JPS5821846B2 - ヒカギヤクカイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波およびミリ波用非可逆回路に関す
るものである。

第１図は、従来の導波管型サーキュレータの構成例であ
り、回転対称に配置された三つの矩形導波管１１の結合
部の中央に、フェリ磁性体正三角柱１２を置き、該正三
角柱の上下端面に垂直に直流磁界を印加して構成されて
いる。

このサーキュレータは、フェリ磁性体正三角柱１２に固
有の共振モードをサーキュレータ動作の基本としている
だめ、動作周波数上昇に伴ない正三角柱１２の断面の寸
法が小さくなり、特にミリ波帯では正三角柱１２の工作
精度が厳しく、また正三角柱１２の位置決めにも高い精
度が必要となり調整が困難である欠点があった。

第２図は、従来の導波管型磁気共鳴アイソレータの構成
例であり、導波管１１内の円偏波磁界が存在する位置付
近に誘電体板２１とフェリ磁性体板２２を置き、磁気共
鳴に必要な直流磁界を印加して構成される。

導波管内に円偏波磁界が存在する位置が周波数の関数で
あり、最適位置からの微小なずれによっても挿入損失が
増大するため、位置決めに厳しい精度が要求され、調整
が難しい欠点があった。

本発明の目的は、従来のものとは異なるエツジモードに
より動作し、前記従来の欠点を改善され工作が容易であ
り、かつ調整が簡単な非可逆回路を提供することにある
。

本発明によればＨ面分岐された２個以上の開口部を備え
た導波管結合体の前記分岐領域内に使用周波数において
特定のモードで共振して誘電体共振器を構成することの
ない先端から中央部に向って広幅となる突起部を前記導
波管結合体の開口部数と同数持つと共に、該突起部が前
記導波管結合体の分岐形状に合わせて配置されたフェリ
磁性体柱を、前記各突起部の先端が前記各開口部方向と
一致し、かつフェリ磁性体柱の上下端面が前記導波管結
合体の導波管壁と平行となるように配置固定せしめ、該
フェリ磁性体柱の端面に垂直に直流磁界を印加し、前記
フェリ磁性体柱の側壁に沿って伝搬する表面波を利用し
、該フェリ磁性体の実効透磁率が負となる周波数領域を
使用周波数帯域内に含むことができるようにしたことを
特徴とする非可逆回路が得られる。

次に前記本発明による非可逆回路の動作原理を図面を用
いて詳述する。

第３図は、矩形導波管１１内に、導波管の高さと等しい
高さの矩形断面のフェリ磁性体３１を詰めた導波管の断
面を示す。

この導波管の８面に垂直に直流磁界を印加した場合には
、フェリ磁性体と空気層との一方の界面３２に電磁界が
集中するＴＥ波の表面波が存在する。

この表面波は、伝搬の向きが逆になると電磁界の集中す
るフェリ磁性体面も他の面３３に変化する性質がある。

第４図は、導波管断面の長辺の半分の幅のフェリ磁性体
３１を詰めた場合の表面波の伝搬特性の解析結果の一例
を示し、次の如く飽和磁化４πＭｓ、比誘電率ε、導波
管断面の長辺の寸法２αおよび内部直流磁界Ｈ１を仮定
している。

４ πＭｓ ＝ １８００ ＧａｕｓｓεＬ：１４
．３６ ２α＝４ｃｒｒＬ Ｈｌ ＝０ ０ｅ 図中Ｋｙは伝搬方向の波数、■はフェリ磁性体と等しい
誘電率の誘電体中の光速、Ｃは真空中の光速及びμｅは
フェリ磁性体の実効透磁率をそれぞれ表わす。

図中の実線で示す曲線が表面波の伝搬特性を示し、破線
は中空導波管の基本モードの伝搬特性を表わす。

フェリ磁性体棒引の幅を狭くするに従い表面波の伝搬特
性を示す曲線は上方に移動し、幅を零にしたとき、中空
導波管の伝搬特性に一致する。

第５図は第４図のＷ（ｔ／Ｖが９の場合の電界分布を示
す図で、フェリ磁性体の一方の側壁付近に電磁界が集中
している。

本発明はこのような表面波を利用してサーキュレータ、
アイソレータ等の非可逆回路を構成しようとするもので
ある。

従って従来のものと異なり表面波を利用した非再逆向路
では、動作周波数によ如７エリ磁性体の寸法および位置
が限定されることはなく、従来のものに比べ、非常に製
作、調整が容易で、特性の再限性が良く信頼性の高い非
可逆回路を実現することができる。

まだ従来、不可能であったフェリ磁性体の実効透磁率が
負となる周波数領域を使用周波数帯域内に含ませること
ができるようになる。

第６図ａおよびｂは、本発明非可逆回路の第１の実施例
を示す平面図および断面図で、第６図ａは、磁気回路６
９の上面と内側に設けられる磁石６８および矩形導波管
１１の上壁を取り除いて描いており、第６図すば、第６
図ａの中心線Ａ−Ａ’上の断面図であり、回転対称に配
置された三つの矩形導波管１１を結合した三つの開口部
１，２゜３を持つ導波管系を構成し、中央部から周辺部
に向かって徐々に幅が狭くなる三つの突起部６１゜６２
．６３からなる回転対称な断面形状のフェリ磁性体柱６
４を前記導波管系の対称軸６５とフェリ磁性体柱の対称
軸６６を一致させて導波管系に挿入し、フェリ磁性体柱
６４にほぼ一様な直流磁界を印加するだめの磁石６８と
磁石６８の磁気回路６９とにより構成されるサーキュレ
ータを示す。

開口部１，２．３において外部回路と結合し、開口部１
から入射した波はフェリ磁性体柱６４の突起部６１の先
端から、幅の広い部分に伝搬する過程で、次第に波数が
大きくなり、中空導波管の基本モードからフェリ磁性体
柱６４の側壁に沿って伝搬する表面波に変換される。

この表面波は、先に述べたようにフェリ磁性体柱６４の
一つの側壁付近に大部分のエネルギーを集中して伝搬し
、例えば左回りの場合突起部６２で中空導波管モードに
再変換されて開口部２に出力が現われる。

また、開口部２からの入射波は、出力波とは別の側壁に
沿って伝搬し、開口部３に現われる。

この過程を繰り返してサーキュレータとして動作する。

この中空導波管モードと表面波との変換を反射波の発生
を小さく抑えて行なうためには、突起部の幅を、できる
だけ緩やかに変えることが必要である。

以上の動作原理かられかるように、サーキュレータの動
作周波数がフェリ磁性体柱６４０寸法を限定することは
なく、また、その形状に対する条件も緩やかであるので
７工リ磁性体柱６４の製作が容易で、周波数の調整は、
はぼ印加磁界を変えるだけで充分であわ、従来の固有共
振モードを利用したサーキュレータに比べ、製作、調整
とも容易なサーキュレータが得られる。

本実施例では、フェリ磁性体柱６４の断面の外形は、同
じ三つの円弧によって囲まれた形を用いたが、これに限
るものではなく、例えば双曲線等の曲線により囲まれる
形であっても同じ作用を行なわせ得ることは明らかで、
要は使用周波数において特定のモードで共振して誘電体
共振器を構成することのないように先端から中央部に向
って広幅となる突起部を形成せしめればよし。

また、本実施例では、三端子サーキュレータを示したが
、四端子以上の端子数であっても、端子数に対応した数
の突起部を持つフェリ磁性体柱を用いることにより、四
端子以上の端子数のサーキュレータを構成し得ることは
明らかである。

第７図は、本発明非可逆回路の第２の実施例を示す平面
図で、磁気回路６９の上面と矩形導波管１１の上壁を取
り除いて描いており、中央部から両端部に向かって徐々
に幅が狭くなる突起部７１゜７２と幅の等しい中央部７
３から成る、導波管１１の高さと等しい高さのフェリ磁
性体柱６４を矩形導波管１１のＥ面に垂直に管内のほぼ
中央に配置し、フェリ磁性体柱６４の一方の側壁７４に
抵抗体膜７５を付加し、導波管１１のＥ面に垂直にほぼ
一様な磁界を印加するだめの磁石６８と磁石６８の磁気
回路６９とに構成されるアイツレ−４夕を示す。

導体管１１の開口部より入射した波は、突起部の先端付
近で表面波に変換され、抵抗体膜７５が付加された側壁
に電磁界が集中する向きへの伝搬では大きな損失を受け
、他の向きへの伝搬では、抵抗体膜７５が付加されてい
ない側壁に電磁界が集中するためほとんど損失を受けな
い。

従って、抵抗体膜７５による損失をアイソレーションと
するアイソレータが得られる。

このとき、フェリ磁性体柱６４は必らずしも導波管１１
の中央に配置される必要はなく抵抗体膜１５が導波管１
１の側壁と接する程に片寄せて配置された場合でもアイ
ソレータを構成することができるが、抵抗体膜の付加さ
れていない方のフェリ磁性体柱６４の側壁をあまり導波
管壁に近づけると、管壁電流の増大により挿入損失が増
加することとなる。

このように表面波を利用したアイソレータでは、フェリ
磁性体柱６４に課せられる条件が非常に緩やかであるた
め、従来のものに比べ、製作、調整が容易なアイソレー
タを容易に実現できる。

本実施例では、対称な断面形状のフェリ磁性体柱６４を
用いだが、一方の側壁が一つの平面であるフェリ磁性体
柱６４を用いても同じ作用を行なわせ得ることは明らか
である。

また、フェリ磁性体柱６４の幅の等しい中央部フ３がな
く二つの突起部７１．７２だけから成るフェリ磁性体柱
６４を用いてもよいことは言うまでもない。

さらにまた、本実施例では、大きな損失を得るために抵
抗体膜７５を用しだが、了イソレータ動作時の直流磁界
を印加されても未飽和状態であるような飽和磁化の大き
なフェリ磁性体板で抵抗体膜７５を置き換えても、付加
したフェリ磁性体板の低磁界損失により、付加するフェ
リ磁性体板の飽和磁化が５００００ａｕｓｓであればほ
ぼ１４ ＧＨｚ以下の周波数帯域では同じ効果を得るこ
とは明らかである。

また、抵抗体膜Ｔ５を異方性磁界の大きなフェリ磁性体
板と換えて動作周波数帯域内でとのフェリ磁性体板が磁
気共鳴を起こすようにしても同じ効果が得られることは
明らかである。

さらにまた、抵抗体膜１５等を付加せずフェリ磁性体柱
６４自身の起こす磁気共鳴吸収を損失として利用するこ
とも可能である。

第８図は、本発明の第３の実施例を示す平面図で、第１
の実施例のサーキュレータ内のフェリ磁性体柱６４の一
つの側壁には抵抗体膜７５を付加した以外は、第１の実
施例と同じ構造の非可逆回路を示す。

この非可逆回路は、三端子サーキュレータの一つの端子
にアイソレータが接続された回路と等価な動作を示し、
前記第２の実施例のアイソレータ動作と同じ過程で、抵
抗体膜７５が付加された側壁に沿って伝搬する表面波が
受ける損失がこの等側口路中のアイソレータのアイソレ
ーションに対応する。

前記の如く抵抗体膜７５を付加した場合でも他の側壁に
沿って伝搬する表面波にはほとんど影響を与え々いため
、第１の実施例により得られるサーキュレータをそのま
ま本実施例に利用することができる。

本実施例では表面波を利用することにより、従来の固有
共振モードを利用したサーキュレータでは、四端子サー
キュレータを作り、その一つの端子を整合終端して得て
いた回路が一つの三端子サーキュレータからほとんど無
調整で作ることができるので、製作および調整が非常に
簡単な非可逆回路が得られる。

本実施例では、三端子の場合を示したが、さらに多端子
のサーキュレータに対し、１箇所以上の側壁に抵抗体膜
７５を付加することにより、三端子サーキュレータとア
イソレータを複数個組み合わせた回路と等価な非可逆回
路が容易に構成し得ることは明らかであろう。

第９図は、本発明の第４の実施例の平面図で、前記第１
の実施例を変形したサーキュレータを示す。

前記第１の実施例では、回転対称な断面構造を取ったが
、本実施例では、矩形導波管１１を丁字形に結合し、同
時に第９図の如く変形した断面形状の突起部９１，９２
．９３を持つフェリ磁性体柱６４を結合部に配置した以
外は、第４の実施例と同じ構造である。

本実施例の如く、回転対称でない断面構造であっても、
前記第１の実施例の動作原理に従い、中空導波管モード
から表面波への変換が行なわれるかぎりサーキュレータ
を構成し得る事は明らかであり、本実施例においても表
面波を利用したサーキュレータの利点を持つものが得ら
れる。

また、本実施例では丁字形の導波管系を用いたが、三つ
の矩形導波管１１のなす角度が総て違うように結合した
導波管系であっても、容易にサーキュレータを構成し得
ることは明らかである。

第１０図ａは本発明の第５の実施例を示す平面図で、前
記第２の実施例を変形したアイソレータを示す。

第１０図すは、第１０図ａの中心線Ｂ −Ｂ′上の断面
図であり、矩形導波管１１の曲がＶ部分に両端に突起部
１３．１４を持つフェリ磁性体柱６４を配置し、磁石６
８の作る磁界をフェリ磁性体の全面にほぼ一様に印加し
、さらにフェリ磁性体柱６４の一方の側壁の近くに磁気
回路６９に板状の凸部１７を形成し、磁極の空隙間隔を
一部分狭めて、局部的に強く分布する磁界を重畳するこ
とにより構成される。

本実施例は、フェリ磁性体柱６４自身の磁気共鳴吸収を
利用したアイソレータである。

フェリ磁性体柱６４の一方の側壁付近でのみ磁気共鳴を
起こすならば、アイソレータを構成することができ。

本実施例では、板状の凸部１７により局部的に強い磁界
を一方の側壁近くにのみ重畳することにより、内部直流
磁界を側壁付近でのみ急激に変化して分布させて側壁近
傍で磁気共鳴を起こしている。

この場合、内部直流磁界の強さが、側壁近傍で連続的に
変化しており、これに対応して磁気共鳴周波数が分布す
るため、前記従来の磁気共鳴型アイソレータに比べ広帯
域特性を持たせることができる。

本実施例の如く導波管の曲がり部をアイソレータとする
ことは、従来の原理に基づく方法では困難であったが、
表面波を利科することにより、真直ぐな導波管でアイソ
レータを構成する場合と何ら変わりなく容易に構成する
ことができる。

本実施例では、局部的に強磁界を印加するために磁気回
路６９に板状の凸部１７を形成しだが、この凸部１７を
磁気回路６９とは別の磁性体板で置き変えても、また磁
石で置き換えても同じ作用を行なわせ得ることは明らか
である。

また、本実施例では、局部的に印加磁界を強める操作を
行なったが、逆にフェリ磁性体柱の一方の側壁近傍を除
くフェリ磁性体柱の端面には磁気シールドにより弱めら
れた、はぼ一様な直流磁界を印加し、さらに前記側壁近
傍２は、シールドを施さ々い、磁界を印加しても本実施
例と同じ効果が得られることは明らかであろう。

また以上のビローレゾナンス型磁気共鳴アイソレータと
対称なアバブレゾナンス型構造にも同様に適用できるこ
とは云うまでも々い。

第１１図は、本発明の第６の実施例を示す平面図で、前
記第１の実施例を変形したサーキュレータを示す。

三つの突起部６１，６２．６３より成る回転対称な断面
形状のフェリ磁性体柱６４の中央部に円筒の空洞１５を
設けた以外は第１の実施例と同じ構造である。

フェリ磁性体柱６４の実効透磁率が正となる周波数領域
（第４図参照）では、高次モードが伝搬可能となるが、
高次モードは、主にフェリ磁性体の内部にエネルギーを
集中して伝搬し、表面波のように強い非対称な電磁界分
布を示さなＡため、非可逆回路を構成する場合には不要
なモードである。

高次モードのしゃ断周波数は、フェリ磁性体柱６４の幅
が広くなる程低くなり、実効透磁率が零となる周波数に
近づく。

従って、表面波にはさ程影響を与えないように、フェリ
磁性体柱６４の広幅部の中央部に空洞１５を設けて高次
モードのしゃ断周波数を高くすることにより、表面波の
単一伝搬周波数領域を広くすることができる。

従って、本実施例により第１の実施例に比べ広帯域特性
のサーキュレータが得られる。

本実施例では、高次モードのしゃ断周波数を高くするた
めに円筒の空洞１５を設けたが、この目的のためには、
空洞１５の形を三角柱としても、フェリ磁性体柱６４と
相似な断面形状のものとしても、その他の複雑な形とし
ても、同じ作用を行なわせ得ることは明らかである。

また、本実施例に示した方法は、第１の実施例だけでな
く前記他の実施例に対しても、同じ効果を与えることは
言うまでもない。

第１２図は、本発明の第７の実施例を示す断面図で、こ
の平面図は、第１の実施例と変わらず、第６図ａの中心
線入−Ｎ′上の断面図であり、第１の実施例の導波管の
高さに等しい高さのフェリ磁性体柱６４を二個のフェリ
磁性体柱１６に置き換え、それぞれのフェリ磁性体柱１
６を対向させて配置させた構造である以外は、第１の実
施例と同じ構造のサーキュレータである。

前記表面波の解析においては、導波管の高さに等しい高
さのフェリ磁性体棒３１を詰めた場合には、ＴＥ波の表
面波が存在することを示したが、本実施例の如く二個の
フェリ磁性体柱１６の間に空気層がある場合には、ＴＥ
波に近いＨＥ波の表面波が存在し得る。

従って、本実施例においても。前記第１の実施例の如く
、表面波を利用することにより得られる利点を保持した
サーキュレータが得られる。

本実施例では 二個のフェリ磁性体柱１６の間に空気層
を設けることにより、第１の実施例にお１ける如く、導
波管の高さと等しい高さのフェリ磁性体柱６４を詰めた
場合ｆ比べ、相対的に本実施例の構造の方がインピーダ
ンスが高く、中空導波管のインピーダンスに近い値にす
ることができる。

従って、第１の実施例と同じ断面形状のテーパ一部を持
つフェリ磁性体柱を用いても、中空導波管モードと表面
波との間の変換は、本実施例の方がより緩やかに行なわ
れ、フェリ磁性体柱の断面形状の変化の影響を受けにく
くなる。

以上の説明から明らかなように、本実施例ではＪ第１の
実施例に比ベモード変換による反射損失を小さく抑えた
サーキュレータが容易に構成される。

また本実施例では、二個のフェリ磁性体柱１６の間に空
気層を設けだが、前記目的のためには、両端面を誘電率
の小さな誘電体ではさんだフェリ磁性体柱を用いても同
じ作用を行なわせうる事は明らかであろう。

さらに、本実施例の二個のフェリ磁性体柱１６を用いる
方法が、前記他の総ての実施例に適用し得ることは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のサーキュレータの構成例を示す図で、図
中１１は矩形導波管、１２はフェリ磁性体正三角柱を示
す。 第２図は従来のアイソレータの構成例を示す図で、図中
２１は誘電体板、２２はフェリ磁性体板を示す。 第３図は、フェリ磁性体を詰めた導波管の断面を示す図
で、図中３１はフェリ磁性体、３２．３３はフェリ磁性
体３１の側壁を示し、第４図は表面波の伝搬特性の一例
を示す図であり、第５図は導波管断面内での電界強度分
布を示す図である。 第６図ａは本発明非可逆回路の第１の実施例を示す平面
図で、第６図すは、第６図ａの中心線Ａ−Ａ’上の断面
図であり、図中１．２．３は開口部、１１は矩形導波管
、６４はフェリ磁性体柱、６１，６２．６３はフェリ磁
性体柱６４の突起部、６８は磁石、６９は磁気回路を示
す。 ！７図は本発明の第２の実施例を示す平面図で、図中７
１．７２はフェリ磁性体柱６４の突起部、７４はフェリ
磁性体柱６４の側壁の一つ、１５は抵抗体膜を示す。 第８図は本発明の第３の実施例を示す平面図で図中６４
はフェリ磁性体柱、６１．６２．６３はフェリ磁性体柱
６４の突起部、７５は抵抗体膜を示す。 第９図は本発明の第４の実施例を示す平面図で、図中９
１ 、９２゜９３はフェリ磁性体柱６４の突起部を示す
。 第１０図ａは本発明の第５の実施例を示す平面図で、第
１０図すは、第１０図ａの中心線Ｂ−Ｂ’上の断面図、
図中１３．１４はフェリ磁性体柱６４の突起部、１７は
磁気回路６９の板状の凸部を示す。 第１１図は本発明の第６の実施例を示す平面図で、図中
１５は円部の空洞を示す。 第１２図は本発明の第７の実施例を示す断面図で、図中
１６はフェリ磁性体柱を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｈ面分岐された２個以上の開口部を備えた導波管結
   合体の前記分岐領域内に使用周波数において特定のモー
   ドで共振して誘電体共振器を構成す。 ることのない先端から中央部に向って広幅となる突起部
   を前記導波管結合体の開口部数と同数持つと共に、該突
   起部が前記導波管結合体の分岐形状に合わせて配置され
   たフェリ磁性体柱を、前記各突起部の先端が前記各開口
   部方向と一致し、かつ。 フェリ磁性体柱の上下端面が前記導波管結合体の導波管
   壁と平行となるように配置固定せしめ、該フェリ磁性体
   柱の端面に垂直に直流磁界を印加し、前記フェリ磁性体
   柱の側壁に沿って伝搬する表面波を利用し、該フェリ磁
   性体の実効透磁率が負となる周波数領域を使用周波数帯
   域内に含むことができるようにしたことを特徴とする非
   可逆回路。