(57)【要約】【課題】放射状の伝送線路が形成された非磁性体基板にフェライトを載置してなる実装型の非可逆回路素子において、誘電率の高い基板を用いても良好な非可逆特性を得られる非可逆回路素子を提供する。【解決手段】非磁性体基板の、前記フェライトが載置されている部分に孔を設ける。これによって基板の見かけ上の実効誘電率を低下させ、フェライトの磁界エネルギー充填率を上げる。また、基板の電磁界が集中する部分に孔を設けることによって、フェライトの磁界エネルギー充填率を上げる効果がより顕著になる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射状に配置された複数の伝送線路を有する非磁性体基板と、該非磁性体基板上に載置されたフェライトとを備える非可逆回路素子であって、
前記非磁性体基板の、前記フェライトが載置されている部分には孔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２】
前記孔は、前記非磁性体基板の電界が集中する部分に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の非可逆回路素子。
【請求項３】
前記フェライトの上面には電極が形成されており、前記非磁性体基板に設けられている接地導体と該電極とが金属部材によって電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の非可逆回路素子。
【請求項４】
前記フェライトは自己バイアス型フェライトであることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の非可逆回路素子を具備することを特徴とする無線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯などの高周波帯で用いられる非可逆回路素子、およびこれを用いた無線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミリ波帯やマイクロ波帯などの高周波帯で用いられる、サーキュレータやアイソレータなどの非可逆回路素子としては、従来、磁性体からなる基板上に放射状に３本のマイクロストリップ線路を形成し、それらの交点に略円形の導体からなる共振器パターンを設け、磁石によって直流磁界を印加する構成のものが用いられている。
【０００３】
ところが、基板として磁性体を用いているため、誘電体基板上に形成されるマイクロ波集積回路に非可逆回路素子を組み込む場合、非可逆回路素子を形成する部分のみ基板の材質を変更する必要があり、コストの上昇につながる。
【０００４】
そのため、特許文献１や特許文献２に開示されているように、非磁性体の基板上に非可逆回路素子を構成する技術が開発されるに至った。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−２９３００１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０２８１３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技術は、非磁性体からなる基板上に、放射状の３本のマイクロストリップラインを形成するとともにその交点に略円形の共振器パターンを形成し、共振器パターン上にフェライトを載置するという構成を有するものである。このような非可逆回路素子は、他の高周波回路が形成されている基板と同一の基板にフェライトを載置して構成することができるので実装型非可逆回路素子と称される。
【０００７】
ところで、高周波モジュール回路が形成される基板としては一般に誘電体基板が用いられる。近年、高周波モジュールの小型化が強く要請されるようになり、より誘電率の高い基板を用いることによって、波長短縮効果を利用してモジュールの小型化を図るようになっている。
【０００８】
しかしながら、誘電率の高い基板に実装型非可逆回路素子を構成すると、基板に電磁界が集中しやすくなり、フェライト内の磁界エネルギー充填率が低下する。非可逆回路素子は、直流磁界と高周波磁界がフェライト中で直交することにより高周波の偏波面が回転するという現象を利用するものであるから、フェライト内の磁界エネルギー充填率が低下すると良好な非可逆特性を得られなくなる。そのため、サーキュレータやアイソレータなどの非可逆回路素子を具備する高周波モジュールでは、誘電率の高い基板を採用することが困難であり、高周波モジュールの小型化の障害となっていた。
【０００９】
そこで本発明は、非磁性体基板を用いる実装型の非可逆回路素子であって、誘電率の高い基板を用いた場合にも良好な非可逆特性を得ることのできる非可逆回路素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため本発明の非可逆回路素子は、放射状に配置された複数の伝送線路を有する非磁性体基板と、該非磁性体基板上に載置されたフェライトとを備える非可逆回路素子であって、前記非磁性体基板の、前記フェライトが載置されている部分には孔が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
非磁性体基板に孔を設けることにより、非磁性体基板の実効誘電率が見かけ上低下する。これによって、非磁性体基板への電磁界の集中を抑制し、誘電率が高い基板を用いた場合でも良好な非可逆特性を得ることのできる非可逆回路素子を構成できる。なお、孔は基板の両主面に開口部を有する貫通孔であってもよいし、基板の一方の主面に開口部を有する凹部であってもよい。
【００１２】
また、前記孔は、前記非磁性体基板の電界が集中する部分に設けられていることが好ましい。電界が集中する部分に孔を設けることによって、基板への電磁界の集中を抑制する効果をより顕著に得ることができる。
【００１３】
さらに本発明の非可逆回路素子は、前記フェライトの上面には電極が形成されており、前記非磁性体基板に設けられている接地導体と該電極とが金属部材によって電気的に接続されていることを特徴とする。
【００１４】
フェライトの上面に電極を設け、電極と接地導体とを電気的に接続することにより、非可逆動作する所望のモードを得ることができ、かつ電極と接地導体との間で実電流が安定に流れることによって、良好な非可逆特性を得ることができる。
【００１５】
さらにまた、前記フェライトを自己バイアス型フェライトとしてもよい。
【００１６】
これにより、磁石などの直流磁界印加手段を設ける必要がなく、非可逆化路素子の構成が簡単になり、小型化を図ることができる。
【００１７】
また、本発明の無線装置は上記の非可逆回路素子を具備することを特徴とする。
【００１８】
これにより、誘電率の高い基板を用いて無線装置を構成することが可能となり、波長短縮効果によって無線装置全体の小型化を図ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下において図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお各図面において互いに共通あるいは対応する部分には同じ符号を付し、重複する部分については詳細な説明を省略する。
【００２０】
図１は本発明の非可逆回路素子を示す断面図であり、図２（ａ）は図１におけるＡ−Ａ線断面図である。なお、図１では磁石６０およびヨーク７０は図示を省略している。
【００２１】
基板１０は非磁性体からなり、より具体的にはεｒ＝１０程度の誘電率を持つ誘電体からなる。基板１０の裏面には全面に接地導体１１が形成されている。また、基板１０の上面には放射状に３本のマイクロストリップライン１２ａ，１２ｂ，１２ｃが形成されている。マイクロストリップライン１２ａ，１２ｂ，１２ｃが交差する部分には回転対称形状の、好ましくは円形の導体からなる共振器パターン１３が形成されている。
【００２２】
フェライト２０は上面に電極２１を有し、共振器パターン１３上に載置される。図ではフェライト２０は円板状であるが、形状は特に限定されず、フェライト２０の成形の容易性の観点からは例えば直方体状であってもよい。
【００２３】
基板１０の上面には、貫通孔３１にもうけられた導体３２からなるスルーホール３０を介して接地導体１１と導通している導体ランド４０が設けられている。導体ランド４０とフェライト２０上面の電極２１とはボンディングワイヤ５０によって電気的に接続されている。これにより、フェライト２０上面の電極２１が接地導体と電気的に接続される。電極２１と接地導体１１とを電気的に接続することにより、電極２１部分での実電流の流れが安定し、良好な非可逆特性を得ることができる。
【００２４】
電極２１と導体ランド４０とを接続する部材はボンディングワイヤ５０に限られるものではなく、金属リボンなどの金属部材であれば特に限定されない。しかし、フェライト２０内の共振モードが金属部材の影響を受けるため、この観点からは金属部材はできるだけ細いものを選択することが好ましい。金属部材の数、太さ、長さは、金属部材部分で発生するインダクタンスや浮遊容量、抵抗値、金属部材の強度、金属部材が共振モードに与える影響などを勘案して決定する。
【００２５】
またここでは一つの導体ランド４０に対して一本のボンディングワイヤ５０をそれぞれ接続しているが、一つの導体ランド４０に対して複数本のボンディングワイヤ５０を接合してもよい。
【００２６】
直流磁界印加手段として磁石６０が設けられており、フェライト２０の主面に直交する方向の直流磁界を印加している。また、ヨーク７０を設けることにより磁界をフェライト２０側に集中させている。図１においては、磁石６０とヨーク７０は図示を省略している。
【００２７】
基板１０のうち、フェライト２０が載置される部分には基板１０の下面側に開口部を持つ孔８０が形成されている。孔８０はレーザーリューターやサンドブラストなどの公知の方法で形成することができる。孔８０を設けることにより基板１０の見かけ上の実効誘電率が低下し、フェライト２０に電磁界のエネルギーが集中しやすくなる。これにより、誘電率が高い基板１０を用いた場合でも非可逆特性を得ることが可能となる。
【００２８】
これについて図３を参照して詳細に説明する。図３は基板１０に孔８０を設けない非可逆回路素子に高周波信号を入射したときの電磁界分布を模式的に示す図である。図３（ａ）は平面図である。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、それぞれ図３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面を示す断面図である。図を簡略化するため、図３（ａ）では基板１０とマイクロストリップライン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ、共振器パターン１３のみを図示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）ではこれに加えてフェライト２０、電極２１のみを図示し、それ以外の構成は図示を省略している。
【００２９】
また図３において実線の矢印は、マイクロストリップライン１２ａから高周波信号を入射しＴＭ１１０モードで共振させたときの電気力線を示し、破線の矢印は磁力線を示している。図３（ａ）および図３（ｃ）においては磁力線を示し、図３（ｂ）においては電気力線を示す。
【００３０】
図３（ａ）を参照して、紙面裏側から表側へ向かう方向に直流磁界が印加されているとき、マイクロストリップライン１２ａから高周波信号が入射すると、フェライト２０内部で高周波信号が曲げられ、マイクロストリップライン１２ｂから出力される。すなわち、マイクロストリップライン１２ｂは出力端子となる。これは、フェライト２０に直流磁界を印加することにより、高周波信号の入射方向に対して右側と左側の透磁率に差が生じ、高周波の正の円偏波、負の円偏波の位相速度に差が生じることによる。ここで、マイクロストリップライン１２ｃは出力のない端子、すなわちアイソレーション端子となる。なお、直流磁界の方向を反転すれば、出力端子とアイソレーション端子が反転する。
【００３１】
図３（ｂ）は電界の節に略直交するＢ−Ｂ線での断面を示しているが、電界は共振器パターン１３の周に沿った領域のフェライト２０と基板１０中に多く分布している。また、磁界は図３（ｃ）に破線の矢印で示すように、共振器パターン１３を縦方向に取りまくように回転している。図３（ｂ）に楕円９０で示した、基板１０の電界が多く分布する部分に孔８０（図３（ｂ）には図示しない。図２（ａ）参照）を設けて基板１０の見かけ上の実効誘電率を低下させると、電界がフェライト２０側により多く分布するようになる。これに伴って磁界の分布もフェライト２０側により多く分布するようになる。非可逆特性は、フェライト２０内部において直流磁界と高周波磁界が直交する部分において発生するため、フェライト２０内部に分布する磁気エネルギーが高いほど良好な非可逆特性を得ることができる。
【００３２】
本発明の効果を検証するため、基板１０に孔８０を設けない場合と設ける場合との電界分布をシミュレーションして比較した。図４（ａ）は基板１０に孔８０を設けない場合の、ある断面内に存在する電界の分布を示す斜視図であり、図４（ｂ）は断面図である。また、図５（ａ）は基板１０に孔８０を設ける場合の、ある断面内に存在する電界の分布を示す斜視図であり、図５（ｂ）は断面図である。図４および図５はフェライト共振器の共振解析結果を示す図であるから、入出力端子は設けていない。
【００３３】
図４と図５を比較すると、基板１０に孔８０を設けることにより、基板１０への電界の分布が減少し、フェライト２０内部の電界分布が相対的に増加していることがわかる。孔８０を設けない場合と設ける場合の、基板部分１０とフェライト２０部分の電気エネルギーおよび磁気エネルギーの分布の比率を表１に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
電気エネルギー、磁気エネルギーともに孔８０を設けることによりフェライト２０への分布比率が上昇している。なお、図４および図５はそれぞれある断面に存在する電界の比率を示す図であり、図４と図５を単純に比較して電界の強さを判断することはできない。
【００３６】
図２（ｂ）は本実施例の第１の変形例を示す断面図である。ここでは、孔８０は基板１０の両主面に開口部を持つ貫通孔となっている。この場合も、上記の実施例と同様に基板１０の実効誘電率を低下させ、フェライト２０に電磁界のエネルギーを集中させることができる。
【００３７】
図２（ｃ）は本実施例の第２の変形例を示す断面図である。自己バイアス型フェライト２２を用いているため、外部磁界を印加するための磁石を設けていない。これにより、非可逆回路素子を小型化することが可能となる。
【００３８】
ただし、自己バイアス型フェライト２２を用いた場合であっても、フェライトの内部磁界を所望の強さにするために必要であれば外部磁界を印加するための磁石を設けても構わない。この場合でも、自己バイアス型ではないフェライトを用いる場合と比較すると外部磁界が弱くてよいので用いる磁石を小型のものとすることができ、非可逆回路素子を小型化できる。
【００３９】
ここで本発明に係る非可逆回路素子の動作について、再び図１を参照して説明する。マイクロストリップライン１２ａに入射した電磁波の磁界は、フェライト２０を通過する際に磁石６０によって印加される直流磁界のために偏波面が回転する。これは、直線偏波を正負回転磁界に分解するとそれぞれの透磁率の違いによって伝播定数が異なりファラデー回転が発生することによる。偏波面が回転することにより、マイクロストリップライン１２ｂには信号が生じるが、マイクロストリップライン１２ｃには信号が生じない。マイクロストリップライン１２ａ，１２ｂ，１２ｃは回転対称の関係にあるから、上記と同様にマイクロストリップライン１２ｂに入射した信号はマイクロストリップライン１２ｃに生じ、マイクロストリップライン１２ａには生じない。また、マイクロストリップライン１２ｃに入射した信号はマイクロストリップライン１２ａに生じ、マイクロストリップライン１２ｂには生じない。
【００４０】
すなわち、この非可逆回路素子はサーキュレータとして動作している。また、マイクロストリップライン１２ａ，１２ｂ，１２ｃのうちのいずれかを終端抵抗に接続すればこの非可逆回路素子はアイソレータとして動作する。
【００４１】
次に本発明に係る無線装置について説明する。図６は本発明の無線装置の一例を示すブロック図である。
【００４２】
電圧制御発振器ＶＣＯは変調信号に応じたミリ波を発振する。アイソレータＩＳＯは、電圧制御発振器ＶＣＯの出力信号を方向性結合器ＣＰＬに伝送すると共に、電圧制御発振器ＶＣＯ方面に反射波が戻ることを防ぐ。方向性結合器ＣＰＬは、アイソレータＩＳＯからの信号をサーキュレータＣＩＲ方面へ伝送すると共に、その一部をローカル信号として取り出し、ミキサＭＩＸへ伝送する。サーキュレータＣＩＲは、送信信号をアンテナＡＮＴ方面へ伝搬させるとともに、アンテナＡＮＴからの受信信号をミキサＭＩＸ方面へ伝搬させる。ミキサＭＩＸは、受信信号とローカル信号をミキシングして、そのビート信号を中間周波数ＩＦとして出力する。
【００４３】
このような無線装置を構成する高周波モジュール回路において本発明の非可逆回路素子をアイソレータＩＳＯやサーキュレータＣＩＲとして用いることにより、高周波モジュール回路を構成する基板として誘電率の高い基板を使用することが可能になり、波長短縮効果によって高周波モジュール回路を構成する基板の小型化を図ることができる。これにより、この高周波回路モジュールを備えている無線装置が小型化される。
【００４４】
本発明の無線装置は、例えば携帯電話などの無線通信装置や、レーダなどとして使用することが可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されるものであり、本発明では非磁性体基板のフェライトが載置されている部分に孔を設けることにより、見かけ上の基板の実効誘電率を低下させてフェライトへの磁界エネルギー充填率を上昇させ、誘電率の高い基板を用いた場合でも良好な非可逆特性を得ることのできる非可逆回路素子が実現される。
【００４６】
また、孔を基板の電界が集中する部分に設けることによって本発明をより実効あらしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非可逆回路素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の非可逆回路素子を示す断面図である。
【図３】非可逆回路素子の電磁界分布を模式的に示す断面図である。
【図４】基板に孔を設けない非可逆回路素子の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】基板に孔を設ける非可逆回路素子の電界分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図６】本発明の無線装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０    基板
１１    接地導体
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ    マイクロストリップライン
１３    共振器パターン
２０    フェライト
２１    電極
２２    自己バイアス型フェライト
３０    スルーホール
３１    貫通孔
３２    導体
４０    導体ランド
５０    ボンディングワイヤ
６０    磁石
７０    ヨーク
８０    孔
【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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