JP2022115785A - non-reciprocal circuit element - Google Patents

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武文 寺脇
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Abstract

To provide a non-reciprocal circuit element used in a 3 GHz to 6 GHz band.SOLUTION: A non-reciprocal circuit element includes a ferrimagnetic material 3 having a main surface, a plurality of central conductors 4, 5, 6 arranged in a state insulated from each other on the main surface of the ferrimagnetic material, and a laminated magnet 2 in which a ferrite magnet 2B containing Sr and a rare earth magnet 2A containing Sm are laminated, and that is arranged facing the plurality of central conductors, and the composite temperature coefficient of residual magnetic flux density of the laminated magnet is -0.14%/°C or more and -0.06%/°C or less. The ferrimagnetic material has a saturation magnetic flux density of 40 mT or more and 80 mT or less, a temperature coefficient of the saturation magnetic flux density is -0.45%/°C or more and -0.25%/°C or less, and a low ferromagnetic resonance half-value width (ΔH<2500 A/m) is preferable.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願は、非可逆回路素子に関する。 The present application relates to non-reciprocal circuit devices.

非可逆回路素子には、アイソレータ、サーキュレータ等があり、携帯電話やその基地局などの装置の送受信回路に使用される。非可逆回路素子は、アンプの破損防止や、直線性の高い安定した出力電力を得る目的で使用され、信号の伝送方向の挿入損失は小さく、かつ逆方向への伝送損失は大きくなるような機能を備えている。例えば、特許文献1は、小型化が可能な非可逆回路素子を開示している。 Nonreciprocal circuit elements include isolators, circulators, and the like, and are used in transmission/reception circuits of devices such as mobile phones and their base stations. Non-reciprocal circuit elements are used to prevent damage to amplifiers and to obtain stable output power with high linearity, and function to reduce insertion loss in the signal transmission direction and increase transmission loss in the reverse direction. It has For example, Patent Literature 1 discloses a non-reciprocal circuit element that can be miniaturized.

特開2001-267810号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-267810

情報通信技術の進歩に従い、より大容量の情報を伝達することが求められており、携帯電話通信などの情報通信網に使用される電磁波の周波数も大容量の情報伝達が可能な高周波数帯が使用される。具体的には、Sub-6周波数帯と呼ばれる3GHz~6GHz帯域の周波数に対応した非可逆回路素子が求められている。 With the progress of information and communication technology, there is a demand for the transmission of larger amounts of information, and the frequency of electromagnetic waves used in information communication networks such as mobile phone communication has a high frequency band that can transmit large amounts of information. used. Specifically, a non-reciprocal circuit element compatible with frequencies in the 3 GHz to 6 GHz band called the Sub-6 frequency band is desired.

本開示は、3GHz~6GHz帯域に適合した非可逆回路素子を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a non-reciprocal circuit element suitable for the 3 GHz to 6 GHz band.

本開示の一実施形態に係る非可逆回路素子は、主面を有するフェリ磁性体と、前記フェリ磁性体の主面に互いに絶縁された状態で配置された複数の中心導体と、Srを含むフェライト磁石とSmを含む希土類磁石とが積層された積層磁石であって、前記複数の中心導体に対向して配置された積層磁石と、を備え、前記積層磁石の残留磁束密度の合成温度係数が-0.14%/℃以上-0.06%/℃以下である。 A nonreciprocal circuit device according to an embodiment of the present disclosure includes a ferrimagnetic material having a main surface, a plurality of central conductors arranged in a mutually insulated state on the main surface of the ferrimagnetic material, and a ferrite containing Sr. A laminated magnet in which a magnet and a rare earth magnet containing Sm are laminated, the laminated magnet being disposed facing the plurality of central conductors, wherein the composite temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the laminated magnet is − It is 0.14%/°C or higher and -0.06%/°C or lower.

前記フェリ磁性体は、40mT以上80mT以下の飽和磁束密度を有し、前記飽和磁束密度の温度係数が-0.45%/℃以上-0.25%/℃以下であってもよい。 The ferrimagnetic material may have a saturation magnetic flux density of 40 mT or more and 80 mT or less, and a temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of −0.45%/° C. or more and −0.25%/° C. or less.

前記フェライト磁石と前記希土類磁石の合計の厚さに対する前記希土類磁石の厚さの比は1/4以上3/4以下であってもよい。 A ratio of the thickness of the rare earth magnet to the total thickness of the ferrite magnet and the rare earth magnet may be 1/4 or more and 3/4 or less.

前記積層磁石において、前記フェライト磁石は前記希土類磁石よりも前記複数の中心導体に近接していてもよい。 In the laminated magnet, the ferrite magnet may be closer to the plurality of central conductors than the rare earth magnet.

前記積層磁石の残留磁束密度の合成温度係数が-0.12%/℃以上-0.08%/℃以下であってもよい。 A composite temperature coefficient of residual magnetic flux density of the laminated magnet may be -0.12%/°C or more and -0.08%/°C or less.

前記非可逆回路素子の挿入損失の周波数特性において、主帯域の共振周波数と、前記共振周波数に最も近接している減衰極とは、-40℃から125℃の温度範囲において、200MHz以上離れていてもよい。 In the frequency characteristics of the insertion loss of the nonreciprocal circuit element, the resonance frequency of the main band and the attenuation pole closest to the resonance frequency are separated by 200 MHz or more in a temperature range of -40°C to 125°C. good too.

本開示の実施形態によれば、3GHz~6GHz帯域に適合した非可逆回路素子が提供される。 Embodiments of the present disclosure provide non-reciprocal circuit devices suitable for the 3 GHz to 6 GHz band.

図1は、本実施形態の非可逆回路素子の一形態を示す分解斜視図である。FIG. 1 is an exploded perspective view showing one form of the non-reciprocal circuit device of this embodiment. 図2は、5℃から125℃の温度範囲における積層磁石のフェリ磁性体への印加磁界強度を示す。FIG. 2 shows the applied magnetic field intensity to the ferrimagnetic material of the laminated magnet in the temperature range of 5° C. to 125° C. FIG. 図3Aは、実施例1の非可逆回路素子のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。3A shows frequency characteristics of VSWR and insertion loss of the non-reciprocal circuit device of Example 1. FIG. 図3Bは、実施例1の非可逆回路素子のアッテネーションの周波数特性を示している。FIG. 3B shows the frequency characteristics of the attenuation of the non-reciprocal circuit element of Example 1. FIG. 図4Aは、比較例1の非可逆回路素子のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。4A shows frequency characteristics of VSWR and insertion loss of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 1. FIG. 図4Bは、比較例1の非可逆回路素子のアッテネーションの周波数特性を示している。4B shows the frequency characteristics of the attenuation of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 1. FIG. 図5Aは、比較例2の非可逆回路素子のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。5A shows frequency characteristics of VSWR and insertion loss of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 2. FIG. 図5Bは、比較例2の非可逆回路素子のアッテネーションの周波数特性を示している。FIG. 5B shows the frequency characteristics of the attenuation of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 2. FIG. 図6Aは、実施例2の非可逆回路素子の入力側VSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。FIG. 6A shows frequency characteristics of input-side VSWR and insertion loss of the non-reciprocal circuit element of Example 2. FIG. 図6Bは、実施例2の非可逆回路素子の出力側VSWRおよびアイソレーションの周波数特性を示している。FIG. 6B shows frequency characteristics of output-side VSWR and isolation of the non-reciprocal circuit element of Example 2. FIG. 図7Aは、比較例3の非可逆回路素子の入力側VSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。7A shows frequency characteristics of input-side VSWR and insertion loss of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 3. FIG. 図7Bは、比較例3の非可逆回路素子の出力側VSWRおよびアイソレーションの周波数特性を示している。FIG. 7B shows frequency characteristics of output-side VSWR and isolation of the non-reciprocal circuit element of Comparative Example 3. FIG.

図1は、本実施形態の非可逆回路素子30の分解斜視図である。非可逆回路素子30は、例えば3GHz~6GHz帯域の周波数に適合しており、携帯電話や携帯電話の基地局の送受信回路に使用される。非可逆回路素子30の外形のサイズは、例えば、縦:5mm、横:5mm、高さ:2.5~4mm程度であり、非可逆回路素子30は、集中定数型非可逆回路素子である。 FIG. 1 is an exploded perspective view of a non-reciprocal circuit device 30 of this embodiment. The non-reciprocal circuit element 30 is suitable for frequencies in the 3 GHz to 6 GHz band, for example, and is used in the transmitting/receiving circuits of mobile phones and mobile phone base stations. The nonreciprocal circuit element 30 has an external size of, for example, about 5 mm long, 5 mm wide, and 2.5 to 4 mm high, and the nonreciprocal circuit element 30 is a lumped constant nonreciprocal circuit element.

非可逆回路素子30は、フェリ磁性体3と、複数の中心導体と、積層磁石2とを備える。 The nonreciprocal circuit element 30 includes a ferrimagnetic body 3 , multiple central conductors, and a laminated magnet 2 .

フェリ磁性体3は、例えば、主面3aを有する円板形状を有している。例えば、主面3aの直径は1.5mm以上2.5mm程度以下である。フェリ磁性体3は、例えば、40mT以上80mT以下の低飽和磁束密度であり、また低強磁性共鳴半値幅(ΔH<2500 A/m)であることが好ましい。また、飽和磁束密度の温度係数(温度依存性)は、-0.45%/℃以上-0.25%/℃以下程度であることが好ましい。更に、飽和磁束密度40mT以上70mT以下であることが好ましく、また低強磁性共鳴半値幅はΔH<2000 A/m)であることが好ましい。飽和磁束密度の温度係数(温度依存性)は、-0.4%/℃以上-0.3%/℃以下程度であることが更に好ましい。フェリ磁性体3は、例えば、イットリウム鉄ガーネット(YIG)などフェリ磁性化合物からなる。 The ferrimagnetic body 3 has, for example, a disc shape having a main surface 3a. For example, the diameter of the main surface 3a is about 1.5 mm or more and 2.5 mm or less. The ferrimagnetic material 3 preferably has a low saturation magnetic flux density of, for example, 40 mT or more and 80 mT or less and a low ferromagnetic resonance half width (ΔH<2500 A/m). The temperature coefficient (temperature dependence) of the saturation magnetic flux density is preferably -0.45%/°C or more and -0.25%/°C or less. Further, the saturation magnetic flux density is preferably 40 mT or more and 70 mT or less, and the low ferromagnetic resonance half width is preferably ΔH<2000 A/m). The temperature coefficient (temperature dependence) of the saturation magnetic flux density is more preferably -0.4%/°C or more and -0.3%/°C or less. The ferrimagnetic material 3 is made of, for example, a ferrimagnetic compound such as yttrium iron garnet (YIG).

複数の中心導体は互いに電気的に絶縁され、交差するように重ねられた状態でフェリ磁性体3の主面3aに配置されている。本実施形態では、中心導体4、5、6が120°の角度をなして配置されている。フェリ磁性体3と中心導体4、5、6とは組体20を構成している。 The plurality of central conductors are electrically insulated from each other and arranged on the main surface 3a of the ferrimagnetic body 3 in a state of being overlapped so as to cross each other. In this embodiment, the central conductors 4, 5, 6 are arranged at an angle of 120°. The ferrimagnetic material 3 and the central conductors 4, 5, 6 constitute an assembly 20. As shown in FIG.

積層磁石2は、希土類磁石2Aとフェライト磁石2Bとを含む。希土類磁石2AはSmを含む。また、フェライト磁石はSrを含む。希土類磁石2Aは、主面2Anおよび主面2Asを有する板形状を備え、主面2An側にN極が、主面2As側にS極が位置している。同様に、フェライト磁石2Bは、主面2Bnおよび主面2Bsを有する板形状を備え、主面2Bn側にN極が、主面2Bs側にS極が位置している。 Laminated magnet 2 includes rare earth magnet 2A and ferrite magnet 2B. The rare earth magnet 2A contains Sm. Also, ferrite magnets contain Sr. The rare-earth magnet 2A has a plate shape having a principal surface 2An and a principal surface 2As, with the north pole located on the principal surface 2An side and the south pole located on the principal surface 2As side. Similarly, the ferrite magnet 2B has a plate shape having a principal surface 2Bn and a principal surface 2Bs, with the north pole located on the principal surface 2Bn side and the south pole located on the principal surface 2Bs side.

図1に示すように、希土類磁石2Aとフェライト磁石2Bとは、希土類磁石2Aの主面2Anが、フェライト磁石2Bの主面2Bsと対向するように積層されている。希土類磁石2Aとフェライト磁石2Bとが近接するように積層されていればよく、接着剤などによって希土類磁石2Aとフェライト磁石2Bとが接着されていてもよい。フェライト磁石2Bの主面2Bnが中心導体4、5、6と対向するように積層磁石2は組体20に対して配置されている。 As shown in FIG. 1, the rare earth magnet 2A and the ferrite magnet 2B are laminated such that the main surface 2An of the rare earth magnet 2A faces the main surface 2Bs of the ferrite magnet 2B. Rare earth magnet 2A and ferrite magnet 2B may be laminated so as to be close to each other, and rare earth magnet 2A and ferrite magnet 2B may be adhered with an adhesive or the like. The laminated magnet 2 is arranged with respect to the assembly 20 so that the main surface 2Bn of the ferrite magnet 2B faces the central conductors 4, 5, and 6. As shown in FIG.

希土類磁石2Aおよびフェライト磁石2Bが形成する磁界の向きは同じであり、積層磁石2は一体的な磁界を形成する。積層磁石2は、組体20のフェリ磁性体の主面3aに対して垂直に磁界を印加する。 The directions of the magnetic fields formed by the rare earth magnet 2A and the ferrite magnet 2B are the same, and the laminated magnet 2 forms an integrated magnetic field. The laminated magnet 2 applies a magnetic field perpendicularly to the main surface 3 a of the ferrimagnetic material of the assembly 20 .

希土類磁石2Aは、具体的にはSmCo(1-5系)、SmCo17(2ー17系)、Sm-Fe-N系磁石などである。フェライト磁石2Bは、SrO・Fe系磁石などである。表1に希土類磁石2Aおよびフェライト磁石2Bの残留磁束密度と残留磁束密度の温度係数とを示す。 The rare earth magnet 2A is specifically SmCo 5 (1-5 system), Sm 2 Co 17 (2-17 system), Sm--Fe--N system magnets, or the like. The ferrite magnet 2B is an SrO.Fe 2 O 3 magnet or the like. Table 1 shows the residual magnetic flux density and the temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the rare earth magnet 2A and the ferrite magnet 2B.

Figure 2022115785000002
Figure 2022115785000002

積層磁石2全体の残留磁束密度は、0.55T程度以上、1.0T程度以下であることが好ましい。また、積層磁石2全体の残留磁束密度の温度係数は、-0.14%/℃以上-0.06%/℃以下であることが好ましく、-0.12%/℃以上-0.08%/℃以下であることがより好ましい。以下、積層磁石2全体の残留磁束密度の温度依存性を合成温度係数と呼ぶ。 The residual magnetic flux density of the entire laminated magnet 2 is preferably about 0.55 T or more and about 1.0 T or less. Further, the temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the entire laminated magnet 2 is preferably -0.14%/°C or more and -0.06%/°C or less, and -0.12%/°C or more and -0.08%. /° C. or less is more preferable. The temperature dependence of the residual magnetic flux density of the entire laminated magnet 2 is hereinafter referred to as a composite temperature coefficient.

積層磁石2全体の残留磁束密度(T)の値および合成温度係数(%/℃)の値は、希土類磁石2Aおよびフェライト磁石2Bの材料およびそれぞれの磁石の厚さの割合を変えることによって調節することができる。例えば、希土類磁石2Aの厚さをTrとし、フェライト磁石2Bの厚さをTfとした場合、希土類磁石2Aとフェライト磁石2Bの合計の厚さ(Tr+Tf)に対する希土類磁石2Aの厚さ(Tr)の比を1/4以上3/4以下の間で調整することによって上述した合成温度係数を実現することができる。 The residual magnetic flux density (T) value and composite temperature coefficient (%/°C) value of the entire laminated magnet 2 are adjusted by changing the materials of the rare earth magnet 2A and the ferrite magnet 2B and the thickness ratio of each magnet. be able to. For example, when the thickness of the rare earth magnet 2A is Tr and the thickness of the ferrite magnet 2B is Tf, the thickness (Tr) of the rare earth magnet 2A with respect to the total thickness (Tr+Tf) of the rare earth magnet 2A and the ferrite magnet 2B is By adjusting the ratio between 1/4 and 3/4, the composite temperature coefficient described above can be achieved.

より具体的には、例えば、表2に示す厚さの割合で積層磁石2を構成することによって、上述した合成温度係数を実現できる。表2において、希土類磁石2Aとして、温度係数が-0.04~-0.02%/℃のSmCo17を用い、フェライト磁石2Bとして、温度係数が-0.20~-0.18%/℃のSrO・Feを用いた。積層磁石2の外形のサイズは、例えば、使用帯域が3.6GHz~4.0GHzである場合には、縦:3~5mm、横:3~5mm、高さ:0.8~1.2mm程度であり、使用帯域が4.8GHz~5.0GHzである場合には、縦:3~5mm、横:3~5mm、高さ:0.8~2.2mm程度である。 More specifically, for example, by forming the laminated magnet 2 with the thickness ratios shown in Table 2, the composite temperature coefficient described above can be achieved. In Table 2, Sm 2 Co 17 with a temperature coefficient of −0.04 to −0.02%/° C. is used as the rare earth magnet 2A, and a temperature coefficient of −0.20 to −0.18% is used as the ferrite magnet 2B. /°C of SrO.Fe 2 O 3 was used. The outer size of the laminated magnet 2 is about 3 to 5 mm in length, 3 to 5 mm in width, and 0.8 to 1.2 mm in height when the usage band is 3.6 GHz to 4.0 GHz, for example. When the used band is 4.8 GHz to 5.0 GHz, the length is about 3 to 5 mm, the width is about 3 to 5 mm, and the height is about 0.8 to 2.2 mm.

Figure 2022115785000003
Figure 2022115785000003

図2は、5℃から125℃の温度範囲における積層磁石2によるフェリ磁性体への印加磁界強度を示す。実験結果より、この積層磁石による残留磁束密度Brの合成温度係数は、印加磁界強度の温度変化率と強い相関がある。そこで、図2中には残留磁束密度Brの合成温度係数を、フェリ磁性体への印加磁界強度の温度変化率に変換して表示した。 FIG. 2 shows the magnetic field strength applied to the ferrimagnetic material by the laminated magnet 2 in the temperature range of 5° C. to 125° C. FIG. Experimental results show that the composite temperature coefficient of the residual magnetic flux density Br of this laminated magnet has a strong correlation with the temperature change rate of the applied magnetic field intensity. Therefore, in FIG. 2, the composite temperature coefficient of the residual magnetic flux density Br is converted into the temperature change rate of the magnetic field intensity applied to the ferrimagnetic material and displayed.

例えば、希土類磁石2Aとして、SmCo17を用い、フェライト磁石2Bとして、SrO・Feを用いた場合に上述したように、厚さを調節することによって達成し得る残留磁束密度の温度変化を示す。このように、積層磁石2は、フェライト磁石SrO・Fe単体では得られない残留磁束密度の値(0.55T以上)と、希土類磁石SmCo17単体では得られない値の残留磁束密度の合成温度係数(-0.14%/℃以上、-0.06%/℃以下)を備える。 For example, when Sm 2 Co 17 is used as the rare earth magnet 2A and SrO.Fe 2 O 3 is used as the ferrite magnet 2B, as described above, the temperature of the residual magnetic flux density that can be achieved by adjusting the thickness Show change. Thus, the laminated magnet 2 has a residual magnetic flux density value (0.55 T or more) that cannot be obtained with the ferrite magnet SrO.Fe 2 O 3 alone, and a residual magnetic flux with a value that cannot be obtained with the rare earth magnet Sm 2 Co 17 alone. It has a composite temperature coefficient of density (-0.14%/°C or higher, -0.06%/°C or lower).

非可逆回路素子30は、平板コンデンサなどの容量素子8、9、10、抵抗素子11、樹脂ケース7をさらに備えている。樹脂ケース7は、凹部13aを有しており、凹部13aに組体20が配置される。容量素子8、9、10および抵抗素子11は、樹脂ケース7に設けられた凹部13b、13c、13dに配置され、一端が中心導体4、5、6の何れかと樹脂ケース7に設けられた外部端子が電気的に接続され、他端は、樹脂ケース7に設けられた凹部13a底面に接地される。非可逆回路素子30は、さらに上ケース1および下ケース12を備え、上ケース1および下ケース12が樹脂ケース7の上下に配置されることによって、樹脂ケース7を覆っている。 The non-reciprocal circuit element 30 further includes capacitive elements 8 , 9 and 10 such as plate capacitors, a resistive element 11 and a resin case 7 . The resin case 7 has a recess 13a, and the assembly 20 is arranged in the recess 13a. The capacitive elements 8, 9, 10 and the resistive element 11 are arranged in recesses 13b, 13c, 13d provided in the resin case 7, and one end is connected to any one of the central conductors 4, 5, 6 and the external portion provided in the resin case 7. The terminals are electrically connected, and the other end is grounded to the bottom surface of the recess 13 a provided in the resin case 7 . The nonreciprocal circuit element 30 further includes an upper case 1 and a lower case 12 , and the upper case 1 and the lower case 12 are arranged above and below the resin case 7 to cover the resin case 7 .

次に図2および表3を参照しながら、非可逆回路素子30の積層磁石2の磁気特性について説明する。 Next, referring to FIG. 2 and Table 3, the magnetic properties of the laminated magnet 2 of the non-reciprocal circuit element 30 will be described.

Figure 2022115785000004
Figure 2022115785000004

表3に示すように、使用帯域が700MHz以上2.6GHz以下の従来の非可逆回路素子は、フェリ磁性体の飽和磁束密度の温度係数と、磁石の残留磁束密度の合成温度係数を概ね一致させることによって、非可逆回路素子の使用温度である-40℃以上125℃以下の温度範囲において、非可逆回路素子の高周波特性、具体的には、VSWR(電圧定在波比)、逆方向損失および挿入損失の周波数特性が大きく変動しないように設計されてきた。 As shown in Table 3, the conventional non-reciprocal circuit element with a usage band of 700 MHz or more and 2.6 GHz or less makes the temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material approximately equal to the combined temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the magnet. As a result, the high-frequency characteristics of the non-reciprocal circuit device, specifically, VSWR (voltage standing wave ratio), reverse loss and It has been designed so that the frequency characteristics of insertion loss do not fluctuate greatly.

本願発明者は、3~6GHzの帯域で使用される非可逆回路素子の設計を詳細に検討した。その結果、このような高周波数帯では中心導体と容量素子によって形成されるLC共振回路の主帯域特性の共振ピークよりも、フェリ磁性体に磁石による直流磁界を印加した際に発生する磁気共鳴による吸収特性の方が磁界強度に対して敏感に反応することがわかった。このため、高温条件で印加磁界が低下すると磁気共鳴の減衰極が低周波数側に大きくシフトし、主帯域に減衰極が重なることによって、伝送方向への挿入損失が劣化したり、パワーアンプ出力の直線性が悪化したりしてIMD(相互変調歪)の規格(例えば-50dBc max)を満たすことが困難になることが分かった。 The inventors of the present application have studied in detail the design of non-reciprocal circuit elements used in the 3-6 GHz band. As a result, in such a high frequency band, the resonance peak of the main band characteristic of the LC resonance circuit formed by the central conductor and the capacitive element is less likely to be caused by the magnetic resonance generated when a DC magnetic field is applied to the ferrimagnetic material. It was found that the absorption characteristic responds more sensitively to the magnetic field strength. For this reason, when the applied magnetic field decreases under high temperature conditions, the attenuation pole of magnetic resonance shifts significantly to the low frequency side, and the attenuation pole overlaps with the main band. It was found that the linearity deteriorated and it became difficult to satisfy the IMD (intermodulation distortion) standard (for example, -50 dBc max).

本願の実施形態にかかる非可逆回路素子では、LC共振回路の主帯域特性の共振ピークの温度依存性と、磁気共鳴の減衰極の温度依存性とを考慮し、-40℃以上125℃以下の温度範囲において、磁気共鳴の減衰極がLC共振回路の主帯域と重ならないように、従来の非可逆回路素子とは異なる設計を行っている。具体的には、フェリ磁性体3の飽和磁束密度を従来の非可逆回路素子に用いられてきた値よりも小さい、40mT以上80mT以下に設定している。また、フェリ磁性体3の飽和磁束密度の温度係数を、従来よりも小さい-0.4%/℃以上-0.3%/℃以下に設定している。一方、積層磁石2を用いることによって、残留磁束密度の合成温度係数を、単独のSmCo17磁石では得ることが難しい-0.14%/℃以上-0.06%/℃以下に設定している。つまり、積層磁石2の残留磁束密度の合成温度係数は、フェリ磁性体3の飽和磁束密度の温度係数と比較して傾きが1/2以下となっている。これにより、以下の実験結果で説明するように、非可逆回路素子30の挿入損失の周波数特性において、主帯域の共振周波数と、共振周波数に最も近接している減衰極とを、-40℃から125℃の温度範囲において、200MHz以上離すことが可能となる。また、非可逆回路素子30はIMD等の要求特性を満たすことができる。 In the non-reciprocal circuit device according to the embodiment of the present application, considering the temperature dependence of the resonance peak of the main band characteristic of the LC resonance circuit and the temperature dependence of the attenuation pole of magnetic resonance, It is designed differently from conventional non-reciprocal circuit elements so that the attenuation pole of magnetic resonance does not overlap with the main band of the LC resonance circuit in the temperature range. Specifically, the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material 3 is set to 40 mT or more and 80 mT or less, which is smaller than the value used in conventional non-reciprocal circuit devices. In addition, the temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material 3 is set to −0.4%/° C. or more and −0.3%/° C. or less, which is smaller than the conventional one. On the other hand, by using the laminated magnet 2, the composite temperature coefficient of residual magnetic flux density can be set to −0.14%/° C. or more and −0.06%/° C. or less, which is difficult to obtain with a single Sm 2 Co 17 magnet. ing. That is, the gradient of the combined temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the laminated magnet 2 is less than half that of the temperature coefficient of the saturated magnetic flux density of the ferrimagnetic material 3 . As described in the following experimental results, in the frequency characteristics of the insertion loss of the nonreciprocal circuit element 30, the resonance frequency of the main band and the attenuation pole closest to the resonance frequency In the temperature range of 125° C., it becomes possible to separate by 200 MHz or more. Also, the non-reciprocal circuit element 30 can satisfy the required characteristics of IMD and the like.

なお、特許文献1は、非可逆回路素子の永久磁石の厚さを小さくすることによって、ロープロファイル(低背化)の非可逆回路素子を実現することを開示している。永久磁石の厚さを小さくするために、Srフェライト磁石よりも残留磁束密度が大きい希土類磁石を用いること、希土類磁石の残留磁束密度の温度特性はフラットであり、Srフェライト磁石を希土類磁石に置き換えた場合、フェリ磁性体の飽和磁束密度の温度特性を解消させることができないことを記載している。このため、特許文献1は、Srフェライト磁石とNd-Fe-B系磁石を重ねて用いることを開示している。特許文献1は、2つの永久磁石を用いることを開示しているが、2つ永久磁石によって得られる残留磁束密度の温度特性は、フェリ磁性体の飽和磁束密度の温度特性と同程度であることが必要である。 Patent Document 1 discloses that a low-profile nonreciprocal circuit element is realized by reducing the thickness of the permanent magnet of the nonreciprocal circuit element. In order to reduce the thickness of the permanent magnet, a rare earth magnet with a higher residual magnetic flux density than the Sr ferrite magnet is used. Since the temperature characteristic of the residual magnetic flux density of the rare earth magnet is flat, the Sr ferrite magnet is replaced with a rare earth magnet. In this case, it is described that the temperature characteristic of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material cannot be eliminated. For this reason, Patent Document 1 discloses using an Sr ferrite magnet and an Nd--Fe--B magnet in combination. Patent Document 1 discloses the use of two permanent magnets, but the temperature characteristics of the residual magnetic flux density obtained by the two permanent magnets are about the same as the temperature characteristics of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material. is required.

これに対し、本実施形態の非可逆回路素子30では、従来の非可逆回路素子のフェリ磁性体の飽和磁束密度の温度係数よりもフェリ磁性体3の飽和磁束密度の温度係数を小さくする一方で、従来の非可逆回路素子の永久磁石の残留磁束密度の温度係数よりも積層磁石2の残留磁束密度の合成温度係数を大きくしている。つまり、フェリ磁性体3の飽和磁束密度の温度係数および積層磁石2の残留磁束密度の合成温度係数を従来とは異なる発想で設定している。 On the other hand, in the non-reciprocal circuit element 30 of the present embodiment, the temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material 3 is made smaller than the temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material of the conventional non-reciprocal circuit element. , the composite temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the laminated magnet 2 is made larger than the temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the permanent magnets of the conventional non-reciprocal circuit element. That is, the temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of the ferrimagnetic material 3 and the combined temperature coefficient of the residual magnetic flux density of the laminated magnet 2 are set based on an idea different from the conventional one.

本実施形態の非可逆回路素子によれば、Srを含むフェライト磁石とSmを含む希土類磁石とが積層された積層磁石を備えることによって、残留磁束密度の合成温度係数を-0.14%/℃以上-0.06%/℃以下に設定することができる。よって、3~6GHzの帯域において優れた高周波特性および温度特性を備えた非可逆回路素子を実現することができる。 According to the non-reciprocal circuit device of the present embodiment, by providing the laminated magnet in which the ferrite magnet containing Sr and the rare earth magnet containing Sm are laminated, the composite temperature coefficient of the residual magnetic flux density is reduced to -0.14%/°C. It can be set to above -0.06%/°C or below. Therefore, it is possible to realize a non-reciprocal circuit device having excellent high frequency characteristics and temperature characteristics in the band of 3 to 6 GHz.

以下、本実施形態の非可逆回路素子の高周波特性および温度特性を実験によって求めた結果を説明する。 Experimental results of the high-frequency characteristics and temperature characteristics of the non-reciprocal circuit device of this embodiment will be described below.

図3Aは、使用帯域が4.8GHzから5.0GHz(4.9GHz帯)である本実施形態の非可逆回路素子である実施例1のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。図3Bは、アッテネーションの周波数特性を、周波数範囲を拡大して示している。積層磁石2には、厚さの比が1:1であるSmCo17からなる希土類磁石2Aと、SrO・Feからなるフェライト磁石2Bとを用いた。残留磁束密度は0.7~0.8Tであり、残留磁束密度の温度係数は-0.12%/℃以上-0.08%/℃以下である。 FIG. 3A shows the frequency characteristics of VSWR and insertion loss of Example 1, which is the non-reciprocal circuit element of this embodiment whose operating band is from 4.8 GHz to 5.0 GHz (4.9 GHz band). FIG. 3B shows the frequency characteristics of attenuation with an enlarged frequency range. As the laminated magnet 2, a rare earth magnet 2A made of Sm 2 Co 17 and a ferrite magnet 2B made of SrO.Fe 2 O 3 with a thickness ratio of 1:1 were used. The residual magnetic flux density is 0.7 to 0.8 T, and the temperature coefficient of the residual magnetic flux density is -0.12%/°C or higher and -0.08%/°C or lower.

図3Aおよび図3Bにおいて、-40、25、85、105、115、125℃の温度で得られる周波数特性を重ねて示している。温度が上昇あるいは下降するにつれて周波数特性はシフトする。しかし、図3Aに示すように、-40℃から125℃の範囲において、VSWRおよび挿入損失は十分に低い値を維持しており、良好な周波数特性が得られることが分かる。また、図3Bに示すように、使用温度が上昇すると、磁気共鳴の減衰極Aが、主帯域の共振ピークPに近接するようにシフトしてくるが、125℃においても、主帯域の共振ピークPと磁気共鳴の減衰極Aとは200MHz以上離れており主帯域共振特性への影響は小さい。 In FIGS. 3A and 3B, frequency characteristics obtained at temperatures of −40, 25, 85, 105, 115 and 125° C. are superimposed. The frequency characteristics shift as the temperature rises or falls. However, as shown in FIG. 3A, the VSWR and the insertion loss maintain sufficiently low values in the range of -40° C. to 125° C., indicating good frequency characteristics. Further, as shown in FIG. 3B, as the operating temperature rises, the attenuation pole A of magnetic resonance shifts so as to approach the resonance peak P of the main band. P and the attenuation pole A of the magnetic resonance are separated by 200 MHz or more, and the effect on main band resonance characteristics is small.

図4Aは、実施例1の非可逆回路素子において、積層磁石2に換えて、SmCo17からなる希土類磁石を用いた非可逆回路素子である比較例1のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。図4Bは、アッテネーションの周波数特性を、周波数範囲を拡大して示している。SmCo17からなる希土類磁石の残留磁束密度は0.9~1.2Tであり、残留磁束密度の温度係数は-0.04~-0.02%/℃である。 4A shows frequency characteristics of VSWR and insertion loss of Comparative Example 1, which is a nonreciprocal circuit element using a rare earth magnet made of Sm 2 Co 17 instead of the laminated magnet 2 in the nonreciprocal circuit element of Example 1. FIG. show. FIG. 4B shows the frequency characteristics of attenuation with an enlarged frequency range. A rare earth magnet made of Sm 2 Co 17 has a residual magnetic flux density of 0.9 to 1.2 T and a temperature coefficient of residual magnetic flux density of −0.04 to −0.02%/°C.

図4Aに示すように、使用温度が上昇するにつれて、使用帯域の下端においてVSWRおよび挿入損失が増大している。一方、図4Bに示すように、使用温度が上昇あるいは下降しても、磁気共鳴の減衰極Aは、主帯域の共振ピークPから500MHz以上離れている。従って、比較例1では、磁気共鳴の減衰極Aはうまく制御できるものの、高温になると、特に使用帯域の下端側において、VSWRおよび挿入損失が悪くなることが分かる。 As shown in FIG. 4A, as the operating temperature increases, the VSWR and insertion loss increase at the lower end of the operating band. On the other hand, as shown in FIG. 4B, even if the operating temperature rises or falls, the attenuation pole A of magnetic resonance is separated from the resonance peak P of the main band by 500 MHz or more. Therefore, in Comparative Example 1, although the attenuation pole A of magnetic resonance can be well controlled, the VSWR and the insertion loss worsen especially at the lower end of the usage band when the temperature rises.

図5Aは、実施例1の非可逆回路素子において、積層磁石2に換えて、SrO・Feからなるフェライト磁石を用いた非可逆回路素子である比較例2のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。図5Bは、アッテネーションの周波数特性を、周波数範囲を拡大して示している。SrO・Feからなるフェライト磁石の残留磁束密度は0.33~0.45Tであり、残留磁束密度の温度係数は-0.20~-0.18%/℃である。 FIG. 5A shows VSWR and insertion loss frequency of Comparative Example 2, which is a nonreciprocal circuit device using a ferrite magnet made of SrO.Fe 2 O 3 instead of the laminated magnet 2 in the nonreciprocal circuit device of Example 1. characterize. FIG. 5B shows the frequency characteristics of attenuation with an enlarged frequency range. A ferrite magnet made of SrO.Fe 2 O 3 has a residual magnetic flux density of 0.33 to 0.45 T and a temperature coefficient of residual magnetic flux density of -0.20 to -0.18%/°C.

図5Aに示すように、使用温度が上昇するにつれて、使用帯域全体においてVSWRおよび挿入損失が増大している。また、図5Bに示すように、使用温度が上昇すると磁気共鳴の減衰極Aが主帯域の共振ピークPに近接し、125℃では、150MHz程度しか共振ピークPから離れていない。このため、比較例2は、温度の上昇とともに、使用帯域全体でVSWRおよび挿入損失が悪くなるとともに、磁気共鳴の減衰極Aの影響が共振ピークPに表れることが分かる。 As shown in FIG. 5A, VSWR and insertion loss increase over the entire operating band as the operating temperature increases. Further, as shown in FIG. 5B, the attenuation pole A of magnetic resonance approaches the resonance peak P of the main band as the operating temperature rises, and at 125° C., the distance from the resonance peak P is only about 150 MHz. Therefore, in Comparative Example 2, as the temperature rises, the VSWR and the insertion loss worsen over the entire operating band, and the resonance peak P is affected by the attenuation pole A of magnetic resonance.

図6Aは、使用帯域が3.4GHzから3.8GHz(3.6GHz帯)である本実施形態の非可逆回路素子である実施例2の入力側のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。図6Bは、同様に出力側のVSWRおよびアイソレーションの周波数特性を示している。積層磁石2は、実施例1と同じである。図6Aおよび図6Bに示すように、入力側VSWR、出力側VSWR、挿入損失およびアイソレーションのいずれの特性も、-40℃から125℃の温度範囲において、十分に良い値を維持しており、良好な周波波数特性が得られることが分かる。 FIG. 6A shows the frequency characteristics of VSWR and insertion loss on the input side of Example 2, which is the non-reciprocal circuit element of the present embodiment whose operating band is from 3.4 GHz to 3.8 GHz (3.6 GHz band). FIG. 6B similarly shows frequency characteristics of VSWR and isolation on the output side. The laminated magnet 2 is the same as in the first embodiment. As shown in FIGS. 6A and 6B, the input side VSWR, output side VSWR, insertion loss and isolation all maintain sufficiently good values in the temperature range from -40°C to 125°C. It can be seen that good frequency characteristics are obtained.

図7Aは、実施例2の非可逆回路素子において、積層磁石2に換えて、SrO・Feからなるフェライト磁石を用いた非可逆回路素子である比較例3の入力側のVSWRおよび挿入損失の周波数特性を示す。図7Bは、同様に出力側のVSRWおよびアイソレーションの周波数特性を示している。比較例2と同様、SrO・Feからなるフェライト磁石の残留磁束密度は0.33~0.45Tであり、残留磁束密度の温度係数は-0.20~-0.18%/℃である。図7Aおよび図7Bにおいて、-40、25、85、125℃の温度で得られる周波数特性を重ねて示している。 FIG. 7A shows VSWR and insertion on the input side of Comparative Example 3, which is a non-reciprocal circuit device using a ferrite magnet made of SrO.Fe 2 O 3 instead of the laminated magnet 2 in the non-reciprocal circuit device of Example 2. The frequency characteristic of loss is shown. FIG. 7B similarly shows frequency characteristics of VSRW and isolation on the output side. As in Comparative Example 2, the residual magnetic flux density of the ferrite magnet made of SrO.Fe 2 O 3 is 0.33 to 0.45 T, and the temperature coefficient of the residual magnetic flux density is -0.20 to -0.18%/°C. is. In FIGS. 7A and 7B, frequency characteristics obtained at temperatures of −40, 25, 85 and 125° C. are shown superimposed.

図7Aに示すように、使用温度が上昇あるいは下降するにつれて、使用帯域全体において入力側VSWRあるいは挿入損失が増大している。また、図7Bに示すように、使用温度が上昇あるいは下降すると、使用帯域全体において出力側VSWRが増大し、アイソレーションが悪くなっている。このため、比較例3は、温度の上昇あるいは下降とともに、使用帯域全体で入力側VSWR、出力側VSWR、挿入損失およびアイソレーションのいずれの特性も悪くなることが分かる。 As shown in FIG. 7A, as the operating temperature rises or falls, the input side VSWR or insertion loss increases over the entire operating band. Also, as shown in FIG. 7B, when the operating temperature rises or falls, the output side VSWR increases over the entire operating band, and the isolation deteriorates. Therefore, in Comparative Example 3, as the temperature rises or falls, all of the input side VSWR, output side VSWR, insertion loss and isolation characteristics deteriorate over the entire operating band.

本開示の実施形態による非可逆回路素子を作製したところ、5Gバンドn78 に包括される代表的な周波数範囲3.4~3.8GHz帯/ 帯域幅400MHzの製品において、挿入損失1dB(typ.)、アイソレーション10dB(typ.)、相互変調歪―60dBc以下(5W×2波入力時)という特性を実現することができた。 When the non-reciprocal circuit element according to the embodiment of the present disclosure was produced, the insertion loss was 1 dB (typ.) in a product with a typical frequency range of 3.4 to 3.8 GHz / bandwidth of 400 MHz included in the 5G band n78. , isolation of 10 dB (typ.), and intermodulation distortion of -60 dBc or less (when 5 W×2 waves are input).

また、上記実験から分かるように、3.4~3.8GHz帯以外の3GHz~6GHzの他の周波数帯で使用される非可逆回路素子を作製する場合にも、本実施形態の構成は、低温から高温まで特性変化が少なく、低挿入損失で低IMD、高アイソレーションを実現できる非常に有効な技術である。 Moreover, as can be seen from the above experiment, the configuration of the present embodiment can be used at a low temperature even when fabricating a non-reciprocal circuit element that is used in a frequency band other than the 3.4 to 3.8 GHz band from 3 GHz to 6 GHz. It is a very effective technology that can realize low IMD and high isolation with low insertion loss and little change in characteristics from high temperature to high temperature.

本開示の非可逆回路素子は、種々の帯域で使用可能であり、特に3~6GHzの帯域において好適に使用される。 The non-reciprocal circuit element of the present disclosure can be used in various bands, and is particularly preferably used in the 3-6 GHz band.

1 上ケース
2 積層磁石
2A 希土類磁石
2An、2As、2Bn、2Bs、3a 主面
2B フェライト磁石
3 フェリ磁性体
4、5、6 中心導体
7 樹脂ケース
8、9、10 容量素子
12 下ケース
13a~13d 凹部
20 組体
30 非可逆回路素子
1 Upper case 2 Laminated magnet 2A Rare earth magnets 2An, 2As, 2Bn, 2Bs, 3a Principal surface 2B Ferrite magnet 3 Ferrimagnetic bodies 4, 5, 6 Center conductor 7 Resin cases 8, 9, 10 Capacitive element 12 Lower cases 13a to 13d Recess 20 Assembly 30 Nonreciprocal circuit element

Claims (6)

主面を有するフェリ磁性体と、
前記フェリ磁性体の主面に互いに絶縁された状態で配置された複数の中心導体と、
Srを含むフェライト磁石とSmを含む希土類磁石とが積層された積層磁石であって、前記複数の中心導体に対向して配置された積層磁石と、
を備え、
前記積層磁石の残留磁束密度の合成温度係数が-0.14%/℃以上-0.06%/℃以下である、非可逆回路素子。
a ferrimagnetic material having a main surface;
a plurality of central conductors arranged in a state insulated from each other on the main surface of the ferrimagnetic material;
A laminated magnet in which a ferrite magnet containing Sr and a rare earth magnet containing Sm are laminated, the laminated magnet being arranged so as to face the plurality of central conductors;
with
A non-reciprocal circuit device, wherein the composite temperature coefficient of residual magnetic flux density of the laminated magnet is -0.14%/°C or more and -0.06%/°C or less.
前記フェリ磁性体は、40mT以上80mT以下の飽和磁束密度を有し、前記飽和磁束密度の温度係数が-0.45%/℃以上-0.25%/℃以下である、請求項1に記載の非可逆回路素子。 2. The ferrimagnetic material according to claim 1, wherein the ferrimagnetic material has a saturation magnetic flux density of 40 mT or more and 80 mT or less, and a temperature coefficient of the saturation magnetic flux density of −0.45%/° C. or more and −0.25%/° C. or less. non-reciprocal circuit element. 前記フェライト磁石と前記希土類磁石の合計の厚さに対する前記希土類磁石の厚さの比は1/4以上3/4以下である、請求項1または2に記載の非可逆回路素子。 3. The non-reciprocal circuit device according to claim 1, wherein a ratio of the thickness of said rare earth magnet to the total thickness of said ferrite magnet and said rare earth magnet is 1/4 or more and 3/4 or less. 前記積層磁石において、前記フェライト磁石は前記希土類磁石よりも前記複数の中心導体に近接している、請求項1から3のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。 4. The non-reciprocal circuit device according to claim 1, wherein in said laminated magnet, said ferrite magnet is closer to said plurality of central conductors than said rare earth magnet. 前記積層磁石の残留磁束密度の合成温度係数が-0.12%/℃以上-0.08%/℃以下である、請求項1から4のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。 5. The non-reciprocal circuit device according to claim 1, wherein the composite temperature coefficient of residual magnetic flux density of said laminated magnet is -0.12%/° C. or more and -0.08%/° C. or less. 前記非可逆回路素子の挿入損失の周波数特性において、主帯域の共振周波数と、前記共振周波数に最も近接している減衰極とは、-40℃から125℃の温度範囲において、200MHz以上離れている、請求項1から5のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。


In the frequency characteristics of the insertion loss of the nonreciprocal circuit element, the resonance frequency of the main band and the attenuation pole closest to the resonance frequency are separated by 200 MHz or more in a temperature range of -40°C to 125°C. The non-reciprocal circuit device according to any one of claims 1 to 5.


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