JP2006135941A - Lumped constant non-reciprocal circuit element - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size of an isolator without increasing insertion loss. <P>SOLUTION: The lumped constant non-reciprocal circuit element comprises: a plurality of central electrodes; a microwave magnetic body; a permanent magnet; and a metal case also serving as a magnetic yoke, wherein the central electrodes are arranged on the major surface of the microwave magnetic body, and the shortest distance from the side face of the microwave magnetic body to the metal case is set between 1-2.3 times of the thickness of the microwave magnetic body. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、携帯電話などの高周波無線通信機器に用いられる集中定数型非可逆回路素子に関する。   The present invention relates to a lumped constant type nonreciprocal circuit device used in a high-frequency wireless communication device such as a mobile phone.

携帯電話に代表される携帯用無線通信機器市場においては小型化及び低消費電力化が強く求められており、必然的に無線通信機器に使用される部品にも同様の性能が求められている。無線通信機器などの高周波回路に使用される集中定数型非可逆回路素子においても例外ではない。集中定数型非可逆回路素子は電力を消費しないものの、信号通過時における損失は、電力効率低下につながるため、低損失化が求められている。   In the portable wireless communication device market represented by mobile phones, there is a strong demand for downsizing and low power consumption, and components used in wireless communication devices inevitably have similar performance. A lumped-constant nonreciprocal circuit element used in a high-frequency circuit such as a wireless communication device is no exception. Although the lumped-constant nonreciprocal circuit device does not consume power, the loss during signal passage leads to a reduction in power efficiency, and therefore a reduction in loss is required.

図２は、現在アイソレータとして利用されている集中定数型非可逆回路素子の構成を、分解図を持って示した図である。図示されているように、永久磁石９の下に複数の中心電極6a、6bを交差した状態で配置し、マイクロ波用磁性体5に十分な静磁界が印加されるようにする。さらに閉磁路を形成するために磁気ヨークを兼ねた金属ケース１及び１０で全体を覆っている。なお、ここで図示した構造は、２本の中心導体を用いた集中定数型非可逆回路素子構造であるが、３本の中心導体を用いた集中定数型非可逆回路素子も磁気回路的に同様の構造を持つ。
例えば、特許文献１や特許文献２に示す集中定数型非可逆回路素子がある。 FIG. 2 is an exploded view showing the configuration of a lumped-constant nonreciprocal circuit device currently used as an isolator. As shown in the figure, a plurality of center electrodes 6a and 6b are arranged under the permanent magnet 9 so that a sufficient static magnetic field is applied to the microwave magnetic body 5. Furthermore, in order to form a closed magnetic path, the whole is covered with metal cases 1 and 10 that also serve as a magnetic yoke. The structure shown here is a lumped-constant non-reciprocal circuit element structure using two central conductors, but a lumped-constant non-reciprocal circuit element using three central conductors is also magnetically similar. With the structure of
For example, there are lumped-constant nonreciprocal circuit elements shown in Patent Document 1 and Patent Document 2.

特開２００４−８０１１１号公報JP 2004-80111 A 特開平１０−２７０９１７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-270917

集中定数型非可逆回路素子の小型化のために、マイクロ波用磁性体を小さくしていくと、挿入損失が増加していく。これはマイクロ波用磁性体の小型化のためにインダクタンスが低下し、共振電流が増加するために中心電極の抵抗成分による損失が増加するためと考えられる。   Insertion loss increases as the microwave magnetic material is made smaller to reduce the size of the lumped-constant nonreciprocal circuit device. This is presumably because the inductance decreases due to the miniaturization of the microwave magnetic material, and the loss due to the resistance component of the center electrode increases because the resonance current increases.

ところが、マイクロ波用磁性体を小型化せずに、集中定数型非可逆回路素子の小型化のために金属ケースのみを小さくしていくと、マイクロ波用磁性体と金属ケースが近づくため、永久磁石により発生したマイクロ波用磁性体内の磁界が中心付近で強く、周辺部で小さいという状況になる。これは永久磁石により発生した磁束が、高透磁率を持つ金属ケースに吸収されるため、金属ケースに近いマイクロ波用磁性体の端部では、印加される磁界が弱くなってしまうためである。このようなマイクロ波用磁性体内の磁界の不均一性は、集中定数型非可逆回路素子の高周波特性を劣化させると考えられ、好ましくない。特許文献１及び特許文献２をはじめ従来このような問題点に着目し、解決手段を開示した文献は見当たらない。   However, if only the metal case is made smaller in order to reduce the size of the lumped-constant nonreciprocal circuit element without downsizing the microwave magnetic body, the microwave magnetic body and the metal case approach each other. The magnetic field generated in the microwave magnetic body by the magnet is strong near the center and small at the periphery. This is because the magnetic field generated by the permanent magnet is absorbed by the metal case having a high magnetic permeability, and the applied magnetic field becomes weak at the end of the microwave magnetic body close to the metal case. Such non-uniformity of the magnetic field in the magnetic body for microwave is considered to deteriorate the high frequency characteristics of the lumped constant type nonreciprocal circuit device, and is not preferable. Conventionally, there is no document that discloses a solution means focusing on such problems, including Patent Document 1 and Patent Document 2.

本発明の課題は、上記のような問題を解決し、小型化においてもマイクロ波用磁性体内部の磁界の均一性が得られるような構造を提案することである。   An object of the present invention is to solve the above-described problems and propose a structure capable of obtaining the uniformity of the magnetic field inside the microwave magnetic body even in downsizing.

本発明の集中定数型非可逆回路素子は、複数の中心電極と、マイクロ波用磁性体と、永久磁石と、磁気ヨークを兼ねた金属ケースを備えた集中定数型非可逆回路素子であって、前記中心電極は前記マイクロ波用磁性体の主面に配置されており、前記マイクロ波用磁性体側面から、前記マイクロ波用磁性体側面に対向する前記金属ケースまでの最も短い距離が、前記マイクロ波用磁性体の厚みｈの１倍以上２．３倍以下の範囲にあることを特徴とする。
このように、マイクロ波用磁性体の側面と、それに最も近い金属ケースの対向する面との距離を上記の範囲とすることにより、前記マイクロ波用磁性体の端部において反磁界が減少することによる磁界増強の効果と、前記金属ケースが前記マイクロ波用磁性体に近づくことにより磁束が吸収されることによる磁界減衰の効果を相殺させ、前記マイクロ波用磁性体内において均一な静磁界分布を得ることが可能となる。 A lumped-constant nonreciprocal circuit element of the present invention is a lumped-constant nonreciprocal circuit element including a plurality of center electrodes, a microwave magnetic body, a permanent magnet, and a metal case that also serves as a magnetic yoke, The center electrode is disposed on the main surface of the microwave magnetic body, and the shortest distance from the side surface of the microwave magnetic body to the metal case facing the side surface of the microwave magnetic body is It is characterized by being in the range of 1 to 2.3 times the thickness h of the wave magnetic body.
Thus, the demagnetizing field is reduced at the end of the microwave magnetic body by setting the distance between the side surface of the microwave magnetic body and the facing surface of the metal case nearest to the microwave magnetic body within the above range. The magnetic field enhancement effect due to the magnetic field and the magnetic field attenuation effect due to the magnetic flux being absorbed by the metal case approaching the microwave magnetic body are offset, and a uniform static magnetic field distribution is obtained in the microwave magnetic body. It becomes possible.

なお、本発明の集中定数型非可逆回路素子において、前記マイクロ波用磁性体の前記金属ケースに最も近い側面が、対向する前記金属ケースの面と略平行であることが望ましい。
このように、前記マイクロ波用磁性体の前記金属ケースの最も近い側面と、その側面に対向する前記金属ケースの前記マイクロ波用磁性体に近い面とを略平行にすることにより、前記相殺の効果を広範囲にわたって発生させ、より均一な磁界分布を得ることが可能となる。 In the lumped-constant nonreciprocal circuit device of the present invention, it is preferable that a side surface of the microwave magnetic body closest to the metal case is substantially parallel to a surface of the opposing metal case.
Thus, by making the closest side surface of the metal case of the microwave magnetic body and the surface of the metal case facing the side surface close to the microwave magnetic body substantially parallel to each other, The effect is generated over a wide range, and a more uniform magnetic field distribution can be obtained.

本発明よれば、前記マイクロ波用磁性体の端部において反磁界が減少することによる磁界増強の効果と、前記金属ケースが前記マイクロ波用磁性体に近づくことにより磁束が吸収されることによる磁界減衰の効果を相殺させ、前記マイクロ波用磁性体内において均一な静磁界分布を得ることが可能となる。   According to the present invention, the effect of magnetic field enhancement by reducing the demagnetizing field at the end of the microwave magnetic body, and the magnetic field by absorbing the magnetic flux when the metal case approaches the microwave magnetic body. It is possible to cancel the effect of attenuation and obtain a uniform static magnetic field distribution in the microwave magnetic body.

また、近接する前記マイクロ波用磁性体の側面と、前記金属ケースの対向する面とを略平行にすることにより、前記相殺の効果を広範囲にわたって発生させ、より均一な磁界分布を得ることが可能となる。   Also, by making the side surface of the adjacent microwave magnetic body and the opposing surface of the metal case substantially parallel, the canceling effect can be generated over a wide range and a more uniform magnetic field distribution can be obtained. It becomes.

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
図２は本発明においても用いられる集中定数型非可逆回路素子の分解斜視図であり、図１は、本発明を説明するために、この第１の実施例の集中定数型非可逆回路素子のA-A’を含む垂直な断面を模式的に示した図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a lumped-constant nonreciprocal circuit element also used in the present invention. FIG. 1 is a diagram of the lumped-constant nonreciprocal circuit element of the first embodiment for explaining the present invention. It is the figure which showed typically the perpendicular | vertical cross section containing AA '.

図中１は、金属ケースであり、閉磁路を形成するためのヨークを兼ねるため、鉄等の強磁性金属を主体とし、高周波渦電流による損失を低減するため通常銀などの良導体によりメッキが施されている。５はマイクロ波用磁性体であり、９はマイクロ波用磁性体５に静磁界を印加するための永久磁石である。６a、６bは中心電極であり、これらは非磁性体である。また、７は整合用のコンデンサを内臓した積層基板であり、８はチップ抵抗であり、２は、これら部品（中心電極、コンデンサ、抵抗、外部入出力端子）を接続するための電極パターンを形成した絶縁シートである。   In the figure, reference numeral 1 denotes a metal case, which also serves as a yoke for forming a closed magnetic circuit, and is mainly composed of a ferromagnetic metal such as iron. Has been. Reference numeral 5 denotes a microwave magnetic body, and reference numeral 9 denotes a permanent magnet for applying a static magnetic field to the microwave magnetic body 5. Reference numerals 6a and 6b denote central electrodes, which are non-magnetic materials. Reference numeral 7 denotes a laminated substrate including a matching capacitor, 8 denotes a chip resistor, and 2 forms an electrode pattern for connecting these components (center electrode, capacitor, resistor, external input / output terminal). Insulated sheet.

ここで、本実施例においては、マイクロ波用磁性体５に飽和磁化０．０９T、厚み（ｔ）０．３mm、底面が１．４ｍｍ×１．４ｍｍの直方体のガーネットを使用した。
永久磁石９は、残留磁束密度0.41T、厚み0.6mmの直方体である。底面の形状は長方形であり、辺長は金属ケースに合うように大きさを調整した。 In this example, a rectangular parallelepiped garnet having a saturation magnetization of 0.09 T, a thickness (t) of 0.3 mm, and a bottom surface of 1.4 mm × 1.4 mm was used for the microwave magnetic body 5.
The permanent magnet 9 is a rectangular parallelepiped having a residual magnetic flux density of 0.41 T and a thickness of 0.6 mm. The shape of the bottom surface was a rectangle, and the side length was adjusted to fit the metal case.

本発明の効果を最大限利用しようとするならば、マイクロ波用磁性体５と金属ケース１間の距離が、一定である部分がより多い方が望ましい。このような形状とするには、マイクロ波用磁性体５の側面のうち金属ケース１に最も接近している部分と、金属ケース１の最もマイクロ波用磁性体２に接近している部分を、略並行にすればよい。
この形状を実現するため、本実施例においては、マイクロ波用磁性体５を直方体とし、その側面を金属ケース１の側面と平行になるように配置した。 If the effect of the present invention is to be used to the maximum, it is desirable that the distance between the microwave magnetic body 5 and the metal case 1 is more constant. In order to obtain such a shape, the portion of the side surface of the microwave magnetic body 5 that is closest to the metal case 1 and the portion of the metal case 1 that is closest to the microwave magnetic body 2 are What is necessary is just to make it substantially parallel.
In order to realize this shape, in this embodiment, the microwave magnetic body 5 is a rectangular parallelepiped, and the side surface thereof is arranged in parallel with the side surface of the metal case 1.

ここで、マイクロ波用磁性体５と金属ケース１間の距離をｄとし、d=0.2mmからd=0.95mmまで変化させ、マイクロ波用磁性体として用いたガーネット内部の静磁界をシミュレーションにより求めた結果を図３に示す。縦軸（H/H0）はマイクロ波用磁性体中央における磁界強度Ｈ０を１とした場合の、それぞれの位置での磁界強度Ｈとの磁界強度比であり、横軸（ｙ）はマイクロ波用磁性体の中央を０とした場合の、中央からの金属ケースに向かっての水平位置を示す。磁界が強い部分のマイクロ波用磁性体は、比透磁率は１に近づいていくため非可逆性に対する寄与が弱まる。また、磁界が弱い部分のマイクロ波用磁性体においては、共鳴周波数が低下し、エネルギーの吸収が大きくなるため、挿入損失増加の原因となる。望ましくはマイクロ波用磁性体のほとんどの部分において磁界強度比が±10%以下の変動に収まることが望ましい。   Here, the distance between the microwave magnetic body 5 and the metal case 1 is set to d, and d = 0.2 mm to d = 0.95 mm, and the static magnetic field inside the garnet used as the microwave magnetic body is obtained by simulation. The results are shown in FIG. The vertical axis (H / H0) is the magnetic field strength ratio with the magnetic field strength H at each position when the magnetic field strength H0 at the center of the microwave magnetic body is 1, and the horizontal axis (y) is for microwaves. The horizontal position toward the metal case from the center when the center of the magnetic body is 0 is shown. The microwave magnetic body having a strong magnetic field has a relative magnetic permeability approaching 1, so that the contribution to irreversibility is weakened. In addition, in the microwave magnetic body where the magnetic field is weak, the resonance frequency decreases and energy absorption increases, which causes an increase in insertion loss. Desirably, it is desirable that the magnetic field strength ratio falls within a variation of ± 10% or less in most portions of the microwave magnetic material.

図３において明らかなように、d=0.95mmにおいては、マイクロ波用磁性体５端部において磁界が急激に大きくなっている。これは、マイクロ波用磁性体の形状からくる反磁界が弱まるために、外部磁界と反磁界の合計の磁界は強まるためである。
また、d=0.2mmにおいては、マイクロは磁性体端部に向かって静磁界が減少していく様子が分かる。これは、マイクロは磁性体端部に近づいた金属ケースに磁束が吸収されるために、磁界が弱まるためである。
d=0.3mm〜0.7mmでは、前記の双方の効果が相殺し、マイクロ波用磁性体内のほとんどの地点において、磁界強度比が0.9〜1.1の範囲内に均一に分布している様子が確認できる。したがって、マイクロ波用磁性体５と金属ケース１間の距離をこの範囲内にすることにより、非可逆回路素子の特性を劣化させることなく小型化することが可能となる。
このような効果を発生させるための距離dは、マイクロ波用磁性体の厚みｔに依存するが、磁気回路においては空間的には線形であるので、この結果を一般化する場合にはマイクロ波用磁性体の厚みｔ＝０．３ｍｍに対する比で距離ｄを規定すればよい。したがって距離ｄは、マイクロ波用磁性体の厚みｔの1〜2.3倍の範囲が望ましいと言える。 As apparent from FIG. 3, at d = 0.95 mm, the magnetic field rapidly increases at the end of the microwave magnetic body 5. This is because the total magnetic field of the external magnetic field and the demagnetizing field is strengthened because the demagnetizing field resulting from the shape of the magnetic material for microwaves is weakened.
In addition, at d = 0.2 mm, it can be seen that the micro magnetic field decreases toward the end of the magnetic material. This is because the magnetic field is weakened because the magnetic flux is absorbed by the metal case approaching the end of the magnetic material.
When d = 0.3 mm to 0.7 mm, both of the above effects cancel each other, and it can be confirmed that the magnetic field intensity ratio is uniformly distributed within the range of 0.9 to 1.1 at most points in the microwave magnetic body. . Therefore, by making the distance between the microwave magnetic body 5 and the metal case 1 within this range, it is possible to reduce the size without deteriorating the characteristics of the non-reciprocal circuit element.
The distance d for generating such an effect depends on the thickness t of the magnetic material for microwaves, but is spatially linear in the magnetic circuit. The distance d may be defined by a ratio to the thickness t = 0.3 mm of the magnetic material for use. Therefore, it can be said that the distance d is preferably in the range of 1 to 2.3 times the thickness t of the microwave magnetic material.

次に、上記シミュレーション結果を、高周波特性として確認した。図４及び図５に、本発明による構造であるd=0.45mm（厚みとの比1.5）の場合と、d=0.9mm（厚みとの比3）とした比較例の場合における集中定数型非可逆回路素子の反射損失と挿入損失の高周波特性を示す。両図において実線が本発明による場合であり、破線は比較例の場合の特性を示す。
両者の集中定数型非可逆回路素子において、飽和磁化0.09T、1.4mm×1.4mm×0.3mmのガーネット材をマイクロ波用磁性体として用いた。整合容量は、中心周波数が2GHｚとなるようにそれぞれ調整した。磁気ヨークを兼ねる金属ケースには厚さ0.15mmの鉄の表面に厚み10μｍの銀メッキを施したものを用いた。
図４において、挿入損失は両者とも中心周波数の2GHzにおいては約0.3dBであり、ほぼ同等であることが確認できる。2.2GHｚ近辺においては、本発明によるものがやや損失が小さくなっており、本発明が有効であることを確認できた。
図５において、反射損失が本発明の採用により広帯域化していることが確認できる。これは磁界が均一になったことにより実効的により大型のマイクロ波用磁性体を用いたのと同様の効果が得られたためであると考えられる。 Next, the simulation results were confirmed as high frequency characteristics. 4 and 5 show a lumped-constant type in the case of d = 0.45 mm (ratio to thickness 1.5), which is a structure according to the present invention, and a comparative example in which d = 0.9 mm (ratio 3 to thickness). The high frequency characteristics of reflection loss and insertion loss of a reversible circuit element are shown. In both figures, the solid line indicates the case according to the present invention, and the broken line indicates the characteristic in the comparative example.
In both lumped-constant nonreciprocal circuit elements, a garnet material having a saturation magnetization of 0.09 T and 1.4 mm × 1.4 mm × 0.3 mm was used as a magnetic material for microwaves. The matching capacity was adjusted so that the center frequency was 2 GHz. The metal case also serving as the magnetic yoke was a 0.15 mm thick iron surface plated with 10 μm thick silver.
In FIG. 4, the insertion loss is about 0.3 dB at the center frequency of 2 GHz, and it can be confirmed that they are almost equal. In the vicinity of 2.2 GHz, the loss according to the present invention was slightly reduced, and it was confirmed that the present invention was effective.
In FIG. 5, it can be confirmed that the reflection loss is widened by adopting the present invention. This is considered to be due to the fact that the same effect as that obtained by using a larger microwave magnetic material is obtained by making the magnetic field uniform.

本発明の集中定数型非可逆回路素子は、携帯電話、携帯端末などの高周波無線通信機器に用いることができる。   The lumped-constant nonreciprocal circuit device of the present invention can be used for high-frequency wireless communication devices such as mobile phones and mobile terminals.

本発明による集中定数非可逆回路素子の、第１の実施例の断面の模式図である。It is a schematic diagram of the cross section of the 1st Example of the lumped constant nonreciprocal circuit device by this invention. 本発明による集中定数非可逆回路素子の、第1の実施例の分解斜視図である。1 is an exploded perspective view of a first embodiment of a lumped constant nonreciprocal circuit device according to the present invention. FIG. 本発明を説明するための、マイクロ波用磁性体（ガーネット）内部の静磁界強度分布を示した図である。It is the figure which showed the static magnetic field strength distribution inside the magnetic body (garnet) for microwaves for demonstrating this invention. 本発明による集中定数非可逆回路素子（実線）と比較例（点線）による挿入損失の高周波特性を示した図である。It is the figure which showed the high frequency characteristic of the insertion loss by the lumped-constant nonreciprocal circuit element (solid line) by this invention, and a comparative example (dotted line). 本発明による集中定数非可逆回路素子（実線）と比較例（点線）による反射損失の高周波特性を示した図である。It is the figure which showed the high frequency characteristic of the reflection loss by the lumped-constant irreversible circuit element (solid line) by this invention, and a comparative example (dotted line).

符号の説明Explanation of symbols

1：金属ケース（下）
2：絶縁シート
3a,3b,3c,3d：銅貼電極
4a,4b,4c：スルーホール
5：マイクロ波用磁性体
6a,6b：中心導体
7：セラミック積層体
8：抵抗
9：永久磁石
10：金属ケース（上） 1: Metal case (bottom)
2: Insulation sheet
3a, 3b, 3c, 3d: Copper-plated electrode
4a, 4b, 4c: Through hole
5: Magnetic material for microwaves
6a, 6b: Center conductor
7: Ceramic laminate
8: Resistance
9: Permanent magnet
10: Metal case (top)

Claims (2)

複数の中心電極と、マイクロ波用磁性体と、永久磁石と、磁気ヨークを兼ねた金属ケースを備えた集中定数型非可逆回路素子であって、前記中心電極は前記マイクロ波用磁性体の主面に配置されており、前記マイクロ波用磁性体側面から、前記マイクロ波用磁性体側面に対向する前記金属ケースまでの最も短い距離が、前記マイクロ波用磁性体の厚みの１倍以上２．３倍以下の範囲にあることを特徴とする集中定数型非可逆回路素子。 A lumped-constant nonreciprocal circuit device including a plurality of center electrodes, a microwave magnetic body, a permanent magnet, and a metal case serving also as a magnetic yoke, wherein the center electrode is a main body of the microwave magnetic body. 1. The shortest distance from the side surface of the microwave magnetic body to the metal case facing the side surface of the microwave magnetic body is not less than 1 times the thickness of the microwave magnetic body. A lumped constant type non-reciprocal circuit device characterized by being in a range of 3 times or less. 請求項１記載の集中定数型非可逆回路素子において、前記マイクロ波用磁性体の前記金属ケースに最も近い側面が、対向する前記金属ケースの面と略平行であることを特徴とする集中定数型非可逆回路素子 The lumped-constant non-reciprocal circuit device according to claim 1, wherein a side surface of the microwave magnetic body closest to the metal case is substantially parallel to a surface of the opposing metal case. Non-reciprocal circuit element