JP5040290B2 - 超伝導フィルタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線基地等に使用される超伝導フィルタ装置に関する。

近年、無線通信の急速な発展に伴い、高速及び大容量の伝送技術が不可欠となってきており、高温超伝導体を用いた超伝導フィルタに対する期待が増している。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。このため、多段化しても伝送損失を低く抑えることが可能である。従って、超伝導フィルタによれば、優れた周波数遮断特性を得ることができ、周波数資源を有効に活用することができる。但し、実際に超伝導フィルタを機能させるためには、７０Ｋ程度の極低温にまで冷却することが必要である。つまり、室温では高温超伝導体の電気抵抗が大きいため、冷却する必要がある。そこで、従来の超伝導フィルタ装置では、超伝導フィルタと、これを冷却する冷却機とが真空容器内に収納されている。

図１０は、従来の超伝導フィルタ装置を示す図である。従来の超伝導フィルタ装置では、パッケージ台座１０１上に超伝導フィルタデバイスが配置され、これが蓋１０２により覆われている。パッケージ台座１０１及び蓋１０２から金属パッケージが構成されている。パッケージ台座１０１の下には、超伝導フィルタを冷却する冷却機１０５が設けられており、これらが真空容器１０６内に収められている。また、パッケージ台座１０１の外部には、コネクタ１０７が装着されており、これに、両端にコネクタ１０４が設けられたセミリジッド同軸ケーブル１０３が接続されている。

図１１は、従来の金属パッケージの内部を示す図である。パッケージ台座１０１上には、接地電極及び超伝導体膜を介して誘電体基板１１１が設けられている。そして、誘電体基板１１１上に、高温超伝導体からなり、ヘアピン形状にパターニングされた複数の共振器１１２が並べられている。複数の共振器１１２は互いに結合されており、これらから平面回路型のフィルタが構成されている。また、末端の共振器１１２は、電極１１４及びはんだ材１１５を介して信号入出力線１３１に接続されている。この信号入出力線１３１は、同軸ケーブル用のコネクタ１０７に接続されている。信号の入出力は、信号入出力線１３１及びセミリジッド同軸ケーブル１０３を介して行われる。

このような超伝導フィルタ装置では、共振器１１２の数を増加させることにより、つまり多段化することにより、でフィルタの周波数遮断特性を急峻にすることができる。また、平面回路型のフィルタは、パッケージ台座１０１及び蓋１０２によって外部の高周波信号からシールドされている。

超伝導フィルタ装置は無線基地等に用いられ、例えば、基地局の鉄塔の塔頂部のアンテナ直下等に配置される。このため、その運搬作業及び設置作業等を考慮して、できるだけ小型化することが好ましい。しかしながら、従来の超伝導フィルタ装置では、外部からの熱の流入を回避することが困難であり、このために、冷却機１０５をそれに見合う程度まで大型化する必要がある。従って、超伝導フィルタ装置自体の小型化にも限界がある。

特許文献１には、同軸ケーブルを解した熱の流入を抑制することを目的として、同軸ケーブル自体に加工を施す技術が開示されている。この技術によれば、所期の目的は達成されるものの、超伝導フィルタ装置を十分に小型化できるとはいえない。

国際公開第００／５２７８２号パンフレット

本発明の目的は、大幅な小型化を実現することができる超伝導フィルタ装置を提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明に想到した。

本発明に係る超伝導フィルタ装置には、超伝導フィルタと、前記超伝導フィルタが収納された金属パッケージと、前記金属パッケージの壁を貫通し、前記超伝導フィルタに中心導体が電気的に接続された同軸ケーブルと、が設けられている。そして、前記同軸ケーブルの外部導体と前記金属パッケージとの間に、極低温環境での熱伝導率がステンレスよりも低く電気的接続可能な構造物が設けられている。ここで、極低温環境とは、高温超伝導体として知られている材料の臨界温度（Ｔｃ）が１３０Ｋ程度であるので、この温度以下の環境をいう。

本発明によれば、同軸ケーブルが金属パッケージの壁を貫通してその内部まで到達しているため、金属パッケージと同軸ケーブルとを接続するためのコネクタを不要にすることができる。また、同軸ケーブルの外部導体と金属パッケージとの間の熱伝導率がステンレスの熱伝導率よりも低いため、外部からの熱の流入が抑制される。従って、超伝導フィルタを冷却する冷却手段を大規模なものにする必要がなくなる。そして、これらの相乗的な効果として、超伝導フィルタ装置を大幅に小型化することが可能である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る超伝導フィルタ装置の構造を示す断面図である。

本実施形態では、パッケージ台座１上に超伝導フィルタデバイスが配置され、これが金属製の蓋２により覆われている。パッケージ台座１及び蓋２から金属パッケージが構成されている。パッケージ台座１及び蓋２は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる。また、パッケージ台座１には、超伝導フィルタデバイスの４隅を押さえつける板ばねがねじにより固定されている。パッケージ台座１の下には、金属パッケージを介して超伝導フィルタを冷却する冷却機５（冷却手段）が設けられており、これらが真空容器６内に収められている。また、パッケージ台座１の表面には、２個の壁部が設けられており、この壁部をセミリジッド同軸ケーブル３が貫通している。セミリジッド同軸ケーブル３の他端には、真空容器４の外部との接続をとるためのコネクタ４が装着されている。

次に、金属パッケージの内部について説明する。図２は、金属パッケージの内部を示す図である。図３は、セミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す斜視図である。図４は、セミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す断面図である。図５は、壁部の内部の構造を示す断面図であって、図４中のＩ−Ｉ線に沿った断面図に相当する。

パッケージ台座１上には、接地電極１７及び超伝導体膜１６を介して誘電体基板１が設けられている。接地電極１７は、例えば銀からなり、超伝導体膜１６は、例えばＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_X（ＹＢＣＯ）等のイットリウム系酸化物超伝導体からなる。また、誘電体基板１は、例えば単結晶酸化マグネシウムからなる。なお、パッケージ台座１は接地されており、超伝導体膜１６も接地電極１７及びパッケージ台座１を介して接地されている。そして、誘電体基板１上に、ヘアピン形状にパターニングされた複数の共振器１２が並べられている。共振器１２は、例えばＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ＹＢＣＯ）等のイットリウム系酸化物超伝導体の配線から構成されている。複数の共振器１２は互いに結合されており、これらから平面回路型のフィルタが構成されている。また、末端の共振器１２上には、電極１４が形成されている。電極１４は、例えばＣｒ膜１４ａ、Ｐｄ膜１４ｂ及びＡｇ膜１４ｃがこの順で積層されて構成されている。Ｃｒ膜１４ａの厚さは、例えば１００ｎｍであり、Ｐｄ膜１４ｂの厚さは、例えば２００ｎｍであり、Ａｇ膜１４ｃの厚さは、例えば１００ｎｍである。

また、パッケージ台座１の壁部には貫通孔が形成されており、この貫通孔をセミリジッド同軸ケーブル３が貫通している。そして、セミリジッド同軸ケーブル３の中心導体３１がはんだ材１５によって電極１４に接合されている。はんだ材１５は、例えばインジウム系のはんだからなる。また、セミリジッド同軸ケーブル３には、中心導体３が貫通する絶縁材３２が設けられており、その周囲に外部導体３３が設けられている。中心導体３１及び外部導体３３は、例えばステンレスからなり、絶縁材３２は、例えばフッ素樹脂からなる。

更に、複数の孔が形成された円筒状のフッ素樹脂材２２と、孔内に埋め込まれたステンレス材２３とからなる構造物が、外部導体３３とパッケージ台座１の壁部との間に配置されている。そして、導電性のねじ１３（固定部材）によって、この構造物及びセミリジッド同軸ケーブル３が壁部に固定されている。また、ステンレス材２３を介して外部導体３３とパッケージ台座１の壁部とが電気的に接続されている。

フッ素樹脂材２２の室温から約７６Ｋまでの平均の熱伝導率は、例えば０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。このため、セミリジッド同軸ケーブル３を介して真空容器６の外部から熱が流入してきても、その熱は金属パッケージ（パッケージ台座１及び蓋２）まで伝わりにくい。従って、冷却機５を大型化せずとも、金属パッケージ及び超伝導フィルタを十分に冷却することが可能であり、熱伝導フィルタ装置を小型化することができる。

また、セミリジッド同軸ケーブル３が壁部を貫通して、そのまま中心導体３１が電極１４に接合されているため、セミリジッド同軸ケーブル３と壁部との間のコネクタが不要である。この点においても、熱伝導フィルタ装置を小型化することができる。

このように、本実施形態によれば、冷却機５の小型化及び部品数の低減によって、熱伝導フィルタ装置を大幅に小型化することが可能である。

例えば、従来の一般的な超伝導フィルタ装置（真空容器の直径：約１００ｍｍ）を比較対象にすると、コネクタの不要化により、真空容器の直径方向のサイズを約３０ｍｍ小さくすることが可能であり、真空容器の容積を約５０％も低減することができる。

なお、孔内に埋め込まれる導電材は、ステンレス材に限定されることはなく、キュプロニッケル等のステンレスと同等の熱伝導率を持つ金属からなるものを用いても同等の効果が得られる。また、熱伝導が高い導電材であっても、外部導体３３及びパッケージ台座１との接触面積を減らせば同等の効果を得ることができる。また、外部導体３３とパッケージ台座１の壁部との間に配置される構造物として、発泡金属等の極低温環境での熱伝導率がステンレスよりも低い導電材を用いてもよい。更に、ステンレスの一種であるＳＵＳ３０４の極低温環境（１３０Ｋ程度以下の環境）での熱伝導率が１１．２４Ｗ／ｍ・Ｋであるので、構造物の全体としての熱伝導率は１１．２４Ｗ／ｍ・Ｋ未満であることが好ましい。

ここで、本願発明者らが実際に行ったシミュレーションの内容及び結果について説明する。図６は、第１の実施形態に関するシミュレーションで用いたモデルを示す図である。
このシミュレーションでは、厚さが３５ｍｍの外部導体３３と厚さが３５ｍｍのパッケージ台座１との間に、厚さが１０ｍｍのフッ素樹脂材２２が介在しているモデルを用いた。但し、フッ素樹脂材２２には、矩形の孔が形成されており、その内部にステンレス材２３が埋め込まれているとした。また、孔（ステンレス材２３）の幅は、フッ素樹脂材２２の幅の約７％であるとした。また、外部導体３３及びステンレス材２３は、室温から７６Ｋまでの平均の熱伝導率が１１．２４Ｗ／ｍ・Ｋのステンレス製とし、フッ素樹脂材２２の室温から７６Ｋまでの平均の熱伝導率は０．２５Ｗ／ｍ・Ｋであるとし、パッケージ台座１はアルミニウム製であるとした。

そして、外部導体３３の温度を３００Ｋに固定し、所定時間が経過した時のパッケージ台座１の温度を計算した。但し、初期状態でのフッ素樹脂材２２、ステンレス材２３及びパッケージ台座１の温度は７０Ｋとした。この結果、所定時間が経過した時のパッケージ台座１の温度は約７０．２Ｋであった。

比較のために、複数の孔が形成された円筒状のフッ素樹脂材２２と、孔内に埋め込まれたステンレス材２３とからなる構造物を、室温から７６Ｋの平均の熱伝導率が１１.２４Ｗ／ｍ・Ｋのステンレス材で置き換えた場合のシミュレーション（比較例）を行ったところ、同一の所定時間が経過した時のパッケージ台座１の温度は７３．３Ｋであった。

このように、フッ素樹脂材２２の有無によって３Ｋもの相違が生じた。３Ｋは、小型冷却機の冷却能力を考慮すると極めて大きな温度差であり、第２の実施形態による冷却機の小型化という効果が非常に優れたものであるといえる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る超伝導フィルタ装置における壁部の内部の構造を示す断面図である。

第２の実施形態では、円筒状のフッ素樹脂材２２のねじ１３に対応する部分のみに開口部２４が形成されており、ステンレス材２３が埋め込まれる孔は形成されていない。そして、ねじ１３が開口部２４を介して外部導体３３と接している。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このような第２の実施形態によっても、フッ素樹脂材２２の熱伝導率が外部導体３３を構成するステンレスの熱伝導率よりも著しく低いため、第１及び第２の実施形態と同様に、冷却機５の負荷を低減することができる。従って、超伝導フィルタ装置を大幅に小型化することが可能である。

なお、第２の実施形態では、導電性のねじ１３を介して外部導体３３とパッケージ台座１の壁部とが電気的に接続されている。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図８は、本発明の第３の実施形態に係る超伝導フィルタ装置における壁部の内部の構造を示す断面図である。

第３の実施形態では、円筒状のフッ素樹脂材２２の一部が平坦に切り取られて平坦部２５が形成されており、平坦部２５の中心を介して、外部導体３３とパッケージ台座１の壁部とが互いに接している。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このような第３の実施形態によっても、フッ素樹脂材２２の熱伝導率が外部導体３３を構成するステンレスの熱伝導率よりも著しく低いため、第１の実施形態と同様に、冷却機５の負荷を低減することができる。従って、超伝導フィルタ装置を大幅に小型化することが可能である。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る超伝導フィルタ装置におけるセミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す断面図である。

第４の実施形態では、電極１４に導電性の挿入部品１８がはんだ材１５によって接合されている。挿入部品１８には、壁部を向く開口部が設けられており、その側面の複数箇所にスリットが形成されている。そして、挿入部品１８の開口部に、セミリジッド同軸ケーブル３の中心導体３１が挿入されている。中心導体３１は挿入部品１８により弾性的に固定されている。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

このような第４の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第５の実施形態では、中心導体３１を挿入部品１８から容易に抜くことが可能であるため、セミリジッド同軸ケーブル３の交換を容易に行うことができる。つまり、セミリジッド同軸ケーブル３の交換の際には、ねじ１３の取り外し、セミリジッド同軸ケーブル３の抜き取り、新たなセミリジッド同軸ケーブル３の挿入、ねじ１３の取り付けを行えばよく、はんだ材１５に対する熱処理は不要である。

なお、フッ素樹脂材の代わりに、エポキシ樹脂材、アクリル樹脂材、ポリカーボネート材、ガラス材、セラミックス材又は発泡樹脂材を用いてもよい。なお、多くの絶縁材の熱伝導率はステンレスのものよりも低いため、本発明の目的を達成することは可能であるが、７０Ｋ程度の温度条件下で、脆化しないものを用いることが好ましい。

また、中心導体の電極との接続を、ボンディングワイヤ又はボンディングテープを介して行ってもよい。

また、超伝導フィルタを構成する共振器の材料は特に限定されず、例えば、Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｒは、Ｙ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｓｍ又はＨｏからなる群から選択された１種）系超伝導体、Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体、Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体、又はＣｕＢａ_pＣａ_qＣｕ_rＯ_x（１．５＜ｐ＜２．５、２．５＜ｑ＜３．５、３．５＜ｒ＜４．５）系超伝導体等を用いることができる。

また、上述の各実施形態では、金属パッケージと外部導体３３との間に、構造物が存在しているが、構造物を介在させずにこの部分を空間にしてもよい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
超伝導フィルタと、
前記超伝導フィルタが収納された金属パッケージと、
前記金属パッケージの壁を貫通し、前記超伝導フィルタに中心導体が電気的に接続された同軸ケーブルと、
を有し、
前記同軸ケーブルの外部導体と前記金属パッケージとの間に設けられ、極低温環境での熱伝導率がステンレスよりも低く電気的接続可能な構造物を有することを特徴とする超伝導フィルタ装置。

（付記２）
前記構造物として、導電材が設けられていることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記３）
前記導電材は、発泡金属材であることを特徴とする付記２に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記４）
前記構造物は、
絶縁材と、
前記絶縁材を貫通し、前記外部導体と前記金属パッケージとを電気的に接続する導電材と、
を有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記５）
前記構造物は、開口部が形成された絶縁材を有し、
前記開口部を介して前記外部導体に接すると共に、前記同軸ケーブルを前記金属パッケージに固定する導電性の固定部材を有し、
前記固定部材は前記金属パッケージにも接していることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記６）
前記構造物は、一部に外部と内部とが連通する開口部を備えた絶縁材を有し、
前記外部導体と前記金属パッケージとが前記開口部を介して直接接していることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記７）
前記絶縁材は、フッ素樹脂材、エポキシ樹脂材、アクリル樹脂材、ポリカーボネート材、ガラス材及びセラミックス材からなる群から選択された１種であることを特徴とする付記４乃至６のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記８）
前記絶縁材は、発泡樹脂材であることを特徴とする付記４乃至６のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記９）
前記超伝導フィルタに接続された電極を有し、
前記中心導体は、はんだ材によって前記電極に接合されていることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１０）
前記超伝導フィルタに接続された電極と、
前記電極にはんだ材によって接合された導電性の挿入部品と、
を有し、
前記中心導体は、前記挿入部品に挿入されていることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１１）
前記超伝導フィルタに接続された電極を有し、
前記中心導体は、ボンディングワイヤ又はボンディングテープを介して前記電極に接合されていることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１２）
前記超伝導フィルタは、
Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｒは、Ｙ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｓｍ及びＨｏからなる群から選択された１種）系超伝導体、
Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体、
Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ系超伝導体、及び
ＣｕＢａ_pＣａ_qＣｕ_rＯ_x（１．５＜ｐ＜２．５、２．５＜ｑ＜３．５、３．５＜ｒ＜４．５）系超伝導体からなる群から選択された１種の超伝導体を含む共振器を有することを特徴とする付記１乃至１１のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１３）
前記超伝導フィルタは、平面回路型であることを特徴とする付記１乃至１２のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１４）
前記金属パッケージを介して前記超伝導フィルタを冷却する冷却手段を有することを特徴とする付記１乃至１３のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

（付記１５）
前記金属パッケージは接地されていることを特徴とする付記１乃至１４のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

本発明の第１の実施形態に係る超伝導フィルタ装置の構造を示す断面図である。 第１の実施形態における金属パッケージの内部を示す図である。 第１の実施形態におけるセミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す斜視図である。 第１の実施形態におけるセミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す断面図である。 第１の実施形態における壁部の内部の構造を示す断面図である。 第１の実施形態に関するシミュレーションで用いたモデルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る超伝導フィルタ装置における壁部の内部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る超伝導フィルタ装置における壁部の内部の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る超伝導フィルタ装置におけるセミリジッド同軸ケーブル３の端部を示す断面図である。 従来の超伝導フィルタ装置を示す図である。 従来の金属パッケージの内部を示す図である。

符号の説明

１：パッケージ台座
２：蓋
３：セミリジッド同軸ケーブル
４：コネクタ
５：冷却機
６：真空容器
１１：誘電体基板
１２：共振器
１３：ねじ
１４：電極
１４ａ：Ｃｒ膜
１４ｂ：Ｐｄ膜
１４ｃ：Ａｇ膜
１５：はんだ材
１６：超伝導体膜
１７：設置電極
１８：挿入部品
２２：フッ素樹脂材
２３：ステンレス材
２４：開口部
２５：平坦部
３１：中心導体
３２：絶縁材
３３：外部導体

Claims (9)

1. 超伝導フィルタと、
   前記超伝導フィルタが収納された金属パッケージと、
   前記金属パッケージの壁を貫通し、前記超伝導フィルタに中心導体が電気的に接続された同軸ケーブルと、
   を有し、
   前記同軸ケーブルの外部導体と前記金属パッケージとの間に設けられ、極低温環境での熱伝導率がステンレスよりも低く電気的接続可能な構造物を有することを特徴とする超伝導フィルタ装置。
2. 前記構造物として、導電材が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
3. 前記構造物は、
   絶縁材と、
   前記絶縁材を貫通し、前記外部導体と前記金属パッケージとを電気的に接続する導電材と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
4. 前記構造物は、開口部が形成された絶縁材を有し、
   前記開口部を介して前記外部導体に接すると共に、前記同軸ケーブルを前記金属パッケージに固定する導電性の固定部材を有し、
   前記固定部材は前記金属パッケージにも接していることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
5. 前記構造物は、一部に外部と内部とが連通する開口部を備えた絶縁材を有し、
   前記外部導体と前記金属パッケージとが前記開口部を介して直接接していることを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタ装置。
6. 前記超伝導フィルタに接続された電極を有し、
   前記中心導体は、はんだ材によって前記電極に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。
7. 前記超伝導フィルタに接続された電極と、
   前記電極にはんだ材によって接合された導電性の挿入部品と、
   を有し、
   前記中心導体は、前記挿入部品に挿入されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。
8. 前記超伝導フィルタに接続された電極を有し、
   前記中心導体は、ボンディングワイヤ又はボンディングテープを介して前記電極に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。
9. 前記超伝導フィルタは、平面回路型であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の超伝導フィルタ装置。

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