JP3820444B2

JP3820444B2 - トンネル接合素子を用いた同調回路および超伝導集積回路

Info

Publication number: JP3820444B2
Application number: JP2002017223A
Authority: JP
Inventors: 佳徳鵜澤; 鎮王
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2003218415A; US7067839B2; US20030144152A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトンネル接合素子を用いた同調回路およびその超伝導集積回路に関するものである。電波望遠鏡等においてサブミリ波帯域で，周波数帯域が広い同調回路が求められている。本発明は，広い周波数帯域で反射係数の小さい周波数特性をもつトンネル接合を用いた同調回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，超伝導を利用した同調回路は，信号源に通過する信号の１／４波長の長さのマイクロストリップ線路を接続してインピーダンス整合し，その先に半波長または１波長のＳＩＳ接合素子を接続した回路が知られている。
【０００３】
図６はＳＩＳ接合素子を使用した従来の同調回路の例を示す。図６において，１は信号入力部であって，信号源である。２は四分の一波長マイクロストリップ線路であり，入力信号の１／４波長の長さのマイクロストリップ線路である。１０は一波長ＳＩＳ接合素子であり，超伝導体の電極をもつトンネル接合素子である。１１は接地である。Ｚ₀は信号入力部の内部インピーダンスである。
【０００４】
図７（ａ）は図６の構成の信号入力部を含む平面図であり，図７（ｂ）は断面図である。図７（ａ）において，アンテナ１とアンテナ２により信号入力部を構成する。２は四分の一波長マイクロストリップ線路であり，１０は一波長ＳＩＳ接合素子である。
【０００５】
図７（ｂ）において，４０は基板である。４１はＳＩＳ接合素子の上部電極，５１はマイクロストリップ線路（上部線路），７１はアンテナ１，７２はアンテナ２であって，アンテナ１はマイクロストリップ線路５１と一体であり，アンテナ２は下部電極４３と一体である。アンテナ１およびアンテナ２は超伝導体（ニオブ（Ｎｂ））で構成される。４２はＳＩＳ接合素子のトンネル接合であり，ＡｌＯｘの薄い絶縁層である。４３は下部電極であって，超伝導体（Ｎｂ）で構成され，マイクロストリップ線路，ＳＩＳ接合素子に共通の下部電極である。下部電極４３は接地電極になるものである。
【０００６】
図７（ｂ）において，ＳＩＳ接合素子の幅は，０．６μｍであり，長さは８．６８μｍ（１波長）である。マイクロストリップ線路の幅は３．５μｍであり，長さは４４．２μｍ（四分の一波長）である。
【０００７】
図８（ａ），（ｂ）は図７（ａ），（ｂ）の同調回路の特性を示す。図８（ａ）はスミスチャートであり，入力信号の周波数を変化させた時の軌跡を示す。図８（ｂ）は周波数とパワーに対する反射率の関係を示す。図８（ｂ）の反射率の−１０ｄＢが図８（ａ）の反射係数０．３の円に相当する。信号入力部の内部インピーダンスＺ₀は４０Ωとした。
【０００８】
反射係数で−１０ｄＢ以下の反射係数の同調回路が必要とされる。図８（ｂ）に示されるように，−１０ｄＢ以下の周波数帯域は約６５０ＧＨｚから６７５ＧＨｚである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す従来のものは，ＳＩＳ接合素子のＱファクタでのみ帯域幅がきまり，Ｑの高いものほど帯域は狭かった。また，一般に，ＳＩＳ接合素子は流す電流密度が大きければＱが小さくなり，電流密度が小さければＱは大きくなる。電流密度を大きくしてＱを低くすれば，広帯域化できるが，ＳＩＳ接合素子の電流密度を大きくとることは困難なことである。そのため，従来のＳＩＳ接合素子を使用した同調回路は周波数帯域を広帯域化することが難しかった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は，半波長のＳＩＳ接合素子を半波長のマイクロストリップ線路に接続し，この接続の組合せを多段接続にする。開放端における半波長ＳＩＳ接合素子を負荷とみなし，これに，高インピーダンス部をマイクロストリップ線路で構成し，低インピーダンス部をＳＩＳ接合素子で構成した半波長分布定数バンドパスフィルタ回路を付加した構成とした。そして，信号入力部（信号源）には，四分の一波長マイクロストリップ線路を介してインピーダンス整合するように接続した。
【００１１】
バンドパスフィルタの特性インピーダンスを変化させることにより負荷への通過帯域特性を制御すると同時にバンドパスフィルタを構成しているＳＩＳ接合素子でも電力を消費させるようにした。そのため，広帯域に渡りインピーダンス軌跡をコントロールすることができ，スミスチャートの中心部付近で所望の反射係数を持たせることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の実施の形態１を示し，ｍ個の半波長トンネル接合素子とｍ−１個の半波長マイクロストリップ線路および一個の四分の一波長マイクロストリップ線路が接続されている場合を示す。四分の一波長マイクロストリップ線路２は信号入力部１に接続され信号源と後段の回路の入力インピーダンスとの整合をとる。図１（ｂ）は，図１（ａ）の構成を超伝導集積回路とした場合の断面図を示し，ｍ＝２の場合である。
【００１３】
図１（ａ）において，１は信号入力部であって，信号源であり，図７（ａ），（ｂ）のアンテナ１とアンテナ２に対応する部分である。２は四分の一波長マイクロストリップ線路である。信号入力部の内部インピーダンスと入力側のトンネル接合素子から出力側をみた入力インピーダンスが異なるので，インピーダンス整合をとるものである。３，５，７および９は半波長トンネル接合素子である。４，６および８は半波長マイクロストリップ線路である。１１は接地である。１２は半波長トンネル接合素子の開放端である。なお，マイクロストリップ線路とＳＩＳ接合素子では通過する信号の位相速度が異なるため，両者の半波長の長さは異なる。
【００１４】
図１（ｂ）において，３，７はそれぞれ半波長トンネル接合素子を示す。２は四分の一波長マイクロストリップ線路であり，４は半波長マイクロストリップ線路である。４０は基板である。４２，４２’はトンネル接合，５２，５２’，５２”は絶縁層である。
【００１５】
図１（ａ），（ｂ）の構成をミキサとして使用する場合には，図１（ｂ）に示すように，信号入力部に，例えば，ローカル周波数として７００ＧＨｚのサブミリ波を照射してアンテナ（図７（ａ），（ｂ）参照）で受信し，信号として７０１ＧＨｚのサブミリ波を照射してアンテナで受信する。半波長トンネル接合素子７の開放端よりミキサされた信号（１ＧＨｚ）を取り出す。
【００１６】
図２はトンネル接合素子の構造を示し，ＳＩＳ接合素子である。図１の半波長トンネル接合素子３，５，７，９として使用されるものである。図２において，４１は上部電極であり，４３は下部電極である。上部電極４１と下部電極４３は，超伝導体であり，例えばＮｂで作られる。４２はトンネル接合であり，例えばＡｌＯｘで作られる。Ｗ_Jは上部電極の幅である。ｄ_nは長さである。ｄ_SUは上部電極の厚さである。ｄ_SLは下部電極の厚さである。Ｓはトンネル接合の厚さである。
【００１７】
図３は，マイクロストリップ線路の構成を示し，図１の四分の一波長マイクロストリップ線路２および半波長マイクロストリップ線路４，６，８として使用されるものである。図３において，５１はマイクロストリップ線路であって，超伝導体であり，例えばＮｂである。５２は絶縁層であって，例えばＳｉＯである。４３はマイクロストリップ線路の下部電極であって，接地導体となるものである。下部電極４３は超伝導体であり，例えばＮｂである。下部電極４３は図２のＳＩＳ接合素子の下部電極４３と共通である。ｗはマイクロストリップ線路の幅であり，ｄ_nは長さである。ｔ₁はマイクロストリップ線路の厚さ，ｈは絶縁層の厚さであり，ｔ₂は下部電極（接地電極）の厚さである。
【００１８】
次に図１の構成の動作を解析する。以下において，トンネル接合素子はＳＩＳ素子であるとして説明する。
【００１９】
開放端１２からｎ番目の素子（ｎが奇数の素子はＳＩＳ接合素子，ｎが偶数の素子はマイクロストリップ線路）の特性インピーダンス，伝搬定数，長さをそれぞれＺ_n，γ_n，ｄ_nとする。開放端から１番目のＳＩＳ接合素子（図１の半波長トンネル接合素子９）の入力インピーダンスは，
【００２０】
【数１】

【００２１】
である。
【００２２】
開放端のＳＩＳ接合素子に接続される半波長マイクロストリップ線路の入力インピーダンスは，
【００２３】
【数２】

【００２４】
開放端からｎ番目の素子の入力インピーダンスは，
【００２５】
【数３】

【００２６】
Ｎ番目（Ｎは偶数）に四分の一波長マイクロストリップ線路がくるものとし，出力側をみた入力インピーダンスは同様に
【００２７】
【数４】

【００２８】
このとき信号源の内部インピーダンスをＺ₀とすると入力端における反射係数は，次のようになる。
【００２９】
【数５】

【００３０】
次に，ＳＩＳ接合素子の特性インピーダンス，伝搬定数（ｎが奇数時のＺ_n，γ_n）を求める。図３のようなトンネル接合伝送路を考えたとき，その単位長さあたりのインピーダンスとアドミッタンスは以下の式で与えられる。
【００３１】
【数６】

【００３２】
【数７】

【００３３】
ここで，Ｒ_rfは単位面積当たりのトンネル接合抵抗（＝Ｉ_CＲ_N／Ｊ_C），Ｃ_Sは単位面積当たりのトンネル接合容量，σは電極に用いられている超伝導体の複素導電率である。η₀は自由空間インピーダンスであって３７７オームである。これから，ＳＩＳ接合素子のＺ_n，γ_n（ｎは奇数）は次のようになる。
【００３４】
【数８】

【００３５】
【数９】

【００３６】
超伝導マイクロストリップ線路の特性インピーダンスと伝搬定数（ｎが偶数時のＺ_n，γ_n）に関しては次の式を用いた。
【００３７】
【数１０】

【００３８】
【数１１】

【００３９】
但しＺ_p，ε_pは完全導体での特性インピーダンス，実効誘電率である。ｋ₀は自由空間での波数である。図３に示すマイクロストリップ線路の形状定数ｇ₂は
【００４０】
【数１２】

【００４１】
である。
【００４２】
但し
【００４３】
【数１３】

【００４４】
であり，ｅは自然対数の底である。
【００４５】
Ｚ_s1，Ｚ_s2は超伝導体の複素導電率から求めた表面インピーダンスである。
【００４６】
図４（ａ），（ｂ）は本発明の実施の形態２を示す。図１の実施の形態１において，Ｎ＝４（図１の説明におけるｍがｍ＝２）の場合を示す。図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。図４（ａ）において，１は信号入力部である。２は四分の一波長マイクロストリップ線路である。１３は半波長ＳＩＳ接合素子である。４は半波長マイクロストリップ線路である。１５は半波長ＳＩＳ接合素子である。
【００４７】
図４（ｂ）において，４０は基板である。４１は半波長ＳＩＳ接合素子１３の上部電極であり，超伝導体であって例えばＮｂである。４２は半波長ＳＩＳ接合素子１３のトンネル接合であって，絶縁層であり，例えばＡｌＯｘである。４３は下部電極である。
【００４８】
４１’は半波長ＳＩＳ接合素子１５の上部電極であり，超伝導体であって例えばＮｂである。４２’は半波長ＳＩＳ接合素子１５のトンネル接合であって，絶縁層であり，例えばＡｌＯｘである。４３’は下部電極である。
【００４９】
５１はマイクロストリップ線路であって，四分の一波長マイクロストリップ線路２の上部線路である。５１’は，マイクロストリップ線路であって，半波長マイクロストリップ線路４の上部線路である。マイクロストリップ線路５１，５１’は超伝導体であり，例えば，Ｎｂである。５２，５２’，５２”は絶縁層であって，例えばＳｉＯである。７１はアンテナ１の部分である。７２はアンテナ２の部分である。
【００５０】
マイクロストリップ線路５１，５１’，ＳＩＳ接合素子の上部電極４１，４１’は超伝導体により一体に構成される。例えばＮｂにより作られる。アンテナ１は超伝導体によりマイクロストリップ線路５１と一体に構成される。また，マイクロストリップ線路５１，５１’の下部電極およびＳＩＳ接合素子の下部電極４３，４３’はそれぞれ共通の接地電極であって，超伝導体により一体に構成される。例えばＮｂである。またアンテナ２は下部電極４３’と一体に構成され，超伝導体である。
【００５１】
図４（ａ），（ｂ）の半波長ＳＩＳ接合素子１３の幅は１．２μｍ，長さは４．３４μｍ（半波長）である。半波長ＳＩＳ接合素子１５の幅は１．２μｍであり，長さは４．３４μｍ（半波長）である。半波長マイクロストリップ線路４の幅は１．８μｍであり，長さは９２．９μｍ（半波長）である。四分の一波長マイクロストリップ線路２の幅は５．５μｍ，長さは４２．９μｍである。
【００５２】
図５（ａ），（ｂ）は，前述の計算式に従って求めた図４の構成の特性を示す。計算に使用したＳＩＳ接合素子，超伝導材料（Ｎｂ）の定数は次のとおりである。
【００５３】
ギャップ周波数（Ｎｂのエネルギーバンドギャップに対応する周波数）は７００ＧＨｚ，超伝導が壊れる最低温度における導電率は１．２×１０⁷Ω^-1ｍ^-1，上部電極の厚さ５００ｎｍ，下部電極の厚さ２００ｎｍ，トンネル接合の厚さ１ｎｍ，電流密度はＪ_C＝５ｋＡ／ｃｍ²（超伝導を維持する最大電流密度），Ｉ_CＲ_N＝１．９ｍＶ，特性容量１００ｆＦ／μｍ²である。
反射係数Γを許容出来る範囲（−１０ｄＢ）以下になるようにＺ_n，γ_n，ｄ_nを選択した。
【００５４】
図５（ａ）はスミスチャートであり，８１は周波数を変化させた時の軌跡を示す。図５（ｂ）は反射率の入力信号周波数に対する関係を示す。−１０ｄＢ以下の反射率を示す周波数帯域は，約６００ＧＨｚから７７５ＧＨｚであり，前述の従来のものより大幅に広くなることが示されている。また，スミスチャートの中心部付近に軌跡が集まり所望の反射係数（−１０ｄＢ以下）の特性を得ることが容易になる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明は，上記のように，超伝導体のマイクロストリップ線路とＳＩＳ接合素子を多段接続することにより，一つずつのＳＩＳ素子に流れる電流密度が小さくても反射係数の小さい周波数帯域を広くすることができる。このように，本発明によれば，反射係数は小さいがＱの高い同調回路を作成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図２】ＳＩＳ接合素子を示す図である。
【図３】マイクロストリップ線路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２の特性の例を示す図である。
【図６】トンネル接合を使用した従来の同調回路を示す図である。
【図７】トンネル接合を使用した従来の同調回路を示す図である。
【図８】トンネル接合を使用した従来の同調回路の特性を示す図である。
【符号の説明】
１：信号入力部
２：四分の一波長マイクロストリップ線路
３：半波長トンネル接合素子
４：半波長マイクロストリップ線路
５：半波長トンネル接合素子
６：半波長マイクロストリップ線路
７：半波長トンネル接合素子
８：半波長マイクロストリップ線路
９：半波長トンネル接合素子

Claims

上部線路と下部電極により構成されるマイクロストリップ線路および上部電極とトンネル接合と下部電極により構成されるトンネル接合素子を備え，それぞれの下部電極を共通接続するとともに，マイクロストリップ線路とトンネル接合素子の上部電極を接続したマイクロストリップ線路とトンネル接合素子との接続を多段接続し，最上位のマイクロストリップ線路を信号源に対するインピーダンス整合素子とし，該最上位のマイクロストリップ線路に信号入力することを特徴とするトンネル接合素子を用いた同調回路。
該最上位のマイクロストリップ線路の長さは四分の一波長であり，最上位のマイクロストリップ線路より下位のマイクロストリップ線路およびトンネル接合素子の長さは半波長であることを特徴とする請求項１に記載のトンネル接合素子を用いた同調回路。
超伝導体の上部線路と下部電極により構成される超伝導体のマイクロストリップ線路，および超伝導体の上部電極とトンネル接合と超伝導体の下部電極により構成されるトンネル接合素子を備え，それぞれの下部電極を共通接続し，該マイクロストリップ線路とトンネル接合素子の上部電極を接続したマイクロストリップ線路とトンネル接合素子の接続を多段接続し，最上位のマイクロストリップ線路は信号源に対するインピーダンス整合素子とし，該最上位のマイクロストリップ線路に信号入力することを特徴とする超伝導集積回路。
該最上位のマイクロストリップ線路の長さは四分の一波長であり，該四分の一波長マイクロストリップ線路より下段のマイクロストリップ線路およびトンネル接合素子の長さは半波長であることを特徴とする請求項３に記載の超伝導集積回路。