JP6385744B2 - ダブルストリップ共振器の給電方法及び給電装置 - Google Patents
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Description
前述のようなタイプの共振器を例えば1 W以上といった、大電力信号用のマイクロ波共振器として利用する場合、ストリップ線路のエッジ部分への電流集中が耐電力特性の障害となる。これは、エッジに集中した大きな電流密度が導体材料の許容電流密度を超えることで、導体材料の電気電導特性が破壊されるからである。例えば、超電導材料を用いてストリップ線路を形成している場合、エッジ部分に集中する高周波電流が臨界電流密度(超電導体に流せる電流の限界値)を超えたときなどがこれに該当する。
1/Qu = (1/Qd)+ (1/Qc)+ (1/Qr) ・・・・・・ (1)
複数の共振器を用いて構成するローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタなどの周波数フィルタでは、共振器のQuが高いほど、急峻な遮断特性や小さな挿入損失を実現できることから、高いQuをもつ共振器が求められる場合が多い。
前述のようなタイプの共振器のQuを決める支配的な損失要因が導体損失である場合には、例えば、超電導材料のように導体損失が極めて低い材料を用いることで高いQuを実現できる。
放射損失がない構造としては、ストリップ線路の上下にGNDを配したストリップライン構造が知られており、特許文献1ではストリップライン構造を用いて放射損を低減し、なおかつストリップ線路のエッジ部分の電流集中を緩和する方法が提案されている。
この共振器は、誘電体をはさんで所定の距離を隔てて対向位置せしめられた一対の接地導体間に、ストリップ導体を配した対向型ストリップ線路によって、共振回路を構成せしめて成る対向型ストリップ共振器において、上記ストリップ導体を、上記一対の接地導体間において、該接地導体と平行に複数枚、上記誘電体を介して互いに所定の間隔を隔てて積層状に配置せしめたことを特徴としている。
そして、当該例の共振器の開示した公報には次のことが開示されている。
(a)従来の共振器と同様にストリップ導体の開放端に対して、一つの信号が入力されることとなる。そして、それら二枚のストリップ導体はスルーホールによって互いに導通されていることから、かかる信号が、偶モード(同位相)で有利に入力せしめられ得るのである。
この給電方法を用いた共振器は、第一の誘電体10、12の対向する外側面に導体層を設けて一対の接地導体20、20とし、第一の誘電体の内面側の対向に第二の誘電体11を介して所定の間隔で2枚のストリップ導体14、14を設けて、第二の誘電体11を介して接地導体の平面と並行に配し、さらに入出力の給電器として同軸線路15、15が2枚のストリップ導体の上下方向の中間位置に配されてなるダブルストリップ共振器である。
前述のようなタイプの給電方法は不要な奇モードが発生しないため、偶モードだけを出力することができる。しかしながら、上記方法のQuは同軸線路の材質によって大きく左右され、低損失材料である超電導体では3次元構造を持つ同軸線路を形成することが今の技術では困難であるため、高いQuを実現するのが困難であるという問題がある。
たとえば現実の問題として、同軸線路15、15の長さは設計時に正確に設計できないため、共振器及びフィルタを作製後に同軸線路15、15を微調整する必要がある。特に超電導体を用いる場合には−200℃近くまで冷却しなければ超電導状態に転位しないため、冷却後でなければフィルタ特性を確認できず、また、常温まで温度を戻さなければ同軸線路の微調整を行えないため、作製と評価に多くの時間を要するという問題があった。
すなわち、本発明は、第一の誘電体の対向する外側面にそれぞれ導体層を設けて一対の接地導体とし、第一の誘電体の内面側に第二の誘電体を介して所定の間隔で2枚のストリップ導体(共振器)とストリップ導体(給電器)を設けて、第二の誘電体を介して接地導体の平面と並行に配し、さらにSMAコネクタの中心導体が2枚のストリップ導体の上下方向の中間位置に配されてなるダブルストリップ共振器において、第一の誘電体上にあるストリップ導体(給電器)で上下方向からコネクタの中心導体を挟み込むように接触させることにより、円柱状のコネクタの中心導体が、当該上下平行に配置された2枚のストリップ導体の給電器と線接触することを特徴とするダブルストリップ共振器の給電方法である。
また、本発明は、第一の誘電体の対向する外側面にそれぞれ導体層を設けて一対の接地導体20とし、第一の誘電体の内面側に第二の誘電体11を介して所定の間隔で2枚のストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17を設けて、第二の誘電体11を介して接地導体20の平面と並行に配し、SMAコネクタ18の円柱状の中心導体13が、当該上下平行に配置された2枚のストリップ導体の給電器17と線接触させることを特徴とするダブルストリップ共振器の給電方法である。
またさらに、本発明のダブルストリップ共振器の給電方法では、ストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17が超電導体であり、コネクタ18とその中心導体13が常電導体とすることができる。
さらに本発明は、第一の誘電体の対向する外側面にそれぞれ導体層を設けた一対の接地導体20と、第一の誘電体の内面側に第二の誘電体11を介して所定の間隔で、第二の誘電体11を介して接地導体20の平面と並行に配し設けられた2枚のストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17、コネクタ18の中心導体13が、当該上下平行に配置された2枚のストリップ導体の給電器17と線接触させることを特徴とするダブルストリップ共振器の給電装置である。
また、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、前記ストリップ導体(共振器)の長さは、共振周波数の波長の半分の長さとすることができる。
さらに、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、第二の誘電体が、気体、液体、固体から選ぶことができる。
また、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、2枚のストリップ導体の対を複数個設けることができる。
さらに、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、ストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17が超電導体であり、コネクタ18とその中心導体13を常電導体とすることができる。
また、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、ストリップ導体(共振器)14を多段構造とし、ストリップ導体(給電器)17の入力端を、ストリップ導体(共振器)14の初段に入力し、ストリップ導体(給電器)17の出力端がストリップ導体(共振器)14の最終段から出力することができる。
さらに、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、ストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17が極細のスリットにより、切り離すことができる。
さらに、本発明のダブルストリップ共振器の給電装置においては、ストリップ導体(共振器)14とストリップ導体(給電器)17を切り離すことなく繋いで直接給電することも出来る。
(イ)給電器によるコネクタの中心導体の挟み込み給電による逆位相の電流によるスプリアス共振の抑圧方法
ダブルストリップ共振器の給電器をダブルストリップ共振器と同一平面上に作製することで、図8に示すように、不要な逆位相の電流による共振が励振されず、同位相の電流だけの良好な周波数特性を得ることができる。
(ロ)給電器によるコネクタの中心導体の挟み込み給電による効果
一般的にこのような共振器にあっては、入出力を得るために給電が必要である。図5に示すように本発明による給電方法は共振器と同一平面上に作製した給電器であるストリップ導体でSMAコネクタの中心導体を挟み込むように接触させることで入出力を得る。このような構造にすることで、給電器であるストリップ導体と共振器であるストリップ導体を同一平面上に低損失材料の超電導体で一般的なフォトリソグラフィを用いて同時に作製できることから、特許文献2で問題であった給電器部分の調整を作製、測定時に行う必要がなくなり容易に共振器及びフィルタを実現でき、なおかつ給電器を低損失材料である超電導体で作製できることから高いQuを実現できる利点を有する。
(ハ)ダブルストリップ共振器と挟み込み給電を用いた3段超電導バンドパスフィルタ(BPF)の設計
図10、12より、本発明を用いて構成したフィルタとダブルストリップ共振器と同軸給電を用いたフィルタではほぼ同等のサイズであることがわかる。また、図13(a)より、本発明を用いて構成したフィルタとダブルストリップ共振器と同軸給電を用いたフィルタではほぼ同等の周波数特性を示すことがわかる。しかし、図13(b)の帯域内の挿入損失の拡大図を見ると、本発明を用いて構成したフィルタはダブルストリップ共振器と同軸給電を用いたフィルタと比較して、低損失である利点を有する。
本発明において用いる第二の誘電体は、固体でも、液体でも、気体でもよいが、共に絶縁性(誘電性)を要求される。
誘電体が空気層の場合、二枚のストリップ導体はスルーホールを介さず互いに容易に導通をとることができるため、給電の位置に関わらず偶モード(同位相)だけを容易に得ることができる。
ストリップ導体に用いる常電導体や超電導体についても、知られているどのようなものでも用いることが出来る。
これら接地導体20、20間には、第二の誘電体を介して、二枚のストリップ導体14、14とストリップ導体17、17、17、17が配置されている。ストリップ導体14、14はそれぞれ誘電体10、11、12の比誘電率や厚さ等を考慮して幅(W)が決定されるとともに、その長さ(l)が、目的とする共振周波数の波長の約1/2となるように設定されている。また、ストリップ導体17、17、17、17はストリップ導体14、14の入出力を得るための給電線(給電器)である。
二枚のストリップ導体14、14及び、ストリップ導体17、17、17、17は互いに所定の間隔を隔てて位置し、接地導体20、20に対して平行に延びるようにして位置している。これらのストリップ導体14、14及び、ストリップ導体17、17、17、17の材質としては、導体損の小さい材料で特に超電導材料が望ましい。また、二枚のストリップ導体14、14及び四枚のストリップ導体17、17、17、17を誘電体10の上面と誘電体12の下面に形成し、誘電体11を介して、積層状に積み重ねて配置されている。
図3の構造で実際にSMAコネクタ18を用いて実装した際の断面図を図5に示す。図5に示すように、接地導体20を包み込む導体の筺体19の側面に設置したSMAコネクタ18の中心導体13部分を誘電体10の上面と誘電体12の下面に形成したストリップ導体17、17、17、17で挟み込むように接触させることで、信号の入出力を得る。この際、誘電体11を用いなくてもよいことから、誘電体11は空気層(真空)でも良い。
このような構造にすることで、給電線(給電器)であるストリップ導体17、17、17、17と共振器であるストリップ導体14、14を同一平面上に低損失材料の超電導体で一般的なフォトリソグラフィを用いて同時に作製できることから、特許文献2で問題であった同軸給電の調整を作製、測定時に行う必要がなくなり容易に共振器及びフィルタを実現でき、なおかつ給電線(給電器)を低損失材料である超電導体で作製できることを高いQuを実現できる利点を有する。したがって、本発明は特許文献2で問題となっていた、同軸線路部分の材質によるQuの劣化、測定時の同軸線路の調整の煩雑さなどの問題をすべて解決することができる。
ダブルストリップ共振器の電流は図6の磁界分布から接地導体側の二枚のストリップ導体14、14の表面にそのほとんどの高周波電流が流れる。周波数が高いミリ波では、ストリップ導体14、14の表面の凹凸が導体損失の増加につながりQuの劣化つながる。しかし、高周波電流は図6に示すようにストリップ導体の接地導体側に流れることから、ストリップ導体加工時の導体表面の劣化の影響を受けないため、高いQuを実現できる。
また、二枚のストリップ導体14、14を誘電体10の上面と誘電体12の下面にエピタキシャル成長させた超電導体を加工して形成する場合には、超電導体が誘電体10、12にエピタキシャル成長する初期の最も良好に結晶が配列している表面抵抗が小さい部分に図1に示す最大の高周波電流を流すことが可能となることから、ストリップ導体14、14の厚さ(t)は特に表面抵抗を下げるために表皮深さ(超電導体の場合、磁場侵入長)の3倍かあるいはそれよりも大きな厚さをもって形成しても、膜表面の表面抵抗が高い部分の影響を少なくでき、印加できる電力を有利に向上させることができる。
図7の断面図は、図6のストリップ導体(給電器)17、17、17、17が誘電体10の上にだけストリップ導体(給電器)17、17として配置されている場合である。図8は本発明に従って構成された図6の2枚のストリップ導体14、14とストリップ導体(給電器)17、17、17、17が誘電体12の下面と誘電体10の上面に配置した場合の周波数特性と図7の誘電体10の上にだけストリップ導体(給電器)17、17として配置されている場合の周波数特性の比較である。図8より、図7の給電方法の場合、目的の同位相の電流による共振(5.0 GHz)と不要な逆位相の電流による共振(5.3 GHz)が同時に励振され同位相の電流による共振の高周波側にスプリアスとして存在し帯域外遮断特性を著しく劣化させる。一方、本発明である図6のストリップ導体(給電器)17、17、17、17によって中心導体13を挟み込んで給電する場合、逆位相の電流による共振が励振されず、同位相の電流だけの良好な周波数特性を示すことが判明した。したがって、同位相の電流による共振だけを得るためには、共振器と同一平面上にそれぞれストリップ導体(給電器)17、17、17、17を設けなければならない。
図10と図12を比較すると、入出力の給電器部分が違うだけでほぼ同等のサイズであることがわかる。図13(a)に、図10に示す本発明によって構成されたダブルストリップ共振器フィルタと図12に示す従来のダブルストリップ共振器と同軸線路で構成されたフィルタの周波数特性を示す。ここで図13(a)の「Filter A」とは従来のダブルストリップ共振器と同軸線路で構成されたフィルタであり、「Filter B」とは本発明によって構成されたダブルストリップ共振器フィルタである。図13(a)より、二つのフィルタはほぼ同等の周波数特性を示すことがわかり、また、不要な逆位相の電流による共振も抑圧できていることがわかる。帯域内の挿入損失の拡大図を図13(b)に示す.ここで図13(b)の「Filter A」とは従来のダブルストリップ共振器と同軸線路で構成されたフィルタであり、「Filter B」とは本発明によって構成されたダブルストリップ共振器フィルタである。図13(b)より最少挿入損失は従来のダブルストリップ共振器フィルタが0.075 dBで,本発明によって構成したダブルストリップ共振器フィルタが0.008 dBである。このときの挿入損失からQuを計算すると従来のダブルストリップ共振器フィルタのQuが約12,000であり、本発明のダブルストリップ共振器フィルタのQuが約120,000であった。本発明のダブルストリップ共振器フィルタのQuが従来のダブルストリップ共振器フィルタの約10倍のQuを実現できたのは,給電器部分も低損失の超電導体で実現できるためである。したがって、本発明を用いることで大幅なQuの向上を実現できることを明らかにした。
10 第一の誘電体
11 第二の誘電体
12 第一の誘電体
13 中心導体
14 ストリップ導体(共振器)
17 ストリップ導体(給電器)
18 SMAコネクタ
19 導体の筺体
20 接地導体
25 同軸給電線路
26 共振器
27 共振器
28 共振器
35 ストリップ導体(給電器)
36 共振器
37 共振器
38 共振器
Claims (11)
- 一対の第一の誘電体と、
前記一対の第一の誘電体の間に配置された第二の誘電体と、
共振器用ストリップ導体と、
前記共振器用ストリップ導体への給電線となる給電用ストリップ導体と、を備えたダブルストリップ共振器に給電する給電方法であって、
前記一対の第一の誘電体の前記第二の誘電体と反対側の面である外側面にそれぞれ導体層を設けて一対の接地導体とし、
一方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第一の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
他方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第二の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
前記第一の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、円柱状のコネクタの中心導体を上下方向に挟み込み、前記給電用ストリップ導体が前記中心導体と線接触するダブルストリップ共振器の給電方法。 - 一対の第一の誘電体と、
前記一対の第一の誘電体の間に配置された第二の誘電体と、
共振器用ストリップ導体と、
前記共振器用ストリップ導体への給電線となる給電用ストリップ導体と、を備えたダブルストリップ共振器に給電する給電方法であって、
前記一対の第一の誘電体の前記第二の誘電体と反対側の面である外側面にそれぞれ導体層を設けて一対の接地導体とし、
一方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第一の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
他方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第二の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
前記第一の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、コネクタの中心導体を上下方向に挟み込み、前記給電用ストリップ導体が前記中心導体と線接触するダブルストリップ共振器の給電方法。 - 前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体が超電導体であり、前記コネクタと前記中心導体が常電導体である請求項2に記載したダブルストリップ共振器の給電方法。
- 一対の第一の誘電体と、
前記一対の第一の誘電体の間に配置された第二の誘電体と、
共振器用ストリップ導体と、
前記共振器用ストリップ導体への給電線となる給電用ストリップ導体と、を備え、
前記一対の第一の誘電体の前記第二の誘電体と反対側の面である外側面にそれぞれ導体層を設けて一対の接地導体とし、
一方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第一の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
他方の前記第一の誘電体の前記第二の誘電体側の面である第二の内側面には、前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体とが、前記接地導体の平面と平行に設けられており、
前記第一の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記共振器用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、前記第二の誘電体を介して所定の間隔で対向しており、
前記第一の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた前記給電用ストリップ導体とが、コネクタの中心導体を上下方向に挟み込み、前記給電用ストリップ導体が前記中心導体と線接触するダブルストリップ共振器。 - 前記共振器用ストリップ導体の長さは、共振周波数の波長の半分の長さとなることを特徴とした請求項4に記載のダブルストリップ共振器の給電装置。
- 前記第二の誘電体が、気体、液体、固体、及び真空から選ばれる請求項4又は請求項5に記載したダブルストリップ共振器の給電装置。
- 前記第一の内側面に設けられた1つの前記共振器用ストリップ導体と、前記第二の内側面に設けられた1つの前記共振器用ストリップ導体とを前記共振器用ストリップ導体の対として、
前記共振器用ストリップ導体の対が複数設けられている請求項4ないし請求項6のいずれか1項に記載したダブルストリップ共振器の給電装置。 - 前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体が超電導体であり、前記コネクタと前記中心導体が常電導体である請求項4ないし請求項7のいずれか1項に記載のダブルストリップ共振器の給電装置。
- 前記共振器用ストリップ導体が多段構造を有し、前記給電用ストリップ導体の入力端が、前記共振器用ストリップ導体の初段に入力され、前記給電用ストリップ導体の出力端が前記共振器用ストリップ導体の最終段から出力される請求項4ないし請求項8のいずれか1項に記載のダブルストリップ共振器の給電装置。
- 前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体がスリットにより、切り離されている請求項4ないし請求項9のいずれか1項に記載のダブルストリップ共振器の給電装置。
- 前記共振器用ストリップ導体と前記給電用ストリップ導体が切り離されていない請求項4ないし請求項9のいずれか1項に記載のダブルストリップ共振器の給電装置。
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