JPH0789601B2 - 層状素子、フィンライン素子およびマイクロ波アイソレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、マイクロ波エネルギの伝搬路に用いられる非
相反性の素子、すなわちある伝搬方向とその逆方向とで
相反関係が成り立たないような減衰を与える素子に関す
る。さらに、このような素子をフィンラインおよび導波
路に取り付けて、良好なアイソレーションを与えるマイ
クロ波アイソレータ、すなわち一方向には相対的に低い
減衰量を、また反対方向には比較的高い減衰量を与える
素子に関する。

〔概要〕

本発明は、導波路内の電界面に沿って非相反性の素子を
配置して形成したマイクロ波アイソレータにおいて、 上記素子の材料および層の配列を特別に選択することに
より、 マイクロ波アイソレータの性能、すなわち良好な方向選
択性および順方向に対する低挿入損失性を増大させるも
のである。

〔従来の技術〕

フィンライン（finline）構造については、 （ａ）第11回ヨーロッパマイクロ波コンファレンス会報
（Proceedings of the 11th Euripean Microwave Confe
rence）（開催地、アムステルダム、開催日、1981年９
月７日ないし10日）第321〜326頁、 （ｂ）IEEE会報、第MTT-29巻第20号（1981年12月）第13
44〜1348頁 に説明されている。

従来のマイクロ波アイソレータは、フェライト層および
エネルギ吸収層を備えた層状素子がフィンラインまたは
導波路の電界面に沿って配置された構造をしている。従
来のフィンライン素子は、誘電体基板に導電体、例えば
銅の層が形成され、誘電体基板の反対側の面にフェライ
ト層およびエネルギ吸収層が形成された構造をしてい
る。

マイクロ波アイソレータの特性としては、 （ａ）順方向に伝搬するマイクロ波信号の減衰量ができ
るだけ小さく、 （ｂ）逆方向に伝搬するマイクロ波信号の減衰量ができ
るだけ大きく、 （ｃ）これらの二つの特性ができるだけ広い周波数帯域
で満足できる ことが要求される。

上記の（ａ）および（ｂ）の特性は、マイクロ波アイソ
レータの定義として重要である。また、マイクロ波アイ
ソレータの動作が周波数に依存するため、（ｃ）の特性
が重要となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来のマイクロ波アイソレータは、狭い周波数
帯域または単一の周波数帯域で良好な特性を示すことが
できるが、広い周波数帯域では良好な特性が得られない
欠点があった。

本発明は、広い周波数帯域に対して良好なアイソレーシ
ョン特性を示すマイクロ波アイソレータを提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の発明者は、導波路内の電界面に沿って非相反性
の素子を配置して形成したマイクロ波アイソレータにお
いて、その素子の材料および層の配列を特別に選択する
ことにより、マイクロ波アイソレータの性能、すなわち
良好な方向選択性および順方向に対する低挿入損失性を
増大させることができることを発見した。

本発明の層状素子は、フェライト層およびエネルギ吸収
層とを備えた層状素子において、フェライト層とエネル
ギ吸収層との間に誘電体のスペーサ層を備えたことを特
徴とする。この層状素子は、フェライト層とスペーサ層
との間に、さらにもう一つのエネルギ吸収層を備えるこ
とが望ましい。

四つの層、すなわち二つのエネルギ吸収層、これらのエ
ネルギ吸収層に挟まれこれらに接触しているスペーサ層
およびエネルギ吸収層の一方に接触したフェライト層を
備えた層状素子が、特に優れた性能を示す。

本発明の層状素子は、フィンライン、例えばアンチラテ
ラル、バイラテラル、アンチポーダルおよび絶縁素子と
共に用いることができる。層状素子は、リッジ型導波路
を備えた導波路内に備えることもできる。

層状素子に最適な磁場を印加して動作周波数を合わせる
ために、導波路の外側の層状素子の近傍に磁石を組み込
んでもよい。

本発明は、以上説明した層状素子そのものに加えて、こ
の層状素子を含むフィンライン素子およびマイクロ波ア
イソレータを含む。

すなわち、本発明のマイクロ波アイソレータは、マイク
ロ波信号の伝搬路を決定する導波手段と、この導波手段
内の電界面に沿って取り付けられ、フェライト層および
エネルギ吸収層を含み、この導波手段内に伝搬するマイ
クロ波信号にひとつの方向とその逆の方向とで異なる減
衰を与える層状素子とを備えたマイクロ波アイソレータ
において、層状素子はフェライト層とエネルギ吸収層と
の間に誘電体スペーサ層を含み、ひとつの方向に3dB以
下、逆方向に20dB以上の減衰を与えることを特徴とす
る。層状素子は、スペーサ層とフェライト層との間にさ
らに別のエネルギ吸収層を含むことが望ましい。

さらに、本発明のフィンライン素子は、マイクロ波エネ
ルギの伝搬路を決定する導電体層と、この導電体層を支
える一つ以上の基板とを備えたフィンライン素子におい
て、基板の導電体層と反対側の面に、フェライト層と、
エネルギ吸収層と、フェライト層とエネルギ吸収層との
間に設けられた誘電体スペーサ層とを含む層状素子が設
けられたことを特徴とする。層状素子のフェライト層が
基板に隣接することが望ましい。

〔作用〕

本発明の層状素子は、マイクロ波エネルギとフェライト
による電磁場の間との非対称干渉、および一つまたは複
数の層に吸収されるエネルギの分散により、一方向に伝
搬するマイクロ波信号を減衰させることができると考え
られる。スペーサ層は、非相反効果が増大するように、
電磁場の分布に影響を与えるものと考えられる。

本発明の層状素子をマイクロ波導波路内の電界面に沿っ
て取り付けることにより、良好な方向選択性および順方
向に対する低挿入損失性を示し、良好なマイクロ波アイ
ソレータが得られる。このマイクロ波アイソレータの特
性は、周波数依存性が少なく、広い周波数帯域で用いる
ことができる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例のフィンライン素子を示す。

本実施例の素子は、フィンライン構造として導電体層10
およびこれを支える基板11を備え、非相反性を実現する
ため、基板11に接したフェライト層12を備え、さらに、
フェライト層12に接したエネルギ吸収層13と、フェライ
ト層12からエネルギ吸収層13を分離するスペーサ層14と
を備えている。

第２図は本発明第二実施例のフィンライン素子を示す。

この実施例は、第一実施例よりさらに優れた性能を示す
ように改良されている。改良点は、二つのエネルギ吸収
層13Aおよび13Bを、スペーサ層14に接して備えたことに
ある。フェライト層12は、エネルギ吸収層13Bと、基板1
1とに接している。基板11および導電体層10が、フィン
ライン構造を形成する。導電体層10は、マイクロ波エネ
ルギの通路となる。

上述したように、本発明は、層状素子の層配列だけでな
く、層を形成する材料の選択にも特徴がある。この材料
について、以下に説明する。

本発明の層状素子でフィンライン素子を形成した場合に
は、一つ以上の導電体層10と、この導電体層10を保持す
る一つ以上の基板11とを備える。導電体層10の材料とし
ては、例えば銅を用いる。基板11は、低損失誘電体の材
料、例えばフルオロカーボンのポリマを用いる。

本発明の層状素子は、フェライト層12と、一つまたは複
数のエネルギ吸収層13、13A、13Bと、スペーサ層14とを
備える。

エネルギ吸収層13、13A、13Bは、 （ａ）tanδで示される誘電損の因子の値が0.01以上の
誘電体材料、 （ｂ）tanδｍで示される磁気損の因子の値が0.01以上
の材料、例えば、磁性粉末を含むエポキシ樹脂（このよ
うな樹脂は、例えば商品名「BCCOSORB CR 124」として
市販されている）、 （ｃ）面積抵抗が10ないし3000Ω／□、望ましくは50な
いし500Ω／□の範囲の抵抗体材料、 のいずれでもよい。抵抗体材料を用いる場合には、上記
の範囲より面積抵抗の大きい材料でも、複数の抵抗体材
料の層を重ねて全体として上記の範囲になるようにする
ことができる。

このような条件の二つまたは三つを満足する材料は多数
あるが、ただ一つの条件を満足するだけで十分である。

スペーサ層14は、誘電損角δの値が、エネルギ吸収層1
3、13A、13Bの誘電損角の値より小さい誘電体である。
その比誘電率は、1.5ないし20の範囲であることが望ま
しい。スペーサ層14に適した材料としては、ポリテトラ
フルオロエチレンにより補強されたガラスマイクロファ
イバ（例えば、商品名「RT/DUROID 5880」として市販さ
れているもの）およびエポキシ鋳造樹脂（epoxy castin
g resins）（例えば、商品名「ECCOSORB CR 110」とし
て市販されているもの）などを用いることができる。

第１図および第２図では、各層を機能的に分割している
が、複数の同等の層を重ねて一つの層を形成すること
が、機械的に有利である。例えば、低抵抗層が必要な場
合に、十分に低い面積抵抗の単一層を得ることは困難で
ある。このような場合には、高い面積抵抗の層を複数枚
重ねて、所望の面積抵抗を実現することができる。

第一実施例および第二実施例では、導電体層10および基
板11がフィンライン構造を形成し、残りの層が本発明の
層状素子を形成する。層状素子の厚さは均一であり、そ
れぞれの層は、厚さ方向に均一である。

第３図は第二実施例の平面図である。

平面構造としては、長方形の中心部20と、傾斜した終端
部21、22とを備え、図面上の左右が対称な形状である。
終端部21、22の傾斜角θは、10°ないし15°の範囲が最
も適しているが、もっと鋭くてもゆるやかでもよい。幅
（第３図では半幅をＷで示す）は、用いる導波路に一致
するように選択し、長さＬは、順方向損失が大きくなり
過ぎない程度に長く、十分な逆方向減衰が得られる程度
に短く選択する。

第４図は、導波路内にフィンライン素子を取り付けたマ
イクロ波アイソレータを示す。

導波路は、フィンライン素子を挿入できるように、二つ
の部分30A、30Bを備えている。これらの部分30A、30Bで
フィンラインの部分、すなわち導電体層10および基板11
を挟み込む。フィンラインには、層状素子16が隣接して
いる。

第５図は、リッジ導波路に層状素子を取り付けたマイク
ロ波アイソレータを示す。

リッジ型導波路は、本体30にリッジ31、32を備えてい
る。層状素子16のフェライト層が、リッジ31、32に接し
ている。

電気通信の分野では、通常は、29GHzの周波数帯域で動
作するマイクロ波無線リンクを用いるので、この周波数
を用いて実験を行った。三種類のフィンライン素子を準
備し、これらを第４図に示したようにそれぞれ導波路に
取り付けて、三つのマイクロ波アイソレータの性能測定
を導波路上で行った。それぞれのマイクロ波アイソレー
タを、以下では実施例E1、E2、E3とする。

また、従来構造のフィンライン素子を用いてマイクロ波
アイソレータを形成し、同様に性能測定を行った。これ
を以下では比較例PAとする。この比較例PAは、IEEE「マ
イクロ波理論および技術に関する会報（Transactions o
n Micro-wave Theory and Techniques）」第MTT-29巻、
第12号（1981年12月）、第1344ないし第1348頁、「集積
されたミリメートル波回路のための新しいフィンライン
・フェライトアイソレータ（a New Fin-Line Ferrite I
sorator for Integrated Millimetre-Wave Circuit
s）」に従って製造した。

実施例E1は、第一実施例のフィンライン素子を用いたも
ので、エネルギ吸収層13は、誘電損角が0.1ラジアンよ
り大きく、損失の多い誘電体である。

実施例E2およびE3は、第二実施例のフィンライン素子を
用いたもので、エネルギ吸収層13Aおよび13Bは、抵抗体
である。これらのエネルギ吸収層13A、13Bの抵抗値を第
１表に示す。単位はΩ／□である。

比較例PAで用いたフィンライン素子は、第一実施例のフ
ィンライン素子と似ているが、フェライト層とスペーサ
層との位置が入れ替わり、フェライト層がエネルギ吸収
層に隣接している。比較例PAでは、エネルギ吸収層は実
施例E1のエネルギ吸収層と同一の材料で形成され、面積
抵抗は150Ω／□であった。

比較例PAおよび実施例E1、E2では、スペーサ層を「DURO
ID 5880」（比誘電率約2.2）で製造し、実施E3では、ス
ペーサ層を「ECCOSORB CR 110」（比誘電率約2.7）で製
造した。これらの材料は、同じような性質の樹脂であ
り、双方とも低損失の材料である。フェライト層は、全
ての比較例および実施例で共通である。

マイクロ波アイソレータの特性としては、 （ａ）順方向の減衰ができるだけ小さく、 （ｂ）逆方向の減衰ができるだけ大きく、 （ｃ）十分なアイソレーション効果が可能な限り広い周
波数帯域に拡がっている ことが要求される。

特性（ａ）および（ｂ）は、アイソレータの定義として
重要である。特性（ｃ）は、アイソレータとしての動作
が周波数に依存することに関連する。狭い周波数帯域ま
たは単一の周波数帯域でのみ良好な特性を示すマイクロ
波アイソレータを製造することは比較的簡単である。し
かし、このようなアイソレータは、異なる周波数の信号
が同時または順番に入力されるような場合には、十分な
特性を示すことができない。

さらに、特性（ｂ）と特性（ａ）との差、すなわち順方
向と逆方向との減衰の差も、基本的に重要な値となる。
この差は、特に、マイクロ波アイソレータにより、反射
したマイクロ波を減衰させるときに問題である。順方向
の減衰は、小さいが避けることができない。この減衰を
相殺するためにマイクロ波信号の電力を増加させると、
反射されるマイクロ波信号の電力も増大する。逆方向の
全電力を減衰させることはできないので、順方向に伝搬
するマイクロ波信号を減衰させてしまう。したがって、
特性（ｂ）と特性（ａ）との差が、全体の性能を評価す
る有用なパラメータとなる。

29GHzの周波数帯域で得られた特性パラメータを第２表
に示す。これらのパラメータは、実施例E1、E2、E3およ
び比較例PAのマイクロ波アイソレータで、それぞれ順方
向おび逆方向の減衰を測定して得た。測定は、27.5ない
し29.5GHzの周波数帯域について行い、その周波数帯域
での「最悪の値」を選んだ。実際には、全ての帯域につ
いて情報を確実にするため、これらの上記の周波数帯域
よりわずかに高い周波数および低い周波数についても測
定した。最小の逆方向減衰を第２表の「逆方向」の項に
示し、最大の順方向減衰を「順方向」の項に示す。これ
らの差を「逆−順」の項に示す。これらの値は全てdB単
位である。

さらに、許容できる性能が得られる帯域幅を、GHz単位
で「帯域幅」の項に示す。許容できる特性の基準は、
「良好」な逆方向減衰が30dB以上で、「良好」な順方向
減衰が2dBより小さいことが満たされることである。

「帯域幅」の項は、比較例PAが狭い帯域幅、すなわら0.
4GHzまたは使用しようとする帯域幅の20％でしか、許容
できる性能を示すことができないことを示す。他の三つ
の欄も、問題としている周波数帯域、すなわち27.5ない
し29.5GHzの帯域で、十分な減衰が得られないことを示
している。

実施例E1は、フェライト層および吸収層の間にスペーサ
層を備え、順方向および逆方向の減衰に関しては実質的
に良好であるが、帯域幅は使用周波数帯域幅の約30％
で、あまり良好ではない。

実施例E2およびE3は、フェライト層およびスペーサ層の
間にさらに吸収層を設けた望ましい実施例であり、満足
できる性能を示す帯域幅の実質的な増大を示す。この特
徴は、他の項の良好な減衰の反映である。

実施例E3は、プレーナ回路に適合できる簡単な構造で優
れた性能を示す。満足できる性能を示すことのできる帯
域幅も3GHz以上であり、27.5ないし29.5GHzの2GHzの周
波数帯域幅を越えている。大きい逆方向減衰（37dB）お
よび小さい順方向減衰（1.2dB）は、このマイクロ波ア
イソレータの性能が優れていることを示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の層状素子、フィンライン
素子およびマイクロ波アイソレータは、製造が容易であ
り、しかも広い周波数帯域に対して良好なアイソレーシ
ョン効果を示す。

したがって、本発明は、長距離通信用のマイクロ波無線
リンク用のアイソレータに用いて大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例のフィンライン素子を示す
図。 第２図は本発明第二実施例のフィンライン素子を示す
図。 第３図は第二実施例の平面図。 第４図は導波路内にフィンライン素子を取り付けたマイ
クロ波アイソレータを示す図。 第５図はリッジ導波路に層状素子を取り付けたマイクロ
波アイソレータを示す図。 10……導電体層、11……基板、12……フェライト層、1
3、13A、13B……エネルギ吸収層、14……スペーサ層、1
6……層状素子、20……中心部、21、22……終端部、30
……本体、30A、30B……部分、31、32……リッジ。

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マイクロ波信号の伝搬路を決定する導波手
   段と、 この導波手段内の電界面に沿って取り付けられ、フェラ
   イト層およびエネルギ吸収層を含み、この導波手段内に
   伝搬するマイクロ波信号にひとつの方向とその逆の方向
   とで異なる減衰を与える層状の素子と を備えたマイクロ波アイソレータにおいて、 上記層状の素子は、上記フェライト層と上記エネルギ吸
   収層との間に誘電体スペーサ層を含む ことを特徴とするマイクロ波アイソレータ。
2. 【請求項２】上記層状の素子は、スペーサ層とフェライ
   ト層との間にさらに別のエネルギ吸収層を含む特許請求
   の範囲第（１）項に記載のマイクロ波アイソレータ。
3. 【請求項３】上記導波手段の外側には、上記層状の素子
   の近傍に磁場を供給する磁気手段を含む特許請求の範囲
   第（１）項または第（２）項に記載のマイクロ波アイソ
   レータ。
4. 【請求項４】フェライト層とエネルギ吸収層とを備え、
   ひとつ方向とその逆の方向とでマイクロ波信号に異なる
   減衰を与える層状素子において、上記フェライト層と上
   記エネルギ吸収層との間に誘電体スペーサ層を備えたこ
   とを特徴とする層状素子。
5. 【請求項５】エネルギ吸収層は抵抗体の層である特許請
   求の範囲第（４）項に記載の層状素子。
6. 【請求項６】エネルギ吸収層は、損失角が0.01ラジアン
   を越える誘電体層である特許請求の範囲第（４）項に記
   載の層状素子。
7. 【請求項７】スペーサ層は比誘電率が1.5ないし20であ
   る特許請求の範囲第（４）項に記載の層状素子。
8. 【請求項８】フェライト層と、エネルギ吸収層と、上記
   フェライト層と上記エネルギ吸収層との間に設けられた
   誘電体スペーサ層とを備えた層状素子において、 フェライト層とスペーサ層との間にさらに別のエネルギ
   吸収層 を備えたことを特徴とする層状素子。
9. 【請求項９】それぞれのエネルギ吸収層は抵抗体の層で
   ある特許請求の範囲第（８）項に記載の層状素子。
10. 【請求項１０】それぞれのエネルギ吸収層の面積抵抗は
    10ないし3000Ω／□である特許請求の範囲第（９）項に
    記載の層状素子。
11. 【請求項１１】それぞれのエネルギ吸収層は、損失角が
    0.01ラジアンを越える誘電体層である特許請求の範囲第
    （８）項に記載の層状素子。
12. 【請求項１２】マイクロ波エネルギの伝搬路を決定する
    導電体層と、 この導電体層を支える一つ以上の基板と を備えたフィンライン素子において、 上記基板の上記導電体層と反対側の面に、フェライト層
    と、エネルギ吸収層と、上記フェライト層と上記エネル
    ギ吸収層との間に設けられた誘電体スペーサ層とを含む
    層状素子が設けられたこと を特徴とするフィンライン素子。
13. 【請求項１３】層状素子のフェライト層が基板に隣接す
    る特許請求の範囲第（12）項に記載のフィンライン素
    子。