(57)【要約】【課題】アンテナ有効面積を減らさずかつ結合のための信号損失を極力低減した、平面型アンテナと平面型の酸化物超伝導高周波回路の電磁界結合を行うアンテナ結合モジュールを提供する。【解決手段】平面型アンテナの素子平面に対して垂直に平面回路型超伝導高周波回路を構成した基板を配し、該平面型アンテナと該超伝導高周波回路との間を電磁界結合することを特徴とする、アンテナ結合モジュールが提供される。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面型アンテナの素子平面に対し、垂直方向に平面回路型超伝導高周波回路を構成した基板を配し、該平面型アンテナと該超伝導高周波回路との間を電磁界結合したことを特徴とする、アンテナ結合モジュール。
【請求項２】
電磁界結合した空間の垂直距離が実効波長の１／４以下の長さを有することを特徴とする、請求項１記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項３】
前記実効波長がマイクロ波からミリ波領域を含むことを特徴とする、請求項２記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項４】
前記平面型アンテナと前記超伝導高周波回路の結合回路として、１／４波長型のフィードラインをそれぞれ有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項５】
前記平面型アンテナと前記超伝導高周波回路の結合回路における１／４波長型のフィードラインの間に誘電体を配していることを特徴とする、請求項４記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項６】
前記誘電体の構成成分として、酸化マグネシウム、ムライト、フォルステライト、酸化チタン、ランタンアルミネート、サファイア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ガラスエポキシ複合材およびガラス−ポリテトラフルオロエチレン複合材からなる群より選ばれる１種類以上の成分を用いることを特徴とする、請求項５記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項７】
前記超伝導高周波回路の導体として酸化物超伝導体を用い、該超伝導高周波回路は、位相回路、フィルタ回路、スルーライン、遅延回路、カプラ、分配回路および合成回路からなる群より選ばれる一種以上の回路を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項８】
前記平面型アンテナは、ダイポール型、パッチ型またはログペリ型のいずれか１種類以上のアンテナ素子を１個以上有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項９】
前記平面型アンテナの導体として酸化物超伝導体を用いることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
【請求項１０】
前記超伝導高周波回路または前記平面型アンテナのための酸化物超伝導体として、Ｂｉｎ１Ｓｒｎ２Ｃａｎ３Ｃｕｎ４Ｏｎ５  （式中、１．８≦ｎ１≦２．２であり、１．８≦ｎ２≦２．２であり、０．９≦ｎ３≦１．２であり、１．８≦ｎ４≦２．２であり、７．８≦ｎ５≦８．４である）、Ｐｂｋ１Ｂｉｋ２Ｓｒｋ３Ｃａｋ４Ｃｕｋ５Ｏｋ６  （式中、１．８≦ｋ１＋ｋ２≦２．２であり、０≦ｋ１≦０．６であり、１．８≦ｋ３≦２．２であり、１．８≦ｋ４≦２．２であり、１．８≦ｋ５≦２．２であり、９．５≦ｋ６≦１０．８である）、Ｙｍ１Ｂａｍ２Ｃｕｍ３Ｏｍ４  （式中、０．５≦ｍ１≦１．２であり、１．８≦ｍ２≦２．２であり、２．５≦ｍ３≦３．５であり、６．６≦ｍ４≦７．０である）、Ｎｄｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｎｄｑ１Ｙｑ２Ｂａｑ３Ｃｕｑ４Ｏｑ５  （式中、０≦ｑ１≦１．２であり、０≦ｑ２≦１．２であり、０．５≦ｑ１＋ｑ２≦１．２であり、１．８≦ｑ２≦２．２であり、２．５≦ｑ３≦３．５であり、６．６≦ｑ４≦７．０である），  Ｓｍｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｈｏｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）  からなる群より選ばれる１種類以上の酸化物高温超伝導体を用いることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面型アンテナと平面回路型の超伝導高周波回路からなり、これらのアンテナと高周波回路との間を電磁界結合したアンテナ結合モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体基板を用いた平面回路型のアンテナとしては、例えば、ダイポール型、パッチ型、ログぺリ型などのアンテナ素子のパターンを基板上に形成し、この基板の反対側をグランド面としたマイクロストリップ構造のものがあげられるが、その他多様なパターンが考えられる。これらアンテナの素子の給電点からの高周波電気信号の入出力は、素子平面に対して垂直または同一平面上に給電線（伝送線路）を配置する方法が通常とられる。同一平面上の場合は、アンテナ素子パターンと一体で伝送線路を形成し、この伝送線路で基板上の入出力端子まで配線する方法があげられる。また、素子平面に対して垂直の場合は、基板上のアンテナ素子の給電点から、スルーホール（ビア）を通して該基板の反対側にグランド面に直流的に接しないように給電線を設ける方法があげられる。
【０００３】
また、インピーダンス整合が給電線と合わない場合や平衡、不平衡の線路変換のために、適当なマッチング回路やバラン回路などを給電線とアンテナ素子の間にいれる方法がある。
【０００４】
平面回路型のアンテナとして、酸化物超伝導体を用いたものが検討されてきている。マイクロストリップ構造では、誘電体基板の片側にダイポール型、パッチ型、ログぺリ型などの該超伝導膜のパターンを形成し、基板の反対側を該超伝導体または常伝導金属でグランド面を形成したものがあげられる。また、酸化物超伝導体を用いた平面回路型アンテナで、同一の誘電体基板上に超伝導フィルタを形成し、このフィルタとアンテナの給電点間で高周波電気信号をやりとりする工夫が検討されている。これらの酸化物超伝導体を用いた受動回路としては、銅酸化高温超伝導体の膜を基板に形成し、平面型回路（マイクロストリップライン型回路，コプレーナ型回路など）により、高周波フィルタなどの回路を形成する技術があげられる（非特許文献１〜３：Ｍ．Ｈｅｉｎ，  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ａｔ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９９．  ；  Ａｌａｎ  Ｍ  Ｐｏｒｔｉｓ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，  Ｗｏｒｌｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，  １９９２．  ；  Ｚｈｉ−Ｙｕａｎ  Ｓｈｅ，  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，  Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，  １９９４．  ；など）  。結晶性が良好で適切な銅酸化物高温超伝導体膜材料を選べば、準マイクロ波、マイクロ波等で、通常の電気良導体の銅、銀、金、アルミニウム等に比べて低い表面抵抗をもつことができる。このため、かかる銅酸化高温超伝導体膜材料を用いると、低エネルギー損失（以下、高Ｑ値と略記する：誘電正接の逆数）にでき、高Ｑ値の回路を構成するのに有利であることが知られている。超伝導平面型回路の構成のためには、酸化マグネシウム、ランタンアルミネートなどの誘電体基板の片面ないし両面に必要に応じて酸化物高温超伝導体の膜のパターンを形成することが行われている。基板に対して結晶格子ｃ軸を垂直にエピタキシャル成長させた超伝導膜は高Ｑ値の回路形成に有利であり、超伝導膜としてＹＢＣＯ超伝導膜などが用いられる。
【０００５】
さらに、実用化のためには課題があるものの、動作温度を液体ヘリウム（ＬＨｅ）温度（４．２Ｋ）付近とすることで、超伝導体膜を用いた回路は、ミリ波以上（０．３ＴＨｚ以上）についても、理論的には通常の電気良導体を用いた場合に対して優位性を有することできる。
【０００６】
平面型アンテナと平面回路型の超伝導高周波回路とを組み合わせたアンテナ結合モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。この文献には、給電系、整合回路、放射素子から構成される酸化物超伝導アンテナモジュールにおいて、放射素子を酸化物超伝導膜からなるメアンダ形単一線路で構成し、整合回路を酸化物超伝導膜からなるメアンダ形４分の１波長平行カップル線路で構成することを特徴とする酸化物超伝導アンテナモジュールが開示されている。
【０００７】
この公報に開示されたアンテナモジュールでは、同一の平面上にアレイ化した平面アンテナと平面回路型の超伝導高周波回路とが同一平面上に形成されている。このため、この回路を配置する平面はかなり大きくなってしまうと考えられる。また、多数のアンテナ素子をアレイ化して、それぞれのアンテナ素子に超伝導高周波回路を結合しようとする場合、該平面上の回路全体に占めるアンテナ全体の有効面積の割合が、該超伝導高周波回路が該平面にない場合に比べて小さくなる。このため、同じ感度を得るためには、該平面の面積は相対的に大きくなるという問題がある。
【０００８】
一方、平面回路型の該超伝導高周波回路の無負荷Ｑ値は、回路構造、材質に依存し、特に酸化物超伝導体の結晶性については重要な要素である。前述の同一平面の誘電体基板上、例えばＭｇＯ（１００）基板面上では、高Ｑ回路形成に適当な酸化物超伝導膜（基板面に垂直に強いｃ軸結晶配向したＹＢａ２  Ｃｕ３  Ｏ７−δ（δ：０〜０．２）エピタキシャルを主成分とした膜）が得ることができるが、立体形状の部分に形成する場合、連続した酸化物超伝導膜では、このようなエピタキシャル成長した膜質を得ることは容易ではない。
【０００９】
【特許文献１】
特開平５−９５２１３号公報（特許請求の範囲、図１および５）
【非特許文献１】
Ｍ．Ｈｅｉｎ，  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ａｔ  Ｍｉｃｒｏｗａ          ｖｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，１９９９．
【非特許文献２】
Ａｌａｎ  Ｍ  Ｐｏｒｔｉｓ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃ          ｔｏｒｓ，  Ｗｏｒｌｄ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，  １９９２．
【非特許文献３】
Ｚｈｉ−Ｙｕａｎ  Ｓｈｅ，  Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕ          ｉｔｓ，  Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，  １９９４．
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、アンテナ有効面積を減らさずかつ結合のためのコネクタ等による信号損失を極力低減した、平面型アンテナと平面型の酸化物超伝導高周波回路の電磁界結合を行うアンテナ結合モジュールを実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであり、本発明の１つの態様によると、平面型アンテナの素子平面に対して垂直に平面回路型超伝導高周波回路を構成した基板を配し、該平面型アンテナと該超伝導高周波回路との間を電磁界結合することを特徴とする、アンテナ結合モジュールが提供される。
このように、平面型アンテナと超伝導高周波回路を有する基板とを垂直に配置し、アンテナと高周波回路間を、空間を介して電磁界結合している。したがって、アンテナの素子を高密度で配置することができ、小型のアレイアンテナを製造することが可能になる。このアレイアンテナの小型化により、超伝導体からなる導体の冷却のための装置も小型化することができるので、アンテナ製造コストおよび運転コストを削減することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる平面アンテナは特に限定されず、従来用いられている全てのタイプの平面アンテナを用いることができる。例えば、誘電体基板の片側にダイポール型、パッチ型、ログぺリ型などのパターンからなるアンテナ素子を形成したものが使用でき、また、基板の反対側を導体でグランド面を形成したマイクロストリップ構造のものが使用でき、また、アンテナはアレイアンテナであってよい。
【００１３】
本発明では高周波回路を平面アンテナから分離して平面アンテナに対し垂直方向に配置するが、それによって平面アンテナを含む平面に高周波回路が存在しない分だけアンテナ平面の面積を小さくすることができる。さらにアンテナと高周波回路とを結合するための回路を形成する必要がない分だけアンテナ平面の面積を小さくすることができる。またアンテナをアレイ状に配する場合には高周波回路が存在しないのでアンテナアレイを設計的に高密度に配置することが可能にされる。
【００１４】
アンテナ素子を構成する導体は常伝導金属であっても、酸化物超伝導体であってもよい。常伝導金属としては銅に金をメッキしたものが挙げられる。
【００１５】
アンテナ素子の導体が酸化物高温超伝導体であることは好ましい。このような超伝導体は常伝導金属に比べて低い表面抵抗をもち、低エネルギー損失（高Ｑ値）にでき、受信の場合には高感度化、送信の場合には放射効率を向上させることができるので有利である。酸化物高温超伝導体としては、Ｂｉｎ１Ｓｒｎ２Ｃａｎ３Ｃｕｎ４Ｏｎ５  （式中、１．８≦ｎ１≦２．２であり、１．８≦ｎ２≦２．２であり、０．９≦ｎ３≦１．２であり、１．８≦ｎ４≦２．２であり、７．８≦ｎ５≦８．４である）、Ｐｂｋ１Ｂｉｋ２Ｓｒｋ３Ｃａｋ４Ｃｕｋ５Ｏｋ６  （式中、１．８≦ｋ１＋ｋ２≦２．２であり、０≦ｋ１≦０．６であり、１．８≦ｋ３≦２．２であり、１．８≦ｋ４≦２．２であり、１．８≦ｋ５≦２．２であり、９．５≦ｋ６≦１０．８である）、Ｙｍ１Ｂａｍ２Ｃｕｍ３Ｏｍ４  （式中、０．５≦ｍ１≦１．２であり、１．８≦ｍ２≦２．２であり、２．５≦ｍ３≦３．５であり、６．６≦ｍ４≦７．０である）、Ｎｄｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｎｄｑ１Ｙｑ２Ｂａｑ３Ｃｕｑ４Ｏｑ５  （式中、０≦ｑ１≦１．２であり、０≦ｑ２≦１．２であり、０．５≦ｑ１＋ｑ２≦１．２であり、１．８≦ｑ２≦２．２であり、２．５≦ｑ３≦３．５であり、６．６≦ｑ４≦７．０である）、Ｓｍｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｈｏｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、或いは、これらの組み合わせなどが挙げられる。
【００１６】
平面アンテナの基板は、特に限定されず、例えば、酸化マグネシウム、ムライト、フォルステライト、酸化チタン、ランタンアルミネート、サファイア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ガラスエポキシ複合材、ガラス−ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）複合材またはそれら２種以上の組み合わせなどの誘電体を使用することができる。
【００１７】
アンテナ素子を構成する導体が酸化物高温超伝導薄膜であるときには、誘電体基板としては、特に単結晶酸化物高温超伝導をエピタキシャル成長の基板としては、例えば、酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、チタン酸ストロンチウムなどの単結晶基板が好適に用いられるが、これに限定されるわけではない。
【００１８】
本発明では、準マイクロ波から数ＴＨｚまでの高周波回路として平面回路型超伝導体高周波回路を使用できる。特に１００ＧＨｚ以下では数十Ｋ程度の動作温度で超伝導体高周波回路を使用することで、同形状の銅、銀、金、アルミニウム等の電気良導体を用いた室温動作型の高周波回路に比べて低エネルギー損失（高Ｑ値）にできるといった特徴を有することができる。
【００１９】
平面回路型超伝導高周波回路としては誘電体基板上に超伝導体膜を形成したものが使用でき、誘電体基板としては、一般的に酸化マグネシウム、ランタンアルミネート、チタン酸ストロンチウムなどの単結晶基板が用いられる。
【００２０】
超伝導体膜としては、例えば、Ｂｉｎ１Ｓｒｎ２Ｃａｎ３Ｃｕｎ４Ｏｎ５  （式中、１．８≦ｎ１≦２．２であり、１．８≦ｎ２≦２．２であり、０．９≦ｎ３≦１．２であり、１．８≦ｎ４≦２．２であり、７．８≦ｎ５≦８．４である）、Ｐｂｋ１Ｂｉｋ２Ｓｒｋ３Ｃａｋ４Ｃｕｋ５Ｏｋ６  （式中、１．８≦ｋ１＋ｋ２≦２．２であり、０≦ｋ１≦０．６であり、１．８≦ｋ３≦２．２であり、１．８≦ｋ４≦２．２であり、１．８≦ｋ５≦２．２であり、９．５≦ｋ６≦１０．８である）、Ｙｍ１Ｂａｍ２Ｃｕｍ３Ｏｍ４  （式中、０．５≦ｍ１≦１．２であり、１．８≦ｍ２≦２．２であり、２．５≦ｍ３≦３．５であり、６．６≦ｍ４≦７．０である）、Ｎｄｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｎｄｑ１Ｙｑ２Ｂａｑ３Ｃｕｑ４Ｏｑ５  （式中、０≦ｑ１≦１．２であり、０≦ｑ２≦１．２であり、０．５≦ｑ１＋ｑ２≦１．２であり、１．８≦ｑ２≦２．２であり、２．５≦ｑ３≦３．５であり、６．６≦ｑ４≦７．０である），  Ｓｍｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｈｏｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、或いは、これらの組み合わせから選ばれる酸化物高温超伝導体の膜を使用することができる。このような酸化物高温超電導体は、誘電体基板に対して結晶格子ｃ軸を垂直にエピタキシャル成長させて使用される。
【００２１】
平面回路型超伝導体高周波回路は、誘電体基板の表面に高周波回路を形成して裏面をグランドにしたマイクロストリップ構造としても、高周波回路と同一の面にグランド面を有するコプレーナ構造であってもよい。また、高周波回路は誘電体基板の表裏両面に形成してもよく、さらには多層に形成してもよい。
【００２２】
超伝導高周波回路としては、位相回路、フィルタ回路、スルーライン、遅延回路、カプラ、分配回路または合成回路やそれらの組み合わせなどが挙げられる。
【００２３】
本発明のアンテナ結合モジュールでは、平面型超伝導高周波回路を平面型アンテナの素子から分離し、かつ平面型アンテナの素子平面に対し平面型超伝導高周波回路を構成した基板を垂直方向に配置する。
【００２４】
平面型超伝導高周波回路を平面型アンテナの素子から分離したことにより、高周波回路を超伝導回路としながらアンテナ素子は超伝導回路に制約されない構成とすることができる。例えば、アンテナ素子は非超伝導素子とし、高周波回路だけを超伝導素子とすることができる。なお、高周波回路だけを超伝導素子とした場合には超伝導素子を冷却する装置も対応して小型化できる効果が得られる。また平面型アンテナ自体のデザインにおいても高周波回路を同一平面に形成する制約が無くなることでより高密度にできるなどの効果を有する。
【００２５】
また、平面型超伝導高周波回路を構成した基板を平面型アンテナの素子平面に対し垂直方向に配置することで、アンテナの素子平面から高周波回路を省略してアンテナ結合モジュールの大きさを小さくすることができる。なお、平面型アンテナの素子平面に対し垂直方向とは、平面型超伝導高周波回路を構成した基板と平面型アンテナの素子平面が完全に垂直であることを意味せず、必要ではないが垂直方向で多少傾斜していてもよい。超伝導回路の冷却にはエネルギーを多く必要とするので、平面型超伝導高周波回路を構成した基板を平面型アンテナの素子平面に対し垂直方向に配置してアンテナ結合モジュール全体を小型化できることで、超伝導回路を冷却する装置も小型化できる結果として、アンテナ結合モジュール全体のエネルギー効率を向上させることができる効果がある。
【００２６】
さらに、本発明のアンテナ結合モジュールは、平面型アンテナの素子と超伝導高周波回路を電磁界結合することを特徴とする。平面型アンテナの素子と超伝導高周波回路の間の結合としては、導体配線の伝送線路で接ぐ結合する方法もあるが、空間（または誘電体）を介した電磁界結合方式にすることで、平面型超伝導高周波回路を平面型アンテナの素子から分離した構成の利点をより完全に利用することが可能になる。即ち、平面型超伝導高周波回路と平面型アンテナとを独立して構成することで、それぞれを別個に製造することができる。このため、超伝導高周波回路の製造の自由度が増大し、製造が容易になり、また性能の向上や小型化にも有利である。超伝導高周波回路で高Ｑ値を実現するには単結晶基板上にエピタキシャル成長して形成することが望ましいが、電磁結合の場合には、超伝導高周波回路とアンテナの素子との結合のための導体結合の必要がないので、そのような高Ｑ値の超伝導高周波回路のみを独立に容易に製造することができる。
【００２７】
平面型アンテナと超伝導高周波回路との電磁界結合の方法は、知られている方法を用いることができる。近接電界、近接磁界、またはこれらの混在電磁界を用いる方法がある。
【００２８】
一般的には、平面型アンテナの給電点と超伝導高周波回路のアンテナとの入出力に結合回路として、フィードラインをそれぞれ設ければよい。フィードラインとしては１／４波長型が分布定数型回路では寸法比較的小さく、かつ電磁界を励振しやすく性能の点から望ましい。１／２波長型あるいは、結合の効率は低下しやすいが１／２波長未満の任意の長さのフィードラインでもよい。１／４波長型、１／２波長型の結合においてインピーダンスの整合も調整することができる。
【００２９】
また、平面型アンテナと電磁界結合される超伝導高周波回路を構成した基板との垂直距離は損失を少なくするために短いことが好ましく、その距離は好ましくは実効波長の１／４波長であるかまたはそれ以下の長さである。さらに、信号の結合を強め、平面型アンテナと超伝導高周波回路と間の相対的位置関係を固定するために誘電体を配することも好ましい。このような誘電体としては、酸化マグネシウム、ムライト、フォルステライト、酸化チタン、ランタンアルミネート、サファイア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ガラスエポキシ複合材、ガラス−ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）複合材またはそれらの２種以上の組み合わせを含有するものを使用することができる。
【００３０】
上記のように、アンテナ素子と超伝導回路とを垂直方向に配置して電磁界結合させる以外のアンテナ結合モジュールの構成及び製造方法については、従来の技術を適用できる。即ち、アンテナ素子の構成及び製造方法は知られており、また超伝導回路の構成及び製造並びに冷却方法、超伝導回路からの出力の取り出し方法なども知られている。
【００３１】
本発明の１つの好ましい態様として、アンテナ素子と超伝導高周波回路とを垂直方向に配置して電磁界結合した個々のアンテナ結合モジュールを用い、さらにその個々のアンテナ結合モジュールをアレイとして配置したアンテナ結合モジュールを構成することができる。このモジュールのアレイの場合にも、本発明の個々のアンテナ結合モジュールでは、上記のように、アンテナ素子平面ではアンテナだけが必要であり、高周波回路及びアンテナと高周波回路の間の結合手段のための制約がないので、そのような個々のモジュールをアレイに配置する場合にも、複数のアンテナモジュールをほぼ理想的なアレイとして配置することができる。
【００３２】
本発明によれば、高性能小型アンテナを製造することが可能にされるので、特に今後需要が期待されるマイクロ波以下の波長の電磁波の送受信のための通信基地の建設などに有用である。
【００３３】
【実施例】
以下において、本発明を例示するために、実施例を用いてさらに説明する。
実施例１
図１は、本発明の実施例であるアンテナ結合モジュールの概略図を示す。この実施例では、平面型アンテナの素子を方形パターンのパッチのマイクロストリップ型とし、素子平面に対して垂直方向に平面回路型超伝導高周波回路を構成した基板が配置され、結合回路として１／４波長型フィードラインを用いている。図１（ａ）は超伝導高周波回路を有する基板と平行方向にアンテナ結合モジュールを切ったときの断面の模式図を示している。図１（ａ）において、１１０１はパッチアンテナ素子であって、方形導体パターンの断面が示されている。送受信波の実効１／２波長がパターン寸法を決める目安であり、電磁界シミュレータ等を用い設計する。１１０２は実効１／４波長型のフィーダパターンであり、１１０３はアンテナ形成用基板材料であって、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）−ガラス複合材からなる誘電体基板である。１１０４、１１０６、１１１８および１１２０はビアであり、１１０５、１１０７、１１１７および１１１９はグランド用導体層である。１１２１はアンテナ素子１１０１の給電点と１１０２とを結ぶビアであり、これらの導体としては銅を金でめっきしたものを用いる。この場合、例えば１０ＧＨｚ付近の送受信では、１１０１の方形パターンの実効１／２波長は約１ｃｍである。図１（ａ）において、１１０１は紙面に平行な方向については実効１／２波長の長さであり、垂直な方向については実効１／２波長以下の長さであってよい。１１０８は酸化物超伝導体膜からなる高周波回路を形成している酸化マグネシウム単結晶基板であり、基板表面の超伝導膜形成面は（１００）であり、基板厚さは０．５ｍｍである。１１１６、１１０９は強いｃ軸配向した酸化物超伝導体膜の回路パターンであり、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系またはＧｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系で平均膜厚０．４μｍのものを用いる。１１１６の部分は実効１／４波長型のフィーダである。１１１６は１１０２と電磁的結合を行い、インピーダンス変成も兼ねている。１１０９の丸で囲った部分は遅延線である。１１０８の裏面には、１１０８表の面と同様に酸化物超伝導膜を裏面全面に形成してあり、マイクロストリップライン型の伝送線路としている。１１１０は１１１３、１１１２および１１１４で示される５０オームの特性インピーダンスの同軸コネクタ（ＳＭＡ型）と電気的接続をするためのコンタクト電極であり、銀等の金属を真空蒸着して形成する。１１１１は接合材であり、インジウムはんだまたは銀ペーストを用いる。１１０８の基板厚が０．５ｍｍのときは、前記の同軸コネクタと動作時にインピーダンス整合するため、１１１６、１１０９、１１１０の線幅は０．５ｍｍとする。１１１５は金属パッケージでであり、インバー合金、銅、アルミニウムの何れかにＮｉ下地のＡｇメッキを３μｍ厚を施したものを用いる。
【００３４】
図１（ｂ）には、図１（ａ）の垂直軸に対し９０°回転した方向からみた内部断面の模式図を示す。１２０１はパッチアンテナの素子部分であって、方形導体パターンの断面を示している。１２１９は実効１／４波長型のフィーダパターンであり、１２２２はアンテナ形成用基板材料、１２０５、１２０６、１２０７、１２２３、１２２４および１２２２５はビアで図１（ａ）で表されるビアも含め、図示は簡単のため省略しているが密に配置することが無用な動作不安定性を防ぐために望ましい。１０ＧＨｚで、この例の材質の場合には、例えば０．２ｃｍ以下の間隔とする。１２０８、１２０９、１２２０および１２２１はグランド用導体層であり、１２０２はアンテナ素子１２０１の給電点と１２１９とを結ぶビアである。１２１６は酸化物超伝導体用の基板であり、１２１７、１２１８は強いｃ軸配向した酸化物超伝導体膜であり、１２１７は回路パターン面、１２１８はグランド面である。１２１５は１２１２、１２１１および１２１３で示される同軸コネクタと電気的接続をするためのコンタクト電極である。１２１４は接合材を示す。１２１０は金属パッケージであり、１２０３は超伝導高周波回路基板を１２１０に電気的、機械的に接合するためのインジウムシート層を示す。１２１０は、冷凍機の冷却端と熱的に接続し、３０〜７０Ｋの温度に冷却し回路動作させる。なお、図１（ａ）および（ｂ）では、図示の簡単化のため、ネジ、ジグ、冷却系等のクライオスタットなどは省略している。
【００３５】
上記の実施例１によれば、超伝導高周波回路とアンテナとの間のフィード線損失が無視でき、低損失化できる。したがって、常伝導高周波回路と同形アンテナとの組み合わせに比べ、高Ｑ値の回路を用いることができ、受信の場合には高感度化に有利である。該超伝導高周波回路の１１０９のパターンを多段の共振器からなるフィルタ回路を用いる場合は、常伝導金属を導体パターンに用いた同一構成の回路に比べ、低い通過損失で周波数選択性を持たせることができる。例えば、１１０９のパターンラインを線幅は同じで実効１／２波長の長さのパターンを適当な間隔で複数個を直列に配置し、１１１６のフィーダラインとも間隔をあけて直列とし、同軸コネクタ側にも１１１６と同様のフィーダラインを、間隔をあけて直列になるように配置するようにするとバンドパスフィルタが構成できる。
【００３６】
また、１１１６と１１０２との間に誘電体として純度９９．９％の焼結アルミナを挟み、ポリイミド系接着剤で固定することで、１１１６と１１０２の信号結合度を改善できる。
【００３７】
実施例２
図２に実施例１を構成要素したアレイアンテナの斜視図を示す。２０１は方形パターンのパッチアンテナ素子の導体パターンである。２０２は、実施例１と同じ材質からなるアンテナ用回路基板である。個々の２０１の素子パターンに対応して、それぞれ実施例１の回路が構成されている。但し、計１６個の素子パターンに対応した該回路は、２０２に一体で構成され、グランド面は共通化される。２０３は、該超伝導高周波回路を内蔵した同軸コネクタ付きパッケージであり、個々はそれぞれ直上の２０１に２０２を介在して結合され、実施例１と同じ構成である。図２においても、図示の簡単化のため、ネジ、ジグ、冷却系等のクライオスタットなどは省略している。
上記の実施例２によれば、実施例１の効果に加え、アンテナ素子を形成する誘電体基板面上にはアンテナ素子に接がる高周波回路を配していないので、アンテナ素子を高密度でアレイ化することができる。
【００３８】
尚、本発明の好ましい態様を付記すれば以下のとおりである。
（付記１）  平面型アンテナの素子平面に対し、垂直方向に平面回路型超伝導高周波回路を構成した基板を配し、該平面型アンテナと該超伝導高周波回路との間を電磁界結合したことを特徴とする、アンテナ結合モジュール。
（付記２）  電磁界結合した空間の垂直距離が実効波長の１／４以下の長さを有することを特徴とする、付記１記載のアンテナ結合モジュール。
（付記３）  前記実効波長がマイクロ波からミリ波領域を含むことを特徴とする、付記２記載のアンテナ結合モジュール。
（付記４）  前記平面型アンテナと前記超伝導高周波回路の結合回路として、１／４波長型のフィードラインをそれぞれ有することを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
（付記５）  前記平面型アンテナと前記超伝導高周波回路の結合回路における１／４波長型のフィードラインの間に誘電体を配していることを特徴とする、付記４記載のアンテナ結合モジュール。
（付記６）  前記誘電体の構成成分として、酸化マグネシウム、ムライト、フォルステライト、酸化チタン、ランタンアルミネート、サファイア、アルミナ、チタン酸ストロンチウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸カルシウム、石英ガラス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ガラスエポキシ複合材およびガラス−ポリテトラフルオロエチレン複合材からなる群より選ばれる１種類以上の成分を用いることを特徴とする、付記５記載のアンテナ結合モジュール。
（付記７）  前記超伝導高周波回路の導体として酸化物超伝導体を用い、該超伝導高周波回路は、位相回路、フィルタ回路、スルーライン、遅延回路、カプラ、分配回路および合成回路からなる群より選ばれる一種以上の回路を有することを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
（付記８）  前記平面型アンテナは、ダイポール型、パッチ型またはログペリ型のいずれか１種類以上のアンテナ素子を１個以上有することを特徴とする、付記１〜７のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
（付記９）  前記平面型アンテナの導体として酸化物超伝導体を用いることを特徴とする、付記１〜８のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
（付記１０）  前記超伝導高周波回路または前記平面型アンテナのための酸化物超伝導体として、Ｂｉｎ１Ｓｒｎ２Ｃａｎ３Ｃｕｎ４Ｏｎ５  （式中、１．８≦ｎ１≦２．２であり、１．８≦ｎ２≦２．２であり、０．９≦ｎ３≦１．２であり、１．８≦ｎ４≦２．２であり、７．８≦ｎ５≦８．４である）、Ｐｂｋ１Ｂｉｋ２Ｓｒｋ３Ｃａｋ４Ｃｕｋ５Ｏｋ６  （式中、１．８≦ｋ１＋ｋ２≦２．２であり、０≦ｋ１≦０．６であり、１．８≦ｋ３≦２．２であり、１．８≦ｋ４≦２．２であり、１．８≦ｋ５≦２．２であり、９．５≦ｋ６≦１０．８である）、Ｙｍ１Ｂａｍ２Ｃｕｍ３Ｏｍ４  （式中、０．５≦ｍ１≦１．２であり、１．８≦ｍ２≦２．２であり、２．５≦ｍ３≦３．５であり、６．６≦ｍ４≦７．０である）、Ｎｄｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｎｄｑ１Ｙｑ２Ｂａｑ３Ｃｕｑ４Ｏｑ５  （式中、０≦ｑ１≦１．２であり、０≦ｑ２≦１．２であり、０．５≦ｑ１＋ｑ２≦１．２であり、１．８≦ｑ２≦２．２であり、２．５≦ｑ３≦３．５であり、６．６≦ｑ４≦７．０である），  Ｓｍｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）、Ｈｏｐ１Ｂａｐ２Ｃｕｐ３Ｏｐ４  （式中、０．５≦ｐ１≦１．２であり、１．８≦ｐ２≦２．２であり、２．５≦ｐ３≦３．５であり、６．６≦ｐ４≦７．０である）  からなる群より選ばれる１種類以上の酸化物高温超伝導体を用いることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項記載のアンテナ結合モジュール。
（付記１１）  前記平面型アンテナは、非超伝導素子であることを特徴とする付記８記載のアンテナ結合モジュール。
（付記１２）  前記超伝導高周波回路又は前記平面型アンテナが１００Ｋ以下で冷却されることを特徴とする、付記１〜１１記載のアンテナ結合モジュール。
（付記１３）  付記１〜１２記載のいずれかのアンテナ結合モジュールを搭載した通信基地局。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によると、アンテナの素子を高密度で配置することができ、小型のアレイアンテナを製造することが可能になる。また、このアレイアンテナの小型化により、超伝導体からなる導体の冷却のための装置も小型化することができるので、アンテナ製造コストおよび運転コストを削減することが可能である。
また、平面型アンテナの素子と超伝導回路の結合回路として、１／４波長型フィードラインを設けることにより、低損失のアンテナとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であるアンテナ結合モジュールの概略図を示す。
【図２】図１の実施例を構成要素としたアレイアンテナの斜視図を示す。
【符号の説明】
１１０１…アンテナ素子
１１０２，  １１１６…実効１／４波長型のフィーダ
１１０３…アンテナ形成用基板
１１０８…超伝導高周波回路形成用基板
１１０９…超伝導体膜の回路パターン
【図１】
2004297151.tif 000002
【図２】
2004297151.tif 000003