CN1184717C - 不可逆电路装置和高频电路装置 - Google Patents

Abstract

不可逆电路装置包括相互交叉的第1和第2中心电极，每个中心电极的一端接地，设在第1和第2中心电极附近的铁磁体，供给铁磁体静磁场的磁铁，串联连接在第1中心电极另一端与输入端之间的串联电容器和串联连接在第2中心电极的另一端与输出端之间的串联电容器，和并联连接在第1中心电极另一端与地之间的并联电容器和并联连接在第2中心电极另一端与地之间的并联电容器。

Description

不可逆电路装置和高频电路装置

技术领域

本发明涉及不可逆电路装置，如微波频带中用的隔离器等，本发明还涉及设有不可逆电路装置的高频电路装置，如通信装置。

背景技术

微波频带中用的不可逆电路装置已公开在(1)美国专利4016510；(2)日本特许公开No52-134349；(3)日本特许公开No：58-3402；(4)日本特许公开No.9-232818，和(5)日本特许公开No.8-8612中。

上述的不可逆电路装置是一个元件，其中，铁(淦)氧板(ferrite plate)设有按预定角度相交的中心电极，之后，给铁氧体板加静磁场。利用铁氧体板的铁磁特性，中心电极引起的高频磁场的极化平面按法拉第旋转定律旋转，这提供不可逆特性。

上述(5)篇文献中的用第1至第3中心电极的不可逆电路装置中，第3中心电极的匹配阻抗有无功分量。由于阻抗取决于频率，在频率范围内最好是能得到窄的不可逆特性。即，元件用作隔离器时，隔离特性必然是窄频带。

用两个中心电极的不可逆电路装置的优点是能小型化而且能实现更宽的频带。随着近年来对无线通信中通信系统装置的小型化要求也要求通信装置中的诸如隔离器的不可逆电路装置进一步小型化。

但是，铁氧体板的尺寸大大地小型到例如0.5mm×0.5mm×0.3mm时，而常规不可逆元件结构仍保持不变，如以下要说的，由于中心电极的长度缩短，它的电感分量也减小。当不可逆电路装置在预定频率下操作时，不可能达到阻抗匹配。因此，出现了插入损耗(IL)升高的问题。

常规隔离器的电路图示于图8中。中心电极L1和L2的电感量与并联电容器C1和C2的电容量阻抗匹配时，阴抗轨迹关系图如图9所示。即，当中心电极的阻抗是预定值时，中心电极的阻抗必须在穿过50Ω的电纳圆上，以连接并联电容器从而与归一化阻抗(50Ω)匹配。

但是，要求隔离器的尺寸为3.5mm×3.5mm×1.5mm或以下时，铁氧体板的尺寸为1.0mm×1.0mm×0.3mm或以下，该情况下它是直角平行六面体。常规隔离器的这种结构中，只在铁氧体板的表面上设中心电极，中心电极的电感量减小。因而，由于操作频率下的无功分量小，匹配的并联电容器的电容量必须增大。但是，由于该原因，出现了操作频带宽度窄的问题。

而且，用单板电容器作上述的匹配并联电容器时，它的尺寸增大，这就使隔离器不能达到目标尺寸。例如，设计有800MHz频带的隔离器的外部尺寸为3.5mm时，对6.6nH的中心电极的电感量就要求并联电容器的电容量为6pf。即使用相对介电常数例如为110的高介电常数的陶瓷板构成厚度为0.17mm的匹配并联电容器，电容器的尺寸仍然大到1.0mm×1.05mm，这就是说，电容器不能包含在预定尺寸的隔离器中。

整体结构的小型化，使中心电极的尺寸减小，它导致中心电极的电感量减小。电感量太小，以致于不在通过归一化阻抗(50Ω)的电纳圆上，无论并联电容器的电容量如何增大，也不可能达到阻抗匹配。这就增大了输入/输出阻抗，使插入损耗更坏。

发明内容

本发明的目的是，提供小型不可逆电路装置，它在宽频带上有不可逆特性，有低插入损耗，并提供用不可逆电路装置的高频电路装置，如通信装置。

到此为止，按本发明第1方案，提供不可逆电路装置，它包括：相互交叉的第1和第2中心电极，每个中心电极有一端接地；铁磁体由第1和第2中心电极缠绕铁磁体构成；磁铁，它给铁磁体供给静磁场；串联电容器，串联连接在第1中心电极的另一端与输入端之间，和串联电容器，串联连接在第2中心电极的另一端与输出端之间；和并联电容器，并联连接在第1中心电极的另一端与地之间，和并联电容器，并联连接在第2中心电极的另一端与地之间。

由于用了串联电容器和并联电容器，能使输入/输出阻抗可靠地匹配，而且能进一步减小插入损耗，因而能实现小型化和宽频带。

即使用小的铁磁体也能使第1和第2中心电极达到足够的电感量。因此，能实现整体小型化。

不可逆电路装置中，第1和第2中心电极的相交角度可以是在80°至100℃范围内的预定角。

能得到低插入损耗和高的不可逆特性。

不可逆电路装置中，铁磁体可以是多边形板。

这就能使第1和第2中心电极之间的铁磁体较长磁耦合距离相对于第1和第2中心电极的。此外，第1和第2中心电极包围在铁磁体周围时，使包围简便了。而且，即使铁磁体小，也能达到低插入损耗和高的不可逆特性。

不可逆电路装置中，磁铁可以是直角平行六面体。

这就能在总体为直角平行六面体形的不可逆电路装置的有限体积中进一步增大加到铁磁体上的静磁场强度。因此，能得到低插入损耗和高的不可逆特性。由于可用切割板状或直角平行六面体磁性材料构成不可逆电路装置，因此，容易制造。

或者，不可逆电路装置中，第1和第2中心电极、铁磁体和磁铁放在上轭铁和下轭铁之间，上轭铁和下轭铁接地。

由于第1和第2中心电极和电容器与要屏蔽的轭铁一起接地，因此能防止产生寄生容量。

按本发明第2方案，高频电路装置包括上述不可逆电路装置中的一个。

因此能制成有低插入损耗且特性稳定的通信装置。

附图说明

图1是按本发明第1实施例的隔离器的电路图；

图2是隔离器的分解透视图；

图3是组装了隔离器的主要元件之后的隔离器的透视图；

图4A和4B是说明隔离器操作原理的电路图；

图5A和5B是说明隔离器阻抗匹配例的图；

图6A和6B分别是说明隔离器的频率特性的图；

图7A和7B是展示按第2实施例的高频电路装置的主要元件的方框图；

图8是常规隔离器的电路图；

图9是说明常规隔离器的阻抗匹配例的图；

图10A和10B是说明有常规结构的隔离器在阻抗不匹配状态下的频率特性例的图。

具体实施方式

以下参见图1至3说明按本发明第1实施例的隔离器结构。

图1是隔离器的电路图。这里，铁氧体板10是直角平行六面体。各包括用绝缘体包覆的铜丝的第1中心电极11和第2中心电极12包围铁氧体板10，以使两个中心电极按预定角度相互交叉。第1和第2中心电极11和12的一端接地。串联电容器C21和C22分别串联连接在第1中心电极11的另一端与输入端之间，和串联连接在第2中心电极12的另一端与输出端之间。并联电容器C11和C12分别并联连接在第1中心电极11的另一端与地之间，和并联连接在第2中心电极12的另一端与地之间。此外，电阻器R连在第1中心电极11的另一端与第2中心电极12的另一端之间。尽管该图中没画，设有按与第1和第2中心电极11和12确定的回路平面平行的厚度方向给铁氧体板10加静磁场的磁铁。

图2是构成上述电路的隔离器的分解透视图。这里，用包含涂有绝缘体的铜丝的第1和第2中心电极11和12每个绕铁氧体板10 1.5匝，构成铁淦氧体组件1。磁铁3给铁氧体板10加静磁场。上轭铁2和下轭铁4构成部分磁路。基片5有接地电极50，输入端电极51和输出端电极52形成在其顶表面上。这些电极中的某此电极伸过基片5的端表面到其底面的一部分。当该隔离器表面安装到电子装置的印刷电路板上时它们作终端电极。C11，C12，C21和C22和R是构成图1所示分立的电容器和电阻器的片状元件。它们中，C11，C12和R安装在下轭铁4上，而C21和C22安装在基片5的顶面上。

图3是组装于图2中所示元件状态下的透视图，其中，上轭铁2和磁铁3已从组件中去掉。如图所示，下轭铁4利用焊接或类似方法连接在衬底5的顶面上形成的接地电极50上。电容器C11和C12和铁淦氧体组件1利用焊接或类似方法连接在下轭铁4的顶面。电容器C11和C12是由设在其顶面和底面上的电极制成的片状电容器。其底面上的电极焊到下轭铁4的顶面。焊接铁淦氧组件1的中心电极11和12中每一个的一端使其电连接到下轭铁4的顶面。此外，中心电极11和12的另一端焊到电容器C11和C12的顶面上的对应电极。而且，电阻器R的两端的电极焊到电容器C11和C12的顶面的对应电极。由于用绝缘体涂敷了围绕铁氧体板10的中心电极11和12的围绕部分，因此，中心电极之间和中心电极与下轭铁4之间均是电绝缘的。

电极设在电容器C21和C22的顶面和底面上。底面上的电极焊到基片5的对应的输入端电极51和输出端电极52。C21和C22顶面上电极经焊丝W焊到C11和C12的顶面上对应的电极上。

图2中所示磁铁3连接到上轭铁2的顶板面。连接到该磁铁3的上轭铁2盖住下轭铁4，形成闭合磁路。

图1和2所示铁氧体板10的尺寸是0.5mm×0.5mm×0.3mm。基片5的厚度是0.1mm，下轭铁4的厚度是0.15mm，上轭铁2厚度是0.15mm，中心电极11和12的直径是0.05mm。

移动通信系统中用的通信装置，如移动电话，市场要求隔离器的高度要减小到1.5mm或1.5mm以下，以便基本上减小装置中隔离器所占的面积(体积)。因此，鉴于上述的结构和每个元件的尺寸，高度应在1.5mm或以下。保持除铁氧体板之外的每个元件的尺寸，而铁氧体板10变得较厚时，只要铁氧体板的厚度在1mm之内，隔离器的总厚度能保持在1.5mm。因此，为了在有限体积内尽可能增大铁氧体板的尺寸，铁氧体板应是每边长在1mm或1mm以下的直角平行六面体。

图4A和4B是为了说明上述隔离器的工作原理的电路图。

图4A和4B中，箭头指示在中心有11和12影响下的高频磁场的方向。考虑前向信号的传送，由于在电阻器R两端的相位和幅值都相同，如图4A所示，因此，没有电流流过电阻器R，以输入端来的输入信号能简单地从输出端输出。

考虑到反向信号的反射，如图4B所示，穿过铁氧体板10的高频磁场的方向与图4A所示情形相反。此后，在电阻器R的两端之间产生相位相反的信号，其电功率消耗在电阻器R中。因此，理想的是没有从输入端来的信号输出。从电路中去掉上述电阻器R时，电路起回转器的作用。

实际上，信号按前向方向发送时，和信号按反方向输入时，电阻器两端之间的相位差的变化与中心电极11和12的相交角度和由于法拉第旋转造成的极化平面的转动角度相关。因此，外部磁场强度和中心电极11和12的相交角度设定成能达到低插入损耗和高的不可逆特性(隔离特性)为准。加到铁氧体板的磁场强度范围一般是0.09至0.17T范围，由于法拉第旋转的极化平面的旋转角范围是90°至100°的范围内时，就能得到低插入损耗和高的不可逆特性(隔离特性)。

为了具有以上功能，预先要求输入/输出阻抗与隔离器阻抗匹配。但是，当铁氧体板大大减小到例如0.5mm×0.5mm×0.3mm时，而保持常规结构，那么，中心电极的长度就会缩短，如上所述，中心电极的电感分量减小。因此，在期望频率不能达到阻抗匹配。

如图1和2所示，中心电极11和12围绕铁氧体板10。即使用小的铁氧体板也大大增大了中心电极的电感，实现了宽的工作频带。但是，由于中心电极围绕而使电量大大增大，有时只用匹配的并联电容器也会使阻抗大于归一化阻抗(50Ω)，而使其匹配。因此，如图1和2所示，串联电容器与输入/输出端串联连接。

图5A和5B是说明并联电容器与串联电容器之间阻抗匹配例的图。图5A表示中心电极的电感量较小的情形，图5B表示中心电极的电感量较大的情形。任何一种情形下，组合阻抗沿并联电容器连接的电纳圆移动，之后，组合阻抗沿串联电容器连接的阻抗圆移动，由此，把并联电容器和串联电容器的值设定为使组合阻抗最终与归一化阻抗(50Ω)匹配。

因此，在两端口隔离器中使用有两个中心电极的回旋器，造成加到铁氧体板的静磁场强度经常改变，以使回旋器的相位旋转角达到最优。这使铁氧体板的导磁率改变，也改变了中心电极的电感量。甚至在该情况下，不改变中心电极的形状等，但改变并联电容器和串联电容器的容量就能容易地实现阻抗匹配。因此，这能容易设计和调节以达到上述的最优化。

有并联和串联电容器这两种电容器的阻抗匹配电路中，与只用一种并联电容器的阻抗匹配电路相比，能大大减小电容器的容量，用单板电容器时，可减小它的尺寸。例如，绕在铁氧体板周围的中心电极的电感量是19.8nH时，并联电容器的容量是0.5至1.5pF，串联电容器的容量是0.5至2.2pF。(用相对介电常数为110的介质材料时，电容器厚0.17mm，宽0.45mm，长0.85mm或以下。因此，用1mm²或1mm²以下铁氧体板时，可使隔离器的尺寸达到3.5mm²或3.5mm²以下。

用电极层和介质层交替叠置的叠层结构制成的电状电容器构成上述的串联电容器和并联电容器。该情况下，由于片状电容器还能进一步小型化，甚至当中心电极围绕铁磁体和中心电极的电感量过量增大时，只要把串联或并联电容器的容量设得更大，也容易达到阻抗匹配，这更容易使不可逆电路装置整体小型化。

图6A和6B是中心频率设计成2.52GHz的上述隔离器的插入损耗和输入阻抗的频率特性曲线图。图6A表示频率从2.02GHz变到3.02GHz时的发送特性S21和反射特性S12的损耗。图6B表示输入阻抗随频率变化的轨迹图。因此，由于输入/输出阻抗匹配归一化阻抗(50Ω)，因此得到了低插入损耗。

只用并联电容器就能达到匹配的常规隔离器中，由于中心电极围绕铁氧体板而使电感量极大增大时，由于高输入阻抗导致了以下要说的不匹配，使插入损耗变坏。

图10A和10B是上述隔离器的插入损耗和输入阻抗的频率特性图。按与图6A和6B相同的方式中心频率设计成2.52GHz。图10A表示频率从2.02GHz变到3.02GHz时发送特性S21和反射特性S12的损耗。图10B表示输入阻抗随频率变化的轨迹。如图所示，中心电极的电感量过量增大时，输入/输出阻抗增大，插入损耗在约-10dB处变得更坏。

另一方面，如图5A和5B所示，用并联和串联电容器使阻抗匹配，可改善插入损耗达到-1.6dB，如图6A和6B所示例。

之后将参见图7A和7B说明例如通信装置或信号测试电路的高频电路装置的构成。

用上述各种隔离器，例如图7A所示，隔离器设在如VCO(压控例振荡器)的振荡器的振荡输出单元中，使得由连接到隔离器的输出单元的发送电路反射的波与振荡器无关。这就增大了振荡器的振荡稳定性。

如图7B所示，隔离器设在滤波器的输入单元中，因此，隔离器用作匹配。这构成恒定阻抗滤波器。在发送/接收电路单元中设这样的电路构成通信装置。

上述的每个实施例中，用隔离器。但是，当构成回旋器(不可逆相位装置)时随回旋器两个端口之间的发送方向不同而相位延迟特性不同，可省去实施例中的电阻R。

上述实施例中，尽管直线性中心电极围绕铁氧体板，也可设形成中心电极图形的薄片材料，使它叠在铁氧体板上或固定在两个铁氧体板之间。

Claims (6)

1.不可逆电路装置，包括：

第1和第2中心电极，它们相互交叉，它们中每一个有一端接地；

铁氧体组件，它由所述第1和第2中心电极缠绕铁磁体构成；

磁铁，给所述铁磁体供给静磁场；

第一串联电容器，串联连接在所述第1中心电极的另一端与输入端之间；和第二串联电容器，串联连接在第2电极的另一端与输出端之间；和

第一并联电容器，并联连接在所述第1中心电极另一端与地之间，和第二并联电容器，并联连接在所述第2中心电极的另一端与地之间。

2.按权利要求1的不可逆电路装置，其中，所述第1和第2中心电极的相交角是在80°至100°范围内的预定角。

3.按权利要求1的不可逆电路装置，其中，所述铁磁体是多边板。

4.按权利要求1的不可逆电路装置，其中，所述磁铁是直角平行六面体。

5.按权利要求1的不可逆电路装置，其中，所述第1和第2中心电极，所述铁磁体和所述磁铁装在上轭铁与下轭铁之间；和所述上轭铁和下轭铁都接地。

6.一种高频电路装置，包括权利要求1所述的不可逆电路装置。

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