(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に絶縁されるとともに、所定の角度で交差するように重ね合わされた３組のストリップラインと、
前記３組のストリップラインを一方の主面に近接配置するフェライト板と、
前記フェライト板を介して前記３組のストリップラインと対向して配置される接地電極と、
前記フェライトを磁化するための磁石と、
前記３組のストリップラインに対応してそれぞれ接続される３個の整合用コンデンサと、
前記３組のストリップライン、前記フェライト板、前記接地電極、前記磁石および前記３個の整合用コンデンサを配置するケースと、
前記接地電極と前記ケースの、前記接地電極と近接する側との間に設けられた構造材と、
前記ケースの、前記接地電極と近接する側に設けられた外部接続用の接地端子を備え、
前記構造材は、導電体であり、かつ、外周部に前記３個の整合用コンデンサが前記構造材と当接しないように切り欠き部が設けられ、
前記切り欠き部に前記３個の整合用コンデンサの少なくとも一部が、前記フェライト板と前記ストリップラインとの積層面の方向への投影において、前記フェライト板と重なりあうように配置され、
前記接地電極と前記接地電極と近接する側のケースとを電気的に接続していることを特徴とするＶＨＦ帯用非可逆回路素子。
【請求項２】
前記接地電極の前記フェライト板に対向する部分の面積が、前記フェライト板の面積より小さいことを特徴とする請求項１記載のＶＨＦ帯用非可逆回路素子。
【請求項３】
前記３組のストリップラインの内、１組を所定の抵抗値を有する抵抗により終端することにより、アイソレータとして用いられることを特徴とする請求項１記載のＶＨＦ帯用非可逆回路素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のＶＨＦ帯用非可逆回路素子を用いたことを特徴とする自営無線通信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はフェライトを用いてＶＨＦ帯の信号の伝送に方向性を与えるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に関する。また、それらを用いた自営無線通信機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非可逆回路素子であるアイソレータは、通信機器の送信回路においてパワーアンプとアンテナとの間に配置され、パワーアンプへの不要信号の逆流を防いだり、パワーアンプの負荷側のインピーダンスを安定させたりすることなどを目的として用いられる。サーキュレータもその一つの入出力端子を抵抗により終端することにより上記アイソレータと同様に用いることができる。
【０００３】
従来の技術によるサーキュレータ１の分解斜視図を図９に示す。従来のサーキュレータ１は、円板状のフェライト板２と、フェライト板２に対向して配置される磁石３と、これらを内包し磁気回路を構成するヨークケース４ａおよび４ｂとを備える。なお、ヨークケース４ａおよび４ｂは嵌合して一体となるが、図５では、分解したときの状態を示している。
【０００４】
フェライト板２の周囲には、互いに電気的に絶縁され、略１２０度の角度で交差し重ね合わされた３組のストリップライン５ａ、５ｂおよび５ｃが配置されている。ストリップライン５ａ、５ｂおよび５ｃは、一方の端が、入出力端子７ａ、７ｂおよび７ｃと図中のように並列に配置されたコンデンサ８ａ、８ｂおよび８ｃとにそれぞれ接続される。ここで図中各符号は同一のアルファベットにて対応づけられている。
【０００５】
また、ストリップライン５ａ、５ｂおよび５ｃの他端は、それぞれフェライト板２の下面（ヨーク４ｂ寄りの面）において接地円板６に接続される。
【０００６】
接地円板６はその他の素子中の接地電極やヨークケース４ｂとともに、外部接続用の接地端子（図９中では図示せず）へと接続される。また、ヨークケース４ａおよび４ｂは嵌合、または必要に応じて半田付け等により電気的に接続される。なお、図９ではサーキュレータの構成を説明したが、入出力端子７ａ、７ｂまたは７ｃのいずれかに抵抗を接続して終端すれば、アイソレータとして構成できる。
【０００７】
以上のような構成を有するアイソレータ、サーキュレータなどの非可逆回路素子は、取り扱う周波数が低くなるに従い、その素子サイズが大きくなる。これは非可逆回路素子の動作周波数が主に、図９に示すフェライト板２の大きさと整合用のコンデンサ８ａ、８ｂおよび８ｃの容量値により決定されるからである。
【０００８】
このフェライト板２の大きさと、整合用コンデンサの容量とは相補的な関係にあり、一方を小さくすると他方を大きくしないと周波数が高くなってしまう。当然、信号の通過損失を最小にするフェライト径とコンデンサ容量値との最適な組み合わせが存在するが、実際の非可逆回路素子の設計においては、実用上要求される非可逆回路素子全体のサイズを考慮する必要があるので、上記の最適な組み合わせは採用されず、実際は通過損失を多少犠牲にしても、小型化を優先する設計がなされる。
【０００９】
ところで、非可逆回路素子の小型化を優先する設計においては、フェライト板を、小さくし整合用コンデンサの容量値を上げる必要がある。特に、ＶＨＦ帯の非可逆回路素子では、必要な容量値が、携帯電話などに利用されるＵＨＦ帯の非可逆回路素子で必要とされる容量値と比較してかなり大きくなる。
【００１０】
従来よりその大容量値を確保するため、ＶＨＦ帯の非可逆回路素子においては、整合用コンデンサとして、多層構造を利用した積層チップコンデンサが用いられていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、整合用コンデンサを多層構造の積層チップコンデンサで構成すると、電気的特性、特には、その信号の通過損失が劣化するという問題があり、その影響は、フェライト板のサイズを小型化し整合用コンデンサの容量値を大きくした場合、より大きくなっていた。
【００１２】
このため、従来のＶＨＦ帯の非可逆回路素子では、満足な電気的特性を得るため、フェライト径をある程度以上に設計しなければならず、結果として、例えば２６０ＭＨｚ帯における非可逆回路素子では素子サイズが２０ｍｍ角以上になるなど、小型化が困難であった。また、それによりＶＨＦ帯を利用した自営無線通信機も小型化が困難であった。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するために、小型で電気的特性の優れたＶＨＦ帯用の非可逆回路素子を提供することを目的とする。また、それらの非可逆回路素子を用いて小型で高性能の自営無線通信機を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第１の本発明（請求項１に対応）は、互いに電気的に絶縁されるとともに、所定の角度で交差するように重ね合わされた３組のストリップラインと、
前記３組のストリップラインを一方の主面に近接配置するフェライト板と、
前記フェライト板を介して前記３組のストリップラインと対向して配置される接地電極と、
前記フェライトを磁化するための磁石と、
前記３組のストリップラインに対応してそれぞれ接続される３個の整合用コンデンサと、
前記３組のストリップライン、前記フェライト板、前記接地電極、前記磁石および前記３個の整合用コンデンサを配置するケースと、
前記接地電極と前記ケースの、前記接地電極と近接する側との間に設けられた構造材と、
前記ケースの、前記接地電極と近接する側に設けられた外部接続用の接地端子を備え、
前記構造材は、導電体であり、かつ、外周部に前記３個の整合用コンデンサが前記構造材と当接しないように切り欠き部が設けられ、
前記切り欠き部に前記３個の整合用コンデンサの少なくとも一部が、前記フェライト板と前記ストリップラインとの積層面の方向への投影において、前記フェライト板と重なりあうように配置され、
前記接地電極と前記接地電極と近接する側のケースとを電気的に接続していることを特徴とするＶＨＦ帯用非可逆回路素子である。
【００１５】
また、第２の本発明は、前記接地電極の前記フェライト板に対向する部分の面積が、前記フェライト板の面積より小さいことを特徴とする上記本発明である。
【００１６】
また、第３の本発明は、前記３組のストリップラインの内、１組を所定の抵抗値を有する抵抗により終端することにより、アイソレータとして用いられることを特徴とする上記本発明である。
【００１７】
また、第４の本発明は、上記本発明のＶＨＦ帯用非可逆回路素子を用いたことを特徴とする自営無線通信機である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して具体的に説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の非可逆回路素子１０の分解斜視図を図１に示す。図に示すように、本発明の実施の形態１の非可逆回路素子１０において、円板状のフェライト板１１には、互いに絶縁され略１２０度で交差して重ね合わされた３組のストリップライン１２が巻きつけられている。
【００２０】
ここで、図２を用いてストリップライン１２とフェライト板１１との構成を詳しく説明する。図２に示すように、ストリップライン１２ａと１２ｂとの間には絶縁層２１ａが、ストリップライン１２ｂと１２ｃとの間には絶縁層２１ｂがそれぞれ配置される。３組のストリップラインの一端は図９で説明したのと同様に、フェライト板下面に配置された接地円板２２に接続される。なお、図１中ではストリップライン間の絶縁層については省略し、接地円板についてはフェライト板１１の下面のため図示していない。また、絶縁層２１ａ、２１ｂおよび接地円板２２の記載に関しては、以下の同様の分解斜視図においても同じである。
【００２１】
図１において、３組のストリップライン１２の他端は、配置板１３上に配置される３個の単層構造の平行平板コンデンサ１４にそれぞれ接続される。また、フェライト板の下ヨークケース１６寄りの面（以下、下面と呼ぶ）の接地円板も配置版１３上の所定の位置に接続される。配置版１３は下ヨークケース１６に接続される下面は全面接地電極となっており、前記単層構造の平行平板コンデンサ１４や接地円板が接続される上面の接地電極パターン２０ａとスルーホールにより電気的に接続されている。また、３個の多層構造の積層チップコンデンサ１５は、配置版１３上に設けられたランド状の電極２０ｂと前記接地電極パターンとに橋架けして、それぞれの電極が接続される。
【００２２】
また、３個の入出力端子１７は、前記多層構造の積層チップコンデンサ１５の一方の電極が接続されているランド状の電極２０ｂに接続され、また、単層構造の平行平板コンデンサ１４上において、３組のストリップライン１２の他端に接続される。
【００２３】
下ヨークケース１６には、外部接続用の接地端子３０が設けられている。フェライト板１１の上面には、磁場を印加するための磁石１８が配置され、上ヨークケース１９が下ヨークケース１６と嵌合することで磁気回路を構成する。
【００２４】
以上のような構成を有する本実施の形態による非可逆回路素子の一例として、、２６０ＭＨｚ帯で動作する２０ｍｍ角サイズのサーキュレータおよび１５ｍｍ角サイズのサーキュレータを作製した。２０ｍｍ角サイズの場合、フェライト板１１の直径を１０ｍｍとした所、必要とされる整合用コンデンサの容量値は４０ｐＦであった。１５ｍｍ角サイズの場合、フェライト板１１の直径を７．５ｍｍとした所、必要とされる整合用コンデンサの容量値は５０ｐＦであった。
【００２５】
図３に、それぞれのサイズのサーキュレータについて、整合用コンデンサのそれぞれに関し、単層構造の平行平板コンデンサと多層構造の積層チップコンデンサの容量値割合をかえて、通過損失の測定をした結果を示した。図中において単層構造の平行平板コンデンサの割合０％は多層構造の積層チップコンデンサのみの場合、１００％は単層構造の平行平板コンデンサのみの場合を示している。
【００２６】
図３より単層構造の平行平板コンデンサの容量値割合を増加させていくと、その割合が５０％程度のところで通過損失が大きく改善されることがわかる。
【００２７】
これより、単層構造の平行平板コンデンサで必要な容量値の５０％以上を構成することにより、効果的に信号の通過損失を小さくすることができることがわかる。また、サーキュレータのサイズを従来より小さくしフェライト板のサイズが小さくなっても、本発明の構成を用いることにより電気的特性を維持することができるのがわかる。
【００２８】
なお、単層構造の平行平板コンデンサにおいて容量値を大きくしようとする場合、（１）面積を大きくする、（２）対向電極間の誘電体層の厚みを薄くする、（３）誘電体の誘電率を大きくする、といった方策が考えられるが、誘電体層の厚みを１５０μｍとすると、１００％単層構造の平行平板コンデンサを用いても、従来の多層構造の積層チップコンデンサのみを使った場合と同等の素子サイズでＶＨＦ帯用非可逆回路素子を構成できる。したがって、単層構造の平行平板コンデンサの誘電体層厚さを１５０μｍ以下にすることにより、従来より電気的特性の優れた小型のＶＨＦ帯用非可逆回路素子を容易に構成することができる。
【００２９】
また、単層構造の平行平板コンデンサ１４の誘電体層厚さを薄くすると、強度面での信頼性が問題になってくるが、前記単層構造の平行平板コンデンサ１４の上下対向電極の少なくとも一方の上に補強部材を配置し、前記補強部材の最表面に外部電極を備えて、前記対向電極と外部電極をビアホールで接続することにより、十分な強度を確保することができる。この際、前記対向電極と外部電極を接続するためのビアホールは複数個もうけることが好ましい。
【００３０】
また、本実施の形態においては、整合用コンデンサのそれぞれについて、５０％以上の容量を平行平板コンデンサ１４によって得られるものとして説明を行ったが、３組の整合用コンデンサそれぞれの有する容量値の総和の５０％以上が平行平板コンデンサによって得られるよう保ちながら、個々の整合用コンデンサにおいて容量値に応じて用いる平行平板コンデンサ１４の比率を異なるようにしてもよく、この場合、コンデンサの大きさをそれぞれのストリップライン毎に変更できることから、設計に自由度が与えられる等の効果がある。
【００３１】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の非可逆回路素子４０の分解斜視図を図４に示す。図において、図１と同一部または相当部には、同一符号を付し、詳細な説明は省略する。また、４１は本発明の構造材に相当する接地台である。さらに図に示すように、本発明の実施の形態２の非可逆回路素子４０において、円板状のフェライト１１とストリップライン１２の部分の構成は実施の形態１と同様である。
【００３２】
また、図４において、フェライト板１２下面の接地円板は導電体である接地台４１により下ヨークケース１６の上面より底上げされ、それによってできた空間を利用し、整合用コンデンサである３組の単層構造の平行平板コンデンサ１４は下ヨークケース１６にその一部を素子上下面の投影において、重なり位置４２にて、前記フェライト板１１と重なり合うように配置される。３組のストリップライン１２の接地円板に接続されない側は、下ヨークケース１６上に配置される前記３個の単層構造の平行平板コンデンサ１４にそれぞれ接続される。３個の入出力端子１７は、前記単層構造の平行平板コンデンサ１４上において３組のストリップライン１２に接続される。フェライト板下面の接地円板は、接地台１４を介して外部接続用の接地端子３０の設けられた下ヨークケース１６に電気的に接続されている。フェライト板１１の上面には、磁場を印加するための磁石１８が配置され、上ヨークケース１９が下ヨークケースと嵌合することで磁気回路を構成する。
【００３３】
以上のような構成を有する本実施の形態２では、整合用コンデンサに必要とされる容量値にすべて単層構造の平行平板コンデンサ１４による容量を用いる構成としている。また、単層構造の平行平板コンデンサの一部を、フェライト板１２とストリップライン１２の積層方向への投影において、フェライト板１２と重なり部４２にて重なり合うように配置しているので、フェライト板の直径を７．５ｍｍとしても、２６０ＭＨｚ帯で動作するサーキュレータを１０ｍｍ角で構成することができた。作製したサーキュレータの通過損失は０．５ｄＢであり、実施の形態１の、全体のサイズが１５ｍｍ角で単層構造の平行平板コンデンサの容量値割合が１００％のサーキュレータと同等性能であった。
【００３４】
これにより、本発明の構成を用いることにより、小型で電気的特性の優れた非可逆回路素子を容易に構成できることが分かる。
【００３５】
なお、本実施の形態により実現されている、フェライト板下面の接地円板を底上げする方法は、図４に示す例に構成に限定されるものではなく、例えば図５に示すような脚付きの接地板５１を用いてもよい。この際、接地板５１の下面の単層構造の平行平板コンデンサと対向する部分に絶縁層を設けておくと単層構造の平行平板コンデンサの上面電極との短絡を防ぐことができるので好ましい。
【００３６】
また、図６に示すように、本実施の形態２の構成においては、フェライト板１１と接地円板２２との関係は、フェライト板下面の接地円板については図６（ａ）に示す従来の接地円板２２のようにフェライト板と同一面積とするより、図６（ｂ）に示す構成のように、接地円板６１の面積がフェライト板１１の面積より小さい方が好ましい。これは、本実施の形態２の構成では、３組のストリップラインと３組のコンデンサの接続位置が接地円板の位置より下側になるため、図６’ａ）中の点線にて囲んだ領域６０においてストリップライン１２と接地円板２２が接触するのを防ぐためである。なお、図６（ｃ）に示すように、従来の接地円板から、領域６０に相当する部分を切り欠いた接地円板６２を用いても同様の効果が得られることは明らかである。
【００３７】
また、本実施の形態２の構成においては、単層構造の平行平板コンデンサを用いるものとして説明を行ったが、単に全体の小型化ということであれば、従来の積層型チップコンデンサを搭載してもよい。
【００３８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の非可逆回路素子の基本構成は図４で説明した実施の形態２と同様であるので、説明には図４を参照し、詳細な説明は省略する。実施の形態４と異なるのは、フェライト板１１とストリップライン１２の部分の構成で、図７を用いてこの部分の説明を行う。
【００３９】
本実施の形態が従来構成と異なるのは、フェライト板１１と接地円板２２の間に誘電体層７１が配置されていることである。
【００４０】
このような構成を有する本実施の形態による非可逆回路素子の実施例として、表１に１０ｍｍ角で構成した２６０ＭＨｚ帯のサーキュレータについて、４種類の誘電体層の厚みについて必要とされるコンデンサ容量値と得られたサーキュレータの通過損失の関係を表１に示した。また、比較例として、誘電体層７１を有しない本発明の実施の形態２によるサーキュレータによるデータも附して示した。なお、用いたフェライト板は直径７．５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍである。
【００４１】
【表１】
表１より、本実施の形態の構成を用いることにより、フェライト板内部の磁界分布が均一化され、通過損失が改善していることがわかる。また、必要とされるコンデンサの容量値も低減されている。さらに、誘電体層７１の厚さはある程度以上厚くしても上記改善効果が少なくなるので効果的でないことがわかる。
【００４２】
また、下ヨークケース１６からフェライト板１１が離れるため、フェライト内部の磁界分布の均一化が測れる反面、磁石に要求される強度もより高くなっていくので、磁石の厚みを厚くするなどの対策が必要となり、素子を構成する上で好ましくなくなってくる。これらのことを考慮すると、誘電体層の厚さはフェライト板の厚さの１０〜６０％程度とすると効果的であるといえる。
【００４３】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４の非可逆回路素子８０の分解斜視図を図８に示す。基本的な構成は実施の形態３の表１に示す実施例（２）と同じであるが、本実施の形態４では、第２のフェライト板８１がストリップライン１２を挟んでフェライト板１１に対向して配置されている点において異なる。
【００４４】
このような構成を有する本実施の形態４による非可逆回路素子であるサーキュレータの通過損失は０．３５ｄＢであり、表１に示す実施の形態３の実施例（２）と比べて大幅に電機特性が改善されていることがわかる。これは、第２のフェライト板８１によりフェライト板１１中の磁界分布が均一化されたためである。
【００４５】
なお、本発明の実施の形態においては、主に地域防災無線等に用いられる２６０ＭＨｚ帯のサーキュレータを用いて説明を行ったが、本発明はこれに限定されるものではない。前記３組のストリップラインの内、１組を所定の抵抗値を有する抵抗により終端することによりアイソレータとして用いることができる。
【００４６】
また、本発明の思想に基づく限り、１５０ＭＨｚ帯、６０ＭＨｚ帯等の自営無線機の周波数帯でも従来より小型で優れた電気的特性を持った非可逆回路素子を構成できる。なお本発明の名称はＶＨＦ帯用非可逆回路素子であり、これまで小型化の困難であったＶＨＦ帯のものに対して有効であるるが、４００ＭＨｚ帯などのＵＨＦ帯の低目の周波数帯に応用した場合でも、一定の効果が期待できる。
【００４７】
なお、以上説明してきたようなＶＨＦ帯用非可逆回路素子を用いて自営無線通信機を構成することにより、小型で高性能な自営無線通信機を構成することができるのは明らかである。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたことから明らかなように本発明により、小型で電気的特性の優れたＶＨＦ帯用の非可逆回路素子を提供することができる。また、それらの非可逆回路素子を用いて、小型で高性能な自営無線通信機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る非可逆回路素子の分解斜視図
【図２】本発明の実施の形態１に係る非可逆回路素子のフェライト板周辺の詳細図
【図３】本発明の実施の形態１に係る非可逆回路素子の電気的特性比較図
【図４】本発明の実施の形態２に係る非可逆回路素子の分解斜視図
【図５】本発明に係る非可逆回路素子の分解斜視図
【図６】接地円板の構成図
【図７】本発明の実施の形態３に係る非可逆回路素子のフェライト板周辺の詳細図
【図８】本発明の実施の形態４に係る非可逆回路素子の分解斜視図
【図９】従来の非可逆回路素子について一例を示す分解斜視図
【符号の説明】
１、１０、４０、５０、８０  サーキュレータ
２、１１  フェライト板
３、１８  磁石
４ａ、１９  上ヨークケース
４ｂ、１６  下ヨークケース
６、２２、６１、６２  接地円板
５ａ、５ｂ、５ｃ、１２、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  ストリップライン
１３  配置板
１４  単層構造の平行平板コンデンサ
１５  多層構造の積層チップコンデンサ
１７  入出力端子
２０ａ  接地電極パターン
２０ｂ  ランド状の電極
２１ａ，２１ｂ  絶縁層
３０  接地端子
４１  接地台
５１  接地板
７１  誘電体層
８１  第２のフェライト板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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