JPS63136802A - 磁気共鳴薄膜同調フイルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は磁気共鳴薄膜例えばＹＩＧ　（イツトリウム・
鉄・ガーネット）薄膜磁気共鳴共振器よりなる磁気共鳴
薄膜同調フィルタに関わる。

〔発明の概要〕

本発明は、磁気共鳴薄膜に信号の入出力各伝送線路が結
合され、磁気共鳴薄膜に直流磁界を印加するようにした
磁気共鳴薄膜同調フィルターにおいて、その伝送線路の
磁気共鳴′ａ膜との結合点から先端短絡位置までの距離
を同調帯域の上限周波数において１７１０波長以上で１
／４波長未満に選んで可変帯域を広げ、しかもスプリア
ス特性の改善を図るものである。

〔従来の技術〕

従来の磁気共鳴薄膜による磁気共鳴共振器による同調フ
ィルタの路線的構成は、例えば第９図に示すように、対
の磁気共鳴共振器としてのＹＩＧ薄膜薄膜及１Ｙ２によ
る２段の帯域通過フィルタ構成をとる。このフィルタに
おいては、ＹＴＧ薄膜薄膜及１Ｙ２に対しそれぞれ信号
を入力する入力伝送線路Ｌ１と出力信号をとり出す出力
伝送線路Ｌ２とが磁気的に結合して設けられ、両ＹＩＧ
薄膜Ｙ１及びＹ２に差し渡って結合伝送線路Ｌ１２が両
ＹＩＧ薄膜Ｙ１及びＹ２に磁気的に結合して設けられる
。この場合、両ＹＩＧ薄ＨＩＩ　ｙ　を及びＹ２と各伝
送線路Ｌ１及びＬ２との結合は、これらの結合を強める
ために画伝送線路Ｌ１及びＬ２の各先端短絡位置Ｐ１及
びＰ２に近い位置に選定されている。

ところがこの種のフィルタにおいてＹＩＧｉ膜Ｙ１及び
Ｙ２に印加する直流磁界を変化させることによって同調
周波数を可変にした周波数可変型同調フィルタとした場
合、上述の構成によるフィルタでは、その可変帯域は工
ないし２オクタ一ブ程度にとどまるものである。

このように２段のＹＩＧ同調フィルタが、狭い可変帯域
を示すことについて考察する。今、（ｌｕをＹＩＧ薄膜
薄膜及１Ｙ２の無負荷Ｑとし、ＱｅをＹＩＧ薄膜薄膜及
１Ｙ２と入出力各線路Ｌ１及びＬ２との結合による外部
Ｑとし、ｇｅＭｆを入出力各線路のＹＩＧ薄ＩＪ　Ｙ　
ｉ及びＹ２との結合点から各線路Ｌ１及びＬ２の先端短
絡位置Ｐユ及びＰ２までの距離を延長したことによる見
かけ上の外部Ｑとし、ｋを２つのＹＩＧ薄１％　Ｙ　１
及び７２間の結合係数とすると、これらは周波数ｆの関
数として次のように表わすことができる。

ｋ＝二　　　　　　　　　　・・・・・・（１）ｒ　　
　゛ ・・・・・・（３） ここで、ｆ　Ｔｌ１ｎは共鳴下限周波数、γは磁気回転
比、ΔＨは共鳴半値幅、βは入出力線路の位相定数、ｌ
は入出力線路のＹＩＧ薄膜との結合点から先端短絡まで
の長さ、Ｖｃは光速度、εｅｉ＋は入出力線路の実効誘
電率である。今、ある周波数ｆ。

でフィルタがクリティカルカップル（ｃｒｉｔｉｃａｌ
ｃｏｕｐｌｅ　）になっているとすると次式（４）が成
り立つ。

このクリティカルカップルが成立する状態ではフィルタ
特性は通過帯域の中心で挿入損失は最小値をとり、反射
損失は最大値をとる。

ところが、次式（５） が成り立つオーバーカップル状態では、フィルタ特性は
双峰性になるため通過帯域の中心で挿入損失は最小値を
とらず、また反射損失も最大値をとらなくなる。

さらに、次式（６） の成立するアンダーカップル状態では、よりアンダーカ
ップルになるにしたがい、より挿入損失が増大し、より
反射損失が減少する。

第１０図は第９図に示した基本構成をとるフィルタの特
性のシミュレーション結果を示すもので、図中、曲線（
ＩＯＲＬ）は反射損失、曲線（ＩＯＩＬ）は挿入損失、
曲線（ＩＯＢＷ）は３ｄＢ帯域幅の各周波数特性曲線を
示す。この場合クリティカルカップリングとなる周波数
は約Ｉ　Ｇ　ＩＩ　ｚである。そしてクリティカル周波
数より低周波側ではオーバーカップル状態となり、クリ
ティカル周波数から離れるにしたがってよりオーバーカ
ップルになるためフィルタ特性は劣化し、通過帯域中心
での挿入損失は増大し反射損失は減少する。また、クリ
ティカル周波数より高周波側ではアンダーカップル状態
となりクリティカル周波数から離れるにしたがってより
アンダーカップルになるためフィルタ特性は劣化し挿入
損失が増大し、反射損失が減少する。

これは、ＹＩＧ薄膜間の結合係数には周波数に反比例す
るのに対し、従来のフィルタでは、入出力線路はＹＩＧ
薄膜の端で直ちに先端短絡されていたため、ｌは十分に
小さく（３）式よりＱｅｅｆｆは周波数に依らず一部値
Ｑｅをとるからである。第１Ｏ図より、反射損失１０ｄ
Ｂ以上（電圧定在波比２以下）で規定した場合では、フ
ィルタの可変帯域は０．６５ＧＨｚ〜１．５ＧＩＩｚの
１．２オクターブであり、反射損失６ｄＢ以上（電圧定
在波比３以下）で規定した場合では０．５ＧＨｚ〜１．
９ＧＩＩｚの１．９オクターブになる。尚、第１１図は
実際のこのフィルタのフィルタ特性の測定結果を示し、
同図中、曲線（ＩＩＲＬ）　、　　（ＩＩＩＬ）及び（
ＩＩＢＷ）はそれぞれ同様の反射損失、挿入損失、３ｄ
Ｂ帯域幅の測定結果を示す。これによれば、第１１図は
第１Ｏ図の結果と酷似していることがわかる。

このように従来のＹＩＧ薄膜同調フィルタにおいては、
中心周波数の変化に伴う３ｄＢ帯域幅の変化が大でシス
テム応用上好ましくなく、またＹＩＧｉｌｌ鳴のユニフ
ォーム・モードがアンダーカンプル状態になるとスプリ
アス・モードによるフィルタ・レスポンスが相対的に強
くなることから、上述のフィルタではスプリアス特性に
問題点を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上述した例えばＹＩＧ薄膜による磁気共鳴同
調フィルタにおいて、その周波数可変帯域の超広帯域化
を図り、中心周波数の変化に伴う３ｄＢ帯域幅の変化が
小さく、可変帯域全体で一定の３ｄＢ帯域幅のフィルタ
を構成し、システム応用上有利とする。また、特に本発
明においては可変帯域の大半をクリティカップリングに
近い状態として可変帯域の両端でオーバーカップル状態
とすることによってアンダーカップル状態に因るスプリ
アス特性の劣化を改善し、全可変帯域で良好なスプリア
ス特性を実現しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は磁気共鳴薄膜例えば、ＹＩＧ薄膜と入出力各伝
送線路との結合を低周波数側で強め高周波数側で弱める
ことにより、ＹＩＧ薄膜間の結合係数にの周波数変化に
近づけ、もって広い周波数範囲でクリティカップリング
に近い状態を実現し、可変帯域の両端でオーバーカップ
ル状態となるようにする。

すなわち、本発明においては、第１図にその基本的構成
を示すように、磁気共鳴共振器としての強磁性薄膜ＹＩ
Ｇ薄膜Ｙ１及びＹ２と、これらＹＩＧ薄膜薄膜及１Ｙ２
に結合した信号を入出力するための入出力各伝送線路Ｌ
１及びＬ２と、ＹＩＧ薄１！ｉ！　Ｙ　１及びＹ２に直
流磁界を印加するための磁気回路（図示せず）とからな
るＹＩＧ薄膜同調フィルタにおいて、入出力各伝送線路
Ｌ１及びＬ２のＹＩＣＪｊ膜Ｙ１及びＹ２との結合点か
ら先端短絡位置Ｐ１及びＰ２までの距離を同調帯域の上
限周波数において１／１０波長以上で１／４波長未満に
選定する。

図においてＬ工、は両ＹＩＧ薄膜Ｙ１及び７２間に差し
渡って配置される結合伝送線路を示す。

〔作用〕

上述したように本発明による同調フィルタにおいては、
その伝送線路Ｌ１及びＬ２とＹＩＧ薄膜薄膜及１Ｙ２と
の結合位置を画伝送線路Ｌ１及びＬ２の各先端短絡位置
Ｐ１及びＰ２から所要の距離だけ離間した位置すなわち
帯域の上限周波数において１／４波長未満でかつ１／４
波長に近い１／ｌＯ波長以上の値に選定したことによっ
てＹ　Ｉ　ＣＭ膜と伝送線路との結合を低周波で強く高
周波で弱（することができる。すなわち、先端短絡の伝
送線路では線路に定在波が生じ線路が発生する高周波磁
界は、第４図にその伝送線路上の磁界分布を示すように
、高周波磁界分布曲線は、曲線（４１）で示すように短
絡端で最も強く、これから離れるにしたがってｃｏｓｉ
ｎ　（余弦）関数的に弱くなり短絡端から１／４波長の
位置で零になる。一方、低周波磁界に関しては、同図中
曲線（４２）に示すように平坦な分布を示す。したがっ
て、本発明構成によれば、磁界結合をするＹＩＧ薄膜と
伝送線路とは可変帯域の低周波側で結合が強く、高周波
側で結合が弱くなる。

さらに説明するに今ある周波数「０でフィルタがクリテ
ィカルカップルになっているとすると、前記（４）式が
成立していることから、ｆ　　ｏ　　　　　　　　　　
　　Ｑｅが成り立つ。

一方、第５図に示すように周波数ｆ（２ｏｇｆ）に対す
るに−−は、同図中直線（５１）となり、こｕ 膜との結合点からその先端短絡位置までの長さｌが周波
数ｆｏでの１７４波長未満であるとしたとき、長さｌの
値により同図曲線（５２ａ　）　　（５２ｂ　）（５２
ｃ　）で示される３通りの場合が考えられる。

今、曲線（５２ｂ）に対応する長さｌについてみると、
このとき次式（８）が成り立つ。

したがって、 ｆ　、　　　　Ｖｃ／　　ｐ　　　　　Ｑｅ・・・・（
９） となる。そして（９）式に（７）式を代入すると、次式
（１０）式が得られる。

ｃｏｓ２βｏｌｌ＝β０　（ｌ　　５ｉｎ２βｏｌ・・
・・（１０）（１０）式を解いて βｏ１＝０．７６１ を得る。ここでλ０は周波数ｆＯでの伝搬波長で長い場
合に対応し、曲線（５２ｃ）は長さｌが図より明らかな
ように、曲線（５２ａ）及び（５２ｂ　）の場合には、
周波数ｆＯが同調帯域の上限周波数となり得るが、曲線
（５２ｃ）の場合には周波数ｆＯより高い周波数ｆｉで
再びクリティカルカップルモードになるため、周波数ｒ
ｏはフィルタの上限周波数とならない。つまり、広帯域
化が図られる。

このことから長さｌの有効な範囲は ８．２６　　　　４ しかしながら、実際上フィルタ特性の広帯域化の上では
上述したように１／１０λ０以上で１／４λ０未満、す
なわち次式の（１３）式とするとき十分広帯域化が図ら
れる。

〔実施例〕

第２図及び第３図を参照して本発明によるＹＩＧ薄膜同
調フィルタの一例を説明するに、非磁性基板（３１）例
えばＧＧＧ　（ガリウム・ガドリニウム・ガーネット）
基板上にＹＩＧ薄膜を例えばＬＰＥ（液相エピタキシー
）によって全面的に形成しフォトリソグラフィによって
パターン化して対の円板状ＹＩＧＢ＊膜Ｙｚ及びＹ２を
同時に形成する。

この対のＹＩＧｔｌ＊膜Ｙ１及びＹ２を有する非磁性基
板（３１）を下部導体（３２）上に配置する。この場合
、下部導体（３２）には所定部に凹部を設けることによ
って両Ｙ　Ｉ　Ｇ薄膜Ｙ１及びＹ２と対向する部分に第
２図に示す空間すなわち空気Ｍ（３６）が存在するよう
にする。また、非磁性基板（３１）上に対向して誘電体
基板（３３）例えばＧＧＧ基板を配置する。この誘電体
基板（３３）の両ＹＩＧ薄膜Ｙ１及びＹ２に対向する側
の面にはこれらＹＩＧ薄膜薄膜及１Ｙ２上をそれぞれ横
切る方向に延長して平行する入力伝送線路Ｌ１と出力伝
送線路Ｌ２とを被着形成する。また誘電体基板（３３）
のＹＩＧ薄１５１　Ｙ　１及びＹ２と対向する側とは反
対側の面には両ｖｔｃｉｌ＊ｙｔ及びＹ２と対向する位
置を横切る方向にすなわち両人出力伝送線路Ｌ１及びＬ
２を横切る方向に延長して結合伝送線路Ｌ□２を被着形
成する。そして、これらＹＩＧ薄膜薄膜及１Ｙ２を有す
る非磁性基１（３１）と、これの上に配置された入出力
各伝送線路Ｌ１及びＬ２と結合伝送線路Ｌ１２を有する
誘電体基板（３３）とを挟み込むようにかつ上部導体（
３４）をその両側縁が下部導体（３２）の両側縁部に対
接するように配置する。

この場合、上部導体（３４）の内面には所定部に凹部が
設けられ、ＹＩＧ薄膜Ｙ２と対向する部分とさろに入出
力各伝送線路Ｌ１及びＬ２の互いに反対側の入出力端側
と対向する部分に上部導体（３４）との間に第２図に示
す空間すなわち空気層（３７）が生ずるようにする。

また、下部導体（３２）と上部導体（３４）間に挟み込
まれた誘電体基板（３３）上の結合伝送線路ＬＬ２の両
端には、上部導体（３４）と接触する接地端ｅ□２ａと
ｅ１２ｂを設け、さらに入出力各伝送線路Ｌ工及びＬ２
の各入出力端とは反対側には、下部導体（３２）と連接
する接地端ｅ工及びｅ２が設けられる。

このようにして、上下両導体（３２）及び（３４）間に
対のｙｔｃｉ膜Ｙ１及びＹ２と、これらと結合する入出
力各伝送線路Ｌ工及びＬ２と、さらに結合伝送線路ＬＬ
２とが設けられたフィルタ本体（３５）が構成される。

このフィルタ本体（３５）は、第２図に示すように磁気
回路（２１）中の磁気ギャップ（２２）内に配置される
。この磁気回路（２１）は例えばそれぞれ中央に中心コ
ア（２３Ａ）及び（２３Ｂ）を有する対の置型の磁気コ
ア（２４Ａ　）及び（２４Ｂ　）が対向して構成され、
両中心コア＜２３Ａ）　　＜２３８＞間に磁気ギャップ
（２２）が構成されてなる。また、少なくとも一方の中
心コア（２３Ａ）または（２３Ｂ）には巻ｌ！（２５）
が巻装され、これに直流電流が通電されることによって
磁気ギャップ（２２）内のフィルタ本体（３５）に所要
の直流磁界が与えるようになされている。

このような構成において巻線（２５）に対する通電電流
を変化させることによってフィルタ本体（３）上に与え
る磁界を変化させて同調周波数を可変するようになされ
ている。

そして、特にこの構成においてＹＩＧ薄膜Ｙ工及びＹ２
と入出力各伝送線路しい及びＬ２との結合部は、それぞ
れの接地端ｅ１及びｅ２すなわち先端短絡位置からの距
離ｌが上限周波数の１／４波長未満で１７１Ｏ波長以上
に選定する。

この場合、上述したようにＧＧＧ基板を用いた伝送線路
構造とすることによってその線路の実効誘電率を高める
ときは入出力各伝送線路Ｌ１及びＬ２のＹＩＧ薄膜Ｙ工
及びＹ２の結合点からその先端短絡位置すなわち接地端
ｅ１及びｅ２までの空間的長さすなわち実長を短くする
ことができる。

今、第２図及び第３図に示した構造において、その入出
力各伝送線路Ｌ１及びＬ２のＹ　Ｉ　Ｇ薄ＦＪＹ１及び
Ｙ２との結合点から先端短絡位置までの長さｌを自由空
間で１２．３ｍｍに相当する長さにしたときのフィルタ
特性のシミュレーション結果ヲ第６図に示す。第６図に
おいて曲線（６０ＲＬ）　、曲線（６０１Ｌ）及び曲線
（６０ＢＷ）は、反射損失、挿入損失及び３ｄＢ帯域幅
を示す。この場合、その可変帯域は反射損失が６ｄＢ以
上となる周波数範囲で規定したとき、０．５Ｇ）１ｚ〜
４．９ＧＩＩｚとなり、第１０図及び第１１図で示した
従来のフィルタに比し格段に広帯域化されている。

また、第７図は入出力各伝送線路Ｌ１及びＬ２のＹＩＧ
ｉａｌ膜Ｙ工及びＹ２との結合点から先端短絡位置まで
の長さを自由空間で１５．２ｍｍに相当する長さにした
ときのフィルタ特性のシミュレーション結果を示し、同
図曲線（７０ＲＬ）　、曲線（７０１Ｌ）及び曲線（７
０ＢＷ）はそれぞれ反射損失、挿入損失及び３ｄＢ帯域
幅を示す。この場合、可変帯域は反射損失１０ｄＢ以上
で規定したとき０．６８Ｇｌｌｚ　〜３．７ＧＨｚの２
．４オクターブとなり、反射損失６ｄＢ以上では０．５
（Ｊｚ〜３．９ＧＨｚの３オクターブとなる。また、第
８図は第１０図に対応するフィルタの実験結果でこれに
よればシミュレーション結果に酷似していることがわか
る。尚、第６図及び第７図（第８図）においては入出力
各伝送線路とＹＩＧ薄膜との結合点から先端短絡位置ま
での距離をそれぞれ１２．３ｍ＋ｍと１５．２ｍｔａに
選定した場合で、これらはそれぞれ可変帯域の上限周波
数４．９ＧＨｚ及び３．９ＧＩｉｚで波長の１１５、す
なわち１７４波長の８０％の長さに相当している。

また、本発明フィルタによるフィルタ特性の第６図及び
第７図（第８図）と従来のフィルタによるフィルタ特性
第１０図（第１１図）とを比較して明らかなように、本
発明フィルタでは中心周波数の変化に伴う３ｄＢ帯域幅
の変化が小さく一定していることがわかる。

〔発明の効果〕

上述したように本発明構成では、１・入出力各伝送線路
とＹＩＧ薄膜との結合点を伝送呻路の先端短絡位置から
所要の距離隔てた位置に選、、定したことによりその結
合を低周波で強く、高周波で躬くするものでありこのよ
うにしたことによって第５図曲線（５１）と（５２ｃ　
）との関係で示されるように、両者の交点すなわちクリ
ティカルカップリング状態となる点がＡ及びＢで示す２
点の周波数ｒｏ及びｆｌとなることによって広い範囲で
ほとんどクリティカルカップリング状態に近い状態が実
現でき、周波数可変帯域の超広帯域化が図られる。また
、可変帯域の両端でオーバーカップル状態が得られるよ
うにしたので全可変帯域で良好なスプリアス特性を実現
できる。つまりＹＩＧＷｉＩ９！フィルタでは、そのユ
ニフォームモードが主モードで他の高次の静磁モードは
スプリアスモードとなるが、今ユニフォームモードの外
部ＱをＱｅ’としスプリアスモードの外部ＱをＱｅＳと
するとＱｅｕ＜ＱｅＳとなるので、ユニフォームモード
がよりアンダーカップル状態になるとスプリアスモード
は逆にクリティカルカップリングに近い状態になり、ス
プ゛ノアスレスポンスが相対的に強くなってしまう。し
たがって、冒頭に述べた従来のＹＩＧフィルタによる場
合、そのユニフォームモードは高周波側でアンダーカッ
プルになるためにスプリアス特性が高周波側で特に劣化
することになる。これに比し本発明によるフィルタでは
可変帯域の大半がクリティカルカップリングに近い状態
でさらに可変帯域の両端でオーバーカップル状態にされ
ているために全可変帯域で良好なスプリアス特性を実現
できる。

また、本発明構成によれば上述したように共振周波数の
変化に伴う３ｄＢ帯域幅の変化が小さくさているため、
可変帯域全体で一定の３ｄＢ帯域幅のフィルタとなり、
システム応用上有利となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による磁気共鳴薄膜同調フィルタの基本
的構成図、第２図は本発明フィルタの一例の断面図、第
３図はそのフィルタ本体の一例の分解斜視図、第４図は
伝送線路上の磁界分布図、図〜第８図はフィルタ特性図
、第９図は従来のＹＩＧ薄膜同調フィルタの基本的構成
を示す図、第１０図及び第１１図はそのフィルタ特性図
である。 Ｙｌ及びＹ２はＹＩＧ磁気共鳴薄膜、Ｌｌ及びＬ２は入
出力各伝送線路、Ｐｌ及びＰ２は先端短絡位置である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 磁気共鳴薄膜と、該磁気共鳴薄膜に結合した信号を入出
   力するための入出力各伝送線路と、磁気共鳴薄膜に直流
   磁界を印加するための磁気回路とからなる磁気共鳴薄膜
   同調フィルタにおいて、上記伝送線路の磁気共鳴薄膜と
   の結合点から先端短絡位置までの距離を同調帯域の上限
   周波数において１／１０波長以上で１／４波長未満に選
   んだことを特徴とする磁気共鳴薄膜同調フィルタ。