JP2004304434A - ３巻線型非可逆素子 - Google Patents

Abstract

【課題】挿入損失が小さくその帯域幅が広い３巻線型非可逆素子を提供する。
【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中心導体、第２中心導体、第３中心導体をフェライト薄板に近接して配し、フェライト薄板は永久磁石により静磁界を印加しており、第１中心導体の一端が入出力端子、第１中心導体の他端がもう一つの入出力端子となっていることを特徴とした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
図１７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と概略回路を示す。
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１６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▼の入出力端子となり、他端は地導体ＧＮＤ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１７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高周波伝播を助け、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（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１３１０９号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１７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。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巻線型非可逆素子を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための方法】
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中心導体、第２中心導体、第３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中心導体の一端は入出力端子、他端がもう一つの入出力端子となっていることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項２の発明は、第２中心導体の一端は第１インピーダンス素子を介して第１中心導体の一端に接続され、第３の中心導体の一端は第２インピーダンス素子を介して第１の中心導体の他端に接続され、第２中心導体と第３中心導体の他端は共通部に接続され、かつ第１中心導体の一端と他端との間に第３インピーダンス素子が接続されていることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項３の発明は、前記第１インピーダンス素子と前記インピーダンス素子がインダクタンス素子もしくは短絡素子もしくは抵抗素子であることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項４の発明は、前記第３のインピーダンス素子がキャパシタンス素子と抵抗素子よりなることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項５の発明は、第２中心導体と第３中心導体のなす角度が０度から６０度の範囲内あることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項６の発明は、前記第２中心導体の一端と前記第３中心導体の一端に第４インピーダンス素子を接続したことを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項７の発明は、前記第４インピーダンス素子がインダクタンス素子よりなることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
請求項８の発明は、前記第１中心導体、第２中心導体、第３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３巻線型非可逆素子である。
請求項９の発明は、前記第２中心導体と前記第３中心導体とが共通部が地導体に接続されていることを特徴とする３巻線型非可逆素子である。
【０００７】
【発明が実施の形態】
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は本発明の原理を示す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中心導体Ｌ１の一端が入力端子▲１▼、他端が出力端子▲２▼になっていることである。第２中心導体と第３中心導体は第１中心導体の上に１２０度の角度で交差して乗せられている。すなわち、第２中心導体Ｌ２の共通部ＧＲと第３中心導体Ｌ３の共通部ＧＲは第１中心導体Ｌ１対して対向する位置に配されている。当然、第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３の一端も第１中心導体Ｌ１に対して対向する位置にある。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、テトラフルオロエチレン樹脂、フッ化エチレンプロピレン共重合樹脂、パーフロロエチレンプロペン共重合樹脂、パーフルオロアルコキシ樹脂などのフッ素樹脂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。なお、第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３の交差角度φの定義は後述されるが、その定義によれは、この場合の交差角度φは６０度である。
【０００８】
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中心導体Ｌ１の両端はそれぞれ入出力端子▲１▼、▲２▼となっている。前記入出力端子▲１▼と▲２▼の間には第３インピーダンス素子Ｚ３が接続され、かつ前記入出力端子▲１▼と▲２▼と前記共通部ＧＲの間には第２、第３の整合用インピーダンス素子Ｚ１０、Ｚ２０がそれぞれ取り付けられている。共通部ＧＲはインピーダンス素子Ｚｎを介して地導体ＧＮＤに接続されている。また、第２中心導体Ｌ２の一端と入出力端子▲１▼の間には第１インピーダンス素子Ｚ１が接続されている。同じように、第３中心導体Ｌ３の一端と入出力端子▲２▼の間には第２インピーダンス素子Ｚ２が接続されている。これが本発明の基本的な構造である。なお、図面としては明らかにしていないが、対称性から、第２中心導体Ｌ２の一端と入出力端子▲２▼の間にＺ１を接続し、第２中心導体Ｌ３の一端と入出力端子▲１▼の間にＺ２を接続しも基本的には同じ構造である。
【０００９】
図３は、本発明の原理を示すもう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。図１の実施例と異なる点は、第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３は、第１の中心導体の上に６０度の角度で交差して乗せられている。この構成の特徴は、第２と第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の共通部ＧＲが、第１の中心導体Ｌ１に対して、同じ側（図面では下側）に配されていることである。当然、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の一端も反対側（図では上側）に位置する。このような構成にすることにより、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の共通部ＧＲは地導体ＧＮＤなどに接続が簡単となる。
なお、ここで、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の交差角度φを定義する。交差角度φは、第１中心導体Ｌ１を基準にして、同じ片側（図では上側もしくは下側）の領域での交差角度である。中心導体の共通部と一端の方向には関係しない。従って、図１と図２に開示のものは、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の交差角度φがともに６０度となる。
【００１０】
図４は、本発明の実施例である図３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。第１中心導体Ｌ１の両端はそれぞれ入出力端子▲１▼、▲２▼となっている。前記入出力端子▲１▼と▲２▼の間には第３インピーダンス素子Ｚ３が接続され、かつ前記入出力端子▲１▼と▲２▼と前記共通部ＧＲの間には第２、第３の整合用インピーダンス素子Ｚ１０、Ｚ２０がそれぞれ取り付けられている。共通部ＧＲはインピーダンス素子Ｚｎを介して地導体ＧＮＤに接続されている。また、第２中心導体Ｌ２の一端と入出力端子▲１▼の間には第１インピーダンス素子Ｚ１が接続されている。同じように、第３中心導体Ｌ３の一端と入出力端子▲２▼の間には第２インピーダンス素子Ｚ２が接続されている。かつ第２中心導体Ｌ２の一端と第３中心導体Ｌ３の一端との間には第４インピーダンス素子Ｚ４が接続されている。これが本発明のもう一つの基本的な構造である。なお、図面としては明らかにしていないが、対称性から、第２中心導体Ｌ２と入出力端子▲２▼の間にＺ１を接続し、第３中心導体Ｌ３と入出力端子▲１▼の間にＺ２を接続しも基本的には同じ構造である。
【００１１】
図５は、本発明の実施例の一つである図２の回路の具体例として、第３インピーダンス素子Ｚ３としてキャパシタンス素子Ｃ１と抵抗素子Ｒを、Ｚ１０、Ｚ２０として整合用コンデンサーＣ２、Ｃ３を、インピーダンス素子Ｚｎとして短絡素子Ｓを、非可逆性に寄与する第１インピーダンス素子Ｚ１と第２インピーダンス素子Ｚ２として短絡素子Ｓをそれぞれ用いた場合である。なお本実施例では第４インピーダンス素子Ｚ４は接続していない。
【００１２】
図６は、本発明の実施例のもう一つである図４の回路の具体例として、第３インピーダンス素子Ｚ３としてキャパシタンス素子Ｃ１と抵抗素子Ｒを、Ｚ１０、Ｚ２０として整合用コンデンサーＣ２、Ｃ３を、インピーダンス素子Ｚｎとして短絡素子Ｓを、非可逆性に寄与する第１インピーダンス素子Ｚ１として短絡素子Ｓを、第２インピーダンス素子Ｚ２として抵抗素子Ｒ１、第４インピーダンス素子Ｚ４としてインダクタンス素子Ｌをそれぞれ用いた場合である。
【００１３】
図７は、本発明の原理の図１を適用したもう一つの実施例の回路図である。従来技術の回路の類推で考えて、整合用コンデンサーＣ２、Ｃ３は第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３と直接に並列接続した場合である。
【００１４】
図８は、本発明の原理の図３を適用したもう一つの実施例の回路図である。従来技術の回路の類推で考えて、整合用コンデンサーＣ２、Ｃ３は第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３と直接に並列接続した場合である。
【００１５】
ここで、本発明の原理を、従来技術の図１７の回路図と本発明の図５の回路図を比較して簡単に説明する。入力端子▲１▼から出力端子▲２▼への高周波の伝播の際、挿入損失に着目すると、従来技術では図１７に示すように、第１中心導体Ｌ１と第２中心導体Ｌ２のトランス結合により達成される。すなわち、高周波は二つの中心導体で形成される二つの並列共振回路を経由して伝送されることになる。これに対して、本発明の場合、第１中心導体Ｌ１がそのまま入力と出力の端子を兼ねており、インピーダンス素子Ｚ１０、Ｚ２０を調整することにより、広帯域かつ低損失でエネルギーの伝送が可能であることである。しかし、このままでは、非可逆性は実現できない。第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３がその非可逆性の実現に寄与する。その機能を持たせるための接続方法が極めて重要である。本発明では、第２、第３中心導体の一端をインピーダンス素子Ｚ１、Ｚ２を介して、第１中心導体の一端と他端にそれぞれ接続し、第２、第３の中心導体の一端を共通部に接続し、かつ第１の中心導体の両端に第３インピーダンス素子Ｚ３を接続したことにより、非可逆性を実現できることを見出した。これにより、挿入損失という観点に立てば、二つの共振回路の損失を経なければ、エネルギーを伝送できなかった従来技術に比較し、本発明の回路では、一つの共振回路、すなわち第１中心導体Ｌ１の導体損失を主に考慮するだけでよく、従来技術に比較して挿入損失を半分にできる可能性を見出した。これが本発明の主眼である。
【００１６】
図９（ａ）（ｂ）は本発明のもう一つの実施例である。入出力端子となる第１中心導体Ｌ１の寸法が広くかつ本数も３本と多くなっており、非可逆性を実現するための第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３の寸法は狭くかつ一本であるのが特徴である。このような構成にすることにより、挿入損失を低減できかつその帯域幅を著しく広くすることができた。図９（ａ）は本発明の図１に実施例に相当する配置例であり、図９（ｂ）は図３の実施例に相当する配置例である。本実施例では、交差角度φがどちらも６０度の場合である。
【００１７】
図１０は本発明のさらなる実施例であり、フェライト薄板として、矩形形状を用いた場合を示す。このような構成にすることにより、小型アイソレータ内部の占積率及び組立性を大幅に改善することができる。
また図１０は、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の交差角度φを１００度にした場合である。このように、角度が増加しても、アイソレータとしての特性を実現できたが、特性は図９に開示のものと比べて劣るものであった。
一方図１１は、第２、第３の中心導体の交差角度φを１０度とした場合の実施例であり、この場合は良好なアイソレータ特性を実現できた。このことから好ましい交差角度φを６０度以下とした。
【００１８】
図１２（ａ）は、第２、第３中心導体Ｌ２、Ｌ３を第１中心導体Ｌ１の中心部分で交差させ、その後は、交差角度φ＝０度として平行にして外部に取り出した場合である。図１２（ｂ）は、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３を交差させずに、交差角度φ＝０度として、平行にして外部に取り出した場合である。この両方の場合で、良好なアイソレータ特性を実現できた。これらの実施例は、本発明の原理構造である図３の中心導体構造に属するものである。
【００１９】
図１３（ａ）（ｂ）は、図１２の外部に平行に取り出す方法として、本発明のもう一つの原理構造である図１の中心導体構造に属する配置において、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の共通部ＧＲが矩形状フェライト薄板の対抗する辺の部分に位置する場合を示す。この場合は、交差角度φ＝０度に相当する。
【００２０】
さらに、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の他の実施例を示す。第２と第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３の配置が第１の中心導体Ｌ１の配置に対して対称ではない場合を示す。（ａ）は、第２もしくは第３中心導体Ｌ２、Ｌ３のどれか一つが第１の中心導体Ｌ１に直交している特別な場合を示す。（ｂ）は、第３の中心導体Ｌ３だけを屈曲させた場合を示す。（ｃ）は、第２、第３の中心導体Ｌ２、Ｌ３が平行であるが、第１の中心導体Ｌ１に対して垂直でない場合を示す。これらいずれも本発明の効果の範囲内にあることは明白である。
【００２１】
図１５（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、本発明の技術の結果を実線で示す。周波数は６５０ＭＨｚ帯である。（ａ）は入力端子の反射損失と挿入損失の周波数特性、（ｂ）は出力端子の反射損失特性と逆方向特性の周波数特性を示す。特に、著しい変化が、挿入損失特性に現れた。本発明の技術を用いた方が挿入損失ピーク値において、０．０２ｄＢ〜０．１ｄＢ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極めて広い。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４％であったのに対し、本発明の技術では１０％以上となった。これは挿入損失の帯域幅が著しく広いという結果になって現れた。このことからも本発明の効果が工業上著しいことが確認できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上実施例を用いて詳述したように、本発明の３巻線型非可逆素子であるアイソレータは、挿入損失が小さく、その帯域幅も広く、携帯電話機用小型アイソレータとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図２】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図３】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図４】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図５】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図６】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図７】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図８】本発明の技術による３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図９】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１０】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１１】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１２】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１３】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１４】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１５】本発明の技術によるアイソレータと従来技術によるアイソレータの特性比較図
【図１６】従来の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１７】従来技術の３巻線型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【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 共通部
ＧＮＤ 地導体
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ キャパシタンス素子
Ｌ インダクタンス素子
Ｒ 抵抗素子
Ｓ 短絡素子
▲１▼、▲２▼ 入出力端子
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４、Ｚｎ インピーダンス素子
Ｚ１０、Ｚ２０ 第２、第３の整合用インピーダンス素子
φ 第２、第３の中心導体の交差角度

Claims (9)

1. 互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１中心導体、第２中心導体、第３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中心導体の一端が入出力端子、第１中心導体の他端がもう一つの入出力端子となっていることを特徴とする３巻線型非可逆素子。
2. 前記第２中心導体の一端は第１インピーダンス素子を介して第１中心導体の一端に接続され、第３中心導体の一端は第２インピーダンス素子を介して第１中心導体の他端に接続され、第２中心導体と第３中心導体の他端は共通部に接続され、かつ第１中心導体の一端と他端との間に第３インピーダンス素子が接続されていることを特徴とする請求項１記載の３巻線型非可逆素子。
3. 前記第１インピーダンス素子と前記第２インピーダンス素子がインダクタンス素子もしくは短絡素子もしくは抵抗素子であることを特徴とする請求項２記載の３巻線型非可逆素子。
4. 前記第３のインピーダンス素子がキャパシタンス素子と抵抗素子よりなることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の３巻線型非可逆素子。
5. 第２中心導体と第３中心導体のなす角度が０度から６０度の範囲内あることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の３巻線型非可逆素子。
6. 前記第２中心導体の一端と前記第３中心導体の一端に第４インピーダンス素子を接続したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の３巻線型非可逆素子。
7. 前記第４インピーダンス素子がインダクタンス素子よりなることを特徴とする請求項６記載の３巻線型非可逆素子。
8. 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から請求項７のいずれかに記載の３巻線型非可逆素子。
9. 前記第２中心導体と前記第３中心導体とが接続する共通部が地導体に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の３巻線型非可逆素子。

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