JP3883046B2 - 非可逆回路モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話などのマイクロ波通信機器などに使用されるサーキュレータやアイソレータを方向性結合器と複合一体化した非可逆回路モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信装置、例えば携帯電話の普及には、目を見張るものがあり、携帯電話の機能、サービスの向上が益々図られている。このような携帯電話のシステムとしては、例えば主に欧州で盛んなＥＧＳＭ（ Extended Global System for Mobile Communications ）方式、ＤＣＳ１８００（ Digital Cellular System １８００ ）方式、米国で盛んなＰＣＳ（ Personal Communications Service ）方式、日本で採用されているＰＤＣ（ Personal Digital Cellular ）方式、Ｗ−ＣＤＭＡ（Wide-band CDMA ）などの様々なシステムがあるが、例えばＰＤＣなどにおいては、基地局から移動局（携帯電話）へ送信出力を規制する送信出力制御信号を送って移動局の送信出力電力の制御を行うことが定められている。
【０００３】
また、Ｗ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅ‐ｂａｎｄ ＣＤＭＡ 送信周波数 １．９２ＧＨｚ〜１．９８ＧＨｚ、受信周波数 ２．１１〜２．１７ＧＨｚ）、すなわちスペクトラム拡散を使う符号分割多元接続（ＣＤＭＡ）技術では、システム容量を最大にし、かつ周波数有効利用度の向上を図るために、基地局に到来する各移動局の電波がいつも一定かつ同一レベルになるように、移動局の送信電力を広い可変範囲、例えば、７０〜８０ｄＢの広い範囲できめ細かく適応制御することが必要であるとともに、最大電力時のみならず送信電力を低く制御した状態での高効率化，低消費電力化が大きなニーズとなっている。
【０００４】
このような無線通信装置として、携帯電話，自動車電話等の回路ブロックの一例を図１に示す。この例では送信部と受信部とを１つのアンテナの分岐部を介して共用するように構成している。
この送信部では、前記のように送信出力を制御することが必要であるとともに、アンテナ６のインピーダンス変動等により送信出力電力の一部が反射し、この反射電力によりパワーアンプ１が損傷する場合や、隣接チャンネルの信号がアンテナ６から進入して相互変調が発生する場合があり、対策が必要である。
このため、変調回路部（図示せず）から伝送され、パワーアンプ１で増幅された高周波信号を、方向性結合器２に通過させることにより、前記高周波信号に比例する出力を取出して、自動利得制御回路７０に供給し前記パワーアンプ１の出力電力を制御するとともに、方向性結合器２の後段側にアイソレータ３を配置して、方向性結合器２の後段側に配置されるローパスフィルタ４、アンテナ共用器５、アンテナ６などの各部品の特性インピーダンスと、線路インピーダンスの不整合などにより生じた反射波がパワーアンプ１に進入するのを防いでいる。
【０００５】
この様な回路ブロックを有する無線通信装置の小型化が望まれており、特に携帯電話にあっては、方向性結合器２、ローパスフィルタ４、パワーアンプ１の占有面積を少しでも小さくしたい、あるいは、低価格化を志向するため機能あたりの価格を少しでも下げたい、部品点数を削減したいといった要求がますます高まっている。このような要求に対し、方向性結合器２、非可逆回路素子３、ローパスフィルタ４、パワーアンプ１をそれぞれ小型化することで占有面積を低減することは可能であるが、自ずと限界がある。
【０００６】
図９は従来の非可逆回路素子の分解斜視図である。この非可逆回路素子は、中心導体（磁性体であるフェライトに信号電力を加えたり取出したりする導体であって、信号入力用、信号出力用、反射波吸収用の３本ある。）として、薄い銅板から成るグランド電極から３方向に放射状に延びたストリップラインの中心導体１４ａ，１４ｂ，１４ｃで、ガーネット型のフェライトの磁性体１３を包み、これらのストリップラインを互いに絶縁を保ち中央１２０度で交差するようにして織り込んで組立体１０とし、負荷容量Ｃ１を形成した誘電体基板１１の略中央部の穴部１５に配置し、入出力電極を前記誘電体基板上面の外部電極に半田付けする。さらにフェライトの中心導体の上には直流磁界を与えるための永久磁石９とヨークを兼ねた金属製ケース７を配置し、さらに下側の金属製ケース８との間で磁気回路を構成して非可逆回路素子としている。
【０００７】
前記非可逆回路素子３を小型化しようとすれば、単純には組立体１０や誘電体基板１１を小形に構成すればよいが、組立体１０の小型化は非可逆回路素子として最適動作する磁性体寸法から逸脱することになり、また誘電体基板を小形化するのに、必要な負荷容量を得るため高誘電率の誘電体材料を使用すると、誘電体材料の損失が相対的に増加し、非可逆回路素子としての電気的特性が劣化してしまう問題があった。
【０００８】
また、小型の方向性結合器として、特開平９−２１４２１３号に開示されたＬＴＣＣ技術を用いた積層型方向性結合器がある。このような積層型方向性結合器ではすでに２．０ｍｍ×１．２ｍｍ×１．０ｍｍサイズのものが開発されている。しかしながら、更なる小型化は、アイソレーション特性の劣化を招く。これにより、方向性結合器の重要な特性である方向性が得られず、その結果送信信号の進行方向とは逆の反射波の一部あるいは全部が結合取出し端子に流れ込み、所望の結合度が得られないといった問題もあった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように回路素子単体での小型化は様々な問題を有するが、本発明者等は従来、非可逆回路素子の負荷容量を構成する積層誘電体基板１１に、ＬＴＣＣ技術を用いて方向性結合器２を積層一体化することを着想した。
図２に非可逆回路素子と方向性結合器を一体化し非可逆回路モジュール２０とした場合の等価回路の一例を示す。非可逆回路モジュール２０は、非可逆回路３のポートＰ４とグランドとの間に、負荷容量Ｃ２と第１の抵抗Ｒｉとを並列接続し、非可逆回路３のポートＰ３に方向性結合回路２を構成する第１の伝送線路２００を接続し、そして、この第１の伝送線路２００と電磁結合するように第２の伝送線路２０１を配置し、さらに、その一端を第２の抵抗Ｒｃを介してグランドに接続して構成される。
しかしながら、誘電体基板１１を単純に積層化して積層体となし、方向性結合回路２を内蔵させて非可逆回路モジュール２０とした場合、十分なアイソレーション特性が得られない場合があった。そこで本発明は、非可逆回路と方向性結合回路を複合一体化し、小型かつ電気的性能、特に方向性に優れた非可逆回路モジュールを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性体に直流磁界を印加する永久磁石と、一端を共通端とし他端を高周波信号の入出力端とする複数の中心導体と、前記中心導体を前記磁性体に配した組立体と、複数の誘電体層と導体層を積層した積層体に積層形成された複数の負荷容量と、該負荷容量の一つと並列接続される第１の抵抗を具備する非可逆回路と、前記中心導体の何れかに接続される第１の伝送線路と、該第１の伝送線路と電磁結合する第２の伝送線路と、当該第２の伝送線路の一端に直列に接続する第２の抵抗を具備する方向性結合回路を有し、
前記第１及び第２の伝送線路は前記負荷容量とともに前記積層体に形成され、
前記第１の抵抗は、前記負荷容量のグランド側電極の一部を構成する第１のグランド電極に接続され、前記第２の抵抗は前記負荷容量のグランド側電極の他の一部を構成する第２のグランド電極に接続され、前記第１のグランド電極と第２のグランド電極とは前記積層体の異なる層に配設される非可逆回路モジュールである。
本発明においては、前記第１のグランド電極と前記第２のグランド電極とは、前記積層体に形成されたビアホール又は側面電極により、互いに電気的に接続される。
【００１１】
アイソレーションは、図６に示すように不要な反射波がアンテナ側からのポートＰ３に入力する際に、方向性結合回路のポートＰ５に現れる高周波信号の量を示したものである。本発明者等はこのような反射波の経路として経路１及び経路２の２経路について、その影響を鋭意研究したところ、積層体の構造によりグランドが不安定であると、前記経路２において方向性結合回路のポートＰ５へ現れる高周波信号が増大することを知見した。
【００１２】
前記積層体に形成されるグランドは、広がりを有する電極層で形成される。グランドを安定化するには、この電極層において高周波電流の分布を一様にするのが好ましい。その手段として多数のビアホール、外部電極で、非可逆回路モジュールが実装される回路基板のグランドと接続するのが好ましいが、多数のビアホールを用いると、積層体の変形や、割れ、クラックを誘発しやすい。また、限られた面積において、多数の外部電極を形成するのも限度があり、安定したグランドを得るのは、なかなか困難である。
そこで本発明では、非可逆回路の前記第１の抵抗と接続される第１のグランド電極と、方向性結合回路の前記第２の抵抗と接続される第２のグランド電極とを、前記積層体の異なる層に配設して、非可逆回路、方向性結合回路のグランドを安定させた。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例）
以下本発明の実施例について、図３、４を用いて詳細に説明する。図３は本発明の一実施例に係る非可逆回路モジュールの分解斜視図であり、図４は発明の一実施例に係る非可逆回路モジュールに用いる積層体１１の各層毎の展開図である。
この非可逆回路モジュールは非可逆回路と方向性結合器の機能を備えるものでり、非可逆回路の一部である組立体１０は、例えば円板状の接地用導体から放射状に３つの中心導体１４ａ、１４ｂ、１４ｃが突出した構造の導体の上に、ガーネットなどの磁性体の円板１３を配置し、円板の側面に沿って前記中心導体を折り曲げられ、それぞれの中心導体１４ａ、１４ｂ、１４ｃを絶縁フィルムなどを間に挟むようにして、絶縁状態で１２０度間隔で重ねられ構成される。組立体１０は、他の例としてドクターブレード法等のシート化技術を用いて、磁性体をシート化し、これに中心導体となる電極パターンを形成して積層一体化し焼結して構成するものや、焼結した磁性体に薄膜技術を用いて中心導体を形成して構成するものなどがある。また、磁性体の形状は、矩形、多角形等、特に円形状には限定されない。
【００１４】
組立体１０は、積層体１１の略中央部に設けられた凹部１５に挿入される。中心導体１４ａ〜１４cの一端は、積層体１１の上面に形成された負荷容量Ｃ１〜Ｃ３を構成する電極パターン５０ａ〜５０cに接続され、各中心導体の他端はガーネット磁性体１３の下面に位置するグランド電極を介して樹脂ベース１２のグランド電極（導体板）１８に接続される。更に組立体１０に直流磁界を印加するための永久磁石９を配置し、それらの上下から磁性ヨークを兼ねる金属ケース７、８で囲むようにして本発明の非可逆回路モジュールが構成される。
【００１５】
前記積層体１１は低温焼成が可能なセラミック誘電体材料、例えば比誘電率εｒが約８で、９００℃で焼成可能な誘電材料を用いる。これをバインダー、溶媒と共にスラリーとしてドクターブレード法で厚さが３０μｍ〜１００μｍのグリーンシートを作製する。各グリーンシート上にＡｇ、Ｃｕ等の導体を主体とする導電ペーストを印刷して方向性結合回路の第1及び第２の伝送線路と、非可逆回路の負荷容量を構成する電極パターンを形成し、これら複数のグリーンシートを積層して一体化し、焼結することにより製造することができる。
【００１６】
積層体１１の内部構造の一例を積層順に従って図４を用いて説明する。この積層体１１はＷ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅ‐ｂａｎｄ ＣＤＭＡ 送信周波数＝１．９２ＧＨｚ〜１．９８ＧＨｚ）の非可逆回路モジュールに用いられるものである。なお、ここでは説明の簡略化の為に無線通信装置のシステムとしてＷ−ＣＤＭＡを例にとるが、他のシステムであっても本発明の効果に変わりない。
【００１７】
まず最上層のグリーンシートａには、負荷容量Ｃ１〜Ｃ３用の電極パターン５０ａ〜５０ｃや接続用の電極パターン５０ｄ〜５０ｇ及びスルーホール電極（図中黒丸で表示）が形成されている。そして積層体１１の上面には抵抗Ｒｉ，Ｒｃが印刷、焼き付け法により形成されている。抵抗Ｒｉは非可逆回路用抵抗（第１の抵抗）、抵抗Ｒｃは方向性結合回路用抵抗（第２の抵抗）である。印刷抵抗の代わりにチップ抵抗を用いることも可能であり、また、積層体との同時焼成によって各々の抵抗を形成することも可能である。
グリーンシートａの下層には第１の伝送線路２００を構成するライン電極とスルーホール電極が形成されたグリーンシートｂが積層され、次に負荷容量用の電極パターン５１ａ〜５１ｃ及びスルーホール電極が形成されたグリーンシートｃ、グランド電極６２とスルーホール電極が形成されたグリーンシートｄ、グランド電極６２とスルーホール電極が形成されたグリーンシートｄ、第２の伝送線路２０１を構成する導体層からなるライン電極を形成したグリーンシートｅが順次積層される。最下層のグリーンシートｅの裏面側ｆには、ほぼ全面にグランド電極６３を形成するとともに、樹脂ベース１２に形成された接続電極３０ａ〜３０ｃと接続する電極パターン８０ａ〜８０ｃが設けられている。前記電極パターン５０ａ，５１ａ，電極パターン５０ｂ，５１ｂ、電極パターン５０ｃ，５１ｃは、グランド電極６１，６２とでそれぞれ負荷容量Ｃ１〜Ｃ３を構成する。
前記第１の抵抗Ｒｉは、スルーホールを介してグリーンシートｂに形成されたグランド電極６１と接続され、第２の抵抗Ｒｃはスルーホールを介してグリーンシートｄに形成されたグランド電極６２と接続される。このように構成し、方向性結合回路の吸収抵抗となる第２の抵抗Ｒｃを積層体内で、実装面に近い下面側に配置することで、非可逆回路、方向性結合回路のグランドを安定化している。
【００１８】
なお、本実施例においては、第１及び第２の伝送線路２００、２０１を構成するライン電極を、それぞれ略１ターン巻回されたコイル型とし、誘電体層を介して上下に１００μｍ離間し対向させて配置し、結合度を２０ｄＢとして構成している。この様なコイル結合型構造とすれば、主線路と副線路の層間距離、及び重なる部分の線路長の両者で結合度を容易に制御できるので好ましい。もちろん、積層体１１の形状に応じてライン電極を１ターン以上巻回する構造としても良い。
【００１９】
前記方向性結合回路２のインピーダンスは、伝送線路のライン幅や、そのグランド面からの距離等により決定される。また非可逆回路３のインピーダンスは組立体１０を構成する磁性体１３、中心導体１４ａ〜１４ｃ、永久磁石９の磁気特性により決定され、これらを適宜選択・調整することで所望の特性インピーダンスとなるように構成している。
方向性結合回路２や非可逆回路３の特性インピーダンスは５０Ωで設定するのが一般的であるが、従来のように方向性結合器２と非可逆回路素子３を、それぞれ別体で構成する場合にあでは、製造上のばらつき、例えば誘電体層の厚みばらつきや、伝送線路のライン幅のばらつき、磁性体材料のばらつき等々により前記特性インピーダンスもばらつくのが実際である。
このため、方向性結合器２と非可逆回路素子３を従来の様に、それぞれ単品として組み合わせると、入出力端Ｐ２においてインピーダンスの不整合を生じ、挿入損失特性が劣化してしまうが、本発明の如く、前記積層体に方向性結合回路２を構成する２つの伝送線路２００，２０１と非可逆回路３を構成する負荷容量Ｃ１〜Ｃ３を一体化すれば、非可逆回路３の特性インピーダンスを前記永久磁石９による直流磁界を調整することで、方向性結合回路３の特性インピーダンスに合わせることが可能であり、実質的にポートＰ２におけるインピーダンスの不整合を極めて小さく構成できる。また複数の誘電体層と導体層を積層した積層体に負荷容量Ｃ１〜Ｃ３と、第１、第２の伝送線路２００，２０１を積層形成するので、小形の非可逆回路モジュール２０を実現できる。
【００２０】
この様に構成された積層体１１の略中央部には、透孔１５が形成されており、前記組立体１０が収容される。中心導体１４ａの一端は積層体１１の上面に形成された負荷容量を構成する導体層である電極パターン５０ａに接続され、中心導体１４ｂは電極パターン５０ｂ，５０ｄに接続し、中心電極１４ｃの一端は積層体上面の電極パターン５０ｃに接続される。他端はガーネット１３の下面に位置する前記グランド電極を介して樹脂ベース１２のグランド電極１８（導体板）に接続される。そして樹脂ベース１２の側面には、外部ポート１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆが形成されており、この外部ポートにより非可逆回路モジュールが実装基板と接続される。このように構成して、外形寸法が４ｍｍ×４ｍｍ×１．７ｍｍの超小型の非可逆回路モジュールを作製した。
【００２１】
比較例として、図５に示す積層体１１を用いて非可逆回路モジュールを作成した。この非可逆回路モジュールでは、積層体１１において、第１の抵抗Ｒｉ、第２の抵抗Ｒｃをグリーンシートｂに形成したグランド電極６１に接続している。たの構成は実施例とほぼ同一なので、その説明を省く。
【００２２】
図７及び図８に、本発明の非可逆回路モジュールの実施例と、その比較例でのカップリング特性、ポートＰ３とポートＰ５間でのアイソレーション特性を示す。本発明の非可逆回路モジュールでは３１ｄＢ程度のアイソレーション特性が得られるが、比較例の非可逆回路モジュールは２２ｄＢ程度であり、本発明の如く構成することにより出力ポートＰ３からカップリングポートＰ５へ漏れる高周波信号を極めて少なくすることが出来ることが判る。
また、方向性は比較例では１．２ｄＢ程度しか得られないが、実施例では１２．７ｄＢ程度の方向性が得られ、挿入損失も０．５ｄＢと、比較例の０．６５ｄＢと比較し、低損失であった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によると、非可逆回路と方向性結合回路を複合一体化し、小型かつ電気的性能、特に方向性に優れた非可逆回路モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 無線通信装置の送信部の一例を示す回路ブロックである。
【図２】 本発明の非可逆回路モジュールの一実施例に係る等価回路である。
【図３】 本発明の非可逆回路モジュールの一実施例に係る分解斜視図である。
【図４】 本発明の非可逆回路モジュールの一実施例に用いる積層体の展開図である。
【図５】 比較例の非可逆回路モジュールの積層体の展開図である。
【図６】 アイソレーション特性を説明するための等価回路である。
【図７】 本発明の非可逆回路モジュールの一実施例に係る特性図である。
【図８】 比較例の非可逆回路モジュールの特性図である。
【図９】 従来の非可逆回路素子の分解斜視図である。
【符号の説明】
１ パワーアンプ
２ 方向性結合器、方向性結合回路
３ 非可逆回路素子、非可逆回路
４ ローパスフィルタ
５ アンテナ共用器
６ アンテナ
７ 金属ケース
８ 金属ケース
９ 永久磁石
１０ 組立体
１１ 積層体
１２ 樹脂ベース
１３ 磁性体
１４ａ〜１４ｃ 中心導体
１５ 凹部
２０ 非可逆回路モジュール
５０ａ〜５０ｃ 電極パターン
５１ａ〜５１ｃ 電極パターン
５２ａ〜５２ｃ 電極パターン
６０，６１ グランド電極
１００〜１０５ グリーンシート
２００ 第1の伝送線路
２０１ 第２の伝送線路

Claims (2)

1. 磁性体に直流磁界を印加する永久磁石と、一端を共通端とし他端を高周波信号の入出力端とする複数の中心導体と、前記中心導体を前記磁性体に配した組立体と、複数の誘電体層と導体層を積層した積層体に積層形成された複数の負荷容量と、該負荷容量の一つと並列接続される第１の抵抗を具備する非可逆回路と、前記中心導体の何れかに接続される第１の伝送線路と、該第１の伝送線路と電磁結合する第２の伝送線路と、当該第２の伝送線路の一端に直列に接続する第２の抵抗を具備する方向性結合回路を有し、
   前記第１及び第２の伝送線路は前記負荷容量とともに前記積層体に形成され、
   前記第１の抵抗は、前記負荷容量のグランド側電極の一部を構成する第１のグランド電極に接続され、前記第２の抵抗は前記負荷容量のグランド側電極の他の一部を構成する第２のグランド電極に接続され、前記第１のグランド電極と第２のグランド電極とは前記積層体の異なる層に配設されることを特徴とする非可逆回路モジュール。
2. 前記第１のグランド電極と前記第２のグランド電極とは、前記積層体に形成されたビアホール又は側面電極により、互いに電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路モジュール。

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