(57)【要約】【課題】大きな交流電力に対する複素伝導度の非線形効果を小さくする。【解決手段】導体部分が超伝導金属で形成された複数の導体部品１２ａ，１２ｂと、入力電力を複数に分割し分割された電力を導体部品１２ａ，１２ｂのそれぞれに出力する電力分配器１１とを備える。入力電力は、電力分配器１１により複数の導体部品１２ａ，１２ｂに分配供給される。したがって、入力電力が同じでも、それぞれの導体部品１２ａ，１２ｂを通過する電力が低減される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を伝搬させる導体部分の少なくとも一部が超伝導金属で形成された複数の導体部品と、
前記導体部品のそれぞれの一端に出力側が接続されかつ入力される電力を複数に分割し分割された電力を前記導体部品のそれぞれに出力する電力分配器と
を備えることを特徴とする高周波回路。
【請求項２】
請求項１に記載の高周波回路において、
前記導体部品のそれぞれの他端に入力側が接続されかつ前記導体部品のそれぞれから入力される電力を合成し合成された電力を出力する電力合成器をさらに備えることを特徴とする高周波回路。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高周波回路において、
前記電力分配器は、前記電力を伝搬させる導体部分が非超伝導金属で形成されていることを特徴とする高周波回路。
【請求項４】
請求項２に記載の高周波回路において、
前記電力合成器は、前記電力を伝搬させる導体部分が非超伝導金属で形成されていることを特徴とする高周波回路。
【請求項５】
請求項１または２に記載の高周波回路において、
前記電力分配器は、前記電力を伝搬させる導体部分が超伝導金属で形成されていることを特徴とする高周波回路。
【請求項６】
請求項２に記載の高周波回路において、
前記電力合成器は、前記電力を伝搬させる導体部分が超伝導金属で形成されていることを特徴とする高周波回路。
【請求項７】
請求項１または２に記載の高周波回路において、
前記導体部品は、所定の周波数帯の電力のみを通過させるバンドパスフィルタを含むことを特徴とする高周波回路。
【請求項８】
請求項１に記載の高周波回路において、
前記導体部品は、
前記電力分配器の出力側に一端が接続されかつこの一端から入力される電力の所定の周波数帯のみを通過させるバンドパスフィルタと、
このバンドパスフィルタの他端に接続されたアンテナと
を含むことを特徴とする高周波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波回路に関し、特に、超伝導体が用いられた高周波回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導体で形成された高周波回路には、電力損失が低いという特徴がある。このため、従来より、超伝導体で形成された高周波回路として、バンドパスフィルタなどが実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】D.E.Oates, in“Microwave Superconductivity", ed.H.Weinstock and M.Nisenoff(Dorderecht:Kluwer Academic Publishers)(2001)p.117-148.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、超伝導体は、非超伝導金属に較べて、交流電力に対する複素伝導度の非線形性が著しく大きい。このため、超伝導体部分を通過する交流電力が大きい場合には、その超伝導体部分での複素伝導度の非線形効果が回路特性の劣化を招く。この非線形効果には、その超伝導体部分の表面抵抗の増大と、その超伝導体部分からの高調波および相互変調波の発生が含まれる。このため、超伝導体の高周波回路は、大きな交流電力が通過する用途には使用できない場合があるという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、大きな交流電力に対する複素伝導度の非線形効果が小さい超伝導高周波回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明に係る高周波回路は、電力を伝搬させる導体部分の少なくとも一部が超伝導金属で形成された複数の導体部品と、導体部品のそれぞれの一端に出力側が接続されかつ入力される電力を複数に分割し分割された電力を導体部品のそれぞれに出力する電力分配器とを備えることを特徴とする。なお、電力分配器の可逆性より、この高周波回路の電力分配器を電力合成器に置き換えてもよい。
また、上述した高周波回路は、導体部品のそれぞれの他端に入力側が接続されかつ導体部品のそれぞれから入力される電力を合成し合成された電力を出力する電力合成器をさらに備えていてもよい。
【０００６】
ここで、電力分配器は、電力を伝搬させる導体部分が非超伝導金属で形成されても、超伝導金属で形成されてもよい。電力合成器もまた、電力を伝搬させる導体部分が非超伝導金属で形成されても、超伝導金属で形成されてもよい。
また、導体部品は、所定の周波数帯の電力のみを通過させるバンドパスフィルタを含んでいてもよい。または、電力分配器の出力側に一端が接続されかつこの一端から入力される電力の所定の周波数帯のみを通過させるバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタの他端に接続されたアンテナとを含んでいてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る高周波回路では、電力分配器を用い、超伝導金属で形成された複数の導体部品に入力電力を分配供給する。これにより、入力電力が同じでも、それぞれの導体部品を通過する電力が低減される。このため、本発明に係る高周波回路では、導体部品を単独で用いる従来構成に較べて、回路全体での交流電力に対する複素伝導度の非線形効果が小さくなる。よって、従来よりも大きな交流電力を扱う用途に超伝導体高周波回路を利用することが可能となる。その結果、種々の高周波装置の損失を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。この図に示す高周波回路１０は、入力電力を複数に分割して出力する電力分配器１１と、複数入力される電力を合成して出力する電力合成器１３と、電力分配器１１の出力側と電力合成器１３の入力側との間に並列に接続された２つの超伝導バンドパスフィルタ（導体部品）１２ａ，１２ｂとを有している。電力分配器１１の入力側には入力端子１４が接続され、電力合成器１５の出力側には出力端子１５が接続されている。
【０００９】
ここで、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂは、それぞれの一端が電力分配器１１の出力側に接続され、それぞれの他端が電力合成器１３の入力側に接続され、一端と他端との間で電力を伝搬させる導体部分が例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7やＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7などの酸化物超伝導体を含む超伝導金属で形成されている。ここでは、超伝導バンドパスフィルタ１２ａと１２ｂとは、同一の特性を持つものであるとする。
電力分配器１１は、同相等比率の電力分配器である。また、電力合成器１３は、同相等比率の電力合成器である。電力分配器１１および電力合成器１３は、電力を伝搬させる導体部分が例えば銅や金などの非超伝導金属で形成されている。ここでは、電力分配器１１および電力合成器１３のそれぞれの電力分配比を１：１とする。
【００１０】
比較のため、超伝導バンドパスフィルタを単独で用いる従来構成の高周波回路を図２に示す。この図に示す高周波回路２０の超伝導バンドパスフィルタ１２は、本実施の形態に係る高周波回路１０の超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂと同一の特性を持つものである。
【００１１】
本実施の形態に係る高周波回路１０および従来構成の高周波回路２０において、入力端子１４，２４から出力端子１５，２５へＰ1（ｄＢｍ）の交流電力が通過する場合を考える。回路での電力損失は無視できるほど小さいものとする。
【００１２】
従来構成の高周波回路２０では、超伝導バンドパスフィルタ１２を通過する交流電力はＰ1（ｄＢｍ）である。これに対し、本実施の形態に係る高周波回路１０では、入力されたＰ1（ｄＢｍ）の交流電力が電力分配器１１で二等分されるため、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂのそれぞれを通過する交流電力は（Ｐ1−３）（ｄＢｍ）となる。したがって、本実施の形態に係る高周波回路１０では、従来構成の高周波回路２０に較べて、超伝導バンドパスフィルタを通過する交流電力が３ｄＢ低減される。このため、本実施の形態に係る高周波回路１０では、従来構成の高周波回路２０に較べて、入力端子１４，２４と出力端子１５，２５との間を通過する交流電力が同じでも、交流電力に対する複素伝導度の非線形効果が小さくなる。
なお、本実施の形態に係る高周波回路１０では、電力分配器１１および電力合成器１３にＰ1（ｄＢｍ）の交流電力が通過する。しかし、電力分配器１１および電力合成器１３は非超伝導金属で形成されているため、非線形効果の増大には寄与しない。
【００１３】
非線形効果が小さくなることを別の観点から説明する。回路が交流電力に対する複素伝導度の非線形性を持つ場合には、異なる周波数ｆ1，ｆ2を持つ２つの交流電気信号が同時に回路に入力されると、周波数ｆ1，ｆ2の信号と共に、周波数（２×ｆ1−ｆ2），（２×ｆ2−ｆ1）の信号が出力される。周波数ｆ1，ｆ2の信号を信号基本信号、周波数（２×ｆ1−ｆ2），（２×ｆ2−ｆ1）の信号を３次相互変調信号と呼ぶ。入力信号強度が同じ場合には、回路の非線形性が強いほど、基本信号強度に対する３次相互変調信号強度の比が大きくなる。また、入力信号強度が大きいほど、基本信号強度に対する３次相互変調信号強度の比が大きくなる。よって、３次相互変調信号強度が基本信号強度に一致する入力信号強度をＩＰ3と表記し、回路の非線形性を表す指標として用いることができる。一般には、基本信号強度および３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性を２つの直線で外挿した時のそれらの交点における入力信号強度によりＩＰ3が決定される。
【００１４】
図３に、超伝導バンドパスフィルタ１２のみからなる従来構成の高周波回路２０における基本信号強度および３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性３１，３２を示す。それぞれの依存性から決定されたＩＰ3を、矢印のようにＡ（ｄＢｍ）とする。
これに対し、図４には、本実施の形態に係る高周波回路１０における基本信号強度および３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性４１，４２を示す。それぞれの依存性から、ＩＰ3は矢印のように（Ａ＋３）（ｄＢｍ）となる。
図３と図４とを比較すると、本実施の形態に係る高周波回路１０の方が、従来構成の高周波回路２０に較べて、ＩＰ3が３ｄＢ大きくなっている。回路の非線形性が小さいほどＩＰ3が大きくなるので、本実施の形態により回路の非線形性が低減されたことがわかる。回路の非線形性が低減された結果、非線形効果が小さくなる。
【００１５】
本実施の形態に係る高周波回路１０は、非線形効果が小さいので、従来よりも大きな交流電力を扱う用途に利用可能である。
なお、本実施の形態では、２つの超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂが並列接続された例を示したが、それ以上の複数の超伝導バンドパスフィルタが並列接続された構成としてもよい。また、これらの超伝導バンドパスフィルタが、互いに異なる特性を持つものであってもよい。
【００１６】
次に、図１における超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂ、電力分配器１１および電力合成器１３の構成例について説明する。
図５は、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂの一構成例を示す図である。この図において、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）はＶC−ＶC′線方向の断面図である。
【００１７】
図５に示す超伝導バンドパスフィルタは、マイクロストリップ線路で形成されている。マイクロストリップ線路は、誘電体基板５１と、誘電体基板５１の一方の面に形成された超伝導金属からなる接地導体膜５２と、誘電体基板５１の他方の面に形成された超伝導金属からなる線路導体膜５３とから構成されている。線路導体膜５３を平面視コ字型に配線することにより、共振器が構成される。このような共振器を１１個容量結合し、バンドパスフィルタを構成している。
一方の入出力端子５５（または５６）から入力された高周波電流のうち、バンドパスフィルタの通過帯域内の周波数を持つものだけがバンドパスフィルタを通過し、他方の入出力端子５６（または５５）から出力される。それ以外は、もとの入出力端子５５（または５６）に反射される。
【００１８】
図６は、電力分配器１１および電力合成器１３の一構成例を示す図である。この図において、（Ａ）は底面図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）はVIC−VIC′線方向の断面図である。
図６に示す電力分配合成器は、マイクロストリップ線路で形成されている。マイクロストリップ線路は、誘電体基板６１と、誘電体基板６１の一方の面に形成された非超伝導金属からなる接地導体膜６２と、誘電体基板６１の他方の面に形成された非超伝導金属からなる線路導体膜６３，６３ａ，６３ｂとから構成されている。線路導体膜６３を途中で二分岐し、分岐された線路導体膜６３ａ，６３ｂをそれぞれの終端付近で抵抗６４を介して接続し、ウィルキンソン型電力分配合成器を構成している。
【００１９】
入出力端子６５から入力された高周波電流は、線路導体膜６３から線路導体膜６３ａ，６３ｂのそれぞれに二等分され、入出力端子６６，６７のそれぞれに同相かつもとの半分の強度で出力される。また、入出力端子６６，６７のそれぞれに同相で入力された高周波電力は合成され、すべて入出力端子６５に出力され、入出力端子６６，６７には出力されない。
【００２０】
マイクロストリップ線路で図５に示した超伝導バンドパスフィルタおよび図６に示した電力分配合成器を２つずつ形成し、一方の電力分配合成器の入出力端子６６，６７にそれぞれ超伝導バンドパスフィルタの入出力端子５５を接続し、他方の電力分配合成器の入出力端子６６，６７にそれぞれ超伝導バンドパスフィルタの入出力端子５６を接続することにより、本実施の形態に係る高周波回路１０を平面回路で実現することができる。
【００２１】
しかし、高周波回路１０は、このような構成には限定されない。例えば、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂが形成された基板を積層し、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂを電力分配器１１および電力合成器１３に接続する構成にしてもよい。また、超伝導バンドパスフィルタ１２ａ，１２ｂ、電力分配器１１および電力合成器１３を同軸ケーブルや導波管などを用いて形成し、高周波回路１０を立体回路で実現してもよい。これらの高周波回路１０の構成のバリエーションは、後述する高周波回路７０，８０，１２０にも適用することができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。この図では、図１に示した構成要素と同一の構成要素を、図１と同一符号で示している。
図７に示す高周波回路７０は、電力分配器７１および電力合成器７３の電力を伝搬させる導体部分がＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7やＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7などの酸化物超伝導体を含む超伝導金属で形成されている点で、第１の実施の形態に係る高周波回路１０と異なる。
【００２３】
電力分配器７１および電力合成器７３としては、例えば図６に示した電力分配合成器において接地導体膜６２および線路導体膜６３の両方が超伝導金属で形成されたものを用いることができる。この電力分配合成器には、共振器などの電力が循環する回路がない。このため、電力分配合成器を超伝導金属で形成しても、バンドパスフィルタを超伝導金属で形成する場合ほど、交流電力に対する複素伝導度の非線形性は大きくならない。よって、超伝導金属で形成された電力分配器７１および電力合成器７３を用いても、大きな交流電力に対する非線形効果が回路特性に与える影響は小さい。
【００２４】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。この図に示す高周波回路８０は、入力電力を複数に分割して出力する電力分配器８１と、超伝導バンドパスフィルタ８２ａおよびアンテナ８３ａからなる直列回路（導体部品）８４ａと、超伝導バンドパスフィルタ８２ｂおよびアンテナ８３ｂからなる直列回路（導体部品）８４ｂとを有している。超伝導バンドパスフィルタ８２ａ，８２ｂは、それぞれの一端が電力分配器８１の出力側に接続され、アンテナ８３ａ，８３ｂは、超伝導バンドパスフィルタ８２ａ，８２ｂのそれぞれの他端に接続されている。電力分配器８１の入力側には、入力端子８５が接続されている。
【００２５】
ここで、超伝導バンドパスフィルタ８２ａ，８２ｂは、一端と他端との間で電力を伝搬させる導体部分が例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7やＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7などの酸化物超伝導体を含む超伝導金属で形成されている。ここでは、超伝導バンドパスフィルタ８２ａと８２ｂとは、同一の特性を持つものであるとする。なお、超伝導バンドパスフィルタ８２ａ，８２ｂとしては、例えば図５に示した回路構成のものを用いることができる。
アンテナ８３ａ，８３ｂの導体部分は、超伝導金属または非超伝導金属で形成されている。
電力分配器８１は、同相等比率の電力分配器であり、電力を伝搬させる導体部分が例えば銅や金などの非超伝導金属で形成されている。ここでは、電力分配器８１の電力分配比を１：１とする。なお、電力分配器８１としては、例えば図６に示した回路構成のものを用いることができる。
【００２６】
比較のため、超伝導バンドパスフィルタおよびアンテナからなる直列回路を単独で用いる従来構成の高周波回路を図９に示す。この図に示す高周波回路９０の超伝導バンドパスフィルタ８２は、本実施の形態に係る高周波回路８０の超伝導バンドパスフィルタ８２ａ，８２ｂと同一の特性を持つものである。また、高周波回路９０のアンテナ８３は、高周波回路８０のアンテナ８３ａ，８３ｂと同一の特性を持つものである。したがって、高周波回路９０の直列回路８４は、高周波回路８０の直列回路８４ａ，８４ｂと同一の特性を持つものである。
【００２７】
本実施の形態に係る高周波回路８０および従来構成の高周波回路９０において、入力端子８５または９５から、直列回路８４ａ，８４ｂまたは８４のアンテナ８３ａ，８３ｂまたは８３を通して、空間へＰ2（ｄＢｍ）の交流電力が通過する場合を考える。回路での電力損失は無視できるほど小さいものとする。
【００２８】
従来構成の高周波回路９０では、直列回路８４を通過する交流電力はＰ2（ｄＢｍ）である。これに対し、本実施の形態に係る高周波回路８０では、入力されたＰ2（ｄＢｍ）の交流電力が電力分配器８１で二等分されるため、直列回路８４ａ，８４ｂのそれぞれを通過する交流電力は（Ｐ2−３）（ｄＢｍ）となる。したがって、本実施の形態に係る高周波回路８０では、従来構成の高周波回路９０に較べて、直列回路を通過する交流電力が３ｄＢ低減される。このため、本実施の形態に係る高周波回路８０では、従来構成の高周波回路９０に較べて、入力端子８５，９５から空間へ通過する交流電力が同じでも、交流電力に対する複素伝導度の非線形効果が小さくなる。
なお、本実施の形態に係る高周波回路８０では、電力分配器８１にＰ2（ｄＢｍ）の交流電力が通過する。しかし、電力分配器８１は非超伝導金属で形成されているため、非線形効果の増大には寄与しない。
【００２９】
図１０に、直列回路８４のみからなる従来構成の高周波回路９０における基本信号強度および３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性１０１，１０２を示す。それぞれの依存性から決定されたＩＰ3を、矢印のようにＢ（ｄＢｍ）とする。
これに対し、図１１には、本実施の形態に係る高周波回路８０における基本信号強度および３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性１１１，１１２を示す。それぞれの依存性から、ＩＰ3は矢印のように（Ｂ＋３）（ｄＢｍ）となる。
図１０と図１１とを比較すると、本実施の形態に係る高周波回路８０の方が、従来構成の高周波回路９０に較べて、ＩＰ3が３ｄＢ大きくなっている。回路の非線形性が小さいほどＩＰ3が大きくなるので、本実施の形態により回路の非線形性が低減されたことがわかる。回路の非線形性が低減された結果、非線形効果が小さくなる。
【００３０】
本実施の形態に係る高周波回路８０は、非線形効果が小さいので、従来よりも大きな交流電力を扱う用途に利用可能である。
なお、本実施の形態では、超伝導バンドパスフィルタおよびアンテナからなる２つの直列回路８４ａ，８４ｂが電力分配器８１の出力側に接続された例を示したが、それ以上の複数の直列回路が接続された構成としてもよい。また、これらの直列回路が、互いに異なる特性を持つものであってもよい。
また、本実施の形態に係る高周波回路８０の電力分配器８１は、可逆の理より電力合成器としても機能する。よって、高周波回路８０は、無線通信システムの送信部の部品としてだけでなく、電力分配器８１を電力合成器として機能させることにより受信部の部品として利用することもできる。
【００３１】
（第４の実施の形態）
図１２は、本発明の第４の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。この図では、図８に示した構成要素と同一の構成要素を、図８と同一符号で示している。
図１２に示す高周波回路１２０は、電力分配器１２１の電力を伝搬させる導体部分が例えばＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7やＮｄＢａ2Ｃｕ3Ｏ7などの酸化物超伝導体を含む超伝導金属で形成されている点で、第３の実施の形態に係る高周波回路８０と異なる。
電力分配器１２１としては、例えば図６に示した電力分配合成器において接地導体膜６２および線路導体膜６３の両方が超伝導金属で形成されたものを用いることができる。この電力分配合成器には、共振器などの電力が循環する回路がない。このため、電力分配合成器を超伝導金属で形成しても、バンドパスフィルタを超伝導金属で形成する場合ほど、交流電力に対する複素伝導度の非線形性は大きくならない。よって、超伝導金属で形成された電力分配器１２１を用いても、大きな交流電力に対する非線形効果が回路特性に与える影響は小さい。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、比較的大きな交流電力を扱う用途に利用できる。一例としては、近年急速に普及が拡大している携帯電話や、無線ＬＡＮなどに代表される種々の無線通信システムの送信部の部品としての利用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。
【図２】従来の高周波回路の構成を示すブロック図である。
【図３】従来の高周波回路の相互変調特性を示す図である。
【図４】第１の実施の形態に係る高周波回路の相互変調特性を示す図である。
【図５】超伝導バンドパスフィルタの一構成例を示す図である。
【図６】電力分配器および電力合成器の一構成例を示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。
【図８】第３の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の高周波回路の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の高周波回路の相互変調特性を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る高周波回路の相互変調特性を示す図である。
【図１２】第４の実施の形態に係る高周波回路の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０，２０，７０，８０，９０…高周波回路、１１，７１，８１，１２１…電力分配器、１２，１２ａ，１２ｂ，８２，８２ａ，８２ｂ…超伝導バンドパスフィルタ、１３，７３…電力合成器、１４，２４，８５，９５…入力端子、１５，２５…出力端子、３１，４１，１０１，１１１…基本信号強度の入力信号強度依存性、３２，４２，１０２，１１２…３次相互変調信号強度の入力信号強度依存性、５１，６１…誘電体基板、５２，６２…接地導体膜、５３，６３，６３ａ，６３ｂ…線路導体膜、５５，５６，６５〜６７…入出力端子、６４…抵抗、８３，８３ａ，８３ｂ…アンテナ、８４，８４ａ，８４ｂ…直列回路。
【図１】
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【図２】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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