JPH0595213A

JPH0595213A - 酸化物超伝導アンテナ

Info

Publication number: JPH0595213A
Application number: JP27891291A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nagai; 靖浩永井; Takafumi Suzuki; 尚文鈴木; Keiichiro Ito; 圭一郎伊藤; Osamu Michigami; 修道上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1993-04-16

Abstract

(57)【要約】【目的】アンテナの放射素子、平行カップル線路形整
合回路を低損失な酸化物超伝導膜で同一基板上に構成す
ることによって、高性能で小形化でき、かつ接続部の少
ないアンテナを提供する。【構成】放射素子１１を酸化物超伝導膜からなるメア
ンダ形単一線路で構成し整合回路１２を酸化物超伝導膜
からなるメアンダ形４分の１波長平行カップル線路で構
成したので、超伝導材料を使用したことにより高利得と
なり、平行カップル線路を使用したので周波数帯域が広
くなる。また、それぞれエレメントを形成した基板を張
り合わせたので接続部が少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物超伝導膜の低い
表面抵抗、低い分散を小形短縮アンテナ、高性能アレー
アンテナ等に利用できる酸化物超伝導アンテナに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車、航空機、船舶等の移動体
からの通信を含めたパーソナル通信が大幅に普及しつつ
ある。このため、高周波領域の通信帯域が不足しつつあ
り、通信周波数の増加が図られつつある。一方、周波数
帯域の有効利用の観点から、パーソナル通信用基地局エ
リアの微小化が進められている。

【０００３】このため、基地局アンテナの増加と共に、
アンテナには小形化、高性能化が要求され、従来使用さ
れていたλ／２波長アンテナをより一層小形化したアン
テナ並びにアンテナより放出される電磁波の指向性をよ
り強くすることが求められている。しかし、従来の常伝
導金属では放射素子の短縮率を上げ、小形化するとアン
テナを構成する信号線の抵抗損失のため、アンテナ利得
が低下してしまう。

【０００４】また、高性能アンテナでは、やはり信号線
の抵抗損失のため、アンテナ利得が得られなかったり、
指向性が十分ではないといった問題があった。それゆ
え、より損失の小さな信号線路が要望されていた。

【０００５】従来、アンテナを構成する材料としては、
無酸素銅や金といった表面抵抗の低い常伝導金属が利用
されていた。高周波領域で損失を支配する表面抵抗は図
６に示すように常伝導金属では周波数の１／２乗に比例
し、超伝導材料では周波数の２乗に比例して増大する。

【０００６】超伝導材料は数百ＧＨｚ以下の領域で銅よ
り抵抗損失が少なく、低い周波数になるにつれて抵抗損
失は一層低減できる。しかし、従来のＮｂ等のように極
低温で超伝導を発現する金属系超伝導材料は冷却などの
問題で一部の特殊な分野のみに限定して応用されてい
た。近年、Ｙ系、Ｂｉ系，Ｔｉ系といった酸化物超伝導
材料が発見され、これらの材料の薄膜化記述も大幅に進
展しつつある。

【０００７】これにより従来の常伝導金属よりはるかに
抵抗損失が少ない酸化物超伝導材料で構成した酸化物超
伝導アンテナが期待できるとともに、７７Ｋ動作が可能
であることから、金属系超伝導材料よりも冷却実装が容
易になるという特徴がある。それ故、酸化物超伝導膜を
利用した小形アンテナ、高性能アレーアンテナの研究が
精力的に進められている。

【０００８】超伝導アンテナは、従来のアンテナと同様
に、主に給電系、整合回路、放射素子から構成され、ア
レーアンテナではこれらに高周波信号移相器（信号分配
器）が加えられる。図７に主な構造例を示し、（ａ）は
ダイポールアンテナ、（ｂ）はループアンテナ、（ｃ）
はヘリカルアンテナ、（ｄ）はメアンダアンテナであ
り、１は放射素子、２はスタブ形の整合回路、３は給電
系である。

【０００９】これらのアンテナを超伝導で構成する場
合、信号線の損失が小さい高Ｑ部品となるため、帯域幅
が小さくなるという問題がある。特に、整合回路をスタ
ブ形で構成した場合、放射素子の大きなリアクタンス成
分を、スタブのリアクタンス成分で補償するために、よ
り一層帯域幅は狭くなる。例えばスタブ整合回路とλ／
３０波長の短縮アンテナの超伝導ループアンテナでは３
ｄＢ帯域が約０．１６％である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】通信応用の観点から、
帯域幅は２％以上必要であることを考慮すれば、スタブ
形整合回路で構成した超伝導アンテナは通信には不向き
であり、より広帯域を必要とするレーダアンテナにはも
ちろん使用できない。

【００１１】このような狭帯域化の原因は主に、放射素
子のリアクタンス成分を整合回路のリアクタンス成分で
打ち消したために生じていることを考慮すれば、超伝導
アンテナでは放射素子、整合回路の機能を分離した構成
の方が有利であると考えられる。したがって、放射素子
には自己共振状態で使用できるノーマルモードヘリカル
素子を、整合回路には構成が簡単でありスタブ整合回路
より広帯域であるバランの機能も有したλ／４平行線路
形整合器で構成した酸化物超伝導アンテナが特願平２−
４１１１１６号に提案されている。

【００１２】図８は特願平２−４１１１１６号に提案さ
れている酸化物超伝導アンテナの構成例であり（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ放射素子にヘリカル素子、メアンダ素
子で構成した場合であり、整合回路には最も基本的なλ
／４平行線路形整合回路を使用している。ここで、何れ
の放射素子の場合でも放射素子に比べて整合回路長が長
く、このためアンテナ全体の小形化に制限を受けてい
る。例えば５００ＭＨｚ帯アンテナでλ／４５の放射素
子長は約１．３ｃｍであるが、整合回路長は約１０ｃｍ
である。

【００１３】図９は前記文献に記載されたに平行線路形
整合回路の構造例を示し、（ａ）は最も基本的な構成で
あり（ｂ）は２段直列のλ／４整合回路、（ｃ）はテー
パ形整合回路である。（ｂ）のように段数を増やすと帯
域は広がるものの、損失が大きくなると共に寸法が長く
なるという欠点がある。また、テーパ形整合器は十分な
長さが必要であり小形化には不向きである。

【００１４】以上のように図３に示したバルク材料によ
るハイブリッド超伝導アンテナでは帯域幅やアンテナ利
得の点で優れているものの、アンテナ全体の小形化には
限界があるという問題があった。これはこのアンテナを
基本部品として用いるアレー構成の高指向性アンテナ
で、より大きな問題となると予想される。

【００１５】また、図３の構成では放射素子、整合回路
は自己支持形のバルク材料を整形して構成するため、整
形後互いの部品を接続する必要があり、このときの電気
的、機械的接続の信頼性、全体の性能に及ぼす影響など
が問題であった。それ故、この超伝導アンテナの性能を
維持したまま、より小形化が可能となり、しかも接続の
問題が軽減できる新しい構造・構成が強く望まれてい
た。

【００１６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
もので、アンテナの放射素子、平行カップル線路形整合
回路を低損失な酸化物超伝導膜で同一基板上に構成する
ことによって、優れた性能を維持したまま、より一層の
小形化と接続部の少ない高信頼な酸化物超伝導アンテナ
を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために第１の発明は、放射素子を酸化物超伝導膜から
なるメアンダ形単一線路で構成し、整合回路を酸化物超
伝導膜からなるメアンダ形４分の１波長平行カップル線
路で構成したものである。

【００１８】第２の発明は第１の発明において、主偏波
電界方向の電気的な素子長が共振状態で使用する直線状
半波長ダイポール素子の電気的な長さより短くし、整合
回路によって使用される中心周波数において自己共振さ
せるようにしたものである。

【００１９】第３の発明は第１の発明または第２の発明
において、無機誘電材料からなる第１の誘電基板の上に
第１の放射素子と整合回路用上部線路を形成し、第２の
誘電基板の上に第２のメアンダ形放射素子と整合回路用
下部線路を同時に形成し、第１あるいは第２の誘電基板
の整合回路用線路の上に誘電材料からなるスペーサを堆
積させて、このスペーサを介してそれぞれの整合回路用
線路が上下のカップル線路となるように２枚の誘電基板
を重ね合わせるように配置した構造としたものである。

【００２０】

【作用】放射素子を酸化物超伝導膜からなるメアンダ形
単一線路で構成し、整合回路を酸化物超伝導膜からなる
メアンダ形４分の１波長平行カップル線路で構成したの
で、超伝導材料を使用したことにより高利得となり、平
行カップル線路を使用したので周波数帯域が広くなる。

【００２１】

【実施例】本発明は２枚の基板上にそれぞれ、メアンダ
形放射素子と平行カップル線路形整合回路を酸化物超伝
導膜で構成し、これらを貼り合わせることによって放射
素子と整合回路の一体化構造を可能にすることを特徴と
している。メアンダ形放射素子によって直線状半波長ア
ンテナよりも長さを短くしながら中心周波数で共振する
ように構成でき、これにより高利得、広帯域、高指向性
といった性能を有する小形のアンテナを構成できる。そ
して、２枚の基板を張り合わせることで接続の少ない高
信頼な超伝導アンテナを実現している。

【００２２】従来の超伝導アンテナは、スタブ整合回路
を採用した場合、帯域が狭いといった問題があり、また
バルク材料を用いた平行線路形整合回路を採用した場
合、比較的広い帯域が得られるものの、アンテナ全体の
寸法が長くなって小形化に限界があったり、部品接続に
おける電気的・機械的な問題のため、アンテナ全体の性
能が低下したり、機械的な接続の信頼性が低いといった
問題があった。

【００２３】図１は本発明の一実施例を示す図であり、
図１（ａ）２枚の基板を重ね合わせた後の平面図、図１
（ｂ）は図１（ａ）を矢印方向即ち側面方向から見た斜
視図である。１１はλ／１５に短縮したメアンダ形放射
素子、１２はλ／４平行カップル線路形整合回路、１３
は給電系、１４は下側に配置した基板、１５は上側に配
置した基板である。上部基板１５における破線は上部基
板１５の裏にパターン化した信号線であり、下部基板１
４における実線は下部基板１４の表にパターン化した信
号線であり、整合回路１２の領域の２本の破線は上部基
板１５と下部基板１４とをスペーサ領域１６を介して重
ね合わせて揃えた、上下のへ平行カップル線路である。

【００２４】メアンダ形放射素子１１はこの例ではλ／
１５の長さに短縮し、中心周波数で共振するように、折
り返し数およびその間隔を決めている。また、この放射
素子を短縮したことによってインピーダンスが低下する
が、給電路のインピーダンスとの不整合は整合回路１２
によって整合するようにしている。

【００２５】図２に重ね合わせる前の各基板を示す。破
線で示すスペーサ領域１６は配線パターンの上にテフロ
ン、アルミナ等を堆積させて形成しており、堆積させる
領域を点線で示している（この点線部分は配線パターン
の上になる）。

【００２６】作製手順はＭｇＯ等の基板上に厚膜あるい
は薄膜の酸化物超伝導膜を堆積させて、その後に図１の
ような信号線路にパターン加工し、図２のような２枚の
基板１４、１５を作製する。基板１４のスペーサ領域１
６には、アルミナ等の無機材料、あるいはテフロン等の
有機材料を数ミクロンから十数ミクロン程度、スパッタ
あるいは塗布によって堆積させる。

【００２７】これ等の基板を一方を裏返すと、図２のよ
うな表側に配線パターンのある基板１４、裏側に配線パ
ターンのある基板１５を得る。これらの基板の整合回路
用平行カップル線路をスペーサ領域１６を介して上下に
カップルさせるように重ね合わせ、配置することによっ
て図１の構造が得られる。

【００２８】５００ＭＨｚ帯のアンテナを想定した場
合、１波長は６０ｃｍであり、λ／１５短縮放射素子を
採用すれば、その寸法は約４ｃｍ×４ｃｍとなる。この
ときの信号線間隔はλ／３００で、中央部はλ／１５０
である。この形状をとることによって共振状態で入力リ
アクタンスはゼロとなり、放射抵抗は約２Ωとなる。

【００２９】アンテナの動作はヘリカル形放射素子と基
本的には同じである。整合回路にもメアンダ形平行カッ
プル線路を採用し、この結果、従来の長さ約１０ｃｍの
整合回路長は１ｃｍとなる。従って約２インチ角の領域
に放射素子と整合回路を含むアンテナモジュールを納め
ることが可能になる。

【００３０】この設計例はλ／１５放射素子のために大
きくなっているが、λ／４５放射素子の場合を想定すれ
ば、１．５×４ｃｍの領域にモジュールを構成できる。
実際のパーソナル通信が０．８から１．５ＧＨｚと、よ
り高周波領域であることを考慮すれば、さらに１／４の
大きさのアンテナモジュールを実現できる。

【００３１】次に、実際のλ／４平行カップル線路形整
合回路設計例を示す。図３に整合回路の断面の模式図お
よびその特性を示す。５００ＭＨｚ帯のアンテナを想定
し、λ／４５放射素子を想定する。このときの放射素子
の抵抗は０．３Ωで、給電系の特性インピーダンスは５
０Ωであるので、整合回路には約３．８Ωの特性インピ
ーダンスが要求される。

【００３２】ＭｇＯ基板上に形成された酸化物超伝導路
を１０ミクロン厚さのテフロン膜で挟むことを仮定した
場合の特性インピーダンスと線路短縮率の導体幅依存性
を図３に示している。この図から、特性インピーダンス
３．８Ωを満たす線路幅は約０．６ｍｍであり、そのと
きの短縮率は約０．６８である。従ってλ／４平行線路
整合回路の線路幅は０．６ｍｍ、長さは（λ／４×０．
６８）で約１０ｃｍとなる。実際にはこの長さを図１の
ようなメアンダ線路で構成する。

【００３３】このようにして設計・試作した５００ＭＨ
ｚ帯小形超伝導膜アンテナの特性を図４に示す。図１の
ような構成で、λ／４５短縮の放射素子を使用してい
る。また、放射素子、整合回路の信号線路は全てＹＢａ
ＣｕＯ酸化物超伝導薄膜で作製した。比較のために、３
００Ｋで測定した同一構造のＣｕアンテナの特性も併記
している。Ｃｕの場合、約マイナス８．５ｄＢｉの絶対
利得が得られるのに対して、超伝導膜アンテナでは約マ
イナス２ｄＢｉの高い絶対利得が得られた。

【００３４】また、帯域幅は従来のループアンテナの約
２倍の値が得られた。このように本発明による酸化物超
伝導膜アンテナはバルク材料で構成したハイブリッド超
伝導アンテナとほぼ同程度の性能であり、アンテナ寸法
に関してはバルクアンテナが長さ約１２ｃｍであったの
に対して、本発明のアンテナは１．５×４ｃｍであり高
指向性を実現するのに必要なアレー構成に対しても十分
に小形化が可能であると考えられる。

【００３５】また、本素子は放射素子と整合回路を同一
基板上で構成しているため、バルクのハイブリッド構成
で問題となっていた整合回路と放射素子との電気的・機
械的接続の問題はなく、高い信頼性を有したアンテナモ
ジュールが実現している。

【００３６】図５に高指向性機能を有したアレーアンテ
ナの構成例を示す。１３は給電系、１７は小形アンテナ
モジュール、１８は移相器、１９は分波機能を有するト
ーナメントツリー、２０は全体を支持するユニット基板
である。通常、移相器１８とトーナメントツリー１９
は、遅延線より構成され、その遅延線がこれら両方の機
能を持つ。遅延線も低損失で低分散な酸化物超伝導で構
成するのが好ましいのはもちろんであるので、ユニット
基板２０にＭｇＯなどの酸化物超伝導膜用基板を用いる
ことによって、その上に直接トーナメントツリー、移相
器を形成することが可能になると共に、アンテナモジュ
ールを搭載することによりＭＩＣ等で実行されているマ
ルチモジュールハイブリッド実装に似たアレーアンテナ
ユニットが可能になる。

【００３７】それ故、本発明によるアンテナ構造・個性
を用いることによって小形で高性能な高指向性アレーア
ンテナユニットが実現できる。以上説明したように本発
明によるアンテナ構造・構成を用いることによって、高
利得、広帯域でしかも従来より小形の高性能超伝導アン
テナモジュールを信頼性良く構成できる。

【００３８】なお、以上の実施れは超伝導素子の冷却部
に付いては言及していないが当然その手段は必要であ
り、これは一般的な方法を取れば良い。現時点の冷却手
段を用いたものは、車載等の用途には十分実用になる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明は超伝導材料
を使用したメアンダ形放射素子によって長さをは短縮さ
せながら、中心周波数では共振するように構成したので
小形でかつ高利得が実現でき、また平行カップル線によ
る整合回路を使用したので帯域幅を広くとれると言う効
果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図

【図２】重ね合わせ前の基板を示す斜視図

【図３】整合回路の特性を示すグラフ

【図４】本発明のアンテナおよび従来形アンテナの特性
を示すグラフ

【図５】本発明のアンテナを使用して構成したアレーア
ンテナを示す図

【図６】超伝導材料と通常伝導材料の周波数に対する抵
抗特性を示すグラフ

【図７】アンテナの形状を示す図

【図８】公知文献に記載されているアンテナ形状を示す
図

【図９】公知文献に記載されている整合回路を示す図

【符号の説明】

１１メアンダ形放射素子１２平行カップル線路形形整合回路１３給電系１４，１５基板１６スペーサ領域１７小形アンテナモジュール１８移相器１９トーナメントツリー２０ユニット基板

フロントページの続き (72)発明者道上修東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】給電系、整合回路、放射素子から構成さ
れる酸化物超伝導アンテナモジュールにおいて、放射素子を酸化物超伝導膜からなるメアンダ形単一線路
で構成し、整合回路を酸化物超伝導膜からなるメアンダ
形４分の１波長平行カップル線路で構成することを特徴
とした酸化物超伝導アンテナ。
【請求項２】請求項１において、主偏波電界方向の電
気的な素子長が共振状態で使用する直線状半波長ダイポ
ール素子の電気的な長さより短く、整合回路によって使
用される中心周波数において自己共振させることを特徴
とする酸化物超伝導アンテナ。
【請求項３】請求項１または２において、無機誘電材
料からなる第１の誘電基板の上に第１の放射素子と整合
回路用上部線路を形成し、第２の誘電基板の上に第２の
メアンダ形放射素子と整合回路用下部線路を同時に形成
し、第１あるいは第２の誘電基板の整合回路用線路の上
に誘電材料からなるスペーサを堆積させて、このスペー
サを介してそれぞれの整合回路用線路が上下のカップル
線路となるように２枚の誘電基板を重ね合わせるように
配置した構造であることを特徴とする酸化物超伝導アン
テナ。
【請求項４】請求項１〜３において、無機誘電材料か
らなる誘電基板の上に酸化物超伝導膜からなる遅延線路
をトーナメントツリーの形状に作成し、この基板上に整
合回路、放射素子から構成される酸化物超伝導アンテナ
モジュールを少なくとも２個以上搭載し、遅延線路とモ
ジュールの整合回路並びに遅延線路と給電系を電気的に
接続した構造であることを特徴とする酸化物超伝導アン
テナ。