(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板上に形成される超伝導ディスクパターンと、
前記超伝導ディスクパターンの円周上に、前記超伝導ディスクパターンと近接して配置されるデュアルモード発生部材と、
前記デュアルモード発生部材を、前記超伝導ディスクパターンの円周に沿って移動させる回転手段と、
を備え、前記デュアルモード発生部材は前記回転手段の回転板から前記超伝導ディスクパターンの前記円周上に延びる誘電体又は導電体のロッドであり、前記回転手段は、前記ロッドの先端と前記円周との間の距離を一定にして前記デュアルモード発生部材を前記円周に沿って移動させるチューナブルフィルタ装置。
【請求項２】
前記チューナブルフィルタ装置を収容するパッケージ、
をさらに備え、
前記回転手段は、前記パッケージの外部から回転制御が可能な回転軸と、前記回転軸に接続され前記デュアルモード発生部材を前記円周に沿って移動可能に保持する前記回転板とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載のチューナブルフィルタ装置。
【請求項３】
前記回転板は、前記超伝導ディスクパターンに対する垂直位置が可変であることを特徴とする請求項１に記載のチューナブルフィルタ装置。
【請求項４】
前記ロッドは、前記回転板に対して垂直方向に摺動可能に保持されることを特徴とする請求項３に記載のチューナブルフィルタ。
【請求項５】
前記超伝導ディスクパターンと前記デュアルモード発生部材を冷却環境下に保持する第１の容器、
を有し、前記回転手段は、前記第１の容器の外側から前記デュアルモード発生部材を前記円周に沿って移動させ、
前記第１の容器および前記回転手段を収容する第２の容器と、
前記第２の容器の外側から前記回転手段の回転を調整する回転調整手段と
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のチューナブルフィルタ装置。
【請求項６】
超伝導材料で形成されるディスク形状の共振器の円周上に、回転板から延びる誘電体又は導電体のロッドで形成されるデュアルモード発生部材を配置し、
冷却環境下で前記共振器へ信号を伝送して、その伝送特性を測定し、
前記測定結果に応じて、前記回転板を制御して前記デュアルモード発生部材を前記ロッドの先端と前記円周との間の距離を一定にして前記円周に沿って移動させて前記伝送特性を調整する、
ことを特徴とするチューニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線基地局などに使用されるチューナブルフィルタ装置と、そのチューニング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信の急速な発展に伴い、高速で大容量の伝送技術が不可欠となってきている。高温超伝導体を配線材料に用いたマイクロストリップライン型の超伝導フィルタは、小型で高性能なフィルタを実現できる可能性があり、実用化への期待が高まっている。
【０００３】
超伝導体は、マイクロ波などの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電気抵抗が非常に小さい。このため、超伝導材料を用いた受信フィルタ（共振器フィルタ）では、図１（ａ）のように、誘電体基板１１上に複数の共振器１０２ａ〜１０２ｉを並べてマイクロストリップライン型のフィルタを構成しても、伝送損失を少なく抑えることができる。なお、共振器１０２ａ〜１０２ｉは、信号入出力線１０３ａ、１０３ｂを伝搬する信号が電磁界的に結合するように配置されている。共振器１０２の数が多いほど周波数遮断特性が向上し、周波数資源を有効活用することができる。
【０００４】
しかしながら、送信用のフィルタとして使用する場合は、送信用のアンプで高出力になった信号を通すことから、耐電力性を備えたフィルタ構成が必要である。大きな電力の信号を図１（ａ）のような屈曲型のフィルタに通すと、共振器の屈曲した部分に電流が集中し、発熱による温度上昇により超伝導状態が維持できなくなるからである。その結果、所望のフィルタ特性が得られなくなり、さらには超伝導配線自体が断裂するおそれもある。
【０００５】
このため、図１（ｂ）のように、ディスク型など、屈曲部のない形状で共振器１１２を構成し、これを複数個並べて（１１２ａ〜１１２ｎ）フィルタを作製することも考えられる。しかし、図１（ａ）と同じ数だけ共振器を並べようとすると、フィルタ自体が大きくなり、冷凍機への負担が避けられない。
【０００６】
そこで、小型化のために、図１（ｃ）のように、ディスク型共振器１２２の一部に溝又は切り欠き１２５を設け、かつ入出力端子（信号入出力線）１０３ａ、１０３ｂの配置関係を変更することで、図中の直交する矢印で示すように、一つのディスク内で２つの共振を発生させることが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。この方法を利用すると、共振器の数を減らすことができる。
【０００７】
しかし、上述したいずれの方法においても、伝送特性を確認するには、超伝導フィルタを試作し、冷却して実際に特性を測定する必要がある。特性がずれていた場合には、試作をやり直して同じ手順を実行し、所望の特性が得られるまでこれを繰り返す必要がある。
【０００８】
一方、チューナブルなフィルタ装置として、パラレルプレート共振器の非線形誘電材料にＤＣバイアス電圧を印加し、誘電率を変化させることによって共振周波数を同調する手法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２０００−５０２２３１
【非特許文献１】Physica C 445-448(2006)998-1002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
マイクロストリップライン型の共振器フィルタを構成する誘電体材料に、外部から電圧を印加して同調する手法は、外部電源やバイアス印加用の配線構造が別途必要になる。そこで、外部から電圧を印加することなく、簡単な構成と手法で、フィルタ試作後の特性測定の最中にチューニングが可能なフィルタ装置を提供することを課題とする。また、そのようなチューニング方法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】
【００１０】
上記の課題を解決するために、チューナブルフィルタ装置は、誘電体基板上に形成される超伝導ディスクパターンの円周上に、誘電体又は導電体が前記円周に沿って移動可能に配置された構成を有する。
【００１１】
第１の側面では、チューナブルフィルタ装置は、
誘電体基板上に形成される超伝導ディスクパターンと、
前記超伝導ディスクパターンの円周上に、前記超伝導ディスクパターンと近接して配置されるデュアルモード発生部材と、
前記デュアルモード発生部材を、前記超伝導ディスクパターンの円周に沿って移動させる回転手段と、
を備える。
【００１２】
良好な構成例では、前記チューナブルフィルタ装置はパッケージ内に収容され、前記回転手段は、前記パッケージの外部から回転制御が可能な回転軸と、前記回転軸に接続されて前記デュアルモード発生部材を移動させる回転板と、を含む。
【００１３】
第２の側面では、チューニング方法は、
超伝導材料で形成されるディスク形状の共振器の円周上に、誘電体又は導電体のデュアルモード発生部材を配置し、
冷却環境下で前記共振器へ信号を伝送して、その伝送特性を測定し、
前記測定結果に応じて、前記デュアルモード発生部材を前記円周に沿って移動させて前記伝送特性を調整する、
工程を含む。
【発明の効果】
【００１４】
上記の構成および方法により、所望のフィルタ特性を得るために試作を繰り返す必要がなくなる。また、外部電源電圧やバイアス印加用の配線構造が不要になる。超伝導パターンの円周上に配置したデュアルモード発生部材の位置を、円周に沿って調整するだけで、周波数の遮断特性を可変にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、良好な実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るチューナブルフィルタ装置１０の基本構成図である。図２（ａ）の基本概念図に示すように、誘電体基板１１上に、超伝導材料で共振器１２と、信号入出力線１３ａ、１３ｂが形成されている。信号入力線（たとえば１３ａ）は、共振器１２と対向する三日月型のポート１８ａと有し、信号入力線１３ａと直角の位置に配置される信号出力線（たとえば１３ｂ）は、共振器１２と対向する三日月型のポート１８ｂを有する。共振器１２及び信号入出力線１３ａ、１３ｂを合わせて、超伝導パターンと総称する。また、誘電体基板１１の裏面は、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、超伝導材料でグランド膜１４が形成されている。
【００１６】
共振器１２は、高周波信号を通す際の電流集中を回避するために、ディスク型の形状をしている。共振器１２の円周上にデュアルモード発生部材１５が配置されている。デュアルモード発生部材１５は、誘電体または導電体で形成され、共振器１２の円周に沿って移動可能である。この例では、デュアルモード発生部材１５は、デュアルモード発生ロッド１５として構成される。デュアルモード発生ロッド１５を共振器１２の円周に沿って移動させる回転機構として、図２（ｂ）の例では、回転軸１９と、回転軸１９に固定される回転板１７とを用いる。回転軸１９及び回転板１７も、誘電体又は導電体で構成される。デュアルモード発生ロッド１５や回転板１７を誘電体で構成する場合は、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3、サファイア、ＴｉＯ2などを用いることができる。
【００１７】
デュアルモード発生ロッド１５は回転板１７の端部に固定され、回転軸１９の回転によって円周方向に移動する。この例では、共振器１２に対する回転板１７の高さ位置（垂直位置）は、回転軸１９の回転にかかわらず一定であり、回転板１７は同一の水平面内で回転する。デュアルモード発生ロッド１５、回転板１７、及び回転軸１９で、デュアルモード発生調整機構２１を構成する。
【００１８】
一例では、デュアルモード発生ロッド１５の先端が共振器１２の表面に触れるか触れないか程度の位置、すなわち、共振器１２とデュアルモード発生ロッド１５の先端との間隔が０．１ｍｍ以下となるようにデュアルモード発生調整機構２１を設計、配置して、デュアルモード発生ロッド１５を円周運動させる。
【００１９】
良好な例として、共振器１２に対する摩擦等の影響を低減するために、図２（ｃ）に示すように、誘電体基板１１上に少なくとも共振器１２部分を覆う保護膜１６を設ける。保護膜１６は、たとえばポリイミド等の誘電率の低い樹脂薄膜等や、商業的に入手可能な任意の低誘電率フィルムである。回転軸１９が矢印Ａのように回転すると、デュアルモード発生ロッド１５の先端は、保護膜１６に接触して共振器１２の円周上を移動する。
【００２０】
ディスク型共振器１２に誘電体、導電体等の異物を近づけ又は接触させると、一つの共振パターンで２つの共振モードが発生する。２つの共振が結合することによって共振ピークが顕著になり、ディスク型共振器を２段に配置したのと同様の効果を得ることができる。２つの共振を発生させるための誘電体又は導電体を、デュアルモード発生部材（ロッド）１５と称する。デュアルモード発生ロッド１５を共振器１２の円周に沿って移動させると、２つの共振間の結合の度合いが変化して、フィルタの帯域外の部分に減衰極が現れたり消えたりする。このため、伝送プロファイルの急峻性すなわち帯域幅を変化させることができる。
【００２１】
図３は、図２のチューナブルフィルタ装置１０のフィルタ特性チューニングの模式図である。チューニング構成４０において、チューナブルフィルタ装置１０は、デュアルモード発生調整機構２１（図３参照）の回転軸１９が高周波シールド用の金属パッケージ４１の上蓋を貫通するように、金属パッケージ４１内に収容される。金属パッケージ４１は、真空容器４２内のコールドプレート４３上に設置される。コールドプレート４３は冷凍機膨張部４４を介して図示しない外部の冷凍機に接続されている。
【００２２】
金属パッケージ４１の同軸コネクタ３２は、ワイヤボンディング等の接続手段３４を介して、信号入出力線１３の一方（たとえば信号入力線１３ａ）に接続されている。他方の信号入出力線（たとえば信号出力線）は、金属パッケージ４１に設けられたもうひとつの同軸コネクタ（図３では不図示）に接続されている。これらの同軸コネクタ３２は、図示しない同軸ケーブルを介して、真空容器４２外部のネットワークアナライザ（不図示）に接続され、金属パッケージ４１内の超伝導フィルタ装置１０を冷却することで、その伝送特性を測定することができる。
【００２３】
金属パッケージ４１を貫通して外部に突出する回転軸１９の先端には回転ヘッド２２が設けられている。真空容器４２の天井を貫通するドライバ２３等の調整手段により、真空容器４２の外部から回転軸１９の回転角を調節する。これにより、デュアルモード発生ロッド１５を共振器１２の円周に沿って移動させ、超伝導フィルタ装置１０の伝送特性を調整することができる。
【００２４】
図４は、図２の変形例であるチューナブルフィルタ装置２０の基本構成図である。図４の構成では、図４（ａ）の超伝導パターン（共振器１２、及びポート１８ａ、１８ｂを有する入出力線１３ａ、１３ｂを含む）は図２と同様であるが、デュアルモード発生調整機構３１の構成が異なる。すなわち、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す回転軸２９はネジ式の回転軸であり、回転軸２９の回転に伴って、共振器１２に対する回転板２７の高さ位置（垂直位置）ｈが変化する。回転板２７の共振器１２に対する高さｈを変えることで、チューナブルフィルタ装置２０の中心周波数を調整することができる。具体的には、回転板２７が下降して共振器１２に近づくと、共振器１２から見た空間の誘電率が変わり、共振周波数は低い側へシフトする。
【００２５】
デュアルモード発生ロッド２５は、回転板２７の円周近傍に設けられた開口２７Ａを貫通する。デュアルモード発生ロッド２５の直径は、開口２７Ａに対してわずかに遊びが生じるサイズに設定されている。したがって、矢印Ａで示す回転軸２９が回転すると、回転板２７は矢印Ｂで示すようにデュアルモード発生ロッド２５に沿って降下、上昇し、デュアルモード発生ロッド２５と保護膜１６との接触状態は、回転板２７の上下運動を妨げることなく適切に維持される。
【００２６】
図５は、図４のチューナブルフィルタ装置２０にさらに変形を加えたチューナブルフィルタ装置２０Ａのフィルタ特性チューニングの模式図である。チューニング構成５０において、チューナブルフィルタ装置２０Ａのデュアルモード発生ロッド２５はフランジ３５を有し、フランジ３５と回転板２７の間にバネ２６が挿入される。ネジ式の回転軸２９回転軸２９の回転により回転板２７が下降、上昇しても、バネ２６により、共振器１２又は保護膜１６（図４（ｃ）参照）に対するデュアルモード発生ロッド２５の圧力を一定に保つことができる。
【００２７】
チューニングの基本構成は図３と同様であり、同じ構成部材には同じ符号を付して、その説明を省略する。冷却下でのチューナブルフィルタ装置２０Ａの伝送特性測定結果に応じて、ドライバ２３などの調整手段で、ネジ式回転軸２９を回転させて、回転板２７の高さ位置とデュアルモード発生ロッド２５の回転位置の双方、又は回転板２７の高さ位置のみを変更する。
【００２８】
回転板２７の高さ位置のみを変化させる場合は、デュアルモード発生ロッド２５を定位置、たとえば直交する信号入出力線１３ａ、１３ｂ（図４参照）に対して点対称の位置に設定し、そこから１周以上回転させることにより、デュアルモード発生ロッド２５の位置を変えずに、回転板２７の高さを変えることができる。一周の回転による高さ位置の変化量はネジ式回転軸２９のスレッドのピッチで決まる。たとえば、ねじのピッチ寸法に応じて、一周の回転で回転板２７の高さｈを０．２５ｍｍ、０．４ｍｍと変えることができる。
【００２９】
図６は、実施形態のチューナブルフィルタ装置の特性評価のための電磁界シミュレーションモデルと、その測定結果を示す図である。図６（ａ）のモデルは、デュアルモード発生部材を配置しないシングルモード評価用のシミュレーションモデルである。
【００３０】
まず、厚さ０．５ｍｍ、平面サイズが２０ｍｍ×２０ｍｍの単結晶ＭｇＯ基板１１（比誘電率９．７）上に、酸化物超伝導材料であるＹＢＣＯ薄膜で、５ＧＨｚ帯の（直径１１．８ｍｍの）ディスク型共振器１２、及び信号入出力線１３ａ、１３ｂを含む超伝導パターン６１を形成する。ＭｇＯ基板１１の裏面は、完全導体で全面を覆ってグランド膜１４とする。点線で示すような高周波シールド用パッケージを想定して、ＭｇＯ基板１１の表面から２０ｍｍの高さに、完全導体の天板６２を設置する。なお、超伝導パターン６１が形成される誘電体基板１１としては、ＭｇＯ基板に限定されず、誘電損失の小さい任意の誘電体基板を用いることができる。
【００３１】
図６（ｂ）は図６（ａ）のモデルによる伝送特性のシミュレーション結果である。図６（ａ）のようにディスク型共振器１２上に誘電体や導体等の異物が配置されず、かつ、ポート２がポート１に対して直角に配置されると、反射特性Ｓ１１及び透過特性Ｓ２１で示すように、共振波形は得られない。なお、図示はしないが、図１（ｂ）のように、ポート１に対してポート２を水平方向に配置すると、共振器１２の直径をλ／２として約５ＧＨｚに共振波形が現れる。
【００３２】
次に、一つの共振器パターンで２つの共振を発生させるために、図７（ａ）のように、ディスク型の共振器１２の入力ポート１の延長線７１から反時計周りに＋４５°の位置に２×２×０．２ｍｍのＭｇＯブロック６５を配置する。ＭｇＯブロック６５は、デュアルモード発生用の誘電体ブロックである。図６（ａ）と同様に、ディスク型共振器１２から２０ｍｍの高さに天板６２を設置して、高周波シールド用パッケージと等価にする。
【００３３】
このモデルの伝送特性を、図７（ｂ）に示す。Ｓ１１とＳ２１において、２つの共振ピークが現れる。これは、ポート１から入った信号がディスクの中で縮退していたものが、ＭｇＯブロック６５によって乱されて（perturbation）、２つの共振モードを発生し、ポート２において、２つの共振が結合した結果がフィルタ特性として現れるためである。デュアルモード発生用部材１５としての誘電体ブロック６５は、一定の誘電率をもっていれば２つの共振モードを発生させることができるが、特に誘電率が高く、誘電損失が小さいＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3、サファイア、ＴｉＯ2が有効な材料である。２つの共振モードの発生は、金属の材料でも実現できる。
【００３４】
図８は、デュアルモード発生用の誘電体ブロック６５の位置を図７（ａ）と異ならせたシミュレーションモデルの図である。このモデルでは、誘電体ブロック６５を、ポート１の延長線７１に対して反時計方向に−４５°の位置（すなわち時計方向に４５°の位置）に配置する。図９は、図８のモデルでの伝送特性と、図７（ａ）のモデルでの伝送特性を比較した結果を示すグラフである。図９から、誘電体ブロック６５の位置によって、フィルタ特性の急峻性が異なることがわかる。
【００３５】
図７（ａ）のように＋４５°の位置（ポート１、２に対して点対称の位置）に誘電体ブロック６５を配置した場合は、濃い実線で示すように、帯域の両端に減衰極が現れるが、図８のように−４５°の位置に誘電体ブロック６５を配置した場合は、薄い実線で示すように、減衰極が消えて特性がなだらかになる。図７（ａ）及び図８のモデルではディスク型共振器１２が１つの場合を示しているが、ディスクの数を増やしても同様の効果が得られる。
【００３６】
図１０は、図７（ａ）及び図８の誘電体ブロック６５に代えて、２×２ｍｍのＡｕ膜７５を配置した場合のシミュレーションモデルの模式図である。図１０（ａ）では、導電体としてのＡｕ膜７５を、ポート１の延長線７１から＋４５°の位置に配置する。図１０（ｂ）では、同じ形状、サイズのＡｕ膜７５を−４５°の位置に配置する。それ以外の構成要素については図７（ａ）、図８と同様であるため、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３７】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のモデルに対応する伝送特性のグラフである。デュアルモード発生部材として導電体を用いた場合も、誘電体と同様に、４５°の位置では帯域の両端に減衰極が現れて特性が急峻になるが、−４５°の位置では減衰極が消滅して特性がなだらかになる。
【００３８】
このように、ディスク型の共振器１２の円周上の位置によって、伝送特性を変えることができる。また、同じ＋４５°の位置に配置する場合でも、超伝導パターン６１のパターニング精度誤差や、誘電体基板１１の厚さばらつきに起因する特性ズレがあるため、図３や図５に示すチューニング構成により、所望のフィルタ特性を示すように実際の伝送特性を確認しながら調整することが可能である。
【００３９】
特性調整が済んだ超伝導フィルタ装置１０、２０、２０Ａは、金属パッケージ４１上に複雑な調整構造が残らないので、小型化に寄与できる。冷却を伴う超伝導フィルタの調整方法として、冷却機への負荷を低減することができる。
【００４０】
以上、特定の実施形態について説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されない。たとえば、誘電体ブロック６５や導電体パターン７５の寸法や材質を代えることによって、違った特性に変化させることができる。したがって、図２や図４の構成で、デュアルモード発生ロッド１５、２５を異なる材質、異なる寸法で構成した複数種類のロッドを用意しておき（図４の場合は、回転板２７も異なる開口サイズを有するように複数種類揃えておき）、交換可能な構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の共振器フィルタ装置の構成例を示す図である。
【図２】実施形態のチューナブルフィルタ装置の基本構成図である。
【図３】実施形態のフィルタ特性チューニングの模式図である。
【図４】図２のチューナブルフィルタ装置の変形例の基本構成図である。
【図５】実施形態のフィルタ特性チューニングの模式図である。
【図６】実施例のシングルモードのシミュレーションモデルと、そのフィルタ特性を示す図である。
【図７】実施例のデュアルモードのシミュレーションモデルと、そのフィルタ特性を示す図である。
【図８】図７の構成で、誘電体ブロックの配置位置を変えたシミュレーションモデルの図である。
【図９】図８及び図７（ａ）のモデルのフィルタ透過特性を示す図である。
【図１０】図７（ａ）及び図８のモデルにおいて、デュアルモード発生部材として、誘電体ブロックに代えて導体膜（Ａｕ膜）を用いたシミュレーションモデルの図である。
【図１１】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）のモデルのフィルタ透過特性の図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、２０、２０Ａ  チューナブルフィルタ装置
１１  誘電体基板
１２  共振器（超伝導ディスクパターン）
１３ａ、１３ｂ  信号入出力線
１４  グランド膜
１５、２５  デュアルモード発生部材（デュアルモード発生ロッド）
１６  保護膜
１７、２７  回転板
２７Ａ  開口
１８ａ、１８ｂ  入出力ポート
１９、２９  回転軸
２１、３１  デュアルモード発生調整機構
２２  回転ヘッド
２３  調整手段（ドライバ）
４０、５０  チューニング構成
４１  金属パッケージ
４２  真空容器
４３  コールドプレート
６１  超伝導パターン
６５  誘電体ブロック（ＭｇＯブロック）
７５  導電膜（Ａｕ膜）
【図３】
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【図５】
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【図９】
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【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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