを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路の製造方法は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、基板上に前記第１の導体を形成する第１導体形成工程と、磁性体を微粒子化し、微粒子化された磁性体である前記第２媒質を前記第１媒質に混入して拡散した絶縁材を前記第１の導体上に塗布し、前記第２媒質の磁化方向を調整した後、前記絶縁材を硬化する処理を１以上繰り返して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、前記絶縁体上に前記第２の導体を形成する第２導体形成工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路の製造方法は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、基板上に前記第１の導体を形成する第１導体形成工程と、前記第１の導体上に前記第１媒質を塗布して硬化し、該硬化した第１媒質上に前記第２媒質を成膜し、該成膜した前記第２媒質の磁化方向を調整する処理を１以上繰り返し、その後、磁化方向が調整された前記第２媒質上に前記第１媒質を塗布し硬化して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、前記絶縁体上に前記第２の導体を形成する第２導体形成工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる電磁波伝送路の製造方法は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、前記第１媒質に微粒子化された前記第２媒質が拡散された絶縁材を、絶縁材で形成されたセル内に密封する密封工程と、前記セル内の前記第２媒質の磁化方向を調整した後、前記第１媒質を硬化して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、前記絶縁体を包む前記セルの表面及び裏面にそれぞれ前記第１の導体および前記第２の導体を形成する導体形成工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる電子デバイスは、上記の発明のいずれか一つに記載の電磁波伝送を構成する絶縁体に電磁波発振器または電磁波増幅器を配することを特徴とする。
また、本発明にかかる電子デバイスは、上記の発明において、前記電磁波発振器または前記電磁波増幅器は、一つ以上の端面に金属の反射鏡が形成されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる電子デバイスは、上記の発明において、前記電磁波発振器は、ガンダイオードまたはインパットダイオードであることを特徴とする。
本発明によれば、位相速度を高め、かつ、特性インピーダンスを低くすることができる。さらに、本発明によれば、結果としてインダクタンスに起因する損失を下げることができる。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本実施の形態では、電磁波伝送路の一例としてマイクロストリップ線路について説明する。
＜全体構成＞
図１は、本発明の実施の形態であるマイクロストリップ線路１の構成を示す断面図である。マイクロストリップ線路１は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体（以下、導体１０という）および第２の導体（以下、導体１１という）を有し、所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路であって、導体１０と導体１１との間に、導体１０および導体１１よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されている。電磁波は、電界と磁界の相互作用によってマイクロストリップ線路１を伝搬してゆく。電界と磁界は、互いに直交している。
図１は、本発明の実施の形態であるマイクロストリップ線路１の構成を示す断面図である。マイクロストリップ線路１は、所定の間隔を隔てて構成される第１の導体（以下、導体１０という）および第２の導体（以下、導体１１という）を有し、所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路であって、導体１０と導体１１との間に、導体１０および導体１１よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されている。電磁波は、電界と磁界の相互作用によってマイクロストリップ線路１を伝搬してゆく。電界と磁界は、互いに直交している。
ここで、絶縁体とは、導体１０および導体１１の抵抗率より高い抵抗率を有するものをいう。一般的に導体より少なくとも１万倍以上、抵抗率（Ωｍ）が高い絶縁体を用いる。また、ここでいう導体とは、金属または半導体を含む概念である。また、ここでいう絶縁体とは、空気または真空を含む概念である。
図２に示すように、絶縁体２０は、物理的に直接接触していない導体１０と導体１１との間に介在している。絶縁体２０は、第１媒質（以下、基準媒質という）に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる第２媒質（以下、調整媒質という）が含まれて構成される。具体的には、絶縁体２０は、導体１０，１１よりも１万倍以上抵抗率が高い基準媒質であるポリイミド２１内に、透磁率が所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになる調整媒質である強磁性体の磁性体２２が含まれる。強磁性体は、例えば、ＮｉおよびＦｅなどである。なお、詳細は後述するが、調整媒質は、軟磁性体または反磁性体を含む磁性体であってもよい。また、従来、導体１０と導体１１との間に介在する絶縁体２０の磁性体２２をマイナス透磁率にしようとする技術および設計思想は存在しなかった。
また、絶縁体２０は、複数の粒子で構成される磁性体２２がポリイミド２１内に分散されている。分散とは、例えば、１ｍｍ２内に磁性体の粒子が２〜３個以上存在し、一組以上の粒子のペアが互いに物理的に直接接していない状態である。この分散は、光学または電子顕微鏡による画像解析で確認することができる。ところで、絶縁体２０の磁性体２２は、外部磁界と磁気分極が正反対の方向を向いてマイナス透磁率を示す。これは、強磁性体が外部磁界に影響を受けにくい磁気的に重い原子または分子だからであると考えられる。
また、絶縁体２０は、ポリイミド２１の透磁率の絶対値と、磁性体２２の透磁率の絶対値との割合を適切にして磁性体２２をポリイミド２１に混ぜると、空間的に平均的な透磁率が０またはマイナスになる。例えば、ポリイミド２１に対する磁性体２２の体積比は、ポリイミド２１の透磁率の絶対値に対する磁性体２２の透磁率の絶対値の比の逆数であることが好ましい。例えば、５ＧＨｚの電磁波を伝送する場合には、磁性体２２の負の比透磁率は「−２０」であり、ポリイミドの比透磁率は「１」である。このため、ポリイミド２１に対する磁性体２２の体積比は、「１／２０」以下とすることが好ましい。このとき、磁性体はＣｏ系の化合物であり、例えば、非特許文献１に記載の理論式より、比透磁率が計算される。
なお、ポリイミド２１の比透磁率は「１」であり、磁性体２２を体積比５％混入することにより、絶縁体２０の空間的に平均化された透磁率を「０」にすることができる。この場合、ポリイミド２１に対して、数％の磁性体２２の混入であれば、磁性体２２間の相互作用、例えば、だまになったり、分散しにくくなるなどの相互作用は、無視でき、効率的にマイナス透磁率の効果を得た絶縁体２０を得ることができる。
なお、図１に示したマイクロストリップ線路１は、導体１０の幅Ｗ＝４００μｍ、絶縁体２０の高さｈ＝２００μｍ、ポリイミド２１の比誘電率εｒ＝３．５、比透磁率μｒ＝１．０である。図３は、マイクロストリップ線路１の等価回路を示している。マイクロストリップ線路１は、分布定数線路として表すことができる。分布定数線路は、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの多段接続した回路で示すことができる。絶縁体２０がポリイミド２１のみで構成されている場合、インダクタンスＬは、６．２８×１０−７Ｈ／ｍであり、キャパシタンスＣは、６．２×１０−１１Ｆ／ｍである。なお、インダクタンスＬは、導体１０と導体１１との間の絶縁体２０の透磁率に比例する。
＜マイナス透磁率の効果＞
ここで、マイクロストリップ線路１の位相速度ｖおよび特性インピーダンスＺ０は、絶縁体２０の比透磁率μｒと比誘電率εｒに依存する。マイクロストリップ線路１のインダクタンスＬは、（１）式
Ｌ＝μ・ｈ／Ｗ ・・・（１）
で表され、透磁率μが小さくなることによってインダクタンスＬは小さくなる。一方、位相速度ｖは、（２）式
ｖ＝１／√（Ｌ・Ｃ） ・・・（２）
で表される。したがって、インダクタンスＬが小さくなると、位相速度ｖは大きくなる。
ここで、マイクロストリップ線路１の位相速度ｖおよび特性インピーダンスＺ０は、絶縁体２０の比透磁率μｒと比誘電率εｒに依存する。マイクロストリップ線路１のインダクタンスＬは、（１）式
Ｌ＝μ・ｈ／Ｗ ・・・（１）
で表され、透磁率μが小さくなることによってインダクタンスＬは小さくなる。一方、位相速度ｖは、（２）式
ｖ＝１／√（Ｌ・Ｃ） ・・・（２）
で表される。したがって、インダクタンスＬが小さくなると、位相速度ｖは大きくなる。
図４は、図１に示したマイクロストリップ線路１を伝搬する電磁波の位相速度ｖに対する比透磁率μｒの依存性を示す図である。図４に示すように、比透磁率μｒを下げると、位相速度ｖが大きくなることがわかる。ここで、比透磁率μｒとは、「（対象となる物質の透磁率）/（真空中の透磁率）」、で定義される。位相速度ｖは、マイナス透磁率を用いたマイクロストリップ線路１内で大きくなっても、電磁波が空気中に放射された際、空気中の誘電率εと透磁率μで決定される。
また、図５は、マイクロストリップ線路１などの電磁波伝送路のインピーダンスＺの動作周波数依存性を示す図である。図５に示すように、電磁波伝送路のインピーダンスＺは、無損失周波数ｆ０で最小になる。無損失周波数ｆ０は、（３）式で定義される。
ｆ０＝１／（２π√（Ｃ・Ｌ）） ・・・（３）
インダクタンスＬを小さくすると、無損失周波数ｆ０を大きくすることができる。通常、無損失周波数ｆ０は、２５ＭＨｚ程度であるが、マイナス透磁率に設定することによって、１００ＧＨｚ以上になる。したがって、マイクロストリップ線路１が発振器の共振器に接続される場合、無損失周波数ｆ０を発振周波数に近づけることができる。この結果、発振周波数の電磁波を低損失で伝送することができる。
ｆ０＝１／（２π√（Ｃ・Ｌ）） ・・・（３）
インダクタンスＬを小さくすると、無損失周波数ｆ０を大きくすることができる。通常、無損失周波数ｆ０は、２５ＭＨｚ程度であるが、マイナス透磁率に設定することによって、１００ＧＨｚ以上になる。したがって、マイクロストリップ線路１が発振器の共振器に接続される場合、無損失周波数ｆ０を発振周波数に近づけることができる。この結果、発振周波数の電磁波を低損失で伝送することができる。
また、特性インピーダンスＺ０は、（４）式で定義される。
Ｚ０＝√（Ｌ／Ｃ） ・・・（４）
したがって、インダクタンスＬを小さくすると特性インピーダンスＺ０を小さくすることができる。
Ｚ０＝√（Ｌ／Ｃ） ・・・（４）
したがって、インダクタンスＬを小さくすると特性インピーダンスＺ０を小さくすることができる。
図６は、図１に示したマイクロストリップ線路１に対する特性インピーダンスＺ０の比透磁率μｒの依存性を示す図である。図６に示すように、特性インピーダンスＺ０は、比透磁率μｒが小さくなるにしたがって小さくなる。特性インピーダンスＺ０を小さくすると、マイクロストリップ線路１に流れる高周波電流を増大することができる。図６では、比透磁率μｒが「１」のときに比べて、マイナス透磁率を「０．１」まで下げると、特性インピーダンスＺ０は１／３まで低減し、出力の高周波電流の電流振幅は３倍に増加することになる。
上記のように、マイクロストリップ線路１は、絶縁体２０にマイナス透磁率の磁性体２２を含むので、インダクタンスＬが小さくなり、電磁波伝送路の位相速度ｖを大きくすることができるとともに、特性インピーダンスＺ０を小さくすることができる。マイクロストリップ線路１は、特性インピーダンスＺ０が小さくなると、インダクタンスによる損失が低減され、伝送効率を向上させることができる。また、マイクロストリップ線路１を発振器の共振器などに接続する構成の場合、無損失周波数ｆ０が発振周波数に近づくことにより、低損失な電磁波伝送路を実現できる。
＜製造方法＞
つぎに、マイクロストリップ線路１の製造方法について説明する。図７は、マイクロストリップ線路１の製造手順を示すフロー図である。図７に示すように、まず、基板３０上に、下部の導体１１をスパッタリングなどによって成膜する（図７（ａ））。その後、微粒子の磁性体２２を生成する（図７（ｂ））。この磁性体２２の微粒子化は、スパッタリング法、研磨法、アーク加熱法、プラズマＣＶＤ法などによって行うことができる。
つぎに、マイクロストリップ線路１の製造方法について説明する。図７は、マイクロストリップ線路１の製造手順を示すフロー図である。図７に示すように、まず、基板３０上に、下部の導体１１をスパッタリングなどによって成膜する（図７（ａ））。その後、微粒子の磁性体２２を生成する（図７（ｂ））。この磁性体２２の微粒子化は、スパッタリング法、研磨法、アーク加熱法、プラズマＣＶＤ法などによって行うことができる。
その後、微粒子化された磁性体２２を容器内のポリイミド２１に混入する（図７（ｃ））。微粒子化された磁性体２２をポリイミド２１中に混入する場合、回転機構または機械的振動を与えられる機構を有するミキサーを用いることが好ましい。このような方法で微粒子化された磁性体２２をポリイミド２１中に混入して均一に拡散すると、絶縁体２０で生じる磁界の強さが絶縁体２０の厚さ方向で均一になるため、導体１０，１１のインダクタンスＬ成分が導体１０，１１内で均一になるというメリットがある。
その後、磁性体２２が混入されポリイミド２１ａを導体１１上に塗布する（図７（ｄ））。ポリイミド２１ａの塗布をスピンコートで行う場合、数１０回転数／秒で行うことが好ましい。その後、ポリイミド２１ａ内の磁性体２２の磁化方向を調整するとともに、この状態でポリイミド２０ａを硬化したポリイミド２０ｂにする（図７（ｅ））。磁化方向の調整は、例えば、０．１〜１０テスラの磁石、永久磁石、超伝導コイルなどの磁場発生器を用い、磁界Ｈを、マイクロストリップ線路１の磁界方向（＋Ｘ方向あるいは−Ｘ方向）に印加して磁気分極を一方向に配列する。なお、ポリイミド２０ａは、熱硬化性樹脂であるため、例えば３００℃以上の温度にして硬化される。なお、基準媒質が光硬化性樹脂である場合、例えば紫外光などを当てて硬化させる。
その後、図７（ｄ）及び図７（ｅ）の処理を繰り返し、絶縁体２０を厚さ方向（Ｚ方向）に堆積する（図７（ｆ））。絶縁体２０が所望の厚さになった場合、レジストを塗布してパターニングを行う（図７（ｇ））。その後、上部の導体１０を成膜し（図７（ｈ））、リフトオフする（図７（ｉ））ことにより、図１に示したマイクロストリップ線路１が製造される。
＜マイクロストリップ線路の変形例１の製造方法＞
つぎに、マイクロストリップ線路１の変形例１の製造方法について説明する。図７に示したマイクロストリップ線路１では、絶縁体２０内の磁性体２２が絶縁体２０内で均一に分散させるものであったが、この変形例１では、絶縁体２０内の磁性体２２を厚さ方向（Ｚ方向）に向けて層状に形成するようにしている。
つぎに、マイクロストリップ線路１の変形例１の製造方法について説明する。図７に示したマイクロストリップ線路１では、絶縁体２０内の磁性体２２が絶縁体２０内で均一に分散させるものであったが、この変形例１では、絶縁体２０内の磁性体２２を厚さ方向（Ｚ方向）に向けて層状に形成するようにしている。
図８は、マイクロストリップ線路１の変形例１の製造手順を示すフロー図である。図８に示すように、まず、基板３０上に、下部の導体１１をスパッタリングなどによって成膜する（図８（ａ））。その後、ポリイミド２１を導体１１上に塗布し、硬化させる（図８（ｂ））。その後、ポリイミド２１上に、スパッタリングなどによって磁性体２２を成膜し、磁化方向の調整を行う（図８（ｃ））。その後、成膜した磁性体２２上にポリイミド２１を塗布し、硬化させる（図８（ｄ））。
その後、レジストを塗布してパターニングを行い、上部の導体１０を成膜し、リフトオフする（図８（ｅ））ことにより、図１に示したマイクロストリップ線路１の変形例が製造される。
なお、図８（ｃ）及び図８（ｅ）の処理を繰り返し、複数の磁性体２２の層を形成するようにしてもよい。
また、磁性体２２の層は面状でなく、部分的な棒状であってもよい。すなわち、ＸＹ平面に対して磁性体２２の層を棒状に形成してもよい。
この変形例の製造方法では、マイナス透磁率の磁性体２２の分布を容易に制御することができる。すなわち、この変形例の製造方法では、絶縁体２０のマイナス透磁率の特性を予想しやすく、設計し易いというメリットがある。
＜変形例２＞
上記の実施の形態及び変形例１では、絶縁体２０をポリイミド２１に磁性体２２を混入させて絶縁体２０の透磁率が所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになるようにしていたが、これに限らず、分子量または密度の異なる２種類の樹脂（例えば、ポリイミドとエポキシ）を混ぜる構成でもよい。この構成の場合、分子量または密度の異なる２種類の樹脂それぞれの磁気分極が、ある周波数で正反対の関係になり、透磁率を相殺し、絶縁体２０全体の透磁率を０またはマイナスにすることができる。なお、透磁率は、温度依存性があるため、使用する環境に応じて設計する必要がある。
上記の実施の形態及び変形例１では、絶縁体２０をポリイミド２１に磁性体２２を混入させて絶縁体２０の透磁率が所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになるようにしていたが、これに限らず、分子量または密度の異なる２種類の樹脂（例えば、ポリイミドとエポキシ）を混ぜる構成でもよい。この構成の場合、分子量または密度の異なる２種類の樹脂それぞれの磁気分極が、ある周波数で正反対の関係になり、透磁率を相殺し、絶縁体２０全体の透磁率を０またはマイナスにすることができる。なお、透磁率は、温度依存性があるため、使用する環境に応じて設計する必要がある。
＜変形例３＞
また、磁性体２２でなくても、重さ（分子量または密度）の異なる二つの物質（半導体および樹脂）が混入されていてもよい。例えば、ポリイミドとシリコン微粒子の組み合わせなどである。
また、磁性体２２でなくても、重さ（分子量または密度）の異なる二つの物質（半導体および樹脂）が混入されていてもよい。例えば、ポリイミドとシリコン微粒子の組み合わせなどである。
＜変形例４＞
図９は、マイクロストリップ線路１の絶縁体２０に能動素子としてのガンダイオード４０を設けた電子デバイス２の一例を示す図である。ガンダイオード４０は、電子双極子を周期的に走行させるガン効果を用いた発振器である。このような能動素子と、マイクロストリップ線路１との組み合わせにより、図５に示した無損失周波数ｆ０をガンダイオード４０の発振周波数に近づけることができる。
図９は、マイクロストリップ線路１の絶縁体２０に能動素子としてのガンダイオード４０を設けた電子デバイス２の一例を示す図である。ガンダイオード４０は、電子双極子を周期的に走行させるガン効果を用いた発振器である。このような能動素子と、マイクロストリップ線路１との組み合わせにより、図５に示した無損失周波数ｆ０をガンダイオード４０の発振周波数に近づけることができる。
なお、ガンダイオード４０は、発振器の一例であり、例えばインパットダイオードであってもよい。インパットダイオードは、雪崩降伏現象を利用した発振器である。この二つのダイオードは周期的に電気双極子を走行させることにより、電磁波（高周波電流）を生成することができる。
さらに、図９に示したマイクロストリップ線路１の両端に光学的に平坦な金属膜を形成し、反射鏡として用いることによって増幅器を形成できる。この場合、発振器などのＱ値の向上につながる。上記の発振器または増幅器にマイナス透磁率の絶縁体を導入すると、上述したように、インダクタンス成分の損失が下がるので、その分、高周波電流の出力が向上する。出力が向上したときの増加率を算出する場合は、共振器を電磁波伝送路としてみたときの特性インピーダンスＺ０の低減特性を参照すればよい。
＜変形例５＞
上記の実施の形態及び変形例では、電磁波伝送路の一例としてマイクロストリップ線路１を中心に説明したが、マイクロストリップ線路１に限らず、コプレーナ線路または同軸ケーブル線路であってもよい。
上記の実施の形態及び変形例では、電磁波伝送路の一例としてマイクロストリップ線路１を中心に説明したが、マイクロストリップ線路１に限らず、コプレーナ線路または同軸ケーブル線路であってもよい。
図１０は、コプレーナ線路３の構成を示す断面図である。図１０に示したコプレーナ線路３は、絶縁体４４上に三つの導体線路４１が形成され、この導体線路４１間に、絶縁体２０に対応する二つの絶縁体４２が形成される。絶縁体４２の透磁率は、絶縁体２０の誘電率と同様に、所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになる。
図１１は、同軸ケーブル線路４の構成を示す断面図である。図１１に示した同軸ケーブル線路４は、内部導体線路５０と外部導体線路５１との間に管状の絶縁体５３が形成される。絶縁体５３の透磁率は、絶縁体２０の誘電率と同様に、所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになる。
同軸ケーブル線路４の製造手順は以下のとおりである。内部導体線路を線引きしている間に絶縁体５３となるポリエチレンを塗布する。ポリエチレン中には、マイナス透磁率を有する磁性体が混入されており、塗布後、硬化する前に外部磁場をかけて磁性体の磁気分極の方向を一定方向に配向する。一定方向とは、電磁波が伝送される方向に対して直交するとともに、内部導体線路５０と外部導体線路５１とが対向する方向に対して直交する方向である。直交とは、直角に交わること、および、直角に交わっているとみなせる誤差の範囲を含むことをいう。
なお、図１２に示すように、磁性体が混入されたポリエチレンを塗布するのではなく、磁性体が混入していないポリエチレン絶縁層である基準媒質５４の形成後に、マイナス透磁率を有する調整媒質５５で基準媒質５４を覆い、再度、基準媒質５４を塗布する処理を繰り返すようにしてもよい。この場合、基準媒質５４及び調整媒質５５は、筒状に形成されることになる。なお、調整媒質５５の分子量または密度は、基準媒質５４の分子量または密度より大きくてもよい。
＜変形例６＞
図１３は、マイクロストリップ線路１の変形例６の構成を示す断面図である。図１３に示すように、変形例６のマイクロストリップ線路１は、ガラス製のセル６０内に、磁性体２２が混入されたポリイミド２１である絶縁体２０が密封される。この絶縁体２０が密封された状態で、磁石Ｍ１，Ｍ２を用いて磁性体２２の磁気分極の方向を一定方向に配向した後、ポリイミド２１が硬化される。一定方向とは、電磁波が伝送される方向に対して直交するとともに、導体１０と導体１１とが対向する方向に対して直交する方向である。直交とは、直角に交わること、および、直角に交わっているとみなせる誤差の範囲を含むことをいう。なお、導体１０，１１は、例えばアルミテープで形成される。この変形例６によれば、マイクロストリップ線路１を簡易に製造することができる。
図１３は、マイクロストリップ線路１の変形例６の構成を示す断面図である。図１３に示すように、変形例６のマイクロストリップ線路１は、ガラス製のセル６０内に、磁性体２２が混入されたポリイミド２１である絶縁体２０が密封される。この絶縁体２０が密封された状態で、磁石Ｍ１，Ｍ２を用いて磁性体２２の磁気分極の方向を一定方向に配向した後、ポリイミド２１が硬化される。一定方向とは、電磁波が伝送される方向に対して直交するとともに、導体１０と導体１１とが対向する方向に対して直交する方向である。直交とは、直角に交わること、および、直角に交わっているとみなせる誤差の範囲を含むことをいう。なお、導体１０，１１は、例えばアルミテープで形成される。この変形例６によれば、マイクロストリップ線路１を簡易に製造することができる。
＜変形例７＞
図１４は、マイクロストリップ線路１の絶縁体２０にガンダイオード４０を配置した電磁波発振器の構成を示す断面図である。図１４に示すように、変形例７では、絶縁体２０及びガンダイオード４０がガラス製のセル６０内に配される。その他の構成及び製造方法は、変形例６と同じである。変形例７によれば、電磁波発振器を簡易に製造することができる。
図１４は、マイクロストリップ線路１の絶縁体２０にガンダイオード４０を配置した電磁波発振器の構成を示す断面図である。図１４に示すように、変形例７では、絶縁体２０及びガンダイオード４０がガラス製のセル６０内に配される。その他の構成及び製造方法は、変形例６と同じである。変形例７によれば、電磁波発振器を簡易に製造することができる。
本実施の形態及び変形例では、マイクロストリップ線路１、コプレーナ線路３、同軸ケーブル線路４などの電磁波伝送路の導体間に、透磁率が所定の周波数及び温度において一時的または定常的に０またはマイナスになる調整媒質を部分的に含む絶縁体２０、４２、５３を形成することにより、電磁波伝送路の位相速度および特性インピーダンスを飛躍的に向上することができる。また、これら電磁波伝送路を電磁波発振器と増幅器の共振器に用いることにより、電磁波の出力、または高周波電流の電流振幅を飛躍的に向上することができる。
なお、上記の実施の形態及び変形例では、電気信号としてマイクロ波などの電磁波を想定した電磁波伝送路、電磁波発振器、電磁波増幅器の一例を示したが、これに限らず、１０μｍ以下の光領域の信号に対しても適用することができる。
ところで、上述したマイナス透磁率を発現する絶縁体２０以外にも、マイナス透磁率を実現できる絶縁体がある。例えば、量子力学的な効果でマイナス透磁率が発現する場合がある。一般的に、４ＧＨｚ以上の磁性体でマイナス透磁率を発現する報告が非特許文献１に示されている。
また、超伝導的な原理で発現するビスマスなどの反磁性体と呼ばれる物質は定常的にもマイナス透磁率を示すことが知られている。
さらに、磁性体２２は、強磁性体ではなく、ケイ素鋼などの軟磁性体であってもよい。軟磁性体は、飽和するまでは外部磁場に比例して磁気分極が増減し、増加する場合と減少する場合との磁気分極の割合が非常に近い特性を有する。すなわち、軟磁性体は、ヒステリシス特性が小さく、透磁率が大きい特性をもつ。
すなわち、上記の実施の形態あるいは変形例で示した以外のマイナス透磁率を発現する絶縁体を導体間に介在させた電磁波伝送路および電子デバイスとしてもよい。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態及び変形例について説明したが、本実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ マイクロストリップ線路
２ 電子デバイス
３ コプレーナ線路
４ 同軸ケーブル線路
１０，１１ 導体
２０，４２，５３ 絶縁体
２１ ポリイミド
２２ 磁性体
３０ 基板
４０ ガンダイオード
４１ 導体線路
４４ 絶縁体
５０ 内部導体線路
５１ 外部導体線路
５４ 基準媒質
５５ 調整媒質
６０ セル
Ｃ キャパシタンス
ｆ０ 無損失周波数
Ｈ 磁界
Ｌ インダクタンス
Ｍ１，Ｍ２ 磁石
ｖ 位相速度
Ｗ 幅
Ｚ インピーダンス
Ｚ０ 特性インピーダンス
ε 誘電率
εｒ 比誘電率
μ 透磁率
μｒ 比透磁率
２ 電子デバイス
３ コプレーナ線路
４ 同軸ケーブル線路
１０，１１ 導体
２０，４２，５３ 絶縁体
２１ ポリイミド
２２ 磁性体
３０ 基板
４０ ガンダイオード
４１ 導体線路
４４ 絶縁体
５０ 内部導体線路
５１ 外部導体線路
５４ 基準媒質
５５ 調整媒質
６０ セル
Ｃ キャパシタンス
ｆ０ 無損失周波数
Ｈ 磁界
Ｌ インダクタンス
Ｍ１，Ｍ２ 磁石
ｖ 位相速度
Ｗ 幅
Ｚ インピーダンス
Ｚ０ 特性インピーダンス
ε 誘電率
εｒ 比誘電率
μ 透磁率
μｒ 比透磁率
Claims (14)
- 所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路であって、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、
前記絶縁体は、第１媒質に前記所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる第２媒質が含まれて構成されることを特徴とする電磁波伝送路。 - 前記第２媒質は、軟磁性体または反磁性体を含む磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波伝送路。
- 前記絶縁体は、複数の粒子で構成される前記第２媒質が前記第１媒質内に分散されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波伝送路。
- 前記第２媒質の磁気分極の方向は、前記電磁波が伝送される方向に対して直交するとともに、前記第１の導体と前記第２の導体とが対向する方向に対して直交するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁波伝送路。
- 前記第２媒質は、前記第１の導体と前記第２の導体に対して層状に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁波伝送路。
- 前記第１媒質に対する前記第２媒質の体積比は、前記第２媒質の透磁率の絶対値に対する前記第２媒質の透磁率の絶対値の比の逆数であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁波伝送路。
- 前記体積比は、１／２０以下であることを特徴とする請求項６に記載の電磁波伝送路。
- 前記第２媒質の分子量または密度は、前記第１媒質の分子量または密度より大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電磁波伝送路。
- 所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、
基板上に前記第１の導体を形成する第１導体形成工程と、
磁性体を微粒子化し、微粒子化された磁性体である前記第２媒質を前記第１媒質に混入して拡散した絶縁材を前記第１の導体上に塗布し、前記第２媒質の磁化方向を調整した後、前記絶縁材を硬化する処理を１回以上繰り返して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、
前記絶縁体上に前記第２の導体を形成する第２導体形成工程と、
を含むことを特徴とする電磁波伝送路の製造方法。 - 所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、
基板上に前記第１の導体を形成する第１導体形成工程と、
前記第１の導体上に前記第１媒質を塗布して硬化し、該硬化した第１媒質上に前記第２媒質を成膜し、該成膜した前記第２媒質の磁化方向を調整する処理を１以上繰り返し、その後、磁化方向が調整された前記第２媒質上に前記第１媒質を塗布し硬化して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、
前記絶縁体上に前記第２の導体を形成する第２導体形成工程と、
を含むことを特徴とする電磁波伝送路の製造方法。 - 所定の間隔を隔てて構成される第１の導体および第２の導体を有し、前記第１の導体と前記第２の導体との間に、前記第１の導体および前記第２の導体よりも電気抵抗率の高い絶縁体が配されており、前記絶縁体が、第１媒質に所定の周波数において透磁率が０またはマイナスになる磁性体である第２媒質が含まれて構成され、前記所定の周波数の電磁波を伝送する電磁波伝送路の製造方法であって、
前記第１媒質に微粒子化された前記第２媒質が拡散された絶縁材を、絶縁材で形成されたセル内に密封する密封工程と、
前記セル内の前記第２媒質の磁化方向を調整した後、前記第１媒質を硬化して前記絶縁体を生成する絶縁体生成工程と、
前記絶縁体を包む前記セルの表面及び裏面にそれぞれ前記第１の導体および前記第２の導体を形成する導体形成工程と、
を含むことを特徴とする電磁波伝送路の製造方法。 - 請求項１から８のいずれか一項に記載の電磁波伝送路を構成する絶縁体に電磁波発振器または電磁波増幅器を配することを特徴とする電子デバイス。
- 前記電磁波発振器または前記電磁波増幅器は、一つ以上の端面に金属の反射鏡が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の電子デバイス。
- 前記電磁波発振器は、ガンダイオードまたはインパットダイオードであることを特徴とする請求項１３に記載の電子デバイス。
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