JP6633562B2

JP6633562B2 - 高周波回路

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Publication number: JP6633562B2
Application number: JP2017053117A
Authority: JP
Inventors: 民雄河口; 裕章池内; 教次塩川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: US20180270942A1; JP2018157395A

Description

本発明の実施形態は、高周波回路に関する。

従来、無線または有線で情報通信を行う通信機器は、アンプ、ミキサ、フィルタ、移相器等を含む高周波回路を備える。高周波回路を低温環境下で動作させる場合には、回路部品を低温に保つ必要があり、外部との熱接触を低減する必要がある。そのために、真空断熱層の内部に回路素子を設置して外部からの熱侵入を遮断したり、断熱部材と金属箔を組み合わせたシートを積層して、輻射熱を低減する手法が知られている。しかしながら、高周波回路に用いられる誘電体基板は放射率が高いため、基板が外部から受ける輻射熱が大きくなり、高周波回路を十分に冷却できなくなる場合があった。

特許第４８９５０２９号公報特許第３９５８３５１号公報

本発明が解決しようとする課題は、冷却された高周波回路の温度上昇を抑制することができる高周波回路を提供することである。

実施形態の高周波回路は、誘電体基板と、信号線路と、回路素子と、抑制部材とを持つ。信号線路は、前記誘電体基板上の片面または両面に形成され、高周波信号を伝送する。回路素子は、前記誘電体基板上の片面または両面に形成される。抑制部材は、前記誘電体基板への輻射熱を抑制する。また、抑制部材は、前記誘電体基板よりも熱放射率の低い導体を含む金属電極であり、前記誘電体基板上の片面または両面の前記信号線路と接触しない位置に少なくとも１つ設置される。また、抑制部材の共振周波数は、前記信号線路を伝送する信号の周波数以上である。

高周波処理装置１０の構成について説明するための図。第１の実施形態の高周波回路１００の一部を切り出して示す図。抑制部材１３０の電気長と、信号線路１２０の通過損失との関係を示す図。第２の実施形態の高周波回路１００Ａの一部を切り出して示す図。周波数の変化に伴う信号線路１２２、１２４、および結合共振器１５０の振幅特性の関係を示す図。周波数の変化に伴う信号線路１２２、１２４、および結合共振器１５０の位相特性の関係を示す図。第２の実施形態の高周波回路１００Ａにおける信号線路間のアイソレーションの一例を示す図。第３の実施形態に係る高周波回路１００Ｂの一部を切り出して示す図。第４の実施形態に係る高周波回路１００Ｃの一部を切り出して示す図。

以下、実施形態の高周波回路を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態の高周波回路が収容される高周波処理装置について説明する。図１は、高周波処理装置１０の構成について説明するための図である。高周波処理装置１０は、例えば、気密容器２０と、ベースプレート３０と、コールドヘッド（冷却端）４０と、連結部４０ａと、圧縮機５０と、複数の高周波回路１００−１〜１００−ｎ（ｎは、２以上の自然数）とを備える。以下、何れの高周波回路であるか区別しないときは、「高周波回路１００」と総称する。また、コールドヘッド（冷却端）４０、連結部４０ａ、および圧縮機５０は、冷却機の構成の一部である。高周波処理装置１０には、冷却機の他の構成が含まれてもよい。

気密容器２０は、例えば、図示しないポンプによる排気によって内部を断熱効果の高い低圧状態に維持する。気密容器２０は、例えば、ステンレス鋼等の金属材料により形成されている。

ベースプレート３０の第１の面（上面）には、高周波回路１００が搭載される。また、ベースプレート３０は、第１の面と反対側の第２の面（下面）において圧縮機５０により冷却されるコールドヘッド４０と接触する。また、ベースプレート３０は、高周波回路１００へ信号を入力する入力ケーブル６０および信号を出力する出力ケーブル７０が固定されている。入力ケーブル６０を介して供給された入力信号は、高周波回路１００に供給される。また、高周波回路１００により出力された信号は、出力ケーブル７０に出力される。

コールドヘッド４０は、連結部４０ａによって気密容器２０の外部の圧縮機５０に接続されている。連結部４０ａは、気密性を保持しながら気密容器２０の壁部を貫通する。コールドヘッド４０は、ベースプレート３０を介して高周波回路１００の熱を圧縮機５０側に放熱する。

圧縮機５０は、例えば、気体の冷媒（冷媒ガス）を圧縮し、圧縮した冷媒等を用いてコールドヘッド４０を所定の温度まで冷却する。入力ケーブル６０は、外部からの信号を高周波処理装置１０に供給する。出力ケーブル７０は、高周波処理装置１０により供給される信号を外部に出力する。

高周波回路１００は、ベースプレート３０の第１の面に搭載される。高周波回路１００は、入力される高周波信号の増幅、合成、フィルタリング、分配等の処理を行う。高周波回路１００は、例えば、アンプ、ミキサ、フィルタ、分配回路、移相回路等を含む。高周波回路１００の具体的な構成については後述する。

例えば、高周波処理装置１０は、圧縮機５０によりコールドヘッド４０を冷却させることで、ベースプレート３０を介して、高周波回路１００が低温（例えば、１５０［Ｋ］以下）になるまで冷却する。これにより、高周波回路１００は、低温状態となるため、例えば超伝導材料を回路部材に用いた場合、高周波回路は超伝導状態なり、熱雑音を減少させた高精度な信号処理を実現することができる。

次に、高周波回路１００の構成について説明する。図２は、第１の実施形態の高周波回路１００の一部を切り出して示す図である。高周波回路１００の一部には、例えば、誘電体基板１１０と、信号線路１２０と、抑制部材１３０と、接地導体１４０とが設けられる。

誘電体基板１１０は、例えば、高周波帯において低損失な誘電体材料であるアルミナ等のセラミックス素材の基板や、サファイア、酸化マグネシウム等の単結晶で形成された基板である。誘電体基板１１０の第１の面（上面）には、高周波信号を伝送する信号線路１２０が形成されている。

信号線路１２０は、例えば、マイクロストリップ線路である。信号線路１２０は、信号入力端部１２０ａに入力された高周波信号を、信号出力端部１２０ｂから出力する。

抑制部材１３０は、例えば、誘電体基板１１０に生じる輻射熱を抑制する。抑制部材１３０は、例えば、金、銀、銅等の放射率の低い導体を含む金属電極である。抑制部材１３０は、誘電体基板１１０の上面の基板が露出された部分に対して、信号線路１２０と接触しない位置に、少なくとも一つが配置される。

また、抑制部材１３０は、抑制部材１３０同士が接触しないように、間隔を持って配置される。また、抑制部材１３０は、例えば、誘電体基板１１０を覆う面積が、元の誘電体基板１１０の露出面積の３０％以上の面積となるように配置される。誘電体基板１１０の露出面積が、小さくなるように、抑制部材１３０は多数設置されると好適である。

誘電体基板１１０の第２の面（下面）には、接地導体１４０が形成されている。抑制部材１３０は、例えば、接地導体１４０とスルーホール等で接続することで接地される。これにより、誘電体基板１１０上に形成された信号線路１２０の周りに高周波特性に影響のないグランドパターンを配置することができる。

なお、誘電体基板１１０がスルーホール加工の困難な回路構成である場合には、グランドに相当する抑制部材１３０を配置すると、抑制部材１３０自体が共振して周囲の高周波回路１００に影響を及ぼす可能性がある。

誘電体基板１１０がスルーホール加工の困難な回路構成である場合、或いは、誘電体基板１１０がスルーホール加工可能な回路構成である場合であっても、抑制部材１３０は、共振周波数が信号線路１２０を伝送する信号の周波数以上になるように設定され、より好ましくは、最低次の共振周波数が信号線路１２０を伝送する信号の周波数以上になるように設定されると好適である。

また、抑制部材１３０は、高周波回路１００に影響を及ぼさない範囲に電気長が設定されてもよい。図３は、抑制部材１３０の電気長と、信号線路１２０の通過損失との関係を示す図である。図３の横軸は抑制部材１３０の電気長［波長］を示し、縦軸は信号線路１２０の通過損失［ｄＢ］を示す。図３では、例えば、厚さ０．５［ｍｍ］、誘電率９．６のアルミナ基板を用いたマイクロストリップ線路を信号線路１２０とし、その信号線路１２０に周波数５ＧＨｚの信号を伝送した場合の、抑制部材１３０の電気長と、信号線路１２０の通過損失との関係を現している。

図３に示す関係によれば、例えば、抑制部材１３０の電気長が０．５［波長］（λ／２λ）付近においては、通過損失は、約０．５［ｄＢ］となる。この通過損失は、抑制部材１３０自体が、信号線路１２０を通過する信号付近で共振することにより発生する。通過損失は、約０．５［ｄＢ］以下であればよい。その場合、抑制部材１３０の電気長は、信号線路１２０が伝送する信号の１／２波長以下にすると好適である。

また、抑制部材１３０の電気長を０．５［波長］から小さくしていくと、通過損失も減少し、抑制部材１３０の電気長を１／４［波長］（λ／４）以下にした場合、通過損失は、安定的に約０．１［ｄＢ］程度に抑制される。したがって、抑制部材１３０の電気長は、信号線路１２０が伝送する信号の１／４波長以下にすると更に好適である。この場合、抑制部材１３０を伝送する信号の波長は、信号線路１２０を伝送する信号の波長に対して、１／４倍以下となる。

また、抑制部材１３０の形状は、例えば、三角形、矩形、正多角形、円形、楕円形、菱形、星形等の形状、または、複数の異なる形状が組み合わせた形状である。これらの形状は、例えば、誘電体基板１１０の形状や信号線路１２０の配線パターン、誘電体の露出された領域の形状等に応じて設定されてもよい。また、誘電体基板１１０には、上述した構成の他、アンプ、ミキサ、フィルタ、分配回路、移相回路等の各種回路素子が設けられていてもよい。

以上説明したように、第１の実施形態の高周波回路１００によれば、誘電体基板１１０に生じる輻射熱を抑制し、誘電体基板１１０から回路部分に熱が伝達されるのを抑制することができる。この結果、高周波特性を劣化させずに熱侵入を低減することができる。したがって、例えば、高周波回路１００を冷却して超伝導状態にする場合に、熱の上昇を抑制するため、安定して超伝導状態を維持することができる。

（第２の実施形態）
次に、高周波回路の第２の実施形態の構成について説明する。第２の実施形態の高周波回路１００Ａは、第１の実施形態の高周波回路１００と比較すると、第１の信号線路１２２と、第２の信号線路１２４と、結合共振器１５０とを備える点で相違する。したがって、以下の説明では、第１の信号線路１２２、第２の信号線路１２４、および結合共振器１５０の構成を中心に説明する。また、以下の説明では、第１の実施形態の高周波回路１００と同様の機能を備える構成については、同一の名称および符号を用いることとし、具体的な説明は省略する。

図４は、第２の実施形態の高周波回路１００Ａの一部を切り出して示す図である。高周波回路１００Ａには、誘電体基板１１０上に並行に配置される第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４を備える。第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４は、例えば、マイクロストリップ線路である。第１の信号線路１２２は、信号入力端部１２２ａから入力された高周波信号を信号出力端部１２２ｂから出力させる。第２の信号線路１２４は、信号入力端部１２４ａから入力された信号を信号出力端部１２４ｂから出力させる。

例えば、二つの信号線路が並列して配置されている場合、片方の信号線路を流れる電流により磁界が発生し、もう一方の信号線路と磁界結合することで、信号線路間のアイソレーション（信号の漏れ）が発生し、特性が劣化する可能性がある。そこで、高周波回路１００Ａには、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４との間に、結合共振器１５０が配置されている。結合共振器１５０は、例えば、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４との距離Ｄが閾値以下の場合に配置される。

結合共振器１５０は、例えば、所定の周波数（例えば、９［ＧＨｚ］）で共振する２つの共振器１５０Ａおよび１５０Ｂを備える。共振器１５０Ａおよび１５０Ｂは、例えば、互いに並行に配置されるとともに、第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４とも並行に配置される。また、共振器１５０Ａおよび１５０Ｂは、例えば、共振素子で形成される。また、共振器１５０Ａおよび１５０Ｂは、それぞれ複数の抑制部材１３０を電気的に繋げて形成されてもよい。これにより、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４とが直接磁界で結合し、その間にある結合共振器１５０は、共振器１５０Ａと１５０Ｂとの間も結合する。更に、共振器１５０Ａの磁界は、第１の信号線路１２２の磁界と結合し、共振器１５０Ｂの磁界は、第２の信号線路１２４の磁界と結合する。

ここで、第１の信号線路１２２、第２の信号線路１２４、および結合共振器１５０のそれぞれの振幅特性および位相特性の関係について説明する。図５は、周波数の変化に伴う信号線路１２２、１２４、および結合共振器１５０の振幅特性の関係を示す図である。図５の横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はアイソレーション［ｄＢ］を示す。例えば、共振器１５０Ａおよび１５０Ｂは、電気長を０．５［波長］とし、約９［ＧＨｚ］で共振するものとする。この場合、図５に示すような振幅特性の関係が現れる。図５では、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４が直接結合した場合の振幅特性のアイソレーション結果２０２に、第１の信号線路入力部（例えば、信号入力端部１２２ａ）から結合共振器１５０を介して、第２の信号出力部（例えば、信号出力端部１２４ｂ）から出力される高周波信号の振幅特性のアイソレーション結果２０４とを示している。図５に示す関係によれば、結合共振器１５０により振幅特性のピークは、周波数ｆｌと周波数ｆｈとで二つに分かれる。

また、図６は、周波数の変化に伴う信号線路１２２、１２４、および結合共振器１５０の位相特性の関係を示す図である。図６の横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は移相［度］を示す。例えば、９［ＧＨｚ］で共振する０．５［波長］の長さの共振器１５０Ａおよび１５０Ｂを結合させた場合、図６に示すような位相特性の関係が現れる。図６では、第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４における位相特性の結果２１２と、結合共振器１５０を介した位相特性の結果２１４とを示している。図６に示す関係によれば、二つに分かれた共振ピークの前後で位相が反転する。したがって、第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４におけるアイソレーションと、結合共振器１５０の中心周波数（例えば、最低次の共振周波数）付近の振幅特性が同じ量になるように結合共振器１５０の結合度合を設定することで、２つの磁界を逆位相で打ち消しあわせる、もしくは弱めあわせることができる。

図７は、第２の実施形態の高周波回路１００Ａにおける信号線路間のアイソレーションの一例を示す図である。図７の横軸は周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸はアイソレーション特性［ｄＢ］を示す。図７の例では、図５に示す振幅特性と、図６に示す位相特性との結果を反映したアイソレーション特性を示している。図７では、周波数の変化に対する、結合共振器１５０を備えていない第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４のアイソレーション結果２２２と、結合共振器１５０備えた第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４のアイソレーション結果２２４とを示している。

図７に示すように、結合共振器１５０を備えた第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４のアイソレーションは、結合共振器１５０を備えていない場合に比して、結合共振器１５０の中心周波数（９［ＧＨｚ］）付近で約１０［ｄＢ］以上改善することが分かる。したがって、第１の信号線路１２２および第２の信号線路１２４との間の電磁結合によって生じる物理量と、結合共振器１５０を介して生じる高周波信号の物理量とが、結合共振器１５０の最低次の共振周波数において等しい場合に、位相逆転による打ち消し効果が大きくなる。物理量とは、例えば、電磁結合によって生じる電磁結合量である。

以上説明したように、第２の実施形態の高周波回路１００Ａによれば、第１の実施形態と同様の効果を奏する他、信号線路や素子間のアイソレーションを改善することができる。また、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４との間を磁界の影響が生じないように離す必要がなくなるため、高周波回路１００Ａを小型化することができる。

（第３の実施形態）
次に、高周波回路の第３の実施形態の構成について説明する。第３の実施形態の高周波回路１００Ｂは、第２の実施形態の高周波回路１００Ａと比較すると、高周波回路１００Ｂに誘電体部材１６０を備える点で相違する。したがって、以下の説明では、誘電体部材１６０の構成を中心に説明する。また、以下の説明では、第２の実施形態の高周波回路１００Ａと同様の機能を備える構成については、同一の名称および符号を用いることとし、具体的な説明は省略する。

図８は、第３の実施形態に係る高周波回路１００Ｂの一部を切り出して示す図である。高周波回路１００Ｂは、共振器１５０Ａおよび１５０Ｂ間の電磁結合量または周波数を調整するための二つの誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂを備える。

二つの誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂは、例えば、棒状に形成され、結合共振器１５０上に取り付けられる。二つの誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂの距離を近づけたり、遠ざけたりすることで、結合共振器１５０の電磁結合量または共振周波数のうち、少なくとも一方を調整することができる。例えば、二つの誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂは、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４との間の電磁結合によって生じる電磁結合量と、結合共振器１５０に生じる電磁結合量とに関して、最も打ち消し効果が得られるように結合共振器１５０の結合量や共振周波数を調整するため、結合共振器１５０の上部の位置に設定される。

ここで、誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂの材料は、例えば、高周波において低損失な特性を有する誘電体材料が好ましく、サファイアやアルミナが用いられる。また、誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂの形状は、例えば、角柱や基板状のものでもよい。また、誘電体部材１６０Ａは誘電体基板の上面に配置されるため、高周波回路１００Ｂの一部を覆うようなカバーに設置し、誘電体部材1６０Ａと高周波回路１００Ｂ間に一定の間隔を保って配置されてもよい。

以上説明したように、第３の実施形態の高周波回路１００Ｂによれば、第１および第２の実施形態と同様の効果を奏する他、第１の信号線路１２２と第２の信号線路１２４との間の電磁結合によって生じる高周波信号の物理量と、結合共振器１５０に生じる高周波信号の物理量とに関して、最も打ち消し効果が得られる位置に誘電体部材１６０Ａおよび１６０Ｂを設置することで、線路や素子間のアイソレーションを、より改善することができる。

（第４の実施形態）
次に、高周波回路の第４の実施形態の構成について説明する。第４の実施形態の高周波回路１００Ｃは、第２の実施形態の高周波回路１００Ａと比較すると、高周波回路１００Ｃに回路素子の一例としての分配回路１７０を備える点で相違する。したがって、以下の説明では、分配回路１７０の構成を中心に説明する。また、以下の説明では、第２の実施形態の高周波回路１００Ａと同様の機能を備える構成については、同一の名称および符号を用いることとし、具体的な説明は省略する。

図９は、第４の実施形態に係る高周波回路１００Ｃの一部を切り出して示す図である。高周波回路１００Ｃは、例えば、誘電体基板１１０上に、信号線路１２６と、抑制部材１３０と、結合共振器１５０と、分配回路１７０とを備える。分配回路１７０は、例えば、一つの信号線路から入力された信号を二つの信号線路に分配して出力する。なお、図示していないが、分配回路１７０は、分配後の線路間に吸収抵抗を接続し、ウィルキンソン電力分配回路を構成してもよい。

信号線路１２６は、例えば、マイクロストリップ線路である。図９の例では、信号入力端部１２６ａから入力された高周波信号が、複数の分配回路１７０を介して八つに分配され、それぞれの信号線路１２６の信号出力端部１２６ｂ〜１２６ｉから出力される。また、信号線路１２６間には、所定間隔ごとに複数の抑制部材１３０が配置される。また、信号線路１２６の間に結合共振器１５０が配置される。

以上説明したように、第４の実施形態の高周波回路１００Ｃによれば、第１および第２の実施形態と同様の効果を奏する他、抑制部材１３０および結合共振器１５０により、線路間のアイソレーションを改善することができるため、分配回路１７０における分配比のアンバランスも改善することができる。

第１〜第４の実施形態のそれぞれは、他の実施形態の一部または全部と組み合わせてもよい。上述した高周波回路１００、１００Ａ、１００Ｂ、および１００Ｃにおいては、誘電体基板１１０の上面の代わりに、もしくは加えて、下面に信号線路または回路素子を備えてもよい。また、所定の空隙を設けて複数の抑制部材１３０が配列された抑制パッドを、誘電体基板１１０上に取り付けてもよい。この場合、抑制パッドは、例えば、抑制部材１３０の大きさと空隙の大きさが等しくなるように配列されている。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、高周波回路１００は、誘電体基板１１０と、誘電体基板１１０上の片面または両面に形成され、高周波信号を伝送する信号線路１２０と、誘電体基板１１０上の片面または両面に形成された回路素子と、誘電体基板１１０への輻射熱を抑制する抑制部材１３０と、を持ち、抑制部材１３０の共振周波数は、信号線路１２０を伝送する信号の周波数以上とすることにより、温度上昇を抑制することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…高周波処理装置、２０…気密容器、３０…ベースプレート、４０…コールドヘッド、４０ａ…連結部、５０…圧縮機、６０…入力ケーブル、７０…出力ケーブル、１００…高周波回路、１１０…誘電体基板、１２０、１２６…信号線路、１２２…第１の信号線路、１２４…第２の信号線路、１３０…抑制部材、１４０…接地導体、１５０…結合共振器、１６０…誘電体部材、１７０…分配回路

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板上の片面または両面に形成され、高周波信号を伝送する信号線路と、
前記誘電体基板上の片面または両面に形成された回路素子と、
前記誘電体基板への輻射熱を抑制する抑制部材と、を備え、
前記抑制部材は、前記誘電体基板よりも熱放射率の低い導体を含む金属電極であり、前記誘電体基板上の片面または両面の前記信号線路と接触しない位置に少なくとも１つ設置され、
前記抑制部材の共振周波数は、前記信号線路を伝送する信号の周波数以上である、
高周波回路。
前記抑制部材の電気長は、前記信号線路が伝送する信号の１／２波長以下に設定されている請求項１に記載の高周波回路。
前記誘電体基板上に並列に形成された第１の信号線路と第２の信号線路との間に、前記第１の信号線路および前記第２の信号線路を伝送する信号の周波数に対して電気長が１／２波長となる共振器を少なくとも２つ備え、前記少なくとも２つの共振器が電磁結合する結合共振器が配置されている、
請求項１または２に記載の高周波回路。
前記結合共振器に生じる高周波信号の物理量は、前記第１の信号線路と前記第２の信号線路との間の電磁結合によって生じる高周波信号の物理量と、前記結合共振器の最低次の共振周波数において等しい、
請求項３に記載の高周波回路。
前記結合共振器の電磁結合量または周波数の少なくとも一方を調整する誘電体部材を更に備える、
請求項３または４に記載の高周波回路。
前記抑制部材を伝送する信号の波長は、前記信号線路を伝送する信号の波長に対して、１／４倍以下である、
請求項１から５のうち、何れか１項に記載の高周波回路。