JPS5951161B2 - 複合型共振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフェライトを用いた複合型共振器に関する。

一般にマイクロ波回路における一形成要素であるフェラ
イトを用いた共振器は、非対称テンソル誘磁率を有する
フェライトに特有な共振特性を利用するものであり、こ
のフェライトを共振器として用いたマイクロ波回路素子
としてはサーキュレータ、アイソレータ、フィルタ、フ
ェイスシフタ特がある。

然るに上記回路素子において、従来は均一磁場下におけ
る所定飽和磁化（４πＭＳ）のフェライトの共振特性を
利用するものであり、たとえば、フェライトを共振器と
して用いたサーキュレータにおいては、周波数特性は単
峰性の帯域の非常に狭いものであり、この帯域の改善へ
の努力はもっばら外部付加回路の接続によってなされて
いた。

また、アイソレータ、フィルタ、フェイスシフタ等にお
いても、同様に均一磁場下における所定飽和磁化（４π
ＭＳ）の一種類のフェライトの共振特性が用いられてお
り、回路素子の周波数特性等の改善は外部付加回路によ
るのみでフェライト共振器自体の改良はほとんどなされ
ていないのが現状である。

これは従来複合型フェライト内での電磁界の解析が困難
であり、理論的に適切な動作条件を決定できなかったこ
とのほかに製作が困難であったなどのためと考えられる
。

本発明は、上記、実情に鑑みて、なされたちので均一外
部磁場下あるいは不均一外部磁場下におけるフェライト
と誘電体と導体との接合による接合複合体の共振特性を
明らかにし、この共振特性に基づき、適用素子の多周波
数動作、広帯域動作、多用途動作、インピーダンス内部
整合動作を可能にする複合型共振器を提供しようとする
ものである。

以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。

まず、外部磁場が均一であるとし、フェライト円輪とこ
のフェライト円輪に内接する導体円盤１こよりフェライ
ト−導体の複合体を形成しこの複合体をストリップライ
ンＹ接合のサーキュレータの共振器に適用した場合につ
いて説明する。

フェライト−導体を共振器として用いたストリップライ
ンＹ接合サーキュレータは第１図ａに斜視図、ｂに平面
図を示すように、３個のポートＴ１．Ｔ２．Ｔ３を有し
、厚さｔ、幅Ｗ、サーキュレータの中心からみた開き角
２ψとするＹ接合ストリップライン中心導体３を、外径
ｒ２、内径ｒ１のフェライト円輪２，２′と、このフェ
ライト円輪２．２′に夫々内接する半径ｒ０の導体円盤
１゜１′から形成される２個の円盤形の複合体ではさみ
、更に、この複合体を二枚の接地導体（図示せず）では
さみ、この複合体に垂直に（矢印Ａ方向）均一直流磁場
を加えることにより形成される。

上記フェライト−導体の複合体を共振器として、用い
たサーキュレータの動作を説明する前に、フェライト−
導体の複合体の導体部分を誘電体でおきかえたフェライ
ト−誘電体の複合体を用いてサーキュレータを形成した
場合のサーキュレータの動作に対する理論解析を行い、
この理論解析を実証する実験結果について明らかにする
。

フェライト−誘電体の複合体を用いたサーキュレータの
解析は上記フェライト−導体の複合体を用いたサーキュ
レータの動作の理解を容易にするために必要であるばか
りでなく、後に説明するフェライト−誘電体−導体の複
合体を共振器として用いたサーキュレータにおける動作
の理解を助けることになる。

はじめに複合体の電界の表示から明らかにする。

今、内径ｒ１、外径ｒ２のフェライト円輪と、このフェ
ライト円輪に内接する半径ｒ１の誘電体円盤とによる複
合体の内部の電界をＥｚ （ｒ１θ）とすると、この複
合体の円盤の中心からの距離ｒ−ｒ２すなわち、複合体
の外周部の電界は Ｅｚ（ｒ２．θ）＝ΣｂｎＦｎ（Ｘ３）ｅ−ｊｎθ−（
１）ｎ□■ Ｆｎ（Ｘ３）＝ｊｎ（Ｘ３）＋ＣｎＹｎ（Ｘ３）
−・−（２）で与えられる。

ここで゛ Ｘ３＝ｋｅ２ ｒ２ 、 Ｘ２＝ｋｅ ２ ｒ １ 、
Ｘｌ ＝ｋｅ １ ｒ １であり、εｅ１は誘電体の
比誘電率に／μはフェライトのテンソル透磁率の要素の
比で非等号性分離因子と呼ばれるものであり、εｅ１、
μｅ２はフェライトの比誘電率、実効比透磁率である。

ところで、サーキュレータにおいて、Ｙ接合のサーキュ
レーションが成立するためには、接合モードインピーダ
ンスの関係式、すなわち同相、正相、逆相モードインピ
ーダンスＺ”０、Ｚ十、Ｚ−の関係式が、別に導かれる
散乱マトリックスの固有値から得られる関係式と等しく
ならなければならない。

したがって次の関係式が成立する。

ただし、 である。

ここでＺｄはストリップラインの接続点でみた固有波動
インピーダンスで近似的にで与えられ、Ｚｅは接合固有
インピーダンスである。

なお、ψはサーキュレータの中心から見たストリップラ
インの開き角度の半分、ｒ２はフェライト円輪の外径、
Ｗはストリップラインの中心導体の幅、ｔはその厚さ、
ｈは接地導体の間隔である。

この関係式（３）を解くと、 （ｈｏ＋ｈ、＋ｈ２）（ｈｏｈ１＋ｈ１ｈ２＋ｈ２ｈｏ
）−９ｈ ｏｈ １ｈ ２−−−−・−（８）が導びか
れる。

従って、Ｙ接合サーキュレータが理想的にサーキュレー
ションを行うためには上記式（８）と式（９）を同時に
満足しなければならないことになりこの式（８）をサー
キュレーションの第１の条件式、式（９）をサーキュレ
ーションの第２の条件式と呼ぶ。

第２図は、上記サーキュレータの第１の条件式を示す曲
線（破線）とフェライト−誘電体の複合体の共振モード
を示す曲線（実線）とを、縦軸を実効波数ｋｅ２と複合
体の半径ｒ２との積ｋｅ２ｒ２、横軸をフェライトの非
等方性分離因子（ｆｅｒｒｉｔｅａｎｉｓｏｔｒｏｐｉ
ｃ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ） ｌ ｋ／
μｌ ＝にとするグラフ上に重畳して描いたものである
。

このグラフは、第１の条件曲線（破線）上の点がＹ接合
が理想的にサーキュレーションする動作点を与えること
になり、条件曲線と共振曲線（実線）との相対的な位置
関係からサーキュレータの動作状態を読み取ることがで
きるからサーキュレータの動作解析上非常に有効である
。

グラフにおいて、共振曲線（実線）はｎ＝＋１、ｎ＝−
１、ｎ＝＋２、ｎ＝＋３について描いたものであり、サ
ーキュレータの第１の条件曲線（破線）はｎ＝５までの
共振モードを含めて計算したものを夫々ストリップライ
ンの開き角の半分ψ１、ψ２に対応した描いたものであ
る。

また、共振器のフェライトの飽和磁化４πＭｓを決定す
れば、第２図のグラフに示すように磁場一定の軌跡（一
点鎖線） Ｈｌ、 Ｈ２，Ｈ３、周波数一定の軌跡（二
点鎖線） ｆｌ、ｆ２５ ｆ３．ｆ’ｌ、ｆ’２５ ｆ
’３などを描くことができる。

ここで上記サーキュレータの第１の条件曲線（破線）の
うち、共振曲線ｎ＝＋１、ｎ＝−１、ｎ＝＋２とに囲ま
れた領域ＡＤＢに生ずるものをモード１、共振曲線ｎ−
−１、ｎ＝＋２とにはさまれた領域ＡＤＥＣ，ＢＤＧに
生ずるものをモードＩＡ、共振曲線ｎ＝−１、ｎ＝＋３
とにはさまれた扇形領域ＤＧＦ、ＢＧＨに生ずるものを
モード３と便宜的に名付け、ストリップラインの開き半
角がψ１のサーキュレータについて考えると、外部磁場
がＨｌからＨ２，Ｈ３に増大するに従い、モード１の条
件曲線上に動作点Ｐ１．Ｐ′１．Ｐ″１が見い出される
。

この動作点Ｐ１．Ｐ′１．Ｐ″１は周波数一定の曲線ｆ
１．ｆ′１．ｆ″１上にあり、夫々の動作点Ｐ１．Ｐ′
１゜Ｐ″１における動作周波数はｆｌ、 ｆｌｌ、 ｆ
ｌｌ１となる。

同時に外部磁場Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に対して、モードＩＡ
による周波数ｆ２．ｆ′２．ｆ″２の動作点Ｐ２．Ｐ′
２．Ｐ″２が見い出される。

更に、共振曲線ｎ＝−１とｎ＝＋３との交点付近にもモ
ード３による周波数ｆ３．ｆ′３．ｆ″３の動作点Ｐ３
．Ｐ′３．Ｐ″３が見い出される。

すなわち、サーキュレーションの第１の条件を満足する
動作点としては外部磁場Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３に対した夫々
３個の動作点ＰＮ Ｐ’ｌｔ Ｐ″ｌ ＋ Ｐ２゜Ｐ′
２．Ｐ″２；Ｐ３．Ｐ′３．Ｐ″３が見い出され、これ
らの動作点により３周波数動作が可能なことを示してい
る。

しかし、上記条件を満足するだけではサーキュレーショ
ンの動作は不完全であり、次に示すサーキュレーション
の第２の条件も同時に満足しなければならない。

第３図は、サーキュレーションの第２の条件（第９式）
を示す曲線（実線）と、接合固有インピーダンスＺｅと
ストリップラインの波動インピーダンスＺｄとの比Ｚｅ
／Ｚｄとに／μの関数（第６式と第７式）で表したＺｅ
／Ｚｄの曲線（破線）とを縦軸をＺｅ／Ｚｄ、横軸をｌ
Ｋ／μＩとするグラフ上に重畳して示したものである
。

グラフにおいて、サーキュレーションの第２の条件曲線
（実線）はストリップラインの開き半角ψ０、ψ１、ψ
２ （ψ０〈ψ１ 〈ψ２）に対して計算したもので、
各曲線群を前記サーキュレータの第１の条件曲線と同時
にモード１、モードＩＡ、モード３と名付けてあり、Ｚ
ｅ／Ｚｄの曲線（破線）は式（６）の誘電率εｄ、ε／
ｄ、ε／／ｄをパラメータとして描いである。

従って、第２の条件曲線（実線）上の点はサーキュレー
ションの第２の条件を満足する動作点を与えるものとな
り、この第２の条件曲線とＺｅ／Ｚｄの曲線（破線）と
の交点が良好な動作点になり、サーキュレーションの動
作条件を完全に満足するためには上記動作点が前記第２
図で示した動作点と対応して同時に見いださなければな
らない。

ところが、第３図に示すようにＺｅ／Ｚｄの曲線のうち
誘電率εｄの曲線と、ストリップラインの開き半角をψ
１ とするモード１、モードＩＡ、モード３の第２の条
件曲線との交点に前記第２図に示した動作点Ｐ１．Ｐ２
．Ｐ３に対応する動作点Ｑｌ。

Ｑ２．Ｑ３が見い出される。

これは、第２図に示した動作点Ｐ１．Ｐ２．Ｐ３がサー
キュレーションの第１の条件を満足するだけでなく、サ
ーキュレータの複合体共振器の構造とストリップライン
の定数を適当に選定する規準や調整のための知識を与え
る。

また、第３図に示した動作点からはストリップラインＹ
接合の内部の動作状態を示す表面インピーダンス（実線
で示した曲線）が外部よりみた接合固有インピーダンス
に等しくなることを示している。

このようにしてストリップラインＹ接合は外部磁場がＨ
ｌのときの周波数ｆ１で動作する動作点Ｐ１、周波数ｆ
３で動作する動作点Ｐ２、周波数ｆ３で動作する動作点
Ｐ３で完全に動作することを示しており、動作点Ｐ１．
Ｐ２．Ｐ３による周波数ｆ１． ｆ２． ｆ３での三周
波数動作が行ない得ることを示している。

このフェライト−誘電体の複合体による三周波数動作は
次に示すように実験的に実証されており、その実験結果
を第４図、第５図に示す。

この実験に用いられたフエライ）ＡＩ−ＹＩＧで飽和磁
化４ ｙｒ Ｍｓ＝９５０Ｇａｕｓｓ比誘電率１４で空
気を誘電体として用いた外径ｒｚ ＝ １０ｍｍの中空
円輪フェライトを用い、内径と外径との比ｒ□／ｒ２＝
０．２で厚さは２．５ｍｍである。

サーキュレータの構造は第１図で示したようなストリッ
プラインＹ接合サーキュレータで共振器としては上記フ
ェライト−誘電体の複合体を用いる。

実験方法はフェライト面に垂直に加えられた外部磁場を
パラメータとして、サーキュレータの挿入損失およびア
イソレーションを周波数ｆの関数として測定したもので
ある。

第４図において、アイソレーションの曲線（実線で示す
）は磁場は低いときは、低周波数側に高いピークと高周
波数側に低いピークの二つのピークを示し、磁場を増大
していくとアイソレーションの低周波数側および高周波
数側のピークはほぼ等しくなり、更に磁場を増大すると
低周波数側と高周波数側のピークは逆転して高周波数側
に高いピーク、低周波数側に低いピークを示す。

また高周波数側のピーク、特に高磁場のときのピークを
仔細に観察すると、密接した２つのピークからなってい
ることが見い出される。

これらのアイソレーションのピークのうち低周波数側の
ピークは上記理論で示したモード１上の動作点によるも
のと考えられ、高周波数側のピークはモードＩＡとモー
ド３によるものと考えられる。

なお、挿入損失（一例を破線で示す）はアイソレーショ
ンの高い方のピーク下に極小値が示される。

第５図は、４ ｙｒ Ｍｓ ＝ ９５０ Ｇａｕｓｓノ
ア エライトを用い、ｒ１／ｒ２をパラメータとした実
験例で、同様に複数の周波数においてサーキュレーショ
ンのピークが生じることが示されている。

このように、フェライト−誘電体の複合体を共振器とし
て用いサーキュレータを形成すれば、複数の周波数でア
イソレーションのピークが生じ、多周波数動作を行なう
ことができることが実験的にも明らかになり、前記サー
キュレーションの第１、第２の条件を用いた解析が正し
いことを示している。

従来、上記多周波数動作が実現できなかったのは、単一
円盤フェライトを共振器として用いたサーキュレータに
おいては、モードＩＡのサーキュレータの第２の条件曲
線（第３図で実線で示す）がＩ Ｋ／μｍの値が大なる
ところに偏在しており実用動作に適しなかったためであ
り、例え、フェライト−誘電体の複合体を共振器としサ
ーキュレータを形成しても動作解析が十分でなく適正な
動作点を見いだせなかったためである。

また、上記多周波数動作を行うサーキュレータの動作周
波数の調整は第２図、第３図による解析から明らかのよ
うにストリップラインの巾や誘電体媒質等のインピーダ
ンス調整要素を変えることにより行うことができる。

更にいづれの場合も従来のサーキュレータに比較して低
インピーダンス動作となり集積回路化等に適したサーキ
ュレータであるということができる。

このように、フェライト−誘電体の複合体を共振器に用
いてサーキュレータを形成すると多周波数動作を行う優
れたサーキュレータを実現することができるが、共振器
を形成する複合体の構成要素として、導体を付加すると
、フェライト−誘電体の複合体を用いたサーキュレータ
には見られなかった新しい動作を行うことになる。

第１図に示したように外径ｒ２内径ｒ□のフェライト円
輪２とこれに内接する導体円盤１によるフェライト−導
体の複合体を共振器として用いたサーキュレータの動作
は、上記フェライト−誘電体の複合体を共振器として用
いたサーキュレータとの特性上の相違を明らかにするこ
とにより明確に説明することかで゛きる。

第６図は上記フェライト−誘電体の複合体を共振器とし
て用いたサーキュレータの場合と同様にしてサーキュレ
ーションの動作条件を計算し、この計算結果に基づくサ
ーキュレーションの第１の条件曲線（破線）と複合体の
共振曲線（実線）とを第２図と同様に縦軸をｋｅ２ｒ２
とし、横軸をｌＫ／μｌ＝にとするグラフ上に重畳して
描いたものである。

フェライト−導体の複合体の共振曲線はフェライトの外
径ｒ２と導体の半径ｒ１との比ｒ１／ｒ２の値が増大す
ると、すなわちフェライト部分に比較して導体部分が増
大すると、これに応じて共振曲線ｎ＝＋１と共振曲線ｎ
−−１の縮退点Ａ１はｋｅ２ｒ２ノ値が大なる方向に移
動し、同時に共振曲線ｎ＝４−２、−２の縮退点Ａ２、
共振曲線ｎ−＋３． −３の縮退点Ａ３等も（いづれも
図示せず）もｋｅ２ｒ２の値が大なる方向に移動し、し
かも直線に近い変化をするようになる。

その結果、第６図に示すように、共振曲線ｎ＝−１と共
振曲線ｎ−＋２との交点Ｂはｌ Ｋ／μｍの値の大なる
ところに生ずる。

従って、モードＩＡのサーキュレーションの第１の条件
曲線上において前記第２図に示したように共振曲線ｎ−
−１と共振曲線ｎ−＋２の交点Ｂよりｌ Ｋ／μ（の値
の大なるところで動作点による動作が不可能になり、交
点Ｂよりｌ Ｋ／μｍの値が小さい領域に動作点が見い
出される。

このモードＩＡの条件曲線では、Ｋ／μの値が小さい領
域に存在するモードＬＡ（−） と、Ｋ／μの値が大き
い領域に存在するモードＬＡ（＋）とがあって、モード
ＬＡ（−）はモードＬＡ （＋）とサーキュレーション
の方向が逆方向になる。

第６図のグラフに外部磁場一定の軌跡（一点鎖線）Ｈｌ
を書き加えると、モード１の条件曲線上に動作点Ｐ１と
、モードＬＡ（−）の条件曲線上に動作点Ｐ２とが見い
出される。

なお、動作点Ｐ１．Ｐ２は二点鎖線で示す周波数一定の
曲線ｆ１．ｆ２と交わり、動作点Ｐ１．Ｐ２における動
作周波数はｆｌ、ｆ２である。

第７図は、第３図と同様にサーキュレータの第２の条件
曲線（実線）をＺｅ／Ｚｄ−Ｉ Ｋ／μ１（７）グラフ
に描いたものである。

グラフにおいて、第２の条件曲線はモード１とモードＬ
Ａ（−）のものが描かれている。

この場合もストリップラインの開き角度のパラメータ要
素を適当な値にすれば、グラフに示すようにＺｅ／Ｚｄ
の曲線（破線）を第６図に示した動作点Ｐ１．Ｐ２に対
応する点Ｑ工、Ｑ２でモード１の条件曲線及びモードＩ
Ａ （−）の条件曲線と交わるようにすることができる
。

従って動作点Ｑ１．Ｑ２はサーキュレーションの条件を
全て満足するものとなり、内部磁場Ｈｉのとき、動作周
波数ｆ１．ｆ２の２周波数で動作することになる。

ところで、前記フェライト−誘電体の複合体を共振器と
して用いたサーキュレータにおいては、モード１の条件
曲線とモードＬＡ（＋）の条件曲線とが関与したのであ
るが、フェライト−導体の複合体を共振器としてサーキ
ュレータを形成した場合はモード１、モードＬＡ（−）
の条件曲線が関与することになる。

この相違を明らかにするために第８図に、フェライト−
導体の複合体を共振器として用いたサーキュレータのア
イソレーション（実線で示す）と、挿入損失（破線で示
す）とを周波数ｆの関数で示す。

図から明らかのように実線で示したアイソレーションの
曲線は周波数ｆ１で最大ピークを示し、このとき破線で
示した挿入損失は低い値を示すが、周波数ｆ２になると
、アイソレーションの曲線は低い挿入損失の曲線となり
挿入損失の曲線は最大のアイソレーションを示す曲線と
なる。

これは周波数ｆ１とｆ２の信号においてサーキュレーシ
ョンの方向が異なることを意味する。

例えば、周波数ｆ０と周波数ｆ２の信号を同時にサーキ
ュレータの入カポ−）ＴＩ（第１図）に加えると周波数
ｆ１の信号はポートＴ３から出力し、周波数ｆ２の信号
はポー）Ｔ２から出力するように動作する。

このようにサーキュレータの共振器をフェライトと導
体の複合体にすることにより二つの異なる周波数で夫々
異なる動作（これを三周波数動作に対して三用途動作ま
たはダイプレクサ動作という）を行なわせることができ
る。

この共振器の組成を導体を含む複合体にするだけで三用
途動作を可能にしたサーキュレータは従来存在せず、サ
ーキュレータとして構造が簡素的であるという点からも
優れたものである。

前記説明ではフェライトと導体の複合体を共振器として
用いたサーキュレータについて述べたが、次に第９図に
示すように外径ｒ２、内径ｒ１のフェライト円輪４と、
外径ｒ１、内径ｒｏの誘電体円輪５と、半径ｒ。

の導体円盤６とによるフエライ） −誘電体−導体の複
合体を共振器としてサーキュレータを構成した塙今につ
いて説明する。

このフェライト−誘電体−導体の複合体を共振器とした
サーキュレータを形成すると導体円盤６半径ｒ。

とフェライト円輪５の外径ｒ１との比ｒ。／ｒ１の値を
変化させることによりモード１とモードＩＡのサーキュ
レーションの第２の条件曲線の等制約なＺｅ／Ｚｄの値
を自在に変化させることができる。

これはサーキュレータの内部インピーダンスを自在に変
化できることにほかならず、これを利用してサーキュレ
ータのインピーダンス整合を外部付加回路によらず行う
ことができ、非常に好ましいものである。

また、フェライト−誘電体−導体の複合体を用いたサー
キュレータにおいては、導体円盤６の半径ｒ。

と誘電体円輪５の外径ｒ１との比ｒ。／ｒ１の値を適当
な値にすることにより第２図、第３図で説明したフェラ
イト−誘電体の複合体を用いたサーキュレータと、第６
図、第７図で説明したフェライト−導体の複合体を用い
たサーキュレータとの中間の状態を実現することができ
、この状態を利用してモード１とモードＬＡ （＋）の
条件曲線が関与する多−周波数動作とモード１とモード
ＩＡ（＝）の条件曲線が関与する三用途動作とを相互に
切り換えることができる。

例エバ、第１０図ノｋｅ２ｒｚ−Ｉ Ｋ／μｌのグラフ
において、複合体の共振曲線ｎ＝＋１．−１゜＋２．−
２が実線で示すようになり、サーキュレータの第１の条
件曲線が破線で示すようになったとすると、内部磁場が
Ｈａのときは、モード１及びモードＬＡ （＋）の条件
曲線上に動作点Ｐ１．Ｐ２が見い出され、内部磁場が増
大し、Ｈｏ以上の値、例えばＨｂになると今度はモード
１とモードＬＡ （−）の条件曲線上に動作点Ｐ″０．
Ｐ″２が見い出される。

この内部磁場Ｈａのときの動作点Ｐ１．Ｐ２内部磁場Ｈ
ｂのときの動作点Ｐ″１．Ｐ″２は、サーキュレータの
パラメータ要素（サーキュレータの構造に基づく定数）
の調整により第１１図に示すようにサーキュレーション
の第２の条件曲線（実線）とＺｅ／Ｚｄｃ７）曲線（破
線）との交点Ｑｌ 、 Ｑ２ 、 Ｑ”１ 。

Ｑ″２として同時に見い出すことかで゛き、これにより
サーキュレータの動作条件を完全に満足していることが
示される。

すなわち、サーキュレータは内部磁場Ｈａで、モード１
とモードＬＡ （＋）が関与する三周波数動作を行うこ
とになり、内部磁場Ｈｂでモード１とモードＬＡ（−）
が関与する三用途動作を行うことになる。

従って、共振器としてｒ。

／ｒ１を所定の値にしたフェライト−誘電体−導体の複
合体を用いてサーキュレータを構成すば、上記内部磁場
Ｈａ、Ｈｂに相応する外部磁場を切り換えるだけでサー
キュレータの動作を三周波数動作から三用途動作へ、あ
るいは三用途動作から三周波数動作に切り換えることが
できる。

また、モードｌ、モードＩＡ （＋）、モードＩＡ（−
）以外にモード２ （モード２Ａ （＋）、モード２Ａ
（−））モード３ （モード３Ａ （＋）、モード３
Ａ（−い等の条件曲線の関与を考え、導体円盤の半径ｒ
。

と誘電体円輪の外径ｒ１との比ｒ。／ｒ１の値を所定値
にしたフェライト−誘電体−導体の複合体を共振器とし
てサーキュレータを形成すれば、特定周波数の信号のみ
回転方向が異なる多用途多周波数動作のサーキュレータ
も形成することができる。

次に、上記と同様にフェライト−誘電体−導体の複合体
であるがフェライト部分を外径ｒ４内径ｒ３、外径ｒ３
内径ｒ２、外径ｒ２内径ｒ１の夫々飽和磁化４πＭｓが
異なるフェライト円輪７，８，９により形成した複合体
を共振器として用いたサーキュレータについて説明する
。

まず、上記複合体の動作を明らかにするまえに、第１３
図に示すように、外径ｒ２内径ｒ１のフェライト円輪１
２と、このフェライト円輪に内接し、上記フェライト円
輪と飽和磁化（４πＭ５）の異なる半径ｒ１のフェライ
ト円盤による２種のフェライトによる複合体の共振モー
ド及び動作モードについて説明する。

飽和磁化（４πＭ、）が異なるフェライト円輪と、これ
に内接するフェライト円盤の共振モードは実験により測
定でき、これをモードチャートで示すことができるが、
この実験結果（実験結果は図示せず）から （１）フェライト円輪とこれに内接するフェライト円盤
からなる複合体において、フェライト円輪の４πＭ５が
フェライト円盤の４πＭ５より低い場合は複合体の共振
モードはフェライト円輪と４πＭｓの等しい単一フェラ
イト円盤の共振モードより低い周波数側に生じ、逆の場
合は複合体の共振モードはフェライト円輪と４πＭｓの
等しい単一フェライト円盤の共振モードより高い周波数
側に生じる。

（２）フェライト円輪とこれに内接する誘電体円盤とか
らなる複合体の共振モードが、フェライト円輪と４πＭ
５の等しい単一フェライト円盤の共振モードから高周波
数側に著るしく推移するのに対して、フェライト円輪と
これに内接する４πＭｓの異なるフェライト円盤の複合
体の共振モードは、フェライト円輪と４πＭ５の等しい
単一フェライト円盤の共振モードかられずかの推移をす
るだけであり、単一フェライト円盤の共振モードの近く
に存在する。

ということが明らかになりこのことからフェライト−フ
ェライトの複合体の共振モードは単一フェライトの共振
モードに近い正規モードであることが結論される。

第１４図は、モードチャート上に上記フェライト円輪と
フェライト円盤による複合体の共振モードを実線で描き
、このモードチャート上に上記複合体を用いてサーキュ
レータとし、外部磁場を変化させたとき、アイソレーシ
ョンが極大値を示す周波数を測定し、この測定点を×印
でプロットしたものである。

なお、この測定に用いられたフェライト−フェライトの
複合体は、フェライト円輪の飽和磁化４πＭｓ＝７５０
Ｇａｕｓｓ フェライト円輪に内接するフェライト
円盤の飽和磁化４πＭｓ＝１２００ Ｇａｕｓｓ半値幅
ΔＨ＝８００ｅ、比誘電率εｅ＝１４、フェライト円輪
の外径ｒ２＝ ２０ｍｍ厚さ２．５ｍｍ、半径比ｒ１／
ｒ２＝０．４５である。

上記測定結果から求められたアイソレーションの極大値
のプロット点×を結ぶと、破線で示したようなサーキュ
レータの動作曲線を求めることができる。

この動作曲線のうちｎ＝＋１の共振曲線の高周波数側に
できる曲線（Ｍｌ）は前記モード１の条件曲線に対応す
るものと考えられ、ｉｌ＝＋３の共振曲線の高周波数側
にできる曲線Ｍ３は前記モード３の条件曲線に対応する
ものと考えられる。

ここでモード１の条件曲線に対応する動作曲線Ｍ１は、
単一フェライト円盤を用いたサーキュレーションの動作
曲線（図示せず）に酷似したものであり、このモード１
の条件曲線に対応する動作曲線Ｍ１の低周波数側のｎ−
＋１の共振曲線と重畳する位置に動作曲線ＭＩＳが生じ
ている。

この動作曲線ＭＩＳは単一フェライト円盤を用いたサー
キュレータでは見いだされないものであり、全く新しい
現象である。

ここでこの動作曲線ＭＩＳを説明するために正規モード
以外に従属モードという共振モードが存在するという考
え方を新たに導入すると、飽和磁化４πＭ、が異なる二
種のフェライトによる複合体の正規共振モードと従属モ
ードの性質はｋｅ２ｒ２ １ Ｋ／μｍのグラフ上で次
のようなものである。

（１）正規モードは単一フェライトによる共振モードと
ほは゛同一で゛ある。

（２）従属モードは、正規モードより低い位置に存在す
ること。

（３）従属モードは、正規モードと共存し、しかもそれ
ぞれ独立にサーキュレーション動作に関与でき、しかも
互に阻害しなにこと。

（４）ストリップ線路幅などサーキュレータの構造が同
一の条件の下では従属モードによる動作モードは正規モ
ードによる動作モードより低い位置に生ずること。

以上のことをｋｅ２ｒ２ １ Ｋ／μｍのグラフ上に図
示すると第１５図のようになる。

グラフにおいて、実線は正規モードの最低次（ｎ−＋１
）のもの、一点鎖線は従属モード、破線は正規モードに
よる動作モード、二点鎖線は従属モードによる動作モー
ドを示す。

この外径ｒ２内径ｒ１のフェライト円輪と４πＭ、の異
なる半径ｒ工のフェライト円盤による複合体の一様な外
部磁場下における４πＭ５の分布、Ｋ／μの分布、μｅ
の分布を測定すると第１６図ａに示すようになる。

なおこの図においてはフェライト円盤の４πＭｓの値が
フェライト円輪の４πＭ５の値より大きい場合を示しで
ある。

ところで、電磁界の解析においてはに／μの分布が特に
重要な因子であり、上記実１＠結果を満足させるために
は、正規モード及び従属モードにおけるに／μの分布は
次のようになっている考えられる。

（１）正規モードのに／μの分布の形は複合体全体にわ
たって一様であり、これは単一フェライト円盤のに／μ
の分布と等しくなる。

（２）従属モードのに／μの分布はフェライト円輪部分
ではｌ Ｋ／μｍ＝へとなり、フェライト円盤部分では
、複合体のフェライト円盤部の（Ｋ／μ（−札、から埒
を引いたｆ直（Ｋ＝に２） となる。

（３）フェライト円盤部の電磁界は正規モードの成分と
従属モードの成分が相加って形成する。

そこで、このに／μの分布状態を示すと第１６図すのよ
うになる。

このような考慮のもとにフェライト円盤部の電磁界をＭ
ａｘｗｅｌｌの式より求めて正規モードに関与するとみ
られるものと従属モードに関与するものとに分離すると
、＋ν次の電磁界成分Ｅｚ−］（θのうち正規モードに
関与するものとしてはＥｚシ＝αシＪν（にｅｌ・ｒ）
ｅ−ｊｖθ ・−・ａｏ）従属モードに関与するもの
としては Ｅ′Ｚシ＝ｄシＪν（にｅｌ・ｒ）ｅ ”θ −・・
−（１２）となる。

ただしフェライト円盤内の比誘電率をεｅ１、実効比透
磁率をμｅｌとし、 に２ｅ １＝ｗ２ε（、ｕｏｇｅｌｕｅｌμｅｌ＝μｍ
（ＩＫ’１ ）、 Ｋｌ−に１／μｍ 、 Ｋ２−に
２／／！ｊ２°である。

また、同様にして電磁界成分Ｈｒについても表わすこと
ができる。

このようにして求められたフェライト円盤部分の電磁界
とフェライト円輪部分の電磁界とにおけ□るｒ＝ｒ１で
の連続条件とｒ−ｒ２で電磁界成分Ｈθ二〇となる条件
とを用いて計算すれば共振モードが得られ、これは第１
５図で示した共振曲線と一致する。

この複合体内における正規モードと従属モードは物理的
には次のように考えられる。

複合体の中心部分のフェライト円盤と、外周部のフェラ
イト円輪とでに／μの値が異なると、磁界の回転ベクト
ルの振幅と位相がフェライト円盤部分とフェライト円輪
部分とで差異を生じ、特に励振がフェライト円輪の外側
から行なわれるために、フェライト円輪部分の磁界の回
転ベクトルを基準にしてみれば、フェライト円輪部分の
回転ベクトルと類似するフェライト円盤内の回転ベクト
ルは、式（１０）、 （Ｉｎで与えられる正規モードに
関与する成分と、従属モードに関与する成分１２ 、１
３とに分解される。

この分解された式（１０）、 （１１）で示めされる成
分と式（１２）、 Ｑ３）で示めされる成分が夫々内輪
部分の電界成分を与える式（１）、（２）および磁界の
式（表記せず）で示される成分と結合して、式００）。

０１）を用いたものよりなる正規モードと、式α２＋、
Ｑ３）を用いたものよりなる従属モードを形成すると
考えられる。

また式（１０）、 Ｑｌ）と式（１２）、 （１３）と
は同じ内部磁場、同じ周波数に対して相加できる形であ
るので正規モードを示す式（１０）、 （１１１と従属
モードを示す式α２）、 （１３）を用いてｍａｘｗｅ
ｌｌの方程式を満足させることができ、この正規及び従
属モードの組み合せが完備なものになっているといえる
。

したがって、上記正規モード及び従属モードは単独では
完備なモード系を形成できないものであるといえる。

このように４πＭ５が異なる二つのフェライトを接合す
ると正規モード以外に従属モードが生じ、この従属モー
ドは、正規モードと共存し、両者は互いに阻害しないか
ら、例えば４πＭ５が異なるフェライトを接合した複合
体を用いてサーキュレータを形成すると、正規モードが
関与する動作点以外に従属モードが関与する動作点が生
じ夫々の動作点による三周波数動作を行うことになる。

ところで、正規モードが関与する動作点による動作周波
数と、従属モードが関与する動作点による動作周波数の
差は接合フェライトの４πＭｓの違いによるに／μの値
の不連続に基ずくものであり通常前記フェライト−誘電
体の複合体を用いたサーキュレータによる三周波数動作
における動作周波数差に比較して非常に接近したもので
あるので、これを利用すれば、単一の動作周波数におけ
るサーキュレータの動作の広帯域化をはかることができ
る。

上記飽和磁化４πＭｓの異なるフェライトの接合面を有
する複合体には従属モードが生ずるという理論に基づき
、第１２図に示した４πＭｓが異なる複数のフェライト
−誘電体−導体の複合体を共振器としたサーキュレータ
の動作について説明する。

まず、導体円盤１１の半径ｒ。

と誘電体円輪１０の外径ｒ１との比ｒ。

／ｒ１の値が十分小さいとき、す１なわち導体の影響が
誘電体の影響に比較して十分小さいときを考える。

この場合は、三層のフエライ）７． ８． ９と誘電体
１０による正規モードに基づくモード１、モードｌＡ（
＋）モード３等の条件曲線が関与する動作１と、三層の
フェライト部に生ずるフェライト円輪７とフェライト円
輪８との接合に基づく従属モードとフェライト円輪８と
フェライト円輪９との接合に基づく従属モードとの二つ
の異なる従属モードが関与する動作との複合動作になり
、正規モー１ ドに基づくモード１、モードＩＡ（＋−
）、モード３等の条件曲線が関与するアイソレーション
のピーク幅はいずれも広くなり、広帯域多周波数動作を
行うことになる。

例えばモード１の条件曲線によるアイソレーションのピ
ークは第１７図に示すように、正規モードが関与する周
波数ｆＭｌ、でのピークと、二つの異なる従属モードが
関与する周波数ｆ ５１． ｆ ５２でのピークが生
じ、アイソレーションのピーク幅は広がり、サーキュレ
ーションの動作は広帯域化される。

□ 導体円盤１１の半径ｒ。

と誘電体円輪１０外径ｒ１との比ｒ。

／ｒ１が十分大きいとき、すなわち誘電体部分が十分小
さいときは導体の影響によりサーキュレータは三用途動
作を行うことになる。

この場合も従属モードが関与し、各動作周波数は広帯域
化される。

次に、導体円盤１１０半径ｒ。

と誘電体円輪１０の外径ｒ１との比ｒ６／ｒ１が所定の
値のときを考える。

このときは外部磁場を変えることによりサーキュレータ
の動作を多周波数動作と二用途動作問で交互に切り換え
ることができる。

そしてこの場合においても従属モードが関与して動作周
波数は広帯域化される。

また、導体円盤１１の半径ｒ。

と誘電体円輪１０の外径ｒ１との比ｒ。

／ｒ１の値の調整によりサーキュレータのインピーダン
ス調整を行うことができる。

このようにフェライト−誘電体−導体の複合体を共振器
としてサーキュレータを形成することにより、多周波数
動作を行うサーキュレータ、三用途動作を行うサーキュ
レータ、多周波数動作と三用途動作の切り換え可能なサ
ーキュレータインピーダンスの内部調整機構を有するサ
ーキュレータ等を実現することができ、飽和磁化（４π
Ｍｓ）の異なる多層のフェライト−誘電体−導体の複合
体を共振器としてサーキュレータを形成することにより
上記各動作を行うサーキュレータの動作帯域を広帯域化
することができる。

以上、フェライト、誘電体、導体による複合体を共振器
として形成したサーキュレータの動作について説明して
きたが、いずれの場合においても外部磁場を複合体の軸
方向に加えた均一のものとして論じてきたが、次に複合
体に加える外部磁場を不均一にした場合について説明す
る。

この説明の前に所定磁場を加えられたフェライトの性質
について不均一磁場下のフェライトの性質に必要な点を
中心に一般的に述べる。

磁場を加えられたフェライトは次式で示すような比テン
ソル透磁率〔μ〕を有する。

この比テンソル透磁率〔μ〕のテンソル要素μ、Ｋがフ
ェライトの高周波における磁気的影響を示す因子である
。

通常μ、Ｋは損失部分を含むものであるが、ここでは物
理的な性質を解析するのに便利なように損失項を無視し
て考える。

μ、には、Ｐｏ１ｄｅｒの表示式を利用するとと与えら
れる。

ただし、ｍ＝４πＭＳ／ＨＯ ｈ＝Ｈｉ／Ｈ８ ４πＭｓ＝フェライトの飽和磁化（Ｇａｕｓｓ）Ｈｉ＝
ミニフェライト部の磁場の強さ く０ｅｒｓｔｅｄ） Ｈｏ＝周波数ｆ （ＭＨｚ）を２．８で割った値で共
鳴磁場を示す。

（Ｏｅｒｓｔｅｄ）である。

なお、ここでは上記共鳴磁場Ｈ６以上で考察する。

フェライトを共振器として用いたサーキュレータの解析
においては前記サーキュレーションの第１、第２の条件
曲線上での役割から明らかのように、μ、Ｋから誘導さ
れる比実効透磁率μｅ、およびフェライト非等方性分離
因子（ｆｅｒｒｉｔｅａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｓｐｌ
ｉｔｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ） Ｋ／μの２つのイ直が
重要となる。

比実効透磁率μｅとフェライト非等方性分離因子との間
には次の関係がある。

μｅ＝（μ２−に２）／μ−μ 〔１−（Ｋ／μ）２〕
・・・・・・（１７） 上記式（１７）と式（１５） （１６）よりｍ（４π
ＭＳ／Ｈｏ）をパラメータとして、比実効透磁率μｅと
フェライト非等方性分離因子に／μとをｈ（＝Ｈｉ／Ｈ
Ｏ）の関数とするグラフをえかくと第１８図、第１９図
のようになる。

第１８図、第１９図のμｅおよびに／μとｈのグラフか
らフェライトを用いてサーキュレータを構成したような
場合において外部印加磁場に相応する内部磁場及び加え
られる信号の周波数によりフェライトのどの共鳴状態を
利用しているかがわかる。

例えばｈが１．０より大きい状態（ａｂｏｖｅｒｅｓｏ
ｎａｎｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を用いるサーキュレ
ータにおいて、フェライトの４πＭｓが一定であるとす
ると、 （１） 周波数を固定して、内部磁場Ｈ１を増大する
と内部磁場Ｈ１に対応するｈ１上にある点Ｐ１．Ｑ１は
ｍ＝定の曲線上をｈが増大する方向に移動する。

（２）内部磁場Ｈ１を固定して周波数を変化させるとｈ
１上にある点Ｐ２、Ｑ２は周波数が増大したときはｈが
減少する方向へ、周波数が減少したときはｈが増大する
方向へ、それぞれ破線で示す矢印方向にｍ＝定の曲線と
斜交するように移動する。

この上記磁場を加えられたフェライトの基本的な動的性
質に基づき多層複合体の不均一磁場下における動的な性
質及びこれを用いたサーキュレータの動作について説明
する。

まず、第２０図に示すように半径ｒ１のフェライト円盤
Ｆ１、内径および外径がそれぞれｒｌ、ｒ２；ｒ２．ｒ
３；ｒ３．ｒ４ノフエライト円輪Ｆ２．Ｆ３．Ｆ４から
なり、フェライト円盤Ｆ１の飽和磁化が４層ＭＳ１、フ
ェライト円輪Ｆ２．Ｆ３．Ｆ４の飽和磁化が夫々４ｙｒ
ＭＳ２． ４ ｙｒ Ｍｇ２． ４ ｙｒ Ｍｇ２で
４ ｙｒ Ｍｓｌ＞ ４ ｙｒ Ｍｇ２〉４層ＭＳ３〉
４層ＭＳ４である複合体を用い、この複合体に均一な外
部磁場を印加した場合を考える。

この場合は各フェライトの内部磁場は相等しいとすれば
、各フェライトのｍｌ（＝４πＭｓｉ／Ｈｏ、ｉ＝１〜
４）はｍｌ〉ｍ２〉ｍ３〉ｍ４となり、各フェライトの
（Ｋ／μ）ｉ （ｉ＝１〜４）は（Ｋ／μ） １＞
（Ｋ／μ）２〉（Ｋ／μ）３〉（Ｋ／μ）４ となり各
フェライト間でに／μの値が異なるから、これによる従
属モードが生じ、この均一磁場を加えた複合体を用いて
例えばサーキュレータを構成すれば、サーキュレータの
動作は前述したように従属モードが関与し広帯域化され
る。

この場合、複合体の各フェライトＦ１〜Ｆ４は第２１図
にに／μ−りのグラフ上で示すように点Ｐ′１〜Ｐ′４
で表わされる共鳴状態で用いることになる。

次に不均一で軸対称な外部磁場が加えられ、各フェライ
トの内部磁場が均一なＨｉの状態からそれぞれ異′なる
内部磁場Ｈｉ□、Ｈ１２，Ｈ１３，Ｈ１４に変ったもの
とする。

このとき周波数を固定して考えるとフェライトの共鳴状
態を示す点Ｐ１′〜Ｐ４′はそれぞれのｍ（＝４πＭｓ
／Ｈｏ）が一定の曲線上を移動して内部磁場に対応した
ｈｌ、ｈ２．ｈ３．ｈ４の上に見出される。

ここで、外部磁場を適当な分布のものを用いれば、第２
１図に示すように各フェライトＦ１〜Ｆ４の共鳴状態を
点Ｐ１〜Ｐ４で示すようにし、Ｋ／μの値を一定値（Ｋ
／μ）Ｃにすることができる。

すなわち、このとき点Ｐ１〜Ｐ４におけるｈはｈ１〜ｈ
４であるから各フェライトＦ１〜Ｆ４の内部磁場がＨｉ
ｌ−Ｈｉ４となるように外部磁場の分布を決定すればよ
い。

この共鳴状態を示すに７μｍ６図上の点Ｐ１〜Ｐ４に対
応する点Ｑ１〜Ｑ４をμｅ−ｈのグラフ上に示したのが
第２２図である。

第２２図において、点Ｑ１〜Ｑ４は略ＡＢ線上に見いだ
される。

ここで点Ｑ□〜Ｑ４に対応する比透磁率μｅ１〜Ｐｅ４
はμｅ１〉μｅ２〉μｅ３〉μｅ４となる。

次に磁場を固定し、周波数を変化すると、各フエライ）
Ｆ□〜Ｆ４の共鳴状態を示す点Ｐ１〜Ｐ４． Ｑｌ〜Ｑ
４は第１８図、第１９図に破線の矢印で示した方向にそ
れぞれ推移する。

このようにに／μを一定値（Ｋ／μ）Ｃとなるように所
定分布の不均一磁場を加えられた複合体の共振器をサー
キュレータに適用し、このサーキュレータの動作につい
て説明する。

サーキュレータの動作において重要なのはサーキュレー
タの共振器を形成する複合体の半径方向の比実効透磁率
μｅの分布である。

上記に／μを一定とするように不均一磁場を加えられた
複合体の半径方向の比実効透磁率の分布は第２２図の点
Ｑ１〜Ｑ４に対応する比実効透磁率の値μｅ１〜μｅ４
を用いて第２３図のように求めることができる。

すなわちこの場合は複合体として４層のフェライトＦ１
〜Ｆ４を用いているのでμｅの分布は４段の階段状にな
っている。

この階段状のμｅの分布を曲線ＣＤで近似すれば、この
複合体の共振モードを求めることができる。

なお、複合体の多層化をさらに進めればμｅの分布は曲
線ＣＤに限りなく近ずけることができる。

第２４図は、上記近似に基づきに／μが一定となるよう
に不均一磁場が加えられた複合体の共振モードを計算し
、この計算結果に基づく共振モードを示す曲線（ｎ＝＋
１、−１に対応するもの）を実線で示し、サーキュレー
タの第１の条件を示す曲線（モード１に対応するもの）
を破線で示したものである。

Ｋ／μを一定になるように不均一外部磁場が加えられた
４層Ｍｓが異なる多層のフェライトによる複合体を共振
器として用いたサーキュレータにおいては、サーキュレ
ータの結合線路の結合角２４等を適当に調整することに
より不拘−磁場一定の曲線（一点鎖線で示す）にサーキ
ュレーションの第１の条件曲線（破線）を所定区間（点
Ｐ、 Ｑ間）で重さなるようにすることができる。

なお点Ｐは周波数ｆ□が一定の曲線（二点鎖線）上、点
Ｑは周波数ｆ２が一定の曲線上にある。

また、同時にサーキュレーションの第２の条件曲線を示
す第２５図において、この第２の条件曲線（実線）とＺ
ｅ／Ｚｄの曲線とを上記ＰＱ間に対応するＰ’Ｑ’間で
重さねることができる。

従って、上記サーキュレータは周波数ｆ１．ｆ２間でサ
ーキュレータの動作条件を完全に満足することになり、
周波数ｆ１．ｆ２間で動作することになり動作周波数は
広帯域化される（実際の帯域はｆ。

ｆｌより幾分広くなる）。

次に、４層Ｍｓが異なる多層のフェライト−誘電体−導
体の複合体において、フェライト部分のに／μの値が一
定値になるように不均一磁場の加えられた複合体を共振
器として用いたサーキュレータについて考察する。

この場合は、導体部分が誘電体部分に比較して寄与が十
分大きいときには三用途動作又は多用途動作になり、逆
に誘電体部分の寄与が十分大きいときには多周波数動作
になり、導体部分と誘電体部分とが所定の割合であると
きには外部磁場により三用途動作と多周波数動作との切
り換え可能なサーキュレータあるいは三用途動作と多周
波数動作の複合動作をするサーキュレータあるいはイン
ピーダンスの内部調整機構を有するサーキュレータ等を
形成することとなるがいずれの場合も、Ｋ／μを一定に
されたフェライトの共振モードにより広帯域化される。

このに／μを一定にされたフェライトを用いたサーキュ
レータの帯域はフェライト部分と導体と誘電体部分との
比により決定される。

例えば第２０図の複合体において、半径ｒ１のフェライ
ト円盤のかわりに半径ｒ。

の導体と外径ｒ工、内径ｒ。の誘電体の複合体円盤を用
いて、フェライト−誘電体−導体の複合体を形成し、こ
の複合体を用いてサーキュレータを形成すると、サーキ
ュレータの帯域はｒ１／ｒ４の値により決定され、ｒ１
／ｒ４の値が大きくなれば帯域は狭くなる。

また、フェライト−誘電体−導体の複合体による共振器
の共振モードは、通常の円盤フェライトによる共振器に
比較して共振モードの縮退点がｈｅ４．Ｆ４の値の低い
位置に生じ、通常の円盤フェライトによる共振器より小
さい寸法の円盤によりサーキュレータを構成することが
できる。

更に、共振モード曲線間の分離（特にｎ＝＋１とｎ−−
１、ｎ＝＋２とｎ＝−２）が大きくなり、それぞれの次
数を共振モード曲線の正負の回転モードの開きは小さく
なるので、高次モードはｎ＝１の共振モード曲線とは交
叉しないなどの特徴がある。

次に４層Ｍｓの異なる多層のフェライトに区分的に異な
る不均一磁場を加えた場合の効果を説明する。

これは、例えば第２０図に示したフェライト円盤Ｆ１と
フェライト円輪Ｆ２〜Ｆ４による複合体において区分的
に異なる不均一磁場を加えて４層のフェライトＦ１〜Ｆ
４のいちフェライトＦｌ、 Ｆ２のに／μの値を（Ｋ／
μ）１にし、フェライトＦ３． Ｆ４のに／μの値を（
Ｋ／μ）２にしたような場合である。

この場合はに／μを一定にしたフェライトを用いた複合
体でありながらフェライトＦ１、Ｆ２部分と、フェライ
トＦ３． Ｆ４部分とで、異なるに／μの値（Ｋ／μ）
、、（Ｋ／μ）２を有することになり、このようなフェ
ライトの複合体を用いてサーキュレータを構成するとに
／μの値を一定にされたフェライトによる共振モードが
関与した動作と、 （Ｋ／μ）１．（Ｋ／μ）２の差に
基づく従属モードが関与した動作との複合動作を行うこ
とになる。

従って、両者によるサーキュレータの広帯域化が実現で
きる。

このように、フェライトの複合体に区分的に異なる不均
一な外部磁場を加え、各フェライトのに／μの値が一定
値になるようにし、この複合体を用いてサーキュレータ
を構成すればサーキュレータの動作として広帯域特性が
得られる。

また、上記フェライト複合体に不均一な外部磁場を加え
、Ｋ／μの値を一定にするようにして共振器を形成する
ことを前記４πＭｓの異なる多層のフェライト−誘電体
−導体の複合体に適用すればこのフェライト−誘電体−
導体の複合体の動作範囲を拡大するばかりでなく動作を
確実にすることとなり、非常に好ましい共振器を形成す
ることとなる。

例えば、このようにされた複合体を用いてサーキュレー
タを構成すれば多周波数動作、三用途動作広帯域動作等
を行うサーキュレータを外部回路を全く付加せずに実現
することができる。

ところで、一般にサーキュレータの動作調整においては
、まず共振器を組み合わせたＹ接合線路が理想サーキュ
レーションを行うようにするサーキュレーション調整、
すなわち動作帯域で前記サーキュレーションの第１の条
件を満足するとともに前記Ｚｅ／Ｚｄの曲線が前記サー
キュレーションの第２の条件曲線と重さなるようにする
調整が行なわれ、このサーキュレーション調整が行なわ
れた状態ではＹ接合線路と外部接続路線とのインピーダ
ンス整合が必ずしもとれていないので、続いてこのＹ接
合線路と外部接続路線とのインピーダンス整合調整が行
なわれる。

このサーキュレーション調整は従来Ｙ接合線路の調整（
Ｙ接合ストリップラインの開き角等の調整）により行な
われており、インピーダンス整合調整は外部回路を付加
することにより行な銭れていた。

ところが上記均一磁場下あるいは不均一磁場下の多層フ
ェライト−誘電体−導体からなる複合体共振器を用いて
サーキュレータを形成すればサーキュレーション調整及
びインピーダンス調整をＹ接合線路の調整及び外部回路
の接続を全く行なわずにして実現することか゛できる。

すなわち、均一磁場下の多層フェライトに生じる従属モ
ードの利用あるいは不均一磁場下の多層フェライトの共
振特性を利用して前記Ｚｅ／Ｚｄの曲線とサーキュレー
ションの第２の条件曲線とを広帯域で重さねることがで
き、誘電体と導体の占有比の調整によＦ） Ｙ接合線路
と外部接続路線とのインピーダンス調整を行なうことが
できるのでサーキュレータの調整を一挙に行うことがで
きる。

また、第２６図に示すように４πＭｓの異なる多層フェ
ライト円盤の各フェライト接合面に薄い誘電体円輪１４
，１５，１６を介挿して形成された複合体を用いて共振
器を形成すると多層フェライトの作成過程でさけられな
い内部歪みを緩和する緩衝効果をはだすことになる。

更にこの各フェライトの接合面に薄い誘電体円輪１４．
１５． １６を介挿した複合体を共振器としてサーキ
ュレータを形成し、この複合体に加わる外部磁場の実効
半径を可変できるようにすれば、これにより内部インピ
ーダンス整合を変化させて、動作周波数を自由に変化す
ることができるとともに、実効的に動作する複合体の半
径が変化して動作周波数全体を周波数の高い方向あるい
はその逆の方向に推移させることができる。

また、以上説明したフェライト−誘電体−導体等の複合
体を共振器として用いたサーキュレータの動作周波数は
主としてフェライト部分の内径と外径の比（例えば第１
２図に示した複合体においてはｒｌ／ｒ４）によって変
化させることができ、更に外部磁場やＹ接合線路等のパ
ラメータ要素を変えることによっても調整することがで
きるから所望の動作周波数に自由に調整することができ
る。

次に、このようなサーキュレータの有用性を示すために
上記多周波数動作及び三用途動作を行うサーキュレータ
を用いたマイクロ波回路の一例を示す。

多周波数動作を行うサーキュレータは従来のサーキュレ
ータにフィルタの特性を加えた動作を示し例えば、周波
数ｆ１と周波数ｆ２で三周波数動作を行うサーキュレー
タを考えると、第２７図ａに示すように一つのポートか
ら加えられた周波数ｆ１の信号から周波数ｆ１．ｆ２の
信号のみ選択し、この周波数ｆ１．ｆ２の信号を所定方
向に回転させ、別のポートから出力する。

これを記号的に第２７図すのように記す。

三用途動作を行うサーキュレータは、左回り動作周波数
をｆｌ、右回り動作周波数をｆ２とすると第２７図Ｃに
示すように、あるポートから周波数ｆｉの信号が入力す
るとこの入力信号から周波数ｆ１の信号を選択して、こ
の信号を左回りに回転させ、一方のポートから出力し、
同時に入力信号から周波数ｆ２の信号を選択してこの信
号を右回りに回転させ他方のポートから出力する。

この動作を信号的に第２７図ｄのように記す。

この多周波数動作を行うサーキュレータと三用途動作を
行うサーキュレータを組み合わせて、マイクロ波の周波
数分離回路や周波数合成回路が容易に実現できる。

第２８図のａ、ｂ、Ｃ１ｄは上記サーキュレータを用い
たマイクロ波回路の一例を第２６図す及び第２７図すに
示した表記方法を用いて示したものである。

礒２８図ａは、周波数ｆ１．ｆ２．ｆ３．ｆ４ノ信号を
含む信号を各周波数別に分離する回路例を示したもので
ある。

まず、周波数ｆ１．ｆ２．ｆ３．ｆ４の信号を含む信号
はサーキュレータＣ１のポートＰ１Ｃ１に加えられる。

サーキュレータＣ１は周波数ｆ□、ｆ２、ｆ３の信号を
左回りに回転させ周波数ｆ４の信号のみを右回りに回転
させる三用途、４周波数動作サーキュレータである。

ここでこのような動作をするサーキュレータは共振器と
して前述した多層フェライト−誘電体−導体の複合体を
用い、フェライトの４πＭｓ、誘電体の外径及び内径、
導体の半径及びストリップラインの開き角等を適宜調整
することにより実現することができる。

サーキュレータＣ１では、ポートＰ１Ｃ１に加えられた
入力信号から、周波数ｆ１〜ｆ４の信号が選択され、選
択された信号のうち周波数ｆ１〜ｆ３の信号は左回りに
回転させられポートＰ２Ｃ１から出力され、周波数ｆ４
の信号は右回りに回転させられポートＰ３Ｃ１から出力
゛される。

このようにして周波数ｆ１〜ｆ３の信号と周波数ｆ４の
信号とが分離される。

サーキュレータＣ１のポー）Ｐ２Ｃ１からの周波数ｆ１
〜ｆ３の信号はサーキュレータＣ２のポー）ＰＩＣ２に
加えられる。

サーキュレータＣ２は周波数ｆ１．ｆ２の信号は左回り
、周波数ｆ３の信号は右回りに回転する三用途３周波数
動作サーキュレータであり、周波数ｆ１．ｆ２の信号と
周波数ｆ３の信号とをポートＰ２Ｃ２，Ｐ３Ｃ２に分離
して出力する。

同様にサーキュレータｑのポー）Ｐ２Ｃ２から出力され
た周波数ｆ１．ｆ２の信号は二用途す−キュレーダｑの
ポー）ＰＩＣ３に加えられ、周波数ｆ１．ｆ２の信号に
分離されポートＰ２Ｃ３，Ｐ３Ｃ３から夫々出力される
。

このようにして、周波数ｆ１〜ｆ４の信号を含む信号は
各周波数ｆ１． ｆ２．ｆ３． ｆ４の信号に分離され
る。

第２８図すは周波数ｆ１．ｆ２．ｆ３．ｆ４の信号を混
合して周波数ｆ０〜ｆ４からなる信号を合成する周波数
合成回路である。

この回路においてサーキュレータ０１′、０２′、ｑ′
は前記第２８図ａで示したサーキュレータＣ１，Ｃ２，
ｑと同一の構成のものでありサーキュレータＣ３′によ
り周波数ｆ１とｆ２の信号を合成し、サーキュレータ０
２′により周波数ｆ１．ｆ２の合成信号と周波数ｆ３の
信号を合成し、サーキュレータ０１′により周波数ｆ１
．ｆ２．ｆ３の合成信号と周波数ｆ４の信号とを合成し
て、サーキュレータ０１′の出力ポートから周波数ｆ１
〜ｆ５の信号を合成した信号を得るようになっている。

なお、第２８図ａ、ｂは周波数分離回路、周波数合成回
路の例を示したが、４πＭｓの異なる多層フェライトあ
るいはこの多層フェライトのに／μの値を一定とするよ
うな外部磁場下におかれたフェライトを構成要素とする
共振器を用い、三用途広帯域動作のサーキュレータを形
成すれば、上記と同様にして帯域合成回路あるいは帯域
分離回路を形成することもできる。

第２８図Ｃは２人力、３分岐回路、第２８図ｄは３人力
、２分岐回路の一構成例を示したものである。

第２８図Ｃにおいてはサーキュレータ０４〜Ｃ６を所定
の構成にすれば周波数ｆ１．ｆ２の信号と、周波数ｆ３
．ｆ４の信号からなる２人力を周波数ｆ２、周波数ｆ１
．ｆ３、周波数ｆ４からなる３出力に分岐し、第２８図
すにおいては同様にサーキュレータ０７〜Ｃ０を所定の
構成にすれば、周波数ｆ１、周波数ｆ２．ｆ３、周波数
ｆ４からなる３人力を、周波数ｆ１゜ｆ２、周波数ｆ３
．ｆ４からなる２出力に分岐する。

このように本発明に係わる共振器を用いてサーキュレー
タを構成すれば、種々のマイクロ波回路の簡略化を行う
ことができ、また回路構成も容易である。

以上の説明においては本発明の複合型共振器のストリッ
プラインＹ接合サーキュレータへの適用例について主に
述べてきたので、複合型共振器の形状としてはストリッ
プラインＹ接合サーキュレータの形成に都合が良い円盤
状としてきたが、これに限定されるものではなく、４π
Ｍ５が異なる多層のフェライトと誘電体と導体との全部
あるいは一部を構成要素とする複合体であればよく、複
合体の構成要素として非等方性分離因子に／μの値が異
なるフェライトとフェライトとの接合面があれば正規モ
ード以外に従属モードが生じ、この従属モードが関与す
る動作が加り、非等方性分離因子に／μの値を一定にさ
れた不均一磁場下の４πＭ５の異なるフェライトとフェ
ライトとの接合面があれば不均一磁場による広帯化が可
能になり、誘電体と導体とを含めば導体と誘電体との占
有部分の比に基づく多周波数動作、及び高周波数信号の
回転方向の制御が可能になるから、適用する素子及び目
的に応じて適当な形状にすればいかなる形状でも上記動
作を可能にすることができる。

また、本発明の複合型共振器が適用できるのはストリッ
プラインＹ接合サーキュレータに限定されるものでなく
、Ｘ接合サーキュレータ導波管を用いたサーキュレータ
マイクロストリップラインを用いたサーキュレータ、ア
イソレータ、フィルタ、フェイスシフタ等フェライトの
共振特性を利用した素子であればいかなるものでも同様
に適用することができることは勿論である。

例えば本発明の複合型共振器をアイソレータに適用すれ
ば、詳述したサーキュレータへの適用例と同様にして容
易に、多周波動作を行うアイソレータ、広帯域動作を行
うアイソレータ、外部磁場に応じて動作方向を切り換え
られるアイソレータ、内部インピーダンス調整機能を有
するアイソレータ等を構成することができる。

また、本発明の複合型共振器をフィルタに適用すれば、
特定周波数（多周波数）通過形フィルタ、所定帯域幅（
帯域幅制御可能）を有するバンドパスフィルタ等を構成
することができ、同様に他の素子にも適用することがで
き、いづれの場合においても、フェライト−誘電体−導
体の複合体の共振特性を利用して、適用素子の動作範囲
を拡大することができる。

以上説明したように本発明の複合型共振器は上記構成で
あるからマイクロ波回路素子等に適用すれば、外部回路
を全く付加することなく広帯域動作、多周波動作、三用
途動作等を可能にする回路素子が容易に実現でき、更に
インピーダンスの内部整合機構を有する回路素子も実現
することができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは本発明に係わる複合型共振器のサーキュレー
タへの一過用例を示す斜視図、第１図すは同平面図、第
２図、第３図はフェライト−誘電体の複合体を用いたサ
ーキュレータの動作解析図、第４図、第５図はフェライ
ト−誘電体の複合体を用いたサーキュレータの動作の実
験結果を示すグラフ、第６図、第７図、第８図は本発明
に係わるフェライト−導体の複合体を用いたサーキュレ
ータの動作解析図、第９図は本発明の複合型共振器の一
実施例を示す斜視図、第１０図、第１１図は第９図に示
した複合体を用いたサーキュレータの動作解析図、第１
２図は本発明の他の実施例を示した斜視図、第１３図は
フェライト−フェライト複合体の一例を示した斜視図、
第１４図はフェライト−フェライト複合体を用いたサー
キュレータの動作の実験結果を示すグラフ、第１５図は
正規モードと従属モードの関係を示すグラフ、第１６図
は従属モードの存在を説明するグラフ、第１７図は第１
２図の共振器を用いたサーキュレータの動作を示すグラ
フ、第１８図、第１９図はフェライトの共鳴状態と磁場
との関係を示すグラフ、第２０図は多層状のフェライト
複合体の一例を示す斜視図、第２１図、第２２図、第２
３図は第２０図に示す多層状のフェライト複合体に不均
一外部磁場を加えに／μを一定にするようにした状態を
解析するグラフ、第２４図、第２５図は、第２０図に示
した複合体を用いたサーキュレータの動作解析図、第２
６図は本発明の他の実施例を示す斜視図、第２７図ａ、
ｂ、ｃ、ｄは二周波動作サーキュレータ及び二用途サー
キュレータの動作及びその表記方法を示した図、第２８
図ａ。 ｂ、 Ｃ，ｄは本発明を適用したサーキュレータを用
いた回路構成例を示す回路図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導体と、この導体を囲繞する誘電体と、この誘電体
   を更に囲繞するフ至ライトどの接合複合体からなり、こ
   の複合体に外部磁場を加えて共振器とした複合型共振器
   。 ２ 前記フェライトは、飽和磁化の異なる多層のフェラ
   イトから形成される特許請求の範囲第１項記載の複合型
   共振器。 ３ 前記誘電体によって画成される部分と導体によって
   画成される部分との占有比に対応した共振特性を得る特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の複合型共振器。 ４ 前記誘電体及び導体によって画成される部分とフェ
   ライトによって画成される部分との占有比に対応した共
   振特性を得る特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   複合型共振器。 ５ 前記多層のフェライトに不均一外部磁場を加え、多
   層のフェライトを形成する各フェライトの非等号性分離
   因子分布状態を制御する特許請求の範囲第２項記載の複
   合型共振器。