(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部分に貫通孔を有する誘電体基板と、
前記貫通孔に嵌め込まれた円柱形状の磁性部材と、
前記磁性部材の一主面から前記誘電体基板の一主面にかけて形成された導体と、
前記磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、
前記導体は、前記磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であり、
前記バイアス磁場可変手段は、永久磁石と、径可変機構を備えた軟磁性円板とが積層して構成されていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
請求項１記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて可変するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作可能であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項４】
中央部分に貫通孔を有する第１及び第２誘電体基板と、
前記第１及び第２誘電体基板の前記貫通孔に、それぞれ嵌め込まれた円柱形状の第１及び第２磁性部材と、
前記第１及び第２磁性部材の一主面から前記第１及び第２誘電体基板の一主面にかけて形成され、前記第１磁性部材及び前記第１誘電体基板と、前記第２磁性部材及び前記第２誘電体基板とに挟まれた導体と、
前記第１及び第２磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、
前記導体は、前記第１及び第２磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であり、
前記バイアス磁場可変手段は、永久磁石と、径可変機構を備えた軟磁性円板とが積層して構成されていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項５】
請求項４記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて可変するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作可能であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項６】
請求項４又は５記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段は、前記磁性部材の一方の主面側に設けられ、
前記磁性部材の他方の主面側に、軟磁性裏打ち層が設けられていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記伝送線路部は、
前記円形部から前記磁性部材と前記誘電体基板との境界部にかけて形成された第１線路部と、
前記誘電体基板の一主面に形成された第２線路部とを有し、
前記第２線路部には、キャパシタンス成分を付加するためのスタブが設けられていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項９】
中央部分に貫通孔を有する誘電体基板と、
前記貫通孔に嵌め込まれた円柱形状の磁性部材と、
前記磁性部材の一主面から前記誘電体基板の一主面にかけて形成された導体と、
前記磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、
前記導体は、前記磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であり、
前記伝送線路部は、
前記円形部から前記磁性部材と前記誘電体基板との境界部にかけて形成された第１線路部と、
前記誘電体基板の一主面に形成された第２線路部と、
前記第１線路部と前記第２線路部との間に介在された接続部とを有し、
前記第１線路部の幅をＷ1、前記第２線路部の幅をＷ2としたとき、
Ｗ1＞Ｗ2
であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１０】
請求項９記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて可変するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作可能であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１２】
中央部分に貫通孔を有する第１及び第２誘電体基板と、
前記第１及び第２誘電体基板の前記貫通孔に、それぞれ嵌め込まれた円柱形状の第１及び第２磁性部材と、
前記第１及び第２磁性部材の一主面から前記第１及び第２誘電体基板の一主面にかけて形成され、前記第１磁性部材及び前記第１誘電体基板と、前記第２磁性部材及び前記第２誘電体基板とに挟まれた導体と、
前記第１及び第２磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、
前記導体は、前記第１及び第２磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であり、
前記伝送線路部は、
前記円形部から前記磁性部材と前記誘電体基板との境界部にかけて形成された第１線路部と、
前記誘電体基板の一主面に形成された第２線路部と、
前記第１線路部と前記第２線路部との間に介在された接続部とを有し、
前記第１線路部の幅をＷ1、前記第２線路部の幅をＷ2としたとき、
Ｗ1＞Ｗ2
であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１３】
請求項１２記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて可変するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作可能であることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１４】
請求項１２又は１３記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１５】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段は、
永久磁石と、コアと該コアの側壁を囲むコイルとを有する電磁石と、を備え、
前記永久磁石と、前記コアとが積層して構成されていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１６】
請求項９〜１４のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段は、
永久磁石と、径可変機構を備えた軟磁性円板とが積層して構成されていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１７】
請求項１５又は１６記載の非可逆回路素子において、
前記バイアス磁場可変手段は、前記磁性部材の一方の主面側に設けられ、
前記磁性部材の他方の主面側に、軟磁性裏打ち層が設けられていることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１８】
請求項９〜１７のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記接続部は、前記第１線路部から前記第２線路部にかけて幅が連続的に縮小した形状を有することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項１９】
請求項９〜１８のいずれか１項に記載の非可逆回路素子において、
前記第１線路部の長さをＬ1、前記接続部の長さをＬ2としたとき、
Ｌ1／３≦Ｌ2≦２Ｌ1
であることを特徴とする非可逆回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非可逆回路素子に関し、一層詳細には、異なる周波数帯域で動作させることが可能な非可逆回路素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非可逆回路素子は、電磁波を一方向にのみ通す機能（非可逆的伝送特性）を持つ電子部品であり、送受信回路の保護や安定動作を保証するために使用される。携帯電話等移動体通信システムでは、複数の周波数帯が使用されている。例えば、携帯電話では、日本国内の場合、８００ＭＨｚ帯や２ＧＨｚ帯の周波数帯域が用いられ、端末によって用いられる周波数帯域が設定されている。また、携帯電話の周波数帯域は各国ごとにも異なっている。
【０００３】
従って、各周波数帯域を用いる端末には、それぞれの異なる周波数帯域に対応した非可逆回路素子が用いられている。これは、各地域、国ごとに設置されている携帯電話の基地局における非可逆回路素子も同様である。
【０００４】
ところで、２００７年に開催された世界無線通信会議において、次世代（第４世代）移動通信システム（ＩＭＴ−Ａｄｖａｎｃｅｄ）の規格が制定され、４５０ＭＨｚから３．６ＧＨｚまでの間の４つの周波数帯域が割り当てられた。従来の非可逆回路素子では、各周波数帯にチューニングされたものが１個ずつ必要であった。
【０００５】
しかし、近年になって一つの端末で２つの周波数帯域を利用できる非可逆回路素子が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２８４９０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１記載の非可逆回路素子は、正円偏波透磁率の実数項μ＋と、負円偏波透磁率の実数項μ−との差分の大きいところで動作させているが、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側までの広範囲において動作させるには至っていない。
【０００８】
また、磁性部材と、当該磁性部材と同直径の中央部分から突出した伝送線路部を有する導体とが積層された構造であるため、磁場分布の乱れが生じ易い問題がある。
【０００９】
本発明は上記のような従来技術の問題を考慮してなされたものであり、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲において安定して動作可能な非可逆回路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の本発明に係る非可逆回路素子は、中央部分に貫通孔を有する誘電体基板と、前記貫通孔に嵌め込まれた円柱形状の磁性部材と、前記磁性部材の一主面から前記誘電体基板の一主面にかけて形成された導体と、前記磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、前記導体は、前記磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であることを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、磁場可変手段によって、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲にて動作させることが可能であると共に、誘電体基板に磁性部材を嵌め込み、磁性部材の一主面から誘電体基板の一主面にかけて形成された導体を有することにより、磁性部材の歪みや欠け等による磁場分布の乱れを低減することができ、さらに導体の伝送線路のインピーダンスを一致させることも容易になる。
【００１２】
第１の本発明に係る非可逆回路素子において、磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作させることができ、また、前記範囲において１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有する。
【００１３】
第２の本発明に係る非可逆回路素子は、中央部分に貫通孔を有する第１及び第２誘電体基板と、前記第１及び第２誘電体基板の前記貫通孔に、それぞれ嵌め込まれた円柱形状の第１及び第２磁性部材と、前記第１及び第２磁性部材の一主面から前記第１及び第２誘電体基板の一主面にかけて形成され、前記第１磁性部材及び前記第１誘電体基板と、前記第２磁性部材及び前記第２誘電体基板とに挟まれた導体と、前記第１及び第２磁性部材に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段とを有し、前記導体は、前記第１及び第２磁性部材の径よりも小さい径を有する円形部と、該円形部から三方に張り出す伝送線路部とを一体に有し、前記バイアス磁場可変手段にて印加するバイアス磁場を変化させることにより、前記第１及び第２磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る範囲において動作可能であることを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、上記第１の本発明に係る非可逆回路素子と同様に、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲にて動作させること、磁場分布の乱れを低減できること、伝送線路のインピーダンスの調整が容易になること、に加え、導体が磁性部材によって挟まれていることから、導体から電磁波が放射されることによる損失を抑えることができる。
【００１５】
第２の本発明に係る非可逆回路素子においても、第１の本発明に係る非可逆回路素子と同様に、磁性部材が有する磁気共鳴点の高磁場側と低磁場側とのいずれの範囲においても、挿入損失０．３ｄＢ以下で動作させることができ、また、前記範囲において１００ＭＨｚ以上の動作周波数帯を有する。
【００１６】
また、第１又は第２の本発明に係る非可逆回路素子において、前記バイアス磁場可変手段は、永久磁石と、コアと該コアの側壁を囲むコイルとを有する電磁石と、を備え、前記永久磁石と、前記コアとが積層して構成されていることが好ましく、さらに、前記バイアス磁場可変手段は、前記磁性部材の一方の主面側に設けられ、前記磁性部材の他方の主面側に、軟磁性裏打ち層が設けられていることが好ましい。これにより、磁性部材に生じる磁場分布を均一化することができ、より一層安定した動作が可能となる。
【００１７】
さらに、第１又は第２の本発明に係る非可逆回路素子において、前記バイアス磁場可変手段は、永久磁石と、径可変機構を備えた軟磁性円板とが積層して構成されることを特徴とする。このような構成によれば、広範囲にバイアス磁場を変化させることができるとともに、一旦磁場強度を変化させた後にエネルギーを供給しなくとも、その磁場強度を保持することができる。この場合も、前記バイアス磁場可変手段は、磁性部材の一方の主面側に設けられ、前記磁性部材の他方の主面側に、軟磁性裏打ち層が設けられていてよい。
【００１８】
またさらに、第１又は第２の本発明に係る非可逆回路素子において、前記伝送線路部は、前記円形部から前記磁性部材と前記誘電体基板との境界部にかけて形成された第１線路部と、前記誘電体基板の一主面に形成された第２線路部と、前記第１線路部と前記第２線路部との間に介在された接続部とを有し、前記第１線路部の幅をＷ１、前記第２線路部の幅をＷ２としたとき、
Ｗ１＞Ｗ２
である。加えて、前記接続部は、前記第１線路部から前記第２線路部にかけて幅が連続的に縮小した形状を有していることが好ましく、さらに、前記第１線路部の長さをＬ１、前記接続部の長さをＬ２としたとき、
Ｌ１／３≦Ｌ２≦２Ｌ１
であることが好ましい。このような構成により、伝送線路部のインピーダンスの整合を図ることができる。
【００１９】
また、第１又は第２の本発明に係る非可逆回路素子において、前記伝送線路部は、前記円形部から前記磁性部材と前記誘電体基板との境界部にかけて形成された第１線路部と、前記誘電体基板の一主面に形成された第２線路部とを有し、前記第２線路部には、キャパシタンス成分を付加するためのスタブが設けられていることを特徴とする。これによっても、伝送線路部のインピーダンスの整合を図ることが容易になる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、磁場可変手段によって、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲にて動作させることが可能であると共に、誘電体基板に磁性部材を嵌め込み、磁性部材の一主面から誘電体基板の一主面にかけて形成された導体を有することにより、磁性部材の歪みや欠け等による磁場分布の乱れを低減することができ、さらに伝送線路部のインピーダンスの整合を図ることが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係る非可逆回路素子の断面図である。
【図２】第１実施形態に係る非可逆回路素子の誘電体と磁性部材と伝送線路部とを一主面側からみた平面図である。
【図３】第１実施形態に係る磁性部材に対し、バイアス磁場４５０Ｏｅを印加した場合の透磁率の周波数特性を示した図である。
【図４】第１実施形態に係る磁性部材に対し、バイアス磁場３００Ｏｅを印加した場合の透磁率の周波数特性を示した図である。
【図５】図５Ａは、図３に示した第１実施形態に係る非可逆回路素子の伝送特性を示した図であり、図５Ｂは、図５Ａの伝送特性のうち、挿入損失を拡大して示した図である。
【図６】図６Ａは、図４に示した第１実施形態に係る非可逆回路素子の伝送特性を示した図であり、図６Ｂは、図６Ａの伝送特性のうち、挿入損失を拡大して示した図である。
【図７】第１実施形態に係るバイアス磁場可変手段のコイルに印加する電流値と内部バイアス磁場との関係を示した図である。
【図８】図８Ａは、コイルに印加する電流値を正としたときの磁場の向きを模式的に示した図であり、図８Ｂは、コイルに印加する電流値を負としたときの磁場の向きを模式的に示した図である。
【図９】図８Ａ、図８Ｂの解析モデルにおいて、磁性部材における内部磁場の分布を示した図である。
【図１０】第１実施形態の変形例に係る非可逆回路素子の断面図である。
【図１１】第１実施形態の変形例に係る導体の平面図である。
【図１２】第２実施形態に係る非可逆回路素子の断面図である。
【図１３】図１３Ａは、軟磁性円板が拡径した状態を示す平面図であり、図１３Ｂは、軟磁性円板が縮径した状態を示す平面図である。
【図１４】第２実施形態に係るバイアス磁場可変手段の軟磁性円板の直径と内部バイアス磁場との関係を示した図である。
【図１５】第２実施形態に係る磁性部材の内部バイアス磁場の分布を示した図である。
【図１６】図１６Ａ、図１６Ｂは、軟磁性円板の直径をそれぞれ、２．０ｍｍ、３．２ｍｍとしたときの磁束線の流れを模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る非可逆回路素子について、好適な実施形態を挙げ、図１〜図１６を参照して詳細に説明する。
【００２３】
先ず、第１実施形態について、図１〜図９を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る非可逆回路素子１０の断面図である。この非可逆回路素子１０は、例えば、携帯電話端末や携帯電話基地局等の通信機器に組み込まれ、信号を一方向に伝送し、逆方向の伝送を防止する機能を有する。
【００２４】
非可逆回路素子１０は、中央部分に貫通孔を有する誘電体基板１２と、その貫通孔に嵌め込まれた円柱形状の磁性部材１４と、磁性部材１４の一主面１４ａから誘電体基板１２の一主面１２ａにかけて形成された導体１６と、磁性部材１４の他主面１４ｂから誘電体基板１２の他主面１２ｂにかけて形成された接地導体１８と、磁性部材１４に対し、バイアス磁場を可変的に印加するバイアス磁場可変手段２０を有する。
【００２５】
誘電体基板１２は、方形状のセラミック板からなる。セラミックとしては、非磁性且つ絶縁性の材料を用いることができる。例えば、アルミナは、これらの特性に優れ、さらに機械的強度にも優れる点で好ましい。アルミナとしては、例えば、周波数１ＭＨｚにおいて誘電率が８〜１０、誘電正接が１〜１０×１０−４のものを用いることができる。誘電体基板１２に設けられる中央部分の貫通孔には、磁性部材１４が嵌め込まれる。誘電体基板１２の厚みや貫通孔の大きさ、形状は、使用する磁性部材１４に併せて設定される。
【００２６】
磁性部材１４は、円柱形状（円板形状）を有し、誘電体基板１２の貫通孔に嵌め込まれる。磁性部材１４と誘電体基板１２との間は、ポリイミド等の樹脂を介して嵌合されてもよいし、クリアランスを小さくして直接嵌合された構成としてもよい。磁性部材１４には、磁気損失及び強磁性共鳴半値幅（ΔＨ）が小さいフェライトを用いることができる。例えば、ニッケル亜鉛フェライト、ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）を好適に用いることができる。ＹＩＧ単結晶を用いてもよい。この場合、磁性部材１４の飽和磁化は８５０Ｇ程度である。磁性部材１４の飽和磁化としては、例えば８５０Ｇ以下、７００Ｇ以下、６００Ｇ以下のものを用いることができる。
【００２７】
図２は、第１実施形態に係る非可逆回路素子１０の誘電体基板１２と磁性部材１４と導体１６とを一主面１２ａ、１４ａ側からみた平面図である。磁性部材１４の一主面１４ａから誘電体基板１２の一主面１２ａにかけて導体１６が形成されている。磁性部材１４の一主面１４ａと誘電体基板１２の一主面１２ａとは、略同一平面を構成している。導体１６は、磁性部材１４の径よりも小さい径を有する円形部２２と、該円形部２２から三方に張り出す伝送線路部２４とが一体に構成される。導体１６は、例えば、導体ペーストの印刷・焼き付け、メッキ、導電性接着剤による金属箔の貼り付け等の方法によって形成される。導体１６の材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等が挙げられる。
【００２８】
誘電体基板１２及び磁性部材１４の他主面１２ｂ、１４ｂに設けられる接地導体１８も、一主面１２ａ、１４ａに形成される導体１６と同様に形成される。接地導体１８は、誘電体基板１２と磁性部材１４の他主面１２ｂ、１４ｂを覆うように設けることができる。
【００２９】
三方のうち一方の伝送線路部２４は、図示しない終端抵抗に接続され、残部の一方の伝送線路部２４から入力された信号が他方に伝送される。このとき、他方の伝送線路部２４に接続された負荷からの反射波が戻ってきた場合に、反射波は、入力側には戻らず、終端抵抗が接続された伝送線路部２４へ伝送されて終端抵抗により吸収される。
【００３０】
伝送線路部２４は、円形部２２から磁性部材１４と誘電体基板１２との境界部にかけて形成された第１線路部２４ａと、誘電体基板１２の一主面１２ａに形成された第２線路部２４ｂと、前記第１線路部２４ａと前記第２線路部２４ｂとの間に介在された接続部２４ｃとを有する。ここで、図２中において円で囲った接続部２４ｃ近傍を拡大した一部平面図に示すように、前記接続部２４ｃの幅をＷ１、前記第２線路部２４ｂの幅をＷ２としたとき、Ｗ１＞Ｗ２であることが好ましい。また、接続部２４ｃは、前記第１線路部２４ａから前記第２線路部２４ｂにかけて幅が連続的に縮小した形状を有する。さらに、前記第１線路部２４ａの長さをＬ１、前記接続部２４ｃの長さをＬ２としたとき、Ｌ１／３≦Ｌ２≦２Ｌ１であることが好ましい。
【００３１】
バイアス磁場可変手段２０は、永久磁石２６と、コア２８と該コア２８の側壁を囲むコイル３０とを有する電磁石３２と、を備える。
【００３２】
永久磁石２６としては、例えば、ストロンチウム、バリウム、ランタンーコバルト系等のフェライト磁石、又はサマリウム−コバルト系、ネオジウム−鉄−ボロン系等の金属磁石を用いることができる。
【００３３】
この永久磁石２６と、コア２８とが積層される。コア２８には、例えば、初透磁率μｉが１０００以上、より好ましくは５００００以上、さらに好ましくは１０００００以上の金属材料を用いることが好ましく、また、飽和磁束密度Ｂｓが０．４Ｔ以上、より好ましくは、０．５Ｔ以上、さらに好ましくは０．６Ｔ以上の金属材料を用いることが好ましい。例えば、ＦｅＮｉ合金（パーマロイ）、ＦｅＣｏＶ合金（パーメンダ）が好適に用いられる。コア２８の径は、少なくとも磁性部材１４の径よりも大きいことが好ましい。
【００３４】
コア２８の側壁を囲むコイル３０の一端は、図示しない電流印加手段に接続され、他端は接地される。
【００３５】
前記磁性部材１４の一方の主面に対向して前記バイアス磁場可変手段２０が設けられ、前記磁性部材１４の他方の主面に対向して軟磁性裏打ち層３４が設けられる。第１実施形態では、導体１６が形成された一主面１４ａ側にバイアス磁場可変手段２０が設けられ、接地導体１８が形成された他主面１４ｂ側に軟磁性裏打ち層３４が設けられているが、これは、逆であっても構わない。すなわち、導体１６が形成された一主面１４ａ側に軟磁性裏打ち層３４が設けられ、接地導体１８が形成された他主面１４ｂ側にバイアス磁場可変手段２０が設けられてもよい。
【００３６】
軟磁性裏打ち層３４には、初透磁率μｉが１０００以上、より好ましくは５００００以上、さらに好ましくは１０００００以上の金属材料を用いることが好ましく、また、飽和磁束密度Ｂｓが０．４Ｔ以上、より好ましくは、０．５Ｔ以上、さらに好ましくは０．６Ｔ以上の金属材料を用いることが好ましい。例えば、前記コア２８に用いた材料と同じ材料を用いることができ、具体的には、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏＶ合金を好適に用いることができる。
【００３７】
なお、このように構成される非可逆回路素子１０は、その外周を囲うケース（ヨーク）を有していてもよい。この場合、例えば、軟磁性裏打ち層３４がケースを兼ねる構成としてもよく、また、バイアス磁場可変手段２０がケースの外側に
設けられた構成としてもよい。
【００３８】
次に、以上のように構成される第１実施形態に係る非可逆回路素子１０の作用効果について、図２〜図９を参照しながら説明する。
【００３９】
第１実施形態に係る非可逆回路素子１０では、図２に示すように、誘電体基板１２に磁性部材１４を嵌め込んだ構成を有している。これにより、磁性部材１４の歪みや欠けを効果的に防ぐことができ、磁場分布の乱れを低減することができる。特に第１実施形態では磁性部材１４に印加するバイアス磁場を変化させるため、磁場分布が乱れ易いことからこのような構成とすることによって、より一層安定な動作が可能となる。
【００４０】
また、非可逆回路素子１０では、導体１６の円形部２２は、磁性部材１４の径よりも小さい径を有する。そのため、磁性部材１４の外側にはみ出す部分がないため、円形部２２の形状、寸法通りの特性が容易に得られる。
【００４１】
さらに、導体１６の伝送線路部２４は、第１線路部２４ａと第２線路部２４ｂとの間に介在された接続部２４ｃとを有し、磁性部材１４上に位置する第１線路部２４ａの幅Ｗ１と誘電体基板１２上に位置する第２線路部２４ｂの幅Ｗ２は、所定の関係を有することから、誘電体基板１２と磁性部材１４との組合せにおいて、好適なインピーダンスマッチングが可能となる。さらに、接続部２４ｃが、第１線路部２４ａから第２線路部２４ｂにかけて連続的に縮小した形状を有し、前記第１線路部２４ａの長さＬ１と接続部２４ｃの長さＬ２とが、所定の関係を有することから、より一層インピーダンスマッチングの好適化が図られる。
【００４２】
図３は、第１実施形態に係る磁性部材１４（フェライト：誘電率１５、飽和磁化４５０Ｇ、強磁性共鳴半値幅１Ｏｅ）に対し、バイアス磁場４５０Ｏｅを印加した場合の透磁率の周波数特性を示した図である。磁性部材１４の寸法は、φ１７ｍｍ×０．６２ｍｍとし、当該磁性部材１４の寸法に併せた貫通孔を略中央に有し、５２ｍｍ×５２ｍｍ×厚み０．６２ｍｍの誘電体基板１２（アルミナ、誘電率９．３６、誘電正接０．０００２４）に嵌め込んだモデルとした。円形部２２、伝送線路部２４及び接地導体１８は、導電率６．１×１０７Ｓ／ｍの銀とし、その厚みを０．０１ｍｍ、円形部２２の直径を１０ｍｍ、伝送線路部２４のうち、第１線路部２４ａの長さを３．５ｍｍ、幅を４ｍｍ、第２線路部２４ｂの幅を１．２ｍｍとした。第１線路部２４ａから第２線路部２４ｂまでの間の接続部２４ｃの長さは、３ｍｍとし、その幅が４ｍｍから１．２ｍｍに縮小されるようにした。
【００４３】
図３中のμ＋′、μ−′は、μ±＝μ±′−ｊμ±″で表され、複素数である円偏波透磁率μ＋、μ−の実数部である。μ＋は正円偏波透磁率、μ−は負円偏波透磁率を意味し、μ＋″、μ−″は、その虚数部（損失項）を表している。また、μｅｆｆは、実効透磁率を示す。実効透磁率μｅｆｆは、μ＋、μ−によって実効透磁率μｅｆｆ＝２μ＋μ−／（μ＋＋μ−）と表すことができる。なお、図示していないが、損失項であるμ＋″が最大値を示す周波数が磁気共鳴点となる。
【００４４】
通常、非可逆回路素子は、μ＋′＞０、μ＋′−μ−′＜０、又はμ＋′＞０、μ＋′−μ−′＞０、の領域で使用される。また、実効透磁率μｅｆｆとの関係において、μ＋′＞０、μｅｆｆ＞０の領域でも動作させることが可能なことがわかっている。図３の場合には、動作周波数帯２．３〜２．４ＧＨｚにおいて、μ＋′＞０、μ＋′−μ−′＜０の関係を有していることから、第１実施形態に係る磁性部材１４は、この領域で使用可能なことがわかる。
【００４５】
この透磁率の周波数特性は、磁性部材１４に対して印加するバイアス磁場によって、また伝送する周波数によっても異なることから、所望の動作周波数帯に応じてバイアス磁場を変化させることにより、広範囲の周波数帯で動作し得る非可逆回路素子１０とすることができる。
【００４６】
図４に動作周波数帯及びバイアス磁場を変化させた例を示す。図４は、第１実施形態に係る磁性部材１４、すなわち図３と同一のフェライトに対し、バイアス磁場３００Ｏｅを印加した場合の透磁率の周波数特性を示した図である。この場合、動作周波数帯０．７〜０．８ＧＨｚにおいて、μ＋′＞０、μ＋′−μ−′＞０の関係を有していることから、この領域で使用可能なことがわかる。図３に示した例は、磁気共鳴点の高磁場側において動作可能であることを示したものであるが、図４の例では、磁気共鳴点の低磁場側においても動作可能であることが示されている。
【００４７】
図３及び図４で示した例の両帯域で動作する非可逆回路素子１０の伝送特性を解析した結果を図５Ａ〜図６Ｂに示す。
【００４８】
図５Ａは、図３に示したように、磁性部材１４に対しバイアス磁場４５０Ｏｅを印加した場合の伝送特性を示したものであり、図５Ｂは、その挿入損失を示したものである。非可逆動作の中心周波数は、２．３８ＧＨｚであり、挿入損失０．３０ｄＢであった。また、磁性部材１４に対しバイアス磁場３００Ｏｅを印加した場合の伝送特性及び挿入損失は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、非可逆動作の中心周波数が０．７４ＧＨｚであり、挿入損失０．２８ｄＢであった。
【００４９】
このように、第１実施形態に係る磁性部材１４に対し、印加するバイアス磁場を変化させることにより、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲にて動作させることが可能になることがわかる。なお、図３〜図６Ｂで示した例は、磁気共鳴点から離れた周波数帯での動作であるが、磁気共鳴点近傍で動作させる場合には、例えば、μ＋′＞０、μｅｆｆ＞０の関係を有するように動作周波数に応じてバイアス磁場を変化させるとよい。
【００５０】
磁性部材１４に印加するバイアス磁場は、バイアス磁場可変手段２０においてコイル３０に印加する電流値を調整することによって変化させることができる。図７は、バイアス磁場可変手段２０においてコイル３０に印加する電流値とバイアス磁場との関係を示した図である。これは、図１に示すバイアス磁場可変手段２０をモデルに解析を行ったものである。解析は、３次元有限要素法磁場解析シミュレータ（ＪＭＡＧ、日本総研ソリューションズ製）を用い、磁性部材１４をＹＩＧ単結晶（飽和磁化８５０Ｇ、φ１．２ｍｍ）とし、永久磁石２６（φ１．４ｍｍ、厚み０．０５ｍｍ）、コア２８（ＦｅＮｉ合金、初透磁率μｉ１５００００、飽和磁束密度Ｂｓ０．６５Ｔ、φ１．６ｍｍ、厚み０．７ｍｍ）、コイル３０（２００巻）、軟磁性裏打ち層（Ｓｏｆｔ  ｍａｇ．  ｂａｃｋｌａｙｅｒ  ｍａｔｅｒｉａｌ）３４（ＦｅＮｉ合金）を積層したもので行った。なお、バイアス磁場の数値は、磁性部材１４の厚み方向の中央部におけるものである。
【００５１】
図７に示すように、この場合、電流値が５０ｍＡのとき、コア２８側から軟磁性裏打ち層３４に向かう方向に１８０Ｏｅのバイアス磁場が印加される。一方、電流値が−１０ｍＡのとき、軟磁性裏打ち層３４側からコア２８側に向かう方向に１００Ｏｅのバイアス磁場が印加される。このときの磁場の向きを表したモデル図を図８Ａ、図８Ｂに示す。
【００５２】
図８Ａは、電流値を５０ｍＡとしたときの磁場の向き（磁束線、矢印Ｂ）を示したモデル図であり、図８Ｂは、電流値を−１０ｍＡとしたときの磁場の向き（矢印Ｃ）を示したモデル図である。図８Ａでは、磁性部材１４に対して、永久磁石２６が作る磁場の向き（矢印Ａ）と、コイル３０が作る磁場の向きとが、同方向となっている。これにより、磁性部材１４に対して印加されるバイアス磁場強度が高められる。一方、図８Ｂでは、磁性部材１４に対して、永久磁石２６が作る磁場の向きと、コイル３０が作る磁場の向きとが、逆方向となっている。従って、永久磁石２６が作る磁場とコイル３０が作る磁場とが打ち消し合って、磁性部材１４に対して印加されるバイアス磁場強度が低下する。このように、コイル３０に印加する電流値を制御することによって、バイアス磁場を可変的に印加することができる。これは、非可逆回路素子のマルチバンド化を実現するうえで有利となる。
【００５３】
図９は、上記解析モデルにおいて、磁性部材１４における内部磁場の分布を示した図である。軟磁性裏打ち層３４がない場合、バイアス磁場１００Ｏｅ、１８０Ｏｅのいずれの場合（図９中△、▲で示す）も、磁性部材１４の中央部で磁場強度が低下していることがわかる。特に１８０Ｏｅの場合に、中央部での磁場強度の低下が激しい。一方、軟磁性裏打ち層３４を有する場合（図９中○、●で示す）には、中央部に生じる内部磁場分布の均一性が極めて高いことがわかる。これは、軟磁性裏打ち層３４を有することで、磁気回路が形成され磁性部材１４の中央部で強磁場が印加されることによる。これにより、磁性部材１４に生じる磁場分布を均一化することができ、より一層安定した動作が可能となる。
【００５４】
図１０は、第１実施形態の変形例に係る非可逆回路素子４０の断面図である。上記した非可逆回路素子１０は、誘電体基板１２の露出した一主面１２ａと磁性部材１４のそれぞれ露出した一主面１４ａに伝送線路部２４が形成された、いわゆるマイクロストリップ型の構成を採用しているのに対し、この変形例では、第１誘電体基板４２Ａ及び第２誘電体基板４２Ｂと、第１磁性部材４４Ａ及び第２磁性部材４４Ｂとによって、導体４６が挟まれた、いわゆるストリップ型の構成を採用している。
【００５５】
この非可逆回路素子４０においても、第１誘電体基板４２Ａ及び第２誘電体基板４２Ｂは、中央部に貫通孔を有し、第１磁性部材４４Ａ及び第２磁性部材４４Ｂは、それぞれ前記貫通孔に嵌め込まれている。そして、第１誘電体基板４２Ａと第２誘電体基板４２Ｂとの対向する一主面間から、第１磁性部材４４Ａと第２磁性部材４４Ｂとの対向する一主面間にかけて導体４６が内装されている。外方に向いた、それぞれの他の一主面には、第１接地導体４８Ａ及び第２接地導体４８Ｂが設けられている。
【００５６】
図１１は、導体４６を説明するために一部を省略して示す平面図である。導体４６は、前記導体１６と同様に、例えば、導体ペーストの印刷・焼き付け等の方法によって形成され、第１磁性部材４４Ａ及び第２磁性部材４４Ｂの径よりも小さい径を有する円形部５０と、該円形部５０から三方に張り出す伝送線路部５２とが一体に構成される。伝送線路部５２は、円形部５０から第１磁性部材４４Ａ及び第２磁性部材４４Ｂから第１誘電体基板４２Ａ及び第２誘電体基板４２Ｂとの境界にかけて形成された第１線路部５２ａと、その外方に延びる第２線路部５２ｂとを有する。
【００５７】
この第１線路部５２ａと第２線路部５２ｂは、上記したマイクロストリップ型の非可逆回路素子１０の例と異なり、線幅は等しくなっている。ただし、第２線路部５２ｂには、その一部が拡幅したスタブ５４が形成されている。ここで、図１１中において円で囲ったスタブ５４近傍を拡大した一部平面図に示すように、スタブ５４の幅をＳ１、第２線路部５２ｂの幅をＷ２としたとき、Ｓ１＜Ｗ２であることが好ましい。さらに、スタブ５４の長さをＳ２としたとき、Ｓ１／５≦Ｓ２≦５Ｓ１であることが好ましい。
【００５８】
このような構成の非可逆回路素子４０によれば、伝送線路部５２が第１磁性部材４４Ａ及び第２磁性部材４４Ｂと、第１誘電体基板４２Ａ及び第２誘電体基板４２Ｂによって挟まれていることから、伝送線路部５２から電磁波が放射されることによる損失を抑えることができる。さらに、第２線路部５２ｂに設けられたスタブ５４により、キャパシタンス成分が付加されることによって、インピーダンスの整合を図ることが容易になる。
【００５９】
この変形例において、バイアス磁場可変手段２０は、第２磁性部材４４Ｂ側に設けられているが、第１磁性部材４４Ａ側であってもよく、さらには、第１磁性部材４４Ａ側と、第２磁性部材４４Ｂ側の両方に設けられてもよい。
【００６０】
次に、第２実施形態に係る非可逆回路素子６０について、図１２〜図１６Ｂを参照しながら説明する。なお、上記した第１実施形態と同一又は共通する構成については、詳細な説明、図示を省略する。
【００６１】
図１２は、第２実施形態に係る非可逆回路素子６０の断面図である。非可逆回路素子６０は、図１に示した第１実施形態の永久磁石２６と電磁石３２とを組み合わせたバイアス磁場可変手段２０に代わり、永久磁石２６と、該永久磁石２６と軟磁性層６２とに挟持され、径可変機構を備えた軟磁性円板６４とから構成されるバイアス磁場可変手段６６を有している。
【００６２】
この軟磁性円板６４の径可変機構は、例えば、料理に使用される落とし蓋のような構造を備える。すなわち、図１３Ａ、図１３Ｂに示すように、軟磁性円板６４は、長穴６８（スリット）が設けられた複数の扇形片７０が要ピン７２及び各扇形片７０の円弧端部に設けられたリベット７４により連結されて構成され、要ピン７２の位置を、各扇形片７０の長穴６８の中でスライドさせることにより、拡径された図１３Ａの状態と、縮径された図１３Ｂの状態との間で、その径を変化させることができる。
【００６３】
図１４は、第２実施形態に係る非可逆回路素子６０におけるバイアス磁場可変手段６６において、軟磁性円板６４の直径と内部バイアス磁場との関係を解析した結果を示した図である。解析は、３次元有限要素法磁場解析シミュレータ（ＪＭＡＧ、日本総研ソリューションズ製）を用い、磁性部材１４をＹＩＧ単結晶とし、永久磁石２６（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、φ２．４ｍｍ、厚み０．４ｍｍ）、軟磁性円板６４（パーメンダ、ＹＥＰ−２Ｖ、日立金属社製、最小直径２．０ｍｍ、最大直径４．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）、軟磁性層６２（パーメンダ、直径２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）、軟磁性裏打ち層３４（パーメンダ、直径２．０ｍｍ、厚み０．２ｍｍ）を積層したもので行った。なお、永久磁石２６については、軟磁性円板６４を最小直径（２．０ｍｍ）としたときに、バイアス磁場１２００Ｏｅが得られるように設定した。
【００６４】
図１４に示すように、第２実施形態に係るバイアス磁場可変手段６６によれば、軟磁性円板６４の直径を２．０ｍｍから３．２ｍｍまで可変とすることにより、最小値１００Ｏｅから、その１０倍以上の最大値１２００Ｏｅまで、広範囲にバイアス磁場を変化させることができることがわかった。また、上記第２実施形態に係る解析モデルにおいて、磁性部材１４における内部バイアス磁場の分布を示す図１５より、第２実施形態においても、軟磁性裏打ち層３４の存在により内部バイアス磁場分布の均一性が高いことがわかる。
【００６５】
図１６Ａ、図１６Ｂは、軟磁性円板６４の直径をそれぞれ、２．０ｍｍ、３．２ｍｍとしたときの磁束線の流れを模式的に表した図である。図１６Ａ、図１６Ｂから容易に理解されるように、径可変の軟磁性円板６４の直径が最小(２．０ｍｍ)の場合には、永久磁石２６から出た磁束線は、途中でさほど拡がらずに、対向する軟磁性裏打ち層３４に向かって流れるため、強いバイアス磁場が磁性部材１４に印加される。一方、軟磁性円板６４の直径が３．２ｍｍと大きくなった場合には、永久磁石２６から出た磁束線の大部分は、軟磁性円板６４を水平方向に流れ、ショートカットして永久磁石２６の背面に戻る。そのため、磁性部材１４に加わる内部バイアス磁場は極めて小さくなる。
【００６６】
このように、第２実施形態では、軟磁性円板６４の直径を可変として調整することで、内部バイアス磁場を可変的に印加することができる。従って、第２実施形態においても、磁気共鳴点の高磁場側から低磁場側に至る広範囲にて動作させることが可能になることが明らかである。この場合、第１実施形態で用いた電磁石３２が不要であり、磁場強度を保持するためにエネルギーを供給する必要もないことに加え、より一層容易に且つ広範囲に内部バイアス磁場を変化させることができる点で優れている。これは、非可逆回路素子のマルチバンド化を実現するうえで、さらに有利となる。
【００６７】
本発明に係る非可逆回路素子１０、４０、６０は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。例えば、第１実施形態の変形例に係るストリップ型の非可逆回路素子４０と、第２実施形態の径可変の軟磁性円板６４を備えるバイアス磁場可変手段６６とを組み合わせた構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１０、４０、６０…非可逆回路素子    １２、４２Ａ、４２Ｂ…誘電体基板
１４、４４Ａ、４４Ｂ…磁性部材      １６、４６…導体
１８、４８Ａ、４８Ｂ…接地導体      ２０、６６…バイアス磁場可変手段
２２、５０…円形部                  ２４、５２…伝送線路部
２４ａ、５２ａ…第１線路部          ２４ｂ、５２ｂ…第２線路部
２４ｃ…接続部                      ２６…永久磁石
２８…コア                          ３０…コイル
３４…軟磁性裏打ち層                ６４…軟磁性円板
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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