JP3771164B2 - 高周波部材 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器などに用いられる高周波部材に関し、特に、所望の信号周波数帯域のみ通過させる高周波部材に関する。
【0002】
【従来の技術】
無線または有線で情報通信を行う通信機器は、アンプ、ミキサ、フィルタなどの各種の高周波部材から構成されている。この中には、共振特性を利用した高周波部材が多く含まれている。例えば、バンドパスフィルタは、共振素子を複数個並べて特定の周波数帯の信号のみを通過させる機能を有する。
【0003】
通信システムにおいては、各通信会社の使用する周波数帯域が分散して存在する場合がある。例えば、米国のAMPSシステムでは、図16に示すように、通信会社Aが824−835MHz(帯域幅11MHz)および845−846.5MHz(帯域幅1.5MHz)を使用し、通信会社Bが835−845MHz(帯域幅10MHz)および846.5−849MHz(帯域幅2.5MHz)を使用している。従って、「IEEE Transactions on Applied Superconductivity 第9巻(1999年)、第4018頁」に述べられているように、通信会社Bは835−849MHzを通過帯域とするバンドパスフィルタと、前記通過帯域中の845−846.5MHzを通過阻止帯域とするバンドストップフィルタを直列に接続したフィルタ回路を用意する必要がある。
【0004】
このように、複数のフィルタを用いると、素子が大型化するという問題点がある。導体に超伝導体を用いた場合、大型の素子では温度分布が生じやすくなり、また冷却コストも増大するという問題点がある。
【0005】
従って、1つのフィルタで、通過帯域内に通過阻止帯域をもたせることができれば、素子の小型化が可能となる。しかし、従来、通過帯域内に通過阻止帯域をもつ単独のフィルタを実現することはできなかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来技術では、通過帯域内に通過阻止帯域をもつ単独のフィルタを実現することはできなかった。従って、通信システムにおいて使用する周波数帯が分散して存在する場合、各々の周波数帯に相当する複数のフィルタを用意しなければならないため、素子が大型化するという問題があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、サファイアR面を一主面に有する基板と、前記基板の他主面上に形成された接地導体と、前記一主面上に形成されたヘアピン型共振部と、前記共振部を挟む入出力部とを備え、前記一主面上において、サファイア<1−101>方向と前記共振部長辺部がなす角ψが、0度≦ψ≦20度であることを特徴とする高周波部材を提供する。
【0008】
ここで、接地導体及び共振部及び入出力部が超伝導体であってもよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0010】
本発明の高周波部材は、サファイアR面上に形成される。ここで、サファイアR面とは、サファイア六方晶の(1−102)面である(図1参照)。また、サファイアR面基板とは、サファイアR面を主面に露出させた基板である。この基板は、サファイア単体の基板であっても、サファイア層を露出させた複合体であってもよい。無論、実際に用いる基板は、厳密にR面が露出しているものに限られず、R面近傍を用いることも可能である。即ち、面方位の角度誤差は通常の工業的基板加工で実現される精度で含まれていればよい。
【0011】
図1中の矢印が、<1−101>方向を示す。
【0012】
本発明に係る高周波部材の基本的な構成の例をまず説明する。
【0013】
図2に示すように、サファイアR面を切り出した基板30の一主面に接地導体31を設け、他主面30a上には共振素子32が配置されている。
【0014】
共振素子32は基板30上にパターニングされた導体により形成されている。共振素子32は入出力部35、36と、その間の共振部37によって構成される。共振部37の長さは、フィルタの所望通過帯域波長の1/2に対応している。ここに、共振部37の長さとは、パターニングされた導体の長さである。
【0015】
この共振素子32の両端には、同軸線33、34が接続されている。同軸線33から信号が供給され、同軸線34から信号が出力される。
【0016】
共振素子32と同軸線33、34との間で、同軸−マイクロストリップ変換が行われている。
(実施形態1)
図3は、第1の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。以下、高周波とは、百MHzからGHz帯の周波数帯をいう。
【0017】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図3で示されるストリップ導体を設ける。
【0018】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。超伝導体としては、レーザー蒸着法、スパッタ法あるいは共蒸着法などを用いることができる。また、良質な超伝導薄膜を得るために、基板と超伝導薄膜との間にバッファ層を設けることができる。バッファ層としては、CeO2あるいはYSZなどがある。
【0019】
本実施形態においては、L字型の入出力部の間に、図3に示すように、共振部41を配置している。各々の共振部41は対称なヘアピン形状をしている。ヘアピンは、2つの長辺部と接続部を備える。ここでは、角部を有するヘアピン形状の例を挙げているが、接続部を円弧形状にするなどした角部のないヘアピン形であってもよい。本明細書では、角部があるものもないものも含めて、このような形をヘアピン型という。
【0020】
ここで、共振部41の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向42に一致するか、または、なす角ψが、0°≦ψ≦20°を満足するように配置する。ここで、方位<1−101>は図中の矢印42方向をもつベクトルだが、長辺部は向きを持たないので、方位<1−101>と長辺部がなす角ψは0°から90°で定義される。
【0021】
サファイアには誘電率に異方性があるため、ヘアピン型共振素子をR面上に配置した場合、ヘアピン型共振素子の配置する方位を選択することにより、通過帯域内に通過阻止帯域を設けることが可能であることを我々は実験により見出した。
【0022】
角ψを0°にしたときの、通過特性を図4に示す。ここで、横軸は周波数、縦軸は通過強度を相対的に表す。また、通過帯域幅とは、通過強度が3dB下がる周波数幅をいう。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzの通過帯域中に、中心周波数約1.9GHz、帯域幅約2MHzの通過阻止帯域が実現できる。このとき阻止域の減衰量は約15dBである。
【0023】
角ψを0°から90°まで変化させていったときの、阻止域の減衰量の変化を図5に示す。ここで横軸は角ψ、縦軸が阻止域の減衰量である。図中、点線がψ=20°である。すなわち、0°≦ψ≦20°では、阻止域の減衰量は13〜15dB程度確保されるのに対し、ψが20°を超えると急激に阻止域の減衰量が減少することを実験によって見出した。よって、0°≦ψ≦20°とすることにより、阻止域の減衰量を確保できることが明らかである。ただし、角ψが0°であるときが最も減衰量が大きいので好ましい。
(実施形態2)
図6は、第2の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。
【0024】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図6で示されるストリップ導体を設ける。
【0025】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。このような形状の共振部を用い、第1の実施形態と同様にして、高周波部材を構成する。
【0026】
本実施形態においては、L字型の入出力部の間に、図6に示すように、共振部71を配置している。各々の共振部71は角部を有するヘアピン型である。各共振部の全長は実施形態1の共振部のものと同一であるが、長辺の長さは実施形態1のものより短くしている。また実施形態1においては、ヘアピンの長辺部をそろえて配置しているが、本実施例においては各共振部71の長辺部の一部が重なるように配置している。これにより、共振素子をずらせて配置することにより、素子間の結合を弱くして、小型化を実現している。
【0027】
ここで、共振部71の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向となす角ψが、ψ=0°を満足するように配置する。
【0028】
図7にこのフィルタ回路の通過特性を示す。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzの通過帯域中に、中心周波数約1.905GHz、帯域幅約2MHzの通過阻止帯域を実現している。このとき阻止域の減衰量は約15dBである。すなわち、実施形態1の場合と比較して、阻止域の中心周波数が約5MHz高周波側に移動させることができる。このように、ヘアピンの長辺の長さを調節することにより、阻止域の中心周波数を制御することが可能である。
(実施形態3)
図8は、第3の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。
【0029】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図8で示されるストリップ導体を設ける。
【0030】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。このような形状の共振部を用い、第1の実施形態と同様にして、高周波部材を構成する。
【0031】
本実施形態においては、L字型の入出力部の間に、図8に示すように、共振部91を配置している。各々の共振部91は角部を有するヘアピン型である。各共振部は実施形態1のものと同一であるが、総数のより大きい多段フィルタにしている。また、実施形態2と同様に、各共振部71の長辺部の一部が重なるように配置し、小型化を実現している。
【0032】
ここで、共振部71の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向となす角ψが、ψ=0°を満足するように配置する。
【0033】
図9にこのフィルタ回路の通過特性を示す。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzの通過帯域中に、中心周波数約1.9GHz、帯域幅約2MHzの通過阻止帯域を実現している。このとき阻止域の減衰量は約20dBである。すなわち、実施形態1の場合と比較して、阻止域の減衰量が約5dB増大した。このように、フィルタの段数を調節することにより、阻止域の減衰量を制御することが可能である。
(実施形態4)
図10は、第4の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。
【0034】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図10で示されるストリップ導体を設ける。
【0035】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。このような形状の共振部を用い、第1の実施形態と同様にして、高周波部材を構成する。
【0036】
本実施形態においては、入出力部をL字型に曲げず、図10に示すように直線形の入出力部111を設けている。各々の共振部112は角部を有するヘアピン型である。共振部は実施形態3と同一であり、共振部112の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向となす角ψが、ψ=0°を満足するように配置する。
【0037】
図11にこのフィルタ回路の通過特性を示す。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzの通過帯域中に、中心周波数約1.9GHz、帯域幅約2MHzの通過阻止帯域を実現している。このとき阻止域の減衰量は約20dBである。
(実施形態5)
図12は、第5の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。
【0038】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図12で示されるストリップ導体を設ける。
【0039】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。このような形状の共振部を用い、第1の実施形態と同様にして、高周波部材を構成する。
【0040】
本実施形態においては、ギャップ励振ではなく図12に示すようにタップ励振による入出力部131を設けている。各々の共振部132は角部を有するヘアピン型である。共振部は実施形態3と同一であり、共振部112の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向となす角ψが、ψ=0°を満足するように配置する。
【0041】
図13にこのフィルタ回路の通過特性を示す。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzの通過帯域中に、中心周波数約1.9GHz、帯域幅約2MHzの通過阻止帯域を実現している。このとき阻止域の減衰量は約20dBである。
(実施形態6)
図14は、第6の実施形態に係る高周波部材の共振素子を示すレイアウト図を示したものである。
【0042】
厚さ約0.43mmのサファイアR面を切り出した基板(図示せず)の一主面に接地導体(図示せず)を設け、他主面に図15で示されるストリップ導体を設ける。
【0043】
導体には厚さ約500nmのY系超伝導薄膜を用い、ストリップ導体の線路幅は約0.4mmである。このような形状の共振部を用い、第1の実施形態と同様にして、高周波部材を構成する。
【0044】
本実施形態においては、L字型の入出力部の間に、図14に示すように、共振部151を配置している。各々の共振部151は角部を有するヘアピン型である。各共振部の全長は実施形態1の共振部のものと同一であるが、長辺の長さは実施形態2のものよりもさらに短くしている。
【0045】
ここで、共振部151の長辺部がサファイア基板上の<1−101>方向となす角ψが、ψ=0°を満足するように配置する。
【0046】
図15にこのフィルタ回路の通過特性を示す。中心周波数約1.9GHz、帯域幅約20MHzのバンドパスフィルタを実現している。また通過帯域の高周波側161に極が存在することにより、30dB/1MHzの急峻なスカート特性を実現している。このように、共振部の長辺の長さを調節することにより阻止域を通過帯域端に設けることも可能であり、急峻なスカート特性を実現することが可能である。
【0047】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明によれば、通過帯域内に通過阻止帯域をもつ単独のフィルタを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】サファイアR面を示す図
【図2】本発明に係る高周波部材の構成を説明する例。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図4】本発明の第1の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図5】サファイアR面上で、<1−101>方向と共振部の長辺部の方向とがなす角ψを0度から90度まで変化させたときの阻止域の減衰量変化を説明する図。
【図6】本発明の第2の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図7】本発明の第2の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図8】本発明の第3の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図9】本発明の第3の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図10】本発明の第4の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図11】本発明の第4の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図12】本発明の第5の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図13】本発明の第5の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図14】本発明の第6の実施形態に係る高周波部材のレイアウト図。
【図15】本発明の第6の実施形態に係る高周波部材の周波数特性図。
【図16】米国AMPSシステムの周波数割り当てを示す図
【符号の説明】
30 サファイアR面基板
31 接地導体
32 共振素子
33 34 同軸線
35 36 入出力部
37 共振部
41 共振部
42 サファイア結晶<1−101>方向
Claims (3)
- サファイアR面を一主面に有する基板と、前記基板の他主面上に形成された接地導体と、前記一主面上に形成されたヘアピン型共振部と、前記共振部を挟む入出力部とを備え、前記一主面上において、サファイア<1−101>方向と前記共振部長辺部がなす角ψが、0度≦ψ≦20度であることを特徴とする高周波部材。
- 前記接地導体、前記共振部、及び前記入出力部が超伝導体であることを特徴とする請求項1記載の高周波部材。
- 前記基板と前記超伝導体との間にバッファ層が設けられていることを特徴とする請求項2記載の高周波部材。
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