JPH09246837A

JPH09246837A - 指向性アンテナと低温デバイス装置及びその製造方法

Info

Publication number: JPH09246837A
Application number: JP8049023A
Authority: JP
Inventors: Eiji Natori; 栄治名取; Setsuya Iwashita; 節也岩下; Taketomi Kamikawa; 武富上川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 1997-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】指向性が強く高利得な指向性アンテナを提供
する。【解決手段】フォトリソグラフィーにより超伝導アン
テナ部と超伝導給電経路部を形成した基板をアンテナ部
が所定の間隔で重なるように積層した構造よりなるため
超電導アンテナを精度良くアレー化でき、また給電経路
の長さを自由に且つ高精度に管理出来るため位相差給電
が精密にでき指向性、利得が極めて高い超指向性アンテ
ナを得ることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は主に衛星放送（Ｂ
Ｓ）、無線通信、レーダー等電磁波を受発信する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】無線通信のアンテナは昔から小型で高感
度であることが要求されてきた。特に普及がめざましい
移動体通信用のアンテナ、家庭用通信アンテナ（例えば
ＢＳアンテナ）はその要求が強い。また近年電波による
電子装置の誤動作問題や電波を有効に使うため所定の方
向のみに電波を送信するいわゆる指向性が要求されてき
た。

【０００３】この様な状況の中で材料で大きく注目され
ているのが超電導体、特に小型冷凍機が使え使用環境の
制限が少なくなった酸化物超電導体である。

【０００４】酸化物超電導体は（ａ）長波からマイクロ
波帯（ミリ波まで）に於て通常の金属に比べ桁違いに損
失が少ない（ｂ）電磁波の侵入がマイスナー効果により
周波数に関係なく一定であるため周波数分散を持たず広
い周波数領域で使用出来る特徴を持っている。

【０００５】故に酸化物超電導体をアンテナに使用する
と電磁波の波長に対してアンテナのサイズを数桁小さく
してもアンテナの絶対利得は低下しない。即ち極めて小
型のアンテナが可能となる。一方アンテナの利得は指向
性利得×放射効率で表される様に指向性を強くすると高
性能化が図れる。超電導アンテナには超電導体を用いて
初めて成しうる「超利得アンテナ」または「超指向性ア
ンテナ」と呼ばれるアンテナがある。これは微小アンテ
ナを近接して配置し、ほぼ逆位相で駆動させるものであ
り極めて高指向性で且つ高利得のアンテナが得られる可
能性がある。

【０００６】超電導アンテナの詳細な説明は薄膜ではパ
ッチアンテナが信学技報，ＳＣＥ９３−１２，ｐｐ７５
−７４（１９９３）にスロットアンテナが信学技報，Ｍ
Ｗ９４−１４３，ｐｐ９−１３（１９９５）に、ログペ
リアンテナが第５６回応用物理学会学術講演会予稿集，
２７ａ−Ｒ−１に述べられている。バルク的なアンテナ
としてはヘリカルアンテナがＩＥＩＣＥＴＲＡＮ
Ｓ．，ＥＬＥＣＴＲＯＮ．，ＶＯＬ．Ｅ７５−Ｃ，Ｎ
Ｏ．２，ＦＥＢＲＵＡＲＹ，１９９２に述べられてい
る。

【０００７】前者はＬａＡｌＯ₃、ＮｄＧａＯ₃、ＹＳ
Ｚ、ｓａｐｐｈｉｒｅ、ＭｇＯ等酸化物単結晶基板上に
ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇、Ｔｌ₂Ｂａ₂ＣａＣｕ₂０₈、Ｔｌ_0.5Ｐ
ｂ_0.5Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ₉等酸化物超電導膜をスパッタ
法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、レーザーアブレーション法等
により形成した後、フォトリソグラフィによりパターニ
ングして得られる。また後者はＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ₇または
Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xよりなる線材（約１ｍｍφ）
をヘリカル状に形成した後焼結してできた素子を基板に
固定して得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超伝導
アンテナは以下の様な問題を有していた。

【０００９】（１）薄膜タイプに関しては小型化した報
告は有るがアレー化して利得を向上させた報告は無い。
超利得アンテナを得るにはアレー化した微小アンテナの
アンテナ間を精度よく作製し且つそれぞれのアンテナへ
位相差を持った給電を精密に行う必要があるが報告の無
いのは精密な給電が困難であるためと思われる。給電を
精密に制御出来ないとアレー化することにより逆にアン
テナ利得は低下する結果となる。

【００１０】（２）バルクタイプでは指向性アンテナの
報告はあるが２素子をアレー化したのみでありまだ利得
は低い。精度の悪い焼結体よりなるアンテナであるため
多数の素子をバランスよく取り付けるのが困難なためと
思われる。また今後無線通信では情報量の増大に伴い短
波長化が進むため素子も小型にする必要があるが焼結に
よるアンテナでは小型化は困難と言える。

【００１１】（３）ヘリカル構造のバルクタイプの超電
導アンテナは超電導細線を巻いた構造であり大きい割に
熱伝導が行われる部分は細線であり少ない。且つ超電導
体は熱伝導率が悪いため超電導アンテナ全体を冷やすに
は液体窒素に浸すしか手段はなた。故に電源に接続す
るだけで冷却ができる閉サイクル冷凍機が使えず使用環
境の制限が多かった。

【００１２】（４）閉サイクル型冷凍機を用いたデバイ
ス装置は輻射によるノイズが多く信号波形が不明瞭にな
る問題があった。

【００１３】本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり使用環境の制限が少なく、指向性が強く且つ利得
の高いアンテナとノイズの少ない低温デバイス装置を容
易に得んとするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明よりなる指向性アンテナは少なくとも超伝導
アンテナ部と超伝導給電経路部を形成した基板をアンテ
ナ部が所定の間隔で重なるように積層した構造より成る
こと、基板に形成した各々の超伝導給電経路部は積層方
向に対して重ならないこと、給電経路部間に絶縁膜を介
して金属または超伝導体よりなるシールド膜を形成する
ことを特徴とする。また好ましくはシールド膜をアース
に短絡させたことを特徴とする。さらに本発明よりなる
低温デバイス装置は超伝導アンテナ、超電導ミクサ等低
温に冷やすデバイスの周部を冷却せしめたフィルターで
覆ったことを特徴とする。フィルターの冷却温度は超電
導アンテナや超電導ミクサ等デバイスの温度と同等であ
ることが好ましい。更に本発明よりなる指向性アンテナ
は超電導体を用いた指向性アンテナの製造方法におい
て、（１）基板上に超電導膜を形成する工程、（２）前
記超電導膜をフォトリソグラフィーによりパターニング
して少なくとも超電導アンテナと所定の長さに調整した
超電導給電経路を形成する工程、（３）超電導アンテナ
と超電導給電経路を形成した基板を厚さ方向に超電導ア
ンテナ部が所定の間隔で重なるように積層する工程、
（４）積層した基板を接合材等により固定する工程、を
有することを特徴とする。尚用いる超電導体は金属系、
化合物系、酸化物系を問わないが好ましくは使用環境の
制限の少ない酸化物系が良い。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、実施例に従って本発明を詳
細に説明していく。

【００１６】（実施例１）本発明よりなる指向性アンテ
ナの斜視図を図１に、Ａ−Ａ’に於ける断面図を図２に
示す。微小アンテナの超電導アンテナ２と超電導給電経
路３を形成した基板１を超電導アンテナ２が厚さ方向に
重なるように積層して超電導アンテナ２をアレー化せし
めたものである。

【００１７】本実施例の作製プロセス、構造のポイント
は次の通りである。先ずＬａＡｌＯ₃単結晶基板１に真
空中に於て酸素プラズマを照射し、表面の洗浄で取れな
い汚れやアモルファス層を除去し、更に大気に晒す事な
くプラズマフラッシュ法によりＹＢａ₂Ｃｕ₃０_7-x膜を
基板温度５５０〜６００℃、成膜レート１〜５Å／ｓｅ
ｃ．の条件で１００〜５００ｎｍ形成する。尚ＬａＡｌ
Ｏ₃単結晶は低誘電率（ε＝１０）で且つＹＢａ₂Ｃｕ₃
０_7-xと格子定数の整合性に優れているため用い、また
プラズマフラッシュ法はスパッタ法や蒸着法に比べ桁違
いに速い成膜レートでエピタキシャル成長膜が形成でき
るため採用した。この条件により得られる超電導膜はＴ
ｃ＝９０Ｋ、Ｊｃ＝１×１０⁶Ａ／ｃｍ²（７７Ｋ）であ
る。次にＹＢａ₂Ｃｕ₃０_7-x膜を図３〜図５の平面図と
図６の断面図に示す様に基板１のａ面とｂ面を基準にフ
ォトリソグラフィーによりパターニングして基板１、ダ
イポール型微小アンテナの超伝導アンテナ２、超伝導給
電経路３、１３、２３よりなるユニット７を作製する。
作製するユニット７の数はアレー化する数、即ち７つで
あり、そのユニット７毎のパターンは超伝導アンテナ２
の位置は基準面に対して何れも同じ位置であるが超伝導
給電経路３、１３、２３は位置と長さが異なる。尚図で
は図３、図４、図５と３ユニットで説明しており残る４
ユニットは省略している。ここで給電経路３、１３、２
３の長さがそれぞれユニット７毎に異なるのは超伝導ア
ンテナ２への給電位相を超伝導給電経路３、１３、２３
の長さにより調整するためでありフォトリソグラフィー
を用いると精密に且つ自由に調整出来る。また超伝導給
電経路３、１３、２３の位置がユニット７毎異なるのは
積層後の給電経路３、１３、２３間に於ける干渉を防止
しノイズの発生と損失を抑制するためである。また超電
導アンテナ２と超電導給電経路３、１３、２３をモノリ
シック化したのはインピーダンス整合を取り易くするた
めである。次に金属マスクを用いた電子ビーム蒸着によ
りＡｌ₂Ｏ₃よりなり、超伝導アンテナ２と同等ないしは
厚いスペーサー４を形成する。これは後の積層時に於け
る超伝導アンテナ２、超伝導給電経路３、１３、２３、
の劣化（擦れ、キズ、歪）の防止、接合材６の入る空間
の確保と超伝導アンテナ間距離ｈを一定にするためであ
る。現在の技術では基板１の厚さを数十μｍ〜数μ単位
で管理することは出来るがロット毎にスペーサー４の膜
厚を調整すると超電導アンテナ間距離ｈを容易に管理出
来低コスト化が図れる。

【００１８】次にユニット７を基準面であるａ面、ｂ面
を揃え位相差順に積層する。精度の高いフォトリソグラ
フィーと基準面を同じにしているため超伝導アンテナ２
は積層方向に精度良くアレー化される。次に接合材６で
ある低粘度タイプのセラミックボンドを減圧雰囲気でス
ペーサーにより形成した隙間に浸透させる。続いて２０
０℃に加熱しユニット７間を接合固定する。尚スペーサ
ー４により超伝導アンテナ２と超伝導給電経路３、１
３、２３に応力が掛からない様にしているため接合材６
は線膨張係数の異なる金属ペースト、低融点金属、樹脂
ボンドであっても差し支え無い。以上により指向性アン
テナを得る。

【００１９】得られた指向性アンテナの指向性と利得を
評価した。周波数は６０ＧＨｚであり、冷却はスターリ
ングサイクル冷凍機を用いた。結果を図７に示す。最外
円が１０ｄＢである。図から指向性と利得が極めて高い
アンテナ（超指向性アンテナ）が確実に出来ていること
が判る。これは超伝導アンテナ２を高精度にアレー化し
たこと、位相差給電を精密に行ったこと、給電経路間の
干渉を抑えノイズの発生と損失を低減したことによるも
のである。また指向性アンテナ１５の形状は空間が少な
い構造であり、熱伝導性が良く全体を均一に冷却できる
め小型の閉サイクル冷却装置を用いても差し支え無かっ
た。

【００２０】（実施例２）本発明よりなる指向性アンテ
ナのユニット７の平面図と断面図を図８と図９に示す。
実施例１で得られるユニット７の超伝導アンテナ２を除
く部分（図８斜線部）に絶縁膜５を介してＹＢａ₂Ｃｕ₃
０_7-xよりなるシールド膜３を形成するものである。

【００２１】先ず実施例１と同様な工程で得られたユニ
ット７の超伝導アンテナ２を除く部分にＺｒＯ₂よりな
る絶縁膜５をプラズマフラッシュ法により２００〜５０
０ｎｍ形成する。超伝導アンテナ２のマスキングは金属
マスクを用いる。次に絶縁膜５と同様にプラズマフラッ
シュ法と金属マスクによりＹＢａ₂Ｃｕ₃０_7-xよりなる
シールド膜８を絶縁膜５上に５００〜１０００ｎｍ形成
する。尚絶縁膜５とシールド膜８の形成は同一チャンバ
ー内で連続して行う。次に金属マスクを用いた電子ビー
ム蒸着によりＡｌ₂Ｏ₃よりなり、シールド膜８の基板１
からの高さと同等ないしは厚いスペーサー４を形成す
る。更に実施例１と同様に基準面を揃え積層し３次元的
に架橋する熱硬化性樹脂よりなる接合材６で固定し指向
性アンテナを得る。

【００２２】得られた指向性アンテナの指向性と利得を
評価したところシールド膜８を形成したことにより指向
性は殆ど差は見られなかったが利得は約１．２ｄＢの改
善が図れた。これはマイスナー効果により超電導給電経
路３間の干渉を確実に抑えられたためと思われる。また
測定はシールドルーム内で行ったが外では電磁波が入り
乱れているためシールド膜８はこれらのシールドも出来
る。更にシールド膜８を形成すると給電経路３が重なっ
ても干渉は少なくなるため重ねることにより基板１上の
空いている部分が多くなり超電導フィルター、超電導ミ
クサ等他の素子とのモノリシック化が図れる。シールド
膜８はマイスナー効果を利用した超電導膜より若干シー
ルド特性は落ちるが厚くすると金属膜を用いることも可
能である。この場合熱電導が良くなるため更に冷却効率
が良くなり均熱化が図れる。但し酸化物と相性が悪いと
剥離するため酸化物、金属共に相性の良いＴｉ、Ｚｒの
極薄膜を中間に挟むと良い。

【００２３】尚シールド膜８は使用状況に依ってはパッ
チアンテナにもなり相互干渉が発生しシールド膜８を形
成したことにより利得が逆に低下する場合がある。この
場合はシールド膜８をアースに短絡させると良い。

【００２４】以上実施例では超電導材料にＹＢａ₂Ｃｕ₃
０_7-xを用いたがＢｉ_1.5Ｐｂ_0.5Ｓｒ₂Ｃａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y系
他の酸化物超電導体でもＮｂ等金属系やＮｂ₃Ｇｅ等化
合物系であっても効果は同じであり何等差し支えない。

【００２５】（実施例３）本発明よりなる低温デバイス
装置の断面図を図１０に示す。スターリングサイクル冷
凍機９の冷却ヘッド１０に固定した冷却ステージ１１、
更に冷却ステージに固定した超電導アンテナ、超電導ミ
クサを形成した低温デバイス１５、冷却ステージ１１に
固定され低温デバイスを囲む様に配したフィルター１
２、これらを囲み真空断熱室１２を形成する石英筒１３
から構成されている。尚低温デバイスと外部装置を接続
するケーブル、コネクターは省略してある。

【００２６】本実施例の作製プロセス、構造のポイント
は次の通りである。先ずスターリングサイクル冷凍機９
の冷却ヘッド１０に無酸素銅に金メッキを施した冷却ス
テージを低融点合金であるＩｎ−Ｇａ合金で接着固定す
る。ここでスターリングサイクルを用いたのは閉サイク
ル冷凍機の中で現在最も冷却効率が高く小型化が可能で
あるためである。小型のデバイスが出来ても冷凍機大き
くては意味がなくなる。また低融点合金で接着固定した
のは熱伝導率を上げ効率良く冷却するためであり、低融
点合金の他に金属ペーストでも良い。次にバイクリスタ
ル基板を用い平面に超電導アンテナと超電導ミクサを形
成した低温デバイス１５をケーブル他所定の接続を行っ
た後冷却ステージ１１にＩｎ−Ｇａ合金で接合固定す
る。

【００２７】次に所定の電波を透過する様に石英ガラス
に誘電体膜を多層に積層したフィルター１２を低温デバ
イスを覆う様に冷却ステージ１１に同じくＩｎ−Ｇａで
接着固定する。超電導体のエネルギーギャップより高い
エネルギーの可視光、赤外線は超電導デバイスに影響を
与えるため、フィルター１２はそれらの除去を目的とし
ている。特にエネルギーギャップの低い金属系や化合物
系超電導体を用いるとその影響は大きい。次にチャンバ
ー内に入れ１０^ー3Ｔｏｒｒ以下の圧力に真空引きした後
石英からなる外枠１３を被ぶせハーメチックシールドに
より密封固定する。そのため断熱室１４は大気中に出し
ても高真空に保持される。ここで外枠１３に石英を用い
たのは電波（マイクロ波、ミリ波）の透過率が高いため
である。この様にして冷凍機一体型の低温デバイス装置
を得る。

【００２８】得られた低温デバイスのビデオ検波特性を
太陽下に於て評価した。結果を表１にフィルター１２を
用いない場合、フィルター１２を石英筒１３の外に形成
した場合と比較した。

【００２９】

【表１】

【００３０】表に示す様にフィルター１２を用いること
により太陽下でもビデオ検波が可能になり、更にフィル
ター１２を冷却すると出力波形が明瞭になった。これは
フィルター１２を用いないとエネルギーの高い電磁波が
入り超電導体のクーパー対が破壊され超電導状態が不安
定になるためであり特に超電導ミクサを含め超電導体内
に粒界がある場合は顕著にその現象が出る。またフィル
ター１２を冷却する場合としない場合に差があるのは石
英筒１３から赤外線が出ているためと考えられる。

【００３１】物体から射出される電磁波の波長は λ＝ｂ／Ｔｂ＝０．２８９ｃｍＫＴ：絶対温度で表わされる。この式から太陽下に於ける外枠１３の温
度３２３Ｋ（５０℃）を当てはめると数μｍの赤外線が
射出されていることが判る。石英の５０℃近傍の射出率
は約０．９５であるためほぼ最大限赤外線が射出してい
ると言える。またそのエネルギーはＳ＝σＴ⁴ σ＝５．６７×１０^ー12Ｗ・ｃｍ^-2ｄｅｇ^-4 で表される。この式から温度の４乗に比例して低くなる
ことが判る。即ちフィルター１２を冷却したことにより
射出される電磁波の波長は長波長になり、更にエネルギ
ーが極めて少なくなったためと考えられる。この問題は
液体窒素を用いる方法では容器自体も冷却されこの影響
は出ないため閉サイクル冷凍機ならではのものと言え
る。尚放射率の低い材料は沢山有るがそれらは電波の透
過率の悪い材料であり用いることは出来ず、また誘電体
膜を外枠１３の内部に形成しても石英と誘電体膜との射
出率の差は少なく改善とはならない。本実施例では超電
導アンテナ、超電導ミクサ等超電導デバイス装置で説明
したがＨＥＭＴミクサの様な高感度な半導体デバイス装
置でも冷却して用いる場合は同様な効果が得られる。

【００３２】尚前後するが実施例１と実施例２で述べた
指向性アンテナは基板にガードされているためフィルタ
ー１２を設けなくても射出電磁波の影響は比較的少な
い。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明した様に構成されて
いるので、以下に記載される様な効果を奏する。

【００３４】フォトリソグラフィーにより超伝導アンテ
ナ部と超伝導給電経路部を形成した基板をアンテナ部が
所定の間隔で重なるように積層した構造よりなるため超
電導アンテナを精度良くアレー化でき、また給電経路の
長さを高精度に出来るため位相差給電が精密にでき指向
性、利得が極めて高い超指向性アンテナを得ることが出
来る。また超電導アンテナと超電導給電経路をモノリシ
ック化したことによりインピーダンス整合がとれるこ
と、積層間に適切なシールド膜を形成すると給電経路間
の干渉が防止できノイズ、損失が低減されたことにより
利得が高くなる。

【００３５】また熱伝導性のよい構造であるため冷却効
率がよく使用環境の制限が少ない閉サイクル冷凍機を用
いることが出来る。更に低温デバイスを冷却せしめたフ
ィルターで覆ったことにより可視光、赤外光など外部か
らの必要外の電磁波を除去出来るだけでなく低温デバイ
スの周囲から射出される電磁波の発生を抑えることがで
き高性能な低温デバイス装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナの斜視図。

【図２】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナのＡ−Ａ’断面図。

【図３】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナのユニットの平面図。

【図４】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナの別ユニットの平面図。

【図５】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナの別ユニットの平面図。

【図６】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナのユニットのＢ−Ｂ’断面図。

【図７】本発明よりなる第１の実施例に於ける指向性
アンテナの指向性−利得特性図。

【図８】本発明よりなる第２の実施例に於ける指向性
アンテナのユニットの平面図。

【図９】本発明よりなる第２の実施例に於ける指向性
アンテナのユニットのＣ−Ｃ’断面図。

【図１０】本発明よりなる第３の実施例に於ける低温
デバイス装置の断面図。

【符号の説明】

１・・・単結晶基板２・・・超電導アンテナ３、１３、２３・・・超電導給電経路４・・・スペーサー５・・・絶縁膜６・・・接合材７・・・ユニット８・・・シールド膜９・・・冷凍機１０・・・冷却ヘッド１１・・・冷却ステージ１２・・・フィルター１３・・・外枠１４・・・真空断熱室１５・・・低温デバイス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも超伝導アンテナ部と超伝導給
電経路部を形成した基板をアンテナ部が所定の間隔で重
なるように積層した構造より成ることを特徴とする指向
性アンテナ。
【請求項２】基板に形成した各々の超伝導給電経路部
は積層方向に対して重ならないことを特徴とする請求項
１記載の指向性アンテナ。
【請求項３】給電経路部間に絶縁膜を介して金属また
は超伝導体よりなるシールド膜を形成することを特徴と
する請求項１記載の指向性アンテナ。
【請求項４】シールド膜をアースに短絡させたことを
特徴とする請求項３記載の指向性アンテナ。
【請求項５】超伝導アンテナ、超電導ミクサ等低温に
冷やすデバイスの周部を冷却せしめたフィルターで覆っ
たことを特徴とする低温デバイス装置。
【請求項６】超電導体を用いた指向性アンテナの製造
方法において、（１）基板上に超電導膜を形成する工
程、（２）前記超電導膜をフォトリソグラフィーにより
パターニングして少なくとも超電導アンテナと所定の長
さに調整した超電導給電経路を形成する工程、（３）超
電導アンテナと超電導給電経路を形成した基板を厚さ方
向に超電導アンテナ部が所定の間隔で重なるように積層
する工程、（４）積層した基板を接合材等により固定す
る工程、を有することを特徴とする指向性アンテナの製
造方法。