JPWO2006093039A1 - 非可逆回路素子及び通信装置 - Google Patents

Abstract

フェライトに印加される直流磁界を最適な一定状態に保持でき、外部からの磁界の影響を排除できるとともに外部への不要な電磁波の輻射を防止することのできる非可逆回路素子及び通信装置を得る。永久磁石（４１）と、該磁石（４１）により直流磁界が印加されるフェライト（３２）と、該フェライト（３２）に配置された中心電極と、回路基板（２０）と、磁性体ヨーク（１０）と電磁シールド板（１５）とを備えた非可逆回路素子。フェライト（３２）及び磁石（４１）は回路基板（２０）上に縦置きに配置され、ヨーク（１０）はフェライト（３２）及び磁石（４１）の側面を囲む環状をなしている。電磁シールド板（１５）は誘電体基板（１６）上に非磁性体金属の導体膜からなるシールド導体（１７）を設けたものであり、シールド導体（１７）にはスリット状の開口領域（１７ａ）が形成されている。

Description

本発明は、非可逆回路素子、特に、マイクロ波帯で使用されるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子及び該素子を備えた通信装置に関する。

従来より、アイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子は、予め定められた特定方向にのみ信号を伝送し、逆方向には伝送しない特性を有している。この特性を利用して、例えば、アイソレータは、自動車電話、携帯電話などの移動体通信機器の送信回路部に使用されている。

特許文献１には、中心電極として銅線を引き回したフェライトを回路基板上に両側に二つの永久磁石を配置して垂直方向に縦置き配置し、フェライトと永久磁石に箱形の磁性体ヨークを被せた構造を備えた非可逆回路素子が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の非可逆回路素子では、フェライトと永久磁石とがそれらの４側面のみならず上面も磁性体ヨークで囲われているため、永久磁石からフェライトに印加される直流磁界がヨークの上面部分に分散してしまい、フェライトに対して均一な直流磁界を印加することができないという問題点を有していた。

さらに、特許文献１には、磁性体ヨークの上面部分の中央部に孔を設けることが開示されている。しかし、磁性体ヨークは直流磁界の磁気回路を構成するものであることから、該ヨークに孔などを設けると、磁界強度を一定に保つことができず、直流磁界そのものも弱くなる。また、孔はフェライトの平面投影全領域を含む大きさに形成されるため、高周波磁界の漏れが大きくなる。
特開２００２−１９８７０７号公報

そこで、本発明の目的は、永久磁石によってフェライトに印加される直流磁界を最適な一定状態に保持でき、外部からの磁界の影響を排除できるとともに外部への不要な電磁波の輻射（漏れ）を防止することのできる非可逆回路素子及び該素子を備えた通信装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る非可逆回路素子は、永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置された複数の中心電極と、回路基板と、磁性体ヨークとを備えた非可逆回路素子において、
前記フェライトの主面には複数の前記中心電極が互いに絶縁された状態で交差して形成されており、
前記フェライト及び前記永久磁石は、それぞれの主面が対向した状態でかつ前記回路基板上にそれぞれの主面が回路基板の表面と直交する方向に並置されており、
前記磁性体ヨークは前記回路基板の表面に垂直な面で前記フェライト及び永久磁石の周囲を囲む環状をなし、
前記フェライト及び永久磁石の直上には前記磁性体ヨークの開口部を覆う非磁性体金属の導体材料からなるシールド導体が配置されていること、
を特徴とする。

本発明に係る非可逆回路素子においては、フェライトに印加される直流磁界の磁気回路を形成する磁性体ヨークが、フェライト及び永久磁石の周囲を囲む環状をなしているため、永久磁石からフェライトに印加される直流磁界がフェライト及び永久磁石の上方部分に分散することはなく、フェライトに対して均一で安定した最適状態で直流磁界が印加される。

また、フェライト及び永久磁石の直上には磁性体ヨークの開口部を覆う非磁性体金属の導体材料からなるシールド導体が配置されているため、外部からの磁界の影響（非可逆回路素子の電気特性の変化）を排除できるとともに外部への不要な電磁波の輻射（漏れ）を防止することができる。そして、シールド導体は非磁性体金属の導体材料であり、シールド導体によって直流磁界が変化したり、弱まることはなく、フェライトへの直流磁界の安定した印加を妨げることはない。

特に、本発明に係る非可逆回路素子において、前記中心電極は、一端が第１入出力ポートに電気的に接続され、他端が第２入出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して一端が第２入出力ポートに電気的に接続され、他端が接地用第３ポートに電気的に接続された第２中心電極とから構成され、第１の整合容量が第１中心電極と並列に接続されるとともに第２の整合容量が第２中心電極と並列に接続され、かつ、終端抵抗が第１中心電極と並列に接続されており、前記フェライトは、略直方体形状をなし、第２中心電極が該フェライトの長辺と平行な軸を２回以上周回するように巻回されていること、が好ましい。これにて、小型の集中定数型アイソレータを得ることができる。

また、本発明に係る非可逆回路素子において、前記シールド導体は接地されていてもあるいは非接地であってもよい。非接地であれば、中心電極のインダクタンス値やＱが向上し、入力損失も若干向上し、動作帯域幅が若干広くなる。接地すれば、漏洩する電磁波が若干少なくなる。

また、前記シールド導体は誘電体基板上に非磁性体金属の導体膜にて形成されたものであることが好ましい。誘電体基板上にエッチング法などで高精度に導体膜を形成することができ、誘電体基板が高周波磁束の流通路となって挿入損失の劣化が防止される。また、シールド導体に開口領域を形成する場合であっても誘電体基板に開口領域は形成されず、誘電体基板で磁性体ヨークの内部に異物が侵入することを防止できる。加えて、金属板を接着剤などで、フェライトや永久磁石に貼り付ける場合と比較して、フェライトとシールド板導体の間の距離を相対的により一定にすることができる。即ち、距離の変化比率が小さくなる。接着剤や粘着材と違って、誘電体板は厚みがほとんど変化しないからである。結果として、中心電極部の電気定数を安定にすることができ、電気特性のばらつきを軽減することができる。

また、シールド導体は誘電体基板上に設けた銅箔からなることが好ましい。銅箔は無処理でもよいが、Ｎｉ及びＡｕにて防錆めっき処理を施すことが好ましい。Ｎｉは非磁性体ではないが、これを少量含むもの（めっきした銅箔）は非可逆回路素子の永久磁石による印加磁界で磁気飽和するため、実用上非磁性体として取り扱うことができる。

また、前記中心電極をフェライトの主面に導体膜によって形成すれば、中心電極を精度よく形成でき、コンパクトなかつ結合性のよい中心電極組立体を得ることができる。

また、前記シールド導体にはフェライトの少なくともいずれか一方の短辺部分に対向する位置に開口領域が形成されていることが好ましい。直方体形状のフェライトの短辺部分の直上には磁束が集中する傾向にあり、この部分に位置するシールド導体に渦電流が生じる。特に、フェライトに第２中心電極が少なくとも２回巻回されている場合にこの傾向が強くなる。これに対して、フェライトの短辺部分の直上部分に位置するシールド導体に開口領域を形成することにより、渦電流の発生を抑えることができ、挿入損失が減少する。

このような開口領域は、複数のスリット、十字形状、円形状など種々の形状を採用することができる。この場合、開口領域の面積和がフェライトの平面投影面積の５〜２０％であれば、電磁波の漏洩防止に支障はなく、磁気シールド効果が劣化することはない。なお、ここでの面積和とは、開口領域が２箇所に形成されている場合は１箇所の面積和である。

そして、シールド導体とフェライトの最上部との間隔がフェライトの高さ寸法の１０％以上であることによっても、挿入損失の劣化を最低限に抑えることができる。

また、本発明に係る通信装置は前記非可逆回路素子を備えたものであり、非可逆回路素子による好ましい電気特性が得られ、動作の安定した通信装置を得ることができる。

本発明によれば、シールド導体によって外部からの磁界の影響を排除でき、かつ、非可逆回路素子からの不要な電磁波の輻射を防止することができる。また、シールド導体は非磁性体金属の導体材料からなるため、永久磁石からフェライトに印加される直流磁界を変化させたり、弱めたりすることがなく、常に安定した直流磁界を一定に保持することができる。特に、直方体形状のフェライトの少なくともいずれか一方の短辺略中央部に対向するシールド導体部分に開口領域を形成すれば、この部分のシールド導体に生じる渦電流の発生を抑えることができ、挿入損失が減少する。

本発明に係る非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ）の一実施例を示す分解斜視図である。 電磁シールド板の変形例を示す斜視図である。 前記２ポート型アイソレータの中心電極組立体を示す斜視図である。 前記２ポート型アイソレータを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は中央断面図である。 シールド導体に形成した開口領域の種々の形状を示す平面図である。 シールド導体に形成した開口領域の種々の形状を示す平面図である。 前記２ポート型アイソレータの回路基板内の回路構成を示すブロック図である。 前記２ポート型アイソレータの第１回路例を示す等価回路図である。 前記２ポート型アイソレータの第２回路例を示す等価回路図である。 シールド導体の有無による挿入損失を示すグラフである。 シールド導体に形成した開口領域の形状による挿入損失及び動作中心周波数の変移を示すグラフである。 シールド導体とフェライトとの間隔による挿入損失を示すグラフである。 本発明に係る通信装置の一実施例を示すブロック図である。

以下、本発明に係る非可逆回路素子及び通信装置の実施例について添付図面を参照して説明する。

（非可逆回路素子、図１〜図１２参照）
以下に、本発明に係る非可逆回路素子の実施例について説明する。図１は本発明の一実施例である２ポート型アイソレータ１の分解斜視図である。この２ポート型アイソレータ１は、集中定数型アイソレータであり、概略、磁性体ヨーク１０と、電磁シールド板１５と、回路基板２０と、フェライト３２を含む中心電極組立体３１と、フェライト３２に直流磁界を印加するための永久磁石４１，４１とで形成されている。

中心電極組立体３１は、図３に示すように、マイクロ波フェライト３２の主面３２ａ，３２ｂに互いに電気的に絶縁された第１中心電極３５及び第２中心電極３６を形成したものである。ここで、フェライト３２は互いに平行な第１主面３２ａ及び第２主面３２ｂを有する直方体形状をなし、回路基板２０上に第１主面３２ａ及び第２主面３２ｂが略垂直方向に配置される。主面３２ａ，３２ｂは長方形状をなしている。この配置状態においてフェライト３２の上面３２ｃは（平面視で）短辺３２ｅと長辺３２ｆ、主面３２ａ，３２ｂは（正面視で）短辺３２ｇと長辺３２ｆによって構成されている。

また、永久磁石４１，４１はフェライト３２の主面３２ａ，３２ｂに対して磁界を該主面３２ａ，３２ｂに略垂直方向に印加するように主面３２ａ，３２ｂに接着剤層４２によって接着され、フェライト・磁石組立体３０を形成している。ここで、フェライト３２の主面とは、永久磁石４１によって直流磁界が印加される方向に垂直な面をいう。なお、中心電極組立体３１の構成や回路構成については後に詳述する。

磁性体ヨーク１０は、軟鉄などの強磁性体材料からなり、防錆めっきが施され、回路基板２０上で該基板２０の表面に垂直な面で中心電極組立体３１と永久磁石４１，４１の周囲を囲む環状の枠体形状とされている。

この磁性体ヨーク１０は、まず、突き合わせ部１０ａで分離して展開した状態に打ち抜かれて帯状体として形成され、凸部１１及び凹部１２を互いに強嵌合させて、いわゆるつぶし加工を行い環状体としたものである。凹凸部を嵌合させて接合することで、堅牢で、接合部に重なりがなく、コンパクトに構成でき、防錆めっきが良好に仕上がる。また、接合部に隙間がなくなることで、電気抵抗及び磁気抵抗が小さくなって電気／磁気シールド性が向上し、形状が安定するので電気特性にばらつきがない。

なお、磁性体ヨーク１０は、必ずしもこの構成に限定するものではなく、２分割された基材を環状に接合したものであってもよい。また、接合方法も前記つぶし加工以外に、溶接、特に抵抗溶接やレーザー溶接のようなスポット溶接であってもよい。防錆めっきとしては、ヨーク１０を個々に分離した状態でバレルめっきを施すことで良好な仕上がりが期待でき、Ｃｕ下地めっきの上にＡｇめっきを施すことが好ましく、低挿入損失の実現にも寄与する。

また、磁性体ヨーク１０は、以下に詳述するフェライト・磁石組立体３０をマザー基板から切り出す製造方法を採用するとフェライト・磁石組立体３０が直方体形状となることを考慮すると、平面視で長方形か正方形の環状形状であることが望ましい。フェライト・磁石組立体３０とヨーク１０の間隔において、広い箇所と狭い箇所の差を小さくでき、結果として、永久磁石４１からフェライト３２に印加される直流磁界の均一度を改善できるからである。ヨーク１０が正方形環状の左右対称形状であると、回路基板２０上にヨーク１０を組み込むときの方向性を考慮する必要がなくなり、製造工程を簡略化できる。

磁性体ヨーク１０は回路基板２０に設けた端子電極上に接合される。接合ははんだ、高温はんだ、Ａｇエポキシ系などの導電接着剤などが用いられる。ヨーク１０の底面１３を回路基板２０上に接着してもよく、この場合には接合強度が向上するうえ、本アイソレータ１を基板上にリフローはんだ付けで実装する際の熱で接合はんだが溶融しても耐熱接着剤は溶融しないので、ヨーク１０が磁石４１の磁力などで動くおそれがなく、信頼性が向上する。ここでの接着剤としては１液性のエポキシ系接着剤が、作業性、強度、耐熱性の点で優れている。

電磁シールド板１５はフェライト３２と永久磁石４１，４１の直上を覆うように配置されている。この電磁シールド板１５は、誘電体基板１６上に非磁性体金属の導電材料からなるシールド導体１７（図１で斜線を付した部分）を設けたものであり、シールド導体１７は磁性体ヨーク１０の開口部の略全面を覆っている。

誘電体基板１６としては例えばガラスエポキシ樹脂が用いられ、シールド導体１７としては例えば銅箔が用いられる。いわゆる銅張ガラスエポキシ基板を用いている。銅箔によるシールド導体１７はフォトリソによるエッチング法などで高精度に形成でき、後に説明する開口領域１７ａの形成も容易である。銅箔は無処理であってもよいが、防錆処理として、Ｎｉめっきの後に、Ａｕフラッシュめっきを施すことが好ましい。なお、Ｎｉは非磁性体ではない。しかし、Ｎｉめっき膜の飽和磁束密度は低く、非可逆回路素子などで使用されている磁界（０．０１Ｔ（１００Ｇａｕｓｓ）以上）下では飽和状態となる。そのため、Ｎｉめっき膜の実効の透磁率は極めて低くなるので、非磁性体のシールド導体１７上にＮｉめっき膜を形成しても非磁性体として機能する。具体的には、シールド導体１７上にＮｉなどの磁性金属を１０μｍ程度までめっきを施しても、挿入損失の劣化防止などの効果に何ら影響を及ぼすことはない。

この電磁シールド板１５は永久磁石４１，４１の上面４１ａに接着剤にて接着されるか、接着シートや粘着テープにて貼り付けられる。あるいは、磁性体ヨーク１０の上端面１４に接合されてもよい。シールド導体１７が誘電体基板１６の縁部を残して形成されているのは、シールド導体１７の非接地状態を確実なものとするためである。また、シールド導体１７が磁性体ヨーク１０に接触したりしなかったりすると、アイソレータ１の電気特性にばらつきを生じる。さらに、電磁シールド板１５の周囲にシールド導体１７の非形成部分を設けると、例えば、電磁シールド板１５をマザー基板から切り出す作業を容易に行うことができる。特に、ダイシングする際には切断速度を上げることができ、加工費が削減される。また、金属部分を切断しないので、ダイシング刃の目詰まり劣化を予防できる。

シールド導体１７を接地する場合には、図２に示すように、誘電体基板１６の端部に切欠き１６ａを形成し、シールド導体１７をこの切欠き１６ａまで延長し、この部分で磁性体ヨーク１０の上端面にはんだ付けする。磁性体ヨーク１０はグランドに落とされているため、シールド導体１７が接地状態となる。

本実施例においては、磁性体ヨーク１０がフェライト・磁石組立体３０の側面を囲む環状をなしているため、永久磁石４１からフェライト３２に印加される直流磁界がフェライト３２の上方部分に分散することはなく、フェライト３２に対して均一で安定した最適状態で直流磁界を印加することができる。また、フェライト・磁石組立体３０の直上には磁性体ヨーク１０の開口部の略全面を覆うシールド導体１７が配置されているため、外部からの磁界の影響を排除してアイソレータ１の電気特性の安定化を図ることができるとともに、外部への不要な電磁波の輻射を防止できる。さらに、シールド導体１７は非磁性体金属の導体材料からなるため、シールド導体１７によって直流磁界が変化したり、弱まることはなく、フェライト３２への直流磁界を安定して印加することができる。

ところで、シールド導体１７としては金属導体板であってもよい。Ａｇめっきした銅板や無垢の洋白板などの金属薄板を、所望形状にエッチング又はプレスで打ち抜いたものを使用することもできる。これらの金属薄板を用いる場合には、その底面にエポキシ系接着シート、アクリル系両面粘着テープなどを貼り付け、フェライト・磁石組立体３０の上面に貼り付ければよい。接着剤よりも接着シートや粘着テープを用いることが好ましい理由は、シールド導体（金属導体板）１７とフェライト３２や磁石４１との間の距離をより一定に保てるため、電気特性のばらつきを抑えることができる点にある。

一方、シールド導体１７には、フェライト３２の上面３２ｃを形成する短辺３２ｅに対向する位置に、細いスリットを複数略平行に配置した形状の複数のスリットからなる開口領域１７ａが形成されている（図４（Ａ），（Ｂ）参照）。直方体形状のフェライト３２の短辺３２ｅの直上には磁束が集中する傾向にあり（図４（Ｂ）参照）、この部分に位置するシールド導体１７に渦電流が生じる。特に、フェライト３２に第２中心電極３６を２回以上巻回した構成ではこの傾向が強い。しかし、この部分のシールド導体１７に開口領域１７ａを形成することにより、高周波渦電流の流路が切断され、以下に説明する図１１などから明らかなように挿入損失が減少する。なお、挿入損失などの実測値は後でまとめて説明する。

なお、従来技術では、磁性体ヨークに孔や開口を形成した例が見られるが、本実施例では磁性体ヨーク１０に孔や開口を形成することはない。ヨークは直流磁界の磁気回路を形成するものであり、これに孔や開口を形成すると、直流磁界の強度が低下するので磁石を大きくする必要が生じ、結果的にアイソレータ１が大型化する。本実施例ではこのような大型化の弊害を生じることはなく、磁気シールド効果を発揮しつつ、不要な渦電流の発生を防止し、結果的に低挿入損失化を実現できる。

また、本実施例では、シールド導体１７を保持する誘電体基板１６を有しているため、誘電体基板１６が高周波磁束の流通路となるため（図４（Ｂ）参照）、挿入損失の劣化が防止される。さらに、シールド導体１７に開口領域１７ａを形成したとしても、誘電体基板１６に開口領域は形成しないことで、誘電体基板１６が磁性体ヨーク１０の内部に異物の侵入を防ぐ蓋部材として機能することになる。

この種の開口領域１７ａの種々の形状を図５及び図６に例示する。図５（Ａ）は前記した複数のスリットをフェライト３２の短辺３２ｅと平行な方向に形成したものを示す。図５（Ｂ）は十字形状としたものを示す。図５（Ｃ）は複数のスリットをフェライト３２の長辺３２ｆと平行な方向に形成したものを示す。図５（Ｄ）は円形状としたもの、図５（Ｅ）は四角形状としたもの、図５（Ｆ）は三角形状としたものを示す。

図５（Ａ）〜（Ｆ）は、いずれも開口領域１７ａをシールド導体１７中に島状に形成したものを示したが、開口領域１７ａはシールド導体１７から外部に開放されていてもよい。このような例として、図６（Ａ）に四角形状としたもの、図６（Ｂ）に十字形状としたもの、図６（Ｃ）に円形状としたものを示す。また、図６（Ｄ）には、複数のスリットからなる開口領域１７ａを両側に形成するとともに、左側に円形状の開口領域１７ｂを形成したものを示す。開口領域１７ｂはアイソレータ１の入力側／出力側を識別する標識としても機能する。

以上に示した開口領域１７ａは渦電流が多く流れる付近に形成することで渦電流の流れを切断し、消費電力も少なくなる。なお、開口領域１７ａは、前記例示以外の形状であってもよいことは勿論である。例えば、フェライト３２の中央部分の直上でシールド導体１７の略全長にわたって細長く形成されていてもよい。細長く形成された開口領域の両端は閉じている、あるいは、外部に開放されているのいずれであってもよい。

図５（Ａ）、（Ｃ）に示した複数のスリットからなる開口領域１７ａは、各スリットの幅寸法を電磁波の波長よりも小さくすることで、電磁波の漏洩を効果的に防止することができる。図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示した開放型の開口領域１７ａは渦電流の流路をカットする効果が大きいが、電磁波の漏洩防止の点では多少不利である。一方、シールド導体１７と磁性体ヨーク１０との隙間を十分に小さくすることで電磁波の漏洩を最小限に抑えることができる。

また、磁性体ヨーク１０とフェライト３２又は永久磁石４１とが接触すると電気特性が劣化する。そこで、図４（Ｂ）に示されているように、磁性体ヨーク１０の内面とフェライト３２又は永久磁石４１の端面との間にはギャップｇが形成されていることが好ましい。

次に、フェライト・磁石組立体３０の構成について説明する。図３に示すように、第１中心電極３５はフェライト３２の第１主面３２ａにおいて右下から立ち上がって左上に長辺３２ｆに対して比較的小さな角度で傾斜して形成され、左上方に立ち上がり、上面３２ｃ上の中継用電極３５ａを介して第２主面３２ｂに回り込み、第２主面３２ｂにおいて第１主面３２ａと透視状態で重なるように形成され、下面３２ｄに形成された接続用電極３５ｂに接続されている。

第２中心電極３６は、まず、０．５ターン目３６ａが第１主面３２ａにおいて下辺略中央部から左上に長辺３２ｆに対して比較的大きな角度で傾斜して第１中心電極３５と交差した状態で形成され、上面３２ｃ上の中継用電極３６ｂを介して第２主面３２ｂに回り込み、この１ターン目３６ｃが第２主面３２ｂにおいて左方に比較的大きな角度で傾斜して第１中心電極３５と交差した状態で形成されている。１ターン目３６ｃの下端部は下面３２ｄの接続用電極３６ｄを介して第１主面３２ａに回り込み、この１．５ターン目３６ｅが第１主面３２ａにおいて０．５ターン目３６ａと平行に第１中心電極３５と交差した状態で形成され、上面３２ｃ上の中継用電極３６ｆを介して第２主面３２ｂに回り込んでいる。この２ターン目３６ｇも第２主面３２ｂにおいて１ターン目３６ｃと平行に第１中心電極３５と交差した状態で形成され、下面３２ｄの接続用電極３６ｈに接続されている。

即ち、第２中心電極３６はフェライト３２に螺旋状に２ターン巻回されていることになる。ここで、ターン数とは、中心電極３６が第１又は第２主面３２ａ，３２ｂをそれぞれ１回横断した状態を０．５ターンとして計算している。そして、中心電極３５，３６の交差角は必要に応じて設定され、入力インピーダンスや挿入損失が調整されることになる。

回路基板２０は、複数枚の誘電体シート上に所定の電極を形成して積層し、焼結したセラミック積層型基板であり、その内部には、図７に示すように、整合用コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃｓ１，Ｃｓ２，Ｃｐ１，Ｃｐ２、終端抵抗Ｒが内蔵されている。また、上面には端子電極２５ａ〜２５ｇが、下面には外部接続用端子電極２６，２７，２８がそれぞれ形成されている。

これらの整合用回路素子と前記第１及び第２中心電極３５，３６との接続関係を図７及び図８、図９の等価回路を参照して説明する。なお、図８の等価回路は本発明に係る非可逆回路素子（２ポート型アイソレータ１）における基本的な第１回路例を示し、図９の等価回路は第２回路例を示す。図７には第２回路例の構成が示されている。

即ち、回路基板２０の下面に形成された外部接続用端子電極２６が入力ポートＰ１として機能し、この電極２６は整合用コンデンサＣｓ１を介して整合用コンデンサＣ１と終端抵抗Ｒとの接続点２１ａに接続されている。また、この接続点２１ａは回路基板２０の上面に形成された端子電極２５ａを介して第１中心電極３５の一端に接続されている。

第１中心電極３５の他端はフェライト３２の下面３２ｄに形成された接続用電極３５ｃ及び回路基板２０の上面に形成された端子電極２５ｂを介して終端抵抗Ｒ及びコンデンサＣ１，Ｃ２に接続されている。

一方、回路基板２０の下面に形成された外部接続用端子電極２７が出力ポートＰ２として機能し、この電極２７は整合用コンデンサＣｓ２を介してコンデンサＣ２，Ｃ１の接続点２１ｂに接続されている。

第２中心電極３６の一端接続用電極３６ｉ（フェライト３２の下面３２ｄに形成されている）は回路基板２０の上面に形成された端子電極２５ｃを介して前記接続点２１ｂに接続されている。第２中心電極３６の他端接続用電極３６ｈは回路基板２０の上面に形成された端子電極２５ｄを介して回路基板２０の下面に形成された外部接続用端子電極２８と接続されている。この外部接続用端子電極２８は接地ポートＰ３として機能するものである。また、この外部接続用端子電極２８は、回路基板２０の上面に形成された端子電極２５ｅ，２５ｆを介して前記ヨーク１０にも接続されている。

また、入力ポートＰ１とコンデンサＣｓ１の接続点には接地されたインピーダンス調整用のコンデンサＣｐ１が接続されている。同様に、出力ポートＰ２とコンデンサＣｓ２との接続点にも接地されたインピーダンス調整用のコンデンサＣｐ２が接続されている。

回路基板２０とヨーク１０とは端子電極２５ｅ，２５ｆを介してはんだ付けされて一体化され、フェライト・磁石組立体３０はフェライト３２の下面３２ｄの各種接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｄ，３６ｈ，３６ｉが回路基板２０上の端子電極２５ａ〜２５ｄ，２５ｇとはんだ付けされて一体化されるとともに、永久磁石４１，４１の下面４１ｂ，４１ｂが回路基板２０上に接着剤にて一体化される。接続用電極３６ｄが接続される端子電極２５ｇはダミー電極である。

なお、フェライト・磁石組立体３０と回路基板２０との接合部に生じるギャップには、絶縁性・耐湿性を有する樹脂材で満たしておくことが好ましい。水分や異物が該ギャップに侵入して絶縁不良を生じるなどの不具合を排除でき、信頼性が向上する。

以上の構成からなる２ポート型アイソレータ１においては、前述したように、磁性体ヨーク１０がフェライト・磁石組立体３０の周囲を囲む環状をなしているため、フェライト３２に対して均一で安定した最適状態で直流磁界を印加することができ、シールド導体１７によって外部からの磁界の影響を排除して電気特性の安定化を図ることができるとともに、外部への不要な電磁波の輻射を防止できる。さらに、シールド導体１７は非磁性体金属の導体材料であるため、直流磁界が変化したり、弱まることはなく、フェライト３２への直流磁界を安定して印加することができる。

また、同形状の一対の永久磁石４１，４１を対面させて第１及び第２中心電極３５，３６を形成したフェライト３２を挟み込んでいるため、永久磁石４１は平行度の良好な直流磁束を発生して均一な磁界がフェライト３２に印加され、アイソレータ１の挿入損失などの電気特性が向上する。

また、フェライト３２は回路基板２０上に主面３２ａ，３２ｂが略垂直方向に配置され、かつ、永久磁石４１，４１はフェライト３２の主面３２ａ，３２ｂに対して磁界を略垂直方向に印加するように回路基板２０上に配置されているため、換言すれば、フェライト３２と永久磁石４１，４１は回路基板２０上に垂直方向に縦置き配置されているため、大きな磁界を得るために永久磁石４１，４１を厚くしても該厚みに拘わらず背が高くなることはなく、小型化、低背化が達成される。

さらに、第２回路例（図９参照）に示したように、第１中心電極３５とコンデンサＣ１との接続点２１ａと入力ポートＰ１との間、及び、中心電極３５，３６の接続点２１ｂと出力ポートＰ２との間にいま一つの整合用コンデンサＣｓ１，Ｃｓ２を挿入したため、中心電極３５，３６のインダクタンスを大きく設定して広帯域での電気特性を向上させた際でもアイソレータ１に接続される機器とのインピーダンス（５０Ω）を合わせることが可能である。なお、この効果は整合用コンデンサＣｓ１又はＣｓ２のいずれか一方を挿入するだけでも達成することができる。

一方、中心電極３５，３６はフェライト３２の主面３２ａ，３２ｂに導体膜にて形成しているため、形状的に高精度に安定して形成され、均一な電気特性を有するアイソレータ１を量産することができる。中継用電極３５ａ，３６ｂ，３６ｆや接続用電極３５ｂ，３５ｃ，３６ｄ，３６ｈ，３６ｉも導体膜によって形成されている。また、フェライト３２の主面３２ａ，３２ｂには永久磁石４１，４１（図１参照）が接着剤層４２を介して接着される。この接着剤層４２に代えて両面粘着シートを用いてもよい。

ここで、アイソレータ１において、シールド導体１７による挿入損失の低減などの効果を実測値に基づいて説明する。

図１０にシールド導体１７の存否による挿入損失について示す。図１０中、曲線Ｃ１はシールド導体１７を設けない場合の挿入損失特性を示し、曲線Ｃ２は開口領域１７ａを形成したシールド導体１７を設けた場合の挿入損失特性を示し、曲線Ｃ３は開口領域１７ａを形成しないシールド導体１７を設けた場合の挿入損失特性を示している。開口領域１７ａは図５（Ａ）に示した複数のスリットからなるものである。

表１に、８３０ＭＨｚ帯アイソレータにおけるシールド導体１７に形成した開口領域１７ａの種々の形状に基づく挿入損失及び動作中心周波数の変移を示す。本明細書において、動作中心周波数の変移とは、アース板をアイソレータの頂部から０．０３ｍｍ程度に近接させた前後での動作中心周波数の変移（ずれ）を意味する。開口領域１７ａの形状は「図」の欄に記載されており、最上欄には比較のためにシールド導体なしの場合、最下欄には開口領域を形成しないシールド導体を設けた場合の特性を示す。

表１から明らかなように、シールド導体１７に開口領域１７ａを形成することで、挿入損失への悪影響は０．０１〜０．０２ｄＢ以下の無視し得るレベルであり、多くの形状において動作中心周波数の変移も３ＭＨｚ以下であり、シールド導体としての機能は損なわれていない。

表２と図１１に、開口領域１７ａのサイズによる挿入損失及び動作中心周波数の変移を示す。ここで、面積比とは左右２箇所の開口領域１７ａのうちいずれか１箇所の面積和とフェライト３２の平面上での投影面積との比率であり、開口領域１７ａとしては図５（Ａ）に示した複数のスリットからなるものを対象としている。

表２及び図１１から明らかなように、面積比が５％以上であれば挿入損失劣化はほとんど生じない。但し、面積比が２０％以上になると動作中心周波数の変移が急速に大きくなり、電磁シールド機能が損なわれることになる。従って、開口領域１７ａの面積和に関しては、フェライト３２の平面投影面積の５〜２０％であることが好ましい。

表３と図１２に、シールド導体１７とフェライト３２の最上部との間隔による挿入損失を示す。ここで、比率とは該間隔とフェライト３２の高さ寸法との比率を示しており、開口領域１７ａとしては図５（Ａ）に示した複数のスリットからなるものを対象としている。また、図１２（Ａ）はフェライト３２の高さが０．８ｍｍの場合、図１２（Ｂ）はフェライト３２の高さが１．２ｍｍの場合のそれぞれの挿入損失を示している。

表３と図１２から明らかなように、間隔が大きいほど挿入損失の劣化を低減できる。しかし、比率が１０％を超えると効果に大きな変化はなく、挿入損失の劣化はほとんどない。従って、シールド導体１７とフェライト３２の最上部との間隔がフェライト３２の高さ寸法の１０％以上であることが好ましい。

前記実施例でシールド導体１７を誘電体基板１６の上面に設けているのは、この間隔をとることが大きな目的である。仮に、下面に設けると、フェライト３２の上面との間隔を十分にとることができず、挿入損失の劣化が大きくなる。

（通信装置、図１３参照）
次に、本発明に係る通信装置として、携帯電話を例にして説明する。図１３は携帯電話２２０のＲＦ部分の電気回路ブロック図であり、２２２はアンテナ素子、２２３はデュプレクサ、２３１は送信側アイソレータ、２３２は送信側増幅器、２３３は送信側段間用帯域通過フィルタ、２３４は送信側ミキサ、２３５は受信側増幅器、２３６は受信側段間用帯域通過フィルタ、２３７は受信側ミキサ、２３８は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、２３９はローカル用帯域通過フィルタである。

ここに、送信側アイソレータ２３１として、前記２ポート型アイソレータ１を使用することができる。アイソレータ１を実装することにより、好ましい電気特性が得られ、動作の安定した携帯電話を得ることができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係る非可逆回路素子及び通信装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、永久磁石４１，４１のＮ極とＳ極を反転させれば、入力ポートＰ１と出力ポートＰ２が入れ替わる。また、前記実施例では、整合用回路素子の全てを回路基板に内蔵したものを示したが、チップタイプのインダクタやコンデンサを回路基板に外付けしてもよい。また、中心電極の形状も任意であり、少なくとも一方の中心電極が２本に分岐していてもよい。

産業状の利用可能性

以上のように、本発明は、マイクロ波帯で使用されるアイソレータやサーキュレータなどの非可逆回路素子に有用であり、特に、永久磁石によってフェライトに印加される直流磁界を最適な一定状態に保持でき、外部からの磁界の影響を排除できるとともに外部への不要な電磁波の輻射を防止できる点で優れている。

Claims (14)

1. 永久磁石と、該永久磁石により直流磁界が印加されるフェライトと、該フェライトに配置された複数の中心電極と、回路基板と、磁性体ヨークとを備えた非可逆回路素子において、
   前記フェライトの主面には複数の前記中心電極が互いに絶縁された状態で交差して形成されており、
   前記フェライト及び前記永久磁石は、それぞれの主面が対向した状態でかつ前記回路基板上にそれぞれの主面が回路基板の表面と直交する方向に並置されており、
   前記磁性体ヨークは前記回路基板の表面に垂直な面で前記フェライト及び永久磁石の周囲を囲む環状をなし、
   前記フェライト及び永久磁石の直上には前記磁性体ヨークの開口部を覆う非磁性体金属の導体材料からなるシールド導体が配置されていること、
   を特徴とする非可逆回路素子。
2. 前記中心電極は、一端が第１入出力ポートに電気的に接続され、他端が第２入出力ポートに電気的に接続された第１中心電極と、該第１中心電極と電気的絶縁状態で交差して一端が第２入出力ポートに電気的に接続され、他端が接地用第３ポートに電気的に接続された第２中心電極とから構成され、
   第１の整合容量が第１中心電極と並列に接続されるとともに第２の整合容量が第２中心電極と並列に接続され、かつ、終端抵抗が第１中心電極と並列に接続されており、
   前記フェライトは、略直方体形状をなし、第２中心電極が該フェライトの長辺と平行な軸を２回以上周回するように巻回されていること、
   を特徴とする請求の範囲第１項に記載の非可逆回路素子。
3. 前記シールド導体は非接地であることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の非可逆回路素子。
4. 前記シールド導体は誘電体基板上に非磁性体金属の導体膜にて形成されたものであることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の非可逆回路素子。
5. 前記シールド導体は前記誘電体基板上に設けた銅箔からなることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の非可逆回路素子。
6. 前記銅箔上にはＮｉ及びＡｕがめっきされていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の非可逆回路素子。
7. 前記中心電極は前記フェライトの主面に導体膜によって形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の非可逆回路素子。
8. 前記シールド導体には前記フェライトの少なくともいずれか一方の短辺部分に対向する位置に開口領域が形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第７項のいずれかに記載の非可逆回路素子。
9. 前記開口領域は複数のスリットからなることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の非可逆回路素子。
10. 前記開口領域は十字形状をなしていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の非可逆回路素子。
11. 前記開口領域は円形状をなしていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の非可逆回路素子。
12. 前記開口領域の面積和が前記フェライトの平面投影面積の５〜２０％であることを特徴とする請求の範囲第８項ないし第１１項のいずれかに記載の非可逆回路素子。
13. 前記シールド導体と前記フェライトの最上部との間隔がフェライトの高さ寸法の１０％以上であることを特徴とする請求の範囲第８項ないし第１１項のいずれかに記載の非可逆回路素子。
14. 請求の範囲第１項ないし第１３項に記載の非可逆回路素子を備えたことを特徴とする通信装置。

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