(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置され、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して前記フェライトに配置され、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端が接地ポートに電気的に接続された第２中心電極と、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された第１コンデンサと、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された抵抗と、前記出力ポートと前記接地ポートの間に電気的に接続された第２コンデンサと、入力端子と、出力端子と、を備え、
前記入力ポートと入力端子との間又は前記出力ポートと出力端子との間の少なくとも一方にインピーダンス整合用コンデンサが電気的に接続され、前記入力端子と前記出力端子との間に結合用コンデンサと結合用インダクタとが直列に接続されていること、
を特徴とする２ポート型非可逆回路素子。
【請求項２】
永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置され、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して前記フェライトに配置され、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端が接地ポートに電気的に接続された第２中心電極と、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された第１コンデンサと、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された抵抗と、前記出力ポートと前記接地ポートの間に電気的に接続された第２コンデンサと、入力端子と、出力端子と、を備え、
前記入力ポートと入力端子との間又は前記出力ポートと出力端子との間の少なくとも一方にインピーダンス整合用コンデンサが電気的に接続され、前記入力端子と前記出力ポートとの間に結合用コンデンサと結合用インダクタとが直列に接続されていること、
を特徴とする２ポート型非可逆回路素子。
【請求項３】
永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置され、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して前記フェライトに配置され、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端が接地ポートに電気的に接続された第２中心電極と、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された第１コンデンサと、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された抵抗と、前記出力ポートと前記接地ポートの間に電気的に接続された第２コンデンサと、入力端子と、出力端子と、を備え、
前記入力ポートと入力端子との間又は前記出力ポートと出力端子との間の少なくとも一方にインピーダンス整合用コンデンサが電気的に接続され、前記入力ポートと前記出力端子との間に結合用コンデンサと結合用インダクタとが直列に接続されていること、
を特徴とする２ポート型非可逆回路素子。
【請求項４】
動作中心周波数における前記結合用インダクタのＱ値が１０以上であること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の２ポート型非可逆回路素子。
【請求項５】
前記結合用コンデンサとしてチップコンデンサを用い、該チップコンデンサの自己共振周波数が動作中心周波数の２倍以上であること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の２ポート型非可逆回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２ポート型非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータなどの２ポート型非可逆回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、携帯電話などの無線通信システムの送信回路部に使用されている。【０００３】
この種の２ポート型非可逆回路素子として、特許文献１に記載のものが知られている。この２ポート型アイソレータは、永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに互いに絶縁状態で配置された第１中心電極及び第２中心電極と、入力ポートと出力ポートの間に電気的に接続された第１コンデンサと、入力ポートと出力ポートの間に電気的に接続された抵抗と、出力ポートと接地ポートの間に電気的に接続された第２コンデンサと、入力端子と、出力端子と、を備え、入力ポートと入力端子との間又は出力ポートと出力端子との間の少なくとも一方にインピーダンス整合用コンデンサが電気的に接続され、入力端子と出力端子との間に結合用コンデンサが電気的に接続されている【０００４】
前記結合用コンデンサは挿入損失特性とアイソレーション特性をトレードオフの関係で調整するものである。しかし、結合用コンデンサは動作周波数が高くなるに伴ってインピーダンスが小さくなるので、動作周波数が高い場合、高調波の周波数帯域において入力ポート及び出力ポートの間がほぼ直結の状態となり、所望の高調波減衰量を得ることが困難である。今後は、無線通信システムの高周波化が予定されており、この問題は深刻になると考えられる。なお、トラップ回路を追加すれば高調波減衰量の改善が可能であるが、構造や回路が複雑になり、また、挿入損失が劣化する問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１９７０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、構造や回路をそれほど複雑化することなく、良好な挿入損失特性を得るとともに良好な高調波減衰特性を得ることのできる２ポート型非可逆回路素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の形態である２ポート型非可逆回路素子は、
永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置され、一端が入力ポートに電気的に接続され、他端が出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して前記フェライトに配置され、一端が出力ポートに電気的に接続され、他端が接地ポートに電気的に接続された第２中心電極と、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された第１コンデンサと、前記入力ポートと前記出力ポートの間に電気的に接続された抵抗と、前記出力ポートと前記接地ポートの間に電気的に接続された第２コンデンサと、入力端子と、出力端子と、を備え、
前記入力ポートと入力端子との間又は前記出力ポートと出力端子との間の少なくとも一方にインピーダンス整合用コンデンサが電気的に接続され、前記入力端子と前記出力端子との間に結合用コンデンサと結合用インダクタとが直列に接続されていることを特徴とする。【０００８】
また、第２の形態として、前記結合用コンデンサと前記結合用インダクタは、前記入力端子と前記出力ポートとの間に直列に接続されていてもよい。また、第３の形態として、前記結合用コンデンサと前記結合用インダクタは、前記入力ポートと前記出力端子との間に直列に接続されていてもよい。【０００９】
前記２ポート型非可逆回路素子においては、結合用コンデンサと結合用インダクタとの直列回路と第１コンデンサとで並列共振回路が形成され、該並列共振回路は共振周波数付近でのインピーダンスが大きくなる。それゆえ、該並列共振回路の共振周波数を減衰が必要な高調波周波数に合わせることにより、良好な高調波減衰特性が得られる。また、第１のコンデンサと並列に結合用コンデンサが接続されているので、良好な挿入損失特性が得られる。動作中心周波数付近において、結合用インダクタのインピーダンスは小さくて無視できるレベルであり、挿入損失の劣化はほとんどない。【００１０】
さらに、前記２ポート型非可逆回路素子においては、結合用インダクタを追加するのみなので、構造や回路が複雑化することない。しかも、結合用コンデンサに結合用インダクタを直列に接続しているので、結合用コンデンサの容量値は小さくてもよく、結合用コンデンサが小型化される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、構造や回路をそれほど複雑化することなく、良好な挿入損失特性を得るとともに良好な高調波減衰特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施例である２ポート型非可逆回路素子を示す電気等価回路図である。
【図２】第２実施例である２ポート型非可逆回路素子を示す電気等価回路図である。
【図３】第３実施例である２ポート型非可逆回路素子を示す電気等価回路図である。
【図４】整合用コンデンサと結合用コンデンサとで形成される並列共振回路を示す回路図である。
【図５】２ポート型非可逆回路素子の分解斜視図である。
【図６】第１実施例である２ポート型非可逆回路素子の特性を示すグラフであり、（Ａ）高調波減衰特性を示し、（Ｂ）は挿入損失特性を示す。
【図７】３２００〜３８００ＭＨｚ帯における結合用インダクタのＱ値と挿入損失との関係を示すグラフである。
【図８】３５００ＭＨｚにおける結合用インダクタのＱ値と挿入損失との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る２ポート型非可逆回路素子の実施例について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
２ポート型非可逆回路素子の第１〜第３実施例を等価回路として図１〜図３に示す。これらの２ポート型非可逆回路素子は集中定数型アイソレータである。
【００１５】
図１に示された第１実施例である２ポート型アイソレータ１Ａは、第１中心電極Ｌ１の一端が入力ポートＰ１に電気的に接続され、他端が出力ポートＰ２に電気的に接続されている。第２中心電極Ｌ２の一端は出力ポートＰ２に電気的に接続され、他端が接地ポートＰ３に電気的に接続されている。入力ポートＰ１と出力ポートＰ２の間には、共振用コンデンサＣ１と終端抵抗Ｒが電気的に並列に接続されている。出力ポートＰ２と接地ポートＰ３の間には、共振用コンデンサＣ２が電気的に接続されている。入力ポートＰ１と入力端子１４との間及び出力ポートＰ２と出力端子１５との間には、それぞれインピーダンスを整合するための整合用コンデンサＣｓ１，Ｃｓ２が電気的に接続されている。さらに、入力端子１４と出力ポートＰ２との間に結合用コンデンサＣｊと結合用インダクタＬｊとが直列に電気的に接続されている。
【００１６】
そして、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２間において、第１中心電極Ｌ１と共振用コンデンサＣ１とが並列共振回路を構成している。出力ポートＰ２と接地ポートＰ３間において、第２中心電極Ｌ２と共振用コンデンサＣ２とが並列共振回路を構成している。
【００１７】
図２に示された第２実施例である２ポート型アイソレータ１Ｂは、入力ポートＰ１と出力端子１５との間に結合用コンデンサＣｊと結合用インダクタＬｊとが直列に電気的に接続されたものであり、他の構成は前記第１実施例と同様である。
【００１８】
図３に示された第３実施例である２ポート型アイソレータ１Ｃは、入力端子１４と出力端子１５との間に結合用コンデンサＣｊと結合用インダクタＬｊとが直列に電気的に接続されたものであり、他の構成は前記第１実施例と同様である。
【００１９】
図５に前記アイソレータ１Ａの概略構成を示し、概略、ヨーク１０と、多層基板２０と、フェライト３１を含む中心電極組立体３０と、フェライト３１に直流磁界を印加するための永久磁石４１とで構成されている。中心電極組立体３０は、直方体形状のマイクロ波フェライト３１の表裏面に互いに電気的に絶縁された第１中心電極Ｌ１及び第２中心電極Ｌ２を形成したもので、その具体的な構成に関しては前記特許文献１などに詳述されており、周知な構成でもあるので、ここでは省略する。
【００２０】
結合用インダクタＬｊと終端抵抗Ｒとはチップタイプの素子によって構成されている。他のコンデンサは多層基板２０に内蔵されている。多層基板２０は、複数枚の誘電体シート上に各種コンデンサを形成する所定形状の電極や層間接続導体（ビアホール導体）を形成して積層し、焼結したものである。多層基板の表面には、接続用電極２１〜２５が形成されており、裏面には前記入力端子１４や出力端子１５として機能する電極やグランド用電極（図５では図示していない）が形成されている。なお、図５ではチップタイプの素子として説明したインダクタＬｊや終端抵抗Ｒも多層基板２０に内蔵してもよく、他のコンデンサをチップタイプの素子として構成してもよい。
【００２１】
ここで、結合用コンデンサＣｊと結合用インダクタンＬｊを接続する前のアイソレータにあっては、順方向伝送時は出力端子１５での伝送信号の位相が入力端子１４での伝送信号の位相より進み、逆方向伝送時は入力端子１４での伝送信号の位相が出力端子１５での伝送信号の位相より進む。一方、結合用コンデンサＣｊも、順方向伝送時でも逆方向伝送時でも、伝送信号の位相を進める。従って、結合用コンデンサＣｊを挿入したアイソレータは、順方向伝送時において、中心電極Ｌ１，Ｌ２間の磁気結合の作用で伝送する信号と、結合用コンデンサＣｊを介して伝送する信号とが強め合い、伝送信号全体として大きくなる。即ち、広帯域かつ低挿入損失の順方向伝送特性が得られる。この効果は、結合用コンデンサＣｊの容量が大きくなるにしたがって顕著になる。
【００２２】
この結果、第２中心電極Ｌ２を長くして第２中心電極Ｌ２のインダクタンスを大きくする必要がないので、アイソレータを小型化できる。また、第２中心電極Ｌ２のインダクタンスを大きくしなくてもよいため、共振用コンデンサＣ２の容量値の測定や調整が不能になるほど小さくしなくてもよい。従って、３０００ＭＨｚを超える高周波帯の通信システムに容易に対応できる。
【００２３】
ところで、比較的高い高周波周波数帯において、中心電極Ｌ１のインピーダンスは高くなるので、ほぼ電気的には開放である。その場合、コンデンサＣｓ１とコンデンサＣ１とが直列接続された直列接続回路と、コンデンサＣｊとインダクタＬｊとの直列接続回路とが並列接続され（図４参照）、並列共振回路が形成される。この並列共振回路は共振周波数付近でのインピーダンスが大きくなるので、共振周波数付近において伝送される信号が抑制される。その共振周波数を減衰が必要な高調波周波数に合わせることにより、良好な高調波減衰特性が得られる。
【００２４】
第１実施例であるアイソレータ１Ａにおける、このような高調波減衰特性を図６（Ａ）の曲線Ａに示し、挿入損失特性を図６（Ｂ）の曲線Ａに示す。各図での曲線Ｂは結合用インダクタＬｊを省略した比較例での特性である。
【００２５】
ちなみに、前記特性は以下のスペックにおけるシミュレーションデータである。
コンデンサＣ１：  １．９５ｐＦ
コンデンサＣ２：  ０．４５ｐＦ
コンデンサＣｓ１：  ０．８０ｐＦ
コンデンサＣｓ２：  １．５５ｐＦ
抵抗Ｒ：  ３２０Ω
インダクタンＬｊ：  １ｎＨ
コンデンサＣｊ：  ０．４０ｐＦ
【００２６】
アイソレータ１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、特許文献１に記載のアイソレータに対して、結合用インダクタＬｊのみを追加したものであり、回路や構造をことさら複雑化するものではない。また、非可逆回路素子として動作する中心周波数付近において、結合用インダクタＬｊのインピーダンスは小さくて無視できるレベルであり、インダクタＬｊの追加による挿入損失の劣化量は小さい。
【００２７】
また、順方向伝送特性が広帯域化かつ低挿入損失化する一方で、アイソレーション特性は狭帯域化する。なぜなら、逆方向伝送時において、中心電極Ｌ１，Ｌ２間の磁気結合の作用で伝送する逆方向信号と、結合用コンデンサＣｊを介して伝送する逆方向信号とが順方向伝送時と同様に強め合い、逆方向伝送信号全体として大きくなるからである。しかし、アイソレータに対する最近の要求仕様は、アイソレーションより挿入損失が重視される傾向が強く、アイソレーション特性の狭帯域化は問題とならない場合が多い。
【００２８】
インダクタＬｊとコンデンサＣｊを直列に接続すると、コンデンサＣｊのみの場合と比較して回路のインピーダンスが小さくなる。同じインピーダンスにする場合は、コンデンサＣｊの容量値を小さくする必要がある。これにより、コンデンサＣｊのみを接続する場合と比較して、インダクタＬｊを接続する場合はコンデンサＣｊの容量値を小さくできる。特に、多層基板２０にコンデンサＣｊを内蔵する場合、コンデンサＣｊの容量電極の面積を小さくできるので、アイソレータとしての小型化が可能になる。
【００２９】
次に、各アイソレータ１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおける結合用インダクタＬｊのＱ値について説明する。インダクタＬｊのＱ値は、動作中心周波数において１０以上であることが好ましい。図７には３２００〜３８００ＭＨｚ帯におけるインダクタＬｊのＱ値と挿入損失との関係を示し、曲線ＣはＱ値が１０の場合、曲線ＤはＱ値が２０の場合、曲線ＥはＱ値が３０の場合をそれぞれ示している。また、図８には３５００ＭＨｚにおけるインダクタＬｊのＱ値と挿入損失との関係を示している。以下の表１は図８に示した特性に基づいてそれぞれのＱ値における劣化量（ｄＢ）を示したものである。
【００３０】
【表１】
0005880738.tif 000002
【００３１】
表１から明らかなように、結合用インダクタＬｊのＱ値が１０以上であれば、インダクタＬｊを接続したことによる挿入損失の劣化量が０．０３ｄＢ以下になり、良好な高調波減衰特性と同時に低挿入損失特性が得られることになる。
【００３２】
一方、結合用コンデンサＣｊをチップタイプの素子で構成してもよく、その場合、コンデンサＣｊの自己共振周波数が動作中心周波数の２倍以上であることが好ましい。つまり、チップコンデンサＣｊは自己共振周波数以上ではインダクタとして機能し、コンデンサＣｓ１、Ｃｓ２，Ｃ１とで並列共振回路を形成する。その並列共振回路の共振周波数はアイソレータの中心周波数の２倍以上となる。高調波減衰特性が必要とされるのは一般的に２倍波以上の周波数帯である。
【００３３】
このような構成により２倍波以上の周波数帯における減衰量を改善できる。また、インダクタＬｊを構成するためのチップインダクタや電極パターンが不要であるので、アイソレータの小型化、低コスト化を実現できる。さらに、チップコンデンサＣｊはアイソレータの中心周波数ではコンデンサとして機能するので、挿入損失特性とアイソレーション特性とをトレードオフの関係にすることが可能である。
【００３４】
なお、本発明に係る２ポート型非可逆回路素子は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
以上のように、本発明は、マイクロ波帯で使用されるアイソレータなどの２ポート型非可逆回路素子に有用であり、特に、構造や回路をそれほど複雑化することなく、良好な挿入損失特性を得るとともに良好な高調波減衰特性を得ることができる点で優れている。
【符号の説明】
【００３６】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…アイソレータ
Ｌ１…第１中心電極
Ｌ２…第２中心電極
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ
Ｒ…終端抵抗
Ｃｓ１，Ｃｓ２…コンデンサ
Ｃｊ…結合用コンデンサ
Ｌｊ…結合用インダクタ
Ｐ１…入力ポート
Ｐ２…出力ポート
Ｐ３…接地ポート
１４…入力端子
１５…出力端子
３１…フェライト
４１…永久磁石
【図１】
0005880738.tif 000003
【図２】
0005880738.tif 000004
【図３】
0005880738.tif 000005
【図４】
0005880738.tif 000006
【図５】
0005880738.tif 000007
【図６】
0005880738.tif 000008
【図７】
0005880738.tif 000009
【図８】
0005880738.tif 000010