DE60032209T2

DE60032209T2 - Nichtreziproke anordnung mit konzentrierten elementen

Info

Publication number: DE60032209T2
Application number: DE60032209T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Kumagaya-shi TAKEDA; Yasushi Tottori-shi KISHIMOTO; Hiroyuki Iwami-gun ITOH; Kouji Ohmiya-shi ICHIKAWA; Shuichi Tottori-shi WATANABE
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: KR100643145B1; DE60032209D1; EP1098386A1; EP1098386B1; KR20010043838A; WO2000059065A1; US6696901B1; EP1098386A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung für das Mikrowellenband mit einem ferrimagnetischen Körper und insbesondere einen miniaturisierten, konzentriert-konstanten Breitband-Zirkulator/Isolator.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Entsprechend der Miniaturisierung von Halbleiterelementen wie ICs, Transistoren usw. sowie von passiven Elementen wie laminierten Chipkondensatoren, laminierten Chipinduktoren, Chipwiderständen usw. in der jüngsten Vergangenheit wurden auch Mikrowellenschaltungen, auf deren Oberfläche sich solche Elemente befinden, schnell miniaturisiert und in der Dicke verringert. Daher ist es erforderlich, daß auch konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtungen, die für Mikrowellenschaltungen extrem wichtig sind, miniaturisiert und in der Dicke verringert werden.
Eine herkömmliche konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung ist zum Beispiel ein konzentriert-konstanter Isolator mit drei Anschlüssen, von denen einer mit einem Widerstand R₀ verbunden ist. Im konzentriert-konstanten Isolator wird ein Signal in der einen Übertragungsrichtung im wesentlichen nicht abgeschwächt, während es in der Gegenrichtung extrem abnimmt. Der konzentriert-konstante Isolator wird daher in mobilen Kommunikationsgeräten wie Mobiltelephonen verwendet.
Die 22(a) und (b) zeigen schematisch den Aufbau eines solchen konzentriert-konstanten Isolators. Der konzentriert-konstante Isolator hat einen Aufbau, bei dem drei Sätze von Mittelleitern 1a, 1b, 1c auf einem ferrimagnetischen Körper 2 ineinander verflochten sind. Die eine Seite der Mittelleiter dient als Ein/Ausgangsanschlüsse ➀, ➁, ➂, und die andere Seite ist mit einem gemeinsamen Teil 3 (im vorliegenden Beispiel dem Masseleiter) verbunden, wobei an den Kreuzungsstellen der Mittelleiter durch isolierende Lagen 4 Kurzschlüsse verhindert werden. Zwischen die Ein/Ausgangsanschlüsse ➀, ➁, ➂ und den gemeinsamen Teil 3 (Masseleiter) geschaltete Kondensatoren C bestimmen die Betriebsfrequenz des Zirkulators. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes 5 an den ferrimagnetischen Körper 2 wird der Zirkulator mit der gewünschten Impedanz Z₀ betrieben. Um als Isolator zu wirken, wird zwischen den Ein/Ausgangsanschluß ➂ und den gemeinsamen Teil (Masseleiter) 3 ein Widerstand R₀ geschaltet.
Die 23 zeigt das Ersatzschaltbild dieses konzentriert-konstanten Isolators, in dem jeder Anschluß eines idealen Zirkulators mit drei Ein/Ausgangsanschlüssen ➀, ➁, ➂ mit einem Parallel-LC-Resonanzkreis verbunden ist. In der Darstellung ist der Anschluß ➀ ein Eingangsanschluß, der Anschluß ➁ ist ein Ausgangsanschluß; und der Anschluß ➂ ist mit einem Widerstand R₀ verbunden, der den gleichen Widerstandswert aufweist wie die Impedanz Z₀. In den 22 und 23 ist C die Kapazität und L die Induktivität des ferrimagnetischen Körpers 2, um den die Mittelleiter gewickelt sind. Die Induktivität L ändert sich in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld 5. Bei einem Zirkulator, der an die äußere Impedanz Z₀ angepaßt ist, ist der LC-Resonanzkreis bei der Mittenfrequenz f₀ in Resonanz, während die Eingangsimpedanz Z₀ Null ist, wenn mit jedem Anschluß eine passende Last verbunden ist.
Als weiteres Beispiel für eine konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung ist in den 24(a) und (b) schematisch ein konzentrier-konstanter Isolator mit zwei Anschlüssen dargestellt. Bei dem konzentriert-konstanten Isolator mit zwei Anschlüssen sind zwei Sätze von Mittelleitern 1a, 1b auf eine sich im wesentlichen senkrecht kreuzende Weise an dem ferrimagnetischen Körper 2 angeordnet. Das eine Ende der Mittelleiter ist jeweils ein Ein/Ausgangsanschluß ➀, ➁, und das andere Ende ist mit einem gemeinsamen Teil 3 (im vorliegenden Beispiel dem Masseleiter) verbunden, wobei an den Kreuzungsstellen der Mittelleiter durch isolierende Lagen 4 Kurzschlüsse verhindert werden. Zwischen die Ein/Ausgangsanschlüsse ➀, ➁ und den gemeinsamen Teil 3 (Masseleiter) geschaltete Kondensatoren C bestimmen die Betriebsfrequenz des Zirkulators. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes 5 an den ferrimagnetischen Körper 2 wird der Zirkulator mit der gewünschten Impedanz Z₀ betrieben. Im Falle einer Übertragung in Gegenrichtung ist zur Energieabsorption zwischen die Anschlüsse ➀ und ➁ ein Widerstand R₀ geschaltet.
Die 25 zeigt das Ersatzschaltbild dieses konzentriert-konstanten Isolators mit zwei Anschlüssen, in dem jeder Anschluß eines idealen nichtreziproken Phasenschiebers mit zwei Ein/Ausgangsanschlüssen ➀, ➁ mit einem Parallel-LC-Resonanzkreis verbunden ist. In der Darstellung ist der Anschluß ➀ ein Eingangsanschluß; der Anschluß ➁ ist ein Ausgangsanschluß; und zur Energieabsorption bei einer Übertragung in Gegenrichtung ist parallel zum Widerstand R₀ ein idealer nichtreziproker Phasenschieber angeschlossen. Dieser ideale nichtreziproke Phasenschieber verschiebt die Phase um 2π nach vorn, wenn sich die Mikrowelle in Vorwärtsrichtung ausbreitet, und er verschiebt die Phase um π nach vorn, wenn sich die Mikrowelle in der Gegenrichtung ausbreitet. In den 24 und 25 ist C die Kapazität und L die Induktivität des ferrimagnetischen Körpers 2, um den die Mittelleiter gewickelt sind. Die Induktivität L ändert sich in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld 5. Bei einem Isolator, der an die äußere Impedanz Z₀ angepaßt ist, ist der LC-Resonanzkreis bei der Mittenfrequenz f₀ in Resonanz, während die Eingangsimpedanz Z₀ Null ist, wenn mit jedem Anschluß eine passende Last verbunden ist.
Im allgemeinen wird die Größe der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung in den beiden obigen Beispielen durch die Größe des darin enthaltenen ferrimagnetischen Körpers (Granat) 2 bestimmt. Die optimale Größe des fernmagnetischen Körpers ist etwa 1/8 der Wellenlänge λg der sich im ferrimagnetischen Körper ausbreitenden elektromagnetischen Welle, wenn der ferrimagnetische Körper in einem Magnetfeld betrieben wird, das den kleinsten Einfügungsverlust ergibt. Durch eine extreme Miniaturisierung wird der ferrimagnetische Körper 2 jedoch viel kleiner als der optimalen Größe entspricht, so daß das Magnetfeld groß sein muß, mit der Folge einer drastisch verringerten Bandbreite.
Entsprechend der stetig steigenden Anzahl von Nutzern ist es erforderlich, mit einem einzigen Mobiltelephon eine große Bandbreite abzudecken. Besonders bei Mobiltelephonen für ein relativ tiefes Band wie 800 MHz werden miniaturisierte konzentriert-konstante Breitband-Zirkulatoren/Isolatoren benötigt. Da jedoch die Miniaturisierung wie beschrieben der relativen Bandbreite entgegenläuft, führt eine Miniaturisierung der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtungen durch einfaches Verringern der Größe des ferrimagnetischen Körpers zu dem Problem, daß nicht die ganze Bandbreite abgedeckt wird, die für Mobiltelephone erforderlich ist.
Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die obigen Probleme des Standes der Technik zu überwinden und eine miniaturisierte konzentriert-konstante, nichtreziproke Breitband-Vorrichtung zu schaffen, zum Beispiel einen Zirkulator oder Isolator.
Die Druckschriften JP 56-20322 A und JP 56-24815A beschreiben eine nichtreziproke Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung umfaßt einen Permanentmagneten zum Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes an einen ferrimagnetischen Körper; eine Anordnung mit einer Anzahl von Mittelleitern, die um den ferrimagnetischen Körper gewickelt oder mindestens teilweise in ihn eingebettet sind, wobei jeweils das eine Ende der Mittelleiter als gemeinsamer Anschluß und das andere Ende als erster Ein/Ausgangsanschluß dient; eine Anzahl von zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen; eine Anzahl von Impedanzwandlerschaltungen, jeweils zwischen den zweiten Ein/Ausgangsanschluß und den ersten Ein/Ausgangsanschluß geschaltet sind; sowie eine Anzahl von Lastkondensatoren, die jeweils zwischen den ersten Ein/Ausgangsanschluß und den gemeinsamen Anschluß geschaltet sind; wobei die Eingangsimpedanz Z_i der ersten Ein/Ausgangsanschlüsse und die mit den zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen verbundene externe Impedanz Z₀ bei der Betriebsfrequenz die Beziehung 0,05 ≤ Z_i/Z₀ ≤ 0,9 erfüllen.
Die Impedanzwandlerschaltung umfaßt vorzugsweise eine zwischen jeweils einem ersten Ein/Ausgangsanschluß und jeweils einem zweiten Ein/Ausgangsanschluß liegende Induktivität und eine zwischen jeweils einem zweiten Eingangs/Ausgangsanschluß und dem Masseleiter liegende elektrostatische Kapazität. Die Impedanzwandlerschaltung weist vorzugsweise eine elektrostatische Kapazität auf, die kleiner ist als die Lastkapazität. Die Induktivität der Impedanzwandlerschaltung wird vorzugsweise durch eine verteilte konstante Leitung gebildet.
Die Anzahl der zweiten Ein/Ausgangsanschlüsse ist vorzugsweise drei, und zwischen einem der zweiten Ein/Ausgangsanschlüsse und dem Masseleiter oder dem gemeinsamen Anschluß liegt ein Widerstand, wodurch die konzentriert-konstante nichtreziproke Vorrichtung als Isolator arbeitet. Auch kann zwischen einem der drei ersten Ein/Ausgangsanschlüsse und dem Masseleiter oder dem gemeinsamen Anschluß ein Widerstand liegen, wodurch die konzentriert-konstante nichtreziproke Vorrichtung als Isolator arbeitet.
Die Induktivität und elektrostatische Kapazität der Impedanzwandlerschaltung sind vorzugsweise in einem integrierten Aufbau ausgebildet. Der integrierte Aufbau ist vorzugsweise ein keramischer Schichtkörper, der durch Laminieren einer Anzahl von mit Elektroden bedruckten Rohkeramik-Lagen und Sintern des sich ergebenden Laminats bei einer Temperatur von 800 bis 1100 °C hergestellt wird.
Der integrierte Aufbau kann auch dadurch hergestellt werden, daß mindestens eine Induktivität und eine elektrostatische Kapazität der Impedanzwandlerschaltungen sowie die zwischen den ersten Ein/Ausgangsanschlüssen und dem gemeinsamen Anschluß liegende Lastkapazität in Dünnfilmtechnik auf demselben isolierenden Substrat ausgebildet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes einer konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes einer konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes eines Zirkulators niedriger Impedanz nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Induktivität L₁ und der elektrostatischen Kapazität C₁ und dem Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ der Impedanzwandlerschaltung der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der relativen Bandbreite W und dem Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ der Impedanzwandlerschaltung der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der relativen Bandbreite W und dem K_i/K (Z_i/Z₀) der Impedanzwandlerschaltung der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine graphische Darstellung der Änderung der elektrostatischen Kapazität C₁ und der Lastkapazität C₂ mit K_i/K (Z_i/Z₀) bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes einer konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes eines konzentriert-konstanten Isolators nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes eines konzentriert-konstanten Isolators nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Aufbaus des konzentriert-konstanten Isolators der 9;
12 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Aufbaus des integrierten Laminats bei dem konzentriert-konstanten Isolator der 11;
13 ist eine Teil-Schnittansicht der Laminatstruktur des integrierten Laminats der 12;
14 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Einfügungsverlust S21 und dem Gegenrichtungsverlust S12 und der Frequenz des erfindungsgemäßen Isolators sowie eines herkömmlichen Isolators;
15 ist eine Teil-Schnittansicht des Aufbaus eines konzentriert-konstanten Isolators nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Aufbaus des integrierten Laminats bei dem konzentriert-konstanten Isolator der 15;
17 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes eines konzentriert-konstanten Isolators mit zwei Anschlüssen nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
18 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes eines konzentriert-konstanten Isolators mit zwei Anschlüssen nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
19 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des konzentriert-konstanten Isolators in BEISPIEL 1;
20 ist eine auseinandergezogene Ansicht des Aufbaus des integrierten Laminats bei dem konzentriert-konstanten Isolator der 19;
21 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels für eine Anordnung zur Verwendung bei der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung der vorliegenden Erfindung;
22(a) ist eine Aufsicht auf einen herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolator;
22(b) ist eine Schnittansicht des herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolators der 22(a);
23 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes des herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolators der 22(a);
24(a) ist eine Aufsicht auf einen herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolator mit zwei Anschlüssen;
24(b) ist eine Schnittansicht des herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolators der 24(a) mit zwei Anschlüssen; und
25 ist eine schematische Ansicht des Ersatzschaltbildes des herkömmlichen konzentriert-konstanten Isolators der 24(a) mit zwei Anschlüssen.
BESTE ART DER ERFINDUNGSAUSFÜHRUNG
[1] Ferrimagnetischer Körper
Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Miniaturisierung wird anhand eines konzentriert-konstanten Zirkulators mit einem entsprechenden Aufbau mit drei Anschlüssen als Beispiel erläutert. Wenn die an den Zirkulator angeschlossene äußere Schaltung eine Leitungsimpedanz Z₀ (gewöhnlich 50 Ω) aufweist, sollte zwischen der Sättigungsmagnetisierung 4πMs und der Luft-Kern-Induktivität K des ferrimagnetischen Körpers die durch die untenstehende Formel (1) ausgedrückte Beziehung im wesentlichen erfüllt sein, damit der Zirkulator durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds 5 an den fernmagnetischen Körper 2 bei der gewünschten Impedanz Z₀ betrieben werden kann. Die Formel (1) wurde aus der Formel (10) in "Improvement of Temperature Characteristics of VHF-Band, Concentrated-Constant Circulator", Takeda und Kawashima, The Journal of The Electronic Communications Association, '85/6, Bd. J68-B, Nr. 6, Seite 693 abgeleitet. (Hin + 4πMs)K1/2 = A·(Z0·4πMs)1/2 (1),wobei A eine Konstante ist und H_in das innere Magnetfeld, das durch die folgende Formel (2) ausgedrückt wird: Hin = Hext – N·4πMs (2),wobei H_ext das äußere Magnetfeld ist und N der effektive Demagnetisierungsfaktor.
Mit der obigen Formel (1) im Kopf werden im folgenden die Probleme der Miniaturisierung (Verringerung der Luft-Kern-Induktivität K) des Zirkulators erläutert. Wenn die Leitungsimpedanz Z₀ und die Sättigungsmagnetisierung 4πMs des ferrimagnetischen Köpers konstant sind, ist die rechte Seite der Formel (1) konstant, mit der Folge, daß das innere Magnetfeld H_in angehoben werden sollte, um die Luft-Kern-Induktivität K herabzusetzen. Ein Anheben des inneren Magnetfeldes H_in führt zu einer Verringerung der Induktivität L des Teils des ferrimagnetischen Körpers, um den die Mittelleiter gewickelt sind, mit der Folge einer Verringerung der Bandbreite. Um den Zirkulator optimal zu betreiben, ist es daher erforderlich, das innere Magnetfeld H_in konstant zu halten.
Eine Methode, das innere Magnetfeld H_in konstant zu halten, auch wenn die Luft-Kern-Induktivität K durch die Miniaturisierung des Zirkulators abnimmt, ist die Verringerung der Impedanz Z₀ der angeschlossenen äußeren Schaltung proportional zur Luft-Kern-Induktivität K. Das heißt, daß, wenn die Luft-Kern-Induktivität K durch die Miniaturisierung des fernmagnetischen Körpers von K auf K_i abnimmt, nur die Impedanz Z₀ der äußeren Schaltung auf Z_i verringert zu werden braucht. Um das innere Magnetfeld H_in konstant zu halten, braucht daher nur die Beziehung K_i/K = Z_i/Z₀ erfüllt zu werden. Bei dem Zirkulator der 22 zum Beispiel kann der miniaturisierte konzentriert-konstante Zirkulator dadurch mit einem konstanten H_in (einer konstanten Bandbreite) versehen werden, daß der Zirkulator so eingestellt wird, daß die Eingangsimpedanz am Anschluß ➀ gleich Z_i ist, während mit der Luft-Kern-Induktivität K_i und den Anschlüssen ➁, ➂ des miniaturisier ten, konzentriert-konstanten Zirkulators eine passende Last der Induktivität Z_i verbunden wird.
Durch Einstellen der Eingangsimpedanz Z_i gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung auf einen Wert, der kleiner als Z₀ ist, kann somit ein miniaturisierter konzentriert-konstanter Zirkulator mit verringerter Luft-Kern-Induktivität K erhalten werden. Die 3 zeigt das Ersatzschaltbild eines konzentriert-konstanten Zirkulators, der so eingestellt ist, daß die Impedanz auf einen Wert Z_i kleiner Z₀ reduziert ist. Bei diesem konzentriert-konstanten Zirkulator ist jeder Anschluß eines idealen Zirkulators mit drei Ein/Ausgangsanschlüssen ➀a, ➁a, ➂a mit einem Parallelresonanzkreis aus einer Lastkapazität C₂ und der Induktivität L₂ des Teils des ferrimagnetischen Körpers 2, um den die Mittelleiter gewickelt sind, verbunden. Im folgenden wird Z_i die innere Impedanz genannt und Z₀ die äußere Impedanz.
[2] Impedanzwandlerschaltung IMT
(A) Aufbau der Impedanzwandlerschaltung IMT
Um den Zirkulator wie in der 2 gezeigt in einer Leitung mit der Impedanz Z₀ zu verwenden, werden zwischen die ersten Ein/Ausgangsanschlüsse ➀a, ➁a, ➂a und die Zuleitungen des Zirkulators mit der Impedanz Z₀ Impedanzwandlerschaltungen IMT geschaltet. Die Ein/Ausgangsanschlüsse ➀b, ➁b, ➂b der Impedanzwandlerschaltungen IMT auf der Seite von Z₀ werden hier zweite Ein/Ausgangsanschlüsse genannt und von den ersten Ein/Ausgangsanschlüssen ➀a, ➁a, ➂a unterschieden.
Die einzelnen Impedanzwandlerschaltungen IMT bestehen unter Berücksichtigung des Einfügungsverlustes des gesamten konzentriert-konstanten Zirkulators, zu dem die Impedanzwandlerschaltungen IMT hinzugefügt werden, vorzugsweise nicht aus einem Widerstandselement, sondern aus einer Induktivität und einer elektrostatischen Kapazität. Wie in der 1 gezeigt, wird jede Impedanzwandlerschaltung IMT durch eine Schaltung vom L-Typ gebildet, die zwischen den zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen ➀b, ➁b, ➂b auf der Seite der größeren Impedanz Z₀ und einem Masseleiter eine elektrostatische Kapazität C₁ und zwischen den zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen ➀b, ➁b, ➂b und den ersten Ein/Ausgangsanschlüsse ➀a, ➁a, ➂a eine Induktivität L₁ enthält.
Um bei der Mittenfrequenz f₀ die äußere Impedanz Z₀ an die innere Impedanz Z_i anzupassen, sollten C₁ und L₁ die folgenden Beziehungen erfüllen:
wobei ω die Winkelfrequenz 2πf0 ist.
Die 4 zeigt C₁ und L₁ [jeweils durch die Formel 3 bzw. 4 ausgedrückt] für f₀ = 836 MHz und Z₀ = 50 Ω. C₁ nimmt mit abnehmenden Z_i/Z₀ linear zu, während L₁ bei Z_i/Z₀ = 0,5 einen Maximalwert L_1max erreicht, was eine symmetrische Variation ergibt. Generell wird, wenn die Mittenfrequenz f₀ (MHz) feststeht, L_1max bestimmt zu L1max = 3979/f0 [nH] (5).
Aus dieser Gleichung ist zu ersehen, daß, wenn der Anstieg im Einfügungsverlust durch die Impedanzwandlerschaltung hauptsächlich auf dem Widerstand von L₁ beruht, der Einfügungsverlust eine obere Grenze hat, die auch dann nicht mehr drastisch ansteigt, wenn Z_i/Z₀ gleich 0,5 oder kleiner wird.
(B) Optimale Beziehung zwischen der äußeren Impedanz Z₀ und der inneren Impedanz Z_i
Die 5 zeigt, wie sich die relative Bandbreite W mit dem Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ der Impedanzwandlerschaltung bei konstanter Luft-Kern-Induktivität K (ohne Änderung der Formen des ferrimagnetischen Körpers und des Mittelleiters) für f₀ = 836 MHz und Z₀ = 50 Ω verändert. Wenn zwei Zirkulatoren mit kleinen fernmagnetischen Körpern mit einer Luft-Kern-Induktivität K von 1,17 nH bzw. 0,80 nH an die äußere Impedanz Z₀ = 50 Ω (Z_i = Z₀) angepaßt werden, betragen bei einem Gegenrichtungs-Einfügungsverlust von 20 dB ihre relativen Bandbreiten W 3,9 % bzw. 2,4 %, so daß der in der Praxis erforderliche Wert von 5 % oder mehr nicht erreicht wird.
Wenn jedoch zum Einstellen der inneren Impedanz Z_i auf 0,85 Z₀ oder 0,60 Z₀ die erfindungsgemäße Impedanzwandlerschaltung hinzugefügt wird, die die Gleichungen (3) und (4) erfüllt, wird die relative Bandbreite W 5 % oder größer. Damit kann sogar ein Zirkulator mit einer relativen Bandbreite W, die unter dem erforderlichen Wert liegt, in einen Zirkulator verwandelt werden, der den Standard erfüllt, wenn die erfindungsgemäße Impedanzwandlerschaltung verwendet wird. Mit Z_i/Z₀ ≤ 0,9 werden besondere günstige Auswirkungen erhalten.
Die 6 zeigt, wie sich die relative Bandbreite W mit dem Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ der Impedanzwandlerschaltung ohne Änderung des inneren Magnetfeldes H_in im ferrimagnetischen Körper auch bei einer kleinen Luft-Kern-Induktivität K (auch bei einer Miniaturisierung) für f₀ = 836 MHz verändert. Dabei beträgt die Luft-Kern-Induktivität K bei einem Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ = 1, das heißt wenn keine Impedanzwandlerschaltung verwendet wird, 1,6 nH. In der 6 zeigt die Kurve A den Fall, daß ein ferrimagnetischer Körper verwendet wird, und die Kurve B zeigt den Fall, daß zwei ferrimagnetische Körper verwendet werden, zwischen denen ein Mittelleiter liegt. Die relativen Bandbreiten W bei Z_i/Z₀ = 1 sind 5,76 % und 8,29 %.
Wie in der 6 gezeigt, steigt die relative Bandbreite W auch dann an, wenn das innere Magnetfeld H_in konstant bleibt, wenn der ferrimagnetische Körper miniaturisiert wird (K_i/K verringert wird), wodurch sich das Impedanz-Umwandlungsverhältnis Z_i/Z₀ (= K_i/K) verringert. Bei der Kurve A erreicht die relative Bandbreite W bei Z_i/Z₀ (= K_i/K) = 0,1 einen Maximalwert von 14 %. Im Falle der Kurve B erreicht die relative Bandbreite W bei Z_i/Z₀ (= K_i/K) = 0,2 einen Maximalwert von 22 %. Aus der 6 ist zu ersehen, daß der Anstieg der relativen Bandbreite W bei einem Z_i/Z₀ von 0,05 oder mehr erreicht wird. Mit der erfindungsgemäßen Impedanzwandlerschaltung kann somit der konzentriert-konstante Zirkulator miniaturisiert und mit einer erweiterten Bandbreite versehen werden.
Die 7 zeigt die Änderung der Lastkapazität C₂ und der elektrostatischen Kapazität C₁ mit K_i/K (= Z_i/Z₀) im Falle der Kurve A der 6 mit einem ferrimagnetischen Körper. Die Lastkapazität C₂ nimmt zwar mit abnehmenden K_i/K umgekehrt proportional schnell zu, die elektrostatische Kapazität C₁ steigt jedoch nicht sehr schnell an, mit der Folge, daß die Lastkapazität C₂ immer größer ist als die elektrostatische Kapazität C₁. Bei Z_i/Z₀ < 0,05 ist die Lastkapazität C₂ extrem groß, zu groß für praktische Zwecke.
(C) Aufbau der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß die Induktivität L₁, die elektrostatische Kapazität C₁ und die Lastkapazität C₂ in die Impedanzwandlerschaltung IMT integriert sind.
In dem Ersatzschaltbild der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung der 8 werden zum Beispiel die Bereiche A, B und C (von einer gestrichelten Linie umgeben) der Anschlüsse getrennt oder gemeinsam integriert, mit der Ausnahme der Induktivität L₂ des ferrimagnetischen Körpers, um den die Mittelleiter gewickelt sind. Bei dem konzentriert-konstanten Isolator der 9 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluß ➂b ein Dummy-Widerstand R₀ verbunden, der gleich der äußeren Impedanz Z₀ ist, wobei der Dummy-Widerstand R₀ mit den obigen Bereichen A und B als Teil des Bereichs C' integriert werden kann.
Die 11 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Aufbaus des konzentriert-konstanten Isolators der 9. Der konzentriert-konstante Isolator besteht aus einem Laminat (einer integralen Struktur) 9 aus einem dielektrischen Material, das eine Impedanzwandlerschaltung mit einer Induktivität L₁, eine elektrostatische Kapazität C₁ und eine Lastkapazität C₂ enthält. In einer Durchgangsöffnung 9a des Laminats 9 befindet sich eine Anordnung 8, die aus einem ferrimagnetischen Körper 2 besteht, um den Mittelleiter 1a, 1b und 1c gewickelt sind. Die zweiten Ein/Ausgangsanschlüsse ➀b, ➁b, ➂b und drei Masseanschlüsse G sind auf die Seitenflächen des Laminats 9 als Dickfilm aufgedruckt oder darauf übertragen. Auf dem Verbindungsmuster auf der Oberseite des Laminats 9 ist ein chipförmiger Dummy-Widerstand 11 angebracht, und der Anschluß ➂b ist mit dem Masseanschluß G verbunden. Am ferrimagnetischen Körper 2 sind ein Permanentmagnet 7, etwa ein Ferritmagnet, zum Anlegen des äußeren Magnetfeldes 5 und Eisenjoche 6, 10 angebracht, die einen geschlossenen magnetischen Pfad ausbilden.
Das integrierte Laminat 9 wird durch Aufdrucken einer Leitpaste aus Ag, Cu etc. auf grüne Keramikplatten aus einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstanten von 5 bis 15 zur Ausbildung der Elektroden, Laminieren und Druckverbinden und dann Brennen des sich ergebenden Laminats bei einer Temperatur von 800 bis 1100 °C hergestellt.
Die 12 ist eine auseinandergezogene Ansicht des integrierten Laminats 9 der 11. Dieses Laminat 9 wird durch Laminieren von grünen Keramikplatten 1 bis 12 hergestellt. Um die Durchgangsöffnung 9a der obersten Platte 1 herum sind Kontaktflächen (erste Ein/Ausgangsanschlüsse) ➀a, ➁a, ➂a für die Verbindung der Mittelleiter 1a, 1b, 1c mit der Lastkapazität C₂ ausgebildet. Die Platte 2 unter der Platte 1 ist mit spiraligen Elektrodenleitungen versehen, die die Induktivität L₁ bilden. Die Platten 4, 6, die mit Elektrodenmustern zum Ausbilden der Lastkapazität C₂ versehen sind, sind abwechselnd mit Platten 3, 5 und 7 angeordnet, bei denen im wesentlichen die ganze Oberfläche mit einem Masseleitermuster bedeckt sind. In dem vorliegenden Beispiel wird die Lastkapazität C₂ durch einen laminierten Vierschichtkondensator gebildet; die Anzahl der Laminate kann jedoch in Abhängig vom Wert der erforderlichen Lastkapazität C₂ verändert werden. Die Platte 8 ist mit einem Elektrodenmuster versehen, das die elektrostatische Kapazität C₁ bildet, und liegt zwischen Platten 7 und 9, auf denen Masseleitermuster ausgebildet sind. Auf den Platten 10 bis 12 befinden sich Eisenjoche 10, die durch Stanzen etc. ausgebildet werden.
Die 13 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Laminat 9 in der Nähe des zweiten Ein/Ausgangsanschlusses ➀b. Die im Laminat 9 ausgebildete Induktivität L₁ und elektrostatische Kapazität C₁ sind miteinander an einer Seitenfläche des Laminats 9 verbunden, und die Induktivität L₁ und Lastkapazität C₂ verlaufen durch eine Elektrode in einer Durchgangsöffnung zur Oberseite des Laminats 9, wo sie einen ersten Ein/Ausgangsanschluß ➀a bilden, der mit den Mittelleitern der Anordnung 8 verbunden ist.
Die 14 zeigt die elektrischen Eigenschaften eines miniaturisierten, rechteckigen Isolators mit 5 mm Seitenlänge mit dem Aufbau der 11 zusammen mit denen eines herkömmlichen Isolators. Bei dem miniaturisierten Isolator sind f₀ = 836 MHz, C₂ = 19 pF, C₁ = 2,2 pF und L₁ = 4,1 nH. Mit diesen Parametern errechnet sich die innere Eingangsimpedanz Z_i des Isolators zu 37,4 Ω. In der 14 gibt die ausgezogene Linie die elektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Isolators an, bei dem die Impedanzwandlerschaltung und die Lastkapazität C₂ zusammen integriert sind, und die gestrichelte Linie zeigt die elektrischen Eigenschaften des herkömmlichen Isolators, der ohne eine Impedanzwandlerschaltung an die äußere Impedanz Z₀ angepaßt wird. Obwohl beide im wesentlichen den gleichen Einfügungsverlust S21 von etwa 0,5 dB bei der Mittenfrequenz aufweisen, ist der erfindungsgemäße Isolator dem herkömmlichen Isolator darin weit überlegen, daß er eine viel größere Bandbreite hat als dieser. Der Vergleich der relativen Bandbreite an der Stelle, bei der der Gegenrichtungs-Einfügungsverlust S 12 20 dB oder kleiner wird, hat ergeben, daß sie im erfindungsgemäßen Isolator 5,8 % beträgt, 2 % besser als die 3,8 % des herkömmlichen Isolators.
Die 15 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Isolators nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Durch ein Dünnfilmverfahren werden in dem integrierten Laminat 12 Impedanzwandlerschaltungen mit der Induktivität L₁, der elektrostatischen Kapazität C₁ und der Lastkapazität C₂ ausgebildet. In einer mittigen Durchgangsöffnung des integrierten Laminats sind von der Rückseite her ein ferrimagnetischer Körper 2 und eine Massekappe 13 aus einer Leiterplatte angeordnet. Das integrierte Laminat 12 ist auf einer Kunstharzstruktur 14 angebracht, die durch Kugel lot integral mit Verbindungsanschlüssen versehen ist. Die Kunstharzstruktur 14 ist mit den zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen ➀b, ➁b, dem freiliegenden Isolieranschluß ➂b und drei Masseanschlüssen G versehen.
Die 16 ist eine auseinandergezogene Ansicht des integrierten Laminats 12 der 15. In der Mitte des auf einem isolierenden Substrat ausgebildeten Leitungsmusters 1 sind ineinander verschlungene Mittelleiter ausgebildet. Um die Mittelleiter sind Spiralleiter mit der Induktivität L₁ und ein Widerstandselement 11 ausgebildet, die eine Impedanzwandlerschaltung bilden. Die anderen gestrichelten Bereiche sind Masseleiter. Auf dem Leitungsmuster 1 ist ein Isolierschichtmuster 2 ausgebildet. Die runden Bereiche sind Durchgangsöffnungen ohne Isolierschicht und die bogenförmigen Bereiche a, b, c Durchgangsöffnungen zum Kontaktieren der Endvorsprünge der Massekappe 13 mit dem Masseleiter des Leitungsmusters 1. 3 bezeichnet ein auf dem Isolierschichtmuster 2 ausgebildetes Leitungsmuster.
Der mittlere Abschnitt des Leitungsmusters 3 verläuft durch eine Durchgangsöffnung des Isolierschichtmusters 2, um eine Verbindung mit dem Leitungsmuster 1 zu haben und dadurch ineinander verschlungene Mittelleiter auszubilden. Die Mittelleiter bilden in dem obigen Ersatzschaltbild die Induktivität L₂. Die Lastkapazität C₂ wird mittels des Isolierschichtmusters 2 von drei großen Leitungsmustern, die an den anderen Enden der Mittelleiter ausgebildet sind, und einem Masseleiter des Leitungsmusters 1 ausgebildet. Die elektrostatische Kapazität C₁ der Impedanzwandlerschaltung wird mittels des Isolierschichtmusters 2 durch kleine Leitungsmuster in den Randbereichen und dem Masseleiter des Leitungsmusters 1 ausgebildet. Die Induktivität L₁ ist mittels in dem Isolierschichtmuster 2 ausgebildete Durchgangsöffnungen zwischen die ersten Ein/Ausgangsanschlüsse ➀a, ➁a, ➂a und die zweiten Ein/Ausgangsanschlüsse ➀b, ➁b, ➂b geschaltet. Durch diesen Aufbau wird die weitere Integration erleichtert, mit dem Ergebnis von weiter miniaturisierten Isolatoren.
Die 17 zeigt das Ersatzschaltbild eines konzentriert-konstanten Isolators mit zwei Anschlüssen nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bei dem obigen Isolator ist die Eingangsimpedanz Z_i auch hier kleiner als die äußere Impedanz Z₀ und wird von der Induktivität L₁ und der elektrostatischen Kapazität C₁ gebildet, die mit dem IMT verbunden sind. Wie in der 18 gezeigt, wird durch die Integration der Bereiche A und B an jedem der mit gestrichelten Linien umgebenen Anschlüsse mit Ausnahme der Mittelleiterabschnitte L₂ der um den ferrimagnetischen Körper gewickelten Impedanzwanderschaltung ein dem obigen konzentriert-konstanten Isolator entsprechender miniaturisierter konzentriert-konstanter Breitbandisolator mit zwei Anschlüssen erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden BEISPIELE weiter erläutert, ohne daß dadurch der Umgang der vorliegenden Erfindung darauf beschränkt werden soll.
BEISPIEL 1
Die 19 zeigt den konzentriert-konstanten Isolator dieses BEISPIELS und die 20 den inneren Aufbau des integrierten Laminats 9 davon. Das integrierte Laminat 9 wird durch Ausbilden der Induktivität L₁ und der elektrostatischen Kapazität C₁ der Impedanzwandlerschaltung IMT und der Lastkapazität C₂ auf Platten aus einem dielektrischen Material und Laminieren der Platten hergestellt. Das Ersatzschaltbild dieses konzentriert-konstanten Isolators ist das der 10. Der Unterschied zu dem konzentriert-konstanten Isolator der 9 ist hinsichtlich des Ersatzschaltbildes, daß die elektrostatische Kapazität C₁ und die Induktivität L₁ der Impedanzwandlerschaltung IMT zwischen dem zweiten Ein/Ausgangsanschluß ➂b und dem ersten Ein/Ausgangsanschluß ➂a weggelassen werden und daß mit dem ersten Ein/Ausgangsanschluß ➂a direkt ein Z_i entsprechender Dummy-Widerstand R_i verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung wird der Aufbau des Laminats einfach, mit dem Ergebnis einer weiteren Miniaturisierung des konzentriert-konstanten Isolators.
Das Laminat 9 wird durch Aufdrucken einer Leitpaste auf der Basis von Ag auf grüne Platten mit 50 bis 200 μm Dicke aus einem bei niedriger Temperatur sinterbaren, dielektrischen Keramikmaterial zum Ausbilden der vorgegebenen Elektrodenmuster, Laminieren diese Platten und Brennen des sich ergebenden Laminats zur Integration hergestellt. Bei dem konzentriert-konstanten Isolator dieses BEISPIELS ist die elektrostatische Kapazität C₁ = 2,2 pF, die Lastkapazität C₂ = 19 pF und die Induktivität L₁ = 4,1 nH.
Der innere Aufbau dieses Laminats 9 wird anhand der 20 in der Reihenfolge der Laminierung erläutert. Die unterste grüne Platte 10 wird mit den Elektrodenmustern 101, 102 für die Kondensatoren C₁ und dem Elektrodenmuster 103 für die Kondensatoren C₂ auf der Oberseite und mit einem Masseleiter (nicht gezeigt) sowie zwei Anschlußelektroden (nicht gezeigt) auf der Rückseite versehen. Die grüne Platte 10 und andere grüne Platten werden in ihren Randbereichen derart mit Durchgangselektroden (in der Zeichnung durch schwarze Kreise angezeigt) versehen, daß über die Durchgangselektroden Verbindungen zwischen den auf dem Laminat 9 ausgebildeten Elektrodenmustern und den Masseleitern sowie den beiden Anschlußelektroden erhalten werden.
Auf die grüne Platte 10 wird eine grüne Platte 9, die mit einem Masseleiter 104 versehen ist, und eine grüne Platte 8 auflaminiert, die mit einem Elektrodenmuster 105 für den Kondensator C₂ versehen ist. Durch in der grünen Platte 9 ausgebildete Durchgangselektroden wird das Elektrodenmuster 105 auf der grünen Platte 8 mit dem Elektrodenmuster 103 auf der grünen Platte 10 verbunden. Durch in den grünen Platten 1 bis 7 ausgebildete Durchgangselektroden wird außerdem das Elektrodenmuster 105 auf der grünen Platte 8 mit einem Elektrodenmuster 120 für den Kondensator C₂ verbunden, das auf der Oberseite der grünen Platte 1 ausgebildet wird. Der Kondensator C₂ innerhalb der gestrichelten Linie C der 10 wird damit zwischen dem Masseleiter auf der Rückseite und den Masseleitern 104, 108 und 117 ausgebildet.
Dann wird eine grüne Platte 7 mit den Leitungselektroden 106, 107 für die Induktivität L₁ und dem Masseleiter 108 auflaminiert. Darauf wird eine grüne Platte 6 mit den Leitungselektroden 109, 110 für die Induktivität L₁ und dem Masseleiter 111 laminiert. Die Induktivität L₁ innerhalb der gestrichelten Linie A der 10 wird durch Verbinden der Leitungselektroden 106 und 109 über eine Durchgangselektrode ausgebildet und die Induktivität L₁ innerhalb der gestrichelten Linie B der 10 durch Verbinden der Leitungselektroden 107 und 110 über eine Durchgangselektrode.
Dann wird eine grüne Platte 5 mit den Elektrodenmustern 112, 113 für den Kondensator C₂ auflaminiert. Diese Elektrodenmuster 112, 113 sind über Durchgangselektroden mit den Enden der Leitungselektroden 109, 110 verbunden. Über in den grünen Platten 1 bis 4 ausgebildete Durchgangselektroden sind außerdem die Elektrodenmuster 115, 116 für den Kondensator C₂ auf der grünen Platte 3 mit den Elektrodenmustern 118, 119 für den Kondensator C₂ auf der Oberseite der grünen Platte 1 verbunden. Im Ergebnis wird der Kondensator C₁ innerhalb der gestrichelten Linie A der 10 durch die Elektrodenmuster 112, 115, 118 ausgebildet, und der Kondensator C₁ innerhalb der gestrichelten Linie B der 10 wird durch die Elektrodenmuster 113, 116, 119 ausgebildet.
Nach dem Auflaminieren der grünen Platte 4 mit einem Masseleiter 114, der grünen Platte 3, der grünen Platte 2 mit einem Masseleiter 117 und der grünen Platte 1 in dieser Reihenfolge und Druckverbinden der Platten wird im mittleren Bereich des Laminats durch Stanzen mit einer Matrize eine Durchgangsöffnung 9a ausgebildet. Das sich ergebende Laminat aus grünen Platten wird dann zur Integration gebrannt, um ein integriertes Laminat 9 mit Außenabmessungen von 5,0 mm × 4,5 mm × 0,5 mm zu erhalten. Auf dieses Laminat 9 wird dann ein Chipwiderstand 11 aufgebracht. In einem alternativen Verfahren zum Ausbilden der Durchgangsöffnung 9a können grüne Platten verwendet werden, die bereits vorher ausgestanzt wurden.
Dieses Laminat 9 wird in einem Kunstharzgehäuse 200 untergebracht, das mit Leiterplatten zum Verbinden des hinteren Masseleiters mit Anschlußelektroden und äußeren Anschlüssen 202, 204, 205, 206 versehen ist. In der Durchgangsöffnung 9a ist eine Anordnung 8 mit einem scheibenförmigen ferrimagnetischen Körper 2 mit 2,2 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke sowie drei sich auf dem ferrimagnetischen Körper 2 isoliert überlappenden Mittelleitern 1a, 1b, 1c angeordnet. Die Mittelleiter sind an die Leitermuster 118, 119, 120 des Laminats 9 angelötet.
Das Kunstharzgehäuse 200 ist an einem unteren Joch angebracht, wobei die Unterseite des Kunstharzgehäuses 200 an das untere Joch 10 angepaßt ist und das untere Joch 10 an die Unterseite des Kunstharzgehäuses 200 angelötet wird. Dann wird das Laminat 9 mit der Anordnung 8 an die Oberseite des Kunstharzgehäuses 200 angelötet. Nachdem an einem oberen Joch 6 ein Ferritmagnet 7 zum Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes an den ferrimagnetischen Körper 2 der Anordnung 8 befestigt wurde, wird das obere Joch 6 mit dem unteren Joch 10 zusammengebracht, um den Isolator fertigzustellen.
In diesem BEISPIEL ist ein Teil des Elektrodenmusters für den Kondensator C₂ an der Außenseite des Laminats 9 ausgebildet. Bei einem solchen Aufbau kann, wenn die Mittenfrequenz f₀ nicht die gewünschte Frequenz ist, das Elektrodenmuster zur Einstellung der Kapazität des Kondensators C₂ getrimmt werden, wodurch sich die Mittenfrequenz f₀ leicht einstellen läßt.
Wenn der Abstand zwischen der Leitungselektrode für die Induktivität L₁ und dem Masseleiter kleiner wird, steigt die parasitäre Kapazität durch Unterschiede im Potential zwischen der Leitungselektrode und der Masseelektrode an. Der Verlust in der Impedanzwandlerschaltung IMT erhöht sich dadurch, was zu einer Fehlanpassung der Impedanz an die Leitungen zum Anschließen der konzentriert-konstanten, nichtreziproken Schaltung und einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften führen kann. Entsprechend wurde ein konzentriert-konstanter Isolator mit einem Laminat 9 mit einem Masseleiter auf der grünen Platte 4 oder der grünen Platte 5 hergestellt, um den Einfügungsverlust zu bewerten. Das Ergebnis ist in der Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
Wie die Tabelle 1 zeigt, ist der Einfügungsverlust um so kleiner, je größer der Abstand zwischen der Elektrode und dem Masseleiter in Laminierrichtung ist. Wenn der Abstand 100 μm oder mehr beträgt, kann ein für praktische Zwecke ausreichender Einfügungsverlust erhalten werden.
Der konzentriert-konstante Isolator enthält in diesem BEISPIEL einen ferrimagnetischen Körper. Das gleiche Ergebnis wird erhalten, wenn eine Anzahl von Mittelleitern zwischen zwei oder mehr ferrimagnetische Körpern gelegt wird. Die Kurve B der 6 zeigt den Fall, daß zwei ferrimagnetische Körper verwendet werden, woraus sich ergibt, daß durch die Verwendung von zwei ferrimagnetischen Körpern weitere vorteilhafte Effekte erhalten werden. Die positiven Auswirkungen der vorliegenden Erfindung können auch dadurch erhalten werden, daß als Struktur, bei der Mittelleiter um einen ferrimagnetischen Körper gewickelt werden, ein ferrimagnetisches Laminat verwendet wird, das durch Aufdrucken von Metallelektroden für die Mittelleiter auf dünne grüne Platten aus einem ferrimagnetischen Pulver, Laminieren einer Anzahl von bedruckten grünen Platten und Sintern des sich ergebenden Laminats bei einer hohen Temperatur von 800°C oder mehr erhalten wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie beschrieben führt eine Miniaturisierung des fernmagnetischen Körpers der erfindungsgemäßen konzentriert-konstanten, nichtreziproken Vorrichtung nicht zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften. Es kann somit unter Beibehaltung von ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften ein miniaturisierter, konzentriert-konstanter Breitband-Zirkulator/Isolator erhalten werden.

Claims

Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung mit einem Permanentmagnet (7) zum Anlegen eines magnetischen Gleichfeldes an einen ferrimagnetischen Körper (2); mit einer Anordnung aus einer Anzahl von Mittelleitern, die um den ferrimagnetischen Körper (2) gewickelt oder mindestens teilweise in ihn eingebettet sind, wobei jeweils das eine Ende der Mittelleiter als gemeinsamer Anschluß und das andere Ende als erster Ein/Ausgangsanschluß (1a, 2a, 3a) dient; mit einer Anzahl von zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen (1b, 2b, 3b); mit einer Anzahl von Impedanzwandlerschaltungen (IMT, L1, C1), die jeweils zwischen den zweiten Ein/Ausgangsanschluß (1b, 2b, 3b) und den ersten Ein/Ausgangsanschluß (1a, 2a, 3a) geschaltet sind; und mit einer Anzahl von Lastkondensatoren (C2), die jeweils zwischen den ersten Ein/Ausgangsanschluß und den gemeinsamen Anschluß geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanz (Z_i) der ersten Ein/Ausgangsanschlüsse und die mit den zweiten Ein/Ausgangsanschlüssen verbundene externe Impedanz Z₀ bei der Mittenfrequenz, bei der die konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung betrieben wird, die Beziehung 0,05 ≤ Z_i/Z₀ ≤ 0,9 erfüllen.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Impedanzwandlerschaltung eine zwischen jeweils einem ersten Ein/Ausgangsanschluß und jeweils einem zweiten Ein/Ausgangsanschluß liegende Induktivität und eine zwischen jeweils einem zweiten Ein/Ausgangsanschluß und einem Masseleiter liegende elektrostatische Kapazität aufweist.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Impedanzwandlerschaltung eine elektrostatische Kapazität aufweist, die kleiner ist als die Lastkapazität.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Induktivität und die elektrostatische Kapazität der Impedanzwandlerschaltungen und die Lastkapazität in einem integrierten Aufbau ausgebildet sind.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Induktivität der Impedanzwandlerschaltung eine verteilte konstante Leitung ist.
Konzentriert-konstante, nicht-reziproke Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei drei zweite Ein/Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind und zwischen einem der zweiten Ein/Ausgangsanschlüsse und dem Masseleiter oder dem gemeinsamen Anschluß ein Widerstand liegt, so daß die konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung als Isolator arbeitet.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei drei erste Ein/Ausgangsanschlüsse vorgesehen sind und zwischen einem der ersten Ein/Ausgangsanschlüsse und dem Masseleiter oder dem gemeinsamen Anschluß ein Widerstand liegt, so daß die konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung als Isolator arbeitet.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der integrierte Aufbau ein keramischer Schichtkörper ist, der durch Laminieren einer Anzahl von mit Elektroden bedruckten Rohkeramik-Lagen und Sintern des sich ergebenden Schichtkörpers bei einer Temperatur von 800 bis 1100 °C hergestellt wird.
Konzentriert-konstante, nichtreziproke Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der integrierte Aufbau dadurch hergestellt wird, daß mindestens eine Induktivität und eine elektrostatische Kapazität der Impedanzwandlerschaltungen sowie die zwischen den ersten Ein/Ausgangsanschlüssen und dem gemeinsamen Anschluß liegende Lastkapazität in Dünnfilmtechnik auf demselben isolierenden Substrat ausgebildet werden.