JP5233635B2 - 非可逆回路素子 - Google Patents

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Description

本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に関する。
従来より、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、自動車電話、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。
一般に、この種の非可逆回路素子では、互いに絶縁状態で交差する複数の中心電極をフェライトに形成し、該フェライトに永久磁石から直流磁界を印加して中心電極を結合させており、さらにコンデンサや抵抗を含む整合用回路素子を備えている。特許文献1には、フェライトに第1中心電極及び第2中心電極を巻回した状態で配置し、第2中心電極の巻回数を多くすることで大きなインダクタンスを得、挿入損失が低く、広帯域な通過特性を実現した2ポート型アイソレータが記載されている。しかし、この2ポート型アイソレータにおいては、広帯域な通過特性であるがゆえに高調波帯域を減衰させる特性は実現できていない。
特開2007−208943号公報
そこで、本発明の目的は、高調波減衰特性の良好な非可逆回路素子を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の一形態である非可逆回路素子は、
入力端子及び出力端子と、
永久磁石と、
前記永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、
前記フェライトに互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極と、
コンデンサを含む整合用回路素子と、
前記入力端子及び前記出力端子の間に配置され、動作の基本波帯の信号を通過させずに高調波帯の信号を逆相にして通過させるLC共振回路と、
前記整合用回路素子の少なくとも一部及び前記LC共振回路のインダクタと並列コンデンサとを内蔵した積層回路基板と、
を備え、
前記積層回路基板はインダクタ形成層とコンデンサ形成層とを含み、
前記LC共振回路のインダクタは前記インダクタ形成層の一主面に電極線路として形成され、前記LC共振回路の並列コンデンサは該電極線路とインダクタ形成層の他主面に形成された電極との間に形成されており、
前記インダクタ形成層の誘電率が前記コンデンサ形成層の誘電率よりも小さいこと、
を特徴とする。
また、本発明の他の形態である非可逆回路素子は、前記インダクタ形成層の厚みが前記コンデンサ形成層の厚みよりも大きいこと、を特徴とする。
前記非可逆回路素子において、LC共振回路はトラップ回路として機能し、不要な高調波を減衰させる。特に、積層回路基板のインダクタ形成層の誘電率がコンデンサ形成層の誘電率よりも小さいため、あるいは、インダクタ形成層の厚みがコンデンサ形成層の厚みよりも大きいため、LC共振回路の並列コンデンサの容量値が小さくなり、インダクタの特性インピーダンスが大きくなる。これにて、インダクタのインダクタンス値が大きくなり、LC共振回路を通過する高調波帯域が広がり、良好な高調波減衰特性が得られる。
また、整合用回路素子を構成するコンデンサを多層回路基板の薄くて誘電率の高いコンデンサ形成層に形成するので、コンデンサ電極を小サイズで形成でき、非可逆回路素子の小型化を図ることができる。
本発明によれば、良好な高調波減衰特性を得ることができ、かつ、非可逆回路素子を小型化することができる。
以下、本発明に係る非可逆回路素子の実施例について添付図面を参照して説明する。
(非可逆回路素子の構成)
本発明に係る非可逆回路素子の一実施例である2ポート型アイソレータの分解斜視図を図1に示す。この2ポート型アイソレータは、集中定数型アイソレータであり、概略、回路基板20と、フェライト32と一対の永久磁石41とからなるフェライト・磁石素子30と、平板状ヨーク10とで構成されている。
フェライト32には、図2に示すように、表裏の主面32a,32bに、絶縁材34A,34Bにて互いに電気的に絶縁された第1中心電極35及び第2中心電極36が形成されている。ここで、フェライト32は互いに平行な第1主面32a及び第2主面32bを有する直方体形状をなしている。
また、永久磁石41はフェライト32に対して磁界を主面32a,32bに垂直方向に印加するように主面32a,32bに対向して、例えば、エポキシ系の接着剤42(図1参照)を介して接着され、フェライト・磁石素子30を形成している。永久磁石41の主面はフェライト32の主面32a,32bと同一寸法であり、互いの外形が一致するように主面どうしを対向させて配置されている。
第1中心電極35は導体膜にて形成されている。即ち、図2に示すように、この第1中心電極35は、フェライト32の下面に形成された接続用電極35aに接続された状態で第1主面32aにおいて左下から立ち上がってほぼ水平方向に形成され、右上方に立ち上がって上面の中継用電極35bを介して第2主面32bに回り込む。第2主面32bにおいて、第1中心電極35は、第1主面32aと透視状態でほぼ重なるように形成され、その端部は下面に形成された接続用電極35cに接続されている。このように、第1中心電極35はフェライト32に1ターン巻回されている。そして、第1中心電極35と第2中心電極36とは、間に絶縁材34A,34Bが形成されて互いに絶縁された状態で交差している。中心電極35,36の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。
第2中心電極36は導体膜にて形成されている。この第2中心電極36は、まず、0.5ターン目36aがフェライト32の下面に形成された接続用電極35cと接続された状態で第2主面32bにおいて第1中心電極35と斜めに交差する状態で立ち上がり、上面の中継用電極36bを介して第1主面32aに回り込み、1ターン目36cが第1主面32aにおいて第1中心電極35と直交する状態で形成されている。1ターン目36cの下端部は下面の中継用電極36dを介して第2主面32bに回り込み、1.5ターン目36eが第2主面32bにおいて立ち上がり、上面の中継用電極36fを介して第1主面32aに回り込んでいる。以下同様に、2ターン目36g、中継用電極36h、2.5ターン目36i、中継用電極36j、3ターン目36kがフェライト32の表面にそれぞれ形成されている。3ターン目36kの下端部はフェライト32の下面に形成した接続用電極36lに接続されている。
前記接続用電極35a,35c,36lや中継用電極35b,36b,36d,36f,36h,36jは、フェライト32の上下面に形成された凹部に電極用導体を塗布又は充填して形成されている。この種の電極は、マザーフェライト基板に予めスルーホールを形成し、このスルーホールを電極用導体で充填した後、スルーホールを分断する位置でカットすることによって形成される。なお、各種電極はスルーホールに導体膜として形成したものであってもよい。また、多数個取りの手法で製作される場合、マザーフェライト基板に接着剤を介してマザー永久磁石をも積層した状態でカットされることもある。
フェライト32としてはYIGフェライトなどが用いられる。第1及び第2中心電極35,36や各種電極は銀や銀合金の厚膜又は薄膜として印刷、転写、フォトリソグラフやめっきなどの工法で形成することができる。中心電極35,36の絶縁材34A,34Bとしてはガラスやアルミナなどの誘電体厚膜、ポリイミドなどの樹脂膜を用いることができる。これらも印刷、転写、フォトリソグラフなどの工法で形成することができる。
永久磁石41は、通常、ストロンチウム系、バリウム系、ランタン−コバルト系のフェライトマグネットが用いられる。永久磁石41とフェライト32とを接着する接着剤42としては、一液性の熱硬化型エポキシ接着剤を用いることが最適である。
回路基板20は、複数枚の誘電体シート上に所定の電極を形成して積層し、焼結した多層の積層型基板であり、その内部には、等価回路である図3に示すように、整合用コンデンサC1,C2,Cs1,Cs2、及び、LC共振回路40を構成するコンデンサCh1,Ch2とインダクタL3と並列コンデンサL3Cが内蔵されている。また、上面には入力端子電極25、出力端子電極26及びグランド端子電極27が、下面には外部接続用入力端子電極IN、外部接続用出力端子電極OUT及び外部接続用グランド端子電極GNDがそれぞれ形成されている。なお、等価回路に示されている終端抵抗Rはチップ型電子部品として回路基板20上に外付けされている。
平板状ヨーク10は、電磁シールド機能を有するもので、前記フェライト・磁石素子30の上面に接着剤を介して固定されている。
(等価回路)
ここで、前記アイソレータの一回路例を図3の等価回路を参照して説明する。外部接続用入力端子電極INは整合用コンデンサCs1を介して入力ポートA(入力端子電極25)に接続され、該入力ポートAは整合用コンデンサC1と終端抵抗Rとに接続されるとともに、第1中心電極35の一端(電極35a)が接続されている。第1中心電極35の他端及び第2中心電極36の一端(電極35c)は、出力ポートB(出力端子電極26)に接続されるとともに、終端抵抗R及びコンデンサC1,C2に接続され、かつ、コンデンサCs2を介して外部接続用出力端子電極OUTに接続されている。第2中心電極36の他端(電極36l)及びコンデンサC2はグランドポートC(グランド端子電極27)に接続され、かつ、外部接続用グランド端子電極GNDに接続されている。
また、外部接続用入力端子電極INと外部接続用出力端子電極OUTとの間に、LC共振回路40が挿入されている。LC共振回路40はインダクタL3と、並列コンデンサL3Cと、直列コンデンサCh1,Ch2とからなり、インダクタL3と並列コンデンサL3Cは外部接続用グランド端子電極GNDに接続されている。
前記フェライト・磁石素子30は、回路基板20上にフェライト32の主面32a,32bが垂直方向に位置するように載置され、フェライト32の下面に形成した接続用電極35a,35c,36lが回路基板20上の端子電極25,26,27とリフローはんだ付けによって一体化される。また、チップ型抵抗素子Rは端子電極25,26にリフローはんだ付けによって一体化される。
(非可逆回路素子の動作)
以上の構成からなる2ポート型アイソレータにおいては、第1中心電極35の一端が入力ポートAに接続され他端が出力ポートBに接続され、第2中心電極36の一端が出力ポートBに接続され他端がグランドポートCに接続されているため、広帯域で挿入損失の小さな2ポート型の集中定数型アイソレータとすることができる。さらに、動作時において、第2中心電極36に大きな高周波電流が流れ、第1中心電極35にはほとんど高周波電流が流れない。
また、フェライト・磁石素子30は、フェライト32と一対の永久磁石41が接着剤42で一体化されていることで、機械的に安定となり、振動や衝撃で変形・破損しない堅牢なアイソレータとなる。
(高調波の減衰)
前記LC共振回路40は、移送器とフィルタの機能を有するトラップ回路であり、動作の基本波帯の信号を通過させずに高調波帯の信号を逆相にして通過させる。LC共振回路40を通過した不要波は出力側においてアイソレータを通過した不要波とは逆相となり、互いに打ち消し合うことで不要波(高調波)が減衰する。
(回路基板の構造)
ここで、回路基板20の多層構造について図4を参照して説明する。回路基板は誘電体シート51〜55を積層したもので、上から1枚目のシート51上には端子電極25,26,27とビアホール導体71a,71b,71cが形成されている。2枚目のシート52上にはコンデンサ電極61,62,63とビアホール導体72a,72bが形成されている。3枚目のシート53上にはコンデンサ電極64,65とビアホール導体73aが形成されている。4枚目のシート54上にはコンデンサ電極66,67,68とビアホール導体74a,74b,74cが形成されている。5枚目のシート55上には電極線路69とビアホール導体75a,75b,75cが形成されている。5枚目のシート55の裏面には端子電極IN,OUT,GNDが形成されている。
1層目の端子電極25はビアホール導体71aを介して2層目の電極62と接続されるとともにビアホール導体72aを介して3層目の電極64と接続されている。4層目の電極66はビアホール導体74aと5層目のビアホール導体75aを介して6層目の端子電極INと接続されている。
1層目の端子電極26はビアホール導体71bを介して2層目の電極61と接続されている。4層目の電極67はビアホール導体74bと5層目のビアホール導体75bを介して6層目の端子電極OUTと接続されている。
1層目の端子電極27はビアホール導体71cを介して2層目の電極63と接続されている。この電極63はビアホール導体72bと3層目のビアホール導体73aを介して4層目の電極68と接続されている。この電極68はビアホール導体74cを介して5層目の電極線路69と接続されている。さらに、電極線路69はビアホール導体75cを介してグランド端子電極GNDと接続されている。
以上の積層構造にあっては、コンデンサC1は電極61,64間及び電極62,65間に形成され、コンデンサC2は電極65,68間に形成されている。コンデンサCs1は電極64,66間に形成され、コンデンサCs2は電極65,67間に形成されている。コンデンサCh1は電極66,69間に形成され、コンデンサCh2は電極67,69間に形成されている。
一方、インダクタL3は電極線路69にて形成され、この電極線路69と外部接続用グランド端子電極GNDとの間に並列コンデンサL3Cが形成されている。
(高調波の減衰作用)
ところで、LC共振回路40を構成するインダクタL3(電極線路69)の特性インピーダンスL3Z0は、インダクタL3の単位長さ当たりのインダクタンス値L3Laと、インダクタL3(電極線路69)とグランド端子電極GNDとの間に形成される単位長さ当たりのコンデンサの容量値L3Caとで決まり、L3Z0=√(L3La/L3Ca)で表される。インダクタ形成層(シート55)の誘電率が小さいか、及び/または、インダクタ形成層(シート55)の厚みが大きいと、容量値L3Caが小さくなり、特性インピーダンスL3Z0が大きくなる。ここで、インダクタL3(電極線路69)のインダクタンス値をL3Lとし、電気長をL3Eとし、リアクタンス値をL3X(=ω(角周波数)×L3L)とすると、L3X(=ω(角周波数)×L3L)=L3Z0×tan(L3E)と表されるので、インダクタンス値L3Lが大きくなる。これにより、LC共振回路40を通過する高調波の信号の帯域幅が広がり、高調波の減衰帯域が広がるので、優れた高調波減衰特性が得られる。
また、整合用コンデンサを薄くて誘電率の高い層に形成するので、整合用コンデンサの電極を小サイズに形成でき、インダクタL3を厚くて誘電率が低い層に形成してもアイソレータを小型化することができる。
また、トラップ用コンデンサCh1,Ch2は、その容量値が小さいため(およそ1pF以下)、共振点付近の周波数におけるLC共振回路40のインピーダンスは高く、ほぼオープンとみなせる。それゆえ、LC共振回路40の挿入損失に対する影響は実用上問題のないレベルに抑制される。
また、インダクタの形成層が回路基板20の実装面側(最下層)に積層されており、アイソレータが搭載されるプリント配線回路基板のグランドと整合用コンデンサの形成層との距離が大きくなり、浮遊容量が低減するので、高性能で特性のばらつきの小さいアイソレータとすることができる。
(回路基板の厚み及び誘電率)
回路基板20の厚み及び誘電率は、図5に示すような種々の形態を採用できる。図5(A)は、各シート51〜55の厚みを同一にし、インダクタ形成層の誘電率をコンデンサ形成層の誘電率よりも小さくしたもので、コンデンサ形成層の厚みt1とインダクタ形成層の厚みt2は、t1>t2の関係にある。例えば、コンデンサ形成層の誘電率εr1は8、インダクタ形成層の誘電率εr2は5であり、コンデンサ形成層の厚みは100μm、インダクタ形成層の厚みは25μmである。
図5(B)は、コンデンサ形成層の厚みt1とインダクタ形成層の厚みt2を同じ(t1=t2)にし、インダクタ形成層の誘電率をコンデンサ形成層の誘電率よりも小さくしたものである。例えば、コンデンサ形成層及びインダクタ形成層の厚みはそれぞれ50μm、コンデンサ形成層の誘電率εr1は8、インダクタ形成層の誘電率εr2は5である。
図5(C)はコンデンサ形成層の厚みt1とインダクタ形成層の厚みt2を、t1<t2の関係とし、インダクタ形成層の誘電率をコンデンサ形成層の誘電率と同じかそれよりも小さくしたものである。例えば、コンデンサ形成層の厚みt1は50μm、インダクタ形成層の厚みt2は100μm又は75μm、コンデンサ形成層の誘電率εr1は8、インダクタ形成層の誘電率εr2は5又は8である。
(高調波減衰特性)
次に、前記2ポート型アイソレータにおいてLC共振回路40を付加したことによる高調波減衰特性について図6、図7及び図8を参照して説明する。
図6は、コンデンサ形成層の厚みt1を100μm、インダクタ形成層の厚みt2を25μmとし、コンデンサ形成層の誘電率εr1を8とし、インダクタ形成層の誘電率εr2を5,8,12,16と変えた場合の高調波減衰特性を示す。この場合、インダクタ形成層の誘電率εr2が5のときに良好な特性を示している。
図7は、コンデンサ形成層の誘電率εr1とインダクタ形成層の誘電率εr2を8とし、コンデンサ形成層の厚みt1を50μmとし、インダクタ形成層の厚みt2を100μm、75μm、50μm、25μmと変えた場合の高調波減衰特性を示す。この場合、インダクタ形成層の厚みt2が100μm、75μm、50μmのときに良好な特性を示している。
図8は、コンデンサ形成層の誘電率εr1を8とし、インダクタ形成層の誘電率εr2を5とし、コンデンサ形成層の厚みt1を50μmとし、インダクタ形成層の厚みt2を100μm、75μm、50μm、25μmと変えた場合の高調波減衰特性を示す。この場合、インダクタ形成層の厚みt2が100μm、75μm、50μmのときに良好な特性を示している。
(他の実施例)
なお、本発明に係る非可逆回路素子は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
例えば、永久磁石41のN極とS極を反転させれば、入力ポートAと出力ポートBが入れ替わる。また、整合用回路は図3に示したもの以外に種々の回路構成を採用することができる。
また、非可逆回路素子としては2ポート型アイソレータ以外に3ポート型アイソレータであってもよい。さらに、フェライト・磁石素子は、回路基板上にフェライトの主面を垂直に配置する実装形態以外に、フェライトの主面を回路基板上に平行に配置する実装形態であってもよい。さらに、整合用回路素子を構成するコンデンサC1,C2,Cs1,Cs2及びトラップ用コンデンサCh1,Ch2の少なくとも一つはチップ型素子として回路基板上に外付けされていてもよい。トラップ用コンデンサCh1,Ch2はその容量値が小さいため(およそ1pF以下)誘電率の小さいインダクタ形成層に形成してもよい。終端抵抗Rが回路基板に内蔵されていてもよい。
本発明の一実施例である非可逆回路素子(2ポート型アイソレータ)を示す分解斜視図である。 中心電極付きフェライトを示す分解斜視図である。 2ポート型アイソレータの一回路例を示す等価回路図である。 回路基板の構成を示す分解斜視図である。 回路基板のコンデンサ形成層及びインダクタ形成層の厚みを示す説明図である。 インダクタ形成層の誘電率を変化させた場合の高調波減衰特性を示すグラフである。 インダクタ形成層の厚みを変化させた場合の高調波減衰特性を示すグラフである。 インダクタ形成層の厚みを変化させた場合の高調波減衰特性を示すグラフである。
符号の説明
20…回路基板
30…フェライト・磁石素子
32…フェライト
35…第1中心電極
36…第2中心電極
40…LC共振回路
41…永久磁石
IN…外部接続用入力端子電極
OUT…外部接続用出力端子電極
GND…外部接続用グランド端子電極
C1、C2,Cs1,Cs2…整合用コンデンサ
R…終端抵抗
L3…インダクタ
L3C…並列コンデンサ

Claims (7)

  1. 入力端子及び出力端子と、
    永久磁石と、
    前記永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、
    前記フェライトに互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極と、
    コンデンサを含む整合用回路用素子と、
    前記入力端子及び前記出力端子の間に配置され、動作の基本波帯の信号を通過させずに高調波帯の信号を逆相にして通過させるLC共振回路と、
    前記整合用回路素子の少なくとも一部及び前記LC共振回路のインダクタと並列コンデンサとを内蔵した積層回路基板と、
    を備え、
    前記積層回路基板はインダクタ形成層とコンデンサ形成層とを含み、
    前記LC共振回路のインダクタは前記インダクタ形成層の一主面に電極線路として形成され、前記LC共振回路の並列コンデンサは該電極線路とインダクタ形成層の他主面に形成された電極との間に形成されており、
    前記インダクタ形成層の誘電率が前記コンデンサ形成層の誘電率よりも小さいこと、
    を特徴とする非可逆回路素子。
  2. 前記インダクタ形成層の厚みが前記コンデンサ形成層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の非可逆回路素子。
  3. 入力端子及び出力端子と、
    永久磁石と、
    前記永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、
    前記フェライトに互いに電気的に絶縁状態で交差して配置された複数の中心電極と、
    コンデンサを含む整合用回路用素子と、
    前記入力端子及び前記出力端子の間に配置され、動作の基本波帯の信号を通過させずに高調波帯の信号を逆相にして通過させるLC共振回路と、
    前記整合用回路素子の少なくとも一部及び前記LC共振回路のインダクタと並列コンデンサとを内蔵した積層回路基板と、
    を備え、
    前記積層回路基板はインダクタ形成層とコンデンサ形成層とを含み、
    前記LC共振回路のインダクタは前記インダクタ形成層の一主面に電極線路として形成され、前記LC共振回路の並列コンデンサは該電極線路とインダクタ形成層の他主面に形成された電極との間に形成されており、
    前記インダクタ形成層の厚みが前記コンデンサ形成層の厚みよりも大きいこと、
    を特徴とする非可逆回路素子。
  4. 前記インダクタ形成層は前記積層回路基板の実装面側に積層されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  5. 前記インダクタ形成層の他主面に形成されたコンデンサ電極は外部接続用端子電極であることを特徴とする請求項4に記載の非可逆回路素子。
  6. 前記外部接続用端子電極はグランド端子電極であることを特徴とする請求項5に記載の非可逆回路素子。
  7. 前記フェライトの対向する主面を一対の永久磁石で挟着してフェライト・磁石素子を形成し、このフェライト・磁石素子を前記積層回路基板上にフェライトの主面が積層回路基板の表面に対して垂直に位置するように実装したこと、を特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の非可逆回路素子。
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