(57)【要約】  小型化と低損失とを両立できるとともに、温度安定性に優れた非可逆回路素子を得る。  永久磁石により直流磁界が印加されるフェライト２０に複数の中心導体２１，２２，２３がそれぞれ絶縁状態で交差させて配置され、中心導体のそれぞれの一端を入出力ポートＰ１，Ｐ２，Ｐ３とし、それぞれの他端はグランドに接続され、中心導体のそれぞれに対して並列に容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が接続されている非可逆回路素子。永久磁石は第１永久磁石２５Ａと第２永久磁石２５Ｂを含み、第１永久磁石２５Ａと第２永久磁石２５Ｂとは、それぞれフェライト２０に印加する直流磁界が互いに逆方向であり、かつ、それぞれの残留磁束密度の温度特性に差異がある。
2016158044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトに複数の中心導体がそれぞれ絶縁状態で交差させて配置され、
前記中心導体のそれぞれの一端を入出力ポートとし、それぞれの他端はグランドに接続され、
前記中心導体のそれぞれに対して並列に容量素子が接続されている、
非可逆回路素子において、
前記永久磁石は第１永久磁石と第２永久磁石を含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは、それぞれ前記フェライトに印加する直流磁界が互いに逆方向であり、かつ、それぞれの残留磁束密度の温度特性に差異があること、
を特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石のうち、直流磁界が大きい一方の永久磁石の残留磁束密度の温度特性が、直流磁界が小さい他方の永久磁石の残留磁束密度の温度特性より大きいこと、を特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
【請求項３】
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の残留磁束密度の温度特性に１０００ｐｐｍ／℃以上の差異があること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非可逆回路素子。
【請求項４】
直流磁界が大きい前記一方の永久磁石はネオジム系、サマコバ系、アルニコ系のいずれかであり、直流磁界が小さい前記他方の永久磁石はフェライト系であること、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非可逆回路素子。
【請求項５】
前記フェライトの上面に前記第１永久磁石が配置され、下面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項６】
前記フェライトの一側面に前記第１永久磁石が配置され、他側面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項７】
前記フェライトの少なくとも一の側面に前記第１永久磁石が配置され、上面又は下面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項８】
以下の式を満足するように前記フェライトの内部磁界及び飽和磁化が設定されていること、
【数１】
2016158044.tif 000008
γ：磁気回転比
μｏ：真空透磁率
Ｈｉｎ：内部磁界
Ｍｓ：飽和磁化
ω：角周波数
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の非可逆回路素子と電力増幅器とを含むこと、を特徴とする高周波回路。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の非可逆回路素子とＲＦＩＣとを含むこと、を特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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やサーキュレータなどの非可逆回路素子に関し、さらに該素子を備えた高周波回路及び通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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おり、この特性を利用して、例えば、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。【０００３】
特許文献１には、磁気共鳴点よりも低磁界で動作し、かつ、小型化と低損失とを両立させることのできる非可逆回路素子が記載されている。詳しくは、図９に等価回路として示す集中定数型の３ポート型サーキュレータである。永久磁石により矢印Ａ方向に直流磁界が印加されるフェライト１２０に第１中心導体１２１（Ｌ１）、第２中心導体１２２（Ｌ２）及び第３中心導体１２３（Ｌ３）をそれぞれ絶縁状態で所定の角度で交差させて配置し、第１中心導体１２１の一端を第１ポートＰ１として第１端子１４１に接続し、第２中心導体１２２の一端を第２ポートＰ２として第２端子１４２に接続し、第３中心導体１２３の一端を第３ポートＰ３として第３端子１４３に接続している。さらに、各中心導体１２１，１２２，１２３のそれぞれの他端は互いに接続されるとともにグランドに接続されている。各中心導体１２１，１２２，１２３に対して並列に容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３がそれぞれ接続されている。【０００４】
この３ポート型サーキュレータにおいて、第２端子１４２（第２ポートＰ２）から入力された高周波信号は、第１端子１４１（第１ポートＰ１）から出力され、第１端子１４１（第１ポートＰ１）から入力された高周波信号は第３端子１４３（第３ポートＰ３）から出力され、第３端子１４３（第３ポートＰ３）から入力された高周波信号は第２端子１４２（第２ポートＰ２）から出力される。【０００５】
動作特性は図１０に示すとおりであり、図１０は磁界（Ａ／ｍ）に対する透磁率μ±を示している。本サーキュレータでは、図１０において点線で囲った低磁界領域Ｘ１で動作させる。つまり、μ−＞μ＋＞０となる領域で動作させるようにフェライトに弱い直流磁界を与える。ところで、円偏波透磁率μ±は次式（１）で表わされる。【０００６】
【数１】
2016158044.tif 000003
【０００７】
いま、損失項を無視すると、図１０において磁界の強さが磁気共鳴点以下でμ＋'＞０となるのは前式（１）より導出された次式（２）となる。【０００８】
【数２】
2016158044.tif 000004
γ：磁気回転比
μｏ：真空透磁率
Ｈｉｎ：内部磁界
Ｍｓ：飽和磁化
ω：角周波数【０００９】
従って、前式（２）を満たすように内部磁界Ｈｉｎや飽和磁化Ｍｓなどを設定することにより、低磁界で動作する集中定数型の非可逆回路素子が実現できる。低磁界で動作することで、永久磁石による印加磁界が小さくて済み、永久磁石がサイズ的に小型化し、磁気回路も小型化する。【００１０】
ところで、非可逆回路素子の動作周波数は正円偏波透磁率μ±に影響されるため、優れた温度安定性を実現するには、透磁率μ±の温度特性を安定させることが必要である。フェライトの飽和磁化Ｍｓの温度係数は一般的にマイナスであるが、フェライトに印加される直流磁界が一定の場合、低磁界動作での透磁率μ±は低温で小さくなり高温で大きくなる。また、フェライトに印加される直流磁界が大きくなると低磁界動作での透磁率μ±は小さくなる。フェライトに直流磁界を印加するためにフェライト磁石が用いられるが、その残留磁束密度Ｂｒは一般的に負の温度特性である。そのため、低温域ではフェライトに印加される直流磁界が大きくなる。【００１１】
以上の作用により、低温域ではフェライトの飽和磁化Ｍｓが大きくなる効果と、フェライトに印加する直流磁界が大きくなる効果とが相乗され、透磁率μ±は小さくなる。また、高温域ではフェライトの飽和磁化Ｍｓが小さくなる効果と、フェライトに印加する直流磁界が小さくなる効果とが相乗され、透磁率μ±は大きくなる。このように、温度によって透磁率μ±が変化するので、温度安定性に優れた低磁界で動作する非可逆回路素子を実現できなかった。残留磁束密度Ｂｒの温度特性が０以上であるフェライト磁石があればこの問題を解決できるが、そのような温度特性を有する永久磁石は存在していない。【００１２】
図１１にサーキュレータでの温度特性を示す。（Ａ）は第１ポートＰ１から第３ポートＰ３への挿入損失を示し、（Ｂ）は第３ポートＰ３から第２ポートＰ２への挿入損失を示しており、常温域として２５℃、低温域として−３５℃、高温域として８５℃での特性をシミュレートしている。低温域及び高温域ともに挿入損失がばらついていることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１６８７７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明の目的は、小型化と低損失とを両立できるとともに、温度安定性に優れた、低磁界で動作する非可逆回路素子、高周波回路及び通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の形態である非可逆回路素子は、
永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトに複数の中心導体がそれぞれ絶縁状態で交差させて配置され、
前記中心導体のそれぞれの一端を入出力ポートとし、それぞれの他端はグランドに接続され、
前記中心導体のそれぞれに対して並列に容量素子が接続されている、
非可逆回路素子において、
前記永久磁石は第１永久磁石と第２永久磁石を含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは、それぞれ前記フェライトに印加する直流磁界が互いに逆方向であり、かつ、それぞれの残留磁束密度の温度特性に差異があること、
を特徴とする。【００１６】
本発明の第２の形態である高周波回路は、前記非可逆回路素子と電力増幅器とを含むことを特徴とする。【００１７】
本発明の第３の形態である通信装置は、前記非可逆回路素子とＲＦＩＣとを含むことを特徴とする。【００１８】
前記非可逆回路素子は、直流磁界が印加されるフェライトに複数の中心導体をそれぞれ絶縁状態で交差させて配置した集中定数型であり、低磁界で動作するサーキュレータとして機能し、小型化と低損失が達成される。さらに、フェライトに直流磁界を印加する第１永久磁石と第２永久磁石は、それぞれ、直流磁界が互いに逆方向であり、かつ、それぞれの残留磁束密度の温度特性に差異があるように設定している。これにて、低温域ではフェライトの飽和磁化Ｍｓが大きくなる効果と、フェライトに印加する直流磁界が小さくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。また、高温域ではフェライトの飽和磁化Ｍｓが小さくなる効果と、フェライトに印加する直流磁界が大きくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。それゆえ、温度安定性に優れている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、低磁界で動作する非可逆回路素子において小型化と低損失とを両立させることができるとともに、良好な温度安定性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施例である非可逆回路素子（３ポート型サーキュレータ）を示す等価回路図である。
【図２】図１に示したサーキュレータの分解斜視図である。
【図３】フェライトと永久磁石の第１の組合せ例を示す説明図である。
【図４】図１に示したサーキュレータの温度特性を示すグラフである。
【図５】フェライトと永久磁石の第２の組合せ例を示す説明図である。
【図６】フェライトと永久磁石の第３の組合せ例を示す説明図である。
【図７】フェライトと永久磁石の第４の組合せ例を示す説明図である。
【図８】前記非可逆回路素子（３ポート型サーキュレータ）を組み込んだフロントエンド回路及び通信装置を示すブロック図である。
【図９】従来例である非可逆回路素子（３ポート型サーキュレータ）を示す等価回路図である。
【図１０】フェライトにおける磁界に対する円偏波透磁率を示すグラフである。
【図１１】図９に示したサーキュレータの温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る非可逆回路素子、高周波回路及び通信装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において同じ部材には共通する符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
（非可逆回路素子の一実施例、図１〜図４参照）
一実施例である非可逆回路素子は、図１に示す等価回路を有する集中定数型の３ポート型サーキュレータである。即ち、永久磁石２５Ａ，２５Ｂにより直流磁界が印加される、矩形状のマイクロ波フェライト２０に第１中心導体２１（Ｌ１）、第２中心導体２２（Ｌ２）及び第３中心導体２３（Ｌ３）をそれぞれ絶縁状態で所定の角度で交差させて配置し、第１中心導体２１の一端を第１ポートＰ１、第２中心導体２２の一端を第２ポートＰ２、第３中心導体２３の一端を第３ポートＰ３としている。
【００２３】
さらに、各中心導体２１，２２，２３のそれぞれの他端はグランドに接続されている。各中心導体２１，２２，２３に対して並列に容量素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３がそれぞれ接続されている。第１ポートＰ１と送信用端子ＴＸとの間には容量素子Ｃｓ１が接続され、第２ポートＰ２と受信用端子ＲＸとの間には容量素子Ｃｓ２が接続され、第３ポートＰ３とアンテナ用端子ＡＮＴとの間には容量素子Ｃｓ３が接続されている。
【００２４】
以上の等価回路からなる３ポート型サーキュレータは、具体的には、図２に示すように、回路基板３０と、中心導体組立体１０と、永久磁石２５Ａ，２５Ｂと、で構成されている。
【００２５】
中心導体組立体１０は、フェライト２０の上下面に絶縁体層１１，１２，１３，１４を積層したもので、第１中心導体２１を形成する導体２１ａは絶縁体層１１の上面に形成され、導体２１ｂは絶縁体層１３の下面に形成され、それぞれがビアホール導体１５ａにてコイル状に接続されている。第２中心導体２２を形成する導体２２ａは絶縁体層１２の上面に形成され、導体２２ｂはフェライト２０の下面に形成され、それぞれがビアホール導体１５ｂにてコイル状に接続されている。第３中心導体２３を形成する導体２３ａはフェライト２０の上面に形成され、導体２３ｂは絶縁体層１４の下面に形成され、それぞれがビアホール導体１５ｃにてコイル状に接続されている。
【００２６】
各中心導体２１，２２，２３はフェライト２０上に薄膜導体、厚膜導体、又は、導体箔として形成することができ、本実施例ではフェライト２０に２回巻回されており、巻回数は任意である。また、各種容量素子やインダクタンス素子はチップ部品を使用している。例えば、フェライト２０のサイズは２．０ｍｍ角で厚さ０．１５ｍｍ、各中心導体２１，２２，２３の導体幅は０．０６〜０．２ｍｍである。絶縁体層１１〜１４は感光性ガラスを使用し、各中心導体２１，２２，２３は感光性の金属ペーストを使用している。
【００２７】
回路基板３０は、その上面に、各中心導体２１，２２，２３の端部やチップタイプの各種容量素子及びインダクタンス素子を実装するための電極（図示せず）が形成され、中心導体組立体１０及び永久磁石２５Ａ，２５Ｂを積み重ねて回路基板３０上に実装することにより、図１に示す等価回路の３ポート型サーキュレータが形成される。中心導体組立体１０の下面に形成された各種導体は永久磁石２５Ｂに形成されたビアホール導体（図示せず）を介して回路基板３０上の電極と接続される。また、回路基板３０の下面には、図示されていないが、送信用端子ＴＸ、受信用端子ＲＸ、アンテナ用端子ＡＮＴが形成されている。
【００２８】
本３ポート型サーキュレータにおいて、送信用端子ＴＸ（第１ポートＰ１）から入力された高周波信号は、アンテナ用端子ＡＮＴ（第３ポートＰ３）から出力され、アンテナ用端子ＡＮＴ（第３ポートＰ３）から入力された高周波信号は受信用端子ＲＸ（第２ポートＰ２）から出力される。受信用端子ＲＸ（第２ポートＰ２）から入力された高周波信号は、そのままであると送信用端子ＴＸ（第１ポートＰ１）から出力されが、この経路は伝送されないように回路上切断されている。
【００２９】
本サーキュレータの動作特性は、図１０に示した従来のものと基本的に同様であり、磁気共鳴点よりも低い磁界領域Ｘ１で動作する。永久磁石２５Ａといま一つの永久磁石２５Ｂに関しては、図３に示すように、それぞれがフェライト２０に印加する直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢが逆方向であり、かつ、残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異を有している。永久磁石２５Ａから印加される直流磁界は永久磁石２５Ｂから印加される直流磁界よりも大きく、フェライト２０には実効的な直流磁界Ｈｅｆｆが印加される。ところで、図３は第１の組合せ例を示しており、フェライト２０の上面に永久磁石２５Ａが配置され、下面に永久磁石２５Ｂが配置されている。
【００３０】
本サーキュレータは、フェライト２０に複数の中心導体２１，２２，２３をそれぞれ絶縁状態で交差させて配置した集中定数型であり、磁気共鳴点よりも低い磁界で動作し、小型化と低損失が達成される。さらに、フェライト２０に直流磁界Ｈｅｆｆを印加する永久磁石２５Ａ，２５Ｂは、それぞれ、直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢが互いに逆方向であり、かつ、残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異があるように設定している。これにて、低温域ではフェライト２０の飽和磁化Ｍｓが大きくなる効果と、フェライト２０に印加する直流磁界Ｈｅｆｆが小さくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。また、高温域ではフェライト２０の飽和磁化Ｍｓが小さくなる効果と、フェライト２０に印加する直流磁界Ｈｅｆｆが大きくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。それゆえ、温度安定性に優れている。
【００３１】
より詳しくは、実効的な直流磁界Ｈｅｆｆは、以下の式で表される。
Ｈｅｆｆ＝ＨｅｘＡ＋ＨｅｘＢ
【００３２】
また、永久磁石２５Ａ，２５Ｂの残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異があるので、直流磁界Ｈｅｆｆの温度特性ＨｅｆｆＴｃは永久磁石２５Ａ，２５Ｂの残留磁束密度の温度特性の組合せにより変化する。その組合せを適宜設定することにより、温度特性ＨｅｆｆＴｃを０以上にすることが可能となる。一方の永久磁石２５Ａの残留磁束密度の温度特性をＴｃＡとし、他方の永久磁石２５Ｂの残留磁束密度の温度特性をＴｃＢとした場合、以下の式で表される。
ＨｅｆｆＴｃ＝（ＨｅｘＡ×ＴｃＡ＋ＨｅｘＢ×ＴｃＢ）／（ＨｅｘＡ＋ＨｅｘＢ）
【００３３】
直流磁界Ｈｅｆｆの計算例を以下の表１及び表２に示す。適当な温度特性ＴｃＡ，ＴｃＢを選択することにより、直流磁界Ｈｅｆｆが０以上となる磁気回路を実現できる。表１、表２に示すように、第１永久磁石及び第２永久磁石のうち、直流磁界が大きい一方の永久磁石の温度特性が、直流磁界が小さい他方の永久磁石の温度特性より大きいときに、残留磁束密度の温度特性が０以上となっている。また、表１、表２に示すように、直流磁界が大きい一方の永久磁石の温度特性と、直流磁界が小さい他方の永久磁石の温度特性との値の差が１０００ｐｐｍ／℃でＨｅｆｆＴｃがちょうど０ｐｐｍ／℃になっていることが分かる。つまり、直流磁界が大きい一方の永久磁石の温度特性と、直流磁界が小さい他方の永久磁石の温度特性との値の差が１０００ｐｐｍ／℃以上であれば、ＨｅｆｆＴｃの値を０以上にすることができる。
【００３４】
【表１】
2016158044.tif 000005
【００３５】
【表２】
2016158044.tif 000006
【００３６】
表１での組合せの場合、ＨｅｘＡ：４０００（Ａ／ｍ）、ＨｅｘＢ：−２０００（Ａ／ｍ）、ＴｃＡ：−１０００（ｐｐｍ／℃）、ＴｃＢ：−２０００（ｐｐｍ／℃）であり、
ＨｅｆｆＴｃ＝｛４０００×（−１０００）＋（−２０００）×（−２０００）｝／｛４０００＋（−２０００）｝＝０（ｐｐｍ／℃）
となる。
【００３７】
表２での組合せの場合、ＨｅｘＡ：４０００（Ａ／ｍ）、ＨｅｘＢ：−２０００（Ａ／ｍ）、ＴｃＡ：−１０００（ｐｐｍ／℃）、ＴｃＢ：−２５００（ｐｐｍ／℃）であり、
ＨｅｆｆＴｃ＝｛４０００×（−１０００）＋（−２０００）×（−２５００）｝／｛４０００＋（−２０００）｝＝＋５００（ｐｐｍ／℃）
となる。
【００３８】
図４に本サーキュレータでの温度特性を示す。（Ａ）はポートＰ１（送信用端子ＴＸ）からポートＰ３（アンテナ用端子ＡＮＴ）への挿入損失を示し、（Ｂ）はポートＰ３（アンテナ用端子ＡＮＴ）からポートＰ２（受信用端子ＲＸ）への挿入損失を示しており、常温域として２５℃、低温域として−３５℃、高温域として８５℃での特性をシミュレートしている。図１０に示した従来例と比較すれば明らかなように、温度による特性変動が抑制されている。
【００３９】
ところで、永久磁石２５Ａ，２５Ｂの材料としては、以下の表３に示す温度特性Ｔｃ（ｐｐｍ／℃）を有するものが知られており、これらの材料を適宜組み合わせることで、温度特性の変動を抑制することができる。例えば、永久磁石２５Ａとしてネオジム系磁石、永久磁石２５Ｂとしてフェライト系磁石を組み合わせる。表１及び表２の永久磁石２５Ａには、フェライト磁石以外の飽和磁束密度の大きな磁石（ネオジム系、サマコバ系、アルニコ系）、永久磁石２５Ｂには、フェライト磁石が望ましい。その理由は、永久磁石２５Ａのほうが永久磁石２５Ｂよりも大きな直流磁界Ｈｅｘを発生させる必要があり、残留磁束密度の大きな磁石を使用することにより磁石（非可逆回路素子）の小型化が可能になるからである。
【００４０】
【表３】
2016158044.tif 000007
【００４１】
（第２の組合せ例、図５参照）
フェライト２０と永久磁石２５Ａ，２５Ｂの第２の組合せ例を図５に示す。この組合せでは、フェライト２０の一側面に永久磁石２５Ａを配置し、他側面に永久磁石２５Ｂを配置している。永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第２の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有し、特に、永久磁石２５Ａ，２５Ｂがフェライト２０と並置されているので、非可逆回路素子としての低背化が可能になる。
【００４２】
（第３及び第４の組合せ例、図６及び図７参照）
フェライト２０と永久磁石２５Ａ，２５Ｂは一方の永久磁石がフェライト２０の側面に配置され、他方の永久磁石がフェライト２０の上面又は下面に配置されていてもよい。
【００４３】
図６は第３の組合せ例を示し、フェライト２０の一側面に永久磁石２５Ａを配置し、下面に永久磁石２５Ｂを配置している。永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第３の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有する。本第３の組合せ例においては、永久磁石２５Ａ，２５Ｂの磁界方向が同じなので、フェライト２０と永久磁石２５Ａ，２５Ｂを組み立てた後に、永久磁石２５Ａ，２５Ｂをまとめて着磁あるいは減磁することが可能である。非可逆回路素子の動作周波数はフェライト２０に印加される直流磁界の強度により変化する。その場合、永久磁石２５Ａ，２５Ｂを同時に着磁あるいは減磁することで動作周波数の調整が容易になり、低コストでの量産が可能になる。また、非可逆回路素子としての低背化が可能になる。
【００４４】
図７は第４の組合せ例を示し、フェライト２０の対向する二つの側面に永久磁石２５Ａを配置し、下面に永久磁石２５Ｂを配置している。永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第４の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有し、特に、フェライト２０の両側面に永久磁石２５Ａが配置されているので、前記第３の組合せ例に比べて、フェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡが均一になり、電気特性が改善される。
【００４５】
（通信装置、図８参照）
次に、通信装置について説明する。図８に前記非可逆回路素子（３ポート型サーキュレータ、符号１で示す）を含むフロントエンド回路（高周波回路）７０及び該回路７０を含む通信装置（携帯電話）８０を示す。フロントエンド回路７０はアンテナＡＮＴのチューナ７１とＴＸフィルタ回路７２とＲＸフィルタ回路７３との間にサーキュレータ１を挿入したものである。フィルタ回路７２，７３はそれぞれパワーアンプ（電力増幅器）７４、ローノイズアンプ７５を介してＲＦＩＣ８１に接続されている。なお、フロントエンド回路７０としてはアンテナＡＮＴ及びチューナ７１を含む場合もあり得る。
【００４６】
通信装置８０は前記フロントエンド回路７０に対して、ＲＦＩＣ８１、ＢＢＩＣ８２を備え、ＢＢＩＣ８２にはメモリ８３、Ｉ／Ｏ８４、ＣＰＵ８５が接続され、Ｉ／Ｏ８４にはディスプレイ８６などが接続されている。
【００４７】
（他の実施例）
なお、本発明に係る非可逆回路素子、高周波回路及び通信装置は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００４８】
例えば、中心導体の構成や形状などは任意である。また、インダクタンス素子や容量素子は、チップタイプとして回路基板上に実装する以外に、回路基板に内蔵した導体で構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように、本発明は、非可逆回路素子に有用であり、特に、小型化と低損失とを両立できるとともに、温度安定性に優れている。
【符号の説明】
【００５０】
１０…中心導体組立体
２０…フェライト
２１…第１中心導体
２２…第２中心導体
２３…第３中心導体
２５Ａ，２５Ｂ…永久磁石
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…ポート
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…容量素子
７０…フロントエンド回路
８０…通信装置
【図１】
2016158044.tif 000009
【図２】
2016158044.tif 000010
【図３】
2016158044.tif 000011
【図４】
2016158044.tif 000012
【図５】
2016158044.tif 000013
【図６】
2016158044.tif 000014
【図７】
2016158044.tif 000015
【図８】
2016158044.tif 000016
【図９】
2016158044.tif 000017
【図１０】
2016158044.tif 000018
【図１１】
2016158044.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成29年7月27日(2017.7.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトに複数の中心導体がそれぞれ絶縁状態で交差させて配置され、
前記中心導体のそれぞれの一端を入出力ポートとし、それぞれの他端はグランドに接続され、
前記中心導体のそれぞれに対して並列に容量素子が接続されている、
非可逆回路素子において、
前記永久磁石は第１永久磁石と第２永久磁石を含み、
前記第１永久磁石と前記第２永久磁石とは、それぞれ前記フェライトに印加する直流磁界が互いに逆方向であり、かつ、それぞれの残留磁束密度の温度特性に差異があること、
を特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石のうち、直流磁界が大きい一方の永久磁石の残留磁束密度の温度特性が、直流磁界が小さい他方の永久磁石の残留磁束密度の温度特性より大きいこと、を特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
【請求項３】
前記第１永久磁石及び前記第２永久磁石の残留磁束密度の温度特性に１０００ｐｐｍ／℃以上の差異があること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非可逆回路素子。
【請求項４】
直流磁界が大きい前記一方の永久磁石はネオジム系、サマコバ系、アルニコ系のいずれかであり、直流磁界が小さい前記他方の永久磁石はフェライト系であること、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非可逆回路素子。
【請求項５】
前記フェライトの上面に前記第１永久磁石が配置され、下面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項６】
前記フェライトの一側面に前記第１永久磁石が配置され、他側面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項７】
前記フェライトの少なくとも一の側面に前記第１永久磁石が配置され、上面又は下面に前記第２永久磁石が配置されていること、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非可逆回路素子。
【請求項８】
以下の式を満足するように前記フェライトの内部磁界及び飽和磁化が設定されていること、
【数１】
2016158044.tif 000020
γ：磁気回転比
μ0：真空透磁率
Ｈｉｎ：内部磁界
Ｍｓ：飽和磁化
ω：角周波数
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の非可逆回路素子と電力増幅器とを含むこと、を特徴とする高周波回路。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の非可逆回路素子とＲＦＩＣとを含むこと、を特徴とする通信装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
【数２】
2016158044.tif 000021
γ：磁気回転比
μ0：真空透磁率
Ｈｉｎ：内部磁界
Ｍｓ：飽和磁化
ω：角周波数
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
ところで、非可逆回路素子の動作周波数は正円偏波透磁率μ＋に影響されるため、優れた温度安定性を実現するには、透磁率μ±の温度特性を安定させることが必要である。フェライトの飽和磁化Ｍｓの温度係数は一般的にマイナスであるが、フェライトに印加される直流磁界が一定の場合、低磁界動作での透磁率μ±は低温で小さくなり高温で大きくなる。また、フェライトに印加される直流磁界が大きくなると低磁界動作での透磁率μ±は小さくなる。フェライトに直流磁界を印加するためにフェライト磁石が用いられるが、その残留磁束密度Ｂｒは一般的に負の温度特性である。そのため、低温域ではフェライトに印加される直流磁界が大きくなる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
（非可逆回路素子の一実施例、図１〜図４参照）
一実施例である非可逆回路素子は、図１に示す等価回路を有する集中定数型の３ポート型サーキュレータである。即ち、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂにより直流磁界が印加される、矩形状のマイクロ波フェライト２０に第１中心導体２１（Ｌ１）、第２中心導体２２（Ｌ２）及び第３中心導体２３（Ｌ３）をそれぞれ絶縁状態で所定の角度で交差させて配置し、第１中心導体２１の一端を第１ポートＰ１、第２中心導体２２の一端を第２ポートＰ２、第３中心導体２３の一端を第３ポートＰ３としている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
以上の等価回路からなる３ポート型サーキュレータは、具体的には、図２に示すように、回路基板３０と、中心導体組立体１０と、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂと、で構成されている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
回路基板３０は、その上面に、各中心導体２１，２２，２３の端部やチップタイプの各種容量素子及びインダクタンス素子を実装するための電極（図示せず）が形成され、中心導体組立体１０並びに第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂを積み重ねて回路基板３０上に実装することにより、図１に示す等価回路の３ポート型サーキュレータが形成される。中心導体組立体１０の下面に形成された各種導体は第２永久磁石２５Ｂに形成されたビアホール導体（図示せず）を介して回路基板３０上の電極と接続される。また、回路基板３０の下面には、図示されていないが、送信用端子ＴＸ、受信用端子ＲＸ、アンテナ用端子ＡＮＴが形成されている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本サーキュレータの動作特性は、図１０に示した従来のものと基本的に同様であり、磁気共鳴点よりも低い磁界領域Ｘ１で動作する。第１永久磁石２５Ａといま一つの第２永久磁石２５Ｂに関しては、図３に示すように、それぞれがフェライト２０に印加する直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢが逆方向であり、かつ、残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異を有している。第１永久磁石２５Ａから印加される直流磁界は第２永久磁石２５Ｂから印加される直流磁界よりも大きく、フェライト２０には実効的な直流磁界Ｈｅｆｆが印加される。ところで、図３は第１の組合せ例を示しており、フェライト２０の上面に第１永久磁石２５Ａが配置され、下面に第２永久磁石２５Ｂが配置されている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
本サーキュレータは、フェライト２０に複数の中心導体２１，２２，２３をそれぞれ絶縁状態で交差させて配置した集中定数型であり、磁気共鳴点よりも低い磁界で動作し、小型化と低損失が達成される。さらに、フェライト２０に直流磁界Ｈｅｆｆを印加する第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂは、それぞれ、直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢが互いに逆方向であり、かつ、残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異があるように設定している。これにて、低温域ではフェライト２０の飽和磁化Ｍｓが大きくなる効果と、フェライト２０に印加する直流磁界Ｈｅｆｆが小さくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。また、高温域ではフェライト２０の飽和磁化Ｍｓが小さくなる効果と、フェライト２０に印加する直流磁界Ｈｅｆｆが大きくなる効果とが相殺され、常温からの透磁率μ±の変化が小さくなる。それゆえ、温度安定性に優れている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂの残留磁束密度Ｂｒの温度特性に差異があるので、直流磁界Ｈｅｆｆの温度特性ＨｅｆｆＴｃは第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂの残留磁束密度の温度特性の組合せにより変化する。その組合せを適宜設定することにより、温度特性ＨｅｆｆＴｃを０以上にすることが可能となる。一方の永久磁石（第１永久磁石２５Ａ）の残留磁束密度の温度特性をＴｃＡとし、他方の永久磁石（第２永久磁石２５Ｂ）の残留磁束密度の温度特性をＴｃＢとした場合、以下の式で表される。
ＨｅｆｆＴｃ＝（ＨｅｘＡ×ＴｃＡ＋ＨｅｘＢ×ＴｃＢ）／（ＨｅｘＡ＋ＨｅｘＢ）
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
直流磁界Ｈｅｆｆの計算例を以下の表１及び表２に示す。適当な温度特性ＴｃＡ，ＴｃＢを選択することにより、直流磁界Ｈｅｆｆの温度特性ＨｅｆｆＴｃが０以上となる磁気回路を実現できる。表１、表２に示すように、第１永久磁石２５Ａ及び第２永久磁石２５Ｂのうち、直流磁界が大きい一方の永久磁石（第１永久磁石２５Ａ）の温度特性が、直流磁界が小さい他方の永久磁石（第２永久磁石２５Ｂ）の温度特性より大きいときに、残留磁束密度の温度特性が０以上となっている。また、表１、表２に示すように、直流磁界が大きい一方の永久磁石（第１永久磁石２５Ａ）の温度特性と、直流磁界が小さい他方の永久磁石（第２永久磁石２５Ｂ）の温度特性との値の差が１０００ｐｐｍ／℃でＨｅｆｆＴｃがちょうど０ｐｐｍ／℃になっていることが分かる。つまり、直流磁界が大きい一方の永久磁石（第１永久磁石２５Ａ）の温度特性と、直流磁界が小さい他方の永久磁石（第２永久磁石２５Ｂ）の温度特性との値の差が１０００ｐｐｍ／℃以上であれば、ＨｅｆｆＴｃの値を０以上にすることができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
図４に本サーキュレータでの温度特性を示す。（Ａ）はポートＰ１（送信用端子ＴＸ）からポートＰ３（アンテナ用端子ＡＮＴ）への挿入損失を示し、（Ｂ）はポートＰ３（アンテナ用端子ＡＮＴ）からポートＰ２（受信用端子ＲＸ）への挿入損失を示しており、常温域として２５℃、低温域として−３５℃、高温域として８５℃での特性をシミュレートしている。図１１に示した従来例と比較すれば明らかなように、温度による特性変動が抑制されている。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
ところで、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂの材料としては、以下の表３に示す温度特性Ｔｃ（ｐｐｍ／℃）を有するものが知られており、これらの材料を適宜組み合わせることで、温度特性の変動を抑制することができる。例えば、第１永久磁石２５Ａとしてネオジム系磁石、第２永久磁石２５Ｂとしてフェライト系磁石を組み合わせる。表１及び表２の第１永久磁石２５Ａには、フェライト磁石以外の飽和磁束密度の大きな磁石（ネオジム系、サマコバ系、アルニコ系）、第２永久磁石２５Ｂには、フェライト磁石が望ましい。その理由は、第１永久磁石２５Ａのほうが第２永久磁石２５Ｂよりも大きな直流磁界Ｈｅｘを発生させる必要があり、残留磁束密度の大きな磁石を使用することにより磁石（非可逆回路素子）の小型化が可能になるからである。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
（第２の組合せ例、図５参照）
フェライト２０と第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂの第２の組合せ例を図５に示す。この組合せでは、フェライト２０の一側面に第１永久磁石２５Ａを配置し、他側面に第２永久磁石２５Ｂを配置している。第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第２の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有し、特に、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂがフェライト２０と並置されているので、非可逆回路素子としての低背化が可能になる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
（第３及び第４の組合せ例、図６及び図７参照）
フェライト２０と第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂは一方の永久磁石（第１永久磁石２５Ａ）がフェライト２０の側面に配置され、他方の永久磁石（第２永久磁石２５Ｂ）がフェライト２０の上面又は下面に配置されていてもよい。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図６は第３の組合せ例を示し、フェライト２０の一側面に第１永久磁石２５Ａを配置し、下面に第２永久磁石２５Ｂを配置している。第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第３の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有する。本第３の組合せ例においては、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂの磁界方向が同じなので、フェライト２０と第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂを組み立てた後に、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂをまとめて着磁あるいは減磁することが可能である。非可逆回路素子の動作周波数はフェライト２０に印加される直流磁界の強度により変化する。その場合、第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂを同時に着磁あるいは減磁することで動作周波数の調整が容易になり、低コストでの量産が可能になる。また、非可逆回路素子としての低背化が可能になる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
図７は第４の組合せ例を示し、フェライト２０の対向する二つの側面に第１永久磁石２５Ａを配置し、下面に第２永久磁石２５Ｂを配置している。第１及び第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂによってフェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡ，ＨｅｘＢは互いに逆方向である。また、両者の残留磁束密度の温度特性に差異があることは前述のとおりである。従って、この第４の組合せ例においても、前記第１の組合せ例と同様に作用効果を有し、特に、フェライト２０の両側面に第１永久磁石２５Ａが配置されているので、前記第３の組合せ例に比べて、フェライト２０に印加される直流磁界ＨｅｘＡが均一になり、電気特性が改善される。
【国際調査報告】
2016158044.tif 000022
2016158044.tif 000023