CN1233064C - 三端口型非可逆电路元件和通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不使***损耗特性和反射损耗特性劣化，且能抑制工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的传播的三端口型非可逆电路元件和通信装置。该元件中，第1中心电极(21)的一端(21a)通过输入端口(P1)电连接于外部输入端子(14)，另一端(21b)电连接于外部接地端子(16)。第2中心电极(22)的一端(22a)通过输出端口(P2)电连接于外部输出端子(15)。第2中心电极(22)与匹配电容器(72)形成LC并联谐振电路，该LC并联谐振电路与外部接地端子(16)之间连接串联电感(28)。第3中心电极(23)的一端(23a)电连接于第3端口(P3)。第3端口(P3)与地线之间电连接由匹配电容器(73)和终端电阻(27)组成的并联RC电路。

Description

三端口型非可逆电路元件和通信装置

技术领域

本发明涉及三端口型非可逆电路元件，尤其是涉及微波频段用的隔离器和循环器等三端口型非可逆电路元件和通信装置。

背景技术

隔离器通常具有使信号仅在传送方向通过并阻止其反向传送的功能，用于汽车电话、便携电话等移动通信设备的发送电路部分。

历来，作为这种隔离器，已公知有三端口型隔离器(具有第1～第3等3个中心电极的隔离器)。如图12所示，这种隔离器100具有中心电极101、102、和103、铁氧体110、匹配电容器105、106和107以及终端电阻108。中心电极101的一端连接的端口部P1上电连接输入端子114和匹配电容器105。中心电极102的一端上连接的端口部P2上电连接输出端子115和匹配电容器106。中心电极103的一端上连接的端口部P3上电连接匹配电容器107和终端电阻108。匹配电容器105、106、107和终端电阻108分别接地。

一般的通信装置中，电路中使用的放大器使信号有某种程度的失真，这造成产生工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)等的杂散分量，成为非所需辐射的原因。通信装置的非所需辐射造成功率放大器工作异常和干扰，因而预先设定基准和规格。为了防止非所需辐射，一般的方法是配备滤波器等，使非所需频率分量衰减。然而，使用这种滤波器时，存在产生滤波器造成的损耗等缺陷，效果不理想。

因此，考虑利用具有隔离器或循环器的带通滤波器的特性，抑制杂散分量。然而，具有图12所示已有的基本结构的非可逆电路元件在非所需频段不能得到足够的衰减特性。

日本特开2001-320205号公报和特开2001-320206号公报记载一种非可逆电路元件，该元件主要做成在工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)等杂散频段能够取得大衰减量，以解决上述问题。图13示出作为这种非可逆电路元件之一例的隔离器的等效电路。

该隔离器120与图12所示的隔离器100的不同点是，匹配电容器106与地线之间电连接串联电感121。借助于此，用匹配电容器106和串联电感121构成陷波电路，能使偏离通频带的频带的信号衰减。

图14是图12所示隔离器100(已有例1)和图13所示的隔离器120(已有例2)的衰减特性曲线。隔离器100、120其通带均为900MHz频段。从图14可知，已有例2与已有例1相比，2倍频(2f)和3倍频(3f)的衰减量得到改善。

如日本特开2001-320205号公报所记载，隔离器120的3个中心电极101、102、103的一端电连接于形状与铁氧体110的底面相同的公共接地部。而且，使该公共接地部接触铁氧体110的底面，又在铁氧体110的上表面弯曲配置从公共电极部开始延伸的3个中心电极101、102、103，使其以绝缘层为中介，相互形成120度的角度。

然而，图13所示那样具有用匹配电容器106和串联电感121构成的陷波电路的隔离器120虽然能改善通信装置工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的衰减量，但存在***损耗特性和反射损耗特性劣化，相对带宽减小的问题。图15和图16分别是示出图12所示隔离器100(已有例1)和图13所示隔离器120(已有例2)的***损耗特性和反射损耗特性的曲线。从图15和图16可知，隔离器120的相对带宽减小。

因此，本发明的目的是提供不使***损耗特性和反射损耗特性劣化而且能抑制工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的传播的三端口型非可逆电路元件和通信装置。

发明内容

为了到达上述目的，本发明的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，具有

(a)永久磁铁、

(b)利用永久磁铁施加直流磁场的铁氧体、

(c)配置在铁氧体的主面或内部，并且一端电连接第1端口的第1中心电极、

(d)以电绝缘状态与第1中心电极交叉，配置在铁氧体的主面或内部，并且一端电连接第2端口的第2中心电极、

(e)以电绝缘状态与第1中心电极和第2中心电极交叉，配置在铁氧体主面或内部，并且一端电连接第3端口的第3中心电极、

(f)分别与第1中心电极、第2中心电极和第3中心电极中的任一个组成LC并联谐振电路的至少一个匹配电容器、以及

(g)电连接在一个并联谐振电路与地线之间的串联电感，

(h)第1中心电极、第2中心电极和第3中心电极中的至少一个中心电极的另一端不连接公共电位，不是与其它中心电极的另一端共用的共用端。

利用以上的结构，由中心电极和匹配电容器组成的LC并联谐振电路上连接串联电感的电路构成陷波电路。该陷波电路不使***损耗特性和反射损耗特性劣化，而且能加大通信装置工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的衰减量。LC并联谐振电路和串联电感构成的陷波电路的谐振频率(陷波频率)在工作频率的1.5倍以上、3.5倍以下的范围为佳。

又，通过使在多个电感LC并联谐振电路的各个与地线之间连接的多个串联电感的电感值不同，可使多个陷波电路的陷波频率互不相同。因此，例如将1个陷波电路的陷波频率设定在2倍频(2f)附近，将另一个陷波电路的陷波频率设定在3倍频(3f)附近，能进一步加大2倍频(2f)和3倍频(3f)两者的衰减量。

又，以在叠置绝缘层而构成的叠层衬底上设置匹配电容器的电容器电极和串联电感的电感电极为特征。以此减小匹配电容器与串联电感相互间的软钎焊的连接部位的个数，提高连接可靠性。

本发明的通信装置具有上述三端口型非可逆电路元件，因而能改善频率特性。

附图说明

图1是本发明的三端口型隔离器的实施形态1的分解立体图。

图2是图1所示叠层衬底的分解立体图。

图3是图1所示三端口型隔离器的电等效电路。

图4是隔离特性曲线图。

图5是***损耗特性的曲线图。

图6是输入反射损耗特性的曲线图。

图7是输出反射损耗特性的曲线图。

图8是衰减特性的曲线图。

图9是本发明的三端口型隔离器的实施形态2的电等效电路图。

图10是衰减特性的曲线图。

图11是本发明的通信装置的电路框图。

图12是已有三端口型隔离器的电等效电路图。

图13是另一已有三端口型隔离器的电等效电路图。

图14是衰减特性的曲线图。

图15是***损耗特性的曲线图。

图16是输出反射损耗特性的曲线图。

符号说明

1、1A ……三端口型隔离器

4     ……金属制上壳体

8     ……金属制下壳体

9     ……永久磁铁

13    ……中心电极组装体

14    ……外部输入端子

15    ……外部输出端子

16    ……外部接地端子

20    ……铁氧体

21～23……中心电极

71～73……匹配电容器

27    ……终端电阻

28、29……串联电感

30    ……叠层衬底

41～46……介质层

71a～73b、57a～58b……电容器电极

74    ……接地电极

220   ……便携电话

P1    ……输入端口(第1端口)

P2    ……输出端口(第2端口)

P3    ……第3端口

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的三端口型非可逆电路元件和通信装置的实施形态。

实施形态1(图1～图8)

图1是本发明一三端口型非可逆电路元件实施形态的分解立体图。该三端口型非可逆电路元件1是集总常数型隔离器。如图1所示，三端口型隔离器1大致具有由金属制上壳体4和金属制下壳体8组成的金属壳体、永久磁铁9、由铁氧体20和中心电极21～23组成的中心电极组装体13以及叠层衬底30。

金属制上壳体4由上部4a和两个侧部4b组成。金属制下壳体8由底部8a和两个侧部8b组成，底部8a设置外部接地端子16。金属制上壳体4和金属制下壳体8形成磁路，为此用例如由软铁等强磁性体组成的材料形成，其表面镀Ag或Cu。

中心电极组装体31在矩形微波铁氧体20的上表面将3组中心电极21～23隔着绝缘层(图中未示出)配置成分别按120度交叉。本实施形态1中，按2行构成中心电极21～23。中心电极21～23各自的2个端部21a和21b、22a和22b、23a和23b在铁氧体20的下表面延伸，各自的端部21a～23b相互分离。

中心电极21～23可用铜箔卷绕在铁氧体20上，也可在铁氧体20上或内部印刷银糊。或者，也可如特开平9-232818号公报记载的那样，用叠层衬底形成。但是，印刷的方法使中心电极21～23的位置精度高，因而与叠层衬底30的连接稳定。尤其在本案这样用微小的中心电极用连接电极P1～P3(后文说明)进行连接时，印刷形成中心电极21～23的方法可靠性和操作性好。

如图2所示，叠层衬底30的组成部分包含背面设置输入端口P1、输出端口P2、第3端口P3和中心电极用连接电极31～33的收缩抑制层47、背面设置高电位端电容器电极71a～73a和终端电阻27的介质层41、背面设置接地端电容器电极57a和58a的介质层42、背面设置高电位端电容器电极71b～73b的介质层43、背面设置接地端电容器电极57b和58b的介质层44、背面设置电感电极(串联电感)28和中继电极60的介质层45、设置接地电极74、外部输入端子用通路孔14a和外部输出端子用通路孔15a的介质层46以及设置外部输入端子用通路孔14b和外部输出端子用通路孔15b的收缩抑制层48等。

该叠层衬底30制作如下。即，介质层41～46用低温烧结介质材料制作，该材料包含作为主成分的Al₂O₃，并且包含SiO₂、SrO、CaO、PbO、Na₂O、K₂O、MgO、BaO、CeO₂、B₂O₃中的一种或多种作为副成分。

制作收缩抑制层47、48，该抑制层在叠层衬底30的烧固条件(尤其在烧固温度1000℃以下)不烧结，抑制叠层衬底30的衬底平面方向(X-Y方向)的烧固收缩。该收缩抑制层47、48的材料是氧化铝粉末和稳定化氧化锆粉末的混合材料。层41～48的厚度为10μm～200μm左右。

在层41～46的背面利用图案印刷等方法形成电极28、57a～58b、71a～73b、74。作为电极28、71a～73b等的材料，采用电阻率低且能与介质层41～46同时烧固的Ag、Cu、Ag-Pd等。电极28、71a～73b等的厚度是2μm～20μm左右，通常设定为表皮厚度的2倍以上。

在介质层41的背面利用图案的方法形成终端电阻27。作为该终端电阻27的材料，采用金属陶瓷、碳、钌等。可在叠层衬底30的上表面用印刷方法形成终端电阻27，也可用片状电阻形成。

在介质层41～46和收缩抑制层48上利用激光加工或冲孔加工等方法预先形成通路孔用的孔之后，在该孔填充导电糊，从而形成通路孔18、侧面通路孔65和外部端子用通路孔14a、14b、15a、15b。

电容器电极71a、71b、72a、72b、73a、73b分别与电容器电极57a、57b、58a、58b对置，将介质层42～44夹在中间，构成匹配电容器71、72、73。这些匹配电容器71～73、终端电阻27和电感28与端口P1～P3、通路孔14a、14b、15a、15b、18、65等一起在叠层衬底30的内部构成电路。

将上述介质层41～46叠置，进而从介质层41～46的叠层体的上下两侧用收缩抑制层47、48夹入后，进行烧固。由此得到烧结体。然后，利用超声波洗净法或湿式珩磨法去除未烧结的收缩抑制材料，成为图1所示的叠层衬底30。

叠层衬底30的底面设置凸起状的外部输入端子14和外部输出端子15，该端子通过使外部输入端子用通路孔14a、14b和外部输出端子用通路孔15a、15b分别综合为一体而形成。外部输入端子14电连接于电容器电极71a、71b，外部输出端子15电连接于电容器电极72a、72b。然后，将Ni镀层作为基底，进行镀Au。Ni镀层加强电极的Ag与Au镀层的粘合强度。Au镀层优化软钎料的浸润性，而且导电率高，因而能使隔离器1损耗低。

通常以母板状态制成该叠层衬底30。该母板上按规定间距形成半切槽，沿该槽折断，就能从母板得到所需尺寸的镀层衬底30。或者，也可用冲片机或激光器等切断母板，切出所需尺寸的镀层衬底30。

这样得到的叠层衬底30内部具有匹配电容器71～73，终端电阻27和电感28。按所需电容值精度制作匹配电容器71～73。然而，需要修整时，在匹配电容器71～73与中心电极21～23连接前进行。即，叠层衬底30在单体的状态下将内部(第2层)的电容器电极71a、72a、73a与表层的介质一起修整(去除)。修整时采用例如切削机或YAG激光器的基波、2次谐波、3次谐波激光。采用激光器，可得到快速且高精度的加工。也可对母板状态的叠层衬底30进行高效修整。

这样，将靠近叠层衬底30上表面的电容器电极71a、72a、73a作为修整用电容器电极，因而能使修整时去除的介质层厚度最小。而且，成为修整的障碍的电极减少(本第1实施形态时仅有端口P1～P3和连接电极31～33)，因而可修整的电容器电极区大，能扩大电容量调整范围。

叠层衬底30还内置终端电阻27。与匹配电容器71～73相同，终端电阻27也与表层的介质一起修整，以便能调整电阻值R。终端电阻27即使在一处宽度细，也使电阻值提高，因而切削到宽度方向的中间为止。

以上的组成部件组装如下。即如图1所示，用粘接剂将永久磁铁9固定到金属制上壳4的顶部。将中心电极组装体13的中心电极21～23各自的一端21a、22a、23a钎焊到叠层衬底30表面上形成的端口P1、P2、P3上，而且将中心电极21～23各自的另一端21b、22b、23b钎焊到中心电极用连接电极31～33上，从而将中心电极组装体13装在叠层衬底30上。也可对母板状态的叠层衬底30高效地进行中心电极21～23的焊接。

叠层衬底30置于金属制下壳8的底面部8a上，并利用钎焊将叠层衬底30下表面上设置的接地电极74与底面部8a固定连接。这样，外部接地端子16就便于通过侧面通路孔65电连接于终端电阻27、串联电感28和电容器电极58a、58b。

然后，金属制下壳8和金属制上壳4各自的侧面部8b和4b用钎焊等方法进行结合，从而构成金属壳，作为磁轭起作用。即，该金属壳形成磁路，包围永久磁铁9、中心电极组装体13和叠层衬底30。又，永久磁铁9对铁氧体20施加直流磁场。

这样，就得到三端口型隔离器1。图3是隔离器1的等效电路图。第1中心电极21的一端21a通过输入端口P1电连接于外部输入端子14。第1中心电极21的另一端21b通过中心电极用连接电极31电连接于外部接地端子16。外部输入端子14与外部接地端子16之间电连接匹配电容器71。

第2中心电极22的一端22a通过输出端口P2电连接于外部输出端子15。该电极22与匹配电容器72形成LC并联谐振电路，在该LC谐振电路与外部接地端子16之间电连接串联电感28。

第3中心电极23的一端23a电连接于第3端口P3。该电极23的另一端23b通过中心电极用连接电极33电连接于外部接地端子16。在第3端口P3与地线之间电连接由匹配电容器73和终端电阻27组成的并联RC电路。即，第1中心电极21和第3中心电极23各自的另一端21b、23b电连接于外部接地端子16，是公共电位。另一方面，第2中心电极22的另一端22b通过串联电感28电连接于外部接地端子16，与另一端21b、23b不是公共电位，非共用端。

如上所述构成的三端口型隔离器1在输出端口P2与地线之间，在由中心电极22和匹配电容器72组成的LC并联谐振电路上连接串联电感28。该LC并联谐振电路和串联电感28的电路形成陷波电路，并将其谐振频率(陷波频率)设定在工作频率f的1.5倍以上、3.5倍以下的范围内。于是，利用该陷波电路，能加大通信装置的工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的衰减量，不使***损耗和反射损耗特性劣化。

图4、图5、图6、图7和图8分别是示出本实施形态1的三端口型隔离器1的隔离特性、***损耗特性、输入反射损耗特性、输出反射损耗特性和衰减特性的曲线(实施例1参照实线)。为了比较，图4～图8一起记载图12所示的已有的三端口型隔离器100的特性(比较例1参照虚线)。表1-1示出本实施形态1(实施例1)的三端口型隔离器1和图12、图13所示的已有的三端口型隔离器100(比较例1)、120(比较例2)各自的第1～第3中心电极的电感L1、L2、L3和匹配电容器的电容C1、C2、C3以及电感器的电感L4的数值。

终端电阻的电阻值R均为65Ω。表1-1中的中心电极的电感为假设相对导磁率为1时中心电极实质上的自感，实际上该电感值乘以铁氧体等的有效导磁率才是电感L1、L2、L3。

【表-1】

【表1-2】

这里，用以下的式(1)和式(2)表示图13所示已有的三端口型隔离器120(比较例2)的匹配电容器106和电感器121组成的陷波电路的导纳Y和谐振频率f(0)。

Y＝j(ωC2)/j(ω²L4C2-1)             ……(1)

          ω＝2πf

f(0)＝1/{2π(L4C2)^1/2}              ……(2)

该比较例2中，由上述式(1)可知，9.1pF的匹配电容器106和0.4nH的电感器121组成的串联谐振电路的导纳Y在893MHz～960MHz的频带，其值大致等于10.4pF的电容器的导纳。于是，由上述式(2)可知，该串联谐振电路的谐振频率f(0)在2.7GHz附近。

另一方面，用以下的式(3)和式(4)表示本实施形态1的三端口型隔离器1(实施例1)中由中心电极22、匹配电容器72和串联电感28组成的陷波电路的阻抗Z以及谐振频率f(0)。

Z＝j{ωL4-ωL2/(ω²L2C2-1)}               ……(3)

f(0)＝1/2π·[{(L2/L4)+1}/(L2C2)]^1/2

    ＝1/2π·[1/C2·{(1/L2)+(1/L4)}]^1/2       ……(4)

因此，例如有效导磁率为2时，采用表1-1中的中心电极22的自感、匹配电容器的电容量C2和串联电感28的电感量L4的数值，由式(4)可知，陷波电路的谐振频率为2.7GHz。这时，电感L2的值为第2中心电极22的自感乘以有效导磁率2所得的值。

表1-2汇总实施例1和比较例1、2各自的三端口型隔离器1、100、120在工作频率893MHz～960MHz频段中的最差值、2倍频(1786MHz～1920MHz)的衰减量和3倍频(2679MHz～2880MHz)的衰减量。

由于叠层衬底30内置匹配电容器71～73和串联电感28，能减少匹配电容器71～73和串联电感28相互间钎焊的焊接点数，取得连接可靠性高的隔离器1。而且可减少部件数和制造工数，所以隔离器1成本低。

实施形态2(图9和图10)

如图9所示，实施形态2的三端口型隔离器1A相当于所述实施形态1的三端口型隔离器1中，输入端由中心电极21和匹配电容器71组成的LC并联谐振电路上进一步电连接串联电感29。与串联电感28相同，串联电感29也配置在叠层衬底30的内部。即，第3中心电极23的另一端23b电连接于外部接地端子16。另一方面，第1中心电极21和第2中心电极22各自的另一端21b、22b则通过串联电感29、28电连接于外部接地端子16，另一端21b、22b、23b都不是公共电位，非共用端。

然后，设定串联电感28的电感值L4，使由中心电极22、匹配电容器72和串联电感28组成的陷波电路的谐振频率(陷波频率)在3倍频(3f)附近。又设定串联电感29的电感值L5，使中心电极21、匹配电容器71和串联电感29组成的陷波电路的谐振频率(陷波频率)在2倍频(2f)附近。

本实施例2中，将电感值L4设定为0.8nH，将电感值L5设定为0.3nH。这样，2倍频(2f)的衰减量即为33.8dB。3倍频(3f)的衰减量为29.2dB，比上述实施形态1的隔离器1，衰减量得到改善。图10是示出三端口型隔离器1A的衰减特性的曲线(实施例2参照实线)。为了比较，图10中一起记载图12所示的三端口型隔离器100的特性(参照比较例1的虚线)。

实施形态3(图11)

实施形态3以便携式电话为例说明本发明的通信装置。

图11是便携电话220的射频(RF)部分的电路框图。图11中，222是天线元件，223是双工器，231是发送端隔离器，232是发送端放大器，233是发送端级间带通滤波器，234是发送端混频器，235是接收端放大器，236是接收端级间带通滤波器，237是接收端混频器，238是压控振荡器(VCO)，239是本机带通滤波器。

这里，作为发送端隔离器231，可用上述实施形态1或2的三端口型隔离器1、1A。通过安装这些隔离器，能实现频率特性改善而可靠性高的便携式电话。

其他实施形态

本发明不限于上述实施形态，在其要旨范围内可作种种变换。例如，使永久磁铁9的N极和S极对调，则改换输入端口P1和输出端口P2。上述实施形态在叠层衬底内置电感28，但也可用片状电感器或空心线圈构成电感28。还可用单板电容器构成匹配电容器71～73。

又可将第1中心电极21、第2中心电极22和第3中心电极23的另一端21b、22b、23b分别通过串联电感电连接于外部接地端子16。这时，另一端子21b、22b、23b都不是公共电位，非共用端。

以上的说明中可知，采用本发明，由中心电极和匹配电容器组成的LC并联谐振电路连接串联电感，构成陷波电路，因而能加大通信装置工作频率f的2倍频(2f)和3倍频(3f)的衰减量，不使***损耗特性和反射损耗特性劣化。结果，能得到性能高、可靠性高而且小型的三端口型非可逆电路元件和通信装置。

Claims (9)

1.一种三端口型非可逆电路元件，其特征在于，具有

永久磁铁、

利用所述永久磁铁施加直流磁场的铁氧体、

配置在所述铁氧体的主面或内部，一端电连接于第1端口的第1中心电极、

以电绝缘状态与第1中心电极交叉配置在所述铁氧体的主面或内部，并且一端电连接于第2端口的第2中心电极、

以电绝缘状态与所述第1中心电极和第2中心电极交叉配置在所述铁氧体主面或内部，并且一端电连接于第3端口的第3中心电极、

分别与所述第1中心电极、第2中心电极和第3中心电极中的任一个组成LC并联谐振电路的至少一个匹配电容器、以及

电连接在一个所述并联谐振电路与地线之间的串联电感，

其中所述第1中心电极、第2中心电极和第3中心电极中的至少一个的中心电极的另一端不连接公共电位，不是与其它中心电极的另一端共用的共用端。

2.如权利要求1所述的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，电连接在由至少2个匹配电容器组成的多个LC并联谐振电路的各个电路与地线之间的多个所述串联电感的电感值互不相同。

3.如权利要求1所述的三端口型非可逆电路元件，用作隔离器，其特征在于，该非可逆电路元件还具有：

电连接所述第1端口的输入端子、

电连接所述第2端口的输出端子、

电连接所述第3端口的终端电阻、

所述至少一个匹配电容器分别与所述第1中心电极和第2中心电极中的任一个组成LC并联谐振电路。

4.如权利要求1所述的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，所述LC并联谐振电路与所述串联电感构成的电路的谐振频率在工作频率的1.5倍以上、3.5倍以下的范围内。

5.如权利要求3所述的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，所述LC并联谐振电路与所述串联电感构成的电路的谐振频率在工作频率的1.5倍以上、3.5倍以下的范围内。

6.如权利要求1所述的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，在叠置绝缘性层而构成的叠层衬底上设置所述匹配电容器的电容器电极和所述串联电感的电感电极。

7.如权利要求3所述的三端口型非可逆电路元件，其特征在于，在叠置绝缘性层而构成的叠层衬底上设置所述匹配电容器的电容器电极和所述串联电感的电感电极。

8.一种通信装置，其特征在于，具有权利要求1所述的三端口型非可逆电路元件。

9.一种通信装置，其特征在于，具有权利要求3所述的三端口型非可逆电路元件。

Images