JP4001027B2 - 非可逆回路素子および無線装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯などの高周波帯において使用される非可逆回路素子に関し、より詳しくは準TEモード系の伝送線路を用いた非可逆回路素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
ミリ波帯、マイクロ波帯などの高周波帯で使用される、サーキュレータ、アイソレータなどの非可逆回路素子は、マイクロストリップラインを入出力ポートとして用いるものが一般に広く知られている。
【0003】
マイクロストリップラインを入出力ポートとする従来の非可逆回路素子の構成を図8に示す。誘電体からなる基板10の下面には図示しないグランド電極が形成されており、上面には3本のマイクロストリップライン14a,14b,14cが放射状に設けられている。そして、3本のマイクロストリップライン14a,14b,14cが交差する部分には略円形の共振器パターンがあり、共振器パターン上にはフェライト20aが載置されている。また、図示しない磁石によってフェライト20aの主面に直交する方向の直流磁界が印加されている。
【0004】
このような非可逆回路素子を、例えばスロットラインのような準TEモード系の伝送線路を用いている回路に接続するためには、例えば特許文献1に記載されている技術のような方法によって、スロットラインからマイクロストリップラインにλg/4線路を用いてモード変換する必要がある。
【0005】
【特許文献1】
特開平2−241102号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなモード変換を行うことによって、アイソレーションの帯域幅が挟帯域になってしまうこと、およびモード変換の際に変換損失が発生してしまうこと、の2つの問題がある。
【0007】
よって、スロットラインなどの準TEモード系の伝送線路にモード変換せずに適用できる非可逆回路素子の構成が求められている。したがって本発明は、準TEモード系インターフェースに対応した非可逆回路素子を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板の主面のうち少なくとも一方の面に放射状に形成された、準TEモードが伝播する複数本の伝送線路と、前記複数本の伝送線路の交点に形成された回転対称形状の共振器パターンと、前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【0009】
これにより、現在に至るまで実用化されていなかった、準TEモード系の伝送線路を入出力ポートとする非可逆回路素子を構成することができる。よって、準TEモード系インターフェースで構成された装置に非可逆回路素子を組み込む際であっても従来のようなモード変換が不要になり、挟帯域化や変換損失の発生といった問題点を解消することができる。
【0010】
また、本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板上に放射状に形成された複数本のスロットラインと、前記複数本のスロットラインが交差する部分において、スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【0011】
これにより、準TEモード系の伝送線路であるスロットラインを入出力ポートに用いた非可逆回路素子を構成することができる。
【0012】
また、本発明の非可逆回路素子において、前記基板の裏面には、前記フェライトと対向する位置にさらにフェライトを配置することが好ましい。
【0013】
フェライト中で、直流磁界と高周波磁界が直交することによってファラデー回転が生じ、非可逆回路素子は非可逆動作する。フェライトを基板の両面に設けることによって、高周波磁界が直流磁界と直交する部分が増加し、より良好な非可逆動作を得ることができる。
【0014】
あるいは本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板の両主面に放射状に形成された複数本の両面スロットラインと、前記複数本の両面スロットラインが交差する部分において、前記基板の両主面の両面スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、前記基板の両主面の前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【0015】
これにより、準TEモード系の伝送線路である両面スロットラインを入出力ポートとした非可逆回路素子を構成することができる。両面スロット線路は基板の両面に電磁界が発生するので、基板の両面にフェライトを設けることが好ましい。
【0016】
さらに本発明の非可逆回路素子は、前記フェライトを覆い、前記伝送線路、前記スロットラインあるいは前記両面スロットラインと前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有することが好ましい。
【0017】
このような金属カバーを設けることにより、電磁界のエネルギーがフェライトに集中し、良好な非可逆動作を得ることができる。
【0018】
また、本発明の非可逆回路素子では、共振モードとしてTE11(n+δ)モード(ただし、nは0以上の整数、δは0≦δ≦1を満たす任意の数)、具体的にはTE11δモード、TE111モード、TE112モードなどを用いることが可能である。
【0019】
さらにまた本発明の非可逆回路素子は、前記フェライトは自己バイアス型フェライトであることが好ましい。自己バイアス型フェライトを用いることによって、磁石等の直流磁界印加手段を構成する必要がなく、非可逆回路素子を小型化することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)以下において図を参照しつつ本発明の第1の実施の形態について説明する。図1は本発明の第1の実施形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図であり、図2は図1のA−A線断面を示す図である。
【0021】
基板10は非磁性体、具体的にはアルミナなどの誘電体材料からなり、上面に3本のスロットライン11a,11b,11cが放射状に形成され、3つのポート#A,#B,#Cがある。スロットライン11a,11b,11cは、準TEモード系の伝送線路である。スロットライン11a,11b,11cが交差する部分には、スロットラインを構成している導体12を回転対称形状、好ましくは略円形に開口させることによって共振器パターン13を設けている。
【0022】
共振器パターン13上には、主面、すなわち基板10との接触面の面積が共振器パターン13の面積よりも小さいフェライト20aが、スロットライン11a,11b,11cを構成している導体12と接触しないように設置されている。
【0023】
これは本発明者が鋭意研究した結果、フェライト20aが導体12に接触していると、フェライト20a内での共振が乱され、非可逆動作に悪影響を与えるという知見を得たためである。すなわち、フェライト20aが導体12と接触することにより導体12と金属キャップ30との間に電界が発生し、TMモードが発生してしまう。本発明では共振モードとしてTE11δモードなどのTEモードを使用するため、このTMモードが所望の共振モード(TEモード)が良好に発生することを妨げてしまい、非可逆回路素子の非可逆動作に悪影響を与えることがわかった。よって、フェライト20aは導体12に接触しないように設置されねばならない。
【0024】
基板10の下面、すなわちスロットライン11a,11b,11cが形成されている面と対向する面には、共振パターン13上に設置されているフェライト20aと対向する部分にさらにフェライト20bが設置されている。フェライト20a,20bは必ずしも基板10の両面に設置する必要はなく、少なくとも基板10の上面に設置されていればよいが、両面に設置したほうが良好な非可逆特性を得やすい。
【0025】
これについて図3を参照して説明する。図3(a)は両面にフェライトを設置した場合の磁界分布を示す模式断面図であり、図3(b)は上面のみにフェライトを設置した場合の磁界分布を示す模式断面図である。なお図3においては図を簡略化するため、基板10とフェライト20a,20bのみを図示し、その他の構成部分は省略している。
【0026】
非可逆特性は、図3に楕円21で示した、フェライト20a,20b内部において直流磁界H0と高周波磁界HXが直交する部分で発生し、この部分に集中する高周波磁界HXが強いほど良好な非可逆特性が得られる。図3から明らかなように、フェライト20a,20bを両面に設けた場合のほうが、直流磁界H0と直交する方向の高周波磁界HXが多くなり、良好な非可逆特性を得ることができる。
【0027】
再び図1および図2を参照して、金属カバー30はキャップ31と蓋32とからなり、フェライト20a,20bを覆って共振空間を形成している。キャップ31と蓋32とはそれぞれフェライト20a,20bの主面に密着して、フェライト20a,20bに磁界が集中するようになっている。また、金属カバー30はスロットライン11a,11b,11cと共振器パターン13との結合部分に開口部を有する。この開口部の大きさは、スロットライン11a,11b,11cの伝播モードに悪影響を及ぼさないような大きさに適宜調整されている。本実施例では基板に貫通孔14を設けてキャップ31と蓋32とを接合し、フェライト20a,20bを取り囲むように金属カバー30を設けているが、金属カバー30の形状はこのようなものに限られず、フェライト20a,20bに磁界を集中させる効果のある形状であれば特に限定されない。
【0028】
金属カバー30の上下に設けられた磁石40a,40bは、フェライト20a,20bに直流磁界を印加するために設けられているが、必ずしも上下両方に設ける必要はなく、どちらか片方であってもよい。磁石40a,40bの形状も特に限定されない。
【0029】
ヨーク50a,50bは磁石40a,40bによって発生する直流磁界をフェライト20a,20b側に集中させるために設けられている。ここではヨーク50a,50bは平板状であるが、磁石40a,40bやフェライト20a,20bを包み込むような形状とされていてもよい。その場合、形状が複雑化してしまうが、磁気回路の効率は向上する。
【0030】
本実施例では、金属カバー30によって形成される共振空間内でフェライト20a,20bがTE11δモードで共振するように、共振器パターン13やフェライト20a,20bの直径などの寸法を設計する。共振モードはTE111モードやTE112モードとなるように設計されていてもよい。
【0031】
ここで、図1を参照して本発明の非可逆回路素子の動作について説明する。ポート#Aに入射した電磁波の磁界は、フェライト20a,20bを通過する際に磁石40a,40bによって印加される直流磁界のために偏波面が回転する。これは、直線偏波を正負回転磁界に分解するとそれぞれの透磁率の違いによって伝播定数が異なりファラデー回転が発生することによる。偏波面が回転することにより、ポート#Bには信号が生じるが、ポート#Cには信号が生じない。ポート#A,#B,#Cは回転対称の関係にあるから、上記と同様にポート#Bに入射した信号はポート#Cに生じ、ポート#Aには生じない。また、ポート#Cに入射した信号はポート#Aに生じ、ポート#Bには生じない。
【0032】
すなわち、この非可逆回路素子はサーキュレータとして動作している。また、ポート#A,#B,#Cのうちのいずれかを終端抵抗に接続すればこの非可逆回路素子はアイソレータとして動作する。
【0033】
本実施例の変形例として、伝送線路は両面スロットラインとしてもよい。図4において模式的に示した磁力線Hおよび電気力線Eからわかるように、スロットライン(図4(a))では電界は主として基板10の一方の主面付近に分布しているのに対し、両面スロットライン(図4(b))では電界は基板10の両主面付近に分布する。そのため、伝送線路をスロットラインとした場合には上述したようにフェライト20a,20bは必ずしも基板10の両面に配置する必要はないが、伝送線路を両面スロットラインとした場合には、フェライト20a,20bを基板10の両面に配置する必要がある。
【0034】
(実施の形態2)次に本発明の第2の実施の形態について説明する。図5は本発明の第2の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図であり、図6は図5のA−A線断面図である。図5、図6においては、図1、図2と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【0035】
図5、図6において、基板10の上面には第1の実施形態と同様にスロットライン11a,11b,11cおよび共振器13パターンが形成されている。そして、共振器パターン13上には自己バイアス型フェライト22aが載置されている。また、基板の裏面にも自己バイアス型フェライト22bが載置されている。
【0036】
自己バイアス型フェライト22a,22bを用いることにより、外部から直流磁界を印加するための磁石を用いる必要がなく、非可逆回路素子の小型化を図ることができる。
【0037】
ただし、自己バイアス型フェライト22a,22bを用いた場合でも、磁石などによって外部磁界を印加することもありうる。その場合であっても、自己バイアス型ではないフェライトを用いるよりは外部磁界が弱くてよいので、磁石を小型化する効果がある。
【0038】
(実施の形態3)次に、本発明に係る無線装置について説明する。図7は本発明の無線装置の一例を示すブロック図である。
【0039】
電圧制御発振器VCOは変調信号に応じたミリ波を発振する。アイソレータISOは、電圧制御発振器VCOの出力信号を方向性結合器CPLに伝送すると共に、電圧制御発振器VCO方面に反射波が戻ることを防ぐ。方向性結合器CPLは、アイソレータISOからの信号をサーキュレータCIR方面へ伝送すると共に、その一部をローカル信号として取り出し、ミキサMIXへ伝送する。サーキュレータCIRは、送信信号をアンテナANT方面へ伝搬させるとともに、アンテナANTからの受信信号をミキサMIX方面へ伝搬させる。ミキサMIXは、受信信号とローカル信号をミキシングして、そのビート信号を中間周波数IFとして出力する。
【0040】
本発明の非可逆回路素子をアイソレータISOおよびサーキュレータCIRとして用いることにより、このような無線装置をスロットラインや両面スロットラインのような準TEモード系インターフェースで構成した場合に、アイソレータISOやサーキュレータCIRとの接続部分でのモード変換が不要になり、モード変換に伴う挟帯域化や変換損失の発生を防ぐことができる。
【0041】
本発明の無線装置は、例えば携帯電話などの無線通信装置や、レーダなどとして使用することが可能である。
【0042】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、スロットラインや両面スロットラインなどの準TEモード系伝送線路を用いた非可逆回路素子を構成することができる。これにより、準TEモード系インターフェースの回路に非可逆回路素子を組み込む際にも、準TEモードからTMモードへのモード変換を行う必要が無く、モード変換に伴う挟帯域化や変換損失の発生といった問題を解決できるという効果を奏する。このとき、基板の両面にフェライトを具備することにより、準TEモード系の伝送線路を用いた非可逆回路素子において良好な非可逆動作を得ることができる。また、自己バイアス型フェライトを用いれば非可逆回路素子を小型化できる。
【0043】
さらに本発明の無線装置によれば、準TEモード系のインターフェースを用いた無線装置にサーキュレータやアイソレータなどの非可逆回路素子を、モード変換を行うことなく構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す断面図である。
【図3】本発明の非可逆回路素子において、フェライト内の磁界を示す模式図である。
【図4】スロットラインおよび両面スロットラインの電磁界の分布を示す模式図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す断面図である。
【図7】本発明に係る無線装置を示すブロック図である。
【図8】従来の非可逆回路素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
10 基板
11a,11b,11c スロットライン
12 導体
13 共振器パターン
14a,14b,14c マイクロストリップライン
20a,20b フェライト
22a,22b 自己バイアス型フェライト
30 金属カバー
31 キャップ
32 蓋
40a,40b 磁石
50a,50b ヨーク
Claims (7)
- 非磁性体からなる基板と、
前記基板の主面のうち少なくとも一方の面に放射状に形成された、準TEモードが伝播する複数本の伝送線路と、
前記複数本の伝送線路の交点に形成された回転対称形状の共振器パターンと、
前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備え、
前記フェライトを覆い、前記伝送線路と前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有することを特徴とする非可逆回路素子。 - 非磁性体からなる基板と、
前記基板上に放射状に形成された複数本のスロットラインと、
前記複数本のスロットラインが交差する部分において、スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、
前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備え、
前記フェライトを覆い、前記スロットラインと前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有することを特徴とする非可逆回路素子。 - 請求項1あるいは2のいずれかに記載の非可逆回路素子において、
前記基板の裏面には、前記フェライトと対向する位置にさらにフェライトを配置することを特徴とする非可逆回路素子。 - 非磁性体からなる基板と、
前記基板の両主面に放射状に形成された複数本の両面スロットラインと、
前記複数本の両面スロットラインが交差する部分において、前記基板の両主面の両面スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、
前記基板の両主面の前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備え、
前記フェライトを覆い、前記両面スロットラインと前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有することを特徴とする非可逆回路素子。 - 共振モードがTE11(n+δ)(ただし、nは0以上の整数、δは0≦δ≦1を満たす任意の数)であることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の非可逆回路素子。
- 前記フェライトは自己バイアス型フェライトであることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の非可逆回路素子。
- 請求項1ないし6のいずれかに記載の非可逆回路素子を用いることを特徴とする無線装置。
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