JPH08237005A - 高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ - Google Patents

高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ

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JPH08237005A
JPH08237005A JP31697195A JP31697195A JPH08237005A JP H08237005 A JPH08237005 A JP H08237005A JP 31697195 A JP31697195 A JP 31697195A JP 31697195 A JP31697195 A JP 31697195A JP H08237005 A JPH08237005 A JP H08237005A
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microwave
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crystal substrate
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Koyon Kyo
光▲ヨン▼ 姜
Soretsu Ri
相列 李
Sekikichi Kan
石吉 韓
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KANKOKU DENSHI TSUSHIN KENKYUSHO
Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
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KANKOKU DENSHI TSUSHIN KENKYUSHO
Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高温超伝導エピタキシアル薄膜とオープンスタ
ブ方式を採用したフィルタパタンを利用したマイクロ波
用高温超伝導7極低域通過フィルタを提供する。 【解決手段】単結晶基板4と、単結晶基板4の上部表面
上の一側に高温超伝導薄膜を使用したマイクロストリッ
プ線で形成され、入力用コネクタと連結され外部からマ
イクロ波信号を入力する入力端1と、入力端1と同じよ
うに、単結晶基板4表面の他側に高温超伝導体を使用し
たマイクロストリップ線で形成され、出力用コネクタと
連結されフィルタリングされた信号を外部に出力する出
力端3と、単結晶基板4の表面上の入力端1及び出力端
3の間に、両者と直ちに連結出来るよう形成された、入
力端1及び出力端3を構成する高温超伝導部材と同じ部
材で構成された、オープンスタッブ方式による7極の低
域通過フィルタを実現するフィルタパタン2とを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温超伝導マイク
ロ波フィルタに係り、特に、マイクロ波特性が優秀でマ
イクロ波通信システムを小型化にし性能を向上させる事
が出来る、高温超伝導エピタキシアル薄膜、マイクロス
トリップ方式の伝送線及びオープンスタブ(Open−
stub)方式を採用したフィルタパターンを使用し
た、高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通
過フィルタ(High−Tc Superconduc
ting 7−pole Low−pass Filt
erfor Microwave Signal Pr
ocessing)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】移動通信、衛星通信及び衛星放送等電波
を利用する分野に於いて良質の電波サービスの要求が増
加し、大容量の高品位情報に対する欲求が多様化、高度
化の趨勢にいるため、此れに能動的に対応するがため、
マイクロ波通信システムを構成する各種核心部品の特性
向上と大きさ及び重量の縮小等が核心課題として上げら
れている。
【0003】従って、限定されている電波資源を効率的
に活用する為に、最も優秀なマイクロ波特性を発揮する
材料開発だけでなく、高性能、高信頼度、小型化を成す
事が出来るマイクロ波部品開発が切実な状況である。そ
れ故に、高い線質係数(Q−facter)を発揮する
事が出来るし、無損失及び無抵抗の特性を有する高温超
伝導体のマイクロ波応用は、通信部品の特性向上に最も
有利な物として知られている。
【0004】従って、マイクロ波特性が優れたMgC、
LaAlO3、サファイア(Sapphire)等の単
結晶基板に、良質の高温超伝導エピタキシアル薄膜を成
長させ、成長された良質の薄膜を利用し、最適に設計さ
れたマイクロ波エレメント及び回路を具現することで、
マイクロ波部品の小型化と高性能化を成す事が期待され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、マイクロ波
通信システム用核心部品である各種マイクロ波低域通過
フィルタの設計及び製造で最も重要な点は、製造された
マイクロ波エレメントが理論値(設計値)に殆ど一致す
る損失特性(S21、S11)を発揮すべきであるというこ
とである。製作が容易で、高周波応答特性も良好なオー
プンスタブ方式を採択したマイクロ波低域通過フィルタ
は、高温超伝導MMIC(Monolithic Microwave Integ
rated Circuit)を開発するために有用である。さら
に、このようなフィルタは、その性能及び大きさ等の特
性が、既存のマイクロ波低域通過フィルタに比べて優秀
であり、マイクロ波帯域の、例えばマイクロ波やミリメ
ータ波等の電波資源を利用する技術にも積極的に活用出
来る。
【0006】従って、本発明は、マイクロ波特性が優秀
な高温超伝導エピタキシアル薄膜とオープンスタブ方式
を採用したフィルタパターンを利用した、衛星通信及び
衛星放送等マイクロ波通信システムに使用出来る、高温
超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通過フィル
タを提供する事に其の目的がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるオープンスタブ方式の高温超伝導薄膜
に形成した7−極低域通過フィルタは、上部表面及び下
部表面を有する単結晶基板と、上記単結晶基板の上部表
面上の一側に高温超伝導薄膜を使用したマイクロストリ
ップ線で形成され、入力用コネクタと連結され外部から
マイクロ波信号を入力される入力端と、上記単結晶基板
の上部表面上の他側に、上記入力端と同一な高温超伝導
体を使用したマイクロストリップ線で形成され、出力用
コネクタと連結されフィルタリングされた信号を外部に
出力する出力端と、上記単結晶基板の上記表面上の上記
入力端及び出力端の間に、上記同一な高温超伝導体で、
上記入力端及び出力端と直ちに連結されるように形成さ
れ、上記基板の誘電率及び厚さと上記薄膜の厚さ等に応
じた所定の線幅及び長さのマイクロストリップ線で構成
され、上記入力端から入力される信号をフィルタリング
して上記出力端へ出力するフィルタパターンを含むこと
を特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、添付された図面を参照し
て、本発明の一実施形態を詳細に説明する。
【0009】図1は、本実施形態によるオープンスタブ
方式の高温超伝導7−極低域通過フィルタの平面図であ
る。
【0010】本実施形態において、信号伝送用入力端1
は高温超伝導部材で構成されたマイクロストリップ線
(line:50ohm)で製作され、本発明の核心的
特徴であるマイクロストリップ方式の高温超伝導7−極
低域通過フィルタと直に連結される。又、試験治具(t
est−jig)のハウジングに付着されたK−型コネ
クタピンと連結される。
【0011】フィルタパタン2は、本発明の核心的特徴
であるマイクロストリップ方式の高温超伝導薄膜による
7極低域通過フィルタパタンであり、遮断周波数(cu
t−off frequency)は8GHzであり、
極数(マイクロストリップとオープンスタブ個数)は7
個である。なお、ここでは、図中の上下方向に伸びてい
る4つの部分がオープンスタッブであり、当該4つのオ
ープンスタッブにより分けられた左右方向に伸びている
部分がマイクロストリップである。
【0012】本実施形態によるフィルタは、移動通信、
衛星通信及び衛星放送を考慮した低域通過フィルタであ
るから、信号を通過させる帯域の遮断周波数(fc)は
8GHz、リプル(ripple)が殆どなく、平坦度
(flatness)が良好な通過帯域(pass b
and)を有する。
【0013】さらに、遮断周波数以上のストップ帯域
(stop band)をいっそう増加させ、低域通過
フィルタのスカート(skirt)特性を向上させるこ
とで、いっそうきり立つ(steep)ようにする為
に、フィルタの極数(polenumber)を7にし
た。
【0014】さらに、低域通過フィルタ設計時に使用さ
れる単結晶基板であるMgO及びLaAlO3各々の誘
電率(εr)及び厚さと、此の単結晶基板上で成長させ
るYBa2Cu37-δの高温超伝導エピタキシアル薄膜
の厚さ等を考慮し、入出力端とマイクロストリップ及び
オープンスタブの線幅及び長さを決定した。
【0015】続いて、複数回に渡るシミュレーション
(simulation)を介して、7極低域通過フィ
ルタの最適化あるいはほぼ最適化された回路パタンを得
て、同時にマイクロ波伝送応答(microwave
transmission responses)特性
を測定した。
【0016】此のような課程を経て決定、設計されたフ
ィルタパタンを基礎にし、高温超伝導マイクロ波7極低
域通過フィルタを製造出来る電子線マスク(Crがコー
ティングされたガラスマスク)を製作した。
【0017】信号伝送用出力端3は、信号伝送用入力端
1と同じく、高温超伝導マイクロストリップ線(50o
hm)で製作され、低域通過フィルタパタンを形成する
マイクロストリップ線と連結され試験治具のハウジング
に付着されたK−型コネクタピンと連結される。
【0018】本実施形態において使用したマイクロ波低
域通過フィルタ用基板4は、MgOあるいはLaAlO
3等の単結晶基板である。
【0019】特に、LaAlO3基板自体の低温マイク
ロ波特性は、MgO基板を使用する場合より劣るが、L
aAlO3基板上で製造した高温超伝導YBa2Cu3
7-δエピタキシアル薄膜の電気的特性あるいは表面特性
は、MgO基板を使用する時よりももっと優秀なものと
して知られている。
【0020】また、試験治具の内部平面と優秀な電気的
整合及び接触のため蒸着する接地平面5用Ti/Ag二
重薄膜は電子線蒸着装置により均一に蒸着されるように
して、MgOあるいはLaAlO3単結晶基板4との接
着も、いたって良好である。
【0021】さらに、上記接地平面5は、一般的にマイ
クロ波通信部品に使用する金(Au)薄膜に比べマイク
ロ波特性も優れており、製造価格も非常に安く接地平面
として最も適当である。
【0022】本実施形態では、上記入出力端1、3及び
フィルタパタン2を形成する高温超伝導体は、例えば、
Y−Ba−Cu−O系、Bi−Sr−Ca−Cu−O
系、Ti−Sr−Ca−Cu−O系、Hg−Ba−Ca
−Cu−O系、及びLa−Cu−O系の高温超伝導部材
のうちのいずれかで構成されるものとする。また、上記
単結晶基板4には、上述したMgOやLaAlO3の他
に、SrTiO3、NdGaO3、Ys2、LiNbO3
MgF、GGG、及びMgAlO3のうちいずれかで構
成するものとしても良い。
【0023】次に、本発明の他の実施形態によるオープ
ンスタブ方式の高温超伝導7−極低域通過フィルタを、
図2に示す。
【0024】上記図2に図示されたオープンスタブ方式
の高温超伝導7極低域通過フィルタは、図1に図示され
たオープンスタブ方式の高温超伝導7極低域通過フィル
タとその基本的構成は同じであるが、フィルタパタンの
形状がやや異なるものである。フィルタパタン以外の各
部の構成は、上記図1の場合と同じであるので、その説
明は省略する。
【0025】次に、本発明による高温超伝導薄膜に形成
した7−極低域通過フィルタの製造方法の一実施形態に
ついて説明する。
【0026】本実施形態では、例えば上述したような平
面形状を備える、YBa2Cu37- δ/LaAlO3
Ti/Ag構造の高温超伝導低域通過フィルタの製作工
程を説明する。
【0027】ここで、図3(A)はECR−ion m
illingによるLaAlO3単結晶基板4の表面処
理工程、図3(B)はパルスレーザ蒸着法による高温超
伝導体YBa2Cu37-δエピタキシアル薄膜6の製造
工程、図3(C)はフォトリソグラフィック工程を遂行
するためのフォトレジスト膜(PR)7を塗布する工
程、図3(D)はフォトリソグラフィック工程とEDT
Aエッチング工程による微細形状化のためのパタニング
工程、図3(E)はアセトンと蒸溜水(DI−Wate
r)によるフォトレジスト膜7の除去、及び不純物洗浄
工程をそれぞれ示している。なお、図3(B)の基板4
及びエピタキシャル薄膜6の上方に示されているのは、
レーザー蒸着時に発生するプラズマのフレーム(plu
me)である。
【0028】優秀な高温超伝導マイクロ波伝送線素子を
製作するために良質のエピタキシアル薄膜が要求される
ので、本実施形態に於いては、優秀性が立証されたパル
スレーザ蒸着法を利用して、単結晶基板4の上部表面に
高温超伝導エピタキシアル薄膜6を製造する。
【0029】また、本実施形態においては、上記高温超
伝導エピタキシアル薄膜6を、750℃程度の温度を有
する単結晶基板4上に、XeClエクサイマーレーザ
(波長:308mm)等を使用して、200mTorr
の酸素分圧状態の蒸着チャンバ内で成長させる。上記単
結晶基板4には、マイクロ波特性も良好であるし、良質
の高温超伝導YBa2Cu37-δエピタキシアル薄膜6
製造に優秀な、MgO又はLaAlO3基板を使用す
る。エピタキシャル薄膜6を成長させた後に550℃の
温度で1時間程度、酸素を流しながら熱処理した。
【0030】上記で良質のエピタキシアル薄膜6を製造
し、設計されたフィルタパタンが転写されている電子線
マスクを準備した後、フォトリソグラフィック工程とエ
ッチング工程を通じて信号伝送線入力端1及び出力端3
と低域通過フィルタパタン2とで成る高温超伝導マイク
ロ波低域通過フィルタ(図1又は図2参照)を、MgO
又はLaAlO3単結晶基板4上に具現した。なお、本
実施形態において、入力端1、出力端2及びフィルタパ
タン2は、単一の上記電子線マスクにより、1体的に形
成されるものである。
【0031】上述した工程を、さらに詳細に説明する。
【0032】先に、高温超伝導YBa2Cu37-δエピ
タキシアル薄膜6を、MgO又はLaAlO3単結晶基
板4上でレーザ蒸着法により成長させる。
【0033】次は、マイクロ波低域通過フィルタ設計及
び解析理論とシミュレーションプログラム(EEsof
社製の「Touchstone」あるいはヒューレット
パッカード社製の「MDS−EEsof」)で得たパタ
ン(図1あるいは図2の平面図)が転写されている電子
線マスクと、半導体素子製造時に使用するフォトリソグ
ラフィック工程及びウェットエッチング工程とを応用
し、7極低域通過フィルタパタンをYBa2Cu37-δ
エピタキシアル薄膜6上でパターニング(patter
ning)する。
【0034】即ち、実験室用小型のスピンコータ(sp
in coater)のヘッド(チャック)に、YBa
2Cu37-δエピタキシアル薄膜6を成長させた単結晶
基板4を置いて、HMDS(Hexamethyldi
silazen)を塗布しスピニング(spinnin
g)して、エピタキシアル薄膜6の表面をきれいにした
後、フォトレジスタ膜7を4000rpmの回転速度で
30秒間スピニングして均一に塗布する。
【0035】又、ソフトベーキング(soft bak
ing;85℃、5分間)工程を通じてPR膜7を硬化
させた後、PR膜7を塗布した試料を、実験室用接点整
列試験器(contact aligner)上に置
き、高温超伝導エピタキシアル薄膜6とマスクとを整列
させた後、10W用UVソース(source)に5分
間露光させる。
【0036】露光された試料をAZ−351現像液(d
eveloper)で10〜30秒程度処理し、感光さ
れたPR膜7を除去した後、蒸留水で素子表面を洗浄す
る。
【0037】此の時、ウェットエッチング(wet e
tching)を使用する場合にはEDTA(酢酸類)
でエッチングし(化学エッチング)、ドライエッチング
(dry etching)を使用する場合にはECR
−ion milling装置で、エッチングを行なう
(物理エッチング)。
【0038】例えば、ドライエッチングを行う場合に
は、上記 ECR(ElectronCyclotro
n Resonance)−ion milling装
置として、2.5GHz/500Wマイクロ波生成用ソ
ース(source)、四角形ホーン(horn)形の
キャビティ(cavity)、ECRプラズマ源(pl
asma source)、及び、800Gauss用
電磁石等により構成される装置を用い、生成された酸素
又はアルゴンイオンを加速させ、エピタキシアル薄膜の
表面をミリング(milling)することで、単結晶
基板表面の平坦度(flatness)が向上され、側
面が鋭利な回路パターンを得られる。
【0039】エッチングが完了したらフィルタパタンの
鋭利度を高め、感光がされていないPR膜7又は其の他
不純物等を除去するため、蒸留水(DI−Water)
とアセトンにより素子を洗浄した後、ハードベーキング
(hard baking)工程を5分程度行ない、高
温超伝導低域通過フィルタのパターニング工程を終了す
る。
【0040】次に、接地平面5(上記図1あるいは図2
参照)を製造するため、パタンされた高温超伝導フィル
タパタン6の反対側、即ち、単結晶基板4の背面に、電
子蒸着法を使用して、10~ 2Torr程度の真空度と
500℃程度の温度を有する真空チャンバ内で、Ti/
Ag二重薄膜で蒸着する。
【0041】Ti/Ag二重構造は、MgO又はLaA
lO3単結晶基板4と接着が大体良好であり、たやすく
接着出来るだけでなく、高温超伝導YBa2Cu37-δ
エピタキシアル薄膜6にも殆ど影響が及ばなかった。
【0042】特に、薄膜蒸着時に、接着剤に銀ペースト
(Ag−paste)を主として使用するため、接地平
面5の蒸着時に銀薄膜を使用したら、他物質の汚染を最
大に防止出来るという点も備えている。又、銀薄膜はマ
イクロ波特性だけでなく電気伝導性も非常に優秀であ
り、パッケージで構成する場合、試験治具(test−
jig)内部平面との優秀な接触と整合を成す事にも有
利である。
【0043】以上の工程を経て8GHz用オープンスタ
ブ方式の高温超伝導7極低域通過フィルタが完成され
る。
【0044】上記製作された8GHz用高温超伝導7極
低域通過フィルタの低温マイクロ波特性は、マイクロ波
特性が優秀なK−形コネクタ(2.9mmφ、40GH
z、Wiltson社製品)を中間成分であるハウジン
グに付着した後3成分試験治具(test−jig)で
測定された。
【0045】本実施形態によるマイクロ波用高温超伝導
7極低域通過フィルタは、良質の高温超伝導薄膜を利用
したオープンスタブ方式の伝送線素子であるから、製作
はMMIC(Monolithic Microwav
e IntegratedCircuits)よりも簡
単であるばかりでなく、高温超伝導体の無損失、無抵抗
特性を利用するため、優秀な性能及び信頼度を有するマ
イクロ波核心素子である。
【0046】さらに、本実施形態によるマイクロ波用高
温超伝導7極低域通過フィルタは、従来の3次及び5次
の低域通過フィルタよりもパタンの大きさは少し大きい
けれど、先にコンピュータシミュレーションして得られ
た結果と一致した。
【0047】特に、入力信号の通過帯域(pass b
and)両端の、阻止帯域(stop band)が多
く増加するだけでなく、スカート(skirt)特性が
一層優秀であり、通過帯域の挿入損失は0.5dB以下
で非常に小さく、リップルも殆ど発生されない、平坦な
通過帯域を有する、優秀な7極低域通過フィルタである
事を現わした。
【0048】さらに、本実施形態を利用すれば、電波資
源の利用技術に関連されるマイクロ波通信システムのサ
ブシステム(部品)の小型化に寄与出来るし、情報通信
システムの性能を向上させる事が出来る、という効果を
得る事が出来る。
【0049】一方、高温超伝導エピタキシアル薄膜を使
用したため、軽薄短小であり高性能を備えた通信部品を
製作出来るし、次世代マイクロ波通信及び放送用(3〜
33GHz)に所要される新技能、新構造の色々多くの
マイクロ波素子及び回路の創出研究にも大きい効果を得
ることが出来る。
【0050】同時に、急増する電波サービスの需要に能
動的に対処出来る優秀なマイクロ波通信システムの開発
も期待出来る。
【0051】
【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波特性が優秀
な高温超伝導エピタキシアル薄膜とオープンスタブ方式
を採用したフィルタパターンを利用した、衛星通信及び
衛星放送等マイクロ波通信システムに使用出来る、高温
超伝導薄膜により形成したマイクロ波7−極低域通過フ
ィルタを提供することができる。
【0052】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態例によるオープンスタブ方
式の高温超伝導7極低域通過フィルタの平面図。
【図2】本発明の他の実施形態例によるオープンスタブ
方式の高温超伝導7極低域通過フィルタの平面図。
【図3】図3(A):本発明による製造工程の一実施形
態におけるフィルタの断面図。 図3(B):本発明による製造工程の一実施形態におけ
るフィルタの断面図。 図3(C):本発明による製造工程の一実施形態におけ
るフィルタの断面図。 図3(D):本発明による製造工程の一実施形態におけ
るフィルタの断面図。 図3(E):本発明による製造工程の一実施形態におけ
るフィルタの断面図。
【符号の説明】
1 信号伝送用入力端 2 オープンスタブ方式の7極低減通過フィルタパタ
ン 3 信号伝送用出力端 4 単結晶基板 5 接地平面用薄膜

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】上部表面及び下部表面を有する単結晶基板
    と、 上記単結晶基板の上部表面上の一側に、高温超伝導薄膜
    を使用したマイクロストリップ線で形成され、入力用コ
    ネクタと連結され、外部からマイクロ波信号の入力を受
    ける入力端と、 上記単結晶基板の上部表面上の他側に、上記入力端と同
    一な高温超伝導体を使用したマイクロストリップ線で形
    成され、出力用コネクタと連結され、フィルタリングさ
    れた信号を外部に出力する出力端と、 上記単結晶基板の上記表面上の上記入力端及び出力端の
    間に、上記同一な高温超伝導体で、上記入力端及び出力
    端と直ちに連結されるように形成され、上記単結晶基板
    の誘電率及び厚さと上記高温超伝導薄膜の厚さに応じ
    た、所定の線幅及び長さのマイクロストリップ線により
    構成され、上記入力端から入力される信号をフィルタリ
    ングして上記出力端へ出力するフィルタパタンとを具備
    することを特徴とする高温超伝導薄膜に形成したマイク
    ロ波7−極低域通過フィルタ。
  2. 【請求項2】請求項1に於いて、 上記フィルタパタンは、オープンスタブ方式による低域
    通過フィルタを構成するもので、4個のオープンスタッ
    ブを有することを特徴とする高温超伝導薄膜に形成した
    マイクロ波7−極低域通過フィルタ。
  3. 【請求項3】請求項1に於いて、 上記単結晶基板の下部表面に形成される、試験治具との
    電気的整合及び接触のための接地平面用薄膜をさらに有
    することを特徴とする高温超伝導薄膜に形成したマイク
    ロ波7−極低域通過フィルタ。
  4. 【請求項4】請求項3に於いて、 上記接地平面用薄膜が、Ag/Tiで形成されたことを
    特徴とする高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極
    低域通過フィルタ。
  5. 【請求項5】請求項1に於いて、 上記高温超伝導体が、Y−Ba−Cu−O系、Bi−S
    r−Ca−Cu−O系、Ti−Sr−Ca−Cu−O
    系、Hg−Ba−Ca−Cu−O系、及びLa−Cu−
    O系で構成されることを特徴とする高温超伝導薄膜に形
    成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ。
  6. 【請求項6】請求項1に於いて、 上記単結晶基板が、SrTiO3、MgO、LaAl
    3、NdGaO3、Ys2、LiNbO3、MgF、GG
    G、及びMgAlO3で構成されたグループから選択さ
    れた一種で形成される事を特徴とする高温超伝導薄膜に
    形成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ。
JP31697195A 1994-12-19 1995-12-05 高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ Withdrawn JPH08237005A (ja)

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JP31697195A Withdrawn JPH08237005A (ja) 1994-12-19 1995-12-05 高温超伝導薄膜に形成したマイクロ波7−極低域通過フィルタ

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