(57)【要約】【課題】挿入損失が小さくその帯域幅が広い二中心導体型非可逆素子を提供する。【解決手段】互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１中心導体、第２中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板には静磁界を印加し、第１中心導体の一端を第１入出力端子、第１中心導体の他端を第２入出力端子とし、第２中心導体の一端と第１入出力端子の間に第１インピーダンス素子、第２中心導体の一端と第２入出力端子の間に第２インピーダンス素子を接続し、かつ前記第１中心導体の一端と他端の間に第３インピーダンス素子を接続し、第２中心導体の他端を共通部に接続するとともに、第２中心導体の一端と共通部の間に第４インピーダンス素子を接続した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１中心導体、第２中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板には静磁界が印加されており、第１中心導体の一端が第１入出力端子、第１中心導体の他端が第２入出力端子となり、第２中心導体の一端と第１入出力端子の間に第１インピーダンス素子、第２中心導体の一端と第２入出力端子の間に第２インピーダンス素子を接続し、かつ前記第１中心導体の一端と他端の間に第３インピーダンス素子を接続し、第２中心導体の他端は共通部に接続されるとともに、第２中心導体の一端と共通部の間に第４インピーダンス素子を接続したことを特徴とする二中心導体型非可逆素子。
【請求項２】
前記第１インピーダンス素子と第２インピーダンス素子が抵抗素子であることを特徴とする請求項１記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項３】
前記第３インピーダンス素子と第４インピーダンス素子がキャパシタンス素子よりなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項４】
前記第１インピーダンス素子の抵抗素子の値をＲ１、前記第２インピーダンス素子の抵抗素子のＲ２とした場合、０．１＜（Ｒ２／Ｒ１）＜１０であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項５】
第２中心導体と第３中心導体のなす角度が４０度から１４０度の範囲内あることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項６】
前記第１、第２中心導体の少なくとも一つの中心導体の中央部分が３本以上の導体に分かれていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項７】
前記共通部が地導体に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の二中心導体型非可逆素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波用非可逆素子であるサーキュレータ・アイソレータ、特に挿入損失が小さく広帯域特性を有する二中心導体型非可逆素子の分野に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
現在の高周波用非可逆素子であるアイソレータの技術状況としては、三端子対接合型サーキュレータの一つの端子を整合インピーダンスで終端したものが一般的である。これに対して、図１５に示すような簡単な構造の二中心導体型アイソレータが提案されて久しい（例えば特許文献１）。これは図１４に示すように、二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２をフェライト薄板Ｇの上に直交して配し、それぞれの一端を入出力端子▲１▼、▲２▼とし、他端ＧＲを接地した構造である。フェライト薄板Ｇの主面には垂直に静磁界が印加されているが、図面では省略してある。入出力端子▲１▼、▲２▼と地導体ＧＮＤの間には整合容量Ｃ１、Ｃ２が接続されている。また、エネルギー吸収用抵抗素子Ｒが入出力端子▲１▼、▲２▼の間に接続されている。
【０００３】
簡単に、図１５の従来技術の回路動作を説明する。まず、入出力端子対▲１▼から進入したマイクロ波は第１中心導体Ｌ１に流れ、フェライト薄板Ｇを高周波的に磁化し、その高周波磁化が第２中心導体Ｌ２に電圧を誘起して、エネルギーが入出力端子対▲２▼に伝わる。いわゆる直交した二中心導体型のトランスである。通常は、二つの導体が直交していると相互作用は発生しないが、フェライト薄板Ｇが強磁性体であり、それが外部から静磁界を印加されているので、いわゆる強磁性共鳴現象により高周波磁化の一方向の首ふり運動が引き起こされ、二つの直交した中心導体が結合するようになる。このとき、入出力端子対▲１▼から入力したマイクロ波と入出力端子対▲２▼から出力したマイクロ波の位相が同じであれば、入出力端子対▲１▼、▲２▼間に接続された抵抗素子Ｒに電流は流れないが、逆位相であれば、電流が流れ、エネルギー損失が発生する。図１４、図１５の構成では、フェライト薄板Ｇの飽和磁化４πＭｓ、その寸法、二中心導体の形状、磁界強度、整合容量Ｃ１、Ｃ２などの、微妙な設計や調整により、入出力端子対▲１▼から入出力端子対▲２▼には同位相でマイクロ波がつたわり、入出力端子対▲２▼から入出力端子対▲１▼には逆位相でつたわるいわゆる非可逆移相器を実現することができる。従って、抵抗素子Ｒを入出力端子対▲１▼、▲２▼間に接続した図１５の回路は、入出力端子対▲１▼から入出力端子対▲２▼には無損失でエネルギーが伝わり、入出力端子対▲２▼から入出力端子対▲１▼には大きな損失となる二中心導体型非可逆素子を実現できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この回路はこれまで余り顧みられなかった。その理由は、大きな逆方向損失が得られ、比較的低磁界で動作が可能であるものの、挿入損失の帯域幅が狭く、挿入損失をなかなか低減することができないためである。
本発明は、上記従来技術の状況を鑑みてなされたもので、挿入損失が小さくその帯域幅が広い二中心導体型非可逆素子を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための方法】
本発明の請求項１は、互いに電気的に絶縁状態で交差するように、第１中心導体、第２中心導体をフェライト薄板に近接して配し、該フェライト薄板には静磁界が印加されており、第１中心導体の一端が第１入出力端子、第１中心導体の他端が第２入出力端子となり、第２中心導体の一端と第１入出力端子の間に第１インピーダンス素子、第２中心導体の一端と第２入出力端子の間に第２インピーダンス素子を接続し、かつ前記第１中心導体の一端と他端の間に第３インピーダンス素子を接続し、第２中心導体の他端は共通部に接続されるとともに、第２中心導体の一端と共通部の間に第４インピーダンス素子を接続したことを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項２は、前記第１インピーダンス素子と第２インピーダンス素子が抵抗素子であることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項３は、前記第３インピーダンス素子と第４インピーダンス素子がキャパシタンス素子よりなることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項４は、前記第１インピーダンス素子の抵抗素子の値をＲ１、前記第２インピーダンス素子の抵抗素子のＲ２とした場合、０．１＜（Ｒ２／Ｒ１）＜１０であることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項５は、第２中心導体と第３中心導体のなす角度が４０度から１４０度の範囲内あることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項６は、前記第１、第２中心導体の少なくとも一つの中心導体の中央部分が３本以上の導体に分かれていることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
本発明の請求項７は、前記共通部が地導体に接続されていることを特徴とする二中心導体型非可逆素子である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図１は本発明の原理を示す一つの実施例である中心導体とフェライト薄板組立図を示す。円板状のフェライト薄板Ｇの上に、第１、第２中心導体Ｌ１、Ｌ２が電気的絶縁状態を保ちながら交差して配されている。従来技術と異なる点は、第１中心導体Ｌ１の一端が入出力端子▲１▼、他端が入出力端子▲２▼になっていることである。第２中心導体の他端は共通部ＧＲに接続されている。通常は、ＧＲは地導体ＧＮＤに接続される。このような構成にすることにより、挿入損失の帯域幅が飛躍的に向上した。なお、前記電気的絶縁状態は図には記していないが、テフロン（登録商標）やポリイミドなどの粘着性テープをそれぞれの中心導体間に挿入することにより達成される。また、中心導体の表面にレジストのような絶縁性被膜をほどこしても実現できる。なお、第１、第２中心導体Ｌ１、Ｌ２の交差角度φの定義は後述されるが、その定義によれは、この場合の交差角度φは９０度である。
【０００７】
図２は、本発明の実施例である図１の中心導体とフェライト薄板組立体に付属部品を接続して、アイソレータとして実現した回路図である。前記フェライト薄板Ｇは永久磁石により静磁界が印加されるがこれは図面には記載されていない。第１中心導体Ｌ１の両端はそれぞれ入出力端子▲１▼、▲２▼となっている。第２中心導体Ｌ２の一端と入出力端子▲１▼との間には第１インピーダンス素子Ｚ１が、第２中心導体Ｌ２の一端と入出力端子▲２▼との間には第２インピーダンス素子Ｚ２がそれぞれ接続されている。前記入出力端子▲１▼と▲２▼の間には第３インピーダンス素子Ｚ３が接続されている。かつ第２中心導体の一端と共通部ＧＲの間には第４インピーダンス素子Ｚ４が取り付けられている。第２中心導体の他端は共通部ＧＲに接続されている。これが本発明の基本的な構造である。
【０００８】
図３は、本発明の基本構造ある図２の回路において、実際に具体的な素子を当てはめた本発明の原理を示すもう一つの実施例である。すなわち、第１インピーダンス素子Ｚ１として抵抗素子Ｒ１、第２インピーダンス素子Ｚ２として抵抗素子Ｒ２、第３インピーダンス素子Ｚ３としてキャパシタンス素子Ｃ１、第４インピーダンス素子Ｚ４としてキャパシタンス素子Ｃ２とした。本回路において、回路解析を行い、実際の入出力特性をコンピュータにより求めた。但し、計算条件は次のとおりである。
【０００９】
中心周波数；１０００ＭＨｚ
フェライト薄板の飽和磁化４πＭｓ；９００Ｇ
空芯インダクタンス；０．９ｎＨ
外部の測定系インピーダンス；５０Ω
【００１０】
ここでいう空芯インダクタンスとは、一つの中心導体がファライト薄板を巻回したままの形状を保ちながら、フェライト薄板Ｇを取り除いたときの中心導体Ｌ１、Ｌ２のインダクタンスＫ１、Ｋ２である。もしくは、フェライト薄板Ｇの高周波透磁率を１とした場合に相当する。実験的には、フェライト薄板と同じ形状の低誘電率の誘電体に一つの中心導体を巻回したときのインダクタンスである。計算の都合上、第１、第２中心導体の形状は同じとし、かつ二つの中心導体の結合は完全であるとした。すなわち、Ｋ１＝Ｋ２とし、計算上は漏洩インダクタンスを考慮していない。
【００１１】
図４の実線は、図３の回路を前記条件で計算した本実施例の挿入損失の周波数特性を示す。但し、Ｒ１＝Ｒ２＝５０Ωとした。このとき必然的に、Ｃ１＝Ｃ２＝１２．８ｐＦと導かれる。点線は、同じ条件で計算した図１５の従来技術で計算した挿入損失の周波数特性を示す。但し、Ｒ＝５０Ωとし、Ｃ１＝Ｃ２＝１２．８ｐＦと同じ結果を得た。本計算では、損失係数を考慮していない。そのため中心周波数で損失はいずれの場合も零となる。このとき、回路の素性は挿入損失の帯域幅により決定されると考えられる。図４において本発明の実線と従来技術の点線を比較して明らかなように、本発明の回路の挿入損失が従来技術よりかなり勝っていることがわかる。
【００１２】
図５の実線は、図３の回路を前記条件で計算した本実施例の入力端子反射損失の周波数特性を示す。点線は、同じ条件で計算した図１５の従来技術で計算した入力端子反射損失の周波数特性を示す。図５におけて本発明の実線と従来技術の点線を比較して明らかなように、本発明の回路では入力端子反射損失の２０ｄＢ比帯域幅が１５．１％もあり、従来技術の４．７％の３倍近くもある。本発明の回路が従来技術の回路より大きく勝っていることが明らかである。
【００１３】
図６の実線は、図３の回路を前記条件で計算した本実施例の出力端子反射損失の周波数特性を示す。点線は、同じ条件で計算した図１５の従来技術で計算した出力端子反射損失の周波数特性を示す。この場合も、図５と同じように、本発明の回路では出力端子反射損失の２０ｄＢ比帯域幅が１５．１％もあり、従来技術の４．７％の３倍近くもある。この場合も、本発明の回路が大きく勝っている。
【００１４】
図７の実線は、図３の回路を前記条件で計算した本実施例の逆方向損失の周波数特性を示す。点線は、同じ条件で計算した図１５の従来技術で計算した逆方向損失の周波数特性を示す。この場合は、従来技術の方が、±１０％の比帯域幅の範囲で、４０ｄＢ以上もあり、従来技術の方がはるかに優れていることがわかる。本発明の技術では、逆方向損失の比帯域幅が４．７５％しかなく、劣っている。しかし、実際の携帯電話端末用のアイソレータとしては、あまり逆方向損失の仕様は厳しくなく、むしろ挿入損失の要求特性が高いことから、本発明のように挿入損失が小さくかつ反射損失の帯域幅が広いことが市場からは歓迎される。
【００１５】
これまでの実施例では、Ｒ１＝Ｒ２＝５０Ωであるとした。次に、Ｒ１＝５０Ωと一定にして、Ｒ２を種々変化させても、本発明の二中心導体型非可逆素子は優れたアイソレータとしての性能を有することが分かった。極端な例として、Ｒ２＝０Ω（短絡）、Ｒ２＝∞（開放）の場合のアイソレータ特性を他の実施例として示す。
図８は、本発明の他の実施例において、Ｒ２の値を変えた場合の挿入損失の周波数特性を計算した結果である。実線がＲ２＝５０Ω、細かい点線がＲ２＝０Ω、粗い点線がＲ＝∞に対応する。この図からＲ２＝０Ωの場合が最も挿入損失が小さく、Ｒ２＝∞で一番大きくなる。Ｒ２＝５０Ωはその丁度中間に位置する。
【００１６】
図９は、図８と同じ条件で計算した出力端子反射損失の周波数特性を示す。Ｒ２＝５０Ωの場合、出力端子反射損失の帯域幅は一番広く、Ｒ２＝０Ωもしくは、Ｒ＝∞の場合、出力側の反射損失の帯域幅が著しく狭くなっている。ここで、図示はしていないが、Ｒ２を種々変化させても入力端子反射損失はほぼ１５％と一定した幅広い帯域幅が得られた。このように、Ｒ２＝５０Ωのときに、出力側反射損失の帯域幅が最も広く、実用的であるという結果を得た。
【００１７】
図１０は、図９の結果をまとめて、横軸をＲ２／Ｒ１の対数目盛りとし、縦軸に出力端子反射損失を示したものである。この図から分かるように、Ｒ２＝５０Ωが最適である。しかし、Ｒ２が、二つの特異点、Ｒ２＝０Ω及びＲ２＝∞より離れ、有限な値を持つようになると、出力端子反射損失の帯域幅が図１０のように広がることから、本発明の効果の請求範囲を、０．１＜Ｒ２／Ｒ１＜１０とした。
【００１８】
図１１は、本発明の他の実施例を示す、フェライト薄板Ｇと第１、第２中心導体Ｌ１、Ｌ２の配置状況を示す。本実施例の特徴は、入出力端子となる第１中心導体の形状を平行二線ではなく、平行三線とした場合である。このような状態にすることにより、挿入損失のさらなる低減を実現することができた。また、フェライト薄板Ｇとして矩形状のものが用いられている。
【００１９】
図１２は、本発明のもう一つの実施例を示すものである。一般に、二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２の間には線間容量、寄生キャパシタンス、寄生インダクタンスが存在するので、この種のリアクタンス部分を打ち消すことが難しい場合がある。このときには、図１２に示すように、二つの中心導体の角度φを変えることにより、除去することができる場合がある。図１２（ａ）はφ＜９０度、（ｂ）はφ＞９０度の場合である。寄生リアクタンスの種類により、この二つのやり方を選択して用いる。本発明の請求範囲としては、４０度＜φ＜１４０度とした。
【００２０】
図１３は、本発明のもう一つの実施例を示し、第２中心導体Ｌ２が平行二線ではなく、不平行二線の場合である。（ａ）の場合は、共通部に接続される第２中心導体Ｌ２の他端側が広く、一端側が狭くなる。（ｂ）は反対に、第２中心導体の一端側が広く、他端側が狭い。これは実質的に図１２の二つの中心導体を傾けたことに相当し、寄生リアクタンスの影響を除去するのに効果がある場合がある。
【００２１】
【発明の効果】
以上実施例を用いて詳述したように、本発明の二中心導体型非可逆素子であるアイソレータは、挿入損失が小さく、その帯域幅も広く、携帯電話機用小型アイソレータをしては好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図２】本発明の技術の二中心導体型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図３】本発明の技術の二中心導体型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【図４】本発明の技術と従来技術の特性比較図
【図５】本発明の技術と従来技術の特性比較図
【図６】本発明の技術と従来技術の特性比較図
【図７】本発明の技術と従来技術の特性比較図
【図８】本発明の技術の効果を説明するための特性図
【図９】本発明の技術の効果を説明するための特性図
【図１０】本発明の技術の効果を説明するための特性図
【図１１】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１２】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１３】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１４】従来の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１５】従来技術の二中心導体型非可逆素子に基づいたアイソレータの等価回路
【符号の説明】
Ｌ１、Ｌ２  …  第１、第２の中心導体
Ｇ  …  フェライト薄板
ＧＲ  …  共通部
ＧＮＤ  …  地導体
Ｃ１、Ｃ２    …  キャパシタンス素子
Ｒ  …  抵抗素子
▲１▼、▲２▼  …  入出力端子
Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４  …  インピーダンス素子
φ  ・・・  第１、第２の中心導体の交差角度
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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