JPS5941901A - フエライトサ−キユレ−タを含む整合兼隔離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） この発明は、フェライトサーキュレータを含む整合兼隔
離装置（ａ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔ
ｉｎｇｄｅｖｉｃｅ　）に関し、より具体的には、直列
共振回路のインピーダンスに近いインピーダンスを持つ
整合すべき回路を接続点に結合するだめの、フェライト
サーキュレータを含む整合兼隔離装置に関する。

（背景技術） マイクロ波用の広帯域の整合装置は、整合しようとする
回路（以下、整合すべき回路と言う。）が並列共振回路
に近いも°のではない場合には、広帯域の動作周波数を
得るために、その整合すべき回路のインピーダンスに対
応するインピーダンスを提供することを可能にす券哄振
器を基本的に使用する。さらに、マイクロ波回路の間に
、隔離（１ｓｏｌａｔｉｏｎ　）を与えたりあるいは定
在波比（ｓｔａｎｄｉｎｇ　−ｗａｖｅ　ｒａｔｉｏ　
：　ＳＷＲ）を改良したシするための整合兼端子装置（
ｍａｔｃｈｔｎｇ　ａｎｄａｃｃｅｓｓ　ｄｅｖｉｃｅ
　）を持つサーキュレータを使用することも、既に公知
である。サーキュレータと整合すべきマイクロ波回路と
の間の接続は、従来の方法により、標準化された特性イ
ンピーダンス（５ｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ　ｃｈａｒａ
ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　：例えば５
０Ω）の通路（ｐａｓｓａｇｅ　）によって遂行される
。このためには２つの整合装置、すなわちサーキュレー
タ用の整合装置と整合すべき回路用の整合装置が必要と
なり、その結果通過帯域が減少（発明の開示） この発明の目的は、上述したような２つの整合装置を使
用することに起因する欠点を解消することである。

この目的は、フェライトサーキュレータにょ逆回路−整
合装置（ｃｉｒｃｕｉｔ　−ｒｎａｔｃｈｔｎｇ　ｄｅ
ｖｉｃｅ　）を製造することによシ達成される。

この発明によれば、整合すべき回路のインピーダンスが
直列共振回路のインピーダンスに近い場合に、その整合
すべき回路を接続点へ結合するための整合兼隔離装置が
提供される。この整合兼隔離装置は、整合すべき回路に
結合される並列共振回路形の整合回路と、接続点に結合
される第１端子（ａｃｃｅｓｓ　）および整合すべき回
路に結合される第２端子を有するフェライトサーキュレ
ータとから構成される。この整合兼隔離装置において、
フェライトサーキュレータは複数の端子を持つスイッチ
ング回路を含み、その端子のインピーダンスが並列共振
回路のインピーダンスに近く、従ってフェライトサーキ
ュレータ自身が上記整合回路を構成する。

関連する技術分野において注目すべきことは、オースト
ラリア特許出願第７５０８４／８１号明細書には、サー
キュレータをも提供するようなアイソレータ（ｊｓｏｌ
ａｔｏｒ　）が記載されている。このサーキュレータに
おいては、サーキュレータ本来（スイッチング機能に対
応する。）の３つの入力端子のうちの、消費負荷に結合
する１つの入力端子の整合を最適にするために、選択さ
れた結合素子は直列振動回路（ａｅｒｆｅｓ　ｏｓｃｉ
ｌｌａｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　）であシ、消費負荷
のインピーダンスに付加されるその直列振動回路のイン
ピーダンスは、サーキュレータの共役インピーダンスに
可能な限シ近いものである。すなわち、この直列振動回
路は、通常整合動作に使用されかつ通常サーキュレータ
の一部を構成するλ／４形のインピーダンス変成器を置
き換えるものである。しかしながらこの構成はこの発明
とはわずかの類似点を有するに過ぎず、この発明は、λ
／４形のインピーダンス変成器（サーキュレータの一部
をなす。）を直列振動回路（サーキュレータに付加され
た。）によって置き換えるものではなく、整合すべき回
路とサーキュレータとを結合するために通常使用される
並列共振回路形の整合回路を不要にするものである。従
って、整合すべき回路は、整合回路に代わるものとして
の素子を何ら使用することなく、サーキュレータへ直接
結合される。

（発明を実施するだめの最良の形態） この発明のその他の特徴は、以下の説明と添付図面を参
照してより明らかにされる。なお、全図において、対応
する要素は同一の参照番号を付される。

以下の説明は、整合すべき回路、より詳織には増幅器、
フィルタ、ミキサ等のマイクロ波回路に関する。

第１図は、最も一般的な場合、す々わち、整合すべき回
路のインピーダンスが直列共振回路Ｒ１−Ｌ−Ｃ１のイ
ンピーダンスに近い場合の、整合すべき回路のインピー
ダンスを示す。整合すべき回路の中間帯域の動作周波数
ＦＯがその共振周波数と異なる場合は、これら２つの周
波数を等しくするために、整合すべき回路に直列に１つ
のインピーダンスが付加される。第１図の場合、このイ
ンピーダンスはインダクタンスＬ’ｌにより得られる。

以下の説明および特許請求の範囲において、この付加さ
れたインピーダンスは整合すべき回路の一部を形成し、
その整合すべき回路は、素子Ｒ１−Ｌ　１−　ＣＩ　（
但し、Ｌ１＝Ｌ＋Ｌ’ｌ）で形成される直列共振回路と
みなされる。そして、中間帯域の動作周波数に対応する
角周波数ω。は、Ｌｌ・Ｃ１・ωｏ＝１で与えられる。

第１図に示す整合すべき回路の角周波数ωにおけるイン
ピーダンスは、 そしてそのＱ　（ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　）は
１である。

以下で考察する形式の整合すべき回路を隔離回路を介し
て１つの接続点に結合する時は、その目的のために、第
２図に示すような回路構成において、フェライトサーキ
ュレータを採用することが実用上公知である。

第２図は、整合すべき回路１が接続点Ａに整合回路１０
およびサーキュレータ２０〜２３により結合されること
を示す。整合回路１０は、従来の方法によシ１つまたは
多数の並列共振回路によシ構成される。整合回路１０の
各素子は、整合回路１０の出力端子が整合すべき回路１
の入力端子に接続された時に、全ての動作周波数帯域に
おいて入力インピーダンスが所定の値２゜を持つ純粋の
オーム入力インピーダンスを呈するように、選択される
。サーキュレータは単一の素子で構成されるけれども、
種々の機能を区別するために４つのブロックで示す。す
なわち、ブロック２０はスイッチング回路を示し、本来
の「サーキュレータ」の機能を呈し、３つのブロック２
１，２２．２３はインピーダンス変成器を示し、サーキ
ュレータ０３つの端子のインピーダンスを上述しだ値Ｚ
Ｃに復帰させるために、スイッチング回路２０の３つの
端子のそれぞれに接続される。ブロック２０で表わされ
る「サーキュレータ」機能は、整合すべき回路１を他の
整合すべき回路から隔離する役目を果し、接続点Ａにお
ける定在波比を改良するために、接続点Ａの下流側に接
続される。整合回路１０と同様に、インピーダンス変成
器２１，２２゜２３はインピーダンス整合機能を持つが
、しかし整合回路１０とは対照的に、後述するように、
サーキュレータの各端子に並列共振回路のインピーダン
スと同じ形式のインピーダンスが与えられているという
事実により、インピーダンス変成器２１．２２．２３は
そのインピーダンス整合機能を遂行するためには、共振
器の使用を必要としない。インピーダンス変成器２１，
２２．２３は多くの場合１／４波長変成器からなる。イ
ンピーダンス変成器２１は接続点Ａに接続され、インピ
ーダンス変成器２２は抵抗Ｒの第１端子に接続され、抵
抗Ｒの第２端子は接地される。インピーダンス変成器２
３については、これは整合回路１０を介して整合すべき
回路１に結合される。

第３図は、第２図の回路構成をこの発明によシ変更した
回路構成を示す。第３図に示す回路構成の第２図の回路
構成との違いは、整合回路１０（第２図）を省略し、必
要に応じて、直接接続または並列共振素子を持たない単
一のインピーダンス変成器３で置き換えたものである。

この変更は第３図において破線のブロック３で汗される
。インピーダンス変成器２３と整合回路１０、従って共
振器を省略したことにより、この形式の回路構成は第２
図に示す回路構成よりも幅の広い通過帯域を持つ。さら
に、素子の数が減少したため、第３図の回路の損失は第
２図の回路よシも少ない。

以下に、第３図の回路構成が可能となる理由を説明する
。

フェライトサーキュレータの場合は、各端子（ａＣＣ６
ＢＢ　）のインピーダンスが並列共振回路のインピーダ
ンスに近いことが、測定により立証されるように公知で
ある。この点については、ｒ　ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃ
ｔｉｏｎｓ　　ｏｎ　　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　　ｔｈｅ
ｏｒｙ　　ａｎｄｔｅｃｈｎｔｑｕｅｓ　Ｊ　１９６５
年１月号の「フェライト接合サーキュレータの動作（０
ｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅｆｅｒｒｉｔｅ　ｊｕ
ｎｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ　）　Ｊと称する
論文の第１５〜２７頁が参照される。

第４図は、並列の抵抗Ｒ２，インダクタンスＬ２および
コンデンサＣ２で形成される並列共振回路を示す。この
図は、角周波数ωにおけるインピーダンスが、 であるフェライトサーキュレータの端子のインピーダン
スを示す。

第４図の並列共振回路のＱは、 Ｑ２＝Ｒ２，Ｃ２，ω。　　　　　　　　　　（４）で
あり、ここでω。はフェライトサーキュレータの共振角
周波数で、 Ｒ２，Ｃ２，ω。−１ である。

回路構成においてサーキュレータをマイクロ波回路用の
隔離装置として用いる場合は、動作周波数の帯域幅が中
間帯域の動作周波数、従ってマイクロ波回路の共振周波
数に等しいか、または少なくともできるだけ近いように
、サーキュレータの共振周波数が選択される。この理由
のため、第１図の整合すべき回路に関するＬｌ、Ｃ１，
ω０＝１の形式および式Ｌ２　、　Ｃ２、ωＱ−１の双
方において、共振角周波数がω。で表わされる。

第４図による並列共振回路が第１図による直列共振回路
用の整合回路を構成できることを保証するためには、言
い換えれば、第２図のブロック図をスイッチング回路２
０と整合すべき回路１をインピーダンス変成器なしに結
合することによって第３図のブロック図に置き換えるこ
とを可能にすることを保証するためには、並列共振回路
のインピーダンスｚ２がインピーダンスｚ１の共役に等
しくなければならない。・言い換えれば、が保証されな
ければならず、この式において、Ｃ１とＲ２は式 ％式％ から得られる値によって置き換えられ、さらに実部と虚
部を等しくすることにより、 となる。ω＝ω。の場合は、式（５）からＲ１＝Ｒ２ が得られ、ωがω。と異なる場合は、（６）式からが得
られる。そしてこれはω０／ωを乗算することによシ、 Ｌｌ　・ωＯ Ｒ１・Ｃ２・ω０＝ ２ となる。これは式（２）および（４）を考慮すると、Ｑ
１＝Ｑ２ と女る。

整合すべき回路の共振角周波数ω０におけるＲ１とＱｌ
の値がわかっている時は、共振角周波数、Ｑおよび共振
インピーダンスがそれぞれω。。

ＱｌおよびＲ１の値に等しいかまたは少なくとも近いサ
ーキュレータを構成することが常に可能である。従って
、サーキュレータとマイクロ波回路とを広い帯域で最適
に整合することが可能となる。

注意すべきことは、サーキュレータの抵抗Ｒ２の抵抗値
が整合すべき回路の抵抗Ｒ，１の抵抗値と大きく異なる
場合は、並列共振素子を有さすかつ第３図のインピーダ
ンス変成器３と同じ方法で取シ付けられたインピーダン
ス変成器によシ、整合を行なうことができる。整合すべ
き回路１に関連するインピーダンス変成器３によシ構成
される回路は常に、整合すべき回路１と同じ共振角周波
数を持ち、そしてその抵抗はＲ２に等しくなるように決
められる。さらに、共振角周波数ω。におけるそのＱは
最早Ｑ１に等しくはないが、インピーダンス変成器３に
よシ変更される。従って、サーキュレータの共振Ｑが整
合すべき回路１とインピーダンス変成器３を含む回路構
成のＱにできるだけ近いことを保証するように、サーキ
ュレータが選定されなければならない。

以下に第５図および第６図を参照して、第３図における
整合すべき回路１とスイッチング回路２０の間をインピ
ーダンス変成器３なしに直接結合する回路構成を意図し
たサーキュレータの構造の一具体例を説明する。整合す
べき回路はガリウム−Ｃ素電界効果トランジスタを使用
しておシ、この電界効果トランジスタは３．６−４．２
　ＧＨｚの周波数範囲内で動作し、以下の特性を有する
。すなわち、 共振周波数：　Ｆ　Ｏ”　３．９　ＧＨｚＱ：Ｑ１＝３
．１５ 共振インピーダンス：Ｒ１＝１５０ この整合すべき回路の整合の一般的な目的は、最小の雑
音指数を持つ電界効果トランジスタを得ることである。

（第５図および第６図に示す）完成されたサーキュレー
タは以下の特性を持つ。すなわち、共振周波数：　Ｆ　
Ｏ＝　３．９　ＧＨｚＱ：Ｑ２＝２．１２ 共振インピーダンス：Ｒ２＝１５Ω 第５図および第６図に示すサーキュレータは、Ｑ２＝Ｑ
１という条件を完全には満たさないということが認めら
れよう。しかしながら、動作周波数の範囲（３，６−４
，２ＧＨｚ　）内では、最小の雑音指数を得るととを可
能にする最適インピーダンスとサーキュレータによυ作
シ出されるインピーダンスとの差は僅かな値であシ、こ
れにより得られる雑音指数も実用上最小であるという事
実が、測定によって証明されている。

第５図の破線は、サーキュレータのケーシングと整合す
べき回路のケーシングとで構成されるアッセンブリの周
辺Ｃを示し、その２つのケーシングは並置して配置され
るものである。第５図には、サーキュレータの中心に配
置された構成要素４と、２つの共振器接続プラグ３１．
３２と、第３図に示す整合すべき回路１の電界効果トラ
ンジスタ１１のみが示されている。

構成要素４は、３枚板の導波路形の構造、言い換えれば
、２枚の並行な接地面とその２枚の接地面の間に並行に
配置された１枚の板からなる構造における、内部導通板
を構成する。その２つの接地面は第６図において参照番
号６１と６２で示される。構成要素４は、金属板すなわ
ち厚さ１．２闘の銀メッキした真ちゅうで形成され、中
心孔４４を穿けられた直径１４＋ｍ＋の共振器ディスク
４０を有する。この共振器ディスク４０の周囲に、相互
に１２０°の角度で分岐（ｂｒａｎｃｈ）４１　、４２
　。

４３が配置される。分岐４１と４２の長さは分岐４３の
長さよシも著しく長く、かつ分岐４１と４２は同軸の共
振器接続プラグ３１．３２の内部導体にはんだ付けされ
る。この共振器接続プラグ３１と３２は、５０Ωに等し
い特性インピーダンスを持つと共に、（第３図における
）接続点Ａおよび抵抗Ｒへの接続を行うものである。第
５図には外部導体は示されていないが、しかもその外部
導体はサーキュレータのケーシングに接続される。

分岐４３は、単に接続の目的で示されているに過ぎない
が、整合すべき回路の電界効果トランジスタ１１のデー
）Ｇの端部にはんだ付けされる。電界効果トランジスタ
１１のダートの長さ、言い換えれば電界効果トランジス
タ１１．のケーシングと共振器ディスク４００間の接続
部分の長さは、第１図に関する説明において前述したイ
ンダクタンスＬ’ｌを決定するものでちる。図を簡単に
するためとこの発明の理解には関係がないという理由の
ため、電界効果トランジスタ１１のドレーンＤに接続さ
れる各素子は図示してい力い。電界効果トランジスタ１
１のソースＳについては、そのソースＳは２つの出力端
子Ｓ１と８２を有し、両出力端子Ｓ１と８２は共に整合
すべき回路のケーシングにはんだ付けされる。

注目に価する点は、説明している実施例において、電界
効果トランジスタ１１のゲートＧはサーキュレータによ
ってバイアスされるという事実である。図面を簡単にす
るため、第３図においては抵抗Ｒはサーキュレータと接
地の間に直接接続されている。しかしながら実際の実用
面では、その抵抗Ｒの第１端子はサーキュレータ（すな
わち、分岐４２に関連するインピーダンス変成器２２）
に接続され、第２端子は減結合回路に接続される。

この減結合回路は、整合すべき回路の動作周波数におい
て短絡として、および直流バイアス電圧において無限イ
ンピーダンスとして、機能する。この直流バイアス電圧
は抵抗Ｒの第２端子に印加される。減結合回路は通常の
方法で、短絡を返す開口した］／４波長ラインにより、
および／またはコンデンサにより形成される。

第３図において、サーキュレータを構成するインピーダ
ンス変成器２１．２２およびスイッチング回路２０につ
いて考察した。第５図において、共振器ディスク４０と
分岐４１および４２とは、スイッチング回路２０とイン
ピーダンス変成器２１および２２とにそれぞれ対応する
。このインピーダンス変成器は１／４波長形である。言
い換えれ（佳、各分岐の長さは、平均周波数３．９　Ｇ
Ｈｚにおけるサーキュレータ内の波長の１／４に実質的
に等しい。よシ正確に表現すると、第３図のブロック２
０．２１．２２は、素子４０，４１．４２の関連性に一
致し、かつその間にサーキュレータ内でそれらブロック
が挿入される素子の関連性に一致するが、それら素子に
つき第６図を参照して説明する。

第６図は、第５・図のＸ−Ｘ線において切断したサーキ
ュレータの正面図である。同図は、板である構成要素４
の両側に対称的に配置された２つの構造を示す。その板
でおる構成素子４に始まって、その構造は以下のものを
含む。すなわち、−共振器ディスク４０（第５図）の直
径と実質的に等しい直径を持つフェライトディスク５１
゜５２と、板である構成要素４の共振器ディスク４０（
第５図）より外側に位置する部分の全てを実用上覆うシ
リカ構成要素５３．５４゜これらの構成要素５１〜５４
の厚さは２．１ｍであυ、フェライトディスク５１．５
２には中心孔が設けられる。

−上述した接地面を構成し、構成要素５１〜５４の構成
要素４とは反対側の面に設けられ、フェライトディスク
５１．５２の反対側の位置に球形カップ状の凹所を有す
るアルミニウム板６１，６２゜−球形カンフ０状の凹所
内の空気層７１．　、７２と、厚さ０．５　ｍｍの軟鋼
製のワッシャ８１．８２と、厚さ１．５闘の永久磁石９
１，９２．２つの永久磁石９１’　、　９２によって形
成される磁気回路は、４００ガウスの磁場を発生する。

−Ｕ断面部材６０ｏこのＵ断面部材６００２つの対向す
るフランジによって２つの永久磁石９１゜９２をそれぞ
れ覆い、磁気回路を閉じる。Ｕ断面部材６０は、厚さ１
間２幅１７■の軟鋼製の板で形成される。

ナイロン（登録商標）製の円筒状の絶縁棒４５が、構成
要素４の中心孔４４とフェライトディスク５１　’、　
５２の中心孔に挿入され、これら構成要素４，５１．５
２相互の位置決めを行なう。

フェライトディスク５１とシリカ構成要素５３の間、お
よびフェライトディスク５１とアルミニウム板６１の間
に非常に薄い銀箔（第６図には図示しない）が配置され
、これら構成要素間の電気的接触を良好にすることを保
証する。もう１つの銀箔（図示しない）により、フェラ
イトデづスフ５２とシリカ構成要素５４の間およびフェ
ライトディスク５２とアルミニウム板６２の間の良好な
電気的接触を保証する。

アルミニウム板６１．６２とＵ断面部材６０の間にサー
キュレータのケーシングが設けられ、アルミニウム板６
１，６２にはネジ（図示しない）によって共振器接続プ
ラグ３１が取り付けられる。

上述したフェライトサーキュレータは、前述した整合し
ようとする回路の整合を達成するために必要な特性の関
数として製造される。この目的のためには、先ず目的と
する特性にかなり近い特性を持つ現実形のサーキュレー
タが選択された。次いで一連の試験を行なって、第５図
および第６図を参照して説明したサーキュレータが最終
的に得られた。

注目すべきことは、この発明は上述−した実施例には限
定されないということである。この観点から特に第３図
の回路構成において、インピーダンス変成器２２を省略
すること、すなわち実際的に構成要素４（第５図）の分
岐４２を省略することが可能である。その場合は、抵抗
Ｒの抵抗値を、共振状態において共振器の対応する出力
端子に存在する抵抗値にするだけでよい。

もう１つの注目すべき点は、サーキュレータを整合すべ
き回路の整合素子として、上述した実施例のように整合
すべき回路の入力端子においてだけでなく、出力端子に
おいても用いることができる、ということである。従っ
て、１つのサーキュレータを２つの整合すべき回路の整
合素子として共通に使用することができる。この場合は
、第１の整合すべき回路の出力端子をサーキュレータの
１つの端子に結合し、第２の整合すべき回路の入力端子
をサーキュレータのもう１つの端子に結合する。

【図面の簡単な説明】

第１図は最も一般的な整合すべき回路のインピーダンス
を示す回路図、第２図は従来の整合兼陽報装置の構成を
示すブロック図、第３図はこの発装置の一実施例の構成
を示すブロック図、第４図は並列共振回路のインピーダ
ンスを示す回路図、第５図は第３図のフェライトサーキ
ュレータの平面図、第６図は第５図のＸ−Ｘ線における
切断正面図である。 １・・・整合すべき回路、３・・・インピーダンス変成
器、ｌＯ・・・整合回路、２ｏ・・・スイッチング回路
、２１〜２３・・・インピーダンス変成器、Ａ・・・接
続点、Ｒ１，Ｒ２・・・共振インピーダンス、Ｑｌ、Ｑ
２・・・Ｑ１ω０・・・共振角周波数。 特許出願人 トムソ′Ｊ−セーエヌエフ 特許出願代理人 弁理士　山　本　恵　−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　直列共振回路のインピーダンスに近いインピ
   ーダンスを持つ整合すべき回路を接続点に結合するため
   のフェライトサーキュレータを含む整合兼隔離装置にお
   いて、前記整合すべき回路に結合される並列共振回路形
   の整合回路と、前記接続点に結合される第１端子および
   前記整合回路に結合される第２端子を有するフェライト
   サーキュレータとから構成され、該フェライトサーキュ
   レータが複数の端子を持つスイッチング回路を含み、か
   つ該スイッチング回路の端子のインピーダンスが前記並
   列共振回路のインピーダンスに近く１従って前記フェラ
   イトサーキュレータ自身が前記整合回路を構成すること
   を特徴とするフェライトサーキュレータを含む整合兼隔
   離装置。
2. （２）整合すべき回路がスイッチング回路の１つの端子
   に直接接続される特許請求の範囲第１項記載のフェライ
   トサーキュレータを含む整合兼隔離装置。 （３ン　　整合すべき回路が共振角周波数ω０と共振イ
   ンピーダンスＲ１とＱ＝Ｑ　１を持つ直列共振回路に近
   く、該整合回路が接続される端子に、関して、フェライ
   トサーキュレータが角周波数ω０と共振インピーダンス
   Ｒ２とＱ　＝　Ｑ’　２を持ちかつ実質的にＲ２＝　Ｒ
   １／かつＱ　２＝Ｑ　１である並列共振回路に近いこと
   を保証するように、該サーキュレータが選定される特許
   請求の範囲第２項記載のフェライトサーキュレータを含
   む整合兼隔離装置。