JP2013201684A - 磁気共鳴型アイソレータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気共鳴型アイソレータにおいて、入力側と出力側とで異なるインピーダンスを有し、整合回路を省略可能とすること。
【解決手段】フェライト１０と、フェライト１０に配置された、第１開口、第２開口及び第３開口を有する接合導体と、フェライト１０に直流磁界を印加する永久磁石２９とを備えた磁気共鳴型アイソレータ。接合導体は、第１開口と第２開口との間に配置された主線路１５と、主線路１５から分岐して第３開口に至る副線路２０，２２とからなり、主線路１５は共振することがなく、第１開口（グランドポートＰ３）にリアクタンス素子Ｃを接続し、リアクタンス素子Ｃはグランドに接続されている。そして、第２開口及び第３開口が入出力ポートＰ１，Ｐ２として機能する。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁気共鳴型アイソレータ、特に、マイクロ波帯などで使用される磁気共鳴型アイソレータに関する。

一般に、アイソレータは信号を特定方向にのみ伝送し、逆方向には伝送しない特性を有し、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に搭載されている。そして、磁気共鳴型アイソレータとしては特許文献１，２に記載のものが知られている。磁気共鳴型アイソレータは、直交する二つの線路（四つの開口を有している）に、振幅が等しく位相が１／４波長だけ異なる高周波電流が流れたとき、交点に回転する磁界（円偏波）が生じ、二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ている。即ち、交点にフェライトを配置するとともに永久磁石によって磁気共鳴に必要な静磁界を印加し、主線路を伝搬する電磁波の進行方向に応じて副線路からの反射波によって正の円偏波又は負の円偏波が生じる。正の円偏波が生じるとフェライトの磁気共鳴によって信号が吸収され、負の円偏波が生じると磁気共鳴は発生せずに信号はそのまま通過する。副線路の端部には信号を反射させるリアクタンス素子が接続される。

しかしながら、従来の磁気共鳴型アイソレータは、主線路が共振するために１／４波長の長さを有しており、かつ、二つのリアクタンス素子を搭載するために、例えば、約２ＧＨｚではサイズが２０ｍｍ×２０ｍｍと大型化している。このことは、移動体通信機器が近年小型化、実装密度が高度化している現状に適合していない。

そこで、本願出願人は、特許文献３に記載のように（文献３に記載の一例を図１１を参照して示す）、フェライト１１０と、該フェライト１１０に配置された、第１開口Ｐ１、第２開口Ｐ２及び第３開口Ｐ３を有する接合導体と、前記フェライト１１０に直流磁界を印加する永久磁石と、を備え、接合導体は、第１開口Ｐ１と第２開口Ｐ２との間に配置された主線路１１５と、該主線路１１５から分岐して第３開口Ｐ３に至る副線路１２０とからなり、前記主線路１１５は共振することがなく、第３開口Ｐ３にリアクタンス素子（コンデンサＣ）を接続し、該リアクタンス素子（コンデンサＣ）はグランドに接続される磁気共鳴型アイソレータを提案した。これにて、小型化されかつ低インピーダンスの磁気共鳴型アイソレータを得ることができる。

ところで、前記アイソレータは携帯電話などの機器に搭載されるが、パワーアンプに接続される入力側のインピーダンスとアンテナ（デュプレクサ）に接続される出力側のインピーダンスが異なっている。しかし、特許文献３に記載のアイソレータでは入力側及び出力側のインピーダンスが同じ値（実部で約３３Ω）であるため、インピーダンスを整合させるための整合回路を付加する必要があった。

特開昭６３−２６０２０１号公報 特開２００１−３２６５０４号公報 国際公開第２０１１／０７７８０３号

本発明の目的は、入力側と出力側とで異なるインピーダンスを有し、整合回路の省略化が可能な磁気共鳴型アイソレータを提供することにある。

本発明の一形態である磁気共鳴型アイソレータは、
フェライトと、
前記フェライトに配置された、第１開口、第２開口及び第３開口を有する接合導体と、
前記フェライトに直流磁界を印加する永久磁石と、
を備え、
前記接合導体は、第１開口と第２開口との間に配置された主線路と、該主線路から分岐して第３開口に至る副線路とからなり、前記主線路は共振することがなく、
第１開口にリアクタンス素子を接続し、該リアクタンス素子はグランドに接続され、
第２開口及び第３開口が入出力ポートとして機能すること、
を特徴とする。

前記磁気共鳴型アイソレータにおいて、リアクタンス素子が接続されている第１開口からの反射波が第２開口及び第３開口からの入射波に対して主線路と副線路の交点で９０度位相がずれるように調整されている。これにより、交点に正又は負の円偏波が発生する。正又は負の円偏波が発生することによる信号の吸収、通過は従来と同様である。そして、入出力ポートとして機能する第２開口及び第３開口が第１開口に対して非対称に配置されているため、入力側と出力側とで異なるインピーダンスを有することになる。それゆえ、本アイソレータを携帯電話などの高周波回路に組み込む場合、インピーダンス整合回路の少なくとも一部を省略することが可能になる。

本発明によれば、入力側と出力側とで異なるインピーダンスを有し、整合回路の省略化が可能である。

第１実施例である磁気共鳴型アイソレータを示す斜視図である。 前記磁気共鳴型アイソレータを示す分解斜視図である。 前記磁気共鳴型アイソレータのフェライトを示し、（Ａ）は表面図、（Ｂ）は裏面図である。 前記フェライトの素体を示す正面図である。 前記フェライトを製造する際のマザー基板を示す平面図である。 前記磁気共鳴型アイソレータにおける挿入損失特性及びアイソレーション特性を示すグラフである。 前記磁気共鳴型アイソレータと従来の磁気共鳴型アイソレータの動作原理を示す説明図である。 第２実施例である磁気共鳴型アイソレータを構成するフェライトを示す表面図である。 第２実施例である磁気共鳴型アイソレータにおける挿入損失特性及びアイソレーション特性を示すグラフである。 インピーダンス特性のチャート図であり、（Ａ）は第１実施例、（Ｂ）は第２実施例、（Ｃ）は従来例を示す。 従来の磁気共鳴型アイソレータを構成するフェライトを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は表面図、（Ｃ）は裏面図である。

以下、本発明に係る磁気共鳴型アイソレータの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図において斜線を付した部分は導電体であることを示している。

（第１実施例、図１〜図７）
第１実施例である磁気共鳴型アイソレータ１Ａは、図１〜図３に示すように、フェライト１０と、フェライト１０の第１主面１１に配置された主線路１５と、該主線路１５から分岐して第２主面１２に回り込んだ副線路２０と、フェライト１０に直流磁界を印加する一対の永久磁石２９と、リアクタンス素子としてのコンデンサＣと、実装用基板３０と、を備えている。主線路１５及び副線路２０を併せて接合導体と称する。

主線路１５の一端はフェライト１０の左側面部（図３（Ａ）参照）に設けたスルーホール導体１６ａを介して第２主面１２に設けた導体１７ａ（図３（Ｂ）参照）の一端に接続され、該導体１７ａの他端はフェライト１０に設けたスルーホール導体１８ａに接続されている。主線路１５の他端はフェライト１０の右側面部（図３（Ａ）参照）に設けたスルーホール導体１６ｂを介して第２主面１２に設けた導体１７ｂの一端に接続され、該導体１７ｂの他端はフェライト１０に設けたスルーホール導体１８ｂに接続されている。即ち、主線路１５は、その両端がスルーホール導体１６ａ，１６ｂを介して導体１７ａ，１７ｂに延長され、フェライト１０に巻回された状態とされている。導体１７ａの他端（スルーホール導体１８ａ）が第１開口（グランドポートＰ３）とされ、導体１７ｂの他端（スルーホール導体１８ｂ）が第２開口（入力ポートＰ１）とされている。

副線路２０の上端はフェライト１０の上面に設けたスルーホール導体２１を介して第２主面１２に設けた導体２２（図３（Ｂ）参照）に接続され、該導体２２の端部はフェライト１０の下面に設けたスルーホール導体２３に接続されている。副線路２０はスルーホール導体２１を介して導体２２にまで延長され、導体２２の端部が第３開口（出力ポートＰ２）とされている。

主線路１５、副線路２０及び導体１７ａ，１７ｂ，２２は、導電性金属による蒸着などで形成された薄膜あるいは導電性ペーストの塗布・焼付けにて形成された厚膜である。また、それぞれのスルーホール導体１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ，２１，２３は、図４に示すように、フェライト１０の４辺に形成された凹部２５に導電材を充填することにより形成されている。フェライト１０は、図５に示すように、焼成された１枚のマザー基板１０’に所定の間隔で凹部２５をマトリクス状に形成し、これらの凹部２５に導電材を充填、固化させた後に直線Ｅでカットし、１単位のフェライト１０を得る。マザー基板１０’に凹部２５を形成するのは、サンドブラスト法、レーザー照射法などによる。

ところで、第１開口（グランドポートＰ３）と第２開口（入力ポートＰ１）との間に配置された主線路１５（導体１７ａ，１７ｂを含む）は１／４波長以下の共振しない線路長とされている。また、第１開口（グランドポートＰ３）にはコンデンサＣの一端が接続され、該コンデンサＣはグランドに接続されることになる。

実装用基板３０には、図２に示すように、入力端子電極３１、出力端子電極３２、中継端子電極３３、グランド端子電極３４がそれぞれ形成されている。一対の永久磁石２９はフェライト１０の第１及び第２主面１１，１２に貼着されて３者が一体化されており、一体化された状態で実装用基板３０上に搭載される。このとき、第２開口（入力ポートＰ１）は入力端子電極３１に接続され、第３開口（出力ポートＰ２）は出力端子電極３２に接続され、第１開口（グランドポートＰ３）は中継端子電極３３に接続される。コンデンサＣは一端が中継端子電極３３に接続され、他端がグランド端子電極３４に接続される。

以上の構成からなる磁気共鳴型アイソレータ１Ａにおいて、コンデンサＣが接続されている第１開口（グランドポートＰ３）からの反射波が第２開口（入力ポートＰ１）又は第３開口（出力ポートＰ２）からの入射波に対して主線路１５との交点で９０度位相がずれるように調整されている。詳しくは、第２開口（入力ポートＰ１）からの入射波は、前記反射波によって交点に負の円偏波が生じるので磁気共鳴が発生することはなく、入射波は第３開口（出力ポートＰ２）に伝送される。一方、第３開口（出力ポートＰ２）からの入射波は、前記反射波によって交点に正の円偏波が生じるので磁気共鳴して吸収される。

以下に、前記磁気共鳴型アイソレータ１Ａの特性を図６に示す。フェライト１０の厚みＴは０．１５ｍｍ、一対の永久磁石２９を含めた幅寸法Ｗ１は０．８９ｍｍ、幅寸法Ｗ２は０．７３ｍｍ、高さＨは０．５３ｍｍである。また、コンデンサＣの容量は１．０ｐＦである。挿入損失特性は図６（Ａ）に示すとおりであり、アイソレーション特性は図６（Ｂ）に示すとおりである。そして、入力ポートＰ１のインピーダンス（実部）は約３６Ωであり、出力ポートＰ２のインピーダンス（実部）は約５７Ωである（図１０（Ａ）参照）。

前記入出力インピーダンスについて説明する。図７（Ａ）には第１実施例である磁気共鳴型アイソレータ１Ａの等価回路図を示し、図７（Ｂ）には図１１に示した従来例である磁気共鳴型アイソレータの等価回路図を示している。図７（Ａ），（Ｂ）において、Ｌ１は入力ポートＰ１から交点に至る線路の自己インダクタンス、Ｌ２は出力ポートＰ２から交点に至る線路の自己インダクタンス、Ｌ３はグランドポートＰ３から交点に至る線路の自己インダクタンスである。Ｍ１２，Ｍ２３，Ｍ３１はそれぞれ各線路（インダクタ）間の相互インダクタンス（結合度合）である。角度θ１２，θ２３，θ３１はそれぞれ各線路（インダクタ）の交差角度である。

インピーダンスは主に自己インダクタンス、相互インダクタンス、交差角度で決まる。インピーダンスには、それ以外に、コンデンサＣ、線路幅、フェライト１０の透磁率などの要素も影響する。図７（Ｂ）に示す従来例は、グランドポートＰ３を中心とした左右対称構造であり、Ｍ３１≒Ｍ２３、θ３１≒θ２３なので、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２のインピーダンスはほぼ同じ値になる（図１０（Ｃ）参照）。一方、図７（Ａ）に示す第１実施例は、グランドポートＰ３を中心とした左右非対称構造であり、Ｍ３１≠Ｍ２３、θ３１≠θ２３なので、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２のインピーダンスは異なる値になる（図１０（Ａ）参照）。

（第２実施例、図８及び図９参照）
第２実施例である磁気共鳴型アイソレータ１Ｂは、前記第１実施例である磁気共鳴型アイソレータ１Ａと基本的には同じ構成部材からなり、一対の永久磁石２９から印加される直流磁界の方向が逆に設定されている。それゆえ、図８に示すように、副線路２０の端部である第３開口が入力ポートＰ１となり、主線路１５の端部である第２開口が出力ポートＰ２となり、主線路１５の端部である第１開口がグランドポートＰ３となる。

動作原理は前記第１実施例と同様であり、第３開口（入力ポートＰ１）からの入射波は第２開口（出力ポートＰ２）に伝送され、第２開口（出力ポートＰ２）からの入射波は、磁気共鳴して吸収される。

第２実施例である磁気共鳴型アイソレータ１Ｂの特性を図９に示す。コンデンサＣの容量は１．０ｐＦである。挿入損失特性は図９（Ａ）に示すとおりであり、アイソレーション特性は図９（Ｂ）に示すとおりである。そして、入力ポートＰ１のインピーダンス（実部）は約５５Ωであり、出力ポートＰ２のインピーダンス（実部）は約３７Ωである（図１０（Ｂ）参照）。

なお、前記磁気共鳴型アイソレータ１Ａ，１Ｂは、例えば、移動体通信機器の送信回路モジュールに組み込まれる。実装用基板３０は送信回路モジュールにおけるパワーアンプを搭載するためのプリント配線基板であってもよい。この場合、主線路１５、副線路２０を備えかつ永久磁石２９を貼着したフェライト１０が送信モジュールの組立て工程に供給されることになる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る磁気共鳴型アイソレータは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、フェライトの形状、主線路や副線路の細部は任意であり、主線路と副線路の交点が９０度より若干大きいあるいは小さい角度を有していてもよい。また、主線路や副線路をフェライトに形成したスルーホール導体を介してフェライトの表裏面に引き回す構成以外に、フェライトの表面に形成した導体膜によって表裏面に引き回してもよい。さらに、実装用基板３０にあってはその大きさ、形状、構造などは任意である。あるいは、第３開口に接続されるリアクタンス素子としてはコンデンサのほかインダクタであってもよい。

以上のように、本発明は、磁気共鳴型アイソレータに有用であり、特に、入力側及び／又は出力側に配置される整合回路の省略が可能である点で優れている。

１Ａ，１Ｂ…磁気共鳴型アイソレータ
１０…フェライト
１１，１２…主面
１５…主線路
２０…副線路
２９…永久磁石
Ｐ１…入力ポート
Ｐ２…出力ポート
Ｐ３…グランドポート
Ｃ…コンデンサ

Claims (5)

1. フェライトと、
   前記フェライトに配置された、第１開口、第２開口及び第３開口を有する接合導体と、
   前記フェライトに直流磁界を印加する永久磁石と、
   を備え、
   前記接合導体は、第１開口と第２開口との間に配置された主線路と、該主線路から分岐して第３開口に至る副線路とからなり、前記主線路は共振することがなく、
   第１開口にリアクタンス素子を接続し、該リアクタンス素子はグランドに接続され、
   第２開口及び第３開口が入出力ポートとして機能すること、
   を特徴とする磁気共鳴型アイソレータ。
2. 前記主線路は前記フェライトの第１主面に配置され、前記副線路は前記主線路のほぼ中央部から分岐して前記フェライトの第１主面と対向する第２主面に前記主線路と直交するように配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の磁気共鳴型アイソレータ。
3. 前記主線路の一端は前記フェライトに設けた第１のスルーホール導体を介して第２主面に設けた第１の導体の一端に接続され、該第１の導体の他端が第１開口とされ、
   前記主線路の他端は前記フェライトに設けた第２のスルーホール導体を介して第２主面に設けた第２の導体の一端に接続され、該第２の導体の他端が第２開口とされ、
   前記副線路の端部が第３開口とされていること、
   を特徴とする請求項２に記載の磁気共鳴型アイソレータ。
4. 前記副線路は前記フェライトに設けた第３のスルーホール導体を介して第２主面に回り込み、かつ、前記主線路と直交する方向に延在された端部が第３開口とされていること、を特徴とする請求項３に記載の磁気共鳴型アイソレータ。
5. 前記フェライトは第１主面及び第２主面にそれぞれ対向する一対の永久磁石によって挟まれていること、を特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の磁気共鳴型アイソレータ。

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