JP6178266B2 - 断熱導波路 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、マイクロ波信号を伝送する断熱導波路に関する。

超伝導フィルタや低雑音増幅器などのように常温（３００Ｋ付近）との温度差が１５０Ｋ以上となるような極低温で動作させるデバイスにマイクロ波信号を入力、あるいは、これらのデバイスからマイクロ波信号を出力する際に、常温と極低温との間でマイクロ波を導波する必要がある。極低温環境を維持するには、外部からの熱流入を抑制することが望ましいため、熱流入は抑制しつつマイクロ波は低損失で導波する断熱導波路が必要になる。そのような断熱導波路としては、導波管の途中に空隙を設けた断熱導波路が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０−１５４３９２号公報

ところが、上記のような断熱導波路は、導波管であるためにその断面積が大きく、高背であり、小型化に適さないという問題がある。導波管の断面積を小さくするためには導波管内部に誘電体を装荷する方法（誘電体装荷型ギャップ導波管）も知られているが、この場合には一般的に金属に比べて放射率の大きい誘電体間の熱輻射によって、熱流入量が増大してしまう。また、導波路として導波管を用いる場合には、導波管からフィルタや低雑音増幅器などの平面回路系に変換する際に、ミスマッチによって損失が増大する問題もある。したがって、小型でありながら熱流入量が小さく、マイクロ波の伝送損失も小さい、断熱導波路が求められている。

本実施形態の目的は、小型で、断熱性に優れ、低損失でマイクロ波を導波可能な断熱導波路を提供することにある。

本実施形態に係る断熱導波路は、高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、前記高温部に配置される第１の共振器と、前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、前記第１の共振器は、スロット共振器である。
また、本実施形態に係る他の断熱導波路は、高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、前記高温部に配置される第１の共振器と、前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、前記第１の共振器はアンテナに接続され、前記第２の共振器はフィルタに接続される。
さらに、本実施形態に係る他の断熱導波路は、高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、前記高温部に配置される第１の共振器と、前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、前記第２の共振器は複数の共振器からなり、そのうちの少なくとも１つの共振器が他の共振器と共にフィルタを構成する。

第１の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示す斜視図。 図１の断熱導波路に適用可能な共振器形状の例を示す図。 図１の断熱導波路のマイクロ波特性を表す図。 基板間の空隙と結合係数との関係を示す図。 Ｘ方向のオフセット距離と結合係数との関係を示す図。 Ｙ方向のオフセット距離と結合係数との関係を示す図。 図１の断熱導波路の周波数特性を拡大表示した図。 図７に示した通過特性を拡大表示した図。 第２の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示す斜視図。 図９の断熱導波路を構成する２枚の基板に温度差をつけるための構成図。 図９の断熱導波路のマイクロ波特性を表す図。 第３の実施形態として、第１又は第２の実施形態の断熱導波路を適用したマイクロ波受信システムの一例を示すブロック図。 従来の誘電体装荷型ギャップ導波管の構成例を示す斜視図。 図１３の断熱導波路の周波数特性を表す図。 図１４に示した通過特性を拡大表示した図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る断熱導波路を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示す斜視図である。

共振器１０１ａ（第１の共振器）は、例えば、上面にグランドプレーンを有する誘電体基板１０２ａの下面に形成されたマイクロストリップ型共振器である。ただし、図１においてグランドプレーンは共振器１０１ａを見易くするために記載を省略している。一例として、共振器１０１ａは、線路幅３．５ｍｍ、折り曲げ間隔１ｍｍの半波長ヘアピン形状である。また、この共振器１０１ａの共振周波数は約３ＧＨｚである。共振器１０１ａには入力線路１０３ａが接続されており、共振器１０１ａの共振モードを励起する。

共振器１０１ｂ（第２の共振器）は、例えば、共振器１０１ａと同じ形状のマイクロストリップ型共振器であり、下面にグランドプレーンを有する誘電体基板１０２ｂの上面に形成される。ただし、図１においてグランドプレーンは共振器１０２ｂを見易くするために記載を省略している。共振器１０１ｂには出力線路１０３ｂが接続されており、共振器１０１ｂに励起された共振モードをピックアップする。

また、図１に示すように、共振器１０１ａが形成された誘電体基板１０２ａと、共振器１０１ｂが形成された誘電体基板１０２ｂとは、空隙１０４を介して略平行に配置されており、空隙１０４を介して電磁界結合している。空隙１０４の長さは約１ｍｍである。ただし空隙１０４は、図１においては、共振器１０１ａ、１０１ｂの形状を見易く表示するため誇張して図示している。共振器１０１ａ、１０１ｂおよびグランドプレーンはすべて金薄膜を用いて形成されており、誘電体基板１０２ａ及び１０２ｂは、厚さ０．５ｍｍのアルミナ基板である。また、誘電体基板１０２ａは３００Ｋ付近の常温部に配置されており、共振器１０１ａもまた常温である。誘電体基板１０２ｂは冷凍機によって冷却された約７０Ｋの極低温部に配置されており、共振器１０１ｂもまた極低温である。

図２に、図１の断熱導波路に適用可能な共振器形状の例を示す。共振器１０１ａ及び１０１ｂの形状としては、図２に示したように、短冊型共振器２０１、メアンダ共振器２０２および２０３、スパイラル共振器２０４、ステップインピーダンス型ヘアピン共振器２０５、端部が櫛型のヘアピン共振器２０６など様々な形状が可能であり、かつ上記の共振器形状に限定されるものでもない。共振器の線路長は、導波路を導波させるマイクロ波の周波数における電気長にして、半波長の整数倍に形成される。つまり、導波路を導波させるマイクロ波の周波数において、上記のマイクロストリップ線路が共振条件を満足する長さとする。さらにマイクロストリップ共振器ばかりでなく、コプレナー共振器など他のタイプの平面型共振器や、空洞共振器、誘電体共振器などを用いることもできる。

図３に、図１の断熱導波路のマイクロ波特性を表す。図３のグラフの横軸は周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は通過量および反射量（ｄＢ）を示す。このグラフにおいて実線３０１が通過量（Ｓ２１）を示し、破線３０２が反射量（Ｓ１１）を示している。このグラフから図１の断熱導波路はおよそ３．０ＧＨｚから３．３ＧＨｚに通過帯域を持つ導波路であることが分かる。

図１の断熱導波路は、常温部に配置した入力側の共振器１０１ａと低温部に配置した出力側の共振器１０１ｂとが電磁的に結合することで、特定の周波数範囲の導波路として機能するものであり、例えば基板間隔である空隙１０４を小さくするなどして共振器間の結合強度を強めることで、周波数範囲（通過帯域）を広げることができる。ただし、その際に入力線路および出力線路とそれぞれの共振器との結合強度（外部Ｑ値）を所定の値に調整することで、通過帯域内の周波数特性を平坦にするとさらに望ましい。

図４乃至図６を用いて、共振器間の結合に関して説明する。図４に基板間の空隙と共振器間の結合係数との関係を示す。図４から共振器間の結合は、基板間の空隙が大きいほど小さくなることが分かる。これは、共振器間の距離が遠ざかるほど、一方の共振器の共振によって発生する電磁界で他方の共振器を励起することが困難になるためである。

つまり、結合は基板間隔が近いほど大きくなるため通過帯域の広さの観点からは、基板間隔が近い方が望ましい。しかしながら、実際の製造や使用を考慮すると、基板間隔が近いほど結合係数は基板間隔のずれに対して敏感になる。また、後述する図１２の応用例のように、上下の基板間に増幅器やフィルタを配置する場合にも、基板間隔が遠いほど、高背な素子を配置できる利点がある。これらのトレードオフから基板間隔である空隙１０４の長さを設定する。

図５に２つの共振器のうち一方の共振器をＸ方向にオフセットさせた場合の、オフセット距離と結合係数との関係を示す。結合係数はオフセットがゼロの場合が最も強く、オフセットが大きくなるほど結合係数は小さくなる。つまり、２つの共振器のオーバーラップする面積が大きいほど結合係数は大きい。

さらに図６に２つの共振器のうち一方の共振器をＹ方向にオフセットさせた場合の、オフセット距離と結合係数の関係を示す。この場合もＸ方向へオフセットさせた場合と同様に、結合係数はオフセットがゼロの場合が最も強く、オフセットが大きくなるほど結合係数は小さくなる。

以上述べたように、上記第１の実施形態では、所望の入力部と出力部とがそれぞれ高温部と低温部にある場合に、入力部に結合した共振器と出力部に結合した共振器とを空隙を介して電磁界結合させる。この様にすることで、入出力間の熱接触を断ちながら、低損失でマイクロ波を導波可能な断熱導波路を構成することができる。

ここで、図１に示す断熱導波路の通過（Ｓ２１）・反射（Ｓ１１）特性を、従来技術と比較する。

図７に、図１に示した断熱導波路の周波数特性を示す。グラフの実線が通過特性、破線が反射特性である。図８は、図７に示した通過特性を拡大表示したグラフを示したものである。図８によると、設計通過帯域である３ＧＨｚから３．３ＧＨｚにおいて、挿入損失は約０．２ｄＢ以下である。

図１３に図１の断熱導波路と比較するために用いた、従来技術である誘電体装荷型ギャップ断熱導波管の模式図を示す。この誘電体装荷型ギャップ導波管は、常温側に配置され内部に誘電体を装荷した導波管と、低温側に配置され内部に誘電体を装荷した導波管が、ギャップを介して縦方向に配置されており、さらに低温側に配置された導波管は、マイクロストリップ線路と接続されている。

図１４に上記の誘電体装荷型ギャップ導波管の周波数特性を示す。図１４において、実線が通過特性、破線が反射特性を示している。図１５に、図１４に示した通過特性を拡大表示したグラフを示す。図１５によると、設計通過帯域である３ＧＨｚから３．３ＧＨｚにおいて、挿入損失は約０．４ｄＢ以下である。

つまり、図１の断熱導波路を図１３の従来技術と比較すると、通過帯域における挿入損失は０．２ｄＢ以下であり、従来の誘電体装荷型ギャップ導波管を用いた場合０．４ｄＢにくらべておよそ半分であり、挿入損失を半減させる効果がある。また、共振器の面積は約８０平方ミリメートルであり、図１３の誘電体装荷型ギャップ導波管の断面積約１８０平方ミリメートルに対して半分以下となっており、小型化にも適している。さらに、熱流入量は誘電体装荷型ギャップ導波管の熱輻射による熱流入６７ｍＷに対して３３ｍＷであり、断熱性にも優れている。以上のことから、本実施形態の断熱導波路は従来技術の問題点であった、小型化、断熱性、マイクロ波損失のすべてに対して優位性を有する断熱導波路であることが明らかである。

上記の様な断熱導波路は、例えば常温部に配置したアンテナからのマイクロ波信号を、超伝導フィルタや低雑音増幅器などの極低温で動作するデバイスへ導波する際に有効である。また逆に、極低温で動作するデバイスにて処理したマイクロ波信号を、常温部に配置した信号処理回路などに伝送する場合にも用いることができる。極低温環境を簡便に実現するためには冷凍機を用いることが一般的であり、上記の様な断熱導波路を用いることで、冷凍機の熱負荷を下げ従来実現できなかった低い温度を実現することが可能となる。

共振器の形状としては、マイクロストリップ共振器などの平面回路型の共振器（平面型共振器）を用いても良い。平面型共振器を用いることで、さらに低背な断熱導波路を実現することができ、システム全体の小型化に寄与することができる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る断熱導波路の構成例を示す斜視図である。第２の実施形態では、常温部に配置される共振器として、スロット共振器を用いた例を示す。厚さ１ｍｍのアルミナ基板４０１の上面に金薄膜にて入力線路４０２が形成されている。基板４０１の下面にも金薄膜にてグランドプレーンが形成されている。グランドプレーンの一部はヘアピン形状に切り欠かれており、この部分がスロット共振器４０３を形成している。

本例のスロット共振器４０３の形状は、長さを短縮するために直線をコの字型に折り曲げたヘアピン形状であるが、折り曲げのない直線型や短冊型のスロットを用いても良いし、さらに折り曲げ回数を増やしたメアンダ型などにしても良い。

入力線路４０２は途中で９０度折り曲げられて、スロット共振器４０３の上部に達し、アルミナ基板４０１を介してスロット共振器４０３と電磁的に結合しており、このスロット共振器４０３を励起する。入力線路４０２の９０度の折り曲げ付近にある突起部はいわゆるスタブ構造であり、この長さを変えることによって入力線路４０２とスロット共振器４０３との結合強度が変化する。

アルミナ基板４０１の下部には空隙４０４を介して厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ基板４０９が配置されている。アルミナ基板４０１とＭｇＯ基板４０９とは略平行であり、空隙４０４の長さは約１ｍｍである。ＭｇＯ基板４０９の上面にはＹＢＣＯ超伝導薄膜にてメアンダ形状の共振器４０５および４０７が形成されている。また、ＭｇＯ基板４０９の下面にはＹＢＣＯ超伝導薄膜にてグランドプレーンが形成されているが、共振器形状を見易く表示するために、この図には記載していない。

メアンダ共振器４０５は、空隙４０４を介して上部のスロット共振器４０３と電磁的に結合しており、また、メアンダ共振器４０５および４０７にそれぞれ接続された櫛状の結合部４０６を介してメアンダ共振器４０７と結合している。スロット共振器４０３、メアンダ共振器４０５および４０７はすべて約３ＧＨｚにて１波長の共振器長を有する共振器である。メアンダ共振器４０７には出力線路４０８が接続されている。

また、アルミナ基板４０１は３００Ｋ付近の常温部に配置されており、スロット共振器４０３もまた常温である。ＭｇＯ基板４０９は冷凍機によって冷却された約７０Ｋの極低温部に配置されており、メアンダ共振器４０５および４０７もまた極低温である。

図１０に常温部と極低温部に温度差を付けるための配置を示す。ただし図９に説明した部分に関しては説明を省略する。極低温部は冷凍機にて冷却するため、熱流入量が冷凍機の冷凍能力を超えないように常温の外部環境から真空断熱する。真空断熱のための真空容器５０１の中には、冷凍機の冷却端部５０２が貫入しており、冷却端部５０２が極低温まで冷却される。ＭｇＯ基板４０９は冷却端部５０２上に配置されている。一方アルミナ基板４０１は、真空容器５０１の天井部に配置されており、アルミナ基板４０１自身が真空容器５０１を真空封止する蓋の役目を果たしている。真空容器５０１の外壁は常温であるからアルミナ基板４０１もまた常温である。

図１１に、図９の断熱導波路のマイクロ波特性を示す。図１１のグラフの横軸は周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は通過量および反射量（ｄＢ）を示す。このグラフにおいて実線６０１が通過量（Ｓ２１）を示し、破線６０２が反射量（Ｓ１１）を示している。このグラフから図９の断熱導波路はおよそ３．０ＧＨｚから３．４ＧＨｚに通過帯域を持つ導波路であることが分かる。

図９の断熱導波路は、３つの結合した共振器４０３、４０５、４０７を入出力線路の間に設けることによって、３段のチェビシェフフィルタに相当する帯域通過特性を有する断熱導波路となっている。つまり、断熱性能を有する導波路と帯域通過フィルタとが一体化した構成である。図９の断熱導波路を図１３の従来技術と比較すると、通過帯域における挿入損失は０．２３ｄＢ以下であり、従来の誘電体装荷型ギャップ導波管を用いた場合０．４ｄＢにくらべておよそ半分である。また、導波路に相当する部分の共振器の面積は約５３平方ミリメートルであり、図１３の誘電体装荷型ギャップ導波管の断面積約１８０平方ミリメートルに対して３０％程度となっており、小型化にも適している。さらに、熱流入量は誘電体装荷型ギャップ導波管の熱輻射による熱流入６７ｍＷに対して７ｍＷであり、図１の場合に比べて断熱性には特に優れている。この優れた断熱性はスロット共振器を用いる場合の特徴であり、金属部分が常温のアルミナ基板の下面の大半を覆っているために、基板下面の放射率が低く、輻射による熱流入を抑制するのに好適である。

（第３の実施形態）
図１２に、上記第１又は第２の実施形態の断熱導波路をマイクロ波受信システムに適用した例を示す。アンテナ７０１で受信したマイクロ波の受信信号は、真空容器７０７の常温の外壁に設置された共振器７０２ａに入力される。共振器７０２ａに入力された信号は空隙を介して、真空容器７０７の内側に配置された冷却部７０６に配置され７０Ｋ近傍まで冷却された共振器７０３ａに入力される。共振器７０２ａと共振器７０３ａは空隙を介して電磁的に結合している。

共振器７０３ａは、超伝導バンドパスフィルタ７０４と低雑音増幅器７０５に順次接続されており、周波数フィルタリングされ増幅された信号が共振器７０３ｂに入力される。フィルタ７０４、増幅器７０５、共振器７０３ｂも共振器７０３ａと同様に７０Ｋ近傍まで冷却されている。共振器７０３ｂは、真空容器７０７の常温の外壁に設置された共振器７０２ｂと空隙を介して電磁的に結合しており、共振器７０３ｂに入力された信号は共振器７０２ｂを経て信号処理回路に出力される。なお、共振器７０２ａ、７０３ａの結合においてフィルタ機能を持たせることによりバンドパスフィルタ７０４を省略するなども可能である。

このようなシステム構成を取ることで、冷凍機によって極低温に冷却された超伝導フィルタおよび低雑音アンプを用いて、低雑音でマイクロ波信号をフィルタリングおよび増幅することが可能である。また図１２のように、常温部から低温部へマイクロ波信号を導波する場合に、共振器対７０２ａ、７０２ｂ、共振器対７０３ａ、７０３ｂとして図１および図９に示した断熱導波路を用いることで、冷凍機への熱負荷を低減することができ、超伝導フィルタや低雑音アンプをより低温まで冷却することが可能となるため、増幅系の低雑音化に好適である。また、多数の入力信号を扱う場合に、従来の方法では熱流入が多く低温環境を維持できなかったシステム構成でも、本実施形態を用いれば熱流入を抑制することが可能であるために、低温環境の維持が可能となる。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１ａ…共振器、１０２ａ…誘電体基板、１０３ａ…入力線路、１０１ｂ…共振器、１０２ｂ…誘電体基板、１０３ｂ…出力線路、１０４…空隙。

Claims (4)

1. 高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、
   前記高温部に配置される第１の共振器と、
   前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、
   前記第１の共振器は、スロット共振器である、
   断熱導波路。
2. 高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、
   前記高温部に配置される第１の共振器と、
   前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、
   前記第１の共振器はアンテナに接続され、前記第２の共振器はフィルタに接続される、
   断熱導波路。
3. 高温部と低温部との間でマイクロ波信号を伝送する断熱導波路であって、
   前記高温部に配置される第１の共振器と、
   前記低温部に配置され、前記第１の共振器と空隙を介して対向する第２の共振器とを具備し、
   前記第１の共振器と前記第２の共振器とが前記空隙を介して電磁界結合され、
   前記第２の共振器は複数の共振器からなり、そのうちの少なくとも１つの共振器が他の共振器と共にフィルタを構成する、断熱導波路。
4. 前記フィルタが低雑音増幅器に接続される、請求項２又は３に記載の断熱導波路。