(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板上に形成した導体層とから構成した共振器において、
前記導体層に、第１のスリットで連絡した第１・第２の導体開口部と、第２のスリットで連絡した第３・第４の導体開口部とを設けるとともに、第１のスリットと第２のスリットとを交差させ、
前記導体層に対して絶縁層を介して当該絶縁層の厚み方向に近接する容量形成用導体層を、前記第１・第２のスリットの交差によって区切られた前記導体層の４つの領域に対向する位置に配置したことを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記第１〜第４の導体開口部を磁界ベクトルが出入りする２つの共振モードの磁界または電界のバランスを崩すことによって前記２つの共振モードの縮退を解いたことを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の共振器と、該共振器に結合する信号入出力手段とを備えたフィルタ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の共振器と、該共振器に対して直交する位置関係で結合して信号の入出力を行う２つの信号入出力手段と、前記第１〜第４の導体開口部で囲まれた領域の前記第１・第２のスリットの交差点を中心として配置したフェライトコアと、該フェライトコアに直流磁界を印加する磁石とを備え、前記容量形成用導体層の形成領域に生じる円偏波の磁気共鳴吸収を利用した非可逆回路素子。
【請求項５】
前記第１のスリットと前記第２のスリットとを略直角に交差させた請求項４に記載の非可逆回路素子。
【請求項６】
請求項１または２に記載の共振器、請求項３に記載のフィルタ、請求項４または５に記載の非可逆回路素子の少なくともいずれかを備えた通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばマイクロ波帯やミリ波帯における無線通信や電磁波の送受信に利用される共振器、フィルタ、非可逆回路素子、および通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴型のアイソレータとして、非特許文献１や特許文献１，２が開示されている。このような従来の磁気共鳴型アイソレータは、直交する２つの線路に、振幅が等しく位相がπ／２ラジアンだけ異なる高周波電流が流れたときに、その交点に回転する磁界（円偏波）が生じ、２つの線路の電磁波進行方向に応じて円偏波の旋回方向が逆転する現象を利用したものである。すなわち、上記交点にフェリ磁性体を配置するとともに磁気共鳴に必要な静磁界を加え、主線路を伝搬する電磁波の進行方向が逆方向であるときに、上記交点に生じる円偏波が正円偏波となって共鳴吸収が生じるようにし、主線路を伝搬する電磁波の進行方向が順方向であるときに、上記円偏波が負円偏波となって共鳴吸収が生じずに電磁波が伝送されるようにしたものである。
【０００３】
ここで、非特許文献１の構成を図２８に示す。図２８の例では、導体層６ａ，６ｂ，６ｃによる線路の上下を、それぞれ遮蔽電極７を有する誘電体基板１ａ，１ｂで挟んで平衡型ストリップ線路を形成するとともに、導体層６ａ部分に十字状のλ／４共振器を構成している。この共振器と左右方向に延びる主線路との交点で円偏波が生じるが、円偏波の回転方向は主線路を伝搬する電磁波の進行方向に応じて正転または逆転する。したがってフェライトコア１６に磁気共鳴に必要な静磁界を印加しておくことによって、例えば正円偏波の場合に共鳴吸収が起こり、負円偏波の場合には吸収なく電磁波は伝送されることになりアイソレータとして作用する。
【０００４】
また、上記特許文献１に係るアイソレータの構成を図２９に示す。図２９の例では誘電体板１の中央部にフェライトコア１６を設け、フェライトコア１６の上部に、互いに直交する四開口を有する接合導体１７を配置し、四開口のうち相対する二開口の一方に集中定数キャパシタ１９、他方に集中定数インダクタ２０を設け、他の相対する開口を入出力端子１８として設けている。
【０００５】
また、特許文献２に係る非可逆回路素子の構成を図３０に示す。図３０の例では角板形状の誘電体板１の中央部に円板形状のフェライトコア１６を埋め込んでいる。誘電体板１の上面には、接合導体１７の４つの開口部に整合用回路１８ａ，１８ｂを設けるとともに、その端部を入出力端子として用いる。他の二開口に設けた線路１８ｃ，１８ｄには、誘電体板１′，１′に線路１８ｃ′，１８ｄ′を設けて成る先端開放線路をそれぞれ接続するようにしている。
【特許文献１】特開昭６３−２６０２０１号公報
【特許文献２】特開２００１−３２６５０４公報
【非特許文献１】橋本忠士，“マイクロ波フェライトとその応用技術”第１版，総合電子出版社，１９９７年５月１０日， p.83-84
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２、非特許文献１の何れもマイクロストリップラインを交差させてできる略十字型のストリップライン用いた共鳴型アイソレーターである。基本モードが２重モードであることと、その磁界ベクトルが交差点近傍において直交すること、すなわち、ある周波数において円偏波を生ずることを利用して磁気共鳴型アイソレーターを構成している。ところが、このような従来の非可逆回路素子ではマイクロストリップラインを用いているため、半波長または１／４波長で動作させることになる。このとき基板の誘電率によってパターンサイズが決まるため、小型化に難点があった。さらに、分布定数的な磁界分布となるため、磁気共鳴吸収効果の得られる円偏波の発生する領域も分布定数的であり、磁性体材料の体積に対する吸収効率が小さく、磁性体材料の小型化に関しても難点があった。
【０００７】
また、従来の非可逆回路素子で構成されるマイクロストリップラインの共振器では、マイクロストリップラインの電極のない外側に磁界ベクトルが広がってしまう。そのため、このことで回路の小型化・集積化が制約されてしまう。
【０００８】
この発明の目的は、全体の構造を複雑化せず、小型・集積化を可能とした共振器、フィルタ、非可逆回路素子およびそれを用いた通信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の共振器は、基板と、該基板上に形成した導体層とから構成した共振器において、
前記導体層に、第１のスリットで連絡した第１・第２の導体開口部と、第２のスリットで連絡した第３・第４の導体開口部とを設けるとともに、第１のスリットと第２のスリットとを交差させ、
前記導体層に対して絶縁層を介して当該絶縁層の厚み方向に近接する容量形成用導体層を、前記第１・第２のスリットの交差によって区切られた前記導体層の４つの領域に対向する位置に配置したことを特徴としている。
【００１０】
また、この発明の共振器は、第１〜第４の導体開口部を磁界ベクトルが出入りする２つの共振モードの磁界または電界のバランスを崩すことによって前記２つの共振モードの縮退を解いたことを特徴としている。
【００１１】
この発明のフィルタは、上記の共振器と、該共振器に結合する信号入出力手段とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
この発明の非可逆回路素子は、上記共振器と、該共振器に対して直交する位置関係で結合して信号の入出力を行う２つの信号入出力手段と、上記第１〜第４の導体開口部で囲まれた領域の前記第１・第２のスリットの交差点を中心として配置したフェライトコアと、該フェライトコアに直流磁界を印加する磁石とを備え、前記容量形成用導体層の形成領域に生じる円偏波の磁気共鳴吸収を利用したことを特徴としている。
【００１３】
また、この発明の非可逆回路素子は、前記第１のスリットと前記第２のスリットとを略直角に交差させたことを特徴としている。
【００１４】
この発明の通信装置は、上記共振器、フィルタ、非可逆回路素子の少なくともいずれかを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の共振器によれば、基板上の導体層に、第１のスリットで連絡した第１・第２の導体開口部と、第２のスリットで連絡した第３・第４の導体開口部とを設けるとともに、第１のスリットと第２のスリットとを交差させたことにより、交差する第１・第２のスリットは、そのギャップにより容量性領域として作用し、第１〜第４の導体開口部は誘導性領域として作用する。この容量性領域と誘導性領域とによって、スロット共振器として動作する。この共振モードの磁界ベクトルは４つのスロットを出入りするため、導体開口部の平面方向での外方へは広がらず、共振器の外側へのエネルギーの漏れが少ないので、回路の小型化・集積化に有効である。
【００１６】
またこの発明によれば、前記導体層に対して絶縁層を介して容量形成用導体層を備え、その容量形成用導体層を第１・第２のスリットの交差によって導体層の４つの領域に対向する位置に配置されているので、導体層／誘電体層／導体層の構成で厚み方向に容量が形成され、容量形成用導体層の面積に比例した大きな容量が得られる。そのため共振器の小型化が図れる。
【００１７】
またこの発明によれば、第１〜第４の導体開口部を磁界ベクトルが出入りする２つの共振モードの磁界または電界のバランスを崩すことによって前記２つの共振モードの縮退を解いたことにより、結合した２段の共振器として作用し、これに入出力手段を設けたフィルタの帯域設計が可能となる。
【００１８】
またこの発明によれば、上記のいずれかの構成を備えた共振器と、それに結合する信号入出力手段とを備えたことにより小型化・集積化されたフィルタが得られる。
【００１９】
またこの発明によれば、上記のいずれかの構造を備えた共振器と、該共振器に対して直交する位置関係で結合して信号の入出力を行う２つの信号入出力手段と、上記第１〜第４の導体開口部で囲まれた領域の前記第１・第２のスリットの交差点を中心として配置したフェライトコアと、該フェライトコアに直流磁界を印加する磁石とを備え、前記容量形成用導体層の形成領域に生じる円偏波の磁気共鳴吸収を利用したことにより、アイソレータなどの非可逆回路素子を得ることができる。
【００２０】
また、この発明によれば、第１のスリットと第２のスリットとを略直角にて交差させたことにより、４つの導体開口部を出入りする磁界分布に疎密の偏りがなくなり、偶モードと奇モードとで略同等の高いＱ値が得られる。
【００２１】
またこの発明によれば、全体の構造が複雑化せず、小型化・集積化した共振器、フィルタ、非可逆回路素子の少なくともいずれかを備えた小型軽量低コストの通信装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
第１の実施形態に係る共振器について図１〜図３を参照して説明する。
図１の（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態での（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。矩形板形状の誘電体基板１の上面には、第１のスリットＳＬ１で連絡した第１・第２の導体開口部ＡＰ１・ＡＰ２と、第２のスリットＳＬ２で連絡した第３・第４の導体開口部ＡＰ３・ＡＰ４とを有する導体層４を形成している。誘電体基板１の側面から底面にかけて、その五面には遮蔽電極７を形成している。
【００２３】
誘電体基板１の上部には上記導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４およびスリットＳＬ１，ＳＬ２の形成部分を覆い、且つ導体層４に直流的に導通する遮蔽キャップ１４を取り付けている。
【００２４】
図２はこの共振器の４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４により生じる２つの共振モードの磁界分布を示している。図中破線の矢印は磁界ベクトルを示している。（Ａ）は、第１の導体開口部ＡＰ１から第３の導体開口部ＡＰ３方向へ磁界ベクトルが向き、これと共に第４の導体開口部ＡＰ４から第２の導体開口部ＡＰ２方向へ磁界ベクトルが向くモード（ここでは「偶モード」と言う。）について示している。（Ｂ）は、第１の導体開口部ＡＰ１から第４の導体開口部ＡＰ４方向へ磁界ベクトルが向き、これと共に第３の導体開口部ＡＰ３から第２の導体開口部ＡＰ２方向へ磁界ベクトルが向くモード（ここでは「奇モード」と言う。）について示している。
【００２５】
４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４はそれぞれ誘導性領域として作用し、十字型のスリットＳＬ１，ＳＬ２は容量性領域として作用する。ｘ軸とｙ軸に関してこれらの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４、およびスリットＳＬ１，ＳＬ２の形状が対称構造である場合、偶モードと奇モードの磁界ベクトルの分布は幾何学的に９０度回転させた時に重なる（９０度回転対称）関係となる。その場合、上記２つのモードが縮退関係（２つの独立した共振モードの共振周波数が同じで、結合していない状態）となる。
【００２６】
図３は導体開口部とスリットとの組み合わせによる別の２つの共振モードについて示している。（Ａ）は導体開口部ＡＰ１・ＡＰ２およびスリットＳＬ１による共振モード（ここでは「Ｘモード」という。）の磁界分布の平面図、（Ｃ）はそのＡ−Ａ部分の断面図である。但し第３・第４の導体開口部ＡＰ３・ＡＰ４および第２のスリットＳＬ２については図示を省略している。また（Ｂ）は導体開口部ＡＰ３・ＡＰ４およびスリットＳＬ２による共振モード（ここでは「Ｙモード」という。）の磁界分布の平面図、（Ｄ）はそのＢ−Ｂ部分の断面図である。但し第１・第２の導体開口部ＡＰ１・ＡＰ２および第１のスリットＳＬ１については図示を省略している。
【００２７】
ここで破線の矢印は磁界ベクトルを、ドット記号とクロス記号は磁界ベクトルの向きをそれぞれ示している。図２に示した偶モードと奇モードはこの図３に示したＸモードとＹモードの結合した状態として表現することができる。非特許文献１、特許文献１，２に示されているようなストリップラインの共振器では、磁界が電極を取り巻いて分布するが、この実施形態では、磁界ベクトルが導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４に殆ど分布し、導体開口部の平面方向の外側には殆ど広がらない。そのため共振器外部へのエネルギーの漏れが少なく、回路の小型化・集積化に有利である。
【００２８】
なお、導体膜４に設けた４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４と２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２とによる共振器は誘電体基板１側の遮蔽電極７と遮蔽キャップ１４とによって遮蔽されるので、この共振器に近接する他の部品や回路との干渉を防止することができる。
【００２９】
次に、第２の実施形態に係る共振器について図４・図５を基に説明する。
図４の（Ａ）は図１に示した共振器と異なり、第１〜第４の導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４の形状を長円形状とし、且つこれら４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４の配置をｘ軸とｙ軸に関して非対称にしている。この図４に示す例では、導体開口部ＡＰ１−ＡＰ３間の距離およびＡＰ４−ＡＰ２間の間隔を、導体開口部ＡＰ１−ＡＰ４間の間隔およびＡＰ３−ＡＰ２間の間隔より狭くしている。
【００３０】
図５の（Ａ）はこの共振器の偶モードの磁界ベクトルの分布、（Ｂ）は奇モードの磁界ベクトルの分布をそれぞれ示している。偶モードの磁界ベクトルは導体開口部ＡＰ１−ＡＰ３間およびＡＰ４−ＡＰ２間を向き、奇モードの磁界ベクトルは導体開口部ＡＰ１−ＡＰ４間およびＡＰ３−ＡＰ２間を向く。
【００３１】
この偶モードと奇モードは、図３で説明したように、導体開口部ＡＰ１・ＡＰ２およびスリットＳＬ１による共振モード（Ｘモード）と、導体開口部ＡＰ３・ＡＰ４およびスリットＳＬ２による共振モード（Ｙモード）の２つの共振モードの重ね合わせとして表現できる。この場合ＸモードとＹモードの共振周波数は等しい。しかし、偶モードと奇モードとして見ると、２つの導体開口部を対として回る磁界ベクトルの経路長は奇モードの方が偶モードより長い。したがって、奇モードの周波数は偶モードの周波数より高くなる。このことは、摂動論的に考えると開口部間の距離を大きくした場合に磁界分布に仕事をしたことになり、周波数が高くなると説明できる。また、開口部間の距離が大きくなると磁界の疎密が平坦化されるので、誘導量が小さくなって周波数が高くなる、とも説明できる。
【００３２】
このようにして縮退関係を解くことによって、２つの共振器が結合した２段の共振器として作用する。後述するように、この共振器に入出力手段を設けることによって、２段の共振器を備えたフィルタとして作用させることができる。
【００３３】
次に、第３の実施形態に係る共振器の構成を図６・図７および図２４〜２６を参照して説明する。
図６の（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態での（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｃ）は誘電体基板１の内層における導体層の形状および位置を示す平面図である。誘電体基板１の上面には第１の実施形態の場合と同様に４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４および２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２を有する導体層４を形成している。また誘電体基板１の四側面と誘電体基板１の四側面と底面には遮蔽電極７を形成している。更にこの誘電体基板１の内層には容量形成用導体層５を形成している。この容量形成用導体層５は第１のスリットＳＬ１と第２のスリットＳＬ２との交差によって区切られた導体層４の４つの領域に絶縁層３を介して対向する位置に配置している。この容量形成用導体層５と導体層４との間には容量が生じるので、この絶縁層３を介して対向する容量形成用導体層５と導体層４との間はスリットＳＬ１，ＳＬ２だけを設けた場合に比べて大きな容量性領域として作用する。
このように容量形成用導体層５を設けたことにより容量性領域の容量が大きくなり、必要な共振周波数を得るための共振器サイズをその分小型化できる。
【００３４】
図７の（Ａ）は上記容量形成用導体層５を形成した位置における、第１・第２のスリットＳＬ１・ＳＬ２の交差によって区切られた導体層４の４つの領域を示している。４つの領域を第１〜第４の象限とすれば、偶モードと奇モードにおける電界ベクトルの向きは次のような関係となる。
【００３５】
（表１）
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
象限
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
モード        第１    第２    第３    第４
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
偶モード        ０      −      ０      ＋
奇モード        ＋      ０      −      ０
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
この表１は、ある時刻における電界ベクトルの向きを示している。ここで＋（プラス）は上向き、−（マイナス）は下向き、０は平均で０をそれぞれ表している。したがって、図７の（Ａ）に示したように、容量形成用導体層５の形状を２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２を対称軸として９０°回転対称形（上下左右対称形）とすれば、偶モードと奇モードについて等容量の容量性領域として作用する。そこで、例えば図７の（Ｂ）に示すように、切欠状部分を形成して第２象限・第４象限での容量形成用導体層５の面積を小さくし、第２象限と第４象限における容量を小さくすれば、奇モードに対して影響が与えられることなく、偶モードの電界エネルギーの集中する領域での容量が小さくなる。その結果、奇モードよりも偶モードの周波数を高めることができる。
【００３６】
図２４・図２５は図７の（Ｂ）に示した容量形成用導体層５を設けた場合の共振器の磁界分布と電界分布を示している。但し、ここではシミュレーションを容易にするために、４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４のうち、ＡＰ１−ＡＰ２の向きおよびＡＰ３−ＡＰ４の向きが±４５°となるように図示している。図２４の（Ａ），（Ｂ）は導体開口部ＡＰ１−ＡＰ４およびＡＰ３−ＡＰ２間にそれぞれ磁界ベクトルが向くモード（上記奇モード）について示している。（Ａ）は磁界エネルギーの強度を微小なドット状パターンの集合で表している。（Ｂ）の矢印、ドット記号およびクロス記号は磁界ベクトルの向きを表している。さらに、図２５の（Ａ），（Ｂ）は上記モードの電界分布について示している。（Ａ）は電界エネルギーの強度を微小なドット状パターンの集合で表している。（Ｂ）のドット記号およびクロス記号は電界ベクトルの向きを表している。
【００３７】
同様に図２４・図２５の（Ｃ），（Ｄ）はそれぞれ偶モードについて示している。図２５から明らかなように、この例では偶モードの電界は容量形成用導体層５の切欠状部分ｃの影響を受け、その周波数が３．４０ＧＨｚに上昇する。これに対して奇モードの電界は容量形成用導体層５の切欠状部分ｃの影響を受けず、周波数は３．０４ＧＨｚのままとなる。
【００３８】
このように４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４および２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２の形状が９０°回転対称形（上下左右対称形）であっても、縮退関係を解いてＸモードとＹモードとを結合させることができる。
【００３９】
図２６はこの第３の実施形態に係る共振器と従来のストリップラインの共振器とを対比する図である。（Ａ）はこの実施形態の共振器、（Ｂ）は従来の共振器である。図中円で囲んだ範囲が二つの磁界ベクトルの交差する領域であるが、この発明の共振器は共振回路が集中定数的であるため、パターンサイズの小型化に優れている。たとえば誘電体基板の比誘電率が３０、（ＭＳＬの実効比誘電率が１５）の場合、３ＧＨｚでの半波長の長さａは、約１３ｍｍである。これに対してこの実施形態では一辺の長さａ′が２．８ｍｍであり、約１／５（面積で約１／２５）に小型化できる。
【００４０】
また、後述するように、共振モードの電磁界分布の特徴により、円偏波発生領域の占める割合が大きい。
【００４１】
図８は第４の実施形態に係る共振器の構造を示している。（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態での（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｃ）は誘電体基板１の内層における導体層の形状および位置を示す平面図である。図６に示した例と異なり、容量形成用導体層５を導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４の直近にまで広げている。その他の部分については図６に示した共振器の構造と同様である。このように容量形成用導体層５の形成範囲を広げることによって容量性領域の容量を大きくし、その分更なる低周波化・小型化を図ることができる。
【００４２】
図９は第５の実施形態に係る共振器の構成を示している。（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態での（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。誘電体基板１に設けた層を成す導体層を表面から順に第１層、第２層、第３層・・・として表したとき、（Ｃ）は奇数番目の層（第１層，第３層・・・）の導体層パターンを示している。（Ｄ）は偶数番目の層（第２層，第４層・・・）の容量形成用導体層５のパターンを示している。（Ｅ）はこれら複数の層のうち第４層までについて、導体層間の電界ベクトルの向きおよび分布を示している。なお、（Ｂ）についても第４層まで表している。
【００４３】
このように導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４、スリットＳＬ１，ＳＬ２を有する導体層と容量形成用導体層５とを交互に積層することによって、限られた面積（体積）内に大きな容量を構成することができ、その結果、より低周波数化・小型化が図れる。
【００４４】
図１０は第６の実施形態に係る共振器の構成を示している。（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での共振器の上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態での（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｃ）はこの共振器に用いる共振素子の導体線路形成面側の平面図である。（Ｄ）は（Ｂ）におけるＢ部の拡大部分断面図である。更に（Ｅ）は共振素子１００に形成した導体線路の一つのパターンを示す図である。
【００４５】
誘電体基板１に対して奇数番目の層に導体層４を、偶数番目の層に容量形成用導体層５を設けたことは図９に示したものと同様である。この図１０に示す例では、４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４の上部にそれぞれ共振素子１００を実装している。
【００４６】
共振素子１００は（Ｃ）に示すように矩形板形状の基板１５の一方の主面に導体線路集合体２′を形成したものである。この導体線路集合体２′は、図中破線の楕円で示すように、導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの両方の端部同士を幅方向に近接させている。この破線の楕円で示す部分が後に説明するステップリング共振素子の容量性領域に相当する。また、この例では導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅの一方の先端と、それに隣接する他の導体線路の一方の先端とが、所定間隔を隔てて向き合うように配置している。
【００４７】
ここで、上記導体線路２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅのうち１つの共振単位について図１１を基に説明する。
【００４８】
図１１の（Ａ）は１共振単位の平面図である。（Ｂ）は、導体線路２の両方の端部同士の近接部分での電界分布を示している。（Ｃ）は導体線路上の電流分布を示している。
【００４９】
このように、導体線路２は誘電体基板１上で、一定幅で１周以上周回した形状としていて、その両方の端部を互いに導体線路の幅方向に近接させている。
【００５０】
図１１の（Ｂ）において実線の矢印は電界ベクトル、白抜きの矢印は電流ベクトルを表している。この（Ｂ）に示すように、導体線路の両端ｘ１，ｘ２の幅方向に近接する部分に電界が集中する。また、導体線路の一方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ１１との間に、および他方の先端部と、それに近接する他方の端部付近ｘ２１との間にも電界が分布し、これらの部分に容量が生じる。
【００５１】
電流分布について見ると、（Ｃ）に示すように、電流強度は、導体線路のＡからＢにかけて急峻に増大し、Ｂ〜Ｄの領域において略一定値を保ち、ＤからＥにかけて急激に減少する。両端部は０である。導体線路の両端部同士が幅方向に近接する領域Ａ〜Ｂ，Ｄ〜Ｅは容量性領域、その他の領域Ｂ〜Ｄを誘導性領域と呼ぶことができる。この容量性領域と誘導性領域とにより共振動作する。すなわち、この共振単位は、それを集中定数回路のように見なせばＬＣ共振回路を構成している。
【００５２】
このように、共振単位が、インピーダンスの高い誘導性領域とインピーダンスの低い容量性領域とから構成していて、インピーダンスがステップ状に変化するので、共振単位をステップリングと呼ぶ。また、共振素子が複数の共振単位からなるので、その共振素子を多重ステップリング共振素子と呼ぶ。
【００５３】
このようにして、限られた占有面積内に線数の多い導体線路２の集合体を配置して、線数の多い導体線路を設け、且つ小型の共振器を構成する。なお、ステップリング共振素子の微細電極の線幅が動作周波数における表皮深さよりも小さくすることによって、表皮効果の緩和による損失低減効果を得ることができる。
【００５４】
図１２は、図１０に示した共振素子１００の等価回路図である。（Ｂ）は図１０に示した導体線路２ａ，２ｂ，２ｃを形成しないで導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４およびスリットＳＬ１，ＳＬ２を有する導体膜４を形成したスロット共振器の等価回路である。導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４による誘導性領域をインダクタＬ０、スリットＳＬ１，ＳＬ２による容量性領域をキャパシタＣ０で表せば、この共振器は図１２の（Ｂ）のように集中定数回路としてはＬＣ並列共振回路として作用する。
【００５５】
図１０示した導体線路２ａ〜２ｅによる各共振単位は、それぞれ容量性領域と誘導性領域を環状に接続した構造であるので、これをキャパシタとインダクタの並列回路で表せば、共振器全体の等価回路は図１２の（Ａ）のように表せる。
【００５６】
このように、スロット共振器の誘導性領域として作用する導体開口部の内部に多重ステップリング共振素子を配置することによって、誘導性領域としての導体開口部の端縁部における電流集中が緩和され、導体損失が抑制できる。また、多重ステップリング共振素子の各導体線路の幅および線路間隔を導体の表皮深さと同程度またはそれ以下にするとともに線数を増すことによって、全体の縁端効果による導体損失が抑えられる。
【００５７】
なお、図１０に示した例では各導体開口部に共振素子１００を配置したが、全ての導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４に配置するのではなく、所定の導体開口部にのみ共振素子１００を配置するようにしてもよい。
【００５８】
次に、この発明の第７の実施形態に係るフィルタの構成を図１３を基に説明する。
図１３の（Ａ）はフィルタの上面図、（Ｂ）はその正面図である。（Ｅ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｆ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。また（Ｃ）は（Ｅ）におけるＣ−Ｃ部分の平面図、（Ｄ）は（Ｆ）におけるＤ−Ｄ部分の平面図である。
【００５９】
誘電体基板１の上面には４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４と２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２を有する導体層４を形成している。この例では導体開口部ＡＰ１−ＡＰ２の対に比べて、導体開口部ＡＰ３−ＡＰ４の対を大きく形成して、９０度回転対称性を非対称性にしている。このことによって（ｘ＋ｙ）軸方向に磁界ベクトルが向くモードと、（ｘ−ｙ）軸方向に磁界が向くモードとの周波数に差をもたせ、ｘ軸方向に磁界ベクトルが向くモードとｙ軸方向に磁界ベクトルが向くモードとの結合を図っている。
【００６０】
容量形成用導体層５は図６に示した場合と同様に、第１・第２のスリットＳＬ１・ＳＬ２の交差によって区切られた導体層４の４つの領域に対向する位置に配置している。
【００６１】
誘電体基板１の内部には、容量形成用導体層５より下層にこの容量形成用導体層５との間で容量を生じさせる容量結合用電極１１ａ，１１ｂ、その容量結合用電極１１ａ，１１ｂに導通するビアホール１０ａ，１０ｂ、およびそのビアホール１０ａ，１０ｂに導通する入出力結合用電極９ａ，９ｂをそれぞれ形成している。
【００６２】
誘電体基板１の側面から底面にかけては入出力結合用電極９に導通する入出力端子８を形成している。この図１３の（Ｃ）〜（Ｆ）に示すように、容量形成用導体層５の中心からｘ軸方向に偏位にした位置で容量結合用電極１１ａが容量形成用導体層５と容量結合し、容量形成用導体層５の中心からｙ軸方向に偏位した位置で容量結合用電極１１ｂが容量形成用導体層５と容量性結合する。このことにより、入出力端子８ａ，入出力結合用電極９ａ，ビアホール１０ａ，容量結合用電極１１ａは、ｙ軸方向に磁界ベクトルが向く共振モードと結合する。同様に、入出力端子８ｂ，入出力結合用電極９ｂ，ビアホール１０ｂ，容量結合用電極１１ｂは、ｘ軸方向に磁界ベクトルが向く共振モードと結合する。
【００６３】
但し、図６・図７では２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２の延びる方向をｘ軸とｙ軸方向にとったが、この図１３の例ではｚ軸（ｘ軸とｙ軸にそれぞれ直交する軸）に垂直な面で、図６・図７に対して４５度回転した軸をｘ軸，ｙ軸にとっている。
【００６４】
このような構造により、入出力端子８ａ，８ｂを入出力部とし、２段の共振器を備えた帯域通過フィルタとして作用するフィルタが得られる。
【００６５】
図１４は第８の実施形態に係るフィルタの構成を示す図である。図１３の例と異なるのは入出力手段の部分である。この図１４に示す例では、誘電体基板１の側面に形成した入出力端子８ａからｘ軸方向に延びる入出力結合用電極９ａ、その入出力結合用電極９ａの端部からｚ軸方向に伸びて底面の遮蔽電極７に導通するビアホール１０ａを設けている。また、誘電体基板１のもう一つの側面に形成した入出力端子８ｂからｙ軸方向に延びる入出力結合用電極９ｂ、その入出力結合用電極９ｂの端部からｚ軸方向に伸びて底面の遮蔽電極７に導通するビアホール１０ｂを設けている。入出力結合用電極９ａ，ビアホール１０ａは入出力端子８ａと共にそのループ面がｘ−ｚ面に平行であるので、ｙ軸方向に磁界ベクトルが向く共振モードと磁界結合する。また、入出力結合用電極９ｂ，ビアホール１０ｂは入出力端子８ｂと共にそのループ面がｙ−ｚ面に平行であるので、ｘ軸方向に磁界ベクトルが向く共振モードと磁界結合する。
【００６６】
このような構造により、入出力端子８ａ，８ｂを入出力部とし、２段の共振器を備えた帯域通過フィルタとして作用するフィルタが得られる。
【００６７】
次に第９の実施形態としてアイソレータの構成を図１５，図２１〜２３を参照して説明する。
図１５の（Ａ）はフィルタの上面図、（Ｂ）はその正面図である。（Ｅ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図、（Ｆ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の断面図である。また（Ｃ）は（Ｅ）におけるＣ−Ｃ部分の平面図、（Ｄ）は（Ｆ）におけるＤ−Ｄ部分の平面図である。
【００６８】
遮蔽キャップ１４の内側で誘電体基板１の上部には、４つの導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４を配置した領域の中央部（十字形状を成す２つのスリットＳＬ１，ＳＬ２の交差点）を中心として、円板形状のフェライトコア１６を配置している。その他の部分については図１３に示した共振器の構造と同様である。したがって、（ｘ＋ｙ）軸方向に磁界ベクトルが向くモードと、（ｘ−ｙ）軸方向に磁界が向くモードとの周波数に差が生じ、ｘ軸方向に磁界ベクトルが向くモードとｙ軸方向に磁界ベクトルが向く２つのモードとが結合する。また、入出力結合用電極９ａ，９ｂの向きが直交しているので、上記２つのモードによる電磁界は容量形成用導体層５の形成領域で円偏波となる（図２６参照）。
【００６９】
フェライトコア１６には誘電体基板１およびフェライトコア１６の主面に垂直な方向に直流磁界を外部から（例えば遮蔽キャップ１４の外部に永久磁石を配置して）加える。
【００７０】
図２１は縮退関係にある２つの共振モードの磁界ベクトルの交差角度について示している。図２１の（Ａ）はアイソレータの平面図、（Ｂ），（Ｃ）は（Ａ）におけるｘ軸方向の交差角度を示す図であり、（Ｂ）はｘ座標が−２から＋２まで、（Ｃ）は−０．２から
＋０．２までについてそれぞれ示している。但し、ｚ軸（高さ）方向は表面の電極層４の位置（ｚ＝０）から０．１ｍｍ刻みで０．３ｍｍまで４水準で測定し、交差角度はそれら４点の平均値で示している。ｘ軸上の交差角度は略９０度であるが、ｘ軸からずれるにしたがって９０度からのずれも大きくなる。ただし、−０．２≦ｘ≦＋０．２の範囲（（Ａ）において破線Ｓで囲んだ範囲）においては６０〜１２０度の範囲に分布することがわかる。したがって、この範囲にフェライトコアを配置することによって円偏波の磁気共鳴吸収による良好なアイソレーション特性が得られる。
【００７１】
図２２は同じく２つの共振モードの磁界ベクトルの交差角度について示している。（Ａ）は共振器の上面図、（Ｂ）はｘ−ｚ面の断面図、（Ｃ）はｘ軸上の４箇所でｚ＝０から１．５までについて交差角度を示している。すなわち、縮退する二重モードの磁界ベクトルの交差角度について、高さ方向（ｚ座標）の依存性を示している。但し、ｙ座標は０で一定とし、ｘ座標は原点から０．１ｍｍ刻みで０．３ｍｍまでの４水準で測定した。このグラフのばらつきは有限要素を解析によるメッシュの粗さに起因している。ｚ＝０は底面、ｚ＝１．５は上面に相当するが、底面から上面に至る範囲で９０度近傍の交差角度が得られることがわかる。したがって、フェライトコアの高さ方向での配置は底面から上面に至る全ての範囲で効果的であることがわかる。
【００７２】
図２３は磁性体に直流磁界を印加することによる高周波の磁気共鳴吸収の周波数特性を示している。磁性体に直流磁界を印加すれば、高周波の磁気共鳴吸収が生じ、直流磁界の大きさに応じて磁気共鳴吸収される周波数が決まる。また、円偏波には偏波面の回転方向により、正円偏波（右旋円偏波）と負円偏波（左旋円偏波）があり、正円偏波と負円偏波に対する複素透磁率はそれぞれ
μ+ ＝μ+ ' ＋ jμ+ ”
μ- ＝μ- ’＋ jμ- ”
によって表される。
【００７３】
図２３はフェライトコア１６の特性例である。この図から明らかなように、正円偏波に対する複素透磁率の損失項（虚数部）が大きく、２ＧＨｚ付近で磁気共鳴吸収することがわかる。これに対し負円偏波の透磁率は平坦な特性であり、磁気共鳴吸収しないことがわかる。
【００７４】
このようにして、一方の入出力端子８ａからの信号入力により生じる上記２つのモードの磁界がフェライトコア１６部分を通過する際、その円偏波の旋回方向が上記磁気共鳴吸収の生じない旋回方向となる場合に、他方の入出力端子８ｂへ信号が出力される。逆に、入出力端子８ｂから信号が入力されることにより生じる上記２つのモードの磁界はフェライトコア１６部分を通過する際、その円偏波の旋回方向が上記磁気共鳴吸収を生じる旋回方向となるので、他方の入出力端子８ａへ信号が出力されない。すなわちアイソレータとして作用する。
【００７５】
図１６は第１０の実施形態に係るアイソレータの構成を示す図である。（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態でのアイソレータの（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｃ）は誘電体基板の内層パターンの平面図である。誘電体基板１の上面には導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４、スリットＳＬ１，ＳＬ２を有する導体層４を形成している。また、この導体層４には導体開口部ＡＰ２からＡＰ１方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ１と、導体開口部ＡＰ４からＡＰ３方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ２を形成している。
【００７６】
容量形成用導体層５はｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ非対称形としている。そのため、図２に示した偶モードと奇モードの周波数に差が生じて、ｘ軸方向に全体的に磁界ベクトルが向くＸモードとｙ軸方向に全体的に磁界ベクトルが向くＹモード（図３参照）とが結合する。
【００７７】
スロットＳＬＬ１は上記Ｘモードの磁界と結合してスロットラインの伝送モードで信号が伝搬する。また、スロットＳＬＬ２は上記Ｙモードの磁界と結合してスロットラインの伝送モードで信号が伝搬する。このようにしてスロット線路で入出力可能なアイソレータとして作用する。
【００７８】
図１７は第１１の実施形態に係るアイソレータの構成を示す図である。（Ａ）は遮蔽キャップを取り除いた状態での上面図、（Ｂ）は遮蔽キャップを取り付けた状態でのアイソレータの（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｃ）は誘電体基板の内層パターンの平面図である。
この例では導体開口部ＡＰ２からＡＰ１方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ１１と、導体開口部ＡＰ２の近傍からスロットＳＬＬ１１に沿って延びるスロットＳＬＬ１２を形成してコプレーナガイドを構成している。同様に、導体開口部ＡＰ４からＡＰ３方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ２１と、導体開口部ＡＰ４の近傍からスロットＳＬＬ２１に沿って延びるスロットＳＬＬ２２を形成してコプレーナガイドを構成している。このような構造により、コプレーナガイドを入出力手段するアイソレータとして作用する。
【００７９】
図１８は第１２の実施形態に係るアイソレータの構成を示す図である。この例では導体開口部ＡＰ２からＡＰ１方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ１１と、導体開口部ＡＰ２の近傍からスロットＳＬＬ１１に沿って延びるスロットＳＬＬ１２を形成してコプレーナガイドを構成している。また、ＡＰ４からＡＰ３方向とは反対方向へ延びるスロットＳＬＬ２を形成している。その他の構成は図１６・図１７の場合と同様である。このようにして一方の入出力部をコプレーナガイド、他方の入出力部をスロットラインとする線路変換機能を兼ねたアイソレータとして作用する。
【００８０】
図１９は第１３の実施形態に係るアイソレータの構成を示す図である。この例では導体開口部ＡＰ１〜ＡＰ４の形状を、四隅を丸くした略矩形状に形成している。また、共振素子１００は用いていない。その他は図１６に示した場合と同様である。このように導体開口部は円形以外であってもよく、同様にアイソレータとして作用する。
【００８１】
図２０は第１４の実施形態に係るアイソレータの構成を示す図である。（Ａ）は遮蔽ケースに装着する前の状態での誘電体基板の上面図、（Ｂ）はアイソレータの（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。（Ｃ）はアイソレータの正面図である。誘電体基板１と、それに設けた導体層やビアホールの構造は図１５に示したものと同様である。この図２０に示す例では、誘電体基板１をフェライトコア１６、磁石１７ａ，１７ｂと共に遮蔽ケース１３内部に一体的に設けている。この遮蔽ケース１３は磁性体であり高周波信号の遮蔽だけでなく磁石１７ａ，１７ｂのヨークとして作用する。
【００８２】
次に、この発明の第１５の実施形態である通信通信装置の構成を図２７を基に説明する。同図は通信装置の主要部の構成を示すブロック図である。この装置の送信系は電圧制御発振器（ＶＣＯ）１３８、ミキサ１３４、バンドパスフィルタ１３３、増幅器１３２、アイソレータ１３１、デュプレクサ１２３の送信フィルタで構成している。ミキサ１３４はＶＣＯ１３８の発振信号と送信信号とをミキシングしてバンドパスフィルタ１３３で必要な送信帯域の信号を通過させ、増幅器１３２で増幅し、アイソレータ１３１を介し、更にデュプレクサ１２３の送信フィルタを介してアンテナ１２２から送信する。受信系はデュプレクサ１２３の受信フィルタ、増幅器１３５、バンドパスフィルタ１３６、ミキサ１３７、バンドパスフィルタ１３９から構成している。アンテナ１２２からの受信信号はデュプレクサ１２３の受信フィルタを通過し、増幅器１３５で増幅され、バンドパスフィルタ１３６で必要な受信信号帯域のみ選択される。ミキサ１３７はこの信号とバンドパスフィルタ１３９から出力されるローカル信号とをミキシングして受信回路への受信信号を出力する。
【００８３】
以上の各実施形態で示した構成のフィルタはデュプレクサ１２３、バンドパスフィルタ１３３，１３６，１３９のいずれかに適用することができる。また以上の各実施形態で示した構成のアイソレータはアイソレータ１３１に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図２】同共振器の２つの共振モードを示す図である。
【図３】同共振器における別の２つの共振モードを示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図５】同共振器の２つの共振モードを示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図７】同共振器の容量形成用導体層の形状を示す図である。
【図８】第４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図９】第５の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１０】第６の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１１】同共振器に用いる共振素子の作用を示す図である。
【図１２】同共振器に用いる共振素子の等価回路図である。
【図１３】第７の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１４】第８の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１５】第９の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１６】第１０の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１７】第１１の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１８】第１２の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図１９】第１３の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図２０】第１４の実施形態に係る共振器の構成を示す図である。
【図２１】磁界ベクトルの交差角度について示す図である。
【図２２】磁界ベクトルの交差角度について示す図である。
【図２３】磁気共鳴吸収について示す図である。
【図２４】第３の実施形態に係る共振器における奇モードと偶モードの磁界分布を示す図である。
【図２５】第３の実施形態に係る共振器における奇モードと偶モードの電界分布を示す図である。
【図２６】同共振器と従来のマイクロストリップラインによる共振器との関係を示す図である。
【図２７】第１５の実施形態に係る通信装置の構成を示すブロック図である。
【図２８】従来の十字ストリップ線路共鳴型アイソレータの構成を示す分解斜視図である。
【図２９】特許文献１の非可逆回路素子の構成を示す図である。
【図３０】特許文献２の非可逆回路素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１    誘電体基板
２    導体線路
２′  導体線路集合体
３    絶縁層
４    導体層
５    容量形成用導体層
６    導体層
７    遮蔽電極
８    入出力端子
９    入出力結合用電極
１０    ビアホール
１１    容量結合用電極
１３    遮蔽ケース
１４    遮蔽キャップ
１５    基板
１６    フェライトコア
１７    磁石
１００    共振素子
１２０    通信装置
ＡＰ    導体開口部
ＳＬ    スリット
ＳＬＬ    スロット
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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