JPS6119123B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はストリツプライン接合形サーキユレ
ータまたは導波管分岐形サーキユレータの特定動
作モードに着目してインピーダンス整合を選択的
に行うことにより、多周波数動作を行うサーキユ
レータの特性上高周波数側に生じる挿入損失の増
大を軽減し、特性を改善したインピーダンス選択
補償形サーキユレータに関する。

最近、マイクロ波帯域におけるサーキユレータ
の新しい動作原理として複数の動作モードを用い
たものが明らかにされ、この動作原理を用いて多
周波数動作を行うサーキユレータが提案されてい
る。このサーキユレータは従来の円板形のフエラ
イトに代え、円輪フエライトの内側に導体、誘電
体または異質のフエライト等を単独または複数組
合せた複合体を共振器とし、離散的な周波数帯域
をとる多周波数動作、連続的な周波数帯域をとる
広帯域動作、または帯域に応じて回転方向が異な
るダイプレクサ動作等を可能にしたものである。
このような多様の動作を行うサーキユレータはサ
ーキユレータの応用領域を広げるとともにマイク
ロ波回路やマイクロ波集積回路の構成や設計の上
で多くの利益をもたらすものと期待されるが、上
記積極的利点をみる反面、従来のサーキユレータ
に比較してその動作特性上高周波数側での挿入損
失が増大するという一般的傾向を有する。

この発明は上記多周波数動作を行うサーキユレ
ータにおいて、高周波数側で挿入損失の増大を改
善することを目的とする。

多周波数動作を行うサーキユレータにおける高
周波数側での挿入損失の増大は最初高周波数側で
の動作がフエライトの強磁性共鳴吸収の裾の部分
に近づくためと考えられていた。しかし、使用す
るY1Gフエライトの共鳴吸収損失を示す半値幅△
Ｈが50Oe以下と非常に小さいことを考え併せる
と高周波数側に現われる損失を充分に説明するこ
とができない。

この発明は、高周波数側での挿入損失の増大は
低次のサーキユレータ動作が動作している状態に
おいて高次のサーキユレータ動作が行なわれる動
作点では上記低次のサーキユレータ動作の影響が
残るために起因するという理論に基づいている。
この現象またサーキユレータを１種の結合共振器
としてみた場合における固有共振に付随する離調
現象とみることもできる。

この発明では高次の動作点に影響する低次の動
作の残留リアクタンス成分を、さらに高次の動作
モードが用いられている複合体の円周上に生成す
る静止パターンに着目して選択的にインピーダン
ス整合を行うことにより高周波数側での特性の改
善を実現している。

まず、この発明の理解を容易にするためにスト
リツプライン接合形サーキユレータの動作に関与
する動作モードに関して簡単に説明する。

ストリツプライン接合形サーキユレータの動作
は、強磁性体共振器となるフエライト円板（また
はフエライト複合体）内に生じるTM型の電磁界
の共振モードが結合した動作モードを用いて説明
することができる。ここでフエライト円板（また
はフエライト複合体）内に生じるTM型の共振モ
ードはフエライト円板（またはフエライト複合
体）の外周上での磁気壁の境界条件を満足するも
のとして計算することができる。この計算結果を
示すと第１図に破線で示したようになる。第１図
は縦軸がフエライト内の波数半径積ｋ_er₂（ｋ_eは
波数、r₂はフエライト構造物の外半径）を示し、
横軸がフエライトの非等方性分離因子κ／μを示
している。また指数ｎは次数を示し、その正負符
号は時計方向または反時計方向の回転を示してい
る。このような共振モードをもつフエライト共振
器をストリツプラインＹ接合に装着するとこれら
の共振モードは結合して一種の結合モードを生じ
る。この結合モードのうちで理想サーキユレーシ
ヨンの条件を満足するものが理想サーキユレーシ
ヨンの動作モードとなる。ここで理想サーキユレ
ーシヨンの条件は、３分岐からなるＹ接合では入
力端で反射係数が零、出力端で挿入損失が零、ま
た透過係数が１、そして無出力端で減結合量が零
を満足するものである。このようにして求められ
る動作モードには低周波数側の低次のものから区
別してモード１、モード１Ａ、モード１Ｂ、モー
ド２、モード２Ａ、モード２Ｂなどと命名され
る。なおモード１Ｂ、２Ｂはフエライト複合体を
共振器として用いたものに特有に現われるもので
ある。これら種々の動作モードの１例を示すと第
１図上で実線で示したようになる。第１図におい
てモード２は共振モード曲線ｎ＝１、ｎ＝−１の
中間にあり、これらの共振モード曲線が関与する
動作モードで、第２図ａに示すように磁気的双極
形の定在波パターンをフエライト構造物の円周上
につくる。このモード１の曲線上の動作点におい
ては、Ｙ接合の入力ポートでθ_０＝30゜の位相角
に見合う位置角だけ定在波パターンが回転される
とき入力ポート、出力ポートでのインピーダンス
が純実数にインピーダンス整合が行なわれてモー
ド１によるサーキユレータ動作が実現する。

モード２は共振モードｎ＝２、ｎ＝−２が関与
する動作モードで、第２図ｂに示すようにこれら
の共振モード曲線の中間にある点では磁気的４重
極性の定在波パターンをフエライト構造物の円周
上につくる。そしてＹ接合の入力ポートでθ_０＝
15゜の位相角に見合つて回転されるときにインピ
ーダンス整合が得られ、サーキユレータ動作が実
現する。モード２の動作曲線は上述した動作を行
う共振モード曲線ｎ＝＋２、−２の交点の近くか
ら進んで、ｎ＝−２、＋３の交点、ｎ＝−１、＋３
の交点を順次に通過するが、これらの交点では、
対称形の４重極形定在波パターンはくずれて、類
似した非定在波形パターンで表わされる。

モード１Ａは共振モードｎ＝−１、ｎ＝＋２が
主として関与する動作モード、モード２Ａは共振
モードｎ＝−２、ｎ＝＋４が主として関与する動
作モードでいずれも上記モード１，２とは異なる
磁気的非定在波パターンをフエライト構造物の円
周上につくる。この非定在波パターンは静止パタ
ーンと回転パターンとの積で表わされ、モード１
Ａ，２Ａに関して示すと第３図、第４図のように
なる。すなわちモード１Ａは第３図ａに示すよう
な３極をもつ静止パターンと第３図ｂに示すよう
な回転パターンとの積で与えられ、その合成パタ
ーンの１例を示すと第３図ｃのような磁気的２重
極になる。またモード２Ａは第４図ａに示すよう
な６極をもつ静止パターンと第４図ｂに示すよう
な双極性回転パターンとの積で与えられ、その合
成パターンの１例を示すと第４図ｃのようにな
る。

またモード１Ｂ、モード２Ｂは図示しないがモ
ード１Ａ、モード２Ａの近傍にあつて、モード１
Ｂは共振モードの組ｎ＝−１とｎ＝＋２、ｎ＝＋
１とｎ＝−２の関与する動作モード、モード２Ｂ
は共振モードの組ｎ＝−２とｎ＝＋４、ｎ＝＋２
とｎ＝−４の関与する動作モードである。モード
１Ｂとモード２Ｂの合成パターンは第３図、第４
図に示した回転パターンが反対方向の回転パター
ンと重なつて定在波パターンをつくるために結果
的にはそれぞれ類似なものとなる。

ところで多周波数動作を行うサーキユレータに
おいては第１図に一点鎖線で示したような内部磁
場Hiの軌跡とモード１、１Ａ、２、２Ａ等を示
す曲線との交点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ等を同時に動作点
とする。このようなサーキユレータ動作において
高周波数側で生じる挿入損失の増大は高周波数側
にある動作モード２Ａ等の動作点においてインピ
ーダンス整合が良好に行なわれていないためであ
り、このことは動作モード２Ａのもつ１種の磁気
的４重極パターンの位相角θ_０の調整に関連して
いる。モード２Ａの動作に関するこのようなイン
ピーダンス整合を行うのに周知の方法であるＹ接
合の外側にインピーダンス整合用変成回路を接続
するとモード１Ａ等の他のモードの動作にも影響
をおよぼすことになるばかりか形が大きくなり好
しくない。多周波数動作を行うサーキユレータに
おいて、高周波数側での挿入損失の増大を改善す
るためにはモード２Ａの動作に関して選択的にイ
ンピーダンス整合を行う必要がある。

この発明においてはモード１Ａの静止パターン
が３重極形であるのに対し、モード２Ａの静止パ
ターンは６極からなり、インピーダンス整合はこ
の静止パターンの６極の上で実現される点に着目
し、モード２Ａの静止パターンのうちのＹ接合の
３分岐に合致しない他の極大点上に容量性リアク
タンス成分を付与し、モード１Ａの動作等に影響
をおよぼすことなくモード２Ａの動作に関して選
択的にインピーダンス整合を行うようにしてい
る。

以下、この発明の一実施例を添付図面を参照し
て詳細に説明する。

まずこの発明をストリツプライン形サーキユレ
ータに適用した場合について述べる。第５図に示
した組立分解図および第６図に示した断面図にお
いて、ストリツプラインＹ接合の中心導体１０は
フエライト複合体２０ａ，２０ｂで上下に挾ま
れ、このフエライト複合体２０ａ，２０ｂには接
地板３０ａ，３０ｂが装着され、更にフエライト
複合体２０ａ，２０ｂに直流磁界を加えるための
磁石４０ａ，４０ｂが装着される。ここでフエラ
イト複合体２０ａ，２０ｂとしては例えば導体円
盤COとフエライト円輪FEとの複合体が用いられ
る。

ストリツプライン中心導体１０は第７図に示す
ように各ポート＃１、＃２、＃３に対応するスト
リツプライン枝１１，１２，１３を有しこのスト
リツプライン枝１１，１２，１３の対極位置に幅
ｗ、長さのストリツプライン小枝１４，１５，
１６が形成される。このストリツプライン小枝１
４，１５，１６の形成位置はモード２Ａの静止パ
ターンの極大点に一致するようにされ（想像線で
示したモード２Ａの静止パターンを参照）その幅
Ｗ長さはモード２Ａのインピーダンス整合を選
択的にかつ有効に行ない得るように適宜決定され
る。実験ではストリツプライン接合部１７の半径
Ｒがフエライト複合体の外径にほぼ等しいときＲ
＝10mmのときストリツプライン小枝の幅ｗがｗ＝
４〜６mmの最適値が含まれる。またストリツプラ
イン結合角ψがψ＝0.5〜0.6（rad）に対してス
トリツプライン小枝の結合角ψが２ψ〓0.5
（rad）のとき最適角となる。またストリツプライ
ン小枝の長さは動作周波数ｆがｆ＝3500MHz
（波長λ＝8.57cm）において＝5.0mm（＜λ／
10）以下で全般的に挿入損失の改善効果が認めら
れる。

なお、第６図に想像線で示すように各ストリツ
プライン小枝１４，１５，１６は誘電体小板１４
０，１５０，１６０（誘電体小板１５０，１６０
は図示せず）を部分的にあるいは全体に装荷し、
装荷した誘電体の大きさや誘電率をかえることに
より自由に補償用容量を変化させることができ
る。このようにすることによつてストリツプライ
ン小枝に位相遅れを来たす波長効果を生じさせな
いでインピーダンスの補償範囲を広げることがで
きる。この誘電体小板をストリツプライン小枝に
装荷する方法はつぎに述べる先端短絡形のストリ
ツプライン小枝についても応用できる。

以上はストリツプライン小枝の容量的効果を利
用したものであるが次に第８図に示すようにスト
リツプライン小枝１４，１５，１６の先端を接地
導体５０で接地板３０ａ，３０ｂに接地した場合
について述べる。この場合はモード２Ａの動作は
抑制され、モード１，１Ａ，２などの動作が行な
われる。すなわち接地導体５０でストリツプライ
ン小枝１４，１５，１６の先端を接地することに
よつてモード２Ａの残存誘導性リアクタンス成分
を増大させることになりモード２Ａの動作のみ選
択的に抑圧される。この特定モードの動作の抑圧
効果はストリツプライン小枝の長さ′を増加し
ていくことにより更に強められる。

このようにすれば特定モードに動作を選択的に
抑圧することができ、これにより他のモードの動
作を強調することができる。なお、上記実施例に
おいてはモード１，１Ａ，２などの動作が強調さ
れる。

第９図は12極の静止パターンを有するモード３
Ａの動作を選択的にインピーダンス整合する場合
の中心導体１０の構成例を示したものである。ス
トリツプライン枝１１，１２，１３の対極位置に
はストリツプライン小枝１４，１５，１６が形成
され、ストリツプライン枝１１，１２，１３とス
トリツプライン小枝１４，１５，１６の間にはそ
れぞれストリツプライン小枝６０ａ〜６０ｆが付
加される。すなわち12極静止パターンのうちの３
極はストリツプライン枝１１，１２，１３に一致
し、他の３極はストリツプライン小枝１４，１
５，１６に一致し、残りの６極はストリツプライ
ン小枝６０ａ〜６０ｆに一致するようにされる。
またストリツプライン小枝６０ａ〜６０ｆの幅は
ストリツプライン小枝１４，１５，１６の幅より
小さくなるように形成される。このように異なる
結合巾と線路長をもつものをＹ接合の対極点と他
の６極の対称点に付加することにより、モード２
Ａ，モード３Ａの動作に選択的な効果を及ぼすこ
とができる。

第１０図はストリツプライン枝１１，１２，１
３の対極位置にストリツプライン小枝１４，１
５，１６を設け、ストリツプライン枝１１，１
２，１３とストリツプライン小枝１４，１５，１
６の間に更に接地導体５０ａ〜５０ｆを装着した
場合を示したものである。接地導体５０ａ〜５０
ｆはその装着箇所において中心導体１０と接地板
３０ａ，３０ｂとを短絡する。この接地導体５０
ａ〜５０ｆは第８図で示した場合においてストリ
ツプライン小枝１４（１５，１６）の長さを零に
した場合に相当する。これによつてモード２Ａの
動作点の近傍にこれらの接地導体が置かれた点に
電界零となる合成パターンを生ずる電磁界モード
を誘起してモード２Ａの動作を抑制することによ
り、モード１Ａなどの低次の動作を強調すること
ができる。

次にこの発明の導波管形サーキユレータに適用
した場合について述べる。

第１１図はこの発明を適用した導波管接合形サ
ーキユレータの略図である。接合部の円形空胴１
００内にはフエライト複合体２００が挿入され、
各導波管枝７１，７２，７３には三角形の誘電体
９１，９２，９３が配設される。また各導波管枝
７１，７２，７３の対極位置には見込角２ψの誘
電体小板８１，８２，８３が円形空胴１００の内
壁面とフエライト複合体２００の外面との間に配
設される。この導波管形サーキユレータの基本的
動作原理は前述したストリツプライン形サーキユ
レータと同様である。すなわち誘電体小板８１，
８２，８３によつてモード２Ａの動作点に現われ
る誘導性の残留リアクタンス成分を装着した誘導
体片の示す容量性リアクタンス成分で補償するこ
とによつて、モード２Ａの動作に関するインピー
ダンス整合が選択的に行なわれ、高周波数側での
挿入損失が改善される。なお三角形の誘電体９
１，９２，９３は主としてモード１，２等の動作
もインピーダンス整合に寄与するためのものであ
る。

第１２図はこの誘電体小板８１〜８３の効果を
更に強調する一実施例を示したもので、円形空胴
１００の内壁面に切込部８４，８５，８６を設
け、この切込部８４，８５，８６に該誘電体小板
８１，８２，８３の一端を嵌合させるようにした
ものである。ここで、切込部８４，８５，８６の
形状は空胴共振器として動作するもので、誘電体
小板はこれら切込部との結合線路の役割をもはた
している。

なお、上記導波管接合形サーキユレータにおい
て、誘電体小板８１，８２，８３の代りに第１３
図ａ，ｂ，ｃに示すような誘電体Ｄ１と導体CO
の接合複合体を用いればストリツプライン形サー
キユレータで示したと同様の多様の調整効果を得
ることができる。さらに、上記実施例は円形のフ
エライト複合体について示したが、動作の原理の
上からは、三角形状のフエライト構造物について
も応用することが可能である。

また上記実施例においてはいずれも３分岐形の
サーキユレータにこの発明を適用した場合を示し
たがこの発明は３分岐形のサーキユレータのみに
限定されるものではない。例えば４分岐形のサー
キユレータ等においても同様に適用することがで
きる。

以上説明したようにこの発明によれば特定モー
ドの動作に関するインピーダンス整合を選択的に
行うことにより多周波数動作における高周波数側
での挿入損失を改善することができる。また高次
モードを選択的に抑制することにより低次モード
の動作を強調することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は動作モードを説明するグラフ、第２
図、第３図、第４図は動作モードを説明するパタ
ーン図、第５図はこの発明のモードロツキング形
サーキユレータの一実施例を示す組立分解図、第
６図は同実施例の断面図、第７図は同実施例の中
心導体の詳細を示す平面図、第８図は他の実施例
を示す部分図、第９図、第１０図は他の実施例の
中心導体を示す平面図、第１１図、第１２図は他
の実施例を示す略図、第１３図は誘電体小板に代
る他の構成例を示した斜視図である。 １０……中心導体、１１，１２，１３……スト
リツプライン枝、１４，１５，１６，６０ａ〜６
０ｆ……ストリツプライン小枝、３０ａ，３０ｂ
……接地板、５０，５０ａ〜５０ｆ……接地導
体、７１，７２，７３……導波管枝、８１，８
２，８３……誘電体小枝、８４，８５，８６……
切込部、９１，９２，９３……誘電体、１００…
…円形空胴、２００……フエライト複合体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ フエライト複合体を共振器としたストリツプ
   ライン接合形サーキユレータにおいて、接合部の
   各入出力用ストリツプライン分岐の間の所定の位
   置にストリツプライン小枝を形成してなるストリ
   ツプライン接合部を用いたインピーダンス選択補
   償形サーキユレータ。 ２ 前記ストリツプライン小枝が先端の開放され
   た開放形である特許請求の範囲第１項記載のイン
   ピーダンス選択補償形サーキユレータ。 ３ 前記ストリツプライン小枝が先端の接地され
   た短絡形である特許請求の範囲第１項記載のイン
   ピーダンス選択補償形サーキユレータ。 ４ 前記ストリツプライン小枝が誘電体小板を装
   荷したものである特許請求の範囲第１項記載のイ
   ンピーダンス選択補償形サーキユレータ。 ５ フエライト複合体を共振器として用いた導波
   管分岐形サーキユレータにおいて、各入出力導波
   管分岐枝の間の所定の位置に整合用素子を装着し
   てなるインピーダンス選択補償形サーキユレー
   タ。 ６ 前記整合用素子が誘電体小板である特許請求
   の範囲第５項記載のインピーダンス選択補償形サ
   ーキユレータ。 ７ 前記整合用素子が誘電体と導体の複合体小板
   である特許請求の範囲第５項記載のインピーダン
   ス選択補償形サーキユレータ。