JP5137125B2

JP5137125B2 - 集積化可能な非可逆回路素子

Info

Publication number: JP5137125B2
Application number: JP2008144280A
Authority: JP
Inventors: 節夫山本; 普揮栗巣; 輝光田中
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP2009290835A

Description

本発明は、ジャイロ磁気効果を利用したアイソレータ／サーキュレータ等の非可逆回路素子に関し、特にマイクロストリップ線路を用いた小型の、他の電子素子との集積化を可能にするものである。

近年の携帯電子機器には小型化が要求されており、これに伴って、それらに実装される電子部品も小型化・薄型化が要求されている。電子部品の１つである非可逆回路素子（アイソレータ／サーキュレータ）も小型化・薄型化が徐々に進んではいるが、十分なバイアス磁場を印加するために全体をヨークで囲んでおり他の電子部品に比べて比較的大きい。
従来のアイソレータ／サーキュレータでは、良好な非可逆動作特性を得るために、フェライトを伝送線路と接地面で挟んだ構造をしており、一般にフェライトの表面に伝送線路を形成している。特許文献１が開示するマイクロ波集積回路アイソレータはフェライト円板をセラミック基板内に埋設し、それらの表裏面にわたってマイクロストリップ導体と接地導体とを形成している。

さらに小型化を志向した非可逆回路素子として特許文献２は、表裏実装型アイソレータの技術を開示している。このものでは、マグネットを必要としない六方晶フェライトを円柱状に焼成し、セラミック基板に埋め込み、セラミック基板の一方の面に全面接地導体を、もう一方の面にアイソレータの分岐接路と接合面を形成している。しかし、これらの従来技術による非可逆回路素子は、素子全体をヨークで囲んでいるため、他の電子素子と同じ基板に伝送線路を形成できないという理由からアイソレータ／サーキュレータは一つの部品として製造され、集積化することが難しいという問題がある。つまり、従来のアイソレータ／サーキュレータ等の非可逆回路素子は、伝送線路をフェライト表面上に形成し、ヨーク又はアースで囲う構造になっているため、非可逆回路素子を回路基板上に形成することは困難であった。
特許文献３には、マイクロストリップ線路上にフェライト磁性体を載置させた非可逆回路素子が記載されている。しかしながら、特許文献３には、金属キャップ、及び、誘電体基板の裏面側の無導体部については記載も示唆もされていない。
特開平１０−１７３４０９号公報特開平１１−１７４０８号公報特開２００１−１０２８１３号公報

バイアス磁場が電磁波の進行方向および電磁波の磁場の振幅方向の両方に垂直となるように印加されたフェライト中を電磁波が進行する際、その電磁波の伝播方向はジャイロ磁気効果により回転する。アイソレータ／サーキュレータは、このジャイロ磁気効果を利用したマイクロ波用非可逆回路素子である。従来構造である集中定数型のアイソレータ／サーキュレータは個々の部品として作製されるため、回路基板上に他の電子素子などと集積化することはできない。
本発明は上記問題点を解決し、回路基板上の、他の電子素子を配置する面に形成することができる、集積化可能な非可逆回路素子（アイソレータ／サーキュレータ）を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。
表面にＹ字型の中心接合部を有するマイクロストリップ線路と、裏面に接地導体と、が設けられた誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面側に設けられ、少なくとも前記中心接合部を覆う金属キャップと、
を有する非可逆回路素子であって、
前記マイクロストリップ線路上の信号伝送方向を非可逆的に設定するジャイロ磁気領域を、前記金属キャップと前記マイクロスリップ線路とで囲われた領域に発生させるジャイロ磁気領域発生部材をさらに有し、
前記ジャイロ磁気領域発生部材は、平板状誘電体と平板状フェライトとからなり、前記マイクロストリップ線路上に前記平板状誘電体を積層し、前記平板状誘電体上に前記平板状フェライトを積層した構造であり、
前記誘電体基板の裏面に設けられた接地導体は、前記誘電体基板の表面の前記金属キャップで覆われた領域に対向する部分の少なくとも一部に無導体部が設けられている、ことを特徴とする非可逆回路素子。

また、好ましい実施態様として以下のものが有り得る。
前記ジャイロ磁気領域発生部材は、さらに積層配設された平板状永久磁石を有する。
前記金属キャップと前記誘電体基板の接地導体とは電気的に接続されている。
前記金属キャップは、軟磁性材料からなる。
前記マイクロストリップ線路上に前記平板状誘電体を積層し、前記平板状誘電体の上に前記平板状フェライトを積層し、前記平板状フェライトの上に前記平板状永久磁石を積層するのが重要である。なお、平板状永久磁石は無くても良い。
平板状永久磁石を用いない場合には、前記平板状フェライトは硬磁性フェライトであることが好ましい。
更に、前記金属キャップは、マイクロストリップ線路に対向する縁部に切り込みを有することが好ましい。

本発明の構成により、非可逆回路素子を小型化し得ることに加えて、伝送領域を形成する誘電体基板の表面のマイクロストリップ線路上にジャイロ磁気領域を発生させることができる。また、回路基板を誘電体基板として用いることで、他の電子素子を設置する基板面と同じ面にジャイロ磁気領域を設けることができ、他の電子素子との集積化が可能となる。
特に、誘電体基板の表面にＹ字型のマイクロストリップ線路を形成し、その表面にジャイロ磁気領域となる平板状誘電体と平板状フェライトと金属キャップを設置することで、非可逆回路素子を極めて小型化できる。
さらに、誘電体基板の裏面に接地導体が欠失した無導体部を設けることで、非可逆的伝送特性を得るための電磁波の電場と磁場を、入力側伝送領域からジャイロ磁気領域に、さらにジャイロ磁気領域から出力側伝送領域に効率的に誘導することができる。
同様に、ジャイロ磁気領域の金属キャップと、誘電体基板の裏面に存在する接地導体を電気的に接続することや、ジャイロ磁気領域において平板状永久磁石を配設することもまた効率的な非可逆的伝送に資するものである。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１による非可逆回路素子の構造の一例を示す図である。図１（ａ）は非可逆回路素子の、上面からの透視図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の一点鎖線ＡＣＢに沿った断面図である。本実施形態の非可逆回路素子は、誘電体基板２の第一の基板面（表面）にマイクロストリップ線路１を形成し、第二の基板面（裏面）に接地導体６を形成している。誘電体基板２表面の中心接合部８の上側に平板状誘電体５と、平板状フェライト４とを配置する。さらに、中心接合部８と平板状誘電体５と平板状フェライト４とを覆うように金属キャップ３を配置する。誘電体基板２の第二の基板面には接地導体６が形成されているが、中心接合部８と対向する部分の少なくとも一部が、接地導体６に覆われていない（欠失した）無導体部９を有する構造となっている。

図２は、本発明の実施形態１の非可逆回路素子における伝送領域１１とジャイロ磁気領域１２の説明図である。図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１（ａ）（ｂ）に対応しており、その伝送領域とジャイロ磁気領域の概略を示したものである。すなわち、ＡＤおよびＥＢの破線部分が伝送領域１１、ＤＣＥの網目状部分はジャイロ磁気領域１２を示す。ＡからＣ方向に向かって進行する電磁波の電場の大部分はマイクロストリップ線路と接地導体との間である伝送領域１１に分布するが、接地導体に覆われていない部分を設けることにより、電磁波の電場はジャイロ磁気領域１２により強く分布し、電磁波の進行方向が曲がり、ＣからＢ方向に向かう電磁波の電場は再び、伝送領域１１に分布しながら、伝搬する。このようにＤＣＥの網目状部分に無導体部９を設けることによって、無導体部を設けない態様に比べ、ＡＤの破線部分では誘電体基板中に分布する電磁波の電場と磁場を、ＤＣＥの網目状部分では金属キャップ側のジャイロ磁気領域に一層効率的に誘導し、さらに、ＥＢの破線部分では電磁波の電場と磁場を、誘電体基板中に誘導することができる。

図３は本発明の実施形態１の非可逆回路素子の構造の一例を示す図である。図３（ａ）は本発明の非可逆回路素子の斜視図、図３（ｂ）は構造を表す図である。図３に示す非可逆回路素子１００は、中心接合部８を有するマイクロストリップ線路１、誘電体基板２、金属キャップ３、平板状フェライト４、平板状誘電体５、接地導体６から構成される。マイクロストリップ線路１と接地導体６は誘電体基板２の表面にめっき等により、形成できる。マイクロストリップ線路１の中心接合部８に対向する接地導体６が形成されている基板面の一部には無導体部９を設ける。金属キャップ３とマイクロストリップ線路１との電気的な接触を避けるため、金属キャップ３の縁部に切り込みを入れることが望ましい。図１には記載していないが、金属キャップ３は、誘電体基板２に貫通孔を設けて電気伝導性の高い材料を充填し、接地導体６と電気的に接続されていることが望ましい。これにより、接地導体６と金属キャップ３の電位が等しくなり、電磁波の電場と磁場を、伝送領域からジャイロ磁気領域へ効率的に誘導でき、非可逆回路素子の動作を安定させることができる。ジャイロ磁気効果は平板面に対して実質的に垂直に磁化された平板状フェライト４に、電磁波の磁場を、磁化の向きとは実質的に垂直に印加することで発生する。平板状フェライト４の材料が、板面に対して実質的に垂直な方向に磁化容易軸を有する、例えば、硬磁性である六方晶フェライトの場合には、平板状フェライト４の外部から磁場を印加せずにジャイロ磁気効果を発生することができる。平板状フェライト４の材料が、軟磁性である場合には、平板状フェライト４の外部から磁場を印加する必要がある。このような外部から磁場を印加する具体的な形態については後述の実施形態２で説明する。なお、図１に示す本実施形態では、平板状フェライト４の上部に、平板状フェライト４に磁場を印加するための永久磁石を配置する空間を設けている。

非可逆回路素子の構造を図３のようにすることで、ジャイロ磁気領域１２を、他の電子素子などを取り付ける基板面と同じ面に配置することができるため、他の電子素子と同一面に集積化が可能となる。また、平板状フェライト４として硬磁性の六方晶フェライトを用いれば、励磁のための永久磁石が不要となり、図１（ｂ）に示す金属キャップ３と平板状フェライト４との間の空間部をなくすことができ、非可逆回転素子１００を低背化できる。

マイクロストリップ線路１および接地導体６の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの電気伝導度の高いものが好ましい。また、誘電体基板２には一般的にプリント基板が用いられるが、セラミック基板などを用いてもよい。また、平板状誘電体５にはセラミック板を用いることができる。平板状フェライト４は硬磁性体である、バリウムフェライトやストロンチウムフェライト、軟磁性体であり、磁気共鳴半値幅の小さなイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧフェライト）などが挙げられるが、強磁性を示す酸化鉄材料であればよい。金属キャップ３は、接地導体としての役割および電気的・磁気的な遮蔽効果を持つと同時に、磁気回路を形成することが望ましいため、強磁性的性質を有し、かつ、電気伝導度の高い材料である鉄が好ましく、鉄表面の酸化を防止するために表面を金や銀などでめっき処理したものが最も好ましい。

＜実施形態２＞
図４は本発明の実施形態２の非可逆回路素子の構造を示す図である。図４（ａ）は本実施形態の非可逆回路素子の斜視図、図４（ｂ）は構造を表す図である。図４に示す非可逆回路素子２００は、中心接合部８を含むマイクロストリップ線路１、誘電体基板２、金属キャップ３、平板状フェライト４、平板状誘電体５、接地導体６、永久磁石７から構成される。実施形態１との違いは、平板状フェライト４に磁場を印加するための永久磁石７を配置していることである。平板状フェライト４がＹＩＧフェライトのような軟磁性フェライトである場合、非可逆回路素子として動作させるには、平板状フェライト４の板面に対して実質的に垂直に磁場を印加する必要がある。図４に示す非可逆回路素子２００では、平板状誘電体５、平板状フェライト４、磁場を平板状フェライト４に印加するための永久磁石７を金属キャップ３が覆う構造となっている。永久磁石７は、最大エネルギー積の大きなＳｍＣｏ系材料やＮｄＦｅＢ系の材料が好ましいが、硬磁性フェライトを用いることも可能である。
非可逆回路素子の構造を、実施形態２のようにすることで、ジャイロ磁気領域１２を、他の電子素子などを取り付ける基板面と同じ面に配置することができるため、他の電子素子との集積化が可能となり、さらに、すでに開発されている高効率のＹＩＧフェライトを使用することができる。

＜実施形態３＞
図５は本発明の実施形態３の非可逆回路素子の構造を示す図である。図５（ａ）は本実施形態の非可逆回路素子の斜視図、図５（ｂ）は構造を表す図である。非可逆回路素子３００は、マイクロストリップ線路１、誘電体基板２、金属キャップ３、平板状フェライト４、平板状誘電体５、接地導体６、永久磁石７から構成される。マイクロストリップ線路１の中心接合部８に対向する接地導体６が形成されている基板面の一部には無導体部９を設ける。非可逆回路素子３００では、平板状誘電体５、平板状フェライト４、バイアス磁場を平板状フェライト４に印加するための永久磁石７を金属キャップ３が覆う構造となっている。平板状フェライト４の直径は無導体部９の直径とほぼ等しく、平板状誘電体５の直径は、平板状フェライト４の直径よりも大きく、金属キャップ３の内径とほぼ等しい。
勿論、これらの大小は逆であってもよい。
非可逆回路素子の構造を、実施形態３のようにすることで、ジャイロ磁気領域１２を、他の電子素子などを取り付ける基板面と同じ面に配置することができるため、他の電子素子との集積化が可能となり、さらに、すでに開発されている高効率のＹＩＧフェライトを使用することができる。また、電磁波の電場と磁場を、伝送領域からジャイロ磁気領域、さらにジャイロ磁気領域から伝送領域へと伝搬する際の、電磁波の電場と磁場の分布の転換をより効率的に行うことができる。

＜実施形態４＞
図６は、本発明の実施形態４の非可逆回路素子の構造を示す図である。図６（ａ）は非可逆回路素子４００の、上面からの透視図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の断面図である。本実施形態の非可逆回路素子４００は、誘電体基板２の第一の基板面（表面）に中心接合部８を含むマイクロストリップ線路１を形成し、第二の基板面（裏面）に接地導体６を形成している。誘電体基板２表面の中心接合部８の上側に平板状誘電体５と、平板状フェライト４とを配置する。さらに、中心接合部８と平板状誘電体５と平板状フェライト４とを覆うように金属キャップ３を配置する。誘電体基板２の第二の基板面は接地導体６が形成されているが、中心接合部８と対向する部分の少なくとも一部が、接地導体６に覆われていない無導体部９を有する構造となっている。平板状フェライト４の直径は無導体部９の直径と等しく、平板状誘電体５の直径は、金属キャップ３の外径と等しい。伝送領域のマイクロストリップ線路１と、ジャイロ磁気領域のマイクロストリップ線路１の幅が異なるのは、電磁波を効率よく伝送するためにインピーダンス整合をしているためである。

以下の具体的な数値についてシミュレーションを行った。
誘電体基板２：厚さ０．１ｍｍ、誘電率２０．０のセラミック基板
平板状誘電体５：厚さ０．１ｍｍ、誘電率２０．０のセラミックス
平板状フェライト４（ＹＩＧフェライト単結晶体）：４πＭｓ=８５０Ｇ、ΔＨ＝２Ｏｅ、厚み０．１ｍｍ
金属キャップ３：厚さ０．１ｍｍの鉄
マイクロストリップ線路１および接地導体６：銅
とし、非可逆回路素子４００の非可逆伝送特性を有限要素法により計算した結果を図７に示す。Ｐｏｒｔ１から非可逆回路素子４００に入射する電磁波の電力をＰ１、Ｐｏｒｔ１から非可逆回路素子４００に入射した電磁波のうち、反射してＰｏｒｔ１に戻る電磁波の電力をＰ’、Ｐｏｒｔ１から非可逆回路素子４００に入射した電磁波のうち、Ｐｏｒｔ２に伝送される電磁波の電力をＰ２、さらに、Ｐｏｒｔ１から非可逆回路素子４００に入射した電磁波のうち、Ｐｏｒｔ３に伝送される電磁波の電力をＰ３とすると、挿入損失、アイソレーション、反射損失は，それぞれ（１）式、（２）式、（３）式で表わされる。

（反射損失）＝１０ｌｏｇ（Ｐ１’／Ｐ１）（１）
（挿入損失）＝１０ｌｏｇ（Ｐ２／Ｐ１）（２）
（アイソレーション）＝１０ｌｏｇ（Ｐ３／Ｐ１）（３）

非可逆回路素子としては、挿入損失は絶対値が小さく、反射損失およびアイソレーションは絶対値が大きいことが好ましい。
図６に示す実施形態４の構造では、図７に示すように、１．９７ＧＨｚ付近で挿入損失０．７７ｄＢ、アイソレーション１６．７５ｄＢという良好な伝送特性の結果が得られた。

以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態１の非可逆回路素子の構造図。伝送領域およびジャイロ磁気領域の説明図。本発明の実施形態１の非可逆回路素子の構造図。本発明の実施形態２の非可逆回路素子の構造図。本発明の実施形態３の非可逆回路素子の構造図。本発明の実施形態４の非可逆回路素子の構造図。伝送特性を表すグラフ。

１：マイクロストリップ線路、２：誘電体基板、３：金属キャップ、４：平板状フェライト（ＹＩＧフェライト単結晶体）、５：平板状誘電体、６：接地導体、７：永久磁石、８：中心接合部、９：無導体部、１１：伝送領域、１２：ジャイロ磁気領域、１００：非可逆回路素子、２００：非可逆回路素子、３００：非可逆回路素子、４００：非可逆回路素子

Claims

表面にＹ字型の中心接合部を有するマイクロストリップ線路と、裏面に接地導体とが設けられた誘電体基板と、前記誘電体基板の表面側に設けられ、少なくとも前記中心接合部を覆う金属キャップとを有する非可逆回路素子であって、前記マイクロストリップ線路上の信号伝送方向を非可逆的に設定するジャイロ磁気領域を、前記金属キャップと前記マイクロストリップ線路とで囲われた領域に発生させるジャイロ磁気領域発生部材をさらに有し、前記ジャイロ磁気領域発生部材は、平板状誘電体と平板状フェライトからなり、前記マイクロストリップ線路上に前記平板状誘電体を積層し、前記平板状誘電体の上に前記平板状フェライトを積層した構造であり、前記誘電体基板の裏面に設けられた接地導体は、前記誘電体基板の表面の前記金属キャップで覆われた領域に対向する部分の少なくとも一部に無導体部が設けられていることを特徴とする非可逆回路素子。
前記ジャイロ磁気領域発生部材は、さらに積層配設された平板状永久磁石を有する、ことを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
前記金属キャップと前記誘電体基板の接地導体とは電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２記載の非可逆回路素子。
前記金属キャップは、軟磁性材料からなる、ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の非可逆回路素子。
前記金属キャップは、マイクロストリップ線路に対向する縁部に切り込みを有する、ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の非可逆回路素子。