[发明专利]具有超导元件及温度控制器的高频装置

说明书

本发明涉及高频通信系统等中的使用超导元件的高频振荡器或变频器之类的高频装置。

将1千兆赫至40千兆赫的频带用于载波的高频通信系统已被实际应用于卫星通信系统和移动体通信中。在这种通信系统中，需要将音频信号(基带为3KHz左右)及视频信号(基带为30MHz左右)变换成高频载波(1千兆赫至40千兆赫)再对调频载波进行频率变换从而取出各种信号波的技术。这种频率变换通常采用利用半导体非线性元件的频率混合功能的外差法方式进行。

采用外差法方式在具有非线性特性的元件中将两个不同频率的信号相加时，利用所出现的这两个频率之和的频率分量及差的频率分量实现频率变换。即在发信侧，对由本机振荡器产生的高频本机振荡波和信号波进行混频，将它们的和的频率分量(高频信号)放大后从天线发射。在接收侧对由天线接收的高频信号和由本机振荡器产生的本机振荡波进行混频，并将它们的差的频率作为信号波取出。

作为外差法方式中的基本元件有本机振荡器中使用的产生高频用的振荡元件、混频用的非线性元件、以及放大高频输入信号或变频信号的放大元件。以往，例如分别将生成稳定的基准信号的晶体振子或耿氏二极管等高频振荡元件作为本机振荡器、将肖脱基二极管作为频率变换元件、将HEMT、HBT等晶体管作为高频放大元件来使用，将这些元件组合起来构成变频器或信号放大器。

另一方面，在将来会实用化的更高频率范围的通信系统中，现在的半导体元件将不能工作了。在这种条件下仍能工作的元件之一有约瑟夫逊元件。

在施加了电压状态的约瑟夫逊元件的两端之间存在由交流约瑟夫逊效应产生的交流振荡。其振荡频率f由下式(1)表示。

f＝2eV/h                   (1)

式中e为基本电荷、h为普朗克常数、V为约瑟夫逊元件电极间的电压。因此，通过改变约瑟夫逊元件两端的电压，使振荡频率f变化，其值变为483GHz/mV。其频率上限由所使用的超导体的超导能隙(2Δ)决定，在使用金属类超导体即Nb(2Δ～2meV)的约瑟夫逊元件的情况下，约为1THz，在氧化物高温超导体即Y₁Ba₂Cu₃O₇-δ(2Δ～20MeV)的情况下，变为约10THz。

另一方面，该约瑟夫逊振荡电流的振幅等于元件的超导临界电流值(I_c)，从单一的约瑟夫逊元件取得的高频功率P_o由下式(2)给出，且设元件电阻为R_n。

P_o＝1/8(I_c²·R_n)           (2)

通常，使用由实验获得的I_c(1mA左右)、R_n(1Ω)进行估算，P_o是一非常小的值，约为100nW。如果在约瑟夫元件和传输线路等之间的阻抗不匹配，则在传输线路和约瑟夫逊元件连接的结点处会产生不必要的反射，实际取得的高频功率就会变得更小。

因此，为了得到输出实用的高频振荡功率，提出了将多个约瑟夫逊元件阵列化的方法，例如记载在以下例举的文献中。

(1)将多个约瑟夫逊元件串联耦合的例：Arthur Davidson，U.S.Patent 4,344,052；James E.Lukens，Aloke K.Jain PaulM.Mankiewich，U.S.Patent 4,468,635；James E.Lukens，Aloke K.Jain Paul M.Mankiewich，U.S.Patent 4,470 023；Siyuan Han，A.H.Worsham，J.E.Lukens，IEEE Trans.Appl.Super.3，2489-2492(1993)；J.Edstam，H.K.Olsson，IEEE Trans.Appl.Super.3，2496-2499(1993).