JP3497785B2

JP3497785B2 - プレーナ形フィルタ

Info

Publication number: JP3497785B2
Application number: JP27662699A
Authority: JP
Inventors: 家浩之福; 島喜昭寺; 博幸加屋野; 野久士芳
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2019-09-29
Also published as: CN1210835C; EP1089374A3; EP1089374A2; KR100349277B1; TW477110B; JP2001102808A; CN1290052A; KR20010050671A; US6532377B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、フィルタ部材と
チューニング部材とを対向配置させたプレーナ形フィル
タに関し、特に、通信機器等に用いられるフィルタの材
料として超電導体を用いる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】無線や有線で情報通信を行う通信機器に
おいて、所望の周波数帯のみを抽出するフィルタは重要
な構成部品である。周波数の有効利用、および省エネル
ギ化を図るには、減衰特性に優れ、かつ、挿入損失の小
さいフィルタが要求される。

【０００３】このような要求を満足するには、フィルタ
の構成要素として、Ｑ値の高い共振素子が必要となる。
Ｑ値の高い共振素子を実現する一手法として、共振素子
を構成する導体に超電導体を用いるとともに、基板にサ
ファイアやMgOなどの非常に低損失な材料を用いる手法
が提案されている。この手法では、10000以上のＱ値を
得ることができ、共振特性は非常に鋭くなる。しかしそ
の反面、設計時や作製時に共振特性を高精度に調整しな
ければならないという問題がある。

【０００４】すなわち、基板の誘電率のわずかなバラツ
キや導体の加工時のわずかな誤差により、共振特性は大
きく変化してしまい、所望のフィルタ特性が得られなく
なってしまう。また、所望のフィルタ特性が得られたと
しても、経時変化や周囲の温度変化により、フィルタ特
性にずれが生じるという問題もある。

【０００５】一方、上述した高いＱ値を利用してGHz帯
の高周波信号を直接フィルタリングし、周波数変換器を
省略して低コスト化を図る手法が提案されている。この
場合も、共振素子の共振特性を高精度に調整しなければ
ならないことはいうまでもないが、積極的に共振周波数
を変化させて一個のフィルタで任意の周波数を選択可能
にすれば、フィルタの構成を簡略化できて、コスト低減
も図れる。

【０００６】この他、上述したフィルタ特性のずれをな
くすための手法として、例えば、共振素子上に誘電率が
電圧に依存して変化する誘電体を配置し、かつ、この誘
電体に近接して電圧印加用の電極を配置する技術があ
る。

【０００７】この手法の場合、電極の配置場所と印加電
圧を可変制御することにより、局所的に独立に誘電率を
変化させることができる。この結果、一般にフィルタの
通過周波数帯域のチューニングに必要とされる、(1)共
振素子の共振周波数、(2)共振素子間の結合、(3)共振素
子と入出力部間の結合、の個別独立な調整が可能とな
る。すなわち、通過周波数帯域を可変制御でき、かつ、
スカート特性やリップルが所望の特性になるように調整
することができる。ここで、スカート特性とは、通過周
波数帯域の両側の立ち上がりと立ち下がりの特性を指
し、リップルとは、通過周波数帯域での特性のへこみ具
合を指す。一般には、スカート特性が急峻でリップルが
小さいほど望ましい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
手法では、誘電率を変化させるための誘電体と、電圧印
加のための電極とが必須の構成要素であり、これら誘電
体や電極による損失のため、共振素子のＱ値は数百以下
に低下してしまい、減衰特性に優れて挿入損失が小さい
共振素子およびフィルタを得ることは困難であった。

【０００９】別の手法として、マイクロストリップ構造
の共振器上に、透磁率が印加磁界に従って変化する磁性
体(YIG)の板を配置し、これに外部から一様に磁界を印
加することにより共振周波数を変化させる技術がある。

【００１０】この手法の場合、上記の誘電体制御方式に
比べると、電極が不要で、誘電体よりもYIGの損失が小
さいことから、共振素子のＱ値はlO倍にまで改善されて
いる。しかしながら、この方式をフィルタに適用してフ
ィルタ特性をチューニングしようとしても、各共振素子
および共振素子間や入出力部には一様な磁界しか印加で
きないため、フィルタの通過周波数帯域のチューニング
に必要とされる、上述した(1)〜(3)の個別独立な調整が
不可能で、通過周波数帯域を変化させるとスカート特性
やリップルが悪化するという問題があった。

【００１１】本発明は、上述した問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、通過周波数帯域を高精度に
可変制御でき、かつ、スカート特性に優れてリップルの
少ないプレーナ形フィルタを提供することにある。

【００１２】また、本発明の他の目的は、フィルタの構
成部品である共振素子の共振周波数と、共振素子間の結
合と、共振素子および入出力部間の結合とを、それぞれ
個別独立に調整可能なプレーナ形フィルタを提供するこ
とにある。

【００１３】さらに、本発明の他の目的は、超電導体の
低損失特性を犠牲にすることなく、簡易な構成で通過周
波数帯域を高速かつ広範囲にチューニングできるプレー
ナ形フィルタを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明は、超電導体薄膜からなる複数
の共振素子とその両側に配置される入出力部とを、それ
ぞれ間隔を隔てて誘電体基板上に形成したフィルタ部材
と、前記フィルタ部材に所定の間隔を隔てて対向配置さ
れる磁性体材料からなるチューニング部材と、を備え、
前記チューニング部材に直流磁界を印加して前記共振素
子周辺の実効透磁率を調整可能としたプレーナ形フィル
タであって、前記チューニング部材は、前記共振素子間
のギャップ周辺と、前記入出力部および前記共振素子間
のギャップ周辺との少なくとも一方の実効誘電率を調整
可能な誘電率調整部を有する。

【００１５】請求項１の発明では、フィルタの通過周波
数帯域を変化させると、そのままでは、スカート特性が
悪化したり、リップルが増えたりするが、チューニング
部材中の誘電率調整部により、共振素子間のギャップ周
辺の実効誘電率や、共振素子と入出力部の間の実効誘電
率を調整することにより、スカート特性やリップル等の
フィルタ特性を改善することができる。

【００１６】請求項２の発明では、無負荷Ｑ値を下げる
作用を行う誘電体部を、ギャップ部分のみ設けるため、
無負荷Ｑ値を下げることなく、スカート特性やリップル
等のフィルタ特性を改善することができる。

【００１７】なお、フィルタ部材とチューニング部材と
を対向配置する際には、両者が平行でないとフィルタの
挿入損失が増えて急峻なスカート特性が得られなくなる
ため、両者は平行に配置するのが望ましい。

【００１８】また、損失を少なくするには、フィルタ部
材上に形成された共振素子や入出力部のすべてをチュー
ニング部材で覆うのが望ましい。

【００１９】さらに、磁性体の飽和磁化を４πMs（ガウ
ス）、通過周波数をｆ(MHz)とすると、４πMs＜ｆ／6.3
の条件を満たすように、磁性体の飽和磁化を設定するの
が望ましい。この条件を満たさない場合には、共振素子
の無負荷Ｑ値やスカート特性が悪化するためである。

【００２０】請求項３の発明は、超電導体薄膜からなる
複数の共振素子とその両側に配置される入出力部とを、
それぞれ間隔を隔てて誘電体基板上に形成したフィルタ
部材と、前記フィルタ部材に所定の間隔を隔てて対向配
置されるチューニング部材と、を備え、前記チューニン
グ部材は、前記入出力部および前記共振素子間のギャッ
プに対向配置される第１の磁性体と、前記共振素子のそ
れぞれに対向配置される第２の磁性体と、前記共振素子
間のギャップに対向配置される第３の磁性体と、前記第
１〜第３の磁性体の透磁率を調整する磁界発生手段と、
を有する。

【００２１】請求項３および４の発明では、チューニン
グ部材中の第１〜第３の磁性体の透磁率を個別に調整す
ることにより、フィルタの通過周波数帯域を変更して
も、スカート特性やリップル等のフィルタ特性を良好な
状態に維持できる。

【００２２】請求項５の発明では、第１〜第３のコイル
で発生された磁界を、第４〜第６の磁性体を介すること
で、漏れなく第１〜第３の磁性体に伝達でき、また、第
１〜第３の磁性体を通過した磁界を第７〜第９のコイル
に導くことにより、漏れ磁束による悪影響を防止でき
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るプレーナ形フ
ィルタについて、図面を参照しながら具体的に説明す
る。

【００２４】（第１の実施形態）図１は本発明に係るプ
レーナ形フィルタの第１の実施形態の構造を示す図、図
２は図１のA-A方向断面図である。

【００２５】本実施形態のプレーナ形フィルタは、図２
に示すように、平板状のフィルタ部材１と、同じく平板
状のチューニング部材２とを、所定間隔を隔てて対向配
置した構造になっている。

【００２６】図１はフィルタ部材１とチューニング部材
２とを対向させる前の状態を示しており、図中の破線は
対向配置させたときに上下に重なる位置を示している。

【００２７】図１のフィルタ部材１は、裏面側をグラン
ド面３にした基板４上に、超電導体からなる一対の入出
力部５と、同じく超電導体からなる複数の共振素子６と
を配置したマイクロストリップライン構造のバンドパス
フィルタである。

【００２８】図１のチューニング部材２は、印加磁界に
より透磁率が変化する磁性体板７の表面（図１では下
面）に、複数の誘電体薄膜８と、これら誘電体薄膜８に
電界を印加するための複数の電極９とを配置した構造に
なっている。誘電体薄膜８のそれぞれは、フィルタ部材
１の共振素子６間のギャップ、あるいはフィルタ部材１
の共振素子６と入出力部５との間のギャップに対向する
位置に配置されている。図１において、誘電体薄膜８と
電極９が誘電率調整部に対応し、誘電体薄膜８が誘電体
部に対応し、電極９が電界発生部に対応する。

【００２９】図２に示すように、フィルタ部材１の入出
力部５の入力端には、フィルタリングの対象となるマイ
クロ波が入力される。また、入出力部５間に略平行に、
図２の矢印Ｙ１で示す直流磁界がかけられる。この磁界
により、フィルタの通過周波数帯域が可変制御される。

【００３０】図１のプレーナ形フィルタは、図３に示す
ように、銅(Cu)製の容器１１内に収納されている。この
容器１１はさらに、デュワ１２内に設置されている。容
器１１は、冷凍機１３のコールドヘッド１４に熱接触を
保って保持されている。容器１１の外壁には、図２の矢
印Ｙ１の向きに磁界を発生させるコイル１５が巻かれて
いる。

【００３１】また、図３では省略しているが、デュワ１
２の外側には、図１の電極９に電圧を印加するための電
圧印加用電源とコイルに通電するためのコイル通電用電
源とが設けられている。これら電源に供給する電圧を可
変制御することにより、図１のフィルタのスカート特性
やリップルが制御される。

【００３２】図３はフィルタの後段の増幅器（不図示）
をデュワ１２内に収納しない例を示しているが、増幅器
をデュワ１２内部に収納してもよい。また、図３では、
簡略化のため、デュワ１２内部にプレーナ形フィルタを
一つだけ設ける例を説明したが、図３の点線で示すよう
に、複数のフィルタを収納することも可能である。

【００３３】次に、図１に示すプレーナ形フィルタの第
１の実施形態の動作を説明する。図１のプレーナ形フィ
ルタの通過周波数帯域を決める要素は、共振素子６の長
さと、共振素子６を取り囲む媒体の実効誘電率εおよび
実効透磁率である。また、スカート特性とリップルを規
定するものは、共振素子６の無負荷Ｑ値と、共振素子６
相互間の結合と、共振素子６および入出力部５間の結合
である。

【００３４】共振素子６相互間の結合と、共振素子６と
入出力部５間の結合は、相互間のギャップの長さと、そ
れを取り囲む媒体の実効誘電率εと実効透磁率μにより
決まる。図１のチューニング部材２に、図３に示す外部
コイル１５により直流磁界を印加すると、実効透磁率μ
が全体的に変化し、すべての共振素子６の固有周波数を
一様にシフトさせることができる。

【００３５】ここで、共振素子６の固有周波数ｆは、実
効誘電率ε、実効透磁率μ、共振素子６の長さＬ、およ
び共振素子６の容量Ｃを用いると、（１）式で表され
る。

【００３６】

【数１】（１）式より、実効透磁率μが変化すると、それに応じ
て共振周波数ｆが変化することがわかる。共振周波数ｆ
が変化すると、フィルタの通過周波数帯域も変化する。

【００３７】このように、図１のフィルタに矢印Ｙ１の
向きに直流磁界を印加すると、フィルタの通過特性は周
波数軸上をシフトするが、共振素子６相互間の結合と、
共振素子６と入出力部５との電磁結合も同時に変化する
ため、フィルタのスカート特性やリップル等のフィルタ
特性が設計通りにならなくなる。

【００３８】そこで、本実施形態では、図１の誘電体薄
膜８の近傍に配置した電極９間に電圧を印加することに
より、共振素子６間のギャップ、あるいは共振素子６と
入出力部５間のギャップとの実効誘電率εを可変制御し
て、スカート特性やリップルを調整するようにしてい
る。

【００３９】また、本実施形態は、誘電損失が大きい電
界依存誘電率をもつ誘電体を、共振素子６間のギャップ
や共振素子６と入出力部５間のギャップに対向配置され
る部分にのみ使用するため、共振素子６の無負荷Ｑ値、
フィルタの挿入損失、およびスカート特性を犠牲にする
ことが少ない。

【００４０】（第２の実施形態）第２の実施形態は、共
振素子６の共振周波数と、共振素子６間の結合と、共振
素子６および入出力部５間の結合とを、個別独立に調整
できるようにしたことを特徴とする。

【００４１】図４は本発明に係るプレーナ形フィルタの
第２の実施形態を示す図であり、図４（ａ）はフィルタ
部材１の斜視図、図４（ｂ）はチューニング部材２の斜
視図である。また、図５はチューニング部材２の平面図
である。

【００４２】図４のプレーナ形フィルタは、チューニン
グ部材２の構造が第１の実施形態（図１）と異なる点に
特徴があり、フィルタ部材１の構造は図１と同様であ
る。

【００４３】図４（ａ）のフィルタ部材１は、図１と同
様に、基板４の両面に超電導体を形成して一方の面をグ
ランド導体とし、他方の面の超電導体を加工して、一対
の入出力部５と複数の共振素子６とを互いに分離して形
成したものである。

【００４４】図４（ｂ）のチューニング部材２は、入出
力部５および共振素子６間のギャップに対向配置される
磁性体（第１の磁性体）２１と、共振素子６に対向配置
される磁性体（第２の磁性体）２２と、共振素子６間に
対向配置される磁性体（第３の磁性体）２３と、磁性体
２１の両側に配置される磁性体（第４および第７の磁性
体）３１，４１と、磁性体２２の両側に配置される磁性
体（第５および第８の磁性体）３２，４２と、磁性体２
３の両側に配置される磁性体（第６および第９の磁性
体）３３，４３と、磁性体３１，３２，３３の各一端に
接続されるコイル（磁界発生手段）５１，５２，５３と
を有する。

【００４５】図４のプレーナ形フィルタは、図３と同様
に、銅(Cu)製の容器１１内に収納されてデュワ１２内に
設置される。

【００４６】フィルタ部材１とチューニング部材２は、
片方の部材を裏返して対向配置される。図６は、フィル
タ部材１を裏返してチューニング部材２と対向配置させ
た様子を示している。図示のように、共振素子６と磁性
体２２が対向配置され、共振素子６間のギャップに磁性
体２３が対向配置され、かつ、共振素子６および入出力
部５間のギャップに磁性体２１が対向配置される。

【００４７】なお、図４（ｂ）では、磁性体２１〜２３
と磁性体３１〜３３，４１〜４３とをそれぞれ別個のハ
ッチングで図示しているが、両者は異なる部材で形成し
ても、同一の部材で形成してもよい。

【００４８】磁性体４１〜４３は、磁性体２１〜２３に
印加した磁界がフィルタ部材１上の超電導体５，６から
離れた場所で空間中に拡散させるためのものであり、磁
性体３１〜３３と磁性体４１〜４３は、磁性体２１〜２
３を挟んで対称に配置されている必要はない。

【００４９】また、図７に示すように、チューニング部
材２の裏面側にも磁性体を配置して磁気閉回路を形成
し、コイルで発生された磁界が外部に漏れ出さないよう
な構造にしてもよい。このような構造にすれば、漏れ磁
束が少なくなり、磁場による超電導特性の劣化を防ぐこ
とができ、また、コイル５１〜５３に供給する電力を低
減できる。

【００５０】上述した（１）式に示すように、フィルタ
の通過周波数の主要な決定要素は、共振素子６の長さ
と、共振素子６近傍の実効誘電率εと、実効透磁率μと
である。また、スカート特性とリップルの主要な決定要
素は、共振素子６のＱ値と、共振素子６間の結合量と、
共振素子６および入出力部５間の結合量とである。

【００５１】図８は本実施形態のフィルタの周波数通過
特性を示す図である。図４（ｂ）のコイル５１，５２，
５３で磁界を発生させない場合、実線ａに示すように、
中心周波数はｆ１で、リップルがなく、スカート特性が
良好な状態になる。

【００５２】この状態で、図４（ｂ）のコイル５２で磁
界を発生させると、共振素子６の近傍の透磁率が変化
し、フィルタの通過周波数帯域をf2にシフトすることが
できる。しかしながら、共振素子６間の結合や共振素子
６と入出力部５との結合は、図４（ｂ）のコイル５２で
磁界を発生させる前の通過周波数帯域に合わせて設定さ
れた値であるため、単にコイル５２で磁界を発生させた
だけだと、図８の点線ｂに示すように、リップルが発生
したり、スカート特性が悪くなる。

【００５３】そこで、第２の実施形態では、図４（ｂ）
のコイル５１，５３に磁界を発生させ、磁性体２１，２
３の透磁率を所望の値に変化させる。この結果、共振素
子６間の結合や共振素子６と入出力部５間の結合が所望
の値になり、図８の実線ｃに示すように、良好な周波数
特性を得ることができる。

【００５４】また、磁性体２１〜２３による損失は十分
小さいため、超電導体の特長を生かした低損失、シャー
プカットなフィルタ特性は一貫して維持されている。

【００５５】（その他の実施形態）上述した第１および
第２の実施形態では、２段のバンドパスフィルタを例に
説明したが、本発明は他の段数のフィルタについても適
用可能である。また、フィルタ形式も、バンドパスフィ
ルタに限らず、帯域阻止フィルタ、ローパスフィルタ、
ハイパスフィルタなど他の形式にも適用可能である。さ
らに、結合の仕方を特徴づけるフィルタ形状も、エンド
カップルタイプに限る必要はなく、サイドカップルなど
他のタイプにも適用可能である。構造もマイクロストリ
ッブライン構造に限る必要はなく、共振素子６長とギャ
ップで特性を決定する構造ならどのような構造でもよ
く、例えばコプレーナ構造などにも適用可能である。

【００５６】

【実施例】（第１の実施例）以下に説明する第１の実施
例は、第１の実施形態で説明した図１のフィルタの具体
例であり、4.8GHz帯のマイクロストリップライン構造の
帯域通過フィルタについて説明する。

【００５７】本実施例では、フィルタ部材１の基板４と
して、厚さ0.5mmのLaAl0₃を用いた。この基板４の両面
に、Ｙ系超伝導薄膜をスパッタリング法で500nm成膜
し、一方の面の超伝導薄膜をグランド面３とし、他方の
面の超伝導薄膜をイオンミリング法を用いて加工し、入
出力部５と所望の共振周波数の複数の共振素子６を形成
して、マイクロストリッブライン構造のフィルタ部材１
を作製した。

【００５８】各共振素子６は、幅を170μm、長さを8m
m、共振周波数を4.8GHzとした。また、共振素子６間に1
00μmのギャップを設け、共振素子６と入出力部５間に7
0μmのギャップを設けた。

【００５９】一方、チューニング部材２として、まず、
厚さが0.5mmで飽和磁化が750ガウスのY₃Fe₅0₁₂(YIG)磁
性体板７上に、7nm厚さの酸化物導伝膜SrRu0₃(以下、SR
O膜)をスパッタリング法で成膜した。

【００６０】次に、SRO膜をイオンミリング法を用いて
加工し、フィルタ部材１の共振素子６間のギャップ部
と、共振素子６および入出力部５間のギャップ部とに対
向する部分に、線幅10μmで、間隔40μmの電極対９を形
成した。

【００６１】次に、メタルマスタを用い、上記ギャップ
部に対向する部分に、誘電率が印加電界に依存するSrTi
0₃誘電体薄膜８(以下、STO膜)をスパッタリング法で500
nm積層した。電極９の形状は図１のような２本の線状の
もの以外でもよく、図９に示すようなインターデジタル
形状（櫛形形状）であってもよい。

【００６２】フィルタ特性の評価は以下のようにして行
った。上記の工程で作製したフィルタ部材１とチューニ
ング部材２を、容器１１内で0.3mmの間隔で対向させて
組み立てた後、図３に示すように、容器１１の外壁にコ
イル１５を巻き付けた。

【００６３】次に、この容器１１をデュワ１２に設置し
て、40Kまで冷却可能な冷凍機１３に接続し、60Kまで冷
却して、マイクロ波電力の通過特性と反射特性をベクト
ルネットワークアナライザにより測定した。

【００６４】電圧印加用電極９に80Ｖを印加して磁界印
加用コイル１５に電流を流していない状態、すなわち、
ゼロ磁界の状態でのフィルタ通過特性は図１０の曲線ｄ
に示すように、通過帯域内ではフラットで、挿入損失は
1dB以下であり、その両端の立ち上がり、立ち下がり(ス
カート特性)は急峻で、良好なフィルタ特性を示した。

【００６５】次に、図３の磁界印加用コイル１５に電流
を流し、300エルステッド(Oe)の磁界を印加すると、曲
線ｅに示すように、通過帯域の中心周波数は△ｆ＝38MH
zだけ高周波数側にシフトしたが、通過帯域内での凹凸
(リップル)が増加し、スカート特性も劣化した。

【００６６】この状態で、図１の電圧印加用電極９に印
加する電圧を40Ｖにすると、曲線ｆに示すように、リッ
プルは減少し、スカート特性も改善されて、良好なフィ
ルタ特性を示した。

【００６７】本実施例では、説明の簡略化のため、曲線
ｄに示す初期状態として、印加電圧が80Ｖでゼロ磁界と
したが、印加電圧がOＶでゼロ磁界とすると、通過帯域
中心周波数ｆは曲線ｄと同様であったが、曲線ｅに示す
ようなリップルの大きい特性が得られた。

【００６８】フィルタ部材１とチューニング部材２を密
着して配置すると、300エルステッド(Oe)の磁界を印加
した場合の周波数シフトは上記の約４倍である149MHzに
なり、挿入損失は増加したものの、2dBであった。ま
た、周波数チューニングに伴うフィルタ特性の変化は、
上記と同様に、電圧印加用電極９による誘電体に対する
電圧調整により可能であった。

【００６９】このように、本実施例のフィルタは、電圧
印加用電極９によりスカート特性やリップルを任意に調
整できるため、スカート特性やリップル等のフィルタ特
性を劣化させることなく、通過周波数帯域を広範囲にわ
たって可変制御することができる。

【００７０】また、本実施例は、無負荷Ｑ値を低下させ
る要因となる誘電体薄膜を、共振素子６間のギャップ等
の限られた部分にしか使用していないため、超電導体の
特徴である損失の低減を犠牲にすることがない。

【００７１】なお、上述した第１の実施例は、図１に示
すように、それぞれ平板状のフィルタ部材１とチューニ
ング部材２とを、互いに平行になるように配置する例を
説明したが、フィルタ部材１とチューニング部材２とを
平行に配置しない場合についても実験を行った。その結
果、平行に配置した場合に比べて、フィルタの挿入損失
が増えて、急峻なスカート特性は得られなかった。

【００７２】また、上述した第１の実施例の構造の場
合、フィルタ部材１の上方（あるいは、下方）に配置さ
れるチューニング部材２中の磁性体が、フィルタ部材１
の超伝導部分の全面を覆うことが必要であり、一部だけ
を覆う構造ではフィルタの挿入損失が増えて急峻なスカ
ート特性が得られなかった。

【００７３】（第２の実施例）以下に説明する第２の実
施例は、第１の実施例と同様に、第１の実施形態の具体
例であり、通過周波数帯域が約２GHzの例を示してい
る。

【００７４】図１１はプレーナ形フィルタの第２の実施
例の構造を示す図である。図１１（ａ）はフィルタ部材
１の平面図、図１１（ｂ）はチューニング部材２の平面
図、図１１（ｃ）は図１１のプレーナ形フィルタの断面
図である。

【００７５】図１１のプレーナ形フィルタは、フィルタ
部材１上の共振素子６の形状が異なる他は、図１のプレ
ーナ形フィルタと同様の構造を有し、製造方法も同様で
ある。

【００７６】（１）式に示すように、共振周波数が低い
ほど、共振素子６の長さＬは長くなる。このため、図１
１のフィルタ部材１は、共振素子６を折り曲げて配置す
ることにより、共振素子６の長さをかせいでいる。

【００７７】本実施例では、フィルタ部材１上の共振素
子６の幅を170μm、長さを20.2mm、共振素子６間の間隔
を1.2mm、共振素子６と入出力部５との間隔を340μmと
した。

【００７８】また、チューニング部材２の電極９を、図
１２に示すようにインターディジタル形状とし、電極９
の線幅を10μm、線間隔を40μm、共振素子６間の電極９
の本数を24本、共振素子６と入出力部５間の電極９の本
数を６本とした。また、フィルタ部材１とチューニング
部材２の間隔を0.3mmとした。

【００７９】２GHz帯のバンドパスフィルタの場合、磁
性体の飽和磁化を4.8GHzのフィルタの場合と同様に750
ガウスとすると、挿入損失が20dB以上あり、フィルタと
しての使用に耐えうるものはできなかった。２GHz帯の
バンドパスフィルタの場合、磁性体の飽和磁化を300ガ
ウス以下にすることにより、挿入損失が実用レベルの１
dB以下となった。

【００８０】電極９に印加する電圧と、印加磁界を変化
させた場合のフィルタ特性の変化は、第１の実施例と同
様であるが、印加磁界300(Oe)の時の中心周波数の変化
は38MHzであった。

【００８１】フィルタの通過周波数f(MHz)および磁性体
の飽和磁化4πMs(ガウス)と、挿入損失およびフィルタ
特性の関係を調べたところ、通過周波数ｆのフィルタに
用いる磁性体の飽和磁化4πMsが、4πMs<f/6.3の条件か
らはずれると本発明のプレーナ形バンドパスフィルタの
挿入損失は急速に増加し、スカート特性も緩やかになっ
た。

【００８２】（第３の実施例）以下に説明する第３の実
施例は、第２の実施形態で説明した図４のフィルタの具
体例である。

【００８３】第３の実施例では、図４に示すプレーナ形
フィルタを以下の方法で作製した。縦40mm、横20mm、厚
さ0.5mmのLaAlO₃の単結晶基板４の両面に、厚さ500nmの
YBC0超電導膜を、スパッタリング法、レーザ蒸着法、CV
D法などにより成膜し、片面をリソグラフィー法により
加工して入出力部５と共振素子６を形成し、裏面13をグ
ランド面３としてマイクロストリップ構造の２段のバン
ドパスフィルタを作製した。

【００８４】共振素子６の幅は170μm、長さは8mmと
し、共振素子６同士の間隔は100μm、共振素子６と入出
力部５の間隔は50μmとした。

【００８５】また、図４（ｂ）に示すチューニング部材
２を以下の方法で作製した。縦35mm、横30mm、厚さ１mm
の非磁性のセラミックス基板４の上面全面に、Y₃Fe₅0₁₂
(YIG)からなる組成の磁性体を塗布法により厚さが1OOμ
mになるように形成した。

【００８６】次に、レーザビーム加工機を用いてYIG厚
膜を図４（ｂ）の形状にするために、図５に示される寸
法で加工した。本実施例では、磁性体２１〜２３，３１
〜３３，４１〜４３をいずれも同じ材料で連続して形成
したが、それぞれ異なる材料で形成してもよい。

【００８７】次に、図４（ｂ）に示すような磁界発生用
のコイル５１〜５３を、図示していない固定治具を用い
て磁性体３１〜３３の近傍に設置した。コイル５１，５
３は、内径を２mm、外径を４mm、長さを５mmとし、コイ
ル５２は、内径を３mm、外径を10mm、長さを10mmとし
た。

【００８８】これらのコイル５１〜５３にはそれぞれ、
直径0.1mmの導線を1cmあたり800回巻いており、100mAの
電流通電により、約100[0e]の磁界が発生するようにし
た。

【００８９】一般に、YIG磁性体に磁界を印加すると、Y
IGの透磁率は図１３のように変化する。すなわち、ゼロ
磁場の場合の透磁率が、磁界印加とともに単調に減少す
る。

【００９０】次に、図４（ａ）に示すフィルタ部材１と
図４（ｂ）に示すチューニング部材２とを、共振素子６
の形成された面と磁性体２１〜２３等が形成された面と
が対向するように重ね合わせる。

【００９１】より詳細には、共振素子６と入出力部５間
のギャップに磁性体２１を対向配置させ、共振素子６に
磁性体２２を対向配置させ、共振素子６間のギャップに
磁性体２３を対向配置させている。このようにして、本
実施例のプレーナ形フィルタを作成した。

【００９２】図８は本実施例のフィルタを40Kに冷却し
た時の通過特性を示す図である。磁界を全く印加しない
場合には、通過周波数帯域の中心周波数f1は4.8GHzで、
帯域幅は15MHzであった。

【００９３】この場合、通過周波数帯域はフラットでリ
ップルはほとんどなく、また挿入損失は1dB以下であっ
た。また、通過周波数帯域の両側の立ち上がり、立ち下
がり部分の特性(スカート特性)は急峻であり、きわめて
良好なバンドパスフィルタの特性を示した。

【００９４】次に、コイル５２にlOOmAの電流を通電
し、lOO[0e]の磁界を発生して、磁性体２２に磁界を印
加した。その結果、図８の破線ｂに示すように、通過周
波数の中心周波数f2は高周波側に20MHzシフトしたが、
通過帯域内に2dBのリップル(へこみ部分)が発生し、ス
カート特性も悪化した。

【００９５】さらに、この状態において、コイル５１に
30mA、コイル５３に40mAの電流を通電して磁性体２１，
２３に磁界を印加した。その結果が図８の実線ｃであ
る。通過周波数帯域の中心周波数f2はそのままで、リッ
プルが解消され、スカート特性も改善され、良好なバン
ドパスフィルタの特性が得られた。

【００９６】なお、本実施例では、磁界がすべてゼロの
場合において、フィルタ特性が良好な初期状態として説
明したが、いくつかのコイルに磁界を発生させた状態で
フィルタ特性が良好な初期状態とするような設計にする
ことも可能である。

【００９７】一般にYIGの透磁率は、図１３に示すよう
に磁界に対して単調に減少する。従って、透磁率が大き
くなる方向へも小さくなる方向へも調整可能なように、
中間的な磁界を印加した状態(例えば図１３中のH2のよ
うな磁界値)が初期状態になるように、予め設計してお
くことも有益である。

【００９８】通過周波数特性の調整のために各コイル５
１〜５３で発生させる磁界の大きさは、例えば通過特性
をネットワークアナライザでリアルタイムでモニタしな
がら試行錯誤で制御する方法が考えられる。

【００９９】しかしながら、想定されるフィルタ特性に
ついて、あらかじめ各コイル５１〜５３の通電電流値を
いくらにすればよいかを試験しておき、較正表の類を準
備しておけば、次回からはその較正表を元に、素早くフ
ィルタ特性を調整することが可能になる。

【０１００】また、コイル５１〜５３の材料として、常
伝導金属を用いると、通電時に電力消費が発生してしま
うので、超電導線でコイルを作製することで、電力消費
を抑制する方法も有効である。本実施例では、YIGの厚
さを1OOμmとしたが、実際は数10nmから数mmの厚さが考
えられる。

【０１０１】また、損失を少なくするために、透磁率の
変化量の必要量に合わせて、できるだけ磁性体２１〜２
３，３１〜３３，４１〜４３を薄くした方がよい。膜の
作製法も塗布法に限られるわけではなく、厚さが数μm
以下と薄い場合は、スパッタ法、レーザ蒸着、CVD法で
成膜してもよい。

【０１０２】また、磁性体２１〜２３，３１〜３３，４
１〜４３をlOOμm以上の厚さにする場合には、バルク材
を基板４に張り付けてもよい。また、磁性体自身が十分
な剛性を持っている場合は、あえて基板４に形成する必
要はなく単独で作製してもよい。

【０１０３】本実施例では、磁性体２１〜２３，３１〜
３３，４１〜４３は同一の材料を用いて連続して作製し
たために同じ厚さであるが、これらの厚さを変えてもよ
い。特に、磁性体３１〜３３のコイル５１〜５３近傍の
部分の幅を、コイル５１〜５３の内径に納まるようなサ
イズにして、その分厚さを厚くし、結果として断面積を
変化させないようにすることは、レイアウトのし易さや
コイルの小型化のために有効である。

【０１０４】また、上述した第１〜第３の実施例では、
磁性体としてYIGを例にとって説明したが、磁性体材料
はYIGに限定されない。また、磁性体はバルク板を用い
て説明したが、適当な基板４上に種々の成膜法で得られ
る薄膜であってもよく、フィルタ部材１上に形成される
薄膜であってもよい。

【０１０５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、フィルタ部材とチューニング部材とを対向配置さ
せて、チューニング部材により、フィルタ部材中の共振
素子間のギャップ周辺と、入出力部および共振素子間の
ギャップ周辺との少なくとも一方の実効誘電率を調整可
能にしたため、フィルタの通過周波数帯域の変更時に、
スカート特性を改善させることができ、かつ、リップル
もなくすことができる。

【０１０６】また、第１〜第３の磁性体を有するチュー
ニング部材をフィルタ部材に対向配置させて、第１〜第
３の磁性体の透磁率を調整することにより、共振素子間
の結合や、共振素子と入出力部の結合を可変制御でき、
スカート特性やリップル等のフィルタ特性を改善させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプレーナ形フィルタの第１の実施
形態の構造を示す図。

【図２】図１のA-A方向断面図。

【図３】図１のフィルタの使用状態を示す図。

【図４】本発明に係るプレーナ形フィルタの第２の実施
形態を示す図であり、（ａ）はフィルタ部材１の斜視
図、（ｂ）はチューニング部材２の斜視図。

【図５】チューニング部材の平面図。

【図６】フィルタ部材を裏返してチューニング部材と対
向配置させた様子を示す図。

【図７】チューニング部材の裏面側にも磁性体を配置し
て磁気閉回路を形成した例を示す図。

【図８】本実施形態のフィルタの周波数通過特性を示す
図。

【図９】電極の形状をインターデジタル形状にした例を
示す図。

【図１０】フィルタの通過特性を示す図。

【図１１】プレーナ形フィルタの第２の実施例の構造を
示す図であり、（ａ）はフィルタ部材１の平面図、
（ｂ）はチューニング部材２の平面図、（ｃ）は図のプ
レーナ形フィルタの断面図。

【図１２】電極の形状をインターデジタル形状にした例
を示す図。

【図１３】YIGの透磁率を示す図。

【符号の説明】

１フィルタ部材２チューニング部材３グランド面４基板５入出力部６共振素子７磁性体板８誘電体薄膜９電極１１容器１２デュワ１３冷凍機２１〜２３，３１〜３３，４１〜４３磁性体５１〜５３コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者芳野久士神奈川県川崎市幸区小向東芝町１株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平１−189206（ＪＰ，Ａ) 特開平11−68405（ＪＰ，Ａ) 特開平10−51204（ＪＰ，Ａ) 特開平５−267732（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01P 1/203 H01P 7/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体薄膜からなる複数の共振素子とそ
の両側に配置される入出力部とを、それぞれ間隔を隔て
て誘電体基板上に形成したフィルタ部材と、前記フィルタ部材に所定の間隔を隔てて対向配置される
磁性体材料からなるチューニング部材と、を備え、前記チューニング部材に直流磁界を印加して前記共振素
子周辺の実効透磁率を調整可能としたプレーナ形フィル
タであって、前記チューニング部材は、前記共振素子間のギャップ周
辺と、前記入出力部および前記共振素子間のギャップ周
辺との少なくとも一方の実効誘電率を調整可能な誘電率
調整部を有することを特徴とするプレーナ形フィルタ。
【請求項２】前記誘電率調整部は、前記共振素子間のギャップと、前記入出力部および前記
共振素子間のギャップとの少なくとも一方に対向配置さ
れる誘電体材料からなる誘電体部と、前記誘電体部に電界を発生させる電界発生部と、を有す
ることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ形フィル
タ。
【請求項３】超電導体薄膜からなる複数の共振素子とそ
の両側に配置される入出力部とを、それぞれ間隔を隔て
て誘電体基板上に形成したフィルタ部材と、前記フィルタ部材に所定の間隔を隔てて対向配置される
チューニング部材と、を備え、前記チューニング部材は、前記入出力部および前記共振素子間のギャップに対向配
置される第１の磁性体と、前記共振素子のそれぞれに対向配置される第２の磁性体
と、前記共振素子間のギャップに対向配置される第３の磁性
体と、前記第１〜第３の磁性体の透磁率を調整する磁界発生手
段と、を有することを特徴とするプレーナ形フィルタ。
【請求項４】前記磁界発生手段は、前記第１〜第３の磁
性体のそれぞれに磁界を印加する第１〜第３のコイルを
有し、これらコイルにて発生される磁界を個別に制御可
能としたことを特徴とする請求項３に記載のプレーナ形
フィルタ。
【請求項５】前記チューニング部材は、前記第１〜第３のコイルのそれぞれと、対応する前記第
１〜第３の磁性体のいずれかとに接続される第４〜第６
の磁性体と、前記第１〜第３の磁性体を挟んで前記第４〜第６の磁性
体とは反対側に設けられ、対応する前記第１〜第３の磁
性体のいずれかに接続される第７〜第９の磁性体と、を
有することを特徴とする請求項４に記載のプレーナ形フ
ィルタ。