(57)【要約】【課題】  抵抗を必須の構成要件としないアイソレータを提供する。【解決手段】  互いに電気的絶縁状態で交差する第１、第２、第３の中心電極（10a、10c、10b）をフェライト（11）の一方の面に配置し、前記第１、第２、第３の中心電極の一端が第４の共通電極（10d）に接続される構造のアイソレータにおいて、前記第３の中心電極（10b）の他端は接地され、前記第４の共通電極（10d）は容量（15）を介して接地され、さらに前記第４の共通電極（10d）と第1の入出力ポート（P1）間に容量（16）が配置され、さらに第２の入出力ポート（P2）を前記第４の共通電極（10d）に接続し、前記第１、第２の中心電極（10a、10c）の他端が第１の入出力ポート（P1）に接続されたアイソレータ。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的絶縁状態で交差する第１、第２、第３の中心電極をフェライトの一方の面に配置し、前記第１、第２、第３の中心電極の一端が第４の共通電極に接続される構造のアイソレータにおいて、前記第３の中心電極の他端は接地され、前記第４の共通電極は容量を介して接地され、さらに前記第４の共通電極と第1の入出力ポート間に容量が配置され、さらに第２の入出力ポートを前記第４の共通電極に接続し、前記第１、第２の中心電極の他端が第１の入出力ポートに接続されたことを特徴とするアイソレータ。
【請求項２】
請求項１記載のアイソレータにおいて、前記第１及び第２の入出力ポートの間に、抵抗を接続したことを特徴とするアイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話などの高周波無線通信機器に用いられるアイソレータの改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の集中定数型のアイソレータは、減衰量が信号の伝送方向には極めて小さく、逆方向には極めて大きい特性を有しており、携帯電話の送信回路の安定性向上のために採用されている。図１１は一般的な集中定数型アイソレータの等価回路図を示した図である。例えば、特許文献１に開示されるように、このアイソレータは３本の中心電極を電気的絶縁状態で交差させてフェライトに配置し、第１、第２の中心電極の一端は整合用容量を接続するとともに入出力ポートP1及びP2に接続し、第３の中心電極の一端は抵抗と整合用容量の並列回路を介して接地させる。上記フェライトには近傍に配置した永久磁石から直流磁場が印加されている。この従来のアイソレータの動作は次のようになる。
入出力ポートP1に入力された信号は、直流磁場が印加されたフェライトの非可逆性を利用したサーキュレータ動作により、抵抗５０には伝わらないため、大きな減衰なく入出力ポートP2に伝達される。逆に入出力ポートP2に入力された信号は、サーキュレータ動作により抵抗５０に伝わる。抵抗５０が端子インピーダンスに等しい場合には、抵抗５０において信号の電力はすべて吸収されてしまうため、入出力ポートP1には信号は伝わらず、アイソレーション特性が確保される。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１９６９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の携帯電話の小型化の流れに伴い、採用される部品にも小型化が強く要求されるようになってきており、アイソレータも例外ではない。このような状況において従来のアイソレータには次のような課題がある。
【０００５】
第１の課題は、更なる小型化に対応するため、抵抗を必要としないアイソレータの実現である。アイソレータに採用されている各容量や抵抗の部品も、小型化が進み、抵抗に関していえば0.6mm x 0.3mmという大きさを持つ極めて小さなチップ部品が市場に出回り始めているとはいえ、アイソレータの究極の小型化には抵抗の無い構造が望ましい。
【０００６】
第２の課題は、上記のような極めて小さい抵抗を用いた場合の、逆方向への信号伝達時における電力集中による温度上昇の抑制である。すなわちアイソレータが数多く用いられている携帯電話の出力はCDMA方式の場合で１W弱もあり、欧州で用いられているGSM系端末では3Wを超える場合がある。したがってアンテナインピーダンスが変動し全反射に近い状態が起きた場合には、アイソレータ内に配置されている抵抗が吸収すべき電力も同程度の電力となるため、極めて微小な体積で電力が集中して熱にかわる。このため、抵抗は極めて高温になることが予想される。このような状態が繰り返されることは抵抗へのストレスとなり抵抗値の経年変化率を上昇させたりして信頼性を著しく低下させ、アイソレータとしての信頼性も損ねる。このため、逆方向時の電力の吸収が分散するような改善が望まれている。抵抗の寸法は今後ともますます小さくなると考えられるため、将来はさらに深刻な状況となる可能性がある。
【０００７】
第３の課題は、抵抗値の最適値からのずれによるアイソレーション特性劣化の抑制である。従来のアイソレータでは、内部に配置された抵抗の抵抗値が製品バラツキや経年変化によって最適値からずれた場合、逆方向信号印加時に抵抗の接続された部分で反射が起こり、反射した電力は更にサーキュレータ動作によってポートP１に伝達されるため、アイソレーション特性の劣化が激しい。このような問題は製品歩留まりの低下、信頼性の低下の原因となるため、抵抗値が変動してもアイソレーション特性の劣化が少ない構造が望まれている。
【０００８】
以上のことより、本発明は抵抗を必須の構成要件としないアイソレータとなし、高温度変化また経年変化による抵抗へのストレスをなくした小型で信頼性の高いアイソレータ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】
【０００９】
本発明の第1のアイソレータは、互いに電気的絶縁状態で交差する第１、第２、第３の中心電極をフェライトの一方の面に配置し、前記第１、第２、第３の中心電極の一端が第４の共通電極に接続される構造のアイソレータにおいて、前記第３の中心電極の他端は接地され、前記第４の共通電極は容量を介して接地され、さらに前記第４の共通電極と第1の入出力ポート間に容量が配置され、さらに第２の入出力ポートを前記第４の共通電極に接続し、前記第１、第２の中心電極の他端が第１の入出力ポートに接続されたことを特徴とする。
このような回路構成をとることにより、抵抗を使用せずに、順方向の信号の減衰量を大きく増加させることなく、逆方向の信号を減衰させることができる。この構成によれば抵抗は用いないので、アイソレータの小型化が容易となる。また、電力が微小部分に集中することがなく、高温発生による信頼性低下も避けることができる。逆方向信号の電力は電極またはフェライトによって吸収されていると考えられるが、抵抗と比較して表面積も大きくとれるため、熱が逃げやすく、従来のアイソレータに内蔵されている抵抗ほど高温にはならないことが期待される。
【００１０】
本発明のアイソレータは、上記アイソレータにおいて、前記第１及び第２の入出力ポートの間に、抵抗を接続してもよい。
このような構成をとることにより、逆方向の減衰量を改善し、逆方向信号の吸収電力の集中を避け、抵抗値が変動してもアイソレーション特性の劣化が少ないアイソレータが実現できる。この構成においては、逆方向信号の電力の一部が抵抗で吸収され、一部が電極またはフェライトで吸収することとなる。吸収電力が分散されるので、抵抗で吸収する電力は従来型より少なくてすむため、抵抗部の温度の上昇も緩和され信頼性が確保できる。
また、抵抗へ配分される電力が小さいため、抵抗値が変動して反射が起きたとしても、ポートP１へ伝達される電力は従来のアイソレータと比較し小さいため、アイソレーションの劣化が少ない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、抵抗を用いないアイソレータが可能となり、アイソレータの更なる小型化、高信頼性が可能となると共に、十分高いアイソレーション特性を確保しつつ逆方向信号の吸収電力を分散させて信頼性を確保し、抵抗値変動によるアイソレーション特性劣化の少ないアイソレータが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のアイソレータの動作を実施例に基づき、説明する。
（実施例１）
従来のアイソレータでは、図１１に示すように集中定数型サーキュレータの入出力ポートの一端を抵抗50により終端した構造を持つが、このような構造では逆方向の信号伝送時に電力は大部分が抵抗50によって吸収される。逆方向伝送時に、吸収される電力をフェライト若しくは中心電極にも分散させようとすれば、対称性から順方向への信号伝送時においても、フェライト若しくは中心電極への電力吸収が発生するためインサーションロスが増加する。このため、フェライト若しくは中心電極への吸収電力分散は困難であった。
そこで本発明者らは、従来のアイソレータの対称性を崩すことによって順方向時にはフェライト若しくは中心電極への吸収電力が小さく、逆方向時にのみ吸収電力が大きくなるような構成が可能になるのではないかと考え、回路構成の探索を行った。そして、実験及びシミュレーションによる試行の結果、本発明者らは、図1のような対称性を崩した回路構成をとることにより、抵抗を用いなくてもアイソレーションが得られ、なおかつインサーションロスが小さいアイソレータが実現可能になることを知見した。以下、本実施例の詳細を記述する。
【００１３】
本実施例においては、フェライト11の上面に第１、第2及び第3の中心電極10a、10b、10cを配置し、その一端を第４の共通電極10dに接続するが、組み立て工数の簡略化のために、あらかじめ一体になった図３のような構造をもつ銅板30aを用意し、これを編むことにより図1のような構造を実現してもよい。また第４の共通電極は、本アイソレータにおいては対称性の保持が必要ないため、図１あるいは図３のように円形である必要はなく、半円形、長方形としてもよい。図には載せていないが、第1と第2の中心電極の間、及び第2と第3の中心電極の間には絶縁を確保するために有機フィルム等を配置するとよい。
【００１４】
第４の共通電極には、他端が接地された容量15の他の一端が接続される。この容量は誘電体積層基板内に電極によって形成してもよい。さらにこの第４の共通電極には第２の入出力ポートP2が接続され、第1、第2の中心電極10a、10cの他端は第１の入出力ポートP1に接続され、第３の中心電極10bの他端は接地される。また整合をとるために、第1の入出力ポートP1と第４の共通電極の間に容量16を、さらに第４の共通電極と接地電位に容量15をそれぞれ配置した。
以上の構成を組み立て工数を少なくして実現するためには、図３のように、第１及び第２の中心電極10a、10cを略60度の角度をなすように配置し、第２及び第３の中心電極10c、10bを略60度の角度をなすように配置した一体の銅板を用いるとよい。このような構造を持つ一体の銅板を編みこむようにして組み立てれば、３つの中心電極と第４の共通電極10dを接続する手間が省け、コストの低減が可能となる。
尚、フェライト11は図示されていない永久磁石によって直流磁界を印加されており、さらに実際の構成では閉磁路を構成するために、ヨークによってカバーされるが、ここでは省略している。
【００１５】
本発明のアイソレータが動作する原理は、発明者らは次のように推定している。従来の構造では共通電極は接地され、第1の中心電極の一端は第1ポートに接続され、第2の中心電極の一端は第2ポートに接続され、第3の中心電極はダミー抵抗に接続されるという対象構造を持つ。対して本構造では共通電極は第２ポートに接続され、接地されておらず、第1及び第2の中心電極が第1ポートに接続されている。このような非対称な構成をとることにより、従来型のアイソレータの対称性が崩れ、フェライト若しくは電極への吸収電力についても、順方向と逆方向で異なることが可能となる。
まず順方向に信号が伝わる場合においては、中心電極10a,10cに電流が流れ、フェライト中に磁束を発生させる。この磁束は中心電極10ｂに垂直な方向に振動すると考えられ、この磁束の誘導起電力により中心電極10bにはP1の電圧V1に略等しい電圧が発生する。この時、特に電力損失の原因となる事は発生しない。
次に逆方向から信号が入力された場合には、中心電極10ｂ及び中心電極10a,10cに流れる電流に位相差が生じる。この位相差によって、それぞれの中心電極を流れる電流からフェライト内に発生する磁界にも位相差が生じ、磁界の正の円偏波成分が大きくなると考えられる。直流磁界を印加されたフェライトは、正の円偏波磁界に対する電力吸収が大きくなるので、本構造においては順方向時に比べ、逆方向時に大きな電力をフェライトが吸収することができる。このような現象により、逆方向時にのみ大きな電力損失が発生すると考えられる。
【００１６】
図２(a)(b)に本実施例を有限要素法により確認されたインサーションロス特性（図２(a)）、アイソレーション特性（図２(b)）を示す。条件は表1のとおりである。図からもわかるように抵抗が存在しなくても、ＧＨｚ帯においてアイソレーションがインサーションロスに比べて大きくなっており、アイソレータとして動作していることがわかる。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
図４に本実施例を実際に組み立て、実験した結果を示す。周波数は有限要素法による計算結果に比べて低周波側にずれているが、655MHｚにおいてインサーションロスが-0.54ｄB、アイソレーションが-9.4ｄBとなり、アイソレータとして利用可能な非可逆性が得られることが確認できた。
【００１９】
（実施例２）
本発明の第２の実施例は、図５に示すように実施例１のアイソレータにおける第1の入出力ポート、第2の入出力ポート間に抵抗を配置したものである。本実施例では入出力ポートの端子インピーダンス50Ωより100％大きい100Ωの抵抗を配置した。このように抵抗を配置することにより、実施例１の構成ではアイソレーションが不十分な場合に、アイソレーションを改善することができる。実施例２の有限要素法によるシミュレーション結果を図６に示す。実施例１の結果と比較し、アイソレーション特性が向上していることがわかる。
ここで、アイソレーション特性は１GHｚにおいて-5dBから-14ｄBまで改善されている。抵抗に吸収される電力は抵抗無しの場合に比較して向上したアイソレーション分に相当すると推定され、28％程度と推定される。従来型ではほぼ100%に近い電力が抵抗に吸収されていたことを考えれば、電力吸収が分散されており、従って本実施例においては抵抗の電力吸収による温度上昇は従来型アイソレータの場合に比べ小さくて済み、本発明が信頼性向上に十分寄与できると考える。
また、たとえば抵抗値が100％変動し、100Ωが200Ωに変動した場合を実験したところ、アイソレーション特性は、１GHｚにおいて-10dBとなり劣化は少ないことがわかる。さらに抵抗部が断線したとしても、アイソレーション特性-5dBを維持できることは明らかで、抵抗値の変動に対してアイソレーション特性の劣化が小さく、信頼性の高いアイソレータが実現できた。
【００２０】
（実施例３）
図７は、本発明の第３の実施例である。本実施例においては、中心電極10a,10b,10cと共通電極４との接続位置が実施例１と異なる。このような接続をとることにより、図８のような銅板30ｂを使用することができる。この銅板の形状は従来の集中定数型アイソレータに用いられている電極形状と略同一であるので、量産時において組み立て工程の変更が少なく、組み立てに係る設備も従来のものを使うことができるので、初期投資が少なくてすむという効果がある。
【００２１】
（実施例４）
図９は、本発明の第４の実施例のアイソレータの概略の分解斜視図である。中心電極10a、10b、10cの構成は実施例１と同じ配置である。第４の共通電極10ｄは、誘電体積層基板17の上面110部及びフェライト11下部にあたる位置に形成されている。本実施例では、実施例１の容量15及び16、及び必要な配線を誘電体多層基板17に内蔵することにより小型化を実現する。
誘電体積層基板17は、上面に電極４と接続するための電極110が形成され、この電極110は容量15を形成する電極若しくはその一部となっている。誘電体基板の上面には他に中心電極10a、10b、10cを接続するための電極111、112、113がそれぞれ形成されている。また、誘電体積層基板には中心電極の接合を容易にし、アイソレータを小型化するために、フェライト11が収納されるように凹みが形成されている。なお、図示していないが、誘電体積層基板17の最下面には外部の第1及び第2のポート及び接地端子と接続するための電極が形成されている。
19はフェライト11に静磁界を印加するための永久磁石であり、18a、18bは閉磁路を形成するため、軟磁性金属材料で形成された下部および上部ヨークである。
このように、誘電体積層基板で構成することにより、アイソレータの更なる小型化に対応できる効果がある。
【００２２】
（実施例５）
図１０は、本発明の第５の実施例のアイソレータの分解斜視図である。本実施例は、本発明第４の実施例における誘電体積層基板17における凹みをなくした構造である。
誘電体多層基板に凹みを作ることは、基板の反りの原因となるため、厳しい平坦性が要求される場合には、このように凹みを形成せずに、フェライトの位置を固定するためのスペーサー２０を入れ、アイソレータを構成するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるアイソレータの第1の実施例を示した図である。
【図２】本発明によるアイソレータの第1の実施例における特性を示した図である。
【図３】本発明によるアイソレータの第1の実施例における電極の構成方法を示した図である。
【図４】本発明によるアイソレータの第1の実施例における特性を示した図である。
【図５】本発明によるアイソレータの第２の実施例を示した図である。
【図６】本発明によるアイソレータの第２の実施例における特性を示した図である。
【図７】本発明によるアイソレータの第３の実施例を示した図である。
【図８】本発明によるアイソレータの第３の実施例における電極の構成方法を示した図である。
【図９】本発明によるアイソレータの第４の実施例を示した図である。
【図１０】本発明によるアイソレータの第５の実施例を示した図である。
【図１１】従来のアイソレータの構成を示した図である。
【符号の説明】
【００２４】
10a、10b、10c: 中心電極
10d、10f: 共通電極
11: フェライト
15、16： 容量
17: 抵抗
P1、P2: 入出力ポート
50:抵抗
17: 誘電体積層基板
18a、18b: ヨーク
19: 永久磁石
20: スペーサー
30a、30b: 一体型銅板
110、111、112、113: 誘電体積層基板上に形成された電極
【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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