CN110620284B

CN110620284B - 非可逆电路元件及使用其的通信装置

Info

Publication number: CN110620284B
Application number: CN201910525911.9A
Authority: CN
Inventors: 大波多秀典; 松丸宜纪
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2019-06-18
Publication date: 2022-09-09
Anticipated expiration: 2039-06-18
Also published as: JP6705472B2; CN110620284A; JP2019220784A; US10992014B2; US20190386368A1

Abstract

本发明提供一种非可逆电路元件及使用其的通信装置，具有能够以中心导体的面方向相对于安装方向为水平的方式安装的结构，其目的在于，防止外部端子横切永久磁铁导致的特性的恶化。非可逆电路元件具备永久磁铁(M)、具有绝缘性的磁性体(31)、被永久磁铁(M)和磁性体(31)夹持的磁转子(40)、外部端子(21～23)。磁转子(40)包含与外部端子(21～23)连接的中心导体(70)、夹入中心导体(70)的铁氧体芯(41、42)。外部端子(21～23)以不覆盖永久磁铁(M)的侧面而覆盖磁性体(31)的侧面的方式设置。根据本发明，能够防止外部端子(21～23)与永久磁铁(M)相接而导致的高频特性的劣化。

Description

非可逆电路元件及使用其的通信装置

技术领域

本发明涉及一种非可逆电路元件及使用其的通信装置，特别是涉及一种适于微波波段或毫米波波段中的使用的隔离器或循环器等非可逆电路元件及使用其的通信装置。

背景技术

隔离器或循环器等非可逆电路元件组装于例如手机那种的移动通信设备或在基站中使用的通信装置等中使用。如专利文献1所记载，一般的非可逆电路元件由磁转子和永久磁铁构成，上述磁转子由中心导体及将其夹入的一对铁氧体芯构成，上述永久磁铁向磁转子施加磁场。

另外，在专利文献2中公开有通过切断集合基板而能够取得多个的非可逆电路元件。专利文献2所记载的非可逆电路元件以相对于层叠方向90°放平的状态搭载于基板。由此，因为能够在不存在永久磁铁的部分配置外部端子，所以能够防止外部端子横切永久磁铁导致的特性的恶化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6231555号公报

专利文献2：日本特开2018-82229号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

然而，如专利文献2所述，存在如下问题，若以相对于层叠方向90°放平的状态搭载于基板，则中心导体的面方向相对于安装方向垂直，因此，在频率为几GHz以下这样的低频区域，产品的高度变得非常高。

因此，本发明的目的在于，提供一种非可逆电路元件，其具有能够以中心导体的面方向相对于安装方向为水平的方式安装的结构，防止外部端子横切永久磁铁导致的特性的恶化。另外，本发明的目的在于，提供一种使用这样的非可逆电路元件的通信装置。

用于解决问题的技术方案

本发明提供一种非可逆电路元件，其特征在于，具备永久磁铁、具有绝缘性的磁性体、被永久磁铁和磁性体夹持的磁转子、外部端子，磁转子包含与外部端子连接的中心导体和夹入中心导体的第一及第二铁氧体芯，外部端子以不覆盖永久磁铁的侧面而覆盖磁性体的侧面的方式设置。

另外，本发明提供一种通信装置，其特征在于，具备所述非可逆电路元件。

根据本发明，因为磁转子通过永久磁铁和磁性体被夹持，所以能够以不覆盖永久磁铁的侧面而覆盖磁性体的侧面的方式设置外部端子。由此，能够防止外部端子与永久磁铁相接导致的高频特性的劣化。而且，因为能够以中心导体的面方向相对于安装方向为水平的方式安装，所以即使在频带低的情况下，产品的高度也不会变高。

本发明的非可逆电路元件还可以具备：接地端子；第一接地导体，其设于第一铁氧体芯和磁性体之间，与接地端子连接。据此，通过设于第一铁氧体芯和磁性体之间的第一接地导体，第一铁氧体芯与磁性体电分离。由此，能够防止磁性体的存在导致的电气特性的变化。

也可以是，本发明的非可逆电路元件设于第二铁氧体芯和永久磁铁之间，还具备与接地端子连接的第二接地导体。据此，能够将第二铁氧体芯与永久磁铁电分离。

在本发明中，磁性体的饱和磁化也可以为第一及第二铁氧体芯的饱和磁化以下。据此，能够降低通过损失。在该情况下，磁性体也可以由与第一及第二铁氧体芯相同的磁性材料构成。据此，能够抑制材料成本的增加。

本发明的非可逆电路元件还可以具备设于第二铁氧体芯和永久磁铁之间的第一金属磁性体。据此，能够使施加于第二铁氧体芯的磁场分布更加均匀。在该情况下，本发明的非可逆电路元件还可以具备第二金属磁性体，从永久磁铁观察，其设于第一金属磁性体的相反侧。据此，能够进一步加强施加于第一铁氧体芯的磁场。

本发明的非可逆电路元件还可以具备另外的磁性体，其设于第二铁氧体芯和永久磁铁之间，并具有绝缘性。据此，能够使施加于第二铁氧体芯的磁场分布更加均匀。在该情况下，本发明的非可逆电路元件还可以具备金属磁性体，从永久磁铁观察，其设于另外的磁性体的相反侧。据此，能够进一步加强施加于第一铁氧体芯的磁场。

发明效果

这样，根据本发明，能够提供一种非可逆电路元件及使用其的通信装置，防止外部端子与永久磁铁相接而导致的高频特性的劣化。而且，因为能够以中心导体的面方向相对于安装方向为水平的方式安装，所以即使在频带低的情况下，产品的高度也不会变高。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的非可逆电路元件1的结构的概略立体图。

图2是非可逆电路元件1的概略分解立体图。

图3是表示内部直流磁场与圆极化波导磁率的关系的图表。

图4是表示本发明的第二实施方式的非可逆电路元件2的结构的概略立体图。

图5是表示本发明的第三实施方式的非可逆电路元件3的结构的概略立体图。

图6是表示本发明的第四实施方式的非可逆电路元件4的结构的概略立体图。

图7是表示本发明的第五实施方式的非可逆电路元件5的结构的概略立体图。

图8是表示本发明的第六实施方式的通信装置80的结构的框图。

图9A～9F是表示实施例1的模拟结果的图。

图10A～10C是表示实施例2的模拟结果的图。

图11A～11C是表示实施例3的模拟结果的图。

符号说明

1～5：非可逆电路元件

11：第一侧面

12：第二侧面

13：第三侧面

14：第四侧面

15：安装面

16：上表面

20：接地端子

21：第一外部端子

22：第二外部端子

23：第三外部端子

31、32：磁性体

40：磁转子

41：第一铁氧体芯

42：第二铁氧体芯

41a：铁氧体芯的上表面

42b：铁氧体芯的下表面

43：电介质

51：第一接地导体

52：第二接地导体

51a～51c、52a～52c：缺口

61～64：电介质

70：中心导体

70a：中心导体的下表面

70b：中心导体的上表面

70c：中心导体的边缘部

71：第一端口

72：第二端口

73：第三端口

74～76：分支导体

80：通信装置

80R：接收电路部

80T：发送电路部

81：接收用放大电路

82：接收电路

83：发送电路

84：功放电路

91：非可逆电路元件

92：非可逆电路元件

101：第一金属磁性体

102：第二金属磁性体

ANT：天线

M：永久磁铁

R0：终端电阻器

具体实施方式

以下，参照附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

第一实施方式

图1是表示本发明的第一实施方式的非可逆电路元件1的结构的概略立体图。另外，图2是非可逆电路元件1的概略分解立体图。

图1及图2所示的非可逆电路元件1为分布常数型的非可逆电路元件，被装入手机那种的移动通信设备或在基站中使用的通信装置等中并作为隔离器或者循环器使用。虽然没有特别限制，但优选本实施方式的非可逆电路元件1用于在基站中使用的通信装置。

如图1及图2所示，本实施方式的非可逆电路元件1为具有大致长方体形状的表面安装型的芯片零件，具有构成xz面的第一及第二侧面11、12、构成yz面的第三及第四侧面13、14以及构成xy面的安装面15及上表面16。而且，在第一侧面11设有第一外部端子21，在第二侧面12设有第二外部端子22，在第三侧面13设有第三外部端子23。除此之外，在第一～第四侧面11～14分别设有多个接地端子20。外部端子21～23及多个接地端子20的一部分绕入安装面15而形成。

在将本实施方式的非可逆电路元件1作为循环器使用的情况下，这3个外部端子21～23分别与对应的信号配线连接。另一方面，在将本实施方式的非可逆电路元件1作为隔离器使用的情况下，例如，外部端子21及22分别与对应的信号配线连接，外部端子23经由终端电阻接地。同样地，在经由终端电阻将外部端子21或22接地的情况下，也能够将本实施方式的非可逆电路元件1作为隔离器使用。将接地电位共通地赋予给多个接地端子20。

而且，非可逆电路元件1具备永久磁铁M和具有绝缘性的磁性体31，具有在它们之间沿层叠方向即z方向夹持磁转子40的结构。永久磁铁可以为具有绝缘性的铁氧体磁铁，也可以为具有导电性的稀土类磁铁。作为具有绝缘性的磁性体31的材料，优选使用铁氧体，特别优选使用介质损耗角正切(tanδ)小的高频用铁氧体，例如，钇/铁/石榴石(YIG)。

磁转子40包含两个铁氧体芯41及42和通过它们夹持于z方向的中心导体70。作为铁氧体芯41及42的材料，优选使用钇/铁/石榴石(YIG)等软磁性材料。即，铁氧体芯41及42和磁性体31能够使用相同的磁性材料。但是，铁氧体芯41及42和磁性体31由相同的磁性材料构成这一点不是必须的，也可以使用相互不同的磁性材料。在该情况下，作为构成磁性体31的磁性材料，优选使用构成铁氧体芯41及42的磁性材料的饱和磁化以下的磁性材料。

中心导体70的平面形状如图2所示，具有从中心点呈放射状导出的3个端口71～73和用于调整电气特性的分支导体74～76。中心导体70和铁氧体芯41、42经由具有粘接性的电介质43相互粘接。对于电介质43的材料没有特别限制，但优选使用具有与铁氧体芯41、42的介电常数大致相同的介电常数的材料。

在此，从中心导体70导出的第一端口71的前端在第一侧面11露出，由此与第一外部端子21连接。另外，从中心导体70导出的第二端口72的前端在第二侧面12露出，由此与第二外部端子22连接。而且，从中心导体70导出的第三端口73的前端在第三侧面13露出，由此与第三外部端子23连接。

本实施方式的非可逆电路元件1还具备通过磁性体31和磁转子40沿z方向夹持的接地导体51、通过永久磁铁M和磁转子40沿z方向夹持的接地导体52。因此，中心导体70通过两个接地导体51、52被夹持，与磁性体31及永久磁铁M电隔离。在接地导体51上，在与外部端子21～23重叠的部分设有缺口51a～51c，在接地导体52上，在与外部端子21～23重叠的部分设有缺口52a～52c，由此防止与外部端子21～23的干扰。接地导体51、52的其它的部分从第一～第四侧面11～14露出。因此，多个接地端子20均与接地导体51、52连接。

在本实施方式中，接地导体51印刷于铁氧体芯41的下表面，接地导体52印刷于铁氧体芯42的上表面。因此，接地导体51与铁氧体芯41大致无间隙地紧密附着，接地导体52与铁氧体芯42大致无间隙地紧密附着。而且，磁性体31和接地导体51经由具有粘接性的电介质61相互粘接，永久磁铁M和接地导体52经由具有粘接性的电介质62相互粘接。作为电介质61、62，能够使用与电介质43相同的材料。

这样，在本实施方式中，因为磁转子40通过接地导体51、52从磁性体31及永久磁铁M电分离，所以即使改变例如磁性体31的厚度，磁转子40自身的电气特性也不会变化。

在本实施方式中，在铁氧体芯41和铁氧体芯42之间填充有电介质43。而且，作为电介质43的材料，若选择具有与铁氧体芯41、42的介电常数大致相同的介电常数的材料，则即使在中心导体70上不存在变形或膜厚分布等的情况下，也能够得到大致如设计那样的电气特性。

如上说明，本实施方式的非可逆电路元件1在磁转子40的上侧配置有永久磁铁M，另一方面，在磁转子40的下侧没有配置永久磁铁，取而代之配置有具有绝缘性的磁性体31。因此，因为以不覆盖永久磁铁M的侧面而覆盖磁性体31的侧面的方式配置外部端子21～23，所以能够防止外部端子21～23覆盖永久磁铁M的侧面而导致的高频特性的劣化。而且，因为磁转子40和磁性体31通过接地导体51电分离，所以即使改变磁性体31的厚度，磁转子40的电气特性也不会变化。

因为本实施方式的非可逆电路元件1在磁转子40的下侧未配置永久磁铁，所以若与由两个永久磁铁夹持磁转子40的情况相比，则特别是施加给位于下侧的铁氧体芯41的磁场变弱，同时，存在磁场的垂直性下降的趋势。为了降低该影响，优选在一定程度上确保磁性体31在z方向上的厚度。其原因在于，由于越将磁性体31的厚度变大，越多的磁通在磁性体31流过，所以施加于铁氧体芯41的磁场变强，同时磁场的垂直性提高。具体来说，优选将磁性体31的厚度设为与铁氧体芯41的厚度相同或者其以上。

但是，即使使磁性体31的厚度足够厚，若与代替磁性体31而使用永久磁铁的情况相比，施加于铁氧体芯41的磁场弱，磁场的垂直性也低。然而，如果使磁转子40在所谓BelowResonance区域动作，那么能够以弱磁场充分实现非可逆电路动作。图3是表示内部直流磁场与圆极化波导磁率的关系的图表，在μ+’和μ-’均选取正值时实现非可逆电路动作。即，在图3所示的图表中，在范围1(Below Resonance)和范围3(Above Resonance)内能够进行非可逆电路动作。虽然很多的非可逆电路元件在范围3(Above Resonance)内进行动作，但是通过在范围1(Below Resonance)内进行动作，能够以较弱的磁场进行非可逆电路动作。因此，可以说优选使本实施方式的非可逆电路元件1在范围1(Below Resonance)内动作。另外，在Below Resonance区域，若决定了频率则决定了能够使用的饱和磁化的上限。一般来说，已知在Below Resonance这样的低磁场区域若以低频率使用铁氧体则损失会急剧增，其频率f通过以下公式给出。

数1

在此，Ha为各向异性磁场，Ms为饱和磁化，|γ|＝1.76×10³[T^-1·S^-1]，μ0为真空的导磁率。由于YIG没有各向异性，所以若与Ha＝0近似对Ms求其解，则如下所示：

数2

因此，若决定了频率则决定了能够使用的饱和磁化的上限。由于一般的铁氧体芯41选择接近上限的饱和磁化，因此作为磁性体31的材料，若使用具有比铁氧体芯41的饱和磁化大的饱和磁化的材料，则通过损失增加。因此，可以说作为磁性体31的材料，优选使用饱和磁化与铁氧体芯41相同或其以下的材料。

第二实施方式

如图4所示，第二实施方式的非可逆电路元件2在接地导体52和永久磁铁M之间有金属磁性体101插入这一点上，与第一实施方式的非可逆电路元件1不同。金属磁性体101和永久磁铁M经由具有粘接性的电介质63相互粘接。其它的基本的结构与第一实施方式的非可逆电路元件1相同，所以对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。

金属磁性体101例如由铁(Fe)构成，发挥将从永久磁铁M施加到铁氧体芯42的磁通均一化的作用。其在只在磁转子40的单侧配置永久磁铁M的情况下，特别是与永久磁铁M相邻的铁氧体芯42的磁场分布容易不均一，但是通过设置金属磁性体101，将施加到铁氧体芯42的磁场进一步均一化，能够防止局部的磁场的集中。

第三实施方式

如图5所示，第三实施方式的非可逆电路元件3在接地导体52和永久磁铁M之间插入有具有绝缘性的另外的磁性体32这一点上，与第一实施方式的非可逆电路元件1不同。磁性体32和永久磁铁M经由具有粘接性的电介质63相互粘接。其它的基本的结构与第一实施方式的非可逆电路元件1相同，所以对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。

磁性体32由与磁性体31相同的材料，例如钇/铁/石榴石(YIG)构成，与在第二实施方式中使用的金属磁性体101相同，发挥将从永久磁铁M施加到铁氧体芯42上的磁通均一化的作用。关于磁性体32的在z方向上的厚度，也可以比磁性体31薄。作为一个例子，能够将磁性体32的厚度设为磁性体31的厚度的一半。其原因是，由于磁性体32的附近存在永久磁铁M，因此离永久磁铁M越远的磁性体31越无需充分地确保厚度。

第四实施方式

如图6，第四实施方式的非可逆电路元件4在永久磁铁M的上部追加有金属磁性体102这一点上，与第二实施方式的非可逆电路元件2不同。金属磁性体102和永久磁铁M经由具有粘接性的电介质64相互粘接。其它的基本的结构与第二实施方式的非可逆电路元件2相同，所以对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。

金属磁性体102例如由铁(Fe)构成，发挥减少泄漏磁通的作用。由此，能够对磁场容易变弱的向铁氧体芯41的磁场进行补偿。将金属磁性体102的厚度设为与金属磁性体101相同的厚度即可。

第五实施方式

如图7所示，第五实施方式的非可逆电路元件5在永久磁铁M的上部追加有金属磁性体102这一点上，与第三实施方式的非可逆电路元件3不同。金属磁性体102和永久磁铁M经由具有粘接性的电介质64相互粘接。其它的基本的结构与第三实施方式的非可逆电路元件3相同，所以对同一要素标注同一符号，省略重复的说明。

在本实施方式中，也能够通过追加金属磁性体102来降低泄漏磁通，对向铁氧体芯41的磁场进行补偿。

第六实施方式

图8所示的通信装置80配置于例如移動体通信系统中的基站，包含接收电路部80R和发送电路部80T，它们与收发用的天线ANT连接。接收电路部80R包含接收用放大电路81和处理接收到的信号的接收电路82。发送电路部80T包含生成语音信号、视频信号等的发送电路83和功放电路84。

在具有这种结构的通信装置80中，在从天线ANT到接收电路部80R的路径或从发送电路部80T到天线ANT的路径上使用具有与上述第一～第五实施方式的非可逆电路元件1～5相同的结构的非可逆电路元件91、92。非可逆电路元件91作为循环器发挥作用，非可逆电路元件92作为具有终端电阻器R0的隔离器发挥作用。

以上对本发明优选的实施方式进行了说明，本发明不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变更，毋庸置疑，这些也包含在本发明的范围内。

例如，在上述实施方式中，以分布常数型的非可逆电路元件为例进行了说明，但本发明不限于此，也可在集中常数型的非可逆电路元件中应用。

实施例1

假定具有与图1相同或相似的结构的非可逆电路元件的样品1A～1F，通过模拟评价产生的磁场。任一样品都将平面形状设为8.0mm×8.0mm，作为铁氧体芯41、42及磁性体31，使用厚度为0.8mm的YIG。另外，关于永久磁铁M，使用厚度为0.8mm的永久磁铁，将中心导体70的厚度设为0.1mm。

而且，在样品1A、1B、1C、1D、1E中，将磁性体31的厚度分别设为0mm(无磁性体31)、0.4mm、0.8mm、1.6mm、5.0mm，关于样品1F，使用永久磁铁代替磁性体31。

模拟的结果如图9所示。图9A～9F分别为样品1A～1F的模拟结果。如图9F所示，可知，在上下配置永久磁铁的样品1F中，施加于铁氧体芯41、42的磁场的垂直性高，与此相对，在删除了下侧的永久磁铁的样品1A～1E中，施加于铁氧体芯41、42的磁场的垂直性降低，同时，特别是在下侧的铁氧体芯41上的磁场的强度降低。然而，可以确认，通过增大磁性体31的厚度，磁场的垂直性提高，同时，施加于下侧的铁氧体芯41的磁场的强度增加。

实施例2

假定具有与图1或图4相同的结构的非可逆电路元件的样品2A～2C，通过模拟评价产生的磁场。任一样品都将平面形状设为8.0mm×8.0mm，作为铁氧体芯41、42及磁性体31，使用厚度为0.8mm的YIG。另外，关于永久磁铁M，使用厚度为0.8mm的永久磁铁，将中心导体70的厚度设为0.1mm。

而且，在样品2A、2B、2C中，将金属磁性体101的厚度分别设为0mm(无金属磁性体101)、0.1mm、0.2mm。

模拟的结果如图10所示。图10A～10C分别是样品2A～2C的模拟结果。如图10A～10C所示，可以确认，金属磁性体101的厚度越厚，施加于上侧的铁氧体芯42的磁场越均一化。

实施例3

假定分别具有与图1、图4、图6相同的结构的非可逆电路元件的样品3A～3C，通过模拟评价产生的磁场。任一样品都将平面形状设为8.0mm×8.0mm，作为铁氧体芯41、42及磁性体31，使用厚度为0.8mm的YIG。另外，关于永久磁铁M，使用厚度为0.8mm的永久磁铁，将中心导体70的厚度设为0.1mm。

在样品3B、3C中，将金属磁性体101或102的厚度均设为0.1mm。

模拟的结果如图11所示。图11A～11C分别是样品3A～3C的模拟结果。如图11C所示，在永久磁铁M的上下配置金属磁性体101、102的样品3C与样品3A、3B相比，施加于下侧的铁氧体芯41的磁场略强。

Claims

1.一种非可逆电路元件，其特征在于，

具备：

永久磁铁；

磁性体，具有绝缘性；

磁转子；

多个外部端子；以及

接地端子，

所述磁转子以上侧配置所述永久磁铁，下侧不配置其他永久磁铁而配置所述磁性体的方式，在层叠方向被所述永久磁铁和所述磁性体夹持，

所述磁转子包含与所述外部端子连接的中心导体和夹入所述中心导体的第一及第二铁氧体芯，

所述第一铁氧体芯位于所述中心导体和所述磁性体之间，

所述第二铁氧体芯位于所述中心导体和所述永久磁铁之间，

所述非可逆电路元件还具备：设置于所述第一铁氧体芯和所述磁性体之间、并与所述接地端子连接的第一接地导体；以及设置于所述第二铁氧体芯和所述永久磁铁之间、并与所述接地端子连接第二接地导体，

所述多个外部端子以不覆盖所述永久磁铁的侧面而在所述层叠方向上从所述磁转子的各个不同的侧面延伸至所述磁性体的各个不同的侧面的方式设置，

在所述第一接地导体上，在与所述多个外部端子重叠的部分分别设有缺口。

2.根据权利要求1所述的非可逆电路元件，其特征在于，

在所述第二接地导体上，在与所述多个外部端子重叠的部分分别设有缺口。

3.根据权利要求1所述的非可逆电路元件，其特征在于，

所述接地端子跨及所述永久磁铁的侧面、所述第一及第二接地导体的侧面、以及所述磁性体的侧面而在所述层叠方向上延伸。

4.根据权利要求1所述的非可逆电路元件，其特征在于，

所述磁性体的饱和磁化为在所述第一及第二铁氧体芯的饱和磁化以下。

5.根据权利要求4所述的非可逆电路元件，其特征在于，

所述磁性体由与所述第一及第二铁氧体芯相同的磁性材料构成。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的非可逆电路元件，其特征在于，

还具备：第一金属磁性体，其设置于所述第二铁氧体芯和所述永久磁铁之间。

7.根据权利要求6所述的非可逆电路元件，其特征在于，

还具备：第二金属磁性体，从所述永久磁铁观察，其设置于所述第一金属磁性体的相反侧。

8.根据权利要求1～5中任一项所述的非可逆电路元件，其特征在于，

还具备另外的磁性体，其设置于所述第二铁氧体芯和所述永久磁铁之间，并具有绝缘性。

9.根据权利要求8所述的非可逆电路元件，其特征在于，

还具备金属磁性体，从所述永久磁铁观察，其设置于所述另外的磁性体的相反侧。

10.一种通信装置，其中，

具备权利要求1～9中任一项所述的非可逆电路元件。