JPH11500879A

JPH11500879A - 高温超伝導体デバイスの電力処理能力を向上させる方法

Info

Publication number: JPH11500879A
Application number: JP8525721A
Authority: JP
Inventors: マッタイ，ジョージ・エル; スカラピノ，ダグラス・ジェイ; ヘイ−シプトン，グレゴリー・エル
Original assignee: Superconductor Technologies Inc
Current assignee: Superconductor Technologies Inc
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1996-02-07
Publication date: 1999-01-19
Also published as: EP0811257A1; CA2211406A1; EP0811257A4; WO1996026555A1

Abstract

(57)【要約】ストリップライン伝送システムにおいて（図１）、エッジ（１４）を保持する中央導体（１２）は、通常平面であり、実質的に平行である接地面（１６、１８）の間に配置されている。第１の誘電体（２２）は、第１の接地面と第２の接地面（１６、１８）との間に配置された中央導体（１２）を保持している。ギャップ部（２０）が中央導体エッジ（１４）の近傍に形成され、上記ギャップ（２０）は固体誘電体（２２）の誘電率よりも低い誘電率を有する誘電体を含んでいる。ギャップ（２０）の誘電体は空気又は真空であるのが好ましい。１実施例（図２）において、ギャップ部（４２）は、中央導体エッジ（３２）の横外部であり、かつ接地面（３４、３６）の間の領域で広がっている。マイクロストリップ実施例（図３の５０）において、基板（５２）は、実質的に平行な第１の面及び第２の面（５４、５６）を有し、上記第１の面は、該第１の面（５４）に形成された近接溝（６２）を備えて、エッジ（６４）を保持する中央導体（５８）を含んでいて、上記第２の面（５６）に接地面（６０）が形成されている。損失が低減する結果線形性が向上し、ファイルター、送信機及び受信機といった部品への応用を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】高温超伝導体デバイスの電力処理能力を向上させる方法及び装置技術分野本発明は、高温超伝導体からなるデバイスに注目するものである。さらに詳細には、超伝導体のようなエレクトロニクスデバイスからなりデバイス内部に電力処理能力を実質的に保持するものに注目する。発明の背景１９８７年に高温超伝導("high-temperature superconductivity";HTS)が発見されたことで、未来技術への活気に満ちた可能性が開かれ、それらのほとんどが現実化されている。そういった時代以前、高価でかつ取り扱いの難しい液体ヘリウムを用いて達成される絶対０度付近でのみ、超伝導は利用することができた。ＨＴＳの発見で、現在超伝導は１３０Ｋに至る温度で得ることができる。液体ヘリウムよりもずっと安価で、取り扱い易く、７７Ｋで沸騰する液体窒素を利用して１３０Ｋに至る温度は容易に提供される。多くの実用で必要とされる温度は、比較的サイズの小さい電子低温クーラーで提供されることが可能である。それらの幾つかは現在利用可能であり、将来高性能、高価ではないモデルが入手可能であることに疑いはない。これらの開発によって、マイクロ波技術者に小寸法で極めて低損失のマイクロ波回路を達成する方法が提供される。１枚の基板に多くの部品を備えた複雑で小型の回路のフォトエッチングを可能にするプレーナー回路技術を応用することで、マイクロ波システムは飛躍的に進歩している。ソリッドステートデバイスが回路プロセス技術で製造された場合、しばしばマイクロ波システムはハイブリッドマイクロ波集積回路と呼ばれる。比較的大型で、重量のある導波管と同軸線を用いた回路のような旧式の非平面回路構成を用いる必要があった場合、これらの技術によって、実用できない多くの複雑なシステムを実行可能にした。非超伝導体の例であるループエレメント平面配置は、例えば、１９８９年１１月１４日に発行されたスワンソン米国特許4,881, 050号で示されている。いっそう、普通の同一平面内の導波管の伝送損失を低減するという目的に向かって努力がされている。例えば、１９８４年ＩＥＥＥＭＴＴ−Ｓダイジェストエフウィリアム（F.Williams）らによる「同一平面の導波管の伝送損失の低減」（Reduction of Propagation Losses in Coplanar Wa veguide）４５３−４５４ｐｐでは、同一平面の導波管の伝送損失は、中央導体と同一平面内の接地面部との間にエアギャップを形成することで低減するとしている。２つの実施例が提案されていて、１つめの実施例では、同一平面導波管は薄誘電層上に形成され、薄誘電層は、より薄くより高誘電率の層に形成されていて、２つめの実施例では、同一平面の導波管に導体部を保持する誘電性基板にトレンチが形成されたものである。第１の誘電層の厚さｈ又はトレンチの深さが、中央導体と接地面との間の間隔の約１０〜３０％の間であるどちらの実施例でも、伝送損失の局所的な最小値が達成する。しかしながら、従来のマイクロ波回路構成は、導波管及びほとんどの同軸回路構成と比較して高損失であるという重大な制限を有する。このことで、回路構成内で多くの損失を寛容することができる実用例に従来のマイクロ波集積回路を利用することが制限される。例えば、高いＱ（即ち、４００をこえるＱ’であり、極めて低損失であるもの）の共振器が要求されるので、従来の集積回路形態で狭帯域マイクロ波フィルターを実現するのは不可能である。さらに、多くの従来のマイクロ波回路では、回路部品は損失を低減するため、必要とされるよりもむしろ大きく作られる。損失が考慮しない場合、多くのマイクロ波集積回路は、より小さく、より軽く製造することができる。ＨＴＳマイクロ波平面回路の出現で、極めて低損失に相当し、ときには大きく、重量ある導波回路で実現されたものよりも低損失であるマイクロ波集積回路を製造することが可能になる。非常に小型の「半ループ」、「ループ」エレメントが利用することが可能であり、さらに、多くの状況において２００００又はそれ以上の驚異的な共振値Ｑ’を得られる。この技術は、高性能で、以前は全く不可能であった種類の小型マイクロ波集積回路への道を開いた。しかしながら、超伝導体回路に問題点がないわけではない。例えば、重要な電力処理能力を要求する送信機又は受信機として超伝導体を利用することは問題が多い。理想超伝導体は完全な結晶である結果、全体的に電力の関数として線形性である一方（臨界電流密度Ｊ_dに至るまでは）、真の超伝導結晶はわずかに不規則であり、臨界電流密度Ｊ_d以下の電流であっても、電流の関数として表面の抵抗を非線形に導く。相互変調効果が発生する可能性があり、その結果周波数が識別され、判断される。従って送信機又は受信機に関しては、結果として干渉が発生する可能性がある。この問題は、フィルターの利用することで処理されてもよいが、このような実用例における光学的解決手段は、真の線形性及びフィルターのような追加部品を回避することである。フィルターを利用しても、この問題は排除されない。例えば電流技術によると、非常に狭い狭帯域フィルターを用いた場合、ミリワットオーダーの入力電力レベルは、相互変調効果同様に、伝送損失の増加に導くことがある。高温超伝導体からリニアデバイスを製造するという重要な要求に関わらず、真のリニアデバイスを妨げる問題が残る。発明の概略本発明は、高温超伝導デバイスの電力処理能力を増加させる方法及び装置に関する。ストリップライン構造では、長く、薄い中央導体が、中央導体の薄いエッジ部を除いて、誘電体で囲まれている。薄いエッジは、周囲の誘電体よりも低い誘電率有する材料に面しているが好ましく、空気又は真空を有する材料に面しているのが最も好ましい。ストリップライン構造の１の実施例は、隔てられた誘電体部分によって、中央導体エッジ付近にトンネル又は空気ギャップが提供される。さらに別のストリップラインの実施例は、実質的に完全に中央導体エッジの横外側領域の接地面間で広がっている空気ギャップを有する。選択的には、中央導体と接地面の一方との間の誘電体は取り除かれることもある。選択的に、接地面は別の保持基板からなることがある。代替の実施例では、マイクロストリップ配置は、誘電性基板に配置された、通常長く、薄い形状を保持する中央導体を含んでいる。トレンチは、中央導体の外側エッジの横外部及びその周辺部に形成されている。選択的には超伝導体である接地面は、中央導体と反対側の誘電体側に形成されている。トレンチ又はギャップは、金属、機械のようなフライス削り、又はレーザフライス削りからなること、また、等方性若しくは異方性のエッチングで形成されるのが好ましい。選択的に、例えばエッチングを利用することで、トレンチ又はギャップは超伝導体の下部に形成されてもよい。それゆえ、向上された電力処理能力を有する超伝導体を含む構造を製造することが本発明の主な目的である。向上された線形性特性、特に電流の関数としての表面抵抗を有する超伝導体デバイスを提供することが本発明のさらに別の目的である。与えられている電力レベルで超伝導体デバイスを通過する最大電流密度を最小化することも、さらにまた本発明の目的である。簡単な図面の説明図１は、ストリップライン外形の斜視図を示すものである。図２は、変形されたストリップライン外形の斜視図を示すものである。図３は、マイクロストリップ外形の斜視図を示すものである。図４は、中央導体から下を切り取った誘電体の詳細部を斜視図で示したものである。図５は、本発明を用いない、ストリップライン伝送構造の断面図を示すものである。図６は、導体の中心から横方向の変位を関数とする、図５の中央導体の電流分布を示すものである。図７は、ストリップライン外形の電界線断面図を示すものである。図８ａは、図２及び図５の構造の導体の中心から横方向の位置を関数とする電流分布を示すものである。図８ｂは、図２及び図５の構造の中央導体の右エッジ付近の電流分布を示すものである。発明の詳細な説明図１は、本発明に係るストリップライン外形の斜視図を示すものである。中央導体１２は、第１接地面１６と第２接地面１８から実質的に等距離に配置されている。通常、中央導体１２は厚いよりも広いものであり、断面で示された図面の平面で広がっている。中央導体１２は中央導体エッジ１４を境界とする。中央導体１２は、高温超伝導性材料から形成されるのが好ましい。別の超伝導性材料が用いられてもよいが、ＹＢＣＯとタリウムの超伝導体は、相対的に高臨界温度のＴ_c、及び電力処理能力に対して好ましいものである。中央導体１２は誘電体２２で支えられている。誘電体２２は、ランタンアルミニウム、サファイア、酸化マグネシウムのような中央導体１２に適合する材料であってよい。本実施例では、誘電体２２は、中央導体１２と第２接地面１８との間と同様に、中央導体１２と第１接地面１６との間に配置される。ギャップ２０は、中央導体エッジ１４に近接する誘電体２２に形成される。ギャップ２０は、誘電体２２の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料からなるのが好ましい。ギャップ２０を含んでいる誘電体は、空気又は真空であるのが最も好ましい。ギャップ２０は、中央導体エッジ１４に近接する中央導体１２と平行に延びている。ギャップ２０は十分に大きく形成されたものであるから、ストリップライン構造１０の電力処理能力が向上するが、デバイス全体の構造上の完全性に悪影響を与えるほど大きく製造されていない。ギャップ２０がストリップライン構造１０に比較して大きくなればなるほど、電力処理能力は良好になる。ギャップ２０の広さと深さは、それぞれが中央導体の幅と基板の厚さの寸法のオーダーとすべきであるのが好ましい。１の実施例では、ギャップの深さと幅は、２０ミクロン以上である。ギャップの深さは、図２のように接地面に達するのが理想的である。図１の構造は、２つのユニットが一緒に混成されて構成されるのが好ましい。誘電体２２の上部部分を含む第１ユニットは、実質的に平行な２つの面を有し、第１の面は接地面１６を保持し、第２の面はギャップ２０の全部又は１部分を保持する。下部モジュールは、実質的に平面であり、平行である面を含んでいて、そこでは第１の面は中央導体１２、キャップ２０及び誘電体の反対側の第２の接地面の一部又は全部を有する。その後２つのユニットは、２つのモジュールの境界面２４を形成して、混合される。モジュールは、圧力クランプで保持されるのが好ましい。ギャップ２０は、ストリップライン構造１０の材料に適合する材料除去処理で形成される。例えば、ギャップ２０は、比較的大きな構造（即ちラジオ周波数デバイス）にはフライス盤で、小さな構造（即ちマイクロ波及びミリメートル波デバイス）にはイオンフライス又はレーザフライスのようなものでフライスされる。代替法として、ギャップ２０は誘電体２２をエッチングしたものであってもよい。エッチングによって、中央導体１２から誘電体２２をアンダーカットする機会が提供される。図４で示されているように、ギャップ２０（部分的に示されている）はアンダーカット２６を有する。アンダーカット２６は、中央導体エッジ１４から下に延長された垂線からの距離ｕを延ばす。図２は、変形されたストリップライン構造を示すものである。通常、中央導体３０は平面であり、その平面の幅及び長さよりも小さい厚さを保持する。中央導体３０は中央導体３０の横エッジに中央導体エッジ３２を有する。通常、第１接地面３４と第２接地面３６は中央導体３０に平行に配列され、各接地面３４と３６から等距離かつ平行な中央導体３０を備えて配置される。第１誘電体３８は、中央導体３０と第１接地面３４との間に配置される。同じ誘電率を有する第２誘電体は、選択的に中央導体３０と第２接地面３６との間に配置されるのが好ましい。本実施例では、空気以外の誘電体は、中央導体エッジ３２の横外部領域から矢印４２で示されるように取り除かれる。任意に、第１及び第２接地面は、中央導体３０から離れた側に配置されている基板によって保持されてもよい。図３は、マイクロストリップ配置の斜視図を示すものである。マイクロストリップ構造５０は、平行に配置された平面である面、第１の面５４及び第２の面を有する基板５２を含んでいる。中央導体５８は、基板５２の第１の面５４に形成されている。一般的に中央導体５８は、実質的に幅ｓよりも小さい厚さｔを保持する。トレンチ６２は、中央導体エッジ６４に横に近接して形成される。トレンチ６２は、深さｈと幅ｗを保持する。接地面６０は基板５２の第２の面５６に配置されている。図４は、中央導体１４の下部であるアンダーカット部分２６を保持するギャップ２０を示すものである。距離ｕであるアンダーカット量は望ましいものであり、構造的な完全性を維持するのに矛盾しないものである。本特許に係る発明を実施する好ましいモードでは、導体材料、即ち中央導体及び接地面は、超伝導性材料からなるのが好ましい。しかしながら、高周波電磁放射の伝送に適合性のある金、高純度の銅又はその他の材料のような通常の材料で、これらの構造の１つ又はそれ以上を置換することは、本発明に矛盾しない。ＨＴＳマイクロ波回路が作動することで、上記回路が運びうる電力量を制限する。回路中の電力レベルが大きくなりすぎた場合、回路の幾つかの部分の電流密度は、温度、周波数及びマイクロ構造に依存する臨界水準Ｊ_cを越え、さらにこれらの領域のＨＴＳはもはや超伝導体として作動しない。この結果、明らかに回路損失、及び異なる周波数の信号間の相互変調の様な非線形効果が増大する。温度、周波数及び局所的構造といった多くの変数からなる関数である一方、この臨界電流密度Ｊ_dは、７７Ｋで高質の薄膜では、一般的には３×１０⁶オーダーである。伝送線が調和している幾つかのマイクロ波回路応用平面の幾つか（即ちそれらの平面は、その端部に反射効果を有しない）では、臨界電流密度が超過したことによる相当な効果なくして、ＨＴＳ伝送線は数百ワット相当を伝送することができる（又伝送線の断面積により依存する可能性がある）。しかしながら、狭帯域フィルターのような場合では、フィルターの共振器内部の電流は、フィルターのポートに接続された伝送線の電流の１００倍以上の大きさであってもよい。このことが、共振器間に疎結合を加えた共振器が存在する共振状態の結果である。電力は電流の２乗に対して変化するが、このことは共振器に用いられている伝送線の電力規格は、フィルターから導かれ又はフィルターへ導く伝送線に望まれているものより１００００倍又はそれ以上の大きさが必要であることを意味する。高定常波比率のおかげで、比較的高い電流値を有する集積回路の別の部分もまた、高電力規格を必要とする。これらが原因で、ＨＴＳ伝送線の電力処理能力を向上させる装置及び技術は、比較的高電力を処理しなくてはならない幾つかのマイクロ波集積回路の実用に非常に重要である。例として図５は、上面と底面とに接地面６４を備え、相対誘電率がε_Tである誘電体６２で囲まれる中央導体６０を含んでいるＨＴＳストリップ伝送線を示すものである。中央導体は、紙の内部で及び紙の外側で拡張している。中央導体の電流密度は図６のように分布し、図６では中央導体の外側エッジで高いピークを示している。電流密度の高いピークは、中央導体のエッジ付近に存在し、電力レベルが伝送線で上昇するときに最初に電流飽和が発生するこれらのエッジにピークが存在する。図５のストリップエッジで高電流密度が発生する幾つかの理由は、電束線Ｄが描かれていることを除いて図５と同じ構造を示す図７から読みとれる。示された電束線は中央導体６０の正の表面チャージから始まり、接地面の負の表面チャージで終わっていて、さらに、表面のある地点での表面チャージ密度は、その地点に関する電束密度Ｄに等しい。これらの電束線及び表面チャージ分布が紙の内部へ（紙の内部から）伝送する場合、チャージ分布の伝送は、紙の内部へ又は紙の内部からの流れる導体上の表面電流を含んでいる。正のチャージを有する鋭いエッジからの電束線は、図７で示されているように放射状に放射されるだろう、さらに、必要とされる電束Ｄを提供するために、電束線はチャージの高濃度と鋭いエッジに沿った電流を要求する。本発明と矛盾することなく、中央導体のエッジ沿った高電流密度を低減するために、本発明はストリップのエッジに沿う縁取り電束を低減する。中央導体のエッジでピーク電流を低減させることに関しては、図２の構造でより複雑な利得の概算を得ることが可能である。図５の中央導体が非常に薄く、かつ接地面間隔ｈが無限に近づいている場合、中央導体の電流分布は式で正確にされる。Ｊ₁（ｘ）＝Ａ₁／（１−（２ｘ／ｗ）²）^0.5 （１）ここでＡは印加電圧と電線の構造に依存する定数であり、ｘは中央導体からの距離である。図５及び７のように接地面間隔ｈが有限の場合であっても、多くの場合この電流密度分布関数は有効な近似値であることが知られている（例えばＩＥＥＥ会報、又は１９９２年４月の第１１刊、コンピューター援助設計の５１３頁から５２４頁のジー．エル．マッハエイによる「キャパシタンスとインダクタとの相互接続分配を計算する単純化された方法」(G.L.Mathtaei,el al.,"A Simplified Mea ns for Computation of Interconnect Distribution Capacitances and Inducta nces”,IEEE Trans.or Computer-Aided Design,Vol.11 ,pp 513-524,April,1992 )を参照にせよ）。ｘがｗ／２に近づいた場合、関数Ｊ₁（ｘ）は（ｗ／２−ｘ）^-0.5 として無限大となることが容易に理解できる。１９７１年「被誘導波の理論における分析的な技術」("Analytical Techniques in the Theory of Guided Wa ves”)の１０−１１頁でアール．ミットラら(R.Mittra el al)は、誘電境界面上の薄い導体のエッジの特異性を分析し、図２で示された中央導体のエッジでは、ＬａＡｌＯ₃に関してε＝２４の場合、ｘがｗ／２に近づくと、電流分布は（ｗ／２−ｘ）^-0.128として無限大になることを示している。我々は（１）を変形して、ストリップのエッジで我々が得た特性を表すと、Ｊ₂（Ｘ）＝Ａ₂／（１−（２ｘ／ｗ²）^-0.128 （２）これは図２の場合の中央導体の電流分布についての優れた近似であり、Ａ₂は印加された電圧と電線の構造に依存する定数である。図８（ａ）と図８（ｂ）の一点鎖線は式（１）のプロットを示す一方、実線は式（２）のプロットを示すものであり、係数Ａ₁とＡ₂が調整されているので、２つの曲線の下部領域は等しいものであり、２つの伝送線の総電流を等分する。従って、一点鎖線は図５（従来技術）のような場合に用いられる一方、実線はε＝２４である図２（本発明）のような場合に用いられる。特に図８Ｂから理解できるように、誘電性の不連続が存在することで中央導体のエッジ部の電流特異点の強度を大幅に低減する。それ故、臨界値Ｊ_cを越える電流密度の部分を有することなく、かつ相互変調及び過剰損失を引き起こすことなく、図２の構造は図５の構造よりも大きな電力を運ぶ。当然、ＨＴＳの有限の厚さとＨＴＳとに関連する制限された電流貫通深度のおかげで、電流飽和が算入される前であっても電流分布のピークは完結するだろう。実際、電流密度の極めて高い数値に向かう分岐は、波長と膜厚ｔに依存する効果的な貫通深度によって中断され、低減される。縁部作用が発生する比較的薄く、広い導体を保持する導波管型構造を介して、電力が運ばれる電気回路に関して、本発明に係る装置と方法は有効である。とりわけ有効性は、超伝導体回路、特に高温超伝導体回路に対するこれらの技術の応用である。これらの技術はデバイス動作の線形性、特に電流の関数としての表面抵抗の線形性を向上させるのに都合がよく、受信機、送信機及びフィルターのような信号を処理する電子部品に関して、特に構造が有効である。非線形性を低減させることで、実質的に干渉が低減される。明瞭と理解とを目的とする実施例と引例によって、前述の発明は詳細に説明されているが、本発明の技術分野を鑑みて当業者にとって、添付の請求項の思想と範囲から離れずに一定の改造と変形が可能であることは明らかである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９６年９月５日【補正内容】明細書高温超伝導体デバイスの電力処理能力を向上させる方法技術分野本発明は、高温超伝導体からなるデバイスに注目するものである。さらに詳細には、超伝導体のようなエレクトロニクスデバイスからなりデバイス内部に電力処理能力を実質的に保持するものに注目する。発明の背景１９８７年に高温超伝導("high-temperature superconductivity";HTS)が発見されたことで、未来技術への活気に満ちた可能性が開かれ、それらのほとんどが現実化されている。そういった時代以前、高価でかつ取り扱いの難しい液体ヘリウムを用いて達成される絶対０度付近でのみ、超伝導は利用することができた。ＨＴＳの発見で、現在超伝導は１３０Ｋに至る温度で得ることができる。液体ヘリウムよりもずっと安価で、取り扱い易く、７７Ｋで沸騰する液体窒素を利用して、１３０Ｋに至る温度は容易に提供される。多くの実用で必要とされる温度は、比較的サイズの小さい電子低温クーラーで提供されることが可能である。それらの幾つかは現在利用可能であり、将来高性能、高価ではないモデルが入手可能であることに疑いはない。これらの開発によって、マイクロ波技術者に小寸法で極めて低損失のマイクロ波回路を達成する方法が提供される。１枚の基板に多くの部品を備えた複雑で小型の回路のフォトエッチングを可能にするプレーナー回路技術を応用することで、マイクロ波システムは飛躍的に進歩している。ソリッドステートデバイスが回路プロセス技術で製造された場合、しばしばマイクロ波システムはハイブリッドマイクロ波集積回路と呼ばれる。比較的大型で、重量のある導波管と同軸線を用いた回路のような旧式の非平面回路構成を用いる必要があった場合、これらの技術によって、実用できない多くの複雑なシステムを実行可能にした。非超伝導体の例であるループエレメント平面配置は、例えば、１９８９年１１月１４日に発行されたスワンソン米国特許4,881, 050号で示されている。いっそう、普通の同一平面内の導波管の伝送損失を低減するという目的に向かって努力がされている。例えば、１９８４年ＩＥＥＥＭＴＴ−Ｓダイジェストエフウィリアム（F.Williams）らによる「同一平面の導波管の伝送損失の低減」（Reduction of Propagation Losses in Coplanar Wa veguide）４５３−４５４ｐｐでは、同一平面の導波管の伝送損失は、中央導体と同一平面内の接地面部との間にエアギャップを形成することで低減するとしている。２つの実施例が提案されていて、１つめの実施例では、同一平面導波管は薄誘電層上に形成され、薄誘電層は、より薄くより高誘電率の層に形成されていて、２つめの実施例では、同一平面の導波管に導体部を保持する誘電性基板にトレンチが形成されたものである。第１の誘電層の厚さｈ又はトレンチの深さが中央導体と接地面との間の間隔の約１０〜３０％の間であるどちらの実施例でも、伝送損失の局所的な最小値が達成する。しかしながら、従来のマイクロ波回路構成は、導波管及びほとんどの同軸回路構成と比較して高損失であるという重大な制限を有する。このことで、回路構成内で多くの損失を寛容することができる実用例に従来のマイクロ波集積回路を利用することが制限される。例えば、高いＱ（即ち、４００をこえるＱ’であり、極めて低損失であるもの）の共振器が要求されるので、従来の集積回路形態で狭帯域マイクロ波フィルターを実現するのは不可能である。さらに、多くの従来のマイクロ波回路では、回路部品は損失を低減するため、必要とされるよりもむしろ大きく作られる。損失が考慮しない場合、多くのマイクロ波集積回路は、より小さく、より軽く製造することができる。ＨＴＳマイクロ波平面回路の出現で、極めて低損失に相当し、ときには大きく、重量ある導波回路で実現されたものよりも低損失であるマイクロ波集積回路を製造することが可能になる。非常に小型の「半ループ」、「ループ」エレメントが利用することが可能であり、さらに、多くの状況において２００００又はそれ以上の驚異的な共振値Ｑ’を得られる。この技術は、高性能で、以前は全く不可能であった種類の小型マイクロ波集積回路への道を開いた。しかしながら、超伝導体回路に問題点がないわけではない。例えば、重要な電力処理能力を要求する送信機又は受信機として超伝導体を利用することは問題が多い。理想超伝導体は完全な結晶である結果、全体的に電力の関数として線形性である一方（臨界電流密度Ｊ_dに至るまでは）、真の超伝導結晶はわずかに不規則であり、臨界電流密度Ｊ_d以下の電流であっても、電流の関数として表面の抵抗を非線形に導く。相互変調効果が発生する可能性があり、その結果周波数が識別され、判断される。従って送信機又は受信機に関しては、結果として干渉が発生する可能性がある。この問題は、フィルターの利用することで処理されてもよいが、このような実用例における光学的解決手段は、真の線形性及びフィルターのような追加部品を回避することである。フィルターを利用しても、この問題は排除されない。例えば電流技術によると、非常に狭い狭帯域フィルターを用いた場合、ミリワットオーダーの入力電力レベルは、相互変調効果同様に、伝送損失の増加に導くことがある。高温超伝導体からリニアデバイスを製造するという重要な要求に関わらず、真のリニアデバイスを妨げる問題が残る。発明の概略本発明は、高温超伝導デバイスの電力処理能力を増加させる方法及び装置に関する。ストリップライン構造では、長く、薄い中央導体が、中央導体の薄いエッジ部を除いて、誘電体で囲まれている。薄いエッジは、周囲の誘電体よりも低い誘電率有する材料に面しているが好ましく、空気又は真空を有する材料に面しているのが最も好ましい。ストリップライン構造の１の実施例は、隔てられた誘電体部分によって、中央導体エッジ付近にトンネル又は空気ギャップが提供される。さらに別のストリップラインの実施例は、実質的に完全に中央導体エッジの横外側領域の接地面間で広がっている空気ギャップを有する。選択的には、中央導体と接地面の一方との間の誘電体は取り除かれることもある。選択的に、接地面は別の保持基板からなることがある。代替の実施例では、マイクロストリップ配置は、誘電性基板に配置された、通常長く、薄い形状を保持する中央導体を含んでいる。トレンチは、中央導体の外側エッジの横外部及びその周辺部に形成されている。選択的には超伝導体である接地面は、中央導体と反対側の誘電体側に形成されている。トレンチ又はギャップは、金属、機械のようなフライス削り、又はレーザフライス削りからなること、また、等方性若しくは異方性のエッチングで形成されるのが好ましい。選択的に、例えばエッチングを利用することで、トレンチ又はギャップは超伝導体の下部に形成されてもよい。それゆえ、向上された電力処理能力を有する超伝導体を含む構造を製造することが本発明の主な目的である。向上された線形性特性、特に電流の関数としての表面抵抗を有する超伝導体デバイスを提供することが本発明のさらに別の目的である。与えられている電力レベルで超伝導体デバイスを通過する最大電流密度を最小化することも、さらにまた本発明の目的である。簡単な図面の説明図１は、ストリップライン外形の斜視図を示すものである。図２は、変形されたストリップライン外形の斜視図を示すものである。図３は、マイクロストリップ外形の斜視図を示すものである。図４は、中央導体から下を切り取った誘電体の詳細部を斜視図で示したものである。図５は、本発明を用いない、従来技術に係るストリップライン伝送構造の断面図を示すものである。図６は、導体の中心から横方向の変位を関数とする、図５の従来技術に係る構造の中央導体の電流分布を示すものである。図７は、ストリップライン外形の電界線断面図を示すものである。図８ａは、図２及び図５の構造の導体の中心から横方向の位置を関数とする各々の電流分布を示すものである。図８ｂは、図２及び図５の構造の中央導体の右エッジ付近の各々の電流分布を示すものである。発明の詳細な説明図１は、本発明に係るストリップライン外形の斜視図を示すものである。中央導体１２は、第１接地面１６と第２接地面１８から実質的に等距離に配置されている。通常、中央導体１２は厚さよりも広いものであり、かつ断面で示された図面の平面で広がっている。中央導体１２は中央導体エッジ１４を境界とする。中央導体１２は、高温超伝導性材料から形成されるのが好ましい。別の超伝導性材料が用いられてもよいが、ＹＢＣＯとタリウムの超伝導体は、比較的高い臨界温度Ｔ_c、及び電力処理能力に関しては好ましいものである。中央導体１２は誘電体２２で支えられている。誘電体２２は、ランタンアルミニウム、サファイア、酸化マグネシウムのような中央導体１２に適合する材料であってよい。本実施例では、誘電体２２は、中央導体１２と第２接地面１８との間と同様に、中央導体１２と第１接地面１６との間に配置される。ギャップ２０は、中央導体エッジ１４に近接する誘電体２２に形成される。ギャップ２０は、誘電体２２の誘電率よりも小さい誘電率を有する材料からなるのが好ましい。ギャップ２０を含んでいる誘電体は空気又は真空であるのが最も好ましい。ギャップ２０は、中央導体エッジ１４に近接する中央導体１２と平行に延びている。ギャップ２０は十分に大きく形成されたものであるから、ストリップライン構造１０の電力処理能力が向上するが、デバイス全体の構造上の完全性に悪影響を与えるほど大きく製造されていない。ギャップ２０がストリップライン構造１０に比較して大きくなればなるほど、電力処理能力は良好になる。ギャップの広さと深さは、それぞれ中央導体の幅と基板の厚さに匹敵するサイズであるべきなのが好ましい。１の実施例では、ギャップの深さと幅は、２０ミクロン以上である。ギャップの深さは、図２のように接地面に達するのが理想的である。図１の構造は、２つのユニットが一緒に混成されて構成されるのが好ましい。誘電体２２の上部部分を含む第１ユニットは、実質的に平行な２つの面を有し、第１の面は接地面１６を保持し、第２の面はギャップ２０の全部又は１部分を保持する。下部モジュールは、実質的に平面である平行な面を含んでいて、そこでは、第１の面は、中央導体１２、ギャップ２０及び誘電体の反対側の第２の接地面の一部又は全部を有する。その後２つのユニットは、２つのモジュールの境界面２４を形成して、混合される。モジュールは、圧力クランプで保持されるのが好ましい。ギャップ２０は、ストリップライン構造１０の材料に適合する材料除去処理で形成される。例えば、ギャップ２０は、比較的大きな構造（即ちラジオ周波数デバイス）にはフライス盤で、小さな構造（即ちマイクロ波及びミリメートル波デバイス）にはイオンフライス又はレーザフライスのようなものでフライスされる。代替法として、ギャップ２０は誘電体２２をエッチングしたものであってもよい。エッチングによって、中央導体１２から誘電体２２をアンダーカットする機会が提供される。図４で示されているように、ギャップ２０（部分的に示されている）はアンダーカット２６を有する。アンダーカット２６は、中央導体エッジ１４から下に延長された垂線からの距離ｕを延ばす。図２は、変形されたストリップライン構造を示すものである。通常、中央導体３０は平面であり、その平面の幅及び長さよりも小さい厚さを保持する。中央導体３０は中央導体３０の横エッジに中央導体エッジ３２を有する。通常、第１接地面３４と第２接地面３６は中央導体３０に平行に配列され、各接地面３４と３６から等距離かつ平行な中央導体３０を備えて配置される。第１誘電体３８は、中央導体３０と第１接地面３４との間に配置される。同じ誘電率を有する第２誘電体４０は、選択的に中央導体３０と第２接地面３６との間に配置されるのが好ましい。本実施例では、空気以外の誘電体は、中央導体エッジ３２の横外部領域から矢印４２で示されるように取り除かれる。任意に、第１及び第２接地面は、中央導体３０から離れた側に配置されている基板によって保持されてもよい。図３は、マイクロストリップ配置の斜視図を示すものである。マイクロストリップ構造５０は、平行に配置された平面である面、第１の面５４及び第２の面を有する基板５２を含んでいる。中央導体５８は、基板５２の第１の面５４に形成されている。一般的に中央導体５８は、実質的に幅ｓよりも小さい厚さｔを保持する。トレンチ６２は、中央導体エッジ６４に横に近接して形成される。トレンチ６２は、深さｈと幅ｗを保持する。接地面６０は基板５２の第２の面５６に配置されている。図４は、中央導体１４の下部であるアンダーカット部分２６を保持するギャップ２０を示すものである。距離ｕであるアンダーカット量が望ましいものであり、構造的な完全性を維持するのに矛盾しないものである。本特許に係る発明を実施する好ましいモードでは、導体材料、即ち中央導体及び接地面は、超伝導性材料からなるのが好ましい。しかしながら、高周波電磁放射の伝送に適合性のある金、高純度の銅又はその他の材料のような通常の材料で、これらの構造の１つ又はそれ以上を置換することは、本発明に矛盾しない。ＨＴＳマイクロ波回路が作動することで、上記回路が運びうる電力量を制限する。回路中の電力レベルが大きくなりすぎた場合、回路の幾つかの部分の電流密度は、温度、周波数及びマイクロ構造に依存する臨界水準Ｊｃを越え、さらにこれらの領域のＨＴＳはもはや超伝導体として作動しない。この結果、明らかに回路損失、及び異なる周波数の信号間の相互変調の様な非線形効果が増大する。温度、周波数及び局所的構造といった多くの変数からなる関数である一方、この臨界電流密度Ｊ_dは、７７Ｋで高質の薄膜では、一般的には３×１０⁶オーダーである。伝送線が調和している幾つかのマイクロ波回路応用平面（即ちそれらの平面は、その端部に反射効果を有しない）では、臨界電流密度が超過したことによる相当な効果なくして、ＨＴＳ伝送線は数百ワット相当を伝送することができる（又伝送線の断面積により依存する可能性がある）。しかしながら、狭帯域フィルターのような場合では、フィルターの共振器内部の電流は、フィルターのポートに接続された伝送線の電流の１００倍以上の大きさであってもよい。このことが、共振器間に疎結合を加えた共振器が存在する共振状態の結果である。電力は電流の２乗に対して変化するが、このことは共振器に用いられている伝送線の電力規格は、フィルターから導かれ又はフィルターへ導く伝送線に望まれたものより１００００倍又はそれ以上の大きさが必要であることを意味する。高定常波比率のおかげで、比較的高い電流値を有する集積回路の別の部分もまた、高電力規格を必要とする。これらが原因で、ＨＴＳ伝送線の電力処理能力を向上させる装置及び技術は、比較的高電力を処理しなくてはならない幾つかのマイクロ波集積回路の実用にとって非常に重要である。例として図５は、上面と底面とに接地面１６４を備え、相対誘電率がε_Tである誘電体１６２で囲まれる中央導体１６０を含んでいるＨＴＳストリップ伝送線を示すものである。中央導体は、紙の内部で及び紙の外側で拡張している。中央導体の電流密度は図６のように分布し、図６では中央導体の外側エッジで高いピークを示している。電流密度の高いピークは、中央導体のエッジ付近に存在し、電力レベルが伝送線で上昇するときに最初に電流飽和が発生するこれらのエッジにピークが存在する。図５のストリップエッジで高電流密度が発生する幾つかの理由は、電束線Ｄが描かれていることを除いて図５と同じ構造を示す図７から読みとれる。示された電束線は中央導体１６０の正の表面チャージから始まり、接地面の負の表面チャージで終わっていて、さらに、表面のある地点での表面チャージ密度は、その地点に関する電束密度Ｄに等しい。これらの電束線及び表面チャージ分布が紙の内部へ（紙の内部から）伝送する場合、チャージ分布の伝送は、紙の内部へ又は紙の内部からの流れる導体上の表面電流を含んでいる。正のチャージを有する鋭いエッジからの電束線は、図７で示されているように放射状に放射されるだろう、さらに、必要とされる電束Ｄを提供するために、電束線はチャージの高濃度と鋭いエッジに沿った電流を要求する。本発明と矛盾することなく、中央導体のエッジ沿った高電流密度を低減するために、本発明はストリップのエッジに沿う縁取り電束を低減する。中央導体のエッジでピーク電流を低減させることに関しては、図２の構造での複雑な利得の概算を得ることが可能である。図５の中央導体が非常に薄く、かつ接地面間隔ｈ’が無限に近づいている場合、中央導体の電流分布は式で正確にされる。Ｊ₁（ｘ）＝Ａ₁／（１−（２ｘ／ｗ）²）^0.5 （１）ここでＡ₁は印加電圧と電線の構造に依存する定数であり、ｘは中央導体からの距離であり、さらにｗは導体の幅である。図５及び７のように接地面間隔ｈが有限の場合であっても、多くの場合この電流密度分布関数は有効な近似値であることが知られている（例えばＩＥＥＥ会報、又は１９９２年４月の第１１刊、コンピューター援助設計の５１３頁から５２４頁のジー．エル．マッハエイによる「キャパシタンスとインダクタンスとの相互接続分配を計算する単純化された方法」（G.L.Matthaei,elal.,"A Simplified Means for Computation of Interconnect Distribution Capacitances and Ind uctances”,IEEE Trans.or Computer-Aided Design,Vol.11 ,pp 513-524,April, 1992)を参照にせよ）。ｘがｗ／２に近づいた場合、関数Ｊ₁（ｘ）は（ｗ／２− ｘ）^-0.5として、無限大となることが容易に理解できる。１９７１年「被誘導波の理論における分析的な技術」（"Analytical Techniques in the Theory of Gu idedWaves”）の１０−１１頁でアール．ミットラら(R.Mittra el al)は、誘電境界面上の薄い導体のエッジの特異性を分析し、図２で示された中央導体のエッジでは、ＬａＡｌＯ₃に関してε＝２４の場合、ｘがｗ／２に近づくと、電流分布は（ｗ／２ーｘ）^-0.128として無限大になることを示している。我々は（１）を変形して、ストリップのエッジで我々が得た特性を表すと、Ｊ₂（ｘ）＝Ａ₂／（１−（２ｘ／ｗ²）^-0.128 （２）これは図２の場合の中央導体の電流分布についての優れた近似であり、Ａ₂は印加された電圧と電線の構造に依存する定数である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）の一点鎖線は、図８（ａ）と図８（ｂ）で式（１）のプロットを表す一点鎖線のプロットを示すものである一方、実線は式（２）のプロットを示すものであり、係数Ａ₁とＡ₂が調整されているので、２つの曲線の下部領域は等しいものであり、２つの伝送線の総電流を等分する。従って、一点鎖線は図５（従来技術）のような場合に用いられる一方、実線はε＝２４である図２（本発明）のような場合に用いられる。特に図８Ｂから理解できるように、誘電性の不連続が存在することで中央導体のエッジ部の電流特異点の強度を大幅に低減する。それ故、臨界値Ｊｃを越える電流密度の部分を有することなく、かつ相互変調及び過剰損失を引き起こすことなく、図２の構造は図５の構造よりも大きな電力を運ぶ。当然、ＨＴＳの有限の厚さとＨＴＳとに関連する制限された電流貫通深度のおかげで、電流飽和が算入される前であっても電流分布のピークは完結するだろう。実際、電流密度の極めて高い数値に向かう分岐は、波長と膜厚ｔに依存する効果的な貫通深度によって中断され、低減される。縁部作用が発生する比較的薄く、広い導体を保持する導波管型構造を介して、電力が運ばれる電気回路に関して、本発明に係る装置と方法は有効である。とりわけ有効性は、超伝導体回路、特に高温超伝導体回路に対するこれらの技術の応用である。これらの技術はデバイス動作の線形性、特に電流の関数としての表面抵抗の線形性を向上させるのに都合がよく、受信機、送信機及びフィルターのような信号を処理する電子部品に関して、特に構造が有効である。非線形性を低減させることで、実質的に干渉が低減される。明瞭と理解とを目的とする実施例と具体例によって、前述の発明は詳細に説明されているが、本発明の技術分野を鑑みて当業者にとって、添付の請求項の思想と範囲から離れずに一定の改造と変形が可能であることは明らかである。請求の範囲１．マイクロストリップ伝送システムの電力処理能力を向上させる方法であって、第１の側面エッジと第２の側面エッジとを有する中央導体を形成する工程であって、上記中央導体が第１の誘電率を有する第１の誘電体基板で保持され、上記誘電体基板は、通常平面であり、平行である第１の面と第２の面を有していて、上記中央導体が高温超伝導体であるもの、上記基板の上記第２の面の少なくとも一部分に接地面を形成する工程と、及び上記中央導体の上記第１及び第２の側面エッジに横側に近接して、第１及び第２のトレンチを形成する工程を含んでいることで、上記トレンチを備えていない構造と比較して、上記マイクロストリップ伝送システムは向上された電力処理能力を有するものである上記方法。２．上記中央導体がＹＢＣＯ超伝導体である請求項１記載の上記方法。３．上記中央導体がタリウムを主成分とする超伝導体である請求項１記載の上記方法。４．ギャップを形成することで、上記第２の誘電体が提供される請求項１記載の上記方法。５．上記第１の誘電体の一部分を除去することで、上記ギャップが形成される請求項４記載の上記方法。６．フライス削りによって、上記第１の誘電体の一部分の除去が実行される請求項５記載の上記方法。７．上記フライス削りはイオンフライス削りである請求項６記載の上記方法。８．上記フライス削りは機械的フライス削りである請求項６記載の上記方法。９．上記フライス削りはレーザフライス削りである請求項６記載の上記方法。１０．エッチングすることで、上記第１の誘電体の一部分の除去が実行される請求項５記載の上記方法。１１．上記エッチングは等方性エッチングである請求項１０記載の上記方法。１２．上記エッチングは異方性エッチングである請求項１０記載の上記方法。１３．上記エッチングが、上記中央導体から上記第１の誘電体のアンダーカットをなす請求項１０記載の上記方法。１４．上記第２の誘電率が上記第１の誘電率と同じである構造と比較して、向上された線形性が実現されている請求項１記載の上記方法。１５．上記第１の誘電体が直接上記第１の接地面に接している請求項１の上記方法。１６．上記第１の接地面及び上記第２の接地面の少なくとも一方が、高温超伝導体である請求項１記載の上記方法。１７．上記ギャップが２０ミクロンよりも大きい深さを有する請求項４の上記方法。１８．上記ギャップが幅を有し、さらに上記幅が２０ミクロンより大きい請求項４記載の上記方法。１９．上記ギャップが、０.５ｍｍより大きい深さを有する請求項４記載の上記方法。２０．上記ギャップが幅と深さを有し、上記幅に対する上記深さの比率が３０％よりも大きい請求項４記載の方法。２１．上記幅に対する上記深さの比率が５０％より大きい請求項２０記載の方法。【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年４月２８日【補正内容】請求の範囲１．マイクロストリップ伝送システムの電力処理能力を向上させる方法であって、第１の側面エッジと第２の側面エッジとを有する中央導体を形成する工程であって、上記中央導体が第１の誘電率を有する第１の誘電体基板で保持され、上記誘電体基板は、通常平面であり、平行である第１の面と第２の面を有していて、上記中央導体が高温超伝導体であるもの、上記基板の上記第２の面の少なくとも部分的に接地面を形成する工程と、及び上記中央導体の上記第１及び第２の側面エッジに横側に近接して、第１及び第２のトレンチを形成する工程を含んでいることで、上記トレンチを備えていない構造と比較して、上記マイクロストリップ伝送システムは向上された電力処理能力を有するものである上記方法。２．上記中央導体がＹＢＣＯ超伝導体である請求項１記載の上記方法。３．上記中央導体がタリウムを主成分とする超伝導体である請求項１記載の上記方法。４．ギャップを形成することで、上記第２の誘電体が提供される請求項１記載の上記方法。５．上記第１の誘電体の一部分を除去することで、上記ギャップが形成される請求項４記載の上記方法。６．フライス削りによって、上記第１の誘電体の一部分の除去が実行される請求項５記載の上記方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヘイ−シプトン，グレゴリー・エルアメリカ合衆国93110カリフォルニア州サンタ・バーバラ、ビア・エスパルト959 番【要約の続き】性が向上し、ファイルター、送信機及び受信機といった部品への応用を提供する。

Claims

【特許請求の範囲】１．中央導体エッジを有する中央導体であって、上記中央導体に実質的に平行であって、かつ互いに平行である第１の接地面と第２の接地面との間に配置されたものと、上記第１の接地面と上記第２の接地面との間に配置され、上記中央導体及び上記第１の接地面と上記第２の接地面との少なくとも一方に接している固体誘電体であって、該固体誘電体の誘電率より低い誘電率である誘電体を含むギャップ部分を有していて、上記ギャップは中央導体エッジを保持しているものとを含んでいるストリップライン伝送線。２．上記中央導体が超伝導体である請求項１記載のストリップライン伝送システム。３．上記中央導体が高温超伝導体である請求項２記載のストリップライン伝送システム。４．上記高温超伝導体は、タリウム主成分の超伝導体である請求項３記載のストリップライン伝送システム。５．上記高温超伝導体は、ＹＢＣＯ超伝導体である請求項３記載のストリップライン伝送システム。６．上記中央導体が、実質的に平面である請求項１記載のストリップライン伝送システム。７．少なくとも１つの接地面が超伝導体材料から形成されている請求項１記載のストリップライン伝送システム。８．上記ギャップ中の上記誘電体は、空気又は真空を含んでいる原子団から選択されたものである請求項１記載のストリップライン伝送システム。９．上記ギャップが２０ミクロンより大きい深さを有する請求項１記載のストリップライン伝送システム。１０．上記ギャップが２０ミクロンを越える幅を有する請求項１記載のストリップライン伝送システム。１１．上記ギャップの深さは、０.５ｍｍ以上である請求項１記載のストリップライン伝送システム。１２．少なくとも１つの上記ギャップが上記中央導体をアンダーカットする請求項１記載のストリップライン伝送システム。１３．実質的に平面で、平行な表面を保持する第１の面と第２の面を有する基板、上記第１の面の一部分に形成され、２つのエッジを有する中央導体、少なくとも上記第２の面の一部分に形成された接地面、及び記中央導体の上記エッジに近接していて、上記第１の面の横に位置する、上記基板に形成されたトレンチを含んでいるマイクロストリップ伝送システム。１４．上記中央導体が超伝導体である請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。１５．上記中央導体が高温超伝導体である請求項１４記載のマイクロストリップ伝送システム。１６．上記高温超伝導体は、タリウム主成分の超伝導体である請求項１５記載のマイクロストリップ伝送システム。１７．上記高温超伝導体は、ＹＢＣＯ超伝導体である請求項１５記載のマイクロストリップ伝送システム。１８．上記中央導体が、実質的に平面である請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。１９．接地面が超伝導体材料から形成されている請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。２０．上記トレンチが、３０％より大きな幅に対する深さの比率を有する請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。２１．上記トレンチが、５０％を越える幅に対する深さの比率を有する請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。２２．上記トレンチの深さは、０.５ｍｍ以上である請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。２３．上記トレンチの幅は、０.５ｍｍ以上である請求項１３記載のマイクロストリップ伝送システム。２４．少なくとも１つの上記トレンチが上記中央導体エッジをアンダーカットする請求項１３記載のストリップライン伝送システム。