DE69618838T2

DE69618838T2 - Supraleitende Mehrschichtelektrode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69618838T2
Application number: DE69618838T
Authority: DE
Inventors: Seiji Hidaka; Tomoyuki Ise; Yohei Ishikawa; Norifumi Matsui
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: EP0735606B1; EP0735606A1; CN1114965C; DE69618838D1; JP3125618B2; US6066598A; CA2172656A1; KR960036194A; CA2172656C; JPH08265008A; CN1138758A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Mehrschichtelektrode zur Verwendung bei den Hochfrequenzbändern von Mikrowellen, Dezimillimeterwellen oder Millimeterwellen, auf diverse Einrichtungen, die supraleitende Mehrschichtelektroden verwenden, beispielsweise Hochfrequenz-Übertragungsleitungen, Hochfrequenzresonatoren, Hochfrequenzfilter oder Hochfrequenzeinrichtungen, und auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Elektrode, spezifischer auf ein Verfahren zum Einstellen einer Filmdicke einer derartigen supraleitenden Mehrschichtelektrode.

Beschreibung der verwandten Technik

Bei den Hochfrequenzbändern von Mikrowellen, Dezimillimeterwellen oder Millimeterwellen ist es vorzuziehen, daß elektronische Teile, beispielsweise Hohlraumresonatoren oder dielektrische Resonatoren, die jeden TEM-Mode, TE-Mode und TM-Mode verwenden, klein und von geringem Gewicht sind, indem Materialien mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet werden, und daß der Leiterverlust verringert wird, um eine hohe unbelastete Güte zu erhalten. Energieverluste einer Hochfrequenzeinrichtung können grob in Leiterverluste aufgrund eines Skineffekts und dielektrische Verluste aufgrund eines dielektrischen Materials unterteilt werden. In den letzten Jahren wurden dielektrische Materialien entwickelt und in der Praxis verwendet, die ein Niedrigverlust-Charakteristikum aufweisen, obwohl sie eine hohe dielektrische Konstahte aufweisen. Somit ist bei dem Leerlauf-Q der Schaltung der Leiterverlust gegenüber dem dielektrischen Verlust dominant. Um dieses Problem zu lösen, wurde in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 6- 310900 eine Mehrschichtelektrode offenbart, bei der abwechselnd dielektrische Schichten und Dünnfilmleiterschichten laminiert sind.
Wenn supraleitende Materialien bei Elektroden oder Abschirmleitern von elektronischen Teilen, beispielsweise Hohlraumresonatoren oder dielektrischen Resonatoren, die jeden TEM-, TE- und TM-Mode verwenden, eingesetzt werden, ist der Supraleiter vorzuziehen, da der elektrische Widerstand des Supraleiters null beträgt und sein Oberflächenwiderstand gering ist.
Wenn der Supraleiter in einem elektromagnetischen Feld plaziert wird, fließt an der Oberfläche des Supraleiters Supraleitungsstrom, wodurch es möglich wird, das Eindringen des elektromagnetischen Feldes zu verhindern. Wenn jedoch das elektromagnetische Feld stark wird und der Supraleitungsstrom die kritische Stromdichte übersteigt, wird der Supraleiter zu einem normalen Leiter und ist kein Supraleiter mehr. Deshalb ist es notwendig, den Supraleiter bei einer kritischen Stromdichte oder einer kleineren Stromdichte zu verwenden. Durch diese kritische Stromdichte wird die Obergrenze des Widerstands von elektronischen Teilen gegenüber elektrischer Leistung niedrig, und zwar in einem solchen Maße, daß sie von einem praktischen Gesichtspunkt aus betrachtet zu niedrig ist. Diese Tatsache führt auch zu einer technischen Schwierigkeit des Anwendens von supraleitenden Materialien auf praktische Einrichtungen in dem Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich.
In der WO 95/06336 ist eine Dünnfilm-Mehrschichtelektrode einer Hochfrequenz-Elektromagnetfeldkopplung offenbart. Auf einem Substrat ist eine Mehrschichtelektrode angeordnet. Diese Mehrschichtelektrode ist durch abwechselndes Stapeln von Dünnfilmleitern und Dünnfilm-Dielektrika gebildet. Die Dicke jedes Dünnfilm-Dielektrikums ist die gleiche. Ferner ist die Dicke jedes Dünnfilmleiters die gleiche. Die Dicken der Dünnfilm-Dielektrika Die Dicken der Dünnfilm- Dielektrika und der Dünnfilmleiter einer Mehrschichtelektrode werden auf der Basis der Anzahl von Dünnfilmleitern und Dünnfilm-Dielektrika bestimmt. Der Oberflächenwiderstand einer Elektrode wird durch Variieren der Anzahl von Leiterschichten und dielektrischen Schichten sowie durch Einstellen der Dicken aller Leiterschichten oder aller dielektrischen Schichten auf einen gewissen Wert bestimmt. Es werden allgemeine Anmerkungen bezüglich der Verwendung von Dünnfilm-Dielektrika und Dünnfilmleitern, die unterschiedliche Filmdicken aufweisen, dargelegt. Bezüglich des Materials für die Dünnfilmleiter wird allgemein umrissen, daß Supraleiter statt konventioneller Metalleitern verwendet werden können.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine supraleitende Mehrschichtelektrode zu schaffen, deren Widerstand gegenüber elektrischer Leistung beachtlich verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung zu schaffen, die eine derartige supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet:
Diese Aufgabe wird durch eine Hochfrequenz- Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Hochfrequenzfilter zu schaffen, das eine derartige supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet.
Diese Aufgabe wird durch ein Hochfrequenzfilter gemäß Anspruch 18 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen dielektrischen Resonator zu schaffen, der eine derartige supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet.
Diese Aufgabe wird durch einen dielektrischen Resonator gemäß Anspruch 22 gelöst.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Einstellen einer Filmdicke einer derartigen supraleitenden Mehrschichtelektrode zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 23 gelöst.
Bei den supraleitenden Mehrschichtelektroden gemäß der vorliegenden Erfindung sind Supraleiterschichten und dielektrische Schichten abwechselnd laminiert. Hier sind die Dicken der Supraleiterschicht und der dielektrischen Schicht so eingestellt, daß der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung erhöht ist. Infolgedessen kann die kritische Stromdichte wirksam erhöht werden, und der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung kann erhöht werden. Bei der Hochfrequenz-Übertragungsleitung, die die erste und die zweite supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, sind die Dicken der Supraleiterschicht und der dielektrischen Schicht so eingestellt, daß der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung erhöht ist. Infolgedessen kann die kritische Stromdichte wirksam erhöht werden, und der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung kann erhöht werden.
Auf ähnliche Weise wird ferner bei diversen Einrichtungen, beispielsweise Hochfrequenz-Übertragungsleitungen, Hochfrequenzresonatoren, Hochfrequenzfiltern oder Hochfrequenzeinrichtungen, die oben beschriebene supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet, um den Widerstand gegenüber elektrischer Leistung zu erhöhen.
Bei einem Verfahren zum Einstellen einer Filmdicke der ersten bis zur dritten supraleitenden Mehrschichtelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bedingung zum Maximieren des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung ohne Näherungen oder auf der Basis diverser Näherungen abgeleitet, und die Dicken der Supraleiterschicht und der dielektrischen Schicht werden bestimmt.
Bei einer Elektrode, bei der n Supraleiterschichten und (n - 1) dielektrische Schichten abwechselnd laminiert sind, ist der Widerstand der supraleitenden Mehrschichtelektrode gegenüber elektrischer Leistung um n Male erhöht. Hier kann dieser Effekt erwartet werden, wenn die Supraleiterschicht und die dielektrische Schicht bei einer bestimmten optimalen Anordnung bezüglich der Magnetfeld-Eindringtiefe von London gebildet sind. Der anwendbare Frequenzbereich ist wirksam, wenn der reale Teil σr der komplexen elektrischen Leitfähigkeit des Supraleiters ausreichend kleiner ist als der imaginäre Teil σi, d. h. bei ca. 10 GHz oder darunter.
Die obigen und weitere Aufgaben, Aspekte und neuartigen Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung näher ersichtlich, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters, das einen Resonator vom Halbwellenlängenleitungstyp verwendet, der eine supraleitende Mehrschichtleitung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters, das einen Resonator vom Viertelwellenlängenleitungstyp verwendet, der eine supraleitende Mehrschichtleitung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 3 zeigt einen dielektrischen Resonator vom Doppelmodentyp gemäß einer Modifikation;
Fig. 4 zeigt ein zweistufiges Durchlaßfilter vom TM01δ- Mode-Typ gemäß der Modifizierung;
Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind perspektivische Ansichten diverser elektronischer Teile gemäß der Modifizierung; und Fig. 5(d) ist eine Schnittansicht derselben;
Fig. 6 ist ein Ersatzschaltbild eines normalen Leiters;
Fig. 7 ist ein Ersatzschaltbild eines Supraleiters; .
Fig. 8 ist ein T-förmiges Ersatzschaltbild eines Supraleiters;
Fig. 9 ist ein Ersatzschaltbild eines Elements einer supraleitenden Mehrschichtelektrode;
Fig. 10 ist ein Diagramm einer Schaltung mit konzentrierten Elementen einer supraleitenden Mehrschichtelektrode;
Figur. 11 ist ein Ersatzschaltbild der k-ten und obigen Schichten der supraleitenden Mehrschichtelektrode;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Einstellen einer optimalen. Filmdicke;
Fig. 13 ist ein erstes Flußdiagramm des Einstellens einer optimalen Filmdicke;
Fig. 14 ist ein zweites Flußdiagramm des Einstellens der optimalen Filmdicke;
Fig. 15 ist ein drittes Flußdiagramm des Einstellens der optimalen Filmdicke;
Fig. 16 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsräte des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung;
wenn die Dicke x&sub1; des dielektrischen Films in dem Falle von n = 2 variiert;
Fig. 17 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke ξ&sub2; des Supraleiterfilms in dem Falle von n = 2 variiert;
Fig. 18 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke x&sub2; des dielektrischen Films in dem Falle von n = 3 variiert;
Fig. 19 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke ξ&sub3; des Supraleiterfilms in dem Falle von n = 3 variiert;
Fig. 20 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke x&sub3; des dielektrischen Films in dem Falle von n = 4 variiert;
Fig. 21 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke ξ&sub4; des Supraleiterfilms in dem Falle von n = 4 variiert;
Fig. 22 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke x&sub4; des dielektrischen Films in dem Falle von n = 5 variiert;
Fig. 23 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dicke ξ&sub5; des Supraleiterfilms in dem Falle von n = 5 variiert;

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden im folgenden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei allen Zeichnungen sind die gleichen Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

(1) Zusammenfassende Darstellung einer supraleitenden Mehrschichtelektrode und einer Hochfrequenz-Übertragungsleitung

In Fig. 1 weist der Resonator vom Halbwellenlängenleitungstyp ein Merkmal des Verwendens einer Übertragungsleitung auf, die eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß der vörliegenden Erfindung verwendet, die einen Aufbau aufweist, bei dem Dünnfilm-Supraleiter 1 bis 5 und Dünnfilm- Dielektrika 30-1 bis 30-4 abwechselnd laminiert sind. Bei dieser Übertragungsleitung ist eine supraleitende Mehrschichtelektrode an der oberen Oberfläche eines dielektrischen Substrats 10 gebildet, das einen Masseleiter 11 aufweist, der an der unteren Oberfläche desselben gebildet ist, um in Berührung mit einem Dünnfilm-Supraleiter 5, der die unterste Schicht ist, zu gelangen. Folglich bilden der Dünnfilm-Supraleiter 5, der Masseleiter 11 und das dielektrische Substrat 10, das zwischen den Dünnfilm-Supraleiter 5 und den Masseleiter 11 geschichtet ist, eine TEM-Mode- Mikrostreifenleitung ("Hauptübertragungsleitung") LN10. Und vier TEM-Mode-Mikrostreifenleitungen ("Unterübertragungsleitungen") LN1 bis LN4, bei denen jeweils ein Dünnfilm- Dielektrikum zwischen ein Paar Dünnfilm-Supraleiter geschichtet ist, sind an einer länglichen Linie der Hauptübertragungsleitung LN10 laminiert. In Figur. 1 sind die Bezugszeichen der Unterübertragungsleitungen in den Klammern bezüglich der Dielektrika der Unterübertragungsleitungen vorgesehen.

Insbesondere werden hier

(a) dadurch, daß man dafür sorgt, daß die Phasengeschwindigkeiten der TEM-Wellen, die sich durch die Hauptübertragungsleitung LN10 und die Unterübertragungsleitungen LN1 bis LN4 ausbreiten, im wesentlichen zusammenfallen, indem man die Filmdicken x&sub1; bis x&sub4; der Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 und die dielektrische Konstante &epsi;s einstellt, wie später beschrieben wird, und (b) dadurch, daß man die Filmdicken ξ&sub2; bis ξ&sub5;, der Dünnfilm-Supraleiter 2 bis 5 so einstellt, daß die Dicke um so größer wird, je weiter oben die Schicht liegt, wie später beschrieben wird, die jeweiligen elektromagnetischen Felder zwischen der Hauptübertragungsleitung LN10 und der Unterübertragungsleitung LN4, zwischen der Unterübertragungsleitung LN4 und der Unterübertragungsleitung LN3, zwischen der Unterübertragungsleitung LN3 und der Unterübertragungsleitung LN2 und zwischen der Unterübertragungsleitung LN2 und der Unterübertragungsleitung LN1, wobei diese Übertragungsleitungen zueinander benachbart sind, miteinander gekoppelt. Folglich wird die hochfrequente Energie, die durch die Hauptübertragungsleitung LN10 fließt, teilweise zu den Unterübertragungsleitungen LN4, LN3, LN2 und LN1 verschoben, so daß durch jeden der Dünnfilm-Supraleiter 1 bis 5 ein hochfrequenter Strom fließt. Somit kann der Skineffekt, der auf hohe Frequenzen zurückzuführen ist, stark unterdrückt werden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Dünnfilm-Supraleiter 5, der in Form eines Streifens mit einer längsgerichteten Länge von λ/2 (λ g ist die Wellenleiterlänge) vorliegt, auf dem dielektrischen Substrat 10 gebildet, das den Masseleiter 11 aufweist, der an der gesamten Oberfläche der Rückseite desselben gebildet ist. Hier bilden der Dünnfilm-Supraleiter 5, der Masseleiter 11 und das dielektrische Substrat 10, das zwischen den Dünnfilm-Supraleiter 5 und den Masseleiter 11 geschichtet ist, die Hauptübertragungsleitung LN10, die aus einer Mikrostreifenleitung gebildet ist. Ferner sind die folgenden in der folgenden Sequenz an dem Dünnfilm- Supraleiter 5 gebildet: ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-4, ein Dünnfilm-Supraleiter 4, ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-3, ein Dünnfilm-Supraleiter 3, ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-2, ein Dünnfilm-Supraleiter 2, ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-1 und der Dünnfilm-Supraleiter 1. Hier sind die Unterübertragungsleitungen LN1 bis LN4 wie unten beschrieben gebildet:
(a) Das Dünnfilm-Dielektrikum 30-1 ist paarweise zwischen den Dünnfilm-Supraleiter 1 und den Dünnfilm-Supraleiter 2 geschichtet, und somit wird die Unterübertragungsleitung LN1 gebildet.
(b) Das Dünnfilm-Dielektrikum 30-2 ist paarweise zwischen den Dünnfilm-Supraleiter 2 und den Dünnfilm-Supraleiter 3 geschichtet, und somit wird die Unterübertragungsleitung LN2 gebildet.
(c) Das Dünnfilm-Dielektrikum 30-3 ist paarweise zwischen den Dünnfilm-Supraleiter 3 und den Dünnfilm-Supraleiter 4 geschichtet, und somit wird die Unterübertragungsleitung LN3 gebildet.
(d) Das Dünnfilm-Dielektrikum 30-4 ist paarweise zwischen den. Dünnfilm-Supraleiter 4 und den Dünnfilm-Supraleiter 5 geschichtet, und somit wird die Unterübertragüngsleitung LN4 gebildet.
Die Supraleiter-Filmdicken ξ&sub1; und ξ&sub5; der jeweiligen Dünnfilm-Supraleiter 1 bis 5 und die Dielektrikum-Filmdicken x&sub1; bis x&sub4; der Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 sind so eingestellt, wie es in den Flußdiagrammen der Fig. 13 bis 15 gezeigt ist, wie später beschrieben wird.
Ferner wird ein Leiter 12 für einen Eingangsanschluß an dem dielektrischen Substrat 10 derart gebildet, um durch eine Lücke g1 von einem Ende des Dünnfilm-Supraleiters 5 entlang der Länge desselben getrennt zu sein, und in unmittelbarer Nähe, um miteinander elektromagnetisch gekoppelt zu sein, und ein Leiter 13 für einen Ausgangsanschluß ist derart an dem dielektrischen Substrat 10 gebildet, um von einem Ende des Dünnfilm-Supraleiters 5 entlang der Länge desselben durch eine Lücke g2 getrennt zu sein, und in unmittelbarer Nähe, um miteinander elektromagnetisch gekoppelt zu sein. Bei dem ersten, Ausführungsbeispiel erfolgen die Kopplung zwischen dem Eingangsanschlußleiter 12 und einem Ende des Dünnfilm-Supraleiters 5 und die Kopplung zwischen dem Ausgangsanschlußleiter 13 und dem anderen Ende des Dünnfilm- Supraleiters 5 durch kapazitives Koppeln.
Hier ist das dielektrische Substrat 10 aus Saphir hergestellt, der ein Einkristall aus Aluminiumoxid ist, und die Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 sind beispielsweise aus SiO&sub2; hergestellt. Für den Masseleiter 11 und die Dünnfilm- Supraleiter 1 bis 5 können die unten beschriebenen Supraleiter als mindestens ein Material verwendet werden, und vorzugsweise werden supraleitende Oxidmaterialien vom Keramiktyp, die unten beschrieben werden, verwendet.
(a) Reine metallische supraleitende Materialien, beispielsweise Nb oder Pb
(b) Supraleitende Legierungen, beispielsweise Nb-Ti- oder Nb-Zr-System
(c) Supraleitende Materialien vom Typ einer intermetallischen Verbindung, beispielsweise Nb&sub3;Sn oder V&sub3;Si
(d) Supraleitende Oxidmaterialien vom Keramiktyp; Beispiele hierfür sind nachstehend aufgeführt
(d-1) La2-xBaCuO4-δ-Typ oder La2-xSrxCuO4-δ, beispielsweise La1,85Sr0,15CuO&sub4;
(d-2) YBa&sub2;Cu&sub3;O7-δ-Typ (Quantität des Sauerstoffmangels δ = 0 bis 1), beispielsweise YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;
(d-3) Bi-Sr-Ca-Cu-O-Typ
Solche Arten von Materialien werden durch Kalzinieren von Pulver erhalten, wobei Bi&sub2;O&sub3;, SrCO&sub3;, CaCO&sub3; und CuO bei einer Temperatur von 800º bis 870ºC gemischt werden, und anschließendes Sintern in der Atmosphäre bei einer Temperatur von 850º bis 880ºC.
(d-4) Tl-Ba-Ca-Cu-O-Typ
Solche Arten von Materialien, die das hauptsächlich Tl&sub2;CaBa&sub2;Cu&sub2;Ox als eine Hauptkomponente aufweisen, werden durch Mischen jedes Pulvers Tl&sub2;O&sub3;, CaO, BaO und CuO und durch Formen desselben und anschließendes Verschließen desselben in einem Quarzrohr, das Sauerstoff enthält, unter dem Druck von 1 atm und dreistündiges Erhitzen desselben bei einer Temperatur von 880ºC erhalten.
(d-5) EBCO-Typ
(d-6) BPSCCO-Typ
(e) Organische supraleitende Materialien; Beispiele hierfür sind nachstehend aufgeführt.
(e-1) Supraleitende Materialien vom Typ Tetramethyltetraselenafulvalen (TMTSF), beispielsweise (TMTSF)&sub2;ClO&sub4;
(e-2) Supraleitende Materialien vom Typ Bis(ethylendithiolo)tetrathiafulvalen (BEDT-TTF), beispielsweise β(BEDT-TTF)&sub2;I&sub3;
(e-3) Supraleitende Materialien des dmit-Typs
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Bandsperrfilters des Viertelwellenlängenleitungs-Typs, das eine laminierte Dünnfilm-Übertragungsleitung vom Typ einer elektromagnetischen Kopplung einsetzt, die eine supraleitende Mehrschichtelektrode eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein Bandleiter 41 an dem dielektrischen Substrat 10 gebildet, bei dem der Masseleiter 11 an der gesamten Oberfläche der Rückseite desselben gebildet ist, und somit ist eine Mikrostreifenleitung LN11 gebildet. Die Elektrode des ersten Ausführungsbeispiels, die die laminierten Dünnfilm-Supraleiter 1 bis 5 und die Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 aufweist und eine Länge von 1/4 λg aufweist, ist derart gebildet, daß der unterste Dünnfilm-Supraleiter 5 sich in unmittelbarer Nähe, durch eine Beabstandung durch eine Lücke g3, des Bandleiters 41 befindet, um mit dem Bandleiter 41 der Mikrostreifenleitung LN11 elektromagnetisch gekoppelt zu sein, und daß die Längen der Dünnfilm- Supraleiter 1 bis 5 und der Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 parallel zu der Länge des Bandleiters 41 werden. Die Filmdicken ξ&sub1; und ξ&sub5; der jeweiligen Dünnfilm-Supraleiter 1 bis 5 der jeweiligen Bandsperrfilter des Viertelwellenlängenleitungstyps gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sowie die Filmdicken x&sub1; bis x&sub4; der Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 sind auf den gleichen Wert eingestellt wie jene des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei der wie oben beschrieben aufgebauten Schaltung kann ein Resonator, der einen extrem kleinen Leiterverlust aufweist, durch eine Dünnfilm-laminierte Übertragungsleitung einer Viertelwellenlängenleitung vom Typ einer elektromagnetischen Kopplung hergestellt sein. Somit kann durch Bilden des Masseleiters 11, der mit dem Resonator elektromagnetisch gekoppelt ist, ein Bandsperrfilter des Viertelwellenlängenleitungstyps mit einem extrem großen Leerlauf-Q hergestellt werden.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Mikrostreifenleitung LN11 verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt und kann durch eine Übertragungsleitung, wie beispielsweise eine Koplanarleitung, eine Schlitzleitung oder eine Streifenleitung vom Triplate-Typ, hergestellt sein.
Die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung kann auf ein Elektrodenfilmteil angewandt werden, das an der äußeren Oberfläche eines Hohlraums in einem dielektrischen Resonator des TM-Mode-Einzelmode-Typs vorgesehen ist, bei dem ein Kerndielektrikum und ein Hohlraum monolithisch geformt sind, wie beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 3-292006 offenbart. Was den dielektrischen Resonator des TM-Mode-Typs betrifft, so kann er nicht nur auf den TM-Mode-Einzelmode-Typ angewandt werden, sondern auch auf einen dielektrischen Resonator vom Doppelmodentyp, der beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 63-313901 offenbart ist, und, ferner auf einen dielektrischen Resonator vom Tripietmoden- Typ, der beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 61-157101 offenbart ist. Das bedeutet, daß es möglich ist, die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung auf das Elektrodenfilmteil eines dielektrischen Resonators des TM-Mode-Typs anzuwenden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines dielektrischen Resonators 75 des Doppelmoden-Typs gemäß einer Modifizierung des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels. In dem mittleren Abschnitt des Inneren eines Resonatorgehäuses 77 in einer quadratischen, zylindrischen Form, dessen äußere Oberfläche eines Dielektrikums metallisiert ist, befindet sich ein Dielektrikum 76 in Kreuzform, das mit dem Gehäuse 77 monolithisch geformt ist, und somit ist der dielektrische Resonator 75 vom Doppelmoden-Typ gebildet. Als Elektrode des Resonatorgehäuses 77 wird die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung verwendet. Folglich ist es möglich, den Verlust des dielektrischen Resonators zu verringern und das Leerlauf-Q zu erhöhen, da der Oberflächenwiderstand der Elektrode stark verringert werden kann.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines zweistufigen dielektrischen Bandpaßfilters 80 vom TM01δ-Mode-Typ gemäß der. Modifizierung. Der Bandpaßfilter 80 ist wie unten beschrieben gebaut. Eingangs-/Ausgangs-SMA-Leiter 83 und 84 sind an beiden Enden einer zylindrischen dielektrischen Rohrleitung 81, die eine äußere Elektrode 82 aufweist, angebracht. Die Masseleiter der SMA-Leiter 83 und 84 sind mit der äußeren Elektrode 82 verbunden, und Einpolantennen 85 und 86, die einander in der dielektrischen Rohrleitung 81 gegenüberliegen, sind mit den mittleren Leitern der SMA-Leiter 83 bzw. 84 verbunden. In der dielektrischen Rohrleitung 81 zwischen den Einpolantennen 85 und 86 sind über dielektrische Trägerfundamente 89 und 90 in einer Ringform zwei dielektrische Resonatoren 87 bzw. 88 mit einer Säulenform vorgesehen, welche durch eine vorbestimmte Lücke beabstandet sind und innen die innere Oberfläche der dielektrischen Rohrleitung 81 berühren. Auch bei diesem Bandpaßfilter 80 wird als die äußere Elektrode 82 die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung verwendet. Folglich kann der Oberflächenwiderstand der äußeren Elektrode 82 stark verringert werden, wodurch es möglich wird, den Verlust des dielektrischen Filters zu verringern und das Leerlauf-Q zu erhöhen.
Zudem ermöglicht es bei einer unten beschriebenen Modifizierung die Verwendung der supraleitenden Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung, den Oberflächenwiderstand der Elektrode im Vergleich zu dem Stand der Technik stark zu verringern, und ermöglicht es somit, den Übertragungsverlust stark zu verringern.
Fig. 5(a) ist eine perspektivische Ansicht einer Mikrostreifenleitung, die die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung verwendet. Für einen Bandleiter 51 und einen Masseleiter 52 der Mikrostreifenleitung wird die supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet. Die supraleitende Mehrschichtelektrode kann entweder nur für den Bandleiter 51 verwendet werden, die supraleitende Mehrschichtelektrode kann aber auch lediglich für den Masseleiter 52 verwendet werden.
Fig. 5(b) ist eine perspektivische Ansicht einer Streifenleitung vom Triplate-Typ, die die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung verwendet. Für einen Bandleiter 61 und Masseleiter 62 und 63 der Mikrostreifenleitung wird die supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet. Die supraleitende Mehrschichtelektrode kann entweder lediglich für den Bandleiter 61 verwendet werden, die supraleitende Mehrschichtelektrode kann aber auch lediglich für einen der Masseleiter 62 und 63 verwendet werden.
Fig. 5(c) ist eine perspektivische Ansicht einer Koaxialleitung, die die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung verwendet. Für einen mittleren Leiter 71 und einen Masseleiter 72 der Koaxialleitung wird die supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet. Die supraleitende Mehrschichtelektrode kann entweder lediglich für den mittleren Leiter 71 verwendet werden, die supraleitende Mehrschichtelektrode kann aber auch lediglich für den Masseleiter 72 verwendet werden.
Fig. 5(d) ist eine Längsschnittansicht eines runden TM&sub0;&sub1;- Mode-Wellenleiters, der eine supraleitende Mehrschichtelektrode 73 der vorliegenden Erfindung verwendet. Als die äußere Elektrode des runden Wellenleiters wird die supraleitende Mehrschichtelektrode verwendet. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann die supraleitende Mehrschichtelektrode bei der äußeren Elektrode einer Hängeleitung (suspended line), einer Koplanarleitung, einer Schlitzleitung, eines Rechteckwellenleiters, eines Stegwellenleiters, eines runden Wellenleiters, einer dielektrischen Leitung, eine G- Leitung, einer Bildleitung, einer H-Leitung und dergleichen verwendet werden.
Zudem ist es möglich, die supraleitende Mehrschichtelektrode der vorliegenden Erfindung bei der Elektrode diverser Hochfrequenzelemente zum Durchführen jeweiliger bestimmter Hochfrequenzoperationen, beispielsweise Induktoren oder Kondensatoren eines Isolators, einer Antenne, einer Chip- Spule und dergleichen, zu verwenden.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Dünnfilm-Dielektrika 30-1 bis 30-4 von Festkörpern verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und statt der Dünnfilm-Dielektrika 30- 1 bis 30-4 kann ein Gas, beispielsweise Luft, oder eine Flüssigkeit verwendet werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Masseleiter 11 aus einem Leiter hergestellt, der eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise Cu, Ag oder Au.
Die supraleitende Mehrschichtelektrode kann aus einer Mehrzahl von verschiedenen supraleitenden Materialien oder einer Mehrzahl von verschiedenen dielektrischen Materialien gebildet sein. Beispielsweise kann zwischen die Supraleiterschicht und die dielektrische Schicht eine weitere dünne dielektrische Schicht oder metallische Schicht als Pufferschicht zum Zweck der chemischen und physikalischen Stabilisierung angeordnet sein.

(2) Analyse des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes des Inneren eines Supraleiters durch Verwendung eines Zwei-Fluid-Modells

Das Zwei-Fluid-Modell ist ein Modell, bei dem angenommen wird, daß zwei Arten von Elektronen vorliegen: supraleitende und nicht-supraleitende.
Um Hochfrequenzteile durch Verwendung von supraleitenden Materialien zu konzipieren, ist es notwendig, die Charakteristika eines Supraleiters durch einfache Medienkonstanten auszudrücken. Zunächst wird eine komplexe elektrische Leitfähigkeit, die eine Medienkonstante ist, die den elektrischen Strom und das elektrische Feld in einem Supraleiter in Beziehung bringt, von einem Zwei-Fluid-Modell abgeleitet [z. B. siehe "Microwave Electrical Conduction of Oxide Superconductor", Mineo Kobayashi, Solid Physics, Vol. 24, 12, S. 31-39 (1989)], das als ein Modell zum Erläutern der Hochfrequenzcharakteristika des Supraleiters bekannt ist. Als nächstes wird das elektromagnetische Feld von ebenen Wellen in dem Supraleiter durch Verwenden der komplexen elektrischen Leitfähigkeit analysiert, und es wird die Tatsache demonstriert, daß die Hochfrequenzcharakteristika des Supraleiters durch Verwenden der komplexen elektrischen Leitfähigkeit auf dieselbe Weise wie bei dem normalen Leiter gehandhabt werden können.

(2-2) Das Zwei-Fluid-Modell und die komplexe elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitung eines Supraleiters in einem Hochfrequenzband kann durch Elektronen eines Zwei-Fluid-Modells erklärt werden, welche keinen Widerstand in dem Supraleiter aufweisen, und normalleitende Elektronen, die einen Widerstand aufweisen. Wenn die Dichten der supraleitenden Elektronen und normalleitenden Elektronen als ns bzw. nn angegeben sind, ist die Dichte aller Elektronen durch die Summe der Dichten ausgedrückt:
(1) n = ns + nn
Die Temperaturabhängigkeiten von ns und nn sind durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt, und n hängt nicht von der Temperatur. T ab, wobei Tc die Supraleitungsübergangstemperatur ist:
(2) ns/n = 1 = (T/Tc)&sup4;, nn/n = (T/Tc)&sup4;
Der durch die supraleitenden Elektronen verursachte elektrische Strom Js bzw. der durch die normalleitenden Elektronen verursachte elektrische Strom Jn ist als die folgenden Gleichungen ausgedrückt:
(3) Js = ensvs
(4) Jn = ennvn
wobei e ( = -1,60 · 10&supmin;¹&sup9; C) die elektrische. Ladung der Elektronen ist und vs bzw. vn die Geschwindigkeiten der supraleitenden Elektronen bzw. der normalleitenden Elektronen sind. Die Newtonschen Bewegungsgleichungen für diese Elektronen lauten wie folgt:
(5) medvs/dt = eE
(6) medvn/dt + mevn/τ = eE
wobei me ( = 9,11 · 10&supmin;³¹ kg) die Masse der Elektronen ist, τ die Impuls-Relaxationszeit der Elektronen und E das elektrische Feld ist. Unter der Annahme, daß die Zeitabhängigkeit mit einer einzigen Frequenz o zusammenhängt, wird der Zeitfaktor als exp (jωt) eingestellt. Durch Auflösen der Gleichungen (3) bis (6), kann der gesamte Strom J wie folgt ausgedrückt werden:
(7) J = Js + Jn = E
wobei
die komplexe elektrische Leitfähigkeit ist und durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:
(8) = σr - jσi
(9) σr = nne²τ/{ me (ω²τ² + 1)}
(10) σi = nse²/(meω)+ nne²τ²ω/{ me(ω²τ² + 1)}
Die Verwendung der komplexen elektrischen Leitfähigkeit statt der elektrischen Leitfähigkeit σ des normalen Leiters auf diese Weise ermöglicht es, den Strom und das elektrische Feld in dem Supraleiter in Zusammenhang zu bringen.
Bei diesem Zwei-Fluid-Modell wird jedoch angenommen, daß ns nicht von dem Magnetfeld abhängt. Streng genommen ist es jedoch bekannt, daß ns eine Magnetfeldabhängigkeit aufweist. Für ein Vorgehen unter der Annahme, daß ns nicht von dem Magnetfeld abhängt, ist es nötig, eine Beschränkung einzuführen, die besagt, daß das Magnetfeld ausreichend kleiner ist als das kritische Magnetfeld. Im Falle eines reinen Metallsupraleiters ist die Kohärenzlänge ξ länger als die Eindringtiefe λL von London. Somit wird bei Gleichung (7) J an diesem Punkt nicht durch E bestimmt, und eine Nicht-Lokalität muß berücksichtigt werden. Im Vergleich mit dem reinen Metallsuptaleiter gilt bei dem Oxidsupraleiter: λL > > ξ, und dieser Grenzwert wird der London- Grenzwert genannt. Dieser Fall wird unten betrachtet.

(2-3) Oberflächenimpedanz und Ausbreitungskonstante

Im Falle einer Handhabung als ein eindimensionales Problem von ebenen Wellen, die sich in der z-Richtung ausbreiten, kann durch Ersetzen der Gleichung (7) in der Maxwell- Gleichung die folgende Gleichung erhalten werden:
(11) ∂Ex/∂z = jωu&sub0;Hy
(12) ∂Hy/∂z = ( + jω&epsi;&sub0;)Ex
EX ist die x-Komponente des elektrischen Feldes, u&sub0; ist die Permittivität in einem Vakuum und Hy ist die y-Komponente des Magnetfeldes.
Durch Bilden einer simultanen Gleichung aus diesen Gleichungen können die folgenden Helmholtz-Gleichungen erhalten werden:
(13) ∂E²x/∂²z + jωu&sub0;( + jω&epsi;&sub0;)Ex = 0
(14) ∂H&sub2;y/∂²z + jωu&sub0;( + jω&epsi;&sub0;)Hy = 0
Die Lösungen für diese Gleichungen lauten wie folgt:
(15) Ex = Ex0 exp (-γz), wobei Ex0 die Amplitude von Ex ist.
(16) Hy = Hy0 exp (-γz), wobei Hy0 die Amplitude von Hy ist.
(17) γ =
wobei γ die Ausbreitungskonstante ist. Wenn γ = α + jβ eingestellt ist, ergibt die Verwendung von σr und σi folgendes:
(18) α =
(19) β =
wobei die Näherung von ω&epsi; < < 1 verwendet wird. Die Oberflächenimpedanz Zs kann wie folgt bestimmt werden:
(20) Zs = Ex Hy = jωu0 γ =
Wenn Zs = Rs + jXs eingestellt ist, können Rs und Xs unter Verwendung von σr und σi wie folgt ausgedrückt werden:
(21) Rs =
(22) Xs =
Da die Mengen, die tatsächlich gemessen werden, Rs + Xs sind, können durch umgekehrtes Auflösen dieser Relationen σr und σi als die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

(2-4) Frequenzabhängigkeit von Zs und γ

Da in dem Mikrowellenband ω²τ² < < 1, können Gleichungen (9) und (10) zu den folgenden Gleichungen angenähert werden:
(25) σr = nne²τ/me
(26) σi = nse²/meω
Unter Verwendung der Tatsache, daß (σr / σi)2 < < 1, wenn T < < Tc (T: Temperatur, Tc: Übergangstemperatur), können die folgenden Gleichungen ferner auf der Basis der Gleichungen (21) bzw. (22) erhalten werden:
(27) Rs = = τω²/2e
(28) Xs = = ω/e
Aus den obigen Gleichungen kann man ersehen, daß Rs proportional zu ω² und daß Xs proportional zu ω ist. Auf ähnliche Weise können die folgenden Gleichungen auf der Basis der Gleichungen (18) bzw. (19) erhalten werden:
(29) α = = = 1/λL
(30) β = = (ωτ&epsi;/2) )
wobei λL die Eindringtiefe von London ist. Aus dem obigen kann man ersehen, daß die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in dem Mikrowellenband nicht von der Frequenz abhängt und gleich λL ist. Diese Tatsache stimmt mit dem Londonschen Gesetz im Falle von Gleichstrom überein.

(3) Eine Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen, die die Phasenkonstante einer Supraleitende-Mehrschichtelektrode-Leitung integriert

Wie in Abschnitt (2) erklärt, kann die Ersatzschaltung des Supraleiters durch Verwendung der komplexen elektrischen Leitfähigkeit auf dieselbe Weise ausgedrückt werden wie die des normalen Leiters. Zunächst werden die eindimensionale Ersatzschaltung bzw. die T-förmige Ersatzschaltung des Supraleiters von der eindimensionalen Ersatzschaltung bzw. der T-förmigen Ersatzschaltung des normalen Leiters abgeleitet. Zum Konzipieren der supraleitenden Mehrschichtelektrode wird eine Schaltung mit konzentrierten Elementen, welche eine Phasenkonstante der supraleitenden Mehrschichtelektrode aufweist, die in derselben integriert ist, von einer Schaltung mit konzentrierten Elementen einer Dünnfilm-Mehrschichtelektrode eines normalen Leiters mittels einer Methode abgeleitet, die die gleiche ist wie bei der Dünnfilm-Mehrschichtelektrode des normalen Leiters. Auf dieser Grundlage wird eine Rekursionsformel bezüglich der Oberflächenimpedanz, die eine Frequenzabhängigkeit aufweist, erhalten.
Ferner kann durch Normierung mittels eines Normierungsfaktors R&sub0; die Rekursionsformel in einer dimensionslosen Form ausgedrückt werden.

(3-2) Die eindimensionale Ersatzschaltung des Supraleiters

Die Ersatzschaltung des normalen Leiters, durch den sich ebene Wellen ausbreiten, kann wie in Fig. 6 gezeigt ausgedrückt werden, wobei u, &epsi; bzw. σ die magnetische Durchlässigkeit, die die elektrische Konstante bzw. die elektrische Leitfähigkeit darstellen und wobei udz, &epsi;dz bzw. σdz einen Serieninduktor, einen Parallelkondensator bzw. einen Parallelwiderstand darstellen: Die ebenen Wellen, die sich durch den Supraleiter ausbreiten, können auf ähnliche Weise durch Ersetzen der elektrischen Leitfähigkeit σ des normalen Leiters durch die komplexe elektrische Leitfähigkeit
gehandhabt werden, wobei die komplexe elektrische Leitfähigkeit σ als die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
(31) = σr - jσi
Somit wird die Ersatzschaltung des Supraleiters, durch den sich die ebenen Wellen ausbreiten, wie in Fig. 7 gezeigt ausgedrückt.

(3-3) Die T-förmige Ersatzschaltung des Supraleiters

Fig. 8 zeigt eine T-förmige Ersatzschaltung eines Supraleiters mit einer Dicke von Δξ. Die jeweiligen Schaltungskonstanten derselben sind durch die folgenden Gleichungen angegeben:
Z = Zs0tanh(γΔξ/2)
Y = 1/Zs0sich(yΔξ) (32)
Jedoch sind die Ausbreitungskonstante γ und die Oberflächenimpedanz Zs0 des Supraleiters bei einer Frequenz, die geringer ist als das Mikrowellenband, wie folgt ausgedrückt (siehe Abschnitt 2-4):
γ = α + β = 1/λL (1 + j2Qc) (33)
(Zs0= Rs + jXs = 1/σi(/β + jα) = 1/σiλL(2QC + j) (34)
wobei α bzw. β die Dämpfungskonstante bzw. die Phasenkonstante sind und Qc der Qualitätsfaktor des Supraleiters ist. Die folgende Relation kann durch die Eindringtiefe λL von London erfüllt werden:
(35) λL = 1/α
Qc kann auch durch die folgende Gleichung definiert werden:
(36) Qc = β/(2α) = σr/(4σi)

(3-4) Die Schaltung mit konzentrierten Elementen der supraleitenden Dünnfilm-Mehrschichtelektrode-Leitung

Durch Ersetzen des Leiterteils der Schaltung mit konzentrierten Elementen der Dünnfilm-Mehrschichtelektrode- Leitung des normalen Leiters durch die Ersatzschaltung des Supraleiters in dem vorhergehenden Abschnitt kann die Schaltung mit konzentrierten Elementen der in Fig. 9 gezeigten supraleitenden Dünnfilm-Mehrschichtelektrode- Leitung erhalten werden.
(37) L = u&sub0;(Δx/Δy)(1/β&sub0;)
(38) C = &epsi;(Δy/Δx)(1/β&sub0;)
(39) Z = ((2Qc + j)/σiλL)(1Δy)(1/β&sub0;)tanh((1 + j2Qc)/2(Δξ/λL))
(40) Y = (σiλL/(ZQc + j))Δyβ&sub0;sinh((1+ j2Q)/2(Δξ/λLy))
(41) β&sub0; = ω&sub0;
Bei dem Vorstehenden wird im Fall der Hauptleitung &epsi; = &epsi;m eingestellt, und im Falleder Unterleitung wird &epsi; = &epsi;s eingestellt. Δy ist die Breite der Leitung, und Δx und Δξ sind die Dicken der dielektrischen Schicht bzw. der Supraleiterschicht.

(3-5) Rekursionsformel einer Schaltung mit konzentrierten Elementen und die Normierung derselben

Die Schaltung mit konzentrierten Elementen der Mehrschichtelektrode, die n laminierte Schichten aufweist, ist in Fig. 10 gezeigt. Zs,k, in Fig. 10 gezeigt, gibt die Oberflächenimpedanz der k-ten Schicht, von der obersten Schicht aus gezählt, an. Die Rekursionsformel bezüglich Zs,k kann durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben werden:
(42) Zs,1 = Z&sub1; + (Y&sub1; + (Z&sub1; + ZL)&supmin;¹)&supmin;¹
(43) Zs,k = Zk + (Yk + (Zk - jWk-1 + Zs,k-1)&supmin;¹)&supmin;¹ (k = 2, 3, ...,n)
wobei ZL die Impedanz der Vakuumschicht ist und durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben werden kann:
(44) ZL = (1/Δy)(1/β&sub0;)
Wk in Gleichung (33) ist durch die folgende Gleichung definiert:
(45) -jWk = jωLk + 1/jωCk
Wk kann ferner in die folgende Gleichung umgeformt werden:
(46) Wk = (1/σi0λL)(1/Δy)(1/β&sub0;)(Δxk/λL)((ω&sub0;/ω)(&epsi;m/&epsi;s)-ω/ω&sub0;)
wobei σi0 der imaginäre Teil der komplexen elektrischen Leitfähigkeit ist, wenn die Winkelfrequenz ω&sub0; beträgt. Gemäß dem Zwei-Fluid-Modell weist σi die Frequenzabhängigkeit der folgenden Gleichung auf:
(47) σi = σi0 (ω&sub0;/ω)
Beim Umschreiben der Gleichung (45) zu der Gleichung (46) wird die folgende Relation verwendet:
(48) λL = 1/
(49) ω&sub0;u&sub0; = 1/(σi0λL²)
wobei λL nicht von der Frequenz abhängt.
Die Rekursionsformel der Gleichung (43) wird nun durch Verwendung des Normierungsfaktors R&sub0;, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, normiert:
(50) R&sub0; = 1/(σi0λLΔyβ&sub0;)
wobei die. Symbole ^ die normierten Mengen bezeichnen und jeweils durch die folgenden Gleichungen definiert sind:
(52) k = (2Qc + j)ω&sub0;/ωtanh(1 + j2Qc)/2ξk)
(53) k = 1/2Qc+ jω/ω&sub0;sinh((1 + j2Qc)/ξk)
(5 4) k = xk((ω&sub0;/ω)&epsi;m/&epsi;s) - ω/ω&sub0;)
(55) L =
(56) ξk = Δξk/λL, xk = Δxk/λL
Bei den obigen Gleichungen weist Qc die Frequenzabhängigkeit der folgenden Gleichung auf:
(57) Qc = Qc&sub0;(ω/ω&sub0;)
Wenn insbesondere ω = ω&sub0;, werden Gleichungen (52) bis (54) jeweils zu den folgenden Gleichungen:
(5 8) k = (2Qc0 + j)tanh((1 + j2Qc0)/2ξk)
(59) k = 1/(2Qc0 + j)sinh((1 + j2Qc0)/ξk)
(60) k = xk(&epsi;m/&epsi;s - 1)
Die oben beschriebene Analyse ermöglicht es, die eindimensionale Ersatzschaltung und die T-förmige Ersatzschaltung des Supraleiters von der eindimensionalen Ersatzschaltung und der T-förmigen Ersatzschaltung des normalen Leiters abzuleiten. Auch wird die Schaltung mit konzentrierten Elementen der supraleitenden Mehrschichtelektrode von der Schaltung mit konzentrierten Elementen der Dünnfilm- Mehrschichtelektrode des normalen Leiters abgeleitet. Auf dieser Grundlage wird eine Rekursionsformel in bezug auf Oberflächenimpedanz, die eine Frequenzabhängigkeit aufweist, erhalten.
Zudem ist es durch Normierung durch den Normierungsfaktor R&sub0; möglich, die Rekursionsformel in einer dimensionslosen Form auszudrücken.
(4) Konzipieren der optimalen Filmdicke zum Erhöhen des Widerstands der supraleitenden Mehrschichtelektrode gegenüber elektrischer Leistung.
Wenn ein Supraleiter als eine Elektrode von Hochfrequenzteilen, beispielsweise Filtern, verwendet wird, ist es möglich, den Verlust in der Elektrode zu verringern. Bei der supraleitenden Elektrode besteht jedoch insofern ein Problem, als die elektrische Leistung, die angelegt werden kann, aufgrund ihres kritischen Stromes begrenzt ist. Dies stellt das größte Problem bei der Umsetzung der supraleitenden Elektrode in die Praxis dar. Als Mittel zum Lösen dieses Problems wird eine supraleitende Mehrschichtelektrode vorgeschlagen, bei der Supraleiter und Dielektrika abwechselnd laminiert sind. Als ein Verfahren zum Analysieren der supraleitenden Mehrschichtelektrode wurde bereits in Abschnitt (2) eine Ersatzschaltung derselben abgeleitet. Hier wird ein Verfahren zum Konzipieren der optimalen Filmdicke der supraleitenden Mehrschichtelektrode durch Verwenden der Ersatzschaltung abgeleitet. Bei der Mehrschichtelektrode eines normalen Leiters wurde ein Konzeptionsverfahren, bei dem der Oberflächenwiderstand ein Minimum erreicht, bereits in Abschnitt (3) abgeleitet. Dieses Konzeptionsverfahren ist jedoch nicht geeignet, um den Widerstand der supraleitenden Mehrschichtelektrode gegenüber elektrischer Leistung zu erhöhen, da die Stromdichte lokal zu hoch wird. Durch Verwenden der Schaltung mit konzentrierten Elementen und der in den Abschnitten (2) und (3) erhaltenen Rekursionsformel wird die optimale Filmdicke zum Erreichen, daß der größte Strom in dem Bereich fließt, der die kritische Stromdichte nicht übersteigt, von der analytischen Methode von einem Gesichtspunkt des Erhöhens des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung abgeleitet.

(4-2) Die Ersatzschaltung der supraleitenden Mehrschichtelektrode

Die Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen der supraleitenden Mehrschichtelektrode, die n laminierte Schichten aufweist, kann wie in Fig. 10 gezeigt ausgedrückt werden, wie in Abschnitt (3) abgeleitet wurde. Hier wird angenommen, daß (ωτ)² < < 1 und (σr/σi) < < 1. Die jeweiligen Schaltungskonstanten an der konzipierten Mittenfrequenz werden durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:
(61) Zk = (2Qc0 + j)tanh((1 + j2Qc0)/2ξk)
(62) Yk = 1/(2Qc0 + j)sinh((1 + j2Qc0)ξk)
(63) Wk = xk(&epsi;m/&epsi;s - 1
(64) ZL =
(65) ξk = Δξk/λL, xk = Δxk/λL
(66) Qc = σr/(4σi),Qc = Qc0ω/ω0
(67) = σr - jσi
wobei Δxk und Δξk die Dicken der dielektrischen Schicht bzw. der Supraleiterschicht der k-ten Schicht sind,
und λL die komplexe elektrische Leitfähigkeit bzw. die Eindringtiefe von London des Supraleiters sind und &epsi;m und &epsi;s die dielektrischen Konstanten der Hauptleitung bzw. der Unterleitung sind. Jede Schaltungskonstante wird durch den Normierungsfaktor R&sub0;, der durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird, normiert, wobei Δy die Breite der Leitung ist:
(68) R&sub0; = 1/(σi0λLΔyβ&sub0;)
Die Oberflächenimpedanz Zs,k kann aus den folgenden Rekursionsformeln bestimmt werden, wenn das Vorstehende von der Unterseite der k-ten (k = 1 bis n) Schicht betrachtet wird:
(69) Zs,1 = Z&sub1; + (Y&sub1; + (Z&sub1; + ZL)-1)&supmin;¹ (k = 1)
(70) Zs,k = Zk + (Yk +(Zk - jWk-1 + Zs,k)&supmin;¹)&supmin;¹ (k = 2,3, ...,n)

(4-3) Die optimalen Bedingungen

Die optimalen Bedingungen zum Erhöhen des Widerstands der supraleitenden Mehrschichtelektrode gegenüber elektrischer Leistung werden nun betrachtet.
Ein Maximieren des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung maximiert, den elektrischen Strom, der durch die gesamte Mehrschichtelektrode in dem Bereich fließt, der die kritische Stromdichte Jc in keinem Abschnitt des Inneren des Supraleiters übersteigt.
Eine Supraleiterschicht einer einzelnen Schicht, die eine vorbestimmte Filmdicke aufweist, wird nun betrachtet. Allgemein ist die Stromdichteverteilung entlang der Filmdicke in der Supraleiterschicht nicht gleichförmig, und bei einem bestimmten Abschnitt liegt eine maximale Stromdichte Jmax vor. Somit ist der elektrische Strom, der dazu, gebracht werden kann, durch diese Supraleiterschicht zu fließen, durch die folgende Bedingung begrenzt: Jc > Jmax.
Als nächstes wird ein Fall beschrieben, bei dem die. Anzahl von laminierten Schichten, zwei beträgt. In diesem Fall wird angenommen, daß die maximale Stromdichte in jeder Schicht vorliegt; und wird als J1'max bzw. J2'max bezeichnet. Wenn bewirkt wird, daß elektrischer Strom durch diese beiden Schichten fließt, ist die Stromdichte durch den größeren Wert von J1'max und J2'max begrenzt, da entweder J1'max oder J2'max den Wert Jc nicht übersteigen darf. Wenn beispielsweise. J1'max > J2'maxr besteht Raum für einen elektrischen Strom, der dazu gebracht werden kann, durch die zweite Schicht zu fließen, und es wird nicht bewirkt, daß der maximale elektrische Strom fließt. Somit sollte J1'max = J2'max eingestellt sein, um zu bewirken, daß der maximale elektrische Strom dazu durch die beiden Schichten fließt.
Dasselbe gilt ebenso für den Fall, bei dem die Anzahl an laminierten Schichten n beträgt. Eine erste optimale Bedingung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
(71) J1'max = J2'max = ... = Jn'max
Eine weitere Bedingung besteht darin, daß zusätzlich zum Erfüllen der obigen Bedingung der elektrische Strom Itot, der durch die gesamte Mehrschichtelektrode fließt, maximiert wird.
(72) Itot max
Diese Gleichung gibt an, daß bewirkt wird, daß Itot den maximalen Wert, den er annehmen kann, annimmt.
Zudem werden die Bedingungen der Gleichungen (11) und (12) zu Ausdrücken umgeschrieben, die etwas leichter zu analysieren sind. Durch Schaltungssimulation wurde bestätigt, daß die Stromdichteverteilung in einer bestimmten Supraleiterschicht der Mehrschichtelektrode an der sich an der Unterseite (der Seite, die nahe der Hauptleitung ist) befindenden Schnittstelle der Schicht ein Maximum erreicht. Zwischen der Stromdichte J und der Intensität E des elektrischen Feldes gilt folgende Beziehung:
(73) E = J
Da die komplexe elektrische Leitfähigkeit unabhängig von dem Ort konstant ist, ist J proportional zu E. Somit kann die Bedingung der Gleichung (71) zu der folgenden Gleichung umgeschrieben werden, wobei die Intensität des elektrischen Feldes der Unterseitenschnittstelle der k-ten Schicht Es,k ist.
(74) Es,1 = Es,2 = ... = Es,n
Da ferner der elektrische Strom Itot, der durch die gesamte Mehrschichtelektrode fließt, umgekehrt proportional zu der Oberflächenimpedanz Zs'tot ist, wenn die gesamte Mehrschichtelektrode von der Hauptleitung aus betrachtet wird, kann die Bedingung der Gleichung (72) zu der folgenden Gleichung umgeschrieben werden:
(75) Zs'tot min
Als nächstes werden die Bedingungen der Gleichungen (74) und (75) zu den Bedingungen an der Ersatzschaltung umgeschrieben. Das elektrische Feld des tatsächlichen Modells entspricht der Spannung an der Ersatzschaltung, und die Oberflächenimpedanz entspricht der Impedanz. Somit können die Bedingungen der Gleichungen (74) bzw. (75) zu den folgenden Gleichungen umgeschrieben werden:
(76) V&sub1; = V&sub2; = ... = Vn
(77) Zs,n mm
Die durch die Gleichungen (76) und (77) ausgedrückten optimalen Bedingungen sind derart, daß die optimalen Wiederholungsbedingungen der unten beschriebenen Gleichung für jede Schicht in Folge, ausgehend von der zweiten Schicht, erfüllt sind:
(78) Vk = Vk-1
(79) Zs'k min (k = 2, 3, ...,n)
Gleichungen (78) und (79) sind die erhaltenen optimalen Bedingungen.

(4-4) Allgemeine Lösungen

Fig. 11 zeigt eine Ersatzschaltung der k-ten (k = 2, 3, ...,n) und obigen Schichten. Die Beziehung zwischen Vk und Vk-1 wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:
(80) Vk-1 = Zs'k-1/{Zk +(1 + ZkYk)(Zs'k-1 + Zk-jWk-1)}Vk
Somit kann die folgende Gleichung von der Bedingung der Gleichung (78) erhalten werden:
(81) Zs'k-1 = Zk + (1 + ZkYk)(Zs'k-1 + Zk-jWk-1)
Auch kann der absolute Wert der Impedanz Zs,k als die folgende Gleichung auf der Grundlage der Gleichung (70) ausgedrückt werden, wenn das Obige von der Unterseite der k-ten Schicht aus betrachtet wird:
(82) Zs,k = Zk + (1 + ZkYk)(Zs'k-1) + Zk-jWk-1) / 1 + Yk (ZSk-1 + Zk-1Wk-1)
Da der Zähler auf der rechten Seite der Gleichung (82) gleich der rechten Seite der Gleichung (8) ist, kann dieselbe zu der folgenden Gleichung umgeschrieben werden:
(83) Zs'k = Zs'k-1 / 1 + Yk(Zs'k-1 + Zk-jWk-1)
Da Zs'k-1 unter der feststehenden Bedingung betrachtet wird, Zs,k zu minimieren, sollte der Nenner der rechten Seite der Gleichung (83) maximiert werden. Somit wird die Bedingung der Gleichung (89) die folgende Gleichung:
(84) 1 + Yk(Zs'k-1 + Zk-jWk-1) max
Somit ist die Kombination der Supraleiter-Filmdicke und der Dielektrikum-Filmdicke, die die Gleichung (84) unter der Bedingung der Gleichung (81) minimiert, die optimale Filmdicke. Da jedoch die Ausdrucksgleichung von Zk und Yk, welche die Funktion der Supraleiter-Filmdicke ξk ist, eine komplizierte komplexe Funktion ist, ist es schwierig, dies allgemein zu lösen.
Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist der elektrische Strom, der durch die erste Schicht fließt, gleich dem elektrischen Strom in dem Fall einer einzelnen Schicht. Somit kann die Zuwachsrate Iup an elektrischem Strom bezüglich einer einzelnen Schicht auf der Grundlage der folgenden Gleichung bestimmt werden:
(85) Iup In / I1 = Zs'1/ / Zs'n
Wenn angenommen wird, daß die charakteristische Impedanz Z&sub0; der Übertragungsleitung (der Hauptleitung) konstant ist, wird die Übertragüngsleistung durch die folgende Gleichung wiedergegeben:
(86) P = Z&sub0;In²
Somit wird die Zuwachsrate Pup an elektrischer Leistung zur folgenden Gleichung:
(87) Pup = Iup²

(4-5) Näherungslösungen

Es wird angenommen, daß (ωτ)² < < 1 und (σr/σi) < < 1. Dies entspricht einer Frequenz in dem Mikrowellenband oder darunter, und einer Temperatur, die ausreichend niedriger ist als die Übergangstemperatur. Diese Bedingung, obwohl dies von dem supraleitenden Material abhängt, ist bei einer niedrigen Frequenz von beispielsweise ca. 10 GHz oder darunter erfüllt. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Näherung gemäß Qc < < 1 durchgeführt werden. Zk und Yk werden zu den folgenden Gleichungen und können als rein imaginäre Zahlen aufgefaßt werden.
(88) Zk = j tanh(1/2ξk)
(89) Yk = -j sinh(ξk)
Auf der Grundlage der oben beschriebenen Näherung wird eine Näherungslösung der durch die Gleichungen (88) und (89) ausgedrückten optimalen Bedingung bestimmt.
Als erstes wird die erste Schicht betrachtet. Um zu bewirken, daß der größte Strom durch die erste Schicht fließt, sollte die Filmdicke der Supraleiterschicht ausreichend hoch sein. Wenn x&sub1; → ∞ eingestellt ist,
(90) Z&sub1; = j, Y&sub1; = -j∞
und ZS wird zu einer rein imaginären Zahl, wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist:
(91) Zs1 = j
Da Zk und Yk rein imaginäre Zahlen sind, wie aus den Gleichungen (88) und (89) ersichtlich ist, wird auch Zs,k eine rein imaginäre Zahl auf der Basis der Gleichung (70), wenn Zs,k-1 eine rein imaginäre Zahl ist. Somit ist Zs,k immer eine rein imaginäre Zahl und kann als die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
(92) Zs,k = jXs,k
Auf der Grundlage des Obigen können die Gleichungen (81) und (83) durch Entfernen der absoluten Werte auf beiden Seiten derselben als die folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:
(93) Zs,k-1 = Zk +(1 + ZkYk)(Zs,k-1 + Zk-jWk-1)
(94) Zs,k = Zs,k/{1 + Yk(Zs,k-1 + Zk-jWk-1)}
Ferner kann die folgende Gleichung erhalten werden, wenn die Gleichung (93) umgeformt und in die Gleichung (94) eingesetzt wird.
(95) Zs,k = Zs,k-1(1 + ZkYk)/(1 + Zs,k-1Yk)
Eine Einsetzung der Formeln (88), (89) und (92) in die Gleichung (95) ergibt die folgende Gleichung.
(96) Xs,k =Xs,k-1cosh(ξk)/{1 + Xs,k-1sinh(ξk)}
Bei dem Vorstehenden wird die Beziehung der folgenden Gleichung für diese Umformung verwendet:
(97) 1 + tanh(x/2)sinh(x) = 1 + 2 sinh²(x/2) = cosh(x)
Um die Gleichung (96) zu minimieren, sollte diese Gleichung nach xk differenziert werden, um null zu werden:
(98)∂Xs,k/∂ξk = Xs,k-1{sinh(ξk)- Xs,k-1}/(1 + Xs,k-1sinh)
Da Gleichung (98) null wird, wird ξk wie folgt bestimmt:
(99) ξk = sinh&supmin;¹(Xs,k-1)
Wenn Gleichung (99) in Gleichung (96) eingesetzt und umgeformt wird, kann die folgende Rekursionsformel Xs,k erhalten werden:
(199) 1/ Xs,k² = 1 + 1/Xs,k-1²
Da Xs1 = 1, kann die Rekursionsformel analytisch gelöst werden, um die folgenden Gleichungen zu ergeben:
(101) Xs,k = 1/ k
(102) ξk = sinh&supmin;¹(1/ )
(103) Zk = j( k - ))
(104) Yk = -j1/ )
(105) Zs,k = j1 k
Wk-1 wird auf der Basis der folgenden Gleichung durch Umformen der Gleichung (83) bestimmt:
(106) Wk-1 = -jZk{2 + (Zs,k-1 + Zk)Yk}/(1 + ZkYk)
Durch Einsetzen der Gleichungen (103), (104) und (105) in die Gleichung (106) und Anordnen derselben, kann die folgende Gleichung erhalten werden:
(107) Wk = Xs,k = 1/ k
Auf der Grundlage dieses Wk kann xk durch die folgende Gleichung bestimmt werden:
(108) xk = Wk(&epsi;m/&epsi;s - 1)&supmin;¹
= 1/ k(&epsi;m/&epsi;s - 1)&supmin;¹
Durch Einsetzen der Gleichung (105) in die Gleichung (85) wird die Zuwachsrate Iup an elektrischem Strom zu der folgenden Gleichung:
(109) Iup = n
Die Zuwachsrate Pup an elektrischer Leistung wird auf der Grundlage der Gleichung (87) zu der folgenden Gleichung:
(110) Pup = n
Da die Spannungen Vk der Supraleiter von n Schichten gleich eingestellt sind und die Stromdichten gleich eingestellt werden können, bedeutet dies, daß der gesamte elektrische Strom um das n-fache erhöht wird. Folglich erhöht sich auch der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung um das n-fache. Wenn beispielsweise n = 5 eingestellt ist, erhöht sich der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung um das Fünffache.

(4-6) Zusammenfassung

Die optimale Bedingung zum Erhöhen des Widerstands der supraleitenden Mehrschichtelektrode gegenüber elektrischer Leistung besteht darin, den absoluten Wert der Oberflächenimpedanz Zs,n unter der Bedingung zu minimieren, bei der der absolute Wert der Spannung der Unterseitenschnittstelle jeder Supraleiterschicht konstant, eingestellt wird.
Bei einer Frequenz von ungefähr 1 GHz oder darunter gilt: Qc < < 1, und es kann angenommen werden, daß die Oberflächenimpedanz. eine rein imaginäre Zahl ist und daß die Ausbreitungskonstante eine reale Zahl ist. Zu diesem Zeitpunkt werden die optimalen Werte der Dicke Δξk der Supraleiterschicht der k-ten Schicht und der Dicke Δxk der dielektrischen Schicht der k-ten Schicht sowie die Zuwachsrate an elektrischem Strom durch die folgenden Gleichungen annähernd wiedergegeben, wobei. &epsi;m die dielektrische Konstante des Substrats und &epsi;s die dielektrische Konstante der dielektrischen Schicht der Elektrode ist:
(111) Δξ1 = ∞
Δξk = λLsinh&supmin;¹/1 ) (k = 2, 3, ..., n)
(112) Δx4 = λL/(&epsi;m/&epsi;s -- 1) k)
(109) Iup = n
(110) Pup = n
Tabelle 5 zeigt die konzipierten Werte der optimalen Filmdicken der Supraleiterschicht und der dielektrischen Schicht, wenn (ωτ)² < < 1 und (σr/σi) < < 1 (die Frequenz liegt bei ca. 1. GHz oder darunter), wobei k die Position der laminierten Schichten ist, xk die Dicke (= Δxk/λL) ist, so daß die Dicke Δξk der k-ten Supraleiterschicht durch die Magnetfeld-Eindringtiefe λL normiert wird; und wobei bei dem dimensionslosen Parameter Wk xk die Dicke der dielektrischen Schicht der k-ten Schicht ist. Hier sind die optimalen Konzeptionscharakteristika bis zu n = 50 gezeigt.
Wenn beispielsweise n = 5, wird in Tabelle 5 ein Wert k _ 5 verwendet. Tabelle 5 Konzipierte Werte der optimalen Filmdicken der Supraleiterschichten und dielektrischen Schichten

(5) Verfahren zum Konzipieren einer supraleitenden Mehrschichtelektrode

Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Einstellvorrichtung für eine optimale Filmdicke zum Berechnen und Ausgeben der normierten Supraleiter-Filmdicke ξk und der normierten Dielektrikum-Filmdicke Xk zum Maximieren des oben beschriebenen Widerstands gegenüber elektrischer Leistung veranschaulicht. Die Einstellvorrichtung für eine optimale Filmdicke weist einen Mikrocomputer 101, eine Tastatur 102, eine Anzeigeeinheit 103 und einen Drucker 104 auf. Der Mikrocomputer 101 führt einen Einstellberechnungsprozeß für eine optimale Filmdicke durch. Die Tastatur 102 ist eine Eingabeeinrichtung zum Eingeben von vorbestimmten Eingabeparametern und einer normierten Filmdicke ξ&sub1; des Dünnfilm-Supraleiters der ersten Schicht, und Eingabedaten werden an den Mikrocomputer 101 ausgegeben. Die Anzeigeeinheit 103 zeigt die berechneten Ergebnisse der Leiterfilmdicken ξ&sub1; bis ξn, Filmdicken x&sub1; bis xn, normierten Oberflächenimpedanzen Zs1 bis Zsn und Q-Zuwachsrate RQ an. Der Drucker 104 druckt die berechneten Ergebnisse, die auf der Anzeigeeinheit 103 angezeigt sind. Unten wird eine Beschreibung des Einstellberechnungsprozesses für eine optimale Filmdicke geliefert, der durch die Optimalfilmdicke- Einstellberechnungsprozeßvorrichtung durchgeführt wird.
Fig. 13, 14 und 15 sind Flußdiagramme eines Optimalfilmdicke-Einstellberechnungsprozeßprogramms, das durch die Optimalfilmdicke-Einstellberechnungsprozeßvorrichtung der Fig. 12 ausgeführt werden soll. Fig. 13 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms zum Konzipieren der optimalen Filmdicke ohne Verwenden der Näherungsbedingungen aus physikalischer Sicht. Bei Schritt S2 werden nach dem Start des Prozesses in dem Startschritt, Schritt S1, angegebene Eingabeparameter, die unten beschrieben werden, eingegeben. Hier sind die angegebenen Parameter die folgenden vier Parameter: (1) die dielektrische Konstante &epsi;m des Substrags (der Hauptleitung), (2) die dielektrische Konstante &epsi;3 jedes Dünnfilm- Dielektrikums (der Unterleitung) 30-k, (3) die komplexe elektrische Leitfähigkeit σ des. Supraleiters k und (4) die Eindringtiefe λL von London jedes Dünnfilm-Supraleiters. Hier ist die elektrische Leitfähigkeit σ eines jeden der Supraleiter k auf den gleichen Wert eingestellt, und die dielektrischen Konstanten &epsi;s eines jeden der Dünnfilm- Dielektrika 30-k sind auf den gleichen Wert eingestellt. Als nächstes wird in Schritt S4 die Impedanz ZL der Vakuumschicht auf der Basis des Außenseitenmediums bestimmt. Die Impedanz ZL ist eine normierte Impedanz der Luftschicht, wenn die Luftschicht von der Unterseite des Dünnfilm- Supraleiters 1 der obersten Schicht betrachtet wird.
Als nächstes wird in Schritt S6 k = 1 eingestellt, um eine Berechnung fit die erste Schicht durchzuführen. In Schritt 58 wird die normierte Filmdicke ξ&sub1; des Supraleiters der ersten Schicht bestimmt, so daß
(112a) Zs1 → min
wobei Zs1 die Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der ersten Schicht betrachtet wird.
Als nächstes werden durch Verwenden einer Rekursionsformel die Filmdicken jedes Supraleiters und jedes Dielektrikums bestimmt. Zunächst wird in Schritt S10 die Oberflächenimpedanz Zs1 auf folgender Grundlage bestimmt:
(112b) Zs1 = Zs1(ξ&sub1;,ZL)
Daraufhin wird in Schritt S12 k um 1 erhöht. In Schritt S14 werden unter der Bedingung:
(113) Max (Jk) Max (J&sub1;),
bei der der maximale Wert der Stromdichte (der Funktion der Position entlang der Dicke) in jeder Schicht der gleiche ist, die Filmdicke xk-1 des Dielektrikums der (k-1)-ten Schicht und die Filmdicke ξk des Supraleiters der k-ten Schicht bestimmt, so daß:
(114) Zsk → min
Als nächstes wird in Schritt S16 die Oberflächenimpedanz Zsk auf folgender Basis bestimmt:
(115) Zsk = Zsk(x,ξk,Zsk-1)
wobei Zsk die Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der k-ten Schicht aus betrachtet wird. In Schritt 18 wird bestimmt, ob Filmdicken bis zu der n-ten Schicht bestimmt wurden. Wenn NEIN, kehrt der Prozeß zu Schritt S12 zurück, und die Filmdicken des nächsten Dielektrikums und Supraleiters werden bestimmt.
Wenn JA, d. h. wenn in Schritt S18 bestimmt wird, daß die Filmdicken bis zu der n-ten Schicht bestimmt wurden, geht der Prozeß zu Schritt S20 über, wo die Verbesserungsrate RP des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet wird:
(116) RP = (Zs1/Zsn)²
wobei n die Anzahl an Unterübertragungsleitungen LNk ist, die derart gebildet sind, daß der Dünnfilmleiter k und das Dünnfilm-Dielektrikum 30-k abwechselnd laminiert sind. Als nächstes werden in Schritt S22 die Supraleiter-Filmdicken ξ&sub1; bis ξn, die Dielektrikum = Filmdicken x&sub1; bis xn-1, die normierten Oberflächenimpedanzen Zs1 bis Zsn, und die Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung an der Anzeigeeinheit angezeigt. Daraufhin geht der Prozeß zu Schritt S24 über, wo diese Werte gedruckt werden, und in dem ENDE-Schritt, Schritt S26, wird das Einstellprogramm für die optimale Filmdicke beendet.
Fig. 14 zeigt einen Fluß eines Programms zum Konzipieren der optimalen Filmdicke durch Verwendung des Ausdrucks von allgemeinen Lösungen, die auf der Ersatzschaltung basieren, die zuvor in Abschnitt (4) erläutert wurde. Es wird angenommen, daß:
(117 (ωτ)² < < 1
(118) (σr/σi)² < < 1
Das bedeutet, daß die Frequenz niedrig ist (um die Mikrowellen) und daß die Temperatur ausreichend niedriger ist als die Übergangstemperatur Tc. In Schritt S102, nach dem Start des Prozesses in dem START-Schritt, Schritt S100, werden die angegebenen Eingabeparameter eingegeben. Hier sind die angegebenen Parameter die folgenden vier Parameter: (1) die dielektrische Konstante &epsi;m des Substrats (der Hauptleitung), (2) die dielektrische Konstante Es jedes Dünnfilm-Dielektrikums (der. Unterleitung) 30-k, (3) die komplexe elektrische Leitfähigkeit σ des Supraleiters k und (4) die Eindringtiefe. λL von London jedes Dünnfilm- Supraleiters. Hier wird die elektrische Leitfähigkeit σ eines jeden der Supraleiter k auf den gleichen Wert eingestellt, und die dielektrischen Konstanten &epsi;s eines jeden der Dünnfilm-Dielektrika 30-k werden auf den gleichen Wert eingestellt. Als nächstes wird in Schritt S104 die Impedanz ZL der Vakuumschicht auf der Grundlage des Außenseitenmediums bestimmt. Die Impedanz ZL ist eine normierte Impedanz der Luftschicht, wenn die Luftschicht von der Unterseite des Dünnfilm-Supraleiters 1 der obersten Schicht betrachtet wird.
Als nächstes wird in Schritt S106 k = 1 eingestellt, um eine Berechnung für die erste Schicht durchzuführen. Und in Schritt S108 wird die normierte Filmdicke ξ&sub1; des Supraleiters der ersten Schicht bestimmt, so daß
(119) Zs1 → min
wobei Zs1 die Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der ersten Schicht aus betrachtet wird.
Als nächstes werden die Filmdicken jedes Supraleiters und jedes Dielektrikums durch Verwenden einer Rekursionsformel bestimmt. Zunächst wird in Schritt S110 die Oberflächenimpedanz Zs1 auf der Basis der Gleichung (69) bestimmt:
(120) Zs1 = Zs1(ξ&sub1;,ZL)
Daraufhin wird in Schritt S112 k um 1 erhöht. In Schritt S114 werden unter der Bedingung:
(121) V&sub1; = Vk
bei der die Spannung (von einem physikalischen Gesichtspunkt, die Stromdichte an der untersten Oberfläche eines jeden Supraleiters) an der Ersatzschaltung die gleiche ist, die Filmdicke Xk-1 des Dielektrikums der (k-1)-ten Schicht und die Filmdicke k des Supraleiters der k-ten Schicht auf der Basis der Gleichung (84) bestimmt, so daß
(122) Zsk → min
Als nächstes wird in Schritt S116 die Oberflächenimpedanz Zsk auf der Basis der Gleichung (70) bestimmt:
(123) Zsk = Zsk (x&sub1;,ξk,Zsk-1)
wobei Zsk die Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der k-ten Schicht aus betrachtet wird. In Schritt S118 wird bestimmt, ob Filmdicken bis zu der n-ten Schicht bestimmt würden, d. h. ob n = k. Falls NEIN, kehrt der Prozeß zu Schritt S112 und folgende zurück, wo die Filmdicken des nächsten Dielektrikums und Supraleiters bestimmt werden.
Falls JA, d. h. wenn in Schritt S118 bestimmt wird, daß die Filmdicken bis zu den n-ten Schichten vollständig bestimmt wurden, geht der Prozeß zu Schritt S120 über, wo die Verbesserungsrate RP des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auf der Basis der folgenden Gleichung berechnet wird:
(124) RP = (Zs1/Zsn)²
wobei n die Anzahl an Unterübertragungsleitungen LNk ist, die derart aufgebaut sind, daß ein Dünnfilm-Leiter k und ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-k abwechselnd laminiert sind. Als nächstes werden in Schritt S122 Supraleiter-Filmdicken ξ&sub1; bis ξn, Dielektrikum-Filmdicken x&sub1; bis xn-1, normierte Oberflächenimpedanzen Zs1 bis Zsn und die Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auf der Anzeigeeinheit angezeigt. Als nächstes geht der Prozeß zu Schritt S124 über, wo diese Werte gedruckt werden, und das Einstellprogramm für die optimale Filmdicke wird in Schritt S126 beendet.
Wenn die oben beschriebenen. Näherungsbedingungen nicht erfüllt werden, kann das Dünnfilm-Konzipierungsverfahren, das eine Ersatzschaltung verwendet, die in Abschnitt (4) beschrieben ist, nicht angewandt werden. Ein Konzipieren ist jedoch durch einen Simulator möglich, der die unten beschriebenen Schaltungskonstanten verwendet. In diesem Fall ist der Konzeptionsfluß der gleiche wie der in Fig. 13 gezeigte. Hier können die folgenden beiden Konstanten durch Umformen der Gleichungen (32), (39) und (40) erhalten werden:
(125) Zk = Zs0(1/Δy)(1/β&sub0;)tanh (γΔξk/2)
(126) Yk = (I/Zs0)Δyβ&sub0;sinh(yΔξk)
Die folgenden fünf Konstanten Lk, Ck, γ, Zs0 und β&sub0; sind dieselben wie diejenigen der Gleichungen (37), (38), (77), (80) und (41). Fig. 15 zeigt ein Flußdiagramm eines Programms zum Konzipieren der optimalen Filmdicke durch Verwendung eines Ausdrucks einer Näherungslösung durch die Verwendung einer Ersatzschaltung, die zuvor in Abschnitt (4) erklärt wurde. Es wird angenommen, daß
(127) (ωτ)² < < 1
(128)(σr/σi) < < 1
Dies bedeutet, daß die Frequenz ω niedrig ist (eine Frequenz um den Mikrowellenbereich oder niedriger; sie hängt jedoch von dem Material und der Temperatur ab), und die Temperatur ist ausreichend niedriger als die Übergangstemperatur. In Schritt S202, nach dem Start des Prozesses in Schritt S200,, werden unten beschriebene, angegebene Eingabeparameter eingegeben. Hier sind die angegebenen Parameter die folgenden vier Parameter: (1) die dielektrische Konstante &epsi;m des Substrats (der Hauptleitung), (2) die dielektrische Konstante &epsi;s jedes Dünnfilm-Dielektrikums (der Hauptleitung) 30-k, (3) die komplexe elektrische Leitfähigkeit σ des Supraleiters k und (4) die Eindringtiefe λL von London jedes Dünnfilm-Supraleiters. Hier wird die elektrische Leitfähigkeit σ eines jeden der Supraleiter k auf denselben Wert eingestellt, und die dielektrische Konstante &epsi;s eines jeden der Dünnfilm-Dielektrika 30-k wird auf denselben Wert eingestellt. Als nächstes wird in Schritt S204 die Impedanz ZL der Vakuumschicht auf der Basis des Außenseitenmediums bestimmt. Die Impedanz ZL ist eine normierte Impedanz der Luftschicht, wenn die Luftschicht von der Unterseite des Dünnfilm-Supraleiters 1 der obersten Schicht betrachtet wird.
Um eine Berechnung für die erste Schicht durchzuführen, wird in Schritt S206 als nächstes k = 1 eingestellt. Und in Schritt S208 wird die normierte Filmdicke ξ&sub1; des Supraleiters der ersten Schicht unter der Annahme bestimmt, daß die Filmdicke ausreichend dick ist (ξ&sub1; = ∞), so daß
(129) Zs1 → min
wobei Zs1 die Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der ersten Schicht aus betrachtet wird.
Als nächstes werden unter Verwendung einer Rekursionsformel die Filmdicken jeder Supraleiterschicht und jeder dielektrischen Schicht bestimmt. Zunächst wird in Schritt S210 die Oberflächenreaktanz Xs1 auf der Basis der Gleichung (91) bestimmt:
(130) Zs1 = jXs1 = j
Als nächstes wird in Schritt S212 k um 1 erhöht. In Schritt S214 werden die Filmdicke Xk-1 des. Dielektrikums der (k-1) ten Schicht und die Filmdicke ξk des Supraleiters der k-ten Schicht auf der Basis der Gleichungen (99), (117) und (118) bestimmt, und
(131)ξk = sinh&supmin;¹(Xsk-1)
(132) Wk-1 = Xsk-1
(133) xk-1 = Wk-1(&epsi;m/&epsi;s - 1)&supmin;¹
Als nächstes wird in Schritt S216 die Oberflächenreaktanz Xsk auf der Basis der Gleichung (110) bestimmt, und
(134) Xsk = (1 + 1/Xsk-1²)-1/2
wobei Xsk der imaginäre Teil der Oberflächenimpedanz ist, wenn das Obige von der k-tenSchicht aus betrachtet wird. In Schritt S218 wird bestimmt, ob Filmdicken bis zu der n- ten Schicht bestimmt wurden. Falls NEIN, kehrt der Prozeß zu Schritt S212 und folgende zurück, wo die Filmdicken des nächsten Dielektrikums und Supraleiters bestimmt werden.
Falls JA, d. h. wenn in Schritt S218 bestimmt wird, daß die Filmdicken bis zu den n-ten Schichten vollständig bestimmt wurden, geht der Prozeß zu Schritt S220 über, wo die Verbesserungsrate RP des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auf der Basis der folgenden Gleichung berechnet wird:
(135) RP = (Zs1/Zsn)²
wobei n die Anzahl an Unterübertragungsleitungen LNk ist, die derart aufgebaut sind, daß ein Dünnfilm-Leiter k und ein Dünnfilm-Dielektrikum 30-k abwechselnd laminiert sind. Als nächstes werden in Schritt S222 Supraleiter-Filmdicken ξ&sub1; bis ξn, Dielektrikum-Filmdicken x&sub1; bis xn-1, normierte Oberflächenimpedanzen Zs1 bis Zsn und die Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auf der Anzeigeeinheit angezeigt. Als nächstes geht der Prozeß zu Schritt S224 über, wo diese Werte gedruckt werden, und das Einstellprogramm für die optimale Filmdicke wird in Schritt, 226 beendet.
Auf der Basis der Supraleiter-Filmdicken ξk und der Dielektrikum-Filmdicken xk, die auf die oben beschriebene Weise berechnet werden, wird ein Dünnfilmleiter auf der oberen Oberfläche des dielektrischen Substrats 10 gebildet, das mit dem Masseleiter 11 an der Unterseite desselben versehen ist, indem ein supraleitendes Material, beispielsweise ein Material vom YBCO-Typ, unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung fortlaufend gestapelt wird, bis es eine berechnete Filmdicke aufweist. Danach wird auf der oberen Oberfläche desselben ein dielektrisches Material, beispielsweise SiO&sub2;, unter Verwendung einer Zerstäubungsvorrichtung fortlaufend gestapelt, bis es eine berechnete Filmdicke aufweist, wodurch ein. Dünnfilm-Dielektrikum gebildet wird. Auf ähnliche Weise werden die Dünnfilm-Leiter k und die Dünnfilm-Dielektrika 30-k abwechselnd bis zu dem Dünnfilm- Leiter 1 der obersten Schicht gebildet. Auf diese Weise kann eine supraleitende Mehrschichtleitung mit einer optimalen Filmdicke gebildet werden. Obwohl eine Zerstäubungsvorrichtung verwendet wird, um jeden der Dünnfilm-Leiter k und jedes der Dünnfilm-Dielektrika 30-k aufzubringen, kann auch eine andere Dünnfilmbildungsvorrichtung, beispielsweise eine Aufdampfvorrichtung oder eine Plasma-CVD- Vorrichtung, verwendet werden.

(6) Einfluß der Abweichung der Filmdicke von dem optimalen Wert

Fig. 16 bis 23 zeigen Änderungen der Verbesserungsrate (siehe Gleichung (110) im Falle des optimalen Werts) des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Filmdicke des Dielektrikum-Dünnfilms oder des Supraleiter- Dünnfilms von dem jeweils optimalen konzipierten Wert für die Schichten n = 2 bis 5 abweicht. Insbesondere ist Fig. 16 ein Graph der Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dielektrikum-Filmdicke x&sub1; in dem Falle von n = 2 variiert; Fig. 17 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Supraleiter-Filmdicke ξ&sub2; in dem Fall von n = 2 variiert; Fig. 18 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dielektrikum-Filmdicke x&sub2; in dem Falle von n = 3 variiert; Fig. 19 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrische r Leistung, wenn die Supraleiter-Filmdicke ξ&sub3; in dem Fall von n = 3 variiert; Fig. 20 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Dielektrikum-Filmdicke x&sub3; in dem Falle von n = 4 variiert; Fig. 21 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Supraleiter-Filmdicke ξ&sub4; in dem Fall von n = 4 variiert; Fig. 22 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung; wenn die Dielektrikum-Filmdicke x&sub4; in dem Falle von n = 5 variiert;
und Fig. 23 ist ein Graph von Änderungen der Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, wenn die Supraleiter-Filmdicke ξ&sub5; in dem Falle von n = 5 variiert. Wie diese Zahlen analysiert werden sollen, wird anhand des Falles n 4 (Fig. 20 und 21) beispielhaft erläutert. Die Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung, die in Fig. 20 gezeigt ist, zeigt Änderungen an, wenn nur die Filmdicke x&sub3; des Dielektrikums der untersten Schicht von dem konzipierten Wert abweicht, unter der Bedingung, daß alle Filmdicken ξ&sub1;, ξ&sub2;, ξ&sub3;, x&sub1; und x&sub2; bis zu den dritten Schichten sowie die Filmdicke x&sub4; des Supraleiters der vierten Schicht so konzipiert sind, daß sie gleich sind. Die in Fig. 21 gezeigte Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung zeigt Änderungen an, wenn nur die Filmdicke ξ&sub4; des Supraleiters der vierten Schicht von dem konzipierten Wert abweicht, unter der Bedingung, daß alle Filmdicken ξ&sub1;, ξ&sub2;, ξ&sub3;, x&sub1; und x&sub2; bis zu den dritten Schichten und x&sub3; des nächsten Dielektrikums so konzipiert sind, daß sie gleich sind. In den beiden Figuren wird hier der Widerstand gegenüber elektrischer Leistung auf der Basis der Annahme berechnet, daß Näherungsbedingungen (ωτ)² < < 1 und (σr/σi)< < 1 erfüllt, sind und daß jede Schicht die kritische Stromdichte nicht übersteigt. Die horizontale Achse gibt die Rate der Änderung von dem normierten optimalen konzipierten Wert der Filmdicke an. Der Punkt, an dem die Änderungsrate 1,0 beträgt, gibt den optimalen konzipierten Wert an. Die vertikale Achse gibt die Verbesserungsrate des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung als eine Folge der Hinzufügung der vierten Schicht zu der optimalen konzipierten dritten Schicht an. Das bedeutet, daß sie ein Wert ist, der durch Dividieren (der Verbesserungsrate des Widerstands der ganzen vier Schichten gegenüber elektrischer Leistung) durch [die Verbesserungsrate ( = 3) des Widerstands der drei Schichten gegenüber elektrischer Leistung] erhalten wird. Somit beträgt der maximale Wert derselben 4/3. Ein Fall, bei dem dieser Wert 1,0 oder weniger beträgt, bedeutet, daß keine Wirkung infolge der Hinzufügung der vierten Schicht eintritt.
Wie aus den Fig. 20 und 21 ersehen werden kann, liegt der Effekt der Verbesserung des Widerstands gegenüber elektrischer Leistung auch dann vor, wenn die Filmdicke des Dielektrikum-Dünnfilms oder des Supraleiter-Dünnfilms etwas von dem in Tabelle 1 gezeigten optimalen konzipierten Wert abweicht. Somit kann die Filmdicke jeder Schicht der supraleitenden Mehrschichtelektrode etwas von dem optimalen konzipierten Wert abweichen.

Figurenbeschreibung

Fig. 5 (a) MIKROSTREIFENLEITUNG
(b) STREIFENLEITUNG
(c) KOAXIALLEITUNG
(d) TM&sub0;&sub1;-MODE-WELLENLEITER (SCHNITTANSICHT)
Fig. 101 MASSESCHALTUNG
2 HAUPTSCHALTUNG
3 UNTERSCHALTUNG
Fig. 12 101 MIKROCOMPUTER
102 TASTATUR
103 ANZEIGEEINHEIT
104 DRUCKER
Fig. 1351 START
S2 STELLE ANGEGEBENE PARAMETER EIN
S4 BESTIMME ZL AUF DER BASIS DES MEDIUMS DER ÄUSSEREN SEITE
S8 BESTIMME ξ&sub1;, SO DASS ZS1→MIN.
S14 BESTIMME Xk-1 UND ξk, SO DASS ZS1→MIN.
UNTER DER BEDINGUNG MAX (Jk) = MAX (J&sub1;)
S18 NO = NEIN, YES = JA
S22 ANZEIGE S24 DRUCK S26 ENDE
Fig. 14 S100 START
S102 STELLE ANGEGEBENE PARAMETER EIN
S104 BESTIMME ZL AUF DER BASTS DER GLEICHUNG (64)
S108 BESTIMME ξ1, SO DASS ZS1→MIN.
S110 BESTTMME ZS1 AUF DER BASIS ZS1 = ZS1(ξ&sub1;, ZL) (GLEICHUNG 69)
S114 BESTIMME Xk-1 UND ξK, SO DASS Zsk→MIN. (GLEICHUNG 84) UNTER DER BEDINGUNG V = V&sub1;
S116 BESTIMME Zsk AUF DER BASIS
Zsk = Zsk(xk-1, kξ, Zsk-1)

GLEICHUNG 70

S118 NO = NEIN, YES JA
S122 ANZEIGE
S124 Druck
S126 ENDE
Fig. 15 S200 START
S202 STELLE ANGEGEBENE PARAMETER EIN
S204 BESTIMME ZL AUF DER BASIS DER GLEICHUNG 64
S210 BESTIMME XS1 AUF DER BASIS ZS1 = jXS1 (GLEICHUNG 91)
S214 BESTIMME Xk-1 UND AUF DER BASIS =sinh&supmin;¹ (Xsk-1) (GLEICHUNG 99), Wk-1 = Xsk-1
(GLEICHUNG 117) UND Xk-1 = Wk-1 (&epsi;m/&epsi;s - 1)&supmin;¹ (GLEICHUNG 118)
S216 BESTIMME Xsk AUF DER BASIS Xsk = (1 + 1/Xsk-1²)&supmin;¹ (GLEICHUNG 110)
S218 NO = NEIN, YES = JA
S222 ANZEIGE
S224 DRUCK
S226 ENDE
Fig. 16 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER DIELEKTRIKUM-FILMDICKE X&sub1;
Fig. 17 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER LEITER-FILMDICKE ξ&sub2;
Fig. 18 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER DIELEKTRIKUM-FILMDICKE X&sub2;
Fig. 19 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER LEITER-FILMDICKE ξ&sub3;
Fig. 20 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER DIELEKTRIKUM-FILMDICKE X&sub3;
Fig. 21 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER LEITER-FILMDICKE ξ&sub4;
Fig. 22 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER DIELEKTRIKUM-FILMDICKE X4
Fig. 23 1 VERBESSERUNGSRATE DES WIDERSTANDS GEGENÜBER ELEKTRISCHER LEISTUNG 2 ÄNDERUNGSRATE DER LEITER-FILMDICKE ~5
er Grundlage der Gleichung (87) zu der folgenden Gleichung:

Claims

1. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode mit folgenden Merkmalen:

mindestens einer TEM-Mode-Übertragungsleitung (LN1 bis LN4), die eine Supraleiterschicht als eine unterste Schicht (5) umfaßt, und

mindestens einer Supraleiterschicht (1 bis 4) und mindestens einer dielektrischen Schicht (30-1 bis 30-4), die abwechselnd auf der untersten Schicht (5) laminiert sind,

dadurch gekennzeichnet, daß jede Supraleiterschicht (1 bis 5) aus einem Supraleitermaterial besteht, das eine gewissen Eindringtiefe λL von London aufweist, und jede Supraleiterschicht (1 bis 5) und jede dielektrische Schicht (30-1 bis 30-4) jeweilige Filmdicken aufweisen, die auf der Basis einer Anzahl von Supraleiterschichten und dielektrischen Schichten und der Eindringtiefe des Supraleitermaterials bestimmt werden, so daß, wenn ein Strom durch die Elektrode fließt, der maximale Wert einer Stromdichte, die durch jede Supraleiterschicht (1 bis 5) fließt, gleich wird, wobei der maximale Wert geringer als oder gleich einer kritischen Stromdichte für die Supraleiterschicht ist.

2. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1, die eine Mehrzahl von dielektrischen Schichten (30-1 bis 30-4) und Supraleiterschichten (1 bis 4) umfaßt, die abwechselnd auf der untersten Schicht (5) laminiert sind, um eine Mehrzahl von TEM-Mode- Übertragungsleitungen zu bilden.

3. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Supraleiterschichten (1 bis 5) von der untersten Schicht (5) zu der obersten Schicht (1) derartige Filmdicken aufweisen, daß die Dicke um so größer wird, je weiter oben die Schicht liegt, und bei der die dielektrischen Schichten (30-1 bis 30-4) von der untersten Schicht (30-4) bis zu der obersten Schicht (30-1) derartige Filmdicken aufweisen, daß die Dicke um so größer wird, je weiter oben die Schicht liegt.

4. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine weitere TEM- Mode-Übertragungsleitung (LN10) aufweist, die aus einem dielektrischen Substrat (10) gebildet ist, welches eine Leiterschicht (11), die an einer Seite desselben gebildet ist, und eine Supraleiterschicht (5) aufweist, die an der anderen Seite desselben gebildet ist, wobei die Supraleiterschicht die unterste Schicht der mindestens einen TEM-Mode-Übertragungsleitung ist.

5. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 4, bei der, wenn die Filmdicke der Supraleiterschicht der k-ten Schicht (k > 1), welche durch die Eindringtiefe von London normiert ist, als ξk bezeichnet ist, die Filmdicke der dielektrischen Schicht der k-ten Schicht, welche durch die Eindringtiefe von London normiert ist, als xk bezeichnet ist, und die Anzahl an Supraleiterschichten (1 bis 5) auf n eingestellt ist, die Supraleiterschichten (1 bis 5) und die dielektrischen Schichten (30-1 bis 30-4) von der untersten Schicht (k = n) zu der obersten Schicht (k = 1) Filmdicken ξk und xk (k ≤ n) aufweisen, welche in der folgenden Tabelle 1 gezeigt sind; .

Tabelle 1

wobei &epsi;m für die dielektrische Konstante des Substrats (10) steht, &epsi;s für die dielektrische Konstante der dielektrischen Schichten (30-1 bis 30-4) steht und Wk ein dimensionsloser Parameter ist, der proportional zu der Dicke der k-ten dielektrischen Schicht ist.

6. Eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß Anspruch 1, bei der die Dicke der k-ten (k = 1 steht für die oberste dielektrische Schicht) Supraleiterschicht Tck durch die folgende Formel definiert ist:

0 < Tck ≤ 1,15·ξk·λL

wobei ξk = sinh&supmin;¹(1/k-1), und die Dicke der h-ten (h = 1 steht für die oberste dielektrische Schicht) dielektrischen Schicht Tdh durch die Formel:

0,85 ≤ Tdh ≤ 1,4·Xh·λL

definiert ist, wobei Xh = 1/h(&epsi;m/&epsi;s-1)&supmin;¹, Ein die dielektrische Konstante eines Substrats ist, auf dem die supraleitende Mehrschichtelektrode angeordnet ist, und

&epsi;s die dielektrische Konstante der mindestens einen dielektrischen Schicht der Elektrode ist.

7. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung, die eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.

8. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7, die als ein Wellenleiter gebildet ist.

9. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7 oder 8, die folgende Merkmale aufweist:

eine erste Übertragungsleitung (LN10); und

eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, welche mindestens eine zweite TEM-Mode-Übertragungsleitung (LN1 bis LN4) darstellt.

10. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 9, bei der die effektive dielektrische Konstante der dielektrischen Schicht (30-1), welche die zweite Übertragungsleitung (LN4) bildet, geringer ist als die der dielektrischen Schicht (10), welche die erste Übertragungsleitung (LN10) bildet.

11. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7, die als eine Mikrostreifenleitung (51, 52) gebildet ist.

12. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 11, wobei bei der Mikrostreifenleitung die supraleitende Mehrschichtelektrode als ein Streifenleiter (51) an einer ersten Seite eines dielektrischen Substrats und ein Masseleiter (52) an einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats gebildet ist.

13. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 11, wobei bei der Mikrostreifenleitung die supraleiende Mehrschichtelektrode als ein Streifenleiter (51) an einer ersten Seite eines dielektrischen Substrats und eine weitere supraleitende Mehrschichtelektrode als ein Masseleiter (52) an einer zweiten Seite des dielektrischen Substrats gebildet ist.

14. . Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7, wobei die Hochfrequenz-Übertragungsleitung eine Streifenleitung (61, 62, 63) ist.

15. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 7, wobei die Hochfrequenz-Übertragungsleitung eine Koaxialleitung (71, 72) ist.

16. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 15, wobei die Hochfrequenz-Übertragungsleitung eine Länge entlang der Übertragungsrichtung aufweist, die gleich. 1/4 der Wellenleiterlänge von Signalen ist, die durch die Hochfrequenz-Übertragungsleitung übertragen werden.

17. Eine Hochfrequenz-Übertragungsleitung gemäß Anspruch 15, wobei die Hochfrequenz-Übertragungsleitung eine Länge entlang der Übertragungsrichtung aufweist, die gleich 1/2 der Wellenleiterlänge von Signalen ist, die durch die Hochfrequenz-Übertragungsleitung übertragen werden.

18. Ein Hochfrequenzfilter mit folgenden Merkmalen:

einem Hochfrequenzresonator, der eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfaßt;

einem Eingabeanschluß (85) zum Eingeben von Hochfrequenzsignalen zu dem Hochfrequenzresonator; , und

einem Ausgabeanschluß (86) zum Ausgeben von Hochfrequenzsignalen von dem Hochfrequenzresonator.

19. Ein Hochfrequenzfilter gemäß Anspruch 18, bei dem der Hochfrequenzresonator in Form einer Koaxial- Übertragungsleitung vorliegt, die die supraleitende Mehrschichtelektrode umfaßt.

20. Ein Hochfrequenzfilter gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Hochfrequenzfilter als ein Bandsperrfilter implementiert ist, und wobei der Eingabeanschluß und der Ausgabeanschluß als Übertragungsleitungen implementiert sind.

21. Ein Hochfrequenzfilter (80) gemäß Anspruch 18,

bei dem der Hochfrequenzresonator ein dielektrischer Resonator (80) ist, der ein Resonatorgehäuse umfaßt, bei dem die supraleitende Mehrschichtelektrode (82) und ein Dielektrikum (87, 88) in einer vorbestimmten Form in dem Resonatorgehäuse angeordnet sind;

mit einem Eingabeanschluß (85), der mit dem dielektrischen Resonator elektromagnetisch gekoppelt ist, um Hochfrequenzsignale zu dem dielektrischen Resonator einzugeben; und

mit einem Ausgabeanschluß (86), der mit dem dielektrischen Resonator elektromagnetisch gekoppelt ist, um Hochfrequenzsignale von dem dielektrischen Resonator auszugeben.

22. Ein dielektrischer Resonator (75) mit folgenden Merkmalen:

einem Resonatorgehäuse (77), das eine supraleitende Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 umfaßt; und

einem Dielektrikum (76) in einer vorbestimmten Form, das in dem Resonatorgehäuse (77) plaziert ist.

23. Ein Verfahren zum Einstellen einer Filmdicke einer supraleitenden Mehrschichtelektrode gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

(a) einen erst en Schritt des Bestimmens einer Impedanz einer Vakuumschicht;

(b) einen zweiten Schritt des Bestimmens, unter Verwendung der Impedanz der Vakuumschicht, der Filmdicke einer ersten Supraleiterschicht und der Impedanz zu dem Zeitpunkt, wenn eine Luftschicht von der Unterseite der ersten Supraleiterschicht betrachtet wird, so daß die Impedanz ein Minimum erreicht, wenn die Luftschicht von der Unterseite der Supraleiterschicht der ersten Schicht betrachtet wird, welche die oberste Schicht der Supraleiterschichten darstellt;

(c) einen dritten Schritt des Berechnens der jeweiligen Filmdicken der dielektrischen Schicht der k-ten (k > 1) Schicht, die laminiert auf der Supraleiterschicht der k-ten Schicht gebildet ist, und der Supraleiterschicht der (k + 1)-ten Schicht sowie der Impedanz zu dem Zeitpunkt, wenn das Obige von der Unterseite der Supraleiterschicht der k-ten Schicht aus betrachtet wird, so daß eine Impedanz zu dem Zeitpunkt, wenn das Obige von der Unterseite der Supraleiterschicht der k-ten Schicht betrachtet wird, ein Minimum erreicht, unter der Bedingung, daß der maximale Wert der Stromdichte, die durch jede Supraleiterschicht fließt, gleich ist, wobei der dritte Schritt (c) wiederholt wird, bis die Filmdicken aller Supraleiterschichten vollständig berechnet wurden; und

(d) Bilden der Supraleiter- und dielektrischen Schichten mit den in Schritten (b) und (c) bestimmten Dicken.

24. Ein Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem in Schritt (c) die Bedingung, daß die Stromdichte an der Unterseite jeder Supraleiterschicht die gleiche ist, statt der Bedingung, daß der maximale Wert der Stromdichte, welche durch jede Supraleiterschicht fließt, der gleiche ist, verwendet wird.

25. Ein Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem der Schritt (b) in Anspruch 24 durch den folgenden Schritt (b) ersetzt wird:

(b) ein zweiter Schritt des Einstellens der Filmdicke der Supraleiterschicht der ersten Schicht, welche die oberste Schicht der jeweiligen Dünnfilm-Supraleiter ist, so daß ein ausreichender Strom durch die erste Schicht fließt, und Bestimmen einer Impedanz zu dem Zeitpunkt, wenn eine Luftschicht von der Unterseite der ersten Schicht betrachtet wird, als eine rein imaginäre Zahl, unter der Bedingung (ωτ)² < < 1 und (σr/σi) < < 1, wobei ω die Frequenz ist, τ die Impuls- Relaxationszeit der Elektronen des Supraleiters ist und σr bzw. σi der reale Teil bzw. der imaginäre Teil sind.