JP3037064B2 - 容量性結合構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、容量性結合構造に関す
る。より詳細には、低温に冷却されている超電導マイク
ロ波素子と室温で動作する素子との結合に適した容量性
結合構造に関する。
る。より詳細には、低温に冷却されている超電導マイク
ロ波素子と室温で動作する素子との結合に適した容量性
結合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】数十cmから数mmまでの波長を有し、マイ
クロ波あるいはミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論的に
は電磁波スペクトルの一部の範囲に過ぎないが、波長が
短いことから光に似た挙動を示し、これを取り扱うため
の独特の手法や部品が開発されていることから、工学的
には特に独立して検討される場合が多い。
クロ波あるいはミリ波等と呼ばれる電磁波は、理論的に
は電磁波スペクトルの一部の範囲に過ぎないが、波長が
短いことから光に似た挙動を示し、これを取り扱うため
の独特の手法や部品が開発されていることから、工学的
には特に独立して検討される場合が多い。
【０００３】この帯域の電磁波を伝送するためには、低
周波の電磁波の伝送に使用される平行線等では伝送損失
が極端に大きい。また、特に線間距離と波長とが同程度
の長さになると、線路の僅かな屈曲や接続部の僅かな寸
法の不一致により反射や放射が発生し、隣接物の影響を
受け易くなる。そこで、実際には、波長と同程度の断面
寸法を有する管状の導波管を使用する。このような導波
管およびそれによって構成された回路は、その立体的な
形状から立体回路などと呼ばれているが、通常の電気／
電子回路の要素に比較すると寸法が大きく、実際の利用
は特殊な分野に限られていた。
周波の電磁波の伝送に使用される平行線等では伝送損失
が極端に大きい。また、特に線間距離と波長とが同程度
の長さになると、線路の僅かな屈曲や接続部の僅かな寸
法の不一致により反射や放射が発生し、隣接物の影響を
受け易くなる。そこで、実際には、波長と同程度の断面
寸法を有する管状の導波管を使用する。このような導波
管およびそれによって構成された回路は、その立体的な
形状から立体回路などと呼ばれているが、通常の電気／
電子回路の要素に比較すると寸法が大きく、実際の利用
は特殊な分野に限られていた。
【０００４】ところが、マイクロ波帯で動作する能動素
子として半導体を使用した小型のものが開発され、ま
た、集積回路技術の進歩に伴い、導波路間隔の極めて小
さいいわゆるストリップ線路が使用されるようになって
きている。
子として半導体を使用した小型のものが開発され、ま
た、集積回路技術の進歩に伴い、導波路間隔の極めて小
さいいわゆるストリップ線路が使用されるようになって
きている。
【０００５】一般に、ストリップ線路は、導体の抵抗成
分に起因する減衰定数を有する。この減衰定数は、周波
数の平方根に比例して増大する。一方、周波数の増大に
比例して誘電体損も増加する。しかしながら、近年のス
トリップ線路では、誘電体材料の改良により、特に10Ｇ
Hz以下の領域では、ストリップ線路の損失は、専ら導体
層の抵抗に起因するものが大部分を占めている。従っ
て、ストリップ線路における導体層の抵抗を低減できれ
ば、ストリップ線路の性能を著しく向上させることが可
能になる。即ち、超電導ストリップ線路を使用すると、
損失を大幅に低減でき、また、より高い周波数のマイク
ロ波の伝送が可能になる。
分に起因する減衰定数を有する。この減衰定数は、周波
数の平方根に比例して増大する。一方、周波数の増大に
比例して誘電体損も増加する。しかしながら、近年のス
トリップ線路では、誘電体材料の改良により、特に10Ｇ
Hz以下の領域では、ストリップ線路の損失は、専ら導体
層の抵抗に起因するものが大部分を占めている。従っ
て、ストリップ線路における導体層の抵抗を低減できれ
ば、ストリップ線路の性能を著しく向上させることが可
能になる。即ち、超電導ストリップ線路を使用すると、
損失を大幅に低減でき、また、より高い周波数のマイク
ロ波の伝送が可能になる。
【０００６】よく知られているように、ストリップ線路
は、単純な伝送路として使用される。さらに、適切なパ
ターニングを行うことによって、インダクタンス素子、
容量素子、フィルタ、共振器、遅延線、トランジスタ等
のマイクロ波部品を構成することができる。従って、ス
トリップ線路の特性を向上させると、マイクロ波部品の
特性も向上する。
は、単純な伝送路として使用される。さらに、適切なパ
ターニングを行うことによって、インダクタンス素子、
容量素子、フィルタ、共振器、遅延線、トランジスタ等
のマイクロ波部品を構成することができる。従って、ス
トリップ線路の特性を向上させると、マイクロ波部品の
特性も向上する。
【０００７】また、近年研究が進んでいる酸化物超電導
材料（高臨界温度銅酸化物超電導体）により、低コスト
な液体窒素冷却による超電導が実現している。従って、
酸化物超電導体を使用した各種のマイクロ波部品が提案
されている。
材料（高臨界温度銅酸化物超電導体）により、低コスト
な液体窒素冷却による超電導が実現している。従って、
酸化物超電導体を使用した各種のマイクロ波部品が提案
されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マイク
ロ波装置全体を酸化物超電導体を使用した素子、部品の
みにより構成することはほとんど不可能である。従っ
て、超電導マイクロ波部品を使用したマイクロ波装置
は、超電導マイクロ波部品を備える低温の回路と、従来
の室温で動作する素子を備える常温の回路とを有する。
ロ波装置全体を酸化物超電導体を使用した素子、部品の
みにより構成することはほとんど不可能である。従っ
て、超電導マイクロ波部品を使用したマイクロ波装置
は、超電導マイクロ波部品を備える低温の回路と、従来
の室温で動作する素子を備える常温の回路とを有する。
【０００９】その結果、複雑で高コストな冷却システム
が必要となり、超電導素子を備える低温の回路と、従来
の常温の回路とを接続するという難しい問題が生ずる。
が必要となり、超電導素子を備える低温の回路と、従来
の常温の回路とを接続するという難しい問題が生ずる。
【００１０】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
問題点を解決した、マイクロ波回路の容量性結合構造を
提供することにある。
問題点を解決した、マイクロ波回路の容量性結合構造を
提供することにある。
【００１１】
【００１２】
【課題を解決するための手段】 本発明に従うと、基板上
に配置された超電導素子と、室温の回路とをマイクロ波
の伝送が可能になるよう容量性結合を行う構造であっ
て、基板上で超電導素子に結合されて基板の一端まで延
び、超電導素子にマイクロ波を伝送する酸化物超電導体
による超電導導波路と、超電導導波路の端部を小さい間
隙をもって挟んで配置された酸化物超電導体による一対
の超電導グランドプレーンと、それぞれ超電導導波路と
超電導グランドプレーンとに対応する３本のプロービン
グピンを有し、室温の回路に接続されたマイクロ波プロ
ーブヘッドとを含み、前記超電導導波路上に前記３本の
プロービングピンが小さい間隙をもって配置されるよう
前記マイクロ波プローブヘッド配置されていることを特
徴とする容量性結合構造が提供される。
に配置された超電導素子と、室温の回路とをマイクロ波
の伝送が可能になるよう容量性結合を行う構造であっ
て、基板上で超電導素子に結合されて基板の一端まで延
び、超電導素子にマイクロ波を伝送する酸化物超電導体
による超電導導波路と、超電導導波路の端部を小さい間
隙をもって挟んで配置された酸化物超電導体による一対
の超電導グランドプレーンと、それぞれ超電導導波路と
超電導グランドプレーンとに対応する３本のプロービン
グピンを有し、室温の回路に接続されたマイクロ波プロ
ーブヘッドとを含み、前記超電導導波路上に前記３本の
プロービングピンが小さい間隙をもって配置されるよう
前記マイクロ波プローブヘッド配置されていることを特
徴とする容量性結合構造が提供される。
【００１３】本発明の容量性結合構造では、３本のプロ
ービングピンが、超電導導波路および超電導グランドプ
レーン上にそれぞれ小さい間隙をもって配置されている
ことが好ましい。また、超電導導波路が、スロットライ
ン、ストリップラインおよびマイクロストリップのいず
れかであることが好ましい。
ービングピンが、超電導導波路および超電導グランドプ
レーン上にそれぞれ小さい間隙をもって配置されている
ことが好ましい。また、超電導導波路が、スロットライ
ン、ストリップラインおよびマイクロストリップのいず
れかであることが好ましい。
【００１４】
【作用】本発明の容量性結合構造は、基板上で超電導素
子に結合されて基板の一端まで延び、超電導素子にマイ
クロ波を伝送する酸化物超電導体による超電導導波路
と、超電導導波路の端部を小さい間隙をもって挟んで配
置された酸化物超電導体による一対の超電導グランドプ
レーンと、それぞれ超電導導波路と超電導グランドプレ
ーンとに対応する３本のプロービングピンを有し、室温
の回路に接続され、超電導導波路上に小さい間隙をもっ
て配置されたマイクロ波プローブヘッドとを備えるとこ
ろにその主要な特徴がある。本発明の容量性結合では、
一切接触していないマイクロ波プローブヘッドのプロー
ビングピンから超電導導波路にマイクロ波が効率よく伝
送される。従って、室温の回路と低温の超電導回路とを
熱の伝達をほとんど伴わずに結合することが可能であ
る。
子に結合されて基板の一端まで延び、超電導素子にマイ
クロ波を伝送する酸化物超電導体による超電導導波路
と、超電導導波路の端部を小さい間隙をもって挟んで配
置された酸化物超電導体による一対の超電導グランドプ
レーンと、それぞれ超電導導波路と超電導グランドプレ
ーンとに対応する３本のプロービングピンを有し、室温
の回路に接続され、超電導導波路上に小さい間隙をもっ
て配置されたマイクロ波プローブヘッドとを備えるとこ
ろにその主要な特徴がある。本発明の容量性結合では、
一切接触していないマイクロ波プローブヘッドのプロー
ビングピンから超電導導波路にマイクロ波が効率よく伝
送される。従って、室温の回路と低温の超電導回路とを
熱の伝達をほとんど伴わずに結合することが可能であ
る。
【００１５】本発明の容量性結合構造では、超電導導波
路はどのような構造でもよいが、特にスロットライン、
ストリップラインおよびマイクロストリップが好まし
い。これらは、各種損失が小さく、酸化物超電導体で形
成しやすいからである。
路はどのような構造でもよいが、特にスロットライン、
ストリップラインおよびマイクロストリップが好まし
い。これらは、各種損失が小さく、酸化物超電導体で形
成しやすいからである。
【００１６】本発明の容量性結合構造では、超電導導波
路および超電導グランドプレーンに使用する酸化物超電
導体としては以下に示すものが好ましい：Ｙ−Ba−Cu−
Ｏ系酸化物超電導体、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電
導体、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電導体、Hg−Ba−
Sr−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電導体、Nd−Ce−Cu−Ｏ系酸
化物超電導体。
路および超電導グランドプレーンに使用する酸化物超電
導体としては以下に示すものが好ましい：Ｙ−Ba−Cu−
Ｏ系酸化物超電導体、Bi−Sr−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電
導体、Tl−Ba−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電導体、Hg−Ba−
Sr−Ca−Cu−Ｏ系酸化物超電導体、Nd−Ce−Cu−Ｏ系酸
化物超電導体。
【００１７】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【００１８】
【実施例】図１(a)および(b)に、本発明の容量性結合構
造を用いて、常温の回路と結合された超電導素子の平面
図および断面図をそれぞれ示す。図示された容量性結合
構造は、室温で動作する回路（不図示）に通常の方法で
接続されているマイクロ波プローブヘッド21および22
と、基板４上に配置され、例えば直列ＬＣ回路のような
超電導素子１に接続されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜による超電導センターライン５と、やはりＹ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜による超電導グランドプレーン
６とを備える。
造を用いて、常温の回路と結合された超電導素子の平面
図および断面図をそれぞれ示す。図示された容量性結合
構造は、室温で動作する回路（不図示）に通常の方法で
接続されているマイクロ波プローブヘッド21および22
と、基板４上に配置され、例えば直列ＬＣ回路のような
超電導素子１に接続されたＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜による超電導センターライン５と、やはりＹ1Ba2Cu
3Ｏ7-X酸化物超電導薄膜による超電導グランドプレーン
６とを備える。
【００１９】超電導センターライン５は導波路であり、
基板４を横切って超電導素子１に接続されている。超電
導センターライン５により、マイクロ波が超電導素子１
に伝搬され、また超電導素子１から伝搬される。超電導
センターライン５の両端には、それぞれ一対の超電導グ
ランドプレーン６が、超電導センターライン５を小さい
間隙をもって挟んで配置されている。
基板４を横切って超電導素子１に接続されている。超電
導センターライン５により、マイクロ波が超電導素子１
に伝搬され、また超電導素子１から伝搬される。超電導
センターライン５の両端には、それぞれ一対の超電導グ
ランドプレーン６が、超電導センターライン５を小さい
間隙をもって挟んで配置されている。
【００２０】マイクロ波プローブヘッド21および22の先
端には、それぞれ３本のプロービングピン31、32および
33が一列に並んで配置されている。マイクロ波プローブ
ヘッド21および22は、プロービングピン31および33が超
電導グランドプレーン６上に、プロービングピン32が超
電導センターライン５上に配置されるよう、基板４の両
端の上方に適当な間隔をもって配置されている。
端には、それぞれ３本のプロービングピン31、32および
33が一列に並んで配置されている。マイクロ波プローブ
ヘッド21および22は、プロービングピン31および33が超
電導グランドプレーン６上に、プロービングピン32が超
電導センターライン５上に配置されるよう、基板４の両
端の上方に適当な間隔をもって配置されている。
【００２１】このように、マイクロ波プローブヘッド21
および22を配置して、10-5Torr以下の圧力に排気するこ
とにより、機械的な接触を一切行わずに、超電導素子１
が室温で動作する回路に接続される。
および22を配置して、10-5Torr以下の圧力に排気するこ
とにより、機械的な接触を一切行わずに、超電導素子１
が室温で動作する回路に接続される。
【００２２】本実施例では、15mm角で厚さ0.5mmのLaAl
Ｏ3 基板上に、厚さ300nmのｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X
酸化物超電導薄膜で幅0.07mmの超電導センターライン５
を形成した。また、超電導グランドプレーン６は、やは
り厚さ300 nmのｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜で0.5mm×0.6mmに作製した。超電導グランドプレー
ンの大きさは、できるだけ大きい方が好ましい。ただ
し、当然のことながら、基板の大きさ等から上限が自ず
と決定される。超電導センターライン５と超電導グラン
ドプレーン６との間の間隔は0.18mmとした。超電導セン
ターライン５と超電導グランドプレーン６との間の間隔
は、インピーダンスによって決定される。従って、基板
材料、伝送するマイクロ波の周波数、超電導センターラ
イン５およびグランドプレーン６に使用される超電導材
料およびそれらの寸法によって適宜選択する。
Ｏ3 基板上に、厚さ300nmのｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X
酸化物超電導薄膜で幅0.07mmの超電導センターライン５
を形成した。また、超電導グランドプレーン６は、やは
り厚さ300 nmのｃ軸配向のＹ1Ba2Cu3Ｏ7-X酸化物超電導
薄膜で0.5mm×0.6mmに作製した。超電導グランドプレー
ンの大きさは、できるだけ大きい方が好ましい。ただ
し、当然のことながら、基板の大きさ等から上限が自ず
と決定される。超電導センターライン５と超電導グラン
ドプレーン６との間の間隔は0.18mmとした。超電導セン
ターライン５と超電導グランドプレーン６との間の間隔
は、インピーダンスによって決定される。従って、基板
材料、伝送するマイクロ波の周波数、超電導センターラ
イン５およびグランドプレーン６に使用される超電導材
料およびそれらの寸法によって適宜選択する。
【００２３】また、マイクロ波プローブヘッド21および
22のプロービングピン31、32および33は、0.25mmの間隔
で配置されており、プロービングピン31、32および33
と、超電導センターライン５および超電導グランドプレ
ーン６との間の間隔は0.02mmとした。プロービングピン
と、超電導センターライン５および超電導グランドプレ
ーン６との間の間隔も同様にインピーダンスによって決
定される。
22のプロービングピン31、32および33は、0.25mmの間隔
で配置されており、プロービングピン31、32および33
と、超電導センターライン５および超電導グランドプレ
ーン６との間の間隔は0.02mmとした。プロービングピン
と、超電導センターライン５および超電導グランドプレ
ーン６との間の間隔も同様にインピーダンスによって決
定される。
【００２４】上記の装置のマイクロ波伝搬の結合特性
を、ネットワークアナライザを使用して測定した。上記
の装置をクライオスタットに入れ、結合状態における超
電導直列ＬＣ共振器（Ｃは、本発明者等による変調可能
なキャパシタ）のＱ値と共振周波数の測定を行った。
を、ネットワークアナライザを使用して測定した。上記
の装置をクライオスタットに入れ、結合状態における超
電導直列ＬＣ共振器（Ｃは、本発明者等による変調可能
なキャパシタ）のＱ値と共振周波数の測定を行った。
【００２５】キャパシタに電場を印加することにより、
キャパシタンスが変化し、共振周波数が変化した。室温
のマイクロ波プローブヘッドからは、熱の流入は認めら
れなかった。温度の関数としてＱ値の測定を行ったとこ
ろ、近接して配置されたマイクロ波プローブヘッドから
超電導素子への加熱の影響は５Ｋ未満であることがわか
った。また、上記本発明の容量性結合構造を使用するこ
とにより、共振周波数とＱ値の正確な測定が可能であっ
た。また、大きな温度変化は認められなかった。
キャパシタンスが変化し、共振周波数が変化した。室温
のマイクロ波プローブヘッドからは、熱の流入は認めら
れなかった。温度の関数としてＱ値の測定を行ったとこ
ろ、近接して配置されたマイクロ波プローブヘッドから
超電導素子への加熱の影響は５Ｋ未満であることがわか
った。また、上記本発明の容量性結合構造を使用するこ
とにより、共振周波数とＱ値の正確な測定が可能であっ
た。また、大きな温度変化は認められなかった。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の容量性結
合構造は、室温の回路と低温の回路が結合されて使用さ
れている、例えばハイブリッドマイクロ波通信装置等に
効果的に使用できる。導集中定数型マイクロ波素子が提
供される。
合構造は、室温の回路と低温の回路が結合されて使用さ
れている、例えばハイブリッドマイクロ波通信装置等に
効果的に使用できる。導集中定数型マイクロ波素子が提
供される。
【図１】(a)は、本発明の容量性結合装置を使用した一
例の平面図であり、(b)は断面図である。
例の平面図であり、(b)は断面図である。
１ 超電導素子 ４ 基板 ５ 超電導センターライン ６ 超電導グランドプレーン 21、22 マイクロ波プローブヘッド 31、32、33 プローブピン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルプ ティー． フィンディコグー アメリカ合衆国 20742 メリーランド カレッジパーク（番地なし） ユニヴ ァーシティ オブ メリーランド，デパ ートメント オブ フィジックス，セン ター フォー スーパーコンダクティビ ティ リサーチ (56)参考文献 特開 平３−194979（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−142874（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160616（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/22 H01P 1/00 H01P 5/08 H01L 39/00 H01L 39/22
Claims (3)
- 【請求項１】 基板上に配置された超電導素子と、室温
の回路とをマイクロ波の伝送が可能になるよう容量性結
合を行う構造であって、基板上で超電導素子に結合され
て基板の一端まで延び、超電導素子にマイクロ波を伝送
する酸化物超電導体による超電導導波路と、超電導導波
路の端部を小さい間隙をもって挟んで配置された酸化物
超電導体による一対の超電導グランドプレーンと、それ
ぞれ超電導導波路と超電導グランドプレーンとに対応す
る３本のプロービングピンを有し、室温の回路に接続さ
れたマイクロ波プローブヘッドとを含み、前記超電導導
波路上に前記３本のプロービングピンが小さい間隙をも
って配置されるよう前記マイクロ波プローブヘッド配置
されていることを特徴とする容量性結合構造。 - 【請求項２】 前記３本のプロービングピンが、超電導
導波路および超電導グランドプレーン上にそれぞれ小さ
い間隙をもって配置されていることを特徴とする請求項
１に記載の容量性結合構造。 - 【請求項３】 前記超電導導波路が、スロットライン、
ストリップラインおよびマイクロストリップのいずれか
であることを特徴とする請求項１または２に記載の容量
性結合構造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/202,569 US5543386A (en) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | Joint device including superconductive probe-heads for capacitive microwave coupling |
| US08/202569 | 1994-02-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07240540A JPH07240540A (ja) | 1995-09-12 |
| JP3037064B2 true JP3037064B2 (ja) | 2000-04-24 |
Family
ID=22750421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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