JPH08204408A - 非可逆回路素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型化を実現でき、部品点数の削減を図り、
生産性の優れた非可逆回路素子を提供することである。 【構成】 フェライト２とそれを取り囲んでいる誘電体
３とで形成され、下面に導体層１０が密着形成され、誘
電体３の誘電率が誘電体３の誘電率よりも大きい一体化
基板１と、一体化基板１の上面に密着形成され、先端部
における幅が中心付近の幅より広い１２０度の角度間隔
で放射状に延在する３つの導体枝５からなる中心導体４
と、入出力電極パッド７を有した接地基板６とで構成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体通信等の分野で
使用される非可逆回路素子に関し、特に高周波磁性体を
用いてなるマイクロストリップライン型サーキュレータ
及びアイソレータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の非可逆回路素子は２つに
大別される。１つは分布定数型であり、もう１つは集中
定数型である。分布定数型で使用されるフェライトの大
きさは、以下に示す数１で示されるとおり、周波数によ
って決定される。

【０００３】

【数１】

【０００４】従って低周波であればあるほどフェライト
の外形寸法が大型化する。このため、分布定数型の非可
逆回路素子は非常に高い周波数でしか使用されていなか
った。

【０００５】これに対して集中定数型はフェライトの外
形寸法を波長に較べて充分小さくすることによって、分
布定数型の小型化できない欠点、即ち低周波での使用に
適さないという欠点を克服するものとして開発された。
以下、従来の非可逆回路素子を集中定数型のサーキュレ
ータを例にとって具体的に説明する。

【０００６】図８は、従来の集中定数型のサーキュレー
タの一例を示す分解斜視図である。図８において、この
非可逆回路素子は、複数（本例は３本）のストリップ導
体を所定角度をもって互いに絶縁・交差するように基板
上に重ねてなる中心導体１１と、中心導体１１に重ねら
れるフェライト板１２と、中心導体１１に電気的に接続
されて中心導体１１と共に非可逆回路を構成する補正用
のチップコンデンサ１５と、中心導体１１及びフェライ
ト板１２に対して磁界を印加するための永久磁石８及び
磁性ヨーク９と、中心導体１１と各チップコンデンサと
の接続をなすと共に、フェライト板１２を保持する基板
部としての基板組１３と、基板組１３を保持するための
ケース１７とを有して構成されている。

【０００７】基板組１３は、それぞれ予めスルーホール
１１と所定の電極が形成され、かつ所定の形状に加工さ
れている両面プリント基板１３ａ、１３ｂ、及び１３ｃ
の組み合わせである。尚、両面プリント基板１３ｃは接
地用基板としての役割をもつ。各基板は、この非可逆回
路素子の部品としてそれぞれに独立したものであって、
サーキュレータの製造工程中にて一枚ずつ順番に半田付
けによって接合される。即ち、基板組１３は、基板組と
呼ぶけれども、サーキュレータの製造工程前には存在は
せず、製造工程前に存在するのは、それぞれ独立した各
基板の状態である。尚、各基板の間の導通はいわゆるス
ルーホールによって確保される。

【０００８】両面プリント基板１３ｃの入出力電極１６
以外の領域にはチップコンデンサ１５が接合される。各
チップコンデンサ１５は、基板組１３の各両面プリント
基板１３ａ〜１３ｃを半田付けして組み立てる際に、一
緒に半田付される。両面プリント基板１３ａの上面の電
極には、中心導体１１の入出力端子及びアース端子が接
合される。また、中央の孔にはフェライト板１２が設置
される。

【０００９】以上のように組み立てられる基板組１３、
フェライト板１２、及び中心導体１１は、下ケース１７
に収容される。この際に、両面プリント基板１３ａの下
面の電極は、両面プリント基板１３ｃに備えられた入出
力端子１４及びそれ以外の領域に形成されるアース領域
に導通される。さらに、永久磁石８及びその外側に磁性
ヨーク９を設置し、フェライト板１２及び中心導体１１
に直流磁界を印加可能とし、サーキュレータが構成され
る。

【００１０】又、特開昭５１−１４６１５４号、特開昭
５２−１２７７３０号、及び特開昭５７−１０３４０４
号には、フェライトを複合化する例が開示されている。
これらの複合化の例では、広帯域化、多周波数動作化を
目的としており、その構成は飽和磁化の異なるものを複
合化したものと、誘電体をその中心に配してフェライト
との複合を行うものとがある。これによって均一磁場中
で不均一磁場を印加したのと同じ作用が起こり、動作モ
ードが複合化されて前述の目的である広帯域化・多周波
数動作が達成されるとしている。ここでは誘電体部とし
て空気を用いて実現している。通常高周波で用いられて
いるフェライトの比誘電率は１０程度のものが多いこと
から推察して、ここで複合化される誘電体（空気）はフ
ェライト部分よりも比誘電率が小さいことがわかる。

【００１１】又、ドロップイン型サーキュレータと呼ば
れるものでは、誘電体基板に孔を開けてフェライトを嵌
め込む形が用いられているが、誘電体としてはフェライ
トの誘電率と同程度かそれ以下であるアルミナを用いる
のが一般的で集積回路化を目的としているものである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、集中定
数型のサーキュレータは部品点数が多く且つ複雑な形状
をしており、組立に多大な工数を割かねばならず、また
特性的にも分布定数型と較べ挿入損失が大きいという欠
点があった。又、上述の先行技術で開示されたフェライ
トを複合化する例においては、小型化・低コスト化とい
う点で問題がある。

【００１３】現在、移動体通信分野は小型・低背化及び
低コスト化の要求が非常に強い分野であり、更には携帯
の観点から省電力即ち低挿入損失のデバイスが求められ
ている。ここで使用されるサーキュレータも低損失でよ
り小型・低背・低コストであることが求められている。
本発明の課題は、部品点数の削減による小型化を可能と
し、分布定数型の優れた特性を有し、組立が容易な非可
逆回路素子を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、内側部
材とそれを取り囲んでいる外側部材とで形成され、下面
に導体層が密着形成され、前記内側部材の実効透磁率が
前記外側部材の実効透磁率よりも大きく、前記外側部材
の誘電率が前記内側部材の誘電率よりも大きい一体化基
板と、該一体化基板の上面に密着形成され、先端部にお
ける幅が中心付近の幅より広い１２０度の角度間隔で放
射状に延在する３つの導体枝からなる中心導体とを有
し、前記一体化基板及び前記中心導体は、それらの中心
軸が一致するように密着形成されていることを特徴とす
る非可逆回路素子が得られる。

【００１５】さらに、本発明によれば、前記外側部材の
誘電率が前記内側部材の誘電率の３倍以上であり、前記
外側部材の上面の面積が前記一体化基板の上面の面積の
５０％以上であることを特徴とする非可逆回路素子が得
られる。

【００１６】さらに、本発明によれば、前記一体化基板
の外形形状が正多角形であることを特徴とする非可逆回
路素子が得られる。

【００１７】

【作用】分布定数型サーキュレータの中心導体に高周波
を入力し回転励振を行った場合、フェライトの中心部は
高周波磁界が最大となるが、円周部分は高周波磁界が弱
いために非可逆性には余り寄与していない。逆に高周波
電界はフェライトの中心部で弱く、円周部分で強くなっ
ている。本発明は、このことに着目し、中心の高周波磁
界の強い部分にフェライトを配置し、外側の高周波磁界
が弱く、高周波電界の強い部分にフェライトよりも誘電
率の大きい材料を配置した。こうすることによって、非
可逆性を生じさせている回転磁界部分にはフェライトが
存在しているので、入射した高周波はフェライトのμ₊
とμ_- の差によって回転角に差を生じサーキュレータと
しての機能を果たすことになる。ここで非可逆性に関与
しないが電界が非常に強くなっている円周部分に配置さ
れた誘電体は、フェライトよりも誘電率が大きいため見
かけ上フェライトの誘電率を大きく、即ち伝搬速度を遅
くして等価線路長を長くするように働いている。近似的
に等価誘電率が増加したものと仮定すれば、フェライト
の大きさを表す上記数１におけるε′が大きくなったも
のとして置くことができるので、同じ周波数で比較した
場合において直径が小さくなることが理解される。従っ
て、本発明の構成、即ち内側部材とそれを取り囲んでい
る外側部材とで形成され、下面に導体層が密着形成さ
れ、前記内側部材の実効透磁率が前記外側部材の実効透
磁率よりも大きく、前記外側部材の誘電率が前記内側部
材の誘電率よりも大きい一体化基板と、該一体化基板の
上面に密着形成され、先端部における幅が中心付近の幅
より広い１２０度の角度間隔で放射状に延在する３つの
導体枝からなる中心導体とを有し、前記一体化基板及び
前記中心導体は、それらの中心軸が一致するように密着
形成された構成によって非可逆回路素子の小型化が可能
となる。

【００１８】

【実施例】本発明の第１の実施例による非可逆回路素子
としてサーキュレータを例にとって図１〜図４を参照し
て説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施例
によるサーキュレータは、内側部材としてのフェライト
２とそれを取り囲んでいる外側部材としての誘電体３と
で形成され、下面の全面に導体層１０が密着形成された
一体化基板１と、一体化基板１の上面に密着形成され、
先端部における幅が中心付近の幅より広い１２０度の角
度間隔で放射状に延在する３つの導体枝５からなる中心
導体４と、導体層１０と接合され、各導体枝５に対応し
た入出力電極パッド７を有した接地基板６と、中心導体
４の上面に配置された永久磁石８と、永久磁石８の上面
に配置された磁性ヨーク９とで構成されている。このサ
ーキュレータは、一体化基板１と永久磁石８の中心軸が
一致するように組み立てられる。接地基板６は磁性ヨー
ク９と共に閉磁路を形成する機能も兼ねるように構成さ
れている。このため接地基板６の少なくとも一面は磁性
金属膜で覆われている。図示しないが、本実施例におい
ては各導体枝５と入出力電極パッド７との接続はワイヤ
ーボンディングにて行った。尚、一体化基板１は、接地
基板６の上面領域の内入出力電極パッド７を除く領域
に、換言すれば、入出力電極パッド７に接触しないよう
に接地基板６の上面中央領域に接合される。

【００１９】図２は本発明の第１の実施例に使用される
一体化基板を示す図である。この一体化基板１を構成す
るフェライト２はその比誘電率が１５であり、直径は
３．５ｍｍである。誘電体３には比誘電率が１１５の希
土類添加のＢａＯ−ＴｉＯ₂ 系セラミックが用いられ、
一体化基板１の外径は５．５ｍｍ、厚さは０．６ｍｍで
ある。この寸法によれば外側の誘電率の大きい部分、即
ち誘電体３の接合面の面積の一体化基板１全体に占める
割合は５９．５％である。

【００２０】図３は本発明の第１の実施例に使用される
中心導体４の構造を示した図である。図３では点線によ
って一体化基板１との位置関係を示した。中心導体４の
外形形状は中心軸から１２０度の角度間隔で放射状に延
在したいわゆる３回対称形状である。３つの導体枝５の
先端部は、その幅ａが誘電体３の円周部における幅ｂに
等しくなるような形状を有している。ここで、一体化基
板１の裏面（下面）に形成された導体層１０と、誘電体
３と、導体枝５の内誘電体３と重なり合った部分とでコ
ンデンサを形成している。

【００２１】中心導体４及び導体層１０は銅を用いてス
パッタ法で２０μｍの厚さで密着形成した。中心導体４
の材質は特に問わないが、中心導体の厚さはマイクロ波
領域での表皮効果を考慮して決定する必要がある。又、
中心導体４及び導体層１０の形成方法も密着形成が可能
であればドライプロセスによる方法の他にメッキや印刷
焼成などで形成しても差し支えない。但し、中心導体４
と誘電体３の間並びに導体層１０と誘電体３の間に、誘
電体３の誘電率よりも誘電率の小さいもの、例えば空気
層や接着剤等があると、等価的に直列に容量の小さいコ
ンデンサが接続されることとなるので好ましくない。

【００２２】図４に第１の実施例によるサーキュレータ
の特性を示す。中心周波数が１．９１ＧＨｚで挿入損失
が０．３ｄＢの良好な特性が得られた。中心周波数が同
じ周波数で挿入損失が同程度のものを想定した場合、複
合化しないフェライトのみで構成された従来型の分布定
数型サーキュレータでは、フェライトの直径が１４．５
ｍｍ、厚さが３ｍｍのものが２枚必要であった。従っ
て、本発明の構成によって部品点数の削減を可能とし、
その外形寸法において従来よりも小型のサーキュレータ
を得ることができる。

【００２３】図５は第２の実施例及び第３の実施例によ
るサーキュレータの特性を示した図である。第２の実施
例によるサーキュレータは、比誘電率が３２の誘電体を
外側部材として配置した一体化基板を用いた構成された
もので、その特性は図５のＡのグラフで示される。第３
の実施例によるサーキュレータは、誘電体として上述の
第１の実施例と同じ比誘電率１１５の材料を用い、一体
化基板の外形寸法を４．５ｍｍとして構成されたもの
で、その特性は図５のＢのグラフで示される。

【００２４】第２の実施例及び第３の実施例は、共に上
記した以外の構成が第１の実施例と同様であるので、第
２の実施例の場合は第１の実施例と比較すると誘電率の
相対的に高い部分の占有面積は同じで誘電率が小さくな
っており、第３の実施例の場合は誘電率は等しいが占有
面積が小さくなっている。ちなみに第３の実施例におけ
る外側の誘電率の大きい部分、即ち誘電体３の接合面の
面積の一体化基板１全体に占める割合は３９．５％であ
る。図５の特性から、いずれの場合も中心周波数が第１
の実施例と比較して高い側に現れていることがわかる。
このことは外側部分に誘電率の大きい材料を配置した効
果はみられるもののその効果が小さいことを示してい
る。従って、その効果を大きくするためには、使用する
材料の誘電率を上げるか誘電率の高い部分の占める割合
を増やしてやることが必要である。

【００２５】ところで、誘電率の高い部分の占める割合
を増やすことはそのまま外形寸法を増やすことにつなが
り小型化の観点からすれば好ましくない。誘電率の大き
い材料を使用することは、ある程度までは効果を大きく
するため好ましいのであるが、誘電率が非常に大きい材
料を使用すれば単純に外形寸法を大幅に小さくすること
はできるものの、逆に一体化基板を作る際の加工が非常
に困難になり、機械的強度も極端に劣ることになる。実
施例でも示したように、基板の外形寸法自体小さいもの
であるから、一体化する際の外側部分の寸法が極端に小
さいことは実際上好ましくない。このような理由から、
本発明では一体化基板１の外側部分に配置される外側部
材の誘電率が、内側部分に配置される内側部材の誘電率
の３倍以上であり、かつ一体化基板１全体の接合面の面
積に対する誘電率が大きい外側部材の接合面の面積の割
合が５０％以上であることをもう一つの特徴としてい
る。

【００２６】図６に中心導体の形状の他の例を示す。図
６に示した３つの例（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、そ
の中心導体の下面に接合される一体化基板の形状が断面
円形状のものに適用される。中心導体がその下面に位置
する一体化基板の誘電体上で広がっていることによっ
て、誘電体の等価線路長を長くする効果を高めると共
に、補正用コンデンサとしての機能も大きくとることが
できる。上記した同じ機能が得られるのであれば、形状
はここに挙げたもの以外でも差し支えない。

【００２７】図７に一体化基板の接合面の形状の他の例
を示す。（ａ）は正六角形の場合で、（ｂ）は正方形の
場合で、（ｃ）は三角形の場合である。ここで、図７に
示した形状の一体化基板を用いる場合には、その上面に
接合される中心導体の形状は一体化基板の外側部材の接
合面の形状に対応したものである必要がある。例えば、
図６の（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）の中心導体を図７
（ａ）に適用した場合、中心導体の３つの導体枝と一体
化基板の外側部材の上面と接合する面積がそれぞれ同一
になるため問題はない。しかし、図６の（ａ）、
（ｂ）、及び（ｃ）の中心導体の図７（ｂ）の一体化基
板への適用は、中心導体の３つの導体枝と一体化基板の
外側部材の上面と接合する面積がそれぞれ異なるためで
きない。即ち、正方形等の辺の数が３の倍数でないよう
な場合は中心導体の形状を３回対称形に保つのが困難で
あると考えられる。このようなときはできるだけ対称形
を保ちつつ各導体枝と外側部材の上面と接合する電極面
積が等しくなるように適宜設計すればよい。又、一体化
基板の接合面の形状を正多角形にすることによって、対
称形を保つのに有利であるばかりでなく、接合面の形状
が円形の場合に比較して、平らな側面を持つために一体
化基板の製造時に基準面にできることや固定が容易であ
ることなどの利点がある。また、組立に際しても、素子
全体の形状としては一般的に角型である場合が多いこと
から有利である。

【００２８】以上ここではサーキュレータとして例を示
してきたが、一端に終端抵抗器を接続することによっ
て、アイソレータを構成できることは自明のことであ
る。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の分布定数型のサーキュレータと比較して３分の１
以下という飛躍的な小型化が可能になった。それと同時
に、部品を非常に簡略化し、更に部品点数を少なくする
ことによって集中定数型のサーキュレータに較べ生産性
に非常に優れ安価なサーキュレータやアイソレータ等の
非可逆回路素子を提供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示した分解斜視図であ
る。

【図２】（ａ）は一体化基板の平面図であり、（ｂ）は
（ａ）の縦断面図である。

【図３】中心導体を一体化基板に接合した状態を示した
図である。

【図４】本発明の第１の実施例による特性を示した図で
ある。

【図５】本発明の第２及び第３の実施例による特性を示
した図である。

【図６】中心導体の接合面の形状の他の例を示した図で
ある。

【図７】一体化基板の接合面の形状の他の例を示した図
である。

【図８】従来の非可逆回路素子を示した分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 一体化基板 ２ フェライト ３ 誘電体 ４ 中心導体 ５ 導体枝 ６ 接地基板 ７ 入出力電極パッド ８ 永久磁石 ９ 磁性ヨーク １０ 導体層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内側部材とそれを取り囲んでいる外側部
   材とで形成され、下面に導体層が密着形成され、前記内
   側部材の実効透磁率が前記外側部材の実効透磁率よりも
   大きく、前記外側部材の誘電率が前記内側部材の誘電率
   よりも大きい一体化基板と、該一体化基板の上面に密着
   形成され、先端部における幅が中心付近の幅より広い１
   ２０度の角度間隔で放射状に延在する３つの導体枝から
   なる中心導体とを有し、前記一体化基板及び前記中心導
   体は、それらの中心軸が一致するように密着形成されて
   いることを特徴とする非可逆回路素子。
2. 【請求項２】 前記外側部材の誘電率が前記内側部材の
   誘電率の３倍以上であり、前記外側部材の上面の面積が
   前記一体化基板の上面の面積の５０％以上であることを
   特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
3. 【請求項３】 前記一体化基板の外形形状が正多角形で
   あることを特徴とする請求項１又は２記載の非可逆回路
   素子。