(57)【要約】【目的】  小型で温度特性の安定な集中定数型サーキュレータを得る。【構成】  第１のガーネット、該第１のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量を接続し、前記第１のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の集中定数型サーキュレータにおいて、前記永久磁石と前記中心導体との間にガーネット製ヨークを配置する【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガーネット、該第１のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第１のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置したことを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
前記ガーネット製ヨークは、前記永久磁石及び前記中心導体の両方に接していることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項３】
前記ガーネット製ヨークは、前記永久磁石の中心導体側に接していることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項４】
前記ガーネット製ヨークは、前記中心導体の上に接していることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項５】
前記ガーネット製ヨークと前記中心導体とは、絶縁体を介在させて接していることを特徴とする請求項２又は請求項４記載の非可逆回路素子。
【請求項６】
前記ガーネット製ヨークの直径が前記第１のガーネットの直径に比較して、０．８倍から１．４倍の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項７】
前記ガーネット製ヨークの厚さが前記第１のガーネットの厚さに比較して、０．３倍から１．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項８】
前記ガーネット製ヨークの飽和磁化４πＭｓが前記第１のガーネットの飽和磁化４πＭｓに比較して、１倍から１．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【請求項９】
前記第１のガーネット又は前記ガーネット製ヨークの形状が円板状であり、その円周状の端に０．０５ｍｍ以上の半径の丸みがついていることを特徴とする請求項１記載の非可逆回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガーネットを用いたマイクロ波非相反素子である非可逆回路素子に関し、特に小型集中定数型サーキュレータ及びアイソレータの低挿入損失化と温度特性安定化に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＣ、トランジスター等の半導体素子、積層チップコンデンサ、積層チップインダクタ、チップ抵抗等の受動部品の小型化にともない、これらを表面実装したマイクロ波装置の小型化・薄型化が急速に進行している。このような動きの中で、マイクロ波装置を構成する上できわめて重要なマイクロ波非相反素子である非可逆回路素子の小型化・薄型化が望まれている。このような市場のニーズに対応し、非可逆回路素子である集中定数型サーキュレータ・アイソレータを小型化しようとすると必然的に挿入損失が増え、反射損失や逆方向損失が悪化するという問題があった。とりわけ挿入損失は携帯電話の蓄電池の持続時間に直接影響を与え、その低減が強く望まれている。
【０００３】
図１０は、従来技術の集中定数型サーキュレータの中心導体の状態を示す概略構造平面図である。図１１は図１０のＡ−Ａ’構造断面図であり、中心導体１とガーネット２以外に直流磁界を印加するための磁気回路も同時に示す。３組の中心導体１ａ，１ｂ，１ｃは円板状ガーネット２の上に、放射状に積み重ねられた状態で配置されている。４は絶縁シートで各中心導体１ａ，１ｂ，１ｃが交差部で短絡しないように設けられている。この中心導体１ａ，１ｂ，１ｃの一方は入出力端子（○１，○２，○３）となり、他方は共通部３につながり、接地（この場合は地導体である強磁性金属ケース６）されている。各入出力端子（○１，○２，○３）と共通部３（地導体）の間に、負荷容量Ｃが接続され、サーキュレータの動作周波数を決めている。
【０００４】
そして、所望のインピーダンスでサーキュレータ動作を実現するために、ガーネット２に直流磁界を印加するフェライト磁石５が配置される。このフェライト磁石５は、強磁性金属ケース６の上面に内接している。一方ガーネット２は、中心導体の共通部３を介して強磁性金属ケース６の下面に内接している。このフェライト磁石５は、矢印のように着磁されており、これによりガーネット２も矢印のように磁化される。尚、図１１では中心導体の端部は１ａ、１ｂのみ示した。１ｂの上方に配置される１ｃ及び絶縁シート４は省略している。また、この従来技術において、図中の点線で示すように、エネルギー吸収抵抗Ｒｏを入出力端子（○３）と地導体の間に接続することにより、アイソレータを構成することができる。
【０００５】
図１２は従来技術のもう一つの例である。この従来例は、２枚のガーネット２ａ、２ｂを用いたトリプレートの断面構造図である。導電性共通部３ａがガーネット２ｂの上面を覆っている。このような構造にすることにより、中心導体１ａを流れる電流による高周波磁界が上下２枚のガーネットに作用するのでインダクタンスが増加し、帯域幅や挿入損失が改善される。簡単のため中心導体の他の端部１ｂ、１ｃと絶縁シート４は省略して示した。
【０００６】
また、他の従来技術として、フェライト磁石に磁性板を貼り付けて、磁束を調整する技術もある。その一例として、特開昭６２−９１００３号公報に記載されたものがある。この従来技術は、フェライト磁石のガーネット対向面に磁石よりも大径の磁性板を固着したものである。この磁性板としては、透磁率の大きいパーマロイ等を用い、磁性板の周囲を削り落とすことによって、ガーネットに加わる磁界を調整するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
次に、集中定数型サーキュレータを低挿入損失化してゆく場合の従来技術の背景となっている考え方について述べる。この集中定数型サーキュレータの挿入損失の原因は、１）電気的損失、２）磁気的損失、３）不整合損失に分けられる。電気的損失は、中心導体や地導体の電気抵抗Ｒによるジュール損失と負荷容量の誘電損失ｔａｎδによるものである。又、磁気的損失は、ガーネットの磁気的損失である。これは、ガーネットの材料定数である強磁性共鳴半値幅ΔＨによるものであるが、実際には直流磁界の不均一性の影響を受ける場合が多い。そして、不整合損失は、サーキュレータのインピーダンスが５０Ωでないために入力端子で反射する反射損失と密閉ケースでないために外部に漏れる輻射損失である。
【０００８】
従って、低挿入損失とするためには、できるだけ電気抵抗Ｒ、ｔａｎδ、ΔＨの小さい材料と部品を用いなければならない。しかし、このような材料、部品を用いても磁気回路的に均一な磁界分布を実現することは極めて困難である。さらに、輻射損失を低減するためには、密閉ケースを用いればよいが、このケース構造は同時に磁界の均一性とも関係するので、密閉ケースで均一な磁界を得ることも容易でない。
【０００９】
さて、挿入損失に関して、実用上はもう一つ大きな問題がある。それは、組立時に各素子の特性、磁界などを調整し、室温で最適状態となるサーキュレータ特性を実現したとしても、周囲温度が変化すると、ガーネットの飽和磁化４πＭｓも、永久磁石による直流磁界も変化する。また、負荷容量も変化する。このため、低温および高温では入力インピーダンスが大きくずれて、挿入損失が増加するという問題である。従って、これらの温度変化するパラメータをうまく組み合わせて、サーキュレータの温度特性安定化を図ることが実用上きわめて重要であるが、その具体的な実現は難しく、十分満足できる低損失かつ温度特性に優れたサーキュレータの実現が望まれている。
【００１０】
本発明は、前述の従来技術の問題点を鑑み、非可逆回路素子の磁界の印加方法を考察することにより、低挿入損失化が実現できかつ温度特性が劣化しない非可逆回路素子の発明に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、第１のガーネット、該第１のガーネット上に互いに絶縁状態で配置された複数の中心導体、該中心導体の各々の一端は地導体に接続され、前記中心導体の各々の他端が入出力端子となり、かつ該入出力端子と地導体の間にそれぞれ負荷容量が接続され、前記第１のガーネットに直流磁界を印加する永久磁石を備え、これらが金属製ケース内に収納された構造の非可逆回路素子において、前記永久磁石と前記中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置した非可逆回路素子である。
【００１２】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークを、前記永久磁石及び前記中心導体の両方に接する様に配置しても良いし、前記永久磁石の中心導体側に接合しても良いし、前記中心導体の上に接合しても良い。この中心導体とガーネット製ヨークを接合する場合、前記ガーネット製ヨークと前記中心導体の間に、絶縁体を介在させても良い。
【００１３】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークの直径が前記第１のガーネットの直径に比較して、０．８倍から１．４倍の範囲にあることが好ましい。
【００１４】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークの厚さが前記第１のガーネットの厚さに比較して、０．３倍から１．５倍の範囲にあることが好ましい。
【００１５】
また本発明は、前記ガーネット製ヨークの飽和磁化４πＭｓが前記第１のガーネットの飽和磁化４πＭｓに比較して、１倍から１．５倍の範囲にあることが好ましい。
【００１６】
また本発明は、前記第１のガーネット及び／あるいは前記ガーネット製ヨークの形状が円板状であり、その円周状の端に０．０５ｍｍ以上の半径の丸みをついても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、永久磁石と第１のガーネット上に配置された中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置することにより、磁界分布を適正化し、低損失な非可逆回路素子を構成することができる。しかも、温度特性の安定した非可逆回路素子を提供し得ることができ、携帯電話などマイクロ波機器において、きわめて有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の主眼は、非可逆回路素子の新しい磁気回路を提供することである。特に、小型集中定数型サーキュレータ・アイソレータにおいて、効果が大きいものである。また、アイソレータは上記のとおり、サーキュレータの一端子をエネルギー吸収抵抗に接続し、そのエネルギー吸収抵抗を接地することで構成され、サーキュレータと同様の技術で達成されるものであり、集中定数型サーキュレータにて説明する。以下、本発明の内容を実施例を用いて詳細に説明する。尚、符号は同一機能の部材については同一符号を付けている。但し、必ずしも全く同一のものを示しているものではない。
【実施例】
【００１９】
図１は、本発明に係る第１実施例の断面構造を示す図である。この実施例の構造を説明する。フェライト磁石５は強磁性金属ケース６の上面に内接している。第１のガーネット２は中心導体の共通部３を介して強磁性金属ケース６の下面に内接している。本発明のガーネット製ヨーク７がフェライト磁石５の第１のガーネット２に対向する面に設けられている。このフェライト磁石５は矢印のように着磁されており、これによりガーネット製ヨーク７、及び第１のガーネット２が矢印のように磁化される。中心導体は、従来技術と同様であり、中心導体の端部は１ａのみ示した。上方に配置される１ｂと１ｃと絶縁シート４は省略している。
【００２０】
本発明の構造は、従来技術のトリプレート構造である図１２と一見類似しているが、作用としては全く異なるものである。その理由は、図１２の従来構造では、ガーネット２ｂは、ガーネット２ａとともにサーキュレータ動作としての非相反素子として作用する。従って、サーキュレータの性能は、フェライト磁石５の磁界分布の影響を直接受け、磁気的損失を発生し易い。これに対して、本発明のガーネット製ヨーク７は、サーキュレータ動作に直接作用するものではなく、磁気回路のヨークとして作用するものである。最大の効果は、フェライト磁石５による急峻な磁界分布をやわらげる作用である。
【００２１】
また本発明は、これ以外に、フェライト磁石５により第１のガーネット２に印加される直流磁界の温度係数を大きくする作用がある。我々の研究では、サーキュレータを薄型化してゆくとガーネットに作用する実際の磁界強度の温度特性がフェライト磁石の残留磁束密度の温度係数より小さくなる。この点から見ると、一般にガーネットの飽和磁化の温度係数はフェライト磁石の温度係数よりも大きいので、本発明の構造では、ガーネット製ヨーク７が磁気回路的に直列的に作用し、第１のガーネット２にかかる直流磁界の温度係数を大きくし、結果的にサーキュレータの温度特性を安定化させる作用がある。
【００２２】
本発明に係る第１実施例の構造にて、９００ＭＨｚ帯の集中定数型アイソレータを構成し、電気特性を測定した。この電気特性を図４に示す。図４において、ロが実施例、イが従来構造である。一番上の図は反射損失Ｓ１１、中央の図は挿入損失Ｓ２１、下の図は逆方向損失Ｓ１２を示す。挿入損失Ｓ２１のピーク値で比較すると、従来技術の構造では、イに示すように０．４２ｄＢである。しかし、本発明の構造の実施例では、挿入損失のピーク値が０．３０ｄＢと０．１２ｄＢも改善されているのが分かる。
【００２３】
これはガーネット製ヨーク７の存在により、第１のガーネット２にかかる直流磁界の分布が改善されたことによるものである。本実施例では第１のガーネット２及びガーネット製ヨーク７として３．７ｍｍφ×０．３５ｍｍｔのものを用いたが、この第１のガーネット２及びガーネット製ヨーク７の直径の関係が極端に異なるもの同士の組み合わせは、本発明の効果が薄いことが実験の結果分かった。すなわち、ガーネット製ヨーク７の直径が第１のガーネットの直径の１．４倍より大きいと、ガーネット製ヨークによるシールド効果が強まり、フェライト磁石５による磁力が効果的に第１のガーネットに伝わりにくい。また、逆にガーネット製ヨーク７の直径が第１のガーネットの直径の０．８倍未満であると、ガーネット製ヨークによる磁界分布改善の効果が顕著に現れにくくなる。従って、ガーネット製ヨーク７の外径は、第１のガーネットの直径の０．８倍から１．４倍であることが好ましい。更に好ましくは、０．９倍から１．１倍である。
【００２４】
また、ガーネット製ヨークの厚さについても同様であり、ガーネット製ヨークの厚さが第１のガーネットの厚さに比較し１．５倍より大きくなるとシールド効果が強くなり、ひいては第１のガーネットへの印加磁界が不足する。逆に０．３倍未満になるとほとんど効果が無いことを確認した。
【００２５】
さらに、ガーネット製ヨークと第１のガーネットの４πＭｓは第１実施例では同じものを用いたが、ガーネット製ヨークの４πＭｓを僅かに大きくし、約１．３倍にしても効果があることが分かった。しかし、ガーネット製ヨークの４πＭｓが１．５倍より大きくなると、この部分における強磁性共鳴吸収が大きくなり、サーキュレータ性能が著しく劣化することを確認した。
【００２６】
図２は本発明に係る第２実施例の断面構造を示す図である。図１と異なる点は、第１のガーネット２の円周部分が丸みＲを持つように加工されている点である。このような構造を用いた場合の第２実施例の電気特性を第１実施例と比較して図５に示す。図５において、ロが第１実施例、ハが第２実施例である。挿入損失Ｓ２１のピーク値で比較すると、第１実施例ロでは、０．３０ｄＢである。しかし、第２実施例ハでは、挿入損失のピーク値が０．２５ｄＢと０．０５ｄＢも改善されているのが分かる。これは第１のガーネット２の端部の周りが丸みを帯びることにより、第１のガーネット２にかかる直流磁界の分布がさらに改善されたことによるものである。本実施例では第１のガーネット２として３．７ｍｍφ×０．３５ｍｍｔのものを用いたが、この端部の丸みの半径は約０．１ｍｍであった。実験では半径が０．０５ｍｍ以上あれば効果が現れることを確認した。
【００２７】
図３は本発明に係る第３実施例の断面構造を示す図である。図２と異なる点は、第１のガーネット２の円周部分の丸みの代わりにガーネット製ヨーク７の円周部の片面側だけを丸みＲ加工されている点である。このような構造を用いた場合の本実施例の電気特性はほぼ第２実施例と同じような特性が得られた。この場合も、ガーネット製ヨーク７の端部の周りの丸みにより、第１のガーネット２にかかる直流磁界の分布が改善されたことによるものである。
【００２８】
図６は従来技術の図１１の構造を用いた場合の集中定数型アイソレータの電気性能の温度特性を示す。太い実線は＋２５℃、粗い点線は＋８５℃、細かい点線は−３５℃の特性である。従来技術の磁気回路では挿入損失Ｓ２１のピーク値が０．４ｄＢと悪いだけでなく、温度変化とともに中心周波数が大きく変動しているのが分かる。特に高温における特性変化が大きい。これは、小型・薄型のアイソレータ構造では、見かけ上フェライト磁石によりガーネット２に印加される磁界強度の温度係数が小さくなるからである。
【００２９】
図７はガーネット製ヨークを磁気回路のヨークとして用いた場合の本発明の第１実施例の温度特性を示す。このガーネットの存在により、挿入損失Ｓ２１のピーク値が０．３ｄＢと小さくなるとともに中心周波数の温度変化が極めて小さくなることが分かる。これは、ガーネット製ヨークが磁気回路的に直列に作用し、第１のガーネットに印加される磁界強度の温度係数を大きくしているためである。これにより、本発明の非可逆回路素子の温度特性がきわめて安定していることがわかる。
【００３０】
本発明に係る第４実施例の断面構造を図８に示す。この実施例では、ガーネット製ヨーク７が、第１のガーネット２の一面上に互いに絶縁状態で配置された３組の中心導体１の上に配置されている。この実施例によっても、第１実施例と同様の特性を得ることができた。この実施例の場合、ガーネット製ヨーク７と中心導体との間に絶縁体を介在させても良い。この第４実施例の構造は、図１２の従来構造に良く似ているが、このガーネット製ヨーク７には、取り巻く導体がなく、図１２のように導体３ａがガーネット２ｂを取り巻いてない。この差は、上記説明の通り、作用効果が異なるものであり、全く別の構造である。
【００３１】
本発明に係る第５実施例の断面構造を図９に示す。この実施例では、ガーネット製ヨーク７は、フェライト磁石５及び中心導体１の両方に接している。この構造によっても第１実施例と同様の特性を得ることが出来た。この実施例の場合もガーネット製ヨーク７と中心導体１の間、又はガーネット製ヨーク７とフェライト磁石５との間に、絶縁体などの介在物を介在させていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、永久磁石と第１のガーネット上に配置された中心導体との間に、ガーネット製ヨークを配置することにより、磁界分布を適正化し、低損失な非可逆回路素子を構成することができる。しかも、温度特性の安定した非可逆回路素子を提供し得ることができ、携帯電話などマイクロ波機器において、きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る第１実施例の構造断面図である。
【図２】本発明に係る第２実施例の構造断面図である。
【図３】本発明に係る第３実施例の構造断面図である。
【図４】従来技術と本発明の第１実施例の電気特性比較図である。
【図５】本発明の第１実施例と第２実施例の電気特性図である。
【図６】従来技術の集中定数型アイソレータの温度特性図である。
【図７】本発明の第１実施例の温度特性図である。
【図８】本発明に係る第４実施例の構造断面図である。
【図９】本発明に係る第５実施例の構造断面図である。
【図１０】従来技術の集中定数型サーキュレータ・アイソレータ内部構造平面図である。
【図１１】従来技術の集中定数型サーキュレータの断面構造図である。
【図１２】従来技術の別の集中定数型サーキュレータの断面構造図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  中心導体
２  第１のガーネット
３  共通部（地導体）
４  絶縁シート
５  永久磁石
６  強磁性金属ケース
７  ガーネット製ヨーク
【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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