JP4711988B2 - 超伝導ディスク共振器、その作製方法、および誘電率異方性の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、超伝導ディスク共振器およびフィルタに関し、特に、移動通信や放送の分野において、送信フィルタやアンテナ等の送信フロントエンドに好適に用いられるフィルタを構成する超伝導ディスク共振器に関する。

近年、携帯電話の普及、発展に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠になってきている。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ので、低損失、高Ｑ値の共振器が期待でき、移動通信の基地局用のフィルタとして有望視されている。

超伝導フィルタを、受信側の帯域フィルタに適用する場合は、伝送ロスが少なく、急峻な周波数遮断特性が期待される。一方、送信側の帯域フィルタに適用する場合は、ハイパワーアンプによって発生する歪を取り除く効果が期待できるが、高周波信号を送信するために大電力を要し、小型化と良好な電力特性の両立が、目下の課題となっている。

従来、共振器のパターンとして、ヘアピンラインやストレートラインの、マイクロストリップライン構造が用いられていた。しかし、そのようなマイクロストリップ型の共振器に、特に送信側で高いＲＦパワーが入力されると、損失が増大してしまうという問題がある。これは、マイクロ波などの高周波は導体のエッジ部分に集中しやすく、マイクロストリップラインのエッジまたはコーナー部分に電流が集中して、その電流密度が超伝導体の臨界電流密度を超えてしまうからだと考えられている。

そこで、図１（ａ）に示すように、電流集中を緩和したディスク型パターンが提案されている。すなわち、誘電体ベース基板１１１の表面に、コーナー部分やエッジ部分の少ないディスク型の超伝導共振器パターン１２を形成して、送信フィルタとしての大電力応答を実現しようとするものである。超伝導共振器パターン１２の近傍には、信号入出力用のフィーダ１３が延び、誘電体ベース基板１１１の裏面には、グランド層として超伝導膜１４が形成されている。

また、ディスク型の超伝導共振器パターン１２の端部（円周に沿った部分）への電流集中を避けるため、図１（ｂ）に示すように、超伝導共振器パターン１２の上に積層誘電体（あるいは積層磁性体）１５を配置する方法も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００６−３５２４５９号公報

しかし、超伝導ディスク共振器の場合、超伝導共振器パターンを搭載するベース基板や積層体に、誘電率や磁化率に異方性があるもの（たとえばサファイア基板）を使う場合、図２（ａ）に示すように、信号入出力ライン（フィーダ）１３の方向に対して±４５°の方向に異方性があると、図２（ｂ）に示すように、共振カーブ特性にノッチ１９が発生してしまうという課題を、発明者等は見出した。

たとえば、通常の単結晶誘電体ベース基板上に、ＬａＡｌＯ3基板を積層した場合、詳細は後述するが、電磁界シミュレーションではノッチは見られず、通常の共振カーブを示すにもかかわらず、実測結果では高周波側にノッチが生じてしまう。このような共振カーブ特性上に生じるノッチは、フィルタ特性に影響し、デバイスの信頼性を損なう。

そこで、本発明は、異方性基板を用いた場合でも、共振カーブ上のノッチの発生を防止して、良好な周波数特性を維持することのできる超伝導ディスク共振器とこれを用いたフィルタを提供することを課題とする。

また、マイクロ波における誘電率（または屈折率）異方性評価の新規な手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、良好な実施形態では、超伝導共振器パターンを搭載するベース基板またはその上に重ねて配置する積層体に、誘電率や磁化率に異方性のある材料を用いる場合に、信号入出力ラインの方向に対して±９０°の方向に異方性があるように、基板と信号入出力ラインの位置関係を決定する。

本発明の側面では、誘電率異方性（または屈折率異方性）の評価方法を提供する。この評価方法は、
（ａ）ベース基板上に、超伝導材料で、ディスク型共振器パターンと、前記共振器パターンの両側に前記ベース基板の一辺と平行に延びる一対の信号入出力ラインとを形成し、
（ｂ）前記ベース基板の上方に、評価用の誘電体基板を、前記ベース基板と平行な水平面内で回転可能に保持し、
（ｃ）前記評価用の誘電体基板を回転させて、前記ディスク型共振器の周波数特性を測定し、
（ｄ）前記周波数特性に表れるノッチを観察することによって、前記評価用誘電体基板の誘電率異方性または屈折率を評価する、工程を含む。

超伝導ディスク共振器や、これを用いたフィルタで、誘電率や磁化率に異方性を有する基板材料を用いた場合でも、良好な周波数特性を得ることができる。

また、マイクロ波における誘電率（または屈折率）異方性の評価をすることができる。

図３〜図１０を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。図３（ａ）と図３（ｂ）は、本発明の一実施形態の超伝導ディスク共振器１０の概略平面図と概略斜視図、図３（ｃ）は、図３（ａ）および図３（ｂ）の超伝導ディスク共振器の周波数特性を示す概略図である。

超伝導ディスク共振器１０は、誘電率異方性の誘電体ベース基板２１と、前記誘電体ベース基板２１上に超伝導材料で形成されるディスク型の共振器パターン１２と、前記超伝導共振器パターン１２の近傍まで、一直線上に延びる一対の信号入出力ライン１３と、を含む。誘電体ベース基板２１の裏面には、グランド層１４としての超伝導膜が全面に形成されている。共振器パターン１２、信号入出力ライン１３、およびグランド層１４の超伝導材料として、たとえばＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用いる。

この超伝導ディスク共振器１０において、誘電体ベース基板２１の誘電率異方性の方向は、信号入出力ライン１３の方向に対して±９０°の向きに配置されている。このような超伝導ディスク共振器１０を作製するには、まず、ベース基板となる誘電体基板の誘電率異方性の方向をあらかじめ特定し、たとえば基板端部にマーキングしておく。誘電体基板の両面に超伝導膜を形成し、表面のみをパターニング加工して、誘電体基板上の複数の共振器領域の各々に、ディスク型共振器パターン１２と、前記共振器パターンの両側に一直線上に位置する一対の信号入出力ライン１３とを形成する。その際に、信号入出力ライン１３の伸びる方向が、誘電率異方性の方向と９０°の角度を成すようにパターニング加工する。その後、誘電体基板を各共振器領域にカットして、超伝導ディスク共振器を得る。

誘電体ベース基板２１の誘電率異方性の方向を信号入出力ライン１３に対して±９０°の方向に設定することによって、共振器の周波数特性は、図３（ｃ）に示すように、ノッチの発生のない適正なものとなる。これについて、以下でさらに詳細に説明する。

図４（ａ）と図４（ｂ）はそれぞれ、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍのＬａＡｌＯ3基板（誘電率異方性基板）の片面に、直径１１ｍｍのＹＢＣＯディスク共振器パターンと信号入出力ラインを形成し、反対側の面にグランド層１４を形成するときの、電磁界シミュレーションと、実測結果とを示すグラフである。図４（ａ）の電磁界シミュレーションでは、Ｓ１１特性、Ｓ２１特性ともに、通常の共振カーブとしてプロットされるが、実際の測定結果では、図４（ｂ）に示すように、高周波側にノッチが発生する。

発明者等は、このようなノッチは、（１）誘電率等方性の誘電体ベース基板を用い、かつ超伝導ディスクパターン上に積層体を配置しない場合は、実測結果にも発生しないこと、（２）誘電率等方性の誘電体ベース基板を用いた場合でも、誘電率または磁化率が異方性の積層体を超伝導共振器パターン上に配置したときには、配置方向によってはノッチが発生することから、ノッチの発生は誘電率の異方性の方向に起因すると考えるに至った。そこで、誘電率の異方性を等価的に考慮した電磁界シミュレーションを、以下のようにして行った。

図５（ａ）は、２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．５ｍｍのほぼ等方性のＭｇＯベース基板１１上に、直径１１ｍｍのディスク型ＹＢＣＯ共振器パターン１２と、一対の信号入出力ライン１３を形成し、信号入出力ラインに対して±４５°の方向に、誘電率異方性と等価のスタブ２２を０．２ｍｍ×０．２ｍｍのサイズで形成した場合のレイアウト図である。図５（ｂ）は、このようなレイアウトに基づいて電磁界シミュレーションを行ったときのシミュレーション結果のグラフである。Ｓ１１特性とＳ２１特性の双方において、高周波側で共振カーブにノッチ１９が生じることがわかる。

図６（ａ）および図６（ｂ）は比較例として、信号入出力ライン１３に対して±９０°の方向に誘電率異方性がある場合と等価のレイアウトとして、信号入出力１３に対して±９０°の位置に、０．２ｍｍ×０．２ｍｍのスタブ２２を配置したものである。この場合図６（ｂ）のシミュレーション結果から明らかなように、ノッチは発生しない。

これらのシミュレーション結果から、ディスク共振器の共振カーブにノッチが入る要因は、信号入出力線１３に対して±４５°の方向に誘電率または磁化率の異方性が向いていることであり、そのために、本来の縮退モードが外れてはずれてカップリングを生じ、２つの共振モードを発生させるからと考えられる。

そうすると、シングルモードでノッチの発生を抑制して良好な特性を維持するには、誘電率または磁化率の異方性のない基板を用いるか、あるいは、誘電率または磁化率の異方性の方向を、信号入出力ラインに対して±９０°の方向に合わせるのが望ましいことになる。

図７（ａ）は、上記のシミュレーション結果を実測で確認するための、誘電率異方性の評価方法の基本概念を説明するための図、図７（ｂ）は、誘電率異方性の評価に用いる装置の概略図である。図７（ａ）に示すように、誘電率がほぼ等方性のＭｇＯベース基板１１上に、直径１１ｍｍのディスク型の超伝導共振器パターン１２と、その両側に一直線上に延びる一対の信号入出力ライン１３を形成し、裏面にグランド層１４を形成して、超伝導ディスク共振器を作製する。超伝導共振器パターン１２上に、直径１４ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの誘電率異方性のＬａＡｌＯ3基板３０を保持し、信号入出力ライン１３に対するＬａＡｌＯ3基板３０の回転角を変え、それぞれの角度で周波数特性を測定する。ＬａＡｌＯ3基板３０の誘電率異方性の方向は、あらかじめＸ線回折などで結晶軸の方向を調べることによって検出しておき、ＬａＡｌＯ3基板３０上にマークしておく。

図７（ｂ）に示すように、超伝導ディスク振器をチャンバー３１内に配置する。チャンバー３１の上面には指示棒（アルミナ棒）３２が回転可能に設けられ、ＬａＡｌＯ3基板３０を、超伝導共振器パターン１２の上方に保持する。信号入出力ラインと指示棒３２は、チャンバー３１外部のピエゾモータ３３に接続され、ＬａＡｌＯ3基板３０を、超伝導共振器パターン１２に対してスパイラル移動させる。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、ＬａＡｌＯ3基板３０のそれぞれ異なる位置（高さ）Ｄ１〜Ｄ９でのＳ１１特性と、Ｓ２１特性の実測結果である。Ｄ１〜Ｄ９へ行くにしたがって、ＬａＡｌＯ3基板３０は、回転しながら超伝導共振器パターン１２に近づく。ＬａＡｌＯ3基板３０の高さ方向の位置を変えることによって、超伝導ディスク共振器の中心周波数は低周波側に移行する。ＬａＡｌＯ3基板３０の位置が超伝導共振器パターン１２から離れているときは（Ｄ１〜Ｄ４）、誘電率異方性の方向に起因するノッチ発生の効果は薄いが、ＬａＡｌＯ3基板３０が超伝導共振器パターン１２に近づくと、特定の角度位置でのノッチ発生の効果が顕著になる。この実験結果では、Ｄ５、Ｄ７、Ｄ９の位置でノッチが発生し、Ｄ６、Ｄ８の位置でノッチが消失する。Ｄ６，Ｄ８の位置は、信号入出力ライン１３に対して、それぞれ平行方向、直角方向に対応する。

以上のことから、超伝導共振器パターンを形成する誘電体ベース基板か、超伝導共振器パターン上に積層する誘電体または磁性体に、誘電率または磁化率が異方性の材料を用いる場合は、その異方性の方向を、信号入出力ラインと±９０°の方向に設定することによって、超伝導ディスク共振器の周波数特性にノッチを生じさせることなく、良好な共振カーブを維持できることがわかる。

図９は、図３の超伝導ディスク共振器１０の変形例である。この構成例では、超伝導共振器パターン１２を有する誘電体ベース基板に、ほぼ等方性のＭｇＯベース基板１１を用い、超伝導共振器パターン１２上に、電流密度集中緩和用の積層体２５を配置する。積層体２５は、その誘電率または磁化率が異方性の誘電体または磁性体である。この場合、誘電率または磁化率の異方性の方向は、信号入出力ライン１３に対して９０°の方向に配置される。

このような超伝導ディスク共振器を作製する場合は、あらかじめ積層体２５の材料となる基板の誘電率または磁化率の異方性の方向を調べておき、その方向が一辺の方向と一致するように基板を矩形にカットして、積層体基板を作製する。この積層体基板を、超伝導共振器パターン１２、信号入出力ライン１３、およびグランド膜１４が形成されたＭｇＯベース基板１１上に、誘電率／磁化率の異方性の方向が信号入出力ライン１３と±９０°の方向をなすように配置する。

図３または図９の超伝導ディスク共振器を、図示しない金属パッケージ内に配置して、信号入出力線１３を金属パッケージに設けたコネクタに電気的に接続し、全体を低温デューワに収納することによって、移動通信用の送信フィルタとして用いることができる。

また、ベース基板上の信号入出力ライン１３の間に複数のディスク型超伝導共振器パターン１２を配置する、あるいは、図３の超伝導ディスク共振器を複数個重ねることによって、多段フィルタとすることができる。

超伝導共振器パターンの材料としては、ＹＢＣＯ以外に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、Ｇｄ、Ｓｍ、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。

従来の超伝導ディスク共振器の構成例を示す図である。 誘電率異方性のベース基板を用いた場合に、共振カーブ特性に発生するノッチを説明するための図である。 本発明の実施形態の超伝導ディスク共振器とその共振特性を示す概略図である。 本発明で見出された共振カーブ上のノッチの発生を示すグラフである。 共振カーブ上のノッチ発生の原理を証明するために行ったシミュレーションの図である。 共振カーブ上のノッチ解消の原理を説明するために行ったシミュレーションの図である。 本発明の実施形態において、誘電体の誘電率異方性の評価手法を説明するための図である。 図７の評価方法にしたがって測定した共振カーブ上のノッチの発生および消失を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る超伝導ディスク共振器の変形例を示す概略図である。

符号の説明

１０ 超伝導ディスク共振器
１１ ＭｇＯベース基板
１２ 超伝導共振器パターン
１３ フィーダ（信号入出力ライン）
１４ グランド膜
１９ 共振カーブ上に表れるノッチ
２１ 誘電率異方性のベース基板
２２ スタブ
２５ 誘電率／磁化率異方性の積層体
３０ ＬａＡｌＯ3基板
３１ チャンバー
３２ 指示棒（アルミナ棒）
３３ ピエゾモータ

Claims (1)

1. ベース基板上に、超伝導材料で、ディスク型共振器パターンと、前記共振器パターンの両側に前記ベース基板の一辺と平行に延びる一対の信号入出力ラインとを形成し、
   前記ベース基板の上方に、評価用の誘電体基板を、前記ベース基板と平行な水平面内で回転可能に保持し、
   前記評価用の誘電体基板を回転させて前記ディスク型共振器の周波数特性を測定し、
   前記周波数特性に表れるノッチを観察することによって、前記評価用誘電体基板の誘電率異方性または屈折率を評価する、
   工程を含むことを特徴とする評価方法。

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