JP4438228B2

JP4438228B2 - アイソレータおよび通信装置

Info

Publication number: JP4438228B2
Application number: JP2001005180A
Authority: JP
Inventors: 俊仁梅垣
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: JP2002217608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波帯などで使用されるアイソレータおよびこれを備えた通信装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアイソレータについて、図９を参照して、説明する。
図９の（Ａ）は従来のアイソレータの平面断面図であり、図９の（Ｂ）はその等価回路図である。
【０００３】
図９において、１はフェライト、２ａ，２ｂ，２ｃはそれぞれ中心導体の終端側、入力側、および出力側ポート、３はケース、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３はコンデンサ、Ｒは抵抗である。Ｈはフェライトに印加される磁界の向きを表している。
【０００４】
中心導体の各ポート２ａ〜２ｃはフェライト１に交差させて配置している。この中心導体の各ポート２ａ〜２ｃからなる中心導体とフェライト１とによってフェライト組立体を構成している。フェライト組立体と、このフェライト組立体に静磁界を印加する永久磁石およびその他の部品は筐体３内に配置している。筐体３内において、コンデンサＣ１および抵抗Ｒは中心導体の終端側ポート２ａの一端に接続している。また、コンデンサＣ２，Ｃ３は中心導体入力側および出力側ポート２ｂ，２ｃにそれぞれ接続している。中心導体の各ポート２ａ〜２ｃ、コンデンサＣ１〜Ｃ３、および抵抗Ｒは、筐体３に設けられている接地電極６を介して接地している。中心導体の入力側ポート２ｂの一端は入力端子４に接続していて、コンデンサＣ２とともに入力側ポート１０４を構成している。また、中心導体の出力側ポート２ｃの一端は出力端子５に接続していて、コンデンサＣ３とともに出力側ポート１０５を構成している。さらに、中心導体の終端側ポート２ａ、コンデンサＣ１および抵抗Ｒにより終端側ポート１００を構成している。
【０００５】
この状態で、入力端子４より入射した電磁波は、出力端子５に出力されるが、出力端子５より入射した電磁波は、終端側ポート１００の抵抗Ｒで吸収され、入力端子４へは出力されず、アイソレータとして機能する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来のアイソレータには、次に述べる解決すべき課題があった。
【０００７】
通信装置は、その小型化、低損失化および高性能化が課題となっている。このため、通信装置を構成する部品についても同様であり、アイソレータについても、小型化、低損失化および高性能化が課題となっている。
【０００８】
アイソレータ等の非可逆回路素子においては、所望の優れた特性を得ようとする場合、フェライトの最小外形には限界があるため、フェライト以外の構成部品の小型化、部品点数の削減および筐体内の部品配置方法等により小型化を図ることとなる。また、各中心導体のポートにおける損失も最小限に抑える必要がある。
【０００９】
ところが、従来のアイソレータでは、フェライト１を所定の大きさに維持しながら筐体３を最小にしようとしても、他の構成部品を配置するスペースを確保しなければならず、筐体３内のスペース活用に制限がある。
【００１０】
この発明の目的は、低損失で構造が簡素な、小型のアイソレータを構成することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、フェライトに複数の中心導体を交差させて配置してなる磁性組立体と、該磁性組立体に静磁界を印加する永久磁石と、中心導体の各ポートに接続した整合回路とを有し、中心導体の一つのポートの電気抵抗値を、他の中心導体のポートの電気抵抗値より高くしてアイソレータを構成する。
【００１２】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートを終端抵抗として利用してアイソレータを構成する。
【００１４】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートの材料を、他の中心導体のポートの材料と異ならせてアイソレータを構成する。
【００１５】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートに高抵抗率の材料を用いてアイソレータを構成する。
【００１６】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートを、中心導体の母材上に金属膜をメッキしてアイソレータを構成する。
【００１７】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートを、中心導体の母材上に部分的に金属膜をメッキしてアイソレータを構成する。
【００１８】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートを非直線形状で形成してアイソレータを構成する。
【００１９】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートの抵抗値を０．４〜１０Ωとしてアイソレータを構成する。
【００２０】
また、この発明は、前記アイソレータを備えて通信装置を構成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係るアイソレータの構成を、図１を参照して説明する。
【００２２】
図１の（Ａ）はアイソレータの平面断面図、図１の（Ｂ）はその等価回路図である。
図１において、１はフェライト、２ａは中心導体の終端側ポート、２ｂは中心導体の入力側ポート、２ｃは中心導体の出力側ポート、３は筐体、４は入力端子、５は出力端子、６は接地電極、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサである。Ｈはフェライト１に印加される磁界の向きを表している。また、中心導体の各ポート２ａ〜２ｃに対応して、１００はアイソレータの終端側ポート、１０４はアイソレータの入力側ポート、１０５はアイソレータの出力側ポートである。
【００２３】
筐体３には入力端子４、出力端子５および接地電極６を配しており、アイソレータの入力側ポート１０４および出力側ポート１０５は、入力端子４および出力端子５と中心導体の入力側ポート２ｂおよび出力側ポート２ｃとの間に並列にコンデンサＣ２，Ｃ３を接続し、各コンデンサＣ２，Ｃ３の一端を接地電極６に接続して構成している。
【００２４】
また、アイソレータの終端側ポート１００は、中心導体の入力側ポート２ａにコンデンサＣ１を直列に挿入し、コンデンサＣ１の一端を接地電極６に接続して構成している。ここで、中心導体の入力側ポート２ａは、中心導体の他の各ポート２ｂ、２ｃより高い電気抵抗を有するように構成している。
【００２５】
このように、中心導体の入力側ポート２ａを中心導体の他の各ポート２ｂ，２ｃより高抵抗にする方法について、図２を参照して説明する。
【００２６】
図２の（Ａ）〜（Ｃ）は、中心導体を展開した状態での平面図であり、それぞれ異なる方法で構成している。
【００２７】
図２において、２は中心導体、２ａは中心導体の終端側ポート、２ｂは中心導体の入力側ポート、２ｃは中心導体の出力側ポートである。
【００２８】
図２の（Ａ）に示すように、中心導体の終端側ポート２ａはＮｉで形成されており、Ｃｕで形成された中心導体２の他の部位とは離間されている。この形状の中心導体２をフェライトに配置することにより、磁性組立体は構成される。
【００２９】
また、図２の（Ｂ）に示すように、中心導体の終端側ポート２ａとしてＮｉまたは、母材のＣｕにＮｉメッキを施したものを用いている。中心導体２の他の部位はＣｕで形成している。このメッキの厚さは５〜５０μｍ程度であり、高周波の表皮深さと同程度となるため、高周波はＮｉメッキ部を伝搬し、中心導体の終端側ポート２ａは、他の中心導体のポート２ｂ，２ｃよりも電気的に高抵抗となる。中心導体２は、これら二つの部品をスポット溶接等で接合することにより形成している。この形状の中心導体２をフェライトに配置することにより、磁性組立体は構成される。
【００３０】
また、図２の（Ｃ）に示すように、中心導体２はＣｕで形成し、中心導体の終端側ポート２ａのフェライト１との接合部のみにＮｉメッキを施している。このメッキの厚さは５〜５０μｍ程度であり、高周波の表皮深さと同程度となるため、高周波はＮｉメッキ部を伝搬し、中心導体の終端側ポート２ａは、他の中心導体のポート２ｂ，２ｃよりも電気的に高抵抗となる。
【００３１】
ここで、図２の（Ａ）に示した中心導体を用いたアイソレータの特性を図３を参照して説明する。
【００３２】
図３は、当該アイソレータのアイソレーション値の周波数特性である。
一般に、携帯電話等の通信機に要求される特性として、アイソレーション値１５ｄＢを２０ＭＨｚの周波数帯域にわたって確保する必要がある。ここで、アイソレータを搭載する携帯電話等の通信装置は、いろいろな環境下で使用されるため、温度特性を考慮して、少し余裕を持たせ、２５ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの帯域幅を確保することが望ましい。図３によれば、アイソレーション値が１５ｄＢの周波数帯域幅は、約３４ＭＨｚであり、十分に要求を満たしている。
【００３３】
これらの構成により、中心導体の終端側ポートにおける抵抗値と他の中心導体のポートにおける抵抗値の差分が生じる。この差分の抵抗値を終端側ポートの特性インピーダンスと同じになるように予め設定しておくことにより終端抵抗として機能する。このため、固定の終端抵抗器をなくすことができ、アイソレータの小型化が可能となる。
【００３４】
また、アイソレータの終端側ポート１００の接続構造が簡易になるため、コストが削減できる。
【００３５】
また、中心導体の終端側ポート２ａが終端抵抗として発熱した場合、中心導体がフェライト１に配置されていることにより、この熱はフェライト１や永久磁石に均一に伝搬し、温度上昇が空間的に均一になる。よって、終端抵抗によるアイソレータの特性の劣化が防止できる。
【００３６】
また、図２の（Ａ）に示す構造では、電極材料を適切に選ぶことにより、電極幅を任意に形成できるため、作成可能な電極幅を確保できる。また、電極幅を広くして機械強度および耐電力を確保することができる。
【００３７】
図２の（Ｂ）に示す構造では、前記図２の（Ａ）に示す構造の利点に加え、中心電極を一体化できるため、磁性組立体の形成が容易となり、加工コストが抑えられる。
【００３８】
また、中心導体が一体化しているため、曲げ角度が安定し、中心導体の交差角が安定することにより、安定した特性を容易に得られる。
【００３９】
図２の（Ｃ）に示す構造では、中心導体が一体で形成されているため、磁性組立体の形成が容易であるとともに、中心導体２ａとフェライト１との接合部のみにメッキをすることにより、他の構成部品との接続が良好な電気接続面を維持したままで（例えば、母材にＣｕおよびその合金を使用することにより）、高抵抗の中心導体が構成できる。
【００４０】
なお、図２の（Ａ）に示す中心導体の終端側ポート２ａに使用する金属としては、ニクロム、黒鉛、抵抗ペースト、酸化金属被膜、ニッケル合金、鉄、アルメル、アンチモン、インバール、クロメル、コンスタンタン、ジルコニウム、ビスマス、タングステン、アンチモン、およびこれらのいずれかを含む合金、または、カンタル、ハステロイＮ、ニッケリン、酸化ルテニウム、洋銀、マンガニン等を用いてもよい。
【００４１】
なお、図１の（Ａ）に示す各中心導体の各ポート２ａ，２ｂ，２ｃをフェライト１に巻き付ける順番は、２ａ−２ｂ−２ｃとは限らず、２ｃ−２ｂ−２ａ、２ｂ−２ａ−２ｃ等、どの順番であってもよい。
【００４２】
次に、第２の実施形態に係るアイソレータの構成について、図４を参照して説明する。
【００４３】
図４の（Ａ）はアイソレータの平面断面図であり、図４の（Ｂ）はその等価回路図である。
【００４４】
図４において、１はフェライト、２ａは中心導体の終端側ポート、２ｂは中心導体の入力側ポート、２ｃは中心導体の出力側ポート、３は筐体、４は入力端子、５は出力端子、６は接地電極、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサ、Ｒは固定抵抗器である。Ｈはフェライト１に印加される磁界の方向を表している。また、中心導体の各ポート２ａ〜２ｃに対応して、１００はアイソレータの終端側ポート、１０４はアイソレータの入力側ポート、１０５はアイソレータの出力側ポートである。
【００４５】
筐体３には入力端子４、出力端子５および接地電極６を配しており、アイソレータの入力側ポート１０４および出力側ポート１０５は、入力端子４および出力端子５と中心導体の入力側ポート２ｂ、および出力側ポート２ｃとの間に並列にコンデンサＣ２，Ｃ３を接続し、各コンデンサＣ２，Ｃ３の一端を接地電極６に接続して、構成している。
【００４６】
また、アイソレータの終端側ポート１００は、中心導体の入力側ポート２ａにコンデンサＣ１、および固定抵抗器Ｒを直列に挿入し、コンデンサＣ１の一端を接地電極６に接続して構成している。中心導体の入力側ポート２ａは、中心導体の他のポート２ｂ、２ｃより高い電気抵抗を有するように構成しており、この中心導体の入力側ポート２ａと固定抵抗器Ｒとで、終端抵抗として機能する。
【００４７】
なお、図４の（ａ）に示す各中心導体の各ポート２ａ，２ｂ，２ｃをフェライト１に巻き付ける順番は、２ａ−２ｂ−２ｃとは限らず、２ｃ−２ｂ−２ａ、２ｂ−２ａ−２ｃ等、どの順番であってもよい。
【００４８】
この構造とすることにより、終端抵抗としての電力消費を分担できるため、耐電力性を向上させることができる。
【００４９】
次に、第３の実施形態に係るアイソレータの構成について、図５を参照して説明する。
【００５０】
図５の（Ａ）はアイソレータの平面断面図であり、図５の（Ｂ）はその等価回路図である。
【００５１】
図５において、１はフェライト、２ａは中心導体の終端側ポート、２ｂは中心導体の入力側ポート、２ｃは中心導体の出力側ポート、３は筐体、４は入力端子、５は出力端子、６は接地電極、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサである。Ｈはフェライト１に印加される磁界の方向を表している。また、中心導体の各ポート２ａ〜２ｃに対応して、１００はアイソレータの終端側ポート、１０４はアイソレータの入力側ポート、１０５はアイソレータの出力側ポートである。
【００５２】
図５に示すアイソレータは、アイソレータの終端側ポート１００の中心導体２ａを、第１の実施形態の場合に２本であったものを１本にしたものであり、他の構造は第１の実施形態に示したアイソレータと同じである。
【００５３】
この構造とすることにより、フェライト１と中心導体の終端側ポート２ａとの結合度が減少して、自己インダクタンスが大きくなるので、コンデンサＣ１の容量を小さくすることができる。このため、小型のコンデンサＣ１を使用することができ、筐体内の省スペース化が図れる。また、電極の面積および体積が減少するため、抵抗値が大きくなる。
【００５４】
次に、第４の実施形態に係るアイソレータの構成について、図６を参照して説明する。
【００５５】
図６の（Ａ）はアイソレータの平面断面図であり、図６の（Ｂ）はその等価回路図である。
【００５６】
図６において、１はフェライト、２ａは中心導体の終端側ポート、２ｂは中心導体の入力側ポート、２ｃは中心導体の出力側ポート、３は筐体、４は入力端子、５は出力端子、６は接地電極、Ｃ１〜Ｃ３はコンデンサである。Ｈはフェライト１に印加される磁界の方向を表している。また、各中心導体２ａ〜２ｃに対応して、１００はアイソレータの終端側ポート、１０４はアイソレータの入力側ポート、１０５はアイソレータの出力側ポートである。
【００５７】
図６に示すアイソレータは、第３の実施形態に示したアイソレータと異なり、中心導体の終端側ポート２ａを非直線形状に形成している。他の構成は第３の実施形態に示したアイソレータを同じである。
【００５８】
この構造とすることにより、中心導体の終端側ポート２ａは長く形成でき、抵抗値が大きくできるとともに、所望の抵抗値となるように中心導体の長さおよび幅を変更できる。
【００５９】
なお、現在アイソレータとして最低必要な動作帯域幅は、国内デジタル携帯電話で９４０ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚの２０ＭＨｚである。また、使用に不可欠なアイソレーション値として１５ｄＢ以上が必要である。アイソレータが搭載される通信装置は、いろいろな温度環境下で使用され、アイソレータもしくは通信装置自身からの発熱等により、温度変化をうける。このため、アイソレータの温度特性を考慮しなければならない。一般に、仕様として２０ＭＨｚの帯域幅が必要であれば、２５ＭＨｚ〜２８ＭＨｚの帯域幅を確保すればよい。
【００６０】
ここで、図７に示すように、アイソレーション値１５ｄＢ帯域幅と終端抵抗値の関係から、帯域幅が２５ＭＨｚ〜２８ＭＨｚとなる終端抵抗値を求めると、終端抵抗Ｒは０．４Ω以上とする必要がある。
【００６１】
一方、中心導体は、所定の幅以上でないと加工できない。
例えば、中心導体をニクロム箔で形成しようとすると、通信装置用のアイソレータで一般に用いられる寸法から、箔の厚みが０．０３ｍｍ、長さが４．１７ｍｍの場合、抵抗値を１０Ωを超える値にするには、その幅は０．０２ｍｍ未満となりエッチング加工およびプレス加工では作製できない。また、これよりも数倍高い抵抗率の材料を用いても、加工精度が悪くなる。このため、加工寸法のばらつきにより、電気特性がばらついたり、加工が難しくなりコストアップにつながる。
【００６２】
また、ニクロムより約５倍の抵抗率を有する材料を中心導体に使用するとしても、加工性、機械強度、耐電力性を保持するためには、１０Ω以下に設定する必要がある。
【００６３】
したがって、中心導体の抵抗値は０．４Ω〜１０Ωに収まるように設定する。
【００６４】
次に、第６の実施形態に係る通信装置の構成を図８を参照して説明する。図８においてＡＮＴは送受信アンテナ、ＤＰＸはデュプレクサ、ＢＰＦａ，ＢＰＦｂはそれぞれ帯域通過フィルタ、ＡＭＰａ，ＡＭＰｂはそれぞれ増幅回路、ＭＩＸａ，ＭＩＸｂはそれぞれミキサ、ＯＳＣはオシレータ、ＳＹＮは周波数シンセサイザ、ＩＳＯはアイソレータである。
【００６５】
ＭＩＸａは、入力されたＩＦ信号と、ＳＹＮから出力された信号とを混合し、ＢＰＦａはＭＩＸａからの混合出力信号のうち送信周波数帯域のみを通過させ、ＡＭＰａはこれを電力増幅し、アイソレータＩＳＯおよびＤＰＸを介しＡＮＴより送信する。アイソレータＩＳＯは、ＤＰＸ等からのＡＭＰａへの反射信号を阻止して、ＡＭＰａでの歪みの発生を防止する。ＡＭＰｂはＤＰＸから取り出した受信信号を増幅する。ＢＰＦｂはＡＭＰｂから出力される受信信号のうち受信周波数帯域のみを通過させる。ＭＩＸｂは、ＳＹＮから出力された周波数信号と受信信号とをミキシングして中間周波信号ＩＦを出力する。
【００６６】
図８に示したアイソレータＩＳＯとして、第１〜第４の実施形態のいずれかで示したアイソレータを用いる。
【００６７】
このように、低挿入損失で小型化を図った非可逆回路素子を用いることによって、全体に電力効率が高く、小型の通信装置を得る。
【００６８】
【発明の効果】
この発明によれば、フェライトに複数の中心導体を交差させて配置してなる磁性組立体と、該磁性組立体に静磁界を印加する永久磁石と、中心導体の各ポートに接続した整合回路とを有し、中心導体の一つのポートの電気抵抗値を、他の中心導体の電気抵抗値より高くすることにより、中心導体が発熱するため、熱が均一に伝導する。そのため、抵抗器の集中発熱による温度不均一に起因する特性の劣化が防止できる。
【００６９】
また、この発明によれば、電気抵抗値の高い中心導体のポートを終端抵抗として利用することにより、終端抵抗に固定抵抗器を用いることなく小型のアイソレータが構成できる。
【００７０】
また、終端側ポートの構造が簡素化されるため、コストダウンとなり、接続点が減ることにより高信頼のアイソレータが構成できる。
【００７２】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートの材料を、他の中心導体のポートの材料と異ならせることにより、電気抵抗値の高い中心導体を終端抵抗とすることができ、前記の効果が得られる。
【００７３】
また、中心導体の材料を適切に選ぶことにより、エッチング加工およびプレス加工可能で機械強度の強い幅に、導体幅を設定することができる。
【００７４】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートに高抵抗率の材料を用いることにより、電気抵抗値の高い中心導体を終端抵抗とすることができ、前記の効果が得られる。
【００７５】
また、この発明によれば、電気抵抗値の高い中心導体のポートにメッキ形成した金属膜を用いることにより、電気抵抗値の高い中心導体を終端抵抗とすることができ、前記の効果が得られる。
【００７６】
また、この発明によれば、電気抵抗値の高い中心導体のポートを、中心導体の母材上に部分的に金属膜をメッキすることにより、他の構成部品と良好な電気接続を維持したままで、高抵抗の中心導体を構成できる。
【００７７】
また、この発明によれば、電気抵抗値の高い中心導体のポートを非直線形状に形成することにより、任意の抵抗値となるように任意の長さで任意の幅に中心導体を形成できる。
【００７８】
また、この発明は、電気抵抗値の高い中心導体のポートの抵抗値を０．４〜１０Ωとすることにより、所定のアイソレーション帯域幅を有し、且つ、加工の容易なアイソレータが構成できる。
【００７９】
また、この発明によれば、前記アイソレータを備えることにより、小型で低損失の通信装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るアイソレータの平面断面図および等価回路図
【図２】第１の実施形態に係るアイソレータの中心導体展開図
【図３】第１の実施形態に係るアイソレータのアイソレーション特性図
【図４】第２の実施形態に係るアイソレータの平面断面図および等価回路図
【図５】第３の実施形態に係るアイソレータの平面断面図および等価回路図
【図６】第４の実施形態に係るアイソレータの平面断面図および等価回路図
【図７】第５の実施形態に係るアイソレータの平面断面図および等価回路図
【図８】第６の実施形態に係る通信装置のブロック図
【図９】従来のアイソレータの平面断面図および等価回路図
【符号の説明】
１−フェライト
１００−アイソレータの終端側ポート
１０４−アイソレータの入力側ポート
１０５−アイソレータの出力側ポート
２−中心導体
２ａ−中心導体の終端側ポート
２ｂ−中心導体の入力側ポート
２ｃ−中心導体の出力側ポート
３−筐体
４−入力端子
５−出力端子
６−接地電極
Ｃ１〜Ｃ３−コンデンサ
Ｒ−固定抵抗器
Ｌ−中心導体のインダクタンス
Ｈ−磁界

Claims

フェライトに中心導体の複数のポートを交差させて配置してなる磁性組立体と、該磁性組立体に静磁界を印加する永久磁石と、前記中心導体の各ポートに接続した整合回路とを有するアイソレータにおいて、
前記中心導体の複数のポートのうちの一つのポートで終端抵抗を構成し、他のポートよりも電気抵抗値を高くして成るアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートの材料を、他の中心導体と異なる材料で構成して成る請求項１に記載のアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートを、高抵抗率の材料で構成して成る請求項１または２に記載のアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートを、前記中心導体の母材上に金属膜をメッキして成る請求項１〜３のいずれかに記載のアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートを、前記中心導体の母材上に部分的に金属膜をメッキして成る請求項１〜４のいずれかに記載のアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートを、非直線形状に形成して成る請求項１〜５のいずれかに記載のアイソレータ。
前記電気抵抗値の高い中心導体のポートの抵抗値が、０．４〜１０Ωである請求項１〜６のいずれかに記載のアイソレータ。
請求項１〜７のうちいずれか一つに記載のアイソレータを備えた通信装置。