JP2022542833A - 垂直蛇行周波数選択性リミッタ - Google Patents
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Abstract
【要約】入力ポート105及び出力ポート110を有する周波数選択性リミッタ100は、複数の垂直に積層された伝送線路構造115を含むことができる。伝送線路構造の各々は、自己の直上に配置された伝送線路構造に電気的に結合され、FSL入力ポートに対応する一端を有する複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造のうちの第１伝送線路構造115aと、FSL出力ポートに対応する一端を有する複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造のうちの第２伝送線路構造115cとを有する。複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々は、第１の表面及び対向する第２の表面を有する磁性材料と、磁性材料の表面のうち少なくとも１つの表面に配置される１つ以上の導体130とを有することができる。
Description
本発明は、周波数選択制リミッタに関し、特に複数の垂直に積層された伝送線路構造を有する周波数選択制リミッタに関する。
当技術分野で知られているように、周波数選択性リミッタ（FSL）は、所定の閾値電力レベルを超える信号を減衰し、該閾値電力レベルを下回る信号を通過させる非線形受動デバイスである。FSLの一つの特徴は、高電力制限の周波数選択性であり、制限された信号に周波数が近い低電力信号は、実質的に影響を受けない（すなわち、FSLは、そのような信号を実質的に減衰しない）。
FSLの典型的な実装は、ストリップ線路の周囲に配置された２つの誘電体層を使用するストリップ線路伝送線路構造を含み、ストリップ線路は、FSLの長さに沿って固定された長さと固定された幅とを有する。このような構造は、製造が比較的に簡単であり、単結晶材料を使用する場合、およそ0 dBmの臨界電力レベルを実現するのに十分な磁場を製造し提供する。閾値電力レベルを低減する一つの方法が、リターンロスの劣化を犠牲にして、より低いインピーダンスのストリップ線路を使用することである。インピーダンス整合を改善するために外部整合構造を用いることができるが、この技術は帯域幅を減らし、FSLの挿入損失を増加させてしまう。永久バイアス磁石を、バイアス磁場を生成するために、FSL構造に、又はその近傍に取り付けることができる。構造体内の磁場の強さは、リミッタの動作帯域幅を確立する。
本開示の一態様によれば、周波数選択リミッタ（制限器）（FSL）は、入力ポート及び出力ポートを有する。FSLは、複数の垂直に積層された伝送線路構造を含むことができ、複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々は、自己の真上に配置された伝送線路構造に電気的に結合される。伝送線路構造の第１伝送線路構造はFSL入力ポートに対応する一端を有し、伝送線路構造の第２伝送線路構造はFSL出力ポートに対応する一端を有することができる。複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々は、第１の表面及び対向する第２の表面を有する磁性と、磁性材料の表面の少なくとも１つの表面上に配置された１つ以上の導体とを含むことができる。
いくつかの実施形態では、FSLは、複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々の間に配置された基板を含むことができる。
特定の実施形態では、FSLは、複数の垂直に積層された伝送線路構造の第１の長さに沿って配置された第１バイアス磁石と、複数の垂直に積層された伝送線路構造の第２の長さに沿って配置された第２バイアス磁石とを含むことができる。いくつかの実施形態では、第１バイアス磁石及び第２バイアス磁石は、RF磁場の方向に実質的に平行な方向を有するDC磁場を確立するように配置することができる。特定の実施形態では、第１バイアス磁石及び第２バイアス磁石は、RF磁場の方向に実質的に垂直な方向を有するDC磁場を確立するように配置することができる。
いくつかの実施形態では、各対象伝送線路構造は、自己の真下に配置された伝送線路構造よりも短くすることができる。特定の実施形態では、FSLは、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造の最下部の伝送線路構造に結合された入力コネクタと、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造の最上部の伝送線路構造に結合された出力コネクタとを含むことができる。
特定の実施形態では、FSLは、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造の最上部の伝送線路構造に結合された入力コネクタと、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造の最下部の伝送線路構造に結合された出力コネクタとを含むことができる。
いくつかの実施形態では、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造のいずれかの磁性材料は、フェライト材料を含むことができる。フェライト材料は、イットリウム鉄ガーネット、単結晶YIG、多結晶YIG、六方晶フェライト、又は種々のドープYIG材料、カルシウムバナジウムガーネット、リチウムフェライト、又はニッケル亜鉛フェライトのうちの１つ以上を含むことができる。特定の実施形態では、複数の垂直に積層された伝送線路構造のうちの２つ以上は、互いに異なるフェライト材料を含んでもよい。
特定の実施形態では、FSLは、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造を収容するように構成された取付具を含んでもよい。いくつかの実施形態では、FSLは、各伝送線路構造が自己の伝送線路構造の真上に配置された伝送線路構造に電気的に結合するように構成されたワイヤボンドを含むことができる。
特定の実施形態では、１つ以上の導電体が、コプレーナ導波路（CPW）伝送線路を形成するために、磁性材料の第１の表面上に配置される。1つ又は複数の導体のうちの第１導体は、CPW伝送線の第１端部からCPW伝送線の第２端部まで減少する幅を有する第１信号導体に対応し得る。
いくつかの実施形態では、磁性材料の第１の表面上に配置される１つ以上の導体は、第１端部から第２端部まで減少する幅を有する信号導体に対応し得る。特定の実施形態では、FSLは、磁性材料の第２の表面上に配置され、その間にギャップを画定する２つの接地導体を含むことができる。ギャップの幅は、第１端部から第２端部まで減少し得る。特定の実施形態では、FSLは、磁性材料の第２表面上に配置され、その間にギャップを画定する２つの第１接地導体を含むことができる。第１信号導体の幅が減少するにつれて、２つの第１接地導体間の間隔は、伝送線のインピーダンスを第１信号導体の第１端部及び第２端部と同じに維持するようにテーパ状になってもよい。
前述の及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面に示されているように、以下の実施形態のより具体的な説明から明らかになるであろう。図面では、同じ参照符号が、異なる図を通して同じ部分を参照している。図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに実施形態の原理を例示することに重点が置かれる。
周波数選択性リミッタ（FSL）のダイナミックレンジは、使用される伝送線路の長さに関係する。一般に、FSLダイナミックレンジを増加させるためには、FSL伝送線路の長さを増加させる必要がある。パッケージングのフットプリントを最小化し、コストを低減するために、追加的な長さは、いわゆる「面内蛇行」構成を使用して達成することができ、それにより、マイクロストリップは直線に沿って延びず、代わりに基板の長さに沿って側面間を横切る。マイクロストリップ又はコプレーナ導波路（CPW）伝送線路の蛇行変形を用いる種々のFSLが提案されている。
ここで、面内蛇行は、FSLデバイスの有用な帯域幅における制限をもたらしてしまい、典型的には、最先端のデバイスでは、わずか20%しか有用な部分帯域幅をもたらさないことが認識される。例えば、従来のFSLは、バイアス磁場の平面における蛇行を使用して、RF磁場（又は「H磁場」）のかなりの部分がバイアス磁場に垂直であることを確実にし、それによって、利用可能な帯域幅を制限してしまう。これは、帯域幅を制限する２つの問題を引き起こす可能性がある。第一に、低周波領域で発生する静磁場表面波（MSW）は、ローエンドで広範囲の利用可能な周波数を遮断するおそれがある。第二に、垂直バイアスは、MSW帯域の上の有用な周波数範囲を10～20%の帯域幅のみに制限してしまう、強い周波数分散を有する電力閾値を有する。
これらの問題を解決するための従来のアプローチは、平行バイアス及び垂直バイアスの両方を有する種々のコプレーナ及びマイクロストリップ伝送線路を用いた面内テーパリングを含む。しかしながら、従来のアプローチでは、帯域幅性能が制限される。また、集束素子アプローチが、構成要素のサイズを小さくするために試みられてきたが、これらの構成要素はまた、帯域幅を制限し、制限能力を小さくすることがある。
本開示は、フェライト材料中に垂直磁場成分が存在しないことを保証するためにいわゆる「垂直蛇行」を使用しながら、同じ磁気バイアス取付具内の複数のFSL（例えば、３つ以上のFSL）の同時パッケージングを可能にすることによって、従来技術で見出されたこれら及び他の制限を克服する。本開示の実施形態は、構成要素長の大幅な低減を達成しつつ、マルチオクターブ帯域幅にわたって機能することができる。
図１は、本開示のいくつかの実施形態に従った、周波数選択性リミッタ（FSL）の一例を示す。例示的なFSL 100は、垂直に積み重ねられた（本明細書では「垂直に蛇行した」とも呼ばれる）構成で提供される複数の伝送線路構造を含む。この実施例では、FSLは、３つの伝送線路構造115a、115b、115c（一般的には115）を含む。当業者は、本開示によるFSLが、２つ、４つ、５つ、又は６つ以上の伝送線路構造115のような他の数の伝送線路構造115を含み得ることを理解するであろう。いくつかの実施形態において、FSLは、少なくとも３つの伝送線路構造115を有することができる。
複数の垂直に積層された伝送線路構造115の各々は、磁性材料から成る基板と、基板の１つ以上の表面上に配置された１つ以上の導体とを含むことができる。いくつかの実施態様において、磁性材料は、イットリウム鉄ガーネット（YIG）、単結晶イットリウム鉄ガーネット（SC-YIG）、多結晶イットリウム鉄ガーネット（PC-YIG）、六方晶フェライト、カルシウムバナジウムガーネット（CVG）、リチウムフェライト又はニッケル亜鉛フェライトなどのフェライト材料を含むことができる。特定の実施形態では、同一のFSL 100内の２つ以上の基板が、互いに異なるフェライト材料で構成することができる。例えば、１つの基板はPC-YIGを含んでもよく、別の基板はSG-YICを含んでもよい。
磁性基板上に配置された１つ以上の導電体は、図１に示すように、共平面又はコプレーナ（coplanar）導波路（CPW）伝送線路を形成してもよい。具体的には、各伝送線路構造115は、信号導体とともに１対の接地導体を含み、接地導体は、信号導体の両側に１つずつあり、ギャップによって信号導体から分離されている。図１の例では、第１伝送線路構造115aが、それぞれ、ギャップ124a及び126aによって接地導体120a及び122aから分離された信号導体130aを含み、第２伝送線路構造115bが、それぞれ、ギャップ124b及び126bによって接地導体120b及び122bから分離された信号導体130bを含み、第３伝送線路構造115cが、それぞれ、ギャップ124c及び126cによって接地導体120c及び122cから分離された信号導体130cを含む。
CPW伝送線路構造115a、115b、115c（一般的には115）の各々は、いわゆる「テーパ」設計を有することができる。特に、信号導体130の幅は、対応する伝送線路構造115の長さに沿って減少してもよい。信号導体130の幅が減少するにつれて、２つの対応する接地導体120、122の間の間隔は、信号導体130の長さに沿って特定の伝送線インピーダンスを維持するためにテーパ状になってもよい。
いくつかの実施形態では、テーパリングの方向は、伝送線路構造115の垂直に隣接する対の間で交互にされてもよい。例えば、図１に示すように、第１伝送線路構造115a上の導体130aの幅は、左から右へ（図示ページに対して）減少することができ、第２伝送線路構造115b上の導体130bの幅は、右から左へ、第３伝送線路構造115c上の導体130cの幅は、左から右へ減少することができる。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの伝送線路構造115は、基板（例えば、YIG材料）の第１の表面上に配置された信号導体130を有し、基板の第２の表面上に配置された接地導体120、122を有するように設けることができる。
垂直に積み重ねられた複数の伝送線路構造115の各々は、その真上に配置された伝送線路構造115に電気的に結合することができる。特定の実施形態では、垂直に隣接した対の伝送線路構造115は、ワイヤボンディング技術を用いて互いに電気的に結合されてもよい。例えば、図１に示すように、第１伝送線路構造115aは、ワイヤボンド140aを介して第２伝送線路構造115bに電気的に結合されてもよく、第２伝送線路構造115bは、ワイヤボンド140bを介して第３伝送線路構造115cに電気的に結合されてもよい。ワイヤボンド140a、140b（一般的には140）の各セットは、図１に示すように、１つの伝送線構造115の３つの導体（すなわち、信号導体130及び２つの接地導体120、122）を隣接する伝送線構造115上の対応する３つの導体に接続する３つのワイヤを含むことができる。
本開示の実施形態が、テーパCWL素子を用いて示され説明されてきたが、当業者は、本明細書で保護されるべき概念及び構造が、種々のタイプのFSL伝送線路及び集中素子トポロジーに適合することを理解するであろう。例えば、本明細書に開示された垂直積層アプローチは、多くの異なるクラスの並列バイアス伝送線と共に使用することができる。
FSL 100はまた、図１に示すように、入力ポート（又は「コネクタ」）105及び出力ポート110を含むことができる。入力ポート105は、垂直スタックの底部に位置する伝送線路構造（例えば、構造115a）に結合されてもよく、出力ポート110は、スタックの頂部に位置する伝送線路構造（例えば、構造115c）に結合されてもよい。他の実施形態では、入力ポート105は最上部伝送線路構造に結合され、出力ポート110は最下部構造に結合されてもよい。いくつかの実施形態において、ポート105、110は、SMA （SubMiniature version A）コネクタとして提供されてもよい。
いくつかの実施形態では、垂直に積層された伝送線路構造115は、図３に示され、それと共に後述されるように、積層材料を用いて互いに離間されてもよい。特定の実施形態では、FSL 100は、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造115を収容するように構成された取付具又はフィクスチャ（fixture）（図示せず）を含んでもよい。
図２を参照すると、FSL 100は、本開示のいくつかの実施形態に従って、垂直に積層された伝送線路構造115の長さに沿って配置されたバイアス磁石を含むことができる。図１の例では、FSL 100は、伝送線路構造115の一方の側に沿って配置された第１バイアス磁石150と、伝送線路構造115の反対側に沿って配置された第２バイアス磁石152とを含む。バイアス磁石150、152は、動作中に伝送線路構造115によって生成されるRF磁場の方向と実質的に平行な方向を有するDC磁場（又は「バイアス磁場」）を確立するように配置されてもよい。他の実施形態では、バイアス磁石150、152は、RF磁場の方向に実質的に垂直な方向を有するDC磁場を確立するように配置することができる。本明細書では、複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造にわたって共有されたDC磁場を維持することにより、従来技術を使用して可能であるよりも広い帯域幅を達成できることが認められる。さらに、複数のスタックされた伝送線路構造にわたってバイアス磁石を共有することにより、従来技術と比較してパッケージされた部品サイズを大幅に低減することができる。
図２の実施形態に示されるように、各伝送線路構造115は、垂直スタックのうち自己の直下に配置された伝送線路構造よりも短くてもよい。例えば、伝送線路構造115bは伝送線路構造115aよりも短くてもよく、伝送線路構造115cは伝送線路構造115bよりも短くてもよい。この構成は、これらの構造を相互接続するワイヤボンド140（図１）にクリアランスを提供し、他の構成よりも短いワイヤボンドの使用を可能にし、それによって寄生数を減少させることができる。
図３は、いくつかの実施態様による、積層されたバイプレーナFSL 300の実施例を示す。例示的なFSL 300は、垂直スタックに配置された複数の伝送線路構造315a、315b、315c（一般的には315）を含む。各伝送線路構造315a、315b、315cは、それぞれの第１基板320a、320b、320c（一般に320）及びその上に配置された１つ以上の導体（例えば、図１に示され、上記で詳細に説明された導体）を含むことができる。第１基板320は、PC-YIG又はSC-YIGなどのフェライト材料から構成されてもよい。いくつかの実施形態では、第１基板320は、約６ミルの厚さを有してもよい。FSLの電力閾値は、信号導体と接地導体との間の最小間隔に依存するため、基板が薄いほど、電力閾値が低くなる。従って、広範囲の基板厚さを使用することができ、例えば、厚さ２ミルの基板から厚さ20ミルの基板までがあるが、これらに限定されない。FSLの長さにわたって、又はFSLの長さに平行に、又は他の方向に、テーパ状の厚さを有する基板を使用することもできる。
伝送線路構造115は、ワイヤボンドを用いて互いに電気的に結合されてもよい。例えば、図３に示すように、第１伝送線路構造115aは、第１ワイヤボンド340aを介して第２伝送線路構造115bに電気的に結合されてもよく、第２伝送線路構造115bは、第２ワイヤボンド340bを介して第３伝送線路構造115cに電気的に結合されてもよい。
各伝送線路構造315a、315b、315cは、第１基板320の下方に配置されたそれぞれの第２基板360a、360b、360c（一般に360）を含むことができる。第２基板360は、垂直に積み重ねられた伝送線構造315の間の適切な間隔を維持するように機能し得る。いくつかの実施形態では、第２基板360は、約8ミルの厚さを有してもよい。パワー閾値は、より薄い基板でより低くすることができるので、一実施形態は、FSLの入力部分上に、より厚い6～8ミルのYIG基板を有することができ、FSLの出力側により近い追加のYIG基板は、2～3ミルのように、より薄い基板を有することができる。第２基板360は、ROGERS CORPORTATIONによって製造された積層材料のような積層材料（時に「ロジャーズ材料」と呼ばれる）から構成されてもよい。
図４は、本開示のいくつかの実施形態に従った、磁気的にバイアスされたFSL 400の実施例を示す。FSL 400は、垂直スタック415に配置された複数の伝送線構造（例えば、３つ以上の構造）と、伝送線構造415の対向する長さに沿って配置されたバイアス磁石450、452とを含む。この実施例では、FSL 400は、それぞれ長さL1、L2、及びL3を有し、各々が幅W1を有する3つの伝送線路構造415を含む。或る実施形態では、L1は300～2000ミルの範囲であってもよく、L2は200～1950ミルの範囲であってもよく、L3は100～1900ミルの範囲であってもよく、W1は50～500ミルの範囲であってもよい。バイアス磁石450、452は、各々、長さL4及び幅W2を有してもよい。或る実施形態では、L4は300～2500ミルの範囲であってもよく、W2は50～500ミルの範囲であってもよい。
本明細書に開示された垂直に積み重ねられたFSL設計は、従来技術に匹敵する性能を達成することができるが、構成要素の長さを著しく（例えば、60%を超える）低減することができることが、本明細書において理解される。
当業者であれば、本明細書に記載の概念は、その精神又は本質的特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化することができることを理解するであろう。従って、前述の実施形態は、本明細書に記載された概念を制限するのではなく、あらゆる点で例示的に考慮されるべきである。したがって、概念の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示されており、したがって、特許請求の範囲の等化性の意味及び範囲内に入る全ての変更は、そこに包含されることが意図されている。
Claims (18)
- 入力ポート及び出力ポートを有する周波数選択性リミッタ（FSL）であって：
複数の垂直に積層された伝送線路構造であり、前記複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々が、自己の真上に配置された伝送線路構造に電気的に結合され、前記複数の垂直に積層された伝送線路構造のうち第１伝送線路構造が、前記入力ポートに対応する一端を有し、前記複数の垂直に積層された伝送線路構造のうち第２伝送線路構造が、前記出力ポートに対応する一端を有する、伝送線路構造；
を備え、
前記複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造の各々が：
第1の表面及び対向する第２の表面を有する磁性材料；及び
前記磁性材料の前記表面のうちの少なくとも1つの表面に配置される１つ以上の導体；
を含む、
FSL。 - 前記複数の垂直に積層された伝送線路構造の各々の間に配置された基板をさらに備える、請求項１に記載のFSL。
- 請求項１に記載のFSLであって、さらに：
前記複数の垂直に積層された伝送線路構造のうちの第１の長さに沿って配置される第１バイアス磁石；及び
前記複数の垂直に積層された伝送線路構造のうちの第２の長さに沿って配置される第２バイアス磁石；
を含む、
FSL。 - 前記第１バイアス磁石及び第２バイアス磁石は、RF磁場の方向と実質的に平行な方向を有するDC磁場を確立するように配置される、請求項３に記載のFSL。
- 前記第１バイアス磁石及び第２バイアス磁石は、RF磁場の方向に実質的に垂直な方向を有するDC磁場を確立するように配置される、請求項３に記載のFSL。
- 前記伝送線路構造の各々は、前記伝送線路構造のうち自己の真下に配置された伝送線路構造よりも短いことを特徴とする、請求項１に記載のFSL。
- 請求項１に記載のFSLであって、さらに：
前記の垂直に積み重ねられた複数の伝送線路構造のうち最下部伝送線路構造に結合される入力コネクタ；及び
前記の垂直に積み重ねられた複数の伝送線路構造のうち最上部の伝送線路構造に結合された出力コネクタ；
を含むFSL。 - 請求項１に記載のFSLであって、さらに：
前記の垂直に積み重ねられた複数の伝送線路構造のうち最上部の伝送線路構造に結合される入力コネクタ、及び
前記の垂直に積み重ねられた複数の伝送線路構造のうち最下部の伝送線路構造に結合された出力コネクタ；
を含むFSL。 - 前記複数の垂直に積み重ねられた伝送線路構造のうちいずれかの伝送線路構造の磁性材料は、フェライト材料を備える、請求項１に記載のFSL。
- 前記フェライト材料が、イットリウム鉄ガーネット（YIG）、単結晶（SC） YIG、多結晶（PC） YIG、六方晶フェライト、又は種々のドープYIG材料、カルシウムバナジウムガーネット（CVG）、リチウムフェライト、又はニッケル亜鉛フェライトのうちの１つ以上である、請求項９に記載のFSL。
- 前記複数の垂直に積層された伝送線路構造のうちの２つ以上は、互いに異なるフェライト材料を含む、請求項１０に記載のFSL。
- 前記複数の垂直にスタックされた伝送線路構造を収容するように構成された取付具をさらに備える、請求項１に記載のFSL。
- 前記伝送線路構造の各々を自己の真上に配置された伝送線路構造に電気的に結合するように構成されたワイヤボンドをさらに含む、請求項１に記載のFSL。
- 前記１つ以上の導体は、前記磁性材料の前記第１の表面上に配置され、コプレーナ導波路（CPW）伝送線路を形成することを特徴とする請求項１に記載のFSL。
- 前記1つ以上の導体のうちの第１導体は、前記CPW伝送線路の第１端から前記CPW伝送線路の第２端まで減少する幅を有する第１信号導体に対応する、請求項１４に記載のFSL。
- 前記磁性材料の第１の表面上に配置された１つ以上の導体は、第１端部から第２端部まで減少する幅を有する信号導体に対応する、請求項１に記載のFSL。
- 前記磁性材料の第２の表面上に配置され、その間にギャップを画定する２つの接地導体をさらに備え、前記ギャップの幅は、前記第１端部から前記第２端部まで減少する、請求項１６に記載のFSL。
- 前記磁性材料の第２の表面上に配置され、その間のギャップを画定する２つの第１接地導体をさらに備え、前記第１信号導体の幅が減少するにつれ、前記２つの第１接地導体間の間隔は、前記第１信号導体の第１端及び第２端と同じ伝送線インピーダンスを維持するようにテーパ状になっていることを特徴とする請求項１５に記載のFSL。
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