JPH07105646B2 - 強磁性薄膜フイルタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は膜面に垂直に磁界が与えられる強磁性薄膜を用
いたフィルタに関する。

〔発明の概要〕

本発明は強磁性薄膜フィルタに関し、膜面に垂直な磁界
が与えられる第１及び第２の強磁性薄膜に、互いに逆向
きの第１及び第２の方向に延在し、且つ互いに平行に配
された、共に先端開放の入力及び出力線路並びに結合線
路を夫々結合させ、入力及び入力及び出力線路間の間隔
を、第１及び第２の強磁性薄膜間の直接結合が生じない
限りにおいて、通過帯域の信号の伝播波長の略1/2以下
の可及的に狭い値に選定したことにより、通過帯域中心
周波数を数GHz以上の高周波数となし得、アイソレーシ
ョン特性を良好ならしめたものである。

〔従来の技術〕

従来、YIG薄膜とストリップラインとを用い量産性の高
い薄膜化YIGフィルタ（強磁性薄膜フィルタ）が提案さ
れている（例えば、特開昭59−103403号公報）。本発明
と比較すべき従来の強磁性薄膜フィルタの一例を第８図
を参照して説明するこれは２段フィルタである。（11）
は誘電体基板としての石英基板で、その裏面には接地導
電層（12）が全面に亘り被着形成されている。この石英
基板（11）の表面上に両側付近に、互いに平行に入力及
び出力側マイクロストリップライン（導電層）（13），
（14）が披着形成され、その互いに反対側の各一端は延
長されて接地導電層（12）に接続（短絡）される。（13
a），（14a）はマイクロストリップライン（13），（1
4）の各短絡端部である。（17）はGGG（ガドリニウム・
ガリウム・ガーネット）板で、その一方の主面上に液相
エピタキシャル法により成長させたYIG薄膜により、フ
ォトリソグラフィを用いて円板状のYIG薄膜（15），（1
6）を入力及び出力側マイクロストリップライン（1
3），（14）の上の短絡端部（13a），（14a）付近に密
着して置く。このGGG板（17）の他方の主面上に、YIG薄
膜（15），（16）に対向し、入力及び出力側マイクロス
トリップライン（13），（14）と交叉する如く連結用マ
イクロストリップライン（18）を披着形成し、その両端
は延長されて接地導電層（12）接続（短絡）される。
（18a），（18b）はマイクロストリップライン（18）の
両短絡端部である。

そして第９図及び第10図に示す如き、磁気装置の磁気ヨ
ークＹ内の対向する永久磁石（19），（20）間のギャッ
プGP内に第８図のフィルタを第９図に示すように配し、
YIG薄膜（15），（16）に、そのフエリ磁性共鳴のため
に、その膜面に垂直で一様でバイアス直流磁界を与える
ことによって、固定フィルタ装置を得ることができる。
又、第11図に示すように、磁気ヨークＹ内に、永久磁石
（19），（20）と共に、発生磁界を可変できる電磁石
（19E），（20E）を配した磁気装置のギャップGP内に、
第８図のフィルタを配することにより、狭帯域可変フィ
ルタ装置を得ることもできる。

かかる薄膜YIGフィルタは、マイクロ波帯で使用する場
合Ｑが高く、共振周波数がYIG強磁性体の体積に依存せ
ず、バイアス磁界の強さを可変することにより共振周波
数を広帯域に亘って直線的に可変でき、又、YIG薄膜の
形成にフォトリソグラフィ技術を採用できるところか
ら、量産性が高く、特性のばらきが少なく、無調整化が
可能で、しかも廉価であるという特長を有する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、かかる強磁性薄膜フィルタには次のような問題
がある。円形の強磁性薄膜（YIG薄膜）を強磁性球体と
同体積にするには、その直径2mm以上にしなければなら
ない。又、誘電体基板及びGGG板（εｒ＝13）の誘電率
並びにマイクロストリップラインの形状により求められ
る実効誘導率をεeffと置くと、伝播波長は自由空間波
長の に圧縮されるので、数GHz以上の周波数信号を扱う場合
には、マイクロストリップラインの短絡端の極の近傍で
電流定在波の振幅が最大となるので、一般的に、強磁性
薄膜をマイクロストリップラインの短絡端の極の近傍に
置くことによって、その強磁性薄膜の電流定在波に対す
る結合度が大となって好ましい。強磁性薄膜のマイクロ
ストリップラインの長手方向の長さに比べて伝播波長が
十分長いときは、強磁性薄膜のマイクロストリップライ
ンの長手方向の両端間における電流定在波の振幅は、そ
の最大振幅に略等しいので、強磁性薄膜の電流定在波に
対する結合度が大となる。しかし、強磁性薄膜のマイク
ロストリップラインの長手方向の長さに比べて伝播波長
が短くなる程、強磁性薄膜のマイクロストリップライン
の長手方向において、マイクロストリップラインの先端
に最も近い部分の電流定在波の振幅がその最大振幅に略
等しくても、マイクロストリップラインの先端から遠ざ
かるにつれて電流定在波の振幅が最大振幅より大幅に小
さくなるので、強磁性薄膜の電流定在波に対する結合度
は小さくなる。このため、伝播波長がある程度短い場合
には、強磁性薄膜をマイクロストリップラインの短絡端
の極の近傍に置くメリットは薄れることになる。このた
め、強磁性薄膜及びマイクロストリップライン間の高周
波結合効率が下がり、フィルタの挿入損失が増加する。
又、この様な状況下にあっては、誘電体基板及びGGG板
上の各マイクロストリップライン間の高周波電界による
容量性結合度が大となって、アイソレーションが劣化す
るところから、特性の良いフィルタを得ることができな
かった。即ち、かかるフィルタでは、帯域外減衰量とし
て40〜45dBが保証される帯域は、第12図に示す如く、高
々０〜３（又は４）GHz程度までであり、それ以上の帯
域でのアイソレーションは、高々５〜7dBまでであっ
て、極端に悪く、この様な悪いアイソレーション帯域の
中で、磁気共鳴を用いて通過帯域を設定しても、良好な
フィルタを得ることはできない。

かかる点に鑑み本発明は、通過帯域中心周波数を数GHz
以上の高周波数となし得、アイソレーションを良好とな
し得、自由度を増大し得、しかも製造の容易な強磁性薄
膜フィルタを提案しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による強磁性薄膜フィルタは、薄面に垂直な磁界
が与えられる第１及び第２の強磁性薄膜（15），（16）
と、第１及び第２の強磁性薄膜（15），（16）に結合さ
れ、互いに逆向きの第１及び第２の方向に延在し、且つ
互いに平行に配された、共に先端開放の入力及び出力線
路（13），（14）と、第１及び第２の強磁性薄膜（1
5），（16）に結合され、入力及び出力線路（13），（1
4）に対し直交する如く配された両端開放の結合線路（1
8）とを有し、入力及び出力線路（13），（14）間の間
隔を、第１及び第２の強磁性薄膜（15），（16）間の直
接結合が生じない限りにおいて、通過帯域の信号の伝播
波長λの略1/2以下の可及的に狭い値に選定し、入力及
び出力線路（13），（14）の互いに対向する部分の長さ
ｆを、通過帯域の信号の伝播波長λの略1/2の整数倍に
選定して、その入力及び出力線路（13），（14）の互い
に対向する部分によってλ/2結合フィルタを構成し、結
合線路（18）の両開放端から直近の第１及び第２の強磁
性薄膜（15），（16）の中心までの長さｃ、ｄを夫々通
過帯域の信号の伝播波長λの略1/4の奇数倍に選定し
て、夫々λ/4スタブフィルタを構成し、入力及び出力線
路（13），（14）の各開放先端から第１及び第２の強磁
性薄膜（15），（16）の中心までの長さａ、ｂを夫々通
過帯域の信号の伝播波長λの略1/4を奇数倍に選定し
て、夫々λ/4スタブフィルタを構成すると共に、λ/2結
合フィルタの減衰極の周波数と、結合線路（18）の両λ
/4スタブフィルタの減衰極の互いに等しい周波数とを互
いに異なる値に選定したものである。

〔作用〕

かかる本発明によれば、アイソレーション帯域がλ/2結
合フィルタの減衰極の周波数及び結合線路（18）の両λ
/4スタブフィルタの互いに等しい減衰極の周波数の間が
アイソレーション帯域となる。

〔実施例〕

以下に、第１図及び第２図を参照して、本発明の一実施
例を詳細に説明するも、第１図及び第２図に於いて第８
図と対応する部分には同一符号を付して説明する。これ
は第８図と同様に２段フィルタである。（11）は誘電体
基板としての石英基板で、その裏面には接地導電層（1
2）が全面に亘り被着形成されている。この石英基板（1
1）の表面に両側付近に互いに平行で、互いに逆向きの
第１及び第２の方向に延在する入力及び出力側マイクロ
ストリップライン（導電層）（13），（14）が披着形成
され、その互いに反対向きの各一端は開放される。（13
A），（14A）はマイクロストリップライン（13），（1
4）の各開放端部である。（17）はGGG（ガドリニウム・
ガリウム・ガーネット）板で、その上に液相エピタキシ
ャル法により成長させたYIG薄膜により、フォトリフグ
ラフィを用いて円板状YIG薄膜（15），（16）を形成
し、各々のYIG薄膜（15），（16）を入力及び出力側マ
イクロストリップライン（13），（14）の上の開放端部
（13A），（14A）より後述する特定の距離だけ離れた位
置に密着して置く。このGGG板（17）の他方の主面上
に、YIG薄膜（15），（16）に対向し、入力及び出力側
マイクロストリップライン（13），（14）と交叉する如
く連結用マイクロストリップライン（18）を被着形成
し、その両端は開放される。（18A），（18B）はマイク
ロストリップライン（18）の両開放端部である。そし
て、第１図及び第２図に示すフィルタを、第９図及び第
10図又は第11図の磁気装置のギャップGP内に配し、YIG
薄膜（15），（16）に、そのフエリ磁性共鳴のために、
その膜面に垂直で一様なバイアス直流磁界を与えて、固
定又は可変フィルタ装置を得るようにする。

そして、入力及び出力側マイクロストリップライン（1
3），（14）の互いに対向する部分の長さ（物理長）ｆ
を、通過帯域の信号の伝播波長λの略1/2の整数倍、こ
こではλ/2に選定する。更に、本例では、マイクロスト
リップライン（13），（14）及び（18）の各開放端部
（13A），（14A）及び（18A），（18B）の夫々円板状の
YIG薄膜（15），（16）の中心からの長さ（物理長）a,
b,c,dを、共に通過帯域の信号の伝播波長λの略1/4の奇
数倍、ここではλ/4に選定する。

更に、入力及び出力側マイクロストリップライン（1
3），（14）間の距離ｅ〔円板状YIG薄膜（15），（16）
の中心間距離と実質的に等しい〕を通過帯域の信号の伝
播波長λの略1/2以下（望ましくは略λ/4以下）、ここ
で略λ/4に選定する。この場合、両YIG薄膜（15），（1
6）間の直線結合が生じない限りに於いて、距離ｅは短
い方が、入力及び出力線路（13），（14）間の電界結合
が強く成るので、好ましい。

次に、かかるフィルタの動作を説明する。入力側マイク
ロストリップライン（13）に伝播波長λの高周波信号を
供給すると、その高周波信号はその開放端部（13A）に
伝播するが、その開放端では、電圧定在波の振幅最大、
電流定在波の振幅最小（零）、磁界の強さ最小（零）と
なる。一方、開放端部（13A）からYIG薄膜（15）までの
長さは上述のように選定されているので、YIG薄膜（1
5）の中心位置では逆に、電圧定在波の振幅最小
（零）、電流定在波の振幅最大、磁界の強さ最大とな
る。従って、このYIG薄膜（15）の中心位置では、マイ
クロストリップライン（13）とYIG薄膜（15）との間の
磁界による高周波結合効率は最大となり、入力側マイク
ロストリップライン（13）と連結用マイクロストリップ
ライン（18）との間の電圧分による容量結合度は最小と
なり、アイソレーションが取られることになる。

又、入力側マイクロストリップライン（13）に波長がλ
とは異なる高周波信号が供給されたときは、マイクロス
トリップライン（13）と、YIG薄膜（15）及び連結用マ
イクロストリップライン（18）との間に共にはある値の
磁気結合度及び容量結合度を有するので、アイソレーシ
ョンは採られないことになる。

しかして、YIG薄膜（15）に、その薄面に垂直なバイア
ス直流磁界を与えれば、ある周波数でフエリ磁性共鳴を
起こし、この周波数近傍においてアイソレーションの採
れているとき、この周波数を帯域中心周波数とするバン
ドパスフィルタが得られる。尚、マイクロストリップラ
イン（18）と、YIG薄膜（16）及び出力側マイクロスト
リップライン（14）との間の関係についても、上述と同
様のことが言える。

次ぎに、本発明の更に具体的な実施例及びその特性につ
いて説明する。この例は、帯域通過中心周波数が13GH
z、可変帯域が±270MHzの狭帯域可変フィルタの場合で
ある。先ず、第１図の各部の寸法の具体例を示す。誘電
体基板（石英板）（11）の厚さが0.3mm、GGG板（17）の
厚さが0.4mm、YIG薄膜（15），（16）直径及び厚さが夫
々1.5mm、15μｍ、更に入力及び出力側マイクロストリ
ップライン（13），（14）間の間隔ｅが2.2mmである。

しかして、第１図及び第２図に示すフィルタにおいて、
YIG薄膜フィルタ（15），（16）に直流磁界が与えらえ
ていない場合は、このフィルタはストリップラインフィ
ルタとして機能する。このストリップラインフィルタ
は、第１図において、入力及び出力側マイクロストリッ
プライン（13），（14）の互いに平行で長さｆがλ/2の
整数倍となる対向部によるλ/2結合フィルタと、長さ
ａ、ｂ、ｃ、ｄが夫々λ/4の奇数倍となる入力側及び出
力側マイクロストリップライン（13），（14）の各開放
先端（13A），（14A）側のλ/4スタブフィルタと、連結
用マイクロストリップライン（18）の両開放端（18
A），（18B）側のλ/4スタブフィルタとの計５つのフィ
ルタから構成される。そして、このλ/2フィルタのアイ
ソレーション特性を第３図に示す。このアイソレーショ
ン特性は、λ/2フィルタの特性インピーダンス、実効誘
電率、対向部の長さを与えて、計算により求めたもので
ある。第３図では、λ/2フィルタは13GHz付近に減衰極
が有ることを示している。２つの連結用マイクロストリ
ップライン（18）の両開放端（18A），（18B）側のλ/4
スタブフィルタのアイソレーション特性も第３図と略同
様な特性を示す。

尚、第６図に、連結用マイクロストリップライン（18）
の両開放端（18A），（18B）側のλ/4スタブフィルタの
減衰極特性、即ちスタブの長さを変化させたときのc/F
（cm）〔但し、ｃは光速、Ｆは減衰極の周波数〕の特性
を示す。又、第７図に、λ/2フィルタの減衰極特性、即
ち入力及び出力側マイクロストリップラインの対向部の
長さを変化させたときのc/F（cm）の特性を示す。

しかして、入力及び出力側マイクロストリップライン
（13），（14）間の対向部分の長さｆを4.16mm、連結用
マイクロストリップライン（18）のスタブ（端部）（18
A），（18B）の長さc,dを共に1.5mmにして、λ/2フィル
タの減衰極を14.1GHzに、λ/4フィルタの減衰極を12.4G
Hzに（この逆も可）と、13.0GHzの前後の僅か異なる周
波数に選定する。かくすると、第１図及び第２図に示す
ストリップラインフィルタは、第４図に示すような1.7G
Hzのアイソレーション帯域幅を有するアイソレーション
特性が得られる。このアイソレーション帯域の中心周波
数は、13.25GHzと成る。

そこで、このアイソレーション帯域内で、YIG薄膜（1
5），（16）に膜面に垂直な磁界を印加することによ
り、通過帯域を任意に設定できるので、狭帯域可変フィ
ルタが得られる。第５図にかかるフィルタを透過特性を
示す。

入力及び出力側マイクロストリップライン（13），（1
4）間の間隔ｅは、YIG薄膜（15），（16）間の直接結合
が生じない限り狭い方が、入力及び出力側マイクロスト
リップライン（13），（14）間の電界結合が大となって
好ましい。

〔発明の効果〕

上述せる本発明によれば、膜面に垂直な磁界が与えられ
る第１及び第２の強磁性薄膜と、その第１及び第２の強
磁性薄膜に結合され、互いに逆向きの第１及び第２の方
向に延在し、且つ互いに平行に配された、共に先端開放
の入力及び出力線路と、第１及び第２の強磁性薄膜に結
合され、入力及び出力線路に対し直交する如く配された
両端開放の結合線路とを有し、入力及び出力線路間の間
隔を、第１及び第２の強磁性薄膜間の直接結合が生じな
い限りにおいて、通過帯域の信号の伝播波長λの略1/2
以下の可及的に狭い値に選定し、入力及び出力線路の互
いに対向する部分の長さを、通過帯域の信号の伝播波長
λの略1/2の整数倍に選定して、その入力及び出力線路
の互いに対向する部分によってλ/2結合フィルタを構成
し、結合線路の両開放端から直近の第１及び第２の強磁
性薄膜の中心までの長さを夫々通過帯域の信号の伝播波
長λの略1/4の奇数倍に選定して、夫々λ/4スタブフィ
ルタを構成し、入力及び出力線路の各開放先端から第１
及び第２の強磁性薄膜の中心までの長さを夫々通過帯域
の信号の伝播波長λの略1/4の奇数倍に選定して、夫々
λ/4スタブフィルタを構成すると共に、λ/2結合フィル
タの減衰極の周波数と、結合線路の両λ/4スタブフィル
タの互いに等しい減衰極の周波数とを互いに異なる値に
選定するようにしたので、通過帯域中心周波数を数GHz
以上の高周波数と成し得、アイソレーションを良好とな
し得、自由度を増大し得、しかも製造の容易な強磁性薄
膜フィルタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の平面図、第２図はそのII−
II線上の断面図、第３図及び第４図は夫々アイソレーシ
ョン特性曲線図、第５図は透過特性曲線図、第６図及び
第７図は夫々減衰極特性曲線図、第８図は従来例の斜視
図、第９図、第10図及び11図は夫々磁気装置の断面図、
第12図はアイソレーション特性曲線図である。 （11）は誘電体基板、（12）は接地導電層、（13）は入
力側マイクロストリップライン、（入力線路）、（14）
は出力側マイクロストリップライン（出力線路）、（1
5），（16）は夫々YIG薄膜（強磁性薄膜）、（18）は連
結用マイクロストリップライン（結合線路）、（17）は
GGG板である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−257614（ＪＰ，Ａ) 板倉清保，熊谷信昭「現代電気工学講座 超高周波回路」オーム社Ｐ．16

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】膜面に垂直な磁界が与えられる第１及び第
   ２の強磁性薄膜と、 該第１及び第２の強磁性薄膜に結合され、互に逆向きの
   第１及び第２の方向に延在し、且つ互いに平行に配され
   た、共に先端開放の入力及び出力線路と、 上記第１及び第２の強磁性薄膜に結合され、上記入力及
   び出力線路に対し直交する如く配された両端開放の結合
   線路とを有し、 上記入力及び出力線路間の間隔を、上記第１及び第２の
   強磁性薄膜間の直接結合が生じない限りにおいて、通過
   帯域の信号の伝播波長λの略1/2以下以下の可及的に狭
   い値に選定し、 上記入力及び出力線路の互いに対向する部分の長さを、
   上記通過帯域の信号の伝播波長λの略1/2の整数倍に選
   定して、該入力及び出力線路の互いに対向する部分によ
   ってλ/2結合フィルタを構成し、 上記結合線路の両開放端から直近の上記第１及び第２の
   強磁性薄膜の中心までの長さを夫々上記通過帯域の信号
   の伝播波長のλの略1/4の奇数倍に選定して、夫々λ/4
   スタブフィルタを構成し、 上記入力及び出力線路の各開放先端から上記第１及び第
   ２の強磁性薄膜の中心までの長さを夫々上記通過帯域の
   信号の伝播波長λの略1/4の奇数倍に選定して、夫々λ/
   4スタブフィルタを構成すると共に、 上記λ/2結合フィルタの減衰極の周波数と、上記結合線
   路の両λ/4スタブフィルタの互いに等しい減衰極の周波
   数とを互いに異なる値に設定したことを特徴とする強磁
   性薄膜ファルタ。