JP6245584B2 - マイクロ波コネクタおよびコネクタ - Google Patents

Description

本発明は、軍研究オフィス（ＡＲＯ）によって授与された契約の下で政府の支援によってなされた。

本発明は、コネクタ、より詳細にはミリケルビン温度でのマイクロ波線路の効率的な熱化およびフィルタリングのためのマイクロ波コネクタに関する。

極低温（すなわち１Ｋを下回る温度）での高周波同軸線路の使用は、いくつかの実験的な障害を呈する。これらの障害は、主に不要な周波数の適切なフィルタリング、回路構成部品の適切なインピーダンス整合、および線路の最適な熱化に関連する。

ＧＨｚ周波数領域での実験では、実験が行われる帯域幅に通常厳格な条件が課せられる。帯域外のスプリアス放射は、ともすると受け入れがたく、したがって、適切なフィルタリングが必須である。同様に、結果として信号損失、定在波、および余分なノイズとなる可能性がある実験信号の反射を回避するために、回路中のすべてのコネクタおよび構成部品のインピーダンス整合が重要である。

典型的な極低温装置については、室温から冷却装置の最も低温の段までの熱伝導を最小にしなければならず、したがって、低温での高周波測定用同軸線路の最もポピュラーな選択肢には、超伝導体のような良好な熱絶縁体の使用が含まれる。同時に、冷却装置の各段の線路の適切な熱アンカー（thermal anchoring）が必須である。同軸線路では、例えば、外部導体および内部導体を分離する誘電体が典型的には優れた断熱材であるため、外部導体は、放熱に対しては問題を呈さないが、内部導体の効率的な熱化は、著しい難題を引き起こす。この問題を解決するために、とりわけλ／４スタッド、低温減衰器、またはエポキシ樹脂で包まれたストリップラインのような様々な解決策が存在する。しかし、これらの手法は、一部の実験においてさらなる障害を呈することがある。λ／４スタッドは、例えば、非常に低い帯域幅を有するが、ミリケルビン温度での極低温減衰器の内部導体の熱化に対する有効性は、多少曖昧である。エポキシのストリップラインフィルタは、筐体の散逸性側壁（dissipative side wall）を避けて電磁力線を変えるためにかさばる傾向がある。

ミリケルビン温度でのマイクロ波線路の効率的な熱化およびフィルタリングのためのマイクロ波コネクタを提供する。

本発明の一実施形態によると、マイクロ波コネクタが提供され、外部導体と、外部導体内部に配置された内部導体と、外部導体と内部導体との間に挿入された誘電体材料と、を含む。誘電体材料は、固体材料を含む非散逸性誘電体材料（non-dissipative dielectric material）および散逸性誘電体材料（dissipative dielectric material）を含む。

本発明の別の実施形態によると、コネクタが提供され、外部導体と、第１の部分、第２の部分、および第３の部分を有する内部導体であって、第１の部分および第２の部分が同じ寸法を有し、第３の部分が第１の部分と第２の部分との間に挿入され、異なる寸法を有する、内部導体と、内部導体の第２の部分を取り囲むように配置された低散逸性誘電体材料と、内部導体の第３の部分を取り囲むように配置された散逸性誘電体材料と、を含む。

本発明の別の実施形態によると、コネクタが提供され、環状外部導体と、環状導体内部に配置された、第１の部分、第２の部分、および第３の部分を有する内部導体であって、第１の部分および第２の部分が同じ直径を有し、第３の部分が第１の部分と第２の部分との間に挿入され異なる直径を有する、内部導体と、内部導体の第２の部分を取り囲むように配置された固体材料を含む非散逸性誘電体材料と、内部導体の第３の部分を取り囲むように配置された散逸性誘電体材料と、を含む。

本発明の別の実施形態によると、外部導体および内部導体を有するコネクタを組み立てる方法が提供される。本方法は、内部導体の一部の直径を修正することと、内部導体の一部を露出させるように低散逸性誘電体材料を外部導体と内部導体との間に押し込むことと、 内部導体の露出した一部に散逸性誘電体材料を施すことと、を含む。

本発明のさらに別の実施形態によると、環状外部導体、および外部導体内部に配置された内部導体を有するコネクタを組み立てる方法が提供される。本方法は、内部導体の一部の直径を修正することと、内部導体の一部が露出するように低散逸性誘電体材料を外部導体と内部導体との間に押し込むことと、内部導体の露出した一部に散逸性誘電体材料を施すことと、散逸性誘電体材料を硬化することと、を含む。

さらなる特徴および利点は、本発明の技法によって実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書に詳細に記載され、特許請求される本発明の一部と考えられる。利点および特徴を有する本発明についてのよりよい理解に関しては、説明および図面を参照されたい。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの特許請求の範囲において具体的に指摘され、明確に特許請求される。前述のおよび他の特徴、ならびに本発明の利点は、添付図面とともに考慮される以下の詳細な説明から明らかである。

実施形態によるコネクタの概略側面図である。 図１のコネクタに対する性能データのグラフィック描写である。 デバイスの入力部および出力部での散逸性／非散逸性誘電体材料の比率がそれぞれ１：１および１：２の図１のコネクタを使用して超伝導キュービットにおいて測定された緩和時間およびコヒーレンス時間のグラフィック描写である。 デバイスの入力部および出力部での散逸性／非散逸性誘電体材料の比率がそれぞれ１：１および１：３の図１のコネクタを使用して超伝導キュービットにおいて測定された緩和時間およびコヒーレンス時間のグラフィック描写である。

ミリケルビン温度でのマイクロ波線路の効率的な熱化およびフィルタリングのためのマイクロ波コネクタが提供される。コネクタは、１〜２０ＧＨｚの範囲の周波数で動作するように設計されており、以下でさらに詳細に説明するように作製中に調整することができるカットオフ周波数を有する。本設計によって、他の回路構成部品とインピーダンス整合を行うためのインピーダンス調整が可能となり、高度の小型化およびモジュール化が提供される。

図１に関しては、マイクロ波コネクタ（以降、「コネクタ」と呼ぶ）１０が提供されている。コネクタ１０は、外部導体１１、内部導体１２、低散逸性誘電体材料１３、および散逸性誘電体材料１４を含む。

外部導体１１は、形状およびサイズが標準超小型版Ａ（ＳＭＡ）コネクタの外部導体と同様であり、黄銅、銅、ステンレス鋼、または他の同様の材料から形成されてもよい。外部導体１１は、先頭部分１１１および後方部分１１２を備える。先頭部分１１１は、第１の外径ＯＤ１を有し、内部表面１１３にねじ切り部が形成された環状要素である。ねじ切り部は、コネクタ１０をケーブルコネクタ１５と接続するために設けられる。後方部分１１２は、第１の外径ＯＤ１よりも大きい第２の外径ＯＤ２、および比較的滑らかな内部表面１１４を有する環状要素である。先頭部分１１１および後方部分１１２のそれぞれの内部表面１１３および１１４は、環状内部１１５を画成する。

内部導体１２は、外部導体１１の環状内部１１５に配置され、第１の部分１２１、第２の部分１２２、および第３の部分１２３を有する。第１の部分１２１および第２の部分１２２は、同様の寸法を有するが、これは必須ではない。具体的には、第１の部分１２１および第２の部分１２２は、同様の直径Ｄ１２を有する。第３の部分１２３は、第１の部分１２１と第２の部分１２２との間に軸方向に挿入され、第１の部分１２１および第２の部分１２２の対応する寸法とは異なる寸法を有する。具体的には、第３の部分１２３は、直径Ｄ１２とは異なる直径Ｄ３を有する（すなわち、直径Ｄ３は、図１に示すように直径Ｄ１２よりも小さくてもよく、または直径Ｄ１２よりも大きくてもよい）。第２の部分１２２は、外部導体１１の後方部分１１２の後側から、外部導体１１のほぼ後方部分１１２まで軸方向前方に延出する。第３の部分１２３は、第２の部分１２２の先端部から外部導体１１の先頭部分１１１の中間点まで軸方向前方に延出する。第１の部分１２１は、第３の部分１２３の先端部から、外部導体１１の先頭部分１１１のほぼ先頭側まで軸方向前方に延出する。

上記の構造に関して、内部表面１１３上に形成されたねじ切り部は、第１の部分１２１、および第３の部分１２３の約半分を取り囲む。同様に、比較的滑らかな内部表面１１４は、第２の部分１２２、および第３の部分１２３の約半分を取り囲む。しかし、これは必須ではなく、第３の部分１２３の軸方向長は、散逸性誘電体材料１４と接触している内部導体１２の長さであるとして規定されることを理解されたい。本明細書に規定されるような第３の部分１２３の軸方向長が全散逸を決定する。散逸性誘電体材料１４に接触している第３の部分１２３の直径を修正して、一定のインピーダンスならびに他の特性を維持することができる。

図１に示すように、内部導体１２の第２の部分１２２の後方端部、および外部導体１１の後方部分１１２の後側は、それぞれ、コネクタ１０に取り付け可能なケーブル１６の対応する特徴部分と接続可能である。第１の部分１２１の先端部は、ピン・ヘッド形状を有し、鋭い先端点に向かってテーパがついている。内部導体１２の第１の部分１２１の先端部、および外部導体１１の先頭部分１１１の先頭側は、それぞれ、ケーブルコネクタ１５の対応する特徴部分と接続可能である。

低散逸性誘電体材料１３は、内部導体１２の第２の部分１２２を取り囲むように配置され、したがって内部導体１２の第２の部分１２２の外部表面と、外部導体１１の後方部分１１２の比較的滑らかな内部表面１１４との間の環状空間を占有する。実施形態によると、低散逸性誘電体材料１３は、非散逸性誘電体材料、より具体的にはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であってもよい。散逸性誘電体材料１４は、内部導体１２の第３の部分１２３を取り囲むように配置され、低散逸性誘電体材料１３と軸方向に隣接している。散逸性誘電体材料１４は、外部導体１１と内部導体１２との間の空間を実質的にすべて占め、実質的にいかなるギャップも画成されない。

実施形態によると、散逸性誘電体材料１４は、Ｅｃｃｏｓｏｒｂ（ＴＭ）またはＥｃｃｏｓｏｒｂ（ＴＭ）のような材料から形成されてもよく、これらの材料は、小さなミクロン・スケールの金属（ことによると強磁性体）粒子を含有するキャリア・エポキシ樹脂を含む。さらなるまたは代替の実施形態によると、散逸性誘電体材料１４は、外部導体１１と内部導体１２の熱膨張率（ＣＴＥ）を一致させるために石英およびシリカのうちの少なくとも１つから形成された粉末、または強磁性体粒子、あるいはその両方を含むこともできる。強磁性体粒子は、高周波散逸を行うための鉄を含んでもよい。

一般に、散逸性誘電体材料１４に対する低散逸性誘電体材料１３の比率は、所定の減衰カットオフ周波数に関連付けられたレベルに設定されてもよい。また、散逸性誘電体材料１４については、エポキシ樹脂の容積および磁性充填材の量が減衰およびロールオフ周波数を決定し、したがって調整可能である。さらに、内部導体１２の第３の部分１２３の直径Ｄ３は、コネクタ１０の最適なインピーダンス整合を行うために調整可能である。これによって、ＲＦ信号の反射を最小にすることができる。

コネクタ１０を組み立てるプロセスについて次に説明する。最適な伝送特性を達成するにはコネクタ１０の軸方向長にわたって実質的に一定のインピーダンスが必要であるということを理解して、コネクタ１０の伝送特性を計算し、最適な伝送特性となるように内部導体１２を修正する。このインピーダンスは、内部導体１２および外部導体１１の相当半径（relative radii）によって、ならびに散逸性誘電体材料１４および非散逸性誘電体材料１３の誘電率および透磁率によって決定される。具体的には、インピーダンスＺは、
であり、ここで、μおよびεは散逸性誘電体材料１４および非散逸性誘電体材料１３の透磁率および誘電率であり、Ｄは散逸性誘電体材料１４および非散逸性誘電体材料１３の外径であり、ｄは内部導体１２の直径である。本発明ではＤが定数であるため、したがって、散逸性誘電体材料１４および非散逸性誘電体材料１３のμおよびεの変化を補償するように、散逸性誘電体材料１４と非散逸性誘電体材料１３との間でパラメータｄを変化させて、一定のインピーダンス５０Ωを維持する。

実際には、テストする際に上記のモデルを微調整して、現実の最適な直径Ｄを決定することができる。

図１示すように、一旦、内部導体１２に対する２つの異なる直径が決定され、内部導体１２が修正されると、非散逸性誘電体材料１３は、非散逸性誘電体材料１３の一方の端部がコネクタ１０の後側に達するまで、およびもう一方の端部が内部導体１２の直径の階段状変化部（すなわち、内部導体１２の第２の部分１２２と内部導体１２の第３の部分１２３との境界）と正確に位置合わせされるまで、外部導体１１と内部導体１２との間に押し仕込まれる。内部導体１２の直径が最も小さい領域がここで露出する。散逸性誘電体材料１４は、別個に準備され、シリンジまたは同様の方法によってまだ液体の形態の間にコネクタ１０に施される。液状散逸性誘電体材料１４は、内部導体１２の直径の厳密に次の段差（すなわち、内部導体１２の第３の部分１２３と内部導体１２の第１の部分１２１との境界）まで施される。次いで、コネクタ１０は、液状散逸性誘電体１４が硬化する適切な温度で放置され、この温度は、摂氏約１２０度で２〜３時間であってもよく、またはメーカによって推奨されているいかなるスケジュールであってもよい。

図２に関しては、コネクタ１０に対する性能データのグラフィック描写が提供されている。図２のデータは、室温で取得され、コネクタ１０には、１／４の散逸性誘電体材料１４および３／４の非散逸性誘電体材料１３が含まれていた。図２に示すように、３ｄＢ点は、３．５ＧＨｚであった。３ｄＢ周波数に関し同様の性能が極低温で観察された。

図３および４に関しては、コネクタ１０の性能が超伝導キュービット（すなわち、超伝導量子計算で使用されるような量子ビット）によってテストされた。超伝導量子計算は、ナノ加工された超伝導電極を含む量子情報の実施態様である。キュービットは、単一光子の偏光などの２状態の量子力学系であり、キュービットは両方の状態の重ね合せを同時に可能とする。キュービットのいくつかの可能な実験的な実施態様がある。超伝導キュービットの特定の場合では、量子系は、超伝導構造、およびジョセフソン接合と呼ばれる非線形の非散逸性素子から作製される。ジョセフソン接合は、２つの超伝導体間の薄い（ｎｍサイズの）絶縁バリアであり、主に非線形のインダクタとして働き、それによってキュービットの非等間隔のエネルギ準位が生じる。これによってキュービットが純粋な調和振動子と識別され、対応する２つのユニークな量子状態の実験的な操作が可能となる。

自身の環境と熱力学平衡にあるキュービットは、理想的にはその基底状態にある。キュービットに対してなんらかの操作を行うためにキュービットの量子状態が操作されると、系は、固有時間（Ｔ１、または緩和時間）にわたって、最終的に、緩和と呼ばれるプロセスである、熱力学平衡に向かって進展する。Ｔ１の緩和プロセスを通して、キュービットは、環境とエネルギを交換する。キュービットの別の力学プロセスは、キュービットの２状態間の量子位相に関わる。実験的にそれらの状態間の相対位相を記述する機能は、コヒーレンスと呼ばれる。コヒーレンスは、量子情報における重要な概念であり、理論の核心にある。量子系は、典型的には、環境と不可逆的な仕方で相互作用することによってコヒーレンスを失う。これは、必ずしも、Ｔ１のような、環境とのエネルギ交換を含まない。デコヒーレンスによって、量子系は、２つの量子状態の純粋な重ね合せからそれらの状態の古典的な混合（いかなる相対位相情報も有さない状態の記述）へ進展する。量子系がコヒーレンスを失う固有のタイムスケールは、Ｔ＿ｐｈｉと呼ばれる。しかし、これは典型的に「コヒーレンス時間」と呼ばれるものではない。コヒーレンス時間、すなわちＴ２は、（１／（２Ｔ１）＋１／Ｔ＿ｐｈｉ）＾（−１）として規定される。この式は、キュービットの実効的な寿命が、キュービットがその環境を介してエネルギを失う速さ（Ｔ１）、およびにキュービットが位相コヒーレンスを失う速さ（Ｔ＿ｐｈｉ）に依存するという事実を反映する。

図３では、入力部でのエポキシ：テフロン（Ｒ）の比率（すなわち、非散逸性誘電体材料１３に対する散逸性誘電体材料１４の比率）が１：１の、ならびにデバイスの出力部でのエポキシ：テフロン（Ｒ）の比率が１：２のコネクタを使用する前および使用した後両方の、超伝導キュービットの緩和時間（上）およびコヒーレンス時間（下）を示す。図４では、入力部でのエポキシ：テフロン（Ｒ）の比率が１：１の、ならびにデバイスの出力部でのエポキシ：テフロン（Ｒ）の比率が１：３のコネクタを使用する前および使用した後両方の、超伝導キュービットの緩和時間（上）およびコヒーレンス時間（下）を示す。

本明細書で使用された術語は、特定の実施形態のみを記載するためのものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用するように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈で明確にそうではないと示さない限り、複数形も同様に含むことが意図されている。用語「備える」または「備えている」あるいはその両方は、本明細書で使用される場合、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素、あるいはそれらすべての存在を明示するが、もう１つの他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、またはそれらのグループ、あるいはそれらすべての存在または追加を排除しないことをさらに理解されるであろう。

特許請求の範囲における、すべてのミーンズまたはステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、行為、および均等物は、明確に特許請求されるような他の特許請求される要素と組み合わせて機能を行うための任意の構造、材料、および行為を含むことが意図されている。本発明の記載は、例示および説明を目的として提示されたが、開示された形態において網羅的であること、または本発明を限定することは意図されていない。多くの変更形態および変形形態が本発明の範囲および思想から逸脱せずに当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理および実際の適用について最善の説明を行うために、および考えられる特定の使用に適するような様々な変更形態とともに様々な実施形態について当業者が本発明を理解することができるように選ばれ記載された。

本発明に対する好ましい実施形態について記載したが、当業者が現在および将来のいずれにおいても、特許請求の範囲に含まれるある様々な改善および向上を行うことができることを理解されるであろう。これらの特許請求の範囲は、最初に記載された本発明に対する適切な保護を維持すると解釈されるべきである。

Claims (17)

1. 後方部分と、前記後方部分よりも小さな直径を有する先頭部分と、を備える外部導体と、
   前記部導体内部に同軸に配置され、第１の部分、第２の部分、および前記第１の部分と前記第２の部分との間にあって、前記第１の部分および前記第２の部分よりも小さな直径を有する第３の部分を備える内部導体と、
   前記外部導体と前記内部導体との間に挿入された誘電体材料であって、
   前記外部導体の前記後方部分と前記内部導体の前記第２の部分との間に挿入され、固体材料を含む非散逸性誘電体材料および
   前記内部導体の前記第３の部分と、前記外部導体の前記後方部分および前記先頭部分の先端および後端のそれぞれとの間に挿入された散逸性誘電体材料を含む前記誘電体材料と、
   を備えるマイクロ波コネクタ。
2. 前記マイクロ波コネクタが１〜２０ＧＨｚの範囲で動作するように設計されている、請求項１に記載のマイクロ波コネクタ。
3. 前記第３の部分の直径により、インピーダンス整合が助長される、請求項１に記載のコネクタ。
4. 前記散逸性誘電体材料が、前記内部導体の前記第３の部分と、前記外部導体の前記後方部分および前記先頭部分の先端および後端のそれぞれとの間の空間を実質的にすべて占める、請求項１に記載のコネクタ。
5. 前記散逸性誘電体材料が、石英、シリカ、および強磁性体粒子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のコネクタ。
6. 先端を有する後方部分と、前記後方部分よりも小さな直径を有し、後端を有する先頭部分とを備える、外部導体と、
   前記外部導体内部に同軸に配置され、第１の部分、第２の部分、および第３の部分を有する内部導体であって、前記第１の部分および前記第２の部分が同じ直径を有し、前記第３の部分が前記第１の部分と前記第２の部分との間に挿入され前記第１の部分および前記第２の部分よりも小さな直径を有する、前記内部導体と、
   前記外部導体の前記後方部分によって取り囲まれ、前記内部導体の前記第２の部分を取り囲むように配置された固体材料を含む低散逸性誘電体材料と、
   前記外部導体の前記後方部分および前記先頭部分の前記先端および前記後端のそれぞれによって取り囲まれ、前記内部導体の前記第３の部分を取り囲むように配置された散逸性誘電体材料と、を備えるコネクタ。
7. 前記外部導体、および前記内部導体の前記第２の部分が、同軸ケーブルの外部導体および内部導体にそれぞれ電気的に結合されるように構成されている、請求項６に記載のコネクタ。
8. 前記内部導体の前記第３の部分の直径がインピーダンス整合のために調整される、請求項６に記載のコネクタ。
9. 前記散逸性誘電体材料がエポキシ樹脂を含む、請求項６に記載のコネクタ。
10. 前記散逸性誘電体材料が、石英、シリカ、および強磁性体粒子のうちの少なくとも１つから形成された粉末をさらに含む、請求項９に記載のコネクタ。
11. 先端を有する後方部分と、前記後方部分よりも小さな直径を有し、後端を有する先頭部分とを備える、環状外部導体と、
    前記環状外部導体内部に同軸に配置され、第１の部分、第２の部分、および第３の部分を有する内部導体であって、前記第１の部分および前記第２の部分が同じ直径を有し、前記第３の部分が前記第１の部分と前記第２の部分との間に挿入され前記第１の部分および前記第２の部分よりも小さな直径を有する、前記内部導体と、
    前記環状外部導体の前記後方部分によって取り囲まれ、前記内部導体の前記第２の部分を取り囲むように配置された固体材料を含む非散逸性誘電体材料と、
    前記環状外部導体の前記後方部分および前記先頭部分の前記先端および前記後端のそれぞれによって取り囲まれ、前記内部導体の前記第３の部分を取り囲むように配置された散逸性誘電体材料と、
    を備えるコネクタ。
12. 前記内部導体の前記第１の部分がピン・ヘッド形状を有する、請求項１１に記載のコネクタ。
13. 前記環状外部導体、および前記内部導体の前記第２の部分が、同軸ケーブルの外部導体および内部導体にそれぞれ電気的に結合されるように構成されている、請求項１１に記載のコネクタ。
14. 前記内部導体の前記第３の部分の直径がインピーダンス整合のために調整される、請求項１１に記載のコネクタ。
15. 前記散逸性誘電体材料がエポキシ樹脂を含む、請求項１１に記載のコネクタ。
16. 前記散逸性誘電体材料が、石英、シリカ、および強磁性体粒子のうちの少なくとも１つから形成された粉末をさらに含む、請求項１５に記載のコネクタ。
17. 前記散逸性誘電体材料が前記環状外部導体と前記内部導体との間の空間を実質的にすべて占める、請求項１５に記載のコネクタ。