(57)【要約】【課題】  相互変調歪を十分に抑制しながら、他の特性を劣化させない電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供することを目的とする。【解決手段】    ガーネット部材に重ねて配置されるストリップライン部材を、３方向に延出する第１電極と、隣り合う第１電極の間から３方向に延出する第１線路とを備える構成とし、前記第１線路の各端部側を、第１コンデンサを介して接地するとともに、前記第１電極の延出側の各端部を、第２コンデンサを介して接地する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガーネット部材と、前記ガーネット部材に重ねて配置されるストリップライン部材と、前記ガーネット部材に直流磁界を与える永久磁石を備えた非可逆回路素子であって、
前記ストリップライン部材は、
仮想円の中心から３方向に延出する第１電極と、隣り合う前記第１電極の間から３方向に延出する第１線路とを備え、
前記第１線路の各端部側を、第１コンデンサを介して接地するとともに、前記第１電極の延出側の各端部を、第２コンデンサを介して接地してなり、
前記第１コンデンサを、第１線路の端部側に形成された第２電極と地導体とを前記ガーネット部材を介して対向させて形成し、前記第２コンデンサを、前記第１電極の端部側と前記地導体とを誘電体セラミックを介して対向させて形成したことを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】
前記第２電極から第２線路が延出し、前記第２線路と前記地導体とを誘電体セラミックを介して対向させて第３コンデンサを形成したことを特徴とする非可逆回路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子に関する。  
【背景技術】
【０００２】
アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子は、携帯電話や無線通信装置等（移動局）や、基地局で使用される通信機器等に用いられ、信号を伝送方向のみに通過させ、逆方向への伝送を阻止する機能を有するものであり、分布定数型と集中定数型とに大別される。
分布定数型の非可逆回路素子は、高電力のマイクロ波を扱うのに適しており、マイクロ波通信用基地局の一部を構成する部品として用いられる。図１１は従来の分布定数型の非可逆回路素子（以下単に非可逆回路素子と言う）の構造例を示す分解斜視図である。ここで示した非可逆回路素子は終端抵抗４０を備えたアイソレータであって、金属ケース２５に、アース板１６，１８、ガーネットフェライトでなるガーネット部材７ａ，７ｂ、ストリップライン部材１０、鉄板１９、永久磁石５が収容され、上部は鉄板２６で覆われる構造である。
非可逆回路素子の電気的特性は、ガーネット部材、ストリップライン部材の材質や形状、あるいはマグネットによるガーネット部材への印加磁界の大きさによって大きく変わることが知られている。特許文献１にはストリップライン部材において、ストリップライン４１（以下第１線路と呼ぶ）の分岐部の分岐と分岐の間に、突起電極３０（以下第１電極と呼ぶ）を付加することで、広帯域の非可逆回路素子が得られることが開示されている。
【０００３】
ところで、非可逆回路素子が用いられるマイクロ波通信用基地局は、携帯電話などの移動体端末と公衆回線回路網との接続を受け持つものであって、例えば図１２に示すマイクロ波通信用基地局の回路ブロックのように、非可逆回路素子の他に、アンテナ、ハイパワーアンプ、ローノイズアンプ、フィルタ、周波数変換機を構成するミキサー（混合器）などの回路部品を備えて構成される。
この様なマイクロ波通信用基地局においては、相互変調歪（Ｉｎｔｅｒ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ  ：  ＩＭＤ）特性が構成部品に要求される重要な特性の一つとなっている。複数の系統で送信を同じタイミングで行なう場合に、第２系統のアンテナ２から放射した送信波が第１系統の経路に混入して、第１系統のパワーアンプ１やミキサー１にまで回り込む場合がある。
パワーアンプやミキサーはトランジスタやダイオードなど非線形デバイスを用いて構成され、相互変調歪は非線形デバイスに同時に異なる周波数成分の２信号以上が入力する場合に生じる。例えば、２つの周波数ｆ１，ｆ２の２信号が非線形デバイスに入力すると、その非線形性に基づいて前記２信号の２倍の周波数に２次高調波（２ｆ１，２ｆ２）が発生する。２信号ｆ１，ｆ２と２次高調波２ｆ１，２ｆ２によって、非線形デバイスに入力した２信号ｆ１，ｆ２以外の周波数成分として、（２ｆ１−ｆ２）と（２ｆ２−ｆ１）の側帯波成分が表れ、出力信号の波形を崩して波形の歪を生じてしまう。
【０００４】
この様な相互変調歪が、非線形デバイスを有さない非可逆回路素子においても発生することが知られている。特許文献２には、非可逆回路素子を構成するフェリ磁性体（ガーネットフェライト）の強磁性共鳴半値幅ΔＨを組成制御することで、相互変調歪を制御することが開示されている。また特許文献３もまたガーネットフェライトの組成制御により相互変調歪を改善することを提案している。
【０００５】
【特許文献１】特公昭４１−２１２９０号
【特許文献２】特開２０００−１３１７号
【特許文献３】特開２００７−３６１０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
他の回路部品において、非線形性デバイスの線形性改善が進むなどして相互変調歪が改善される中で、非可逆回路素子における相互変調歪の問題が顕在化してきている。
特許文献２にも開示されているが、非可逆回路素子においては、経験的に永久磁石によりガーネット部材に印加する直流磁場を増すと、相互変調歪が低下することが以前から知られていた。一方で単純に直流磁場を増すだけでは、挿入損失の帯域幅や、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ、アイソレーション特性が劣化することも知られている。このため非可逆回路素子の相互変調歪の改善は直流磁界を増す方法は採用されず、専らガーネットフェライトの組成制御によって相互変調歪の改善することが行なわれてきたが、この対策にも限界があり、他の良い方法が強く求められていた。
そこで本発明では、相互変調歪を十分に抑制しながら、他の特性を劣化させない電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ガーネット部材と、前記ガーネット部材に重ねて配置されるストリップライン部材と、前記ガーネット部材に直流磁界を与える永久磁石を備えた非可逆回路素子であって、前記ストリップライン部材は、仮想円の中心から３方向に延出する第１電極と、隣り合う前記第１電極の間から３方向に延出する第１線路とを備え、前記第１線路の各端部側を、第１コンデンサを介して接地するとともに、前記第１電極の延出側の各端部を、第２コンデンサを介して接地してなり、前記第１コンデンサを、第１線路の端部側に形成された第２電極と地導体とを前記ガーネット部材を介して対向させて形成し、前記第２コンデンサを、前記第１電極の端部側と前記地導体とを誘電体セラミックを介して対向させて形成したことを特徴とする非可逆回路素子である。
【０００８】
前記第２電極から延出する第２線路と前記地導体とを誘電体セラミックを介して対向させて第３コンデンサを形成するのも好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、相互変調歪を十分に抑制しながら、他の電気的特性にも優れた非可逆回路素子を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る非可逆回路素子の一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】本発明に係る非可逆回路素子の外観斜視図である。
【図３】本発明に係る非可逆回路素子の内部構造を説明するための平面図である。
【図４】本発明に係る非可逆回路素子の内部構造を説明するための平面図である。
【図５】本発明に係る非可逆回路素子に用いるストリップ部材の構成例を示す平面図である。
【図６】本発明に係る非可逆回路素子の内部構造を説明するための平面図である。
【図７】相互変調歪特性の測定回路ブロック図である。
【図８】実施例と比較例の非可逆回路素子の挿入損失周波数特性図である。
【図９】実施例と比較例の非可逆回路素子のＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒ周波数特性図である。
【図１０】実施例と比較例の非可逆回路素子のアイソレーション周波数特性図である。
【図１１】比較例の非可逆回路素子の分解斜視図である。
【図１２】マイクロ波通信用基地局の回路ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、終端抵抗を備えたアイソレータを例にとり、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子について説明する。図１は、本発明の一実施例に係る非可逆回路素子の分解斜視図であり、図２はその外観斜視図である。
【００１２】
この非可逆回路素子は、金属ケース２５の内側に図示した順序で底部より構成部材が積み重ねられ構成される。金属ケース２５は後述する鉄板２６とともに磁気回路を形成するのでＳＰＣＣ等の磁性材料で形成される。また高周波電流の経路にもなるため、電気的特性を向上するように、電気抵抗率の小さい金属めっきが施される。その電気抵抗率は１．０×１０−７Ω・ｍ以下であるのが好ましい。
金属ケース２５の内側底部には、薄銅板からなるアース板１６が配置される。薄銅板は、その厚みが０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍのものを用い、その表面は酸化を防ぐようにＡｇやＡｕめっき等の保護めっきが施されている。なお保護めっきは、電気的特性を劣化させない様に電気抵抗率の小さい金属めっきが選択され、その電気抵抗率は１．０×１０−７Ω・ｍ以下のものが好ましい。後述するアース板１８もまた金属めっきが施されている。
アース板１６の外径は金属ケース２５に配置容易な様に、その内径寸法よりも小さく形成され、その３箇所には突片が設けられており、アース板１６は金属ケース２５の内側底面と壁部内側と当接する。金属ケース２５は鉄板２６とともに非可逆回路素子の接地面として機能し、アース板１６はアース板１８とともに地導体を構成する。
【００１３】
アース板１６の上には、図３の平面図に示す様に、略円板状のガーネット部材７ａが配置され、ガーネット部材７ａの外周側に誘電体セラミックからなるチップ部材４が配置される。アース板１６には他の部品との位置関係を明確にするように斜線を付した。ガーネット部材７ａの外周の３箇所には、チップ部材４の配置が容易な様に、平坦部が形成されている。この平坦部は全く無くても良いが、チップ部材４の数に応じて設ければ、その配置が容易であるので好ましい。ガーネット部材７ａの形状は得に円形状に限定されず、多角形状であってもかまわない。
【００１４】
そして、図４の平面図に示す様に、金属ケース２５の突片部２９には抵抗４０が配置され、更にガーネット部材７ａ、チップ部材４、抵抗４０に重ねてストリップライン部材１０が配置される。ここではガーネット部材７ａにも斜線を付した。
図５はストリップライン部材１０の形状例を示す平面図である。また、図６はストリップライン部材１０、ガーネット部材７ａ、誘電体チップ４の配置状態を示す部分拡大平面図である。このストリップライン部材１０は、厚さ３０〜２５０μｍの薄板金属板をエッチングして形成される。
第１の仮想円の中心部（接合部）からその外周まで３方向に延出する第１電極３０を備え、隣り合う第１電極３０の間から、前記第１の仮想円と同心円の第２の仮想円の外周まで延出する第１線路４１が設けられている。第１線路４１はアース板１６，１８との間に位置してストリップラインを構成する。なおガーネット部材７ｂ、アース板１８を設けない構成の場合はマイクロストリップラインとなる。
【００１５】
さらに第１線路４１の端部側には、ガーネット部材７ａの外周縁に到るまでの部分に、整合回路として機能する第２電極３５が形成されている。第２電極３５は、第１線路４１と第１電極３０との間に広がる領域を含み、前記第１線路４１の端部側で第３の仮想円の外周までの間に形成される。非可逆回路素子の小型化に伴って、ガーネット部材７ａも所定の周波数で動作するように最適設定された形状よりも小型となっている。このため、ストリップライン部材１０においては、第１線路４１のλ／４線路長を確保するのが困難であるとともに、ガーネット部材７ａ上に占める前記接合部の面積は、ガーネット部材７ａの面積よりも大きく減じざるを得ない。そこで第２電極３５によって、動作周波数のずれと帯域幅の狭帯化を補償している。前記第２電極３５は、ガーネット部材７ａ，７ｂを介してアース板１６，１８と対向して接地コンデンサ（第１コンデンサ）を形成する。
【００１６】
第１電極３０の端部はガーネット部材７ａの外周を超えて延出する。第１の仮想円の直径Ｄ１と、第２の仮想円の直径Ｄ２と、第３の仮想円の直径Ｄ３と、ガーネット部材の直径Ｄｇは、Ｄ２＜Ｄ３≦Ｄｇ＜Ｄ１の関係にある。
ガーネット部材７ａの外周よりも突出する第１電極３０の端部と、アース板１６との間に誘電体セラミックのチップ部材４を配置し接地コンデンサ（第２コンデンサ）を形成する。第１電極３０の第１の仮想円の中心から端部までの長さ（直径Ｄ１の１／２と等しい）は、動作波長のλ／４よりも十分に短く、その端部に第２コンデンサを接続することで、高周波の帰還電流を大きくしている。
本発明者が鋭意検討するなかで、第１コンデンサと第２コンデンサを適宜調整することで、直流磁界の大きさやガーネット部材の形状を変更せずに、非可逆回路素子の動作周波数を低下させることが出来ることが判明した。さらにこの様な構成によって、大きな直流磁界をガーネット部材に与えて所望の動作周波数で動作させることで、挿入損失の帯域幅や、Ｖ．Ｓ．Ｗ．Ｒ、アイソレーション特性を劣化させることなく相互変調歪を抑制することが出来るのを見出した。
【００１７】
前記第２電極３５から、第１線路４１と同じ方向に延出する第２線路４２が形成されている。第２線路４２の端部Ａ，Ｂ，Ｃは高周波信号が入出力する端子として用いられる。なおここで端部Ｃは抵抗４０に接続されて終端されている。また、ここで開示した非可逆回路素子では、第２線路４２とアース板１６との間に誘電体セラミックのチップ部材４を配置し接地コンデンサ（第３コンデンサ）を形成している。この第３コンデンサは、他の特性に影響を与えずに高周波信号のディレイ（遅延）を調整する機能を有し、必要に応じて適宜用いることが出来る。ここでは抵抗４０と接続しない第２線路４２のみにチップ部材４を配置しているが、サーキュレータとする場合には各第２線路４２に設けても良い。
【００１８】
なお、サーキュレータにおいては、第１電極、第２電極、第１線路を回転対象に設ければよいが、サーキュレータの１つの入出力端に抵抗を付加してアイソレータとして用いる場合には、付加される抵抗に動作周波数でリアクタンス成分が多く含まれると、インピーダンスのずれが生じて電気的特性の劣化を招ことがあり、これを補償するように抵抗と接続する第１線路の幅を他と異ならせるとともに、第２電極のデザインも他と異ならせて調整するのが好ましい。
【００１９】
ストリップライン部材１０の上側に重ねて更にガーネット部材７ｂが配置され、その上に、アース板１８、鉄板１９、マグネット５及び鉄板２６が隙間無く重ねて配置される。アース板１８の外周側の複数箇所に折り返し部が設けられ、アース板１８はその一方の面側がガーネット部材７ｂと当接し、他方の面側が鉄板１９と当接し、折り返し部が金属ケース２５の壁部内側と当接する。なお、ガーネット部材としてガーネット部材７ａのみを用いる場合にはアース板１８も省略され、ガーネット部材７ｂ、アース板１８の配置空間を充填する耐熱樹脂でなるスペーサが配置される場合もある。
【００２０】
金属ケース２５の壁部２７の３方に設けられた開口部２８から、ストリップライン部材１０が延出する。それらは高周波信号の入出力端Ａ，Ｂとして機能する。また一部Ｃは、金属ケース２５に搭載された抵抗４０と接続する。
金属ケース２５の壁部２７の上側は外周側に凸の鍔状になっており、鍔状部３２と鉄板２６の外周部とが重ねられ固定されて非可逆回路素子を構成する。なお、金属ケースや鉄板等は発明の本質を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
以下本発明に係る非可逆回路素子を詳細に説明する。なお、全体の構成は既に説明した非可逆回路素子と同様なので重複する部分についての説明は省略する。なお各構成部品の電気的接続、機械的接続にていて詳述しないが、適宜はんだや接着剤による接続を行なっている。
基本的な構成は図１に示した非可逆回路素子と同じである。金属ケース２５は、厚みが１．２ｍｍのＳＰＣＣからなり、内底面が約φ２８ｍｍの略円形に構成され、高さが８ｍｍの壁部を有し、３箇所に開口部を有し、その表面には、Ｃｕめっき、Ｎｉめっき、Ａｇめっきの順に総厚が３０μｍのめっき層を形成している。
【００２２】
金属ケース２５の内側底面に０．１ｍｍ厚みの薄板Ｃｕ板の円形状アース板１６を配置し、突出部２９には抵抗４０を配置した。そしてアース板１６上に、ガーネット部材７ａ、チップ部材４を配置し固定した。ガーネット部材７ａとガーネット部材７ｂには、それぞれφ２３×１．０ｍｍ厚みで、比誘電率εｒが１１、飽和磁化４πＭｓが１６００ｍＴであり、誘電損失ｔａｎδεが２×１０−４のガーネットフェライトを用いた。またチップ部材４には、比誘電率εｒが４５の誘電体セラミックを使用した。第２コンデンサ用、第３コンデンサ用のチップ部材はともに矩形であって、その寸法は６．０ｍｍ×２．  ０  ｍｍ×１．０  ｍｍと４．０  ｍｍ×２．０  ｍｍ×１．０  ｍｍとした。チップ部材の厚みは共にガーネット部材と同じであるが、キャパシタンス値を大きく得られる様に薄くしても構わない。その場合は、ストリップライン部材の対応する部位を屈曲させるなどして、チップ部材厚みに形状を追従させれば良い。
【００２３】
ガーネット部材７ａ、チップ部４に重ねられるストリップライン部材１０は図５に示したものと略同じであって、厚さ１５０μｍの薄Ｃｕ板を所定の形状にエッチングして形成されたものである。第１の仮想円の直径Ｄ１、第２の仮想円の直径Ｄ２、第３の仮想円の直径Ｄ３を、それぞれＤ１＝  ２４ｍｍ、Ｄ２＝１８ｍｍ、Ｄ３＝２１．５ｍｍとした。また第１電極３０の幅は７ｍｍ、抵抗４０と接続する第１線路４１の幅を１．５ｍｍとし、他の第１線路４１の幅を１．９ｍｍとした。
【００２４】
更にストリップライン部材１０の上に重ねて、厚みが０．１ｍｍのアース板１８、厚みが０．３ｍｍの鉄板１９、永久磁石５、厚みが１．０ｍｍの鉄板２６を配置した。永久磁石５は、φ２５×４．１５ｍｍ厚みの日立金属株式会社製Ｌａ−Ｃｏ置換型フェライト磁石のＹＢＭ−９ＢＤを用いた。その磁気特性は残留磁束密度（Ｂｒ）が４４０〜４６０ｍＴである。
金属ケース２５の上端は折り返されて鍔状となっており、鉄板２６と接合して高さが９ｍｍであり９０５ＭＨｚ〜９８０ＭＨｚの周波数帯に対応した非可逆回路素子を得た。
【００２５】
（実施例２）
他の実施例として、第３コンデンサを有さない以外は実施例１と同様の非可逆回路素子を作製した。
【００２６】
（比較例）
比較用に第２、第３コンデンサを有さない非可逆回路素子を作製した。比較例の非可逆回路素子はチップ部材４を備えず、ストリップライン部材１０の形状も異なる。第１の仮想円の直径Ｄ１は２２ｍｍであって、ガーネット部材の直径よりもわずかに小さい径としている。また第２、第３の仮想円の直径Ｄ２、Ｄ３は実施例と同じであるが、第２電極３５の弧の長さが実施例と異なり、形成される第１コンデンサのキャパシタンス値が相違する。また永久磁石５は、φ２５×４．１５ｍｍ厚みの日立金属株式会社製Ｌａ−Ｃｏ置換型フェライト磁石のＹＢＭ−９ＢＥを用いた。その磁気特性は残留磁束密度（Ｂｒ）が４３０〜４５０ｍＴである。他の構成はほぼ実施例のものと同じである。
【００２７】
〔電気的特性１（挿入損失、リターンロス、アイソレーション、ディレイ）の評価〕
得られた実施例１，２と比較例の非可逆回路素子について、ネットワークアナライザを用いて、電気的特性を、室温２２℃の温度環境下で評価した。各実施例と比較例の非可逆回路素子においては、ほぼ同等の優れた電気的特性が得られた。図８〜図１０は実施例１と比較例の挿入損失、リターンロス、アイソレーション特性である。
また、表１にディレイ特性を示す。評価結果によれば、第３コンデンサの装荷によってディレイ特性を調節することが可能であることが分かる。
【００２８】
【表１】
2012054864.tif 000003
【００２９】
〔電気的特性２（相互変調歪）の評価〕
相互変調歪の測定は図７に示した測定回路ブロックを構成して行なった。
基本波ｆ１は９４２．５ＭＨｚ、４５Ｗ、変調無しの連続波であり、基本波ｆ２は９４３．５ＭＨｚ、４５Ｗ、変調無しの連続波である。測定には、シグナルジェネレータ（Ｓ．Ｇ．１／  Ｓ．Ｇ．２）、パワーアンプ（Ｐ．Ａ．１／  Ｐ．Ａ．２）、方向性結合器（２０ｄＢ  Ｃｏｕｐｌｅｒ、３ｄＢ  Ｃｏｕｐｌｅｒ）、パワーメータ（Ｐ．Ｍ．）、スペクトルアナライザ（Ｓ．Ａ．）、アッテネータ（４０ｄＢ  ａｔｔ．）、終端抵抗（５０ｏｈｍ  ５００Ｗ  ＬＯＡＤ、５０ｏｈｍ  １０Ｗ  ＬＯＡＤ）、アイソレータ（Ｉｓｏｌａｔｏｒ）を用いた。被試験デバイス（ＤＵＴ）である非可逆回路素子を接続して相互変調歪を測定した。結果を表２示す。
【００３０】
【表２】
2012054864.tif 000004
【００３１】
表２では相互変調歪の測定値を、基本波ｆ１を基準とした絶対値で表し、数値が大きいほどに相互変調歪の発生が抑えられている。実施例の非可逆回路素子では、約２０ｄＢｃも大きな値となり、相互変調歪の発生が抑制されるのが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、相互変調歪を十分に抑制しながら、他の特性を劣化させない電気的特性に優れた非可逆回路素子を提供することが出来る。
【符号の説明】
【００３３】
４  チップ部材
５  永久磁石
７ａ、７ｂ  ガーネット部材
１０  ストリップライン部材
１６、１８  アース板
１９、２６  鉄板
２５  金属ケース
３０  第１電極
３５  第２電極
４１  第１線路
４２  第２線路
４０  抵抗
【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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