JP2019207278A - 非相反性フィルタ - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すように、本開示のアイソレータに係る等価回路10は、第1点11と第2点12との間に並列に接続されたフィルタ20と非相反性線路30とを含む。等価回路10は、第1分岐点13と第2分岐点14との間で2つの並行する線路に分岐し、分岐した一方の線路にフィルタが接続され、他方の線路に非相反性線路30が接続されている。以下では、第1点11から第2点12に向けかう信号の経路を往路、第2点12から第1点11に向かう信号の経路を復路と呼ぶ。本開示のアイソレータは、等価回路10に従い製作することが可能である。
図2は、非相反性線路30に損失が無いものとした第1例に係るアイソレータの等価回路10aである。等価回路10aのフィルタ20は、複数段のLC共振器21a〜21l(以下、適宜LC共振器21とする)がキャパシタ22a〜22k(以下、適宜キャパシタ22とする)を挟んで並列に配置されたバンドパスフィルタである。図3に示すように、各LC共振器21は、キャパシタ23及びインダクタ24が並列に接続され、隣り合うLC共振器21とキャパシタ22により電気的に結合されている。また、非相反性線路30として、無損失位相回路31がフィルタ20に対して並列に配置されている。
ただし、f0は任意のフィルタの中心周波数、fは実周波数、Aは比帯域幅である。規格化周波数Fから任意の実周波数fへの変換は、数式(1)を実周波数fについて解いて求めることで行うことができる。
√ε√μ×d/λ×360°
で定義される。θ=98°及び125°という移相量の差は例えばフェライトなどを用いることで容易に生成することができる。特許文献1の図1によれば、バイアス磁場を39.5kA/m(500Oe)、フェライトの飽和磁化を85mT(850G)、磁気共鳴半値幅を158A/m(2Oe)としたとき、周波数およそ0.5GHzにおいて透磁率の最大値と最小値との間に透磁率の最大値の60%の差を設けることができることが知られている。上述の透磁率の差は、移相量に直せば25%強の差となる。つまり、適当な長さの上記フェライトを用いれば、98°及び125°という移相量の差を設けることができる。
第1例の非相反性線路30に用いられる素材は、例えば、鉄(Fe)及びコバルト(Co)などの磁性体金属を含む素材から選択してよい。しかし、赤外領域で使用可能な磁性体材料は、磁性ガーネットを除けば、材料による赤外光の吸収が大きい。そこで、図7に示す第2例の等価回路10bでは、図3に示した等価回路10aにおいて、非相反性線路30に損失があると想定し、無損失位相回路31に代えて損失を有する損失位相回路32を設けた。なお、等価回路10bの素子値は図3の対応する構成要素の素子値と同じである。このときtanδの値に対する損失を計算した。tanδは、誘電体内でのエネルギーの吸収量に対応するパラメータである。例えば、損失位相回路32でtanδ=0.0125としたときの規格化周波数に対する挿入損失を図8に示す。図4と同様に、往路の第1フィルタ特性において、通過帯域Bp外の高周波数側に第1減衰極A1が現れ、復路の第2フィルタ特性において、第2減衰極A2が第1フィルタ特性における第1減衰極A1の通過帯域Bp側に現れる。これにより、通過帯域Bp内に、往路において挿入損失が−1dB以下であり、復路において挿入損失が−20dB以上となる有効帯域Beが存在する。
なお、図2では、フィルタ20を含む線路と無損失位相回路31を含む線路とは結線されているが、キャパシタ又はインダクタを介在して接続してよい。さらに、フィルタ20への入出力もキャパシタ又はインダクタが介在してよい。例えば、図11に示す第3例の等価回路10cでは、フィルタ20と無損失位相回路31とは、インダクタ33a及び33bを介して接続される。フィルタ20と無損失位相回路31との間のインダクタ33a、33bのインダクタンスは、L=0.1nHである。この第3例の設計によれば、等価回路10cの入出力インピーダンス50Ωに対して非相反性線路30の特性インピーダンスは210Ωでよい。このため、電磁波のエネルギーの大部分は、フィルタ20側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ=95°、及び125°とした。より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を図12に示す。図12においても、往路の第1フィルタ特性が第1減衰極A1を有し、復路の第2フィルタ特性が第1減衰極A1と異なる周波数に第2減衰極A2を有する。これにより、アイソレータとして機能する有効帯域Beが生成される。図12の一部の横軸方向の拡大図を図13に示す。
一般に、減衰極を形成するには、フィルタの途中の共振器間の飛び越し結合でも可能であることが知られており、非相反性線路30をフィルタ20の両端以外のLC共振器21から分岐させてもよい。図14に示す第4例の等価回路10dでは、非相反性線路30は、フィルタ20の両端から2番目のLC共振器21(21b,21k)から分岐している。非相反性線路30としては、無損失位相回路31が用いられる。この等価回路10dのフィルタ20と非相反性線路30との間のインダクタ33a、33bは、L=0.1nHである。この第4例の設計によれば、等価回路10dの入出力インピーダンス50Ωに対して非相反性線路30の特性インピーダンスは350Ωでよいため、電磁波のエネルギーの大部分がフィルタ20側を通る。また、往路及び復路の移相量は、θ=80°、及び140°とした。より一般的な設計として、規格化周波数におけるフィルタ特性を図15に示す。また、図15の一部の横軸方向の拡大図を図16に示す。
図17は、LC共振器21間の結合をキャパシタ22a〜22kからインダクタ25a〜25kへ変更した第5例の等価回路10eを示す。無損失位相回路31とフィルタ20とは、キャパシタ34a及び34bを介して接続される。第5例の等価回路10eのフィルタ20と無損失位相回路31間のキャパシタンスは、C=0.2pFである。この設計例によれば、等価回路10eの入出力インピーダンス50Ωに対して、非相反性線路30の特性インピーダンスは520Ωでよい。このため、等価回路10eに対応するアイソレータの電磁波のエネルギーの大部分はフィルタ20側を通る。また、移相量は、往路θ=45°、復路θ=59°とした。図18は、より一般的な設計として規格化周波数におけるフィルタ特性を示す。図19は、図18の一部の横軸方向への拡大図を示す。前述の第1例から第4例と比較すると、往路と復路とでの移相量の差が小さくなっている。より少ない非相反性線路30で、有効帯域Beを生成可能であることが分かる。
図20は、図1に示す等価回路10に対応するアイソレータ50の概略構成例を示す。等価回路10は、等価回路中の信号により電磁波の挙動を表すものである。アイソレータ50は、第1伝搬路51、第2伝搬路52、フィルタ53を含む第1分岐路54、非相反性材料55を含む第2分岐路56を含む。第1伝搬路51は、第1分合波部57で、第1分岐路54及び第2分岐路56と接続される。第1分岐路54及び第2分岐路56は、第2分合波部58で第2伝搬路52に接続される。第1伝搬路51の第1分合波部57の反対側の端部は、第1端部59となっている。第2伝搬路52の第2分合波部58の反対側の端部は、第2端部60となっている。
11 第1点
12 第2点
13 第1分岐点
14 第2分岐点
20 フィルタ
21 LC共振器
22 キャパシタ
23 キャパシタ
24 インダクタ
25 インダクタ
30 非相反性線路
31 無損失位相回路
32 損失位相回路
33a、33b インダクタ
34a、34b キャパシタ
50 アイソレータ
51 第1伝播路
52 第2伝播路
53 フィルタ
54 第1分岐路
55 非相反性材料
56 第2分岐路
57 第1分合波部
58 第2分合波部
59 第1端部
60 第2端部
100 アイソレータ
101 ファラデー旋光子
102、103 偏光子
H 磁場
L1 入射光
L2 戻り光
A1 第1減衰極
A2 第2減衰極
Bp 通過帯域
Be 有効帯域
Claims (6)
- 第1点と第2点との間でフィルタとナノグラニュラー材料を含む非相反性線路とが並列に接続した等価回路で表され、
前記等価回路は、
前記第1点から前記第2点に向けて進む信号に関する第1フィルタ特性と、
前記第2点から前記第1点に向けて進む信号に関する第2フィルタ特性と
を有し、
前記第1フィルタ特性は、所定の有効帯域が含まれる通過帯域を形成し、前記通過帯域外に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第1減衰極を有し、
前記第2フィルタ特性は、前記第1フィルタ特性における前記第1減衰極の前記通過帯域側に、前記非相反性線路の特性に応じて現れる第2減衰極を有し、前記第2減衰極によって、前記有効帯域において、前記第1フィルタ特性における透過率よりも低い透過率で前記信号を透過させる、
ことを特徴とする非相反性フィルタ。 - 前記等価回路は、前記信号により電磁波の挙動を表すものであり、アイソレータとして機能する請求項1に記載の非相反性フィルタ。
- 前記電磁波は、赤外線又は可視光である請求項2に記載の非相反性フィルタ。
- 前記第1減衰極は、前記有効帯域よりも高周波側の帯域に含まれ、前記第2減衰極は、前記非相反性線路の特性により前記第1減衰極が移動したものである請求項1から3の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
- 入出力インピーダンスをZ0、前記フィルタのインピーダンスをZf、前記非相反性線路のインピーダンスをZr、とするとき、
- 前記フィルタは複数段の共振器から構成され、前記非相反性線路は、前記フィルタの全体に対して並列に接続される請求項1から5の何れか一項に記載の非相反性フィルタ。
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