JPH05267732A - Frequency variable resonator - Google Patents

Frequency variable resonator

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Publication number
JPH05267732A
JPH05267732A JP4065047A JP6504792A JPH05267732A JP H05267732 A JPH05267732 A JP H05267732A JP 4065047 A JP4065047 A JP 4065047A JP 6504792 A JP6504792 A JP 6504792A JP H05267732 A JPH05267732 A JP H05267732A
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JP
Japan
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ring
frequency
resonator
dielectric film
resonance frequency
Prior art date
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Pending
Application number
JP4065047A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Tono
靖 東野
Katsuo Mizobuchi
勝男 溝渕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
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Abstract

PURPOSE:To provide the title resonator capable of attaining the resonance frequency high in value reaching GHz zone as well as changing the frequency in low band not exceeding specific value. CONSTITUTION:The title frequency variable resonator is composed of a ring 5 comprising a superconductive thin film formed of a superconductive ground plane 2 formed on a substrate 1, a dielectric film 3 formed on the plane 2 and multiple Josephson junctions 6 formed on the dielectric film 3 having the same characteristics as those of the film 3 formed in series, a strip line 4 provided near the ring 5 as well as a magnetic field generating means 7.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は,高周波測定器等で利用
されるマイクロストリップ型共振器に関し,さらに詳し
くは共振周波数を変えることが可能な共振器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microstrip type resonator used in a high frequency measuring instrument or the like, and more particularly to a resonator capable of changing a resonance frequency.

【0002】[0002]

【従来の技術】図3(a),(b),(c)は従来より
使用されているマイクロストリップライン型の構成を示
すもので,(a)は線形共振器,(b)図はU型共振
器,(c)は円板共振器である。これらの共振器はスト
リップライン10の近傍に各種の形状の共振体11a,
11b,11cを配置することにより共振周波数を得て
いるが,共振波長は形状によって決まる固定共振器であ
る。図4はストリップライン10の一端に可変コンデン
サ11を接続し,その容量を変化させることにより共振
周波数を可変としている。また,バラクタダイオ―ドを
用いることにより800MHz 〜1GHz 程度の周波数
を可変としたものが知られている。
2. Description of the Related Art FIGS. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) show a conventional microstrip line type structure, in which (a) is a linear resonator and (b) is U. A type resonator, (c) is a disk resonator. These resonators include resonators 11a of various shapes in the vicinity of the strip line 10,
The resonance frequency is obtained by arranging 11b and 11c, but the resonance wavelength is a fixed resonator determined by the shape. In FIG. 4, a variable capacitor 11 is connected to one end of the strip line 10 and the resonance frequency is made variable by changing the capacitance thereof. Further, it is known that a frequency of about 800 MHz to 1 GHz is made variable by using a varactor diode.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら,上記従
来技術においては図3に示すものは共振周波数が固定さ
れたものであり,図4に示すものにおいてはQ値の高い
共振周波数を得ることが難しいという問題があった。な
お,Q値の高い共振器を得るために超伝導部材を用いる
という報告もあるが,例えば金属系の超伝導膜の場合,
10K以下の環境下でその共振周波数を変化させるのは
難しいという問題があった。本発明は上記従来技術の問
題を解決するために成されたもので,高いQの共振周波
数を得るとともに10K以下でも周波数を変化させるこ
とが可能な共振器を提供することを目的とする。
However, in the above-mentioned prior art, the one shown in FIG. 3 has a fixed resonance frequency, and it is difficult to obtain a resonance frequency having a high Q value in the one shown in FIG. There was a problem. There is also a report that a superconducting member is used to obtain a resonator with a high Q value. For example, in the case of a metallic superconducting film,
There is a problem that it is difficult to change the resonance frequency under the environment of 10K or less. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a resonator capable of obtaining a high Q resonance frequency and changing the frequency even at 10 K or less.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為に
本発明は,基板上に形成された超伝導グランドプレ―ン
と,この超伝導グランドプレ―ン上に形成された誘電体
膜と,この誘電体膜上に形成された同等の特性を有する
複数個のジョセフソン接合が直列に形成された超伝導薄
膜からなるリング及びこのリングの近傍に設けられたス
トリップラインと,前記リングの上方に所定の距離を隔
てて磁界発生手段を設けたことを特徴とするものであ
る。
In order to solve the above problems, the present invention provides a superconducting ground plane formed on a substrate and a dielectric film formed on the superconducting ground plane. , A ring made of a superconducting thin film formed on this dielectric film and having a plurality of Josephson junctions having the same characteristics in series, a stripline provided in the vicinity of this ring, and above the ring. It is characterized in that a magnetic field generating means is provided at a predetermined distance.

【0005】[0005]

【作用】リング内に複数個のジョセフソン接合の等価イ
ンダクタンスが構成されているので,この等価インダク
タンスを外部磁界により変化させれば共振周波数が変化
する。そしてコイルによる磁界は温度に依存しない。
Since a plurality of Josephson junction equivalent inductances are formed in the ring, if the equivalent inductance is changed by an external magnetic field, the resonance frequency changes. And the magnetic field by the coil does not depend on temperature.

【0006】[0006]

【実施例】以下,図面に従い本発明を説明する。第1図
は本発明の一実施例を示すもので,(a)は平面図,
(b)は(a)図のA−A断面図である。これらの図に
おいて,1は例えばMgOやLaAl23等の誘電率の
低い基板であり,2は超伝導部材からなるグランドプレ
―ン(G・P),3はG・P上に形成されたSiO2
Al23等からなる誘電体膜である。4は超伝導部材か
らなる入出力用のストリップライン,5は超伝導部材か
らなるリングであり,このリングの途中には複数個(図
では5個)のジョセフソン接合6が形成されている。7
はリングの上方に所定の距離を隔てて配置された磁界発
生手段(コイル)である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention, (a) is a plan view,
(B) is AA sectional drawing of (a) figure. In these figures, 1 is a substrate having a low dielectric constant, such as MgO or LaAl 2 O 3 , 2 is a ground plane (GP) made of a superconducting member, and 3 is formed on GP. It is a dielectric film made of SiO 2 or Al 2 O 3 . Reference numeral 4 is an input / output strip line made of a superconducting member, 5 is a ring made of a superconducting member, and a plurality of (five in the figure) Josephson junctions 6 are formed in the middle of the ring. 7
Is a magnetic field generating means (coil) arranged above the ring with a predetermined distance.

【0007】上記構成において,リング5の半径をaと
しジョセフソン接合6がない場合のインダクタンスをL
0,リングの静電容量をC,ストリップライン4での電
磁波の位相速度をVp とすると,この場合の共振周波数
0とVp の関係は次式により表わすことができる。 f0=Vp/λ={Vp /(2πa)}・n … λ;共振周波数の波長 (n=1,2,3,…) Vp =1/√(L0C) …´
In the above structure, the radius of the ring 5 is a, and the inductance when there is no Josephson junction 6 is L
0 , the capacitance of the ring is C, and the phase velocity of the electromagnetic wave at the strip line 4 is Vp, the relationship between the resonance frequency f 0 and Vp in this case can be expressed by the following equation. f 0 = Vp / λ = {Vp / (2πa)} · n ... λ; wavelength of resonance frequency (n = 1, 2, 3, ...) Vp = 1 / √ (L 0 C)

【0008】次にリングに直列に複数個のジョセフソン
接合を設け,ジョセフソン接合の臨界電流をIc ,接合
部を流れる電流及び電圧をそれぞれI,Vとすると,ジ
ョセフソン効果より, I=Ic sin θ … V=(h'/2e )(☆θ/☆t) … θ ;ジョセフソン接合のオ―ダ―パラメ―タの位相差 h' ;h/2π(hはプランク定数) e ;電子電荷 ☆ ;偏微分記号 と表わすことができる。
Next, if a plurality of Josephson junctions are provided in series in the ring, the critical current of the Josephson junction is Ic, and the current and voltage flowing through the junctions are I and V, respectively, I = Ic from the Josephson effect. sin θ… V = (h ' / 2e) (☆ θ / ☆ t)… θ; phase difference of the order parameter of Josephson junction h ; h / 2π (h is Planck's constant) e; electron Charge ☆; can be expressed as a partial differential symbol.

【0009】式を時間微分すると ☆I/☆t=Ic cos θ( ☆θ/☆t )… となるから,式より V=(h'/2e )(1/Ic cos θ)・( ☆I/☆t ) =Lj (☆I/☆t )… Lj を( h'/2e )(1/Ic cos θ)… と定義するとジョセフソン接合はLj なるインダクタン
スを等価的に担うことになる。
When the equation is differentiated with time, ☆ I / ☆ t = I c cos θ (☆ θ / ☆ t) ... Therefore, V = (h '/ 2e) (1 / I c cos θ) ・ ( ☆ I / ☆ t) = L j (☆ I / ☆ t) ... L j is defined as (h ' / 2e) (1 / I c cos θ)…, the Josephson junction equivalently has an inductance of L j. I will be responsible.

【0010】いま,共振器のインダクタンスをLt とす
るとこのインダクタンスは Lt (Φx)=L0+Lj (Φx) と表わすことができる。従って,´式においてΦx
によりVp を変化させることによりf0を変化させるこ
とが可能となる。
Now, letting the inductance of the resonator be Lt, this inductance can be expressed as Lt (Φ x ) = L 0 + L jx ). Therefore, Φ x
Thus, it is possible to change f 0 by changing Vp.

【0011】次にジョセフソン接合を1個含む超伝導リ
ングは一般にrf−SQUIDと呼ばれているが,この
リング内の磁束の量子化条件よりリング内の磁束をΦi
とすると θ=2π(Φi /Φ0+k) …
k=0,1,2… Φ0=h/2e ;磁束量子 で表わすことができる。Φi と外部磁束Φx=の関係は Φx=Φi+LIc sin(2πΦi /Φ0) … L;リングのインダクタンス で与えられる。
Next, a superconducting ring including one Josephson junction is generally called an rf-SQUID. The magnetic flux in the ring is Φi according to the quantization condition of the magnetic flux in the ring.
When θ = 2π (Φi / Φ 0 + k) ...
k = 0,1,2 ... Φ 0 = h / 2e; can be represented by a flux quantum. The relationship between Φi and the external magnetic flux Φ x = is given by Φ x = Φ i + LI c sin (2πΦ i / Φ 0 ) ... L; the inductance of the ring.

【0012】図2はα=2πLIc /Φ0をパラメ―タ
にΦxとΦi の関係を示すものである(α…ヒステリシ
スパラメータ)。図2においてα≦1ではΦi はΦx
対して1価,α>1では多価となる。従ってα≦1とな
る様にリングのインダクタンスL,臨界電流Ic を選べ
ばθはΦ xに対して一義的に決まり,この結果式より
ΦxによりLj を一義的に変化させることができる。
FIG. 2 shows that α = 2πLIc / Φ0The parameter
To ΦxAnd Φi (α ... hysterisis
Parameters). In FIG. 2, when α ≦ 1, Φi is ΦxTo
On the other hand, it is monovalent, and when α> 1, it is multivalent. Therefore α ≦ 1
The ring inductance L and critical current Ic
If θ is Φ xIs uniquely determined for
ΦxBy Lj Can be changed uniquely.

【0013】上述までの説明ではリング内にジョセフソ
ン接合を1個設けたものであり,ΦiがΦxに対して一義
的に決まる為にはジョセフソン接合の臨界電流Icと超
伝導インダクタンスLの間にはヒステリシスパラメータ
(α)が α=2πLIc/Φ0<1 の条件が必要である。
In the above description, one Josephson junction is provided in the ring, and in order to uniquely determine Φi with respect to Φ x , the critical current Ic of the Josephson junction and the superconducting inductance L are The condition that the hysteresis parameter (α) is α = 2πLIc / Φ 0 <1 is required between them.

【0014】しかしながら,上記の条件ではLかIcを
小さくしなければならず,Lを小さくすることは共振周
波数が極めて大きくなり,またIcを小さくすることは
流し得る高周波電流が制限されて実用上問題になる。ま
た,α>1で用いることも可能であるが,その場合Lか
cを大きくすることが必要となる。例えばLを大きく
するとLjが相対的に小さくなるし,Icを大きくするこ
とは式よりLjを小さくすることになり,いずれの場
合も共振周波数の変化量を小さくすることになるので実
用上メリットが小さい。
However, under the above conditions, it is necessary to reduce L or Ic. If L is made small, the resonance frequency becomes extremely high, and if Ic is made small, the high-frequency current that can be flown is limited, and it is practically used. It becomes a problem. It is also possible to use α> 1, but in that case it is necessary to increase L or I c . For example, when L is increased, L j becomes relatively small, and when I c is increased, L j is decreased from the equation, and in any case, the amount of change in resonance frequency is decreased. The merit is small.

【0015】本発明ではn個の同等の特性を有するジョ
セフソン接合をリング内に直列に配置している。その結
果,i番目のジョセフソン接合が担う等価的インダクタ
ンスLi jは一つの接合当たり Li j〜(h'/2e)(1/Iccosθi) で表わされ,全体としては と表わすことができる。
In the present invention, n Josephson junctions having equivalent characteristics are arranged in series in the ring. As a result, the equivalent inductance L i j carried by the i-th Josephson junction is represented by L i j ˜ (h ′ / 2e) (1 / I c cos θi) per junction, and as a whole. Can be expressed as

【0016】ここで,フラワイドの量子化条件よりΣθ
i=2π(Φi/Φ0+k) k=1,2,3… であるが,n個のジョセフソン接合の特性が同等である
ので, となる。従って,Lj=(h'/2e・Ic){n/co
s(θ/n)} となり,例えばθ〜0付近ではLj=nL1 jと最低でも
一個のジョセフソン接合の場合のn倍の等価インダクタ
ンスを担うことになる。この結果,nを適当に選べばリ
ングのインダクタンスLと同等の大きさまでにすること
が可能である。
Here, from the Hula-wide quantization condition, Σθ
i = 2π (Φi / Φ 0 + k) k = 1, 2, 3 ... However, since the characteristics of n Josephson junctions are the same, Becomes Therefore, L j = (h '/ 2e · Ic) {n / co
s (θ / n)}, for example, in the vicinity of θ to 0, L j = nL 1 j, which is at least n times the equivalent inductance in the case of one Josephson junction. As a result, if n is properly selected, it can be made as large as the inductance L of the ring.

【0017】この場合,α>1で用いることになるが,
そのためにはLを大きくし,それに伴ってnを大きくす
ればインダクタンスの変化量を大きくとることができ
る。このようにnを適当に選ぶことでLを任意の値に定
めることができる。つまり共振周波数の中心周波数を任
意に変えることが出来る様になり実用上のメリットが大
きなものとなる。従って外部磁界を部分的に掃引するこ
とで接合の持つインダクタンスを大きく変えることがで
き共振周波数の変化を大きくすることができる。
In this case, when α> 1 is used,
For that purpose, the amount of change in inductance can be increased by increasing L and increasing n accordingly. Thus, L can be set to an arbitrary value by appropriately selecting n. That is, the center frequency of the resonance frequency can be arbitrarily changed, which is a great practical advantage. Therefore, by partially sweeping the external magnetic field, the inductance of the junction can be largely changed and the change of the resonance frequency can be increased.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明した様
に本発明によれば,外部磁界により変化するジョセフソ
ン接合の等価インダクタンスをリング型共振器内に複数
個構成したため,リングのインダクタンスを磁界により
変化させることにより周波数可変共振器を実現すること
ができ,接合のインダクタンスを大きく,磁界による変
化量を大きくできるので掃引する共振周波数の幅を大き
くすることができる。また,ジョセフソン接合の臨界電
流(Ic)を大きくとることができるので,流し得る高
周波電流も大きくとることができる。更に,リングを超
伝導部材としたため損失が非常に小さいので本質的にQ
値の高いものとなる。
According to the present invention as described in detail with reference to the above embodiments, since a plurality of equivalent Josephson junction inductances which are changed by an external magnetic field are formed in a ring type resonator, the ring inductance is reduced to the magnetic field. It is possible to realize a variable frequency resonator by changing the variable frequency, and to increase the inductance of the junction and increase the amount of change due to the magnetic field, so that the width of the resonant frequency to be swept can be increased. Moreover, since the critical current (I c ) of the Josephson junction can be made large, the high frequency current that can be made to flow can also be made large. Furthermore, since the ring is made of a superconducting material, the loss is very small, so Q is essentially
The value will be high.

【0019】[0019]

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を示す平面図(a)及び
(a)図のA−A断面図(b)である。
FIG. 1 is a plan view (a) and an AA cross-sectional view (b) of the (a) view showing an embodiment of the present invention.

【図2】磁束量子Φ0,リング内の磁束Φi 及び外部磁
束Φxの関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship among a magnetic flux quantum Φ 0 , a magnetic flux Φ i in a ring, and an external magnetic flux Φ x .

【図3】従来装置の構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional device.

【図4】従来装置の他の構成図である。FIG. 4 is another configuration diagram of a conventional device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 超伝導グランドプレ―ン 3 誘電体膜 4 ストリップライン 5 リング 6 ジョセフソン接合 7 磁界発生手段(コイル) 1 substrate 2 superconducting ground plane 3 dielectric film 4 stripline 5 ring 6 Josephson junction 7 magnetic field generating means (coil)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成された超伝導グランドプレ
―ンと,この超伝導グランドプレ―ン上に形成された誘
電体膜と,この誘電体膜上に形成された同等の特性を有
する複数個のジョセフソン接合が直列に形成された超伝
導薄膜からなるリング及びこのリングの近傍に設けられ
たストリップラインと,前記リングの上方に所定の距離
を隔てて磁界発生手段を設けたことを特徴とする周波数
可変共振器。
1. A superconducting ground plane formed on a substrate, a dielectric film formed on the superconducting ground plane, and equivalent properties formed on the dielectric film. A ring composed of a superconducting thin film in which a plurality of Josephson junctions are formed in series, a stripline provided in the vicinity of the ring, and a magnetic field generating means are provided above the ring at a predetermined distance. Characteristic variable frequency resonator.
JP4065047A 1992-03-23 1992-03-23 Frequency variable resonator Pending JPH05267732A (en)

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JP4065047A JPH05267732A (en) 1992-03-23 1992-03-23 Frequency variable resonator

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JP4065047A JPH05267732A (en) 1992-03-23 1992-03-23 Frequency variable resonator

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100361938B1 (en) * 2000-08-18 2002-11-22 학교법인 포항공과대학교 Resonating apparatus for a dielectric substrate
US7253701B2 (en) * 2004-11-30 2007-08-07 Northrop Grumman Corporation Multiplexed amplifier
US10084436B2 (en) 2016-07-15 2018-09-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Computing device comprising a josephson junction

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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