JP7490158B2 - 非可逆回路 - Google Patents

Description

本開示は、非可逆回路に関する。

サーキュレータおよびアイソレータ等の非可逆回路は、通信機器の送受信回路等に使用されている。非可逆回路は、一般的に、伝送方向の高周波信号をほとんど減衰させることなく伝送させ、逆方向の高周波信号を大きく減衰させる周波数特性を有している。

近年、非可逆回路は、薄型化および低コスト化を目的として、誘電体基板に実装可能なものが求められている。例えば、特許文献１には、誘電体基板に貫通孔を設け、貫通孔の内部に永久磁石を配置することにより、薄型化および低コスト化を可能にした非可逆回路が記載されている。

国際公開第２０２１／１２４３７５号

特許文献１に記載された従来の非可逆回路は、誘電体基板に永久磁石を配置するための孔部を設ける必要があり、誘電体基板の強度が劣化するという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、誘電体基板の強度を劣化させずに広い周波数帯域にわたって動作することができる非可逆回路を得ることを目的とする。

本開示に係る非可逆回路は、第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面とを有した磁性体基板と、磁性体基板の第１の主面上に設けられた第１の地導体と、磁性体基板の第２の主面に設けられた中心導体と、磁性体基板の第２の主面において中心導体と電気的に接続された複数の第１の入出力端子と、磁性体基板の第２の主面上に設けられた第２の地導体と、第１の地導体と第２の地導体とを電気的に接続する導体接続部と、中心導体に対向して設けられた第１の永久磁石と、磁性体基板を介して第１の永久磁石と対向して設けられた第２の永久磁石と、第３の主面と、第３の主面とは反対側の第４の主面とを有した誘電体基板と、誘電体基板の第３の主面に設けられた複数の第２の入出力端子と、誘電体基板の第３の主面上に設けられた第３の地導体と、第３の地導体の一部を除去した地導体除去部と、磁性体基板と誘電体基板の間に設けられ、複数の第１の入出力端子と複数の第２の入出力端子とを電気的に接続する第１の金属接続部と、磁性体基板と誘電体基板の間に設けられ、第２の地導体と第３の地導体とを電気的に接続する第２の金属接続部と、を備え、地導体除去部は、誘電体基板において、第２の永久磁石に対向する位置に配置され、第２の永久磁石の厚みは、第１の金属接続部の高さおよび第２の金属接続部の高さよりも薄いことを特徴とする。

本開示によれば、第２の永久磁石の厚みが、第１の金属接続部の高さおよび第２の金属接続部の高さよりも薄いので、誘電体基板に第２の永久磁石を設ける際に、第２の永久磁石を配置するための孔部が不要である。このため、誘電体基板の強度を劣化させない。
また、永久磁石を配置するための孔部が不要であるので、誘電体基板に対向する第２の永久磁石の面を、中心導体に満遍なく一様なバイアス磁界を印加するために十分な面積にすることができる。さらに、非可逆回路１に形成されるキャビティを高周波信号の伝搬波長よりも小さくできるので、キャビティ共振がより高い周波数にシフトする。
これにより、本開示に係る非可逆回路は、誘電体基板の強度を劣化させずに広い周波数帯域にわたって動作することが可能である。

実施の形態１に係る非可逆回路の構成を示す縦断面図である。 磁性体基板の第１の主面を示す平面図である。 磁性体基板の第２の主面を示す平面図である。 はんだ接続部が配置された磁性体基板の第２の主面を示す平面図である。 誘電体基板の第３の主面を示す平面図である。 実施の形態１に係る非可逆回路を示す平面図である。 実施の形態２に係る非可逆回路の構成を示す縦断面図である。 実施の形態２に係る非可逆回路を示す平面図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る非可逆回路１の構成を示す縦断面図である。図２は、磁性体基板２１の第１の主面を示す平面図であり、永久磁石２７ａを除いた磁性体基板２１の第１の主面を示している。図３は、磁性体基板２１の第２の主面を示す平面図であり、永久磁石２７ｂ、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１を除いた磁性体基板２１の第２の主面を示している。図１に示すように、非可逆回路１は、非可逆回路素子２および誘電体基板３を備える。非可逆回路素子２は、誘電体基板３に実装されている。非可逆回路素子２は、図１、図２および図３に示すように、磁性体基板２１と、地導体２２ａおよび２２ｂと、中心導体２３と、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと、複数のスルーホール２５と、永久磁石２７ａと、永久磁石２７ｂを備える。

磁性体基板２１は、第１の主面と、当該第１の主面とは反対側に第２の主面を有した磁性体基板である。地導体２２ａは、磁性体基板２１の第１の主面上に設けられた第１の地導体である。図２に示すように、地導体２２ａは、磁性体基板２１の第１の主面上に一様に形成された導体パターンである。地導体２２ｂは、磁性体基板２１の第２の主面上に設けられた第２の地導体である。図３に示すように、地導体２２ｂは、磁性体基板２１の第２の主面上で、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃが一体に形成された中心導体２３の周りに設けられた導体パターンである。

中心導体２３は、磁性体基板２１の第２の主面上に設けられた円形状の導体であり、使用周波数帯の高周波信号が伝搬する導体である。入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃは、磁性体基板２１の第２の主面において中心導体２３と電気的に接続された複数の第１の入出力端子である。入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃは、図３に示すように、中心導体２３から放射状に延びた伝送線路である。複数のスルーホール２５は、磁性体基板２１において使用周波数帯の伝搬波長の２分の１以下の間隔で設けられ、磁性体基板２１を貫通して地導体２２ａと地導体２２ｂを電気的に接続する第１の導体接続部である。例えば、複数のスルーホール２５は、使用周波数帯の伝搬波長の２分の１以下の間隔で、図２および図３に示すように、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃが一体に形成された中心導体２３を取り囲むように設けられる。

永久磁石２７ａは、磁性体基板２１を介して永久磁石２７ｂと対向して設けられた第１の永久磁石である。永久磁石２７ａは、接着剤２８を用いて地導体２２ａ上に固定されている。永久磁石２７ｂは、磁性体基板２１を介して永久磁石２７ａと対向して設けられた第２の永久磁石である。永久磁石２７ｂは、接着剤２８によって中心導体２３上に固定されている。非可逆回路１において、永久磁石２７ｂの厚みは、図１に示すように、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１の高さよりも薄いものが用いられる。永久磁石２７ｂの面積は、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃに接触しない大きさを有している。永久磁石２７ａおよび２７ｂには、例えば、耐熱性に優れたサマリウムコバルト磁石が用いられる。中心導体２３は、永久磁石２７ａと永久磁石２７ｂとの間に配置される。

図４は、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１が配置された磁性体基板２１の第２の主面を示す平面図である。図５は、誘電体基板３の第３の主面を示す平面図であり、非可逆回路素子２を除いた誘電体基板３の第３の主面を示している。図６は、非可逆回路１を示す平面図であり、非可逆回路１を非可逆回路素子２側から見た構造を示している。誘電体基板３は、図１および図５に示すように、多層基板３０と、地導体３２ａと、地導体３２ｂと、地導体除去部４０と、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃと、信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃと、ビアホール３４ａ、３４ｂおよび３４ｃと、複数のスルーホール３５と、キャビティ５０を備える。

誘電体基板３は、第３の主面と、第３の主面とは反対側の第４の主面を有し、誘電体の積層構造からなる多層基板３０である。地導体３２ａは、誘電体基板３の第３の主面上に設けられた第３の地導体である。図５に示すように、地導体３２ａは、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃと、信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃと、地導体除去部４０とを取り囲むように、誘電体基板３の第３の主面上に形成された導体パターンである。

地導体３２ｂは、誘電体基板３の第４の主面上に設けられた第４の地導体であり、誘電体基板３の第４の主面上に一様に形成された導体パターンである。地導体除去部４０は、誘電体基板３の第３の主面上に設けられた地導体３２ａの一部が除去された部分である。図５に示すように、地導体除去部４０は、地導体３２ａの導体パターンが形成されず、誘電体基板３の誘電体が円形状に露出されている部分である。

入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃは、図１および図５に示すように、誘電体基板３の第３の主面上に設けられ、はんだ接続部３６ａ、３６ｂおよび３６ｃを介して、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃとそれぞれ電気的に接続された複数の第２の入出力端子である。信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃは、図１および図５に示すように、多層基板３０の内層（内部）に設けられ、ビアホール３４ａ、３４ｂおよび３４ｃを介して、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとそれぞれ電気的に接続される。なお、信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃは、多層基板３０の内層に形成されている。このため、図５では、誘電体基板の第３の主面上の構成要素と区別するために、信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃを破線で記載している。

複数のスルーホール３５は、誘電体基板３を貫通して地導体３２ａと地導体３２ｂとを電気的に接続する第２の導体接続部である。図５に示すように、複数のスルーホール３５は、誘電体基板３の第３の主面において使用周波数帯の伝搬波長の２分の１以下の間隔で設けられている。

非可逆回路素子２は、磁性体基板２１の第２の主面を実装面として誘電体基板３に実装される。非可逆回路素子２が誘電体基板３の第３の主面上に配置された状態において、永久磁石２７ｂは、誘電体基板３の第３の主面に形成された地導体除去部４０の上側に配置される。非可逆回路１を製造する際、非可逆回路素子２と誘電体基板３との間に、複数のはんだボールが配置される。具体的には、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとの間に、複数のはんだボールが配置される。さらに、地導体２２ｂと地導体３２ａとの間に入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃが一体形成された中心導体２３を取り囲むように複数のはんだボールがそれぞれ配置される。

これらのはんだボールは、非可逆回路素子２が誘電体基板３の第３の主面に配置された状態で、リフロー炉において加熱溶融され、冷却固化したものが、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１である。図１および図４に示すように、はんだ接続部３６ａ、３６ｂおよび３６ｃは、磁性体基板２１と誘電体基板３との間に設けられて、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとを電気的に接続する第１の金属接続部である。さらに、複数のはんだ接続部４１は、磁性体基板２１と誘電体基板３との間に設けられ、地導体２２ｂと地導体３２ａとを電気的に接続する第２の金属接続部である。

また、図１および図５において一点鎖線で囲って示す部分には、キャビティ５０が形成される。キャビティ５０は、図５に示すように、誘電体基板３の地導体除去部４０を取り囲んで配置された複数のスルーホール３５と、これらのスルーホール３５を介して電気的に接続された地導体３２ａおよび地導体３２ｂからなる円筒状の導体壁と、この円筒状の導体壁の上部に配置された中心導体２３により構成される。なお、円筒状の導体壁と中心導体２３との間には、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１の高さの分だけの隙間がある。円筒状のキャビティ５０の大きさは、非可逆回路１が動作をする使用周波数帯の高域端の伝搬波長よりも小さな値に設定される。

なお、説明の便宜のため、図５に示すように、地導体除去部４０が真円であり、円筒状のキャビティ５０の直径をＤとする。この場合、キャビティ５０には、伝搬波長と直径Ｄとに依存した共振が発生する。キャビティ５０に発生する共振のうち、最低次の共振は、ＴＭ_０１０共振と呼ばれる。ここで、ＴＭは、Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃを略して記載したものである。

ＴＭ_０１０共振には、例えば、参考文献１および参考文献２に記載されるように、直径Ｄと共振波長λ_ｃとの間に、下記式（１）で示す関係がある。
Ｄ＝０．７６６×λ_ｃ≒０．８×λ_ｃ （１）
（参考文献１）小口文一，マイクロ波およびミリ波回路，ｐｐ．２２０－２２６，丸善，１９６４年．
（参考文献２）藤澤和男，改版 マイクロ波回路，ｐｐ．１５２－１５８，コロナ社，１９７２年．

ＴＭ_０１０共振は、一般的に非可逆回路の動作を妨げる不要な共振である。不要な共振を抑圧するために、非可逆回路１におけるキャビティ５０の直径Ｄは、非可逆回路１を動作させる使用周波数帯域の高域端の伝搬波長λ_ｈに対して、下記式（２）に示すように、約０．８（約５分の４）よりも小さな値に設定される。このような直径Ｄを与えることで、非可逆回路１において、不要共振が発生する周波数がより高い周波数側にシフトする。
Ｄ＜０．７６６×λ_ｈ≒０．８×λ_ｈ （２）

次に、非可逆回路１の動作について説明する。
非可逆回路１において、磁性体基板２１には、永久磁石２７ａおよび永久磁石２７ｂによって、直流磁界であるバイアス磁界が印加されている。永久磁石２７ａおよび永久磁石２７ｂが、磁性体基板２１の一方向のみに磁界を与えることによって、信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃのいずれかを伝搬してきた高周波信号は、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃのうち、特定の方向の入出力端子から出力される。

例えば、入出力端子２４ａに入力された高周波信号は、ほとんど減衰することなく中心導体２３を伝搬して入出力端子２４ｂから出力される。なお、入出力端子２４ａに入力された高周波信号のうち、入出力端子２４ｃから出力される高周波信号は、中心導体２３を伝搬する間に大きく減衰される。

また、入出力端子２４ｂに入力された高周波信号は、ほとんど減衰することなく中心導体２３を伝搬して入出力端子２４ｃから出力される。なお、入出力端子２４ｂに入力された高周波信号のうち、入出力端子２４ａから出力される高周波信号は、中心導体２３を伝搬する間に大きく減衰される。

さらに、入出力端子２４ｃに入力された高周波信号は、ほとんど減衰することなく中心導体２３を伝搬して入出力端子２４ａから出力される。なお、入出力端子２４ｃに入力された高周波信号のうち、入出力端子２４ｂから出力される高周波信号は、中心導体２３を伝搬する間に大きく減衰される。
このように、非可逆回路１は、伝送方向の高周波信号をほとんど減衰させないが、逆方向の高周波信号を大きく減衰させる特性を有している。

以上のように、実施の形態１に係る非可逆回路１は、磁性体基板２１と、地導体２２ａと、中心導体２３と、入出力端子２４ａ、２４ｂおよび２４ｃと、地導体２２ｂと、スルーホール２５と、永久磁石２７ａおよび永久磁石２７ｂを有する非可逆回路素子２と、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃと、地導体３２ａと、地導体除去部４０と、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１を有した誘電体基板３と、を備え、地導体除去部４０は、誘電体基板３において、永久磁石２７ｂに対向する位置に配置され、永久磁石２７ｂの厚みは、はんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１の高さよりも薄いことを特徴とする。このため、誘電体基板３に永久磁石２７ｂを設ける際に、当該永久磁石を配置するための孔部が不要であるので、誘電体基板３の強度を劣化させない。
また、永久磁石２７ｂを配置するための孔部が不要であるので、誘電体基板３に対向する永久磁石２７ｂの面を、中心導体２３に満遍なく一様なバイアス磁界を印加するために十分な面積にすることができる。
さらに、非可逆回路１に形成されるキャビティ５０を、高周波信号の伝搬波長λ_ｈよりも小さくできるので、キャビティ共振（ＴＭ_０１０共振）がより高い周波数にシフトする。
これにより、非可逆回路１は、誘電体基板３の強度を劣化させずに広い周波数帯域にわたって動作することが可能である。

実施の形態１に係る非可逆回路１において、地導体２２ｂは、磁性体基板２１の中心導体２３の周囲に設けられる。複数のスルーホール２５は、地導体２２ａと地導体２２ｂとを電気的に接続する。地導体３２ａは、誘電体基板３の地導体除去部４０の周囲と入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃのそれぞれの周囲に設けられる。はんだ接続部４１は、中心導体２３の周囲に設けられ、地導体２２ｂと地導体３２ａとを電気的に接続する。
さらに、非可逆回路１は、誘電体基板３の内層に設けられ、入出力端子３１ａ、３１ｂおよび３１ｃのそれぞれと電気的に接続された信号導体３３ａ、３３ｂおよび３３ｃと、誘電体基板３に設けられた地導体３２ｂと、地導体３２ａと地導体３２ｂとを電気的に接続するスルーホール３５を備える。
これらの構成要素を有することにより、非可逆回路１に形成されるキャビティ５０を、高周波信号の伝搬波長λ_ｈよりも小さく、ＴＭ_０１０共振がより高い周波数にシフトされたキャビティとすることができる。

実施の形態１に係る非可逆回路１において、地導体除去部４０は、円形状であり、地導体除去部４０の直径は、使用周波数帯域の伝搬波長の５分の４以下の大きさである。このように構成することで、非可逆回路１に形成されるキャビティ５０を、高周波信号の伝搬波長λ_ｈよりも小さく、ＴＭ_０１０共振がより高い周波数にシフトされたキャビティとすることができる。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る非可逆回路１Ａの構成を示す縦断面図である。また、図８は、非可逆回路１Ａを示す平面図であり、非可逆回路１Ａを磁性体基板２１が取り付けられた側から見た構造を示している。図７および図８に示すように、非可逆回路１Ａは、非可逆回路素子２、誘電体基板３および樹脂固定部６０を備える。非可逆回路１Ａは、非可逆回路１に対して樹脂固定部６０を追加したものである。なお、非可逆回路１Ａは、非可逆回路１と同様に動作する。

樹脂固定部６０は、誘電体基板３の第３の主面上で、磁性体基板２１の端部を取り囲むように樹脂材が充填されて構成される。なお、樹脂固定部６０は、液状硬化性樹脂を、磁性体基板２１の端部の側面部分に塗布し、加熱して硬化させることにより、磁性体基板２１を誘電体基板３に固定する。樹脂固定部６０を設けることにより、非可逆回路素子２と誘電体基板３との間の密着度が強化される。

以上のように、実施の形態２に係る非可逆回路１Ａは、誘電体基板３で磁性体基板２１の端部に設けられた樹脂材で構成されており、磁性体基板２１を誘電体基板３に固定する樹脂固定部６０を備える。樹脂固定部６０は、非可逆回路素子２と誘電体基板３との間の密着度を強化するので、熱応力または振動等に起因したはんだ接続部３６ａ、３６ｂ、３６ｃおよび４１の破損または欠落が低減される。これにより、非可逆回路１Ａは、耐久性が向上し、さらに信頼性も向上する。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る非可逆回路は、例えば、通信機器が備えるサーキュレータあるいはアイソレータとして利用可能である。

１，１Ａ 非可逆回路、２ 非可逆回路素子、３ 誘電体基板、２１ 磁性体基板、２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ 地導体、２３ 中心導体、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ 入出力端子、２５，３５ スルーホール、２７ａ，２７ｂ 永久磁石、２８ 接着剤、３０ 多層基板、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ 信号導体、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ ビアホール、３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，４１ はんだ接続部、４０ 地導体除去部、５０ キャビティ、６０ 樹脂固定部。

Claims (4)

1. 第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有した磁性体基板と、
   前記磁性体基板の前記第１の主面上に設けられた第１の地導体と、
   前記磁性体基板の前記第２の主面に設けられた中心導体と、
   前記磁性体基板の前記第２の主面において前記中心導体と電気的に接続された複数の第１の入出力端子と、
   前記磁性体基板の前記第２の主面上に設けられた第２の地導体と、
   前記第１の地導体と前記第２の地導体とを電気的に接続する導体接続部と、
   前記中心導体に対向して設けられた第１の永久磁石と、
   前記磁性体基板を介して前記第１の永久磁石と対向して設けられた第２の永久磁石と、
   第３の主面と、前記第３の主面とは反対側の第４の主面とを有した誘電体基板と、
   前記誘電体基板の前記第３の主面に設けられた複数の第２の入出力端子と、
   前記誘電体基板の前記第３の主面上に設けられた第３の地導体と、
   前記第３の地導体の一部を除去した地導体除去部と、
   前記磁性体基板と前記誘電体基板の間に設けられ、複数の前記第１の入出力端子と複数の前記第２の入出力端子とを電気的に接続する第１の金属接続部と、
   前記磁性体基板と前記誘電体基板の間に設けられ、前記第２の地導体と前記第３の地導体とを電気的に接続する第２の金属接続部と、を備え、
   前記地導体除去部は、前記誘電体基板において、前記第２の永久磁石に対向する位置に配置され、
   前記第２の永久磁石の厚みは、前記第１の金属接続部の高さおよび前記第２の金属接続部の高さよりも薄い
   ことを特徴とする非可逆回路。
2. 前記第２の地導体は、前記磁性体基板の前記第２の主面上で、複数の前記第１の入出力端子が電気的に接続された前記中心導体の周囲に設けられ、
   前記導体接続部は、前記第１の地導体と前記第２の地導体とを電気的に接続する第１の導体接続部であり、
   前記第３の地導体は、前記誘電体基板の前記第３の主面上で、前記地導体除去部の周囲と複数の前記第２の入出力端子のそれぞれの周囲に設けられ、
   前記第２の金属接続部は、複数の前記第１の入出力端子が電気的に接続された前記中心導体の周囲に設けられ、前記第２の地導体と前記第３の地導体とを電気的に接続し、
   前記誘電体基板の内層に設けられ、複数の前記第２の入出力端子のそれぞれと電気的に接続された複数の信号導体と、
   前記誘電体基板の前記第４の主面に設けられた第４の地導体と、
   前記第３の地導体と前記第４の地導体とを電気的に接続する第２の導体接続部と、
   を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路。
3. 前記地導体除去部は、円形状であり、
   前記地導体除去部の直径は、使用周波数帯域の伝搬波長の５分の４以下の大きさである
   ことを特徴とする請求項２に記載の非可逆回路。
4. 前記誘電体基板の前記第３の主面上で前記磁性体基板の端部に設けられた樹脂材により構成され、前記磁性体基板を前記誘電体基板の前記第３の主面上に固定する樹脂固定部を備えた
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非可逆回路。

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