JP2001237613A - 非可逆回路素子および高周波回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広帯域にわたって非可逆特性を示し、小型で
かつ挿入損失の小さな非可逆回路素子、およびそれを用
いた通信装置等の高周波回路装置を提供する。 【解決手段】 一端をそれぞれ接地した第１の中心電極
１１および第２の中心電極１２をフェライト板１０に巻
き付け、それぞれの他方端と接地との間に並列コンデン
サＣ１１，Ｃ１２を接続し、入出力端子との間に直列コ
ンデンサＣ２１，Ｃ２２を接続する。さらに、第１・第
２の中心電極の他方端同士を抵抗Ｒで接続することによ
ってアイソレータを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マイクロ波帯等
で使用されるアイソレータ等の非可逆回路素子およびそ
れを用いた通信装置等の高周波回路装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波帯などで使用される非可逆回
路素子が、米国特許４０１６５１０号、特開昭５２
−１３４３４９号、特開昭５８−３４０２号、特開
平９−２３２８１８号および特開平８−８６１２号に
示されている。

【０００３】上記非可逆回路素子は、所定角度で交差す
る中心電極をフェライト板に設け、フェライト板に静磁
界を印加するようにした素子であり、フェライト板のフ
ェリ磁性特性を利用し、中心電極によって生じる高周波
磁界の偏波面をファラデー回転の原理によって回転させ
ることによって、非可逆特性を生じさせるようにしたも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の非可逆回路素
子のように、第１〜第３の中心電極を用いたものでは、
第３の中心電極の整合インピーダンスがリアクタンス成
分を持ち、そのインピーダンスが周波数に依存するた
め、良好な非可逆特性が得られる周波数範囲が狭くな
る。すなわちアイソレータとして用いる場合のアイソレ
ーション特性は必然的に狭帯域となる。

【０００５】また、２つの中心電極を用いた非可逆回路
素子においては、小型化および広帯域化に有利である
が、近年の無線通信システムにおける通信装置の小型化
の要請に伴って通信装置に用いるアイソレータ等の非可
逆回路素子についてもさらなる小型化が要求されてい
る。

【０００６】ところが、従来の構造のまま、フェライト
板を例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．３ｍｍと、大
幅に小型化した場合、次に述べるように、中心電極の長
さが短くなり、そのインダクタンス成分が小さくなっ
て、所望の周波数で動作させる場合にインピーダンス整
合がとれずに、挿入損失（ＩＬ）が大きくなるという問
題が生じる。

【０００７】従来のアイソレータの回路図は図８に示す
ようなものとなるが、中心電極Ｌ１，Ｌ２のインダクタ
ンスを並列コンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスでイ
ンピーダンス整合をとった場合に、インピーダンス軌跡
は図９に示すような関係となる。すなわち中心電極のイ
ンピーダンスが或る値である時、並列コンデンサを接続
して正規化インピーダンス（５０Ω）に整合させるため
には、中心電極のインピーダンスは５０Ωを通るサセプ
タンス円上になければならない。

【０００８】ところが、アイソレータのサイズを３．５
ｍｍ×３．５ｍｍ×１．５ｍｍ程度またはそれ以下にし
ようとすると、フェライト板のサイズは直方体の場合で
１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×０．３ｍｍ以下となる。従来
のアイソレータのように、フェライト板の主面側だけに
中心電極を配置する構造では、中心電極のインダクタン
スが小さくなってしまう。したがって動作周波数でのリ
アクタンスが小さくなるため、整合用の並列コンデンサ
のキャパシタンスを大きくせざるを得ない。ところがそ
の結果、動作周波数帯域幅が狭くなるという問題が生じ
る。

【０００９】さらに、上記整合用の並列コンデンサとし
て単板コンデンサを用いると、そのサイズも大きくな
り、目標とするアイソレータのサイズが実現できない。
例えば外形サイズ３．５ｍｍ角で８００ＭＨｚ帯のアイ
ソレータを設計しようとすると、中心電極のインダクタ
ンスが６．６ｎＨのとき、並列コンデンサのキャパシタ
ンスは６ｐＦが必要となる。これを、例えば比誘電率１
１０の高誘電率セラミック板を用い、厚みを０．１７ｍ
ｍと薄くしても、そのコンデンササイズは１．０×１．
０５ｍｍ程度と大きくなり、目標とするサイズの中に収
容できなくなる。また、全体の小型化にともなって中心
電極が縮小化され、そのインダクタンスが小さくなり、
中心電極のインピーダンスが、正規化インピーダンス
（５０Ω）を通るサセプタンス円上に乗らなくなると、
並列コンデンサのキャパシタンスを大きくしてもインピ
ーダンス整合をとれず、入出力インピーダンスが高くな
って、挿入損失が悪化する。この発明の目的は、広帯域
にわたって非可逆特性を示し、小型でかつ挿入損失の小
さな非可逆回路素子、およびそれを用いた通信装置等の
高周波回路装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、それぞれの
一端を接地した、互いに交差する第１・第２の中心電極
と、第１・第２の中心電極に近接するフェリ磁性体と、
該フェリ磁性体に対して静磁界を印加する磁石と、第１
・第２の中心電極の他端と入力端子および出力端子との
間にそれぞれ直列に接続した直列コンデンサと、第１・
第２の中心電極の前記他端と接地との間にそれぞれ並列
に接続した並列コンデンサ、とから構成する。

【００１１】この構成により、直列コンデンサと並列コ
ンデンサとによって入出力インピーダンスの整合をとっ
て挿入損失を低減する。

【００１２】また、この発明は、第１・第２の中心電極
をフェリ磁性体に巻き付ける。これにより、小型のフェ
リ磁性体を用いた場合でも第１・第２の中心電極のイン
ダクタンスを十分な値に確保する。

【００１３】また、この発明は第１・第２の中心電極の
交差角度を８０度から１００度の範囲内の所定角度にす
る。これにより所望の非可逆特性を得る。

【００１４】また、この発明はフェリ磁性体を多角形板
状とする。これにより第１・第２の中心電極のフェリ磁
性体に対する第１・第２の中心電極の磁気的結合距離を
長く稼ぐ。さらにフェリ磁性体に対して第１・第２の中
心電極を巻き付ける際に、その巻付けを容易にする。

【００１５】また、この発明は、前記磁石を直方体形状
とする。これにより全体に直方体形状を成す非可逆回路
素子において、フェリ磁性体に対する静磁界の強度を限
られた容積内でより高める。

【００１６】また、この発明は、前記第１・第２の中心
電極、前記フェリ磁性体および前記磁石を上ヨークおよ
び下ヨークの間に配置するとともに、該上ヨークおよび
下ヨークを接地する。この構造により、第１・第２の中
心電極とフェリ磁性体および磁石を接地電位にしてシー
ルドする。

【００１７】さらに、この発明は、上記のいずれかの非
可逆回路素子を用い、例えば発振回路の出力部やフィル
タの入力部に設けること等によって通信装置等の高周波
回路装置を構成する。

【００１８】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態に係る
アイソレータの構成を図１〜図３を参照して説明する。
図１はアイソレータの回路図である。ここで１０は直方
体形状のフェライト板であり、そのフェライト板１０に
対して、互いに所定の角度で交差する、それぞれ絶縁さ
れた銅線からなる第１の中心電極１１および第２の中心
電極１２を巻き付けている。第１・第２の中心電極１
１，１２の一方端はそれぞれ接地していて、第１の中心
電極１１の他方端と入力端子との間、および第２の中心
電極１２の他方端と出力端子との間に直列コンデンサＣ
２１，Ｃ２２をそれぞれ直列に接続している。また、第
１の中心電極１１の他方端と接地との間、および第２の
中心電極１２の他方端と接地との間に並列コンデンサＣ
１１，Ｃ１２をそれぞれ並列に接続している。さらに、
第１・第２の中心電極１１，１２の他方端同士の間に抵
抗Ｒを接続している。なお、この図では表れていない
が、フェライト板１０に対して、その厚み方向（第１の
中心電極１１および第２の中心電極１２の形成するルー
プ面に平行な方向）に静磁界を印加する磁石を配置して
いる。

【００１９】図２は上記回路を構成するアイソレータの
分解斜視図である。ここで１は、絶縁被覆した銅線から
成る第１の中心電極１１および第２の中心電極１２をフ
ェライト板１０に対してそれぞれ１．５周分巻き付けて
なるフェライト組立体である。３はフェライト板１０に
対して静磁界を印加する磁石、２，４はそれぞれ磁気回
路の一部を構成する上ヨーク，下ヨークである。５は基
板であり、その上面に接地電極５０、入力端子電極５１
および出力端子電極５２を形成している。これらの電極
の一部は基板５の端面を経由して下面の一部にまで延ば
していて、このアイソレータを電子機器の回路基板上に
表面実装する際の端子電極として用いる。Ｃ１１，Ｃ１
２，Ｃ２１，Ｃ２２およびＲは、図１に示した各部のコ
ンデンサおよび抵抗を構成するチップ部品であり、この
うちＣ１１，Ｃ１２，Ｒは下ヨーク４に搭載する。ま
た、Ｃ２１，Ｃ２２は基板５の上面に搭載する。

【００２０】図３は図２に示した各構成部品を組み立
て、上ヨーク２および磁石３部分を取り除いた状態を示
す斜視図である。このように下ヨーク４を基板５の上面
に形成した接地電極５０に半田付け等により接合し、下
ヨーク４の上面にコンデンサＣ１１，Ｃ１２およびフェ
ライト組立体１を半田付け等により接合している。コン
デンサＣ１１，Ｃ１２は、それらの上下面に電極を設け
たチップコンデンサであり、下面の電極を下ヨーク４の
上面に半田付けしている。またフェライト組立体１の中
心電極１１，１２の一方の端部をそれぞれ半田付けによ
って、下ヨーク４の上面に電気的に接続している。さら
に中心電極１１，１２の他方端はコンデンサＣ１１，Ｃ
１２の上面の電極に半田付けしている。さらに抵抗Ｒの
両端の電極をＣ１１，Ｃ１２の上面の電極に半田付けし
ている。なお、中心電極１１，１２のフェライト板１０
に対する巻付け部分は表面に絶縁被覆を施しているの
で、中心電極同士および中心電極と下ヨーク４とはそれ
ぞれ電気的に絶縁されている。

【００２１】また、コンデンサＣ２１，Ｃ２２も上下面
に電極を設けていて、その下面の電極を基板５の入力端
子電極５１および出力端子電極５２にそれぞれ半田付け
している。そして、Ｃ２１，Ｃ２２の上面の電極とＣ１
１，Ｃ１２の上面の電極との間をそれぞれワイヤーｗに
よって半田付けしている。

【００２２】図２に示した磁石３は上ヨーク２の天面に
貼り付けていて、この磁石３を貼り付けた上ヨーク２を
下ヨーク４に被せることによって、閉磁路を構成する。

【００２３】なお、図１および図２に示したフェライト
板１０の寸法は０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．３ｍｍと
している。また、基板５の厚みを０．１ｍｍ、下ヨーク
４の厚みを０．１５ｍｍ、上ヨーク２の厚みを０．１５
ｍｍ、中心電極１１，１２の径を０．０５ｍｍとしてい
る。

【００２４】例えば携帯電話などの移動体通信システム
に用いられる通信装置において、装置内においてその占
有面積（容積）を十分に小さくするために、アイソレー
タの高さ寸法を１．５ｍｍ以下にすることが市場の要求
であるが、上記の構造と各部の寸法により、高さ寸法を
１．５ｍｍ以下に抑える。因みに、上記フェライト板以
外の各部の寸法をそのままにして、フェライト板１０の
厚みを厚くした場合、その厚みが１ｍｍまでは、トータ
ルの高さを１．５ｍｍに抑えられる。したがって、限ら
れた容積内でフェライト板をなるべく大きくするために
は、その角辺の寸法を１ｍｍ以下の直方体とすればよ
い。

【００２５】図４は上記アイソレータの動作原理を説明
するための回路図である。図４において矢印は中心電極
１１，１２の下の高周波磁界の向きである。今、順方向
の信号の透過を考えると、図４の（Ａ）に示すように、
抵抗Ｒの両端は同位相同振幅となって、抵抗Ｒには電流
が流れず、入力端子からの入力信号がそのまま出力端子
から出力される。

【００２６】逆方向の信号の入射を考えると、（Ｂ）に
示すように、フェライト板１０を通過する高周波磁界の
向きが（Ａ）の場合とは逆方向となって、抵抗Ｒの両端
に逆相の信号が発生し、抵抗Ｒで電力消費される。その
ため、理想的には入力端子からは信号が出力されない。
因みに、上記抵抗Ｒを取り除いた回路はジャイレータと
して作用する。

【００２７】実際には、上記中心電極１１，１２の交差
角度とファラデー回転による偏波面の回転角度に応じ
て、信号の順方向透過時と逆方向入射時とで、上記抵抗
両端の位相差が変化する。そのため、挿入損失が小さ
く、且つ高い非可逆性（アイソレーション特性）が得ら
れるように、外部磁界の強度と中心電極１１，１２の交
差角度を定める。フェライト板に印加される磁界の強度
は通常、０．０９〜０．１７［Ｔ］であり、ファラデー
回転による偏波面の回転角度は通常９０度〜１００度で
あるため、中心電極４ａ，４ｂの交差角度を９０度から
１００度の範囲内に設定すれば、挿入損失が小さく、且
つ高い非可逆性（アイソレーション特性）が得られる。

【００２８】上述の動作は、入出力インピーダンスとア
イソレータのインピーダンスとの整合がとれていること
が前提となる。ところが、従来構造のまま、フェライト
板を例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．３ｍｍと、大
幅に小型化した場合、既に述べたように、中心電極の長
さが短くなり、そのインダクタンス成分が小さくなっ
て、所望の周波数で動作させる場合にインピーダンス整
合がとれない。

【００２９】そこで、図１および図２に示したように、
フェライト板１０に対して中心電極１１，１２を巻き付
ける。これにより、小型のフェライト板を用いても、中
心電極のインダクタンスを大幅に増大させ、動作周波数
帯域の広帯域化を図る。但し、中心電極の巻き付けによ
るインダクタンスの増加は急激であるので、上記整合用
の並列コンデンサだけでは正規化インピーダンス（５０
Ω）より高くなって、整合がとれない場合が生じる。そ
こで、図１および図２に示したように、入出力端子に直
列に直列コンデンサを接続する。

【００３０】図５は上記並列コンデンサと直列コンデン
サによるインピーダンス整合の例を示す図である。
（Ａ）は中心電極のインダクタンスが比較的小さい場合
の例、（Ｂ）は中心電極のインダクタンスが比較的大き
い場合の例である。いずれの場合も、並列コンデンサの
接続によって、合成インピーダンスはサセプタンス円上
を移動し、さらに直列コンデンサの接続によって、合成
インピーダンスはインピーダンス円上を移動し、最終的
に正規化インピーダンス（５０Ω）に整合させるように
並列コンデンサと直列コンデンサの値を定める。

【００３１】このように、２つの中心電極を有するジャ
イレータを応用した２ポートアイソレータにおいては、
ジャイレータの位相回転角度を最適化するために、フェ
ライト板への印加静磁界の強さを頻繁に変える場合が生
じるが、このことによりフェライトの透磁率が変化し、
中心電極のインダクタンスも変わる。このような場合に
おいても、中心電極の形状等を変更せずに、並列コンデ
ンサと直列コンデンサの容量を変えることによって簡単
にインピーダンス整合をとることが可能となる。そのた
め、上記最適化の設計または調整が容易となる。

【００３２】さらに、並列コンデンサと直列コンデンサ
の２個のコンデンサを用いたインピーダンス整合回路で
は、並列コンデンサ１個だけを用いる場合に比べて、コ
ンデンサの容量を大幅に減らすことができ、単板コンデ
ンサで静電容量を形成した時のサイズを小さくできる。
例えば、フェライト板に巻き付ける中心電極のインダク
タンスが１９．８ｎＨの時、並列コンデンサの容量は
０．５〜１．５ｐＦとなり、直列コンデンサの容量は
０．５〜２．２ｐＦとなって、比誘電率１１０の誘電体
材料を用いれば、厚み０．１７ｍｍで幅が０．４５×
０．８５ｍｍ以下となる。したがって、フェライト板と
して１ｍｍ角以下のものを使用すれば、３．５ｍｍ角以
下のアイソレータを実現できる寸法となる。

【００３３】なお、上記直列コンデンサまたは並列コン
デンサを、電極層と誘電体層とを交互に複数層積層して
成る積層構造のチップコンデンサで構成してもよい。そ
の場合には、チップコンデンサはさらに小型になるの
で、フェリ磁性体に対する中心電極の巻き付けによっ
て、中心電極のインダクタンスが大きくなり過ぎた場合
でも、前記直列コンデンサまたは並列コンデンサの容量
を大きく確保して、インピーダンス整合を容易にとるこ
とができ、非可逆回路素子全体の小型化がさらに容易と
なる。

【００３４】図６は上記アイソレータの挿入損失と入力
インピーダンスの周波数特性を示す図である。ここでは
２．５２ＧＨｚを中心周波数として設計している。
（Ａ）は、周波数を２．０２ＧＨｚから３．０２ＧＨｚ
まで変化させたときの透過特性Ｓ２１および反射特性Ｓ
１２の損失を示している。また（Ｂ）は、その周波数変
化による入力インピーダンスの軌跡を示している。この
ように、入出力インピーダンスが正規化インピーダンス
（５０Ω）に整合していることにより、低い挿入損失特
性を示す。

【００３５】因みに、並列コンデンサのみによって整合
をとるようにした従来のアイソレータにおいては、中心
電極のフェライト板に対する巻付けによってインダクタ
ンスが大きくなりすぎた時に、次に述べるように、入力
インピーダンスが高くなって整合がとれずに、挿入損失
が悪くなる。図１０は上記アイソレータの挿入損失と入
力インピーダンスの周波数特性を示す図である。図６の
場合と同様に、２．５２ＧＨｚを中心周波数として設計
している。（Ａ）は、周波数を２．０２ＧＨｚから３．
０２ＧＨｚまで変化させたときの透過特性Ｓ２１および
反射特性Ｓ１２の損失、（Ｂ）は、その周波数変化によ
る入力インピーダンスの軌跡をそれぞれ示している。こ
のように、中心電極のインダクタンスが大きくなり過ぎ
ると、入出力インピーダンスが高くなり、挿入損失が−
１０ｄＢ程度と非常に悪くなる。

【００３６】これに対して、図５に示したように、並列
コンデンサと直列コンデンサとによってインピーダンス
整合をとることによって、図６の例では、挿入損失が−
１．６ｄＢ程度にまで改善できる。

【００３７】次に、通信装置や信号測定回路などの高周
波回路装置の構成を図７を参照して説明する。上記各種
のアイソレータを用いて、例えば図７の（Ａ）に示すよ
うに、ＶＣＯなどの発振器の発振出力部にアイソレータ
を設け、アイソレータの出力部に接続される送信回路か
らの反射波が発振器に入射しないようにする。これによ
り発振器の発振安定性を高める。

【００３８】また、図７の（Ｂ）に示すように、フィル
タの入力部にアイソレータを設けて、アイソレータを整
合用に用いる。このことにより、定インピーダンスフィ
ルタを構成する。このような回路を送受信回路部に設け
て通信装置を構成する。

【００３９】なお、以上に示した各実施形態ではアイソ
レータとして用いる例を示したが、２つのポート間の透
過方向によって、位相遅れが異なる特性を示すジャイレ
ータ（非可逆位相器）を構成する場合には、実施形態で
示した抵抗Ｒを取り除けばよい。

【００４０】なお、以上に示した例では、フェライト板
に線状の中心電極を巻き付けるようにしたが、中心電極
パターンを形成したシート材をフェライト板に重ねるよ
うに配置したり、上記シート材を２つのフェライト板の
間に挟むように配置してもよい。

【００４１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、直列コ
ンデンサと並列コンデンサとによって入出力インピーダ
ンスの整合が確実にとれるため、挿入損失がより低減で
き、小型でありながら広帯域化が図れる。

【００４２】請求項２に記載の発明によれば、小型のフ
ェリ磁性体を用いた場合でも第１・第２の中心電極のイ
ンダクタンスを十分な値に確保でき、全体の小型化が可
能となる。

【００４３】請求項３に記載の発明によれば、挿入損失
が低く且つ高い非可逆特性が得られる。

【００４４】請求項４に記載の発明によれば、第１・第
２の中心電極のフェリ磁性体に対する第１・第２の中心
電極の磁気的結合距離を長く稼ぐことができ、さらにフ
ェリ磁性体に対して第１・第２の中心電極を巻き付ける
際に、その巻付けが容易となり、フェリ磁性体が小型で
あっても低挿入損失で且つ高い非可逆特性が得られる。

【００４５】請求項５に記載の発明によれば、全体に直
方体形状を成す非可逆回路素子において、フェリ磁性体
に対する静磁界の強度を、限られた容積内でより高める
ことができ、挿入損失が低く、且つ高い非可逆特性が得
られる。また、板状または直方体形状の磁性材料から切
り出す方法によって構成できるので、その製造が容易と
なる。

【００４６】請求項６に記載の発明によれば、第１・第
２の中心電極とコンデンサがヨークと共に接地電位とな
って、シールドされるため、スプリアスの発生が抑えら
れる。

【００４７】請求項７に記載の発明によれば、例えば発
振回路の出力部や、フィルタの入力部にアイソレーショ
ン特性を有する非可逆回路素子を設けることなどによっ
て、低損失で特性の安定した通信装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係るアイソレータの回路図

【図２】同アイソレータの分解斜視図

【図３】同アイソレータの主要部の組立て後の斜視図

【図４】同アイソレータの動作原理を説明するための回
路図

【図５】同アイソレータのインピーダンス整合の例を示
す図

【図６】同アイソレータの周波数特性の例を示す図

【図７】第２の実施形態に係る高周波回路装置の主要部
の構成を示すブロック図

【図８】従来のアイソレータの回路図

【図９】従来のアイソレータにおけるインピーダンス整
合の例を示す図

【図１０】従来構造のアイソレータでインピーダンス不
整合状態での周波数特性の例を示す図

【符号の説明】

１−フェライト組立体 ２−上ヨーク ３−磁石 ４−下ヨーク ５−基板 １０−フェライト板 １１−第１の中心電極 １２−第２の中心電極 ５０−接地電極 ５１−入力端子電極 ５２−出力端子電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれの一端を接地した、互いに交差
   する第１・第２の中心電極と、 第１・第２の中心電極に近接するフェリ磁性体と、 該フェリ磁性体に対して静磁界を印加する磁石と、 第１・第２の中心電極の他端と入力端子および出力端子
   との間にそれぞれ直列に接続した直列コンデンサと、 第１・第２の中心電極の前記他端と接地との間にそれぞ
   れ並列に接続した並列コンデンサ、とから成る非可逆回
   路素子。
2. 【請求項２】 前記第１・第２の中心電極を前記フェリ
   磁性体に巻き付けた請求項１に記載の非可逆回路素子。
3. 【請求項３】 前記第１・第２の中心電極の交差角度を
   ８０度から１００度の範囲内の所定角度にした請求項１
   または２に記載の非可逆回路素子。
4. 【請求項４】 前記フェリ磁性体を多角形板状とした請
   求項１〜３のうちいずれかに記載の非可逆回路素子。
5. 【請求項５】 前記磁石を直方体形状とした請求項１〜
   ４のうちいずれかに記載の非可逆回路素子。
6. 【請求項６】 前記第１・第２の中心電極、前記フェリ
   磁性体および前記磁石を上ヨークおよび下ヨークの間に
   配置するとともに、該上ヨークおよび下ヨークを接地し
   た請求項１〜５のうちいずれかに記載の非可逆回路素
   子。
7. 【請求項７】 請求項１〜６のうちいずれかに記載の非
   可逆回路素子を用いた高周波回路装置。