JP3794688B2

JP3794688B2 - 超伝導フィルタ

Info

Publication number: JP3794688B2
Application number: JP2002346912A
Authority: JP
Inventors: 浩之福家; 喜昭寺島; 史彦相賀; 六月山崎; 博幸加屋野; 龍典橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2022-11-29
Also published as: JP2004180203A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超伝導フィルタに関する。
【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において、高周波フィルタは、所望の周波数帯のみを取り出すための重要な構成要素である。周波数の有効利用、および省エネルギーのためには、このフィルタには、減衰特性に優れ、挿入損失が小さいことが要求される。このようなフィルタを構成するためにはＱ値の高い共振素子が必要となる。
【０００３】
近年、Ｑ値の高い共振素子を実現する一つの方法として、共振素子を構成する導体に、表面抵抗のきわめて小さい材料である、いわゆる高温超電導体を用いる方法が提案されている。
【０００４】
最近では、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板上に良好な特性を示す超伝導体を形成する技術が報告されてきている。サファイア基板は、ＬａＡｌＯ３やＭｇＯに比べて、誘電損失が１０^-7〜１０^-8ときわめて小さく、超伝導体本来の低損失性を損なわない上に、結晶性がよく誘電率の安定性もよい。また、力学的強度も強く堅牢で取り扱いやすい。さらに、熱伝導率もきわめて良好で、超伝導素子を極低温に冷却する場合にも温度分布が均一になりやすく、素子がより安定に動作するという利点もある。加えて、ＬａＡｌＯ３やＭｇＯなどより安価で素子のコストダウンが可能であり、工業的に有利である。
【０００５】
このように、サファイア基板は超伝導膜形成用基板としてきわめて優れた特性を持っている。しかし、サファイアは誘電率に異方性があるため、高周波フィルタの設計が困難になるという問題点がある。特にサファイアＲ面上にフィルタ素子（共振素子）を形成する場合、誘電率テンソルの非対角成分が常に寄与する。このため、フィルタ設計が非常に複雑になり、適切な共振素子の形状や配置の方向を求めることがたいへん困難であった。
【０００６】
サファイアＲ面上の超伝導フィルタとしては以下の例が知られている。
【０００７】
非特許文献１では、直線状の共振素子を８段配列したフィルタレイアウトが示されている。また、非特許文献２にはヘアピン状の共振素子を１０段配列したレイアウトが示されている。
【０００８】
いずれの例においても、共振素子の長手方向は、サファイアＲ面上で＜１−１０１＞方向と４５度をなす角度で配列されている。これらの例で４５度方向が採用されている理由は、Ｒ面上での誘電率の異方性が等方的に扱え、設計時の計算が比較的単純化できるためである。しかし、他の配列角度は検討されておらず、フィルタ特性が最適になる角度か否かは不明であった。
【０００９】
一方、非特許文献３には、共振素子をコンパクトに折りたたんだ８段のフィルタレイアウトが示されている。このように細かく折りたたんだ共振素子を用いれば、隣り合う共振素子を上下左右に配置可能となり、全体のレイアウトの自由度が増してよりコンパクトなフィルタを実現することができる。しかし、共振素子が複雑に曲折しているために設計がますます困難になるという問題がある。この文献では、共振素子が、サファイアＲ面上で何度の角度で配置されているかは明記されていないが、いずれの共振素子も同等の誘電率テンソルを感じ取るとの記述があり、共振素子の直線部分が＜１−１０１＞方向と４５度（または１３５度）の角度をなしていることが推察される。Ｒ面上での４５度方向は、前述のように、誘電率の異方性が等方的に扱え、設計時の計算が比較的単純化できるために採用されたと思われる。しかし、他の配列角度は検討されておらず、この方向でフィルタ特性が最適であるか否かは不明であり、Ｒ面上での適切な配置方向は見いだせていないという問題があった。
【００１０】
【非特許文献１】
Superconductor Science and Technology 第１２巻（１９９９年）第３９４頁
【００１１】
【非特許文献２】
ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｐｐｌｉｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ第１１巻（２００１年）第３６１頁
【非特許文献３】
２０００２ｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（２０００年）第１６８頁
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
超電導フィルタの基板として、サファイアＲ面基板を採用し、特性の優れたフィルタを作成する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施の形態は、サファイアＲ面基板と、前記基板上に設けられ、３回以上屈折した超電導共振素子とを備え、前記共振素子の直線方向及び前記基板のサファイア＜１−１０１＞方向がなす角度φが、０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度であることを特徴とする超伝導フィルタである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１は、サファイアＲ面を切り出した基板２０上に３回以上複雑に曲折した共振素子を配列して構成した超伝導フィルタの概略を説明するものである。
【００１６】
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２参照）。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。
【００１７】
サファイアＲ面を切り出した基板２０の一主面に接地導体２１を設け、他主面２０ａ上には共振素子２２群が配置されている。
【００１８】
共振素子２２は基板２０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２２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、共振素子２２の長さとは、パターニングされた導体の長さである。この共振素子２２の形状については後に詳述する。
【００１９】
この共振素子２２群の両端には、入出力部分２５、２６が形成され、さらに同軸線２３、２４が接続されている。同軸線２３から信号が供給され、同軸線２４から信号が出力される。入出力部分２５、２６と同軸線２３、２４との間で、同軸−マイクロストリップ変換が行われている。
【００２０】
なお、ここでは伝送線路が、マイクロストリップライン構造のフィルタを示したが、平面型伝送線路構造ならなんでもよく、例えばストリップライン構造やコプレーナ構造などにも適用可能である。
【００２１】
図３は、サファイアＲ面基板２０上で、共振素子２２の主たる直線方向がサファイア＜１−１０１＞方向となす角度が９０度になるように共振素子２２群を配置した例である。
【００２２】
本出願において、共振素子の主たる直線方向とは、共振素子を内包する最小の仮想的な矩形を考えたときに、その矩形の長辺方向である。例えば、図４のような共振素子２２の場合には、主たる直線方向は、点線で示した矩形を仮想的に考え、その長辺方向（図中一点鎖線により表示）である。
【００２３】
フィルタの作成方法を説明する。
【００２４】
縦横約５０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ約０．４３ｍｍで、主面がＲ面であるサファイア基板の両面に、厚さ約５００ｎｍのＹＢＣＯ超電導膜をスパッタリング法、レーザー蒸着法、ＣＶＤ法などにより成膜する。
【００２５】
なお、良質なＹＢＣＯ超伝導膜を得るために、基板と超伝導膜の間にはバッファ層を設けてもよい。バッファ層としては、ＣｅＯ₂あるいはＹＳＺ等がある。
【００２６】
リソグラフィー法を用いて、形成した超電導膜の片面を加工し、入出力部分２５、２６、共振素子２２群を形成し、マイクロストリップ構造の８段のバンドパスフィルタを作製できる。また、裏面は超電導膜のまま、グランド面とする。
【００２７】
各共振素子２２のライン幅は約２００μｍで全長は約３０ｍｍである。
【００２８】
このフィルタは中心周波数約１．９３ＧＨｚ、通過バンド幅約２０ＭＨｚのバンドパスフィルタになっている。
【００２９】
次に、このフィルタを、金メッキした銅製の台（図示せず）の上に固定し、入出力線に同軸線（図示せず）を接続する。
【００３０】
このようにして作成したフィルタを７０Ｋに冷却しマイクロ波通過特性を調べたところ、図５に示すような特性が得られた。ここで、横軸は測定周波数、縦軸は透過特性の相対値を表す。
【００３１】
中心周波数は１．９３ＧＨｚ、バンド幅は２０ＭＨｚで、挿入損失は０．１ｄＢで、リップルは０．１ｄＢ以下であった。また、通過帯域の端部から１ＭＨｚ離れた周波数で３０ｄＢ以上の減衰を示し、良好なスカート特性が得られた。このように、本実施例では、共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向と９０度をなすため、異常波が継続しにくく正常波が作る周波数特性に乱れは生じていない。異常波と正常波については後で詳述する。
【００３２】
この例では、共振素子を８個並べた８段のフィルタを例に挙げたが、他の段数のフィルタについても適用できることはいうまでもない。また、入出力部分と共振素子との結合は、両者が直接つながったいわゆるタップ励振と呼ばれる結合の方法をとっているが、この方法に限定されことはなく、両者が離れているギャップ励振などの方法でもよい。
【００３３】
上述のフィルタと同様にして、主たる直線方向を変化させて、図６に示すようなフィルタを作成し、透過特性の計測を行った。即ち、共振素子２２の主たる直線方向とサファイアＲ面上の＜１−１０１＞方向とのなす角度φを０度から９０度まで変化させた。
【００３４】
これらのフィルタを順次７０Ｋに冷却しマイクロ波通過特性を調べた。
【００３５】
φ＝０度の場合、通過特性は図５に示すのと同様な形状になった。この場合、中心周波数は１．９６ＧＨｚ、バンド幅は２０ＭＨｚ、挿入損失は０．１ｄＢであった。通過帯域の平坦性を表すリップル値は０．１ｄＢ以下であった。また、通過帯域の端部から１ＭＨｚ離れた周波数で４０ｄＢ以上の減衰を示し、良好なスカート特性が得られた。共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向と０度をなすため、異常波が継続しにくく、正常波が作る周波数特性に乱れは生じていない。
【００３６】
また、φ＝９０度の場合、通過特性は図５に示すような特性になった。中心周波数は１．９３ＧＨｚ、バンド幅は２０ＭＨｚである。
【００３７】
中心周波数がφ＝０度の場合に比べやや低くなっているが、これは共振素子が感じる平均の誘電率がφ＝０度の場合より大きくなっているためである。挿入損失は０．１ｄＢで、通過帯域の平坦性を表すリップル値は０．１ｄＢ以下であった。また、通過帯域の端部から１ＭＨｚ離れた周波数で４０ｄＢ以上の減衰を示し、良好なスカート特性が得られた。このように、この場合も、共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向と９０度をなすため、異常波が継続しにくく、正常波が作る周波数特性に乱れは生じていない。
【００３８】
比較のため、φ＝４５度の場合の通過特性を図７に示す。
【００３９】
中心周波数は１．９４５ＧＨｚ、バンド幅は２０ＭＨｚであった。挿入損失は０．１ｄＢ程度であるが、リップル値は２ｄＢ以上あり通過帯域には大きな凹凸が発生している。これは、共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向と４５度をなすため、発生した異常波が継続しやすく正常波が作る周波数特性に乱れが生じているためである。
【００４０】
共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向となす角度φをいろいろ変化させた場合において、角度φとフィルタ通過特性のリップルの深さとの関係をまとめたものが図８である。
【００４１】
角度が０度あるいは９０度の場合は、リップルはほとんどゼロである。
【００４２】
一方、φが４５度に近づくに従いリップルの量は大きくなり、４５度で最大になった。
【００４３】
このような４５度方向の配置の場合に、フィルタ特性が乱れる原因について説明する。
【００４４】
同軸線から伝送されてきた電磁波は、サファイア基板２０上の入出力部分でマイクロストリップラインの伝送モードに変換され、共振素子へ導かれる。このとき、誘電率に異方性のない通常の基板の場合は、正常波と呼ばれる通常の伝送モードのみが発生する。しかし、異方性のある基板の場合、異なった伝送モードも同時に発生する。これが異常波である。
【００４５】
この異常波がそのまま伝わると、ストリップライン内に異常な電流分布が発生し、正常波の伝送モードの電流分布等に影響がおよび、フィルタ特性は本来の周波数特性からはずれ、リップルが多くなるなど乱れた特性を示す。
【００４６】
４５度配置の場合は、共振素子の個々の直線部分はすべて４５度（または１３５度方向ともいう）を向いている。従って、誘電率は等方的になり、進行する異常波は、共振素子の折れ曲がりの部分において誘電率の変化を感じることなく、そのまま伝搬する。
【００４７】
その結果、共振素子全体を伝搬してしまい、共振素子全体に異常な電流分布が発生し、正常波の伝送モードの電流分布に影響がおよび、フィルタ特性は本来の周波数特性からはずれ、リップルが多くなるなど乱れた特性を示すことになる。
【００４８】
一方、４５度からずれた配置の場合、共振素子の折れ曲がりの前後で誘電率が変化する。これは、折れ曲がり部分の前後で、インピーダンスの不整合が発生することを意味する。誘電率の異方性の影響を受けやすいのは異常波のみであり、正常波は異方性の影響を受けにくいことが知られている。このため、正常波は共振素子を問題なく伝搬するが、異常波は誘電率の変化に基づくインピーダンス不整合によって共振素子を伝搬しにくくなり、異常波に伴う異常な電流分布も発生しにくくなる。その結果、正常波は影響を受けにくくなり、フィルタ本来の周波数特性を示すことができることとなる。
【００４９】
折れ曲がりの前後で誘電率の変化が最も大きくなるのは、０度または９０度の配置の場合であって、これらの場合が異常波の影響を最も抑制しやすくフィルタ本来の周波数特性を得やすい。しかし、途中の角度であっても誘電率の変化はあるので、異常波の抑制は可能である。
【００５０】
リップルの許容範囲は、そのフィルタを適用するシステムの仕様にも依存するが、おおむね０度から３０度、及び６０度から９０度の範囲で実現されるリップルの値がリップルの許容範囲である。
【００５１】
ある角度におけるリップルの量は、フィルタの段数にも影響され、段数が多いほどリップルは大きくなる。従って、スカート特性を急峻にするために段数を多くする場合には、共振素子の主たる直線方向が＜１−１０１＞方向となす角度φを極力０度または９０度に近づける方がよい。
【００５２】
一般に、共振素子の電流分布がより大きい直線、即ち、共振素子の中央に近い方の直線部分の方向が＜１−１０１＞方向となす角度φが、０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度であることが好ましい。また、共振素子内で、電流分布もほぼ同一である場合は、共振素子のいずれの直線部分も＜１−１０１＞方向となす角度φが、０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度となるようにするのが良い。
【００５３】
共振素子の形状は、図３、図４に例示したもの他、図９〜図１３のようなものも可能である。
【００５４】
共振素子は、折れ曲がり部分が直角になっているものの他、曲げの角度は９０度である必要はなく、例えば図１２のように９０度以外の角度で曲げてもよい。さらに曲げの部分は直線と直線の組み合わせで曲げる（屈折する）必要はなく、例えば図１１のように曲線で曲げても（屈曲という）よい。
【００５５】
以上の説明では、共振素子を内包する矩形を仮想できる場合を説明してきたが、共振素子を内包する矩形が正方形である場合には、正方形の４辺が０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度である必要がある。
【００５６】
上述の共振素子の形状は、比較的対称性の高い形状になっているが、必ずしもそうする必要はなく、例えば図１３のような対称性の低い形状でもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明によれば、３回以上複雑に屈折または屈曲した共振素子を、サファイアＲ面上に、共振素子の主たる直線方向が、サファイア＜１−１０１＞方向となす角度φが、０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度となるように配置することで、誘電率に異方性があるサファイアＲ面上においても、通過特性に乱れが生じないような超伝導フィルタを提供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面基板上のフィルタレイアウトを説明する図
【図２】サファイアの結晶構造を説明する図
【図３】φ＝９０度配置を示すレイアウト図
【図４】共振素子の直線方向を説明する図
【図５】φ＝９０度配置におけるフィルタの周波数特性
【図６】共振素子の配置を説明する図
【図７】φ＝０度配置におけるフィルタの周波数特性
【図８】共振素子の配置角度とリップルの深さの関係を表す図
【図９】共振素子形状を示す図
【図１０】共振素子形状を示す図
【図１１】共振素子形状を示す図
【図１２】共振素子形状を示す図
【図１３】共振素子形状を示す図
【符号の説明】
２０基板
２１接地導体
２２共振素子
２３、２４同軸線
２５、２６入出力部

Claims

サファイアＲ面基板と、
前記基板上に設けられ、３回以上屈折した超電導共振素子とを備え、
前記共振素子の主たる直線方向及び前記基板のサファイア＜１−１０１＞方向がなす角度φが、０度≦φ≦３０度または６０度≦φ≦９０度であることを特徴とする超伝導フィルタ。