(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板上に超伝導材料で形成された共振器パターンと、
前記共振器パターンの上方に位置し、前記共振器パターンに２つの共振モードを発生させるデュアルモード発生用の導体パターンを有する第２の誘電体基板と、
前記第１および第２の誘電体基板の間に挿入される圧電素子と
を備えることを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記第１と第２の誘電体基板の間で四隅に位置し、
前記各圧電素子に個別に電圧を印加する電圧印加手段
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の超伝導フィルタデバイス。
【請求項３】
前記デュアルモード発生用の導体パターンは、超伝導材料で形成されてい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】
第１の誘電体基板上に、超伝導材料で共振器パターンを形成し、
第２の誘電体基板の一方の面に、前記共振器パターンに２つの共振モードを発生させるデュアルモード発生用の導体パターンを形成し、他方の面に、圧電素子を形成し、
前記第２の誘電体基板を、前記圧電素子を形成した面が前記共振器パターンと対向するように、前記第１の誘電体基板上に搭載する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【請求項５】
第１の誘電体基板上に、超伝導材料で共振器パターンと、前記共振器パターンの周囲に位置する複数の圧電素子を形成し、
第２の誘電体基板上に、前記共振器パターンに２つの共振モードを発生させるためのデュアルモード発生用の導体パターンを形成し、
前記第２の誘電体基板を、前記圧電素子上に搭載する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導フィルタデバイスに関し、特に、移動通信基地局の極低温ＲＦフロントエンドの送信系に適用される超伝導送信フィルタに関する。
【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】
たとえば、図１に示すように、アンテナ１５１を介して受信されたＲＦ信号は、受信系フロントエンドを構成する帯域フィルタ（ＢＰＦ）１５２Ｒ、低ノイズアンプ（ＬＮＡ）１５３、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）１５４、復調器（ＤＥＭＯＤ）１５５を経て、ベースバンド部１５６でベースバンド処理される。
【０００４】
送信系では、ベースバンド部１５６で処理された信号は、変調器（ＭＯＤ）１５７、アップコンバータ（Ｕ／Ｃ）１５８、ハイパワーアンプ（ＨＰＡ）１５９、帯域フィルタ（ＢＰＦ）１５２Ｔを経て、ＲＦ信号としてアンテナ１５１から放射される。
【０００５】
超伝導フィルタを、受信側の帯域フィルタ１５２Ｒ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１５２Ｔに適用する場合は、ハイパワーアンプ１５９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。
【０００６】
超伝導フィルタを移動通信の用途で用いる場合、周波数のチューニング（同調）能力が要求される。超伝導フィルタを同調可能とするために、超伝導の共振器パターンの上方に、空間を介して導体層が形成されたプレートを導体層が共振器パターンと向き合うように配置し、共振器パターンとプレートの間に圧電素子を挿入することで、共振器パターンと導体層との間の距離を調整する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、上述した公知の同調可能フィルタの構成を示す。フィルタ回路基板７１上に、渦巻き状に配置されたストリップ型の共振器パターン７７ａ〜７７ｄが形成されている。フィルタ回路基板７１の上方には、プレート７２が配置される。プレート７２の共振器パターン７７ａ〜７７ｄと対向する面の全面に、導体層７２ｂが形成されている。フィルタ回路基板７１を保持するベース７５とプレート７２の間には、圧電素子７４ａ〜７４ｄが挿入されている。圧電素子７４ａ〜７４ｄには、同調用コネクタ８１から延びる電圧印加用のワイヤ８２が接続されており、同調用の電圧が印加される。電圧印加による圧電素子の伸縮で空間の距離が変わり、フィルタの中心周波数をチューニングすることができる。
【０００８】
しかし、この超伝導フィルタは、中心周波数の同調は可能であるが、その帯域幅を調整することはできない。また、いわゆるマイクロストリップ型のフィルタであるため、送信側で高いＲＦパワーが入力されると、損失が増大してしまうという問題がある。マイクロ波などの高周波は導体のエッジ部分に集中しやすく、マイクロストリップラインのエッジまたはコーナー部分に電流が集中して、その電流密度が超伝導体の臨界電流密度を超えてしまうからである。
【特許文献１】特表２００３−５１６０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
超伝導の共振器パターン上での電流の集中を緩和するために、コーナー部分やエッジ部分の少ない平面図形型（円形、楕円形、多角形など）の共振器パターンを形成して、送信フィルタとしての大電力応答を実現することが考えられる。また、平面図形型の超伝導共振器パターンの上方に、積層誘電体を介して所定の形状の導体パターンを配置することで、所望の帯域幅に対応するカップリングを生じさせることが考えられる。１つの共振器で２つの共振モード（いわゆる"デュアルモード"）を発生させ、電流集中を防止するとともに、小型化にも寄与できる。
【００１０】
しかし、積層誘電体の材料特性や実装状態、また、デュアルモード発生用の導体パターンの材料特性や位置によって、設計シミュレーション結果とのずれが発生する。ずれを調整するために、材料や膜厚、実装状態などを調整しようとすると、同時にさらにいくつかのパラメータも動いてしまうので、調整が困難である。
【００１１】
そこで、簡単な構成で、超伝導共振器フィルタの中心周波数と帯域幅の双方を調整することのできる構成を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明は、超伝導共振器パターンが形成されるベース基板と、デュアルモード発生用の導体パターンが形成される積層誘電体との間に、複数の圧電素子を挿入して、各圧電素子に独立に電圧を印加し、積層誘電体と共振器パターンの距離を調整する。
【００１３】
具体的には、超伝導フィルタデバイスは、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板上に超伝導材料で形成された共振器パターンと、前記共振器パターンの上方に位置し、前記共振器パターンに２つの共振モードを発生させるデュアルモード発生用の導体パターンを有する第２の誘電体基板と、前記第１および第２の誘電体基板の間に挿入される圧電素子と、を備える。
【００１４】
ひとつの構成例として、圧電素子は、前記第１と第２の誘電体基板の間で四隅に挿入され、各圧電素子に個別に電圧を印加する電圧印加手段をさらに有する。
【発明の効果】
【００１５】
デュアルモード型の超伝導フィルタにおいて、中心周波数および帯域幅を高精度に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図３に、本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタデバイス１０の構成を示す。図３（ａ）は上部から見た図、図３（ｂ）は断面図である。超伝導フィルタデバイス１０は、たとえば移動通信システムの基地局の送信用フィルタに用いるために、金属パッケージ２１に実装されている。
【００１７】
超伝導デバイス１０は、ＭｇＯ単結晶基板などの誘電体ベース基板１１と、誘電体ベース基板１１の表面に超伝導材料で所定の形状に形成された超伝導共振器パターン１２と、超伝導共振器パターン１２の近傍に延びる信号入出力線（フィーダ）１３と、誘電体基板１１に搭載される第２の誘電体基板１４と、積層誘電体基板１４上に形成された円形または楕円形の導体パターン１５と、誘電体ベース基板１１と積層誘電体基板１４の間に挿入される圧電素子１６とを含む。
【００１８】
図３の例では、超伝導材料としてＹＢＣＯ（Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系）材料を用い、超伝導共振器パターン１２を２次元回路パターン（ディスクパターン）として形成している。
【００１９】
本明細書および特許請求の範囲において「２次元回路パターン」あるいは「２次元回路型のパターン」という場合は、ストリップ状あるいはライン状（１次元）のパターンとは区別され、円形、楕円形、多角形などの平面図形型のパターンを意味するものとする。
【００２０】
誘電体ベース基板１１は、ＭｇＯ単結晶基板以外に、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。
【００２１】
入出力用のフィーダ１３の一方は、信号入力として用いられ、他方は信号出力として用いられる。これらのフィーダ１３は、金属パッケージ２１に設けられた入力コネクタおよび出力コネクタ２２にそれぞれ接続されている。また、誘電体ベース基板１１の裏面には、グランド用電極（グランド膜）２４が形成されている。
【００２２】
誘電体ベース基板１１の上部に、ＬａＡｌＯ3単結晶などの第２の誘電体基板１４を搭載する（以下、「積層誘電体基板１４」と称することとする）。積層誘電体基板１４の一方の面（図３（ｂ）の例では上面側）に、カップリングまたはデュアルモード発生用の導体ディスクパターン１５が形成されている。
【００２３】
積層誘電体基板１４は、ＬａＡｌＯ3単結晶基板以外にも、誘電率が２０を超える任意の基板を用いることができる。また、基板の両面がともに平滑で、低温において誘電体ベース基板１１と熱膨張係数が類似のものが望ましい。
【００２４】
積層誘電体基板１４の他方の面には、圧電素子１６が設けられている。図３（ａ）の例では、積層誘電体基板１４の四隅に圧電素子１６が設けられており、それぞれバイアス電圧印加用ワイヤ１９に接続されている。バイアス電圧印加用ワイヤ１９は、金属パッケージ２２に形成した貫通孔（不図示）を通って、外部の電圧印加手段（不図示）に接続させている。圧電素子１６には、それぞれ対応するバイアス電圧印加用ワイヤ１９を介して、独立に電圧が印加され、超伝導共振器パターン１２と積層誘電体基板１４との間の距離を制御する。
【００２５】
図４は、圧電素子１６の構成例を示す。図４（ａ）は、厚み伸縮モードを利用した圧電素子である。一対の電極膜１８の間に圧電膜１７を挟み込んでいる。電極膜１８は、ＰｔやＳｒＲｕＯ3で形成され、圧電膜１７は、ＰＺＴやＢａＴｉＯ3などで形成される。この圧電素子は、電圧の印加により、矢印のように、圧電膜の厚さ方向に伸縮する。
【００２６】
図４（ｂ）は、積層型の圧電素子である。圧電性の薄板１７を複数枚積層し、一枚一枚は、厚さ方向の分極が逆になるように交互に積層固定している。一対の外部電極１８ａから各圧電（セラミクス）層１７と平行に交指状に内部電極１８ｂが伸びる。圧電層１７の一層あたりの厚さを薄くすることにより低電圧化をはかり、積層することにより、トータルの変位量をかせぐことができる。電圧の印加による変位方向は、矢印で示す積層方向である。
【００２７】
この場合の変位量ΔＬは、
ΔＬ＝ｄ33×ｎ×Ｖ
で表される。ここでｄ33は縦効果の圧電定数、ｎは積層数、Ｖは駆動電圧である。圧電定数の大きい材料を用いれば、同じ変位が得られる場合で比較すると、積層の総数と駆動電圧を低減できるので、小型化に有利になる。
【００２８】
大きい圧電定数が得られる材料として、ＰＺＴで＋３．６０×１０12ｍ／Ｖ、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3固溶体（ＰＮＮ−ＰＴ−ＰＺ）で＋５．７０×１０12ｍ／Ｖが得られる。後者を利用すると、実際の膜厚は単膜で２０μｍ、電極の膜厚は１〜２μｍである。駆動電圧を２０Ｖ程度とすると、１μｍ以上の変位を得るには、１００層必要であり、合計２ｍｍの圧電膜に、厚さ１０１〜２０２μｍの金属膜を形成した圧電素子１６ということになる。
【００２９】
この圧電素子１６の厚さ分を収容するために、図４（ｂ）に示すように誘電体ベース基板１１および／または積層誘電体基板１４の対応箇所に凹部１１ａを形成し、凹部１１ａ内に圧電素子１６を配置する。
【００３０】
実施例では、積層誘電体基板１４の四隅に圧電素子１６を設け、これを誘電体ベース基板１１上に搭載する構成としている。この場合の超伝導フィルタデバイス１０の作製工程としては、誘電体ベース基板１１上に、超伝導材料で２次元回路型の共振器パターン１２を形成する。一方、積層誘電体基板１４の一方の面に、デュアルモード（又はカップリング）発生用の導体パターン１５を形成し、他方の面に、圧電素子１６を形成または配置する。そして、積層誘電体基板１４を、圧電素子１６を形成した面が超伝導共振器パターン１２と対向するように、誘電体ベース基板上に搭載する。
【００３１】
あるいは、超伝導共振器パターン１２が形成された誘電体ベース基板１１上に圧電素子１６を設ける構成とすることもできる。この場合の作製工程は、誘電体ベース基板１１上に、超伝導材料で２次元回路型の共振器パターン１２を形成し、共振器パターン１２の周囲（たとえば、基板１１上の四隅）に複数の圧電素子１６を形成または配置する。一方、積層誘電体基板１４上に、デュアルモード（又はカップリング）発生用の導体パターン１５を形成する。そして、積層誘電体基板１４を圧電素子１６上に搭載する。
【００３２】
後者の方法を採用する場合、積層電体基板１４のデュアルモード発生用導体パターン１５の形成面側の四隅に位置合わせマークを形成すると、デュアルモード発生用導体パターン１５の位置合わせ機能も兼ね備える。
【００３３】
デュアルモード発生用導体１５が形成された積層誘電体基板１４と、超伝導共振器パターン１２との間の距離が、圧電素子の伸縮により変化すると、中心周波数や互いの電磁界モードが干渉する度合い（カップリング）、即ち帯域幅が異なってくる。
【００３４】
図５および図６は、デュアルモード発生用導体パターン１５が形成された積層誘電体基板１４と、超伝導共振器パターン１２との間の距離を変えたときのフィルタ特性を示すグラフである。シミュレーションにおいて、２０×２０×０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶基板１１に、直径１２．８ｍｍのディスク型の超伝導共振器パターン１２を形成したサンプルの上方に、１８×１８×０．５ｍｍのＬａＡｌＯ３単結晶基板１４に、直径３．８ｍｍのディスク型のデュアルモード発生用導体パターン１５を形成したサンプルを配置し、超伝導共振器パターン１２とＬａＡｌＯ3単結晶基板との間の距離を変えた。
【００３５】
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、デュアルモード発生用導体１５が形成された積層誘電体基板１４と、超伝導共振器パターン１２の間隔をそれぞれ０μｍ、１μｍ、３μｍ、５μｍにしたときのフィルタ特性、図６（ａ）〜図６（ｄ）は、間隔をそれぞれ７μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍに設定したときのフィルタ特性である。各グラフで、実践は反射特性（Ｓ１１）、波線は透過特性（Ｓ２１）を示す。
【００３６】
積層誘電体基板１４を離すにつれ、中心周波数が高くなり、帯域幅が小さくなるのがわかる。これは、デュアルモード発生用導体パターン１５を持つ積層誘電体１４を超伝導共振器パターン１２から離すことで、フィルタの実効的誘電率が下がるとともに、２つの縮退モード間をカップリングさせる影響力が小さくなることを意味する。
【００３７】
これを利用すると、たとえば、図４（ｂ）に示す積層型の圧電素子１６を誘電体ベース基板１１または積層誘電体基板１４に設けた凹部１１ａに収容し、それぞれの圧電素子に印加する電圧を制御することで、中心周波数および帯域幅を微調整することができる。
【００３８】
以上説明したように、本発明によれば、超伝導フィルタデバイスにおいて、中心周波数だけでなく、帯域幅も高精度に調整することができるため、所望のフィルタ特性を得ることができる。また、製造歩留まりの向上に加え、チューナブルフィルタへの適用範囲が拡大されるという効果も有する。
【００３９】
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。
【００４０】
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、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｄｙ、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。
【００４１】
誘電体ベース基板１１は、ＭｇＯ単結晶基板に限定されず、たとえば、ＬａＡｌＯ３基板、サファイア基板などを用いてもよい。積層誘電体基板１４は、ＬａＡｌＯ3基板に限定されず、たとえば、ＮｄＧａＯ3基板、ＬＳＡＴ基板、ＬａＳｒＧａＯ4基板、ＬａＧａＯ3基板、ＹＳＺ基板などでもよい。
【００４２】
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）  第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板上に超伝導材料で形成された２次元回路型の共振器パターンと、
前記共振器パターンの上方に位置し、カップリングを発生させる導体パターンを有する第２の誘電体基板と、
前記第１および第２の誘電体基板の間に挿入される圧電素子と
を備えることを特徴とする超伝導フィルタデバイス。
（付記２）  前記圧電素子は、前記第１と第２の誘電体基板の間で四隅に位置し、
各圧電素子に個別に電圧を印加する電圧印加手段
をさらに有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記３）  前記圧電素子に電圧を印加する手段
をさらに有し、前記圧電素子への電圧印加により、前記第２の誘電体基板と前記共振器パターンとの間の距離を変え、これによりフィルタの中心周波数および帯域幅が制御されることを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記４）  前記圧電素子は積層型圧電素子であり、
前記第１の誘電体基板と第２の誘電体基板の少なくとも一方は、前記圧電素子の厚さ分を収容するための凹部を有することを特徴とする付記１に記載の超伝導フィルタデバイス。
（付記５）  前記カップリングを発生させる導体パターンは、超伝導材料で形成されていることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の超伝導デバイス。
（付記６）  第１の誘電体基板上に、超伝導材料で２次元回路型の共振器パターンを形成し、
第２の誘電体基板の一方の面に、カップリング発生用の導体パターンを形成し、他方の面に、圧電素子を形成し、
前記第２の誘電体基板を、前記圧電素子を形成した面が前記共振器パターンと対向するように、前記第１の誘電体基板上に搭載する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記７）  第１の誘電体基板上に、超伝導材料で２次元回路型の共振器パターンと、前記共振器パターンの周囲に位置する複数の圧電素子を形成し、
第２の誘電体基板上に、カップリング発生用の導体パターンを形成し、
前記第２の誘電体基板を、前記圧電素子上に搭載する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記８）  前記第２の誘電体基板１４の導体パターン１５の形成面側に位置合わせマークを形成することを特徴とする付記７に記載の超伝導フィルタデバイスの作製方法。
（付記９）  第１の誘電体基板上に、超伝導材料で２次元回路型の共振器パターンを形成し、
第２の誘電体基板上に、カップリング発生用の導体パターンを形成し、
前記第１の誘電体基板と第２の誘電体基板の少なくとも一方の複数箇所に、凹部を形成し、
前記凹部に、積層型の圧電素子を配置し、
前記第２の誘電体基板を、前記第１の誘電体基板上に搭載する
ことを特徴とする超伝導フィルタデバイスの作製方法。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】移動通信基地局のＲＦフロントエンドの概略構成図である。
【図２】従来のチューナブル超伝導フィルタの構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る超伝導フィルタの概略構成図である。
【図４】図４の超伝導フィルタに設けられる圧電素子の構成例を示す図である。
【図５】超伝導共振器パターンと積層誘電体基板との間の距離を変えたときのフィルタ特性を示すシミュレーション結果（その１）である。
【図６】超伝導共振器パターンと積層誘電体基板との間の距離を変えたときのフィルタ特性を示すシミュレーション結果（その１）である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  超伝導フィルタデバイス
１１  誘電体ベース基板（第１の誘電体基板）
１１ａ  凹部
１２  超伝導共振器パターン
１３  フィーダ（信号入出力線）
１４  積層誘電体基板（第２の誘電体基板）
１５  デュアルモード（カップリング）発生用導体パターン
１６  圧電素子
【図１】
0004469809.tif 000002
【図２】
0004469809.tif 000003
【図３】
0004469809.tif 000004
【図４】
0004469809.tif 000005
【図５】
0004469809.tif 000006
【図６】
0004469809.tif 000007