JP3214664B2 - High frequency device with superconducting element and temperature controller - Google Patents
High frequency device with superconducting element and temperature controllerInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、高周波通信システ
ム等における、超伝導素子を用いた高周波発振器または
周波数変換器のような高周波装置に関する。The present invention relates to a high-frequency device such as a high-frequency oscillator or a frequency converter using a superconducting element in a high-frequency communication system or the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】１ギガヘルツから４０ギガヘルツ帯を搬
送波に用いた高周波通信システムは、衛星通信や移動体
通信において実用化されている。このような通信システ
ムでは、音声信号（ベースバンド３ＫＨｚ程度）及び映
像信号（ベースバンド３０ＭＨｚ程度）を高周波の搬送
波（１ギガヘルツから４０ギガヘルツ）に変換し、また
は高周波の搬送波を周波数変換して各種信号波を取り出
す技術が必要となる。この周波数変換は、通常、半導体
非線形素子による周波数混合機能を用いたヘテロダイン
方式によって行われる。2. Description of the Related Art A high-frequency communication system using a carrier band of 1 GHz to 40 GHz has been put to practical use in satellite communications and mobile communications. In such a communication system, an audio signal (about 3 KHz in baseband) and a video signal (about 30 MHz in baseband) are converted into a high-frequency carrier (1 GHz to 40 GHz), or a high-frequency carrier is frequency-converted into various signals. Techniques for extracting waves are needed. This frequency conversion is usually performed by a heterodyne method using a frequency mixing function by a semiconductor nonlinear element.
【０００３】ヘテロダイン方式では、非線形特性を有す
る素子に、二つの異なる周波数の信号を加えた際、それ
らの和の周波数成分及び差の周波数成分が現れることを
利用して周波数変換を実現する。すなわち送信側では、
局部発振器より生成される高周波の局部発振波と信号波
とを周波数混合し、それらの和の周波数成分（高周波信
号）を増幅してアンテナから放射する。また受信側で
は、アンテナで受けた高周波信号と、局部発振器で生成
された局部発振波とを周波数混合し、それらの差の周波
数を信号波として取り出す。[0003] In the heterodyne system, when signals having two different frequencies are added to an element having nonlinear characteristics, frequency conversion is realized by utilizing the appearance of a sum frequency component and a difference frequency component. That is, on the transmitting side,
A high-frequency local oscillation wave and a signal wave generated by the local oscillator are frequency-mixed, and the sum frequency component (high-frequency signal) is amplified and radiated from the antenna. On the receiving side, the high-frequency signal received by the antenna and the local oscillation wave generated by the local oscillator are frequency-mixed, and the frequency of the difference is extracted as a signal wave.
【０００４】このヘテロダイン方式における基本的な要
素部品としては、局部発振器に使用される高周波発生用
の発振素子、周波数混合用の非線形素子、そして、高周
波入力信号または周波数変換された信号を増幅する増幅
素子がある。従来は、例えば、安定した基準信号を生成
する水晶振動子やガンダイオード等の高周波発振素子を
局部発振器として、ショットキーダイオードを周波数変
換素子として、ＨＥＭＴ、ＨＢＴ等のトランジスタを高
周波増幅素子としてそれぞれ用い、これらの素子を組み
合わせることで周波数変換器や信号増幅器を構成してい
た。[0004] The basic element parts in the heterodyne system include an oscillating element for generating a high frequency used for a local oscillator, a non-linear element for mixing a frequency, and an amplifying element for amplifying a high frequency input signal or a frequency-converted signal. There are elements. Conventionally, for example, a high-frequency oscillation element such as a crystal oscillator or a Gunn diode that generates a stable reference signal is used as a local oscillator, a Schottky diode is used as a frequency conversion element, and a transistor such as a HEMT or HBT is used as a high-frequency amplification element. By combining these elements, a frequency converter and a signal amplifier have been configured.
【０００５】一方、将来実用化されるであろう、より高
い周波数領域での通信システムでは、現在の半導体素子
は動作しなくなる。このような条件下でも動作する素子
の一つとして、ジョセフソン素子がある。On the other hand, in a communication system in a higher frequency range which will be put into practical use in the future, the current semiconductor device will not operate. One of the elements that operate even under such conditions is a Josephson element.
【０００６】電圧が印加された状態のジョセフソン素子
の端子間には、交流ジョセフソン効果による交流発振が
存在する。その発振周波数ｆは次式（数１）で表され
る。[0006] Between the terminals of the Josephson element to which a voltage is applied, an AC oscillation due to the AC Josephson effect exists. The oscillation frequency f is represented by the following equation (Equation 1).
【０００７】[0007]
【数１】 ｆ＝２ｅＶ／ｈ ここでｅは素電荷、ｈはプランク定数、Ｖはジョセフソ
ン素子の電極間の電圧である。従って、ジョセフソン素
子の両端の電圧を変化させることにより発振周波数ｆが
変化し、その値は４８３ＧＨｚ／ｍＶとなる。また、そ
の上限周波数は、用いる超伝導体の超伝導エネルギーギ
ャップ（２Δ）によって決まり、金属系超伝導体である
Ｎｂ（２Δ〜２ｍｅＶ）を用いたジョセフソン素子では
約１ＴＨｚ、酸化物高温超伝導体であるＹ1Ｂａ2Ｃｕ3
Ｏ7-δ（２Δ〜２０ｍｅＶ）では約１０ＴＨｚ程度とな
る。F = 2 eV / h where e is an elementary charge, h is Planck's constant, and V is a voltage between the electrodes of the Josephson element. Therefore, the oscillation frequency f changes by changing the voltage between both ends of the Josephson element, and the value becomes 483 GHz / mV. The upper limit frequency is determined by the superconducting energy gap (2Δ) of the superconductor used, and is approximately 1 THz in a Josephson element using Nb (2Δ to 2 meV) which is a metal-based superconductor, and the oxide high-temperature superconductivity. Body Y 1 Ba 2 Cu 3
For O 7 -δ (2Δ to 20 meV), it is about 10 THz.
【０００８】一方、このジョセフソン発振の電流振幅
は、素子の超伝導臨界電流値（Ｉｃ）に等しく、単一の
ジョセフソン素子から取り出し得る高周波電力Ｐ0は、
素子抵抗をＲｎとすると、次式（数２）で与えられる。On the other hand, the current amplitude of this Josephson oscillation is equal to the superconducting critical current value (Ic) of the element, and the high-frequency power P 0 that can be extracted from a single Josephson element is
If the element resistance is Rn, it is given by the following equation (Equation 2).
【０００９】[0009]
【数２】 Ｐ0＝１／８（Ｉｃ2・Ｒｎ） 通常、実験的に得られるＩｃ（１ｍＡ程度）、Ｒｎ（１
Ω）を用いて概算すると、Ｐ0は１００ｎＷ程度であり
非常に小さい値となる。また、ジョセフソン素子と伝送
線路等との間にインピーダンスの不整合が存在すると、
伝送線路とジョセフソン接合の結合点で不要な反射が生
じ、実際に取り出し得る高周波電力はさらに小さくな
る。P 0 = １ ／ (Ic 2 · Rn) Ic (about 1 mA) and Rn (1
Ω), P 0 is about 100 nW, which is a very small value. Also, if there is an impedance mismatch between the Josephson element and the transmission line, etc.,
Unwanted reflection occurs at the junction between the transmission line and the Josephson junction, and the high-frequency power that can be actually extracted is further reduced.
【００１０】そこで、実用的な出力の高周波発振電力を
得るために複数個のジョセフソン素子をアレイ化する方
法が提案されており、例えば、以下に挙げる文献に記載
されている。 （１）ジョセフソン素子を複数直列に結合する例 Arthur Davidson,U.S.Patent 4,344,052; James E.Luke
ns,Aloke K. Jain,PaulM.Mankiewich,U.S.Patent 4,46
8,635; James E.Lukens,Aloke K. Jain,Paul M.Mankiew
ich,U.S.Patent 4,470,023; Siyuan Han,A.H.Worsham,
J.E.Lukens,IEEE Trans.Appl.Super.3,2489-2492(199
3);J.Edstam,H.K.Olsson,IEEE Trans.Appl.Super.3,249
6-2499(1993) （２）ジョセフソン素子を複数並列に結合する例 K.Wan,B.Bi,A.K.Jain,L.A.Fetter,S.Han,W.H.Mallison,
J.E.Lukens,IEEE Trans.Magn.27,3339-3342(1991); Ale
ksander Pance,Michael J. Wengler,IEEE Trans.Appl.S
uper.3,2481-2484(1993); J.A.Stern,H.G.LeDuc,J.Zmui
dzinas,IEEE Trans.Appl.Super.3,2485-2488(1993); J.
S.Satchell,R.G.Humphreys,J.A.Edwards,N.G.Chew,IEEE
Trans.Appl.Super.3,2273-2280(1993) （３）ジョセフソン素子を２次元的に配列する例 Samuel P. Benz, U.S.Patent 5,114,912; P.A.A.Booi a
nd S.P.Benz,IEEE Trans.Appl.Super.3,2493-2495(199
3) なお、これらの文献のうち、ジョセフソン素子アレイを
一般の高周波伝送線路に結合させ、実際に高周波電力を
利用できる形で提案されているのは、U.S.Patent 4,34
4,052, 4,468,635, 4,470,023 等であり、これらはいず
れもジョセフソン素子が高周波伝送線路に対して直列に
挿入されている。In order to obtain a practical output of high-frequency oscillation power, a method of arraying a plurality of Josephson elements has been proposed, which is described in, for example, the following documents. (1) An example of connecting a plurality of Josephson elements in series Arthur Davidson, US Patent 4,344,052; James E. Luke
ns, Aloke K. Jain, PaulM.Mankiewich, USPatent 4,46
8,635; James E. Lukens, Aloke K. Jain, Paul M. Mankiew
ich, USPatent 4,470,023; Siyuan Han, AHWorsham,
JELukens, IEEE Trans.Appl.Super.3,2489-2492 (199
3); J.Edstam, HKOlsson, IEEE Trans.Appl.Super.3,249
6-2499 (1993) (2) Example of connecting multiple Josephson elements in parallel K. Wan, B. Bi, AK Jain, LAFetter, S. Han, WHMallison,
JELukens, IEEE Trans.Magn. 27, 3339-3342 (1991); Ale
ksander Pance, Michael J. Wengler, IEEE Trans.Appl.S
uper.3,2481-2484 (1993); JAStern, HGLeDuc, J.Zmui
dzinas, IEEE Trans.Appl.Super. 3,2485-2488 (1993);
S.Satchell, RGHumphreys, JAEdwards, NGChew, IEEE
Trans. Appl. Super. 3, 2273-2280 (1993) (3) Example of arranging Josephson elements two-dimensionally Samuel P. Benz, US Patent 5,114,912; PAABooia
nd SPBenz, IEEE Trans.Appl.Super.3,2493-2495 (199
3) Among these documents, US Patent 4,34,34 proposes that a Josephson element array is coupled to a general high-frequency transmission line so that high-frequency power can be actually used.
4,052, 4,468,635, 4,470,023, etc., all of which have a Josephson element inserted in series with the high-frequency transmission line.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】現在、１ギガヘルツか
ら４０ギガヘルツ帯を搬送波に用い、衛星通信、移動体
通信において実用化されている高周波通信システムは、
将来、周波数のより高い領域に広がるであろう。前述の
ように、現在用いられている半導体素子が動作しなくな
る高周波領域においても動作可能な素子の一つとして、
非線形特性を示す超伝導素子またはジョセフソン素子が
ある。以下に、超伝導素子を用いた通信分野での高周波
装置の課題を説明する。 （１）高周波回路の安定動作 超伝導素子の特性は温度に対して敏感であり、超伝導素
子を用いた高周波回路を安定に動作させるためには、そ
の温度環境を定常状態に保つことが必要となる。また、
超伝導素子は外部の電磁雑音に敏感に反応するため、外
部からの電磁シールドが必要となる。 （２）高感度周波数変換素子 高周波通信分野での周波数変換に利用されるヘテロダイ
ン方式では、周波数変換素子としてショットキーダイオ
ードが用いられている。このショットキーダイオードの
許容最低入力レベルはかなり高い。このため、高周波通
信において十分な入力信号レベルを確保するために、シ
ョットキーダイオード入力の前段に前置増幅器を挿入す
ることが行われている。また、ショットキーダイオード
で必要な局部発振電力が比較的大きく、十分な局部発振
電力を得るために、通常の局部発振器の後段にも増幅素
子を用いる必要がある。高周波装置に用いられる高周波
動作可能な高価な半導体増幅器の総数を減らすことがで
きれば、周波数変換装置の簡素化および低価格化に有効
である。そのためには、周波数変換に用いる非線形素子
の感度を高め、必要な局部発振電力をできるだけ小さく
する必要がある。 （３）高周波発振器 数十ギガヘルツ帯でのヘテロダイン変換装置を構成する
には、局部発振用素子および非線形素子が特に重要な要
素部品となる。At present, a high-frequency communication system which uses a 1 GHz to 40 GHz band as a carrier wave and has been put to practical use in satellite communication and mobile communication has been proposed.
In the future, it will spread to higher frequency regions. As described above, as one of the elements that can operate even in a high-frequency region in which a currently used semiconductor element does not operate,
There are superconducting elements or Josephson elements that exhibit nonlinear characteristics. Hereinafter, problems of a high-frequency device in a communication field using a superconducting element will be described. (1) Stable operation of high-frequency circuits The characteristics of superconducting elements are sensitive to temperature, and in order to operate a high-frequency circuit using superconducting elements stably, it is necessary to keep the temperature environment in a steady state. Becomes Also,
Since the superconducting element is sensitive to external electromagnetic noise, an external electromagnetic shield is required. (2) High-sensitivity frequency conversion element In a heterodyne system used for frequency conversion in the high-frequency communication field, a Schottky diode is used as a frequency conversion element. The minimum allowable input level of this Schottky diode is quite high. For this reason, in order to secure a sufficient input signal level in high-frequency communication, a preamplifier is inserted before a Schottky diode input. Further, the local oscillation power required by the Schottky diode is relatively large, and in order to obtain sufficient local oscillation power, it is necessary to use an amplifying element even after the ordinary local oscillator. If it is possible to reduce the total number of expensive semiconductor amplifiers capable of operating at a high frequency used in a high-frequency device, it is effective for simplifying the frequency converter and reducing the price. For this purpose, it is necessary to increase the sensitivity of the nonlinear element used for frequency conversion and to reduce the required local oscillation power as much as possible. (3) High-Frequency Oscillator To configure a heterodyne converter in the tens of gigahertz band, a local oscillation element and a non-linear element are particularly important element parts.
【００１２】一般に高周波領域における発振素子には、
発振周波数の安定性が要求される用途に用いられるもの
と、発振周波数を変化させる用途に用いられるものとが
ある。前者には水晶振動子やガンダイオード等の安定な
基準信号を生成する素子があり、後者には印加電圧によ
って発振周波数が変化する電圧制御型発振器(VCO:volta
ge controled oscillator)と呼ばれる素子がある。数十
ギガヘルツで発振する発振器は高価であり、また広い帯
域にわたって発振周波数を変化できる発振器は大がかり
なものであった。高周波無線通信の普及のためには、簡
便で周波数安定性の高い発振器、および広い帯域で周波
数が可変の発振器が必要である。In general, an oscillation element in a high frequency region includes:
Some are used for applications that require stability of the oscillation frequency, while others are used for changing the oscillation frequency. The former has a device that generates a stable reference signal such as a crystal oscillator or a Gunn diode, and the latter has a voltage-controlled oscillator (VCO: volta) whose oscillation frequency changes according to the applied voltage.
There is an element called "ge controlled oscillator". An oscillator that oscillates at several tens of gigahertz is expensive, and an oscillator that can change the oscillation frequency over a wide band is large. For widespread use of high-frequency wireless communication, an oscillator that is simple and has high frequency stability and an oscillator whose frequency is variable over a wide band are required.
【００１３】この目的にかなう発振器として、ジョセフ
ソン素子を用いた発振器が考えられるが、ジョセフソン
素子を高周波発振器として利用し、通常の高周波伝送線
路で発振出力を取り出す場合に主として問題となるの
は、以下に述べる高周波発振の高出力化と発振周波数の
狭帯域化である。 （３−ａ）高周波発振の高出力化 前述のように、一つのジョセフソン素子で取り出せる高
周波電力はかなり小さい。そこでジョセフソン素子のア
レイ化が提案されているが、複数のジョセフソン素子の
出力を加え合わせて高出力を得るには、各ジョセフソン
素子の発振周波数及び位相を一致させる（同期させる）
必要がある。また、それと同時に発振出力を有効に取り
出すために、伝送線路とのインピーダンス整合も重要で
ある。 （３−ｂ）発振周波数の狭帯域化 ジョセフソン素子は電圧制御型の発振素子となる。この
素子は、式（数１）に示した電圧と周波数との関係から
明らかなように、微弱な電圧で非常に高周波の発振動作
を行う。このことは、電圧変動が発振周波数の変動に直
接影響することを意味する。また、電圧変動は発振線幅
を増大させる原因にもなる。本発明が適用される高周波
領域においては、単独のジョセフソン素子の発振線幅は
素子の端子間の電圧雑音に比例して広がる。ジョセフソ
ン素子アレイを用いた発振器の場合、この発振線幅を狭
くすることも課題のひとつである。 （４）システムの多チャンネル化 高周波通信の需要が急速に拡大している現時点で、限ら
れた周波数帯域内でのより多くのチャネル数の確保が望
まれている。器機構成にも依存するが、１段の周波数変
換で各チャネルの信号を取り出す場合は、各チャネル幅
に対応した狭い帯域のフィルターと、各チャネル周波数
に対応した多チャンネル用の局部発振器とが必要とな
る。An oscillator using a Josephson element can be considered as an oscillator that meets this purpose. The main problem when using a Josephson element as a high-frequency oscillator and extracting an oscillation output from an ordinary high-frequency transmission line is that This is to increase the output of high-frequency oscillation and narrow the oscillation frequency band, as described below. (3-a) Increasing the output of high-frequency oscillation As described above, the high-frequency power that can be extracted by one Josephson element is considerably small. Therefore, an array of Josephson elements has been proposed, but in order to obtain a high output by adding the outputs of a plurality of Josephson elements, the oscillation frequency and phase of each Josephson element must be matched (synchronized).
There is a need. At the same time, in order to effectively extract the oscillation output, impedance matching with the transmission line is also important. (3-b) Narrowing of Oscillation Frequency The Josephson element is a voltage control type oscillation element. As is clear from the relationship between the voltage and the frequency shown in the equation (Equation 1), this element performs a very high frequency oscillation operation at a weak voltage. This means that the voltage fluctuation directly affects the fluctuation of the oscillation frequency. Further, the voltage fluctuation also causes an increase in the oscillation line width. In the high-frequency region to which the present invention is applied, the oscillation line width of a single Josephson element increases in proportion to the voltage noise between the terminals of the element. In the case of an oscillator using a Josephson element array, one of the problems is to reduce the oscillation line width. (4) Increasing the number of channels in the system At the present time when the demand for high-frequency communication is rapidly expanding, it is desired to secure a larger number of channels within a limited frequency band. Although it depends on the device configuration, when extracting signals of each channel by one-stage frequency conversion, a narrow-band filter corresponding to each channel width and a local oscillator for multiple channels corresponding to each channel frequency are used. Required.
【００１４】本発明は、超伝導素子を用いて高周波装置
を構成する際の上記のような課題を解決することを目的
とする。[0014] It is an object of the present invention to solve the above-described problems when a high-frequency device is formed using a superconducting element.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による高周波装置は、高周波回路と、前記高
周波回路を収納する高周波パッケージと、この高周波パ
ッケージと熱的に接触する低温ステージを有する冷却ユ
ニットと、前記高周波回路及び低温ステージを収納する
シールド容器とを備える。前記高周波回路は、高周波伝
送線路と、ジョセフソン素子を所定の個数並列接続した
超伝導素子モジュールと、所定個数の前記超伝導素子モ
ジュールを高周波的に直列接続する位相調整回路とを含
む。この様な構成により、超伝導素子を含む高周波回路
の熱的な安定性が高まり、動作の安定性が得られる。ま
た、シールド容器を金属製とすることで電磁ノイズに対
する遮蔽効果も得られる。To achieve the above object, a high-frequency device according to the present invention comprises a high-frequency circuit, a high-frequency package accommodating the high-frequency circuit, and a high-frequency package thermally connected to the high-frequency circuit. The cooling unit includes a cooling unit having a low-temperature stage that comes into contact with the cooling unit and a shield container that stores the high-frequency circuit and the low-temperature stage. The high-frequency circuit includes a high-frequency
Transmission line and predetermined number of Josephson elements connected in parallel
A superconducting element module, and a predetermined number of said superconducting element modules;
And a phase adjustment circuit that connects the
No. With such a configuration, the thermal stability of the high-frequency circuit including the superconducting element is increased, and the operation stability is obtained. In addition, a shielding effect against electromagnetic noise can be obtained by making the shielding container made of metal.
【００１６】ジョセフソン素子に代表される超伝導素子
は、微弱な電磁波に高感度で応答すると共に非線形性を
有するので、ヘテロダイン動作が可能である。また、超
伝導素子を用いた周波数変換器は、非常に小さい局部発
振電力で動作する。そこで、超伝導素子であるジョセフ
ソン素子を局部発振器等に用いて実用的なヘテロダイン
方式の周波数変換器を構成することができる。これによ
って、従来の周波数変換器に必要であった前段増幅器等
を省略することができる。A superconducting element typified by a Josephson element responds to a weak electromagnetic wave with high sensitivity and has nonlinearity, so that it can perform a heterodyne operation. Further, a frequency converter using a superconducting element operates with a very small local oscillation power. Therefore, a practical heterodyne frequency converter can be configured by using a Josephson element, which is a superconducting element, as a local oscillator or the like. As a result, a preamplifier and the like required for the conventional frequency converter can be omitted.
【００１７】複数のジョセフソン素子を直列または並列
に接続して駆動用電源の間に接続すれば高周波発振器を
構成することができる。ジョセフソン素子は、端子間の
電圧に応じて高周波発振が生じる交流ジョセフソン効果
や、素子に磁場を印加することによって生じる磁束フロ
ー発振と呼ばれる高周波発振現象を有する（例えば、An
tonio Barone and Gianfranco Paterno、 Physics and A
pplications of The Josephson Effect、1982 Jhon Wile
y & Sons, Inc.,New York, U.S.A.参照）。これらの現
象において、単一の素子の発振電力は微弱であるが、そ
の周波数の上限は理論的には数百ギガヘルツから数テラ
ヘルツにまで達する。交流ジョセフソン効果は端子間の
電圧に応じて発振周波数が変化する特性を有するので、
ジョセフソン素子と可変電圧源を用いて電圧制御型の発
振器を容易に構成することができる。また、複数のジョ
セフソン素子を直列又は並列に接続して同時に動作させ
ることにより実用的な出力を得ることができる。直列接
続の場合は発振の電圧振幅が大きくなり、並列接続の場
合は大きい発振電流を得ることができる。If a plurality of Josephson elements are connected in series or in parallel and connected between driving power supplies, a high-frequency oscillator can be constructed. The Josephson element has an AC Josephson effect in which high-frequency oscillation occurs in accordance with the voltage between terminals, and a high-frequency oscillation phenomenon called magnetic flux flow oscillation caused by applying a magnetic field to the element (for example, An
tonio Barone and Gianfranco Paterno, Physics and A
pplications of The Josephson Effect, 1982 Jhon Wile
y & Sons, Inc., New York, USA). In these phenomena, the oscillation power of a single element is weak, but the upper limit of the frequency theoretically reaches several hundred gigahertz to several terahertz. Since the AC Josephson effect has the characteristic that the oscillation frequency changes according to the voltage between the terminals,
A voltage-controlled oscillator can be easily configured using a Josephson element and a variable voltage source. A practical output can be obtained by connecting a plurality of Josephson elements in series or in parallel and operating them simultaneously. In the case of series connection, the voltage amplitude of oscillation increases, and in the case of parallel connection, a large oscillation current can be obtained.
【００１８】さらに上記のように、所定個数（例えば３
個）のジョセフソン素子を並列接続して超伝導素子モジ
ュールとし、複数の超伝導素子モジュールを薄膜キャパ
シタ等の位相調整回路で高周波的に直列接続して高周波
発振器を構成することにより、各ジョセフソン素子の発
振位相を同期させながら、発振回路全体のインピーダン
スを任意の値に設計することができる。そして、出力伝
送線路とのインピーダンス整合をとることにより、低損
失で高周波発振電力を出力伝送線路へ取り出すことがで
きる。こうして、ギガヘルツ帯の広い周波数帯域にわた
って動作する電圧制御型の高出力の高周波発振器を実現
することができる。Further, as described above, a predetermined number (for example, 3
Josephson element number) connected in parallel with the superconducting element module, by constituting the high-frequency oscillator a plurality of superconducting element module and the high-frequency connected in series with the phase adjusting circuit such as thin film capacitors, each Josephson The impedance of the entire oscillation circuit can be designed to an arbitrary value while synchronizing the oscillation phases of the elements. Then, by performing impedance matching with the output transmission line, high-frequency oscillation power can be extracted to the output transmission line with low loss. Thus, a voltage-controlled high-output high-frequency oscillator operating over a wide frequency band of the gigahertz band can be realized.
【００１９】位相調節回路は、薄膜キャパシタ等による
容量成分の他に、インダクタンス成分も含む。このよう
な位相調整回路を超伝導素子モジュールに接続する位置
を変えることによっても、高周波回路としての高周波発
振器のインピーダンスを変えることができる。The phase adjustment circuit includes an inductance component in addition to a capacitance component of a thin film capacitor or the like. The impedance of the high-frequency oscillator as the high-frequency circuit can also be changed by changing the position at which such a phase adjustment circuit is connected to the superconducting element module.
【００２０】また上記の高周波回路と伝送線路との間
に、半導体回路で構成される高周波増幅器を挿入するこ
とにより、さらに高い出力の高周波発振器を構成するこ
とができる。又、高周波伝送線路に共振器を近接配置
し、あるいは伝送線路自体を共振器構造とすることによ
り発振出力の帯域を狭めることができる。Further, by inserting a high-frequency amplifier composed of a semiconductor circuit between the above-described high-frequency circuit and the transmission line, a high-frequency oscillator with a higher output can be formed. Further, by arranging a resonator close to the high-frequency transmission line or by forming the transmission line itself into a resonator structure, the band of the oscillation output can be narrowed.
【００２１】また、ジョセフソン素子を含む超伝導素子
モジュールの占める領域を、高周波伝送線路に沿って、
伝送線路中の共振周波数の電気長の８分の１以下とする
ことにより、高周波回路を集中定数回路として扱うこと
ができ、回路設計が容易になる。さらに、超伝導素子モ
ジュールを、高周波伝送線路に沿って、上記電気長の半
分の整数倍の距離ごとに配置することにより、高出力化
および発振線幅の狭帯域化が可能である。The area occupied by the superconducting element module including the Josephson element is set along the high-frequency transmission line,
By setting the electrical length of the resonance frequency in the transmission line to 1/8 or less, the high-frequency circuit can be treated as a lumped constant circuit, and the circuit design becomes easy. Further, by arranging the superconducting element modules along the high-frequency transmission line at a distance equal to an integral multiple of half the electric length, it is possible to increase the output and narrow the oscillation line width.
【００２２】また、前記高周波回路がさらに、複数の入
力端子及び複数の出力端子を有する結合線路と、この結
合線路の出力端子と前記高周波伝送線路との間に配置さ
れた非線形素子とを備えることにより、良好な周波数変
換器を構成できる。Further, the high frequency circuit further includes a coupling line having a plurality of input terminals and a plurality of output terminals, and a non-linear element disposed between the output terminal of the coupling line and the high frequency transmission line. Thereby, a good frequency converter can be configured.
【００２３】また、超伝導素子を酸化物（高温）超伝導
体で構成することにより、液体窒素を用いた簡単な冷却
ユニットを用いることでき、比較的安価に高性能の高周
波装置を構成することができる。しかも、冷却によって
素子雑音が減少する。In addition, since the superconducting element is composed of an oxide (high-temperature) superconductor, a simple cooling unit using liquid nitrogen can be used, and a high-performance high-frequency device can be constructed relatively inexpensively. Can be. In addition, element noise is reduced by cooling.
【００２４】また、中心周波数の異なる複数の共振器を
さらに備えることにより、他チャンネルの周波数変換器
を構成することができる。この共振器についても、上記
の観点から酸化物超伝導体で構成することが好ましい。Further, by further providing a plurality of resonators having different center frequencies, a frequency converter for another channel can be configured. This resonator is also preferably made of an oxide superconductor from the above viewpoint.
【００２５】[0025]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明による高周波装置の概
略図であり、この装置は超伝導素子を含む高周波回路で
ある周波数変換器と、冷却ユニットと、これらを囲むシ
ールドとを備えている。周波数変換器は高周波パッケー
ジ７に収納され、入力用高周波伝送線路４及び出力用高
周波伝送線路５を用いて外部回路と接続される。冷却ユ
ニットにはスターリング冷凍器、ギフォード−マクマホ
ン（ＧＭ）冷凍器、液体冷媒で冷却された熱伝導性の良
い低温ブロック、ペルチェ素子等の電子冷却装置、ある
いはこれらを組み合わせた冷却器が用いられる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a high-frequency device according to the present invention. The device includes a frequency converter, which is a high-frequency circuit including a superconducting element, a cooling unit, and a shield surrounding them. The frequency converter is housed in a high-frequency package 7 and connected to an external circuit using the input high-frequency transmission line 4 and the output high-frequency transmission line 5. As the cooling unit, a Stirling refrigerator, a Gifford-McMahon (GM) refrigerator, a low-temperature block with good heat conductivity cooled by a liquid refrigerant, an electronic cooling device such as a Peltier device, or a combination thereof is used.
【００２６】高周波回路を含む高周波パッケージ７は、
冷却ユニットの低温部である低温ステージ８と熱的に接
触している。低温ステージ８と高周波パッケージ７は、
通常、ネジ止めによって結合しているが、良好な熱伝導
性を確保するために、各種ペーストあるいはグリース、
金属箔、金属粉を両者の間に介在させたり、両者を半田
付けすることが有効である。The high-frequency package 7 including the high-frequency circuit includes:
It is in thermal contact with a low-temperature stage 8, which is a low-temperature part of the cooling unit. The low-temperature stage 8 and the high-frequency package 7
Usually, they are joined by screws, but in order to ensure good thermal conductivity, various pastes or greases,
It is effective to interpose a metal foil and a metal powder between them or to solder them.
【００２７】さらに、高周波パッケージ７と低温ステー
ジ８とを囲む熱シールド１１が設けられている。この熱
シールド１１は低温に冷却した金属製の覆い、あるいは
低温の流体を満たしたデュワー瓶状のものでよい。また
これらをいくつか組み合わせて構成することにより、熱
シールド効率が良くなり、高周波回路の温度安定性が増
す効果がある。またシールド容器内部を減圧することで
気体の対流による外部との熱伝導を減らすことができ、
この方法も高周波回路の温度安定性を向上させる効果が
ある。Further, a heat shield 11 surrounding the high-frequency package 7 and the low-temperature stage 8 is provided. The heat shield 11 may be a metal cover cooled to a low temperature or a Dewar bottle-shaped one filled with a low temperature fluid. In addition, by combining some of them, there is an effect that the heat shielding efficiency is improved and the temperature stability of the high frequency circuit is increased. In addition, by reducing the pressure inside the shield container, heat conduction with the outside due to gas convection can be reduced,
This method also has the effect of improving the temperature stability of the high-frequency circuit.
【００２８】電磁シールドを兼ねて、良好な電気伝導性
を示す銅、アルミニウム等の材料でシールドすることが
好ましいが、低周波成分の磁気をシールドする必要があ
る場合は、パーマロイ、ミューメタル、ニッケル合金等
の高透磁率の材料でシールドすればよい。It is preferable to shield with a material such as copper or aluminum having good electric conductivity also as an electromagnetic shield, but if it is necessary to shield the magnetism of low frequency components, use permalloy, mu metal, nickel What is necessary is just to shield with a material of high magnetic permeability, such as an alloy.
【００２９】図２（ａ）〜（ｃ）は、超伝導素子を用い
た高周波回路の例として、発振器の回路図を示してい
る。図２（ａ）はジョセフソン素子３１を直列接続した
タイプであり、図２（ｂ）はジョセフソン素子３１を並
列接続したタイプである。さらに図２（ｃ）はジョセフ
ソン素子３１を直並列接続したアレイタイプである。出
力は外部の高周波伝送線路３３を介して取り出される。
この構成で、電源３２の出力を可変とすることで、伝送
線路３３に取り出される発振周波数が変化し、周波数可
変の発振器として動作する。FIGS. 2A to 2C are circuit diagrams of an oscillator as an example of a high-frequency circuit using a superconducting element. FIG. 2A shows a type in which the Josephson elements 31 are connected in series, and FIG. 2B shows a type in which the Josephson elements 31 are connected in parallel. FIG. 2C shows an array type in which Josephson elements 31 are connected in series and parallel. The output is taken out via an external high-frequency transmission line 33.
With this configuration, by making the output of the power supply 32 variable, the oscillation frequency extracted to the transmission line 33 changes, and the device operates as a variable frequency oscillator.
【００３０】図３（ａ）〜（ｃ）は、超伝導素子を用い
た高周波回路の他の例である発振器の主要部を示してお
り、（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は等価回
路図である。この例ではジョセフソン素子３１を３個並
列に接続して一つの超伝導素子モジュールを構成し、複
数の超伝導素子モジュールＪ１−Ｊ４を並列に電流バイ
アスするように直流バイアス線４２を接続している。こ
れにより、すべてのジョセフソン素子の端子電圧を同一
とし、発振周波数を合わせている。また図３（ｃ）に示
すように、複数の超伝導素子モジュールＪ１−Ｊ４の所
定の部分を、薄膜キャパシタで形成した位相調整回路Ｃ
１−Ｃ３で接続し、高周波信号に対する位相を一致させ
ている。これにより、各超伝導素子モジュールの高周波
発振電力を有効に加え合わせ、全体の発振電流の振幅を
大きくすることができる。FIGS. 3A to 3C show main parts of an oscillator which is another example of a high-frequency circuit using a superconducting element. FIG. 3A is a top view, and FIG. , (C) are equivalent circuit diagrams. In this example, three Josephson elements 31 are connected in parallel to form one superconducting element module, and a DC bias line 42 is connected so that a plurality of superconducting element modules J1-J4 are current-biased in parallel. I have. Thereby, the terminal voltages of all the Josephson elements are made the same, and the oscillation frequency is adjusted. Further, as shown in FIG. 3C, a predetermined part of the plurality of superconducting element modules J1-J4 is replaced with a phase adjusting circuit C formed of a thin film capacitor.
They are connected at 1-C3, and the phases of the high-frequency signals are matched. This makes it possible to effectively add the high-frequency oscillation power of each superconducting element module and increase the amplitude of the entire oscillation current.
【００３１】また、超伝導素子モジュールの数、及び超
伝導素子モジュールを構成するジョセフソン素子の数を
適当に選択することにより、発振器全体のインピーダン
スを５０Ωに合わせることができる。この発振器に接続
される高周波伝送線路は、５０Ωに設計したマイクロス
トリップ型、あるいはコプレーナ型伝送線路である。し
たがって、発振器と伝送線路とのインピーダンスマッチ
ングをとるために発振器の出力インピーダンスを５０Ω
にする必要がある。By appropriately selecting the number of superconducting element modules and the number of Josephson elements constituting the superconducting element module, the impedance of the entire oscillator can be adjusted to 50Ω. The high-frequency transmission line connected to this oscillator is a microstrip or coplanar transmission line designed to have a resistance of 50Ω. Therefore, the output impedance of the oscillator is set to 50Ω in order to match the impedance between the oscillator and the transmission line.
Need to be
【００３２】ジョセフソン素子は通常、図１２に示すよ
うな等価回路で表され、この等価回路は、直流及び交流
の超伝導電流を表す電流源５２、これに並列に存在する
素子容量５３及び素子抵抗５４からなる。高周波応用の
ジョセフソン素子では素子容量を小さくすることが多
く、その場合素子容量は無視できる。超伝導素子モジュ
ールの素子抵抗は、並列に接続する超伝導素子の数に比
例して小さくなる。しかし、高周波では、位相調整回路
により超伝導素子モジュールが実質的に直列接続される
ので、超伝導素子モジュールの数を適切に選ぶことによ
り、発振回路のインピーダンスを調整できる。これによ
り、外部の５０Ω伝送線路とのインピーダンスマッチン
グをとり、有効に高周波電力を取り出すことができる。
なお、本発明の構成では発振器のインピーダンスを任意
に設計でき、同じ素子特性のジョセフソン素子を用いて
異なるインピーダンス値を有するアレイを容易に実現す
ることができる。The Josephson element is usually represented by an equivalent circuit as shown in FIG. 12. This equivalent circuit is composed of a current source 52 representing a DC and AC superconducting current, an element capacitor 53 and an element It consists of a resistor 54. In a Josephson element for high frequency application, the element capacitance is often reduced, and in that case, the element capacitance can be ignored. The element resistance of the superconducting element module decreases in proportion to the number of superconducting elements connected in parallel. However, at high frequencies, the superconducting element modules are substantially connected in series by the phase adjusting circuit, so that the impedance of the oscillation circuit can be adjusted by appropriately selecting the number of superconducting element modules. As a result, impedance matching with the external 50Ω transmission line can be achieved, and high-frequency power can be effectively extracted.
In the configuration of the present invention, the impedance of the oscillator can be arbitrarily designed, and arrays having different impedance values can be easily realized using Josephson elements having the same element characteristics.
【００３３】図４（ａ）〜（ｃ）は高周波回路の他の例
である発振器の主要部分を示し、（ａ）は上面図、
（ｂ）は断面図、（ｃ）は等価回路図である。図３
（ａ）〜（ｃ）に示した構造と同様に、ジョセフソン素
子３１を３個並列に接続して一つの超伝導素子モジュー
ルを構成し、複数の超伝導素子モジュールＪ１−Ｊ４を
並列に電流バイアスするように直流バイアス線４２を接
続している。そして、超伝導素子モジュールＪ１−Ｊ４
の所定の部分を、薄膜キャパシタで形成した位相調整回
路Ｃ１−Ｃ４で接続し、高周波信号に対する位相を一致
させる構造とする。図３（ａ）〜（ｃ）の構造と異なる
のは、位相調整回路の接続点である。図３（ａ）〜
（ｃ）の構造と同様に、超伝導素子モジュールの数、お
よび超伝導素子モジュールを構成するジョセフソン素子
の数を適切に選ぶことにより、発振器全体のインピーダ
ンスを５０Ωに合わせる。4 (a) to 4 (c) show a main part of an oscillator which is another example of the high frequency circuit, FIG.
(B) is a sectional view, and (c) is an equivalent circuit diagram. FIG.
Similarly to the structures shown in (a) to (c), three Josephson elements 31 are connected in parallel to form one superconducting element module, and a plurality of superconducting element modules J1-J4 are connected in parallel. A DC bias line 42 is connected so as to bias. Then, the superconducting element modules J1-J4
Are connected by phase adjustment circuits C1-C4 formed of thin-film capacitors, so as to match the phases of high-frequency signals. What is different from the structure of FIGS. 3A to 3C is the connection point of the phase adjustment circuit. FIG.
Similarly to the structure of (c), the impedance of the entire oscillator is adjusted to 50Ω by appropriately selecting the number of superconducting element modules and the number of Josephson elements constituting the superconducting element module.
【００３４】図３（ａ）〜（ｃ）及び図４（ａ）〜
（ｃ）では、位相調整回路を薄膜キャパシタで構成した
が、高周波電力の位相を決定できるような回路であれば
どのような構成でも良く、抵抗成分やインダクタンス成
分を含むものでもよい。ただし、各ジョセフソン素子は
直流的には実質上並列に接続されている必要がある。FIGS. 3A to 3C and FIGS.
In (c), the phase adjustment circuit is configured by a thin film capacitor. However, any circuit may be used as long as it can determine the phase of high-frequency power, and may include a resistance component and an inductance component. However, each Josephson element needs to be connected in parallel in a DC manner.
【００３５】図５に、上記のようなジョセフソン素子を
用いた高周波発振器４５と、通常の半導体素子を用いた
高周波電力増幅器４７との接続例を示す。高周波電力増
幅器４７は、高周波発振器４５の出力を増幅して高周波
伝送線路４６へ出力する。半導体素子には化合物半導体
を用いた電界効果型トランジスタ等を用いることができ
るが、設計周波数帯域で動作するものであれば何でも良
い。FIG. 5 shows a connection example between a high-frequency oscillator 45 using the above-described Josephson element and a high-frequency power amplifier 47 using a normal semiconductor element. The high-frequency power amplifier 47 amplifies the output of the high-frequency oscillator 45 and outputs it to the high-frequency transmission line 46. A field effect transistor using a compound semiconductor or the like can be used for the semiconductor element, but any element that operates in a design frequency band may be used.
【００３６】図６（ａ）〜（ｃ）は、ジョセフソン素子
を用いた高周波発振器に共振器を結合して発振線幅を狭
くする構成例を示している。図６（ａ）では１／２波長
の伝送線路型共振器４８を結合し、図６（ｂ）では伝送
線路４６に近接させて誘電体共振器４９を配置してい
る。また図６（ｃ）では薄膜リング共振器５０を配置し
ている。いずれの場合も、共振器と線路との結合の強さ
に依存はするが、発振線幅が、高周波発振装置を単独で
用いるものに比べて狭く（急峻に）なった。なお、高周
波発振器４５が接続される薄膜高周波伝送線路４６自体
を共振器構造としてもよく、この場合は回路サイズを小
さく維持しながら発振線幅を狭くすることができる。FIGS. 6A to 6C show a configuration example in which a resonator is coupled to a high-frequency oscillator using a Josephson element to reduce the oscillation line width. In FIG. 6A, a half-wavelength transmission line resonator 48 is coupled, and in FIG. 6B, a dielectric resonator 49 is arranged close to the transmission line 46. In FIG. 6C, a thin-film ring resonator 50 is provided. In each case, although depending on the strength of the coupling between the resonator and the line, the oscillation line width was narrower (sharper) than that using the high-frequency oscillator alone. The thin-film high-frequency transmission line 46 itself to which the high-frequency oscillator 45 is connected may have a resonator structure. In this case, the oscillation line width can be reduced while keeping the circuit size small.
【００３７】図７はジョセフソン素子を用いた高周波発
振器の出力に複数の共振器型フィルター３４を接続し、
それぞれの出力の帯域を狭くする構成を示している。ま
た、この図は、発振器を駆動する電源３２の電圧を変化
させ、出力の周波数を変化させる多チャンネル発振器装
置をも示している。多チャンネルの出力を合波してもよ
いし、そのまま別々の出力端子端から出力しても良い。
また高周波発振器３１は、直列型に限らず、並列型また
はアレイ型であってもよい。FIG. 7 shows a case where a plurality of resonator-type filters 34 are connected to the output of a high-frequency oscillator using a Josephson element,
The structure which narrows the band of each output is shown. This figure also shows a multi-channel oscillator device that changes the voltage of the power supply 32 that drives the oscillator and changes the output frequency. The outputs of multiple channels may be multiplexed, or may be output from separate output terminal ends as they are.
The high-frequency oscillator 31 is not limited to a serial type, but may be a parallel type or an array type.
【００３８】図８は高周波回路としての周波数変換器の
構成例を示す概略図である。ジョセフソン素子の発振器
を用いた局部発振信号発生部と、他の周波数変換を行う
ジョセフソン素子等の超伝導素子とを同一基板上に配置
して周波数変換器の要部を構成している。図に示すよう
に、本発明の周波数変換部は、入力用電送線路４、出力
用電送線路５、周波数変換部１、局部発振信号発生部
２、そして高周波信号増幅部３で構成される。周波数変
換部１は非線形性の超伝導素子で構成される。局部発振
信号発生部２は前述したようなジョセフソン素子を複数
個用いた発振器で構成される。周波数変換部１で変換さ
れた出力は半導体素子からなる高周波信号増幅部３で増
幅され出力用電送線路５に出力される。FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration example of a frequency converter as a high-frequency circuit. A local oscillation signal generator using an oscillator of a Josephson element and a superconducting element such as a Josephson element for performing another frequency conversion are arranged on the same substrate to constitute a main part of the frequency converter. As shown in the figure, the frequency conversion unit of the present invention includes an input transmission line 4, an output transmission line 5, a frequency conversion unit 1, a local oscillation signal generation unit 2, and a high-frequency signal amplification unit 3. The frequency conversion unit 1 is composed of a non-linear superconducting element. The local oscillation signal generator 2 is constituted by an oscillator using a plurality of Josephson elements as described above. The output converted by the frequency converter 1 is amplified by a high-frequency signal amplifier 3 made of a semiconductor device and output to the output transmission line 5.
【００３９】周波数変換部１、局部発振信号発生部２、
及び高周波信号増幅部３は基板６上に配置される。基板
６は、図１に示したように、高周波パッケージ７に収納
され、温度制御装置（冷却器）の低温ステージ８に熱的
に接続される。温度制御装置は熱交換部９と、冷媒の還
流部１０、及び低温ステージ８を備えている。なお、動
作中低温となる低温ステージ８と高周波パッケージ７と
を熱的に外界から遮閉する熱シールド１１を設けること
が望ましい。また、超伝導素子を用いる周波数変換部１
と、局部発振信号発生部２と、高周波信号増幅部３とを
共通の基板ではなく別々の基板上に配置して接続しても
よい。さらに、高周波信号増幅部３は室温でも動作する
ので、温度制御装置の低温ステージ８上の高周波パッケ
ージ７には周波数変換部１及び局部発信信号発生部２を
収納し、高周波信号増幅部３は外部に設置してもよい。
なお、高周波信号増幅部３は半導体素子を含むが、低温
で動作可能なＨＥＭＴ、ＨＢＴ、またはクライオＣＭＯ
Ｓ等を用いて構成することが望ましい。また周波数変換
素子は非線形性を有する素子であればよく、通常の半導
体素子（トランジスタ、ダイオード等）を用いることも
できる。The frequency converter 1, the local oscillation signal generator 2,
The high frequency signal amplifier 3 is disposed on the substrate 6. As shown in FIG. 1, the substrate 6 is housed in a high-frequency package 7 and is thermally connected to a low-temperature stage 8 of a temperature controller (cooler). The temperature control device includes a heat exchange unit 9, a refrigerant recirculation unit 10, and a low-temperature stage 8. Note that it is desirable to provide a heat shield 11 that thermally shields the low-temperature stage 8 and the high-frequency package 7 that are at a low temperature during operation from the outside. Further, a frequency converter 1 using a superconducting element
The local oscillation signal generator 2 and the high-frequency signal amplifier 3 may be arranged and connected on separate substrates instead of a common substrate. Further, since the high-frequency signal amplifier 3 operates even at room temperature, the high-frequency package 7 on the low-temperature stage 8 of the temperature control device houses the frequency converter 1 and the local oscillation signal generator 2, and the high-frequency signal amplifier 3 is externally mounted. It may be installed in.
The high-frequency signal amplifier 3 includes a semiconductor element, but can be operated at a low temperature such as HEMT, HBT, or cryo-CMO.
It is desirable to use S or the like. The frequency conversion element may be any element having nonlinearity, and a normal semiconductor element (transistor, diode, etc.) may be used.
【００４０】図９はこの周波数変換器を周波数検出に用
いる場合の回路ブロック図である。アンテナ３０からの
入力は、ＨＥＭＴを用いた増幅器２９からなる入力増幅
部２８で増幅され、低温の周波数変換部２１に導かれ
る。ここでは、超伝導素子を用いた局部発振器２３の出
力と入力増幅部２８から出力とが超伝導素子で形成され
た周波数混合器２２で混合される。その結果得られる周
波数変換された出力が出力制御部２５に入力される。そ
して、ＧａＡｓトランジスタで構成された出力増幅器２
６で増幅された出力信号は、帯域透過フィルタ２７を通
って出力用伝送線路５へ出力される。FIG. 9 is a circuit block diagram when this frequency converter is used for frequency detection. An input from the antenna 30 is amplified by an input amplifying unit 28 including an amplifier 29 using HEMT, and guided to a low-temperature frequency conversion unit 21. Here, the output of the local oscillator 23 using the superconducting element and the output from the input amplifying unit 28 are mixed by the frequency mixer 22 formed of the superconducting element. The resulting frequency-converted output is input to the output control unit 25. And an output amplifier 2 composed of GaAs transistors.
The output signal amplified by 6 is output to the output transmission line 5 through the band-pass filter 27.
【００４１】上記の本発明による構成と比較するため
に、従来の周波数変換回路のブロック図を図１０に示
す。本発明による構成では周波数混合部２２に用いた超
伝導素子が高感度で、しかも小さな局部発振器電力で動
作するため、従来の周波数変換回路に比べて、入力増幅
部２８の増幅器２９の段数を少なくすることができ、ま
た、局部発振部の増幅器２４を省略できる。その結果、
回路の小型化が実現される。FIG. 10 shows a block diagram of a conventional frequency conversion circuit for comparison with the configuration according to the present invention. In the configuration according to the present invention, the superconducting element used for the frequency mixing unit 22 operates with high sensitivity and small local oscillator power. In addition, the amplifier 24 of the local oscillator can be omitted. as a result,
Circuit miniaturization is realized.
【００４２】図１１は、ジョセフソン素子を含む高周波
回路としての周波数変換器の他の構成例を示している。
超伝導素子からなる高周波発振器４５と２つのジョセフ
ソン素子３１とがブランチライン型結合線路５１に接続
されている。高周波発振器４５を所定の電圧になるよう
電流バイアスして動作させ、さらにブランチライン型結
合線路５１の他の入力端子より高周波信号を入力するこ
とにより、ジョセフソン素子の接続されている端子か
ら、それらの差の周波数の信号を取り出すことができ
る。これによりヘテロダイン検波による周波数変換動作
を行うことができる。非線形素子としてジョセフソン素
子３１を用いることにより高感度の周波数変換器を得る
ことができるが、他の半導体素子、例えばショットキー
ダイオード等を用いてもよい。FIG. 11 shows another configuration example of a frequency converter as a high-frequency circuit including a Josephson element.
A high-frequency oscillator 45 composed of a superconducting element and two Josephson elements 31 are connected to a branch line type coupling line 51. By operating the high-frequency oscillator 45 with a current bias so as to have a predetermined voltage, and further inputting a high-frequency signal from another input terminal of the branch line type coupling line 51, the terminal connected to the Josephson element is The signal of the frequency of the difference can be extracted. Thereby, a frequency conversion operation by heterodyne detection can be performed. Although a high-sensitivity frequency converter can be obtained by using the Josephson element 31 as the nonlinear element, another semiconductor element, for example, a Schottky diode or the like may be used.
【００４３】さらに、具体的な実施例を用いて本発明を
説明する。 （実施例１）本実施例では、高周波回路としてジョセフ
ソン素子を用いた多チャンネル発振器を構成し、温度制
御装置としてＧＭ型冷凍器を用いた。多チャンネル発振
器はジョセフソン素子アレイを用い、次のように作成し
た。基板に厚み０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶を用い、その
上にジョセフソン素子と高周波伝送線路をパターニング
した。伝送線路はＡｕ薄膜よりなるマイクロストリップ
型伝送線路とした。従って、基板の裏面全面にＡｕ薄膜
を形成して接地面とした。Further, the present invention will be described with reference to specific examples. (Embodiment 1) In this embodiment, a multi-channel oscillator using a Josephson element was configured as a high-frequency circuit, and a GM refrigerator was used as a temperature controller. The multi-channel oscillator was created as follows using a Josephson element array. A 0.5 mm thick MgO single crystal was used as a substrate, and a Josephson element and a high-frequency transmission line were patterned thereon. The transmission line was a microstrip transmission line made of an Au thin film. Therefore, an Au thin film was formed on the entire back surface of the substrate to serve as a ground plane.
【００４４】超伝導素子は、いわゆる１２３構造のイッ
トリウム系酸化物超伝導体を用いたステップエッジ型ジ
ョセフソン素子であり、Yoshito Fukumoto 他、Jpn.J.A
ppl.Phys.30(1991)3907-3910 で報告されているものと
同様の構造を有する。基板表面に加工した段差を利用し
て素子を形成しており、基板加工、超伝導薄膜成膜、パ
ターニングの３つの主な行程で素子を形成できる。その
後Ａｕ薄膜を全面に形成し、伝送線路パターンや、各種
パッド部分を形成し、高周波回路を形成した。The superconducting element is a step-edge type Josephson element using a so-called 123-structured yttrium-based oxide superconductor. Yoshito Fukumoto et al., Jpn.JA
It has a structure similar to that reported in ppl. Phys. 30 (1991) 3907-3910. An element is formed using a step formed on a substrate surface, and the element can be formed in three main steps of substrate processing, superconducting thin film formation, and patterning. Thereafter, an Au thin film was formed on the entire surface, a transmission line pattern and various pad portions were formed, and a high-frequency circuit was formed.
【００４５】この素子構造はジョセフソン素子を直列あ
るいは並列にアレイ化するのに適している。本実施例で
は１０個の接合を直列に形成し、ジョセフソン発振器と
して動作するよう設計した。なお駆動電源は外部回路と
し、駆動電源をジョセフソン素子アレイの両端に接続し
て直流電流をジョセフソン素子に流した。発振電力を有
効に外部に取り出すため、伝送線路とジョセフソン素子
の端子とを直接接続しているが、伝送線路に直流電流を
流さないためには、伝送線路とジョセフソン素子との間
にＤＣブロックを挿入するか、両者を容量結合させれば
よい。This element structure is suitable for arraying Josephson elements in series or in parallel. In this embodiment, ten junctions are formed in series and designed to operate as a Josephson oscillator. The drive power supply was an external circuit, and the drive power supply was connected to both ends of the Josephson element array to flow a DC current to the Josephson element. The transmission line and the terminal of the Josephson element are directly connected to effectively extract the oscillation power to the outside.However, in order to prevent DC current from flowing through the transmission line, a DC voltage is applied between the transmission line and the Josephson element. A block may be inserted or both may be capacitively coupled.
【００４６】この出力を４系統に分波し、中心周波数の
異なる４つの帯域通過型フィルターを各系統の出力に接
続し、発振器の電源電圧を変化させたところ、各系統の
出力端子には、それぞれのフィルターの通過周波数に一
致したときのみ出力が現れた。したがって、スイッチン
グ可能または周波数可変の高周波発振器を構成すること
ができた。This output was split into four systems, four band-pass filters having different center frequencies were connected to the outputs of each system, and the power supply voltage of the oscillator was changed. The output appeared only when it matched the pass frequency of each filter. Therefore, a switchable or variable-frequency high-frequency oscillator can be configured.
【００４７】この発振素子を銅または真鋳製の高周波パ
ッケージにいれ、２段型のＧＭ型冷凍器の冷却ヘッド
（冷却ステージ）にネジ止めした。熱伝導性を良好にす
るため、高周波パッケージと冷却ヘッドとの間にはグリ
ースを塗っている。グリースの代わりに導電ペーストや
半田ペーストを用いても有効であった。また、金メッキ
を施した銅製の断熱シールドまたはパーマロイ製の磁気
シールドで冷却部分を囲み、さらにステンレス鋼製の外
部容器で囲んだ後、容器の内部を減圧した。これによっ
て外部の電磁ノイズの影響が少なくなると共に、外部か
らの熱侵入が少なくなり、高周波回路の熱安定性が向上
した。さらに冷却ヘッドに温度センサーを取り付け、そ
の出力をＧＭ冷凍器の電源にフィードバックすることに
より、冷却ヘッドの温度を一定（１２Ｋ以上の任意の温
度）に維持することができた。このことにより高周波回
路の動作安定性が一層向上した。This oscillation element was placed in a high-frequency package made of copper or brass, and screwed to a cooling head (cooling stage) of a two-stage GM refrigerator. Grease is applied between the high-frequency package and the cooling head to improve thermal conductivity. It was effective to use a conductive paste or a solder paste instead of grease. Further, the cooling portion was surrounded by a heat insulating shield made of gold-plated copper or a magnetic shield made of permalloy, and further surrounded by an outer container made of stainless steel, and then the inside of the container was depressurized. As a result, the influence of external electromagnetic noise is reduced, and heat intrusion from the outside is reduced, and the thermal stability of the high-frequency circuit is improved. Further, by attaching a temperature sensor to the cooling head and feeding back its output to the power supply of the GM refrigerator, the temperature of the cooling head could be kept constant (any temperature of 12 K or more). This further improved the operation stability of the high-frequency circuit.
【００４８】本実施例ではＧＭ型冷凍器を用いたが、ス
ターリング冷凍器や、ジュール−トムソン型の冷凍器を
用いても同様の安定性が確保できることを確認した。さ
らに、温度７７Ｋで動作させる場合は、液体窒素を冷媒
とした簡略なデュワー瓶を温度制御装置として用いても
良い。In this example, a GM type refrigerator was used, but it was confirmed that the same stability can be ensured by using a Stirling refrigerator or a Joule-Thomson type refrigerator. Furthermore, when operating at a temperature of 77K, a simple Dewar bottle using liquid nitrogen as a refrigerant may be used as the temperature control device.
【００４９】（実施例２）別の実施例として、ジョセフ
ソン素子を用いた高周波発振装置について説明する。本
実施例では、基板に厚さ０．５ｍｍのＭｇＯ単結晶を用
い、その上にジョセフソン素子と、高周波伝送線路とを
形成した。伝送線路は超伝導薄膜およびＡｕ薄膜よりな
るマイクロストリップ型伝送線路とし、基板の裏面全面
にＡｕ薄膜を形成して接地面とした。超伝導素子は、い
わゆる２２１２相のビスマス系酸化物超伝導体を用いた
積層型ジョセフソン素子であり、Koichi Mizuno 他、Ap
pl.Phys.Lett.56(1990)1469-1471;Jpn.J.Appl.Phys.30
(1991)L1559-L1561 で報告されているものと同様の構造
を有する。同一真空中で形成した多層膜で素子を形成し
ており、この素子構造はジョセフソン素子を並列にアレ
イ化するのに適している。Embodiment 2 As another embodiment, a high-frequency oscillator using a Josephson element will be described. In this example, a 0.5 mm thick MgO single crystal was used for the substrate, on which a Josephson element and a high-frequency transmission line were formed. The transmission line was a microstrip type transmission line composed of a superconducting thin film and an Au thin film, and an Au thin film was formed on the entire back surface of the substrate to serve as a ground plane. The superconducting element is a stacked Josephson element using a so-called 2212-phase bismuth-based oxide superconductor. Koichi Mizuno et al., Ap.
pl.Phys.Lett.56 (1990) 1469-1471; Jpn.J.Appl.Phys.30
(1991) has a structure similar to that reported in L1559-L1561. The element is formed by a multilayer film formed in the same vacuum, and this element structure is suitable for arraying Josephson elements in parallel.
【００５０】超伝導薄膜を含む多層膜の形成と複数回の
パターニングプロセスで超伝導素子と伝送線路パターン
の一部を形成し、その後Ａｕ薄膜を全面に形成し、残り
の伝送線路パターンおよび各種パッド部分を形成するこ
とによって高周波発振回路を形成した。本実施例では３
個の接合を並列にして超伝導素子モジュールを構成し、
これを１０段並べて各段間を薄膜キャパシタにより高周
波的に結合し、高周波発振素子として動作するよう設計
した。一つのジョセフソン素子の素子抵抗は１Ω程度で
あり、電極との接触抵抗を加えると１５Ω程度になる。
従って、ジョセフソン素子を３個並列接続し、高周波的
に１０段直列接続したことにより全体で５０Ωのインピ
ーダンスを実現した。なお駆動電源は外部回路とし、ジ
ョセフソン素子アレイの両端に駆動電源を接続して直流
電流をジョセフソン素子に流した。また、２０ＧＨｚの
中心周波数で有効に発振させるため、高周波伝送線路に
１／２波長共振器を結合した。A superconducting element and a part of a transmission line pattern are formed by forming a multilayer film including a superconducting thin film and performing a plurality of patterning processes. The high frequency oscillation circuit was formed by forming the portion. In this embodiment, 3
A superconducting element module is configured by joining the joints in parallel,
These were arranged in ten stages, and each stage was connected at a high frequency by a thin film capacitor, and designed to operate as a high frequency oscillation element. The element resistance of one Josephson element is about 1Ω, and becomes about 15Ω when the contact resistance with the electrode is added.
Therefore, three Josephson elements were connected in parallel, and 10 stages were connected in series at a high frequency, so that a total impedance of 50Ω was realized. The drive power supply was an external circuit, and a drive power supply was connected to both ends of the Josephson element array to pass a DC current to the Josephson element. Further, in order to oscillate effectively at a center frequency of 20 GHz, a half-wavelength resonator is coupled to the high-frequency transmission line.
【００５１】この素子を５０Ｋ以下の温度に冷却して動
作させたところ、超伝導素子はジョセフソン素子として
動作し、さらにバイアス線に電流を流すことによって高
周波発振素子として動作することを確認した。When this device was cooled to a temperature of 50 K or less and operated, it was confirmed that the superconducting device operated as a Josephson device and further operated as a high-frequency oscillation device by flowing a current through a bias line.
【００５２】なお、超伝導素子に用いる超伝導体は金属
系材料（例えばＮｂ、Ｎｂ合金、ＰｂあるいはＰｂ合金
等）でも良く、また他の高温酸化物超伝導体（Ｙ系、Ｔ
ｌ系、Ｈｇ系など）でも良い。高周波伝送線路は、上記
のようなＡｕあるいは超伝導体に限らず、他の金属材料
（Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、又はこれらの合金、又はＡｕを含
む合金）を用いて形成してもよい。実際には、使用され
る周波数領域で最小の表面抵抗を示す材料を用いること
が望ましい。The superconductor used for the superconducting element may be a metal-based material (for example, Nb, Nb alloy, Pb or Pb alloy), or another high-temperature oxide superconductor (Y-based, T-based).
l-type, Hg-type, etc.). The high-frequency transmission line is not limited to Au or the superconductor as described above, and may be formed using another metal material (Pt, Cu, Ag, or an alloy thereof, or an alloy containing Au). In practice, it is desirable to use a material that exhibits a minimum surface resistance in the frequency range used.
【００５３】また、基板材料は高周波での誘電損失が小
さいものが望ましく、サファイアや種々の誘電材料を用
いることができる。酸化物超伝導体を用いる場合は、良
好な超伝導特性を得るために基板材料の格子定数が超伝
導体の格子定数に近いことが望ましい。したがって、Ｌ
ａＡｌＯ3、ＬａＧａＯ3、ＬａＳｒＯ3などのペロブス
カイト系単結晶を用いることができる。It is desirable that the substrate material has a small dielectric loss at a high frequency, and sapphire or various dielectric materials can be used. When an oxide superconductor is used, it is desirable that the lattice constant of the substrate material be close to the lattice constant of the superconductor in order to obtain good superconducting characteristics. Therefore, L
Perovskite single crystals such as aAlO 3 , LaGaO 3 , and LaSrO 3 can be used.
【図１】本発明による超伝導素子を用いた高周波装置の
概略図FIG. 1 is a schematic diagram of a high-frequency device using a superconducting element according to the present invention.
【図２】図１の高周波装置を構成する高周波回路とし
て、複数のジョセフソン素子を直列接続（ａ）、並列接
続（ｂ）、または直並列接続（ｃ）して構成した発振器
の回路図FIG. 2 is a circuit diagram of an oscillator configured by connecting a plurality of Josephson elements in series (a), parallel connection (b), or series-parallel connection (c) as a high-frequency circuit constituting the high-frequency device of FIG.
【図３】ジョセフソン素子を用いた高周波回路としての
発振器の構成例を示す要部上面図、要部断面図、及び等
価回路図FIG. 3 is a main part top view, a main part cross-sectional view, and an equivalent circuit diagram showing a configuration example of an oscillator as a high-frequency circuit using a Josephson element.
【図４】ジョセフソン素子を用いた高周波回路としての
発振器の他の構成例を示す要部上面図、要部断面図、等
価回路図FIG. 4 is a main part top view, main part cross-sectional view, and equivalent circuit diagram showing another configuration example of an oscillator as a high-frequency circuit using a Josephson element.
【図５】高周波装置を構成する高周波回路として、高周
波電力増幅部を備えた高周波発振器の概念図FIG. 5 is a conceptual diagram of a high-frequency oscillator having a high-frequency power amplifier as a high-frequency circuit constituting the high-frequency device.
【図６】高周波回路として、共振器を備えた高周波発振
装置の３つの構成例を示す概念図FIG. 6 is a conceptual diagram showing three configuration examples of a high-frequency oscillator including a resonator as a high-frequency circuit.
【図７】高周波回路として、ジョセフソン素子を用いた
多チャンネル発振器の概念図FIG. 7 is a conceptual diagram of a multi-channel oscillator using a Josephson element as a high-frequency circuit.
【図８】超伝導素子を用いた高周波回路としての周波数
変換器の概略構成図FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a frequency converter as a high-frequency circuit using a superconducting element.
【図９】図８の周波数変換器の回路図FIG. 9 is a circuit diagram of the frequency converter of FIG. 8;
【図１０】図９との比較のための従来の周波数変換器の
回路図FIG. 10 is a circuit diagram of a conventional frequency converter for comparison with FIG.
【図１１】高周波回路としての周波数変換器の他の構成
を示す概念図FIG. 11 is a conceptual diagram showing another configuration of a frequency converter as a high-frequency circuit.
【図１２】ジョセフソン素子の等価回路図FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a Josephson element.
４ 入力用伝送線路 ５ 出力用伝送線路 ６ 基板 ７ 高周波パッケージ ８ 低温ステージ ９ 熱交換部 １０ 冷媒還流部 １１ 熱シールド ３１ ジョセフソン素子 ３２ 電源 ３３ 伝送線路 ３４ 共振器型フィルター ４２ 直流バイアス線 ４３ 層間絶縁膜 ４５ 高周波発振器 ４６ 高周波伝送線路 ４７ 高周波電力増幅器 ４８ 伝送線路型共振器 ４９ 誘電体共振器 ５０ 薄膜リング共振器 ５１ ブランチライン型結合線路 Ｊ１〜Ｊ４ 超伝導素子モジュール Ｃ１〜Ｃ４ 位相調整回路 Reference Signs List 4 input transmission line 5 output transmission line 6 substrate 7 high-frequency package 8 low-temperature stage 9 heat exchange unit 10 refrigerant recirculation unit 11 heat shield 31 Josephson element 32 power supply 33 transmission line 34 resonator-type filter 42 DC bias line 43 interlayer insulation Film 45 high-frequency oscillator 46 high-frequency transmission line 47 high-frequency power amplifier 48 transmission-line resonator 49 dielectric resonator 50 thin-film ring resonator 51 branch-line coupling line J1-J4 superconducting element module C1-C4 phase adjustment circuit
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 瀬恒 謙太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−204982（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−163998（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−74771（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−51578（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−274101（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−68717（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−86645（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−166187（ＪＰ，Ａ) 実開 平５−50755（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 39/22 H01L 23/46 H03B 15/00 H01L 23/46 H03D 7/00 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Kentaro Seto 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma City, Osaka Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-3-204982 (JP, A) JP-A-6 JP-163998 (JP, A) JP-A-64-74771 (JP, A) JP-A-4-51578 (JP, A) JP-A-2-274101 (JP, A) JP-A-4-68717 (JP, A) JP-A-7-86645 (JP, A) JP-A-61-166187 (JP, A) JP-A-5-50755 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 39/22 H01L 23/46 H03B 15/00 H01L 23/46 H03D 7/00
Claims (12)
る高周波パッケージと、この高周波パッケージと熱的に
接触する低温ステージを有する冷却ユニットと、前記高
周波回路及び低温ステージを収納するシールド容器とを
備え、 前記高周波回路は、高周波伝送線路と、ジョセフソン素
子を所定の個数並列接続した超伝導素子モジュールと、
所定個数の前記超伝導素子モジュールを高周波的に直列
接続する位相調整回路とを含む高周波装置 。 1. A high-frequency circuit, a high-frequency package accommodating the high-frequency circuit, a cooling unit having a low-temperature stage in thermal contact with the high-frequency package, and a shield container accommodating the high-frequency circuit and the low-temperature stage. The high-frequency circuit includes a high-frequency transmission line and a Josephson element.
A superconducting element module in which a predetermined number of elements are connected in parallel,
A predetermined number of the superconducting element modules are connected in series at high frequency.
A high-frequency device including a phase adjustment circuit to be connected .
成されている請求項１記載の高周波装置。Wherein said phase adjusting circuit a high-frequency device according to claim 1, wherein is composed of a thin film capacitor.
伝送線路とのインピーダンス整合に必要な個数だけ高周
波的に直列接続されている請求項１記載の高周波装置。Wherein the superconducting element modules the high-frequency transmission line required number to impedance matching with high frequency high frequency apparatus according to claim 1, characterized in that connected in series.
導体で構成されている請求項１記載の高周波装置。Wherein said superconducting element module oxide high-frequency device according to claim 1, wherein is composed of the superconductor.
半導体素子からなる高周波増幅器が配置されている請求
項１記載の高周波装置。5. In a manner close to the high-frequency transmission line,
RF device according to claim 1, wherein the high-frequency amplifier composed of semiconductor elements are arranged.
共振器が配置されている請求項１記載の高周波装置。6. A high-frequency transmission line,
RF device according to claim 1, wherein the resonator is arranged.
る請求項１記載の高周波装置。7. A high-frequency apparatus according to claim 1, wherein said high-frequency transmission line has a resonator structure.
が、前記高周波伝送線路に沿って、前記伝送線路中の共
振周波数の電気長の８分の１以下である請求項１記載の
高周波回路。8. A region occupied by the superconducting element module along said high frequency transmission line, a high-frequency circuit according to claim 1, wherein the electrical length less than one-eighth of the resonance frequency in the transmission line.
波伝送線路に沿って、前記伝送線路中の共振周波数の電
気長の半分の整数倍の距離ごとに配置されている請求項
１記載の高周波回路。9. The superconducting element module is arranged along the high-frequency transmission line at a distance of an integral multiple of half an electric length of a resonance frequency in the transmission line.
2. The high-frequency circuit according to 1 .
端子及び複数の出力端子を有する結合線路と、この結合
線路の出力端子と前記高周波伝送線路との間に配置され
た非線形素子とを備えている請求項１記載の高周波装
置。10. The high-frequency circuit further includes a coupling line having a plurality of input terminals and a plurality of output terminals, and a non-linear element disposed between an output terminal of the coupling line and the high-frequency transmission line. The high-frequency device according to claim 1 .
らに備えている請求項１記載の高周波装置。11. The center frequencies of different resonators further comprising in that claim 1 high frequency apparatus according.
れている請求項１１記載の高周波装置。12. The high-frequency device according to claim 11, wherein said resonator is made of an oxide superconductor.
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