(57)【要約】【課題】スロットラインや両面スロットラインなどの準ＴＥモード系の伝送線路を用いた非可逆回路素子を提供する。【解決手段】非磁性体の基板上に放射状の伝送線路と、回転対称形状の共振器パターンを設け、共振器パターン上に共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトを載置する。さらに、基板の下面の、前記フェライトと対向する位置にもさらにフェライトを備える。【選択図】        図１
2004253917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体からなる基板と、
前記基板の主面のうち少なくとも一方の面に放射状に形成された、準ＴＥモードが伝播する複数本の伝送線路と、
前記複数本の伝送線路の交点に形成された回転対称形状の共振器パターンと、
前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
非磁性体からなる基板と、
前記基板上に放射状に形成された複数本のスロットラインと、
前記複数本のスロットラインが交差する部分において、スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、
前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項３】
請求項１あるいは２のいずれかに記載の非可逆回路素子において、
前記基板の裏面には、前記フェライトと対向する位置にさらにフェライトを配置することを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項４】
非磁性体からなる基板と、
前記基板の両主面に放射状に形成された複数本の両面スロットラインと、
前記複数本の両面スロットラインが交差する部分において、前記基板の両主面の両面スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、
前記基板の両主面の前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項５】
前記フェライトを覆い、前記伝送線路、前記スロットラインあるいは前記両面スロットラインと前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有す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６】
共振モードがＴＥ１１（ｎ＋δ）（ただし、ｎは０以上の整数、δは０≦δ≦１を満たす任意の数）であることを特徴とする、請求項１ないし５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６のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の非可逆回路素子を用い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において使用される非可逆回路素子に関し、より詳しくは準ＴＥモード系の伝送線路を用いた非可逆回路素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ミリ波帯、マイクロ波帯などの高周波帯で使用される、サーキュレータ、アイソレータなどの非可逆回路素子は、マイクロストリップラインを入出力ポートとして用いるものが一般に広く知られている。
【０００３】
マイクロストリップラインを入出力ポートとする従来の非可逆回路素子の構成を図８に示す。誘電体からなる基板１０の下面には図示しないグランド電極が形成されており、上面には３本のマイクロストリップライン１４ａ，１４ｂ，１４ｃが放射状に設けられている。そして、３本のマイクロストリップライン１４ａ，１４ｂ，１４ｃが交差する部分には略円形の共振器パターンがあり、共振器パターン上にはフェライト２０ａが載置されている。また、図示しない磁石によってフェライト２０ａの主面に直交する方向の直流磁界が印加されている。
【０００４】
このような非可逆回路素子を、例えばスロットラインのような準ＴＥモード系の伝送線路を用いている回路に接続するためには、例えば特許文献１に記載されている技術のような方法によって、スロットラインからマイクロストリップラインにλｇ／４線路を用いてモード変換する必要がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−２４１１０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなモード変換を行うことによって、アイソレーションの帯域幅が挟帯域になってしまうこと、およびモード変換の際に変換損失が発生してしまうこと、の２つの問題がある。
【０００７】
よって、スロットラインなどの準ＴＥモード系の伝送線路にモード変換せずに適用できる非可逆回路素子の構成が求められている。したがって本発明は、準ＴＥモード系インターフェースに対応した非可逆回路素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板の主面のうち少なくとも一方の面に放射状に形成された、準ＴＥモードが伝播する複数本の伝送線路と、前記複数本の伝送線路の交点に形成された回転対称形状の共振器パターンと、前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
これにより、現在に至るまで実用化されていなかった、準ＴＥモード系の伝送線路を入出力ポートとする非可逆回路素子を構成することができる。よって、準ＴＥモード系インターフェースで構成された装置に非可逆回路素子を組み込む際であっても従来のようなモード変換が不要になり、挟帯域化や変換損失の発生といった問題点を解消することができる。
【００１０】
また、本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板上に放射状に形成された複数本のスロットラインと、前記複数本のスロットラインが交差する部分において、スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
これにより、準ＴＥモード系の伝送線路であるスロットラインを入出力ポートに用いた非可逆回路素子を構成することができる。
【００１２】
また、本発明の非可逆回路素子において、前記基板の裏面には、前記フェライトと対向する位置にさらにフェライトを配置することが好ましい。
【００１３】
フェライト中で、直流磁界と高周波磁界が直交することによってファラデー回転が生じ、非可逆回路素子は非可逆動作する。フェライトを基板の両面に設けることによって、高周波磁界が直流磁界と直交する部分が増加し、より良好な非可逆動作を得ることができる。
【００１４】
あるいは本発明の非可逆回路素子は、非磁性体からなる基板と、前記基板の両主面に放射状に形成された複数本の両面スロットラインと、前記複数本の両面スロットラインが交差する部分において、前記基板の両主面の両面スロットラインを構成する導体が回転対称形状に開口している共振器パターンと、前記基板の両主面の前記共振器パターン上に配置され、前記共振器パターンよりも主面の面積が小さいフェライトと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
これにより、準ＴＥモード系の伝送線路である両面スロットラインを入出力ポートとした非可逆回路素子を構成することができる。両面スロット線路は基板の両面に電磁界が発生するので、基板の両面にフェライトを設けることが好ましい。
【００１６】
さらに本発明の非可逆回路素子は、前記フェライトを覆い、前記伝送線路、前記スロットラインあるいは前記両面スロットラインと前記共振器パターンとの結合部分には開口部が設けてある金属カバーを有することが好ましい。
【００１７】
このような金属カバーを設けることにより、電磁界のエネルギーがフェライトに集中し、良好な非可逆動作を得ることができる。
【００１８】
また、本発明の非可逆回路素子では、共振モードとしてＴＥ１１（ｎ＋δ）モード（ただし、ｎは０以上の整数、δは０≦δ≦１を満たす任意の数）、具体的にはＴＥ１１δモード、ＴＥ１１１モード、ＴＥ１１２モードなどを用いることが可能である。
【００１９】
さらにまた本発明の非可逆回路素子は、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が好ましい。自己バイアス型フェライトを用いることによって、磁石等の直流磁界印加手段を構成する必要がなく、非可逆回路素子を小型化することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）以下において図を参照しつつ本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面を示す図である。
【００２１】
基板１０は非磁性体、具体的にはアルミナなどの誘電体材料からなり、上面に３本のスロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃが放射状に形成され、３つのポート＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃがある。スロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、準ＴＥモード系の伝送線路である。スロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃが交差する部分には、スロットラインを構成している導体１２を回転対称形状、好ましくは略円形に開口させることによって共振器パターン１３を設けている。
【００２２】
共振器パターン１３上には、主面、すなわち基板１０との接触面の面積が共振器パターン１３の面積よりも小さいフェライト２０ａが、スロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃを構成している導体１２と接触しないように設置されている。
【００２３】
これは本発明者が鋭意研究した結果、フェライト２０ａが導体１２に接触していると、フェライト２０ａ内での共振が乱され、非可逆動作に悪影響を与えるという知見を得たためである。すなわち、フェライト２０ａが導体１２と接触することにより導体１２と金属キャップ３０との間に電界が発生し、ＴＭモードが発生してしまう。本発明では共振モードとしてＴＥ１１δモードなどのＴＥモードを使用するため、このＴＭモードが所望の共振モード（ＴＥモード）が良好に発生することを妨げてしまい、非可逆回路素子の非可逆動作に悪影響を与えることがわかった。よって、フェライト２０ａは導体１２に接触しないように設置されねばならない。
【００２４】
基板１０の下面、すなわちスロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃが形成されている面と対向する面には、共振パターン１３上に設置されているフェライト２０ａと対向する部分にさらにフェライト２０ｂが設置されている。フェライト２０ａ，２０ｂは必ずしも基板１０の両面に設置する必要はなく、少なくとも基板１０の上面に設置されていればよいが、両面に設置したほうが良好な非可逆特性を得やすい。
【００２５】
これについて図３を参照して説明する。図３（ａ）は両面にフェライトを設置した場合の磁界分布を示す模式断面図であり、図３（ｂ）は上面のみにフェライトを設置した場合の磁界分布を示す模式断面図である。なお図３においては図を簡略化するため、基板１０とフェライト２０ａ，２０ｂのみを図示し、その他の構成部分は省略している。
【００２６】
非可逆特性は、図３に楕円２１で示した、フェライト２０ａ，２０ｂ内部において直流磁界Ｈ０と高周波磁界ＨＸが直交する部分で発生し、この部分に集中する高周波磁界ＨＸが強いほど良好な非可逆特性が得られる。図３から明らかなように、フェライト２０ａ，２０ｂを両面に設けた場合のほうが、直流磁界Ｈ０と直交する方向の高周波磁界ＨＸが多くなり、良好な非可逆特性を得ることができる。
【００２７】
再び図１および図２を参照して、金属カバー３０はキャップ３１と蓋３２とからなり、フェライト２０ａ，２０ｂを覆って共振空間を形成している。キャップ３１と蓋３２とはそれぞれフェライト２０ａ，２０ｂの主面に密着して、フェライト２０ａ，２０ｂに磁界が集中するようになっている。また、金属カバー３０はスロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃと共振器パターン１３との結合部分に開口部を有する。この開口部の大きさは、スロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃの伝播モードに悪影響を及ぼさないような大きさに適宜調整されている。本実施例では基板に貫通孔１４を設けてキャップ３１と蓋３２とを接合し、フェライト２０ａ，２０ｂを取り囲むように金属カバー３０を設けているが、金属カバー３０の形状はこのようなものに限られず、フェライト２０ａ，２０ｂに磁界を集中させる効果のある形状であれば特に限定されない。
【００２８】
金属カバー３０の上下に設けられた磁石４０ａ，４０ｂは、フェライト２０ａ，２０ｂに直流磁界を印加するために設けられているが、必ずしも上下両方に設ける必要はなく、どちらか片方であってもよい。磁石４０ａ，４０ｂの形状も特に限定されない。
【００２９】
ヨーク５０ａ，５０ｂは磁石４０ａ，４０ｂによって発生する直流磁界をフェライト２０ａ，２０ｂ側に集中させるために設けられている。ここではヨーク５０ａ，５０ｂは平板状であるが、磁石４０ａ，４０ｂやフェライト２０ａ，２０ｂを包み込むような形状とされていてもよい。その場合、形状が複雑化してしまうが、磁気回路の効率は向上する。
【００３０】
本実施例では、金属カバー３０によって形成される共振空間内でフェライト２０ａ，２０ｂがＴＥ１１δモードで共振するように、共振器パターン１３やフェライト２０ａ，２０ｂの直径などの寸法を設計する。共振モードはＴＥ１１１モードやＴＥ１１２モードとなるように設計されていてもよい。
【００３１】
ここで、図１を参照して本発明の非可逆回路素子の動作について説明する。ポート＃Ａに入射した電磁波の磁界は、フェライト２０ａ，２０ｂを通過する際に磁石４０ａ，４０ｂ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、ポート＃Ｂには信号が生じるが、ポート＃Ｃには信号が生じない。ポート＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃは回転対称の関係にあるから、上記と同様にポート＃Ｂに入射した信号はポート＃Ｃに生じ、ポート＃Ａには生じない。また、ポート＃Ｃに入射した信号はポート＃Ａに生じ、ポート＃Ｂには生じない。
【００３２】
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、ポート＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ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。
【００３３】
本実施例の変形例として、伝送線路は両面スロットラインとしてもよい。図４において模式的に示した磁力線Ｈおよび電気力線Ｅからわかるように、スロットライン（図４（ａ））では電界は主として基板１０の一方の主面付近に分布しているのに対し、両面スロットライン（図４（ｂ））では電界は基板１０の両主面付近に分布する。そのため、伝送線路をスロットラインとした場合には上述したようにフェライト２０ａ，２０ｂは必ずしも基板１０の両面に配置する必要はないが、伝送線路を両面スロットラインとした場合には、フェライト２０ａ，２０ｂを基板１０の両面に配置する必要がある。
【００３４】
（実施の形態２）次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図５は本発明の第２の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図であり、図６は図５のＡ−Ａ線断面図である。図５、図６においては、図１、図２と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３５】
図５、図６において、基板１０の上面には第１の実施形態と同様にスロットライン１１ａ，１１ｂ，１１ｃおよび共振器１３パターンが形成されている。そして、共振器パターン１３上には自己バイアス型フェライト２２ａが載置されている。また、基板の裏面にも自己バイアス型フェライト２２ｂが載置されている。
【００３６】
自己バイアス型フェライト２２ａ，２２ｂを用いることにより、外部から直流磁界を印加するための磁石を用いる必要がなく、非可逆回路素子の小型化を図ることができる。
【００３７】
ただし、自己バイアス型フェライト２２ａ，２２ｂを用いた場合でも、磁石などによって外部磁界を印加することもありうる。その場合であっても、自己バイアス型ではないフェライトを用いるよりは外部磁界が弱くてよいので、磁石を小型化する効果がある。
【００３８】
（実施の形態３）次に、本発明に係る無線装置について説明する。図７は本発明の無線装置の一例を示すブロック図である。
【００３９】
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。
【００４０】
本発明の非可逆回路素子をアイソレータＩＳＯおよびサーキュレータＣＩＲとして用いることにより、このような無線装置をスロットラインや両面スロットラインのような準ＴＥモード系インターフェースで構成した場合に、アイソレータＩＳＯやサーキュレータＣＩＲとの接続部分でのモード変換が不要になり、モード変換に伴う挟帯域化や変換損失の発生を防ぐことができる。
【００４１】
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。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、スロットラインや両面スロットラインなどの準ＴＥモード系伝送線路を用いた非可逆回路素子を構成することができる。これにより、準ＴＥモード系インターフェースの回路に非可逆回路素子を組み込む際にも、準ＴＥモードからＴＭモードへのモード変換を行う必要が無く、モード変換に伴う挟帯域化や変換損失の発生といった問題を解決できるという効果を奏する。このとき、基板の両面にフェライトを具備することにより、準ＴＥモード系の伝送線路を用いた非可逆回路素子において良好な非可逆動作を得ることができる。また、自己バイアス型フェライトを用いれば非可逆回路素子を小型化できる。
【００４３】
さらに本発明の無線装置によれば、準ＴＥモード系のインターフェースを用いた無線装置に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、モード変換を行うことなく構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す断面図である。
【図３】本発明の非可逆回路素子において、フェライト内の磁界を示す模式図である。
【図４】スロットラインおよび両面スロットラインの電磁界の分布を示す模式図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る非可逆回路素子を示す断面図である。
【図７】本発明に係る無線装置を示すブロック図である。
【図８】従来の非可逆回路素子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０      基板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ      スロットライン
１２      導体
１３      共振器パターン
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ      マイクロストリップライン
２０ａ，２０ｂ      フェライト
２２ａ，２２ｂ      自己バイアス型フェライト
３０      金属カバー
３１      キャップ
３２      蓋
４０ａ，４０ｂ      磁石
５０ａ，５０ｂ      ヨーク
【図１】
2004253917.tif 000003
【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】
2004253917.tif 000008
【図７】
2004253917.tif 000009
【図８】
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