JP3656868B2 - 非可逆回路素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガーネットを用いたマイクロ波非相反素子である非可逆回路素子に関し、特に小型集中定数型サーキュレータ及びアイソレータの低挿入損失化と温度特性安定化に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、IC、トランジスター等の半導体素子、積層チップコンデンサ、積層チップインダクタ、チップ抵抗等の受動部品の小型化にともない、これらを表面実装したマイクロ波装置の小型化・薄型化が急速に進行している。このような動きの中で、マイクロ波装置を構成する上できわめて重要なマイクロ波非相反素子である非可逆回路素子の小型化・薄型化が望まれている。このような市場のニーズに対応し、非可逆回路素子である集中定数型サーキュレータ・アイソレータを小型化しようとすると必然的に挿入損失が増え、反射損失や逆方向損失が悪化するという問題があった。とりわけ挿入損失は携帯電話の蓄電池の持続時間に直接影響を与え、その低減が強く望まれている。
【0003】
図10は、従来技術の集中定数型サーキュレータの中心導体の状態を示す概略構造平面図である。図11は図10のA−A'構造断面図であり、中心導体1とガーネット2以外に直流磁界を印加するための磁気回路も同時に示す。3組の中心導体1a,1b,1cは円板状ガーネット2の上に、放射状に積み重ねられた状態で配置されている。4は絶縁シートで各中心導体1a,1b,1cが交差部で短絡しないように設けられている。この中心導体1a,1b,1cの一方は入出力端子▲1▼▲2▼▲3▼となり、他方は共通部3につながり、接地(この場合は地導体である強磁性金属ケース6)されている。各入出力端子▲1▼▲2▼▲3▼と共通部3(地導体)の間に、負荷容量Cが接続され、サーキュレータの動作周波数を決めている。
【0004】
そして、所望のインピーダンスでサーキュレータ動作を実現するために、ガーネット2に直流磁界を印加するフェライト磁石5が配置される。このフェライト磁石5は、強磁性金属ケース6の上面に内接している。一方ガーネット2は、中心導体の共通部3を介して強磁性金属ケース6の下面に内接している。このフェライト磁石5は、矢印のように着磁されており、これによりガーネット2も矢印のように磁化される。尚、図11では中心導体の端部は1a、1bのみ示した。1bの上方に配置される1c及び絶縁シート4は省略している。また、この従来技術において、図中の点線で示すように、エネルギー吸収抵抗Roを入出力端子▲3▼と地導体の間に接続することにより、アイソレータを構成することができる。
【0005】
図12は従来技術のもう一つの例である。この従来例は、2枚のガーネット2a、2bを用いたトリプレートの断面構造図である。導電性共通部3aがガーネット2bの上面を覆っている。このような構造にすることにより、中心導体1aを流れる電流による高周波磁界が上下2枚のガーネットに作用するのでインダクタンスが増加し、帯域幅や挿入損失が改善される。簡単のため中心導体の他の端部1b、1cと絶縁シート4は省略して示した。
【0006】
また、他の従来技術として、フェライト磁石に磁性板を貼り付けて、磁束を調整する技術もある。その一例として、特開昭62−91003号公報に記載されたものがある。この従来技術は、フェライト磁石のガーネット対向面に磁石よりも大径の磁性板を固着したものである。この磁性板としては、透磁率の大きいパーマロイ等を用い、磁性板の周囲を削り落とすことによって、ガーネットに加わる磁界を調整するものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
次に、集中定数型サーキュレータを低挿入損失化してゆく場合の従来技術の背景となっている考え方について述べる。この集中定数型サーキュレータの挿入損失の原因は、1)電気的損失、2)磁気的損失、3)不整合損失に分けられる。電気的損失は、中心導体や地導体の電気抵抗Rによるジュール損失と負荷容量の誘電損失tanδによるものである。又、磁気的損失は、ガーネットの磁気的損失である。これは、ガーネットの材料定数である強磁性共鳴半値幅ΔHによるものであるが、実際には直流磁界の不均一性の影響を受ける場合が多い。そして、不整合損失は、サーキュレータのインピーダンスが50Ωでないために入力端子で反射する反射損失と密閉ケースでないために外部に漏れる輻射損失である。
【0008】
従って、低挿入損失とするためには、できるだけ電気抵抗R、tanδ、ΔHの小さい材料と部品を用いなければならない。しかし、このような材料、部品を用いても磁気回路的に均一な磁界分布を実現することは極めて困難である。さらに、輻射損失を低減するためには、密閉ケースを用いればよいが、このケース構造は同時に磁界の均一性とも関係するので、密閉ケースで均一な磁界を得ることも容易でない。
【0009】
さて、挿入損失に関して、実用上はもう一つ大きな問題がある。それは、組立時に各素子の特性、磁界などを調整し、室温で最適状態となるサーキュレータ特性を実現したとしても、周囲温度が変化すると、ガーネットの飽和磁化4πMsも、永久磁石による直流磁界も変化する。また、負荷容量も変化する。このため、低温および高温では入力インピーダンスが大きくずれて、挿入損失が増加するという問題である。
従って、これらの温度変化するパラメータをうまく組み合わせて、サーキュレータの温度特性安定化を図ることが実用上きわめて重要であるが、その具体的な実現は難しく、十分満足できる低損失かつ温度特性に優れたサーキュレータの実現が望まれている。
【0010】
本発明は、前述の従来技術の問題点を鑑み、非可逆回路素子の磁界の印加方法を考察することにより、低挿入損失化が実現できかつ温度特性が劣化しない非可逆回路素子の発明に関するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加するフェライト磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記フェライト磁石と前記中心導体との間に、前記フェライト磁石の飽和磁束密度の温度係数よりも大きな飽和磁化の温度係数を有するガーネット製ヨークを配置した非可逆回路素子である。
【0012】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークを、前記フェライト磁石及び前記中心導体の両方に接する様に配置しても良いし、前記永久磁石の中心導体側に接合しても良いし、前記中心導体の上に接合しても良い。この中心導体とガーネット製ヨークを接合する場合、前記ガーネット製ヨークと前記中心導体の間に、絶縁体を介在させても良い。
【0013】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークの直径が前記第1のガーネットの直径に比較して、0.8倍から1.4倍の範囲にあることが好ましい。
【0014】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークの厚さが前記第1のガーネットの厚さに比較して、0.3倍から1.5倍の範囲にあることが好ましい。
【0015】
また本発明は、第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置し、
前記ガーネット製ヨークの飽和磁化4πMsが前記第1のガーネットの飽和磁化4πMsに比較して、1倍から1.5倍の範囲にあることが好ましい。
【0016】
また本発明は、第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置し、
前記第1のガーネット及び/あるいは前記ガーネット製ヨークの形状が円板状であり、その円周状の端に0.05mm以上の半径の丸みをついても良い。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の主眼は、非可逆回路素子の新しい磁気回路を提供することである。特に、小型集中定数型サーキュレータ・アイソレータにおいて、効果が大きいものである。また、アイソレータは上記のとおり、サーキュレータの一端子をエネルギー吸収抵抗に接続し、そのエネルギー吸収抵抗を接地することで構成され、サーキュレータと同様の技術で達成されるものであり、集中定数型サーキュレータにて説明する。
以下、本発明の内容を実施例を用いて詳細に説明する。尚、符号は同一機能の部材については同一符号を付けている。但し、必ずしも全く同一のものを示しているものではない。
【0018】
図1は、本発明に係る第1実施例の断面構造を示す図である。この実施例の構造を説明する。フェライト磁石5は強磁性金属ケース6の上面に内接している。第1のガーネット2は中心導体の共通部3を介して強磁性金属ケース6の下面に内接している。本発明のガーネット製ヨーク7がフェライト磁石5の第1のガーネット2に対向する面に設けられている。このフェライト磁石5は矢印のように着磁されており、これによりガーネット製ヨーク7、及び第1のガーネット2が矢印のように磁化される。中心導体は、従来技術と同様であり、中心導体の端部は1aのみ示した。上方に配置される1bと1cと絶縁シート4は省略している。
【0019】
本発明の構造は、従来技術のトリプレート構造である図12と一見類似しているが、作用としては全く異なるものである。その理由は、図12の従来構造では、ガーネット2bは、ガーネット2aとともにサーキュレータ動作としての非相反素子として作用する。従って、サーキュレータの性能は、フェライト磁石5の磁界分布の影響を直接受け、磁気的損失を発生し易い。これに対して、本発明のガーネット製ヨーク7は、サーキュレータ動作に直接作用するものではなく、磁気回路のヨークとして作用するものである。最大の効果は、フェライト磁石5による急峻な磁界分布をやわらげる作用である。
【0020】
また本発明は、これ以外に、フェライト磁石5により第1のガーネット2に印加される直流磁界の温度係数を大きくする作用がある。我々の研究では、サーキュレータを薄型化してゆくとガーネットに作用する実際の磁界強度の温度特性がフェライト磁石の残留磁束密度の温度係数より小さくなる。この点から見ると、一般にガーネットの飽和磁化の温度係数はフェライト磁石の温度係数よりも大きいので、本発明の構造では、ガーネット製ヨーク7が磁気回路的に直列的に作用し、第1のガーネット2にかかる直流磁界の温度係数を大きくし、結果的にサーキュレータの温度特性を安定化させる作用がある。
【0021】
本発明に係る第1実施例の構造にて、900MHz帯の集中定数型アイソレータを構成し、電気特性を測定した。この電気特性を図4に示す。図4において、ロが実施例、イが従来構造である。一番上の図は反射損失S11、中央の図は挿入損失S21、下の図は逆方向損失S12を示す。挿入損失S21のピーク値で比較すると、従来技術の構造では、イに示すように0.42dBである。しかし、本発明の構造の実施例では、挿入損失のピーク値が0.30dBと0.12dBも改善されているのが分かる。
【0022】
これはガーネット製ヨーク7の存在により、第1のガーネット2にかかる直流磁界の分布が改善されたことによるものである。本実施例では第1のガーネット2及びガーネット製ヨーク7として3.7mmφ×0.35mmtのものを用いたが、この第1のガーネット2及びガーネット製ヨーク7の直径の関係が極端に異なるもの同士の組み合わせは、本発明の効果が薄いことが実験の結果分かった。すなわち、ガーネット製ヨーク7の直径が第1のガーネットの直径の1.4倍より大きいと、ガーネット製ヨークによるシールド効果が強まり、フェライト磁石5による磁力が効果的に第1のガーネットに伝わりにくい。また、逆にガーネット製ヨーク7の直径が第1のガーネットの直径の0.8倍未満であると、ガーネット製ヨークによる磁界分布改善の効果が顕著に現れにくくなる。従って、ガーネット製ヨーク7の外径は、第1のガーネットの直径の0.8倍から1.4倍であることが好ましい。更に好ましくは、0.9倍から1.1倍である。
【0023】
また、ガーネット製ヨークの厚さについても同様であり、ガーネット製ヨークの厚さが第1のガーネットの厚さに比較し1.5倍より大きくなるとシールド効果が強くなり、ひいては第1のガーネットへの印加磁界が不足する。逆に0.3倍未満になるとほとんど効果が無いことを確認した。
【0024】
さらに、ガーネット製ヨークと第1のガーネットの4πMsは第1実施例では同じものを用いたが、ガーネット製ヨークの4πMsを僅かに大きくし、約1.3倍にしても効果があることが分かった。しかし、ガーネット製ヨークの4πMsが1.5倍より大きくなると、この部分における強磁性共鳴吸収が大きくなり、サーキュレータ性能が著しく劣化することを確認した。
【0025】
図2は本発明に係る第2実施例の断面構造を示す図である。図1と異なる点は、第1のガーネット2の円周部分が丸みRを持つように加工されている点である。このような構造を用いた場合の第2実施例の電気特性を第1実施例と比較して図5に示す。図5において、ロが第1実施例、ハが第2実施例である。挿入損失S21のピーク値で比較すると、第1実施例ロでは、0.30dBである。しかし、第2実施例ハでは、挿入損失のピーク値が0.25dBと0.05dBも改善されているのが分かる。これは第1のガーネット2の端部の周りが丸みを帯びることにより、第1のガーネット2にかかる直流磁界の分布がさらに改善されたことによるものである。本実施例では第1のガーネット2として3.7mmφ×0.35mmtのものを用いたが、この端部の丸みの半径は約0.1mmであった。実験では半径が0.05mm以上あれば効果が現れることを確認した。
【0026】
図3は本発明に係る第3実施例の断面構造を示す図である。図2と異なる点は、第1のガーネット2の円周部分の丸みの代わりにガーネット製ヨーク7の円周部の片面側だけを丸みR加工されている点である。このような構造を用いた場合の本実施例の電気特性はほぼ第2実施例と同じような特性が得られた。この場合も、ガーネット製ヨーク7の端部の周りの丸みにより、第1のガーネット2にかかる直流磁界の分布が改善されたことによるものである。
【0027】
図6は従来技術の図11の構造を用いた場合の集中定数型アイソレータの電気性能の温度特性を示す。太い実線は+25℃、粗い点線は+85℃、細かい点線は−35℃の特性である。従来技術の磁気回路では挿入損失S21のピーク値が0.4dBと悪いだけでなく、温度変化とともに中心周波数が大きく変動しているのが分かる。特に高温における特性変化が大きい。これは、小型・薄型のアイソレータ構造では、見かけ上フェライト磁石によりガーネット2に印加される磁界強度の温度係数が小さくなるからである。
【0028】
図7はガーネット製ヨークを磁気回路のヨークとして用いた場合の本発明の第1実施例の温度特性を示す。このガーネットの存在により、挿入損失S21のピーク値が0.3dBと小さくなるとともに中心周波数の温度変化が極めて小さくなることが分かる。これは、ガーネット製ヨークが磁気回路的に直列に作用し、第1のガーネットに印加される磁界強度の温度係数を大きくしているためである。これにより、本発明の非可逆回路素子の温度特性がきわめて安定していることがわかる。
【0029】
本発明に係る第4実施例の断面構造を図8に示す。この実施例では、ガーネット製ヨーク7が、第1のガーネット2の一面上に互いに絶縁状態で配置された3組の中心導体1の上に配置されている。この実施例によっても、第1実施例と同様の特性を得ることができた。この実施例の場合、ガーネット製ヨーク7と中心導体との間に絶縁体を介在させても良い。この第4実施例の構造は、図12の従来構造に良く似ているが、このガーネット製ヨーク7には、取り巻く導体がなく、図12のように導体3aがガーネット2bを取り巻いてない。この差は、上記説明の通り、作用効果が異なるものであり、全く別の構造である。
【0030】
本発明に係る第5実施例の断面構造を図9に示す。この実施例では、ガーネット製ヨーク7は、フェライト磁石5及び中心導体1の両方に接している。この構造によっても第1実施例と同様の特性を得ることが出来た。この実施例の場合もガーネット製ヨーク7と中心導体1の間、又はガーネット製ヨーク7とフェライト磁石5との間に、絶縁体などの介在物を介在させていても良い。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石と第1のガーネット上に配置された中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置することにより、磁界分布を適正化し、低損失な非可逆回路素子を構成することができる。しかも、温度特性の安定した非可逆回路素子を提供し得ることができ、携帯電話などマイクロ波機器において、きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1実施例の構造断面図である。
【図2】本発明に係る第2実施例の構造断面図である。
【図3】本発明に係る第3実施例の構造断面図である。
【図4】従来技術と本発明の第1実施例の電気特性比較図である。
【図5】本発明の第1実施例と第2実施例の電気特性図である。
【図6】従来技術の集中定数型アイソレータの温度特性図である。
【図7】本発明の第1実施例の温度特性図である。
【図8】本発明に係る第4実施例の構造断面図である。
【図9】本発明に係る第5実施例の構造断面図である。
【図10】従来技術の集中定数型サーキュレータ・アイソレータ内部構造平面図である。
【図11】従来技術の集中定数型サーキュレータの断面構造図である。
【図12】従来技術の別の集中定数型サーキュレータの断面構造図である。
【符号の説明】
1 中心導体
2 第1のガーネット
3 共通部(地導体)
4 絶縁シート
5 永久磁石
6 強磁性金属ケース
7 ガーネット製ヨーク
Claims (9)
- 第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加するフェライト磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記フェライト磁石と前記中心導体との間に、前記フェライト磁石の飽和磁束密度の温度係数よりも大きな飽和磁化の温度係数を有するガーネット製ヨークを配置したことを特徴とする非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークは、前記フェライト磁石及び前記中心導体の両方に接していることを特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークは、前記フェライト磁石の中心導体側に接していることを特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークは、前記中心導体の上に接していることを特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークと前記中心導体とは、絶縁体を介在させて接していることを特徴とする請求項2又は請求項4記載の非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークの直径が前記第1のガーネットの直径に比較して、0.8倍から1.4倍の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。
- 前記ガーネット製ヨークの厚さが前記第1のガーネットの厚さに比較して、0.3倍から1.5倍の範囲にあることを特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。
- 第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置し、
前記ガーネット製ヨークの飽和磁化4πMsが前記第1のガーネットの飽和磁化4πMsに比較して、1倍から1.5倍の範囲にあることを特徴とする非可逆回路素子。 - 第1のガーネット、該第1のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第1のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置し、
前記第1のガーネット又は前記ガーネット製ヨークの形状が円板状であり、その円周状の端に0.05mm以上の半径の丸みがついていることを特徴とする非可逆回路素子。
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