JP2567517B2 - 超電導マイクロ波部品 - Google Patents
超電導マイクロ波部品Info
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超電導マイクロ波部品に関する。より詳細
には、本発明は、マイクロ波あるいはミリ波等の波長の
短い電磁波を取り扱う高周波部品であって、特にその導
体線路を酸化物超電導材料によって形成されている新規
なマイクロ波部品の構成に関する。
には、本発明は、マイクロ波あるいはミリ波等の波長の
短い電磁波を取り扱う高周波部品であって、特にその導
体線路を酸化物超電導材料によって形成されている新規
なマイクロ波部品の構成に関する。
従来の技術 数十cmから数mmまでの波長を有し、マイクロ波あるい
はミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論的には電磁波スペ
クトルの一部の範囲に過ぎないが、工学的にはこれを取
り扱うための独特の手法や部品が開発されていることか
ら、特に独立して検討される場合が多い。尚、この帯域
の電磁波を誘導するマイクロ波線路は、誘電体を介して
配置され、一方が接地された１対の線路により形成され
る。
はミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論的には電磁波スペ
クトルの一部の範囲に過ぎないが、工学的にはこれを取
り扱うための独特の手法や部品が開発されていることか
ら、特に独立して検討される場合が多い。尚、この帯域
の電磁波を誘導するマイクロ波線路は、誘電体を介して
配置され、一方が接地された１対の線路により形成され
る。
一方、1986年でベドノーツ、ミューラー等によって、
30Kで超電導状態を示す（La,Ba）2CuO4が発見され、続
いて、1987年には、チュー等によって90K台の超電導臨
界温度Tcを有するYBa2Cu3Oyが発見され、更に、1988年
には前田等によって100K以上の臨界温度を示す所謂Bi系
の複合酸化物系超電導材料が発見された。これらの一連
の複合酸化物系超電導材料では、廉価な液体窒素による
冷却で超電導現象を実現することができるので、超電導
技術の実用的な応用の可能性が俄に取り沙汰されるよう
になった。
30Kで超電導状態を示す（La,Ba）2CuO4が発見され、続
いて、1987年には、チュー等によって90K台の超電導臨
界温度Tcを有するYBa2Cu3Oyが発見され、更に、1988年
には前田等によって100K以上の臨界温度を示す所謂Bi系
の複合酸化物系超電導材料が発見された。これらの一連
の複合酸化物系超電導材料では、廉価な液体窒素による
冷却で超電導現象を実現することができるので、超電導
技術の実用的な応用の可能性が俄に取り沙汰されるよう
になった。
超電導特有の現象が有利に作用するという点ではマイ
クロ波部品も例外ではない。即ち、一般に、ストリップ
線路では、周波数の平方根に比例して導体の抵抗による
減衰定数が増大する。また、周波数の増大に比例して誘
電体損も増加するが、近年のストリップ線路では、誘電
体材料の改良により、特に10GHz以下の領域では、スト
リップ線路の損失は、専ら導体層の抵抗に起因するもの
が大部分を占めている。従って、ストリップ線路におけ
る導体層の抵抗を低減することは、ストリップ線路の性
能を著しく向上することになる。
クロ波部品も例外ではない。即ち、一般に、ストリップ
線路では、周波数の平方根に比例して導体の抵抗による
減衰定数が増大する。また、周波数の増大に比例して誘
電体損も増加するが、近年のストリップ線路では、誘電
体材料の改良により、特に10GHz以下の領域では、スト
リップ線路の損失は、専ら導体層の抵抗に起因するもの
が大部分を占めている。従って、ストリップ線路におけ
る導体層の抵抗を低減することは、ストリップ線路の性
能を著しく向上することになる。
また、ストリップ線路は、単純な伝送路としての用途
の他に、適切なパターニングを行うことによって、イン
ダクタンス素子、フィルタ、共振器、ディレイライン、
方向性結合器、ハイブリッド等のマイクロ波部品を構成
することができる。従って、ストリップ線路の改良は、
そのまま、これらのマイクロ波部品の特性改善となる。
の他に、適切なパターニングを行うことによって、イン
ダクタンス素子、フィルタ、共振器、ディレイライン、
方向性結合器、ハイブリッド等のマイクロ波部品を構成
することができる。従って、ストリップ線路の改良は、
そのまま、これらのマイクロ波部品の特性改善となる。
第３図は、酸化物超電導薄膜を導体材料として使用し
たマイクロ波部品の典型的な構成を示す断面図である。
たマイクロ波部品の典型的な構成を示す断面図である。
同図に示すように、このマイクロ波部品は、酸化物超
電導薄膜をパターニングして形成された超電導導体線路
１を搭載した第１基板２と、酸化物超電導薄膜により形
成された超電導接地導体３を全面に搭載した第２基板４
とを、パッケージ5a内に重ねて収容した後、カバー5bに
よってパッケージ5aを封止して構成されている。尚、図
示されていないが、実際には、超電導導体線路１に対し
てマイクロ波を導入するためのリード線等がパッケージ
5aまたはカバー5bを貫通して設けられている。
電導薄膜をパターニングして形成された超電導導体線路
１を搭載した第１基板２と、酸化物超電導薄膜により形
成された超電導接地導体３を全面に搭載した第２基板４
とを、パッケージ5a内に重ねて収容した後、カバー5bに
よってパッケージ5aを封止して構成されている。尚、図
示されていないが、実際には、超電導導体線路１に対し
てマイクロ波を導入するためのリード線等がパッケージ
5aまたはカバー5bを貫通して設けられている。
ここで、この超電導マイクロ波部品が２枚の基板を使
用した構成となっているのは、以下のような理由による
ものである。
用した構成となっているのは、以下のような理由による
ものである。
即ち、一般にマイクロ波部品は、誘電体を介して形成
された導体線路と接地導体とを必須の構成要件としてい
る。一方、超電導マイクロ波部品において導体線路また
は接地導体を構成する酸化物超電導体は、特に薄膜とし
て優れた特性を備えたものが合成される。しかしなが
ら、１枚の基板の表裏に特性のそろった酸化物超電導薄
膜を成膜する技術は高度な成膜操作を必要とし、今のと
ころ実用的なレベルには達していない。そこで、導体線
路と接地導体とをそれぞれ別の基板上に形成した後、こ
れを重ねて使用することにより、酸化物超電導薄膜を使
用したマイクロ波部品が実現される。
された導体線路と接地導体とを必須の構成要件としてい
る。一方、超電導マイクロ波部品において導体線路また
は接地導体を構成する酸化物超電導体は、特に薄膜とし
て優れた特性を備えたものが合成される。しかしなが
ら、１枚の基板の表裏に特性のそろった酸化物超電導薄
膜を成膜する技術は高度な成膜操作を必要とし、今のと
ころ実用的なレベルには達していない。そこで、導体線
路と接地導体とをそれぞれ別の基板上に形成した後、こ
れを重ねて使用することにより、酸化物超電導薄膜を使
用したマイクロ波部品が実現される。
発明が解決しようとする課題 ところが、第３図に示したような構造の超電導マイク
ロ波部品を実際に作製しても、所期の特性を発揮しない
かあるいは極端に損失が大きく、到底使用することがで
きないものであることが判明した。
ロ波部品を実際に作製しても、所期の特性を発揮しない
かあるいは極端に損失が大きく、到底使用することがで
きないものであることが判明した。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、
酸化物超電導材料の特性が有効に発揮される新規な構成
のマイクロ波部品を提供することをその目的としてい
る。
酸化物超電導材料の特性が有効に発揮される新規な構成
のマイクロ波部品を提供することをその目的としてい
る。
課題を解決するための手段 即ち、本発明に従うと、酸化物超電導薄膜により形成
された超電導導体線路を搭載した第１基板と、酸化物超
電導薄膜により形成された超電導接地導体を搭載した第
２基板と、該第１および第２の基板を平行に重ねて収容
する金属製パッケージとを備え、該第１および第２の基
板に搭載された該超電導導体線路と該超電導接地導体と
により形成されたマイクロ波線路を含む超電導マイクロ
波部品において、該第２基板が該第１基板よりも広く形
成されており、該第２基板を収容するために該パッケー
ジの内面に形成された段差に対して、該第２基板に搭載
された該超電導接地導体の表面周縁部が面接触するよう
に構成されていることを特徴とするマイクロ波部品が提
供される。
された超電導導体線路を搭載した第１基板と、酸化物超
電導薄膜により形成された超電導接地導体を搭載した第
２基板と、該第１および第２の基板を平行に重ねて収容
する金属製パッケージとを備え、該第１および第２の基
板に搭載された該超電導導体線路と該超電導接地導体と
により形成されたマイクロ波線路を含む超電導マイクロ
波部品において、該第２基板が該第１基板よりも広く形
成されており、該第２基板を収容するために該パッケー
ジの内面に形成された段差に対して、該第２基板に搭載
された該超電導接地導体の表面周縁部が面接触するよう
に構成されていることを特徴とするマイクロ波部品が提
供される。
作用 本発明に係る超電導マイクロ波部品は、特に、その第
２基板に搭載された超電導接地導体と金属製パッケージ
との連続性を高めた独特の構造を有することをその主要
な特徴としている。
２基板に搭載された超電導接地導体と金属製パッケージ
との連続性を高めた独特の構造を有することをその主要
な特徴としている。
即ち、既に第３図に示した従来の構造のマイクロ波パ
ッケージでは、超電導接地導体３は、その側方の端面に
おいてのみケース5aと接触している。しかしながら、こ
のような僅かな接触では、超電導接地導体３とケース5a
との電磁気的な連続性が不十分であり、超電導接地導体
３はその機能を充分に果たしていなかった。
ッケージでは、超電導接地導体３は、その側方の端面に
おいてのみケース5aと接触している。しかしながら、こ
のような僅かな接触では、超電導接地導体３とケース5a
との電磁気的な連続性が不十分であり、超電導接地導体
３はその機能を充分に果たしていなかった。
これに対して、本発明に係るマイクロ波部品において
は、その独特の構成により、第２基板上の超電導接地導
体とパッケージとが面で接触しているので、パッケージ
と超電導接地導体とが確実に連結されるので、導体とし
て超電導体を使用した効果が有効に発揮される。
は、その独特の構成により、第２基板上の超電導接地導
体とパッケージとが面で接触しているので、パッケージ
と超電導接地導体とが確実に連結されるので、導体とし
て超電導体を使用した効果が有効に発揮される。
尚、上述のような本発明に係るマイクロ波部品におい
て、超電導導体線路および超電導接地導体を形成する酸
化物超電導材料としては、Ｙ系の複合酸化物の他、Tlお
よび／またはBiを含む複合酸化物を、特に超電導臨界温
度が高く液体窒素による冷却で超電導化する酸化物超電
導材料として例示することができる。これらの酸化物超
電導体は、MgO、SrTiO3等の基板上に、薄膜として形成
することができる。また、Siウェハを下地基板として、
成膜面に適切な酸化物バッファ層を形成した基板も使用
することができる。更に、誘電体損失の低い誘電体材料
としては、サファイア、LaAlO3、NdGaO3、ベリリア、硼
珪酸ガラス等も誘電正接tanδの小さい好ましい材料と
して例示することができる。
て、超電導導体線路および超電導接地導体を形成する酸
化物超電導材料としては、Ｙ系の複合酸化物の他、Tlお
よび／またはBiを含む複合酸化物を、特に超電導臨界温
度が高く液体窒素による冷却で超電導化する酸化物超電
導材料として例示することができる。これらの酸化物超
電導体は、MgO、SrTiO3等の基板上に、薄膜として形成
することができる。また、Siウェハを下地基板として、
成膜面に適切な酸化物バッファ層を形成した基板も使用
することができる。更に、誘電体損失の低い誘電体材料
としては、サファイア、LaAlO3、NdGaO3、ベリリア、硼
珪酸ガラス等も誘電正接tanδの小さい好ましい材料と
して例示することができる。
また、一連の複合酸化物超電導材料は、これを薄膜と
して成膜する際に、予め基板上にレジストによるマスク
を形成しておくリフトオフ法によって任意のパターンを
形成することができる。また、一旦全面に形成した超電
導導体層を塩酸等によってエッチングするウェットエッ
チング法によってパターンニングすることもできる。こ
れらの方法によって導体線路を適切にパターニングする
ことにより、種々のマイクロ波部品を形成することがで
きる。
して成膜する際に、予め基板上にレジストによるマスク
を形成しておくリフトオフ法によって任意のパターンを
形成することができる。また、一旦全面に形成した超電
導導体層を塩酸等によってエッチングするウェットエッ
チング法によってパターンニングすることもできる。こ
れらの方法によって導体線路を適切にパターニングする
ことにより、種々のマイクロ波部品を形成することがで
きる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する
が、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の
技術的範囲を何ら限定するものではない。
が、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の
技術的範囲を何ら限定するものではない。
実施例 第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明に係るマイクロ
波部品の構成を示す断面図である。
波部品の構成を示す断面図である。
第１図（ａ）に示すマイクロ波部品は、所定のパター
ンの酸化物超電導薄膜により形成された超電導導体線路
10を搭載した第１基板20と、やはり酸化物超電導薄膜に
より形成された超電導接地導体30を全面に搭載した第２
基板40とを、パッケージ50a内に重ねて収容した後、カ
バー50bおよび50cによってパッケージ50aを封止して構
成されている。
ンの酸化物超電導薄膜により形成された超電導導体線路
10を搭載した第１基板20と、やはり酸化物超電導薄膜に
より形成された超電導接地導体30を全面に搭載した第２
基板40とを、パッケージ50a内に重ねて収容した後、カ
バー50bおよび50cによってパッケージ50aを封止して構
成されている。
このマイクロ波部品が従来のものと異なっている点
は、第１基板20と第２基板40との寸法が互いに異なって
おり、これに対応してパッケージ50aの内面に段差が形
成されていることである。即ち、このマイクロ波部品に
おいては、第２基板40は第１基板20よりも寸法が大きく
なっている。従って、第２基板40上に搭載された超電導
接地導体30は、その周縁部でパッケージ50aの段差と接
触している。
は、第１基板20と第２基板40との寸法が互いに異なって
おり、これに対応してパッケージ50aの内面に段差が形
成されていることである。即ち、このマイクロ波部品に
おいては、第２基板40は第１基板20よりも寸法が大きく
なっている。従って、第２基板40上に搭載された超電導
接地導体30は、その周縁部でパッケージ50aの段差と接
触している。
尚、このマイクロ波部品では、第２基板40を下方から
パッケージ50a内に装入するので、パッケージ50aの底面
もカバー50cにより封止するように構成されている。ま
た、図示されていないが、実際には、導体線路10に対し
てマイクロ波を導入するためのリード線等がパッケージ
50aまたはカバー50bを貫通して設けられている。
パッケージ50a内に装入するので、パッケージ50aの底面
もカバー50cにより封止するように構成されている。ま
た、図示されていないが、実際には、導体線路10に対し
てマイクロ波を導入するためのリード線等がパッケージ
50aまたはカバー50bを貫通して設けられている。
第１図（ｂ）に示すマイクロ波部品は、基本的には第
１図（ａ）に示したものと同じ構造を有しているが、第
１および第２基板20、40を共に、下からパッケージ50a
に装入する構成となっており、カバー50bが省略されて
いる。即ち、このマイクロ波部品では、パッケージ50a
の側壁に、２つの段差51、52が形成されており、各基板
20、40は、それぞれ段差51、52とカバー50cとの間に挟
まれて保持される。但し、第１図（ａ）の場合と同様
に、第１基板20と第２基板40とは互いに寸法が異なって
おり、第２基板40上に搭載された超電導接地導体30はそ
の周縁部でパッケージ50aの段差51に面接触している。
１図（ａ）に示したものと同じ構造を有しているが、第
１および第２基板20、40を共に、下からパッケージ50a
に装入する構成となっており、カバー50bが省略されて
いる。即ち、このマイクロ波部品では、パッケージ50a
の側壁に、２つの段差51、52が形成されており、各基板
20、40は、それぞれ段差51、52とカバー50cとの間に挟
まれて保持される。但し、第１図（ａ）の場合と同様
に、第１基板20と第２基板40とは互いに寸法が異なって
おり、第２基板40上に搭載された超電導接地導体30はそ
の周縁部でパッケージ50aの段差51に面接触している。
作製例 第１図（ａ）に示したような断面構造を有するマイク
ロ波部品として、超電導マイクロ波共振器を作製してそ
の特性を測定した。
ロ波部品として、超電導マイクロ波共振器を作製してそ
の特性を測定した。
第１基板20としては、１辺が18mmの正方形で厚さが1m
mのMgO基板を使用し、厚さ5000ÅのＹ−Ba−Cuの複合酸
化物薄膜により導体線路10を形成した。
mのMgO基板を使用し、厚さ5000ÅのＹ−Ba−Cuの複合酸
化物薄膜により導体線路10を形成した。
第５図は、この超電導マイクロ波共振器における超電
導導体線路10のパターンを示す図である。同図に示すよ
うに、この超電導マイクロ波共振器では、共振器となる
直径12mmの円形の超電導導体線路11と、この超電導導体
線路11に対してマイクロ波を導入あるいは導出するため
の１対の超電導導体線路12、13とを備えている。各導波
路は、幅1.1mm、長さ2.0mmとした。また、各導波路12、
13と共振器11との間隔は、最も近いところで1.0mmとし
た。
導導体線路10のパターンを示す図である。同図に示すよ
うに、この超電導マイクロ波共振器では、共振器となる
直径12mmの円形の超電導導体線路11と、この超電導導体
線路11に対してマイクロ波を導入あるいは導出するため
の１対の超電導導体線路12、13とを備えている。各導波
路は、幅1.1mm、長さ2.0mmとした。また、各導波路12、
13と共振器11との間隔は、最も近いところで1.0mmとし
た。
一方、第２基板40としては、１辺が20mmの正方形でや
はり厚さが1mmのMgO基板を使用し、厚さ5000ÅのＹ−Ba
−Cuの複合酸化物薄膜により接地導体30を形成した。
はり厚さが1mmのMgO基板を使用し、厚さ5000ÅのＹ−Ba
−Cuの複合酸化物薄膜により接地導体30を形成した。
以上のような２枚の基板20、40を、真鍮製のパッケー
ジ50aに収容し、やはり真鍮製のカバー50b、50cによっ
てパッケージ50aを封止した。
ジ50aに収容し、やはり真鍮製のカバー50b、50cによっ
てパッケージ50aを封止した。
第２図は、以上のように作製した超電導マイクロ波共
振器の透過電力の周波数特性をネットワークアナライザ
によって測定した結果を示すグラフである。測定時の温
度は77Kであり、第２図には0.2GHz〜10.2GHzの範囲の測
定結果を示す。同図に示すように、このマイクロ波共振
器の周波数特性には、３つの鋭いピークが現れている。
尚、この超電導マイクロ波共振器のＱ値を第１表に示
す。
振器の透過電力の周波数特性をネットワークアナライザ
によって測定した結果を示すグラフである。測定時の温
度は77Kであり、第２図には0.2GHz〜10.2GHzの範囲の測
定結果を示す。同図に示すように、このマイクロ波共振
器の周波数特性には、３つの鋭いピークが現れている。
尚、この超電導マイクロ波共振器のＱ値を第１表に示
す。
更に、比較のために、第３図に示した従来の構造の超
電導マイクロ波共振器を、同じ材料を使用して作製し
た。但し、第２基板４は、一辺が18mmの正方形で厚さが
1mmのMgO基板とした。また、パッケージ5aも、内面に段
差の形成されていないものを使用した。
電導マイクロ波共振器を、同じ材料を使用して作製し
た。但し、第２基板４は、一辺が18mmの正方形で厚さが
1mmのMgO基板とした。また、パッケージ5aも、内面に段
差の形成されていないものを使用した。
第４図は、この比較例の試料について、作製例と同じ
条件で透過電力の周波数特性を測定した結果を示すグラ
フである。同図に示すように、この超電導マイクロ波共
振器の周波数特性には、顕著なピークはなく、共振器と
して有効に動作していないことがわかる。尚、この試料
は、有意な共振特性を示さなかったので、Ｑ値を測定す
ることはできなかった。
条件で透過電力の周波数特性を測定した結果を示すグラ
フである。同図に示すように、この超電導マイクロ波共
振器の周波数特性には、顕著なピークはなく、共振器と
して有効に動作していないことがわかる。尚、この試料
は、有意な共振特性を示さなかったので、Ｑ値を測定す
ることはできなかった。
発明の効果 以上詳述のように、本発明によれば、酸化物超電導薄
膜を導体として使用したマイクロ波部品が実現される。
膜を導体として使用したマイクロ波部品が実現される。
このマイクロ波部品は、廉価な液体窒素による冷却
で、その接地導体並びに導体線路が超電導体となり、導
体損失が極限まで低減される。従って、マイクロ波部品
としての特性が著しく向上されると共に、適用可能な周
波数帯域が高周波数側に拡張される。
で、その接地導体並びに導体線路が超電導体となり、導
体損失が極限まで低減される。従って、マイクロ波部品
としての特性が著しく向上されると共に、適用可能な周
波数帯域が高周波数側に拡張される。
第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明に係るマイクロ波
部品の構成を示す断面図であり、 第２図は、第１図（ａ）に示した断面構造で作製したマ
イクロ波共振器の特性を示すグラフであり、 第３図は、従来のマイクロ波部品の構成を示す断面図で
あり、 第４図は、第３図に示した断面構造で作製したマイクロ
波共振器の特性を示すグラフであり、 第５図は、本発明の作製例における導体線路の線路パタ
ーンを示す図である。 〔主な参照番号〕 １、10、11、12、13……超電導導体線路、 ２、20……第１基板、 ３、30……超電導接地導体、 ４、40……第２基板、 5a、50a……パッケージ、 5b、50b、50c……カバー、 51、52……段差
部品の構成を示す断面図であり、 第２図は、第１図（ａ）に示した断面構造で作製したマ
イクロ波共振器の特性を示すグラフであり、 第３図は、従来のマイクロ波部品の構成を示す断面図で
あり、 第４図は、第３図に示した断面構造で作製したマイクロ
波共振器の特性を示すグラフであり、 第５図は、本発明の作製例における導体線路の線路パタ
ーンを示す図である。 〔主な参照番号〕 １、10、11、12、13……超電導導体線路、 ２、20……第１基板、 ３、30……超電導接地導体、 ４、40……第２基板、 5a、50a……パッケージ、 5b、50b、50c……カバー、 51、52……段差
Claims (1)
- 【請求項１】酸化物超電導薄膜により形成された超電導
導体線路を搭載した第１基板と、酸化物超電導薄膜によ
り形成された超電導接地導体を搭載した第２基板と、該
第１および第２の基板を平行に重ねて収容する金属製パ
ッケージとを備え、該第１および第２の基板に搭載され
た該超電導導体線路と該超電導接地導体とにより形成さ
れたマイクロ波線路を含む超電導マイクロ波部品におい
て、 該第２基板が該第１基板よりも広く形成されており、該
第２基板を収容するために該パッケージの内面に形成さ
れた段差に対して、該第２基板に搭載された該超電導接
地導体の表面周縁部が面接触するように構成されている
ことを特徴とするマイクロ波部品。
Priority Applications (4)
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| JP2291195A JP2567517B2 (ja) | 1990-10-29 | 1990-10-29 | 超電導マイクロ波部品 |
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