(57)【要約】【課題】  挿入損失が小さくその帯域幅が広く、かつ逆方向損失の帯域幅が広く、二次・三次高調波減衰量が大き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中心導体の一端を前記第２入出力端子、第２中心導体の他端を共通部に接続するとともに、第１中心導体と第２中心導体の角度を９０度超、１３０度以下の範囲内とした。【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中心導体の一端は前記第２入出力端子、第２中心導体の他端は共通部に接続されているとともに、第１中心導体と第２中心導体の角度が９０度超、１３０度以下の範囲内にあることを特徴とする二中心導体型非可逆素子。
【請求項２】
第１中心導体と第２中心導体の角度が１００度〜１３０度の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項３】
前記第１入出力端子と前記第２入出力端子の間に、第１キャパシタンス素子と抵抗素子を接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の二中心導体型非可逆素子。
【請求項４】
前記第２入出力端子と前記共通部の間に第２キャパシタンス素子、前記第１入出力端子と前記共通部の間に第３キャパシタンス素子を接続したことを特徴とする請求項１乃至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】
前記第３キャパシタンス素子の静電容量が、前記第１キャパシタンス素子及び第２キャパシタンス素子より大きい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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１２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いる（特許文献１）。これは図１１に示すように、二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２がフェライト薄板Ｇの上に直交して配された構造となっている。これは、第１中心導体Ｌ１の一端を第１入出力端子１とし、他端を第２入出力端子２するとともに、第２中心導体Ｌ２の一端も第２入出力端子となり、他端は共通部ＧＲを接地された構造である。第１中心導体Ｌ１の他端と第２中心導体Ｌ２の一端が同電位に接続されているの特徴である。図では共通部ＧＲは地導体ＧＮＤに接続されている。
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。第１入出力端子１と第２入出力端子２の間には、第１キャパシタンス素子Ｃ１と抵抗素子Ｒが接続されている。第２入出力端子２と共通部ＧＲの間には第２キャパシタンス素子Ｃ２が接続されている。
【０００３】
図１２の従来技術におけるアイソレータとしての回路動作を、第１入出力端子１を順方向入力端子、第２入出力端子２を逆方向入力端子として、簡単に説明する。
まず、第１入出力端子１から進入したマイクロ波は第１中心導体Ｌ１を通り、第１中心導体Ｌ１の他端に直結した第２中心導体Ｌ２の一端を通って共通部ＧＲに流れる。この二つの中心導体により発生した高周波磁界がフェライト薄板Ｇを励起する。フェライト薄板Ｇには静磁界が印加されているため、フェライト薄板中に誘導される高周波磁束の方向は高周波磁界と同じではない。誘導された高周波磁束が第１中心導体Ｌ１に流れる電流方向と同じになれば、第１中心導体Ｌ１に起電力が誘起されず、Ｌ１のインダクタンスは最小となる。このとき、高周波磁束は第２中心導体Ｌ２と直交するので第２中心導体Ｌ２のインダクタンスは最大となる。図における第２キャパシタンス素子Ｃ２は第２中心導体Ｌ２のインダクタンスと並列共振回路を構成し、中心周波数で共振状態であれば、第２入出力端子２と共通部ＧＲのインピーダンスは開放状態となる。このときの第１中心導体Ｌ１が著しく小さければ、第１入出力端子１から進入したエネルギーは、第２入出力端子２に非常に小さな損失で伝わる。
【０００４】
次に、第２入出力端子２から進入したマイクロ波は、第１中心導体Ｌ１の他端に直結した第２中心導体Ｌ２の一端を通って共通部ＧＲに大きな電流として流れる。第１入出力端子１には整合負荷が接続されているので、第１中心導体Ｌ１にはそれほど大きな電流は流れない。この二つの中心導体により発生した高周波磁界がフェライト薄板Ｇを励起する。このとき、フェライト薄板中に誘導される高周波磁束の方向は、第１中心導体Ｌ１のインダクタンスを高める方向を向くようになる。これにより、二つの入出力端子１、２間に電圧が発生し、抵抗素子Ｒに電流が流れるようになる。第１キャパシタンス素子Ｃ１は第１中心導体Ｌ１のインダクタンスと並列共振回路を構成し、中心周波数で共振状態にあれば、入出力端子間１、２におおきな電圧が発生する。きわめて効率よく抵抗素子Ｒに電流が流れるようになる。すなわち、第２入出力端子２から進入したエネルギーは抵抗素子Ｒで効率よく消耗され、第１入出力端子１にはほとんど伝わらなくなる。
【０００５】
図１１、図１２の構成で、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、キャパシタンス素子Ｃ１、Ｃ２などの、微妙な設計や調整により、第１入出力端子１から第２入出力端子２には低損失でエネルギーが伝わり、第２入出力端子２から第１入出力端子１には大きな損失を有するアイソレータの機能を有する二中心導体型非可逆素子を実現できる。
【特許文献１】特開平０９−２３２８１８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この回路は、入力端子（第１入出力端子１）の反射損失帯域幅が広いものの、逆方向損失の帯域幅及び出力端子（第２入出力端子２）の反射損失の帯域幅が狭いこと、挿入損失が余り小さくならないなどの問題を有している。また、帯域外特性である二次・三次高調波の減衰量がそれほど大きくないという欠点を有していた。
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く、かつ逆方向損失の帯域幅が広く、二次・三次高調波減衰量の大き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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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中心導体の一端は第２入出力端子、第２中心導体の他端は共通部に接続されているとともに、第１中心導体と第２中心導体の角度が９０度超、１３０度以下の範囲内に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２は、第１中心導体と第２中心導体の角度が１００度から１３０度の範囲内に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１入出力端子と前記第２入出力端子の間に、第１キャパシタンス素子と抵抗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４は、前記第２入出力端子と前記共通部の間に第２キャパシタンス素子、前記第１入出力端子と前記共通部の間に第３キャパシタ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５は、前記第３キャパシタンス素子が、前記第１キャパシタンス素子及び第２キャパシタンス素子よりその静電容量が大きい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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、挿入損失が小さくその帯域幅も広く、かつ逆方向損失の帯域幅がひろく、高調波減衰量も大きな二中心導体型非可逆素子であるアイソレータを提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。なお、前記二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２の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。第１中心導体Ｌ１の他端と第２中心導体Ｌ２の一端が同電位で接続され、第２入出力端子２となっているのは従来技術と同じである。従来技術と異なる点は、第１中心導体Ｌ１と第２中心導体Ｌ２の交差角度が９０度ではなく、これよりも大きいφの角度で傾いていることである。φは、第１中心導体Ｌ１の一端と第２中心導体Ｌ２間の交差角度として定義される。
このように、角度φを９０度より大きくすることにより、先に述べた従来技術の多くの欠点を克服する見通しを得ることができた。これが本発明のポイントである。
【００１０】
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。図１２の従来技術の回路図と異なる点は、前述の二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２がφだけ傾いているだけでなく、第１入出力端子１と共通部ＧＲの間に第３キャパシタンス素子Ｃ３が接続されていることである。この回路において、回路解析を行い、入出力特性であるＳパラメータ（散乱係数）の計算を行った。計算条件は以下のとおりである。
【００１１】
中心周波数ｆｏ；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
測定系の特性インピーダンスＺｏ；５０Ω
抵抗素子Ｒ；５０Ω
【００１２】
ここでいう空芯インダクタンスとは、フェライト薄板を巻回した形状を保ったまま、フェライト薄板を取り除いたときの二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２の単独のインダクタンスＫ１、Ｋ１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、計算上はＫ１＝Ｋ２とし、漏洩インダクタンスを考慮していない。
【００１３】
図３は、図２の回路を前記条件で計算した本実施例の挿入損失Ｓ２１の周波数特性を従来技術と比較して示す。φ＝９０度の従来技術の結果は、図中粗い点線で示した。このとき必然的に、Ｃ１＝Ｃ２＝１２．８ｐＦ、Ｃ３＝０ｐＦと導かれた。すなわち入力側に第３キャパシタンス素子Ｃ３を接続する必要はない。実線は、本発明の条件であるφ＝１００度で計算した挿入損失の周波数特性を示す。同じように、細かい点線はφ＝１２０度、一点鎖線はφ＝１３０度に相当する。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ｆｏで損失はいずれの場合も零となる。このとき、回路の挿入損失の素性はその帯域幅により決定されると考えられる。図３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、本発明の挿入損失の周波数特性曲線が従来技術の曲線より上部に位置し、本発明の技術が勝っていることがわかる。
【００１４】
ここで、これらの比較をより定量的にするために、０．９４ｆｏでの挿入損失を代表させて比較することにした。これを縦軸にとり、横軸を二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２の交差角度φをして示したのが図７である。この図から明らかなように、φが９０度より大きくなると挿入損失は小さくなり、約φ＝１０５度で極小（グラフ上は極大）をとり、これよりさらにφが大きくなると挿入損失は急速に大きくなる。また、このとき、入出力端子１、２の整合をとるために、第１入出力端子１と共通部ＧＲとの間に第３キャパシタンス素子Ｃ３が必要となる。同時に、第１、第２キャパシタンスＣ１、Ｃ２の値は小さくなる。それらの関係は、回路解析の結果、次のように導き出された。
【００１５】
Ｃ１＝Ｃ２＝｛Ａ／（ωｓｉｎφ）２｝（１＋ｃｏｓφ）    （１）
Ｃ３＝−｛Ａ／（ωｓｉｎφ）２｝ｃｏｓφ                （２）
【００１６】
ここで、ω＝２πｆで示される角周波数である。Ａは前述の設計パラメータにより決まる比例係数である。第１〜第３キャパシタンス素子Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は中心周波数ｆ０で設計される。φ＞９０度であるので、ｃｏｓφはマイナスである。上式から、φが９０度より大きくなると、第３キャパシタンス素子Ｃ３が現れ、第１、第２キャパシタンス素子Ｃ１、Ｃ２の容量値が小さくなってゆくことが理解できる。特別な場合として、
ｃｏｓφ＝−１／２      （３）
の角度では、Ｃ１＝Ｃ２＝Ｃ３と三つのキャパシタンス素子が同じ値となる。この角度は、φ＝１２０度に相当する。ちなみに、本実施例で挿入損失が最低となるφ＝１０５度ではＣ１＝Ｃ２＝１０．４ｐＦ、Ｃ３＝３．６ｐＦであった。
図７から明らかなように、９０度＜φ＜１１５度の範囲内であれば、挿入損失が従来技術に比較して著しく改善されることが分かる。これが本発明の請求項１で示した角度範囲の一部に相当する。
【００１７】
図４は入力端子反射損失Ｓ１１の周波数特性を示す。図中の実線は本発明の実施例であり、図２の回路を前記条件で計算したφ＝１００度での入力端子反射損失Ｓ１１の周波数特性を示す。粗い点線は、φ＝９０度で計算した従来技術の入力端子反射損失Ｓ１１の周波数特性を示す。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、入力端子反射損失Ｓ１１の２０ｄＢ比帯域幅は従来技術の方が優れている。また、図中細かい点線は、φ＝１２０度に相当し、本発明の他の実施例である。
【００１８】
図５は出力端子反射損失Ｓ２２の周波数特性を示す。図中の実線は本発明の実施例であり、図２の回路を前記条件で計算したφ＝１００度での出力端子反射損失Ｓ２２の周波数特性を示す。粗い点線は、φ＝９０度で計算した従来技術の出力端子反射損失Ｓ２２の周波数特性を示す。また、一点鎖線はφ＝１３０度に相当し、本発明の他の実施例である。この場合は、本発明の実施例であるφ＝１３０度における出力端子反射損失Ｓ２２の２０ｄＢ比帯域幅は６．７％もあり、従来技術の４．７％よりかなり広い。これが本発明のもう一つの特徴である。
【００１９】
ここで、入力端子反射損失Ｓ１１と出力端子反射損失Ｓ２２の２０ｄＢ比帯域幅を縦軸にとり、横軸を二つの中心導体Ｌ１、Ｌ２の交差角度φをして示したのが図８ある。この図から明らかなように、φが９０度より大きくなると入力端子反射損失Ｓ１１の比帯域幅が次第に減少してゆくのに対して、出力端子反射損失Ｓ２２の比帯域幅は次第に増加してゆく。そして、前記の特別な角度φ＝１２０度近傍で、両者の帯域幅は一致する。この角度よりφが大きくなると逆転し、出力端反射損失の比帯域幅がどんどん大きくなる。この傾向が本発明の請求範囲を前述のφ＝１２０度より拡大する理由である。
【００２０】
図６は逆方向損失Ｓ１２の周波数特性を示す。図中の実線は、図２の回路を前記条件で計算したφ＝１００度での本実施例の逆方向損失Ｓ１２の周波数特性を示す。粗い点線は、φ＝９０度で計算した従来技術における逆方向損失Ｓ１２の周波数特性を示す。前図と同様、一点鎖線はφ＝１３０度に相当し、本発明の他の実施例である。この場合も、本発明の実施例ではφ＝１３０度における逆方向損失Ｓ１２の２０ｄＢ比帯域幅が６．７％もあり、従来技術の４．７％よりかなり大きい。これが本発明のもう一つの特徴である。図５と図６を比較し分かるように、両者の傾向はほとんど同じである。
【００２１】
図９は、本発明のさらなる特徴である二次・三次高調波減衰量の改善効果を説明するものである。これも実用上きわめて大事な性能である。φ＝９０度の従来技術では、２ｆｏの減衰量が１０．５ｄＢ、３ｆｏの減衰量が１５ｄＢしかないが、本発明の９０度を超え１３０度の範囲では大幅に減衰量が改善されているのが分かる。
本発明において、交差角度の上限を１３０度とした理由は、これ以上に角度が大きくなると出力端子反射損失Ｓ２２と逆方向損失Ｓ１２の帯域幅や高調波減衰量が改善されるものの、挿入損失Ｓ２１の劣化が激しく、実用に供し得ないと判断したからである。
【００２２】
図１０は、本発明の他の実施例を示す、矩形フェライト薄板Ｇの上に第１、第２中心導体Ｌ１、Ｌ２の配置した状況である。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、フェライト薄板を矩形にすることにより、小型アイソレータの実装性を向上させることが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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、かつ逆方向損失の帯域幅がひろく、高調波減衰量も大きく、携帯電話機用小型アイソレータをして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】本発明の技術と従来技術の特性比較図
【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】本発明の技術の効果を説明するための特性図
【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】本発明の技術による中心導体とフェライト薄板の組立図
【図１１】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１２】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】
【００２５】
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、Ｃ３    …  キャパシタンス素子
Ｒ  …  抵抗素子
１、２  …  入出力端子
φ  ・・・  第１、第２の中心導体の交差角度
【図１】
2005027293.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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2005027293.tif 000011
【図１０】
2005027293.tif 000012
【図１１】
2005027293.tif 000013
【図１２】
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