JP4879211B2 - Tunable filter device and tuning method - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a tunable filter device used in a radio base station and the like, and a tuning method thereof.
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。 In recent years, with the rapid development of wireless communication, high-speed and large-capacity transmission technology has become indispensable. A microstrip line type superconducting filter using a high-temperature superconductor as a wiring material has a possibility of realizing a small and high-performance filter, and is expected to be put to practical use.
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。 Superconductors have a very small surface electrical resistance even in a high-frequency region such as microwaves, compared to normal electrical good conductors. Therefore, in the reception filter (resonator filter) using the superconducting material, a microstrip line type filter is configured by arranging a plurality of resonators 102a to 102i on the dielectric substrate 11, as shown in FIG. Even so, the transmission loss can be reduced. The resonators 102a to 102i are arranged so that signals propagating through the signal input / output lines 103a and 103b are electromagnetically coupled. The greater the number of resonators 102, the better the frequency cutoff characteristics, and the frequency resources can be used effectively.
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。 However, when used as a transmission filter, a signal having high output power is required because a signal having a high output is passed through a transmission amplifier. This is because if a signal with a large electric power is passed through a bent filter as shown in FIG. 1A, current concentrates on the bent portion of the resonator, and the superconducting state cannot be maintained due to a temperature rise due to heat generation. As a result, desired filter characteristics cannot be obtained, and the superconducting wiring itself may be broken.
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。 For this reason, as shown in FIG. 1B, it is conceivable that the resonator 112 is formed in a shape without a bent portion, such as a disk type, and a plurality of these are arranged (112a to 112n) to produce a filter. However, if the same number of resonators as in FIG. 1A are arranged, the filter itself becomes large, and the burden on the refrigerator is unavoidable.
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。 Therefore, in order to reduce the size, as shown in FIG. 1C, a groove or notch 125 is provided in a part of the disk-type resonator 122, and the positional relationship between the input / output terminals (signal input / output lines) 103a and 103b. Has been proposed to generate two resonances in one disk as shown by the orthogonal arrows in the figure (for example, see Non-Patent Document 1). By using this method, the number of resonators can be reduced.
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。 However, in any of the above-described methods, in order to confirm the transmission characteristics, it is necessary to prototype a superconducting filter, cool it, and actually measure the characteristics. If the characteristics are deviated, it is necessary to repeat the prototype until the desired characteristics are obtained by performing the prototype again and executing the same procedure.
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)。
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。 The technique of tuning by applying voltage from the outside to the dielectric material constituting the microstrip line type resonator filter requires an external power supply and a wiring structure for bias application. It is an object of the present invention to provide a filter device that can be tuned during the measurement of characteristics after trial manufacture of a filter with a simple configuration and technique without applying a voltage from the outside. It is another object of the present invention to provide such a tuning method.
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。 In order to solve the above problems, a tunable filter device is arranged such that a dielectric or a conductor is movable along the circumference of a superconducting disk pattern formed on a dielectric substrate. Have a configuration.
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。
In the first aspect, the tunable filter device comprises:
A superconducting disk pattern formed on a dielectric substrate;
A dual mode generating member disposed on the circumference of the superconducting disk pattern and in close proximity to the superconducting disk pattern;
Rotating means for moving the dual mode generating member along the circumference of the superconducting disk pattern;
Is provided.
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。 In a preferable configuration example, the tunable filter device is accommodated in a package, and the rotating means includes a rotating shaft that can be controlled to rotate from the outside of the package, and the dual mode generating member connected to the rotating shaft. A rotating plate to be moved.
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。
In the second aspect, the tuning method is:
A dielectric or conductor dual mode generating member is arranged on the circumference of a disk-shaped resonator formed of a superconducting material,
Transmit a signal to the resonator in a cooling environment, measure its transmission characteristics,
According to the measurement result, the dual mode generating member is moved along the circumference to adjust the transmission characteristics.
Process.
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。 With the above configuration and method, it is not necessary to repeat trial manufacture in order to obtain desired filter characteristics. Further, an external power supply voltage and a wiring structure for bias application are not required. By simply adjusting the position of the dual mode generating member arranged on the circumference of the superconducting pattern along the circumference, the frequency cutoff characteristic can be made variable.
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。 Hereinafter, preferred embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a basic configuration diagram of the tunable filter device 10 according to one embodiment of the present invention. As shown in the basic conceptual diagram of FIG. 2A, a resonator 12 and signal input / output lines 13a and 13b are formed on a dielectric substrate 11 with a superconducting material. The signal input line (for example, 13a) has a crescent-shaped port 18a facing the resonator 12, and the signal output line (for example, 13b) arranged at a position perpendicular to the signal input line 13a is facing to the resonator 12. A crescent-shaped port 18b. The resonator 12 and the signal input / output lines 13a and 13b are collectively referred to as a superconducting pattern. On the back surface of the dielectric substrate 11, a ground film 14 is formed of a superconducting material, as shown in FIGS. 2B and 2C.
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。 The resonator 12 has a disk shape in order to avoid current concentration when a high frequency signal is passed. A dual mode generating member 15 is disposed on the circumference of the resonator 12. The dual mode generating member 15 is formed of a dielectric or a conductor and is movable along the circumference of the resonator 12. In this example, the dual mode generating member 15 is configured as a dual mode generating rod 15. In the example of FIG. 2B, a rotating shaft 19 and a rotating plate 17 fixed to the rotating shaft 19 are used as a rotating mechanism that moves the dual mode generating rod 15 along the circumference of the resonator 12. The rotating shaft 19 and the rotating plate 17 are also made of a dielectric or a conductor. When the dual mode generating rod 15 and the rotating plate 17 are made of a dielectric, Al2O3, MgO, LaAlO3, sapphire, TiO2, or the like can be used.
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。 The dual mode generating rod 15 is fixed to the end of the rotating plate 17 and moves in the circumferential direction by the rotation of the rotating shaft 19. In this example, the height position (vertical position) of the rotating plate 17 with respect to the resonator 12 is constant regardless of the rotation of the rotating shaft 19, and the rotating plate 17 rotates in the same horizontal plane. The dual mode generating rod 15, the rotating plate 17, and the rotating shaft 19 constitute a dual mode generating adjusting mechanism 21.
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。 In one example, the position where the tip of the dual mode generating rod 15 touches or does not touch the surface of the resonator 12, that is, the distance between the resonator 12 and the tip of the dual mode generating rod 15 is 0.1 mm or less. The dual mode generation adjusting mechanism 21 is designed and arranged to move the dual mode generation rod 15 in the circumferential direction.
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。 As a good example, in order to reduce the influence of friction or the like on the resonator 12, a protective film 16 covering at least the resonator 12 portion is provided on the dielectric substrate 11, as shown in FIG. The protective film 16 is, for example, a resin thin film having a low dielectric constant such as polyimide, or any commercially available low dielectric constant film. When the rotating shaft 19 rotates as shown by the arrow A, the tip of the dual mode generating rod 15 moves on the circumference of the resonator 12 in contact with the protective film 16.
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。 When a foreign substance such as a dielectric or a conductor is brought close to or in contact with the disk-type resonator 12, two resonance modes are generated with one resonance pattern. By combining two resonances, the resonance peak becomes prominent, and the same effect as that obtained by arranging the disk type resonators in two stages can be obtained. A dielectric or conductor for generating two resonances is referred to as a dual mode generating member (rod) 15. When the dual mode generating rod 15 is moved along the circumference of the resonator 12, the degree of coupling between the two resonances changes, and attenuation poles appear or disappear outside the band of the filter. For this reason, the steepness of the transmission profile, that is, the bandwidth can be changed.
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。 FIG. 3 is a schematic diagram of the filter characteristic tuning of the tunable filter device 10 of FIG. In the tuning configuration 40, the tunable filter device 10 is accommodated in the metal package 41 so that the rotating shaft 19 of the dual mode generation adjusting mechanism 21 (see FIG. 3) passes through the upper lid of the metal package 41 for high frequency shielding. The The metal package 41 is installed on a cold plate 43 in the vacuum vessel 42. The cold plate 43 is connected to an external refrigerator (not shown) via the refrigerator expansion unit 44.
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。 The coaxial connector 32 of the metal package 41 is connected to one of the signal input / output lines 13 (for example, the signal input line 13a) via connection means 34 such as wire bonding. The other signal input / output line (for example, signal output line) is connected to another coaxial connector (not shown in FIG. 3) provided in the metal package 41. These coaxial connectors 32 are connected to a network analyzer (not shown) outside the vacuum vessel 42 via a coaxial cable (not shown), and the superconducting filter device 10 in the metal package 41 is cooled, so that its transmission characteristics are improved. Can be measured.
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。 A rotary head 22 is provided at the tip of the rotary shaft 19 that passes through the metal package 41 and protrudes to the outside. The rotation angle of the rotary shaft 19 is adjusted from the outside of the vacuum vessel 42 by adjusting means such as a driver 23 penetrating the ceiling of the vacuum vessel 42. Thereby, the dual mode generating rod 15 can be moved along the circumference of the resonator 12, and the transmission characteristic of the superconducting filter device 10 can be adjusted.
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。 FIG. 4 is a basic configuration diagram of a tunable filter device 20 which is a modification of FIG. In the configuration of FIG. 4, the superconducting pattern of FIG. 4A (including the resonator 12 and the input / output lines 13a and 13b having the ports 18a and 18b) is the same as that of FIG. The configuration of 31 is different. That is, the rotating shaft 29 shown in FIGS. 4B and 4C is a screw-type rotating shaft, and the height position (vertical position) of the rotating plate 27 with respect to the resonator 12 as the rotating shaft 29 rotates. ) H changes. The center frequency of the tunable filter device 20 can be adjusted by changing the height h of the rotating plate 27 with respect to the resonator 12. Specifically, when the rotating plate 27 descends and approaches the resonator 12, the dielectric constant of the space viewed from the resonator 12 changes, and the resonance frequency shifts to a lower side.
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。 The dual mode generating rod 25 passes through an opening 27 </ b> A provided in the vicinity of the circumference of the rotating plate 27. The diameter of the dual mode generating rod 25 is set to a size that causes slight play with respect to the opening 27A. Therefore, when the rotating shaft 29 indicated by the arrow A rotates, the rotating plate 27 descends and rises along the dual mode generating rod 25 as indicated by the arrow B, and the contact state between the dual mode generating rod 25 and the protective film 16 is as follows. The rotation plate 27 is properly maintained without hindering the vertical movement of the rotation plate 27.
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。 FIG. 5 is a schematic diagram of the filter characteristic tuning of the tunable filter device 20A obtained by further modifying the tunable filter device 20 of FIG. In the tuning configuration 50, the dual mode generating rod 25 of the tunable filter device 20 </ b> A has a flange 35, and a spring 26 is inserted between the flange 35 and the rotating plate 27. Even if the rotating plate 27 is lowered and raised by the rotation of the screw-type rotating shaft 29 and the rotating shaft 29, the pressure of the dual mode generating rod 25 against the resonator 12 or the protective film 16 (see FIG. 4C) by the spring 26. Can be kept constant.
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。 The basic configuration of tuning is the same as in FIG. 3, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. According to the transmission characteristic measurement result of the tunable filter device 20A under cooling, the screw-type rotary shaft 29 is rotated by an adjusting means such as a driver 23, and the height position of the rotary plate 27 and the dual mode generating rod 25 Both the rotational positions or only the height position of the rotating plate 27 is changed.
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。 When only the height position of the rotating plate 27 is changed, the dual mode generating rod 25 is set at a fixed position, for example, a point symmetrical position with respect to the orthogonal signal input / output lines 13a and 13b (see FIG. 4). , The height of the rotating plate 27 can be changed without changing the position of the dual mode generating rod 25. The amount of change in the height position due to one round of rotation is determined by the thread pitch of the screw-type rotary shaft 29. For example, the height h of the rotating plate 27 can be changed to 0.25 mm and 0.4 mm by one rotation according to the pitch dimension of the screw.
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。 FIG. 6 is a diagram illustrating an electromagnetic field simulation model for evaluating characteristics of the tunable filter device according to the embodiment and a measurement result thereof. The model in FIG. 6A is a simulation model for single mode evaluation in which no dual mode generating member is arranged.
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。 First, on a single crystal MgO substrate 11 (relative permittivity 9.7) having a thickness of 0.5 mm and a planar size of 20 mm × 20 mm, a YBCO thin film that is an oxide superconducting material is used in a 5 GHz band (diameter 11.8 mm). The superconducting pattern 61 including the disk resonator 12 and the signal input / output lines 13a and 13b is formed. The back surface of the MgO substrate 11 is covered with a complete conductor to form a ground film 14. Assuming a package for high-frequency shielding as shown by the dotted line, a complete conductor top plate 62 is installed at a height of 20 mm from the surface of the MgO substrate 11. The dielectric substrate 11 on which the superconducting pattern 61 is formed is not limited to the MgO substrate, and any dielectric substrate having a small dielectric loss can be used.
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。 FIG. 6B is a simulation result of the transmission characteristics by the model of FIG. As shown in FIG. 6A, when no foreign substance such as a dielectric or a conductor is disposed on the disk resonator 12 and the port 2 is disposed at a right angle to the port 1, the reflection characteristic S11 and the transmission characteristic are obtained. As indicated by S21, a resonance waveform cannot be obtained. Although not shown, when the port 2 is disposed in the horizontal direction with respect to the port 1 as shown in FIG. 1B, a resonance waveform appears at about 5 GHz with the diameter of the resonator 12 being λ / 2.
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。 Next, in order to generate two resonances with one resonator pattern, a position of + 45 ° counterclockwise from the extension line 71 of the input port 1 of the disk-type resonator 12 as shown in FIG. An MgO block 65 of 2 × 2 × 0.2 mm is disposed on the surface. The MgO block 65 is a dielectric block for generating a dual mode. Similar to FIG. 6A, a top plate 62 is installed at a height of 20 mm from the disk resonator 12 to make it equivalent to a high frequency shield package.
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。 The transmission characteristics of this model are shown in FIG. In S11 and S21, two resonance peaks appear. This is because the signal input from port 1 is degenerated in the disk, but is perturbed by the MgO block 65 to generate two resonance modes, and at port 2, the two resonances are coupled. This is because the result appears as a filter characteristic. The dielectric block 65 as the dual mode generating member 15 can generate two resonance modes as long as it has a constant dielectric constant. Particularly, the dielectric block 65 has a high dielectric constant and a low dielectric loss. TiO2 is an effective material. The generation of the two resonance modes can also be realized with a metal material.
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。 FIG. 8 is a diagram of a simulation model in which the position of the dielectric block 65 for generating the dual mode is different from that in FIG. In this model, the dielectric block 65 is arranged at a position of −45 ° counterclockwise with respect to the extended line 71 of the port 1 (that is, a position of 45 ° clockwise). FIG. 9 is a graph showing the result of comparing the transmission characteristics of the model of FIG. 8 with the transmission characteristics of the model of FIG. FIG. 9 shows that the steepness of the filter characteristics varies depending on the position of the dielectric block 65.
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。 When the dielectric block 65 is arranged at a position of + 45 ° (a point-symmetrical position with respect to the ports 1 and 2) as shown in FIG. 7 (a), attenuation poles are present at both ends of the band as shown by the dark solid lines. As shown in FIG. 8, when the dielectric block 65 is arranged at a position of −45 ° as shown in FIG. 8, the attenuation pole disappears and the characteristics become gentle as shown by a thin solid line. 7A and 8 show the case where there is one disk type resonator 12, the same effect can be obtained even if the number of disks is increased.
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。 FIG. 10 is a schematic diagram of a simulation model in the case where a 2 × 2 mm Au film 75 is arranged in place of the dielectric block 65 in FIGS. 7A and 8. In FIG. 10A, the Au film 75 as a conductor is disposed at a position + 45 ° from the extension line 71 of the port 1. In FIG. 10B, an Au film 75 having the same shape and size is disposed at a position of −45 °. Since the other components are the same as those in FIGS. 7A and 8, the same reference numerals are given and the description thereof is omitted.
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。 FIGS. 11A and 11B are graphs of transmission characteristics corresponding to the models of FIGS. 10A and 10B. When a conductor is used as the dual mode generating member, the attenuation pole appears at both ends of the band at 45 ° position, and the characteristics become steep at the position of 45 °, but the attenuation pole disappears at the position of −45 °. And the characteristic becomes gentle.
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。 As described above, the transmission characteristics can be changed depending on the circumferential position of the disk-type resonator 12. Even in the case where they are arranged at the same + 45 ° position, there are characteristics deviations due to patterning accuracy errors of the superconducting pattern 61 and variations in the thickness of the dielectric substrate 11, so that the tuning configuration shown in FIGS. It is possible to make adjustment while confirming actual transmission characteristics so as to show desired filter characteristics.
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。 The superconducting filter devices 10, 20, 20 </ b> A whose characteristics have been adjusted can contribute to miniaturization because no complicated adjustment structure remains on the metal package 41. As a method for adjusting a superconducting filter with cooling, the load on the cooler can be reduced.
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。 Although specific embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, different characteristics can be obtained by changing the dimensions and materials of the dielectric block 65 and the conductor pattern 75. Accordingly, a plurality of types of rods having different materials and different dimensions are prepared for the dual mode generating rods 15 and 25 in the configurations of FIGS. 2 and 4 (in the case of FIG. 4, the rotating plate 27 also has different opening sizes). A plurality of types may be prepared so as to have the same), and a replaceable configuration may be adopted.
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)
10, 20, 20A Tunable filter device 11 Dielectric substrate 12 Resonator (superconducting disk pattern)
13a, 13b Signal input / output line 14 Ground film 15, 25 Dual mode generating member (dual mode generating rod)
16 Protective films 17, 27 Rotating plate 27A Openings 18a, 18b Input / output ports 19, 29 Rotating shafts 21, 31 Dual mode generation adjusting mechanism 22 Rotating head 23 Adjusting means (driver)
40, 50 Tuning configuration 41 Metal package 42 Vacuum vessel 43 Cold plate 61 Superconducting pattern 65 Dielectric block (MgO block)
75 Conductive film (Au film)
Claims (6)
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。 A superconducting disk pattern formed on a dielectric substrate;
A dual mode generating member disposed on the circumference of the superconducting disk pattern and in close proximity to the superconducting disk pattern;
Rotating means for moving the dual mode generating member along the circumference of the superconducting disk pattern;
The dual mode generating member is a dielectric or conductive rod extending from the rotating plate of the rotating means to the circumference of the superconducting disk pattern, and the rotating means includes a tip of the rod and the circle. A tunable filter device that moves the dual mode generating member along the circumference with a constant distance to the circumference .
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。 A package containing the tunable filter device;
Further comprising
Said rotating means includes a rotating shaft capable of rotation control from the outside of the package, that connected to said rotary shaft and a said rotary plate for movably holding said dual-mode generating member along said circumference The tunable filter device according to claim 1 .
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、And the rotating means moves the dual mode generating member along the circumference from the outside of the first container,
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、A second container containing the first container and the rotating means;
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Rotation adjusting means for adjusting the rotation of the rotating means from the outside of the second container;
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。The tunable filter device according to claim 1, further comprising:
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。 A dual mode generating member formed of a dielectric or conductive rod extending from a rotating plate is disposed on the circumference of a disk-shaped resonator formed of a superconductive material,
Transmit a signal to the resonator in a cooling environment, measure its transmission characteristics,
According to the measurement result, the transmission characteristics are controlled by controlling the rotating plate and moving the dual mode generating member along the circumference with a constant distance between the tip of the rod and the circumference. adjust,
A tuning method characterized by that.
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