DE10056543A1 - Nichtreziprokes Schaltkreiselement - Google Patents

Abstract

Ein nichtreziprokes Schaltkreiselement weist ein magnetisches Bauteil und einen Magneten für das Anlegen eines Gleichstrommagnetfeldes an dem genannten magnetischen Bauteil auf, wobei das magnetische Bauteil eine ferromagnetische Haltwertsbreite für Resonanz von ca. 200 A/m oder weniger aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein nichtreziprokes Schalt­ kreiselement und insbesondere auf ein nichtreziprokes Schalt­ kreiselement, wie z. B. einen Zirkulator und einen Isolator, zur Verwendung im Mikrowellenband.

Allgemein dienen Isolatoren mit konzentrierter Konstante, welche bei mobilen Kommunikationsanwendungen, wie z. B. Zellu­ lartelefonen, verwendet werden, dazu, Signale lediglich in der Übertragungsrichtung zu übertragen, während das Signal in der Gegenrichtung blockiert wird. In dem Maße, wie die Nach­ frage nach kleineren und leichteren Mobilkommunikationsgerä­ ten zunimmt, wird auch bei Isolatoren mit konzentrierter Kon­ stante verlangt, daß sie kleiner und leichter sind.

Ein Problem liegt jedoch darin, daß bei einer Reduzierung der Komponente in dem an sich bekannten Isolator mit konzentrier­ ter Konstante die Eigenschaft der niedrigen Einfügedämpfung, eine für die Isolatoren kritische Eigenschaft, verschlechtert wird.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein nicht reziprokes Schaltkreiselement zu liefern, das der Nachfrage nach einem kleineren und leichteren Element gerecht wird.

Ein erfindungsgemäßes nichtreziprokes Schaltkreiselement hat ein magnetisches Bauteil und einen Magneten zum Anlegen eines Gleichstrommagnetfeldes am magnetischen Bauteil. Das nicht reziproke Schaltkreiselement ist dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz des magne­ tischen Bauteils ca. 200 A/m oder weniger beträgt.

Bei dem nichtreziproken Schaltkreiselement nach der Erfindung wird das magnetische Bauteil vorzugsweise aus einem Einkri­ stallmaterial hergestellt, und weiter vorzugsweise aus einem magnetischen Einkristall-Granatmaterial.

Da das nichtreziproke Schaltkreiselement nach der Erfindung das magnetische Bauteil verwendet, dessen ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz ca. 200 A/m oder weniger be­ trägt, können eine Reduzierung der Größe und des Gewichtes und gleichzeitig die Aufrechterhaltung der Eigenschaft der geringen Einfügedämpfung erreicht werden.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er­ findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu­ tert werden.

Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung mit der Darstellung eines Isolators mit konzentrierter Konstante, auf den die Erfindung angewandt wird.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläu­ tert.

Fig. 1 ist eine Explosionszeichnung eines Isolators mit kon­ zentrierter Konstante nach einem Merkmal der Erfindung. Ein Isolator mit konzentrierter Konstante 10 weist ein oberes Joch 12 und ein unteres Joch 14 auf. Zwischen dem oberen Joch 12 und dem unteren Joch 14 ist ein aus Harz bestehendes Ge­ häuse 16 angeordnet. In dem Gehäuse 16 werden drei Kondensa­ toren 18, ein Widerstand 20, ein magnetisches Granat 22 als magnetisches Material und ein Permanentmagent 24 unterge­ bracht. An der Oberfläche des magnetischen Granats 22 werden drei zentrale Leiter 26, die elektrisch voneinander isoliert sind, in der Weise angeordnet, daß sie jeweils einen Winkel von 120° bilden. Von den drei zentralen Leitern 26 werden zwei zentrale Leiter 26 mit jeweils zwei Kondensatoren 18 zum Zwecke der Impedanzanpassung verbunden, wobei jeder der bei­ den zentralen Leiter 26 mit einem der beiden Kondensatoren 18 verbunden ist, deren jeweils eines Ende der Eingangsanschluß bzw. der Ausgangsanschluß ist. Das jeweils andere Ende ist geerdet. Der verbleibende zentrale Leiter 26 wird mit einem der Kondensatoren 18 und mit einem Widerstand 20 in der Weise verbunden, daß der zentrale Leiter 26 als Isolator wirkt. Der andere wird geerdet. Der in Fig. 1 gezeigte Isolator mit kon­ zentrierter Konstante 10 wird in der Weise ausgeformt, daß er Abmessungen von 1,6 mm × 1,6 mm × 0,6 mm aufweist.

Beispiel 1 verwendet als magnetisches Granat 22 in dem in Fig. 1 gezeigten Isolator mit konzentrierter Konstante 10 ein Plättchen von 0,5 mm Durchmesser und 0,2 mm Stärke, das aus Einkristallmaterialien (Y₃Fe₅O₁₂) ausgeschnitten wird, welche verschiedene ferromagnetische Halbwertsbreiten für Resonanz aufweisen. Die Einkristalle werden durch ein Schwebezonenver­ fahren gezüchtet. Tabelle 1 zeigt in Beispiel 1 die Beziehung zwischen der Halbwertsbreite der ferromagnetischen Resonanz und der Einfügedämpfung bei 1 GHz.

Tabelle 1

Wie in Tabelle 1 gezeigt, weisen die Proben 1 bis 4, deren ferromagnetische Halbwertsbreiten für Resonanz 200 A/m (ca. 2,50 e) oder weniger betragen, eine Einfügedämpfung von weni­ ger als 2,0 dB auf und sind demzufolge für die Verwendung als Isolatoren zu bevorzugen. Probe 5, deren ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz mehr als 200 A/m beträgt, hat jedoch eine Einfügedämpfung von mehr als 2,0 dB und ist nicht zur Verwendung als ein Isolator geeignet.

Es sollte vermerkt werden, daß die mit * versehene Probe nicht innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt. Die anderen befinden sich im Rahmen der Erfindung.

Beispiel 2

Beispiel 2 verwendet als magnetisches Granat 22 in dem in Fig. 1 gezeigten Isolator mit konzentrierter Konstant 10 ein Plättchen von 0,5 mm Durchmesser und 0,2 mm Stärke, das aus Einkristallmaterial (Y₃Fe₅O₁₂) mit verschiedenen ferromagneti­ schen Halbwertsbreiten für Resonanz ausgeschnitten wird. Die Einkristalle werden durch die Flußmethode gezüchtet. Tabelle 2 zeigt in Beispiel 2 die Beziehung zwischen einer ferroma­ gnetischen Halbwertsbreite für Resonanz und der Einfügedämp­ fung bei 1 GHz.

Tabelle 2

Wie in Tabelle 2 gezeigt, haben die Proben 6 bis 8, deren ferromagnetische Halbwertsbreiten für Resonanz 200 A/m oder weniger betragen, auch dann die Einfügedämpfung von weniger als 2 dB, wenn magnetische Granat-Einkristalle verwendet wer­ den, die durch das Flußverfahren gezüchtet werden, und sie sind demzufolge für die Verwendung als Isolatoren zu bevorzu­ gen. Probe 9, deren ferromagnetische Halbwertsbreite für Re­ sonanz mehr als 200 A/m beträgt, hat dagegen die Einfügedämp­ fung von mehr als 2 dB und ist zur Verwendung als Isolator nicht geeignet.

Es sollte angemerkt werden, daß die mit * versehene Probe nicht innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt. Die anderen befinden sich im Rahmen der Erfindung.

Beispiel 3

Beispiel 3 verwendet als magnetisches Granat 22 im in Fig. 1 gezeigten Isolator mit konzentrierter Konstante 10 ein Plätt­ chen, das einen Durchmesser von 0,5 mm, ein 0,1 mm starkes magnetisches Einkristall-Granatmaterial und ein 0,1 mm star­ kes amagnetisches Einkristall-Granatmaterial, das aus Einkri­ stallmaterialien (Y₃Fe₅O₁₂) ausgeschnitten wurde, welche ver­ schiedene ferromagnetische Halbwertsbreiten für Resonanz ha­ ben. Die Einkristalle werden durch die Flüssigkeitsphasen- Aufwachsmethode gezüchtet. Tabelle 3 zeigt in Beispiel 3 die Beziehung zwischen der ferromagnetischen Halbwertsbreite für Resonanz und der Einfügedämpfung bei 1 GHz.

Tabelle 3

Wie in Tabelle 3 gezeigt, haben die Proben 10 bis 12, deren ferromagnetische Halbwertsbreiten für Resonanz 200 A/m oder weniger betragen, auch dann eine Einfügedämpfung von weniger als 2 dB, wenn magnetische Granateinkristalle verwendet wer­ den, die durch das Flüssigkeitsphasen-Aufwachsverfahren ge­ züchtet werden, und sie sind demzufolge für die Verwendung als Isolatoren zu bevorzugen. Probe 13, deren ferromagneti­ sche Halbwertsbreite für Resonanz mehr als 200 A/m beträgt, hat dagegen eine Einfügedämpfung von mehr als 2 dB und ist zur Verwendung als Isolator nicht geeignet.

Es sollte angemerkt werden, daß die mit * versehene Probe nicht innerhalb des Rahmens der Erfindung liegt. Die anderen befinden sich im Rahmen der Erfindung.

Wie sich aus den oben beschriebenen Beispielen erhellt, wird die ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz des ferro­ magnetischen Bauteils nicht einfach durch ein Zusammenset­ zungsverhältnis bestimmt. Beispielsweise kann in dem Fall, wo das ferromagnetische Material ein Polykristall ist, die fer­ romagnetische Halbwertsbreite für Resonanz von der Sinter­ dichte des ferromagnetischen Bauteils abhängen. Für den Fall, bei dem das ferromagnetische Bauteil ein Einkristall ist, be­ einflussen die Kristallinität und der Oberflächenzustand des ferromagnetischen Bauteils die ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz desselben. Es ist demzufolge wichtig, die ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz in der Weise einzustellen, daß das magnetische Bauteil eine ferromagneti­ sche Halbwertsbreite für Resonanz von 200 A/m oder weniger hat. Solange die ferromagnetische Halbwertsbreite für Reso­ nanz ca. 200 A/m oder weniger beträgt, kann das magnetische Bauteil ein Y₃Fe₅O₁₂ sein, bei dem ein Anteil von Y durch Bi oder seltenen Erden, außer Y, und ein Anteil von Fe durch Ga, Al, In oder Sc ersetzt wird.

Es ist anzumerken, daß Seite 8 der Veröffentlichung "High- Frequency Device Components and Equipment Design" (1997) von Mimatsu Data Systems Proben von ferromagnetischen Halbwerts­ breiten für Resonanz bezüglich magnetischer Granate zeigt, die als magnetische Bauteile der derzeit auf dem Markt be­ findlichen Isolatoren mit konzentrierter Konstante verwendet werden. Demzufolge ist 398 A/m der niedrigste Wert.

Es ist auch anzumerken, daß die ungeprüfte japanische Patent­ veröffentlichung Nr. 10-233308 polykristallines magnetisches Keramikmaterial offenbart, welches eine kleine ferromagneti­ sche Halbwertsbreite für Resonanz aufweist und für nichtrezi­ proke Schaltkreiselemente geeignet ist. Nach dem Dokument ist die kleinste ferromagnetische Halbwertsbreite für Resonanz 160 e (1280 A/m), was sehr viel größer ist als der erfindungs­ gemäß verwendete Wert. Zusätzlich hat das ferromagnetische Bauteil in dem Dokument eine Plättchenform mit einem Durch­ messer von 25 mm und eine Stärke von 1,5 mm.

Es sollte angemerkt werden, daß, obwohl jedes der oben be­ schriebenen Beispiele in bezug auf die Isolatoren mit konzen­ trierter Konstante im 1 GHz-Band beschrieben wird, die Erfin­ dung gleichwohl für andere Frequenzbänder und andere Arten von nichtreziproken Schaltkreiselementen, außer Isolatoren, wie z. B. Zirkulatoren, geeignet ist. Darüber hinaus ist die Gesamtkonfiguration des nichtreziproken Schaltkreiselements nach der Erfindung nicht auf die in Fig. 1 gezeigte Konfigu­ ration beschränkt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden darge­ stellt, verschiedene Formen der Ausführung der hierin offen­ barten Grundsätze werden als im Rahmen der nachfolgenden Pa­ tentansprüche befindlich betrachtet. Demzufolge versteht es sich, daß der Rahmen der Erfindung nur durch die Patentan­ sprüche eingeschränkt wird.

Claims (8)

1. Nichtreziprokes Schaltkreiselement, welches ein magneti­ sches Bauteil und einen Magneten zum Anlegen eines Gleichstrommagnetfeldes an dem genannten magnetischen Bauteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das genann­ te magnetische Bauteil eine ferromagnetische Halbwerts­ breite für Resonanz von ca. 200 A/m oder weniger auf­ weist.

2. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das magnetische Bauteil ein Einkristallmaterial aufweist.

3. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das genannte Einkristall Y₃Fe₅O₁₂ aufweist, das wahlweise jeweils mindestens eines von Bi, Ga, Al, In, Sc und eine seltene Erde enthält.

4. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Bauteil ein magnetisches Einkristall-Granatmaterial aufweist.

5. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Halbwerts­ breite für Resonanz 180 A/m oder weniger beträgt.

6. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte nichtreziproke Schaltkreiselement ein Isolator ist.

7. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte nichtreziproke Schaltkreiselement ein Isolator mit konzentrierter Kon­ stante ist.

8. Nichtreziprokes Schaltkreiselement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte nichtreziproke Schaltkreiselement ein Zirkulator ist.