JP5874709B2 - 非可逆回路素子、そのモジュール及び送受信モジュール - 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、そのモジュール及び該非可逆回路素子を備えた送受信モジュールに関する。
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、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部や受信回路部に使用されている。
この種の非可逆回路素子(2ポート型アイソレータ)としては、特許文献1に記載のものが知られている。このアイソレータは図18に示す等価回路からなる。即ち、フェライト32の表面に第1中心電極35(インダクタL1)及び第2中心電極36(インダクタL2)を互いに絶縁状態で交差して配置し、入力ポートP1に接続された第1中心電極35の一端と、出力ポートP2に接続された第2中心電極36の一端との間に、互いに並列に接続されているコンデンサC1と抵抗Rが接続され、かつ、第2中心電極36と並列にコンデンサC2が接続されている。なお、コンデンサCs1,Cs2は入力及び出力のインピーダンスを整合するためのものである。
前記等価回路からなる2ポート側アイソレータは、図19に示す特性を有している。図19の曲線Y1は入力ポートP1から出力ポートP2への順方向通過特性(挿入損失特性)を示し、曲線Y2は出力ポートP2から入力ポートP1への逆方向減衰特性(アイソレーション特性)を示している。挿入損失は曲線Y1から明らかなように広帯域で低損失な特性をしているが、アイソレーションは曲線Y2から明らかなように比較的狭く、近年の移動体通信において使用される広帯域な周波数バンドや複数の周波数バンドへの対応が次第に困難になっている。
また、この種のアイソレータは送信回路部に用いられているが、送受信回路部に用いることができれば、回路構成を小型化することが可能である。
特許第4508192号公報
本発明の目的は、広帯域にわたって良好なアイソレーション特性を得ることができ、かつ、送受信回路部にも使用可能な非可逆回路素子及びそのモジュールを提供することにある。また、本発明の目的は、一つの非可逆回路素子を用いた送受信モジュールを提供することにある。
本発明の第1の形態である非可逆回路素子は、
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絶縁状態で交差して配置された第1中心電極及び第2中心電極と、
を備え、
第1中心電極は、一端が第1ポートに接続され、他端が第2ポートに接続され、
第2中心電極は、一端が第2ポートに接続され、他端がグランドポートに接続され、
第1ポートと第2ポートとの間に互いに並列に接続されている第1容量及び抵抗が接続され、
第2ポートとグランドポートとの間に第2容量が接続され、
第1ポート又は第2ポートと前記抵抗との間に少なくとも一つのフィルタの入出力端子が接続され、かつ、該フィルタのグランド端子は第2ポート又は第1ポートに接続されていること、
を特徴とする。
本発明の第2の形態である非可逆回路素子モジュールは、前記非可逆回路素子が基板に搭載されていること、を特徴とする。
本発明の第3の形態である送受信モジュールは、送信信号を通過させ、受信帯域信号を減衰させるフィルタを備えた前記非可逆回路素子と、送信信号及び受信信号を分岐させる分岐回路素子とが基板に搭載されていること、を特徴とする。
前記非可逆回路素子においては、順方向通過特性が広帯域で低損失であるとともに、広帯域なフィルタを使用することにより、逆方向特性の広帯域化が図られる。これにて、動作帯域の広いバンドやマルチバンドの送信回路部に使用することが可能な非可逆回路素子を得ることができる。
また、送信帯域信号を通過させ、受信帯域信号を減衰させるフィルタを備えることにより、順方向においては送信周波数帯信号を通過させ、逆方向においては送信周波数帯信号を内部の抵抗で吸収し減衰させるが、受信周波数帯信号は通過する。よって、この非可逆回路素子をアンテナと送受分岐回路素子(デュプレクサ、サーキュレータ、表面弾性波素子など)との間に挿入することが可能となる。つまり、アンテナで反射した送信波が受信側へ回り込むことが抑制される。
本発明によれば、広帯域にわたって良好なアイソレーション特性を得ることができ、かつ、送受信回路部にも使用可能である。
基本的な形態である非可逆回路素子の等価回路を示し、(A)は第1基本例、(B)は第2基本例である。 送受信モジュールを示す等価回路図である。 非可逆回路素子の第1実施例を示す等価回路図である。 第1実施例を構成するフェライト・磁石組立体を示す斜視図である。 第1実施例の外観を示し、(A)は第1例、(B)は第2例である。 送受信モジュールの一例を示す外観斜視図である。 第1のフィルタの特性を示すグラフである。 第1のフィルタを用いた第1実施例での特性を示すグラフである。 第2のフィルタの特定を示すグラフである。 第2のフィルタを用いた第1実施例での特性を示すグラフである。 非可逆回路素子の第2実施例の等価回路図を示し、(A)は基本形態、(B)は応用形態である。 第3及び第4のフィルタを用いた第2実施例での特性を示すグラフである。 第4及び第5フィルタを用いた第2実施例での特性を示すグラフである。 非可逆回路素子の第3実施例の等価回路図を示し、(A)は基本形態、(B)は応用形態である。 第3のフィルタの特定を示すグラフである。 第4のフィルタの特定を示すグラフである。 第5のフィルタの特定を示すグラフである。 先行技術である2ポート型アイソレータの等価回路図である。 前記2ポート型アイソレータの特性を示すグラフである。
以下、本発明に係る非可逆回路素子、そのモジュール及び送受信モジュールの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部材、部分には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
(基本的形態、図1参照)
図1(A)は非可逆回路素子の第1基本例を示し、フェライト32に、インダクタL1を構成する第1中心電極35とインダクタL2を構成する第2中心電極36とを互いに絶縁状態で交差させて配置したものである。第1中心電極35の一端を第1ポートP1とし、他端を第2ポートP2とする。第2中心電極36の一端は第2ポートP2に接続され、他端はグランドポートP3に接続されている。第1ポートP1と第2ポートP2との間には、第1中心電極35と並列に接続された整合用コンデンサC1と抵抗R1とが接続されている。また、第2ポートP2とグランドポートP3との間には第2中心電極36と並列に整合用コンデンサC2が接続されている。
さらに、フィルタ(バンドパスフィルタ)F1が設けられている。フィルタF1は入出力端子51,52、グランド端子53を有し、入出力端子51は抵抗R1に接続され、入出力端子52は第2ポートP2に接続され、グランド端子53は第1ポートP1に接続されている。
以上の回路構成からなる非可逆回路素子においては、外部端子INから第1ポートP1に高周波電流が入力される(順方向)と、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ず、挿入損失が小さく、広帯域で動作する。この動作時において、抵抗R1やフィルタF1にも高周波電流はほとんど流れないため、これらでの損失は無視でき、挿入損失が増大することはない。
一方、外部端子OUTから第2ポートP2に高周波信号が入力される(逆方向)と、該信号は抵抗R1で吸収減衰される。フィルタF1として、非可逆回路素子の通過帯域において第1ポートP1及び第2ポートP2と整合のとれた広帯域な特性のものを使用することにより、逆方向特性が広帯域化する。このような非可逆回路素子を、デュプレクサなどの送受分岐部とパワーアンプとの間に配置した場合、アイソレーション特性が広帯域に向上することで、逆方向の電力をパワーアンプ側に通過させず、パワーアンプの動作が安定化する。そして、動作帯域の広いバンドやマルチバンドの送信回路部に使用することができる。
また、このような非可逆回路素子を送信回路、受信回路とアンテナとの間に配置する場合、フィルタF1として、送信帯域信号を通過させ、受信帯域信号を減衰させる特性のものを使用することにより、順方向においては送信周波数帯信号を通過させ、逆方向においては送信周波数帯信号を内部の抵抗R1で吸収し減衰させるが、受信周波数帯信号は通過する。
図1(B)は、非可逆回路素子の第2基本例を示し、フィルタF1の入出力端子51は抵抗R1に接続され、入出力端子52は第1ポートP1に接続され、グランド端子53は第2ポートP2に接続されている。この第2基本例の他の構成は前記第1基本例と同様であり、その作用効果も基本的には第1基本例を同様である。
(送受信回路、図2参照)
前記非可逆回路素子を、図2に示すように、アンテナANTと送受分岐回路素子(デュプレクサDPX、図示しないサーキュレータや表面弾性波素子など)との間に挿入して送受信回路を構成することができる。図2において、Rxは比較的高い周波数帯での受信部であり、Txは比較的低い周波数帯での送信部である。ここでは、アンテナANTで反射した送信波が受信部Rxへ回り込むことが抑制される。
(第1実施例、図3及び図4参照)
第1実施例である非可逆回路素子は、図3の等価回路に示すように、基本的には前記第1基本例の回路構成を備え、フィルタF1の入出力端子51と抵抗R1との間にリアクタンス素子X1が接続され、入出力端子52と第2ポートP2との間にリアクタンス素子X2が接続されている。また、第1ポートP1と外部端子INとの間に整合用コンデンサCs1が接続され、第2ポートP2と外部端子OUTとの間に整合用コンデンサCs2が接続されている。
ここで、図3に示す非可逆回路素子における要部の構成について、図4を参照して説明する。この非可逆回路素子は、フェライト32の表裏面にそれぞれ永久磁石41を接着剤42を介して貼着したフェライト・磁石組立体30を備えている。第1中心電極35はフェライト32の表裏面に1ターン巻回されており、一端電極35aが第1ポートP1であり、他端電極35bが第2ポートP2である。第2中心電極36はフェライト32の表裏面に第1中心電極35と所定の角度で絶縁状態を保って交差して4ターン巻回されている。なお、この巻回数は任意である。第2中心電極36の一端は前記電極35bと共通(第2ポートP2)であり、他端電極36aが第3ポートP3である。なお、図4では煩雑さをさけるためにフェライト32の背面側の電極は図示を省略している。
(モジュール、図5及び図6参照)
図5(A)は非可逆回路素子をモジュール化した第1例を示し、LTCCやPCBからなるベース基板60上に前記フェライト・磁石組立体30、フィルタF1、チップタイプの抵抗R1が搭載されている。ベース基板60は多層基板であり、コンデンサなどの素子は多層のベース基板60に内蔵されている。
図5(B)は非可逆回路素子をモジュール化した第2例を示し、ここではフィルタF1もベース基板60に内蔵している。
図6は図2に示した送受信回路をモジュール化したものを示し、LTCCやPCBからなるベース基板65上に前記フェライト・磁石組立体30、フィルタF1、チップタイプの抵抗R1に加えて、送受信用IC66、分岐回路素子(デュプレクサDPX)、チップタイプの各種電子素子などが搭載されている。
(第1実施例での特性1、図7及び図8参照)
以下に、前記第1実施例において、フィルタF1として図7に示す特性を有する第1のフィルタを使用した場合の特性1を図8に示す。なお、比較のために図19に示した特性は、フィルタF1やリアクタンス素子X1,X2以外を同じ数値としたものである。
インダクタL1: 7nH
インダクタL2: 17nH
コンデンサC1: 3.7pF
コンデンサC2: 1.8pF
コンデンサCs1: 1.8pF
コンデンサCs2: 2pF
抵抗R1: 50Ω
リアクタンス素子X1: 0nH(直結)
リアクタンス素子X2: 2pF
第1のフィルタの特性を示す図7において、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bは反射特性を示している。この場合の非可逆回路素子としての特性1は、図8に示すとおりであり、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bはアイソレーション特性を示している。逆方向から高周波信号が入力された場合、第1中心電極35(インダクタL1)とコンデンサC1とで構成するLC並列共振回路に加えて、フィルタF1とリアクタンス素子X1,X2とで構成する並列共振回路のインピーダンス特性により抵抗R1と広帯域に整合され、アイソレーション特性が向上する。アイソレーションが−12dBを確保できる帯域幅は、図19の従来例では173MHzであるのに対して第1のフィルタを使用した場合には226MHzである。
一方、順方向から高周波信号が入力された場合、前記LC並列共振回路にはほとんど高周波信号は流れないので、LC並列共振回路による挿入損失の劣化は無視できるレベルであり、優れた特性の非可逆回路素子が得られる。
(第1実施例での特性2、図9及び図10参照)
次に、前記第1実施例において、フィルタF1として図9に示す特性を有する第2のフィルタを使用した場合の特性2を図10に示す。フィルタ以外の数値は前記特性1で示したとおりである。
第2のフィルタの特性を示す図9において、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bは反射特性を示している。即ち、第2のフィルタは、送信帯域信号(1920−1980MHz)を減衰させ、受信帯域信号(2110−2170MHz)を通過させる反射特性を有している。この場合の非可逆回路素子としての特性2は、図10に示すとおりであり、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bはアイソレーション特性を示している。順方向においては送信周波数帯信号を通過させる。逆方向においては送信周波数帯信号を抵抗R1で吸収し減衰させるが、受信周波数帯信号は通過する。
1920−1980MHz帯域において、図19の従来例においては順方向挿入損失が−0.56dBであったのが、この特性2においては−0.51dBに向上している。また、従来例においては、1920−1980MHz帯域での逆方向挿入損失が−18.6dBであったが、この特性2においては−13.73dBに減少しているが、使用上の問題となる変化量ではない。また、2110−2170MHz帯域において、図19の従来例においては逆方向挿入損失が−7.9dBであったが、この特性2においては−1.42dBに向上している。
携帯端末では一般にアンテナのインピーダンスの変動によりアンテナ整合が不安定である。このため、送信波のアンテナでの反射波が受信側へ回り込むことが問題となる。デュプレクサとアンテナとの間にアイソレータを挿入することが考えられるが、同一のアンテナで受信も行われているため、従来のアイソレータでは受信信号も吸収してしまい、受信感度が著しく劣化してしまう。それゆえ、アンテナと送受分岐ポイントとの間には従来のアイソレータを配置することはできなかった。しかし、前記特性2を有する非可逆回路素子においては、図2に示したように、アンテナANTとデュプレクサDPXとの間に挿入することができ、送受信モジュールが小型化される。
(第2実施例、図11〜図13参照)
第2実施例である非可逆回路素子は、図11(A)の等価回路に示すように、図3に示した第1実施例に対して、抵抗R2とフィルタF2とを抵抗R1とフィルタF1に対して並列に接続したものである。フィルタF2の入出力端子51,52にはリアクタンス素子X3,X4を設けてもよい。
より具体的には、図11(B)に示すように、リアクタンス素子X2としてコンデンサC3を用い、リアクタンス素子X4としてコンデンサC4を用いてその特性をシミュレートした。特性のシミュレートに用いたフィルタは図15に示す特性を有する第3のフィルタ、図16に示す特性を有する第4のフィルタ、図17に示す特性を有する第5のフィルタである。図15、図16、図17において、それぞれ、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bはアイソレーション特性を示している。
フィルタF1として図15に示す第3のフィルタを使用するとともに、フィルタF2として図16に示す第4のフィルタを使用した場合の非可逆回路素子としての特性3は、図12に示すとおりである。図12において、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bはアイソレーション特性を示している。特性3は以下の数値の素子を使用している。
インダクタL1: 7nH
インダクタL2: 17nH
コンデンサC1: 3.2pF
コンデンサC2: 1.8pF
コンデンサCs1: 1.8pF
コンデンサCs2: 2pF
抵抗R1: 50Ω
抵抗R2: 50Ω
コンデンサC3: 1.5pF
コンデンサC4: 1.4pF
第3のフィルタはバンドパスフィルタであり、その低周波側及び高周波側のカットオフ周波数はそれぞれ1805MHzと1880MHzである。第4のフィルタはバンドパスフィルタであり、その低周波側及び高周波側のカットオフ周波数はそれぞれ1920MHzと1980MHzである。第3のフィルタの通過帯域の中心周波数は第4のフィルタの通過帯域の中心周波数よりも低い。第3のフィルタの高周波側のカットオフ周波数と第4のフィルタの低周波側のカットオフ周波数の差は40MHzであり、周波数軸上で近接している。
このように、高周波側のカットオフ周波数と低周波側のカットオフ周波数とが周波数軸上で近接している複数のフィルタを用いることでも非可逆回路素子の逆方向特性を広帯域にできる。図12に示すとおり、第2実施例である非可逆回路素子は1840〜1950MHzの広い周波数帯域にわたって、−10dB以下のアイソレーション特性を有している。
前述のような複数のフィルタを用いる構成は、送信で用いる所定の周波数帯域が複数あり、かつ、周波数軸上で近接し、一つのフィルタを全て通過帯域に含めることができない場合に有用である。
フィルタF1として図16に示す第4のフィルタを使用するとともに、フィルタF2として図17に示す第5のフィルタを使用した場合の非可逆回路素子としての特性4は、図13に示すとおりである。図13において、曲線Aは挿入損失特性を示し、曲線Bはアイソレーション特性を示している。
第5のフィルタはバンドパスフィルタであり、その低周波側及び高周波側のカットオフ周波数はそれぞれ1710MHzと1785MHzである。第5のフィルタの通過帯域の中心周波数は第4のフィルタの通過帯域の中心周波数よりも低い。第5のフィルタの高周波側のカットオフ周波数と第4のフィルタの低周波側のカットオフ周波数の差は140MHzであり、周波数軸上で離れている。
このように、高周波側のカットオフ周波数と低周波側のカットオフ周波数とが周波数軸上で離れている複数のフィルタを用いることで、送信で用いる所定の周波数帯域が複数あり、かつ、周波数軸上で離れている場合でも、一つの非可逆回路素子で対応できる。図13に示すとおり、本第2実施例である非可逆回路素子は1710〜1785MHz及び1920〜1980MHzの二つの周波数軸上で離れた周波数帯域で−10dB以下のアイソレーション特性を有している。
(第3実施例、図14参照)
第3実施例である非可逆回路素子は、図14(A)の等価回路に示すように、図3に示した第1実施例に対して、フィルタF1にフィルタF2を並列に接続したものである。フィルタF2の入出力端子51,52にはリアクタンス素子X3,X4を設けてもよい。
より具体的には、図14(B)に示すように、リアクタンス素子X1としてインダクタL3を用い、リアクタンス素子X2としてコンデンサC3を用い、リアクタンス素子X3としてコンデンサC5を用い、リアクタンス素子X4としてコンデンサC4を用いている。図15に示した第3のフィルタ、図16に示した第4のフィルタ、図17に示した第5のフィルタを第2実施例と同様に選択的に用いることができる。
第3実施例の構成を用いる場合でも、前記第2実施例と同様の効果を得ることができる。実装基板のサイズや非可逆回路素子のレイアウトの設計に応じて、第3実施例の構成を適宜に選択できる。
(他の実施例)
なお、本発明に係る非可逆回路素子、そのモジュール及び送受信モジュール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P1と出力ポートP2が入れ替わる。また、第1及び第2中心電極35,36の形状などは任意である。
以上のように、本発明は、非可逆回路素子、そのモジュール及び送受信モジュールに有用であり、特に、広帯域にわたって良好なアイソレーション特性を得ることができ、かつ、送受信回路部にも使用可能である点で優れている。
30…フェライト・磁石組立体
32…フェライト
35…第1中心電極
36…第2中心電極
41…永久磁石
F1,F2…フィルタ(バンドパスフィルタ)
P1,P2,P3…ポート
R1,R2…抵抗
C1〜C5…コンデンサ
L1〜L3…インダクタ
X1〜X4…リアクタンス素子

Claims (9)

  1. 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絶縁状態で交差して配置された第1中心電極及び第2中心電極と、
    を備え、
    第1中心電極は、一端が第1ポートに接続され、他端が第2ポートに接続され、
    第2中心電極は、一端が第2ポートに接続され、他端がグランドポートに接続され、
    第1ポートと第2ポートとの間に互いに並列に接続されている第1容量及び抵抗が接続され、
    第2ポートとグランドポートとの間に第2容量が接続され、
    第1ポート又は第2ポートと前記抵抗との間に少なくとも一つのフィルタの入出力端子が接続され、かつ、該フィルタのグランド端子は第2ポート又は第1ポートに接続されていること、
    を特徴とする非可逆回路素子。
  2. 前記フィルタの入出力端子にはリアクタンス素子が接続されていること、を特徴とする請求項1に記載の非可逆回路素子。
  3. 前記フィルタは、送信帯域信号を通過させ、受信帯域信号を減衰させるものであること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非可逆回路素子。
  4. 前記フィルタは、送信帯域信号を減衰させ、受信帯域信号を通過させる反射特性を有すること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非可逆回路素子。
  5. 複数の前記フィルタを有し、
    前記複数のフィルタのうちの中心周波数が低いほうのフィルタの高周波側のカットオフ周波数と、前記複数のフィルタのうちの中心周波数が高いほうのフィルタの低周波側のカットオフ周波数とが近接していること、
    を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  6. 複数の前記フィルタを有し、
    前記複数のフィルタのうちの中心周波数が低いほうのフィルタの高周波側のカットオフ周波数と、前記複数のフィルタのうちの中心周波数が高いほうのフィルタの低周波側のカットオフ周波数とが離れていること、
    を特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の非可逆回路素子。
  7. 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が基板に搭載されていること、を特徴とする非可逆回路素子モジュール。
  8. 前記基板は多層基板であり、前記フィルタは該多層基板に内蔵されていること、を特徴とする請求項7に記載の非可逆回路素子モジュール。
  9. 請求項3ないし請求項5のいずれかに記載の非可逆回路素子と、送信信号及び受信信号を分岐させる分岐回路素子とが基板に搭載されていること、を特徴とする送受信モジュール。
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