JP4504932B2 - 超伝導フィルタデバイスおよびフィルタ特性調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信基地局のＲＦフロントエンドに適用される受信用超伝導フィルタデバイスと、フィルタ特性の調整方法に関する。

携帯電話の普及に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠となってきている。移動通信用の基地局では、鉄塔の塔頂部付近に設置されるアンテナのすぐ近傍にフィルタ受信装置を取り付けることで、引き回しのケーブルによるロスなどを小さくして、品質のよい通信を行なえるようにしている。アンテナの直近ということで、フィルタ装置の小型化が重要になってくる。フィルタ自体が大きなものになると、装置の運搬、設置が困難になるからである。

超伝導体は、高周波領域においても、通常の電気的良導体に比べて表面抵抗が非常に小さいため、マイクロストリップライン型のフィルタにとっては、有望な配線材料である。

図１（ａ）は、マイクロストリップライン型フィルタとして、ヘアピン型の超伝導受信フィルタのパターン例を示す。誘電体基板１０６上で、信号入出力線１０３の間に超伝導体膜で形成される複数のヘアピン型共振器１０１ａ〜１０１ｇを配置し、隣接する共振を結合させてフィルタ特性を得る。誘電体基板１０６の裏側にも、グランド電極（不図示）として全面に超伝導膜が形成されている。

常温で使用する一般的な半同軸フィルタや誘電体フィルタでは、共振器数（段数）が多いほど、信号通過帯域とそれ以外の領域を分ける周波数遮断特性が急峻になるが、フィルタ自体も大きくなる。また、マイクロストリップライン型の共振器の配線材料に、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）のような電気的良導体を使用しても、電気抵抗が信号の通過を妨げ、ロスになってしまう。これに対し、超伝導フィルタを用いると、多段にしても伝送ロスが小さく、小型のフィルタが可能になる。

今後、音声や画像など大容量の信号の送受信が増大することが予想され、周波数資源の不足に対処すべく相互干渉の抑制のためにチャネル間に設定されるガードバンドや、広帯域での通信を、超伝導フィルタを用いることで改善できる可能性が広がる。

実際に使用する際には、図１（ｂ）に示すように、共振器パターン１０１を形成した誘電体基板１０６を、高周波シールドできる金属パッケージ１３０に収め、接続電極１０５と電気接続される同軸コネクタ１３１を介して、信号の入出力を行う。

受信用の超伝導フィルタでは、図１のように、ヘアピン型の共振器１０１を複数並べてフィルタとして使用することが多い。このとき、誘電体基板１０６の厚さや材料特性のばらつき、や、共振器１０１のパターニング寸法のずれなどにより、各々の共振器の共振周波数が所定の値からずれてしまい、理想的なフィルタ特性が得られない場合がある。

また、フィルタを小型化するために、誘電体基板１０６の誘電率を大きくすると、所定の配線インピーダンスを実現するには、さらに配線パターンがファインになり、基板厚さやパターニング寸法のずれが特性に大きく影響してくる。

特性のずれを調整するために、図１（ｂ）に示すように、誘電体や導体の特性調整ロッド１０２を金属パッケージ１３０の天板（不図示）から共振器１０１に近づけ、共振器１０１との間の距離によって、ずれた共振周波数の調整を行っていた（たとえば、特許文献１および非特許文献１参照）。
特開２００２−５７５０６号公報 「誘電体ロッドトリミングによる超伝導フィルタの特性改善」、三上宏他、信学技報ＳＣＥ２００３−６、ＭＷ２００３−６（２００３−４）、ｐ２９〜３５

しかし、図１（ｂ）のように、共振器１０１の上方から垂直方向に調整ロッド１０２を近づけて調整する場合、共振周波数のシフト量の範囲が限定されることや、共振器フィルタの平面回路を破損してしまうおそれがあった。

そこで、作製済みの共振器パターンを破損することなく、かつ比較的広範囲で安定して共振周波数のずれ量を調整することができる超伝導フィルタデバイスと、フィルタ特性の調整方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、パッケージの側面から誘電体または導体の特性調整ロッドを挿入し、マイクロストリップ型の共振器パターンの上方の一定の高さ位置で、特性調整ロッドを共振器に対して並行移動させる。共振器と特性調整ロッドとの重なる量によって、共振周波数を調整する。

具体的には、第１の側面では、超伝導フィルタデバイスは、
（ａ）誘電体基板上に超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器と、
（ｂ）前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して設けられ、前記マイクロストリップ型共振器から一定の高さの位置で、前記マイクロストリップ型共振器に対して並行移動可能な特性調整部材と
を含む。

良好な構成例では、特性調整部材は、マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って移動可能である。

一構成例として、特性調整部材は、マイクロストリップ型共振器の各々に対して１つ設けられ、当該マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って、並行移動可能に挿入される。

あるいは、特性調整部材は、マイクロストリップ型共振器の各々に対して２つ設けられ、当該マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って、双方向から並行移動可能に挿入される。

第２の側面では、超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器を有する超伝導フィルタデバイスの調整方法を提供する。この方法は、
（ａ）前記複数のマイクロストリップ型共振器の各々に対し、誘電体または導体で形成される特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器から一定の高さの位置に配置し、
（ｂ）前記特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器と並行に水平移動して、各マイクロストリップ型共振器の共振周波数を調整する
ことを特徴とする。

簡単な構成で、超伝導フィルタを構成する共振器の特性を正確に微調整することができる。

以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。

図２は、本発明の原理を説明する図である。図２（ａ）は金属パッケージを省略した状態での斜視図、図２（ｂ）は金属パッケージに収納した状態での垂直断面図である。誘電体基板１６上に、超伝導材料で複数のヘアピン型の共振器パターン１１と、信号入出力線１３が形成されている。信号入出力線１３は、接続電極１５により金属パッケージ３０の同軸コネクタ３１に接続されている。誘電体基板１６の裏面には、超伝導材料で全面にグランド膜１８が形成されている。

共振器１１の上方、一定の高さで、特性調整部材１２がパッケージ３０の側面から共振器１１と並行に挿入されている。図２（ｂ）の例では、特性調整部材１２はネジ式のロッドである。特性調整部材１２は誘電体または導体であり、各共振器１１につき、それぞれ対応する特性調整部材１２が用いられる。特性調整部材１２は、隣接する共振器１１と共振器１１の間に配置されるのではなく、対応する共振器１１の上方に、一定の高さで位置し、図２（ａ）の双方向矢印で示すように、水平方向の移動量、すなわち共振器１１と重なり合う量が調整される。

図３は、特性調整ロッド１２を共振器１１と並行に挿入し、重なり合う量を変化させる本実施例の方法（図２）での共振周波数の変化と、垂直方向から特性調整ロッド１０２を挿入して共振器１０１とロッド先端との間の距離を変化させる従来方法（図１）を比較する実施例を説明する図である。

サンプルとして、両面にＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）膜を形成した直径２インチのＬａＡｌＯ₃基板１６の片面に、図３（ａ）の共振器１１のヘアピンパターンと、信号入出力線１３のパターンを、フォトリソグラフィの手法を用いて形成する。ヘアピン型共振器１１の幅Ａは、約０．７ｍｍ、マイクロストリップライン幅は、０．１７ｍｍである。この共振器１１は、４ＧＨｚ近辺に共振周波数を持っている。

これを、共振器フィルタデバイスの大きさである約３３×１１ｍｍにダイシングし、信号入出力線１３の端部に接続電極１５を形成する。接続電極はＡｕ／Ｐｄ／Ｃｒの構成で、蒸着法を用いて形成する。裏面はＹＢＣＯ膜をそのままグランド電極として用いるか、またはＡｇ膜を蒸着する。

このサンプルを図３（ｂ）に示すように、金属パッケージ３０に入れ、接続電極１５と同軸コネクタ３１の中心導体（不図示）を接続する。この際の接合方法は、超音波熱圧着によるワイヤボンディング・テープボンディング、はんだ接合のいずれを用いてもよい。もよい。

比較例を実施するために、図４に示すように、共振器１１の上部からアルミナネジ１９を挿入できる構造の金属パッケージの蓋を被せて、従来構成の超伝導フィルタデバイス４０とする。このとき、アルミナネジ１９の初期位置を計測しておき、アルミナネジの回転数とネジ山のピッチから、アルミナネジ１９から共振器１１までの距離を割り出す。

この超伝導フィルタデバイス４０を、図５に示すように、冷却装置の断熱真空容器５０内のコールドプレート５１上にセットし、１０Ｐａ〜３Ｐａまで真空引きした後、７０Ｋまで冷却する。冷却は、冷凍機膨張部５５と冷凍機圧縮部５６を組み合わせて行なう。このときの温度は、低温になればなるほど超伝導特性の向上が見込めるため、実際のデバイスでは、より低温で使用することが望ましいが、この比較実験では、冷却温度を７０Ｋに設定する。冷凍機５５，５６は、サンプルの冷却が得られればよいので、その種類（パルスチューブ、スターリング、ＧＭなど）は問わない。

超伝導フィルタデバイス４０の同軸コネクタ３１と、断熱真空容器５０のハーメチック同軸コネクタ５８との間を、同軸ケーブル５４で接続し、断熱真空容器５０外部と信号の入出力を行う。ハーメチック同軸コネクタ５８からさらに同軸ケーブル５４で、ネットワークアナライザ５７と接続し、共振器１１（図４参照）の共振周波数の変化を測定する。

すなわち、断熱真空容器５０のポートに、真空で回転させることが可能なドライバ５３とのぞき窓５２が設けてあり、この窓５２からアルミナネジ１９の位置を確認しながらドライバ５３で回転させ、共振器１１とアルミナネジ１９との距離を変えて、共振周波数の変化を調べる。

同様にして、本発明の水平調整の手法を用いた場合の共振周波数の変化を、電磁界シミュレータを用いて調べる。

図６は、本発明の実施例のシミュレーションモデルとして作製する共振器モデルの概念図である。図３（ａ）で作製したＬａＡｌＯ₃基板１６上のヘアピン型共振器１１の開口側から、特性調整部材１２として、アルミナ（誘電体）ロッド１２を、共振器１１の表面から０．１ｍｍの高に保持し、共振器１１と並行にヘアピンの長手方向に沿って、水平移動する。ここで、長手方向とは、図６の双方向矢印で示されるように、共振器パターン１１の縦の長さ方向に沿った方向をいう。アルミナロッド１２の幅は、ヘアピン型共振器の幅に合わせて、０．７ｍｍとしている。アルミナロッド１２を両方向矢印のように水平に動かして共振器１１と重なり合う量（長さ）を変え、電磁界シミュレーションを行って、共振周波数の変化を調べる。

図７（ａ）は、図６のように、アルミナロッド１２を共振器１１の直上で水平移動した場合の共振周波数の電磁界シミュレーション結果を示すグラフ、図７（ｂ）は、図４のように、アルミナネジ１９を垂直方向に共振器１１に近づけた場合の共振周波数の変化を示すグラフである。

図７（ａ）では、横軸にアルミナロッド１２が共振器１１と重なる距離（ｍｍ）、縦軸に共振周波数をとっている。共振周波数の変化量は約６０ＭＨｚと広範囲にわたり、調整範囲が広い。また、共振周波数の変化の傾きが比較的なだらかなので、アルミナロッド１２の水平方向への挿入量を変えることで、共振周波数の微調整が容易である。さらに、アルミナロッド１２の重なり量が３．０ｍｍくらいまでは、共振周波数はほぼリニアに変化するので、所望の共振周波数を得るためのロッド位置調整が容易である。

図７（ｂ）では、横軸に共振器１１との間の垂直距離（ｍｍ）をとり、縦軸に、共振周波数をとっている。アルミナネジ１９の尖端を、共振器１１から０．２ｍｍくらいに近づけるまで、共振器の特性に影響はない。共振器１１の上０．２ｍｍからさらに近づけると、共振周波数は変化するが、その変化の傾きが急なため、微調整が困難である。また、共振周波数の変化量は、約２０ＭＨｚ程度であり、調整範囲が狭い。

このように、本実施形態の方法では、個々の共振器１１に対して、共振器１１上で特性調整部材１２を水平に移動させることにより、正確かつ容易に共振周波数を微調整することが可能になる。また、共振器１１に接触して傷付けるおそれもない。この結果、デバイス全体として共振周波数が統一された信頼性の高い超伝導フィルタデバイスが実現する。

図８は、図２（ａ）の超伝導フィルタデバイス１０の変形例を示す図である。図２（ａ）の構成では、各共振器１１に１つの特性調整部材１２が設けられ、それぞれヘアピンの開口側から特性調整部材１２を挿入していた。図８の構成では、共振器１１ごとに２つの特性調整部材１２を設け、ヘアピンの開口側とＵ字側の双方から特性調整部材１２を挿入する。この構成では、各特性調整部材１２の移動量を小さくできるという効果がある。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、本発明が適用される共振器パターンの別の例を示す。本発明は、ヘアピン型のマイクロストリップパターンだけではなく、図９（ａ）のようなスパイラル型共振器２１や、図９（ｂ）のようなＳ字型共振器３１にも適用される。図９の例では、各共振器２１、３１につき、１つの特性調整部材１２が用いられているが、図８に示すように、各共振器２１、３１につき、双方向から特性調整部材１２を挿入して重なり量を調整する構成としてもよい。

なお、特性調整部材１２は、アルミナなどの誘電体に限らず、金属などの導体であってもよい。また、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5<ｐ<2.5、2.5<ｑ<3.5、3.5<ｒ<4.5）を超伝導材料に用いてもよい。

最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１） 誘電体基板上に超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器と、
前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して設けられ、前記マイクロストリップ型共振器から一定の高さの位置で、前記マイクロストリップ型共振器に対して並行移動可能な特性調整部材と
を含む超伝導フィルタデバイス。
（付記２） 前記特性調整部材は、前記マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って移動可能であることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記３） 前記特性調整部材は、前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して１つ設けられ、
当該マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って、並行移動可能に挿入されることを特徴とする請求項付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記４） 前記特性調整部材は、前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して２つ設けられ、
当該マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って、双方向から並行移動可能に挿入されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記５） 前記マイクロストリップ型共振器はヘアピン型共振器であり、
前記特性調整部材は、前記ヘアピン型共振器の開口側から、長手方向に沿って移動可能に挿入されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記６） 前記特性調整部材は、誘電体または導体のロッドであることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記７） 前記マイクロストリップ型共振器が形成された誘電体基板を収納する金属パッケージをさらに備え、
前記特性調整部材は、前記金属パッケージの側面から、ネジ式またはトリマ式で前記マイクロストリップ型共振器と並行になるように、パッケージ内に挿入されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記８） 超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器を有する超伝導フィルタデバイスの調整方法であって、
前記複数のマイクロストリップ型共振器の各々に対し、誘電体または導体で形成される特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器から一定の高さの位置に配置し、
前記特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器と並行に水平移動して、各マイクロストリップ型共振器の共振周波数を調整する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの調整方法。
（付記９） 前記特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して１つ設け、
当該特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って並行移動することによって、前記マイクロストリップ型共振器の共振周波数を調整する
ことを特徴とする付記８に記載の超伝導フィルタデバイスの調整方法。
（付記１０） 前記特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して２つ設け、
当該特性調整部材を、前記マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿って、双方向から並行移動することによって、前記マイクロストリップ型共振器の周波数を調整する
ことを特徴とする付記８に記載の超伝導フィルタデバイスの調整方法。

従来のヘアピン型超伝導フィルタパターン（共振器）の調整方法を説明する図である。 本発明の原理を説明する図であり、図２（ａ）は金属パッケージを省略した状態での斜視図、図２（ｂ）は金属パッケージに収納した状態での断面図である。 本発明の実施例を説明する図であり、図３（ａ）は実施例に用いる共振器パターンの例、図３（ｂ）は、共振器の実装状態を示す図である。 比較例を実施するための構造を示す図である。 共振周波数の測定系の概略構成図である。 実施形態の超伝導フィルタ特性の調整に関し、電磁界シミュレーションに用いる共振器モデルの概略図である。 図７（ａ）は、実施形態に係る共振周波数の変化（電磁界シミュレーション結果）を示すグラフ、図７（ｂ）は従来方法の共振周波数の変化を示すグラフである。 実施形態に係る超伝導フィルタデバイスの特性調整の変形例である。 本発明の特性調整が適用される共振器パターンの別の例を示す図である。

符号の説明

１０ 超伝導フィルタデバイス
１１ 共振器
１２ 特性調整部材（アルミナロッド）
１３ 信号入出力線
１４ グランド膜
１６ 誘電体基板
３０ 金属パッケージ

Claims (2)

1. 誘電体基板上に超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器と、
   前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して設けられ、前記マイクロストリップ型共振器から一定の高さの位置で、前記マイクロストリップ型共振器に対して並行移動可能な特性調整部材と
   を含み、前記特性調整部材は、前記マイクロストリップ型共振器の各々に対して２つ設けられ、前記各マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿った両側から当該マイクロストリップ型共振器に対して並行に移動可能に挿入されることを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
2. 超伝導材料で形成される複数のマイクロストリップ型共振器を有する超伝導フィルタデバイスの調整方法であって、
   前記複数のマイクロストリップ型共振器の各々に対し、誘電体または導体で形成される特性調整部材をそれぞれ２つ配置し、前記２つの特性調整部材を、前記各マイクロストリップ型共振器の長手方向に沿った両側から当該マイクロストリップ型共振器に対して一定の高さの位置で挿入し、
   前記各特性調整部材を、前記各マイクロストリップ型共振器と並行に水平移動して、各マイクロストリップ型共振器の共振周波数を調整する
   ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの調整方法。

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