(57)【要約】【課題】局所的な電流の集中を防止し、電力特性を向上したデュアルモード超伝導デバイスを提供する。【解決手段】超伝導デバイスは、誘電体基板（１１）と、前記誘電体基板の片面上に超伝導材料で形成された平面図形形状の共振器パターン（１２）と、前記誘電体基板の他方の面上に超伝導材料で形成されたグランド膜（１４）と、を備え、前記グランド膜に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターン（１５）を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板の片面上に超伝導材料で形成された平面図形形状の共振器パターンと、
前記誘電体基板の他方の面上に超伝導材料で形成されたグランド膜と、
を備え、前記グランド膜に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターンを有することを特徴とする超伝導デバイス。
【請求項２】
前記開口パターンの円弧部分の曲率半径は、実効波長λの１／４以下であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項３】
前記誘電体基板は、３〜５ＧＨｚの周波数で、誘電率が８〜１０であることを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導デバイス。
【請求項４】
前記超伝導デバイスは、３〜６ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振モードを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超伝導デバイス。
【請求項５】
前記開口パターンは、少なくともその一部が、前記共振器パターンとオーバーラップする位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の超伝導デバイス。
【請求項６】
前記開口パターンは、前記共振器パターンの中心部よりも、周辺部に対応する位置またはその近傍に設けられることを特徴とする請求項１または５に記載の超伝導デバイス。
【請求項７】
前記共振器パターンの近傍に延びる入力信号線および出力信号線、
をさらに備え、前記開口パターンは、前記入力信号線の延長線と、前記出力信号線の延長線で挟まれる領域に対応する位置に設けられることを特徴とする請求項１に記載の超伝導デバイス。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導デバイスに関し、特に、移動通信や放送の分野において、送信フィルタや送信アンテナなど、送信フロントエンドに適用されるデュアルモード型超伝導デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話の普及、発展に伴い、高速・大容量の伝送技術が不可欠になってきている。超伝導体は、高周波領域においても、通常の電気的良導体に比べて表面抵抗が非常に小さいので、低損失、高Ｑ値の共振器が期待でき、移動通信の基地局用のフィルタとして有望視されている。
【０００３】
超伝導デバイスを、受信側の帯域フィルタに適用する場合、伝送ロスが少なく、急峻な周波数遮断特性が期待される。一方、送信側の帯域フィルタに適用する場合は、前段に置かれたパワーアンプによって発生する歪を取り除く効果が期待できるが、高周波信号を送信するために大電力を要し、小型化と良好な電力特性の両立が目下の課題となっている。
【０００４】
送信側で高いＲＦパワーが入力されたときに生じる損失の問題、換言すると電流密度の集中の問題を回避するために、ヘアピンパターンやマイクロストリップパターンなどの線形のパターンに代えて、ディスク型（円形）の超伝導共振器パターンが提案されている。ディスク型の超伝導共振器パターンは、線形パターンと比較して、直線エッジ部分への電流密度の集中を緩和することができる。
【０００５】
さらに、図１に示すように、ディスク型共振器パターンの一部にノッチ（カット）を設けて、互いに直交する２つの方向に共振モードを発生させるデュアルモードフィルタも提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００６】
図１の従来例では、誘電体基板１０１上に超伝導膜で形成されたディスク共振器パターン１０２を形成し、その一部にノッチ１０５を形成して、デュアルモードを発生させている。ノッチ１０５は、入出力信号ライン（フィーダ）１３の延長線を避けた位置に設けられている。誘電体基板の裏面は、全面がグランド膜１０４で覆われている。
【０００７】
このようなデュアルモード共振器フィルタでは、互いに直交する電磁界モードの縮退を解いて共振周波数を分離させ、図１（ｃ）に示すように、ｆ１（低周波数側）、ｆ２（高周波数側）の２つの共振周波数を発生させている。しかし、ノッチ１０５を設けことによって、ノッチ１０５のコーナー部分に電流密度が集中するという問題が生じる。
【０００８】
特に、図２Ａ（ａ）に示すように、共振器面において、低周波数ｆ１側の電流がノッチ１０５のコーナー部分に集中し、ノッチ１０５を設けない通常のディスク型共振器の最大電流密度を越えてしまう。この例では、ｆ１側で最大７０２Ａ／ｍの電流密度が発生している。この様子は、図２Ｂの実際のシミュレーションの電流密度分布で、より正確に示される
一方、図２Ａ（ｂ）に示すように、誘電体基板１０１の裏面（グランド面）側は、全体が超伝導膜で覆われているため、電流密度の局所的な集中はほとんどない。もっとも、２つの共振モードにおける電流の方向、すなわち、ノッチ１０５に向かう方向と、これに直交する方向に沿って、基板の中央付近でわずかに電流密度が上昇する。なお、共振周波数ｆ１とｆ２は、最大電流密度時には位相が４５°ずれている。
【０００９】
共振器パターン１０２のノッチ１０５のコーナー部分やエッジ部分に電流密度が集中する結果、超伝導共振器を用いた帯域フィルタやアンテナにおいて、耐電力（許容電力）の低下や歪の増大が発生してしまう。
【非特許文献１】Sang Yeol Lee, Kwang Yong Kang, and Dal Ahn, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 5, No. 2, pp. 2567, June 1995
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は、耐電力特性を向上し、歪を低減した超伝導デバイスを提供することを課題とする。このような超伝導デバイスは、送信用フィルタやアンテナに好適に用いられる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、誘電体基板上に円形、楕円形、多角形などの平面図形形状の超伝導共振器パターンを有する超伝導デバイスにおいて、前記誘電体基板の裏面（共振器面と反対側の面）に形成されたグランド膜に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターンを設ける。
【００１２】
開口パターンの円弧部の形状によって、互いの電磁界モードが干渉する度合い（カップリング）が異なる。円弧の曲率半径が大きいほど電流の集中を緩和できるが、モードのカップリングが変化して帯域幅が増大する。そのため、円弧部の曲率半径は実効波長の１／４（λ／４）以下であるのが望ましい。
【００１３】
なお、本明細書および特許請求の範囲において、「平面図形形状」または「平面図形型」の超伝導パターンというときは、ヘアピン型やマイクロストリップ型などのライン形状の回路パターンではなく、円形、楕円、多角形などの平面図形形状であることを意味する。
【００１４】
具体的には、本初面の１側面では、超伝導デバイスは、誘電体基板と、前記誘電体基板の片面上に超伝導材料で形成された平面図形形状の共振器パターンと、前記誘電体基板の他方の面上に超伝導材料で形成されたグランド膜と、を備え、前記グランド膜に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターンを有することを特徴とする。
【００１５】
好ましい構成例では、前記開口パターンの円弧部分の曲率半径は、実効波長λの１／４以下である。
【００１６】
別の構成例では、前記開口パターンは、少なくともその一部が、前記共振器パターンとオーバーラップする位置に設けられるのが望ましい。
【００１７】
前記開口パターンは、前記共振器パターンの中心部よりも、周辺部に対応する位置またはその近傍に設けられるのが望ましい。
【００１８】
このような構成により、高周波領域で、２つの共振モードで動作する超伝導デバイスが実現される。
【発明の効果】
【００１９】
平面図形形状の超伝導共振器パターンを有する超伝導デバイスにおいて、エッジ部分への電流の集中を防止し、特に、ハイパワーの送信側で、歪を低減し、電力特性を良好に維持できる。
【００２０】
また、１つの超伝導デバイスで２つの共振モードを発生させ、多段フィルタなどに適用する場合に、装置の小型化をはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図３〜図７Ｂを参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【００２２】
図３は、本発明の一実施形態に係る超伝導デバイスの概略図である。この例では、超伝導デバイスは、超伝導共振器フィルタとして用いられている。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は概略断面図である。
【００２３】
超伝導デバイスは、誘電体基板１１の一方の面（表面）上に、ＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）などの超伝導材料で形成されたディスク型共振器パターン１２と、誘電体基板１１の他方の面（裏面）上に超伝導材料で形成されたグランド膜１４を備え、グランド膜（以下、適宜「グランド面」とも称する）１４に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターン１５を有する。グランド膜１４に設けた開口パターン１５により、共振器フィルタとしての超伝導デバイスに、互いに直交する２つの共振モードが発生する。超伝導共振器パターン１２の近傍には、たとえば超伝導材料で形成される入出力信号ライン（フィーダ）１３が誘電体基板１１上で延びている。
【００２４】
誘電体基板１１は、ＭｇＯ単結晶基板、ＬａＡｌＯ3基板、サファイア基板等、３〜５ＧＨｚの周波数で８〜１０の誘電率を有する任意の誘電体基板を用いることができる。
【００２５】
図４は、グランド面１４に形成される開口パターン１５の位置関係を示す図である。図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は裏面図、図４（ｃ）は斜視図である。開口パターン１５は、２本の入出力信号ライン（入力ラインおよび出力ライン）１３の延長線上を避けて位置し、かつ少なくともその一部が誘電体基板１１の表面に形成された超伝導共振器パターン１２とオーバーラップするように配置される。
【００２６】
図４の例では、開口パターン１５は、２本の入出力信号ライン１３の延長線（点線）の間に位置する。共振器に効率よくデュアルモードを発生させる観点からは、開口パターン１５は、その一部または全体が超伝導共振器パターン１２とオーバーラップしていることが望ましい。ただし、電流密度との関係から言うと、グランド面（グランド膜）１４では、電流が中心部付近に集中しやすいので、超伝導共振器パターン１２の周辺寄りの位置、たとえば、従来のデュアルモード型共振器フィルタのノッチ部分をグランド面１４に投影した位置かその近傍が望ましい。これらの条件を満たすのであれば、たとえば、２本の入出力信号ライン１３の延長線の内側の領域に対応するグランド面の、任意の位置に開口パターン１５を配置することができる。
【００２７】
開口パターン１５は、少なくともその一部に円弧部を有する。円弧部の形状によって、互いの電磁界モードが干渉する度合い（カップリング）が異なる。円弧の曲率半径が大きいほど、電流の集中を緩和できるが、モードのカップリングが変化して帯域幅が増大するため、円弧部の曲率半径は、実効波長の１／４（λ／４）以下であるのが望ましい。
【００２８】
図５は、グランド膜１４に形成する開口パターン１５の変形例を示す図である。開口パターンは、図３に示すようなＵ字型の開口でもよいが、図５（ａ）のような円形の開口、図５（ｂ）のような角を丸くした長方形の開口、図５（ｃ）のような楕円形の開口など、λ／４以下の曲率半径であれば、任意の形状をとることができる。
【００２９】
図６は、本発明の実施形態の超伝導デバイス（超伝導共振器フィルタ）の周波数応答特性を示すグラフである。このシミュレーションのための超伝導デバイスのサンプルとしては、２０×２０×０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶基板１１の両面に、レーザ蒸着法を用いてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）薄膜を形成する。ＹＢＣＯ薄膜の膜厚は、フィルタ特性に応じて適宜選択され、サンプルでは０．５μｍである。片面側のＹＢＣＯ薄膜を、フォトリソグラフィーの手法によりパターニングして、円弧型のノッチ２０を有するディスク型の共振器パターン１２と、フィーダ１３を形成し、反対側の面のＹＢＣＯ薄膜に、同じくフォトリソグラフィーにより開口パターン１５を形成する。共振器パターン１２の直径は１１．１ｍｍ、開口パターン１５は円形の開口とし、その直径は２ｍｍである。
【００３０】
このサンプルは、図６のような反射特性（Ｓ１１）と透過特性（Ｓ２１）を示し、５ＧＨｚ帯において、４．９６６ＧＨｚ（ｆ１）と５．０４７ＧＨｚ（ｆ２）の２つの共振周波数を有する。
【００３１】
図７Ａは、図６の超伝導共振器フィルタの電流密度分布の模式図、図７Ｂは、シミュレーションによる電流密度分布図である。図７Ａ（ａ）および図７Ｂ（ａ）に示すように、共振器面側では、電流密度の集中が効果的に低減されている。これは、高周波信号の損失抑制効果に優れることを意味する。一方、図７Ａ（ｂ）と図７Ａ（ｂ）に示すように、グランド面側では、開口パターン１５の周囲に電流が集中しているものの、最大電流密度で３４２Ａ／ｍと、従来のノッチ型デュアルモード共振器の半分以下に低減できることがわかる。これを電力に換算すると、４倍以上の耐電力を達成することができる。
【００３２】
上述した超伝導デバイは、３〜６ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振モードを有し、かつ耐電力性に優れるので、次世代の移動通信システムへの適用が期待される。その場合は、たとえば、超伝導デバイスを金属パッケージ（デュワー）に実装し、デュワー内を７０〜８０Ｋ程度の低温にして、超伝導フィルタとして使用する。特に、ハイパワーの送信側で歪を低減し、電力特性の向上を実現することができる。
【００３３】
なお、特定の実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。たとえば、実施形態では超伝導材料としてＹＢＣＯ薄膜を用いたが、任意の酸化物超伝導材料を用いることができる。たとえば、ＲＢＣＯ（Ｒ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ）系薄膜、すなわち、Ｒ元素としてＹ（イットリウム）に代えて、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｈｏを用いた超伝導材料を用いてもよい。また、ＢＳＣＣＯ（Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＰＢＳＣＣＯ（Ｐｂ−Ｂｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ）系、ＣＢＣＣＯ（Ｃｕ−Ｂａp−Ｃａq−Ｃｕr−Ｏx、1.5<ｐ<2.5、2.5<ｑ<3.5、3.5<ｒ<4.5）を超伝導材料に用いてもよい。
【００３４】
超伝導材料で形成される平面図形型の共振器パターン１２は、コーナー部分や直線部分をなるべく減らす意味から、円形（ディスク形状）であることが望ましいが、楕円形や多角形でもよい。共振器パターン１２と反対側のグランド面１４に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターン１５を形成することによって、電流集中を低減しつつ、効果的にデュアルモードを発生させることができる。
【００３５】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）誘電体基板と、
前記誘電体基板の片面上に超伝導材料で形成された平面図形形状の共振器パターンと、
前記誘電体基板の他方の面上に超伝導材料で形成されたグランド膜と、
を備え、前記グランド膜に、少なくとも一部に円弧を含む開口パターンを有することを特徴とする超伝導デバイス。
（付記２）前記開口パターンの円弧部分の曲率半径は、実効波長λの１／４以下であることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
（付記３）前記誘電体基板は、３〜５ＧＨｚの周波数で、誘電率が８〜１０であることを特徴とする付記１または２に記載の超伝導デバイス。
（付記４）前記超伝導デバイスは、３〜６ＧＨｚ帯で互いに直交する２つの共振モードを有することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の超伝導デバイス。
（付記５）前記開口パターンは、少なくともその一部が、前記共振器パターンとオーバーラップする位置に設けられることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
（付記６）前記開口パターンは、前記共振器パターンの中心部よりも、周辺部に対応する位置またはその近傍に設けられることを特徴とする付記１または５に記載の超伝導デバイス。
（付記７）前記共振器パターンの近傍に延びる入力信号線および出力信号線、
をさらに備え、前記開口パターンは、前記入力信号線の延長線と、前記出力信号線の延長線で挟まれる領域に対応する位置に設けられることを特徴とする付記１に記載の超伝導デバイス。
（付記８）前記超伝導材料は、酸化物超伝導材料であることを特徴とする付記１〜７のいずれかに超伝導デバイス。
（付記９）前記開口パターンは、円形パターンであることを特徴とする付記１または５に記載の超伝導デバイス。
（付記１０）前記開口パターンは、Ｕ字型の開口パターンであることを特徴とする付記１または５に記載の超伝導伝バイス。
（付記１１）前記開口パターンは、コーナー部分を丸くした長方形パターンであることを特徴とする付記１または５に記載の超伝導デバイス。
（付記１２）前記開口パターンは、前記入力信号の延長線と前記出力信号の延長線の中央に対応する位置に設けられることを特徴とする付記７に記載の超伝導デバイス。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のノッチ型デュアルモード共振器フィルタを説明するための図である。
【図２Ａ】従来のノッチ型デュアルモード共振器フィルタでの電流密度の集中を説明するための模式図である。
【図２Ｂ】従来のノッチ型デュアルモード共振器フィルタでの電流密度の分布を示すシミュレーション結果の図である。
【図３】本発明の実施形態のデュアルモード共振器フィルタの概略構成図である。
【図４】グランド面に形成される開口パターンの位置関係を説明するための図である。
【図５】グランド面に形成される開口パターンの変形例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態のデュアルモード共振器フィルタの周波数応答特性のグラフである。
【図７Ａ】本発明の実施形態に係るデュアルモード共振器フィルタの電流密度分布を示す模式図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態に係るデュアルモード共振器フィルタの電流密度分布を示すシミュレーション結果である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  誘電体基板
１２  超伝導パターン
１３  フィーダ（入出力信号ライン）
１４  グランド膜
１５  開口パターン
【図１】
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【図２Ａ】
2008172426.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2008172426.tif 000009
【図２Ｂ】
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【図７Ｂ】
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