JP3959797B2

JP3959797B2 - 集中定数型サーキュレータ

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Publication number: JP3959797B2
Application number: JP26921197A
Authority: JP
Inventors: 良弘小西; 太郎三浦; 明宇佐美; 義文三須
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH1197907A; EP0903802A2; DE69811027D1; EP0903802A3; DE69811027T2; EP0903802B1; US6236285B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として携帯電話機の高周波回路素子として使用される集中定数型サーキュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
サーキュレータは高周波回路に非可逆性を与えて回路内の反射波を吸収させることにより定在波の発生を除去する素子であり、高周波回路の動作を安定化させるのに寄与する。このため、最近の携帯電話機においては、このような非可逆素子を設けて定在波発生を防止することが行われている。
【０００３】
近年、携帯電話機の使用効率を向上させるため、複数の周波数帯域で動作する電話機（マルチバンド電話機）への需要が増加している。しかしながら、従来のサーキュレータでは、１つの素子が取り扱える周波数領域は単一であり、複数の周波数帯域で動作させるためには、（イ）インピーダンス整合器によって周波数帯域を拡張する、（ロ）複数のサーキュレータをフィルタ等と組み合わせて別々に動作させる等の方法を取らねばならなかった。
【０００４】
インピーダンス整合器による周波数帯域の広帯域化では拡張範囲が小さく、中心周波数の３０％程度の広帯域化しか図れないため、動作周波数が２倍程度異なる現在のデュアルバンド電話機には利用できない。
【０００５】
また、動作周波数領域が異なる複数のサーキュレータを並列接続して、フィルタ等で動作周波数を切り替える方法では、形態が大きくなるだけでなく、サーキュレータの帯域外におけるインピーダンス特性がお互いに干渉し合って特性が不安定になってしまう。
【０００６】
従って、本発明は従来技術の上述の問題点を解消するものであり、単一のサーキュレータで複数の周波数帯域において定在波抑制を行うことができる集中定数型サーキュレータを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、磁気回転素子と、磁気回転子の各信号端子と接地端子との間に接続された複数の共振点を有する直並列共振回路とを備えており、この直並列共振回路が容量Ｃ_０の共振容量と互いに直列接続したインダクタンスＬ_１の共振コイル及び容量Ｃ_１の共振容量との並列回路を含んでいると共に、ω_Ｓ及びω_Ｐを直列共振及び並列共振の角周波数とするとアドミッタンスｙが
【数２】

であり、直並列共振回路の共振点の数に対応した数の通過周波数帯域を有しており、これら通過周波数帯域においてはサーキュレータとして動作する集中定数型サーキュレータが提供される。
【０００８】
本発明の集中定数型サーキュレータにおいては、正相回転及び逆相回転固有ベクトルにより励振されたサーキュレータ素子の固有値の差が周波数と関係なく１２０°（３端子サーキュレータ）であることに着目し、複数の必要周波数帯域においてサーキュレータ成立条件を満たすような周波数特性を示す回路素子を接続して複数の帯域で動作させるものである。この動作は、集中定数型サーキュレータの磁気回転素子の各信号端子と接地端子との間に複数の共振点を有する上述の構成の直並列共振回路を共振容量として挿入することによって実現される。
【０００９】
直並列共振回路が、並列共振点及び直列共振点の少なくとも１つの対を有する直並列共振回路であることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、さらに、この直並列共振回路の並列共振点及び直列共振点の対の数に１を加えた数の通過周波数帯域を有しており、これら通過周波数帯域においてはサーキュレータとして動作する集中定数型サーキュレータが提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態としてデュアルバンド集中定数型サーキュレータの構造を概略的に示す分解斜視図である。
【００１３】
同図において、１０及び１１は３つの互いに絶縁された駆動線路１２_１、１２_２及び１２_３を挟んで一体化されている磁性体板、１３及び１４は磁性体板１０及び１１の外側表面にそれぞれ形成されたシールド電極、１５は接地電極、１６_１及び１７_１、並びに１６ _３及び１７ _３は共振容量、１８_１及び１８ _３は共振コイルをそれぞれ示している。駆動線路１２_１、１２_２及び１２_３は、それぞれの信号端子に３つのインダクタが互いに１２０°の角度を保って３回対称形状となるように編み込まれている。
【００１４】
共振容量１７_１及び共振コイル１８_１は直列共振回路を構成しており、この直列共振回路と共振容量１６_１とが駆動線路１２_１の信号端子と接地電極１５との間に並列に接続されている。同じく、共振容量１７ _３及び共振コイル１８ _３は直列共振回路を構成しており、この直列共振回路と共振容量１６ _３とが駆動線路１２ _３の信号端子と接地電極１５との間に並列に接続されている。なお、同図には隠れているため示されていないが、駆動線路１２ _２の信号端子と接地電極１５との間にも共振容量１７ _２及び共振コイル１８ _２からなる直列共振回路と共振容量１６ _２（図２参照）とが並列に接続されている。さらに、図示が省略されているが、磁性体板１０及び１１の上下には、励磁用磁石がそれぞれ設けられている。
【００１５】
図２は、図１の集中定数型サーキュレータの等価回路図である。
【００１６】
同図からも明らかのように図１の集中定数型サーキュレータは、理想サーキュレータ（０から無限大の周波数範囲においてサーキュレータとして動作する仮想的回路素子）２０の各信号端子２１_１、２１_２及び２１_３と接地電極１５との間に、共振容量１６_１（Ｃ_０）、共振容量１７_１（Ｃ_１）、共振コイル１８_１（Ｌ_１）及びインダクタＬからなる直並列共振回路、共振容量１６_２（Ｃ_０）、共振容量１７_２（Ｃ_１）、共振コイル１８_２（Ｌ_１）及びインダクタＬからなる直並列共振回路、並びに共振容量１６_３（Ｃ_０）、共振容量１７_３（Ｃ_１）、共振コイル１８_３（Ｌ_１）及びインダクタＬからなる直並列共振回路をそれぞれ接続した等価回路で表すことができる。ただし、同図のインダクタＬと理想サーキュレータ２０とを含めた回路は、集中定数型サーキュレータ磁気回転素子の中央部に設けられた網状の駆動線路１２_１、１２_２及び１２_３の部分の非可逆インダクタンスを表わしている。
【００１７】
本実施形態の集中定数型サーキュレータのように、磁気回転素子の各信号端子２１_１、２１_２及び２１_３と接地電極１５との間に、容量に代えて、必要な周波数において必要な実効容量を示す共振回路を接続することによって、複数の周波数帯域においてサーキュレータ動作を示す素子が構成できることを、以下詳細に説明する。
【００１８】
図３は、従来の集中定数型サーキュレータの等価回路を示している。同図に示すごとく、従来の集中定数型サーキュレータは、理想サーキュレータ（０から無限大の周波数範囲においてサーキュレータとして動作する仮想的回路素子）３０の各信号端子３１_１、３１_２及び３１_３に、中心周波数ｆ_０の並列共振回路３２_１、３２_２及び３２_３をそれぞれ接続した等価回路で表わすことができる。ただし、並列共振回路３２_１、３２_２及び３２_３のインダクタＬと理想サーキュレータとを含めた回路は、集中定数型サーキュレータの磁気回転素子の中央部に設けられた網状の駆動線路部分の非可逆インダクタンスを示している。
【００１９】
図４の（Ａ）及び（Ｂ）はこのような集中定数型サーキュレータのインダクタ部分の構造を示しており、図５は磁気回転子部分の構成を示しており、さらに図６は図５の磁気回転子に共振容量を接続した従来の集中定数型サーキュレータの構造を示している。これらの図から明らかのように、従来の集中定数型サーキュレータにおける磁気回転子部分の構成は、本実施形態の場合と同様である。即ち、磁性体板４０及び４１が３つの互いに絶縁された駆動線路４２_１、４２_２及び４２_３を挟んで一体化されており、これら磁性体板４０及び４１の外側表面にシールド電極４３及び４４がそれぞれ形成されている。駆動線路４２_１、４２_２及び４２_３は、それぞれの信号端子に３つのインダクタが互いに１２０°の角度を保って３回対称形状となるように編み込まれている。駆動線路４２_１、４２_２及び４２_３の各信号端子３１_１、３１_２及び３１_３と接地電極４５との間には、共振容量４６_１、４６_２及び４６_３がそれぞれ接続されている。また、磁性体板４０及び４１の上下には、励磁用磁石４７及び４８がそれぞれ設けられている。
【００２０】
図４の（Ａ）には、一つの信号端子（例えば信号端子３１_１）が接続されているインダクタ（駆動線路４２_１）の断面と磁界が発生している様子とが示されている。このインダクタンスをＬとするとき、他の２つのインダクタ（駆動線路４２_２及び４２_３）を流れる電流によって生ずる磁束４９は、信号端子３１_１に接続されているインダクタ（駆動線路４２_１）をよぎるため、その影響を考慮して信号端子３１_１のインダクタンスを求めなければならない。
【００２１】
いま、ｎ開孔回路の各信号端子に特別な組み合わせの進行波を加えることによって、各信号端子の反射係数を等しくすることができる。この条件を満たす進行波を書き並べて得られるベクトルを固有ベクトルと呼び、反射係数を固有値と呼ぶ。そして、ｎ開孔回路ではｎ個の固有ベクトルと、これに対応したｎ個の固有値とが存在する。従って、３端子サーキュレータでは、３つの固有ベクトルｕ_１、ｕ_２及びｕ_３と、それに対応する３つの固有値ｓ_１、ｓ_２及びｓ_３とが存在する。そして、これらの固有ベクトルは、次に示す値でなければならない。
【００２２】
【数３】

【００２３】
これらの反射係数に対して、当然にアドミッタンスｙ_１、ｙ_２及びｙ_３が存在し、Ｙ_ｃを端子アドミッタンスとすると、これらの値は、次式で与えられる。
【００２４】
【数４】

【００２５】
いま、図３〜図６に示す従来の集中定数型サーキュレータの信号端子３１_１に加えた電流ｊ_１によって発生する磁界Ｈ_１が、図４の（Ｂ）の点線矢印４９に示すようであるとしたとき、信号端子３１_２及び３１_３に流れる電流ｊ_２及びｊ_３に対する磁界Ｈ_２及びＨ_３は、Ｈ_１を基準にして表わすと、図７に示すようになる。これから分かるように、磁界Ｈ_２及びＨ_３の磁界Ｈ_１方向の成分は、
【００２６】
【数５】

【００２７】
となるから、これをＨ_１に加えると、
【００２８】
【数６】

【００２９】
となる。ここで、固有ベクトルｕ_１、ｕ_２及びｕ_３に対する磁界をＨ^１、Ｈ^２及びＨ^３とすると、
【００３０】
【数７】

【００３１】
となり、固有ベクトルｕ_１、ｕ_２及びｕ_３に対する信号端子のインダクタンスＬ_１、Ｌ_２及びＬ_３は、それぞれ、
【００３２】
【数８】

【００３３】
となる。この結果を用いると、固有ベクトルｕ_１、ｕ_２及びｕ_３に対するフェライトの装荷アドミッタンスｙ_Ｌ１、ｙ_Ｌ２及びｙ_Ｌ３は、
【００３４】
【数９】

【００３５】
となる。ここでμ_＋及びμ₋は、外部印加直流磁界に対して正方向及び逆方向に回転する高周波磁界に対する透磁率を表わし、固有ベクトルｕ_２及びｕ_３が発生する磁界がそれぞれ正方向及び逆方向の回転磁界となることから導かれた結果である。さて、μ_＋及びμ₋は、ポルダーの式より、
【００３６】
【数１０】

【００３７】
で与えられる。ただし、４πＭ_Ｓはフェライトの飽和磁化、Ｈ_１はフェライトの内部磁界、γは磁気回転比となるから、この関係を使って（１／μ_＋）−（１／μ₋）の値を求めると、
【００３８】
【数１１】

【００３９】
となるが、集中定数型サーキュレータのように強磁性共鳴磁界より大きな磁界で使用する場合（アバブレゾナンス動作）には、（σ＋Ｐ）^２＞＞１の関係があるから、この関係を代入して、
【００４０】
【数１２】

【００４１】
と近似できる。この結果を使って（１／ｊωξμ_＋）−（１／ｊωξμ₋）の値を求めると、
【００４２】
【数１３】

【００４３】
となり、ｊ（ｙ_Ｌ２−ｙ_Ｌ３）の値は周波数に関係しない。この結果は、固有ベクトルｕ_２及びｕ_３で駆動されたサーキュレータにおいて、固有値ｓ_２と固有値ｓ_３との差が周波数に依存しないことを示している。集中定数型サーキュレータにおいて、固有ベクトルｕ_１に対するインダクタンスは（６）式より０である。従って、固有値ｓ_１もスミス図表上右端の点（１，０）にあって周波数に依存しない。固有値ｓ_２と固有値ｓ_３との差がスミス図表上で１２０°になるように印加磁界を調整してから、各信号端子に容量を付加して固有値ｓ_２及びｓ_３を移動させ、固有値ｓ_１に対する固有値ｓ_２及びｓ_３の角度を１２０°になるように調整できれば、その周波数において完全なサーキュレータとなる（図８参照）。
【００４４】
集中定数型サーキュレータ素子がサーキュレータが成立する条件を満たすには、（７）式の固有値ｓ_１に関する条件から、（１）式を参照して、他の固有値が次の条件を満たさねばならない。
【００４５】
【数１４】

【００４６】
この条件を満たす固有アドミッタンスは、（１）式により次のように考えられる。
【００４７】
【数１５】

【００４８】
この結果より、
【００４９】
【数１６】

【００５０】
でなければならないから、（１４）式を（１１）式に代入して、
【００５１】
【数１７】

【００５２】
となる。サーキュレータは（１３）式より、ｙ_２＋ｙ_３＝０でなければならない。この操作は、サーキュレータの磁気回転素子に容量Ｃを並列に付加して、図９に示すように、スミス図表上のアドミッタンスを（１４）式の関係を保ったままｙ_Ｌ２→ｙ_２、ｙ_Ｌ３→ｙ_３のように移動させてサーキュレータ成立条件を満たさせるものであるから、（ｙ_３＋ｙ_２）／２＝ωＣでなければならない。この条件は（８）式及びアバブレゾナンス動作条件σ^２、σＰ＞＞１を使って次のように求められる。
【００５３】
【数１８】

【００５４】
この結果より共振容量Ｃは、
【００５５】
【数１９】

【００５６】
となり、ω^２に逆比例したこのような容量を接続すればサーキュレータとなる。このことは、容量の代わりに必要な周波数において必要な実効容量を示す回路を磁気回転素子の信号端子に接続すれば、複数の周波数帯域においてサーキュレータ動作を示す素子が構成できることを示している。
【００５７】
いま、周波数ｆ_１において容量Ｃでサーキュレータが実現したとする。この素子を他の周波数ｆ_２においてもサーキュレータとするには、周波数ｆ_１における容量がＣで周波数ｆ_２における容量が（ｆ_１／ｆ_２）^２Ｃとなるような素子を接続すればよい。直並列共振回路のうち、図１０に示した回路は共振周波数の下側と上側とで容量性となり、動作周波数が直並列共振周波数の上下に設定できれば、複数周波数動作のサーキュレータとして目的に合致する。この回路のアドミッタンスは、
【００５８】
【数２０】

【００５９】
であり、図１１のようなアドミッタンス周波数特性を示す。いま、直列共振と並列共振の角周波数をそれぞれω_Ｓ、ω_Ｐとすれば、（１８）式は次のように書き換えられる。
【００６０】
【数２１】

【００６１】
いま、ｆ_２＝２ｆ_１の場合を考える。このときの必要容量はＣ／４であるから、ｆ_１及びｆ_２におけるアドミッタンスは、それぞれω_１Ｃ及びω_２Ｃ＝ω_１Ｃ／２となる。この条件を（１９）式に代入すると、
【００６２】
【数２２】

【００６３】
となる。この式群では未知数の数が式の数より多いので、幾つかの定数は任意に決定できる。ここでは、ω_１に対するω_Ｓ及びω_Ｐを次のように決めると、
【００６４】
【数２３】

【００６５】
となる。さきに決めた動作周波数の関係から、１＜ｘ＜２、１＜ｙ＜２であり、図１１より明らかなように、ｘが１に接近しても、またｙが２接近しても解は不安定になる。ｘを適当な値に設定してからｙを決定すれば、（２０）式よりＣ_０、Ｃ_１及びＬ_１が次のように決定できる。
【００６６】
【数２４】

【００６７】
次に、本実施形態のデュアルバンド集中定数型サーキュレータについて、実際に設計し、製造した例について示す。いま、４πＭ_３：４００Ｇａｕｓｓ、ｆ_１：３００Ｍｈｚ、σ＝３．５、Ｚ_Ｃ＝５０Ωとすると、
【００６８】
【数２５】

【００６９】
が得られる。この条件を満足する磁気回転素子を製作して、３００ＭＨｚ及び６００ＭＨｚのオクターブ周波数で動作するサーキュレータを設計した。磁気回転素子の共振容量として通常の容量に置換させる回路素子の定数は、（２２）式を参照して次のように決定された。
【００７０】
【数２６】

【００７１】
この定数を用いて製作したサーキュレータの特性を図１２に示す。同図から明らかなように、得られた特性は設計値と非常に良く一致している。
【００７２】
以上説明した実施形態は、動作周波数帯域が２つの場合であるが、共振点が複数ある２端子共振回路では、容量性の領域が共振点対の数に１を加えた数だけ設定できることが知られているので、前述の方法を拡張すれば、任意の周波数で複数の動作領域を有するサーキュレータが構成できることは自明である。
【００７３】
図１３は、本発明の他の実施形態における共振回路を示す回路図である。同図に示すように、この直並列共振回路は、共振コイル１３１（Ｌ_１）及び共振容量１３２（Ｃ_１）の直列共振回路に共振容量１３３（Ｃ_０）が並列接続されており、さらにこれに、共振コイル１３４（Ｌ_２）が直列接続されており、その両端に共振容量１３５（Ｃ_２）が並列接続されている。この２端子直並列共振回路も前述の実施形態の場合と同様に、各信号端子と接地端子との間に接続される。この直並列共振回路には、直列共振点及び並列共振点が２対あり、従って、動作領域数が３つの場合に使用する。
【００７４】
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。
【００７５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、磁気回転素子と、磁気回転子の各信号端子と接地端子との間に接続された複数の共振点を有する直並列共振回路とを備えており、この直並列共振回路が容量Ｃ _０の共振容量と互いに直列接続したインダクタンスＬ _１の共振コイル及び容量Ｃ _１の共振容量との並列回路を含んでいると共に、ω _Ｓ及びω _Ｐを直列共振及び並列共振の角周波数とするとアドミッタンスｙが
【数２７】

であり、直並列共振回路の共振点の数に対応した数のサーキュレータ動作周波数領域を有しているため、単一のサーキュレータで複数の周波数帯域において定在波抑制を行うことができる。即ち、サーキュレータは、高周波回路における定在波を抑制し、回路の動作を安定化させる素子であるが、デュアルバンド電話機のように複数の周波数帯域で動作する電話機の高周波回路において本発明のサーキュレータを使用すれば、単一のサーキュレータで任意の複数帯域における定在波抑制が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としてデュアルバンド集中定数型サーキュレータの構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図２】図１の集中定数型サーキュレータの等価回路図である。
【図３】従来の集中定数型サーキュレータの等価回路図である。
【図４】集中定数型サーキュレータのインダクタ部分の構造を示す図である。
【図５】集中定数型サーキュレータの磁気回転子部分の構造を表わす分解斜視図である。
【図６】図５の集中定数型サーキュレータに共振容量を接続した状態を表わす分解斜視図である。
【図７】各信号端子に電流が流れたときの磁界強度を説明する図である。
【図８】容量によりサーキュレータ条件を満たすように固有値の移動させた場合のスミス図表である。
【図９】ｙ_３−ｙ_２が周波数と関係なく変化することを示したスミス図表である。
【図１０】図１の実施形態における集中定数型サーキュレータに付加する共振回路の回路図である。
【図１１】図１０の共振回路のアドミッタンス周波数特性図である。
【図１２】実際に設計し、製造したデュアルバンド集中定数型サーキュレータの伝送特性図である。
【図１３】本発明の他の実施形態における集中定数型サーキュレータに付加する共振回路の回路図である。
【符号の説明】
１０、１１、４０、４１磁性体板
１２_１、１２_２、１２_３、４２_１、４２_２、４２_３駆動線路
１３、１４、４３、４４シールド電極
１５、４５接地電極
１６_１、１６_２、１６_３、１７_１、１７_２、１７_３、４６_１、４６_２、４６_３、１３２、１３３、１３５共振容量
１８_１、１８_２、１８_３、１３１、１３４共振コイル
２０、３０理想サーキュレータ
２１_１、２１_２、２１_３、３１_１、３１_２、３１_３信号端子
３２_１、３２_２、３２_３並列共振回路
４７、４８励磁用磁石

Claims

磁気回転素子と、該磁気回転子の各信号端子と接地端子との間に接続された複数の共振点を有する直並列共振回路とを備えており、該直並列共振回路が、容量Ｃ_０の共振容量と互いに直列接続したインダクタンスＬ_１の共振コイル及び容量Ｃ_１の共振容量との並列回路を含んでいると共に、ω_Ｓ及びω_Ｐを直列共振及び並列共振の角周波数とするとアドミッタンスｙが

であり、該直並列共振回路の共振点の数に対応した数の通過周波数帯域を有しており、該通過周波数帯域においてはサーキュレータとして動作することを特徴とする集中定数型サーキュレータ。
前記直並列共振回路が、並列共振点及び直列共振点の少なくとも１つの対を有する直並列共振回路であることを特徴とする請求項１に記載のサーキュレータ。
前記直並列共振回路の並列共振点及び直列共振点の対の数に１を加えた数の通過周波数帯域を有しており、該通過周波数帯域においてはサーキュレータとして動作することを特徴とする請求項１又は２に記載のサーキュレータ。