JPS6337962B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超高周波帯のアイソレータに関しとく
に磁気共鳴型小型アイソレータに係る。

超高周波帯、とくにUHF帯、における通信装
置あるいは放送装置を構成するにはシステムある
いは個別回路相互間の接続部での不要反射の影響
を避けるための小型のアイソレータが不可欠であ
る。しかし従来とくに低いマイクロ波帯用の小型
で安価なアイソレータが少く、時には伝送損失の
犠牲を払つても上記不要反射の影響を少くするた
めに小型の減衰器を挿入することも多かつた。

このような用途のアイソレータとして、第１図
ａの斜視図およびｂのAA′断面図に示したような
従来の磁気共鳴型アイソレータは構造が簡単であ
るので安価になり、広く使用し得る可能性を有し
ている。第１図に示した従来の磁気共鳴型アイソ
レータは、誘電体基板１の中心部の孔にフエリ磁
性体板２を挿入し、これらの一方の面上に接地導
体３を設け、他の面上には主線路１１および終端
開放の分岐線路１２、短絡導体３０にる終端短絡
の分岐線路１３が形成され、これらがフエリ磁性
体板２上の接合電極４に接続され互いに交叉する
形となつている。この接合部分に外部磁石５によ
り所定の磁気共鳴直流磁界が印加される。

この場合電子通信学会マイクロ波研究会資料74
−89（第129頁〜137頁）に記載されているように、
主線路１１は入出力の導入線路であつてその特性
インピーダンスはシステムおよび個別回路の入出
力インピーダンスZ_Oに設定され、通常その値は50
Ωである。また分岐線路１２および１３の接合電
極から見たインピーダンス、それぞれZ_OおよびZ_L
は、次式で表わされる。

Z_O＝−jZ_COcotβl_c (1) Z_L＝jZ_Otanβl_L (2) 但しZ_CO，Z_LOは分岐線路特性インピーダンス、
βは伝播定数、l_C，l_Lはそれぞれの長さである。
ここでは簡単のため接合電極端からの長さを用い
るが、これを接合中心あるいは主線路端からの長
さとしても、式(1)，(2)が少し複雑になるのみで、
論旨に大幅な変動は生じない。而して分岐線路１
２，１３の幅および長さを Z_O＝｜Z_L｜＝｜Z_C｜＝Z_COcotβl_C ＝Z_LOtanβl_L (3) の条件を満たすように設定すると入出力VSWR
は１となり、同時に接合部に回転磁界が励起さ
れ、印加直流磁界によりアイソレータ特性を示す
とされている。上記(3)式の条件は、Z_O＝Z_CO＝Z_LO
にしたときには、l_C，l_Lをともに動作周波数の1/8
の長さに設定することである。

ところが上記の条件を満たす従来のアイソレー
タを試作したところ、第２図曲線Ａのような特性
しか得られなかつた。すなわち、接合電極４を直
径８mmの円板とし、フエリ磁性体２として直径８
mm厚み１mm、4πM_S480ガウスのものを用い、さら
に誘電体基板としてテフロン（商品名、以下同
様）−ガラスプリント板を用いてZ_O＝Z_CO＝Z_LO＝
50Ω、l_C＝l_L＝27mmに設定したときの特性が第２
図Ａであり、ある周波数o付近でVSWRはほぼ
１となり、順方向損失も0.5dBと良好であるが、
逆方向損失は最大でも約10dB程度しか得られな
いことが判明した。

したがつて従来構成のアイソレータは、構造が
単純であつても、特性が悪く、実用に供するには
問題がある。

このような小さな逆方向損失をより大きくする
ために、上記のようなアイソレータを２個直列に
接続して使用する方法も考えられているが、構造
は複雑、大型化し、順方向損失は倍加する。

さらに従来の上記のごときアイソレータは、分
岐線路を折り曲げて小型化を計つても、例えば
900MHz帯で20mm前後の基板寸法に納めるにはか
なり困難が伴い、より低い周波数では寸法的にさ
らに大きくなるので、大きな実用上の欠点とな
る。

本発明の目的は上記のような従来構成の欠点、
問題点を克服し、充分実用に供しうる特性上、寸
法上、経済性の改良を計つた新らしい構成のアイ
ソレータを提供することにある。

本発明によれば、接地面上に、該接置面に平行
な面を有しかつ互いに90度の角度間隔をなす４個
の開口を有する接合電極を配置し、上記接地面と
上記接合電極の間に、フエリ磁性体板と該フエリ
磁性体板の誘電率より小さな誘電率を有する誘電
体板を重ねて挿入し、さらに前記接合電極の相対
する２開口に正および負のリアクタンス回路を負
荷し、上記フエリ磁性体板全体をそれに垂直な磁
界により磁気共鳴磁界に磁化し、上記接合部の残
り２開口を入出力としたことを特徴としたアイイ
ソレータが得られる。

前述の従来構成のアイソレータにおいて、直流
印加磁界を強め、磁気共鳴周波数を上昇させる
と、第２図点線ｐに沿つて逆方向損失のピークは
増大し、ある周波数rにおいて第２図曲線Ｂに示
したような特性が得られることを見出した。この
場合、逆方向損失は20dB以上の充分大きな大き
さとなり、かつ10dB帯域も約10％以上に増大す
る。しかしながら、この場合、直流磁界の増大に
伴つて入出力VSWRもほぼ点線ｑに沿つて移行
し、上記逆方向損失が大きな所でVSWRは２以
上に劣化する。したがつて挿入損失もまた1.5dB
程度に劣化する。入出力反射特性をアドミツタン
ススミスチヤート上で示すと第３図曲線Ｂとな
る。第２図点線ｑは、フエリ磁性体板がほぼ誘電
体と見なせるように印加磁界を充分強くしたとき
のVSWRの周波数特性を示すもので、これが最
小値１を示す周波数は先のoである。第３図で
言えば、点線ｑはスミスチヤートの中心と、左端
を直径とする円q′上にあり、周波数oにおいて中
心部を通る。

上記のような新らしい実験的事実は、式(3)によ
る従来の設計法では説明できないものである。そ
こで従来のアイソレータの条件(3)を無効とし、分
岐線路１２および１３の寸法および印加磁界を変
化させoおよびrの変化を実験的に求めた。その
結果例えば第４図のような結果を見出した。図の
横軸は終端短絡分岐線路１３の長さl_Lであり、縦
軸は周波数、パラメータは終端開放分岐線路１２
の長さl_Cである。図において点ＡおよびＢは、そ
れぞれ第２図の特性Ａおよび第２図、第３図の特
性Ｂが得られた状態を示している。

第２図〜第４図の実験結果から従来構成のアイ
ソレータではVSWR、挿入損失の良い周波数o
と逆方向損失の良い周波数rが存在し、o近傍で
は逆方向損失が悪く、r近傍においてはVSWR
および挿入損失が悪くなり、VSWRあるいは挿
入損失と逆方向損失の両方を同時に良好になし得
ない場合が大部分であることを見出した。また、
第４図より、o＜rとなるＨ領域のみならずo
＞rとなるＬ領域の両方が存在することも見出し
た。

従来構成のアイソレータの接合部は、模型的に
第５図ａのように表わされ、その等価回路は同図
a′のように表わされると考えられる。第５図に示
したように接合部は必ず有限の寸法を有し、この
寸法が動作周波数の波長に比してたとえ1/10以下
の小さなものであつても、同図等価回路パラメー
タのインダクタンスLjには磁気共鳴状態のフエリ
磁性体の透磁率が負荷され、またキヤパシタンス
Cjには通常のフエリ磁性体の比誘電率12〜15が負
荷されるため、それぞれ周波数、フエリ磁性体材
料によつて大きく影響され、前述のような従来設
計法では説明できない大きな欠点を呈するものと
考えられる。例えば第４図Ｈ領域では、フエリ磁
性体による大きなキヤパシタンスCjが、分岐線路
によつて回転磁界を励起するためにはあまり寄与
しないが、入出力VSWRには大きく影響を与え、
したがつて前者によつて決まるrと、後者によつ
て決まるoの大きな離反が生ずるものと考えら
れる。

本発明によればこのようなoおよびoの離反
を無くし、大きな逆方向損失を保つたまま入出力
VSWRおよび順方向損失を充分小さくでき、し
たがつて小型安価で充分に実用に耐えるアイソレ
ータを提供できる。

すなわち、フエリ磁性体にそれより比誘電率の
小さな誘電体板を重ねれば、接合部の総合的な容
量は低下し、磁気共鳴周波数rにおいて、入出力
VSWRが最も小さくなるようになり、oがrと
一致し、大きな逆方向損失を保つたまま入出力
VSWRおよび順方向損失を充分小さくすること
ができる。

第６図は本発明の第１の実施例を示す図でａは
斜視図、ｂはａ図のAA′に関する断面図である。
第１図と同一構成要素には同一番号を付した。
（以下同様）第６図において、本実施例において
は、中央部に孔を有する誘電体基板１の裏面全体
に接地導体を形成し、表の面には通常50Ωの特性
インピーダンスに設定された主線路１１、終端開
放分岐線路１２、短絡導体３０により終端を短絡
した終端短絡分岐線路１３が形成され、中央部の
孔内には、フエリ磁性体板４とこれより誘電率の
小さな誘電体板６が重ねられその上に互いに90度
の角度間隔をなす開口を有し、それぞれの開口を
前記４個の線路に接続した接合電極が配置されて
接合部を構成し、前記フエリ磁性体板を、外部磁
石５により基板に垂直方向に磁気共鳴磁界の強さ
に磁化することにより本発明のアイソレータが構
成される。

誘電体基板１としてはテフロンガラスプリント
板、アルミナ、BaO−TiO₂系セラミツク等通常
の高周波誘電体板が用いられる。フエリ磁性体板
２としては、Ca−Ｖ系、Ｙ−Ｉ系ガーネツト、
あるいはこれにGdを混入した通常のマイクロ波
フエリ磁性体材料が用いられる。回路の線路導体
パターンはマイクロ波ICの製作技法により得ら
れる。外部印加磁界は通常の電磁石あるいは
AlNiCo，Ba，Sr系等フエライト磁石の永久磁石
を用いて印加でき、全体を磁気回路ケース等に収
納し個別部品化することは１通常のマイクロ波サ
ーキユレータ、アイソレータの構成と類似にでき
ることは言うまでもない。さらに本発明による誘
電体板６としては、前記テフロン−ガラス材料、
テフロン、石英、ガラス等、フエリ磁性体４の比
誘電率10〜15より小さいものであれば、すべての
誘電体材料が用いられる。また特別の場合とし
て、空気層を誘電体板と考えることもでき、その
場合誘電率は最も小さくなり、また誘電体損失も
全く無くなる。具体的には誘電体板を環状とする
かもしくは誘電体基板の孔部によつてフエリ磁性
体板を支持すればよい。

初めに述べた第２図Ａ，Ｂの特性を得たと同じ
回路寸法で、接合部のみに、厚み0.5mm、直径８
mmのテフロン板を本発明の誘電体板６として付加
したときの特性が第２図曲線Ｃおよび第３図曲線
Ｃにより示されている。本発明により、これま
で、第２図Ａ，Ｂしか得られなかつた特性がＣの
ように変化し、大きな逆方向損失のまま入出力
VSWR、挿入損失とも極めて満足すべきものに
改善できたことが一目瞭然である。すなわち本発
明により、接地導体３と接合電極４との間にフエ
リ磁性体板２と誘電体板６とを重ねて挿入するこ
とにより、第５図ｂおよびb′に示したごとく、等
価回路的短絡容器が、フエリ磁性体の分Cjと誘電
体板の分C_dとの直列化により全体として減少し、
そのことによりoとrとの不一致が解消され、大
幅な特性改善が可能になつた。

逆に第１の実施例のフエリ磁性体板２と誘電体
板６の上下を逆転し、第５図ｃ，c′の構成として
も、接合部は等価回路的に第５図b′と全く同一で
あり、同様の効果が実現できる。そのような例を
第２の実施例として第６図ｂに相当する断面図に
て第７図に示した。この場合誘電体板６として前
述のようなテフロン等を用いてもよいが、さらに
これを単なる空気層とすることが構造的にも非常
に容易、簡単となる。

さらに第１および第２の実施例においては、式
(3)の条件を考慮して分岐線路１２および１３の特
性インピーダンスを50Ωとし、それぞれの長さ
l_C，l_Lを等しく使用周波数のほぼ1/8波長とした。
しかしながら式(3)の条件を無効とし、分岐線路１
２，１３の寸法を違えた場合も、すなわち既に述
べた第４図のＨ領域に属する構造の場合には、す
べて上記第１および第２の実施例と同様の接合部
構造を取ることにより、良好なアイソレータを得
ることができることは言うまでもない。

第８図は本発明の第３の実施例を示す図で、
ａ，ｂはそれぞれ磁気回路部および本体回路部の
斜視図である。

第８図において軟鉄等の磁性金属板１０の中央
部に接地導体３、フエリ磁性体板２、フエリ磁性
体板より比誘電率の小さな本発明による誘電体板
６、接合電極４とからなる接合部が固定配置さ
れ、その相対する２個の開口端子には、それぞれ
接地端子３１との間に集中定数インダクタ１３
０、集中定数キヤパシタ１２０が接続され、接合
電極４の残りの２開口端子はそのまま延長され入
出力端子２００となつている。さらにこれら全体
に、下側に永久磁石５０を取り付けた磁性金属か
らなる上蓋５１が上部よりかぶせられ、固定され
ることによりフエリ磁性体板２が磁気共鳴磁界を
印加される磁気回路が構成されるとともに取り付
け孔１０２，１０２′を有するアイソレータが構
成される。

本実施例においては接合部が第１の実施例と同
様の構成、すなわち本発明による誘電率がより低
い誘電体板６とフエリ磁性体板２の重ね合せ構造
となつており、また回転磁界の励振が集中定数イ
ンダクタ１３０およびキヤパシタ１２０により構
成されているので、良好な特性のアイソレータが
非常に小型経済的に実現される。とくに第１、第
２の実施例のような分布定数型のものは、数
100MHzの低いUHF帯あるいはVHF帯用では非
常に大型となり、アイソレータの使用目的である
回路、システムの補助的役割が果せなくなるが、
本実施例ではそのような使用目的を全く損うこと
なく、また従来このような低い周波数帯の小型ア
イソレータは無かつたことから、この実用的効果
は絶大である。

接合部の各構成要素は、あらかじめ接着剤ある
いはメタライズ手法により互いに固着し、接合部
全体を個別部品化しておけば非常に便利である。
その場合、インダクタ、キヤパシタを取り替え、
印加磁界を調整することにより、所望の各周波数
帯のものが直ちに得られる。さらにこの場合接地
導体３は無くても、磁性金属板１０が接地導体を
兼ねうることはもちろんである。また本実施例に
おいては全体の支持体として磁性金属板１０を用
い、ケース上蓋５１とともに磁気回路を兼用する
ケースとしたが、これら磁気回路構成部品のみを
磁性体とし、ケース、支持体は非磁性金属を用い
て構成できることは言うまでもない。また永久磁
石をフエリ磁性体板２の下側に配置し、フエリ磁
性体板を下から磁化しても、あるいは上下から磁
化してもよいことは通常のマイクロ波アイソレー
タ、サーキユレータ等と全く同様である。

第９図は本発明の第４の実施例の一部を示す図
であり、ａは第８図ｂに相当する斜視図、ｂはそ
のAA′断面図である。第８図および第６図と同一
構成要素は同一番号を用いた。

本実施例は第８図と同様の集中定数型の本発明
であるが、誘電体基板１としてプリント板等を用
いることにより、接合電極４、回転磁界励振用の
スパイラル型インダクタ１３０およびキヤパシタ
１２０用端子およびスルーホール型接地導体３０
が、通常のプリント板パターン形成法、スルホー
ル形成法を用いることにより簡単に形成され、入
出力端子２００、回転磁界励振用キヤパシタ１２
０としてのチツプキヤパシタを外付けすることに
より全体が単一部品化されている。さらに本実施
例の接合部は、第５図ｃの構成を取つており、中
央部にフエリ磁性体板２を磁性金属板１０上に直
接固着し、その上の誘電率のより小さな誘電体板
６に相当するものとして、誘電体基板１と同一材
料のものがそのまま延長され、同一構造体として
用いられている。このような接合部構造により、
本発明による良好な特性が保償されるとともに、
部品数が減少し、より作り易く、経済的となつて
いる。誘電体基板１としてプリント板より誘電率
の大きなアルミナ石英その他のセラミツク等の材
料を用いても、フエリ磁性体板２と接合電極４の
間に、この間隔より薄いように上記誘電体を延長
し同一構造体とすれば、より小さな比誘電率の誘
電体板６に相当するものが、上記誘電体と空気と
の２層となり、同様の効果を発揮することは言う
までもない。

以上本発明を多数の実施例を用いて説明した
が、各々の構成要素を混用しても、例えばストリ
ツプ線路素子と集中定数素子を混用しても本発明
を容易に構成できることは言うまでもない。また
接合部上部への高周波放射を制限したり、また、
ケースの回路への影響を避けるために、接合部あ
るいは回線部全体の上方に接地導体を別に設け、
ストリツプ線路で言えば、いわゆるトリプレート
型類似の構造にすることもできることは言うまで
もない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアイソレータを示す図でａは斜
視図、ｂはそのAA′に関する断面図である。図に
おいて １…誘電体基板、２…フエリ磁性体板、３…接
地導体、４…接合電極、５…外部磁石、１１…主
線路、１２…終端開放分岐線路、１３…終端短絡
分岐線路、３０…短絡導体、である。 第２図〜第４図は本発明の原理を説明するため
の特性図面である。 第５図はａは従来の接合部、ｂ〜ｃは本発明の
接合部を示す図で、a′〜c′はそれぞれの等価回路
図である。図において共通に、２…フエリ磁性体
板、３…接地導体、４…接合電極、６…本発明に
よるフエリ磁性体板より比誘電率の小さな誘電体
板、７…本発明によるフエリ磁性体板より比誘電
率の大きな環状の誘電体板である。 第６図は本発明の第１の実施例を示す図でａは
斜視図、ｂはそのAA′に関する断面図である。ま
た第７図は本発明の第２の実施例の、第６図ｂに
相当する断面図である。いづれも第１図および第
５図と同一構成要素は全く同一番号をもつて示し
た。 第８図は本発明の第３の実施例を示す斜視図で
ありａは磁気回路部、ｂは本体回路部である。ま
た第９図は本発明の第４の実施例を示す図で、ａ
は第８図ｂに相当する斜視図、ｂはそのAA′に関
する断面図である。第８図〜第９図において、第
１図および第５図と同一構成要素は同一番号を用
いて示した。その他に１０…磁性金属板、５０…
外部磁石、５１…上蓋、３１…接地端子、１２０
…集中定数キヤパシタ、１３０…集中定数インダ
クタ、２００…入出力端子、１０２，１０２′…
取り付け孔である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 接地面上に、該接地面に平行な面を有しかつ
   互いに90度の角度間隔をなす４個の開口を有する
   接合電極を配置し、上記接地面と上記接合電極の
   間に、フエリ磁性体板と該フエリ磁性体板の誘電
   率より小さな誘電率を有する誘電体板を重ねて挿
   入し、さらに前記接合電極の相対する２開口に正
   および負のリアクタンス回路を負荷し、上記フエ
   リ磁性体板全体をそれに垂直な磁界により磁気共
   鳴磁界に磁化し、上記接合部の残りの２開口を入
   出力としたことを特徴としたアイソレータ。