博 士 （ 工 学 ） 佐 藤 圭
学 位 論 文 題 名
高温 超伝 導フイ ル夕設 計技術 とモノヾ イル通 信への 応用
学 位 論 文 内 容 の 要旨
将 来 の モ バ イ ル 通 信 シ ス テ ム に お い て ， ワ イ ヤ レ ス プ ロ ー ド バ ン ド シ ス テ ム を 構 築 す る た め に は 広いJ｜．J波 数イ捗域が必盤と 橡るが，使い勝手の 良いJ｜｜J波数イ持は既に各輒無線通fIiシステムに刪り当て ら れ お り ， 新 規 周 波 数 帯 の 開 拓 に よ る 連 続 し た 広 い 周 波 数 帯 域 確 保 は 困 難 な 状 況 に あ る ． 周 波 数 リ ソ ー ス 再 編 に よ り 広 い 周 波 数 帯 を 確 保 す る 方 法 が あ る が ， 周 波 数 の 移 行 に 時 間を 要す る ため ，新 シ ス テムの迅速を 導入は困難である ・
近 年3GPPに お い て は ，Component Carrier (CC)と 呼 ぱ れ る 複 数 の キ ャ リ ア を 同 時 に 用 い て 通 信 す る こ と で 広 帯 域 伝 送 を 可 能 に す るCarrier AggregationくCA)と 呼 ば れ る 技 術 が ，LTE‑Advancedに お け る 伝 送 速 度 向 上 の 主 要 素 技 術 と し て 検 討 さ れ て い る.2009年12月 に はStudy Itemか らWork Itemとして水I認され， 檪郎化仕様策定に 向けた亀Et沁が迎 められている．
CAの シ ナ リ オ はCCの 周 波 数 配 置 に よ っ て ， 以 下 の3つ に 分 類 さ れ る.(1) Intra‑band Contiguous CA:20 MHzよ り 大 き い 連 続 す る 帯 域 で 通 信 を 行 う ． 広 帯 域 の 周 波 数 が 割 り 当 て ら れ る 場 合 に 適 用 さ れ る ， (2) Intra‑band Non‑contiguous CA:同じ 周波 数 パン ドの キ ャリ アを 複 数用 いて 通 信を 行う ， 通 f｜；I亅f輩 竹へ の川 波 数制 り当 て がliij‑バ ンド 内 で断 片的 で ある 場合 に 適川 され る こと が恕定さ れる．
(3) Inter‑band Non‑contiguous CA:異 橡る 周 波数 ´ヾ ン ドの キャ リ アを 複数 用 いて 通信 を 行う ，シ ナ リ オ(3） で は ， 複 数 の キ ャ リ ア を 用 い て 通 信 を 行 う こ と に よ る ス ル ー プ ッ ト の 向上 に加 え て， 伝搬 環 境 が 異 を る 複 数 の キ ャ リ ア を 用 い る こ と に よ る 通 信 の 安 定 性 向 上 が 想 定 さ れ る.LTE‑Advanced Rel.ll の 仕 様 策 定 に 向 け て ， オ ベ レ ー タ か ら 琺2帯 域 のInter一bandNon‐contlguousCAが 提 案 さ れ て い る ． 異 を る 周 波 数 パ ン ド の キ ャ リ ア を 用 い るInt小bandNon℃0ntiguousCAに お い て は ，2つ の 周 波 数 帯 域 を 同 時 に 通 過 さ せ る こ と の で き る デ ュ ア ル パ ン ド 帯 域 通 過 フ ア ル タ が ，CA技 術 を 支 え る た め の キ ー デ バ イ ス の ー つ と な る ．CA技 術 の キ ー デ ´ ヾ イ ス とを る デュ アル バ ンド 帯域 通 過フ アル タ は，2つ の 通 過 帯 域 間 に 他 の シ ス テ ム が 配 置 さ れ る こ と か ら ， 通 過 帯 域 端 の 高 い 周 波 数選 択特 性 とと もに ， 通 過帯域闇の大 きぃ阻止量が要求 される．
一 方 ， マ イ ク ロ 波 帯 に お い て 常 温 の 金 属 導 体 と 比 較 し て 表 面 抵 抗 が2桁 以 上 小 さ い 超 伝 導 体 を 用 い た 脳 伝 導 フ ィ ル タ は ， 共 振 器 を 多 段 化 し て フ ィ ル タ の 通 述f停 域 外 減 袋 特 性 を 急 峻 化 し て も ， 挿 入 損 失 を 極 め て 小 さ く 抑 え る こ と が で き る ， 取 り 分 け 臨 界 温 度 が 液 体 窒 素 温 度 を 超 え る 高 温 超 伝 導 体 フ ィ ル タ は ， 冷 却 装 置 を 簡 易 に 構 成 で き る こ と か ら ， モ バ イ ル 通 信 基 地 局 用 フロ ント ェ ンド のフ ィ ル タ ヘ 応 用 す る 研 究 が 多 く 行 わ れ て い る ． 上 記 デ ュ ア ル バ ン ド 帯 域 通 過 フ ィ ル タ に 対 す る 要 求 を 鑑 み る と ， 高 温 超 伝 導 体 は デ ュ ア ル バ ン ド 帯 域 通 過 フ ィ ル タ を 構 成 す る 導 体 材 料 と し て も 有 カ を 候 補 の ー つ と な り 得 る ， 高 温 超 伝 導 体 を フ ィ ル タ の 導 体 材 料 と し て 用 い た 場 合 ， 入 力 信 号 レ ベ ル に よ っ て は 材 料 の 非 線 形 特 性 に よ っ て 発 生 す る 非 線 形 ひ ず み が ， ま た ， 冷 却 装 置 の 冷 却負 荷軽 減 の観 点か ら ， フィルタの小 型化が課題とをる ．
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本 論 文 で は ， モ パ イ ル 通 信 に お け る 基 地 局 用 フ ロ ン ト ェ ン ド に 関 し て ， 極 め て 高 い 周 波 数 選 択 効 果 が 得 ら れ る 高 温 超 伝 導 フ ア ル タ の 構 成 法 を ， 低 ひ ず み 化 ， 低 雑 音 化 や 小 型 化 の 観 点 か ら ， 理 論 的 及 び 実 験 的 に 考 察 し た ， ま た ， モ バ イ ル 環 境 下 に て ，2つ の 周 波 数 帯 域 を 同 時 に 通 過 さ せ る こ と が で き る 高 温 超 伝 導 フ ア ル タ の 構 成 法 を 示 し た ．
具 体 的 に は ， 第 1章 で は ， モ パ イ ル 通 信 シ ス テ ム の 歴 史 及 び 今 後 の 動 向 を 概 説 し た ． ま た ， 超 伝 導 体 を マ イ ク ロ 波 ｜ 抒 フ ィ ル タ ヘir<ilIJす るl亅fの 優 位 性 を 示 し た ，
第2章 で は ， 高 温 超 伝 導 フ ア ル タ の 高 耐 電 力 （ 低 ひ ず み ） 化 に 向 け ， 最 大 電 流 密 度 低 減 の 観 点 か ら ， 共 振 器 の 特 性 イ ン ピ ー ダ ン ス 及 び 地 導 体 間 隔 に 対 す る 中 心 導 体 幅 の 比 に 着 目 し た ひ ず み 低 減 化 手 法 を 提 案 し た ， ま た ， 入 出 力 励 振 部 と 共 振 器 の 特 性 イ ン ピ ー ダ ン ス が 異 を る 場 合 の フ ア ル タ 設 計 に つ い て ， 入 出 力 励 振 部 及 び 共 振 掛li'UのJイ ン バ ー タ ガJ騨 等 価III｜ 路 の パ ラ メ ー タ を 導 出 す る 式 を 示 す と と も に ， 特 性 イ ン ピ ー ダ ン ス が 異 な る 場 合 の フ ア ル タ 設 計 手 法 を 示 し た ．
第 3章 で は ， 高 温 超 伝 導 フ ア ル タ の 小 型 化 に 関 し て ， 2つ の 導 体 を 近 接 配 置 し た 構 造 体 を 励 振 し ， 電 磁 界 結 合 に よ っ て 分 離 さ せ た 2つ の 周 波 数 の う ち ， 低 域 側 共 振 周 波 数 を 用 い る こ と で 小 型 化 を 図 る 手 法 に つ い て 述 べ た ， ま た ， 提 案 共 振 器 構 造 は ， 小 型 で あ る こ と に 加 え ， 直 線 状 のA/4共 振 器 の 無 負 荷 Q値 と 比 較 し て ， ほ ば 同 等 の 無 負 荷 Q値 を 維 持 可 能 な 構 造 で あ る こ と を 示 し た ， 第 4章 で は ， 広 帯 域 伝 送 を 支 え る 複 数 帯 域 同 時 通 過 フ ア ル タ に つ い て ， 各 通 過 帯 域 の 中 心 周 波 数 ， 及 び ， 通 述 ｜ 廿 域l｜fを 決 定 付 け る 共 振 器 ‖ 蝋 ｜i合 係 数 を容 錫 にI淵 幣 可 能 を 共 振 黼柑 造 ， 及 び 多 段 化 手法 を 述 べ た ． ま た ， 複 数 帯 域 同 時 通 過 フ ア ル タ の 初 期 検 討 と し て デ ュ ア ル バ ン ド 帯 域 通 過 フ ィ ル タ を 設 計 ・ 製 作 し ， 提 案 手 法 の 有 効 性 を 確 認 す る と と も に ， 提 案 手 法 が 相 互 変 調 ひ ず み 低 滅 の 観 点 か ら も 有 効 で あ る こ と を 示 し た ．
鎗5rふ で は ， モ バ イ ル 通t；J｜ そ 地 ＾6川 フ ロ ン ト エ ン ド ヘdi鴇｜t趙伝 導 フ ィ ル タ を 適jl亅 し た 場 合 の効 栄 を ， 高 選 択 度 化 と 低 雑 音 化 の 観 点 か ら 定 量 的 に 評 価 し た ， 高 選 択 度 化 に つ い て は ， 高 温 超 伝 導 フ ィ ル タ を 適 用 し た フ ロ ン ト エ ン ド を 屋 内 無 線 通 信 シ ス テ ム 実 験 系 に 組 み 込 み ， 隣 接 他 事 業 者 移 動 局 の 送 信 信 号 が シ ス テ ム に 与 え る 影 響 を 定 量 的 に 評 価 し ， ま た ， 低 雑 音 化 に つ い て は 数 値 解 析 に て ， シ ス テ ム 容 量 の 観 点 か ら 定 量 的 に 評 価 し た ，
最 後 に ， 第6章 で は ， 第2章 か ら 第5章 ま で の 研 究 で 得 ら れ た 成 果 を 総 括 し ， 提 案 し た 高 温 超 伝 導 フ ィ ル タ 設 計 技 術 が 将 来 の モ バ イ ル 通 信 シ ス テ ム へ の 応 用 に 資 す る こ と を 示 し た ．
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学位論 文審査の要旨 主査 副査
副査 副査 副査
教授 教授 教授 教授 准教授
野 島 俊 雄 宮 永 喜 一 小 柴 正 則 小 川 恭 孝 山 本 学
学 位 論 文 題 名
高 温超伝 導フイル 夕設計技 術とモバイル通信への応用
次 世 代 モバ イ ル 通 信 シス テ ム に お いて ， ワ イ ヤ レ スブ ロ ー ド バ ンド シ ス テ ム を構 築 す る た めに は 広 い 周 波 数 帯域 が 必 要 と な るが ， 使 い 勝 手の 良 い 周 波 数帯 は 既 に 各 種無 線 通 信 シ ス テム に 割 り 当 て ら れ お り ， 新規 周 波 数 帯 の 開拓 に よ る 連 続し た 広 い 周 波数 帯 域 確 保 は困 難 教 状 況 に ある ． 周 波 数 リ ソ ース 再 編 に よ り広 い 周 波 数 帯を 確 保 す る 方 法が あ る が ，周 波数の 移行に 時間 を要す るため ，新シ ス テ ムの 迅 速 を 導 入が 困 難 で あ る．
近 年 ，Component Camer (CC)と 呼 ば れ る 複 数 の キ ャ リ アを 同 時 に 用 い て通 信 す る こ とで 広 帯 域 伝 送 を 可 能 にす るCarrier Aggregation (CA)技 術 が ，LTE‑Advancedに お け る 伝 送速 度 向 上 の 主要 素 技 術 と し て 検討 さ れ て い る ．こ の 中 で ， 伝搬 環 境 が 異 なる 複 数 の キ ャリ ア を 用 い る こと で 通 信 の 安 定 性 向 上 が 想定 さ れ るInter‑band Non‑contiguous CAが 提 案 さ れて い る が ， 高い 周 波 数 選 択 特性 と 通 過 帯 域 間 の 大 き い 阻 止 量 を 有 す る デ ュ ア ル ′ ヾ ン ド 帯 域 通 過 フ ア ル タ が 必 要 と な る ． 上 記 フ ィル タ を 構 成 する た め の 導 体材 料 と し て ， 高温 超 伝 導 体 が有 カ な 候 補 とな り 得 る ， マイ ク 口 波 帯 に お い て 常 温 の 金 属 導体 と 比 較 し 表面 抵 抗 が2桁以 上 小 さ い 超伝 導 体 を 用 い た超 伝 導 フ ィ ル タfよ ， 共 振 器 を多 段 化 し フ アル タ の 通過帯 域外 減衰特 性を急 峻化し た場合 でも ，挿入 損失を 極めて 小 さ く 抑 え る こと が 可 能 で あ る． 取 り 分 け ，臨 界 温 度 が 液体 窒 素 温 度 を超 え る 高 温 超 伝導 体 フ ア ル タ は ，冷 却 装 置 を簡易 に構 成でき ること から， モ′ ヾイル 通信基 地局用 フロン トエ ンドの フアル タヘ応 用 す る研 究 が 多 く 行わ れ て い る ．し か し ， 高 温 超伝 導 体 を フィ ルタの 導体材 料と して用 いた場 合、入 力 信 号レ ベ ル に よ って は 材 料 の 非線 形 特 性 に よ って 発 生 す る非 線形ひ ずみが ，ま た、冷 却装置 の冷却 負 荷 軽減 の 観 点 か ら， フ ア ル タ の小 型 化 が 課 題 とな っ て い る ．
本 論 文 は ， モバ イ ル 通 信 にお け る 基 地 局用 フ ロ ン ト エン ドに 関し ，極め て高い 周波数 選択効 果が 得 ら れる 高 温 超 伝 導フ ィ ル タ の 構成 法 を ， 低 ひ ずみ 化 ， 低 雑音 化や小 型化の 観点 から， 理論的 及び実 験 的 に考 察 し て い る， ま た ， モ バイ ル 環 境 下 に て，2つ の 周 波数 帯 域 を 同 時に 通 過 させ ること ができ る 高 温超 伝 導 フ ア ルタ の 構 成 法 を示 し て い る ．
第1章 で は， モ バ イ ル 通 信シ ス テ ム の 歴史 及 び 今 後 の動 向 を 概 説 し， 超 伝 導 体 をマイ ク口波 帯フ イ ル タヘ 適 用 す る 事の 優 位 性 を 示し て い る ．
第2章 で は， 高 温 超 伝 導 フア ル タ の高 耐電 力（低 ひずみ ）化に 向け ，最大 電流密 度低減 の観点 から ．
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共 振 器 の特 性 イ ン ピ ーダ ン ス 及 び 地導 体 間 隔 に 対 する 中 心 導 体 幅の 比 に 着 目 した ひ ず み 低 減化手 法 を 提 案 し， 入 出 力 励 振部 と 共 振 器 の特 性 イ ン ピー ダン スが異 なる場 合のフ アルタ 設計 につい てっ人 出 力 励 振 部及 び 共 振 器 間のJイ ン バ ータ 兀 型 等 価 回路 の ′ ヾ ラ メ ータ を 導出 する式 を示 すとと もに， 特 性 イ ン ピー ダ ン ス が 異な る 場 合 の フィ ル タ 設 計 手 法を 示 し て い る．
第3章 で は ． 高温 超 伝 導 フ ア ルタ の 小 型 化 に関 し ，2つ の導 体 を 近 接 配置 し た 構 造 体を 励 振 し，電 磁 界 結 合 に よ っ て 分 離 さ せた2つ の 周 波数 の う ち ， 低 域側 共 振 周 波 数を 用 い る こ とで 小 型 化 を 図る 手 法 に つい て 述 べ て いる ， ま た ， 提案 共 振 器 構 造 は。 小 型 で あ るこ と に加 え，直 線状のA/4共 振器の 無 負 荷Q値 と 比 較 し ， ほ ば 同 等 の 無 負 荷Q値 を 維 持 可 能 な 構 造 で あ る こ と を 示 し て い る ． 第4章 で は ， 広 帯 域 伝送 を 支 え る 複数 帯 域 同 時 通過 フ ア ル タ につ い て ， 各 通 過帯 域 の 中 心 周波 数 及 び 通 過帯 域 幅 を 決 定付 け る 共 振 器間 結 合 係 数 を 容易 に 調 整 可 能な 共 振 器 構 造っ さ ら に 多 段化手 法 を 述 べ てい る ． ま た っ複 数 帯 域 同 時通 過 フ ア ル タ の初 期 検 討 と して デ ュ ア ル バン ド 帯 域 通 過フア ル タ を 設 計・ 製 作 し ， 提案 手 法 の 有 効性 を 確 認 する とと もに， 提案手 法が相 互変調 ひず み低減 の観点 か ら も 有 効で あ る こ と を示 し て い る ．
第5章 で は ， モ バ イ ル通 信 基 地 局 用フ 口 ン ト エ ンド ヘ 高 温 超 伝導 フ ア ル タ を 適用 し た 場 合 の効 果 に つ い て、 高 選 択 度 化と 低 雑 音 化 の観 点 か ら 定量 的に 評価し ている ．高選 択度化 につ いては ，高温 超 伝 導 フ ィル タ を 適 用 した フ 口 ン ト エン ド を 屋 内 無 線通 信 シ ス テ ム実 験 系 に 組 み込 み ， 隣 接 他事業 者 移 動 局 の送 信 信 号 が シス テ ム に 与 える 影 響 を 定量 的に 評価し ，また ，低雑 音化に つい ては数 値解析 に て ． シ ステ ム 容 量 の 観点 か ら 定 量 的に 評 価 し て い る，
第6章 は 結 諭 で あ り ，本 研 究 で 得 られ た 成 果 を まと め て い る ．提 案 し た 高 温 超伝 導 フ ア ル タ設 計 技 術 が 将 来 の モ バ イ ル 通 信 シ ス テ ム ヘ の 応 用 に 資 す る こ と を 示 し て い る ， これ を 要 す る に 、著 者 は ， 無 線通 信 装 置 の 開発 に寄与 する周 波数フ ィル タ技術 に関し て有益 な新知 見 を 得 たも の で あ り ，情 報 通 信 工 学分 野 の 発 展に 貢献 すると ころ大 なるも のがあ る． よって 著者は ， 北 海 道 大学 博 士 （ 工 学） の 学 位 を 授与 さ れ る 資 格 ある も の と 認 める ．
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