Transcript 発表資料

電波天文向けデュアルバンド超伝導フィルタ
○河口 民雄、塩川 教次、中山 浩平、
山崎 六月、池内 裕章、加屋野 博幸
（株）東芝 研究開発センター
電子情報通信学会 マイクロ波研究会
2014年 4月 17日 機械振興会館
© 2013 Toshiba Corporation
背景 ～周波数の利用状況～
総務省「電波利用ホームページ」より抜粋
http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/search/myuse/use/index.htm
無線通信の利用の拡大に伴い、様々な周波数帯の
利用が広がり、周波数資源の枯渇が問題
↓
電波有効利用技術・干渉除去技術が重要
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背景 ～電波天文に用いられる周波数帯～
電波天文で用いる周波数帯は、1.4GHz帯と1.6GHz帯の
2周波帯があり、同じ受信機を用いての観測が求められる。
干渉を避けるため、デュアルバンドフィルタが必要
総務省「電波利用ホームページ」より抜粋
http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/search/myuse/use/index.htm
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背景 ～フィルタによる干渉除去～
電波天文34mアンテナ
観測所は電波環境の良い場所を選んで設置されるが、
周波数が混み合う昨今では、他システムからの微弱な信号も
できるだけ除去したい要求がある。
→デュアルバンドフィルタを用いて必要な2周波帯のみを切り出す
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電波天文受信部の構成
真空チャンバー
10~30K
パラボラアンテナ
アイソレータ
冷却ＬＮＡ
出力
デュアルバンド
超伝導フィルタ
冷凍機
既存の受信システムは、受信雑音を下げるため、
LNAを極低温に冷却して運用している。
干渉除去のBPFには、受信感度の劣化を抑えるため
低損失デュアルバンドフィルタが必要
↓
超伝導デュアルバンドフィルタを開発
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超伝導薄膜の表面抵抗
超伝導薄膜（ＹＢＣＯ）と銅の表面抵抗の比較[1]
1.0E+00
銅
Rs_Cu@70K (Ω)
Rs_YBCO@70K (Ω)
1.0E-01
Rs (Ω)
1.0E-02
1.4GHz帯で
3桁以上小さい
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
超伝導薄膜
1.0E-06
超伝導体を用いることで、
高Qな共振器が得られる。
1.0E-07
1.0E-08
0.1
1
10
100
Frequency (GHz)
[1] T. Hashimoto, et al., IEICE Trans. Electron., vol. E86-C, No. 8, pp. 1721-1728, Aug. 2003.
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デュアルバンドフィルタの仕様
低域側帯域幅 (1.4GHz 帯)
35 MHz
高域側帯域幅 (1.6GHz 帯)
120 MHz
挿入損 I.L.
0.5dB 以下
阻止域減衰量(1475～1485MHz)
40dB 以上
阻止域減衰量(1840～1980MHz)
35dB 以上
阻止域減衰量(1980～2500MHz)
40dB 以上
低域側比帯域：2.5％
高域側比帯域：7.2％
挿入損失
動作温度
10~30 K
0.5dB 以下
挿入損失
0.5dB 以下
1.4ＧＨｚ帯
1. 61.6ＧＨｚ帯
ＧＨｚ帯
通過域
通過域
通過域
阻止域
1475~1485MHz
阻止域
1 840 ~1 980 MHz
阻止域
1 980 ~ 2500 MHz
- 40 dB 以下
- 35 dB 以下
- 40 dB 以下
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デュアルバンドフィルタの等価回路
低域側チェビシェフ6段フィルタ
Qle1
Z0
Z0  l
kl12
fl
Qhe1
Z0  h
fl
kh12
fh
kl34
kl23
kh34
kh23
fh
fl
fl
fh
Z0
Q he2
kh56
fh
Z0  l
fl
fl
kh45
fh
Q le2
kl56
kl45
Z0  h
fh
高域側チェビシェフ6段フィルタ
各フィルタの帯域を個別に設計するため
低域側と高域側のフィルタを並列合成し、
デュアルバンドフィルタを構成
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デュアルバンドフィルタの回路シミュレーション結果
低域側、高域側の各仕様を満足していることを確認
I.L<0.1dB, Qu＝100000で計算
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共振器構造
インダクタ部の長さを
変えて周波数調整
L
C
C
超伝導体
誘電体基板 (er, tand)
C
図 等価回路
極低温で誘電率変化の少ないMgO基板を用いる。
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共振器の温度特性
図 1.4GHz帯共振器の
温度特性
図 1.6GHz帯共振器の
温度特性
10～30Kにおける周波数偏差は0.1MHz
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低域側フィルタの電磁界シミュレーション結果
0
Qle1
kl12
kl34
kl23
Q le2
kl56
kl45
S11
S21
-10
fl
fl
fl
fl
fl
fl
低域側1.4GHz帯
6段チェビシェフフィルタ
Z0
-20
|S11|, |S21| (dB)
Z0
-30
-40
-50
-60
-70
-80
1.35
1.37
1.39
1.41
1.43
1.45
Frequency (GHz)
1.47
1.49
低域側の各仕様を満足していることを確認
I.L<0.1dB, 1475～1485MHzの減衰量>55dB
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高域側フィルタの電磁界シミュレーション結果
0
Z0
kh12
fh
kh34
kh23
fh
fh
fh
Q he2
kh56
kh45
fh
高域側1.6GHz帯
6段チェビシェフフィルタ
fh
-10
-20
Z0
|S11|, |S21| (dB)
Qhe1
-30
-40
-50
-60
S11
S21
-70
-80
1.5
1.55
1.6
1.65
1.7
Frequency (GHz)
1.75
1.8
高域側の各仕様を満足していることを確認
I.L<0.1dB, 1840～1980MHzの減衰量>70dB
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デュアルバンドフィルタの電磁界シミュレーション結果
0
Z0
Z0  l
kl12
fl
Qhe1
Z0  h
fl
kh12
fh
kl34
kl23
kh34
kh23
fh
fl
fl
fh
Q he2
kh56
fh
Z0  l
fl
fl
kh45
fh
Q le2
kl56
kl45
fh
Z0  h
合成回路を含めて、単体の
パラメータから一部修正し、
パターンを決定
S11
S21
-10
Z0
|S11|, |S21| (dB)
Qle1
-20
-30
仕様
-40
-50
-60
-70
-80
-90
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
Frequency (GHz)
各仕様を満足していることを確認: I.L<0.1dB, リターンロス>18dB,
1475～1485MHzの減衰量>47dB,1840～1980MHzの減衰量>63dB,
1980～2500MHzの減衰量>45dB
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デュアルバンドフィルタの測定結果
航空機
GPS レーダ 携帯基地局
ＰＨＳ 携帯電話
無線LAN
0
-10
20K
|S21| (dB)
-20
-30
フィルタ仕様
仕様
-40
-50
フィルタパッケージ
-60
-70
電波天文
通過域
-80
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
Frequency
(MHz)
Frequency (MHz)
各仕様を満足していることを確認: I.L<0.1dB
低損失デュアルバンドフィルタを実現
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デュアルバンドフィルタの温度特性
10～30Kいづれの温度においても
仕様を満足していることを確認: I.L<0.1dB
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まとめ
• 電波天文受信機の干渉除去用デュアルバンド超伝導
フィルタの開発を行った。
• 超伝導デュアルバンドフィルタを用いることで、
I.L=0.1dB以下となる低損失なフィルタ特性を実現した
。
• このフィルタを既存の電波天文受信機に用いることで
受信感度の低下を最小限に抑えた干渉除去フィルタ
が実現できることを実証した。
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