JP2012231202A - 非可逆回路素子及びフェライト・磁石素子 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの組立体として複数の周波数帯で動作可能なフェライト・磁石素子及び非可逆回路素子を得る。
【解決手段】単一のフェライト３２と、フェライト３２の長辺方向の少なくとも二つの領域にそれぞれ形成されて複数の周波数帯（例えば、８３６ＭＨｚ帯、１．９５ＧＨｚ帯）にそれぞれ対応する複数種類の中心電極と、フェライト３２の主面に固着された永久磁石４１とを備えたフェライト・磁石素子。永久磁石４１はフェライト３２及び複数種類の中心電極に直流磁界を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非可逆回路素子及びフェライト・磁石素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子、及び、該非可逆回路素子に組み込まれるフェライト・磁石素子に関する。

従来より、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。

この種の非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）として、特許文献１には、互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された第１及び第２中心電極を有するフェライトの両主面を、該フェライトに直流磁界を印加する一対の永久磁石で挟み込んだフェライト・磁石素子を備えたものが記載されている。

ところで、携帯端末に異なる周波数帯で動作する複数の通信システムが搭載されている場合、それぞれの周波数帯（例えば、８３６ＭＨｚ帯と１．９５ＧＨｚ帯）で動作する複数のフェライト・磁石素子やチップタイプの容量素子や抵抗素子を基板上に実装することになる。

しかし、異なる周波数帯ごとに１組ずつのフェライト・磁石素子を実装すると、それらの素子の間にある程度のクリアランスを設ける必要もあって基板上の専有面積が大きくなる。また、フェライト・磁石素子は磁力調整された後に基板に搭載されるため、それぞれのフェライト・磁石素子の間で反発あるいは引き付け合いが発生し、実装位置精度が狂うという問題点も有している。さらに、容量素子や抵抗素子などのチップ部品を基板に実装する際にも、容量素子や抵抗素子は電極にニッケルなどの磁性体を含むため、フェライト・磁石素子の既に調整されている磁力によってチップ部品の実装位置が狂うことになる。

特開２００９−２５３８３１号公報

そこで、本発明の目的は、一つの組立体として複数の周波数帯で動作可能なフェライト・磁石素子及び該フェライト・磁石素子を備えた非可逆回路素子を提供することにある。

本発明の第１の形態であるフェライト・磁石素子は、
直方体形状をなす単一のフェライトと、
前記フェライトの長辺方向の少なくとも二つの領域にそれぞれ形成されており、複数の周波数帯にそれぞれ対応する複数種類の中心電極と、
前記フェライトの主面に固着され、該フェライト及び前記複数種類の中心電極に直流磁界を印加する永久磁石と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の第２の形態である非可逆回路素子は、
前記中心電極が前記フェライトに互いに絶縁状態で交差して配置された第１中心電極及び第２中心電極からなる前記フェライト・磁石素子を備え、
前記第１中心電極は、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続され、
前記第２中心電極は、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端がグランドポートに電気的に接続され、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間に第１整合容量が電気的に接続され、
前記出力ポートと前記グランドポートとの間に第２整合容量が電気的に接続され、
前記入力ポートと前記出力ポートとの間に抵抗が電気的に接続されていること、
を特徴とする。

前記フェライト・磁石素子においては、単一のフェライトに複数の周波数帯にそれぞれ対応する複数種類の中心電極が形成されており、フェライトの主面に固着された永久磁石から複数の中心電極に対して直流磁界を印加する構成である。それゆえ、単一のフェライト・磁石素子で複数の周波数帯での動作が可能になる。

本発明によれば、一つの組立体として複数の周波数帯で動作可能なフェライト・磁石素子を得ることができ、基板上での専有面積が小さくなる。

第１実施例である非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）を示す分解斜視図である。 フェライト・磁石素子を示す分解斜視図である。 非可逆回路素子の等価回路図である。 第２実施例である非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）を示す分解斜視図である。

以下、本発明に係る非可逆回路素子及びフェライト・磁石素子の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、同じ部材、部分については共通する符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図において斜線を付した部分は導電体を示している。

（第１実施例、図１〜図３参照）
図１に示す非可逆回路素子は、２ポートタイプの集中定数型アイソレータであり、概略、回路基板２０と、フェライト３２と一対の永久磁石４１とからなるフェライト・磁石素子３０と、平板状ヨーク１０と、チップコンデンサＣ１と、チップ抵抗Ｒ１，Ｒ１１とで構成されている。

フェライト・磁石素子３０は、永久磁石４１から直流磁界を印加されることによって、二つの周波数帯（具体的には、８３６ＭＨｚ帯及び１．９５ＧＨｚ帯）で動作するものである。フェライト３２の図２中右手前側に巻回されている第１及び第２中心電極３５，３６が８３６ＭＨｚ帯で動作し、左奥側に巻回されている第１及び第２中心電極１３５，１３６が１．９５ＧＨｚ帯で動作する。

フェライト３２には、図２に示すように、表裏の主面３２ａ，３２ｂに、絶縁材３４にて互いに電気的に絶縁された第１中心電極３５，１３５及び第２中心電極３６，１３６が形成されている。フェライト３２は互いに平行な第１主面３２ａ及び第２主面３２ｂを有する直方体形状をなしている。

永久磁石４１はフェライト３２に対して磁界を主面３２ａ，３２ｂに垂直方向に印加するように主面３２ａ，３２ｂに対向して、例えば、エポキシ系の接着剤４２を介して接着されている。永久磁石４１の主面はフェライト３２の主面３２ａ，３２ｂと同一寸法であり、互いの外形が一致するように主面どうしを対向させて配置されている。

まず、８３６ＭＨｚ帯で動作する中心電極３５，３６について説明する。第１中心電極３５は導体膜にて形成されており、図２に示すように、フェライト３２の下面に形成された接続用電極３５ａに接続された状態で第１主面３２ａのほぼ中央部分において立ち上がって水平方向に形成され、右上方に立ち上がって上面の中継用電極３５ｂを介して第２主面３２ｂに回り込む。第２主面３２ｂにおいて、第１中心電極３５は、第１主面３２ａと透視状態でほぼ重なるように形成され、その端部は下面に形成された接続用電極３５ｃに接続されている。このように、第１中心電極３５はフェライト３２に１ターン巻回されている。第１中心電極３５と第２中心電極３６の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。

第２中心電極３６は導体膜にて形成されており、まず、０．５ターン目３６ａがフェライト３２の下面に形成された接続用電極３５ｃと接続された状態で第２主面３２ｂにおいて第１中心電極３５と斜めに交差する状態で立ち上がり、上面の中継用電極３６ｂを介して第１主面３２ａに回り込み、１ターン目３６ｃが第１主面３２ａにおいて第１中心電極３５と直交する状態で形成されている。１ターン目３６ｃの下端部は下面の中継用電極３６ｄを介して第２主面３２ｂに回り込み、１．５ターン目３６ｅが第２主面３２ｂにおいて立ち上がり、上面の中継用電極３６ｆを介して第１主面３２ａに回り込んでいる。以下同様に、２ターン目３６ｇ、中継用電極３６ｈ、２．５ターン目３６ｉ、中継用電極３６ｊ、３ターン目３６ｋがフェライト３２の表面にそれぞれ形成されている。３ターン目３６ｋの下端部はフェライト３２の下面に形成した接続用電極３６ｌに接続されている。

次に、１．９５ＧＨｚ帯で動作する中心電極１３５，１３６について説明する。第１中心電極１３５は導体膜にて形成されており、図２に示すように、フェライト３２の下面に形成された接続用電極１３５ａに接続された状態で第１主面３２ａの左側において立ち上がって水平方向に形成され、ほぼ中央部分で立ち上がって上面の中継用電極１３５ｂを介して第２主面３２ｂに回り込む。第２主面３２ｂにおいて、第１中心電極１３５は、第１主面３２ａと透視状態でほぼ重なるように形成され、その端部は下面に形成された接続用電極１３５ｃに接続されている。このように、第１中心電極１３５はフェライト３２に１ターン巻回されている。第１中心電極１３５と第２中心電極１３６の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。

第２中心電極１３６は導体膜にて形成されており、まず、０．５ターン目１３６ａがフェライト３２の下面に形成された接続用電極１３５ｃと接続された状態で第２主面３２ｂにおいて第１中心電極１３５と斜めに交差する状態で立ち上がり、上面の中継用電極１３６ｂを介して第１主面３２ａに回り込み、１ターン目１３６ｃが第１主面３２ａにおいて第１中心電極１３５と直交する状態で形成されている。１ターン目１３６ｃの下端部は下面の中継用電極１３６ｄを介して第２主面３２ｂに回り込み、１．５ターン目１３６ｅが第２主面３２ｂにおいて立ち上がり、上面の中継用電極１３６ｆを介して第１主面３２ａに回り込んでいる。２ターン目１３６ｇの下端部はフェライト３２の下面に形成した接続用電極１３６ｈに接続されている。

前記接続用電極や中継用電極は、フェライト３２の上下面に形成された凹部に電極用導体を塗布又は充填して形成されている。この種の電極は、マザーフェライト基板に予めスルーホールを形成し、このスルーホールを電極用導体で充填した後、スルーホールを分断する位置でカットすることによって形成される。なお、各種電極はスルーホールに導体膜として形成したものであってもよい。また、多数個取りの手法で製作される場合、マザーフェライト基板に接着剤を介して永久磁石をも積層した状態でカットされることもある。

永久磁石４１は、通常、ストロンチウム系、バリウム系、ランタン−コバルト系のフェライトマグネットが用いられる。永久磁石４１とフェライト３２とを接着する接着剤４２としては、一液性の熱硬化型エポキシ接着剤を用いることが最適である。

回路基板２０は、複数枚の誘電体シート上に所定の電極を形成して積層し、焼結した積層型基板であり、その内部には、等価回路である図３に示すように、整合用コンデンサＣ１１，Ｃ２，Ｃ１２、インピーダンス整合用コンデンサＣｓ１，Ｃｓ２，Ｃｓ１１，Ｃｓ１２が内蔵されている。８３６ＭＨｚ帯で用いられる整合用コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１，Ｒ１１はチップタイプとして回路基板２０上に外付けされている（図１参照）。１．９５ＧＨｚ帯で用いられる整合用コンデンサＣ１１は、コンデンサＣ１に比べて小容量であるために回路基板２０に内蔵されている。

回路基板２０の上面には８３６ＭＨｚ帯用に入力端子電極２５、出力端子電極２６、グランド端子電極２７及び接続用端子電極２８，２９がそれぞれ形成され、１．９５ＧＨｚ帯用に入力端子電極１２５、出力端子電極１２６及びグランド端子電極１２７がそれぞれ形成されている。回路基板２０の下面には、図３に示す入力用外部端子電極ＩＮ、出力用外部端子電極ＯＵＴ及びグランド用外部端子電極ＧＮＤがそれぞれ形成されている。

平板状ヨーク１０は、フェライト・磁石素子３０の上面に接着剤を介して固定されている。

ここで、２ポート型アイソレータの回路構成を図３の等価回路を参照して説明する。８３６ＭＨｚ帯用及び１．９５ＧＨｚ帯用のそれぞれにおいて、第１中心電極３５，１３５（インダクタＬ１，Ｌ１１）の一端である入力ポートＰ１は整合用コンデンサＣｓ１，Ｃｓ１１を介して外部端子電極ＩＮに接続されている。第１中心電極３５，１３５の他端と第２中心電極３６，１３６（インダクタＬ２，Ｌ１２）の一端である出力ポートＰ２は整合用コンデンサＣｓ２，Ｃｓ１２を介して外部端子電極ＯＵＴに接続され、第２中心電極３６，１３６の他端は外部端子電極ＧＮＤ（グランドポートＰ３）に接続されている。

入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間には第１中心電極３５，１３５（Ｌ１，Ｌ１１）と並列に整合用コンデンサＣ１，Ｃ１１が接続され、出力ポートＰ２とグランドポートＰ３との間には第２中心電極３６，１３６（Ｌ２，Ｌ１２）と並列に整合用コンデンサＣ２，Ｃ１２が接続されている。さらに、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２との間には抵抗Ｒ１，Ｒ１１が接続されている。つまり、８３６ＭＨｚ帯用及び１．９５ＧＨｚ帯用のそれぞれにおいて同じ等価回路で構成されており、インダクタＬ１，Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１２の定数やコンデンサＣ１，Ｃ１１などの容量値がそれぞれの周波数帯に合わせて設定されている。

以上の回路構成からなる２ポート型アイソレータにおいては、入力ポートＰ１に高周波信号が入力されると、第２中心電極３６，１３６に大きな高周波電流が流れ、第１中心電極３５，１３５にはほとんど高周波電流が流れず、高周波信号は出力ポートＰ２に伝送される。それゆえ、挿入損失が小さく、広帯域で動作する。一方、出力ポートＰ２に高周波信号が入力されると、抵抗Ｒ１，Ｒ１２のインピーダンス特性によって減衰される。それゆえ、アイソレーション特性が良好である。

本第１実施例においては、単一のフェライト３２に複数の周波数帯にそれぞれ対応する複数種類の中心電極３５，３６，１３５，１３６が形成されており、フェライト３２の主面３２ａ，３２ｂに固着された永久磁石４１から複数の中心電極３５，３６，１３５，１３６に対して直流磁界を印加する構成である。それゆえ、単一のフェライト・磁石素子３０で複数の周波数帯での動作が可能になる。一つの周波数帯ごとに１組の組立体でフェライト・磁石素子を構成する従来例と比較すると、回路基板２０上での専有面積が大幅に小さくなる。また、並置される複数のフェライト・磁石素子の間で磁力による反発あるいは引き付け合いで実装位置精度が悪化するおそれはない。

ところで、非可逆回路素子において、動作周波数帯が高くなるほど大きな直流磁界を印加することが好ましい。第１実施例では、二つの周波数帯に関して永久磁石４１で同じ直流磁界強度を印加している。この場合、永久磁石４１をいずれかの周波数帯に合わせた直流磁界強度に設定するか、二つの周波数帯の中間的な値の直流磁界強度に設定することになる。これに対して、永久磁石４１を二つの周波数帯ごとに（フェライト３２の長辺方向に）２分割すれば、それぞれの周波数帯に適合した直流磁界強度に設定することができる。例えば、永久磁石４１の素材を同じものとするのであれば、１．９５ＧＨｚ帯の中心電極１３５，１３６に作用する永久磁石４１の厚みを大きくすることで直流磁界強度を強くして高い周波数帯に対応できる。また、厚みは同じであっても、２分割したものごとに特性の異なる素材を用いること、例えば、残留磁束密度の大きな素材を用いることで直流磁界強度を強くして高い周波数帯に対応できる。

（第２実施例、図４参照）
前述のごとく、永久磁石４１によって印加される直流磁界強度をそれぞれの周波数帯に最適に設定する構成として、永久磁石４１の厚みを部分的に異ならせてもよい。即ち、図４に示すように、永久磁石４１において、８３６ＭＨｚ帯で動作する中心電極３５，３６に直流磁界を印加する部分を相対的に薄くし、１．９５ＧＨｚ帯で動作する中心電極１３５，１３６に直流磁界を印加する部分を相対的に厚くする。

本第２実施例の他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も同様である。特に、永久磁石４１によって印加される直流磁界強度をそれぞれの周波数帯に対して最適に設定することができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係るフェライト・磁石素子及び非可逆回路素子は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、永久磁石のＮ極とＳ極を反転させれば、入力ポートと出力ポートが入れ替わる。また、第１及び第２中心電極の形状は種々に変更することができる。

さらに、前記実施例では二つの周波数帯で動作するものを示したが、フェライト・磁石素子は３以上の周波数帯で動作するものであってもよい。この場合、フェライト及び永久磁石は長辺方向に延長されることになる。

以上のように、本発明は、フェライト・磁石素子及び非可逆回路素子に有用であり、特に、一つの組立体として複数の周波数帯で動作可能である点で優れている。

３０…フェライト・磁石素子
３２…フェライト
３５，１３５…第１中心電極
３６，１３６…第２中心電極
４１…永久磁石
Ｐ１…入力ポート
Ｐ２…出力ポート
Ｐ３…グランドポート
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１，Ｃ１２…コンデンサ
Ｒ１，Ｒ１１…抵抗

Claims (7)

1. 直方体形状をなす単一のフェライトと、
   前記フェライトの長辺方向の少なくとも二つの領域にそれぞれ形成されており、複数の周波数帯にそれぞれ対応する複数種類の中心電極と、
   前記フェライトの主面に固着され、該フェライト及び前記複数種類の中心電極に直流磁界を印加する永久磁石と、
   を備えたことを特徴とするフェライト・磁石素子。
2. 前記永久磁石は、単一体からなり、前記複数種類の中心電極に同じ強さの直流磁界を印加すること、を特徴とする請求項１に記載のフェライト・磁石素子。
3. 前記永久磁石は、単一体からなり、前記複数種類の中心電極にそれぞれの周波数帯に応じた強さの直流磁界を印加すること、を特徴とする請求項１に記載のフェライト・磁石素子。
4. 前記永久磁石は、前記複数種類の中心電極に対応する部分で厚みが異なっていること、を特徴とする請求項３に記載のフェライト・磁石素子。
5. 前記永久磁石は、前記複数種類の中心電極に対応する部分で分割されていること、を特徴とする請求項１に記載のフェライト・磁石素子。
6. 前記中心電極は、前記フェライトに互いに絶縁状態で交差して配置された第１中心電極及び第２中心電極からなること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のフェライト・磁石素子。
7. 請求項６に記載のフェライト・磁石素子を備え、
   前記第１中心電極は、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続され、
   前記第２中心電極は、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端がグランドポートに電気的に接続され、
   前記入力ポートと前記出力ポートとの間に第１整合容量が電気的に接続され、
   前記出力ポートと前記グランドポートとの間に第２整合容量が電気的に接続され、
   前記入力ポートと前記出力ポートとの間に抵抗が電気的に接続されていること、
   を特徴とする非可逆回路素子。

Images