JP3742733B2

JP3742733B2 - 超伝導体フィルタ装置

Info

Publication number: JP3742733B2
Application number: JP37142598A
Authority: JP
Inventors: 章彦赤瀬川; 一典山中; 一彦小林; 義春戸澤; 文彦小林; 一郎阿倍野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1998-12-25
Filing date: 1998-12-25
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2018-12-25
Also published as: JP2000196308A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波信号用のフィルタに関し、特に超伝導体を用いた超伝導体フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気回路において、インダクタンスＬ、キャパシタＣを用いて種々のフィルタを形成できることが知られている。信号周波数が高くなるとフィルタに必要なＬ、Ｃの値も小さくなる。フィルタ内に表面抵抗Ｒ成分が存在すると、フィルタ特性を劣化させる原因となる。
【０００３】
近年、移動体通信システム等に高周波通信が用いられている。高品質な通信を可能とするため、急峻な遮断／透過特性を有するフィルタが要求されている。表面抵抗Ｒが非常に小さい超伝導体を用いてＬ、Ｃを形成すると、急峻な特性を有するフィルタを作成することができる。
【０００４】
図７に、従来の技術による超伝導体フィルタ装置の構造例を示す。真空容器５１は入力端子５８、出力端子５９を有し、内部に入力端子５８、出力端子５９に同軸ケーブル５７で接続された超伝導体フィルタ５０を含む。超伝導体フィルタ５０は冷凍機のコールドヘッド５６上に載置され、冷却される。
【０００５】
超導電体フィルタ５０は、パッケージ５５内に収納された誘電体基板５２と、その裏面に形成された接地導体と、表面に形成されたマイクロストリップ伝送線路５４と、複数の超伝導体共振器５３とを含む。マイクロストリップ伝送線路５４は同軸ケーブル５７に接続されている。超伝導体共振器５３は、特定の共振周波数を有し、マイクロストリップ伝送線路５４と電磁的に結合し、特定の周波性成分を遮断する役割を果たす。従って、マイクロストリップ伝送線路５４を伝送する信号成分から特定の周波数成分が除去される。従って、超伝導体フィルタ５０は、バンドリジェクションフィルタを形成する。
【０００６】
超導電体共振器５３、マイクロストリップ伝送線路５４および裏面の接地導体を超伝導状態にするため、コールドヘッド５６はパッケージ５５を低温に冷却する。
【０００７】
入力端子５８、出力端子５９は室温に保持されており、これらの端子５８、５９とパッケージ５５を接続する同軸ケーブル５７には、大きな温度差が生じる。同軸ケーブル５７は、中心導体の周囲に絶縁体および外側導体が巻かれた構成を有し、特に中心導体および外側導体の熱伝導率は高い。従って、室温に保たれた入力端子５８、出力端子５９から同軸ケーブル５７を介して多量の熱が流入する。コールドヘッド５６は、これらの熱を吸収する能力を有さねばならない。このため、冷凍機に必要な能力が増加し、冷凍機の消費電力の増加や大型化の原因となる。同軸ケーブルを細くして熱流入を減少させる方法もあるが、電気的損失が増大する原因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超伝導体フィルタ装置においては、外部からの熱流入を抑え、かつ電気的損失を少なくすることが困難であり、冷凍機の低消費電力化や小型化の障害となっていた。
【０００９】
本発明の目的は、外部よりの熱流入を抑え、かつ電気的損失の少ない超伝導体フィルタ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、入出力端子を有する真空容器と、前記真空容器内に配置されたコールドヘッドと、前記真空容器に支持され、前記入出力端子に接続され、前記コールドヘッドとは熱的に絶縁された常伝導体の伝送線路と、前記コールドヘッドと熱的に結合され、超伝導体層を含み、前記伝送線路と対向し、電磁的に結合してバンドリジェクションフィルタを構成する超伝導構造体とを有する超伝導体フィルタ装置が提供される。
【００１１】
入出力端子に接続された伝送線路は常伝導体で形成され、コールドヘッドとは熱的に絶縁されている。コールドヘッドは、超伝導構造体のみを冷却すればよく、冷凍能力を小さくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例による超伝導体フィルタ装置を概略的に示す。
【００１３】
図１（Ａ）において、真空容器１はステンレス（たとえばＳＵＳ３０４）で形成された容器と入力端子８、出力端子９を有し、内部を真空に保つ。入力端子８、出力端子９の間には伝送線路４が接続されている。伝送線路４は、例えばマイクロストリップ伝送路により形成される。伝送線路４の近傍に、コールドヘッド６に載置された超伝導共振器３が配置される。図においては、３個の超伝導共振器３ａ、３ｂ、３ｃが配置される例を示すが、超伝導共振器の数は３に限らない。
【００１４】
コールドヘッド６は、冷凍機に接続され、その上に載置された超伝導共振器３ａ、３ｂ、３ｃを冷却し、超伝導共振器内の超伝導体を超伝導状態に冷却する。伝送線路４は、真空を介してコールドヘッド６から離されているため、コールドヘッドと熱的に絶縁される。このため、伝送線路４からコールドヘッド６への熱流入は著しく減少する。このため、冷凍機に必要な冷凍能力は小さくてすむ。
【００１５】
図１（Ｂ）は、伝送線路４および超伝導共振器３の構成例を示す断面図である。伝送線路４は、誘電体基板４１の裏面に、たとえば銅層で形成された接地導体４３を備え、表面に同様銅層で形成されたマイクロストリップ型伝送路４２を備えている。接地導体４３は、例えばＳＵＳ３０４で形成された真空容器１に機械的、電気的に接続され、共に接地導体を構成する。誘電体基板４１が厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板の場合、マイクロストリップ型伝送線路４２の幅は例えば０．５ｍｍである。
【００１６】
コールドヘッド６の上に載置された超伝導共振器３は、誘電体基板３１の両面に超伝導体層３２、３３を形成した構造を有する。超伝導体は、例えばＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ（Ｐｂ）−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ等の酸化物超伝導体で形成される。基板３１は、ＭｇＯ、サファイア（Ａｌ₂０₃）等の基板の両面にＣｅＯ₂層を形成した基板、ＬａＡｌＯ₃基板等で形成することができる。
【００１７】
超伝導体層は、高温に保持した誘電体基板上にスパッタリング、レーザーアブレション、化学気相成長（ＣＶＤ）等により形成することができる。また、超伝導体材料を印刷法、スピンコート法により塗布し、その後高温で焼成することにより超伝導体層を形成することもできる。マイクロストリップ型伝送路４２が、超伝導共振器３と電磁的に結合することにより、バンドリジェクションフィルタが形成される。超伝導共振器の数、形状は公知の技術に従い、種々に変更できる。
【００１８】
コールドヘッド６は、冷凍機１１によって、たとえば７７Ｋ以下の温度に冷却される。冷凍機１１に必要な冷凍能力は超伝導共振器３のみを冷却できればよい。従って、冷凍機の冷凍能力を小さくすることができる。冷凍機１１としては、たとえばパルス管冷凍機、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷凍機等を用いることができる。伝送線路４の誘電体基板４１裏面に設けた接地導体４３は、ＳＵＳで形成された真空容器１を接地導体として用いることにより省略することも可能である。
【００１９】
図１（Ｃ）は、伝送線路の他の形態を示す。本構成例においては、誘電体基板４１の裏面に接地導体４３、表面にマイクロストリップ型伝送路４２を備えた伝送線路４が、真空容器１の壁面から離され、内部空間内に配置されている。接地導体４３は、入力端子８、出力端子９の近傍でのみ真空容器１に結合される。伝送線路４からコールドヘッド６へ熱の流入がある場合、伝送線路４を真空容器１から離すことにより、流入する熱量を減少させることが可能である。
【００２０】
図８（Ａ）、（Ｂ）は、超伝導体フィルタ装置の等価回路図を示す。図８（Ａ）は、超伝導体共振器が１つの場合を示し、図８（Ｂ）は超伝導体共振器が３つの場合を示す。
【００２１】
図８（Ａ）において、入力端子ＩＮ、出力端子ＯＵＴは、図１（Ａ）の入力端子８、出力端子９に対応する。インダクタンスＬは伝送線路４が持つインダクタンスである。１つの超伝導共振器３はインダクタンスＬ_r、キャパシタンスＣ_rを有し、伝送線路４のインダクタンスＬとの間で相互キャパシタンスＣ_m、相互インダクタンスＬ_mを形成する。
【００２２】
図８（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すように、３つの超伝導共振器３ａ、３ｂ、３ｃが設けられている場合を示す。伝送線路４のインダクタンスは３つのインダクタンスＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃で示されている。３つの超伝導共振器３ａ、３ｂ、３ｃは、それぞれインダクタンスＬ_r1、Ｌ_r2、Ｌ_r3とキャパシタンスＣ_r1、Ｃ_r2、Ｃ_r3を持ち、伝送線路４との間に相互インダクタンスＬ_m1、Ｌ_m2、Ｌ_m3および相互キャパシタンスＣ_m1、Ｃ_m2、Ｃ_m3を形成する。さらに、超伝導共振器間でも相互インダクタンスＬ_m4、Ｌ_m5を形成する。
【００２３】
このような構成により、共振周波数２〜１２ＧＨｚの共振器を形成することができる。なお、設計数値や形状を工夫することにより、より高周波の共振器を形成することも可能であろう。
【００２４】
図２は、本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置の構成を概略的に示す。図２（Ａ）は、断面構造を示し、図２（Ｂ）は上面構造を示す。コールドヘッド６の上には超伝導体層３２を表面に形成した誘電体基板３１が載置される。この構成により、超伝導共振器が形成される。この超伝導共振器の近傍に、伝送線路４が配置される。伝送線路４は、中心導体４５の周囲をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の絶縁体４６が取り囲み、その周囲に外側導体４７が配されている構成を有する同軸ケーブルである。
【００２５】
超伝導共振器３の近傍において、同軸ケーブルの外側導体４７が除去され、超伝導共振器３と対向する部分にカップリング用開口４８が形成されている。同軸ケーブルの中心導体４５は、絶縁体４６、真空を介して超伝導共振器３と対向する形態となり、電磁的に超伝導共振器３と結合する。本実施例の場合、図１（Ａ）に示した伝送線路４を所定領域の外側導体４７を除去した同軸ケーブルで形成することができる。
【００２６】
図３は、超伝導共振器の他の構成例を示す。コールドヘッド６の上面に誘電体基板３１が載置され、誘電体基板３１の表面には超伝導体層３２が形成されている。超伝導体層３２は、超伝導体平板として機能する。超伝導体層３２の上に、例えばサファイアで形成された誘電体共振器３４が配置されている。
【００２７】
誘電体基板３１は、たとえばＭｇＯ板やサファイア板の両面にＣｅＯ₂層を形成した基板、ＬａＡｌＯ₃基板等で形成される。特に単結晶基板が好ましい。誘電体共振器３４は、低誘電損失、高誘電率の材料で形成される。たとえば、上述の基板３１の材料の他、ＴｉＯ₂、Ｂａ（Ｍｇ、Ｔａ）Ｏ₃セラミクス、Ｂａ（Ｚｎ、Ｔａ）Ｏ₃セラミクス等を用いることができる。誘電体共振器３４はアクリル系接着剤やエポキシ樹脂で超伝導体層３２へ接着する。
【００２８】
例えば、周波数が２ＧＨｚ帯の場合、誘電体共振器３４は直径５０〜６０ｍｍ、高さ１９〜１２ｍｍのサファイアで形成される。超伝導体層３２は、誘電体基板３１を介してコールドヘッド６により所望温度に冷却される。
【００２９】
図４は、超伝導共振器の他の構成例を示す。コールドヘッド６の上に、３個の超伝導共振器が配置されている。各超伝導共振器は、誘電体基板３４の両面に超伝導体層３５、３６が形成された構造を有する。基板３４が誘電体共振器を構成する。１枚の誘電体基板両面に超伝導体膜を形成し、必要な形状に機械加工して超伝導共振器を作成する。超伝導体膜３５は、Ｉｎシートや低温で固化するアピエゾングリースでコールドヘッド６と熱的接触を形成する。
【００３０】
図５は、超伝導共振器の他の構成例を示す。コールドヘッド６の上に誘電体基板３１が配置され、その上に３個の円板状超伝導体層３６が形成されている。誘電体基板３１がＭｇＯ基板の場合、直径約２８ｍｍの超伝導体層３６により２ＧＨｚ帯の共振周波数が得られる。誘電体基板３１全面に超伝導体層を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで所望形状の超伝導体層３６を残す。
【００３１】
超伝導フィルタは、円形にする以外、楕円形や四角にしてもよい。形状を選ぶ上での選択基準は、超伝導膜に流れる電流密度の大きさや作製のしやすさ、形状の大きさなどである。
【００３２】
まず、超伝導膜に流れる電流密度の大きさは、特に大電力の高周波が入力される送信用フィルタの場合に関わる。電流密度がある値を越えると超伝導状態ではなくなる。したがって、大電力に耐えうるためには、電流密度を減少させる必要がある。もちろん、超伝導材料の品質による耐電力性の違いはある。通常のマイクロストリップでは、電流が端面に集中しやすいので、線の幅を太くしたり、四角や円形にして、電流の集中を緩和、つまり、電流密度を減らす。円形のフィルタを用いることにより、耐電力性高めることができる。送信用フィルタでこの効果がより期待できる。楽器の弦ではあまり大きな音がでないのに対し、太鼓では大きな音が出せる現象に類似するであろう。
【００３３】
四角よりも円形の方が電流密度を下げられる。作製のしやすさでは、誘電体共振器を用いる場合、円形（円柱）の方が四角よりも作製が容易である。セラミックの誘電体共振器の作製では、粉末を固めるための金型を使用するため、円形（円柱）の方が作製が容易である。超伝導膜のみで共振器をする場合は、リソグラフィやエッチングを利用した加工精度の点では、円形の方がマイクロストリップよりも作製が容易となる。
【００３４】
形状の大きさでは、マイクロストリップよりも円形や四角の方が大きくなる。楕円形の場合は長軸と短軸があるため、１つの楕円で２つの円形に相当となり、フィルタの小型化への効果がある。
【００３５】
図６（Ａ）は、ヘアピン型マイクロストリップ型線路を用いた超伝導体フィルタの構成例を示す。コールドヘッド６の上に、誘電体基板３１が配置され、誘電体基板３１の表面上にＵ字型の超伝導体層３７が配置されている。
【００３６】
図５の超伝導共振器同様、フォトリソグラフィとエッチングを用いて全面に形成した超伝導体層から任意形状の超伝導体層を作成することができる。
【００３７】
超伝導体層３７は、誘電体基板３１裏面の接地導体と共に、マイクロストリップ型線路を構成する。誘電体基板３１がＭｇＯ基板の場合、ヘアピンの直線約３０ｍｍで２ＧＨｚ帯の共振周波数が得られる。
【００３８】
以上の実施例においては、超伝導体フィルタの共振周波数は固定周波数であった。共振周波数を可変とする超伝導体フィルタを形成することもできる。
【００３９】
図６（Ｂ）は、共振周波数が可変の超伝導体フィルタの構成例を示す。真空容器１の内面上に、誘電体基板４１が固定配置され、その表面上にマイクロストリップ型伝送線路４２が形成されている。冷凍機１１に接続されたコールドヘッド６の上には、超伝導共振器３が形成されている。
【００４０】
伝送線路４２と超伝導共振器３との間に、絶縁（誘電）部材１８が挿入されている。絶縁部材１８の位置を調整することにより、伝送線路４２と超伝導共振器３の間の結合係数が変化する。絶縁部材１８は、例えば樹脂やガラスで形成することができる。
【００４１】
なお、絶縁部材１８が伝送線路４２および超伝導共振器３と熱的に結合すると、絶縁部材１８を介して伝送線路４２からコールドヘッド６に熱が流入する可能性がある。
【００４２】
図６（Ｃ）は、熱の流入を防止し、かつ共振周波数を変化させることのできる構成例を示す。本構成例においては、真空容器１が上下可動機構２２および左右可動機構２３を含んで構成されている。冷凍機１１およびコールドヘッド６は、水平可動機構２３を有する部分に接続されている。
【００４３】
上下可動機構２２および水平可動機構２３を動かすことにより、コールドヘッド６の位置を垂直方向、水平方向に移動させることができる。位置を移動させることにより、伝送線路４２と超伝導共振器３の相対関係を調整し、共振周波数を調整することができる。伝送線路４２と超伝導共振器３を離す程急峻な遮断特性を持ち、冷凍機への熱流入が抑えられる。
【００４４】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱流入の少ない超伝導体フィルタ装置が提供される。冷凍機に必要な冷凍能力が減少するため、超伝導体フィルタ装置を小型化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による超伝導体フィルタ装置の構成例を示す平面図および断面図である。
【図２】本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置の構成を説明するための断面図および平面図である。
【図３】本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置を説明するための断面図である。
【図４】本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置を説明するための断面図である。
【図５】本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置を説明するための平面図である。
【図６】本発明の他の実施例による超伝導体フィルタ装置を説明するための平面図および断面図である。
【図７】従来の技術による超伝導体フィルタ装置を示す概略平面図である。
【図８】超伝導体フィルタ装置の等価回路図である。
【符号の説明】
１真空容器
３超伝導共振器
４伝送線路
６コールドヘッド
８入力端子
９出力端子

Claims

入出力端子を有する真空容器と、
前記真空容器内に配置されたコールドヘッドと、
前記真空容器に支持され、前記入出力端子に接続され、前記コールドヘッドとは熱的に絶縁された常伝導体の伝送線路と、
前記コールドヘッドと熱的に結合され、超伝導体層を含み、前記伝送線路と対向し、電磁的に結合してバンドリジェクションフィルタを構成する超伝導構造体と
を有する超伝導体フィルタ装置。
前記伝送線路がマイクロストリップ型伝送線路あるいは芯線の周囲を絶縁層、外側導体が取り囲む同軸ケーブルであって、外側導体が前記超伝導構造体と対向する位置で一部除去されている同軸ケーブルである請求項１記載の超伝導体フィルタ装置。
前記超伝導構造体が、誘電体層とその両面上に形成された超伝導体層を含む構造あるいは超伝導体層とその両面に形成された誘電体層を含む構造を有する請求項１または２記載の超伝導体フィルタ装置。
前記伝送線路と前記超伝導構造体とが真空を介して対向している請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導体フィルタ装置。
前記伝送線路と前記超伝導構造体とがスペーサを介して対向している請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導体フィルタ装置。
前記超伝導体層が、酸化物超伝導体を含む請求項１〜５のいずれかに記載の超伝導体フィルタ装置。
前記酸化物超伝導体がＹ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｂｉ（Ｐｂ）−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ、Ｎｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏのいずれかを含む請求項６記載の超伝導体フィルタ装置。
さらに、前記伝送線路と前記超伝導構造体との間の電磁的結合を変化させる可動機構を有する請求項１〜７のいずれかに記載の超伝導体フィルタ装置。