JP4269267B2 - 二中心導体型非可逆素子 - Google Patents
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Description
右図はフェライト薄板Gを取り除き中心導体を外側に展開した図である。三中心導体型でも二中心導体型でも、従来技術では、右図に示すようにフェライト薄板Gの裏面に配された面積の広い共通金属板Sに中心導体の他端が接続された構造となっている。共通金属板Sと中心導体は一体で構成されることが多い。このように従来技術では、中心導体は、フェライト薄板における一方の主面の一端から出発し他端で共通金属板Sを介して共通部GRに接続されるのが一般的であった。
例えば、図20(b)の場合、中心導体間の結合が不完全な状態で静電容量素子C1、C2を調整して、挿入損失を最適にしても、非可逆素子として逆方向損失を生じさせるために整合静電容量素子Cmと抵抗素子Rを接続すると挿入損失が著しく劣化するという現象を避けることができなかった。
この現象は、図20(c)の回路でも同様であった。すなわち、C1と抵抗素子Rのない状態で挿入損失を最適にしても、逆方向損失を得るためにC1と抵抗素子Rを付加すると挿入損失が劣化する。これは、二中心導体型非可逆素子では自由度が少ないため、二つの中心導体の結合度が小さくなった場合に、それらを補償する手段がなくなるからである。
図18(a)(b)は、従来技術の図19(b)(c)に相当して、入力端子1から電流を流した場合にどのように入力側の地導体GNDに戻ってくるかを模式的に示した電流経路図である。左図は、組み立て状態で上面から見た図、右図は中心導体、フェライト薄板を取り外し、共通部GRでの電流の流れを示す。
図18(a)では、端子1から進入した電流は、矢印で図示した様に第1中心導体L1の平行二線路を流れ、フェライト薄板Gの他端a、bに達する。この電流は共通部GRに流れるが、共通部GRそのものは広い一枚の導体(共通金属板S)であり、これは入力側の地導体GNDとつながっている。従って、電流は図に太い矢印で示すように共通部GRに幅広く分散した状態で、入力側の地導体に流れ込む。このように電流が面電流となり、第2中心導体L2と所定の角度で交差する電流成分が減少する。これが二つの中心導体L1、L2の結合度を大きく低下させている原因である。
さらに、中心導体L1と静電容量素子C1の並列共振回路を考えると、従来技術の広く分散した面電流経路は、並列共振回路の共振電流との結合も劣化させていると考えられる。このことは、図18(b)の回路でも言える。特にこの場合は、静電容量素子C2と中心導体L2による共振電流と、端子1から流れ込む電流の結合が一層弱くなる。これは、ひとえに従来技術における中心導体の共通部GRへの接続が、フェライト薄板Gの他端a、bのみで生じているためである。
本発明は、上記従来技術の状況を鑑みてなされたもので、挿入損失が小さくかつ逆方向損失大きい小型の二中心導体型非可逆素子を提供することを目的としている。
また、第1中心導体と第2中心導体の少なくとも一方の中心導体を複数に分割した導体線路とし、前記導体線路の一部が互いに連接して部分的に合体させても良い。
また、前記共通部をフェライト薄板の第2主面側に対向するように配置して、前記主面側の中心導体と前記共通部の間に20μm〜1000μmの厚みの絶縁体を設けるのが好ましい。
第1の発明において、前記第1中心導体の両端部に接続する第1の静電容量素子と第2中心導体の両端部に接続する第2の静電容量素子を有し、前記第1の静電容量素子と第2の静電容量素子とを一体の誘電構造体で構成するのが好ましい。また、前記第1中心導体の一端と前記第2中心導体の一端の間に、整合静電容量素子もしくは整合インダクタンス素子及び抵抗素子を配置し、前記整合静電容量素子、整合インダクタンス素子、抵抗素子の少なくとも一つの素子を前記誘電構造体に搭載あるいは内蔵するのも好ましい。そして前記一体の誘電構造体が積層体として構成するのがより好ましい。
従来技術では、図18に示しように、入力端子1から進入した電流が地導体GNDを通して還流する場合、中心導体の他端側から大きく広がって流れるという不都合があった。これに対して、本発明では、一つの中心導体に着目した場合、図3に示すように、第1主面に配置された中心導体はフェライト薄板Gの他端でコの字状に屈曲し、フェライト薄板Gの第2主面を経て、フェライト薄板Gの第2主面の一端に戻る構造を採用する。すなわち、中心導体で1回巻きのコイルを形成する。さらに、この中心導体の一端Luと他端Lbの間に、静電容量素子の一端電極Cuと他端電極Cbが接続されるように挿入されている。また、中心導体他端LbのCbに接しない面は共通部GRに接続されている。図の左図は上面図、中図は断面図、右図は裏面図を示す。このように、共通部GRに静電容量素子の他端電極Cbと中心導体の他端Lbが同時に接続されるのではなく、図のように重なりあい、中心導体の他端Lbが優先的に共通部に接続されるのが本発明のポイントである。
図2(a)(b)(c)は、上記の公知例との違いを明確にするために示した中心導体Lと静電容量素子Cを接続するために等価回路図である。すなわち、図2(a)の従来の考え方は、静電容量素子の他端電極Cbと中心導体の他端Lbは別々に共通部GRに接続されることを特に意識していない。しかし、このような粗い接続方法では、三中心導体型非可逆素子ならば採用できても、二中心導体型非可逆素子では満足な結果が得られない。できるだけ寄生インダクタンスを小さくするために、図2(b)のように予め、両者を接続してから、共通部につなぐということも次善の策としてあるがこれでも十分ではない。
本発明では、図2(c)のように、積極的に静電容量素子を中心導体の一端と他端の間に挿入し、寄生インダクタンスをできるだけ低下させようとする試みである。
以上のような構造にすることにより、二中心導体型非可逆素子において、挿入損失が劣化しない、かつ逆方向損失が大きいアイソレータを実現できた。
図4(a)は、本発明に用いた一つの実施例である平行二線路の中心導体展開図である。点線がフェライト薄板の他端で屈曲される部分である。この構造では、屈曲する場合、平行二線路の線路間隔を一定に保つことは難しい。これを対策する目的で、図4(b)に示す中心導体では、屈曲部に線路間隔を保つための結合部Lcが設けられている。さらに外部構造体に屈曲部分を機械的に固定するためのタブLtを設けたものが図4(c)の中心導体である。
図6は、本発明の図4(c)の中心導体を用いて組み立てたフェライト薄板Gを誘電構造体Suの中に組み込んだ図である。誘電構造体Suの上面には、静電容量素子C1、C2を形成するための一端電極C1u、C2u及びタブ電極L1t、L2tを固定するためのランドPt1、Pt2が同時に印刷されている。誘電構造体Suの裏面は、略一面に形成されたベタ電極Cbとなっており、一端電極C1u、C2uに対応する他端電極を形成している。中心導体の他端L1b、L2bがこのベタ電極に上に接続されており、この中心導体の他端Lb1、Lb2が共通部GRに優先的に接続されるようになっている。もちろん、ベタ電極部分も共通部に接続されるが、Lb1、Lb2の方が最初に共通部に接続されるようになっている。
図中ABは中心導体の屈曲部を示す。図8(a)では、入力端子1から進入した電流はフェライト薄板Gの第1主面を中心導体L1の平行二線路に沿って流れ、屈曲部ABで方向を変えフェライト薄板Gの第2主面を同じように平行二線路に沿って流れる。そしてフェライト薄板Gの一端側で共通部GRに落ちる。この共通部GRに接続された点から電流は入力側の地導体GNDに流れるが、図のようにかなり集中した状態で戻る。この図から分かるように、第1中心導体L1と第2中心導体L2の結合は、中心導体の平行二線路に沿った電流によって主に生じる。他の電流の経路が少ないので、効率よくエネルギーがL1からL2に伝播されるようになる。
図8(b)では、入力端子1から進入した電流はフェライト薄板Gの第1主面を中心導体L1の平行二線路に沿って流れ、一度フェライト薄板Gの外に出た後、第2中心導体L2に沿って再びフェライト薄板Gの第1主面を流れ、屈曲部ABで方向を変えフェライト薄板Gの第2主面を同じように平行二線路に沿って流れる。そしてフェライト薄板Gの一端側で共通部GRに落ちる。この共通部に接続された点から電流は入力側の地導体GNDに流れるが、前の図と同じようにかなり集中した状態で戻る。本図と従来技術の電流経路図18を比較して分かるように、本発明の構造の方がいかに電流が集中して流れ、L1とL2の結合が向上するかが理解できるであろう。また、図8では明確に示さなかったが、静電容量C1、C2を流れる共振電流の部分と帰還電流の部分が重なっておりほぼ等しいことである。これからも1から進入したエネルギーが効率よく中心導体L2に供給されることが分かる。
図10は、図9に関連した本発明の他の実施例である。これまでの実施例では、二つの中心導体を別々に組み立てる必要があり、その位置合わせが必要であったが、図10では、二つの中心導体が一体物として構成されている。実際には、図中の点線に沿って左側に折り曲げて使用する。当然L1、L2は重なるがその重なり部分には絶縁シートが挟まれる。このような構成にすることにより、二つの中心導体相互の位置合わせ作業を簡略化できた。
図11(b)は、本実施例に用いられた一つの中心導体の展開図である。図9(b)と同じように「く」の字形状になっているが、中心導体の中央の屈曲部Lcが角度の異なる二つの中心導体をつなぐために長くなっている。
図15は、図14の構成を用いて、二中心導体型非可逆素子を実現した、本発明の実施例の組立上面図である。二つの中心導体の中心線がほぼ直交するように配されている。
図17は、本発明の他の実施例における中心導体形状を示す。この場合は、中心導体の一端Luが細く伸びて、そのまま入出力端子1、2になり、他端Lbは位置合わせのために、対応する誘電構造体Suの一部の平面形状に合わせた形状としたものである。このような形状を採用することにより、本発明の中心導体型非可逆素子の組み立て作業性を大幅に改善できた。
Lu、Lb … 中心導体の一端と他端
Lc、Lt … 中心導体の結合部とタブ部
G … フェライト薄板
F1、F2 … 他のフェライト薄板
Su … 誘電構造体
Z … 絶縁板
D … 金属板
J … 多孔質絶縁体
Mg … 永久磁石
Y … 磁気ヨーク
GR … 共通部
GND … 地導体
C1、C2、C3 … 静電容量素子
Cm … 整合静電容量素子
Cu、Cb … 静電容量素子の一端電極と他端電極
R … 抵抗素子
1、2、3 … 入出力端子
a,b … 中心導体が共通部に接続される部分
A, B … 中心導体の屈曲部
A−A’ … 基準線
Claims (3)
- フェライト薄板と、前記フェライト薄板に巻回する第1中心導体及び第2中心導体と、前記第1中心導体及び第2中心導体が接続する共通部と、前記第1中心導体及び/又は第2中心導体と前記共通部との間に配置される静電容量素子と、前記フェライト薄板に静磁界を印加する永久磁石を有し、
前記第1中心導体と第2中心導体は、前記フェライト薄板の第1主面及び第2主面において互いに電気的に絶縁状態で交差するように巻回され、前記中心導体の両端部には、前記中心導体と並列接続される静電容量素子の端子部が接続され、前記第1中心導体と第2中心導体の交差角度が前記フェライト薄板の第1主面側と第2主面側で異なることを特徴とする二中心導体型非可逆素子。 - 前記一体の誘電構造体が積層体であることを特徴とする請求項2に記載の二中心導体型非可逆素子。
- 前記共通部が地導体に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の二中心導体型非可逆素子。
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