JP2004266806A

JP2004266806A - ３端子対非可逆素子及びこれを用いた通信装置

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Publication number: JP2004266806A
Application number: JP2003358754A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Takeda; 茂武田; Hideto Mikami; 秀人三上; Koji Ichikawa; 耕司市川
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP3891437B2

Abstract

【課題】挿入損失が小さくその帯域幅が広い３端子対非可逆素子及びこれを備えた通信装置を提供すること。
【解決手段】互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１、第２、第３の中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板は永久磁石により静磁界が印加されており、第１、第２、第３の中心導体の一端はそれぞれ第１、第２、第３の入出力端子となり、他端は共通部に接続され、前記第１、第２、第３の入出力端子と前記共通部の間には第１、第２、第３の整合用コンデンサーがそれぞれ接続され、前記第１と第２の中心導体のなす角度φと第２と第３の中心導体のなす角度θの両方もしくはどちらかが９０度以下、例えば、前記第１と第２の中心導体のなす角度φが約６０度、第２と第３の中心導体のなす角度θが約６０度とした３端子対非可逆素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波用非可逆素子であるサーキュレータ・アイソレータ、特に挿入損失が小さく広帯域特性を有する３端子対非可逆素子の分野に関するものである。

現在の高周波用非可逆素子であるアイソレータの技術状況としては、３端子対接合型サーキュレータの一つの端子を整合インピーダンスで終端したものが一般的である。この接合型サーキュレータは、２種類の形式、すなわち分布定数型サーキュレータと集中定数型サーキュレータに分類される。サーキュレータは電気的特性が非可逆的であり、その構造はフェライト薄板に垂直に磁界を印加して、このフェライト薄板の周囲に導体を近接したものを基本としている。前者の分布定数型はアイソレータ素子の寸法が取り扱っているフェライト薄板中を伝わる高周波の波長の１/４以上の場合に、後者の集中定数型は１/８以下の場合にそれぞれ使い分けられる。集中定数型の方が小形化に適する。

図２１に、現在携帯電話等で用いられている３端子対集中定数型サーキュレータの一端子対に整合インピーダンス（抵抗素子R）を接続してアイソレータを実現した場合の概略構造図と概略回路図を示す。フェライト薄板Gはガーネット型フェライトよりなり、この上面に3本の中心導体L1、L2、L3が図２０のように120度の角度間隔で配されている。それぞれの中心導体の一端は端子対１，２，３の入出力線路となり、他端は地導体となる共通部GRに接続される。整合用コンデンサーC1、C2、C3がそれぞれ中心導体L1、L2、L3の一端と共通部GRの間に並列接続される。また、アイソレータを実現するためエネルギーを吸収するための抵抗素子Rが端子対３と共通部GRの間に取り付けられている。フェライト薄板Gの主面にほぼ垂直な静磁界が印加されるように永久磁石が装荷されているが、図面では省略してある。静磁界の方向と強さ、および中心導体L1、L2、L3と整合用コンデンサーC1、C2、C3の大きさを慎重に調整することにより、図２１の構造は所望の周波数（以後中心周波数という）ｆoでサーキュレータとして動作し、端子対１から入力した高周波は端子対２に、端子対２から入った高周波は端子対３に少ない損失で伝わる。端子対３に抵抗素子Rが接続されているとそこでほとんどのエネルギーが吸収され、端子対２から端子対１に高周波はほとんど伝播しない状態となる。すなわち一方向のみの伝播を助け、逆方向のそれは阻止する素子であるアイソレータを実現できる。

従来、端子対１、２、３の交差角は通常120度に設定されるが、不等角度に設定する３端子対非可逆素子も提案されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開平９−１０２７０４号公報特開平１０−１６３７０９号公報

図２１の従来技術の構造は対称的であり、作りやすいという利点を持っていたが、挿入損失が余り小さくならずその帯域幅も狭いという欠点を持っていた。また、特許文献１あるいは特許文献２に開示された構造によっても挿入損失と帯域幅の改善は十分ではなかった。また、これら従来のものではコスト的にもなかなか安くならない問題点もあった。

本発明は、上記従来技術の状況を鑑みてなされたもので、挿入損失が小さくその帯域幅が広い３端子対非可逆素子及びこれを用いた通信装置を提供することを目的としている。

請求項１の発明は、互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１、第２、第３の中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板は永久磁石により静磁界が印加されており、第１、第２、第３の中心導体の一端はそれぞれ第１、第２、第３の入出力端子となり、他端は共通部に接続され、前記第１、第２、第３の入出力端子と前記共通部の間には第１、第２、第３の整合用コンデンサーがそれぞれ接続され、前記第１と第２の中心導体のなす角度φと第２と第３の中心導体のなす角度θの両方もしくはどちらかが９０度以下であることを特徴とする３端子対非可逆素子である。

請求項２の発明は、前記第１と第２の中心導体のなす角度φが約６０度、第２と第３の中心導体のなす角度θが約６０度であることを特徴とする３端子対非可逆素子である。

請求項３の発明は、前記第１、第２もしくは第３の入出力端子のいずれかと前記共通部の間に抵抗素子を接続したことを特徴とする３端子対非可逆素子である。

請求項４の発明は、前記第１、第２、第３の中心導体なかの少なくとも一つの中心導体の中央部分が3本以上の導体に分かれていることを特徴とする３端子対非可逆素子である。

請求項５の発明は、前記共通部が地導体となっていることを特徴とする３端子対非可逆素子である。

請求項６の発明は、上記した発明１〜５の何れかに記載の３端子対非可逆素子を少なくとも一つ備えたことを特徴とする通信装置である。

本発明の３端子対非可逆素子であるサーキュレータ・アイソレータは、挿入損失が小さく、その帯域幅も広く、かつ低コスト化に対応できるので、コストパフォーマンス向上に大いに効果がある。

以下本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一つの実施例である中心導体とフェライト薄板組立図を示す。円板状のフェライト薄板Gの上に、第１、第２、第３の中心導体L1、L2、L3が電気的絶縁状態を保ちながら交差して配されている。従来技術と異なる点は、第１と第２の中心導体間の交差角度φが120度ではなく、60度であることである。ここでいう交差角度とは、フェライト薄板を横切る各中心導体の中心線のなす角度であり、入出力端子側で見た交差角度である。同じように、第２と第３の中心導体間の交差角度θも60度である。このような構成にすることにより、挿入損失の帯域幅が飛躍的に向上した。なお、前記電気的絶縁状態は図には記していないが、テフロン（登録商標）やポリイミドなどの粘着性テープをそれぞれの中心導体間に挿入することにより達成される。また、中心導体の表面にレジストのような絶縁性被膜をほどこしても実現できる。

図２は、本発明の実施例である図１の中心導体とフェライト薄板組立体に付属部品を接続して、アイソレータとして実現した回路図である。前記フェライト薄板Gは永久磁石により静磁界が印加されるがこれは図面には記載されていない。第１、第２、第３の中心導体の一端はそれぞれ入出力端子１、２、３となり、他端は共通部GRに接続される。前記入出力端子１、２、３と前記共通部GRの間には第１、第２、第３の整合用コンデンサーC1、C2、C3がそれぞれ取り付けられている。入出力端子３と共通部GRとの間には抵抗素子Rが接続されている。本実施例では、１を入力端子、２を出力端子となるように、外部からフェライト薄板Gに加わる静磁界の方向を決めた。本発明の効果は、これに限定するものではなく、２を入力端子、１を出力端子としてもなんら変わらない。

図３は、本発明の効果を従来技術と比較して説明するための図である。図３（ａ）は従来技術の、図３（ｂ）は本発明の第１の中心導体L1と第２の中心導体L2を選択して取り上げて示している。前者の交差角度が120度、後者のそれが60度である。どちらの場合も、第１の中心導体L1が入力、第２の中心導体L2が出力である。第３の中心導体L3には抵抗素子がそれぞれ接続されているが、図３では本効果の説明に直接関係がないので省略してある。まず、理想的にサーキュレータが動作した場合は、従来技術では入力電圧と出力電圧は逆位相となる。図１の本発明の技術を用いた実施例では入力電圧と出力電圧は同位相となる。すなわち、中心導体の共通部GR側の電圧はゼロとすると、その反対側のL1とL2端部電圧は従来技術では符号が反対であり、本発明の技術では符号が同じでその絶対値はそれぞれ等しい。ところが、実際の中心導体L1、L2は平行２線路であり、図中のように交差している複数の部分がある。図中の黒丸は、二つの中心導体の電圧絶対値が両者等しい部分である。白丸は両者の電圧絶対値が異なる部分である。もちろん、中心導体の形状が図のように二本ではなく一本で細ければ、二つの中心導体はフェライト薄板Gの中心で常に交差するので、中心導体の交差角度に関係なく、交差部分での電圧絶対値に差はほとんどない。しかし、実際にはフェライト薄板内部の高周波磁界を均一にするために、二本以上の中心導体が用いられる。

図３のように、平行二線路が交差する場合には、この交差する場所で電圧差が発生する。すなわち、従来技術の交差角度120度のときには、黒丸部分における二つの中心導体の電圧差が一番大きくV_A＋V_B≒２V_Aである。一方、本発明技術の交差角度60度のときには、黒丸部分では電圧差がなく、白丸部分の電圧差が一番大きくV_C−V_Dである。図から明らかのように、V_A＋V_B≒２V_A＞＞V_C−V_Dが成立する。但し、V_A、V_B、V_C、V_Dは各点における電圧の絶対値である。
これは、従来技術の場合には入力端子から出力端子にエネルギーが伝播するときには、二つの中心導体間の交差部分の電圧差が大きく線間容量を介して高周波電流が流れやすいことを意味している。この高周波電流はサーキュレータ動作には直接寄与しないので、アイソレータの挿入損失特性を劣化させる。一方、本発明の技術の場合、この部分の電圧差が従来技術に比して１／５〜１／１０と小さくなり、線間容量が同じでも不要高周波電流が大幅に減るので、挿入損失特性によい影響を与える。

図４は、本発明のもう一つの利点を説明するための図である。中心導体は、一般的に、銅板をフォトエッチングもしくは金型により打ち抜いて作られる。図４（ａ）は従来技術の中心導体の展開図である。三方に対称的に拡がり、銅板単位面積当りの中心導体の取り数が少ない。これに比較して、図４（ｂ）に示すように、本発明の中心導体の展開図は下半分に小さく偏っており、銅板単位面積当りの中心導体の取り数が多くなる。これはコスト低減が叫ばれている携帯電話機用アイソレータに対しては効果が大きい。

図５は、本発明の効果を実証するために用いたアイソレータの等価回路図である。図２と異なる点は、入力端子１及び出力端子２とアイソレータ本体の間に、直列コンデンサーＣsがそれぞれ付加されたことである。このコンデンサーCsはインピーダンス変換用であり、アイソレータ内部のインピーダンスが高い場合に用いられる。

図６（ａ）（ｂ）は、６ｍｍφのガーネットを用いて行った実験の電気特性の結果を示す。従来技術は点線で、本発明の結果は実線で示す。図の縦軸は損失レベルを、横軸は周波数を示し、中心周波数は６５０MHｚ帯である。（ａ）は入力端子の、（ｂ）は出力端子の反射損失特性と挿入損失特性の周波数特性を示す。ここで特に著しい変化が、図６（ａ）の挿入損失特性に現れた。本発明を用いた方が挿入損失ピーク値において、０．０２ｄＢ〜０．０５ｄＢ程度改善されることが分かった。また、その帯域幅も図に示すように広い。入力端子の反射損失の２０ｄＢ比帯域幅で比較すると、従来技術では６％であったのに対し、本発明の技術では８％以上となった。このことからも本発明の効果の著しいことが確認できた。

図７は、本発明の他実施例の一つである。第１の中心導体Ｌ1と第２の中心導体Ｌ2の交差角度φは40度、第２の中心導体L2と第３の中心導体L3の交差角度θも40度である。いずれも60度より小さい場合を示す。

図８は、本発明の他実施例の一つである。第１の中心導体Ｌ1と第２の中心導体Ｌ2の交差角度φは40度、第２の中心導体L2と第３の中心導体L3の交差角度θは70度である。この場合の70度は、40度の補角である140度の丁度半分として選んだ。また、第３の中心導体L3の二本線路の間隔が広い。これは、3本目の中心導体を折り曲げて重ねる場合、他の中心導体との中央部分の重なりを避けるためで、実質的にアイソレータの高さを余り厚くしないための工夫である。このようにすると当然中心導体L3のインピーダンスが変わるので、これに接続される抵抗素子Rの値も相応に調整しなければならない。

図９は、本発明の他実施例の一つである。第１の中心導体Ｌ1と第２の中心導体Ｌ2の交差角度φは80度、第２の中心導体L2と第３の中心導体L3の交差角度θも80度である。いずれも60度より大きい場合を示す。

図１０は、本発明の他実施例の一つである。第１の中心導体Ｌ1と第２の中心導体Ｌ2の交差角度φは４０度、第２の中心導体L2と第３の中心導体L3の交差角度θは１００度である。前者は90度より小さく、後者は90度より大きい場合を示す。

これまでの説明から分かるように、本発明の3端子対非可逆素子のポイントは、第１の中心導体Ｌ1と第２の中心導体Ｌ2の交差角度φと、第２の中心導体L2と第３の中心導体L3の交差角度θが同時に90度を越えることはないということである。でありながらも、φ＝θという関係を維持しながら、角度が変化する場合は、φ＋θが180度を越えることはない。この場合は図１、図７、図９に相当する。
特別な場合として、φ＝θ＝60度のときが最も対称性が優れる。これは、本発明の実施例、図１に相当する。また、φ＋θ＝90度も中心導体L1と中心導体L3が直交する場合の特別条件である。このときφ＝θ＝45度となる。

図１１は、本発明のφ＝θ＝60度の他実施例の一つである。中心導体の形状が二本平行線路ではなく、7本平行線路の場合である。フェライト薄板全面にできるだけ均一に高周波磁界が発生するための工夫である。但し、この場合は線間容量が増える危険性が高いので、本数と線路幅の設計には注意を要する。（ａ）は三つの中心導体とも7本の平行線路を用いたものであり、（ｂ）は第３の中心導体Ｌ3のみ二本平行線路とした場合である。

図１２は、本発明のφ＝θ＝60度の他実施例の一つである。中心導体の形状が二本平行線路ではなく、１本線路の場合である。できるだけ線間容量を低減するために線路の中央部分が細くなっている。（ａ）は三つの中心導体とも１本線路を用いたものであり、（ｂ）は第３の中心導体Ｌ3のみ二本平行線路とした場合である。これは、3本目の中心導体を折り曲げて重ねる場合、他の中心導体との中央部分の重なりを避けるためで、実質的にアイソレータの高さを余り厚くしないための工夫である。

図１３は、本発明の他実施例の一つである。抵抗素子Ｒが第２の中心導体Ｌ2に接続されている。入力端子と出力端子は、１ないし３である。この場合も、図４（ｂ）の中心導体形状を用いることができるので本発明の効果を発揮できる。

図１４は、本発明の他実施例の一つである。φ＝40度、θ＝70度の中心導体と矩形状フェライト薄板の組立体、コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、抵抗素子Ｒを矩形領域内に概略的に配置した状況を示した。コンデンサーＣ１、Ｃ２は一つの構造体、例えば、セラミック単板の両面に設けられた電極により成り立っている。Ｃ３とＲは分離して設けられている。コンデンサーはセラミック単板である必要もなく、セラミック積層体でも効果は同じである。

図１５は、本発明の他実施例の一つである。この場合は、入力端子が中心導体L1、出力端子が中心導体L3のときの配置である。前記実施例の図１３に相当する内部のコンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、抵抗素子Ｒが矩形領域内に配置されている状況を概略的に示した。コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３それぞれ別々の構造体で構成されている。

図１６は、本発明の他実施例の一つである。これは、入力端子が中心導体L1、出力端子が中心導体L3の図１５に実施例において、コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、抵抗素子Ｒが一体の積層構成物CERで形成されている状態を示す。このようにすると積層構成物CERを全体として小さくできるので、コスト低減に有効である。

図１７は、図１６の一体積層構成物CERの展開図である。(a)は上面図、（ｂ）は側面断面図、(c)は下面図である。一つの積層セラミックス構成物の中に、コンデンサーC1、C2、C3が内包されており、上面には抵抗Rが印刷・焼成されている。下面には、地導体電極GRが印刷・焼成されている。上下面のGNはスルーホールでつながっている。各コンデンサーの静電容量を高めるため、各コンデンサーの対抗電極はスルーホールで上下面に接続される。

図１８は、本発明の他実施例の一つである。φ＝４０度、θ＝１００度の中心導体と矩形状フェライト薄板の組体、コンデンサーＣ１、Ｃ２、Ｃ３、抵抗素子Ｒを矩形領域内に配置した状況を概略的に示した。但し、入力端子は中心導体L1、出力端子は中心導体L2に接続される。コンデンサーＣ１、Ｃ２は一つの構造体によりなる。Ｃ３とＲは分離して設けられている。

図１９は、携帯電話のＲＦ部分の電気回路ブロック図の一例である。この例ではアンテナ１０と、送信用フィルタおよび受信用フィルタからなるデュプレクサ１１と、このデュプレクサの送信用フィルタ側の入出力手段に接続される送信用回路１２と、デュプレクサの受信用フィルタ側の入出力手段に接続される受信用回路１３とから構成されている。送信用回路１２の概略は、送信側からフィルタ、ミキサ、パワーアンプがあり、送信信号はパワーアンプにより増幅され、本発明のアイソレータを経由した後、デュプレクサ１１の送信用フィルタを通してアンテナ１０から発信される。また、受信信号はアンテナ１０からデュプレクサ１１の受信用フィルタを通して受信用回路１３に送られ、受信用回路におけるローノイズアンプで増幅されフィルタを通過した後、ミキサで電圧制御発信機VCOからスプリッターで分配された局発信信号と混合されて中間周波数に変換される。
このような無線通信機の構成は一例であるが、本発明の３端子対非可逆素子を用いることによって、低損失、広帯域で信頼性の高い通信機を実現できる。

本発明の実施例を示す中心導体とフェライト薄板を組立てた上面図である。本発明の実施例による３端子対非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路である。中心導体の電圧差に関し（ａ）従来技術と（ｂ）本発明の比較及び優位性を説明する図である。中心導体に関し（ａ）従来技術と（ｂ）本発明の比較及び優位性を説明する図である。本発明による３端子対非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路である。本発明によるアイソレータと従来技術のアイソレータの特性比較図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明の一実施例を示す中心導体とフェライト薄板の組立図である。本発明による３端子対非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路である。本発明の一実施例によるコンデンサー、抵抗、中心導体とフェライト薄板の配置図である。本発明の一実施例によるコンデンサー、抵抗、中心導体とフェライト薄板の配置図である。本発明の一実施例によるコンデンサー、抵抗、中心導体とフェライト薄板の配置図である。本発明の一実施例によるコンデンサーと抵抗の一体組立図である。本発明の一実施例によるコンデンサー、抵抗、中心導体とフェライト薄板の配置図である。本発明の一実施例による通信機の回路ブロック図である。従来技術による中心導体とフェライト薄板の組立図である。従来技術の３端子対非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路である。

符号の説明

L1、L2、L3…第１、第２、第３の中心導体
G…フェライト薄板
GR…地導体
C1、C2、C3…整合用コンデンサー
R…抵抗素子
CER…コンデンサーと抵抗を一体化した積層構成物
１、２、３…入出力端子
φ…第１の中心導体と第２の中心導体のなす角度
θ…第２の中心導体と第３の中心導体のなす角度

Claims

互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１、第２、第３の中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板は永久磁石により静磁界が印加されており、第１、第２、第３の中心導体の一端はそれぞれ第１、第２、第３の入出力端子となり、他端は共通部に接続され、前記第１、第２、第３の入出力端子と前記共通部の間には第１、第２、第３の整合用コンデンサーがそれぞれ接続され、前記第１と第２の中心導体のなす角度φと第２と第３の中心導体のなす角度θの両方もしくはどちらかが９０度以下であることを特徴とする３端子対非可逆素子。
前記第１と第２の中心導体のなす角度φが約６０度、第２と第３の中心導体のなす角度θが約６０度であることを特徴とする請求項１記載の３端子対非可逆素子。
前記第１、第２もしくは第３の入出力端子のいずれかと前記共通部の間に抵抗素子を接続したことを特徴とする請求項１または２記載の３端子対非可逆素子。
前記第１、第２、第３の中心導体の少なくとも一つの中心導体の中央部分が3本以上の導体に分かれていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の３端子対非可逆素子。
前記共通部が地導体となっていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の３端子対非可逆素子。
請求項１〜５の何れかに記載の３端子対非可逆素子を少なくとも一つ備えたことを特徴とする通信装置。