JPS6019162B2

JPS6019162B2 - フエリ磁性体回路素子

Info

Publication number: JPS6019162B2
Application number: JP50141322A
Authority: JP
Inventors: 康之徳光; 宏明角; 俊一笠原; 順一叶内
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1975-11-26
Filing date: 1975-11-26
Publication date: 1985-05-15
Also published as: JPS5264853A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は低磁界で動作するフェリ磁性体回路素子の温度
特性の改良に関する。

一般にフェリ磁性体回路素子には強磁性共鳴点付近で動
作するものと、共鳴点以外の上下で動作するものとに大
別され、共鳴点以下で動作するものを低磁界動作形、共
鳴点以上の磁界で動作するものを高磁界動作形と呼んで
いる。

低磁界動作形のフェリ磁性体回路素子の例としては電界
偏位形アイソレータ、移相器、サーキュレータ及び磁界
による仏の変化を利用した整合用素子等がある。従来、
これら低磁界動作形フェリ磁性体回路素子の温度特性の
改良方法としては、■フェリ磁性体の組成を変えて所要
温度範囲内のフェリ磁性体素子の飽和磁化４ｍＭｓの温
度変化を最小いする方法、■４汀Ｍｓの温度変化は通常
のままでフヱリ磁性体素子に外部より磁場を印加する磁
気装置に細工を施して外部磁場或いはフェリ磁性体素子
の内部磁場を適当な温度変化を持たせ４ｍＭｓの温度変
化を補償する方法とがほとんどであった。然るに上記従
来の方法は次の様な欠点を有していた。先ず■の方法は
フェリ磁性体の組成を変えるため４汀Ｍｓの値そのもの
が変化（通常低下する）し、磁気的性質が劣化する。即
ち、非可逆性を劣化させることになる。更に添加物等の
ためねｎ６が増加し、回路の挿入損失を増大させる。次
に■の方法は例えば整磁鋼等を使用するため磁気装置が
大形となる他、後述する如く外部磁場の値によっては全
く温度補償の用をなさなくなることがあった。尚、これ
ら従来の方法においては、フェリ磁性体素子は飽和状態
で使われていたものであった。本発明は上記従来の欠点
を除去すべく小形、簡便にして且つ有効な温度特性の改
良方法を提供するものである。

以下、図面に従って本発明を詳細に説明する。低磁界動
作形フェリ磁性体回路素子の最も一般的に用いられてい
るサーキュレータを例にとって説明する。サーキュレー
タは例えばイットリウム・アイアン・ガーネット（ＹＩ
Ｇ）、フェライト等のフェリ磁性体素子（以下フェライ
ト素子と呼ぶ）を３対の端子を有する伝送線路の接合部
に設置し上記フェライト素子に、例えば永久磁石等の磁
気装置により外部磁場を印加してフェライト素子のテン
ソル透磁率に起因する右廻り円偏波に対する山十、左廻
り円偏波に対するｒ−との差によりフェライト素子内の
マイクロ波磁界を歪曲させ、ある端子より入射したマイ
クロ波を他の１つの端子にのみ出力し、他の残りの端子
には出力しない。以下同様に別の端子から入射した場合
も前述の回転方向の端子に出力する。第１図はサーキュ
レータの基本的構造を示すための図で第１図ａはストリ
ップライン形、第１図ｂは導波管形の場合を示す。第１
図においてｌａ，ｌｂ，ｌｃはＹＩＧ、フェライト等の
フェリ磁性体素子（以下フェライト素子と呼ぶ）、２ａ
，２ｂ及び２ｃは入出力様子、３はその後合部でありフ
ェライト素子ｌａ，ｌｂ，ｌｃには直流バイアス磁場と
して図の矢印の方向に外部磁場Ｈｏｃが印加されてる。
サーキュレータ設計の際の重要因子としてフェライト素
子の材料定数、特に４汀Ｍｓ、フェライト素子の大きさ
、外部磁場の強さの３因子が挙げられる。４ｗＭｓは通
常、サーキュレータの動作中心周波数をの（ＭＨ２）、
ジャィロ磁気定数をｙ（３２．８）とすると４ｍＭｓら
（の／ｙ）×０．７９塁度に選ぶのが良いとされている
。

フェライト素子の大きさは動作中心周波数でのフェライ
ト素子中の波長を入ｆとするとほぼ〜／２程度に選ばれ
る。最後に外部磁場の強さ日。ｃは磁場印加方向の反磁
場係数をＮとすれば日。ｃ＞Ｎ・４汀Ｍｓ即ち、飽和領
域に選ばれていたものである。第２図は本発明の原理を
説明するための図であり、第２図ａは２のＨＺサーキュ
レータの場合で、外部磁場の強さＨｏｃをパラメータと
して各ＨＤｃの時につき温度を変化せた場合のサーキュ
レータィンピーダンスの実測値をスミスチャートで表示
したものである。

尚、第２図ａにおいては繁雑を避けるため、最適であっ
た外部磁場の強さＨｏｃを中心にしてＨｏｃ一△Ｈｏｃ
、Ｈｏｃ十△Ｈｏｃの３点のみを例示するものであり、
又温度変化は高温を△印、常温を○印、低温を×印で示
している。第２図ｂは第２図ａの温度によるインピーダ
ンスの変化と外部磁場の強さによるインピーダンスの変
化の実測値を判りやすく示したものでそれぞれ矢印の向
きが温度上昇方向、又は外部磁場の強さの増加方向を示
し、又その矢印の大きさ（変化）がインピーダンスの変
化幅を示している。第２図ｂにおいて、４は外部磁場の
強さが比較的弱い場合に温度によるインピーダンスの変
化、６は外部磁場の強さが比較的強い場合の温度による
インピーダンスの変化、５は４と６の中間位の外部磁場
の強さの場合の温度によるインピーダンスの変化（前述
の最適であった外部磁場の強さの場合に対応する）、７
，８はそれぞれ４と５、５と６の中間位の外部磁場の強
さの場合の温度によるインピーダンスの変化、９は基準
温度で外部磁場の強さを変化せた場合のインピーダンス
の変化を示している。

図から明らかな様に４及び７と６及び８とでは矢印の向
きが逆転しており、温度によるインピーダンスの変イ靴
底を示す矢印の大きさは４よりも７，６よりも８の方が
小さくなっている。そして５では矢印が折れ曲つており
、結局４，７，５，８及び６の中で５が最も変化幅が小
さくなっている。また９との関係に着目すると４と９と
同一向き７及び８は９と若干角度を有しており、６と９
は逆向きである。従って４の場合は磁気装置に適当な工
夫、例えば磁気装置の磁気回路に直列に、温度の上昇に
伴なつて、その磁気抵抗が増加する磁性材料、例えば整
磁鋼等を装着すれば外部磁場の強さは温度の上昇に従っ
て減少し、即ち負の温度係数を有し、しかも前述した様
に温度と外部磁場変化によるインピーダンス変化の向き
が一致しているから温度補償が行える。磁気装置として
アルニコＶ等の永久磁石を使用した場合には製磁鋼等を
装着しなくとも外部磁場の強さは一０．０２％／℃の負
の温度係数を有しており、またバリウムフェライト等の
永久磁石を使用した場合には−０．２％／℃の負の係数
を有しているが、一般には上記の温度係数の値が適当か
どうかは使用するフェライト素子の４ｍＭｓの温度係数
により決まると考えられ、例えば一０．０５％／℃程度
の温度係数が必要とされる場合もある。−０．０５％／
℃の場合、アルニコＶ等を使用した場合には前述の如く
整磁鋼等を磁気回路に直列に装着し、バリウムフェライ
ト等を使用した場合には整滋鋼等を磁気回路に並列に装
着し整磁鋼等の寸法を調節して温度係数の値を調節すれ
ば良い。上記のいずれの場合にも磁気装置全体としては
負の温度係数を有することには変りない。又、上記７，
５，８及び６の場合は温度と外部磁場変化によインピー
ダンス変化の向きが或る角度を有しているため、及び逆
向きのために外部磁場の強さに負の温度係数を持たせる
上記温度補償の方法ではインピーダンスの温度補償は完
全には行えない。

上述のインピーダンスの変イ的薄の最も小さい５を示す
場合の外部磁場の強さ日。

ｃは、本発明者等の詳細な実験及びその検討による結果
、４ｍＭｓをフェライト素子の基準温度（通常室温）で
の飽和磁化、Ｎをフェライト素子の外部磁場印加方の反
磁場係数とすればＨｏｃ＝ａ・Ｎ・４ｍＭｓで与えられ
、ａの値は０．５〜０．９の範囲にあることが判明した
。即ち、第３図はその一例を示すものであるが、２のＨ
ｚ帯のサーキュレータを用い、外部磁場の強さを変えた
場合のＶＳＷＲ温度変化幅の様子を示すものである。尚
、第３図においては機軸はａ＝こ害毒右で規格化したも
のを用い、又、特性曲線は４種類の寸法のフェライト素
子を用いた場合が示されている。フェライト素子は円柱
を用い、その直径をＤ、高さをｔとしてｔ／Ｄをパラメ
ータとして示してある。尚、良く知られるように、円板
状の物質におてはその形状が非連続的に変化する領域が
存在するため、正確な反磁場係数Ｎの算出が困難である
。

よって、ここでは、だ円体における主軸の長さａ，ｂ，
Ｃ（但しａ２ｂ２Ｃ）を、ａ＝ｂ＝号、Ｃ＝き‘こ置き
換えて・「ＰＨＹＳＩ肌ＲＥＶＩＥＷｖｏｌｕｍｅ６７
、ｎｕｍＰて１１ａｎｄｌ幻ｕ船ｌａｎｄ１５，１９４
５（Ｊ．ＡＯＳＢＯＲＮ）一等で既に計算の為されてい
るだ円体の反磁場係数を表わすグラフを用いて、円板状
のフェリ磁性体素子の反磁場係数Ｎを近似的に求めてい
る。第３図よりわかる如く、４つの特性曲線の最小値即
ち、ＶＳＷＲ温度変イ幼富の最も小さい点（第２図ｂに
おけるインピーダンスの変化５に対応する）は０．５〜
０．９の範囲にあることがわかる。

そして第２図ｂにおけるインピーダンスの変化４に対応
するところはほぼ０．６５以下であることがわかる。第
３図にはフェライト素子の寸法が４つの場合しか示され
ていないが、本発明者等の詳細な実験によれば、上記温
度変化幅の最も小さい点は全て０．５〜０．９の範囲に
なることが確認されている。又、数種の動作周波数帯に
おいても全く同様であることが確認されている。例えば
、上記の例ではｔ／Ｄ＝０．６５８〜０．９６３、即ち
Ｎニ０．４５〜０．３４のものについてのみ説明をした
が、以下第４図、第５図にサーキュレータィンピーダン
スの温度変化を示すものに於いてもｔ／Ｄ＝０．５５（
Ｎ＝０．４８）で、第３図に示すものと同様の煩向を示
す。

同様にして、ｔ／Ｄ＝０．１〜０．７の範囲についても
、その温度変イ孤高の最も小さい点は全て０．５〜０．
９の範囲になる。第４図はめＨＺ帯ストリップライン形
サーキュレータでフェライト素子はＧａＶＧ系で４ｍＭ
ｓ＝４００ガウス、Ｎ＝０．４＆Ｈｏｃこ１００エル
ステツドの場合のサーキュレータィンピーダンスの温度
変化を示す。

第５図は同じく父Ｈｚ帯ストリップラィン形サーキュレ
ータでＨｏｃ＝１３０ェルステツド、他の条件は同じ場
合のサーキュレータインピーダンスの温度変化を示す。

そして、第４図の場合が第２図ｂに示すインピーダンス
の変化５、即ち第３図に示すＶＳＷＲ温度変化幅の最小
値に対応する場合であり、又第５図の場合がこれらから
はずれた場合に対応するものである。以上のように本発
明によれば、低磁界動作形フェリ磁性体回路素子におい
て基準温度での外部磁場の強さＨｏｃと、フェリ磁性体
素子に印加する外部磁場の方向の反磁場係数Ｎとの蹟Ｎ
・４ｍＭｓとの比日。

ｃ／（Ｎ・４ｍＭｓ）が０．６５以下となる様な外部磁
場の強さＨｏｃを印加し、更に外部磁場の強さが温度に
対して負の温度係数で変化する手段を与えることにより
低磁界動作形フェリ磁性体回路素子の温度特性を良好な
らしめることができる。第６図は本発明を適用した−実
施例の構造を示す図であり、導波管形サーキュレータの
場合の横断面図を示す。第６図において１０はフェライ
ト素子、２０，２０′はインピーダンス変成のための金
属変成器、３０，３０′は誘電体、４０，４０′は磁石
、５０，６０，６０′はヨーク、７０，７０′は円板状
の整滋銅をそれぞれ示している。

このように磁石４０，４０′に直列に整磁鋼７０，７０
′を設けることにより外部磁場の強さは温度に対して負
の温度係数を有することになる。

以上詳述し如く本発明に依れば温度特性の非常に優れた
低磁界動作形フェリ磁性体回路素子を得ることができる
。尚、上述の説明はサーキュレータに限定されず、他の
低磁界動作形フェリ磁性体回路素子にも適用でできるこ
とは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図はフェリ磁性体回路素子で最も一般的なサーキュ
レータの基本的構造を示すためのものでａはストリップ
ライン形サーキュレータ、ｂは導波管形サーキュレータ
を示す図、第２図ａは２のＨＺ帯導波管形サーキュレ−
夕で外部磁場の強さ日。ｃを変化した場合の各ＨＤｃにおけるサーキュレータィ
ンピーダンスの温度変化の実測値を示す図、第２図ｂは
外部磁場の強さと温度を変えた場合のインピーダンスの
変化の向きと大きさを示す図、第３図は本発明の原理を
説明するためのもので、外部磁場の強さを変えた場合の
ＶＳＷＲ温度変化幅の様子を示すための図、第４図、第
５図はめＨＺ帯ストリップライン形サーキュレータでの
インピーダンスの温度変化を示すもので、第６図は本発
明の実施例による導波管形サーキュレータの構造図をそ
れぞれ示す。第６図において、１０はフェライト素子、
４０，４０′は磁石、７０，７０′は円板状の整磁鋼を
それぞれ示す。第１図第２図帆第３図第６図第２図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

１フエリ磁性体素子と該フエリ磁性体素子に強磁性共
鳴点以下の外部磁場を印加するための磁気装置とを有す
る低磁界動作形フエリ磁性体回路素子において、基準温
度での外部磁場の強さＨ＿Ｄ＿Ｃと、該フエリ磁性体素
子の基準温度での飽和磁化４πＭ＿Ｓと該フエリ磁性体
素子に印加する外部磁場の方向の反磁場係数Ｎとの積Ｎ
・４πＭ＿ｓとの比Ｈ＿Ｄ＿ｃ／（Ｎ・４πＭ＿Ｓ）を
０．６５以下となるような外部磁場の強さＨ＿Ｄ＿Ｃを
印加され、更に該外部磁場の強さが温度に対して負の温
度係数で変化するようにしたことを特徴とするフエリ磁
性体回路素子。