コプレーナ導波路
導体付きコプレーナ導波路伝送線路の断面
LIGA技術を用いて作製された高さ517μmの銅コプレーナ導波路。[ 1 ]

コプレーナ導波路は、プリント基板技術を用いて製造できる電気平面伝送線路の一種であり、マイクロ波周波数の信号を伝送するために使用されます。より小規模なコプレーナ導波路伝送線路は、モノリシックマイクロ波集積回路にも組み込まれています。

従来のコプレーナ導波路（CPW ）は、誘電体基板上に印刷された単一の導体トラックと、その両側に配置された一対の帰路導体で構成されています。3つの導体はすべて基板の同じ側に配置されており、したがって共平面です。帰路導体は、線路の全長にわたって一定の幅を持つ小さなギャップによって中央のトラックから分離されています。中央の導体から離れたところでは、帰路導体は通常、無限に長い距離まで伸びているため、概念的にはそれぞれが半無限平面となります。

導体裏付けコプレーナ導波路（CBCPW ）は、グランド付きコプレーナ導波路（CPWG ）とも呼ばれ、基板の背面全体を覆うグランドプレーンを持つ一般的な変種です。 [ 2 ] [ 3 ]グランドプレーンは3番目のリターン導体として機能します。

コプレーナ導波路は1969年にチェン・P・ウェンによって発明され、主にジャイレータやアイソレータなどの非可逆部品を平面伝送線路回路に組み込む手段として考案されました。 [ 4 ]

コプレーナ導波路によって運ばれる電磁波は、誘電体基板内に部分的に存在し、その上の空気内に部分的に存在します。一般に、基板の誘電率は空気の誘電率とは異なり（そして空気よりも大きい）、波は不均質な媒体中を伝搬します。その結果、コプレーナ導波路は真のTEM波を伝送しません。ゼロ以外の周波数では、電界と磁界の両方が縦方向成分を持ちます（ハイブリッドモード）。しかし、これらの縦方向成分は通常小さく、このモードは準TEMとして記述する方が適切です。[ 5 ]

非相反磁気回転装置への応用

共振アイソレータや差動移相器[ 6 ]などの非可逆磁気回転デバイスは、静磁化されたフェライト体に回転（円偏波）磁場を印加するマイクロ波信号に依存しています。CPWは、中央導体と側面導体間の2つのスロットに、まさにこのような回転磁場を生成するように設計できます。

誘電体基板は、CPW線路に沿って伝搬するマイクロ波信号の磁場に直接的な影響を与えません。そのため、CPWは金属化面において基板側と空気側で対称的な磁場分布を形成します。その結果、各導体の反対側の面（空気側と基板側）を流れる平行経路の電流は、同じインダクタンスの影響を受け、全体の電流は2つの面に均等に分配される傾向があります。

逆に、基板は電界に影響を与えるため、基板側は空気側よりもスロット間の静電容量が大きくなります。導体の基板面では、空気面よりも電荷が蓄積または減少しやすい傾向があります。その結果、電流が方向転換する波形上の点では、電荷が空気面と基板面の間の金属化エッジを越えて流れ出します。エッジを流れるこの二次電流は、各スロットに縦方向（線路に平行）の磁場を発生させます。この磁場は、導体に沿った主電流に伴う垂直方向（基板面に垂直）の磁場と 直交します。

基板の誘電率が1よりはるかに大きい場合、縦磁場の強さは垂直磁場の強さに近づき、スロット内の合成磁場は円偏波に近づきます。[ 4 ]

固体物理学への応用

コプレーナ導波路は、固体量子コンピューティングの分野で、例えばマイクロ波光子と超伝導量子ビットの結合などに重要な役割を果たしている。特に、回路量子電気力学の研究分野は、マイクロ波光子を波長の3乗よりもはるかに小さい体積に閉じ込めることで高い電場強度を可能にし、超伝導量子ビットとの強い結合を可能にする重要な要素として、コプレーナ導波路共振器から始まった。この結合をさらに強化するために、損失が極めて低い超伝導コプレーナ導波路共振器が適用された。 [ 7 ] [ 8 ]（このような超伝導コプレーナ共振器の低温での品質係数は、低電力限界でも10 6を超えることがある。 [ 9 ] ）コプレーナ共振器は、複数の量子ビットを互いに結合するための量子バスとしても使用できる。 [ 10 ] [ 11 ]

固体研究におけるコプレーナ導波路のもう一つの応用は、磁気共鳴を伴う研究、例えば電子スピン共鳴分光法[ 12 ]やマグノニクス[ 13 ]である。

コプレーナ導波路共振器は（高温超伝導）薄膜の材料特性を評価するためにも利用されてきた。 [ 14 ] [ 15 ]

参照

参考文献

  1. ^ Forman, Michael A. (2006). 「低損失LIGA製コプレーナ導波路とフィルタ」. 2006年アジア太平洋マイクロ波会議. pp.  1905– 1907. doi : 10.1109/APMC.2006.4429780 . ISBN 978-4-902339-08-6. S2CID  44220821 .
  2. ^ Gevorgian, S. (1995). 「シールド付き多層CPWのCADモデル」. IEEE Trans. Microw. Theory Tech . 43 (4): 772– 779. Bibcode : 1995ITMTT..43..772G . doi : 10.1109/22.375223 .
  3. ^クアン, ケン; キム, フランクリン; ケイヒル, ショーン S. (2009-12-01). RFおよびマイクロ波マイクロエレクトロニクスパッケージング. シュプリンガーサイエンス＆ビジネスメディア. p. 8. ISBN 978-1-4419-0984-8。
  4. ^ a b Wen, Cheng P. (1969年12月). 「コプレーナ導波路：非可逆ジャイロマグネティックデバイス用途に適した表面ストリップ伝送線路」. IEEE Trans. Microw. Theory Tech . MTT-17 (12): 1087– 1090. Bibcode : 1969ITMTT..17.1087W . doi : 10.1109/TMTT.1969.1127105 .
  5. ^ Rainee N. Simons, Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems、pp. 1–2、Wiley、2004 ISBN 9780471463931。
  6. ^ Wen, CP (1969-05-01).コプレーナ導波路：非可逆回転磁気デバイス用途に適した表面ストリップ伝送線路. 1969 G-MTT国際マイクロ波シンポジウム. pp.  110– 115. doi : 10.1109/GMTT.1969.1122668 .
  7. ^ L. Frunzio; et al. (2005). 「量子計算のための超伝導回路QEDデバイスの製造と特性評価」IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 15 (2): 860– 863. arXiv : cond-mat/0411708 . Bibcode : 2005ITAS...15..860F . doi : 10.1109/TASC.2005.850084 . S2CID 12789596 . 
  8. ^ M. Göppl; et al. (2008). 「回路量子電磁力学のためのコプレーナ導波路共振器」. Journal of Applied Physics . 104 (11) 113904: 113904–113904–8. arXiv : 0807.4094 . Bibcode : 2008JAP...104k3904G . doi : 10.1063/1.3010859 . S2CID 56398614 . 
  9. ^ A. Megrant; et al. (2012). 「内部品質係数が100万を超える平面超伝導共振器」. Appl. Phys. Lett . 100 (11) 113510. arXiv : 1201.3384 . Bibcode : 2012ApPhL.100k3510M . doi : 10.1063/1.3693409 . S2CID 28103858 . 
  10. ^ MA Sillanpää; JI Park; RW Simmonds (2007-09-27). 「共鳴空洞を介した2つの位相量子ビット間のコヒーレント量子状態保存および転送」. Nature . 449 (7161): 438–42 . arXiv : 0709.2341 . Bibcode : 2007Natur.449..438S . doi : 10.1038 / nature06124 . PMID 17898762. S2CID 4357331 .  
  11. ^ J. Majer; JM Chow; JM Gambetta; J. Koch; BR Johnson; JA Schreier; L. Frunzio; DI Schuster; AA Houck; A. Wallraff; A. Blais; MH Devoret; SM Girvin; RJ Schoelkopf (2007-09-27). 「キャビティバスを介した超伝導量子ビットの結合」. Nature . 449 (7161): 443– 447. arXiv : 0709.2135 . Bibcode : 2007Natur.449..443M . doi : 10.1038 / nature06184 . PMID 17898763. S2CID 8467224 .  
  12. ^ Y. Wiemann; et al. (2015). 「広帯域金属コプレーナ導波路を用いた50 mK～300 Kの温度範囲における0.1～67 GHzの電子スピン共鳴の観測」Appl. Phys. Lett . 106 (19) 193505. arXiv : 1505.06105 . Bibcode : 2015ApPhL.106s3505W . doi : 10.1063/1.4921231 . S2CID 118320220 . 
  13. ^ Kruglyak, VV; Demokritov, SO; Grundler, D (2010年7月7日). 「マグノニクス」(PDF) . Journal of Physics D: Applied Physics . 43 (26) 264001. Bibcode : 2010JPhD...43z4001K . doi : 10.1088/0022-3727/43/26/264001 . S2CID 239157491 . 
  14. ^ W. Rauch; et al. (2015). 「共平面伝送線路共振器を用いたYBa2Cu3O7−x薄膜のマイクロ波特性の検討」J. Appl. Phys . 73 (4): 1866– 1872. arXiv : 1505.06105 . Bibcode : 1993JAP....73.1866R . doi : 10.1063/1.353173 .
  15. ^ A. Porch; MJ Lancaster; RG Humphreys (1995). 「YBa2Cu3O7-delta薄膜の表面インピーダンスを決定するためのコプレーナ共振器法」. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 43 (2): 306– 314. Bibcode : 1995ITMTT..43..306P . doi : 10.1109/22.348089 .
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