JPH1188015A - 磁性薄膜多層電極、高周波伝送線路、高周波共振器及び高周波デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 作製した後に電気特性の調整が可能な磁性薄
膜多層電極及びそれを用いた種々の高周波共振器、高周
波伝送線路、高周波デバイスを提供する。 【解決手段】 誘電体基板上に、薄膜導体と薄膜絶縁体
膜とが交互に積層されてなり、所定の使用周波数におい
て、上記誘電体基板に生じる電磁界の位相と上記各薄膜
絶縁膜に生じる電磁界の位相とが互いに実質的に一致す
るように構成された薄膜多層電極であって、上記薄膜導
体と上記薄膜絶縁体膜のうちの少なくとも一方を磁性材
料で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、準ミ
リ波又はミリ波の高周波帯において用いられる磁性薄膜
多層電極、上記磁性薄膜多層電極を備えた高周波デバイ
スに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子部品の小型化が進む中、マイ
クロ波、準ミリ波又はミリ波などの高周波帯においても
高誘電体材料を用いることによって、デバイスの小型化
がなされてきた。デバイスの小型化を行う場合、誘電率
を大きくする一方、相似形として形状を縮小させると、
原理的には体積の立方根に反比例してエネルギー損失が
増大するという問題点があった。高周波デバイスのエネ
ルギー損失は、表皮効果による導体損失と、誘電体材料
による誘電体損失とに大きく分類することができる。近
年の誘電体材料は、高誘電率なものでも低損失な特性を
有する材料が開発実用化されており、従って、誘電体損
失よりも導体損失の方が回路の無負荷Ｑにおいて支配的
である。そこで、本出願人は、国際出願公開第ＷＯ９５
／０６３３６号公報において、導体損失を極めて小さく
できる薄膜多層電極を提案した。

【０００３】図８は、国際出願公開第ＷＯ９５／０６３
３６号公報で提案した薄膜多層電極（該公報では、電磁
界結合型薄膜多層電極と表現されている。）を備えた１
／２波長線路型共振器の斜視図である。図８の１／２波
長線路型共振器は、薄膜導体２１乃至２５と薄膜誘電体
３１乃至３４とが交互に積層された構造を有し、薄膜導
体２１と、接地導体１１と、薄膜導体２１，接地導体１
１間に挟設された誘電体基板１０とによってＴＥＭモー
ドのマイクロストリップ線路（以下、主伝送線路とい
う。）Ｌ１が構成される一方、当該主伝送線路Ｌ１上
に、それぞれ１つの薄膜誘電体が１対の薄膜導体で挟設
されてなる４個のＴＥＭモードのマイクロストリップ線
路（以下、副伝送線路という。）Ｌ２乃至Ｌ５が積層さ
れている。図８においては、伝送線路の参照符号を、そ
の伝送線路の各誘電体に対して、，（カンマ）のあとに
付している。

【０００４】ここで、特に、（ａ）各薄膜誘電体３１乃
至３４の膜厚Δｘ_sと誘電率ε_sを所定値に設定すること
によって、各伝送線路Ｌ１乃至Ｌ５を伝搬するＴＥＭ波
の位相速度を互いに実質的に一致させ、かつ（ｂ）各薄
膜導体２１乃至２５の膜厚Δξを、使用周波数の表皮深
さδ₀よりも薄い所定の膜厚に設定することによって、
上記各隣接する伝送線路間Ｌ１とＬ２，Ｌ２とＬ３，Ｌ
３とＬ４，Ｌ４とＬ５で各電磁界を互いに結合させ、こ
れにより、主伝送線路Ｌ１に流れる高周波エネルギーを
副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５に移行させ、各薄膜導体２１乃
至２５においてそれぞれ実質的に一様に高周波電流が流
れるように構成され、高周波による表皮効果を大幅に抑
圧している。

【０００５】図９は図８の１／２波長線路型共振器の長
手方向についての図式的な縦断面図及びそれに接続され
る回路の回路図であり、図１０は図８の１／２波長線路
型共振器の等価回路の回路図である。図１０に示すよう
に、主伝送線路Ｌ１は、ＬＣの単位分布定数回路が縦続
に接続されてインダクタＬ１１，Ｌ１２，…，Ｌ１ｎと
キャパシタＣ１１，Ｃ１２，…Ｃ１ｎを備えた分布定数
回路で構成され、その主伝送線路Ｌ１の一端には、ギャ
ップｇ１に対応する巻数比を有する理想トランスＴ１１
を介して共振器励振用信号発生器のＶｓｇ及びその内部
抵抗Ｒｓｇが接続される一方、主伝送線路Ｌ１の他端に
は、ギャップｇ２に対応する巻数比を有する理想トラン
スＴ１２を介して負荷抵抗Ｒ_Lが接続される。なお、以
下の理想トランスにおいてはすべて巻数比は１：１であ
る。主伝送線路Ｌ１において、各単位分布定数回路間の
図上下側のラインにそれぞれ理想トランスＴ１１１，Ｔ
１１２，…Ｔ１１ｎが挿入接続され、各理想トランスＴ
１１１，Ｔ１１２，…，Ｔ１１ｎはそれぞれ、損失抵抗
を含む分布定数回路にてなる４端子回路Ｆ１，Ｆ２，
…，Ｆｎ及び理想トランスＴ１０１，Ｔ１０２，…，Ｔ
１０ｎを介してアースに接続されている。

【０００６】なお、図１０の等価回路において、Ｆ＋番
号で符号を付与した４端子回路は、接地導体１１と薄膜
導体２１乃至２５の等価回路であって、図１１に示すよ
うに、損失抵抗を含む分布定数回路にてなる。すなわ
ち、当該４端子回路は、それぞれ単位コンダクタンスｇ
ｄｘと単位キャパシタンスｃｄｘと単位インダクタンス
ｌｄｘとからなる単位回路を、複数個縦続に接続された
等価回路から構成され、単位コンダクタンスｇｄｘと単
位キャパシタンスｃｄｘと単位インダクタンスｌｄｘ
は、それぞれｇｄｘ＝σ（Δｙ／ｄｚ）ｄｘ、ｃｄｘ＝
ε₀（Δｙ／ｄｚ）ｄｘ、ｌｄｘ＝μ₀（ｄｚ／Δｙ）ｄ
ｘで表される。ここで、σは接地導体１１と薄膜導体２
１乃至２５の導電率、ε₀は真空中の誘電率、μ₀は真空
中の透磁率、ｄｘは接地導体１１と薄膜導体２１乃至２
５の厚さ方向の微小長さ、Δｙは線路幅、ｄｚは伝搬方
向の微小長さである。

【０００７】図１０に示すように、副伝送線路Ｌ２は、
ＬＣの単位分布定数回路が縦続に接続されてインダクタ
Ｌ２１，Ｌ２２，…，Ｌ２ｎとキャパシタＣ２１，Ｃ２
２，…Ｃ２ｎを備えた分布定数回路で構成され、その副
伝送線路Ｌ２の一端には、一次側が開放の理想トランス
Ｔ２１が接続される一方、副伝送線路Ｌ２の他端には、
二次側が開放の理想トランスＴ２２が接続される。ま
た、副伝送線路Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５は副伝送線路Ｌ２と同
様に構成される。隣接する伝送線路Ｌ１，Ｌ２間を接続
する薄膜導体２１内の等価回路は以下のように構成され
る。すなわち、主伝送線路Ｌ１において、各単位分布定
数回路間の図上上側のラインにそれぞれ理想トランスＴ
１２１，Ｔ１２２，…Ｔ１２ｎが挿入接続され、各理想
トランスＴ１２１，Ｔ１２２，…，Ｔ１２ｎはそれぞ
れ、薄膜導体２１に対応する４端子回路Ｆ１１，Ｆ１
２，…，Ｆ１ｎを介して、副伝送線路Ｌ２の各単位分布
定数回路間の図上下側のラインにそれぞれ挿入接続され
る理想トランスＴ２１１，Ｔ２１２，…，Ｔ２１ｎに接
続される。

【０００８】また、隣接する伝送線路Ｌ２，Ｌ３間を接
続する薄膜導体２２内の等価回路は以下のように構成さ
れる。すなわち、副伝送線路Ｌ２において、各単位分布
定数回路間の図上上側のラインにそれぞれ理想トランス
Ｔ２２１，Ｔ２２２，…Ｔ２２ｎが挿入接続され、各理
想トランスＴ２２１，Ｔ２２２，…，Ｔ２２ｎはそれぞ
れ、薄膜導体２２に対応する４端子回路Ｆ２１，Ｆ２
２，…，Ｆ２ｎを介して、副伝送線路Ｌ３の各単位分布
定数回路間の図上下側のラインにそれぞれ挿入接続され
る理想トランスＴ３１１，Ｔ３１２，…，Ｔ３１ｎに接
続される。隣接する伝送線路Ｌ３，Ｌ４間を接続する薄
膜導体２３内の等価回路及び隣接する伝送線路Ｌ４，Ｌ
５間を接続する薄膜導体２４内の等価回路は、同様に構
成される。

【０００９】さらに、薄膜導体２５から空間に向けて形
成される電磁界分布に対応する等価回路は以下のように
構成される。すなわち、副伝送線路Ｌ５において、各単
位分布定数回路間の図上上側のラインにそれぞれ理想ト
ランスＴ５２１，Ｔ５２２，…Ｔ５２ｎが挿入接続さ
れ、各理想トランスＴ５２１，Ｔ５２２，…，Ｔ５２ｎ
はそれぞれ、薄膜導体２５に対応する４端子回路Ｆ５
１，Ｆ５２，…，Ｆ５ｎ及び理想トランスＴ５３１，Ｔ
５３２，…，Ｔ５３ｎを介して負荷抵抗Ｒ_L1，Ｒ_L2，
…，Ｒ_Lnに接続される。

【００１０】次に、図８の共振器における最適パラメー
タを決定するフロー及び最小化表面抵抗Ｒｓを決定する
フローについて、次のパラメータを用いて、以下に説明
する。 ｎ：積層数 ω₀：使用される伝送（励振）角周波数 μ₀：真空中の透磁率 σ：薄膜導体２１乃至２５の導電率 δ₀：伝送角周波数ω₀における表皮深さ ε_s：副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の薄膜誘電体３１乃至３
４の誘電率 ε_m：主伝送線路Ｌ１の誘電体基板１０の誘電率 Δｘ_s：副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の薄膜誘電体３１乃至
３４の膜厚 Δｘ_m：主伝送線路Ｌ１の誘電体基板１０の基板厚 Δξ：薄膜導体２１乃至２５の膜厚 Δｙ：線路幅＝薄膜導体２１乃至２５の幅＝薄膜誘電体
３１乃至３４の幅β_s：副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の位相
定数 β_m：主伝送線路Ｌ１の位相定数 図１０で示した等価回路に基づいて、規格化を行って無
次元化された各伝送線路Ｌ１乃至Ｌ５に関する複素イン
ピーダンスＺの漸化式は次の数１で表される。

【００１１】

【数１】Ｚ_k＝−ｊｗ＋Ｚ＋［Ｙ＋（Ｚ＋Ｚ_k+1）^-1］^-1 （ｋ＝０，１，２，…，ｎ−１）

【００１２】ここで、ｎ番目の複素インピーダンスＺ_n
は、次の数２で表される。

【００１３】

【数２】Ｚ_n＝√｛（μ₀／ε₀）・σδ₀｝

【００１４】ここで、複素インピーダンスＺの添字ｋ
は、主伝送線路Ｌ１を０番目とし、より上層の副伝送線
路Ｌ２乃至Ｌ５に向けて昇順で番号付けされた線路番号
を示す。また、複素インピーダンスＺ及び複素アドミタ
ンスＹはそれぞれ、媒質パラメータξを変数とした、次
の数３及び数４で表される関数で定義される。

【００１５】

【数３】 Ｚ≡（１＋ｊ）・ｔａｎｈ［（１＋ｊ）／２・ξ］

【数４】 Ｙ≡１／（１＋ｊ）・ｓｉｎｈ［（１＋ｊ）・ξ］

【００１６】また、構造パラメータｗと媒質パラメータ
ξは、次の数５及び数６で定義されている。尚、構造パ
ラメータｗと媒質パラメータξはそれぞれ、構造寸法及
び媒質定数から決定されるパラメータである。

【００１７】

【数５】ｗ≡２Δｘ_s／δ₀・（ε_m／ε_s−１）

【数６】ξ≡Δξ／δ_０

【００１８】ここで、δ_０は伝送角周波数ω₀における
表皮深さであり、次の数７で定義される。

【００１９】

【数７】δ₀＝√（２／ω₀μ₀σ）

【００２０】上記複素インピーダンスＺ_nは、数２に示
すように真空層の境界条件として与えることができるの
で、複素インピーダンスＺ₀は、パラメータｗ及びパラ
メータξの２変数関数として次の数８で定義される。

【００２１】

【数８】Ｚ₀＝Ｚ₀（ｗ，ξ）

【００２２】上記数８において、複素インピーダンスＺ
₀の実数部分が最小となるとき、薄膜積層伝送線路の表
面抵抗Ｒ_sは最小となる。従って、表面抵抗Ｒ_sが最小で
あるときの構造パラメータｗと媒質パラメータξを最適
設定値と呼び、それぞれｗ_opt，ξ_optと表す。このとき
次の数９が成り立つ。

【００２３】

【数９】Ｒ_s＝Ｒｅ［Ｚ₀（ｗ_opt，ξ_opt）］／σδ₀

【００２４】上記数９にそれぞれの最適値ｗ_opt，ξ_opt
を代入すると、副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ４の誘電体膜厚Δ
ｘ_sと導体膜厚Δξが求められ、次の数１０及び数１１
を得る。

【００２５】

【数１０】Δｘ_s＝ｗ_optδ₀／２・（ε_m／ε_s−１）
^−１

【数１１】Δξ＝ξ_ｏｐｔδ₀

【００２６】次いで、以下に、図８の１／２波長線路型
共振器における最適構造パラメータｗ_opt，ξ_optの最適
パラメータ及び最小化表面抵抗Ｒｓを決定する方法につ
いて説明する。ここで、積層数ｎと、薄膜導体２１乃至
２５の導電率σと、表皮深さδ₀と、薄膜誘電体３１乃
至３４の誘電率ε_sと、誘電体基板１０の誘電率ε_mとが
予め与えられていると仮定する。図１２は、図８の１／
２波長線路型共振器における最適構造パラメータ
ｗ_opt，ξ_optの決定フローを示すフローチャートであ
る。図１２に示すように、ステップＳ１においては、予
め決定された積層数ｎに基づいて、数１で表されるｎ層
漸化式を決定する。そして、以下、ｎ層漸化式に基づい
て以下の決定が行われる。

【００２７】ステップＳ２においては、各伝送線路Ｌ１
乃至Ｌ５を伝搬する各ＴＥＭ波の位相速度βを一致させ
る最適化に基づいて最適構造パラメータｗ_optを決定す
る。そして、ステップ３において、数９に基づいて、副
伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の薄膜誘電体３１乃至３４の膜厚
Δｘ_sを決定する。一方、ステップＳ４においては、エ
ネルギー結合の最適化に基づいて最適構造パラメータξ
_optを決定する。そして、ステップ５において、数１１
に基づいて、薄膜導体２１乃至２５の膜厚Δξを決定す
る。なお、ステップＳ２及びＳ４においては、具体的に
は、数１のｎ層漸化式によって決定されるｋ＝０のとき
の無次元インピーダンスＺ₀＝Ｚ₀（ｗ，ξ）の実数部Ｒ
ｅ［Ｚ₀（ｗ，ξ）］が最小となるような構造パラメー
タｗと媒質パラメータξとを求め、これらをそれぞれ最
適化構造パラメータｗ_optと媒質パラメータξ_optとす
る。

【００２８】図１３は、図８の１／２波長線路型共振器
における最小化表面抵抗Ｒｓの決定フローを示すフロー
チャートである。図１３に示すように、ステップＳ１１
において、最適構造パラメータｗ_optと最適媒質パラメ
ータξ_optとから、数１のｎ層漸化式に基づいてＲｅ
［Ｚ₀（ｗ_opt，ξ_opt）］の値を決定する。次いで、ス
テップＳ１２において、ステップＳ１１で決定されたＲ
ｅ［Ｚ₀（ｗ_opt，ξ_opt）］の値と、薄膜導体２１乃至
２５の導電率σと、表皮深さδ₀とを数９に代入するこ
とによって、最小化表面抵抗Ｒｓを決定する。この薄膜
多層電極において、副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５を構成する
薄膜誘電体３１乃至３４の実効誘電率は、主伝送線路Ｌ
１を構成する誘電体基板１０の実効誘電率よりも低いよ
うに設定する。これによって、主伝送線路Ｌ１を伝搬す
る電磁波の位相速度と、副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の少な
くとも１つを伝搬するＴＥＭ波の位相速度とを互いによ
り実質的に一致させることができる。

【００２９】また、副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５を構成する
薄膜誘電体３１乃至３４の厚さは、主伝送線路Ｌ１を構
成する誘電体基板１０の厚さよりも薄いように設定す
る。これによって、副伝送線路Ｌ２乃至Ｌ５の膜形成プ
ロセスの時間を短縮することができるとともに、副伝送
線路Ｌ２乃至Ｌ５をより小さいインピーダンスを有する
ローインピーダンス系の伝送線路を構成することができ
るので、伝送損失を小さくすることができる。なお、伝
送線路Ｌ１乃至Ｌ５の幅方向に電磁界が一様であると仮
定しているので、主伝送線路Ｌ１の誘電体基板１０の基
板厚Δｘ_mと、線路幅＝薄膜導体２１乃至２５の幅＝薄
膜誘電体３１乃至３４の幅Δｙとは、上記最適化の膜厚
決定に影響を与えない。以上が、本出願人が国際出願公
開第ＷＯ９５／０６３３６号公報において開示した内容
である。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、国際出
願公開第ＷＯ９５／０６３３６号公報で開示した従来例
の薄膜多層電極は、作製した後に導体損失等の電気特性
を調整をすることができないものであった。このため
に、薄膜多層電極を構成する薄膜導体又は薄膜誘電体の
膜厚がばらつくと、十分低損失な共振器や伝送線路を作
製することができないので製造工程上厳しい管理が必要
であった。また、従来の薄膜多層電極は電気特性を電気
的に制御することができなかったので、低損失な電極と
しての用途に限られ、その適用範囲が限られていた。

【００３１】そこで、本発明の第１の目的は、作製した
後に電気特性の調整が可能な薄膜多層電極を提供するこ
とにある。また、本発明の第２の目的は、薄膜多層電極
を用いた種々の高周波共振器、高周波伝送線路、高周波
デバイスを提供することにある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、薄膜多層
電極の電気特性を作製後に制御することができれば、従
来の薄膜多層電極の問題点を解決することができ、薄膜
多層電極の応用範囲が広がると考え鋭意検討した結果、
薄膜誘電体膜又は薄膜導体に磁性材料を使用することに
より上記目的が達成できると考えた。しかしながら、従
来の薄膜多層電極の膜厚の設定方法では、磁性材料を用
いた場合の膜厚の設定ができなかった。そこで、本発明
者らはさらに検討を重ねた結果、薄膜絶縁体層及び／又
は薄膜導体として磁性材料を用いた場合における、導体
損失を低減させる膜厚の設定方法を見いだして本発明を
完成させた。すなわち、本発明に係る磁性薄膜多層電極
は、誘電体基板上に、薄膜導体と薄膜絶縁体膜とが交互
に積層されてなり、所定の使用周波数において、上記誘
電体基板に生じる電磁界の位相と上記各薄膜絶縁膜に生
じる電磁界の位相とが互いに実質的に一致するように構
成された薄膜多層電極であって、上記薄膜導体と上記薄
膜絶縁体膜のうちの少なくとも一方は磁性材料であるこ
とを特徴とする。

【００３３】また、本発明に係る磁性薄膜多層電極で
は、上記誘電体基板と上記薄膜導体との間、及び上記薄
膜導体と上記薄膜絶縁体膜との間にそれぞれ、上記薄膜
導体に比較して金属酸化膜を形成し易い接着導体層を形
成する事が好ましい。これによって、上記誘電体基板と
上記薄膜導体との間の接着強度、及び上記薄膜導体と上
記薄膜絶縁体膜との間の各接着強度を強くでき、磁性薄
膜多層電極の信頼性を高くできる。

【００３４】また、本発明に係る高周波伝送線路は、誘
電体基板の少なくとも一方の面に、上記磁性薄膜多層電
極が所定の形状に形成されている。

【００３５】また、本発明に係る高周波共振器は、誘電
体基板の少なくとも一方の面に、上記磁性薄膜多層電極
が所定の形状に形成されている。

【００３６】さらに、本発明に係る高周波デバイスは、
上記高周波伝送線路又は上記高周波共振器と、上記高周
波伝送線路又は上記高周波共振器の磁性薄膜多層電極の
厚さ方向に磁界を印加するように設けられかつ該印加す
る磁界の強度を変化させることができる磁界印加手段を
備え、上記磁界の強度を所定の変調信号に従って変化さ
せることにより、上記高周波伝送線路又は上記高周波共
振器に入力される搬送波信号を変調することができる。

【００３７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施の形態について説明する。尚、図面において従来
例と同様のものには同様の符号を付して示す。図１は、
本発明に係る磁性薄膜多層電極を備えた、一実施の形態
の１／２波長線路型共振器の斜視図である。図１の１／
２波長線路型共振器は、図８の従来例の１／２波長線路
型共振器と比較して以下の（１）（２）が異なり、他は
従来例の１／２波長線路型共振器と同様に構成される。 （１）図８の１／２波長線路型共振器において、薄膜誘
電体３１乃至３４に代えて、それぞれ磁性材料からなる
薄膜絶縁体３１ａ乃至３４ａを用いて構成している。 （２）誘電体基板１０と薄膜導体２１との間に接着導体
層（図示せず）を形成し、薄膜導体２１と薄膜絶縁体３
１ａとの間、薄膜絶縁体３１ａと薄膜導体２２との間、
薄膜導体２２と薄膜絶縁体３２ａとの間、薄膜絶縁体３
２ａと薄膜導体２３との間、薄膜導体２３と薄膜絶縁体
３３ａとの間、薄膜絶縁体３３ａと薄膜導体２４との
間、薄膜導体２４と薄膜絶縁体３４ａとの間、薄膜絶縁
体３４ａと薄膜導体２５との間にそれぞれ、接着導体層
４８，４７，４６，４５，４４，４３，４２，４１を形
成している。

【００３８】以上のように構成された磁性薄膜多層電極
においては、該多層電極の導体損失が最小になるよう
に、比透磁率を含む各層の材料特性を考慮して、薄膜導
体層と薄膜絶縁体の各膜厚を設定している。すなわち、
（ａ）各薄膜絶縁体３１ａ乃至３４ａの膜厚ΔＸｎと比
透磁率及び比誘電率とを所定値に設定することによっ
て、各伝送線路Ｌ１ａ乃至Ｌ５ａを伝搬するＴＥＭ波の
位相速度を互いに実質的に一致させ、かつ（ｂ）各薄膜
導体２１乃至２５の膜厚Δξｎを、使用周波数の表皮深
さδ₀よりも薄い所定の膜厚に設定することによって、
上記各隣接する伝送線路間Ｌ１とＬ２ａ，Ｌ２ａとＬ３
ａ，Ｌ３ａとＬ４ａ，Ｌ４ａとＬ５ａで各電磁界を互い
に結合させ、これにより、主伝送線路Ｌ１に流れる高周
波エネルギーを副伝送線路Ｌ２ａ乃至Ｌ５ａに移行さ
せ、各薄膜導体２１乃至２５においてそれぞれ実質的に
一様に高周波電流が流れるように構成し、高周波による
表皮効果を大幅に抑圧している。これによって、本実施
の形態の磁性材料からなる薄膜絶縁体を用いた磁性薄膜
多層電極は、従来例の薄膜誘電体を用いた薄膜多層電極
と同様、極めて導体損失を小さくできるので、本実施の
形態の１／２波長線路型共振器は、極めて高い無負荷Ｑ
を有する。 また、本実施の形態の磁性薄膜多層電極
は、磁性材料からなる薄膜絶縁体の磁気特性を利用し
て、種々の高周波デバイスに利用できる。

【００３９】次に、本実施の形態における磁性薄膜積層
電極を構成する薄膜絶縁体及び薄膜導体の各膜厚の設定
方法について説明する。本実施の形態の膜厚設定方法
は、基本的には従来の技術において説明した薄膜誘電体
を用いた場合の膜厚設定方法と同じであるので、異なる
部分について説明する。まず、本実施の形態における膜
厚設定方法では、従来例の数５で表される構造パラメー
タｗに代えて、次の数１２で与えられる構造パラメータ
Ｗｎを用いる。

【００４０】

【数１２】Ｗｎ≡２ΔＸｎ［（μ_s／μ_r）｛（μ_mε_m／
μ_sε_s）−１｝］／δｎ

【００４１】ここで、ΔＸｎは薄膜絶縁体の膜厚であ
り、μ_s，ε_sはそれぞれ薄膜絶縁体の比透磁率，比誘電
率であり、μ_m，ε_mはそれぞれ基板の比透磁率，比誘電
率である。また、従来例の数６で表される媒質パラメー
タξに代えて、次の数１３で表される媒質パラメータξ
ｎを用いる。

【００４２】

【数１３】ξｎ＝Δξｎ／δｎ

【００４３】ここで、Δξｎは薄膜導体の膜厚であり、
δｎは、次の数１４で定義される薄膜導体の比透磁率μ
_rを考慮したときの、伝送角周波数ω₀における薄膜導体
の表皮深さである。

【００４４】

【数１４】δｎ＝√｛２／（ω₀μ_rμ₀σ_r）

【００４５】以下、従来例における数８，９において、
構造パラメータｗとして数１２で与えられる構造パラメ
ータＷｎを用いかつ媒質パラメータξとして数１３で表
される媒質パラメータξｎを用いて、表面抵抗が最小に
なるＷｎ_optとξｎ_optとを求める。次に、以上のように
して求めた構造パラメータＷｎ_optと媒質パラメータξ
ｎ_optと次の数１５，１６とを用いて、磁性薄膜多層電
極の表面抵抗が最小になる薄膜絶縁体及び薄膜導体の各
膜厚ΔＸｎ，Δξｎを求める。

【００４６】

【数１５】ΔＸｎ＝(Ｗｎ_optδｎ／２)［(μ_s／μ_r)
｛(μ_mε_m／μ_sε_s)−１｝］^-1

【数１６】Δξｎ＝ξｎ_optδｎ

【００４７】さらに本実施の形態では、接着導体層を設
けているので、その接着導体層の影響を補償するため
に、薄膜絶縁体の膜厚を次の数１７に示す補正量Δｓだ
け厚く設定する。数１７において、Δｂは接着導体層の
膜厚である。

【００４８】

【数１７】Δｓ＝［（μ_s／μ_r）｛（μ_mε_m／μ_sε_s）
−１｝］^-1Δｂ

【００４９】従って、磁性薄膜多層電極の表面抵抗を最
小にする、薄膜絶縁体の最適な膜厚ΔＸは、次の数１８
で与えられる。

【００５０】

【数１８】ΔＸ＝ΔＸｎ＋Δｓ

【００５１】以上説明した磁性薄膜積層電極の膜厚設定
方法は、薄膜絶縁体に限らず薄膜導体が磁性材料であっ
ても適用できる。以上のようにして設定された膜厚を有
する薄膜導体と薄膜絶縁体とが交互に積層された磁性薄
膜多層電極においては、各伝送線路Ｌ１ａ乃至Ｌ５ａを
伝搬するＴＥＭ波の位相速度を互いに実質的に一致し、
各薄膜導体２１乃至２５においてそれぞれ実質的に一様
に高周波電流が流れるので、高周波による表皮効果が大
幅に抑圧される。これによって、本実施の形態の磁性薄
膜多層電極は、極めて導体損失を小さくできる。

【００５２】表１には、実施の形態１における膜厚設定
方法に従って計算した構造パラメータＷｎ_optと媒質パ
ラメータξｎ_opt、及びその時のＱ_up率を示している。
ここで、表中のｎは、薄膜導体の層数を示す。また、Ｑ
_up率は、電極を１層の十分厚く形成したときのＱに対す
る上昇率で示している。例えば、磁性薄膜積層電極を最
適の膜厚を有する薄膜導体５層と最適の膜厚を有する薄
膜絶縁体４層とで構成したときのＱ_up率は、２．３９と
なり、電極を１層の十分厚い導体で構成したときの２．
３９倍のＱが得られる。

【００５３】

【表１】 ───────────────────────────────── ｎ ξｎ_opt Ｗｎ_opt Ｑ_up率 ───────────────────────────────── １ ＞３．０ − １．０００ ２ ０．７８５４ ２．０００１ １．５２５ ３ ０．６６９９ １．５２０３ １．８６７ ４ ０．５９５１ １．２９０４ ２．１４６ ５ ０．５４１３ １．１４６５ ２．３９０ ６ ０．５００１ １．０４４７ ２．６０８ ７ ０．４６７３ ０．９６７３ ２．８０９ ８ ０．４４０４ ０．９０５８ ２．９９５ ９ ０．４１７７ ０．８５５２ ３．１６９ １０ ０．３９８３ ０．８１２７ ３．３３４ １１ ０．３８１４ ０．７７６１ ３．４９０ １２ ０．３６６７ ０．７４４２ ３．６３９ １３ ０．３５３３ ０．７１６２ ３．７８２ １４ ０．３４１５ ０．６９１６ ３．９２０ １５ ０．３３０７ ０．６６８７ ４．０５３ １６ ０．３２１０ ０．６４８３ ４．１８１ １７ ０．３１２１ ０．６２９７ ４．３０５ １８ ０．３０３９ ０．６１２７ ４．４２６ １９ ０．２９６３ ０．５９７１ ４．５４３ ２０ ０．２８４３ ０．５７２０ ４．６５６ ２１ ０．２８２７ ０．５６９１ ４．７６９ ２２ ０．２７６６ ０．５５６６ ４．８７８ ２３ ０．２７０９ ０．５４４８ ４．９８４ ２４ ０．２６５５ ０．５３３８ ５．０８８ ２５ ０．２６０４ ０．５２３５ ５．１９０ ─────────────────────────────────

【００５４】以下に、本実施の形態の磁性薄膜多層電極
における薄膜導体と薄膜絶縁体の各膜厚の設定例を示
す。この例では、使用周波数ｆ₀は、１．８ＧＨｚと
し、積層数ｎは５層とした。また、各層の導電率等の各
パラメータは以下のように設定した。 薄膜導体（Ｃｕ）；σ_r＝０．９，μ_r＝１、 接着導体層（Ｔｉ）；σ_b＝０．０３，μ_b＝１、 薄膜絶縁体（ＹＩＧ）；μ_s＝１，ε_s＝１４、 基板（Ｚｒ，Ｓｎ）ＴｉＯ₄；ε_m＝３８．８，μ_m＝
１、 ここで、薄膜絶縁体（ＹＩＧ）の透磁率μ_sを１に設定
したのは、飽和磁界が印加されたときに透磁率μ_sは１
になり、その場合において最も損失が小さくなるのでこ
こでは、μ_s＝１に設定した。 計算結果 （１）表皮深さδｎ＝1.642μｍ、 （２）導体膜厚Δξ＝0.8888μｍ、 （３）接着導体層膜厚Δｂ＝0.040μｍ、 （４）絶縁層膜厚ΔＸｎ＝0.5314μｍ＋0.0452μｍ（補
正量）＝0.5766μｍ

【００５５】以上の計算結果に基づいて作成した磁性薄
膜多層電極の表面抵抗を評価し、図２にその結果を示
す。図２において、単層として示している線は、１層の
十分厚い銅電極の表面抵抗を本願発明と比較するために
示したものであり、５層と表示している線が上述の計算
結果に従って作成した本願発明に係る磁性薄膜多層電極
の特性である。図２から明らかなように、いずれの周波
数においても、磁性薄膜多層電極は単層のものより優れ
ていて、特に１ＧＨｚ以上の周波数において違いは顕著
である。

【００５６】次に、本実施の形態の薄膜絶縁体３１ａ乃
至３４ａの構成材料について説明する。本願発明は高周
波における表皮効果を抑圧することにより、導体損失の
低減を図るものであるため、表皮効果による導体損失が
問題となる高周波帯で使用されることが前提となる。従
って、本実施の形態で使用される薄膜絶縁体３１ａ乃至
３４ａは、絶縁性が良好でかつ高周波における損失の小
さい（好ましくは、磁気共鳴半値幅で、約６０（Ｏｅ）
以下）磁性材料で構成されることが必要であり、軟質磁
性材料を用いることが好ましい。すなわち、本発明で
は、薄膜絶縁体３１ａ乃至３４ａを構成する磁性材料と
して、ガーネット系フェライトや酸化物系磁性材料を用
いることができる。さらに具体的にいうと、ガーネット
系フェライトには、イットリウム−鉄ガーネット（以
下、単にＹＩＧという。）、（Ｇａ，Ｙ）₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂や
（Ａｌ，Ｙ）₃Ｆｅ₅Ｏ₁₂等のＹＩＧ系、（Ｃａ，Ｖ，
Ｙ）Ｆｅ₅Ｏ₁₂等のＣＶＧ系等があり、それらはいずれ
も本発明に使用することができる。また、酸化物系磁性
材料には、スピネル形フェライトやＭｎ−Ｍｇ系又はＮ
ｉ−Ｚｎ系等があり、それらはいずれも使用することが
できる。また、これらの軟質磁性材料は誘電体材料と異
なり、例えば印加される磁界に対応して比透磁率が変化
する（一例として、ＹＩＧの印加磁界に対する比透磁率
のグラフを図５，図１４に示す。）ので、本実施の形態
の磁性薄膜多層電極の特性（導体損失）も、印加される
磁界の強度に対応して変化する。

【００５７】このように、本実施の形態の磁性薄膜多層
電極では、絶縁層として磁性材料を用いているので、該
磁性材料の比透磁率の印加磁界依存性を利用して、磁性
薄膜多層電極に磁界を印加することにより、また印加し
た磁界を変化させることにより、作製した後に導体損失
等の電気特性を調整をすることができる。これにより、
磁性薄膜多層電極の導体損失が製造ばらつき等によりば
らついても、作成後に調整して十分低損失な共振器や伝
送線路を作製することができる。また、本実施の形態の
磁性薄膜多層電極では、磁性薄膜多層電極に印加する磁
界を変化させることにより、磁性薄膜多層電極は電気特
性（導体損失）を電気的に制御することができ、以下の
種々の用途に使用できる。

【００５８】＜応用例＞以下、図面を参照して本発明に
係る磁性薄膜多層電極の応用例について説明する。図３
は、磁性薄膜多層電極の一応用例である共振装置であ
る。図３の共振装置は、金属遮蔽ケース５５の内部に、
円板型の共振器５３と円板型の電磁石５６とを互いに対
向するように設けて構成される。ここで、共振器５３
は、円板型の誘電体セラミック基板５２の上下各面の全
面にそれぞれ磁性薄膜多層電極５１ａ，５１ｂを形成し
て構成し、磁性薄膜多層電極５１ａは入出力コネクタ５
４に接続される。また、電磁石は直流電源に接続されて
いて、磁性薄膜多層電極５１ａ，５１ｂには、電磁石５
６によって発生された磁界が印加される（図４
（ｂ））。尚、図４（ａ）は、共振器５３と電磁石５６
とを模式的に示す斜視図である。以上のように構成され
た図３の共振装置においては、電磁石５６と共振器５３
との間の距離を変化させることにより、磁性薄膜多層電
極５１ａ，５１ｂに印加される磁界の強度を変えること
ができる。これによって、磁性薄膜多層電極５１ａ，５
１ｂの導体損失を調整し、共振装置の無負荷Ｑを最大又
は所望の値に設定できる。

【００５９】また、図３の直流電源に代えて、電磁石５
６に変調信号を与えることにより、後述するように振幅
変調回路を構成することができる。例えば、図６に示す
ように、共振器５３に印加される磁界の強度が大きいと
きに共振器５３が高い無負荷Ｑを持つように磁性薄膜多
層電極５３ａ，５３ｂの各薄膜導体及び薄膜絶縁体の各
膜厚を設定する。このようにすると、強い磁界が共振器
５３に印加されたときには、図６の左の図に示すように
共振器５３の無負荷Ｑが高くなり挿入損失が小さくな
る。また、印加磁界が弱いときには図６の右の図に示す
ように共振器５３の無負荷Ｑが低くなり挿入損失が大き
くなる。この性質を利用して、電磁石５６に変調信号を
入力すると、該変調信号に対応した強度を有する磁界が
発生し、共振器５３に入力される搬送波信号を変調信号
に従って変調することができる。図７はその様子を模式
的に示しており、図７（ａ）に示す信号は、共振器５３
に入力される搬送波信号であり、図７（ｂ）に示すもの
は電磁石５６に入力される変調信号であり、図７（ｃ）
は振幅変調された信号である。

【００６０】上述の振幅変調回路では、磁性薄膜多層電
極を備えた共振器を用いているが、該共振器に代えて磁
性薄膜多層電極を備えた伝送線路を用いて構成しても良
い。すなわち、伝送線路を用いても、該伝送線路の伝送
損失を磁性薄膜多層電極に印加される磁界の強度に対応
させて制御することができるので、共振器を用いた場合
と同様に振幅変調回路を構成することができる。

【００６１】以上の実施の形態では、薄膜絶縁体に絶縁
性を有する磁性材料を用いたが、本発明はこれに限ら
ず、薄膜導体として、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の金属磁性材
料を用いてもよい。以上のようにしても、実施の形態と
同様の作用効果を有する。

【００６２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る磁性薄膜多層電極は、所定の使用周波数において、上
記誘電体基板に生じる電磁界の位相と上記各薄膜絶縁膜
に生じる電磁界の位相とが互いに実質的に一致するよう
に構成された薄膜多層電極であって、上記薄膜導体と上
記薄膜絶縁体膜のうちの少なくとも一方を磁性材料で構
成している。これによって、磁性薄膜多層電極に印加す
る磁界の強度を変化することにより、作製した後に電気
特性の調整が可能な磁性薄膜多層電極を提供することが
できる。

【００６３】また、本発明に係る磁性薄膜多層電極で
は、上記誘電体基板と上記薄膜導体との間、及び上記薄
膜導体と上記薄膜絶縁体膜との間にそれぞれ、上記薄膜
導体に比較して金属酸化膜を形成し易い接着導体層を形
成することにより、上記誘電体基板と上記薄膜導体との
間の接着強度、及び上記薄膜導体と上記薄膜絶縁体膜と
の間の各接着強度を強くでき、磁性薄膜多層電極の信頼
性を高くできる。

【００６４】また、本発明に係る高周波伝送線路は、誘
電体基板の少なくとも一方の面に、上記磁性薄膜多層電
極が所定の形状に形成されている。これによって、磁界
を印加又は印加する磁界の強度を変化させることによ
り、伝送損失を調整できる。

【００６５】また、本発明に係る高周波共振器は、誘電
体基板の少なくとも一方の面に、上記磁性薄膜多層電極
が所定の形状に形成されている。これによって、磁界を
印加又は印加する磁界の強度を変化させることにより、
無負荷Ｑを調整できる。

【００６６】さらに、本発明に係る高周波デバイスは、
上記高周波伝送線路又は上記高周波共振器と、上記高周
波伝送線路又は上記高周波共振器の磁性薄膜多層電極の
厚さ方向に磁界を印加するように設けられかつ該印加す
る磁界の強度を変化させることができる磁界印加手段を
備えている。これによって、上記磁界の強度を所定の変
調信号に従って変化させることにより、上記高周波伝送
線路又は上記高周波共振器に入力される搬送波信号を変
調することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る実施の形態の磁性薄膜多層電極
を用いて構成した１／２波長線路型共振器の斜視図であ
る。

【図２】 本発明に係る磁性薄膜多層電極の特性の一例
を示すグラフである。

【図３】 本発明に係る磁性薄膜多層電極の一応用例の
共振器の斜視図である。

【図４】 図３の共振器の動作を説明するための模式図
である。

【図５】 ＹＩＧの印加磁界（０〜３Ｋガウス）に対す
る比透磁率を示すグラフである。

【図６】 印加磁界に対する共振器の無負荷Ｑを模式的
に示す図である。

【図７】 本発明の応用例である振幅変調器の動作を説
明するための図である。

【図８】 従来例の薄膜多層電極を用いて構成した１／
２波長線路型共振器の斜視図である。

【図９】 図８の１／２波長線路型共振器の長手方向に
ついての図式的な縦断面図及びそれに接続される回路の
回路図である。

【図１０】 図８の１／２波長線路型共振器の等価回路
の回路図である。

【図１１】 図１０における４端子回路の等価回路の回
路図である。

【図１２】 図８の１／２波長線路型共振器における最
適パラメータの決定フローを示すフローチャートであ
る。

【図１３】 図８の１／２波長線路型共振器における最
小化表面抵抗の決定フローを示すフローチャートであ
る。

【図１４】 ＹＩＧの印加磁界（１〜１．５Ｋガウス）
に対する比透磁率を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…誘電体基板、 １１…接地導体、 １２，１３…入出力導体、 ２１，２２，２３，２４，２５…薄膜導体、 ３１ａ，３２ａ，３２ａ，３３ａ，３４ａ…薄膜絶縁
体、 ４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８…接
着導体層、 Ｌ１…主伝送線路、 Ｌ２ａ，Ｌ３ａ，Ｌ４ａ，Ｌ５ａ…副伝送線路。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体基板上に、薄膜導体と薄膜絶縁体
   膜とが交互に積層されてなり、所定の使用周波数におい
   て、上記誘電体基板に生じる電磁界の位相と上記各薄膜
   絶縁膜に生じる電磁界の位相とが互いに実質的に一致す
   るように構成された薄膜多層電極であって、 上記薄膜導体と上記薄膜絶縁体膜のうちの少なくとも一
   方は磁性材料であることを特徴とする磁性薄膜多層電
   極。
2. 【請求項２】 上記誘電体基板と上記薄膜導体との間、
   及び上記薄膜導体と上記薄膜絶縁体膜との間にそれぞ
   れ、上記薄膜導体に比較して金属酸化膜を形成し易い接
   着導体層を形成した請求項１記載の磁性薄膜多層電極。
3. 【請求項３】 誘電体基板の少なくとも一方の面に、請
   求項１又は２記載の磁性薄膜多層電極が所定の形状に形
   成された高周波伝送線路。
4. 【請求項４】 誘電体基板の少なくとも一方の面に、請
   求項１又は２記載の磁性薄膜多層電極が所定の形状に形
   成された高周波共振器。
5. 【請求項５】 請求項３記載の高周波伝送線路又は請求
   項４記載の高周波共振器と、上記高周波伝送線路又は上
   記高周波共振器の磁性薄膜多層電極の厚さ方向に磁界を
   印加するように設けられかつ該印加する磁界の強度を変
   化させることができる磁界印加手段を備え、 上記磁界の強度を所定の変調信号に従って変化させるこ
   とにより、上記高周波伝送線路又は上記高周波共振器に
   入力される搬送波信号を変調する高周波デバイス。