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JP4469809B2 - Superconducting filter device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

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。   The present invention relates to a superconducting filter device, and more particularly to a superconducting transmission filter applied to a transmission system of a cryogenic RF front end of a mobile communication base station.

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。   In recent years, with the spread and development of mobile phones, high-speed and large-capacity transmission technology has become indispensable. Superconductors have a very low surface resistance in the high-frequency region as compared with ordinary good electrical conductors, and therefore can be expected to have low-loss and high-Q resonators and are promising as filters for mobile communication base stations. Has been.

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。   For example, as shown in FIG. 1, an RF signal received via an antenna 151 is converted into a band filter (BPF) 152R, a low noise amplifier (LNA) 153, and a down converter (D / C) that constitute a reception system front end. 154 and demodulator (DEMOD) 155, and baseband processing is performed by the baseband unit 156.

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。   In the transmission system, the signal processed by the baseband unit 156 passes through a modulator (MOD) 157, an up converter (U / C) 158, a high power amplifier (HPA) 159, and a band filter (BPF) 152T, and then an RF signal. As radiated from the antenna 151.

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。   When the superconducting filter is applied to the band filter 152R on the receiving side, a transmission loss is small and a steep frequency cutoff characteristic is expected. On the other hand, when applied to the band filter 152T on the transmission side, an effect of removing distortion generated by the high power amplifier 159 can be expected, but a large amount of power is required to transmit a high-frequency signal, miniaturization and good power characteristics. This is the current challenge.

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)。   When a superconducting filter is used in a mobile communication application, a frequency tuning capability is required. In order to make the superconducting filter tunable, a plate on which a conductor layer is formed via a space is arranged above the superconducting resonator pattern so that the conductor layer faces the resonator pattern. There has been proposed a method of adjusting the distance between the resonator pattern and the conductor layer by inserting a piezoelectric element between the plates (see, for example, Patent Document 1).

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。   2 (a) to 2 (c) show the configuration of the known tunable filter described above. Strip type resonator patterns 77 a to 77 d arranged in a spiral shape are formed on the filter circuit board 71. A plate 72 is disposed above the filter circuit board 71. A conductor layer 72b is formed on the entire surface of the plate 72 facing the resonator patterns 77a to 77d. Piezoelectric elements 74 a to 74 d are inserted between the base 75 holding the filter circuit board 71 and the plate 72. A voltage applying wire 82 extending from the tuning connector 81 is connected to the piezoelectric elements 74a to 74d, and a tuning voltage is applied thereto. The distance of the space is changed by the expansion and contraction of the piezoelectric element by voltage application, and the center frequency of the filter can be tuned.

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。
特表2003−516079号公報
However, this superconducting filter can tune the center frequency, but cannot adjust its bandwidth. In addition, since it is a so-called microstrip type filter, there is a problem that loss increases when high RF power is input on the transmission side. This is because high frequencies such as microwaves tend to concentrate on the edge portion of the conductor, and current concentrates on the edge or corner portion of the microstrip line, and the current density exceeds the critical current density of the superconductor.
Japanese translation of PCT publication No. 2003-516079

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。   In order to alleviate the concentration of current on the superconducting resonator pattern, a plane pattern type (circular, elliptical, polygonal, etc.) resonator pattern with few corners and edges is formed as a transmission filter. It is conceivable to realize a large power response. Further, it is conceivable that a coupling corresponding to a desired bandwidth is generated by arranging a conductor pattern having a predetermined shape via a laminated dielectric above the planar figure type superconducting resonator pattern. Two resonator modes (a so-called “dual mode”) are generated by one resonator, thereby preventing current concentration and contributing to miniaturization.

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。   However, a deviation from the design simulation result occurs depending on the material characteristics and mounting state of the laminated dielectric and the material characteristics and position of the conductor pattern for generating the dual mode. When adjusting the material, film thickness, mounting state, etc. in order to adjust the deviation, several parameters also move at the same time, which makes adjustment difficult.

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。   Therefore, it is an object to provide a configuration that can adjust both the center frequency and the bandwidth of a superconducting resonator filter with a simple configuration.

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。   In order to solve the above problems, the present invention inserts a plurality of piezoelectric elements between a base substrate on which a superconducting resonator pattern is formed and a laminated dielectric on which a conductor pattern for generating a dual mode is formed. Then, a voltage is applied to each piezoelectric element independently to adjust the distance between the laminated dielectric and the resonator pattern.

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。 Specifically, the superconducting filter device includes a first dielectric substrate, said first dielectric co oscillator pattern formed on the superconducting material substrate, situated above the resonator pattern A second dielectric substrate having a dual-mode generating conductor pattern for generating two resonance modes in the resonator pattern; and a piezoelectric element inserted between the first and second dielectric substrates; Is provided.

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。   As one configuration example, the piezoelectric element further includes a voltage applying unit that is inserted at four corners between the first and second dielectric substrates and individually applies a voltage to each piezoelectric element.

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。   In the dual mode type superconducting filter, the center frequency and the bandwidth can be adjusted with high accuracy.

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。   FIG. 3 shows a configuration of a superconducting filter device 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A is a top view, and FIG. 3B is a cross-sectional view. The superconducting filter device 10 is mounted on a metal package 21 for use in a transmission filter of a base station of a mobile communication system, for example.

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。   The superconducting device 10 includes a dielectric base substrate 11 such as an MgO single crystal substrate, a superconducting resonator pattern 12 formed in a predetermined shape with a superconducting material on the surface of the dielectric base substrate 11, and a superconducting resonator. A signal input / output line (feeder) 13 extending in the vicinity of the pattern 12, a second dielectric substrate 14 mounted on the dielectric substrate 11, and a circular or elliptical conductor pattern formed on the laminated dielectric substrate 14 15 and a piezoelectric element 16 inserted between the dielectric base substrate 11 and the laminated dielectric substrate 14.

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。   In the example of FIG. 3, a YBCO (Y-Ba-Cu-O-based) material is used as a superconductive material, and the superconductive resonator pattern 12 is formed as a two-dimensional circuit pattern (disk pattern).

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。   In the present specification and claims, the term “two-dimensional circuit pattern” or “two-dimensional circuit type pattern” is distinguished from a strip-shaped or line-shaped (one-dimensional) pattern, and is circular, elliptical, It shall mean a plane figure type pattern such as a square.

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。   As the dielectric base substrate 11, any dielectric substrate having a dielectric constant of 8 to 10 at a frequency of 3 to 5 GHz can be used other than the MgO single crystal substrate.

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。   One of the input / output feeders 13 is used as a signal input, and the other is used as a signal output. These feeders 13 are respectively connected to an input connector and an output connector 22 provided on the metal package 21. A ground electrode (ground film) 24 is formed on the back surface of the dielectric base substrate 11.

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。   A second dielectric substrate 14 such as a LaAlO 3 single crystal is mounted on top of the dielectric base substrate 11 (hereinafter referred to as “laminated dielectric substrate 14”). A conductive disk pattern 15 for coupling or dual mode generation is formed on one surface of the laminated dielectric substrate 14 (on the upper surface side in the example of FIG. 3B).

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。   As the laminated dielectric substrate 14, any substrate having a dielectric constant exceeding 20 can be used other than the LaAlO3 single crystal substrate. Further, it is desirable that both surfaces of the substrate are smooth and have a thermal expansion coefficient similar to that of the dielectric base substrate 11 at a low temperature.

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。   A piezoelectric element 16 is provided on the other surface of the multilayer dielectric substrate 14. In the example of FIG. 3A, the piezoelectric elements 16 are provided at the four corners of the laminated dielectric substrate 14 and are connected to the bias voltage applying wires 19, respectively. The bias voltage applying wire 19 is connected to an external voltage applying means (not shown) through a through hole (not shown) formed in the metal package 22. A voltage is independently applied to the piezoelectric elements 16 via the corresponding bias voltage application wires 19 to control the distance between the superconducting resonator pattern 12 and the laminated dielectric substrate 14.

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。   FIG. 4 shows a configuration example of the piezoelectric element 16. FIG. 4A shows a piezoelectric element using a thickness expansion / contraction mode. A piezoelectric film 17 is sandwiched between the pair of electrode films 18. The electrode film 18 is made of Pt or SrRuO3, and the piezoelectric film 17 is made of PZT or BaTiO3. This piezoelectric element expands and contracts in the thickness direction of the piezoelectric film as indicated by an arrow when a voltage is applied.

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。   FIG. 4B shows a stacked piezoelectric element. A plurality of piezoelectric thin plates 17 are laminated, and each piece is alternately laminated and fixed so that the polarization in the thickness direction is reversed. The internal electrodes 18b extend from the pair of external electrodes 18a in an interdigital manner parallel to the piezoelectric (ceramic) layers 17. By reducing the thickness per layer of the piezoelectric layer 17, the voltage can be lowered, and by stacking, the total amount of displacement can be earned. The displacement direction due to the application of voltage is the stacking direction indicated by the arrows.

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。
The displacement amount ΔL in this case is
ΔL = d 33 × n × V
It is represented by Here d 33 is the piezoelectric constant of the longitudinal effect, n represents the number of lamination, V is a driving voltage. If a material having a large piezoelectric constant is used, the total number of stacked layers and the driving voltage can be reduced compared to the case where the same displacement can be obtained, which is advantageous for downsizing.

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。 As a material capable of obtaining a large piezoelectric constant, PZT + 3.60 × 10 12 m / V, Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 —PbTiO 3 —PbZrO 3 solid solution (PNN-PT-PZ) +5 70 × 10 12 m / V is obtained. When the latter is used, the actual film thickness is 20 μm as a single film, and the film thickness of the electrode is 1 to 2 μm. When the driving voltage is about 20 V, 100 layers are required to obtain a displacement of 1 μm or more, and the piezoelectric element 16 is formed by forming a metal film having a thickness of 101 to 202 μm on a total of 2 mm of the piezoelectric film.

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。   In order to accommodate the thickness of the piezoelectric element 16, as shown in FIG. 4 (b), a concave portion 11a is formed at a corresponding portion of the dielectric base substrate 11 and / or the laminated dielectric substrate 14, and the concave portion 11a is formed in the concave portion 11a. The piezoelectric element 16 is disposed.

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。   In the embodiment, piezoelectric elements 16 are provided at the four corners of the laminated dielectric substrate 14 and mounted on the dielectric base substrate 11. As a manufacturing process of the superconducting filter device 10 in this case, a two-dimensional circuit type resonator pattern 12 is formed of a superconducting material on the dielectric base substrate 11. On the other hand, a conductor pattern 15 for generating a dual mode (or coupling) is formed on one surface of the multilayer dielectric substrate 14, and a piezoelectric element 16 is formed or disposed on the other surface. Then, the laminated dielectric substrate 14 is mounted on the dielectric base substrate so that the surface on which the piezoelectric element 16 is formed faces the superconducting resonator pattern 12.

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。   Alternatively, the piezoelectric element 16 may be provided on the dielectric base substrate 11 on which the superconducting resonator pattern 12 is formed. In this case, a two-dimensional circuit type resonator pattern 12 is formed of a superconducting material on the dielectric base substrate 11, and a plurality of resonator patterns 12 are formed around the resonator pattern 12 (for example, four corners on the substrate 11). The piezoelectric element 16 is formed or arranged. On the other hand, a conductor pattern 15 for generating a dual mode (or coupling) is formed on the laminated dielectric substrate 14. Then, the laminated dielectric substrate 14 is mounted on the piezoelectric element 16.

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。   When the latter method is employed, if alignment marks are formed at the four corners of the multilayer electric substrate 14 on the formation surface side of the dual mode generating conductor pattern 15, the dual mode generating conductor pattern 15 also has an alignment function.

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。   When the distance between the laminated dielectric substrate 14 on which the dual-mode generating conductor 15 is formed and the superconducting resonator pattern 12 changes due to expansion and contraction of the piezoelectric element, the degree of interference between the center frequency and the electromagnetic field modes of each other (Coupling), that is, the bandwidth is different.

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。   5 and 6 are graphs showing filter characteristics when the distance between the laminated dielectric substrate 14 on which the dual-mode generating conductor pattern 15 is formed and the superconducting resonator pattern 12 is changed. In the simulation, an 18 × 18 × 0.5 mm LaAlO 3 single layer is formed above a sample in which a disk-type superconducting resonator pattern 12 having a diameter of 12.8 mm is formed on a 20 × 20 × 0.5 mm MgO single crystal substrate 11. A sample in which a disk-type dual mode generating conductor pattern 15 having a diameter of 3.8 mm was formed on the crystal substrate 14, and the distance between the superconducting resonator pattern 12 and the LaAlO3 single crystal substrate was changed.

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。   FIGS. 5A to 5D show the case where the distance between the multilayer dielectric substrate 14 on which the dual mode generating conductor 15 is formed and the superconducting resonator pattern 12 is 0 μm, 1 μm, 3 μm, and 5 μm, respectively. 6 (a) to 6 (d) are filter characteristics when the intervals are set to 7 μm, 10 μm, 15 μm, and 20 μm, respectively. In each graph, practice shows reflection characteristics (S11), and wavy lines show transmission characteristics (S21).

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。   It can be seen that as the laminated dielectric substrate 14 is moved away, the center frequency increases and the bandwidth decreases. This is because the effective dielectric constant of the filter is lowered by separating the multilayer dielectric 14 having the dual mode generating conductor pattern 15 from the superconducting resonator pattern 12, and the influence of coupling between two degenerate modes is increased. It means smaller.

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。   When this is used, for example, the laminated piezoelectric element 16 shown in FIG. 4B is accommodated in the recess 11a provided in the dielectric base substrate 11 or the laminated dielectric substrate 14, and the voltage applied to each piezoelectric element is set. By controlling, the center frequency and the bandwidth can be finely adjusted.

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。   As described above, according to the present invention, in the superconducting filter device, not only the center frequency but also the bandwidth can be adjusted with high accuracy, so that desired filter characteristics can be obtained. In addition to improving the manufacturing yield, there is an effect that the range of application to the tunable filter is expanded.

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。   Although the present invention has been described based on specific embodiments, the present invention is not limited to these examples.

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。   For example, in the embodiment, a YBCO thin film is used as the superconducting material, but any oxide superconducting material can be used. For example, an RBCO (R—Ba—Cu—O) -based thin film, that is, a superconducting material using Nd, Sm, Gd, Dy, and Ho instead of Y (yttrium) as the R element may be used. Also, BSCCO (Bi-Sr-Ca-Cu-O) system, PBSCCO (Pb-Bi-Sr-Ca-Cu-O) system, CBCCO (Cu-Bap-Caq-Cur-Ox, 1.5 <p <2.5, 2.5 <q <3.5, 3.5 <r <4.5) may be used for the superconducting material.

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。   The dielectric base substrate 11 is not limited to the MgO single crystal substrate, and for example, a LaAlO 3 substrate, a sapphire substrate, or the like may be used. The laminated dielectric substrate 14 is not limited to a LaAlO 3 substrate, and may be, for example, an NdGaO 3 substrate, an LSAT substrate, a LaSrGaO 4 substrate, a LaGaO 3 substrate, a YSZ substrate, or the like.

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。
Finally, the following notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) a first dielectric substrate;
A two-dimensional circuit type resonator pattern formed of a superconducting material on the first dielectric substrate;
A second dielectric substrate positioned above the resonator pattern and having a conductor pattern for generating coupling;
A superconducting filter device comprising: a piezoelectric element inserted between the first and second dielectric substrates.
(Appendix 2) The piezoelectric elements are located at four corners between the first and second dielectric substrates,
The superconducting filter device according to appendix 1, further comprising voltage applying means for individually applying a voltage to each piezoelectric element.
(Additional remark 3) It further has a means to apply a voltage to the said piezoelectric element, The distance between the said 2nd dielectric substrate and the said resonator pattern is changed by the voltage application to the said piezoelectric element, and, thereby, a filter The superconducting filter device according to appendix 1, wherein a center frequency and a bandwidth of the superconducting filter are controlled.
(Supplementary Note 4) The piezoelectric element is a laminated piezoelectric element,
The superconducting filter device according to appendix 1, wherein at least one of the first dielectric substrate and the second dielectric substrate has a recess for accommodating the thickness of the piezoelectric element.
(Supplementary Note 5) The superconducting device according to any one of Supplementary Notes 1 to 4, wherein the conductor pattern that generates the coupling is formed of a superconducting material.
(Appendix 6) A two-dimensional circuit type resonator pattern is formed on a first dielectric substrate with a superconducting material,
A conductor pattern for generating coupling is formed on one surface of the second dielectric substrate, and a piezoelectric element is formed on the other surface;
A method of manufacturing a superconducting filter device, wherein the second dielectric substrate is mounted on the first dielectric substrate so that a surface on which the piezoelectric element is formed faces the resonator pattern. .
(Appendix 7) On a first dielectric substrate, a superconducting material is used to form a two-dimensional circuit type resonator pattern and a plurality of piezoelectric elements positioned around the resonator pattern,
Forming a conductor pattern for generating coupling on the second dielectric substrate;
A method of manufacturing a superconducting filter device, wherein the second dielectric substrate is mounted on the piezoelectric element.
(Supplementary note 8) The method for producing a superconducting filter device according to supplementary note 7, wherein an alignment mark is formed on the surface of the second dielectric substrate 14 on which the conductor pattern 15 is formed.
(Supplementary Note 9) A two-dimensional circuit type resonator pattern is formed of a superconducting material on a first dielectric substrate,
Forming a conductor pattern for generating coupling on the second dielectric substrate;
Forming a recess in a plurality of locations of at least one of the first dielectric substrate and the second dielectric substrate;
A laminated piezoelectric element is disposed in the recess,
A method of manufacturing a superconducting filter device, wherein the second dielectric substrate is mounted on the first dielectric substrate.

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。It is a schematic block diagram of RF front end of a mobile communication base station. 従来のチューナブル超伝導フィルタの構成図である。It is a block diagram of the conventional tunable superconducting filter. 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。It is a schematic block diagram of the superconducting filter which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structural example of the piezoelectric element provided in the superconducting filter of FIG. 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。It is the simulation result (the 1) which shows the filter characteristic when the distance between a superconducting resonator pattern and a laminated dielectric substrate is changed. 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。It is the simulation result (the 1) which shows the filter characteristic when the distance between a superconducting resonator pattern and a laminated dielectric substrate is changed.

符号の説明Explanation of symbols

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
10 Superconducting filter device 11 Dielectric base substrate (first dielectric substrate)
11a Concave portion 12 Superconducting resonator pattern 13 Feeder (signal input / output line)
14 Multilayer dielectric substrate (second dielectric substrate)
15 Dual-mode (coupling) generating conductor pattern 16 Piezoelectric element

Claims (5)

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。
A first dielectric substrate;
Co vibrator pattern formed of a superconducting material on said first dielectric substrate,
A second dielectric substrate positioned above the resonator pattern and having a dual-mode generating conductor pattern for generating two resonance modes in the resonator pattern;
A superconducting filter device comprising: a piezoelectric element inserted between the first and second dielectric substrates.
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。
The piezoelectric elements are located at four corners between the first and second dielectric substrates,
2. The superconducting filter device according to claim 1, further comprising voltage applying means for individually applying a voltage to each of the piezoelectric elements.
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。 The superconducting device according to claim 1, wherein the conductor pattern for generating the dual mode is made of a superconducting material. 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。
A first dielectric substrate to form a co-acoustic transducer pattern of a superconducting material,
A conductor pattern for generating a dual mode for generating two resonance modes in the resonator pattern is formed on one surface of the second dielectric substrate, and a piezoelectric element is formed on the other surface;
A method of manufacturing a superconducting filter device, wherein the second dielectric substrate is mounted on the first dielectric substrate so that a surface on which the piezoelectric element is formed faces the resonator pattern. .
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。
A first dielectric substrate, a co-acoustic transducer pattern in superconducting material, a plurality of piezoelectric elements located around the resonator pattern formed,
Forming a dual-mode generating conductor pattern on the second dielectric substrate for generating two resonance modes in the resonator pattern;
A method of manufacturing a superconducting filter device, wherein the second dielectric substrate is mounted on the piezoelectric element.
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