CN1303138A - 不可逆电路设备和使用该设备的通信设备 - Google Patents

Abstract

在其中一个基片装备第一和第二中心电极并且放置在铁氧体薄板和磁铁之间的结构中,在该基片的表面上提供阻焊薄膜。该磁铁和中心电极利用该焊接树脂薄膜彼此分开,从而由在该磁铁中流动的高频电流引起的导线损耗被抑制。因此,不可逆电路设备的介入损耗减少了。

Description

不可逆电路设备和使用该设备的通信设备

本发明涉及一种不可逆电路设备，诸如在微波波段等工作的隔离器，回转器等等，和包括该设备的通信设备。

在美国专利No.4016510，日本未审查的专利申请公告No.52-134349，日本未审查的专利申请公告58-3402，日本未审查的专利申请公告No.9-232818和日本未审查的专利申请公告8-8612中公开了在微波波段等工作的不可逆电路设备。

在每一个前述的不可逆电路设备中，在铁氧体薄板上提供彼此以预定的角度相交的中心电极，并将静态磁场应用到该铁氧体薄板。不可逆的特性是根据法拉第的旋转原理，使用铁氧体薄板的铁氧体磁性的特征，通过转动由中心电极产生的高频磁场的极化面而存在的。

在如日本未审查的专利申请公告No.8-8612中公开的包含第一、第二和第三中心电极的这样的不可逆电路设备中，第三中心电极的匹配阻抗具有一个电抗分量，和该阻抗取决于频率。因此，可以获得好的不可逆的特性的频率范围是窄的。即，当不可逆电路设备使用作为一个隔离器时，该隔离特性不可避免地变得窄了。

为了提供在宽频带中具有好的不可逆的特性的不可逆电路设备，本发明的发明人已经进行了集中的调查和实验。在调查中，发明人找到了在宽频带中介入损耗下降的原因。特别地，在常规的不可逆电路设备中，高频电流流过永久磁铁(在下文简称为磁铁)，并且由于磁铁的电阻抗而消耗电源。这引起介入损耗的增加。

因此，本发明的一个目的是提供在宽频带中具有不可逆的特性和低介入损耗的一种不可逆电路设备以及包括该不可逆电路设备的通信设备。

根据本发明，提供一个不可逆电路设备，它包括第一中心电极，该电极的一端连接到输入端而另一端接地，第二中心电极，该电极与第一中心电极两电极之间在绝缘状态下相交，第二中心电极的一端连接到输出端，它的另一端接地，与第一和第二中心电极相邻提供一个铁磁部件，一个磁铁，用于将静态磁场基本上垂直于铁磁部件加在该铁磁部件上，第一电容器的一端连接到输入端而另一端接地，第二电容器的一端连接到输出端，另一端接地，以及在该磁铁和第一或者第二中心电极之间的一个绝缘衬垫，从而当由中心电极产生的高频磁场通过该磁铁时使得高频电流在该磁铁中流动使得电源消耗可以被抑制。

以这个结构，中心电极防止与该磁铁紧密地接触，并且减弱在第一和第二电极产生的高频磁场与该磁铁之间的耦合。因此，由在该磁铁中引入的高频电流引起的导体损耗可以减少。

最好第一和第二中心电极包括分别在基片的两个相反侧上形成的导线模型，和在该导线方案的表面上形成的抗蚀性薄膜。抗蚀性薄膜用作绝缘衬垫。

连接在输入端和输出端之间的一个电阻可以安装在具有中心电极的基片上。利用这个结构，电阻的安装结构可以简化，并且隔离器的配置变得简单了。

而且最好每个导线模型包括具有至少30μm厚度的金属箔，并且该抗蚀性薄膜具有至少50μm厚度。从而可以抑制由中心电极它们自己引起的导线损耗。此外，可以有效地减少由该磁铁引起的导线损耗。

此外一个绝缘薄膜可以粘到该磁铁上。该绝缘薄膜被用作该磁铁和中心电极之间的绝缘衬垫。

此外，第一和第二中心电极之间交角可以是包括在90°和100°之间的一个预定的角度。从而，可以获得期望的隔离特性。

最好该铁磁部件具有基本上为矩形的平行六面体形状。从而，把中心电极安排在该铁磁部件的对角线方向。因此，可以有效地安排长的中心电极。即，即使铁磁部件长度小，本发明的不可逆电路设备仍具有低损耗特性。

而且最好第一和第二电容器的电容量基本上是相同的。从而，即使第一和第二电极的电感具有一个差值，期望的隔离特性可以通过在从输入端到输出端的正向中的发送信号的相位和从输出端到输入端的反向大约180°的发送信号的相位之间设置该差值而获得。

而且最好第一和第二中心电极、铁磁部件、磁铁和第一和第二电容器分别通过磁轭环绕而被屏蔽，磁轭构成用于加上该静态磁场的一个磁路，和该磁轭具有地电位。利用这个结构，第一和第二中心电极以及该电容器与屏蔽的磁轭一起具有一个地电位。

此外，最好在该磁轭和该中心电极之间提供一个绝缘体层。从而，磁轭从该中心电极分开，以便抑制在该磁轭中产生的高频电流，增强Q值，并且减少介入损耗。

而且最好提供多个接地端，在该盒的两侧之一提供至少两个接地端和输入端，并且在该盒的另一侧提供至少两个其余的接地端和输出端。从而，增强接地连接，以便抑制不必要的电感或者静态的电容部件，减少直接地从输入端到输出端到达的电波，并且加宽频带宽度(带宽表示低介入损耗特性)。

根据本发明，提供包括上面描述的不可逆电路设备的一种通信设备。例如，在振荡电路的输出部分、滤波器的输入部分等等提供该不可逆电路设备以便形成该通信设备。

图1是根据本发明的第一实施例的一个隔离器的分解透视图；

图2是该隔离器的主要部分的截面；

图3是该隔离器的电路图；

图4A和4B是表示该隔离器的操作原理的电路图；

图5是该隔离器的等效电路图；

图6是表示该隔离器和常规的隔离器的介入损耗特性的例子的曲线图；

图7是根据本发明的第二实施例的隔离器的主要部分的截面；

图8是根据本发明的第三实施例的一个隔离器的分解透视图；

图9是该隔离器的主要部分的截面；

图10A、10B、10C和10D是表示该隔离器的频率特性的曲线图；

图11A、11B、11C和11D是表示作为第三实施例的隔离器的一个比较的例子的隔离器的频率特性的曲线图；

图12A和12B是表示阻焊薄膜的厚度与介入损耗之间的关系和中心电极的厚度与介入损耗之间的关系的曲线图；和

图13A以及13B是分别所示根据本发明的第四实施例的通信设备的主要部分的配置的方框图。

根据本发明的第一实施例的隔离器的结构将参考图1至6描述。

图1是该隔离器的分解透视图。树脂盒1是使用输入-输出端2a与2b和一个接地端3通过插入成型形成的，其中表示了输入-输出端的一个2a。另一个输入-输出端2b和另一个双接地端3形成在树脂盒的图1中的左背侧面。两个输入-输出端2a和2b的内端暴露在树脂盒1的内底部表面。该隔离器包括由铁氧磁材料制造的铁氧体薄板5，在它的上和下表面上具有电容器电极的电容器7a和7b，一个片状电阻器8和由铁磁材料9 制造的一个下磁轭9。电容器7a和7b以及片状电阻器片状电阻器8放置在盒1中。铁氧体薄板5放置在由盒1和下磁轭9限定的凹状处。形成第一中心电极4a和第二中心电极4b，彼此在绝缘薄板14的上面的和下表面上以90°和100°之间的预定的交角相交。两个中心电极4a和4b的一端经过通孔引出至图1中的下面一侧。中心电极4a和4b的另一端经过通孔彼此连接到。基片14是通过高频电路基片上形成模型形成的，这是具有连接至它的两侧的铜箔的一个绝缘基片。放置一个磁铁6将静态磁场加到中心电极4a和4b与铁氧体薄板5。由铁磁材料形成上磁轭10。上磁轭10是由铁磁材料制造的。磁铁6附加在上磁轭10的内面(图1中的下表面)。

如上所述形成隔离器的相应的部分。铁氧体薄板5容纳在盒1中。电容器7a和7b放置在其中，而且基片14以这样的方式放置：电容器7a和7b是夹在基片14和盒1中间。片状电阻器8以这样的方式安装在基片14的下表面以便彼此连接第一和第二中心电极4a和4b的两端。下磁轭9附加在盒1的下侧。附上磁铁6的上磁轭10覆盖盒1。因此作为一个整体形成一个隔离器。

图2是上面描述的隔离器的主要部分的截面。正如在图2中看到的，在基片14的两个整个表面上分别形成阻焊薄膜11。因此，抗蚀性薄膜11分别放在第一和第二中心电极14的表面上。即使磁铁6接近基片14放置，磁铁6和第一中心电极4a借助阻焊薄膜11的厚度彼此分开。而且，中心电极和上磁轭通过阻焊薄膜的层彼此也分开。类似地，铁氧体薄板5和第二中心电极4b至少借助阻焊薄膜11的厚度彼此分开。上述阻焊薄膜11的厚度至少是50μm，而且相应的第一和第二中心电极的厚度至少是30μm。

图12A表示磁铁6和中心电极4a之间的距离与介入损耗(IL)的关系。当磁铁6和中心电极4a之间的距离小时，由涡流引起的高频电流在磁铁6中流动，由于磁铁6的电阻抗而消耗电源。此外，磁铁6具有大的介质损耗角正切(tan)。因此，当磁铁6接近中心电极4a安置时，介质损耗增加了。此外，磁轭9和10与中心电极4a与4b之间的距离越小，由涡流引起的高频电流流动量越大，因此由于磁轭的电阻抗，使得电源被消耗。这些使得介入损耗增加。

为减少损耗起见，中心电极和磁铁，以及中心电极和磁轭分别利用阻焊薄膜彼此分开。在具有外部的尺寸为5mm×5mm×2mm的隔离器中，介入损耗(IL)随着阻焊薄膜的厚度而改变，如在图12A中所示的。像这样，阻焊薄膜的厚度越大，介入损耗(IL)变得越小，并且当该厚度超过大约50μm时迅速地饱和。当阻焊薄膜的厚度为50μm时，介入损耗是1.3dB。因此，每一个上述的阻焊薄膜的厚度设置在50μm或者更多。

图12B表示每个中心电极的厚度和介入损耗(IL)之间的关系。在这种情况下，阻焊薄膜的厚度设置为50μm，正如在上面的描述中看到的，中心电极的厚度越大，电阻抗变得越小(Q值增加)，因此介入损耗减少。介入损耗(IL)随着中心电极的厚度不同而改变，如图12B所示。像这样，中心电极的厚度越大，介入损耗(IL)变得越小，并且当该厚度超过大约30μm时迅速地饱和。当中心电极的厚度为30μm时，介入损耗是1.3dB。此外，如上所述，要求的介入损耗一般是多达1.3dB。因此，每一个中心电极4a和4b的厚度设置在30μm或者更大。为了尽可能多的减少隔离器的高度，每一个中心电极4a和4b的厚度设置在大约40μm。

图3是上述的隔离器的电路图。在这个例子的电路中，铁氧体薄板5是盘形的。如在图3中所示的，第一中心电极4a连接在输入端2a和接地端3之间，第二中心电极4b连接在输出端2b和接地端3之间，电容器C1连接在输入端2a和接地端3之间，第二电容器C2连接在输出端2b和接地端3之间，此外，电阻R连接在输入端2a和输出端2b之间。

图4A和4B是说明上面描述的隔离器的操作原理的电路图。图5是该隔离器的等效电路图。

在图4A和4B中，箭头表示在中心电极下面的高频磁场的方向。现在描述正向方向中信号的传输。在电阻器R的两端，产生相同的相位和相同的幅度，因此没有电流流过电阻器R。来自输入端2a的输入信号按原样从输出端2b输出。

现在描述反向方向中信号的进入。如在图4B中看到的，通过铁氧体薄板5发送的高频磁场的方向是与图4A中所示的方向反向。因此，在电阻器R的两端产生180°偏离相位信号，并且在电阻器R中消耗电源。因此理想地，没有信号从输入端2a输出。

实际上，根据上面描述的中心电极4a和4b之间的交角和由于法拉第旋转产生的极化面的旋转角，在正向方向信号发送时和在反向方向信号输入时产生的在电阻器的两端的相位之间的差值被改变。因此，以这样的方式确定外部磁场的强度和中心电极4a与4b之间的交角以便可以获得小的介入损耗和高的隔离特性，通常，加到该铁氧体薄板的磁场的强度是0.09到0.17(T)。因此，通过设置中心电极4a与4b之间的交角为90°至100°的范围内，可以获得小的介入损耗和高的隔离特性。

关于上面描述的操作，通过从图5的等效电路图中去掉电阻R，信号s12(在反向方向的传播信号)和信令S21(在正向方向的发送信号)之间的相位差变成180°。如果中心电极4a和4b的电感L1和L2有一个差值，则相位差偏离180°。但是，通过提供电容器C1和C2，并且设置静态的电容彼此相等，可以防止上述的相位差的偏离。因此，即使S21和S12之间的幅度差值大约是0.2dB，电容器7a和7b(C1,C2)的电容量设置为基本上等于彼此具有±0.05(5％)差值，以便设置至少30dB的隔离。从而，即使第一和第二中心电极形成的模型的尺寸是分散的，也可以获得好的隔离特性。

图6是表示这个实施例的隔离器的介入损耗特性与常规的隔离器比较的曲线图，其中在基片的表面上没有提供阻焊薄膜。如上所述，利用在该基片的表面上形成的阻焊薄膜，通过分开中心电极与该磁铁，可以在一个宽的频率范围中减少介入损耗。

接下来参照图7描述根据本发明的第二实施例的隔离器的结构。

图7是第二实施例的隔离器的主要部分的截面。该截面是相应于图2的第一实施例的截面表示的。在这个实施例中，绝缘薄膜13粘接在磁铁6的基片侧上的表面。此外，分别在基片14的两侧上提供的中心电极4a和4b的表面上没有形成阻焊薄膜。利用这个结构，至少借助绝缘薄膜13，磁铁6和中心电极4a可以彼此分开，以便可以减少由磁铁6引起的功率损耗。即，介入损耗特性可以改善。在图7的结构中，阻焊薄膜可以在具有在上面的形成的中心电极4a和4b的基片14的表面上形成。从而，通过使用阻焊薄膜的厚度和绝缘薄膜13的厚度，磁铁6和中心电极4a可以彼此分开预定的距离。

其次，参照图8至图11A、11B、11C和11D描述根据本发明的第三实施例的隔离器的结构。

图8是该隔离器的分解透视图。树脂盒1通过与输入-输出端以及接地端3一起插入成型而形成。表示了该输入-输出端的一个2b。另一输入-输出端2b和另一个双接地端3提供在树脂盒1的图8中的左后侧。两个输入两个输入-输出端的内部端暴露在盒1的内部底表面上。在盒1中，放置了在它的上下表面上具有电容器电极的电容器7a和7b，和一个片状电阻器片状电阻器8，而由亚铁磁性材料形成的铁氧体薄板5容纳在由盒1与下磁轭限定的凹状处。提供由铜箔分别形成的中心电极4a和4b，以致从铁氧体薄板5的上表面到下表面延长并且在铁氧体薄板5的对角线方向以预定的交角彼此相交。提供一个磁铁6将静态磁场加到中心电极4a和4b与铁氧体薄板5。由铁磁材料形成上磁轭10。磁铁6粘接在上磁轭9的内面(图8中的下表面)。树脂薄板制造的、具有预定的厚度的绝缘衬垫12将磁铁6与中心电极4a和4b分开。下磁轭9是由铁磁材料形成的。

如上所述形成隔离器的相应的部分。电容器7a和7b以及片状电阻器片状电阻器8安装在盒1中。另外，中心电极4a和4b与铁氧体薄板5一起安装在其中。在这个状态，电容器7a和7b是夹在盒1中的电极而中心电极4a和4b之间。然后，下磁轭9附加在盒1的下侧。具有磁铁6、预先附加的上磁轭10制成用于覆盖，从而该隔离器作为一个整体形成。

图9是上面描述的隔离器的主要部分的截面。在这个图中，下磁轭9和上磁轭10被省略了。如在图9中所示的，中心电极4a和4b利用绝缘薄膜15彼此绝缘。放置绝缘衬垫12使得在中心电极4a和4b的两端与磁铁6之间插入，以使磁铁6和中心电极4b保持预定的间隔。

根据铁氧体薄板的厚度与中心电极的长度，改变该隔离器的每个输入-输出阻抗。但是，通过匹配该阻抗与输入-输出线路阻抗，可以减少由阻抗的失配引起的损耗。这个实施例使用具有这样厚度的铁氧体薄板5：铁氧体薄板5的底表面放置在盒1表面的上面。盒1的厚度可以减少，以使在该铁氧体薄板的下表面上提供的中心电极的接地电极与下磁轭紧密的接触。

图10A、10B、10C和10D是表示上面描述的隔离器的频率特性的曲线图。图11A、11B、11C和11D是作为对比表示隔离器的频率特性的曲线图。图10A和11A表示输入反射特性(S11)，图10B和11B表示传输特性(S21)，图10C和11C表示绝缘特性(S12)，而图10D和11D表示输出反射特性(S22)。

在具有在图10A、10B、10C和10D中的曲线的隔离器中，两个中心电极的交角是90°，和该电阻器是连接在输入-输出端之间，如在图5中所示的。另一方面，具有在图11A、11B、11C和11D中的曲线的隔离器包括具有120°交角的三个中心电极，并且第三中心电极的一端经过一个电阻器接地。在两个隔离器中使用的铁氧体薄板的尺寸是相同的。

当使用两个中心电极时，和交角小于120°时，如上所述，可以在一个宽频带中获得好的隔离特性。根据本发明，在包含这样的两个中心电极和具有电极的交角小于120°的隔离器中，介入损耗减少了。因此，在一个宽的频率范围中可以获得小的介入损耗和在一个宽频带中可以获得好的隔离特性。

接下来参照图13描述通信设备的配置。

在振荡器诸如VCO等等的振荡输出部分提供上面描述的不同类型的隔离器之一，如在图13A中所示的，因此防止来自连接到该隔离器的输出部分的发送电路的反射波进入该振荡器。从而，振荡器的振荡稳定性增强了。

此外，如在图13B中所示的，在滤波器的输入部分提供一个隔离器用于匹配。从而，形成一个恒定阻抗的滤波器。在发送接收电路部分中提供这个电路以便形成一个通信设备。

在上面描述的实施例中，使用该不可逆电路设备作为一个隔离器。当根据两个端口之间的发送方向形成具有相位滞后是不同的特性的回转器(不可逆的移相器)时，片状电阻器8(在图3和4的等效电路中的电阻R)被去除。

根据本发明，可以避免中心电极与该磁铁紧密地接触，因此由第一或者第二中心电极引起的高频磁场到该磁铁的耦合可以减弱，并且由在该磁铁中引入的高频电流引起的损耗可以减少。

此外，该绝缘衬垫可以简单地通过覆盖具有在上面以抗蚀性薄膜形成的导线模型的基片提供。因此，不可逆电路设备的整个结构可以简化，并且部件的数量可以减少。

而且，电阻的安装结构可以简化，并且隔离器的配置可以容易地配置。

此外，可以抑制由中心电极它们自己引起的导线损耗，而且，由该磁铁引起的导体损耗可以有效地减少。因此，作为一个整体该介入损耗可以有效地减少。

最好粘接至该磁铁的绝缘薄膜使用作为该磁铁和该中心电极之间的绝缘衬垫。因此，保持该绝缘衬垫的结构变得简单了，并且装配可以容易地执行。

此外，可以获得低介入损耗和高绝缘特性。

中心电极可以安排在该铁磁部件的对角线方向。即，可以有效地安排长中心电极。因此，即使该铁磁部件尺寸是小的，也可以获得低损耗特性。该不可逆电路设备可以借助包括切割具有薄板或者矩形平行六面体形状的铁氧磁材料的一种方法形成。该设备的制造变得简单了。

此外，即使第一和第二电极的电感具有一个差值，在从输入端到输出端的正向方向中的发送信号的相位和从输出端到输入端的反向方向中发送信号的相位之间的差值变成180°。因此，可以获得期望的绝缘特性。

此外，第一和第二中心电极以及该电容器与被屏蔽的磁轭一起具有一个地电位。因此，可以抑制虚假分量的产生。

磁轭是与该中心电极分开的，使得抑制在该磁轭中产生的高频电流，增强Q值并且减少介入损耗。

另外，接地可以增强，并且可以抑制不必要的电感或者静态的电容部件。因此，有利地，减少从该输入端到该输出端的直接到达的电波，并且带宽变得更宽。此外，通过在振荡电路的输出部分中或者在滤波器的输入部分中提供不可逆电路设备，可以获得具有低损耗和稳定的特性的通信设备。

Claims (13)

1．一个不可逆电路设备，它包括第一中心电极，该电极的一端连接到输入端和另一端接地，第二中心电极，在电极之间在绝缘状态下与第一中心电极相交，第二中心电极的一端连接到输出端，它的另一端接地，与第一和第二中心电极相邻提供一个铁磁部件，一个磁铁，用于将静态磁场基本上垂直于铁磁部件加在该铁磁部件上，一端连接到输入端和另一端接地的第一电容器，一端连接到输出端、另一端接地的第二电容器，以及在该磁铁和第一或者第二中心电极之间的一个绝缘衬垫。

2．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中第一和第二中心电极包括分别在基片的相反两侧形成的导线模型，和该绝缘衬垫包括在该导线模型的表面上形成的抗蚀性薄膜。

3．根据权利要求2的不可逆电路设备，其中连接在该输入端和该输出端之间的一个电阻安装在该基片上。

4．根据权利要求2的不可逆电路设备，其中每个导线模型包括具有至少30μm厚度的金属箔，和该抗蚀性薄膜具有至少50μm的厚度。

5．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中该绝缘衬垫包括粘接到该磁铁的一个绝缘薄膜。

6．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中第一和第二中心电极之间的交角是包括在90°和100°之间的一个预定的角度。

7．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中该铁磁部件具有基本上矩形的平行六面体形状。

8．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中第一和第二电容器的电容量是基本上相同的。

9．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中第一和第二中心电极、该铁磁部件、该磁铁和第一和第二电容器分别是由屏蔽的磁轭环绕的，所述磁轭构成用于加上该静态磁场的一个磁路，并且该磁轭具有地电位。

10．根据权利要求9的不可逆电路设备，其中分别在该磁轭和该中心电极之间提供绝缘体层。

11．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中提供多个接地端，至少两个接地端和输入端是在该盒的一侧提供的，并且在该盒的另一侧提供至少两个剩余的接地端和输出端。

12．包括根据权利要求1的不可逆电路设备的一种通信设备。

13．根据权利要求1的不可逆电路设备，其中第一和第二中心电极之间的交角是90°。

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