特許 6900963 非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6900963

(24)【登録日】2021年6月21日

(45)【発行日】2021年7月14日

(54)【発明の名称】非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置

(51)【国際特許分類】

   H01P 1/387 20060101AFI20210701BHJP

   H01P 11/00 20060101ALI20210701BHJP

【ＦＩ】

   H01P1/387

   H01P11/00

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2019-48020(P2019-48020)

(22)【出願日】2019年3月15日

(65)【公開番号】特開2020-150478(P2020-150478A)

(43)【公開日】2020年9月17日

【審査請求日】2019年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115738

【弁理士】

【氏名又は名称】鷲頭 光宏

(74)【代理人】

【識別番号】100121681

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 和文

(72)【発明者】

【氏名】大波多 秀典

(72)【発明者】

【氏名】松丸 宜紀

(72)【発明者】

【氏名】河田 智明

【審査官】 鈴木 肇

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−１４８８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８４９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０８５５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭４９−０８４３４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５６−１４０２０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５５−０５８７０３（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ １／２２−１／３９７

Ｈ０１Ｐ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１及び第２の接地導体間に配置された磁気回転子と、
前記磁気回転子に直流磁場を印加する永久磁石と、
誘電体と、を備え、
前記磁気回転子は、一方の表面が前記第１の接地導体で覆われる第１のフェライトコアと、一方の表面が前記第２の接地導体で覆われる第２のフェライトコアと、前記第１のフェライトコアの他方の表面に直接的に固着された第１の中心導体と、前記第２のフェライトコアの他方の表面に直接的に固着された第２の中心導体とを含み、
前記誘電体は、前記第１のフェライトコアの前記他方の表面と前記第２のフェライトコアの前記他方の表面を接着し、
前記第１のフェライトコアと前記第１の中心導体は、前記誘電体を介することなく固着され、
前記第２のフェライトコアと前記第２の中心導体は、前記誘電体を介することなく固着されていることを特徴とする非可逆回路素子。

【請求項2】

前記第１の接地導体は、前記第１のフェライトコアの前記一方の表面に直接的に固着されており、
前記第２の接地導体は、前記第２のフェライトコアの前記一方の表面に直接的に固着されていることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。

【請求項3】

前記第１の中心導体と前記第２の中心導体が接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の非可逆回路素子。

【請求項4】

前記第１の中心導体と前記第２の中心導体が互いに同じ平面形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の非可逆回路素子を備えた通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置に関し、特に、マイクロ波帯又はミリ波帯での使用に好適なアイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置に関する。また、本発明は、このような非可逆回路素子の製造方法に関する。

【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、例えば、携帯電話のような移動体通信機器や、基地局で使用される通信装置などに組み込まれて使用される。一般的な非可逆回路素子は、特許文献１に記載されているように、中心導体及びこれを挟み込む一対のフェライトコアからなる磁気回転子と、磁気回転子に磁場を与える永久磁石によって構成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６２３１５５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来の非可逆回路素子では、中心導体、接地導体、フェライトコアなどに凹凸やゆがみが存在すると、中心導体とフェライトコアの間や、接地導体とフェライトコアの間に隙間が生じてしまう。このような隙間が存在すると、中心導体と接地導体の間の実効的な誘電率が低下してしまい、その結果、非可逆回路素子の動作周波数が設計値よりも高くなるという問題があった。

【0005】

つまり、理想的な非可逆回路素子の場合、フェライトコアの半径ａは、下記式（１）によって決まる。

【0006】

【数1】

【0007】

ここで、Ｘ_ａ（θ）は接触角θから得られる定数であり、λ_０は使用周波数の自由空間波長であり、ε_ｒはフェライトコアの比誘電率であり、μ_{ｅｆｆ，ｒ}は実効透磁率である。電波の伝搬速度をνとすれば、使用周波数Ｆ_０は、Ｆ_０＝ν／λ_０で表すことができるので、式（１）は下記式（１）'に変形することができる。

【0008】

【数2】

【0009】

これをＦ_０について解くと、下記式（２）の通りとなる。

【0010】

【数3】

【0011】

式（１）'から明らかなように、Ｆ_０が一定の場合、隙間が形成されるなどして実効誘電率が下がると、フェライトコアの半径ａが大きくなることが分かる。一方、式（２）から明らかなように、フェライトコアの半径ａを一定とした場合、実効誘電率が小さくなると、動作周波数が高くなることがわかる。

【0012】

したがって、本発明は、中心導体とフェライトコアの間の隙間に起因する電気的特性の変化を防止することが可能な非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このような非可逆回路素子の製造方法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】

【0013】

本発明による非可逆回路素子は、第１及び第２の接地導体間に配置された磁気回転子と、磁気回転子に直流磁場を印加する永久磁石とを備え、磁気回転子は、一方の表面が第１の接地導体で覆われる第１のフェライトコアと、一方の表面が第２の接地導体で覆われる第２のフェライトコアと、第１のフェライトコアの他方の表面に直接的に固着された第１の中心導体と、第２のフェライトコアの他方の表面に直接的に固着された第２の中心導体とを含むことを特徴とする。

【0014】

また、本発明による通信装置は、上記の非可逆回路素子を備えることを特徴とする。

【0015】

本発明によれば、第１及び第２の中心導体がそれぞれ第１及び第２のフェライトコアに直接的に固着されていることから、両者間に隙間が生じない。これにより、中心導体とフェライトコアの間の隙間に起因する電気的特性の変化を防止することが可能となる。

【0016】

本発明において、第１の接地導体は第１のフェライトコアの一方の表面に直接的に固着されており、第２の接地導体は第２のフェライトコアの一方の表面に直接的に固着されていても構わない。これによれば、第１及び第２の接地導体と第１及び第２のフェライトコアの間に隙間が生じない。これにより、接地導体とフェライトコアの間の隙間に起因する電気的特性の変化を抑制することが可能となる。

【0017】

本発明による非可逆回路素子は、第１のフェライトコアの他方の表面と第２のフェライトコアの他方の表面を接着する誘電体をさらに備え、第１のフェライトコアと第１の中心導体は誘電体を介することなく固着され、第２のフェライトコアと第２の中心導体は誘電体を介することなく固着されていても構わない。これによれば、第１及び第２のフェライトコアを相互に固定することができる。

【0018】

本発明において、第１の中心導体と第２の中心導体が接触していても構わない。この場合であっても、非可逆回路素子を正しく動作させることが可能となる。

【0019】

本発明において、第１の中心導体と第２の中心導体は、互いに同じ平面形状を有していても構わない。これによれば、第１の中心導体と第２の接地導体の間の容量成分や、第２の中心導体と第１の接地導体の間の容量成分による影響をなくすことが可能となる。

【0020】

本発明による非可逆回路素子の製造方法は、第１のフェライトコアの一方の表面に第１の接地導体を直接形成し、他方の表面に第１の中心導体を直接形成する工程と、第２のフェライトコアの一方の表面に第２の接地導体を直接形成し、他方の表面に第２の中心導体を直接形成する工程と、第１のフェライトコアの他方の表面と第２のフェライトコアの他方の表面が向かい合うよう、第１及び第２のフェライトコアを固定する工程と、第１及び第２のフェライトコアに直流磁場を印加する永久磁石を配置する工程とを備えることを特徴とする。

【0021】

本発明によれば、フェライトコアと接地導体及び中心導体の間に隙間が生じないことから、接地導体と中心導体の間の誘電率が変動しない。これにより、電気的特性が安定した非可逆回路素子を作製することが可能となる。

【0022】

本発明においては、第１及び第２のフェライトコアの他方の表面に、それぞれ第１及び第２の中心導体を印刷法、メッキ法又は拡散接合法によって形成しても構わない。これによれば、フェライトコアと中心導体を隙間なく固着させることが可能となる。

【発明の効果】

【0023】

このように、本発明によれば、中心導体とフェライトコアの間の隙間に起因する電気的特性の変化を防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の好ましい実施形態による非可逆回路素子１０の構成を示す略斜視図である。

【図2】図２は、非可逆回路素子１０の略分解斜視図である。

【図3】図３は、磁気回転子４０の部分断面図である。

【図4】図４は、非可逆回路素子を用いた通信装置８０の構成を示すブロック図である。

【図5】図５は、実施例の評価結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

【0026】

図１は、本発明の好ましい実施形態による非可逆回路素子１０の構成を示す略斜視図である。また、図２は、非可逆回路素子１０の略分解斜視図である。

【0027】

図１及び図２に示す非可逆回路素子１０は分布定数型の非可逆回路素子であり、携帯電話のような移動体通信機器や、基地局で使用される通信装置などに組み込まれて、アイソレータ又はサーキュレータとして使用される。特に限定されるものではないが、本実施形態による非可逆回路素子１０は、基地局で使用される通信装置に使用することが好適である。

【0028】

図１及び図２に示すように、本実施形態による非可逆回路素子１０は略直方体形状を有する表面実装型のチップ部品であり、ｘｚ面を構成する第１及び第２の側面１１、１２と、ｙｚ面を構成する第３及び第４の側面１３、１４と、ｘｙ面を構成する実装面１５及び上面１６とを有している。そして、第１の側面１１には第１の外部端子２１が設けられ、第２の側面１２には第２の外部端子２２が設けられ、第３の側面１３には第３の外部端子２３が設けられている。その他、第１〜第４の側面１１〜１４には、それぞれ複数のグランド端子２０が設けられている。外部端子２１〜２３及び複数のグランド端子２０は、一部が実装面１５に回り込んで形成されている。

【0029】

これら３つの外部端子２１〜２３は、本実施形態による非可逆回路素子１０をサーキュレータとして使用する場合にはそれぞれ対応する信号配線に接続される。一方、本実施形態による非可逆回路素子１０をアイソレータとして使用する場合には、例えば、外部端子２１及び２２がそれぞれ対応する信号配線に接続され、外部端子２３が終端抵抗を介して接地される。同様に、終端抵抗を介して外部端子２１又は２２を接地した場合も、本実施形態による非可逆回路素子１０をアイソレータとして使用することができる。複数のグランド端子２０には、接地電位が共通に与えられる。

【0030】

さらに、非可逆回路素子１０は磁気回転子４０に直流磁場を印加する永久磁石３１及び３２を備え、これらの間に磁気回転子４０が積層方向であるｚ方向に挟み込まれた構成を有している。本発明において、永久磁石３１及び３２の一方については省略、或いは、保磁力の小さい磁性体基板としての鉄板等に置き換えても構わないが、磁気回転子４０に対して強い磁場を垂直に印加するためには、磁気回転子４０を２つの永久磁石３１及び３２によって挟み込むことが好ましい。

【0031】

磁気回転子４０は、２つのフェライトコア４１及び４２と、これらによってｚ方向に挟まれた２つの中心導体７０Ａ、７０Ｂを含む。フェライトコア４１及び４２の材料としては、イットリウム／鉄／ガーネット（ＹＩＧ）等の軟磁性材料を用いることが好ましい。中心導体７０Ａ、７０Ｂの平面形状は図２に示すとおりであり、中心点から放射状に導出された３つのポート７１Ａ〜７３Ａ及び７１Ｂ〜７３Ｂと、電気的特性を調整するための分岐導体７４Ａ〜７６Ａ及び７４Ｂ〜７６Ｂとを有している。中心導体７０Ａとフェライトコア４１は、接着剤などを介することなく直接固着されている。同様に、中心導体７０Ｂとフェライトコア４２は、接着剤などを介することなく直接固着されている。フェライトコア４１、４２は、接着性を有する誘電体４３を介して互いに接着されている。誘電体４３は、中心導体７０Ａと中心導体７０Ｂの間に介在していても構わない。また、中心導体７０Ａと中心導体７０Ｂの一部又は全部は、誘電体４３を介することなく接していても構わない。中心導体７０Ａと中心導体７０Ｂは、互いに同じ平面形状を有し、且つ、ｚ方向から見て両者が正確に重なっていることが好ましい。

【0032】

ここで、中心導体７０Ａ、７０Ｂから導出された第１のポート７１Ａ、７１Ｂの先端は第１の側面１１に露出し、これにより第１の外部端子２１に接続されている。また、中心導体７０Ａ、７０Ｂから導出された第２のポート７２Ａ、７２Ｂの先端は第２の側面１２に露出し、これにより第２の外部端子２２に接続されている。さらに、中心導体７０Ａ、７０Ｂから導出された第３のポート７３Ａ、７３Ｂの先端は第３の側面１３に露出し、これにより第３の外部端子２３に接続されている。

【0033】

本実施形態による非可逆回路素子１０は、永久磁石３１と磁気回転子４０によってｚ方向に挟まれた接地導体５１と、永久磁石３２と磁気回転子４０によってｚ方向に挟まれた接地導体５２をさらに備えている。このため、中心導体７０Ａ、７０Ｂは２つの接地導体５１、５２によって挟まれ、永久磁石３１及び３２から隔離される。接地導体５１には、外部端子２１〜２３と重なる部分に切り欠き５１ａ〜５１ｃが設けられ、接地導体５２には、外部端子２１〜２３と重なる部分に切り欠き５２ａ〜５２ｃが設けられており、これによって外部端子２１〜２３との干渉が防止されている。接地導体５１、５２のその他の部分は、第１〜第４の側面１１〜１４から露出している。このため、複数のグランド端子２０はいずれも接地導体５１、５２に接続される。

【0034】

本実施形態においては、接地導体５１がフェライトコア４１の下面に印刷されており、接地導体５２がフェライトコア４２の上面に印刷されている。このため、接地導体５１とフェライトコア４１はほぼ隙間なく密着し、接地導体５２とフェライトコア４２はほぼ隙間なく密着している。そして、永久磁石３１と接地導体５１は接着性を有する誘電体６１を介して互いに接着され、永久磁石３２と接地導体５２は接着性を有する誘電体６２を介して互いに接着される。誘電体６１，６２としては、誘電体４３と同じ材料を用いることができる。

【0035】

図３は、磁気回転子４０の部分断面図である。

【0036】

図３に示すように、本実施形態においては、フェライトコア４２の下面４２ａに中心導体７０Ａが直接固着され、フェライトコア４２の上面４２ｂに接地導体５２が直接固着されている。つまり、フェライトコア４２の下面４２ａと中心導体７０Ａの間には隙間や他の部材が介在せず、フェライトコア４２の上面４２ｂと接地導体５２の間には隙間や他の部材が介在しない。同様に、フェライトコア４１の上面４１ａに中心導体７０Ｂが直接固着され、フェライトコア４１の下面４１ｂに接地導体５１が直接固着されている。つまり、フェライトコア４１の上面４１ａと中心導体７０Ｂの間には隙間や他の部材が介在せず、フェライトコア４１の下面４１ｂと接地導体５１の間には隙間や他の部材が介在しない。

【0037】

これにより、中心導体７０Ａと接地導体５２の間の誘電率は、フェライトコア４２の誘電率と完全に一致し、中心導体７０Ｂと接地導体５１の間の誘電率は、フェライトコア４１の誘電率と完全に一致する。つまり、隙間の存在や他の部材の介在によって、実効的な誘電率が変化する余地がない。このため、本実施形態による非可逆回路素子１０は、極めて安定した電気的特性を得ることが可能となる。特に、ｚ方向から見て中心導体７０Ａと中心導体７０Ｂが正確に重なっていれば、中心導体７０Ａと接地導体５１の間に容量成分が付加されることがなく、且つ、中心導体７０Ｂと接地導体５２の間に容量成分が付加されることがない。

【0038】

中心導体７０Ａ、７０Ｂとフェライトコア４２、４１を直接固着させるためには、フェライトコア４２の下面４２ａに中心導体７０Ａを直接形成し、フェライトコア４１の上面４１ａに中心導体７０Ｂを直接形成すればよい。具体的な方法としては、印刷法、メッキ法又は拡散接合法を用いることができる。これらの方法によれば、中心導体７０Ａ、７０Ｂとフェライトコア４２、４１が直接固着し、両者間に隙間が形成されたり、他の部材の介在したりすることがなくなる。接地導体５１、５２についても同様であり、フェライトコア４２の上面４２ｂ及びフェライトコア４１の下面４１ｂに印刷法、メッキ法又は拡散接合法を用いて直接形成すればよい。その後、フェライトコア４１の上面４１ａとフェライトコア４２の下面４２ａが向かい合うよう、接着性を有する誘電体４３を介して両者を固定し、さらに、永久磁石３１、３２を配置した後、グランド端子２０及び外部端子２１〜２３を形成すれば、本実施形態による非可逆回路素子１０が完成する。

【0039】

以上説明したように、本実施形態による非可逆回路素子１０は、フェライトコア４２に中心導体７０Ａ及び接地導体５２が直接固着され、フェライトコア４１に中心導体７０Ｂ及び接地導体５１が直接固着されている。このため、製造ばらつきなどによって、中心導体７０Ａと接地導体５２の間の誘電率や、中心導体７０Ｂと接地導体５１の間の誘電率が変化する余地がほとんどなく、極めて安定した電気的特性を得ることが可能となる。

【0040】

図４は、本実施形態による非可逆回路素子を用いた通信装置８０の構成を示すブロック図である。

【0041】

図４に示す通信装置８０は、例えば移動体通信システムにおける基地局に備えられるものであって、受信回路部８０Ｒと送信回路部８０Ｔとを含み、これらが送受信用のアンテナＡＮＴに接続されている。受信回路部８０Ｒは、受信用増幅回路８１と、受信された信号を処理する受信回路８２とを含んでいる。送信回路部８０Ｔは、音声信号、映像信号などを生成する送信回路８３と、電力増幅回路８４とを含んでいる。

【0042】

このような構成を有する通信装置８０において、アンテナＡＮＴから受信回路部８０Ｒに到る経路や、送信回路部８０ＴからアンテナＡＮＴに至る経路に、本実施形態による非可逆回路素子９１、９２が用いられる。非可逆回路素子９１は、サーキュレータとして機能し、非可逆回路素子９２は終端抵抗器Ｒ０を有するアイソレータとして機能する。

【0043】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

【0044】

例えば、上記実施形態においては、分布定数型の非可逆回路素子を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、集中定数型の非可逆回路素子に適用することも可能である。

【実施例】

【0045】

図１及び図２と同じ構造を有する非可逆回路素子のサンプルＡ、Ｂを想定し、各サンプルＡ、Ｂの通過損失をシミュレーションによって評価した。サンプルＡは、誘電体４３の誘電率が１であるサンプルであり、サンプルＢは、誘電体４３の誘電率が２．２であるサンプルである。また、いずれのサンプルも、共振周波数を３．５ＧＨｚに設定した。シミュレーションの結果を図５に示す。図５に示す符号Ａ、Ｂは、それぞれサンプルＡ、Ｂのシミュレーション結果に対応する。

【0046】

図５に示すように、サンプルＡ、Ｂとも、３．３〜３．８ＧＨｚの帯域において通過損失が約−０．３ｄＢと非常に小さかった。しかも、同帯域における通過損失は、サンプルＡとサンプルＢに有意な差が見られなかった。これは、各サンプルとも、中心導体７０Ａ、７０Ｂがフェライトコア４２、４１に密着しているため、誘電体４３の誘電率が電気的特性にほとんど影響を与えないためであると考えられる。

【符号の説明】

【0047】

１０ 非可逆回路素子
１１ 第１の側面
１２ 第２の側面
１３ 第３の側面
１４ 第４の側面
１５ 実装面
１６ 上面
２０ グランド端子
２１ 第１の外部端子
２２ 第２の外部端子
２３ 第３の外部端子
３１、３２ 永久磁石
３２ 永久磁石
４０ 磁気回転子
４１、４２ フェライトコア
４１ａ、４２ｂ フェライトコアの上面
４１ｂ、４２ａ フェライトコアの下面
４３ 誘電体
５１、５２ 接地導体
５１ａ〜５１ｃ、５２ａ〜５２ｃ 切り欠き
６１，６２ 誘電体
７０Ａ、７０Ｂ 中心導体
７１Ａ、７１Ｂ 第１のポート
７２Ａ、７２Ｂ 第２のポート
７３Ａ、７３Ｂ 第３のポート
７４Ａ〜７６Ａ、７４Ｂ〜７６Ｂ 分岐導体
８０ 通信装置
８０Ｒ 受信回路部
８０Ｔ 送信回路部
８１ 受信用増幅回路
８２ 受信回路
８３ 送信回路
８４ 電力増幅回路
９１、９２ 非可逆回路素子
ＡＮＴ アンテナ
Ｒ０ 終端抵抗器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】