JP3353720B2 - 非可逆回路素子および通信機装置 - Google Patents
非可逆回路素子および通信機装置Info
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- H01P1/383—Junction circulators, e.g. Y-circulators
- H01P1/387—Strip line circulators
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Description
準ミリ波帯域において使用される非可逆回路素子および
通信機装置に関する。
基づいて説明する。なお、図10は非可逆回路素子の分解
斜視図であり、これは一般に集中定数型非可逆回路素子
と呼ばれるものである。図10に示すように非可逆回路素
子110は、閉磁路を構成するための上ヨーク111および下
ヨーク112と、三本の中心導体121、122、123が形成され
たフェライト120と、中心導体121、122、123が形成され
たフェライト120に直流磁界を印加するための磁石113
と、樹脂ケース130とから構成されている。フェライト1
20に形成される三本の中心導体121、122、123は、絶縁
膜(図示せず)を介して互いに120°の角度で交差して
おり、一端を入出力端とし、他端をフェライト120下面
において共通的にアース端としている。樹脂ケース130
には中心導体121、122、123が形成されたフェライト120
が配置されるための孔131と、コンデンサ115および抵抗
114が配置されるための凹部136、132が形成され、さら
に入出力接続用の電極133が形成されている。また、入
出力接続用の電極133は樹脂ケース130の外面に端子電極
135として導出され、抵抗114の一端とコンデンサ115の
裏面に接続されている電極もまた樹脂ケース130の外面
に端子電極135として導出されている。
樹脂ケース130に形成された入出力接続用の電極133とコ
ンデンサ115の上面電極に接続され、中心導体123の入出
力端P3はコンデンサ115の上面電極と抵抗114の一方の電
極に接続されている。
0の等価回路を図11に示す。フェライト120に形成された
中心導体121、122、123はインダクタとして機能してお
り、外部回路とのインピーダンスの整合をとるために並
列に容量115を付加している。また、一つの中心導体123
には抵抗114を付加しており、これにより非可逆回路素
子110は入出力端P1から入出力端P2への信号のみを通過
させるアイソレータとして機能する。
られており、通信機器に必要不可欠な部品である非可逆
回路素子もまた小型化が求められている。しかしなが
ら、以上に示したいわゆる集中定数型の非可逆回路素子
110においては、図11の等価回路に示したようにそれぞ
れがインダクタと容量の並列共振回路を構成しており、
その共振周波数fはf=1/{2π・(LC)1/2}で
ほぼ与えられるため非可逆回路素子の周波数が高くなる
につれてLCの値は小さくならざるをえない。それにつ
れて非可逆回路素子自体の大きさも小さくなり、例えば
2GHzにおいては非可逆回路素子は7×7mm程度となる。
路素子は小型化し、通信機器に使用される部品としての
要求には合致するものとなるが、一方で製造上の問題が
発生する。すなわち、非可逆回路素子が小さくなること
により中心導体の形成や接続などが困難となり、製造過
程において非可逆回路素子ごとにばらつきが生じる。さ
らに、周波数が高くなってLCの値が小さくなることに
より、製造上のばらつきが非可逆回路素子の特性に与え
る影響は大きくなる。例えば、製造過程においてインダ
クタンスに同じ1nHの製造誤差が生じるとしても、もと
もとのインダクタンスが10nHと1nHとでは非可逆回路素
子に与える影響の割合が異なってくる。つまり同じ1nH
の誤差であっても、もともとのインダクタンスが10nHの
場合はインダクタンスの変化の割合は20%であり、1nH
の場合は100%であるというように、もともとのインダ
クタンスが小さい方が共振周波数に与える影響は大き
く、非可逆回路素子の周波数特性に大きなばらつきが生
じることになる。
回路素子に使用できる周波数には限界があり、現在の集
中定数型の非可逆回路素子においては、製造上の問題か
ら2GHz程度が使用できる最高の周波数である。
使用できる非可逆回路素子として分布定数型の非可逆回
路素子が挙げられる。ここで、従来の非可逆回路素子を
図12に基づいて説明する。なお、図12は従来の非可逆回
路素子の分解斜視図であり、これは一般にY型の分布定
数型非可逆回路素子と呼ばれるものである。図12に示す
ように従来の非可逆回路素子140は、フェライト120a
と、フェライト120a表面に形成された電極150およびフ
ェライト120a裏面に形成されたアース電極と、上下の磁
石142とから構成されている。フェライト120a上に形成
された電極150は、中央のTM110モードで共振する共振器
部151と、共振器部151から三方向に形成された入出力接
続用の電極152、153、154とからなり、共振器部151と入
出力接続用の電極152、153、154との間にはインピーダ
ンスの整合をとるためλ/4長のインピーダンス変換器1
52a、153a、154aが形成されている。そして、入出力接
続用の電極152、153、154はそれぞれ外部の回路と接続
される。
ることにより非可逆回路素子140は、入出力端P4からの
信号はP5へ通過し入出力端P5からの信号はP6へ通過し、
P6からの信号はP4へ通過するサーキュレータとして機能
する。
においては、フェライト表面に形成された共振器部は略
円形をしている。したがって、外部の回路と接続された
細いライン状の入出力接続用の電極と共振器部とを接続
する場合、入出力接続用の電極と共振器部との接続部で
急激に電極幅が広がり、そのまま接続したのでは入出力
接続用の電極と共振器部とのインピーダンスの整合がと
れない。そこで図12にも示したように、インピーダンス
の整合をとるため従来の非可逆回路素子においては共振
器部付近の入出力接続用の電極にインピーダンス変換器
を接続しなければならなかった。すなわち、従来の非可
逆回路素子においてはインピーダンス変換器を接続しな
ければならず、非可逆回路素子が大型化するという問題
があった。
鑑みてなされたものであり、これらの問題を解決し、余
分なインピーダンス変換器などを接続する必要がなく、
2GHz程度以上の周波数帯域でも製造および使用が可能な
非可逆回路素子を提供することを目的としている。
本発明の非可逆回路素子は、磁性体と、該磁性体に近接
し互いに交差する複数の中心導体と、直流磁界を印加す
るための磁石とを含んでなる非可逆回路素子であって、
前記複数の中心導体は、使用周波数における波長λgに
関して、略n・λg/2(nは自然数)の長さを有してお
り、一端が入出力に接続される入出力端であって、他端
が開放される開放端である。中心導体の長さを使用周波
数における波長λgに関して、略n・λg/2(nは自然
数)の長さにし、一方を開放端とすることにより中心導
体はλg/2波長共振器として機能する。すなわち、中心
導体のみで図11の等価回路図に示したようなインダクタ
と容量との並列共振回路と等価の回路を形成することが
でき、直流磁界を印加することにより非可逆性をもつ素
子を形成できる上に、コンデンサを付加する必要がな
い。また、中心導体は細いライン状のものを使用するこ
とができるので、入出力接続用電極とのインピーダンス
の整合をとるためにインピーダンス変換器を接続する必
要がなくなる。さらに、中心導体の一方を開放端とでき
るため、その部分での接続不良を起こすことがなくな
り、非可逆回路素子の信頼性を劣化させる要因が減少す
る。
は、磁性体と、該磁性体に近接し互いに交差する複数の
中心導体と、直流磁界を印加するための磁石とを含んで
なる非可逆回路素子であって、前記複数の中心導体は、
使用周波数における波長λgに関して、略(2m−1)・λ
g/4(mは自然数)の長さを有しており、一端が入出力
に接続される入出力端であって、他端がアースに接続さ
れるアース端である。中心導体の長さを使用周波数にお
ける波長λgに関して、略(2m−1)・λg/4(mは自然
数)の長さにし、一方をアース端とすることにより中心
導体はλg/4波長共振器として機能する。これにより、
同じ周波数で比較して中心導体をλg/2波長共振器とす
る場合よりも中心導体の長さを短くすることができ、非
可逆回路素子をさらに小型化できる。
は、前記中心導体の長さが略λg/2である。さらにま
た、請求項4にかかる非可逆回路素子は、前記中心導体
の長さが略λg/4である。これらにより、中心導体を最
も短くすることができるため非可逆回路素子を最も小型
にできる。
素子は、前記複数の中心導体のうち少なくとも二つの中
心導体の幅が異なる。複数の中心導体はそれぞれ絶縁膜
を介して互いに交差しているため、磁性体などとの位置
関係がそれぞれの中心導体ごとに異なる。位置関係が異
なるとそれぞれの中心導体ごとに実効誘電率が異なるた
め特性インピーダンスが異なり、中心導体を同じ幅にし
たままでは非可逆回路素子の各ポート間ごとに帯域幅な
どの特性にばらつきが生じる。しかしながら、中心導体
ごとに幅を異ならせる設計を行うことで、各ポート間ご
との帯域幅などの特性を任意のものにすることができ
る。
請求項1ないし5記載の非可逆回路素子と、送信用回路お
よび受信用回路と、アンテナとを含んでなる。これによ
り、小型化可能な通信機装置が得られる。
逆回路素子を、図1に基づいて説明する。なお、図1は本
実施例の非可逆回路素子の分解斜視図である。図1に示
すように本実施例の非可逆回路素子10は、閉磁路を構成
するための上ヨーク11および下ヨーク12と、表面に三本
の中心導体21、22、23、さらに裏面にアース電極が形成
されたフェライト20と、中心導体21、22、23が形成され
たフェライト20に直流磁界を印加するための磁石13と、
樹脂ケース30とから構成されている。フェライト20に形
成される三本の中心導体21、22、23はスパッタリングな
どの薄膜形成法により形成され、同様に薄膜形成法によ
り形成された絶縁膜(図示せず)を介して互いに120°
の角度で交差しており、一端を入出力端とし、他端を開
放端としている。樹脂ケース30には中心導体21、22、23
が形成されたフェライト20が配置されるための孔31と、
抵抗14が配置されるための凹部32が形成され、さらに入
出力接続用の電極33が形成されている。また、入出力接
続用の電極33は樹脂ケース30の外面に端子電極35として
導出され、抵抗14の一端に接続されている電極もまた樹
脂ケース30の外面に端子電極35として導出されている。
中心導体21、22の入出力端P1およびP2は樹脂ケース30に
形成された入出力接続用の電極33に接続され、中心導体
23の入出力端P3は抵抗14の一方の電極に接続されてい
る。
された中心導体21、22、23の長さを使用周波数における
波長λgに関してλg/2の長さにしており、これにより
中心導体21、22、23はλg/2波長共振器として機能す
る。フェライト20の上部に配置された磁石13により直流
磁界を印加すると、非可逆回路素子10は入出力端P3に抵
抗が接続されていることにより、入出力端P1から入出力
端P2への信号のみを通過させるアイソレータとして機能
する。
2、23はある程度細い幅を有しているため、入出力接続
用の電極33とのインピーダンスの整合をとるために、イ
ンピーダンス変換器を形成する必要がなくなる。したが
って、従来のY型の非可逆回路素子と比較してもインピ
ーダンス変換器の分、非可逆回路素子を小型化できる。
また、中心導体21、22、23の他端は開放端となっている
ので、アース接続用の電極と接続する場合などに比べて
接続点が減ることになり、その部分での接続不良を起こ
すことがなくなり信頼性が増す。
形例を図2に示す。なお、上記第一の実施例とほぼ同様
であるため、フェライト部分のみの図2を用いて説明す
る。図2に示すように本変形例においては、裏面にアー
ス電極が形成されたフェライト20に三本の中心導体21、
22、23を絶縁膜(図示せず)を介して互いに交差するよ
うに形成し、さらに上面にアース電極が形成されたフェ
ライト20aを重ねる。このような構成にすることによ
り、上記第一の実施例における中心導体がマイクロスト
リップライン型であったのに対して、本変形例の中心導
体はストリップライン型となっている。
逆回路素子を図3に基づいて説明する。なお、図3は本実
施例の非可逆回路素子の分解斜視図であり、第一の実施
例と同一部には同符号を付し、詳細な説明は省略する。
図3に示すように本実施例の非可逆回路素子10aは、閉磁
路を構成するための上ヨーク11および下ヨーク12と、表
面に三本の中心導体21a、22a、23aが形成されたフェラ
イト20と、中心導体21a、22a、23aが形成されたフェラ
イト20に直流磁界を印加するための磁石13と、樹脂ケー
ス30とから構成されている。また、樹脂ケース30には入
出力接続用の電極33aが形成されている。フェライト20
に形成される三本の中心導体21a、22a、23aは金属箔な
どにより形成され、絶縁膜(図示せず)を介して互いに
120°の角度で交差しており、一端を入出力端とし、他
端はフェライト20裏面において共通的にアース端として
いる。なお、フェライト20上の中心導体21a、22a、23a
から突出した金属箔の部分、すなわち入出力接続用の電
極33aに接続させるために樹脂ケース30上に搭載される
部分の金属箔については、幅を太くしたり細くしたり、
あるいは金属箔下部の樹脂ケースの誘電率を変えるなど
して、特性インピーダンスを50Ωに設計することが可能
である。
された中心導体21a、22a、23aの長さを使用周波数にお
ける波長λgに関してλg/4の長さにしており、これに
より中心導体21a、22a、23aはλg/4波長共振器として
機能する。フェライト20の上部に配置された磁石13によ
り直流磁界を印加すると、非可逆回路素子10aは入出力
端P4からの信号はP5へ通過し入出力端P5からの信号はP6
へ通過し、P6からの信号はP4へ通過するサーキュレータ
として機能する。
2a、23aの長さを使用周波数における波長λgに関してλ
g/4の長さにすることにより、第一の実施例と比較して
さらに非可逆回路素子を小型化できる。これについて、
周波数と中心導体の長さとの関係を示すグラフを図4に
示す。なお、図4において○を実線で結んだものが第一
の実施例で示したようなマイクロストリップライン型の
中心導体の長さがλg/2である非可逆回路素子のグラ
フ、△を実線で結んだものが第一の実施例の変形例で示
したようなストリップライン型の中心導体の長さがλg
/2である非可逆回路素子のグラフである。また、○を
破線で結んだものがマイクロストリップライン型の中心
導体の長さがλg/4である非可逆回路素子のグラフ、△
を破線で結んだものがストリップライン型の中心導体の
長さがλg/4である非可逆回路素子のグラフである。
さがλg/2であるものと比較して中心導体の長さがλg
/4であるものは同じ周波数において中心導体の長さが
半分になっている。また、フェライトなどをさらに重ね
たストリップライン型では、実効誘電率が大きくなるこ
との波長短縮効果によりマイクロストリップライン型よ
りも同じ周波数においてさらに中心導体の長さが短くな
っており、非可逆回路素子を小型化できる。
5に基づいて説明する。なお、上記第二の実施例とほぼ
同様であるため、フェライト部分のみの図5を用いて説
明する。図5に示すように本変形例におけるフェライト2
0bは、例えばチタン酸バリウムからなる比誘電率が100
程度の高誘電率の誘電体24により外周を囲まれている。
このような構成にすることにより、非可逆性への寄与が
大きい中心導体21a、22a、23aの中央部にはフェライト2
0bが近接しており、非可逆性への寄与が小さい中心導体
21a、22a、23aの端部には高誘電率の誘電体24が近接し
ている。高誘電率の誘電体24に近接している部分では、
実効誘電率が上がることによる波長の短縮効果により同
じ周波数において中心導体の長さが短くなるので、非可
逆性を有したまま非可逆回路素子をさらに小型化でき
る。
例を図6に基づいて説明する。なお、上記第二の実施例
とほぼ同様であるため、フェライト部分のみの図6を用
いて説明する。図6に示すように本変形例のフェライト2
0に形成される中心導体21c、22c、23cは、それぞれ異な
る幅を有している。中心導体21c、22c、23cは絶縁膜
(図示せず)を介して互いに交差するように重ねられて
いるため、中心導体21c、22c、23cごとにフェライト20
との距離が異なっている。つまり、中心導体21c、22c、
23cごとに実効誘電率が異なるため、同じ幅を有する中
心導体を形成した場合、それぞれの特性インピーダンス
がばらつき、例えば各入出力端間の帯域幅が違った値に
ばらついてしまう。ここで、図6に示すように上側にあ
る中心導体23cの幅を下側にある中心導体21c、22cの幅
よりも広く設計することで、それぞれの中心導体での特
性インピーダンスを同じ値にして各入出力端間の帯域幅
を同じものにすることができる。また、中心導体21c、2
2c、23cの幅を任意の値に設計することで帯域幅などの
非可逆回路素子の特性を任意のものにすることも可能と
なる。なお、以上に説明した実施例においては三端子型
の非可逆回路素子を用いたが、二端子型の非可逆回路素
子にも本発明は適用できる。
基づいて説明する。なお、図7は本発明の通信機装置の
概略図である。図7に示すように、本実施例の通信機装
置60aは、送信用フィルタおよび受信用フィルタからな
るデュプレクサ40と、デュプレクサ40のアンテナ接続用
手段に接続されるアンテナ53と、デュプレクサ40の送信
用フィルタ側の入出力手段に接続される送信用回路51
と、デュプレクサの受信用フィルタ側の入出力手段に接
続される受信用回路52とから構成されている。
り、送信信号はパワーアンプにより増幅され、アイソレ
ータを経由した後、送信用フィルタを通してアンテナ53
から発信される。また、受信信号はアンテナ53から受信
用フィルタを通して受信用回路52に与えられ、受信用回
路52におけるローノイズアンプ(LNA)やフィルタ(R
X)などを通過した後、ミキサ(MIX)へ入力される。一
方、フェーズロックループ(PLL)による局部発振器
は、発振器(VCO)とディバイダ(DV)とからなり、ロ
ーカル信号をミキサへ出力する。そして、ミキサから中
間周波数が出力される。このように構成することによ
り、小型化した非可逆回路素子を用いて通信機装置60a
を提供できる。
に限るものではなく、例えば図8や図9のような通信機装
置60b、60cにも本発明は適用できる。すなわち、図8に
示す通信機装置60bは、アンテナ53と、アンテナ53に接
続されるサーキュレータ(CIR)と、サーキュレータ(C
IR)に接続される送信用回路51と受信用回路52とから構
成されている。送信用回路にはパワーアンプ(PA)など
が組み込まれ、受信用回路にはローノイズアンプ(LN
A)などが組み込まれている。また、図9に示す通信機装
置60cは、送信用回路に組み込まれているパワーアンプ
(PA)とそれに接続されるミキサ(MIX)、および受信
用回路に組み込まれているローノイズアンプ(LNA)と
それに接続されるミキサ(MIX)、ならびに両ミキサ(M
IX)に接続されるディバイダ(DIV)、そしてディバイ
ダ(DIV)に接続される発振器(VCO)とから構成され、
ディバイダ(DIV)と発振器(VCO)との間にアイソレー
タ(ISO)が接続されている。
トに近接して形成される中心導体の長さを、使用周波数
における波長λgに関して、略n・λg/2(nは自然数)
の長さにした。これにより中心導体がλg/2波長共振器
として機能し、直流磁界を印加することにより非可逆性
を有するようになる。また、従来のY型の分布定数型非
可逆回路素子のようにインピーダンス変換器を接続する
必要がなくなり、非可逆回路素子を小型化できる。ま
た、中心導体の長さを、使用周波数における波長λgに
関して、略(2m−1)・λg/2(mは自然数)の長さにす
ることによりn・λg/2にする場合に比べて、さらに非
可逆回路素子を小型化できる。
の分解斜視図である。
の変形例である。
の分解斜視図である。
である。
の変形例である。
の他の変形例である。
視図である。
路図である。
Claims (6)
- 【請求項1】磁性体と、該磁性体に近接し互いに交差す
る複数の中心導体と、直流磁界を印加するための磁石と
を含んでなる非可逆回路素子であって、 前記複数の中心導体は、使用周波数における波長λgに
関して、略n・λg/2(nは自然数)の長さを有してお
り、一端が入出力に接続される入出力端であって、他端
が開放される開放端であることを特徴とする非可逆回路
素子。 - 【請求項2】磁性体と、該磁性体に近接し互いに交差す
る複数の中心導体と、直流磁界を印加するための磁石と
を含んでなる非可逆回路素子であって、 前記複数の中心導体は、使用周波数における波長λgに
関して、略(2m−1)・λg/4(mは自然数)の長さを有
しており、一端が入出力に接続される入出力端であっ
て、他端がアースに接続されるアース端であることを特
徴とする非可逆回路素子。 - 【請求項3】前記中心導体の長さが略λg/2であること
を特徴とする請求項1記載の非可逆回路素子。 - 【請求項4】前記中心導体の長さが略λg/4であること
を特徴とする請求項2記載の非可逆回路素子。 - 【請求項5】前記複数の中心導体のうち少なくとも二つ
の中心導体の幅が異なることを特徴とする請求項1、2、
3または4記載の非可逆回路素子。 - 【請求項6】前記請求項1ないし5記載の非可逆回路素子
と、送信用回路および受信用回路と、アンテナとを含ん
でなることを特徴とする通信機装置。
Priority Applications (5)
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