CN101779328B - 不可逆电路元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不可逆电路元件，其能够减少制造工序而能够以低成本制造、抑制插入损失的增加。不可逆电路元件(两端口型隔离器)具备由一对永久磁铁夹着而施加直流磁场的铁氧体(32)、配置于该铁氧体(32)的第一中心电极(35)以及第二中心电极(36)形成的铁氧体-磁铁组装体。铁氧体(32)由中心层(33)和确保第一以及第二中心电极(35)的绝缘状态的外侧层(34A)、(34B)构成，外侧层(34A)、(34B)的饱和磁化比中心层(33)的饱和磁化小。

Description

不可逆电路元件

技术领域

本发明涉及不可逆电路元件，特别是涉及一种微波频带所使用的隔离器(isolator)或者循环器(circulator)等不可逆电路元件。

背景技术

以往，隔离器或者循环器等不可逆电路元件具有仅在预定的特定方向传送信号而不在相反方向传递的特性。利用这种特性，例如隔离器被用于车载电话、移动电话等移动通信设备的发送电路部。

这种不可逆电路元件由配置了中心电极的铁氧体和对其施加直流磁场的永久磁铁、匹配电容或者电阻等构成。为了获得插入损失小的不可逆电路元件，专利文献1中记载的不可逆电路元件在铁氧体的表里双主面上以相互绝缘且交叉的状态由导体膜卷绕、形成第一中心电极和第二中心电极。

但是，在专利文献1记载的不可逆电路元件中，在铁氧体(磁性材料、烧制温度1350°)的主面上由导体膜形成的第一以及第二中心电极之间设置有绝缘层，因为该绝缘层由玻璃等非磁性材料(烧制温度1000°)形成，所以不能将它们一体同时烧制，制造工序增加造成成本增加。为了制造工序的简化、成本的降低而优选采用同时烧制，但是在利用一对永久磁铁夹着铁氧体的构造中，如果绝缘层利用完全相同的材料形成，则存在插入损失增加这样的问题。

根据一体烧制铁氧体的观点，专利文献2、3记载了一种层叠、烧制饱和磁化的不同的铁氧体。但是，专利文献2记载的不可逆电路元件中配置了中心电极的铁氧体是相同饱和磁化，其无法消除插入损失的增加。专利文献3中记载了增大接近永久磁铁的铁氧体层的饱和磁化，而将磁场分布均匀化的技术。

专利文献1：国际公开第2007/046299号小册子

专利文献2：日本特开平10-145111号公报

专利文献3：日本特开2002-314308号公报

发明内容

于是，本发明的目的在于提供一种减少制造工序而能够以低成本制造、抑制插入损失的增加的不可逆电路元件。

为了实现上述目的，作为本发明的一方式的不可逆电路元件，具备：

永久磁铁；

铁氧体，其被上述永久磁铁施加直流磁场；

第一中心电极以及第二中心电极，它们由以相互电绝缘状态交叉配置于上述铁氧体的导体膜形成，

其特征在于，

上述铁氧体和上述永久磁铁构成与配置了上述第一以及第二中心电极的面平行地从两侧被永久磁铁夹着的铁氧体-磁铁组装体，

上述铁氧体由中心层和确保上述第一中心电极和上述第二中心电极的绝缘状态的外侧层构成，外侧层的饱和磁化比中心层的饱和磁化小。

在上述不可逆电路元件中，由中心层和确保上述第一中心电极和上述第二中心电极的绝缘状态的外侧层构成铁氧体，因此能够层叠中心层和绝缘层而同时烧制成一体。而且，即使是相同的铁氧体(微波用磁性材料)，外侧层的饱和磁化小于中心层的饱和磁化，因此中心层和外侧层导磁率产生差，具备与外侧层为非磁铁的构成等效的隔离特性，并且可以抑制插入损失。

根据本发明，由于能够一体地同时烧制铁氧体，所以可以获得一种减少制造工序而能够以低成本制造、抑制插入损失的增加的不可逆电路元件。

附图说明

图1是表示本发明涉及的不可逆电路元件(两端口型隔离器)的一实施例的分解立体图。

图2是表示带中心电极的铁氧体的分解立体图。

图3是表示铁氧体的中心层的立体图。

图4是表示两端口型隔离器的第一电路例子的等效电路图。

图5是表示两端口型隔离器的第二电路例子的等效电路图。

图6是表示对铁氧体中的磁场的导磁率的图表。

图7是表示插入损失特性以及隔离特性的图表。

附图标记说明：

20...电路基板

30...铁氧体-磁铁组装体

32...铁氧体

33...中心层

34A、34B...外侧层

35...第一中心电极

36...第二中心电极

41...永久磁铁

P1...输入端口

P2...输出端口

P3...接地端口

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明涉及的不可逆电路元件的实施例。

图1是表示作为本发明涉及的不可逆电路元件的一实施例的两端口型隔离器的分解立体图。该两端口型隔离器是集中常数型隔离器，大致由平板状磁轭10、电路基板20、铁氧体32和永久磁铁41构成的铁氧体-磁铁组装体30构成。而且，图1中标记了斜线的部分是导电体。

如图2所示，铁氧体32由中心层33和两个外侧层34A、34B形成，可以分别使用微波频带用磁性材料。外侧层34A、34B使用饱和磁化(Ms)比中心层33的饱和磁化小的材料，作为将第一以及第二中心电极35、36确保为绝缘状态的绝缘层发挥作用。而且，关于中心层33以及外侧层34A、34B的材料后面详细叙述。

铁氧体32的中心层33为正方体形状，由符号32a表示第一主面而由符号32b表示第二主面，由符号32c、32d表示上面以及下面。

另外，永久磁铁41相对铁氧体32而与主面32a、32b对置，以便沿垂直的方向将磁场施加于主面32a、32b，例如，通过环氧树脂类的粘合剂42(参照图1)粘合，形成铁氧体-磁铁组装体30。永久磁铁41的主面与主面32a、32b为相同尺寸，将主面彼此对置配置以使相互的外形一致。

第一中心电极35在第一以及第二主面32a、32b上由导体膜形成。即，在第一主面32a上第一中心电极35从右下立起而向左上相对于长边以比较小的角度倾斜形成，在左上方立起，通过上面32c上的中继用电极35a向第二主面32b弯曲。在第二主面32b上，第一电极35形成为与第一主面32a透视状态下大致重叠，其一端与形成于下面32d的连接用电极35b连接。另外，第一中心电极35的另一端与形成于下面32d的连接用电极35c连接。这样，第一中心电极35在铁氧体32上卷绕1匝。另外，在形成了第一中心电极35的主面32a、32b上设置外侧层(绝缘层)34A、34B，可以确保与以下说明的第二中心电极36的绝缘性。

第二中心电极36在外侧层34A、34B上由导体膜形成。首先，第0.5匝36a在外侧层34A以从右下向左上相对长边以比较大的角度倾斜而与第一中心电极35交叉的状态形成，通过上面32c上的中继用电极36b向外侧层弯曲，第1匝36c在外侧层34B以大致垂直地与第一中心电极35交叉的状态形成。第1匝36c的下端部通过下面32d的中继用电极36d向外侧层34A弯曲，第1.5匝36e在外侧层34A以与第0.5匝36a平行且与第一中心电极35交叉的状态形成，并通过上面32c上的中继用电极36f向外侧层34B弯曲。以下同样在铁氧体32的表面上分别形成第二匝36g、中继用电极36h、第2.5匝36i、中继用电极36j、第三匝36k、中继用电极36l、第3.5匝36m、中继用电极36n、第四匝36o。另外，第二中心电极36的两端分别与形成于下面32d的连接用电极35c、36p连接。而且，连接用电极35c作为第一中心电极35以及第二中心电极36的各自的端部的连接用电极共用。

即，第二中心电极36在铁氧体32上螺旋状卷绕4匝。这里，匝数是指将中心电极36在第一或者第二主面32a、32b上分别一次横切的状态为0.5匝来进行计算。另外，中心电极35、36的交叉角根据需要设定，可以调整输入阻抗、插入损失。

另外，连接用电极35b、35c、36p或者中继用电极35a、36b、36d、36f、36h、36j、36l、36n在形成于上下面32c、32d的凹部37中(参照图3)涂覆或者填充电极用导体而形成。另外，在上下面32c、32d上与各种电极平行地形成虚设(dummy)凹部，并且形成虚设电极39a、39b、39c。预先在形成中心层33的主铁氧体基板上形成通孔，利用电极用导体填充了该通孔之后，通过在分割通孔的位置切割来形成这种电极。而且，各种电极可以在凹部37、38上作为导体膜而形成。

永久磁铁41通常可以使用锶类、钡类、镧-钴类的铁氧体磁铁。作为永久磁铁41和铁氧体32粘合的粘合剂42，适于使用单组分液性的热塑性环氧粘合剂。

电路基板20是在多张电介质上形成规定的电极而层叠、烧制的层叠型基板，其内部作为等效电路如图4、图5所示内置有匹配用电容器C1、C2、Cs1、Cs2、Cp1、Cp2、终端电阻R。另外，在上面形成有端子电极25a、25b、25c、而在下面形成有外部连接用端子电极26、27、28。

这些匹配用电路元件和上述第一以及第二中心电极35、36的连接关系例如作为第一电路例如图4以及作为第二电路例如图5所示。这里基于图4所示的第一电路例说明连接关系。

形成于电路基板20的下面的外部连接用端子电极26作为输入端口P1发挥作用，并且该端子电极26与匹配用电容器C1和终端电阻R连接。另外，该电极26通过形成于电路基板20的上面的端子电极25a以及形成于铁氧体32的下面32d的连接用电极35b连接于第一中心电极35的一端。

第一中心电极35的另一端以及第二中心电极36的一端通过形成于铁氧体32的下面32d的连接用电极35c以及形成于电路基板20的上面的端子电极25b连接于终端电阻R以及电容器C1、C2，并且与形成在电路基板20的下面的外部连接用端子27连接。该电极27作为输出端口P2发挥作用。

第二中心电极36的另一端通过形成于铁氧体32的下面32d的连接用电极36p以及形成于电路基板20的上面的端子电极25c连接于形成在电容器C2以及电路基板20的下面的外部连接用端子电极28。该电极28作为接地端口P3发挥作用。

另外，图5所示的第二电路例中，输入端口P1侧上连接电容器Cs1、Cp1，输出端口P2侧连接电容器Cs2、Cp2，这些电容器作为阻抗调整使用。

上述铁氧体-磁铁组装体30被放置在电路基板20上，铁氧体32的下面32d的各种电极通过电路基板20上的端子电极25a、25b、25c和回流焊接等形成一体，并且永久磁铁41的下面通过粘合剂而一体形成在电路基板20上。

平板状磁轭10是具有电磁密封性能的装置，通过电介质层(粘结剂层)15固定在上述铁氧体-磁铁组装体30的上面。平板状磁轭10的作用是抑制来自铁氧体-磁铁组装体30的磁泄漏、高频磁场的泄漏，抑制来自外部的磁影响，使用贴片机将本隔离器搭载于未图示的基板之时，用真空喷嘴提供拾取的地方。而且，平板状磁轭未必一定接地，可以利用焊接或者导电性粘结剂等接地，若接地则高频密封效果得以提高。

但是，由以上构成形成的两端口型隔离器中，第一中心电极35的一端连接于输入端口P1而另一端连接于输出端口P2，第二中心电极36的一端连接于输出端口P2而另一端连接于接地端口P3，因此能够提供插入损失小的两端口型的集中常数型隔离器。另外，动作时第二中心电极36中流过较大的高频电流，在第一中心电极35中几乎没有流过高频电流。因此，由第一中心电极35以及第二中心电极36产生的高频磁场的方向由第二中心电极36的配置来决定其方向。通过确定高频磁场的方向，容易将插入损失控制更低。

另外，铁氧体-磁铁组装体30通过由粘结剂42将铁氧体32和一对永久磁铁41一体化，机械上变得更加稳定，成为振动或者冲击也不容易变形、破损的牢固的隔离器。

在该隔离器中电路基板20是多层电介质基板。由此可以在内部内置电容器或者电阻等电路网，能够实现隔离器的小型化、薄型化，因为电路元件之间的连接是在基板内进行的，所以能够期待可靠性的提高。当然，电路基板20未必多层，可以是单层，可以将匹配用电容器等作为芯片型从外部安装。

这里，针对上述铁氧体32、第一以及第二中心电极35、36的材料和制造方法进行说明。

首先，将以氧化钇(Y₂O₃)以及氧化铁(Fe₂O₃)为主要成分的微波用磁性粉末和聚乙烯醇类有机粘合剂分散到有机溶剂中，得到第一浆液。可以代替上述微波用磁性粉末使用锰锌铁氧体、镍锌铁氧体、钙镍石榴石等适当的磁性材料粉末。

接着，如上所述得到的微波用磁性浆液(第一浆液)例如通过刮刀法形成厚度数十微米的均匀厚度的微波用磁性晶粒片，例如冲裁成具有100mm×100mm尺寸的矩形形状。

另外，作为第二浆液取得与上述第一浆液相同的组成类，按照饱和磁化变小的方式调整了组成的微波用磁性浆液。由该第二浆液利用上述同样的成形方法形成晶粒片而冲裁为规定尺寸的矩形形状。而且，晶粒片的成型可以是按压成型。

将由第一浆液形成的晶粒片层叠多张而形成中心层33，形成凹部37、38后填充导体浆。中心层33的主面32a、32b上由导体浆通过丝网印刷形成第一中心电极35。另一方面，在外侧层34A、34B上由导体浆通过丝网印刷法形成第二中心电极36。另外，外侧层34A、34B上形成用于与设置于上下面32c、32d的电极导通的切口，在该切口中填充导体浆。这里，形成各种电极的导体浆可以利用钯或者混合钯和银粉末和有机溶剂而成的导体浆。而且，中心电极35、36的形成可以是凹版印刷转印法等。

而且，优选在形成于外侧的第二中心电极36的表面上用Cu、Ag等导电性高的金属材料实施了镀层。

接着，将形成了第一中心电极35的中心层33和形成了第二中心电极36的外侧层34A、34B层叠并加压而得到层叠体。然后，以1300～1400℃烧制该层叠体而得到烧结体。该烧结体的表里面上粘合有形成永久磁铁41的基板而得到主基板。接着，将该主基板切割为一个单位的铁氧体-磁铁组装体30(参照图1)。

关于中心层33可以是对YIG(钇铁石榴石)置换Ca、Sn、V的组成，其饱和磁化是0.10T(79600A/m)。关于外侧层34A、34B，可以是对YIG(钇铁石榴石)置换Ca、Sn、V的组成，其饱和磁化是0.04T(31800A/m)。

在制造铁氧体-磁铁组装体之时，如上所示将中心层33以及外侧层34A、34B利用微波用磁性材料形成晶粒片，因此在烧制工序中，三层全部的烧制温度、收缩误差举动几乎一致，得到没有翘曲或者龟裂的烧结体，提高了作为隔离器的可靠性。利用同时烧制不仅制造工序得以简化，而且作为外侧层(绝缘层)34A、34B可以不使用昂贵的玻璃等材料，制造成本得以降低。

另外，在本实施例中外侧层34A、34B的饱和磁化比中心层33的饱和磁化小。如果通过永久磁铁41对铁氧体32向与主面32a、32b垂直的方向施加外部磁场，则有助于隔离器动作的是中心层33的磁体，按照形成对准中心层33的内部磁场的方式施加外部磁场。外侧层34A、34B其饱和磁化小，因此如下式(1)所示，与中心层33相比内部磁场增大。其结果是，外侧层34A、34B与中心层33相比处于磁性饱和状态，导磁率μ’+变小，作为单纯的绝缘层发挥作用。

Hin＝Hex-N·Ms...(1)

Hin：内部磁场

Hex：外部磁场

N：去磁系数

Ms：饱和磁化

此时，如果外部磁场Hex为91500A/m、去磁系数N为0.6、中心层33的饱和磁化Ms为0.10T(79600A/m)、外侧层34A、34B的饱和磁化Ms为0.04T(31800A/m)，则

中心层Hin＝91500-0.6×79600＝43740A/m

外侧层Hin＝91500-0.6×31800＝72420A/m。

图6表示对磁场(A/m)的导磁率μ±，虚线表示磁性μ’+特性、实线表示损失μ”+特性。相对中心层的μ’+外侧层的μ’+足够小，因此外侧层作为绝缘层发挥作用，不妨碍隔离器动作。

图7表示针对频率的隔离器的插入损失(参照左侧的纵轴)和隔离(参照右侧的纵轴)。而且，在任意的试验例中，在第二中心电极上实施了Cu的镀膜。实线Aa、Ab表示中心层使用了磁性材料、外侧层使用了非磁性材料的比较例1的隔离器特性以及插入损失特性，将该特性作为基准。细线Ba、Bb表示中心层以及外侧层使用了磁性材料(饱和磁化均相同)的比较例2的隔离器特性以及插入损失特性，该比较例2的特性相对于比较例1明显恶化。

与此相反，如上述实施例所示，在中心层以及外侧层也使用了磁性材料，外侧层的饱和磁化比中心层的饱和磁化小的情况下，隔离特性与上述比较例1的隔离器特性Aa等效(特性曲线与实线Aa重合)。另外，插入损失特性如图7虚线Cb所示，与比较例1的插入损失特性Ab大致等效。

另外，得到图7的特性的本发明例子的铁氧体相对于中心层33的饱和磁化0.10T(79600A/m)外侧层34A、34B的饱和磁化为0.025T(19900A/m)以及0.05T(39800A/m)的两个例子，任意一个本发明例子中，隔离器特性与实线Aa等效，插入损失特性与虚线Cb(与实线Ab大致等效)。

另一方面，如果中心层33的饱和磁化为0.10T(79600A/m)，外侧层34A、34B的饱和磁化为0.08T(63660A/m)(中心层的饱和磁化∶外侧层的饱和磁化＝1.25∶1)，则

中心层Hin＝91500-0.6×79600＝43740A/m

外侧层Hin＝91500-0.6×63660＝53300A/m，

根据图6明显可知，中心层33的μ’+和外侧层34A、34B的μ’+接近，因外侧层34A、34B的磁性特性妨碍隔离器动作。鉴于该点以及图7所示的特性，优选中心层33的饱和磁化相对外侧层34A、34B的饱和磁化的比值为2以上，能够抑制插入损失。

本实施例中，第二中心电极36配置于第一中心电极35的外侧，因此第二中心电极36的线圈的截面积增大而阻抗增大，使得插入损失减小。即，这是因为第一中心电极35的阻抗数值L1相对于第二中心电极36的阻抗数值L2的比值越小则插入损失越佳的原因。

另外，优选外侧层34A、34B的厚度比中心层33的厚度小。外侧层34A、34B较薄则与第一以及第二中心电极35、36的结合增强。

(实施例的总结)

在上述不可逆电路元件中，优选第二中心电极配置于第一中心电极的外侧。第二中心电极的线圈的截面积增大而阻抗增大，使得插入损失更小。

另外，优选中心层的饱和磁化相对外侧层的饱和磁化的比值为2以上。中心层和外侧层之间导磁率之差增大，在抑制插入损失的增加方面有效。

另外，优选外侧层的厚度比中心层的厚度小。第一以及第二中心电极的耦合增强。

(其他实施例)

而且，本发明涉及的不可逆电路元件不限于上述实施例，可以在其宗旨范围内进行各种变化。

例如，如果使永久磁铁41的N极以及S极反转，则切换输入端口P1和输出端口P2。另外，上述实施例中，表示了匹配用电路元件的全部内置于电路基板的例子，可以在电路基板上安装芯片型的电感器或者电容器。后者，可以将电路元件组装到铁氧体32。

另外，上述第一以及第二中心电极35、36的形状可以进行各种变化。例如，可以将第一中心电极35在主面32a、32b上分岔为两根。另外，第二中心电极36卷绕1匝以上即可。

产业上的可利用性

如上所示，本发明在不可逆电路元件方面有用，特别是在可减少制造工序并以低成本来制造，能够抑制插入损失的增加方面较佳。

Claims (7)

1.一种不可逆电路元件，具备：

永久磁铁；

铁氧体，其被所述永久磁铁施加直流磁场；

第一中心电极以及第二中心电极，它们由以相互电绝缘状态交叉配置于所述铁氧体的导体膜形成，

其特征在于，

所述铁氧体和所述永久磁铁构成与配置了所述第一以及第二中心电极的面平行地从两侧被永久磁铁夹着的铁氧体-磁铁组装体，

所述铁氧体由中心层和确保所述第一中心电极和所述第二中心电极的绝缘状态的外侧层构成，外侧层的饱和磁化比中心层的饱和磁化小。

2.根据权利要求1所述的不可逆电路元件，其特征在于，

所述第一中心电极的一端与输入端口电连接，而另一端与输出端口电连接，

所述第二中心电极的一端与输出端口电连接，而另一端与接地端口电连接，

在所述输入端口和所述输出端口之间电连接第一匹配电容，

在所述输出端口和所述接地端口之间电连接第二匹配电容，

在所述输入端口和所述输出端口之间电连接电阻。

3.根据权利要求1或2所述的不可逆电路元件，其特征在于，

所述第二中心电极配置于所述第一中心电极的外侧。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的不可逆电路元件，其特征在于，

所述中心层的饱和磁化相对于所述外侧层的饱和磁化的比值为2以上。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的不可逆电路元件，其特征在于，

所述外侧层的厚度比所述中心层的厚度小。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的不可逆电路元件，其特征在于，

所述铁氧体是层叠中心层以及外侧层并与所述第一以及第二中心电极一起烧制成一体而形成的。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的不可逆电路元件，其特征在于，

具备在表面上形成了端子电极的电路基板，

所述铁氧体-磁铁组装体在所述电路基板上配置于配置了所述第一以及第二中心电极的面相对于该电路基板的表面垂直的方向。

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