JP4811578B2

JP4811578B2 - 非可逆回路素子及び通信機器

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Publication number: JP4811578B2
Application number: JP2006096629A
Authority: JP
Inventors: 悦紹渡辺
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007274281A

Description

本発明は、アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子、及び、これを用いた通信機器に関する。

アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子は、携帯電話、無線機等の移動体通信機器や、その基地局等に用いられており、その一般的な構造は、例えば、特許文献１〜４に記載されているように、ヨークとして機能する磁性金属製保持具の内部に、永久磁石、及び、磁気回転子を含む組立体を収容して構成される。

ところで、近年、この種の非可逆回路素子では、移動体通信機器における形状の小型化、及び、軽量化の要求に対応すべく、低背化及び小型化が重要な技術的課題となっている。

ところが、小型化しようとすると、必然的に挿入損失が増え、反射損失や逆方向損失が悪化することにより、例えば、２ＧＨｚ以上の高周波通過帯域内に、ノイズを発生させてしまうことがあった。上述した、特許文献１〜４には、上述したノイズを処理する手法は開示されていない。
特開２００３−１２４７１１号公報特開平１０−２９４６０６号公報特許第３３９９０９９号公報 U.S.P.6,337,607B１号明細書

本発明の課題は、ノイズの発生する周波数をコントロールし得る構造を持つ非可逆回路素子、及び、これを用いた通信機器を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る非可逆回路素子は、磁気回転子と、接地導体と、誘電体とを含む。この構造において、前記誘電体は、前記磁気回転子と、前記接地導体との間に配置されている。

上記構造であると、磁気回転子と接地導体との間に、誘電体による静電容量が発生し、非可逆回路素子の共振周波数がその静電容量に対応して変化する。従って、誘電体による静電容量を調整することにより、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外にシフトさせることが可能になる。誘電体による静電容量は、誘電体を構成する材料の比誘電率、誘電体の実効面積、及び、厚さによって変化するから、これらの物理量を適切に設定することにより、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外に容易にシフトさせることができる。

好ましい態様として、前記磁気回転子と前記誘電体との間に電極板を有する。この構造によれば、電極板がキャパシタ電極として機能することになるので、磁気回転子と接地導体との間に発生する静電容量が安定する。従って、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外に確実に、安定的にシフトさせることができる。

前記誘電体の具体例は、フッ素樹脂である。フッ素樹脂のほか、ポリイミド樹脂なども用いることができる。

本発明は、磁気回転子が、２つのフェライト基体と、中心導体とを含み、前記中心導体は前記２つのフェライト基体の間に配置されているタイプの非可逆回路素子に、有効である。このタイプの非可逆回路素子は、通常、磁気回転子の両面側に、シールドやヨークとして兼用される接地導体が配置される。そこで、この接地導体を利用して、誘電体を、磁気回転子の一面側または両面側に配置することができる。

以上述べたように、本発明によればノイズの発生する周波数をコントロールし得る構造を持つ非可逆回路素子を提供することができる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。但し、添付図面は、単なる例示に過ぎない。

図１は、本発明に係る非可逆回路素子について、その主要部の構成を概念的に示す図で、非可逆回路素子において通常備えられる構成部品の内、磁気回転子１０と、永久磁石１１と、接地導体１２と、誘電体５とを抜き出して示してある。磁気回転子１０は、２つのフェライト基体１４、１６と、中心導体１５とを含み、中心導体１５がフェライト基体１４、１５の間に配置されている。接地導体１２は、接地のみならず、キャパシタ電極としても兼用される。

誘電体５は、磁気回転子１０と、接地導体１２との間に配置されている。図１では、磁気回転子１０と誘電体５との間に、電極板１３を有する。従って、電極板１３がキャパシタ電極として機能し、電極板１３と接地導体１２との間に静電容量Ｃ０１が発生する。

磁気回転子１０に対しては、永久磁石１１の直流磁界Ｈが印加され、直流磁界Ｈの印加された状態で、磁気回転子１０が非可逆回路動作を行う。

非可逆回路動作において、磁気回転子１０に隣接する電極板１３と接地導体１２との間に、誘電体５による静電容量Ｃ０１が発生しているから、非可逆回路素子の共振周波数がその静電容量Ｃ０１に対応して変化する。従って、誘電体５による静電容量Ｃ０１を調整することにより、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外にシフトさせることが可能になる。誘電体５による静電容量Ｃ０１は、誘電体５を構成する材料の比誘電率、誘電体５の実効面積、及び、厚さによって変化するから、これらの物理量を適切に設定することにより、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外に容易にシフトさせることができる。

図１では、磁気回転子１０と誘電体５との間に電極板１３を有しており、電極板１３がキャパシタ電極として機能することになるので、磁気回転子１０と接地導体１２との間に発生する静電容量Ｃ０１が安定する。従って、ノイズの発生する周波数を、通過帯域外に確実に、安定的にシフトさせることができる。

誘電体５としては、使用する周波数が２ＧＨｚ前後の場合、比誘電率εｒが２以上７０以下、厚みが０.１〜０．６ｍｍの範囲にある材料によって構成することができる。そのような材料の具体例は、フッ素樹脂である。フッ素樹脂のほか、ポリイミド樹脂なども用いることができる。

本発明は、非可逆回路素子におけるノイズをコントロールする技術として、広く適用可能であるが、図１に示すように、中心導体１５がフェライト基体１４、１６の間に配置されているタイプの非可逆回路素子において良好な結果が得られる。

このタイプの非可逆回路素子は、通常、磁気回転子１０の両面側に、シールドやヨークとして兼用される接地導体が配置される。そこで、この接地導体を利用して、誘電体５を、磁気回転子１０の一面側または両面側に配置することができる。図１は、誘電体５を上側（図において）に配置した例を示しているが、図２に示すように、下側に配置してもよい。

また、図３に示すように、磁気回転子１０の両側に配置された電極板１３１、１３２と接地導体１２、１２との間に、それぞれ、誘電体５１、５２を配置してもよい。この場合は、磁気回転子１０に隣接する電極板１３１、１３２と接地導体１２、１２との間に、それぞれ、静電容量Ｃ０１、Ｃ０２が発生する。

次に、本発明に係る非可逆回路素子の具体的な構造例を示す。図４は非可逆回路素子の分解構造を示す斜視図、図５は図４に示した非可逆回路素子の組立状態における斜視図、図６は図５の６−６線に沿って切断した部分断面図である。

図４乃至図６に図示された非可逆回路素子は、保持具３０、支持体４０、下磁極板１７、磁気回転子１０、電極板１３、誘電体層５、接地導体１２及び永久磁石１１を有しており、それぞれが上述した順序で積み重ねられている。

接地導体１２は、厚さ０．１〜０．２ｍｍ程度の銅板を打ち抜いた導体板で構成されており、永久磁石１１は、接地導体１２の面内に載置されている。永久磁石１１が、導電性のある磁性材料、例えば金属磁石でなる場合には、永久磁石１１を接地導体とし、接地導体１２を省略することもできる。

接地導体１２と磁気回転子１０との間には、誘電体５が配置されている。図では、磁気回転子１０と誘電体５との間に電極板１３を有し、電極板１３が誘電体５に隣接している。従って、電極板１３がキャパシタ電極として機能し、電極板１３と接地導体１２との間に静電容量Ｃ０１（図１参照）が発生する。電極板１３は、例えば、厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度の鉄板を打ち抜いた導体板で構成されており、円板状や角板状に形成される。

磁気回転子１０は、第１のフェライト基体１４と、中心導体１５と、第２のフェライト基体１６とを含み、それぞれが上述した順序で積み重ねられている。第１及び第２のフェライト基体１４、１６は、イットリウム／鉄／ガーネット（ＹＩＧ）等の軟磁性材料により、円板状又は角板に形成される。

中心導体１５は、好ましくは、厚さが０．３〜１．０ｍｍ程度の銅板を加工した導体板あって、外周に突設された第１〜第３の端子１５１〜１５３を有する。中心導体１５は、第１のフェライト基体１４と、第２のフェライト基体１６とにより挟持されている。

保持具３０は、有底の略円筒形状体であって、好ましくは鉄等の磁性金属材料で構成されている。図４乃至図６を参照すると、保持具３０は、第１〜第３の側壁部３３１〜３３３と、蓋部３５とを含む。第１〜第３の側壁部３３１〜３３３は、互いに間隔を隔てて、底部内面３１の内周縁から立ち上がっている。

蓋部３５は、鉄などの磁性材料からなる板状体であって、ヨークとして用いられる。図示実施形態に係る蓋部３５は、保持具３０に組みつけられたとき、内部空間３００に備えられた磁気回転子組立体１０に荷重を印加する。

支持体４０は、基体部４１と、保持具挿入用孔４４と、第１〜第３のグランド電極４５１〜４５３とを含み、好ましくは絶縁樹脂材料により構成されている。図示では、略正方形形状の平板状体であって、厚さ１．０〜２．０ｍｍ程度に構成される。支持体４０は、少なくとも一面に開口する保持具挿入用孔４４を有している。保持具挿入用孔４４には、保持具３０が挿入されている。

図４〜図６に示した実施例では、誘電体５が、非可逆回路素子１０と隣接する電極板１３と、接地導体１２との間に入ることになるので、図１を参照して説明した作用効果を奏する。次に、実験データを挙げて、図４〜図６に示した実施例の奏する効果を、比較例と対比して説明する。

図４〜図６に示した構造において、誘電体５を、厚みＴ＝０．２ｍｍのフッ素樹脂(
テフロン(登録商標）)によって構成した。これを実施例１とする。比較例１として、図４〜図６の構造において、誘電体５を持たない従来構造とした。これを比較例とする。実施例及び比較例ともに、中心周波数ｆｃは２．５５ＧＨｚである。

図７は実験によって得られた比較例１の伝送特性を示し、図８は実験によって得られた実施例１の伝送特性を示す。図７及び図８において、曲線Ｓ１１は入力側から出力側を見た反射特性、曲線Ｓ２２は出力側から入力側をみた反射特性、曲線Ｓ１２は出力側から入力側への伝送損失特性、曲線Ｓ２１は入力側から出力側への伝送損失特性をそれぞれ示している。横軸に取られた周波数軸は、全スパン１ＧＨｚである。

まず、図７を参照すると、中心周波数ｆｃに近い周波数ｆｒｃ（図示枠）において、ノイズＮｐが発生しており、信号品質を悪化させる。

これに対して、実施例の場合は、図８に示すように、ノイズＮｐは、中心周波数ｆｃから、約０．２５ＧＨｚも離れた周波数ｆｒｃにシフトしている。従って、使用される信号の品質を悪化させることがない。周波数ｆｒｃは、誘電体５によって発生する静電容量Ｃ０１（又はＣ０２）を回路の一部とする共振回路の共振周波数でもある。

次に、誘電体５による静電容量Ｃ０１（又はＣ０２）の変化と、ノイズを発生する周波数ｆｒｃとの関係を、図９〜図１１を参照して説明する。図９〜図１１において、中心周波数ｆｃを２．４ＧＨｚに設定した。横軸に取られた周波数軸は、全スパン１ＧＨｚである。特性Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ２１、Ｓ２２は図７、図８と同じである。

まず、図９は、基準となるデータを示す。この基準データは、図４〜図６に示した構造において、誘電体５を厚みＴ＝０．２ｍｍのフッ素樹脂によって構成し、その静電容量ＣＣ０１を７．５ＰＦにして得られたものである。この条件では、ノイズを発生する周波数ｆｒｃは２．５５ＧＨｚであった。

次に、図１０のデータは、図４〜図６に示した構造において、誘電体５を厚みＴ＝０．１ｍｍのフッ素樹脂によって構成し、静電容量Ｃ０１を１５ＰＦに調整して得られたものである。この条件では、周波数ｆｒｃは、２．３４ＧＨｚであった。即ち、静電容量Ｃ０１を大きくすると、ノイズを発生する周波数ｆｒｃが低域側にシフトする。

図１１のデータは、同じく図４〜図６に示した構造において、誘電体５を厚みＴ＝０．４ｍｍのフッ素樹脂によって構成し、静電容量Ｃ０１を５ＰＦに調整して得られたものである。この条件では、ノイズを発生する周波数ｆｒｃは、２．７０ＧＨｚであった。即ち、静電容量Ｃ０１を小さくすると、ノイズを発生する周波数ｆｒｃが高域側にシフトする。

図９〜図１１のデータが示すとおり、誘電体５による静電容量Ｃ０１（又はＣ０２）を調整することにより、ノイズを発生する周波数ｆｒｃを、低域側又は高域側に、任意に調整し、ノイズＮｐを通過帯域外にシフトさせ、伝送される信号の品質を改善することができる。

図４〜図６の非可逆回路素子は、図１に示した非可逆回路素子を具体化したものであるが、図２、図３に示した非可逆回路素子も、図４〜図６の例に倣って実現できる。何れの場合も、誘電体５が、非可逆回路素子１０と隣接する電極板１３と接地導体との間に入ることになるので、図４〜図６の実施例と同様の作用効果を奏する。なお、図４乃至図６を参照して説明した本発明の利点は、集中定数型の構成においても同様に奏することができる。

図１２は本発明に係る非可逆回路素子を用いた通信機器のブロック図である。この通信機器は、例えば、移動通信システムにおける基地局に備えられるものであって、受信部６と、送信部７とを含み、両者は、送受信用アンテナ８に接続されている。受信部６は、受信用増幅回路６２と、受信された信号を処理する受信回路６１とを含んでいる。送信部７は、音声信号、映像信号などを生成する送信回路７１と、電力増幅回路７２とを含んでいる。上述した通信機器において、アンテナ８から受信部６及び送信部７に到る回路や、電力増幅回路７２の出力段に、本発明に係る非可逆回路素子７３、７４が用いられる。非可逆回路素子７３はサーキュレータとして機能し、非可逆回路素子７４は終端抵抗器Ｒ０を有するアイソレータとして機能する。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係る非可逆回路素子について、その主要部の構成を概念的に示す図である。本発明に係る非可逆回路素子について、その主要部の別の構成を概念的に示す図である。本発明に係る非可逆回路素子について、その主要部の更に別の構成を概念的に示す図である。本発明に係る非可逆回路素子の分解斜視図である。図４に示した非可逆回路素子の組立状態における斜視図である。図５の６−６線に沿って切断した部分断面図である。実験によって得られた比較例の伝送特性を示す図である。実験によって得られた実施例の伝送特性を示す図である。実験によって得られた別の実施例の伝送特性を示す図である。実験によって得られた更に別の実施例の伝送特性を示す図である。実験によって得られた更に別の実施例の伝送特性を示す図である。本発明に係る非可逆回路素子を用いた通信機器のブロック図である。

５誘電体
１０磁気回転子
１１永久磁石
１２接地導体
１３電極板
１４フェライト基体
１５中心導体
１６フェライト基体

Claims

磁気回転子と、接地導体と、誘電体と、電極板とを含む非可逆回路素子であって、
前記誘電体は、前記磁気回転子と、前記接地導体との間に配置されており、
前記電極板は、前記磁気回転子と前記誘電体との間に備えられており、
前記電極板及び前記接地導体をキャパシタ電極とし、前記電極板と前記接地導体との間に前記誘電体による静電容量が発生する、
非可逆回路素子。
請求項１に記載された非可逆回路素子であって、前記誘電体は、フッ素樹脂で構成されている、非可逆回路素子。
請求項１又は２に記載された非可逆回路素子であって、
前記磁気回転子は、２つのフェライト基体と、中心導体とを含み、前記中心導体は前記２つのフェライト基体の間に配置されている、
非可逆回路素子。
請求項１乃至３の何れかに記載された非可逆回路素子であって、
前記接地導体は、前記磁気回転子の両面側に設けられており、
前記誘電体は、前記磁気回転子の少なくも一面側に配置されている、
非可逆回路素子。
請求項１乃至４の何れかに記載された非可逆回路素子であって、
前記接地導体は、前記磁気回転子の両面側に設けられており、
前記誘電体は、前記磁気回転子の両面側に配置されている、
非可逆回路素子。
請求項１乃至５の何れかに記載された非可逆回路素子であって、永久磁石を含んでおり、前記永久磁石は、前記磁気回転子に磁界を印加するものであって、前記接地導体の少なくとも１つに隣接している、非可逆回路素子。
請求項１乃至６の何れかに記載された非可逆回路素子であって、永久磁石を含んでおり、前記永久磁石は、前記磁気回転子に磁界を印加するものであって、前記接地導体の一部を構成する、非可逆回路素子。
請求項１乃至７の何れかに記載された非可逆回路素子であって、保持具を含んでおり、
前記保持具は、全体を収納し、前記接地導体の一部を構成する、非可逆回路素子。
非可逆回路素子と、送信部とを含む通信機器であって、
前記非可逆回路素子は、請求項１乃至８の何れかに記載されたものでなり、前記送信部と電気的に組み合わされている、
通信機器。