JP2004221977A - 磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法および磁気共鳴型非可逆回路素子、高周波モジュール、通信装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アイソレーション比帯域幅が従来よりも広い磁気共鳴型非可逆回路素子を提供する。
【解決手段】磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）の値を制御することによってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定する。好ましくは、ΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることにより、実用上十分なアイソレーション比帯域幅を得ることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）の値を制御することによってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定する。好ましくは、ΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることにより、実用上十分なアイソレーション比帯域幅を得ることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯などにおけるアイソレータなどの磁気共鳴型非可逆回路素子およびこれを用いた高周波モジュール、通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯などの高周波帯で用いられるアイソレータなどの非可逆回路素子としては、磁気共鳴型と集中定数型が既に知られている。磁気共鳴型のアイソレータは集中定数型に比べて部品点数が少なく動作磁界が低いので、小型化、低コスト化において集中定数型よりも有利である。近年は電子部品の小型化の要求が強く、携帯電話などに用いられる際には小型化は特に重要となっているため、従来多く用いられてきた集中定数型に代わり磁気共鳴型アイソレータが注目されるようになってきている。
【０００３】
集中定数型アイソレータにおいては、磁気共鳴半値幅（ΔＨ）が小さい磁性体、具体的には概ね５０Ｏｅすなわち概ね４０００Ａ／ｍ以下の磁性体が用いられている。なぜなら、ΔＨは磁気的損失項であり、ΔＨの値が大きくなるほど損失が大きくなってしまうからである。
【０００４】
磁気共鳴型アイソレータとしては、例えば特許文献１に記載されている技術など、種々の技術が既に知られているところである。しかし、磁気共鳴型アイソレータには、集中定数型と比較してアイソレーション帯域が狭くなってしまい、所望の帯域幅が得られないという問題があり、例えばアイソレーション比帯域幅５％といった帯域幅を得ることは困難であった。
【０００５】
そこで、この問題点を解決するために非特許文献１では、フェライトの磁気共鳴周波数を部分的に異ならせるように印加磁界の強さを部分的に変えてテーパ磁界とする方法によってアイソレーションの帯域幅を広げる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３２６５０４号公報
【０００７】
【非特許文献１】
橋本忠士著、「マイクロ波フェライトとその応用技術」、第１版、総合電子出版社、１９９７年５月１０日、ｐ．７８−７９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、印加磁界の強さを変化させるための部材が必要となるなど、構成が複雑化するため、小型化、低コスト化が可能であるという磁気共鳴型アイソレータの利点が大きく減殺されてしまうという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、構造を複雑化、大型化させることなく帯域幅を広げた磁気共鳴型の非可逆回路素子を提供することを目的とし、またこれを用いた高周波モジュールおよび通信装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明者らが鋭意研究した結果、磁気共鳴型の非可逆回路素子においてフェライトの磁気共鳴半値幅（ΔＨ）の値によってアイソレーションの帯域幅を制御することが可能であるとの知見を得た。
【００１１】
そこで本発明は、磁性体と、該磁性体に近接して配置される接合導体と、直流磁界を印加する磁石とを有する磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法であって、前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を制御することによってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定することを特徴とする。
【００１２】
ΔＨの値によってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定するため、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子の構成に何ら新たな構成部材を付加することなく所望のアイソレーション比帯域幅を得ることができるので、非可逆回路素子の小型化および低コスト化が実現される。
【００１３】
また、本発明者らがさらに研究した結果、前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を８０００Ａ／ｍ以上とすることが好ましい。
【００１４】
例えば、非可逆回路素子を携帯電話に用いる場合、ＧＳＭ方式では少なくとも２．８％、ＰＣＳ方式では少なくとも３．４％の１５ｄＢアイソレーション比帯域幅が必要であり、実際には温度変化等によるアイソレーション帯域のズレなどを考慮して５％程度のアイソレーション比帯域幅を持つことが好ましい。本発明において磁性体のΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることにより５％以上のアイソレーション比帯域幅を得ることができる。
【００１５】
また、前記磁性体としてはフェライト焼結体、フェライト粉末と樹脂の複合材料、フェライトとガラスの複合材料を用いることが好ましい。フェライトの組成を変えることにより、あるいはフェライト粉末と樹脂、フェライト粉末とガラスの混合比率を変えることにより、ΔＨを所望の値に設定することができる。
【００１６】
さらに、前記磁性体は、異なる磁気共鳴点を持つ２種以上の材料を混合して形成することができる。異なる磁気共鳴点を持つ２種以上の材料を混合して磁性体を形成することにより、この磁性体は２つ以上の磁気共鳴点を持つことになり、ΔＨの値の大きな磁性体を形成することができる。
【００１７】
また、このような非可逆回路素子を高周波モジュールや通信装置に用いることにより、高周波モジュールや通信装置の小型が実現される。特に携帯電話においては部品の小型化が強く要請されており、本発明を適用することによる効果が大きい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）以下において図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態である磁気共鳴型アイソレータを示す分解斜視図である。誘電体板１ａは上面に地導体２ａを有し、誘電体板１ｂは下面に地導体２ｂを有する。誘電体板１ｂの、地導体２ｂが形成された面と対向する面には十字状の接合導体がある。十字状の接合導体は主線路３と副線路４からなり、主線路３および副線路４はそれぞれ１／４波長共振器となっている。主線路３の両端には、誘電体板１ａ，１ｂを介して地導体２ａ，２ｂとの間で容量を形成している整合用コンデンサ５があり、さらに入出力ポート♯Ａ、♯Ｂに接続されている。また、副線路４の一端は設置されている。誘電体板１ｂには磁性体６が埋めこまれており、十字状の接合導体の交点が磁性体６上に位置している。
【００１９】
誘電体基板１ａ，１ｂ上に形成される主線路３、副線路４などの接続導体や地導体２ａ，２ｂは、ペースト印刷やメッキ、マスクを使用したスパッタリングなど任意の方法で形成できる。主線路３および副線路４は、誘電体板１ｂおよび磁性体６上にそれぞれ形成しておき、誘電体板１ｂに形成された凹部に磁性体６を埋めこんでから、磁性体６上の主線路３あるいは副線路４と誘電体板１ｂ上の主線路３あるいは副線路４とを接続するなどの方法で形成される。
【００２０】
また、図示していないが直流磁界Ｈｅｘを印加するための磁石が、誘電体板１ａの上方もしくは誘電体板１ｂの下方、または誘電体板１ａの上方および誘電体板１ｂの下方の両方にもうけられている。
【００２１】
ここで、この磁気共鳴型アイソレータの動作について説明する。この磁気共鳴型アイソレータは、直交する主線路３および副線路４に、振幅が等しく、位相が１／４波長だけ異なる高周波電流が流れたとき、その交点に回転する磁界（円偏波）が生じる。すなわち、ポート♯Ａから高周波信号を入力することにより、それぞれ１／４波長共振器となっている主線路３および副線路４で共振が発生する。このとき、主線路３の位相と副線路４の位相が１／４波長異なるようにあらかじめ設計しておくことにより、主線路３と副線路４の交点に円偏波が発生する。この円偏波の回転方向は主線路３および副線路４を流れる高周波電流の進行方向によって逆転する。
【００２２】
時計回りを正の円偏波透磁率（μ＋）、反時計回りを負の円偏波透磁率（μ−）と呼び、以下の数式のように表される。
【００２３】
【数１】
【００２４】
ここで、μ±’は実数項であり、虚数項μ±”は損失を表す損失項である。図２に示す円偏波透磁率の理論曲線からわかるように、損失項μ＋”は磁気共鳴点の周波数において最大値をとり、損失項μ−”は磁気共鳴点の周波数においてほぼ０となる。つまり、一方の方向は損失がほとんどなく、他方は損失が非常に大きくなるのである。これは、正の方向に円偏波が発生した場合に磁気共鳴が発生して電磁波のエネルギーを磁性体６が吸収してしまうことによる。
【００２５】
このような円偏波の回転方向の違いによる非可逆特性を利用するのが磁気共鳴型アイソレータである。つまり、ポート♯Ａからある方向の信号が入力された場合のみポート♯Ｂから出力され、逆方向の信号が入力された場合には出力されない。それぞれのΔＨにおいて、μ＋”がある一定以上の値であれば所望のアイソレーションを得ることができる。また、用いる磁性体の大きさを変えれば所望のアイソレーションを得るために必要なμ＋”の値も変化する。
【００２６】
本発明の変形例として、接合導体は図３に示すような形状であってもよい。図３（ａ）では、磁性体６が埋めこまれた誘電体板１ｂ上に４つの開口部を持つ接合導体７が形成されており、入力ポート♯Ａと出力ポート♯Ｂとが隣り合う開口部に設けられているが、動作原理は上述したものと全く同様である。なぜなら、入力ポート♯Ａに信号が入力されると直交する２つの波長共振器にともに共振が発生するから、♯Ａと対向する開口部および隣り合う開口部のいずれからも出力を得られるのである。また図３（ｂ）では接合導体７が設けられていない部分を線路とするスロット線路によってアイソレータを構成しているが、動作原理はやはり上述したとおりである。
【００２７】
なお、本発明は上記した１／４波長共振器を用いた磁気共鳴型アイソレータ以外にも、１／２波長共振器やＴＥモード、ＴＭモード、ＴＥモードとＴＭモードのハイブリッドモードなど、円偏波を生じさせることができれば適用可能である。
【００２８】
ここで、磁性体６の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）とアイソレーションとの関係を測定した結果を表すグラフを図４に示す。ΔＨの値を大きくすればグラフの凸が緩やかとなり、損失が発生する周波数帯が広がることがわかる。また、図４を元にして、ΔＨをそれぞれの値に設定したときの１５ｄＢアイソレーション比帯域幅を示したのが図５である。ΔＨの値を大きくするにつれてアイソレーション比帯域幅が広くなる傾向があることが示されている。本発明はこのような知見に基づき、ΔＨの値を制御することによって所望のアイソレーション比帯域幅を得るというものである。
【００２９】
なお、この実験においては磁性体は略円盤状で直径は２ｍｍとしている。また、図４および図５においてはΔＨの単位がＯｅ（エルステッド）とされているが、ＯｅとＡ／ｍとは以下の数式に示される関係にある。
【００３０】
【数２】
【００３１】
例えば図５から、１５ｄＢアイソレーション比帯域幅を５％以上としたい場合にはΔＨを１００Ｏｅ以上、すなわちおよそ８０００Ａ／ｍ以上とすればよい。
【００３２】
一般にフェライト焼結体のΔＨは以下の数式によって表される。
【００３３】
【数３】
【００３４】
「数３」においてΔＨｓｉｎｇｌｅは単結晶の磁気共鳴半値幅、Ｋ１は結晶磁気異方性定数、Ｍｓは飽和磁化、μ０は真空の透磁率、Ｐは気孔率である。
【００３５】
単結晶の磁気共鳴半値幅ΔＨｓｉｎｇｌｅは０．５Ｏｅ程度すなわち４０Ａ／ｍ程度であってΔＨ全体に占める割合が小さいため、ΔＨの値を４０００Ａ／ｍ以上、あるいは８０００Ａ／ｍ以上とするためには式３の第２項および第３項を増大させる必要がある。
【００３６】
ΔＨの値が大きい磁性体材料を作製する方法としては、具体的には後述する（１）から（５）において説明するように、フェライト焼結体を用いる方法と、フェライト粉末と樹脂ないしガラスの複合磁性体材料を用いる方法がある。フェライト粉末に樹脂あるいはガラスを混合させることにより、樹脂やガラスが不純物ないしは気孔として作用し、式３における気孔率Ｐが増大してΔＨが増加する。
【００３７】
図４および図５のデータを得るための実験においては、比較例であるΔＨ＝３０Ｏｅの磁性体は従来から用いられているフェライト焼結体であり、ΔＨ＝１００Ｏｅの磁性体は後述の（４）の方法によって製造したものであり、ΔＨ＝２００ＯｅおよびΔＨ＝３００Ｏｅの磁性体は後述の（２）の方法によって製造したものである。
【００３８】
以下の（１）ないし（５）において、磁性体の具体的な製造方法について述べる。
【００３９】
（１）磁性体として焼結フェライトを用いる場合には、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｚｚ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ａｌ系、Ｌｉ系、Ｌｉ−Ａｌ系、Ｌｉ−Ｔｉ系などのスピネルフェライトや、Ａ３ＢＸＯ１２なる化学式で表され、Ａはイットリウム（Ｙ）もしくは希土類金属元素のうち少なくとも１種類以上を含み、Ｂは少なくとも鉄（Ｆｅ）を含むガーネット型フェライトなどを用いることができる。このような焼結フェライトでは、組成を変えることによってΔＨの値を変えることができる。
【００４０】
（２）酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）をボールミルにて湿式混合したのち、大気中で１４００℃から１５００℃の温度で焼成する。この焼成体をボールミルで湿式粉砕し、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２という化学組成比のイットリウム鉄ガーネット型フェライト（ＹＩＧ）粉末を作製する。このＹＩＧ粉末とアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体を作成する。
【００４１】
この製造方法によれば、前述したように樹脂が気孔として作用しΔＨの値を大きくすることができる。ＹＩＧ粉末と樹脂の混合比率を変えることによって、ΔＨを所望の値に設定することができる。また、粉末材料を焼成して作製するハードフェライトは焼成時に縮小するため、あらかじめ所望の形状よりも大きく形成しておき焼成後に研磨などによって所望の形状に成形する必要があることに対し、本実施例の製造方法では、樹脂によって成形するため研磨などの工程を省くことができる。さらに、複雑な形状であっても容易に成形できることから、効率よく磁界を印加させることができるような形状や、アイソレータ全体を小型化できるような形状に容易に成形することができる。
【００４２】
（３）炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）をボールミルにて湿式混合したのち、大気中で１３００℃から１５００℃で焼成する。この焼成体をボールミルで湿式粉砕し、Ｃａ２ＸＶＸＹ３−ＸＦｅ５−２ＸＯ１２という化学組成比を持つＣａＶ置換ＹＩＧ粉末を作製する。次にこのＣａＶ置換ＹＩＧ粉末とアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体を作製する。
【００４３】
このような磁性体では、化学組成比を変えることによってΔＨの値を変えることができる。上述の化学組成比において、Ｘの値を変えればΔＨが変化することが知られており、例えばΔＨを８０００Ａ／ｍ以上としたい場合にはＸの値を１未満または３以上とすればよい。また、（２）と同様に樹脂との混合比を変えることによってもΔＨの値を変えることができる。
【００４４】
（４）ＹＩＧ粉末およびＣａＶ置換ＹＩＧ粉末を作製し、これらとアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体材料を作製する。なおＹＩＧ粉末、ＣａＶ置換ＹＩＧ粉末、アモルファスポリオフィレンの配合比率は１：１：２とした。フェライト粉末のΔＨを変えることあるいはフェライト粉末と樹脂との配合比率を変えることによりΔＨの値を変えることができる。
【００４５】
また、ＹＩＧ粉末とＣａＶ置換ＹＩＧ粉末との磁気共鳴点を異ならせるように製造すれば、磁性体材料の磁気共鳴点が複数存在することになり、ΔＨの値を大きくすることができる。すなわち、図６に示すように、ｆ１およびｆ２の２つの磁気共鳴点が存在し、ΔＨが大きくなる。
【００４６】
（５）ＹＩＧ粉末とホウケイ酸ガラス粉末をボールミルで湿式混合し、これを乾燥させたのちに乾式プレスで円盤状に加工する。次に、大気中で６００℃から８００℃で焼成して磁性体材料を作製する。ＹＩＧ粉末とガラスの混合比を変えることによってΔＨの値を変化させることができる。
【００４７】
上記の（１）ないし（５）において、表面処理剤、分散剤、難燃剤などの添加物を必要に応じて磁性体に添加してもよい。添加物は、ＧＨｚ帯などの高周波帯における誘電特性、および非可逆回路素子として構成したときの帯域幅、挿入損失を大幅に低下させない物質とすることが好ましい。
【００４８】
また、（２）ないし（４）において、樹脂としてアモルファスポリオフィレン樹脂を用いたが、樹脂はこれに限らない。非可逆回路素子を外部の回路と接続する際にハンダを用いることがあるので、Ｐｂフリーハンダのリフロー温度であるおよそ２６０℃に耐え得る耐熱性のある樹脂を用いることが好ましく、具体的には熱可塑性樹脂として液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、テトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、シンジオタクチックポリスチレン、アモルファスポリオフィレンなど、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ビスアリルナジイミド、ジアリルフタレート樹脂、熱硬化性ポリフェニレンエーテル、ビスマレイミドトリアジン樹脂、架橋性アモルファスポリオフィレンなどを用いることができる。これらを溶剤希釈したものであってもよい。また、ＧＨｚ帯において誘電率、誘電損失の低い樹脂がさらに好ましく、具体的にはテトラフルオロエチレンやポリイミドなどがこの観点からは好ましい。
【００４９】
また、（５）においてホウケイ酸ガラスを用いたが、ガラスはこれに限られるものではなく、フェライト粉末をつなぐバインダーとして働き得るものであれば特に限定されない。磁性体を焼結するときにフェライトの焼成温度を超えるとフェライト粉末の特性が変化してしまうため、ガラスはフェライトの焼成温度よりも低温で溶融、焼成できるものが好ましく、具体的にはホウ素系ガラス、カルシウム系ガラスなどが好ましい。
【００５０】
（実施の形態２）次に、本発明の通信装置について説明する。図７は、本発明に係る通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図７において、ＡＮＴはアンテナ、ＤＰＸはデュプレクサ、ＢＰＦａ、ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ、ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ、ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣはオシレータ、ＳＹＮは周波数シンセサイザを示す。
【００５１】
ミキサＭＩＸａは周波数シンセサイザＳＹＮから出力される周波数信号を変調信号で変調し、帯域通過フィルタＢＰＦａは送信周波数の帯域のみを通過させ、増幅回路ＡＭＰａはこれを電力増幅して、アイソレーレータＩＳＯおよびデュプレクサＤＰＸを介してアンテナＡＮＴより送信する。
【００５２】
増幅回路ＡＭＰｂはデュプレクサＤＰＸから出力される受信信号を増幅し、帯域通過フィルタＢＰＦｂは増幅回路ＡＭＰｂから出力される信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ミキサＭＩＸｂは周波数シンセサイザＳＹＮより出力される周波数信号と受信信号とをミキシングして中間周波数ＩＦを出力する。
【００５３】
この通信装置は、例えば携帯電話などに組み込まれているものであり、上記のアイソレータＩＳＯに上述した本発明の磁気共鳴型アイソレータを用いることにより、通信装置の小型化が可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されるもので、以下に記載するような効果を奏するものである。
【００５５】
すなわち本発明の磁気共鳴型非可逆回路素子は磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を制御することによってアイソレーション帯域幅を設定するため、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子に何ら新たな構成部材を付加することなく所望のアイソレーション帯域幅を得ることができ、小型化および低コスト化が可能になる。
【００５６】
また、ΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることによって、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子では困難であった５％以上の比帯域幅を得ることができる。
【００５７】
また、磁性体としてフェライト焼結体、フェライト粉末と樹脂の複合部材、フェライト粉末とガラスの複合部材のうちのいずれかを用いることにより、ΔＨを大きくすることができ、非可逆回路素子のアイソレーション帯域幅を広げることができる。
【００５８】
また、本発明の非可逆回路素子を用いて高周波モジュールや通信装置を構成することにより、高周波モジュールや通信装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気共鳴型アイソレータの構成を示す分解斜視図である。
【図２】円偏波の透磁率理論曲線である。
【図３】本発明の磁気共鳴型アイソレータの変形例を示す平面図である。
【図４】ΔＨとアイソレーションの関係を示すグラフである。
【図５】ΔＨと１５ｄＢアイソレーション比帯域幅の関係を示すグラフである。
【図６】磁性体が磁気共鳴点を２つ持つときの、磁性体のΔＨについて模式的に示したグラフである。
【図７】本発明に係る通信装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 誘電体板
２ａ，２ｂ 地導体
３ 主線路
４ 副線路
５ 整合用コンデンサ
６ 磁性体
７ 接続導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯などにおけるアイソレータなどの磁気共鳴型非可逆回路素子およびこれを用いた高周波モジュール、通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯などの高周波帯で用いられるアイソレータなどの非可逆回路素子としては、磁気共鳴型と集中定数型が既に知られている。磁気共鳴型のアイソレータは集中定数型に比べて部品点数が少なく動作磁界が低いので、小型化、低コスト化において集中定数型よりも有利である。近年は電子部品の小型化の要求が強く、携帯電話などに用いられる際には小型化は特に重要となっているため、従来多く用いられてきた集中定数型に代わり磁気共鳴型アイソレータが注目されるようになってきている。
【０００３】
集中定数型アイソレータにおいては、磁気共鳴半値幅（ΔＨ）が小さい磁性体、具体的には概ね５０Ｏｅすなわち概ね４０００Ａ／ｍ以下の磁性体が用いられている。なぜなら、ΔＨは磁気的損失項であり、ΔＨの値が大きくなるほど損失が大きくなってしまうからである。
【０００４】
磁気共鳴型アイソレータとしては、例えば特許文献１に記載されている技術など、種々の技術が既に知られているところである。しかし、磁気共鳴型アイソレータには、集中定数型と比較してアイソレーション帯域が狭くなってしまい、所望の帯域幅が得られないという問題があり、例えばアイソレーション比帯域幅５％といった帯域幅を得ることは困難であった。
【０００５】
そこで、この問題点を解決するために非特許文献１では、フェライトの磁気共鳴周波数を部分的に異ならせるように印加磁界の強さを部分的に変えてテーパ磁界とする方法によってアイソレーションの帯域幅を広げる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−３２６５０４号公報
【０００７】
【非特許文献１】
橋本忠士著、「マイクロ波フェライトとその応用技術」、第１版、総合電子出版社、１９９７年５月１０日、ｐ．７８−７９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に記載された技術では、印加磁界の強さを変化させるための部材が必要となるなど、構成が複雑化するため、小型化、低コスト化が可能であるという磁気共鳴型アイソレータの利点が大きく減殺されてしまうという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、構造を複雑化、大型化させることなく帯域幅を広げた磁気共鳴型の非可逆回路素子を提供することを目的とし、またこれを用いた高周波モジュールおよび通信装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明者らが鋭意研究した結果、磁気共鳴型の非可逆回路素子においてフェライトの磁気共鳴半値幅（ΔＨ）の値によってアイソレーションの帯域幅を制御することが可能であるとの知見を得た。
【００１１】
そこで本発明は、磁性体と、該磁性体に近接して配置される接合導体と、直流磁界を印加する磁石とを有する磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法であって、前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を制御することによってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定することを特徴とする。
【００１２】
ΔＨの値によってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定するため、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子の構成に何ら新たな構成部材を付加することなく所望のアイソレーション比帯域幅を得ることができるので、非可逆回路素子の小型化および低コスト化が実現される。
【００１３】
また、本発明者らがさらに研究した結果、前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を８０００Ａ／ｍ以上とすることが好ましい。
【００１４】
例えば、非可逆回路素子を携帯電話に用いる場合、ＧＳＭ方式では少なくとも２．８％、ＰＣＳ方式では少なくとも３．４％の１５ｄＢアイソレーション比帯域幅が必要であり、実際には温度変化等によるアイソレーション帯域のズレなどを考慮して５％程度のアイソレーション比帯域幅を持つことが好ましい。本発明において磁性体のΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることにより５％以上のアイソレーション比帯域幅を得ることができる。
【００１５】
また、前記磁性体としてはフェライト焼結体、フェライト粉末と樹脂の複合材料、フェライトとガラスの複合材料を用いることが好ましい。フェライトの組成を変えることにより、あるいはフェライト粉末と樹脂、フェライト粉末とガラスの混合比率を変えることにより、ΔＨを所望の値に設定することができる。
【００１６】
さらに、前記磁性体は、異なる磁気共鳴点を持つ２種以上の材料を混合して形成することができる。異なる磁気共鳴点を持つ２種以上の材料を混合して磁性体を形成することにより、この磁性体は２つ以上の磁気共鳴点を持つことになり、ΔＨの値の大きな磁性体を形成することができる。
【００１７】
また、このような非可逆回路素子を高周波モジュールや通信装置に用いることにより、高周波モジュールや通信装置の小型が実現される。特に携帯電話においては部品の小型化が強く要請されており、本発明を適用することによる効果が大きい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）以下において図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態である磁気共鳴型アイソレータを示す分解斜視図である。誘電体板１ａは上面に地導体２ａを有し、誘電体板１ｂは下面に地導体２ｂを有する。誘電体板１ｂの、地導体２ｂが形成された面と対向する面には十字状の接合導体がある。十字状の接合導体は主線路３と副線路４からなり、主線路３および副線路４はそれぞれ１／４波長共振器となっている。主線路３の両端には、誘電体板１ａ，１ｂを介して地導体２ａ，２ｂとの間で容量を形成している整合用コンデンサ５があり、さらに入出力ポート♯Ａ、♯Ｂに接続されている。また、副線路４の一端は設置されている。誘電体板１ｂには磁性体６が埋めこまれており、十字状の接合導体の交点が磁性体６上に位置している。
【００１９】
誘電体基板１ａ，１ｂ上に形成される主線路３、副線路４などの接続導体や地導体２ａ，２ｂは、ペースト印刷やメッキ、マスクを使用したスパッタリングなど任意の方法で形成できる。主線路３および副線路４は、誘電体板１ｂおよび磁性体６上にそれぞれ形成しておき、誘電体板１ｂに形成された凹部に磁性体６を埋めこんでから、磁性体６上の主線路３あるいは副線路４と誘電体板１ｂ上の主線路３あるいは副線路４とを接続するなどの方法で形成される。
【００２０】
また、図示していないが直流磁界Ｈｅｘを印加するための磁石が、誘電体板１ａの上方もしくは誘電体板１ｂの下方、または誘電体板１ａの上方および誘電体板１ｂの下方の両方にもうけられている。
【００２１】
ここで、この磁気共鳴型アイソレータの動作について説明する。この磁気共鳴型アイソレータは、直交する主線路３および副線路４に、振幅が等しく、位相が１／４波長だけ異なる高周波電流が流れたとき、その交点に回転する磁界（円偏波）が生じる。すなわち、ポート♯Ａから高周波信号を入力することにより、それぞれ１／４波長共振器となっている主線路３および副線路４で共振が発生する。このとき、主線路３の位相と副線路４の位相が１／４波長異なるようにあらかじめ設計しておくことにより、主線路３と副線路４の交点に円偏波が発生する。この円偏波の回転方向は主線路３および副線路４を流れる高周波電流の進行方向によって逆転する。
【００２２】
時計回りを正の円偏波透磁率（μ＋）、反時計回りを負の円偏波透磁率（μ−）と呼び、以下の数式のように表される。
【００２３】
【数１】
ここで、μ±’は実数項であり、虚数項μ±”は損失を表す損失項である。図２に示す円偏波透磁率の理論曲線からわかるように、損失項μ＋”は磁気共鳴点の周波数において最大値をとり、損失項μ−”は磁気共鳴点の周波数においてほぼ０となる。つまり、一方の方向は損失がほとんどなく、他方は損失が非常に大きくなるのである。これは、正の方向に円偏波が発生した場合に磁気共鳴が発生して電磁波のエネルギーを磁性体６が吸収してしまうことによる。
【００２５】
このような円偏波の回転方向の違いによる非可逆特性を利用するのが磁気共鳴型アイソレータである。つまり、ポート♯Ａからある方向の信号が入力された場合のみポート♯Ｂから出力され、逆方向の信号が入力された場合には出力されない。それぞれのΔＨにおいて、μ＋”がある一定以上の値であれば所望のアイソレーションを得ることができる。また、用いる磁性体の大きさを変えれば所望のアイソレーションを得るために必要なμ＋”の値も変化する。
【００２６】
本発明の変形例として、接合導体は図３に示すような形状であってもよい。図３（ａ）では、磁性体６が埋めこまれた誘電体板１ｂ上に４つの開口部を持つ接合導体７が形成されており、入力ポート♯Ａと出力ポート♯Ｂとが隣り合う開口部に設けられているが、動作原理は上述したものと全く同様である。なぜなら、入力ポート♯Ａに信号が入力されると直交する２つの波長共振器にともに共振が発生するから、♯Ａと対向する開口部および隣り合う開口部のいずれからも出力を得られるのである。また図３（ｂ）では接合導体７が設けられていない部分を線路とするスロット線路によってアイソレータを構成しているが、動作原理はやはり上述したとおりである。
【００２７】
なお、本発明は上記した１／４波長共振器を用いた磁気共鳴型アイソレータ以外にも、１／２波長共振器やＴＥモード、ＴＭモード、ＴＥモードとＴＭモードのハイブリッドモードなど、円偏波を生じさせることができれば適用可能である。
【００２８】
ここで、磁性体６の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）とアイソレーションとの関係を測定した結果を表すグラフを図４に示す。ΔＨの値を大きくすればグラフの凸が緩やかとなり、損失が発生する周波数帯が広がることがわかる。また、図４を元にして、ΔＨをそれぞれの値に設定したときの１５ｄＢアイソレーション比帯域幅を示したのが図５である。ΔＨの値を大きくするにつれてアイソレーション比帯域幅が広くなる傾向があることが示されている。本発明はこのような知見に基づき、ΔＨの値を制御することによって所望のアイソレーション比帯域幅を得るというものである。
【００２９】
なお、この実験においては磁性体は略円盤状で直径は２ｍｍとしている。また、図４および図５においてはΔＨの単位がＯｅ（エルステッド）とされているが、ＯｅとＡ／ｍとは以下の数式に示される関係にある。
【００３０】
【数２】
例えば図５から、１５ｄＢアイソレーション比帯域幅を５％以上としたい場合にはΔＨを１００Ｏｅ以上、すなわちおよそ８０００Ａ／ｍ以上とすればよい。
【００３２】
一般にフェライト焼結体のΔＨは以下の数式によって表される。
【００３３】
【数３】
「数３」においてΔＨｓｉｎｇｌｅは単結晶の磁気共鳴半値幅、Ｋ１は結晶磁気異方性定数、Ｍｓは飽和磁化、μ０は真空の透磁率、Ｐは気孔率である。
【００３５】
単結晶の磁気共鳴半値幅ΔＨｓｉｎｇｌｅは０．５Ｏｅ程度すなわち４０Ａ／ｍ程度であってΔＨ全体に占める割合が小さいため、ΔＨの値を４０００Ａ／ｍ以上、あるいは８０００Ａ／ｍ以上とするためには式３の第２項および第３項を増大させる必要がある。
【００３６】
ΔＨの値が大きい磁性体材料を作製する方法としては、具体的には後述する（１）から（５）において説明するように、フェライト焼結体を用いる方法と、フェライト粉末と樹脂ないしガラスの複合磁性体材料を用いる方法がある。フェライト粉末に樹脂あるいはガラスを混合させることにより、樹脂やガラスが不純物ないしは気孔として作用し、式３における気孔率Ｐが増大してΔＨが増加する。
【００３７】
図４および図５のデータを得るための実験においては、比較例であるΔＨ＝３０Ｏｅの磁性体は従来から用いられているフェライト焼結体であり、ΔＨ＝１００Ｏｅの磁性体は後述の（４）の方法によって製造したものであり、ΔＨ＝２００ＯｅおよびΔＨ＝３００Ｏｅの磁性体は後述の（２）の方法によって製造したものである。
【００３８】
以下の（１）ないし（５）において、磁性体の具体的な製造方法について述べる。
【００３９】
（１）磁性体として焼結フェライトを用いる場合には、Ｍｇ−Ｍｎ系、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｍｎ−Ａｌ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ｚｎ系、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｚｚ−Ｃｕ系、Ｎｉ−Ａｌ系、Ｌｉ系、Ｌｉ−Ａｌ系、Ｌｉ−Ｔｉ系などのスピネルフェライトや、Ａ３ＢＸＯ１２なる化学式で表され、Ａはイットリウム（Ｙ）もしくは希土類金属元素のうち少なくとも１種類以上を含み、Ｂは少なくとも鉄（Ｆｅ）を含むガーネット型フェライトなどを用いることができる。このような焼結フェライトでは、組成を変えることによってΔＨの値を変えることができる。
【００４０】
（２）酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）をボールミルにて湿式混合したのち、大気中で１４００℃から１５００℃の温度で焼成する。この焼成体をボールミルで湿式粉砕し、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２という化学組成比のイットリウム鉄ガーネット型フェライト（ＹＩＧ）粉末を作製する。このＹＩＧ粉末とアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体を作成する。
【００４１】
この製造方法によれば、前述したように樹脂が気孔として作用しΔＨの値を大きくすることができる。ＹＩＧ粉末と樹脂の混合比率を変えることによって、ΔＨを所望の値に設定することができる。また、粉末材料を焼成して作製するハードフェライトは焼成時に縮小するため、あらかじめ所望の形状よりも大きく形成しておき焼成後に研磨などによって所望の形状に成形する必要があることに対し、本実施例の製造方法では、樹脂によって成形するため研磨などの工程を省くことができる。さらに、複雑な形状であっても容易に成形できることから、効率よく磁界を印加させることができるような形状や、アイソレータ全体を小型化できるような形状に容易に成形することができる。
【００４２】
（３）炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）および酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）をボールミルにて湿式混合したのち、大気中で１３００℃から１５００℃で焼成する。この焼成体をボールミルで湿式粉砕し、Ｃａ２ＸＶＸＹ３−ＸＦｅ５−２ＸＯ１２という化学組成比を持つＣａＶ置換ＹＩＧ粉末を作製する。次にこのＣａＶ置換ＹＩＧ粉末とアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体を作製する。
【００４３】
このような磁性体では、化学組成比を変えることによってΔＨの値を変えることができる。上述の化学組成比において、Ｘの値を変えればΔＨが変化することが知られており、例えばΔＨを８０００Ａ／ｍ以上としたい場合にはＸの値を１未満または３以上とすればよい。また、（２）と同様に樹脂との混合比を変えることによってもΔＨの値を変えることができる。
【００４４】
（４）ＹＩＧ粉末およびＣａＶ置換ＹＩＧ粉末を作製し、これらとアモルファスポリオフィレン樹脂を混練して磁性体材料を作製する。なおＹＩＧ粉末、ＣａＶ置換ＹＩＧ粉末、アモルファスポリオフィレンの配合比率は１：１：２とした。フェライト粉末のΔＨを変えることあるいはフェライト粉末と樹脂との配合比率を変えることによりΔＨの値を変えることができる。
【００４５】
また、ＹＩＧ粉末とＣａＶ置換ＹＩＧ粉末との磁気共鳴点を異ならせるように製造すれば、磁性体材料の磁気共鳴点が複数存在することになり、ΔＨの値を大きくすることができる。すなわち、図６に示すように、ｆ１およびｆ２の２つの磁気共鳴点が存在し、ΔＨが大きくなる。
【００４６】
（５）ＹＩＧ粉末とホウケイ酸ガラス粉末をボールミルで湿式混合し、これを乾燥させたのちに乾式プレスで円盤状に加工する。次に、大気中で６００℃から８００℃で焼成して磁性体材料を作製する。ＹＩＧ粉末とガラスの混合比を変えることによってΔＨの値を変化させることができる。
【００４７】
上記の（１）ないし（５）において、表面処理剤、分散剤、難燃剤などの添加物を必要に応じて磁性体に添加してもよい。添加物は、ＧＨｚ帯などの高周波帯における誘電特性、および非可逆回路素子として構成したときの帯域幅、挿入損失を大幅に低下させない物質とすることが好ましい。
【００４８】
また、（２）ないし（４）において、樹脂としてアモルファスポリオフィレン樹脂を用いたが、樹脂はこれに限らない。非可逆回路素子を外部の回路と接続する際にハンダを用いることがあるので、Ｐｂフリーハンダのリフロー温度であるおよそ２６０℃に耐え得る耐熱性のある樹脂を用いることが好ましく、具体的には熱可塑性樹脂として液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、テトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、シンジオタクチックポリスチレン、アモルファスポリオフィレンなど、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド、ビスアリルナジイミド、ジアリルフタレート樹脂、熱硬化性ポリフェニレンエーテル、ビスマレイミドトリアジン樹脂、架橋性アモルファスポリオフィレンなどを用いることができる。これらを溶剤希釈したものであってもよい。また、ＧＨｚ帯において誘電率、誘電損失の低い樹脂がさらに好ましく、具体的にはテトラフルオロエチレンやポリイミドなどがこの観点からは好ましい。
【００４９】
また、（５）においてホウケイ酸ガラスを用いたが、ガラスはこれに限られるものではなく、フェライト粉末をつなぐバインダーとして働き得るものであれば特に限定されない。磁性体を焼結するときにフェライトの焼成温度を超えるとフェライト粉末の特性が変化してしまうため、ガラスはフェライトの焼成温度よりも低温で溶融、焼成できるものが好ましく、具体的にはホウ素系ガラス、カルシウム系ガラスなどが好ましい。
【００５０】
（実施の形態２）次に、本発明の通信装置について説明する。図７は、本発明に係る通信装置の構成の一例を示すブロック図である。図７において、ＡＮＴはアンテナ、ＤＰＸはデュプレクサ、ＢＰＦａ、ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ、ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ、ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣはオシレータ、ＳＹＮは周波数シンセサイザを示す。
【００５１】
ミキサＭＩＸａは周波数シンセサイザＳＹＮから出力される周波数信号を変調信号で変調し、帯域通過フィルタＢＰＦａは送信周波数の帯域のみを通過させ、増幅回路ＡＭＰａはこれを電力増幅して、アイソレーレータＩＳＯおよびデュプレクサＤＰＸを介してアンテナＡＮＴより送信する。
【００５２】
増幅回路ＡＭＰｂはデュプレクサＤＰＸから出力される受信信号を増幅し、帯域通過フィルタＢＰＦｂは増幅回路ＡＭＰｂから出力される信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ミキサＭＩＸｂは周波数シンセサイザＳＹＮより出力される周波数信号と受信信号とをミキシングして中間周波数ＩＦを出力する。
【００５３】
この通信装置は、例えば携帯電話などに組み込まれているものであり、上記のアイソレータＩＳＯに上述した本発明の磁気共鳴型アイソレータを用いることにより、通信装置の小型化が可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されるもので、以下に記載するような効果を奏するものである。
【００５５】
すなわち本発明の磁気共鳴型非可逆回路素子は磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を制御することによってアイソレーション帯域幅を設定するため、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子に何ら新たな構成部材を付加することなく所望のアイソレーション帯域幅を得ることができ、小型化および低コスト化が可能になる。
【００５６】
また、ΔＨを８０００Ａ／ｍ以上とすることによって、従来の磁気共鳴型非可逆回路素子では困難であった５％以上の比帯域幅を得ることができる。
【００５７】
また、磁性体としてフェライト焼結体、フェライト粉末と樹脂の複合部材、フェライト粉末とガラスの複合部材のうちのいずれかを用いることにより、ΔＨを大きくすることができ、非可逆回路素子のアイソレーション帯域幅を広げることができる。
【００５８】
また、本発明の非可逆回路素子を用いて高周波モジュールや通信装置を構成することにより、高周波モジュールや通信装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気共鳴型アイソレータの構成を示す分解斜視図である。
【図２】円偏波の透磁率理論曲線である。
【図３】本発明の磁気共鳴型アイソレータの変形例を示す平面図である。
【図４】ΔＨとアイソレーションの関係を示すグラフである。
【図５】ΔＨと１５ｄＢアイソレーション比帯域幅の関係を示すグラフである。
【図６】磁性体が磁気共鳴点を２つ持つときの、磁性体のΔＨについて模式的に示したグラフである。
【図７】本発明に係る通信装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 誘電体板
２ａ，２ｂ 地導体
３ 主線路
４ 副線路
５ 整合用コンデンサ
６ 磁性体
７ 接続導体
Claims (7)
- 磁性体と、該磁性体に近接して配置される接合導体と、直流磁界を印加する磁石とを有する磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法であって、前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）を制御することによってアイソレーション比帯域幅を所望の値に設定することを特徴とする、磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法。
- 請求項１に記載された製造方法によって製造されたことを特徴とする磁気共鳴型非可逆回路素子。
- 磁性体と、該磁性体に近接して配置される接合導体と、直流磁界を印加する磁石とを有する磁気共鳴型非可逆回路素子であって、
前記磁性体の磁気共鳴半値幅（ΔＨ）が８０００Ａ／ｍ以上であることを特徴とする、磁気共鳴型非可逆回路素子。 - 前記磁性体は、フェライト粉末と樹脂との複合材料、あるいはフェライトとガラスとの複合材料からなることを特徴とする、請求項３に記載の磁気共鳴型非可逆回路素子。
- 前記磁性体は、異なる磁気共鳴点を持つ２種以上の材料を混合して形成されていることを特徴とする、請求項３あるいは請求項４に記載の磁気共鳴型非可逆回路素子。
- 請求項２ないし請求項５のうちいずれかに記載された磁気共鳴型非可逆回路素子を用いた高周波モジュール。
- 請求項２ないし請求項５のうちいずれかに記載された磁気共鳴型非可逆回路素子を用いた通信装置。
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| JP2003007369A JP2004221977A (ja) | 2003-01-15 | 2003-01-15 | 磁気共鳴型非可逆回路素子の製造方法および磁気共鳴型非可逆回路素子、高周波モジュール、通信装置 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2012054848A (ja) * | 2010-09-03 | 2012-03-15 | Murata Mfg Co Ltd | 磁気共鳴型アイソレータ |
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2003
- 2003-01-15 JP JP2003007369A patent/JP2004221977A/ja active Pending
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