(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に超電導アンテナと該超電導アンテナと接続する超電導フィルタを含む回路を形成して得られる超電導薄膜回路において、前記超電導アンテナと前記超電導フィルタは、前記超電導アンテナにより送受する電磁波の基板内における波長の２分の１以上の距離をおいて基板上に配置されていることを特徴とする超電導薄膜回路。
【請求項２】
基板上に複数個の超電導薄膜素子を配置してそれらを超電導薄膜からなる線路で配線して得られる超電導薄膜回路において、基板はバイクリスタル基板であって、バイクリスタル接合を構成する２枚の基板の誘電率が異なっていることを特徴とする超電導薄膜回路。
【請求項３】
バイクリスタル接合部を超電導細線が横切る構造からなるミキサを含む超電導薄膜回路であって、バイクリスタル接合部によって分割される基板領域の一方の領域にミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成し、他方の領域にミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成したことを特徴とする請求項２記載の超電導薄膜回路。
【請求項４】
ミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率は、ミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成する領域の基板の誘電率より高いことを特徴とする請求項３記載の超電導薄膜回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に複数個の超電導薄膜素子を配置してそれらを超電導薄膜からなる線路で配線して得られる超電導薄膜回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板上に複数個の超電導薄膜素子を配置してそれらを超電導薄膜からなる線路で配線して得られる超電導薄膜回路の第１の従来例として、信技報ＭＷ９３−８（１９９３年４月）に示されるものがある。そこでは、高周波（ＲＦ）フィルタ、局部発振波（ＬＯ）フィルタ、そして中間周波（ＩＦ）フィルタの３種類の超電導フィルタとジョセフソン素子からなる回路を同一基板上に薄膜形成して得られる超電導薄膜回路が示されている。
【０００３】
また第２の従来例として、１９９４年春季第４１回応用物理学関係連合講演会講演予稿集Ｎｏ．１のｐ．１２０における２９ａ−ＺＶ−６に示されるものがある。そこでは、２個のパッチアンテナとジョセフソン素子からなる超電導薄膜回路がしめされている。この超電導薄膜回路には、２個のラジアルスタブとそれらを結ぶマイクロストリップラインからなるＩＦフィルタも含まれている。
【０００４】
なお、第１と第２のどちらの従来例においても、そこで用いられている基板のサイズは２０ｍｍ角である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた２つの従来例には、限られた基板サイズの中に複数の超電導薄膜素子を配置しているので、各素子の特性および素子配置の適性化がなされているとは言い難いという問題があった。この問題は、フィルタのサイズは取り扱う信号の波長と直接関係していること、また高周波では複数の素子が互いに近接しすぎると相互干渉が生じることに起因している。この問題は基板サイズを大型化すれば解決できるようにもみえる。しかし、基板サイズを大型化することには技術的困難がある。また、仮に大型化できたとしても、基板コストが高いこと、大面積の冷却が必要になるため冷凍システムも大掛かりになること等の別の問題が生じてくる。したがって、基板を大型化して素子特性と素子配置を適性化するという方法は得策ではない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる欠点を解決するものであって、基板上に超電導アンテナと該超電導アンテナと接続する超電導フィルタを含む回路を形成して得られる超電導薄膜回路において、前記超電導アンテナと前記超電導フィルタは、前記超電導アンテナにより送受する電磁波の基板内における波長の２分の１以上の距離をおいて基板上に配置されていることを特徴とする。
【０００８】
さらにまた、基板上に複数個の超電導薄膜素子を配置してそれらを超電導薄膜からなる線路で配線して得られる超電導薄膜回路において、基板はバイクリスタル基板であって、バイクリスタル接合を構成する２枚の基板の誘電率が異なっていること、必要に応じて、バイクリスタル接合部を超電導細線が横切る構造からなるミキサを含む超電導薄膜回路であって、バイクリスタル接合部によって分割される基板領域の一方の領域にミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成し、他方の領域にミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成したこと、ミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率は、ミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成する領域の基板の誘電率より高いことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１０】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における超電導薄膜回路の平面図である。図１において、１１は基板、１２はバイクリスタル接合部、１３はアンテナ、１４はＲＦフィルタ、１５はＬＯフィルタ、１６はミキサ、そして１７はＩＦフィルタである。また、図１において記号ｄで示される長さはアンテナ１３とＲＦフィルタ１４の距離である。
【００１１】
アンテナ１３、ＲＦフィルタ１４、ＬＯフィルタ１５、ミキサ１６、そしてＩＦフィルタ１７のそれぞれの電極部分は超電導薄膜からなる。すなわち、これらの回路素子はすべて超電導薄膜素子である。特にミキサ１６は、超電導細線が基板１１のバイクリスタル接合部１２を横切ることによって形成されるジョセフソン素子である。
【００１２】
基板１１の材料はＭｇＯであり、その比誘電率は１０である。また、基板サイズは２０ｍｍ角である。超電導薄膜の材料はすべてＹＢＣＯ系超電導体であり、その超電導臨界温度Ｔｃは約９０Ｋである。
【００１３】
本超電導薄膜回路は、１２ＧＨｚのＲＦ信号をアンテナ１３で受信し、それをＬＯフィルタ１５を通して入力される１１ＧＨｚのＬＯ波とミキサ１６を用いて周波数混合して１ＧＨｚのＩＦ信号を取り出す周波数混合回路である。ここで、ＲＦフィルタとＬＯフィルタはそれぞれ１２ＧＨｚ帯と１１ＧＨｚ帯のバンドパスフィルタとして機能し、またＩＦフィルタは１ＧＨｚを透過させるローパスフィルタとして機能する。ＲＦフィルタ１４は、アンテナ１３とミキサ１６との間に挿入されている。その役割は、アンテナ１３から入ってくるノイズを除去することとＬＯ波がアンテナ１３に到達してそこから放射することを防ぐことである。
【００１４】
本超電導薄膜回路が取り扱う最も高い周波数である１２ＧＨｚの信号を受け持つアンテナ１３とＲＦフィルタ１４については、両素子間の相互干渉を評価して、相互干渉ができる限り小さくなるように両素子間の距離を決定することが必要になる。そこで、まず第１にアンテナとＲＦフィルタの距離の決定方法について説明する。
【００１５】
相互干渉の評価は電磁界解析シミュレーションを用いて行なうことができる。本超電導薄膜回路の設計においては、アンテナとＲＦフィルタの距離ｄと、アンテナとＲＦフィルタからなる系におけるＲＦフィルタのアンテナと結ばれていない方の端子の反射係数との関係を評価して、反射係数をできる限り小さくするようにした。この系のアンテナはアンテナ単体の共振周波数が受信周波数である１２ＧＨｚになるように設計されていて、評価はこの周波数において行なった。
【００１６】
図２は、アンテナとＲＦフィルタの距離と反射係数の関係を示す図である。図２の横軸には、距離ｄのかわりに、それをアンテナ単体の共振周波数の基板内における波長λで規格化した値ｄ／λが用いられている。図２のグラフは、ｄ／λが２分の１より小さくなると反射係数が急激に大きくなることを示している。これはｄ／λが２分の１より小さい場合にはアンテナとＲＦフィルタの相互干渉が強く、アンテナ単体における設計性能を引き出しにくいことを意味している。したがって、アンテナ性能をＲＦフィルタとの干渉を避けて充分引き出すためには、ｄ／λを２分の１以上にすることが必要である。
【００１７】
本超電導薄膜回路ではｄ／λを２分の１とした。このときアンテナとＲＦフィルタからなる系のアンテナ利得は約４ｄＢである。アンテナ単体の利得は約５ｄＢであり、またＲＦフィルタ単体の挿入損失は約１ｄＢであるから、アンテナとＲＦフィルタの干渉による利得低下はほとんど０である。
【００１８】
第２に、本超電導薄膜回路のＩＦフィルタについて説明する。
【００１９】
ＩＦフィルタは、２個のラジアルスタブとそれらを結ぶマイクロストリップラインから構成されている。このマイクロストリップラインの特徴は、その形状がメアンダ形状になっていることである。
【００２０】
ＩＦフィルタはローパスフィルタとして機能し、その遮断周波数はマイクロストリップラインの長さに支配される。すなわち、その長さが長いほど遮断周波数は低くなる。
【００２１】
さて、本超電導薄膜回路で用いられる１ＧＨｚのローパスフィルタでは遮断周波数を１ＧＨｚと２ＧＨｚの間に設定することが必要である。その理由は、１ＧＨｚ中間周波の高調波である２ＧＨｚを遮断するためである。ところが、遮断周波数が２ＧＨｚ以下の直線状のマイクロストリップラインを用いたローパスフィルタを２０ｍｍ角サイズの基板に収めることは、他の回路素子との配置関係を考慮すると、サイズ的に困難であることが電磁界解析シミュレーションによって判明した。
本超電導薄膜回路では、ＩＦフィルタにメアンダ形状のマイクロストリップラインを用いることによって、この問題を解決している。すなわち、直線をメアンダ形状にすることによって狭い領域の中で長い距離をもつマイクロストリップラインを得ている。
【００２２】
この場合、マイクロストリップラインの一部が他の一部と隣接することになるので、それらの間に相互干渉が生じてＩＦフィルタの特性が所望の特性からずれていまう恐れがある。それゆえ実際に所望の特性が得られているかどうかことを評価しておくことが必要になる。その評価は電磁界解析シミュレーションによって行なうことができる。
【００２３】
図３は、メアンダ形状のストリップラインを用いたＩＦフィルタの周波数と透過係数の関係を示す図である。図３のグラフは、このＩＦフィルタが１．５ＧＨｚ近傍に遮断周波数をもつこと、２ＧＨｚ以上の周波数領域では４．５ＧＨｚ付近を除いて良好な遮断特性をもつことを示している。４．５ＧＨｚ付近には、ＲＦ周波数、ＬＯ周波数、ＩＦの高調波に対応する周波数のいずれも存在しないから、この付近における遮断特性の劣化はＩＦフィルタの機能の観点からは問題にならない。
【００２４】
本実施例では超電導細線がバイクリスタル接合部を横切ることによって形成されるジョセフソン素子を用いた超電導薄膜回路について説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、段差型などの他の構造からなるジョセフソン素子を用いた超電導薄膜回路にも応用することができる。
【００２５】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例における超電導薄膜回路の平面図である。図４において、２１は基板、２２はバイクリスタル接合部、２３はアンテナ、２４はＲＦフィルタ、２５はＬＯフィルタ、２６はミキサ、そして２７はＩＦフィルタである。
【００２６】
本実施例における超電導薄膜回路の基本的な構成と動作は第１の実施例における超電導薄膜回路と同じである。
【００２７】
本実施例と第１の実施例との相違点は、本実施例では基板２１として異なる誘電率をもつ２枚の基板から構成されるバイクリスタル基板が用いられていることである。もう１つの相違点は、ＩＦフィルタを構成するマイクロストリップラインが直線なっていることである。以下、これらの点について説明する。
【００２８】
図４は、バイクリスタル接合部によって分割される基板領域の一方の領域には、アンテナ２３、ＲＦフィルタ２４、そしてＬＯフィルタ２５というミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子が形成され、他方の領域にはＩＦフィルタ２７というミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子が形成されていることを示している。さらに言えば、本超電導薄膜回路では、ミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率はミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率より高くなるように基板の組み合わせが選択されている。
【００２９】
さて、基板内における電磁波の波長は基板の誘電率が高くなるほど短くなる。本超電導薄膜回路では、この原理にもとづいて直線のマイクロストリップラインを用いたＩＦフィルタを得ている。このＩＦフィルタは、第１の実施例で示したメアンダ形状のマイクロストリップラインを用いたＩＦフィルタより設計が容易で所望の特性を容易に得られるという長所をもつ。一方、第１の実施例には、同種基板から構成される安価なバイクリスタル基板を用いることができるという長所がある。
【００３０】
本超電導薄膜回路においてミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率はミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率より高くなるように基板の組み合わせが選択されているのは、本超電導薄膜回路が入力信号の周波数を低周波化して出力信号として取り出す周波数混合回路であるからである。入力信号の周波数を高周波化して出力信号として取り出す周波数混合回路では、２つの領域の基板誘電率の高低の関係は本超電導薄膜回路のそれとは反対になる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べてきたように本発明によれば、基板上に超電導アンテナと該超電導アンテナと接続する超電導フィルタを含む回路を形成して得られる超電導薄膜回路において、前記超電導アンテナと前記超電導フィルタは、前記超電導アンテナにより送受する電磁波の基板内における波長の２分の１以上の距離をおいて基板上に配置されていること、また、基板上に２個のスタブとそれらを結ぶマイクロストリップラインからなる超電導フィルタを含む回路を形成した超電導薄膜回路において、前記マイクロストリップラインがメアンダ形状であること、さらにまた、基板上に複数個の超電導薄膜素子を配置してそれらを超電導薄膜からなる線路で配線して得られる超電導薄膜回路において、基板はバイクリスタル基板であって、バイクリスタル接合を構成する２枚の基板の誘電率が異なっていること、必要に応じて、バイクリスタル接合部を超電導細線が横切る構造からなるミキサを含む超電導薄膜回路であって、バイクリスタル接合部によって分割される基板領域の一方の領域にミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成し、他方の領域にミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成したこと、ミキサ出力後の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成した領域の基板の誘電率は、ミキサ入力前の信号を取り扱う超電導薄膜素子を形成する領域の基板の誘電率より高いことをによって、限られたサイズの基板上に適正な素子特性と適正な素子配置を有する周波数混合機能をもつ超電導薄膜回路を提供することができる。
【００３２】
したがって、本発明を高感度と小型化が要求される周波数混合用の超電導薄膜回路に応用すれば、その効果は特に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における超電導薄膜回路の平面図。
【図２】アンテナとＲＦフィルタの距離と反射係数の関係を示す図。
【図３】メアンダ形状のストリップラインを用いたＩＦフィルタの周波数と透過係数の関係を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例における超電導薄膜回路の平面図。
【符号の説明】
１１，２１  基板
１２，２２  バイクリスタル接合部
１３，２３  アンテナ
１４，２４  ＲＦフィルタ
１５，２５  ＬＯフィルタ
１６，２６  ミキサ
１７，２７  ＩＦフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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