JP3835631B2 - 集中定数型サーキュレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェリ磁性体を用いたマイクロ波非相反素子である集中定数型サ−キュレ−タの小型化・高性能化に関する。
【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ー、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集中定数型アイソレータの小型化・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、集中定数型サ−キュレ−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、同時に反射損失や逆方向損失が劣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寿命に直接影響を与え、その低減が強く望まれている。
【０００３】
図７(a)(b)は、中心導体が編み目状となった従来技術の集中定数型サ−キュレ−タの概略を示す平面図と構造断面図である。３組の中心導体１a,１b,１cは円板状フェリ磁性体２の上に配されている。中心導体の一方は入出力端子▲１▼▲２▼▲３▼となり、他方は共通部３に接続され、この図の場合は地導体７に接地されている。４は絶縁シートで各中心導体が交差部で短絡しないように設けられている。負荷容量Ｃは各端子と共通部３（地導体７）の間に接続され、サ−キュレ−タの動作周波数を決める。所望のインピ−ダンスでサ−キュレ−タ動作を実現するために、フェリ磁性体には外部磁界５が印加される。また、アイソレータとするためには、図中の点線で示すようにエネルギ−吸収抵抗Ｒｏが▲３▼端子と共通部３（地導体７）の間に接続される。
【０００４】
図８(a)(b)は従来技術に用いられる中心導体１a,１b,１cの部品展開図と円板状フェリ磁性体２の部品図である。中心導体１a,１b,１cは共通部３に放射状に接続された約５０μｍ厚みの一体物の銅板からなっている。この共通部３と円板状フェリ磁性体２の外径寸法は、略同一となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
次に集中定数型サ−キュレ−タを小型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。直流磁界が印加されたフェリ磁性体の内部を伝わる電磁波の波長λは概略次の式で求められる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
但し、λｏは真空中の電磁波の波長、εはフェリ磁性体の比誘電率、μはサ−キュレ−タ動作時の比透磁率である。ここで、１ＧＨｚで計算すると、ε＝１６、μ＝２とすれば、λ＝５３mmを得る。実際に、集中定数型素子として動作する最適寸法は、λ／８程度といわれている。この値は円板状フェリ磁性体の直径Ｄとして６.６mm程度を要求している。しかし、実際にはこのような大きなフェリ磁性体を用いたのでは、７mm角もしくは５mm角のような小型サ−キュレ−タの実現は難しい。
【０００８】
サ−キュレ−タを小型化してゆく場合、必然的に円板状のフェリ磁性体２の直径Ｄと厚みｔが小さくなる。これは、インダクタンスの減少を招くと同時に、サ−キュレ−タ本体のインピ−ダンスの減少を招く。このため、外部の特性インピ−ダンスと整合をとるためには、必然的にフェリ磁性体には共鳴磁界よりかなり強い磁界を印加する必要が生ずる。このことは、負荷容量Ｃの増大を招き、サ−キュレ−タ特性の比帯域幅を狭くするとともに、挿入損失をも劣化させる。このことがこれまでの集中定数型サ−キュレ−タの小型化を妨げてきた。
【０００９】
本発明は、前述の従来技術の問題点を鑑み、集中定数型サ−キュレ−タの基本構造を考察することにより、小型化しても比帯域幅や挿入損失が劣化しないフェリ磁性体と中心導体の新しい構造を用いた集中定数型サ−キュレ−タの発明に関するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、中央の導電性共通部に放射状に接続された３組の中心導体と、直流磁界が印加され、前記導電性共通部上に配されるフェリ磁性体とを備え、前記３組の中心導体を前記フェリ磁性体の端部で折曲げ、前記フェリ磁性体の上面側中央部で前記３組の中心導体が互いに絶縁されるように重ね合わせ、かつ前記中心導体の端部が入出力端子となる構造において、
前記導電性共通部の面積が前記フェリ磁性体の面積より小さく、平行線路として構成された前記中心導体は、前記フェリ磁性体の下面側にまで及んで前記導電性共通部と接続し、もってフェリ磁性体の下面から側面を経て上面を通して０．５ターンを超えて約０．７５ターン以下の巻数で巻き付けられており、かつ前記導電性共通部が接地されるとともに、前記中心導体の入出力端子と地導体の間に負荷容量を接続した集中定数型サ−キュレ−タである。
【００１１】
また本発明の集中定数型サ−キュレ−タは、中央に導電性スルーホールを有する絶縁基板を備え、前記導電性共通部が前記絶縁基板の導電性スルーホールを介して地導体に接続され、前記導電性共通部と前記中心導体は、銀めっきが施された銅板で作製されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記導電性共通部の外形寸法を前記フェリ磁性体の外形寸法の半分以下とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の主眼は、小型集中定数型サ−キュレ−タを実現するためのフェリ磁性体と中心導体の新しいの構造を提供することである。小型化のためフェリ磁性体の寸法が小さくなると、必然的にインダクタンスが小さくなる。もし、小寸法のフェリ磁性体を用いても、構造の考案によりインダクタンスを大きくできれば、比帯域幅と挿入損失の劣化を抑えることができる。
【００１４】
そこで本発明では、フェリ磁性体上に互いに絶縁されて重ね合わされた中心導体において、従来よりも巻き付け長さを長くして、インダクタンスを大きくするものである。
つまり、従来では、導電性共通部の面積がフェリ磁性体の面積と同じであったため、その導電性共通部から放射状に接続された中心導体は、そのフェリ磁性体の側面からその上面において、巻き付けられていた。これは、約０．５ターンの巻き付け量ということができる。
【００１５】
本発明では、導電性共通部の面積をフェリ磁性体の面積よりも小さくすることにより、フェリ磁性体の下側面から巻き付けられるようにして、中心導体のフェリ磁性体への巻き付け量を大きくし、大きいインダクタンスを得るものである。つまり、導電性共通部の面積を小さくすることにより、中心導体の巻き付けを、フェリ磁性体の下側面から始まり、側面を経て、上面に巻き付けられる構成とするものである。これにより、約０．７５ターンまで巻き付け量を増やすことができ、インダクタンスを大きくすることができる。
【００１６】
このことから、この導電性共通部外径寸法は、フェリ磁性体の外径寸法に対し、半分以下であることが望ましい。また、この導電性共通部は、できる限り小さい方が望ましく、最低限各中心導体を接続可能な大きさまで、小さくしても良い。
【００１７】
また、この共通部を接地する手段としては、請求項２で記載したように、中央に導電性スルーホールを有する絶縁基板上に、共通部を配置し、その共通部と導電性スルーホールを接続し、更にその導電性スルーホールの他端を接地導電体に接続して、接地することができる。また他の方法として、上記絶縁基板を無くし、接地導電体上に共通部がくるように直接配置することによっても構成可能である。この場合、フェリ磁性体を凸状に形成し、その凸部が共通部に対応し、そしてその共通部のみが接地導体に接触するように構成することもできる。
【００１８】
本発明のフェリ磁性体と中心導体の新しい構造を用いれば、小型化を図りながら比帯域幅が広く、かつ低挿入損失である高性能な集中定数型サ−キュレ−タを構成することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る一実施例を示す概略上面図、図１（ｂ）は、図１（ｃ）のＢ−Ｂ’断面構造図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面構造図である。尚、従来例と同様の部位には、同一の符号を付しているが、これは必ずしも同一部材というものではない。図１（ｃ）の断面図に示すように、地導体７の上に中央に導電性スルーホール８を有する絶縁基板６が配され、このスルーホール８に導電性共通部３が接続される。この上にはフェリ磁性体２がのせられる。共通部３の面積はフェリ磁性体の面積よりも小さく、３組の中心導体はフェリ磁性体の下側で共通部３に接続される。図１（ｂ）に示すように、それぞれの中心導体はフェリ磁性体２の端部に相当する１ａ',２ｂ',２ｃ'で折れ曲がり、図１（ａ）に示すように上面中央部でお互いに絶縁材料４により絶縁するように重なり、それぞれの中心導体の３つの端部１ａ,１ｂ,１ｃは、入出力端子▲１▼▲２▼▲３▼となる。各入出力端子▲１▼▲２▼▲３▼と地導体７の間に負荷容量Ｃが接続されている。
【００２０】
図２（ａ）は図１の実施例を実現するための中心導体１ａ,１ｂ,１ｃと導電性共通部３の部品展開図である。これは銀メッキが施された約５０μｍの厚みの銅板で作製されている。図２（ｂ）は本発明の他の実施例を示すものであり、共通部３がさらに小さくなっている中心導体１ａ,１ｂ,１ｃと導電性共通部３の部品展開図である。図３は円板状フェリ磁性体２の部品図である。図４は本発明の特徴の一つである中央部に導電性スルーホール８を有する絶縁基板６である。この絶縁基板６とフェリ磁性体２は、本実施例ではほぼ同じ形状の直径３.５ｍｍφ×厚み０.３ｍｍのものを用いた。特に、中心導体について従来技術の構造である図７(a)のものと比較すると、本発明の特徴が理解できる。すなわち、インダクタンスとして作用する平行線路の部分が本発明では、従来技術の約１.５倍である。巻数で比較すると、従来技術では０.５タ−ンであるのに対して、本発明の構造では０.７５タ−ンであると見ることができる。
【００２１】
次に、本発明の効果について考察する。従来技術の構造と本発明の構造を比較する場合、本発明の構造では絶縁基板６という非磁性体が空間を占有するので、小型・薄型化という点では、不利となる。従って、実際の効果は、絶縁基板６の部分を全てフェリ磁性体とした従来技術の場合と比較しなければならない。従来技術では本発明の構造より約２倍の厚みのフェリ磁性体を使用できる。従って、これらのことを考慮して、従来技術のインダクタンスを１として本発明の効果の評価を行ってみた。すなわち、本発明の構造では、断面積が１／２となり、巻数が約１.５倍になるので、インダクタンスとしては１.１２５倍となる。この差は、本発明の構造の効果であり、同じ空間を用いた場合、本発明の方が約１３％インダクタンスが大きくなることを意味する。これは同時に、負荷容量としても８７％でよく、コンデンサーの占有面積が小さくなり、小型化に有利となることを意味している。
【００２２】
図５は図１の本実施例を用いて実現した集中定数型７ｍｍ角アイソレータの特性図である。同じ大きさのフェリ磁性体を用いた従来技術の結果は点線で示した。この図から分かるように、３．５ｍｍφ×０．３ｍｍｔの小さなガ−ネットを用いた場合、帯域幅が狭く、挿入損失も中心周波数のピーク値で０．５５ｄＢ程度である。一方、本発明の構造を用いた場合は、挿入損失のピーク値は０．５０ｄＢまで改善され、かつ帯域幅も１．４倍程度になっている。これは、本発明の構造を用いた場合、インダクタンスが１．２倍程度に増加したためである。
【００２３】
また本発明に係る別の実施例の断面図を図６（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）に示すものは、導電性共通部３を地導体７上に直接配置した構造である。このように、導電性共通部３を地導体７上に直接配置した場合も、上記実施例と同様の効果が得られた。図６（ｂ）に示すものは、導電性共通部３を地導体７上に直接配置した構造であるが、フェリ磁性体２の形状を変更し、導電性共通部３のみが地導体７に接触するように構成したものである。もちろん、この構成においても上記実施例と同様の効果を得ることができた。又、このフェリ磁性体２の形状は、図に示すようなテーパ状の凸部でなくてもよく、例えば、段付き状、円弧状など適宜変更できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、フェリ磁性体と中心導体の新規な構造を用いることにより、小型の集中定数型サ−キュレ−タでありながら、低損失な集中定数型サ−キュレ−タを提供し得るものであり、携帯電話などのマイクロは装置において、極めて有益なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一実施例の概略上面図（ａ）、Ｂ−Ｂ’断面構造図（ｂ）、Ａ−Ａ’断面構造図（ｃ）である。
【図２】本発明に係るの中心導体１ａ,１ｂ,１ｃと導電性共通部３の部品展開図である。
【図３】本発明に係る一実施例のフェリ磁性体の部品図である。
【図４】本発明に係る一実施例の絶縁基板の部品図である。
【図５】本発明に係る一実施例と従来例との特性図である。
【図６】本発明に係る別の実施例の導電性共通部３の接地状態を示す断面構造図である。
【図７】従来例の概略上面図（ａ）、Ａ−Ａ’断面構造図（ｂ）である。
【図８】従来例の中心導体１ａ,１ｂ,１ｃと導電性共通部３の部品展開図（ａ）と、フェリ磁性体の部品図である。
【符号の説明】
１ 中心導体
２ フェリ磁性体
３ 導電性共通部
４ 絶縁シート
５ 外部磁界
Ｃ 負荷容量
Ｒｏ エネルギ−吸収抵抗
６ 絶縁基板
７ 地導体
８ 導電性スルーホール

Claims (3)

1. 中央の導電性共通部に放射状に接続された３組の中心導体と、直流磁界が印加され、前記導電性共通部上に配されるフェリ磁性体とを備え、前記３組の中心導体を前記フェリ磁性体の端部で折曲げ、前記フェリ磁性体の上面側中央部で前記３組の中心導体が互いに絶縁されるように重ね合わせ、かつ前記中心導体の端部が入出力端子となる構造において、
   前記導電性共通部の面積が前記フェリ磁性体の面積より小さく、平行線路として構成された前記中心導体は、前記フェリ磁性体の下面側にまで及んで前記導電性共通部と接続し、もってフェリ磁性体の下面から側面を経て上面を通して０．５ターンを超えて約０．７５ターン以下の巻数で巻き付けられており、
   かつ前記導電性共通部が接地されるとともに、前記中心導体の入出力端子と地導体の間に負荷容量を接続したことを特徴とする集中定数型サ−キュレ−タ。
2. 中央に導電性スルーホールを有する絶縁基板を備え、前記導電性共通部が前記絶縁基板の導電性スルーホールを介して地導体に接続され、
   前記導電性共通部と前記中心導体は、銀めっきが施された銅板で作製されることを特徴とする請求項１に記載の集中定数型サ−キュレ−タ。
3. 前記導電性共通部の外形寸法が前記フェリ磁性体の外形寸法の半分以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の集中定数型サ−キュレ−タ。

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