CN101515663B

CN101515663B - 非可逆电路元件

Info

Publication number: CN101515663B
Application number: CN2009100082373A
Authority: CN
Inventors: 古田敬幸; 冈崎浩司; 楢桥祥一
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: US7978018B2; EP2093827B1; JP2009225425A; US20090206942A1; EP2093827A1; CN101515663A; JP5089567B2; KR20090090271A; KR100969614B1

Abstract

本发明的非可逆电路元件包括：磁体(F1)；中心导体(L1～L3)，在磁体(F1)上以相互被绝缘的状态下交叉配置；平面导体(P1)，夹持磁体(F1)而与各个中心导体对置配置，并且与所有的中心导体的一端连接；以及匹配用电容器(C1～C3)，对于每个中心导体，其一端连接到中心导体的另一端，而其另一端电接地，并且还包括：多个第1匹配电路，对于每个中心导体，其一端连接到中心导体的另一端，而其另一端为输入输出端口；以及第2匹配电路，其一端与平面导体连接或者一体化，而其另一端电接地。

Description

非可逆电路元件

技术领域

本发明涉及使用了磁体的电路元件，特别涉及非可逆电路元件。

背景技术

由于集中常数型的非可逆电路元件能够小型地构成，因此很早开始就作为隔离器(isolator)或循环器(circulator)用于移动通信设备或其终端。隔离器在移动通信设备的发送单元中被配置在功率放大器和天线之间，为防止从目标频带的天线对功率放大器的不需要信号的倒流，或稳定功率放大器的负载侧的阻抗等目的而使用，循环器被用于发送接收分波电路等。

图15是例示了以往的集中常数型的循环器(以下，简称为“循环器”)100的内部结构的透视斜视图。此外，图16是表示了图15的等效电路的电路图。另外，在图16所示的等效电路中，省略了铁氧体(ferrite)板F1的记载。

如图15中例示的那样，以往的循环器100构成为，相互电绝缘且相互以120度的角度交叉重叠的3组中心导体L1、L2、L3(分别由两端短路的两条直线状导体构成)被夹持在铁氧体板F1和与其相同形状的铁氧体板F2之间，进而用于磁化这些铁氧体板F1、F2的永磁铁(未图示)对置配置以夹持铁氧体板F1、F2。

各个中心导体L1、L2、L3的一端，从铁氧体板F1、F2的外周向外突出配置，这些突出部分分别与信号输入输出端口(未图示)以及匹配用电介质基板片(匹配用电容器)C1、C2、C3的一端连接。各个中心导体的另一端以及各个匹配用电介质基板片C1、C2、C3的另一端被电接地。此外，中心导体L1、L2、L3具有电感。另外，在使其作为隔离器动作时，在中心导体L3的输入输出端口上连接为吸收反射信号而另一端电接地的终端电阻。

在以上那样的结构中，通过使基于匹配用电容器的匹配条件、中心导体的电感、铁氧体板F1、F2的材质等最佳化，循环器100在某个频率范围内表示非可逆性。即，循环器100具有对于从连接到中心导体L1的一端的输入输出端口输入且从连接到中心导体L2的一端的输入输出端口输出的信号、从连接到中心导体L2的一端的输入输出端口输入且从连接到中心导体L3的一端的输入输出端口输出的信号、以及从连接到中心导体L3的一端的输入输出端口输入且从连接到中心导体L1的一端的输入输出端口输出的信号表示较大的衰减特性(isolation)，而对于其逆向的信号表示较小的衰减特性的性质(或者其逆向的性质)。此外，在中心导体L3的输入输出端口上连接了终端电阻R1时，在该频带中，作为具有以下性质的隔离器动作，即对于从连接到中心导体L1的一端的输入输出端口输入且从连接到中心导体L2的一端的输入输出端口输出的信号表示较大的衰减特性，而对于其逆向的信号表示较小的衰减特性(或其逆向的性质)。

但是，以往的隔离器或循环器那样的非可逆电路元件表示非可逆性的频率(动作频率)带宽通常为窄带(例如，相对于中心频率2GHz，获得非可逆性20dB的衰减的频率带宽为几十MHz左右)。

相对地，在非专利文献1中，公开了用于使隔离器的动作频率带宽宽带化的技术。在该公知技术中，在隔离器的输入端附加电感器或电容器，实现中心频率为924MHz、带宽比为7.7％的特性。此外，在非专利文献2中，公开了通过在中心导体和接地之间附加电感器或电容器，从而可将带宽比扩大至30～60％的例子。并且，在专利文献1中公开了通过在3个中心导体的一端公共连接的接地导体和地之间设置电容，从而实现宽带化而不会增加插入损耗的技术。但是，在这些宽带化的方法中，从通过损耗或隔离特性的劣化等观点来看，动作频率带宽的扩大存在限度，需要在相差很大的(例如相差倍频带(octave band))两个频带的双方使用的用途中难以适用。

另一方面，在专利文献2中公开了在各个中心导体的输入输出端口分别附加用于改变谐振电路的谐振频率的电容器，同时设置用于断开/连接该电容的RF开关，通过该RF开关的操作来改变动作频率的非可逆电路元件。但是，在该结构中通过开关来切换动作频率，因此无法在多个频带中同时使用，对于同时使用频带不同的多个应用的环境而言并非有效。此外，在专利文献3中公开了在3个中心导体的相互连接端设置可变电容器，通过改变该可变电容器的电抗来改变动作频带的非可逆电路元件。但是，该结构也需要改变电抗，因此与专利文献2的结构同样地，对于同时使用频带不同的多个应用的环境而言并非有效。

进而，在专利文献4中公开了使用两个铁氧体并纵向配置两个隔离器，从而能够以与单频带的隔离器等同的面积来应对双频带的结构。但是，由于高度会增加，因此难以应用到要求薄型的便携式终端中。

[非专利文献1]堀口秀人，高橋洋一，武田茂，“小型アイソレ一タにおける高調波制御と広带域化”，日立金属技報，vol.17，pp.57-62，2001.

[非专利文献2]H.Katoh，“Temperature-Stabilized 1.7-GHz Broad-BandLumped-Element Circulator”，IEEE Trans.MTS Vol.MTT-23，No.8 August 1975.

[专利文献1](日本)特开平11-234003号公报

[专利文献2](日本)特开平9-93003号公报

[专利文献3]美国专利第3605040号说明书

[专利文献4](日本)特开2001-119210号公报

发明内容

本发明鉴于以上的点而完成，其目的在于提供一种面向多频带/多模式终端的实现，能够采用单个且以与单频带对应的集中常数型非可逆电路元件等同的大小，在相差非常大的两个频带中同时获得非可逆特性的多频带对应的非可逆电路元件。

本发明的非可逆电路元件构成为，包括：磁体；多个中心导体，在磁体上以相互被绝缘的状态下交叉配置；平面导体，夹持磁体而与所述多个中心导体对置配置，并且与所有的所述中心导体的一端连接；多个匹配用电容器，对于每个中心导体，其一端连接到中心导体的另一端，而其另一端电接地；多个第1匹配电路，对于每个中心导体，其一端连接到中心导体的另一端，而其另一端为输入输出端口；以及第2匹配电路，其一端与平面导体连接或者一体化，而其另一端电接地。

根据本发明的非可逆电路元件，能够采用单个且以与单频带对应的集中常数型非可逆电路元件等同的大小，在相差非常大的两个频带中同时获得非可逆特性。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的非可逆电路元件的结构例的透视斜视图。

图2是图1中例示的非可逆电路元件的分解斜视图。

图3A是表示电容器C31的一实施例的非可逆电路元件的局部图。

图3B是表示电容器C31的另一实施例的非可逆电路元件的局部图。

图3C是表示电容器C31的又一实施例的非可逆电路元件的局部图。

图4是表示本发明的非可逆电路元件的结构的方框图。

图5是在图4的方框图中补充了循环器部分的等效电路的图。

图6A是表示第1匹配电路的结构例的图。

图6B是表示第1匹配电路的其他结构例的图。

图7A是表示第2匹配电路的结构例的图。

图7B是表示第2匹配电路的其他结构例的图。

图8是表示图4的非可逆电路元件的通过特性的例子的图。

图9是表示从图4的结构中除去了第2匹配电路时的通过特性的例子的图。

图10是表示从图4的结构中除去了第1匹配电路时的通过特性的例子的图。

图11是表示从图4的结构中除去了第1匹配电路和第2匹配电路时的通过特性的例子的图。

图12是说明在图4的非可逆电路元件中改变了第1匹配电路的电感器和电容器的值时的通过特性的变化的图。

图13是说明在图4的非可逆电路元件中改变了第1匹配电路的电感器和电容器的值时的通过特性的变化的其他图。

图14是表示在图4的非可逆电路元件中将第1匹配电路的电感器和电容器的组设为两段时的通过特性的例子的图。

图15是例示了以往的集中常数型的隔离器的内部结构的透视斜视图。

图16是图15的等效电路图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的具体实施方式。另外，在以下表示了将本发明应用到作为非可逆电路元件的一例的集中常数型的循环器的方式，但本发明不限于此。

[第1实施方式]

首先，说明本发明的第1实施方式。

<外观结构>

图1是表示了第1实施方式的非可逆电路元件10的结构例的透视斜视图。此外，图2是图1中例示的非可逆电路元件10的分解斜视图。

如图1所示，非可逆电路元件10具有中心导体L1、L2、L3，匹配用电介质基板片C1、C2、C3，铁氧体板(磁体板)F1，平面导体P1，第1匹配电路M11、M12、M13，以及第2匹配电路M2(在图1中为电介质板D1)。另外，第1匹配电路M11～M13分别由对应的各个电感器L11～13和电容器C11～C13的组构成。

平面导体P1是与中心导体L1、L2、L3一体构成的圆盘状的导体，在将平面导体P1的外圆周进行3等分的3处连接了中心导体L1、L2、L3的各个一端。各个中心导体L1、L2、L3由一端相互短路，另一端与平面导体P1的侧边连接的两条平行线路构成。在平面导体P1的一面(图1中的上面)配置圆盘状的铁氧体板F1，在该铁氧体板F1的上面(图1中的上面)，3个中心导体L1、L2、L3相互以120度的角度交叉重叠，并在交叉部分中心导体L1、L2、L3相互绝缘。另外，各个中心导体不一定要像这个例子那样被配置，使得分别以相同角度交叉，且各自的重心一致，但为了得到充分的非可逆特性且使频率调整变得容易，期望被配置使得分别以相同角度交叉，且各自的重心一致。

平面导体P1中没有配置铁氧体板F1的一侧的面(图1中的下面)与第2匹配电路M2连接。在下面如图3A中表示非可逆电路元件的一部分那样，用G表示安装了非可逆电路元件的未图示的单元基板上的接地导体。在图1的结构中，如图3A所示那样在平面导体P1和接地导体G之间安装电介质板D1从而构成期望电容的电容器C31，该电容器C31作为第2匹配电路M2起作用。另外，该电容器也可以如下构成，即如图3B所示那样在电介质板D1的、与平面导体P1相反侧的接地侧表面上也形成导体层21，从而在与平面导体P1之间形成平行平板电容器C31，或者如图3C所示那样，不设置电介质板D1，使用片形电容器(chip capacitor)C31等，从而连接在平面导体P1和接地导体G之间。但是，在使用片形电容器连接的情况下，若与平面导体P1的对称性破坏，则从各个输入输出端口看的阻抗看起来会不同，因此期望安装电容器(在图2中为电介质板D1)以使其在平面导体P1的下面且平面导体P1的中心和电容器的连接点(在像电介质板那样面接触时为该面的中心)一致。

中心导体L1、L2、L3的各个突出端部S1、S2、S3(平面导体P1的相反侧)从铁氧体板F1的外周向外突出配置。这些突出端部S1、S2、S3分别与电感器L11、L12、L13的各个一端连接。进而，在突出端部S1、S2、S3的接地导体G侧安装了匹配用电介质基板片C1、C2、C3，从而在突出端部S1、S2、S3和接地导体G之间分别构成匹配用电容器。表示这些匹配用电容器的记号以后与匹配用电介质基板片的记号C1、C2、C3共用。电感器L11、L12、L13的各个另一端分别构成输入输出端口SS1、SS2、SS3，同时分别与电容器C11、C12、C13的一端连接。并且，电容器C11、C12、C13的另一端电接地。电感器和电容器的各个组(L11，C11)、(L12，C12)、(L13，C13)分别构成第1匹配电路M11、M12、M13。

另外，作为电感器L11～L13的实现方法，例如可以使用片形电感器或具有某一长度的线路等。作为电容器C11～C13的实现方法，例如可以使用片形电容器或PIN二极管等变容二极管(varactor)，或者通过夹持一端接地的电介质而构成等。此外，在实际上，用于磁化铁氧体板F1的永磁铁与铁氧体板F1对置配置，但对此未图示。

<电路结构>

图4是本发明的结构的方框图。此外，图5是在图4中添加了循环器部分10A的等效电路的一例的图(其中省略了铁氧体板F1的图示)。另外，在图5的循环器部分10A的等效电路中将P1接地的结构相当于以往的循环器的等效电路。以下，说明按照图5的非可逆电路元件10的电路结构。

如图5所示，首先，3个中心导体L1、L2、L3的、与各个突出端部S1、S2、S3相反的另一端相互连接，其连接端S4连接到平面导体P1(在图1的实际结构中，中心导体L1、L2、L3的一端通过连接到平面导体P1从而相互连接)。第2匹配电路M2的一端与平面导体P1连接，另一端电接地。第2匹配电路M2例如图7A所示那样通过电容器C31构成，具体可通过如前述的图3A、3B所示那样在平面导体P1和接地导体G之间安装电介质板D1，或者如图3C所示那样在平面导体P1和接地导体G之间插入片形电容器C31等来实现。在中心导体L1、L2、L3的各个突出端部S1、S2、S3上分别连接了匹配用电介质基板片C1、C2、C3的一端，而电介质基板片C1、C2、C3的另一端电接地，从而分别构成匹配用电容器(共用记号C1、C2、C3)。

并且，在中心导体L1、L2、L3的突出端部S1、S2、S3上，分别连接了第1匹配电路M11、M12、M13的一端，第1匹配电路的各个另一端分别构成输入输出端口SS1、SS2、SS3。例如图6A所示，第1匹配电路M11由电感器L11和电容器C11构成，具体地，电感器L11连接在中心导体L1和输入输出端口SS1之间，电容器C11的一端与电感器L11的任一端连接，另一端接地。第1匹配电路M12、M13也分别由电感器L12和电容器C12、电感器L13和电容器C13同样地构成。

<动作原理>

双频带的第1动作频带(高频侧)主要由中心导体L1、L2、L3，匹配用电容器C1、C2、C3，以及第1匹配电路M11、M12、M13的电感、电容决定，第2动作频带(低频侧)主要由第1匹配电路M11、M12、M13以及第2匹配电路M2的电感、电容决定。例如，若增大匹配用电容器C1、C2、C3，则两个频率间隔(第1动作频带和第2动作频带的间隔)变窄。此外，通过由第1匹配电路M11、M12、M13以及第2匹配电路M2进行微调整，从而能够调整为以低通过损耗来获得高隔离。并且，若增大第1匹配电路M11、M12、M13的电容且减小电感，则各个动作频带可移动到低频，相反若减小电容且增大电感，则各个动作频带可移动到高频。进而，根据铁氧体的性质(大小、饱和磁化量等)或外部磁化强度，插入损耗或隔离特性的恶化量会变化，但可通过电感或电容的调整而转移第2动作频带的下限值依赖于这样的性质。因此，通过适当地选择铁氧体的尺寸、材质(性质)，还可以将第2动作频带转移到更低的频率。例如，通过增大铁氧体的直径、应用饱和磁化量小的铁氧体、减小外部磁场强度等，能够转移到更低的频率。

<特性数据>

为了弄清本发明的效果，下面表示通过特性数据。但是，在以下，假设表示中心导体的记号L1、L2、L3也表示它们的线路长度，表示电感器的记号L11、L12、L13也表示那些电感器的电感，表示电容器的记号C1、C2、C3、C11、C12、C13、C31也表示它们的电容。

图8是表示由第1实施方式中所示的图5的等效电路所表示的循环器的通过特性S12和S21的曲线。另外，在第1匹配电路M11、M12、M13中采用图6A的结构，在第2匹配电路M2中采用了图7A的结构。此外，各个参数值为，L1～L3＝2.9mm、C1～C3＝2.1～2.2pF、L11～L13＝1.9～2.0nH、C11～C13＝2.3～2.5pF、C31＝0.33pF。根据该曲线可知，可获得20dB以上的非可逆特性的频带为1.6GHz带和3.7GHz带，在中心频率相隔了倍频带以上的频带的双方可获得非可逆特性。此外，可知在各自的频带中，能够将隔离特性20dB以上的带宽确保100MHz以上。

另一方面，图9是表示除去了第2匹配电路M2的循环器，即将平面导体P1电接地且仅保留了第1匹配电路M11、M12、M13时的通过特性S12和S21的曲线。根据该曲线可知，在高频带(3.9GHz带)可获得非可逆特性，但从低频带开始非可逆特性消失。即，可以说第2匹配电路M2对低频带的匹配做出贡献。

此外，图10是表示除去了第1匹配电路M11、M12、M13的循环器，即仅保留了第2匹配电路M2时的通过特性S12和S21的曲线。可知在图10中也与图9同样地，在高频带(2.7GHz带)可获得非可逆特性，但从低频带开始非可逆特性消失。即，可以说第1匹配电路M11、M12、M13也对低频带的匹配做出贡献。由在图9和图10中可获得非可逆特性的频带不同可知，通过第1匹配电路M11、M12、M13和第2匹配电路M2对循环器的特性所带来的影响不同。因此，通过同时具备第1、第2匹配电路，适当地改变各自的参数的设定，从而能够灵活地设定循环器的特性。

进而，图11是除去了双方的匹配电路M11、M12、M13、M2的循环器，即设为与以往的集中常数型循环器等同的电路时的特性。与图9、图10的情况相比存在频带的位移，但在高频带(3GHz带)表示非可逆特性。即，可知匹配用电介质基板片(匹配用电容器)C1～C3和中心导体(电感器)L1～L3对高频带的匹配较大地做出贡献。这里，在图9～图11的曲线中与图8的曲线相比非可逆特性劣化，这是因为将在一同连接第1、第2匹配电路的结构中为获得最佳特性而选择的所述的各个参数值原样在除去了各个匹配电路的结构中也使用的原故。

下面，表示一例由各个第1匹配电路M11、M12、M13内的电感器L11～L13和电容器C11～C13的值的差异引起的通过特性的差异。图12是L11～L13＝2nH、C11～C13＝7pF时的通过特性S12和S21，可获得20dB以上的非可逆特性的频带为0.8GHz带和2.0GHz带。此外，图12是L11～L13＝3nH、C11～C13＝3pF时的通过特性S12和S21，可获得20dB以上的非可逆特性的频带为1.6GHz带和2.7GHz带。由此可知，若减小电容且增大电感，则各个动作频带可转移到高频。

另外，通过对图8的特性数据和图12的特性数据进行比较，也能够确认匹配用电容器C1～C3的电容越大，第1动作频带和第2动作频带的间隔越窄的特性。具体地说，在使用电容为2.1～2.2pF的电容器的图8的特性数据中间隔为2GHz，而在使用更大的6～7pF的电容器的图12的特性数据中变窄为1.2GHz。

[第2实施方式]

在第1实施方式中，作为第1匹配电路例示了图6A的结构，但也可以如图6B那样将图6A的LC电路安装两段(以上)。通过这样多段安装LC电路，参数的调整部位增加，因此能够容易调整双频带。具体地说，例如不必细致地追究各个端口的每一个LC。

此外，通过LC的谐振电路的组合增加，能够增加可获得非可逆特性的频带数。图14表示每次安装两段LC电路时的通过特性S12和S21的一例。该数据是在图5的等效电路所表示的循环器中，对第1匹配电路M11、M12、M13采用图6B的结构，对第2匹配电路M2采用图7A所示的电容器C31的结构的情况。如第1实施方式中说明的那样，电容器C31可以使用图3A、3B、3C的任一形态。此外，各个参数值为，L1～L3＝2.9mm、C1～C3＝2.1～2.2pF、各个端口的L11以及L21＝3nH、各个端口的C11以及C21＝2pF、C31＝0.33pF。即，是在与图13相同的参数下，追加了一段相同的LC电路的结构。根据图14可知，可获得20dB以上的非可逆特性的频带为1.1GHz带和2.6GHz带和3.3GHz带的三处，能够比图12所示的1段的情况增加一处。

[第3实施方式]

在第1实施方式中，作为第2匹配电路M2例示了图7A的电容器C31的结构，但也可以如图7B所示那样与电容器C31串联地安装电感器L31。通过这样安装电感器，可扩大各个频带的区域，或者适当地改变电感器的值从而容易进行各个频带之间的调整。电感器例如可以通过用具有某一长度的线路来连接图3B中的导体层21和接地导体G之间来实施，也可以通过在图3C中的平面导体P1和电容器C31之间插入同样的线路来实施。

另外，本发明不限于所述3个实施方式。例如，在所述的实施方式中，说明将本发明应用到作为非可逆电路元件的一例的集中常数型的循环器的方式，但也可以是将本发明应用到集中常数型的隔离器的结构。这时，例如可以通过在第1实施方式所示的输入输出端口SS3设置终端电阻R1来实现。除此之外，在不脱离本发明的宗旨的范围内可适当地进行变更是不言而喻的。

本发明的非可逆电路元件作为应用到在宽带中利用的通信设备、例如在双频带中使用的便携式电话终端装置中所利用的隔离器或循环器的元件特别有效。

Claims

1.一种非可逆电路元件，包括：

磁体；

多个中心导体，在所述磁体上以相互被绝缘的状态下交叉配置；

平面导体，夹持所述磁体而与所述多个中心导体对置配置，并且与所有的所述中心导体的一端连接；

多个匹配用电容器，对于每个所述中心导体，其一端连接到所述中心导体的另一端，而其另一端电接地；

多个第1匹配电路，对于每个所述中心导体，其一端连接到所述中心导体的另一端，而其另一端为输入输出端口；以及

第2匹配电路，其一端与所述平面导体连接或者一体化，而其另一端电接地，

主要由所述中心导体、所述匹配用电容器和所述第1匹配电路的电感、电容决定第1频带，主要由所述第1匹配电路和所述第2匹配电路的电感、电容决定第2频带。

2.如权利要求1所述的非可逆电路元件，其中，

所述各个中心导体被配置，以使其分别以等角度交叉，并且各自的重心一致。

3.如权利要求1或2所述的非可逆电路元件，其中，

所述第1匹配电路由连接在所述中心导体和所述输入输出端口之间的电感器以及一端连接到所述电感器的任一端且其另一端接地的电容器的组构成。

4.如权利要求1或2所述的非可逆电路元件，其中，

所述第1匹配电路由两个以上的、连接在所述中心导体和所述输入输出端口之间的电感器以及一端连接到所述电感器的任一端且其另一端接地的电容器的组构成。

5.如权利要求1或2所述的非可逆电路元件，其中，

所述第2匹配电路为电容器。

6.如权利要求1或2所述的非可逆电路元件，其中，

所述第2匹配电路为电容器和电感器的串联电路。