JP3494093B2 - 非可逆回路素子及び該非可逆回路素子を備えたミリ波用ハイブリッド集積回路基板 - Google Patents

非可逆回路素子及び該非可逆回路素子を備えたミリ波用ハイブリッド集積回路基板

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体素子
等の能動素子を搭載したミリ波用ハイブリッド集積回路
基板用の非可逆回路素子及びこの非可逆回路素子を備え
たミリ波用ハイブリッド集積回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】ミリ波回路のように波長が非常に短い電
波を伝送する回路に搭載される能動素子は、一般に、
（１）線路長が波長に比べて無視できない長さとなるた
め、この能動素子から発生する反射により線路内に定在
波が発生し、負荷インピーダンスの周波数変動が助長さ
れ易い、（２）能動素子の素子内容量によって逆方向伝
達係数を小さくすることができなため、無視できなくな
るほど信号の逆流が生じて回路が発振及び暴走したり周
波数特性が大きく変動する等の不安定現象が発生し易
い、という問題点を有している。
【０００３】このような問題点を回避するには、アイソ
レータのような非可逆回路素子を能動素子間に挿入する
ことにより、回路間干渉を除去することが非常に効果的
である。
【０００４】一方、ミリ波における半導体集積回路の将
来像として、一体型ミリ波集積回路（Ｍｏｎｏｌｉｔｈ
ｉｃ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
Ｃｉｒｃｕｉｔ）が求められている。しかしながら、現
状の半導体素子は製造歩留りが小さく、一体型ミリ波集
積回路として量産することがかなり困難である。従っ
て、歩留り問題を解決するには、誘電体基板によるハイ
ブリッド集積回路を構成するのが最も効果的な解決法で
ある。このようなハイブリッド集積回路の安定動作のた
めに、ミリ波アイソレータが非常に重要な回路素子とな
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ミリ波
アイソレータを動作させるためには、大きな磁界が必要
となる。即ち、マイクロ波帯以上で使用される一般的な
サーキュレータは分布定数型と呼ばれ、磁化されたフェ
ライト磁性体によるＴＭ１１０共振器で構成されている
が、フェライト磁性体に印加される磁界は周波数と共に
増加して、ミリ波帯では５０００Ｏｅ以上の大きな磁界
が必要となる。これまでのミリ波アイソレータは、この
大きな磁界を外部磁気回路で得ていたので磁気回路が非
常に大型となり、これをミリ波用ハイブリッド集積回路
へ搭載することはほとんど不可能であった。
【０００６】従って本発明の目的は、ミリ波用ハイブリ
ッド集積回路基板に搭載できると共にその搭載処理が非
常に容易行える非可逆回路素子、及びこの非可逆回路素
子を備えたミリ波用ハイブリッド集積回路基板を提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、（１）ミリ波
ハイブリッド集積回路基板上にアイソレータ等の非可逆
回路素子を搭載し、その基板内に発生する反射波を除去
して、回路動作の安定化を図る、（２）ミリ波ハイブリ
ッド集積回路基板上に自発磁化したフェライト磁性体を
載置することのみによって非可逆回路素子が構成できる
ようなパターンを形成しておき、通常部品と同様にフェ
ライト磁性体を搭載するのみの工程によって非可逆回路
素子を組み込みできるようにすることを意図している。
【０００８】このため、本発明では、裏面に接地導体が
設けられた非磁性誘電体基板上に金属円板及び３回対称
の分岐を設けることで形成されたマイクロストリップ形
ＴＭ ｎ１０共振器（ｎ：正の整数）上に、自発磁化され
たフェライト磁性体を同軸に載置し、かつそのフェライ
ト磁性体は、電界節の位置が上述した分岐の１つと一致
するように構成されている。
【０００９】換言すれば、本発明では、ミリ波ハイブリ
ッド集積回路基板（非磁性誘電体で構成されており、裏
面に接地導体が設けられている）上における集積回路間
をつなぐ線路内に３回対称な分岐を設けてＴＭｎ１０共
振器（ｎ：正の整数）を構成し、その上に磁性体を置い
てサーキュレータを構成している。しかも、この磁性体
として、自発磁化しているフェライト磁性体を使用して
外部磁気回路を除去している。そのフェライト磁性体
は、電界節の位置が分岐の１つ（集積回路に接続されて
いない３番目の端子）と一致するように磁化及び寸法が
調整されている。なお、この３番目の端子を整合抵抗で
終端すれば、アイソレータが形成される。
【００１０】以上のような方法により構成されたアイソ
レータにより集積回路間の反射波を吸収すれば、信号送
出側の負荷インピーダンスは信号受け入れ側の入力イン
ピーダンスと無関係に一定となり、回路内の反射波によ
って引き起こされる発振、電力増幅器の暴走等のトラブ
ルを防止できる。特にミリ波帯の増幅器においては、素
子内容量によるトランジスタの逆方向伝達係数増加が無
視できないので、信号に方向性を与えることは回路を安
定に動作させる上で非常に重要である。
【００１１】フェライト磁性体が、円板又は円柱形状で
あることが好ましい。
【００１２】ＴＭｎ１０共振器がＴＭｍ１０共振器（ｍ
は２以上の正の整数）であることが好ましい。この場
合、中心軸周辺の金属円板が、又は中心軸周辺の金属円
板及びフェライト磁性体が部分的に除去されていること
が好ましい。これにより、ＴＭ ０１０共振器の共振周波
数であるＴＭ０１０モードがＴＭｍ１０共振器の共振周
波数帯域内に現れる量が減少する。
【００１３】この場合の変更態様として、中心軸周辺が
部分的に除去されて形成されたフェライト磁性体の空孔
内壁がメタライズされていることが好ましい。これによ
り、ＴＭ０１０モードの抑制が一層効果的になる。
【００１４】フェライト磁性体の少なくとも上面及び下
面がメタライズされていることも好ましい。これによ
り、フェライト磁性体内部に発生する磁束が増加する。
【００１５】ＴＭｎ１０共振器がＴＭ１１０共振器であ
り、フェライト磁性体として、空間に接する側の端面が
メタライズされかつ伝播長が１波長であるフェライト円
柱によるファラデー回転子を用いたことも好ましい。
【００１６】この場合の変更態様として、フェライト円
柱に非磁性誘電体が接合されていることも好ましい。
【００１７】非磁性誘電体の特性インピーダンスとフェ
ライト円柱の特性インピーダンスとが一致するように、
この非磁性誘電体の誘電率が選択されていることが好ま
しい。これにより、フェライト円柱と非磁性誘電体との
接合面における反射が抑制される。
【００１８】各分岐に１／４波長インピーダンス整合素
子が接続されていることも好ましい。これにより、動作
周波数帯域の広域化を図ることができる。
【００１９】１つの端子が整合抵抗に接続されており、
他の２つの端子が入出力端子として構成されていること
も好ましい。
【００２０】誘電体基板が、ミリ波用ハイブリッド集積
回路基板であることが好ましい。
【００２１】本発明によれば、上述の非可逆回路素子を
少なくとも１つ備えたミリ波用ハイブリッド集積回路基
板が提供される。
【００２２】
【発明の実施の形態】分布定数型サーキュレータは、磁
化されたフェライト上の電波伝播速度が高周波磁界の回
転方向に依存することを利用した素子であり、図１は従
来の一般的な構成の分布定数型サーキュレータの一部破
断斜視図である。
【００２３】同図において、１０は誘電体基板、１１は
誘電体基板の裏面に形成された接地導体、１２は誘電体
基板１０の一部をくり貫いて挿設されたフェライト円
板、１３は誘電体基板１０の表面側でフェライト円板１
２上に設けられた金属円板、１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ
は金属円板１３から３回対称構造で放射方向に延伸する
端子、１５は金属円板１３上に設けられた励磁用永久磁
石をそれぞれ示している。
【００２４】このように、従来の一般的な分布定数型サ
ーキュレータでは、フェライト円板１２を接地電極１１
及び金属円板１３間に設け、この金属円板１３に３回対
称形の端子１４ａ、１４ｂ及び１４ｃを設けてＴＭ
１１０共振器を構成している。
【００２５】これに対して、本発明では、誘電体ＴＭ
ｎ１０モード共振器を用いている。以下、本発明の実施
形態を説明する。
【００２６】図２は本発明の一実施形態における誘電体
ＴＭ１１０モード共振器の電界分布を示す図、図３はジ
ャイロ透磁率の磁界−周波数特性図、図４は本発明の一
実施形態として誘電体ＴＭ１１０モード共振器を用いた
サーキュレータの構成を概略的に示す斜視図及び電界分
布図である。
【００２７】これらの図において、２０はミリ波用ハイ
ブリッド集積回路基板からなる誘電体基板、２１は誘電
体基板の裏面に形成された接地導体、２３は誘電体基板
２０の表面上に設けられた金属円板、２４ａ、２４ｂ及
び２４ｃは誘電体基板２０の表面上に設けられており金
属円板２３から３回対称構造で放射方向に延伸する端
子、２５は金属円板２３上に設けられたフェライト円板
をそれぞれ示している。
【００２８】図２に示す誘電体ＴＭ１１０モード共振器
の金属円板２３の半径は次式（１）で与えられる。
【００２９】 Ｊ０（ｋａ）−（Ｊ１（ｋａ）／ｋａ）＝０ ｋ＝２πＦ√ε／ｃ （１） ただし、Ｊｎ：ｎ次のベッセル関数、ｋ：波数、ε：基
板の誘電率、Ｆ：周波数（Ｈｚ）、ｃ：光速（ｍｍ／ｓ
ｅｃ）、ａ：ＴＭｎ１０モード共振器の半径（ｍｍ）で
ある。
【００３０】誘電率がε＝２の基板を使用するとして、
その上にＦ＝６０ＧＨｚで動作する誘電体ＴＭ１１０モ
ード共振器における金属円板の半径は、ａ＝１．２０ｍ
ｍと計算できる。
【００３１】この共振器の端子２４ａに上記の条件を満
足する周波数の信号を与えると、金属円板２３上を伝播
する信号の速度は左回り右回りとも等しいので、金属円
板２３上の電界２６及び磁界２７は図２に示すように分
布する。共振器上にある電界の節２８は、端子２４ａに
直交しているので、残りの端子２４ｂ及び２４ｃからは
等しい振幅の信号が出力される。このように等方的な出
力特性は金属円板２３上を左回りに伝播した信号と右回
りに伝播した信号の実効伝送路長が半波長の整数倍に等
しくなっているため得られる。端子２４ｂ又は２４ｃか
ら信号を与えた場合でも他の２端子２４ａ及び２４ｃ又
は２端子２４ａ及び２４ｂから等方的な出力が得られる
ことは自明である。
【００３２】次いで、図３に示したように、この共振器
の金属円板２３上にその金属円板２３の中心軸と一致す
る方向に磁化されたフェライト円板２５を設けてサーキ
ュレータを構成する。金属円板２３上の高周波磁界は、
図２から分かるように、フェライト円板２２の磁化と直
交している。このように、高周波磁界と直流磁界が直交
しているときには、磁性体は図３のようなジャイロ透磁
率を示し、左回りの信号と右回りの信号では高周波磁界
の回転方向に依存する透磁率（μ＋及びμ−）の差によ
って実効伝送線路長に差が現れる。いま、端子２４ａか
ら右回りにたどった端子２４ｂまでの線路長と、左回り
にたどった線路長の差が半波長となるように調整できた
とする。このときの電磁界分布は図４（Ａ）に示したよ
うになって電界節２８が端子２４ｂに一致するので、こ
の端子２４ｂからは出力が得られず、全ての信号は端子
２４ｃに現れる。このような３端子サーキュレータにお
いて、端子２４ａが入力端子、端子２４ｃが出力端子、
端子２４ｂがアイソレーション端子と呼ばれている。
【００３３】端子２４ｂに信号を与えると伝送線路差の
関係は左に１２０度回転するので、端子２４ｂが入力端
子、端子２４ｃが出力端子、端子２４ａがアイソレーシ
ョン端子となる。このように入力端子を変更したとき出
力端子との関係が循環的に変わるので、この素子はサー
キュレータと呼ばれ、このような伝送路差を与える条件
がサーキュレータ条件と呼ばれる。
【００３４】以上の説明から明らかなように、このよう
にＴＭ１１０モード共振器を用いて構成したサーキュレ
ータは、図４（Ｂ）に示すように、磁性体のジャイロ透
磁率により電界節が３０度回転した非可逆回路素子とい
える。
【００３５】また、このような共振器型サーキュレータ
はＴＭ１１０共振器に限定されるものではなく、ＴＭ
ｎ１０共振器（ｎ：正の整数）の電界節が端子の１つと
一致するように構成された共振器であれば分布定数型サ
ーキュレータを構成できる。
【００３６】ジャイロ透磁率は強磁性共鳴によって発生
するものであるから、図３で示したように、周波数が増
加すると高周波磁界の回転方向による透磁率が何れも１
に漸近して差が小さくなり、サーキュレータ条件を満た
さなくなる。このため、ミリ波のような周波数帯域にお
いては強い直流磁界によって共鳴周波数を増加させ、回
転方向による透磁率の差を拡大することが必要になる。
【００３７】ミリ波回路用サーキュレータを通常の外部
印加型磁気回路によって構成すると、磁気回路の寸法が
大きくなって基板内に収まらない。このような問題を解
決するため、マイクロ波帯で一部実用化されているよう
に（Ｗ．Ｗ．Ｓｉｅｎｋａｎｏｗｉｃｚ ｅｔ ａｌ，
Ｇ−ＭＴＴ Ｓｙｍ．Ｄｉｇｅｓｔ，ｐ．７９，Ｍａｙ
１９６７参照）、自発磁化したフェライト（バリウム
フェライト等）を使用して磁気回路の大型化を避けるこ
とが考えられる。しかし、フェライトによる共振器を用
いると、図１で示すようにフェライト円板１２を金属円
板１３と接地導体１１との間に挟まねばならず、基板上
へのサーキュレータ搭載が不便になる。
【００３８】そこで本実施形態では、裏面が接地導体で
覆われた誘電体基板であるミリ波用ハイブリッド集積回
路基板の表面に金属円板及び３回対称の端子を設けて構
成したＴＭ１１０共振器を用いて、その金属円板の上部
にのみフェライト磁性体を乗せてサーキュレータを構成
している。
【００３９】このように本実施形態では、ミリ波用ハイ
ブリッド集積回路基板上に自発磁化したフェライト磁性
体を載置することのみでサーキュレータが構成できるの
で、その搭載処理を非常に容易行うことが可能となる。
【００４０】図５は本発明の他の実施形態として高次モ
ード共振器によるサーキュレータの構成を概略的に示す
斜視図、図６はこのサーキュレータの構成をその電磁界
分布をも含めて示す斜視図及び電界分布図、図７はＴＭ
０１０モード共振器の電界分布図である。
【００４１】図２及び図４に示した実施形態のように、
誘電体ＴＭ１１０共振器上にジャイロ磁性体を設けるこ
とによって電界節を回転させるサーキュレータでは、こ
の誘電体ＴＭ１１０共振器部分は、非磁性誘電体で構成
されているゆえに電界節の回転が無い。従って、上部ジ
ャイロ磁性体による電界節の回転は、通常のサーキュレ
ータに要求される電界節回転角の約２倍必要である。電
界節の回転角はフェライトの飽和磁化に比例するが、バ
リウムフェライトは飽和磁化が小さく、フェライト磁性
体を含めて構成されたＴＭ１１０共振器を採用したので
はサーキュレータを構成するのに十分な回転角を与えら
れない場合がある。そこで本実施形態では、通常のＴＭ
１１０共振器型サーキュレータに代わる構造として、例
えばＴＭ ２１０等の高次モード共振器でサーキュレータ
を構成している。
【００４２】図５及び図６において、５０はミリ波用ハ
イブリッド集積回路基板からなる誘電体基板、５１は誘
電体基板の裏面に形成された接地導体、５３は誘電体基
板５０の表面上に設けられており、中央部に貫通穴５３
ａが形成されている金属円板、５４ａ、５４ｂ及び５４
ｃは誘電体基板５０の表面上に設けられており金属円板
５３から３回対称構造で放射方向に延伸する端子、５５
は金属円板５３の中心軸と一致する方向に磁化されてこ
の金属円板５３上に設けられており、中央部に貫通穴５
５ａが形成されているフェライト円板、５６は電界、５
７は磁界、５８は電界節、５９は直流磁化をそれぞれ示
している。
【００４３】このように、本実施形態においては、裏面
が接地導体で覆われた誘電体基板であるミリ波用ハイブ
リッド集積回路基板の表面に金属円板及び３回対称の端
子を設けて構成したＴＭ２１０共振器を用いて、その金
属円板の上部にのみフェライト磁性体を乗せてサーキュ
レータを構成している。
【００４４】前述したように、ＴＭｎ１０共振器におい
ても電界節がアイソレーション端子に一致すればサーキ
ュレータを構成することができる。いま、ＴＭ２１０モ
ード共振器でサーキュレータを構成すれば、電界節の回
転角が１５度でサーキュレータとなる。そこで、本実施
形態では、バリウムフェライトのように磁界回転方向に
よる透磁率差が小さい磁性体を用いた場合にも、高次の
ＴＭｎ１０モード共振器を用いることにより電界節の回
転角が小さくてもサーキュレータを構成できるようにし
ている。高次モード共振器は基底モード共振器より大型
になるが、ミリ波のように短波長の信号であれば、回路
素子と充分整合性のある大きさでサーキュレータを構成
することができる。
【００４５】多くの高次モード共振器では、該当するモ
ードの共振周波数より低い周波数にＴＭ０１０モードの
共振周波数が存在し、ＴＭ０１０モードも高次モードと
共存することがある。ＴＭ０１０共振モードでは、図７
に示すように電界節が存在しないので、サーキュレータ
は構成できず、逆にこのように中央部分に集中する電界
７６が共存しているとサーキュレータ動作が阻害され
る。
【００４６】そこで本実施形態においては、金属円板５
３の中央部分を除去すべく貫通穴５３ａを形成し、中心
軸上の電界発生を防ぎ、サーキュレータ動作からＴＭ
０１０モードの共振周波数をＴＭｎ１０モード共振周波
数より高域側に移動させるようにしている。
【００４７】本実施形態のサーキュレータを設計する場
合、非可逆伝送特性を示すフェライトを両面に配置して
ある通常のサーキュレータと違って、フェライト磁性体
が共振器の上半分にしか配置されていないため、サーキ
ュレータ条件を解析的に求めることは困難である。この
ため、逐次近似的な設計法を採用する。
【００４８】まず、誘電体基板のＴＭ２１０モード共振
器の円板直径を計算より求め、その上に磁化されたフェ
ライト円板を乗せ、フェライト円板が生み出す伝送路差
はフェライトの厚さにおおよそ比例して変わることに着
目して、このフェライト円板の寸法を求めることにより
サーキュレータを構成する。
【００４９】誘電率ε＝２の誘電体基板上に半導体素子
を複数搭載して構成されるミリ波用ハイブリッド集積回
路基板へのサーキュレータ搭載を考える。ＴＭ２１０モ
ードの共振する円板の半径ａ（ｍｍ）は式（２）で与え
られ、 Ｊ１（ｋａ）−（２Ｊ２（ｋａ）／ｋａ）＝０ ｋ＝２πＦ√ε／ｃ （２） この式を満たす最小のｋａは３．０５となる。従って、
誘電率ε＝２の基板上に６０ＧＨｚで動作するＴＭ
２１０モードの共振器における金属円板の半径はａ＝
１．９８ｍｍとなる。
【００５０】この金属円板５３上に、円板と等しい直径
でサーキュレータ条件を満足させるような厚さのバリウ
ムフェライトによるフェライト円板５５を乗せる。図６
から明らかのように、ＴＭ２１０モードでは中心部に高
周波磁界５７がほとんど存在しないので金属円板５３と
同様にフェライト円板５５にも中央部に貫通穴５５ａを
形成し、ＴＭ０１０モードの発生を防いでいる。
【００５１】なお、本実施形態においては、フェライト
円板５５の上面５５ｂ及び下面が金属を蒸着又はメッキ
することによりメタライズされている。これは、内部に
発生する磁束を増加させるためのものであり、必ずしも
本実施形態のサーキュレータを構成するための必要条件
ではない。
【００５２】ジャイロ磁性は、図３から明らかなよう
に、共鳴磁界より低い部分と高い部分で観測されるが、
ミリ波サーキュレータのように高直流磁界を必要とする
サーキュレータでは、共鳴磁界より低い領域で発生する
ジャイロ磁性を利用する。バリウムフェライトの飽和磁
化３５００Ｇ、内部磁場５０００Ｏｅよりジャイロ透磁
率を概算すると、６０ＧＨｚで動作するサーキュレータ
におけるフェライト円板５５の厚さは０．５ｍｍとな
る。
【００５３】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図２の実施形態の場合と同様である。
【００５４】図８は本発明のさらに他の実施形態として
高次モード共振器によるサーキュレータの構成を概略的
に示す斜視図である。
【００５５】同図において、８０はミリ波用ハイブリッ
ド集積回路基板からなる誘電体基板、８１は誘電体基板
の裏面に形成された接地導体、８３は誘電体基板８０の
表面上に設けられており、中央部に貫通穴８３ａが形成
されている金属円板、８４ａ、８４ｂ及び８４ｃは誘電
体基板８０の表面上に設けられており金属円板８３から
３回対称構造で放射方向に延伸する端子、８５は金属円
板８３の中心軸と一致する方向に磁化されてこの金属円
板８３上に設けられており、中央部に貫通穴８５ａが形
成されているフェライト円板をそれぞれ示している。
【００５６】本実施形態においても、図５の実施形態の
場合と同様に、裏面が接地導体で覆われた誘電体基板で
あるミリ波用ハイブリッド集積回路基板の表面に金属円
板及び３回対称の端子を設けて構成したＴＭ２１０共振
器を用いて、その金属円板の上部にのみフェライト磁性
体を乗せてサーキュレータを構成している。図５の実施
形態では、フェライト円板の上面及び下面のみがメタラ
イズされているが、本実施形態では、フェライト円板８
５の貫通穴８５ａの内壁にも金属を蒸着又はメッキする
ことによりメタライズしている。これにより、ＴＭ
０１０モードをより一層効果的に抑制することができ
る。
【００５７】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図５の実施形態の場合と同様である。
【００５８】図９は本発明のまたさらに他の実施形態と
して高次モード共振器によるサーキュレータの構成を概
略的に示す斜視図である。
【００５９】同図において、９０はミリ波用ハイブリッ
ド集積回路基板からなる誘電体基板、９１は誘電体基板
の裏面に形成された接地導体、９３は誘電体基板９０の
表面上に設けられており、中央部に貫通穴９３ａが形成
されている金属円板、９４ａ、９４ｂ及び９４ｃは誘電
体基板９０の表面上に設けられており金属円板９３から
３回対称構造で放射方向に延伸する端子、９５は金属円
板９３の中心軸と一致する方向に磁化されてこの金属円
板９３上に設けられており、中央部に貫通穴９５ａが形
成されているフェライト円板をそれぞれ示している。
【００６０】本実施形態においても、図５の実施形態の
場合と同様に、裏面が接地導体で覆われた誘電体基板で
あるミリ波用ハイブリッド集積回路基板の表面に金属円
板及び３回対称の端子を設けて構成したＴＭ２１０共振
器を用いて、その金属円板の上部にのみフェライト磁性
体を乗せてサーキュレータを構成している。
【００６１】さらに本実施形態においては、端子（分
岐）９４ａ、９４ｂ及び９４ｃ部分に１／４波長インピ
ーダンス変換器９２ａ、９２ｂ及び９２ｃをそれぞれ挿
入してサーキュレータの動作周波数帯域を拡大してい
る。これは、高次モードによるサーキュレータでは電界
節移動の周波数依存性が大きいので、動作周波数帯域幅
が狭いという問題点を解決するためのものである。
【００６２】本実施形態においても、図５の実施形態の
ように、フェライト円板の上面及び下面をメタライズし
てもよいし、さらに図８の実施形態のように、フェライ
ト円板の貫通穴の内壁もメタライズしてもよい。
【００６３】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図５及び図８の実施形態の場合と同様で
ある。なお、モード数ｍは２に限定されるものではな
く、ｍ≧３のいわゆるウィスパリング・ギャラリーモー
ドでもサーキュレータ条件（電界節が端子の１つと一致
すること）を満たせば、本実施形態と等価なサーキュレ
ータになることは自明である。
【００６４】図１０は本発明のさらに他の実施形態とし
てファラデー回転子を用いたサーキュレータの構成をそ
の電磁界分布をも含めて示す斜視図である。
【００６５】同図において、１００はミリ波用ハイブリ
ッド集積回路基板からなる誘電体基板、１０１は誘電体
基板の裏面に形成された接地導体、１０３は誘電体基板
１００の表面上に設けられた金属円板、１０４ａ、１０
４ｂ及び１０４ｃは誘電体基板１００の表面上に設けら
れており金属円板１０３から３回対称構造で放射方向に
延伸する端子、１０５は金属円板１０３の中心軸と一致
する方向に磁化されてこの金属円板１０３上に設けられ
たフェライト円柱、１０７はフェライト円柱１０５の上
端面に形成された金属板からなる短絡板、１０８ａは誘
電体共振器の電界節、１０８ｂはファラデー共振器の電
界節、１０８は両者を合成した合成電界節、１０９は直
流磁化をそれぞれ示している。
【００６６】このように、本実施形態においては、裏面
が接地導体で覆われた誘電体基板であるミリ波用ハイブ
リッド集積回路基板の表面に金属円板及び３回対称の端
子を設けて構成したＴＭｎ１０共振器を用いて、その金
属円板の上部にファラデー回転子を乗せてサーキュレー
タを構成している。
【００６７】誘電体基板の上下に形成された共振器の伝
送特性を合成して構成されるサーキュレータは、フェラ
イトによるＴＭｎ１０モード共振器だけでなく、本実施
形態のように、誘電体ＴＭｎ１０モード共振器上にサー
キュレータ条件を満足するような電界節回転を示すファ
ラデー回転子を搭載しても実現できる。以下、ファラデ
ー回転子を応用したサーキュレータの動作原理につい
て、ファラデー効果に基づいて説明する。
【００６８】中心軸方向に直流磁化された円柱フェライ
トに磁界が直流磁化軸に直交するような高周波信号を伝
播させたとすると、高周波磁界の伝播が回転方向によっ
て異なるため、高周波電磁界の向き（偏波面）が信号の
伝播と共に回転する。このような偏波面の回転がファラ
デー効果と呼ばれている。印加磁界が共鳴磁界より低い
場合、偏波面は伝播方向に対して負の向き（時計回り）
に回転する。
【００６９】図１０に示すように、本実施形態では、一
端を金属板１０７で短絡したフェライト円柱１０５を誘
電体共振器の上に乗せた構造としている。フェライト円
柱１０５がその中心軸方向に自発磁化されている場合、
誘電体共振器からフェライト円柱１０５に注入された電
磁波はファラデー効果によって伝播しながら偏波面回転
を起こし、電界節も同様に回転する。そのときの偏波面
（電界節）回転角をθとする。フェライト円柱１０５の
上端面に到達した電磁波は金属板１０７で反射され伝播
方向を反転させる。この反射波はファラデー効果によっ
てさらに電界節を回転させ、誘電体共振器面に到達した
とき電界節の回転角は２θとなっている。共振器上の電
界節の位置は、基板部分で構成される誘電体共振器の電
界節１０８ａとフェライト円柱１０５内で回転した電界
節１０８ｂとの合成なので、合成された電界節１０８が
入力端子以外の端子のいずれかと一致すれば、この共振
器は、その端子をアイソレーション端子とするサーキュ
レータになる。
【００７０】このような構造のサーキュレータでは、フ
ェライト円柱１０５の長さで電界節の回転角が決められ
る。従って、基板部分の共振器がＴＭｎ１０モードであ
っても必要な電界節回転が得られ、サーキュレータの小
型化に寄与できる。
【００７１】誘電率ε＝２の基板上に６０ＧＨｚで動作
するＴＭ１１０モードファラデー回転形サーキュレータ
を構成する場合について考える。ＴＭ１１０モード共振
器の金属円板の直径は式（１）よりＤ＝２．４０ｍｍと
なる。バリウムフェライト円柱の直径は金属円板と同一
として、内部の線路長を１波長とさせる。本実施形態で
は内部直流磁界が共鳴磁界より低いので、平均比透磁率
（正負の回転磁界に対するジャイロ比透磁率の平均値）
は０．８となった。円柱内の伝播波長は誘電率と平均比
透磁率との幾何平均値に短縮される。バリウムフェライ
トの誘電率εをε＝１６とすれば波長短縮比は１／３．
５１となって、フェライト円柱の長さは１．４０ｍｍと
なる。
【００７２】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図５、図８及び図９の実施形態の場合と
同様である。
【００７３】図１１は本発明のまたさらに他の実施形態
としてファラデー回転子を用いたサーキュレータの構成
をその電磁界分布をも含めて示す斜視図である。
【００７４】同図において、１１０はミリ波用ハイブリ
ッド集積回路基板からなる誘電体基板、１１１は誘電体
基板の裏面に形成された接地導体、１１３は誘電体基板
１１０の表面上に設けられた金属円板、１１４ａ、１１
４ｂ及び１１４ｃは誘電体基板１１０の表面上に設けら
れており金属円板１１３から３回対称構造で放射方向に
延伸する端子、１１５は金属円板１１３の中心軸と一致
する方向に磁化されてこの金属円板１１３上に設けられ
たフェライト円柱、１１６はフェライト円柱１１５の上
部に接合された誘電体円柱、１１７は誘電体円柱１１６
の上端面に形成された金属板からなる短絡板、１１８ａ
は誘電体共振器の電界節、１１８ｂはファラデー共振器
の電界節、１１８は両者を合成した合成電界節をそれぞ
れ示している。
【００７５】本実施形態においては、裏面が接地導体で
覆われた誘電体基板であるミリ波用ハイブリッド集積回
路基板の表面に金属円板及び３回対称の端子を設けて構
成したＴＭｎ１０共振器を用いて、その金属円板の上部
にファラデー回転子を乗せてサーキュレータを構成して
いる。特に本実施形態においては、一端を金属板１１７
で短絡した誘電体円柱１１６をフェライト円柱１１５の
上に接合した構造としている。
【００７６】非磁性誘電体基板の部分で誘電体共振器を
構成している場合には、フェライト円柱１１５も独立し
た共振器になっており、基板部分の誘電体共振器と同位
相で共振しなければならない。そのためには、フェライ
ト円柱１１５の内部の線路長が波長に等しくなる必要が
ある。しかし、電界節の回転角の要求と線路長の要求と
の双方を同時に満たすことは困難な場合が多い。この問
題を解決するため本実施形態では、フェライト円柱１１
５に誘電体円柱１１６を接続して、電界節回転と無関係
に位相量だけを調整する機能を付与させているのであ
る。
【００７７】位相調整のために付加する誘電体円柱１１
６の誘電率は、磁性体との接合面における反射を除くた
め、フェライト円柱１１５及び誘電体円柱１１６の特性
インピーダンスが一致するような値とすることが望まし
い。誘電体円柱１１６の比誘電率εｄを式（３）で与え
られる値にすれば、接合面での整合が得られる。
【００７８】 √（１／εｄ）＝ √（μｆ／εｆ） （３） ただし、εｄ：位相調整用の誘電体円柱の比誘電率、μ
ｆ：フェライト円柱の平均比透磁率、εｆ：フェライト
円柱の比誘電率である。
【００７９】誘電体円柱１１６の厚さは、サーキュレー
タを構成するのに必要な誘電体の厚さが正負のジャイロ
透磁率によって異なるので一意的には決定できないが、
通常０．１〜０．２波長程度とし、相調整素子の範囲を
超えないようにする。
【００８０】このような構造のサーキュレータでは、フ
ェライト円柱１１５の長さで電界節の回転角が決められ
る。従って、基板部分の共振器がＴＭｎ１０モードであ
っても必要な電界節回転が得られ、サーキュレータの小
型化に寄与できる。
【００８１】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図５、図８、図９及び図１０の実施形態
の場合と同様である。
【００８２】図１２は本発明のさらに他の実施形態とし
てファラデー回転子を用いたサーキュレータの構成を概
略的に示す斜視図である。
【００８３】同図において、１２０はミリ波用ハイブリ
ッド集積回路基板からなる誘電体基板、１２１は誘電体
基板の裏面に形成された接地導体、１２３は誘電体基板
１２０の表面上に設けられた金属円板、１２４ａ、１２
４ｂ及び１２４ｃは誘電体基板１２０の表面上に設けら
れており金属円板１２３から３回対称構造で放射方向に
延伸する端子、１２５は金属円板１２３の中心軸と一致
する方向に磁化されてこの金属円板１２３上に設けられ
たフェライト円柱、１２６はフェライト円柱１２５の上
部に接合された誘電体円柱、１２７は誘電体円柱１２６
の上端面に形成された金属板からなる短絡板をそれぞれ
示している。
【００８４】本実施形態においても、図１１の実施形態
の場合と同様に、裏面が接地導体で覆われた誘電体基板
であるミリ波用ハイブリッド集積回路基板の表面に金属
円板及び３回対称の端子を設けて構成したＴＭｎ１０共
振器を用いて、その金属円板の上部にファラデー回転子
を乗せてサーキュレータを構成している。そして、一端
を金属板１２７で短絡した誘電体円柱１２６をフェライ
ト円柱１２５の上に接合した構造としている。
【００８５】さらに本実施形態においては、端子（分
岐）１２４ａ、１２４ｂ及び１２４ｃ部分に１／４波長
インピーダンス変換器１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃ
をそれぞれ挿入してサーキュレータの動作周波数帯域を
拡大している。これは、高次モードによるサーキュレー
タでは電界節移動の周波数依存性が大きいので、動作周
波数帯域幅が狭いという問題点を解決するためのもので
ある。
【００８６】本実施形態のその他の構成、作用効果及び
変更態様等は、図５、図８、図９、図１０及び図１１の
実施形態の場合と同様である。
【００８７】図１３は本発明の非可逆回路素子を搭載し
たミリ波用ハイブリッド集積回路基板の構成を概略的に
示す斜視図である。
【００８８】同図において、１３０はパッケージ１３１
内に設けられたミリ波用ハイブリッド集積回路基板であ
る誘電体基板、１３２及び１３３は誘電体基板１３０上
に搭載されている半導体集積回路等の能動素子、１３４
及び１３５は誘電体基板１３０上に形成されている前述
した実施形態のごとき構成のサーキュレータ／アイソレ
ータ、１３６及び１３７は整合抵抗をそれぞれ示してい
る。なお、同図には示されていないが、誘電体基板１３
０の裏面には接地導体が全面に形成されている。
【００８９】このように、誘電体基板１３０上に複数の
能動素子１３２及び１３３を搭載して構成されるハイブ
リッド形集積回路において、２つの回路間をつなぐ線路
に３回対称形の分岐を設ける共にその対称中心に金属円
板を設けることによって、誘電体円形ＴＭｎ１０共振器
（ｎ：正の整数）を形成しておく。その金属円板上に自
発磁化されたフェライト円板又はフェライト円柱若しく
はこれに位相調整用誘電体円柱を接続した円柱を置い
て、サーキュレータを構成する。そして、誘電体基板１
３０上の回路に接続されていない分岐を整合抵抗１３６
及び１３７で終端して、回路間干渉を除くアイソレータ
を構成する。
【００９０】誘電体基板１３０の形成工程で上述した分
岐、整合抵抗及び金属円板まで形成しておけば、能動素
子１３２及び１３３の実装と同様の工程において、ＴＭ
ｎ１ ０共振器（ｎ：正の整数）用パターン上に自発磁化
したバリウムフェライトを実装するのみでミリ波集積回
路を安定に動作させるキーパーツであるアイソレータを
ミリ波用ハイブリッド集積回路基板上に容易に形成でき
ることとなる。従って、従来のサーキュレータのように
コネクタで接続したり基板内に素子を落とし込む等の必
要がなく、通常の部品搭載工程として生産ラインに組み
込むことが可能になって、ミリ波集積回路の安定化と量
産化に大きく寄与できる。
【００９１】以上述べた実施形態は全て本発明を例示的
に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明
は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することがで
きる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均
等範囲によってのみ規定されるものである。
【００９２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、裏面に接地導体が設けられた非磁性誘電体基板上に
金属円板及び金属円板から突出する３回対称構造を有す
る分岐を設けて構成されたマイクロストリップ形ＴＭ
ｎ１０共振器（ｎ：正の整数）と、自発磁化されてお
り、マイクロストリップ形ＴＭｎ１０共振器上に同軸に
載置されたフェライト磁性体とを備えており、このフェ
ライト磁性体は、電界節の位置が上述の分岐の１つと一
致するように構成されているので、ミリ波用ハイブリッ
ド集積回路基板に搭載できると共にその搭載処理が非常
に容易行える。
【００９３】このような非可逆回路素子により集積回路
間の反射波を吸収すれば、信号送出側の負荷インピーダ
ンスは信号受け入れ側の入力インピーダンスと無関係に
一定となり、回路内の反射波によって引き起こされる発
振、電力増幅器の暴走等のトラブルを防止できる。特に
ミリ波帯の増幅器においては、素子内容量によるトラン
ジスタの逆方向伝達係数増加が無視できないので、信号
に方向性を与えることは回路を安定に動作させる上で非
常に重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一般的な構成の分布定数型サーキュレー
タの一部破断斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態における誘電体ＴＭ１１０
モード共振器の電界分布図である。
【図３】ジャイロ透磁率の磁界−周波数特性図である。
【図４】本発明の一実施形態として誘電体ＴＭ１１０モ
ード共振器を用いたサーキュレータの構成を概略的に示
す斜視図及び電界分布図である。
【図５】本発明の他の実施形態として高次モード共振器
によるサーキュレータの構成を概略的に示す斜視図であ
る。
【図６】図５のサーキュレータの構造をその電磁界分布
をも含めて示す斜視図及び電界分布図である。
【図７】ＴＭ０１０モード共振器の電界分布図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態として高次モード
共振器によるサーキュレータの構成を概略的に示す斜視
図である。
【図９】本発明のまたさらに他の実施形態として高次モ
ード共振器によるサーキュレータの構成を概略的に示す
斜視図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態としてファラデ
ー回転子を用いたサーキュレータの構成をその電磁界分
布をも含めて示す斜視図である。
【図１１】本発明のまたさらに他の実施形態としてファ
ラデー回転子を用いたサーキュレータの構成をその電磁
界分布をも含めて示す斜視図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態としてファラデ
ー回転子を用いたサーキュレータの構成を概略的に示す
斜視図である。
【図１３】本発明の非可逆回路素子を搭載したミリ波用
ハイブリッド集積回路基板の構成を概略的に示す斜視図
である。
【符号の説明】
２０、５０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１
３０ 誘電体基板 ２１、５１、８１、９１、１０１、１１１、１２１ 接
地導体 ２３、５３、８３、９３、１０３、１１３、１２３ 金
属円板 ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、８
４ａ、８４ｂ、８４ｃ、９４ａ、９４ｂ、９４ｃ、１０
４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１１４ａ、１１４ｂ、１１
４ｃ、１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃ 端子 ２５、５５、８５、９５ フェライト円板 ２６、５６ 電界 ２７、５７ 磁界 ２８、５８、１０８、１０８ａ、１０８ｂ、１１８、１
１８ａ、１１８ｂ 電界節 ５３ａ、５５ａ、８３ａ、８５ａ、９３ａ、９５ａ 貫
通穴 ５９、１０９ 直流磁化 ９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２２
ｃ １／４波長インピーダンス変換器 １０５、１１５、１２５ フェライト円柱 １０７、１１７、１２７ 短絡板 １３１ パッケージ １３２、１３３ 能動素子 １３４、１３５ サーキュレータ／アイソレータ １３６、１３７ 整合抵抗
フロントページの続き (72)発明者 大波多 秀典 東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 辺見 栄 東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ ーディーケイ株式会社内 (72)発明者 鈴木 和明 東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティ ーディーケイ株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−190315（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−17402（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭46−12227（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01P 1/36 H01P 1/375 H01P 1/387 H01P 1/393 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 裏面に接地導体が設けられた非磁性誘電
    体基板上に金属円板及び該金属円板から突出する３回対
    称構造を有する分岐を設けて構成されたマイクロストリ
    ップ形ＴＭｎ１０共振器（ｎ：正の整数）と、自発磁化
    されており、前記マイクロストリップ形ＴＭｎ１０共振
    器上に同軸に載置されたフェライト磁性体とを備えてお
    り、該フェライト磁性体は、電界節の位置が前記分岐の
    １つと一致するように構成されていることを特徴とする
    非可逆回路素子。
  2. 【請求項２】 前記フェライト磁性体が、円板又は円柱
    形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の素
    子。
  3. 【請求項３】 前記ＴＭｎ１０共振器がＴＭｍ１０共振
    器（ｍは２以上の正の整数）であることを特徴とする請
    求項１又は２に記載の素子。
  4. 【請求項４】 前記ＴＭｍ１０共振器の中心軸周辺の前
    記金属円板が部分的に除去されていることを特徴とする
    請求項３に記載の素子。
  5. 【請求項５】 前記ＴＭｍ１０共振器の中心軸周辺の前
    記フェライト磁性体が部分的に除去されていることを特
    徴とする請求項４に記載の素子。
  6. 【請求項６】 中心軸周辺が部分的に除去されて形成さ
    れた前記フェライト磁性体の空孔内壁がメタライズされ
    ていることを特徴とする請求項５に記載の素子。
  7. 【請求項７】 前記フェライト磁性体の少なくとも上面
    及び下面がメタライズされていることを特徴とする請求
    項１から６のいずれか１項に記載の素子。
  8. 【請求項８】 前記ＴＭｎ１０共振器がＴＭ１１０共振
    器であり、前記フェライト磁性体として、空間に接する
    側の端面がメタライズされかつ伝播長が１波長であるフ
    ェライト円柱によるファラデー回転子を用いたことを特
    徴とする請求項１又は２に記載の素子。
  9. 【請求項９】 前記フェライト円柱に非磁性誘電体が接
    合されていることを特徴とする請求項８に記載の素子。
  10. 【請求項１０】 前記非磁性誘電体の特性インピーダン
    スと前記フェライト円柱の特性インピーダンスとが一致
    するように前記非磁性誘電体の誘電率が選択されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の素子。
  11. 【請求項１１】 前記各分岐に１／４波長インピーダン
    ス整合素子が接続されていることを特徴とする請求項１
    から１０のいずれか１項に記載の素子。
  12. 【請求項１２】 １つの端子が整合抵抗に接続されてお
    り、他の２つの端子が入出力端子として構成されている
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記
    載の素子。
  13. 【請求項１３】 前記誘電体基板が、ミリ波用ハイブリ
    ッド集積回路基板であることを特徴とする請求項１から
    １２のいずれか１項に記載の素子。
  14. 【請求項１４】 請求項１から１３のいずれか１項に記
    載の非可逆回路素子を少なくとも１つ備えたことを特徴
    とするミリ波用ハイブリッド集積回路基板。
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