JP2002064309A

JP2002064309A - 非可逆回路素子

Info

Publication number: JP2002064309A
Application number: JP2001173268A
Authority: JP
Inventors: Hideto Horiguchi; 秀人堀口; Yuta Sugiyama; 雄太杉山; Yasushi Kishimoto; 靖岸本
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP3388257B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型で方向性結合器の機能を備えた高性能な
非可逆回路素子を提供する。【解決手段】フェリ磁性体と、前記フェリ磁性体に直
流磁界を印加する永久磁石と、一端を共通端子とし他端
を入出力端子とする複数の中心導体を前記フェリ磁性体
に巻回し、又は、中心導体の少なくとも一部を埋設形成
した組立体と、前記入出力端子と接続する整合容量を積
層形成した誘電体基板を備えた非可逆回路素子であっ
て、前記誘電体基板には広がりを有する導体層で形成さ
れたグランド電極と、誘電体層を介して前記グランド電
極と対向配置された導体層で形成された整合容量用電極
と、該整合容量用電極と連続して形成された第１の結合
電極と、誘電体層を介して前記第１の結合電極と対向配
置された導体層で形成された第２の結合電極を具備する
ことを特徴とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯電話などのマ
イクロ波通信機器などに使用されるサーキュレータ、ア
イソレータなどの非可逆回路素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の無線通信装置、例えば携帯電話の
普及には、目を見張るものがあり、携帯電話の機能、サ
ービスの向上が益々図られている。このような携帯電話
のシステムとしては、例えば主に欧州で盛んなＥＧＳＭ
（ＥｘｔｅｎｄｅｄＧｌｏｂａｌＳｙｓｔｅｍｆ
ｏｒＭｏｂｉｌｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）
方式、ＤＣＳ１８００（ＤｉｇｉｔａｌＣｅｌｌｕｌ
ａｒＳｙｓｔｅｍ１８００）方式、米国で盛んなＰ
ＣＳ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
ｓＳｅｒｖｉｃｅ）方式、日本で採用されているＰＤ
Ｃ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｉｇｉｔａｌＣｅｌｌｕｌ
ａｒ）方式などの様々なシステムがあるが、例えばＰＤ
Ｃなどにおいては、基地局と移動局（携帯電話）とから
成ると共に、基地局から移動局へ送信出力を規制する送
信出力制御信号を送って移動局の送信出力電力の制御を
行うことが定められている。またアンテナのインピーダ
ンス変動等により送信出力電力の一部が反射し、この反
射電力により増幅器が損傷したり、あるいは隣接チャン
ネルの信号がアンテナから進入して相互変調が発生する
ことがないようにする必要がある。

【０００３】そのため、送信受信装置の送信回路部にお
いては、図７にブロック図として示すように変調回路部
（送信回路ＴＸ）から伝送されてきた高周波信号を増
幅器１で増幅し、方向性結合器２で前記高周波信号に比
例する出力を取り出し、自動利得制御回路７に供給して
前記増幅器１の出力電力を制御するとともに、方向性結
合器２の後段側に非可逆回路素子（アイソレータ）を配
置して、これにより方向性結合器２の後段側に配置され
るアンテナ６や、ローパスフィルタ４、アンテナ共用器
５の各部品の特性インイーダンスと線路インピーダンス
の不整合などにより生じる反射波が増幅器１に進入する
のを防いでいる。また、図８に示すようにアンテナに非
可逆回路素子（サーキュレータ）を接続してアンテナ共
用器として用いる場合もある。

【０００４】図９は従来の非可逆回路素子の分解斜視図
である。この非可逆回路素子は、中心導体として、薄い
銅板から成るア−ス電極から３方向に放射状に延びたス
トリップライン１４ａ，１４ｂ，１４ｃで円盤状フェラ
イト１３を包み、これらのストリップラインを互いに絶
縁を保ち中央１２０度で交差するようにして織り込んで
組立体１０とし、これを樹脂ケース１２の略中央部に形
成した凹部１５に配置し、前記凹部１５の周囲に形成さ
れた３つの矩形凹部に負荷容量なる誘電体基板を配置
し、前記中心導体のアース電極側は樹脂ケース１２のア
ース板に、入出力電極は前記誘電体基板上面の外部電極
にそれぞれ半田付けして接続されている。さらにフェラ
イトの中心導体の上には直流磁界を与えるための永久磁
石とヨークを兼ねた金属製ケースを配置し、さらに下側
の金属製ケースとの間で磁気回路を構成して非可逆回路
素子としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
構成を有する携帯電話の送信回路部において、方向性結
合器２や、非可逆回路素子３をそれぞれ個別の部品とし
て組み込む場合、次のような不具合があった。小型化を
望まれる携帯電話にあっては、方向性結合器２、非可逆
回路素子３の占有面積を少しでも小さくしたい、あるい
は、低価格化を志向するため機能あたりの価格を少しで
も下げたい、部品点数を削減したいといった要求がます
ます高まっている。このような要求に対し、方向性結合
器２、非可逆回路素子３をそれぞれ小型化することで占
有面積を低減することは可能であるが、自ずと限界があ
る。前記非可逆回路素子３を小型化しようとすれば、単
純には組立体１０や誘電体基板５０ａ，５０ｂ，５０ｃ
を小形に構成すればよいが、組立体１０の小型化は非可
逆回路素子として最適動作する磁性体寸法から逸脱する
ことになり、また誘電体基板を小形化するのに高誘電率
の誘電体材料を用いると誘電体材料の損失が相対的に増
加し、非可逆回路素子としての電気的特性が劣化してし
まう。また、方向性結合器２では、小型化に伴いアイソ
レーション特性が著しく劣化する問題があった。このア
イソレーション特性の劣化により、方向性結合器の重要
な特性の一つである方向性（directivity）が得られ
ず、その結果、送信信号の進行方向とは逆の反射波の一
部あるいは全部が結合取出し端子Ｐ５に流れ込み、所望
の結合度が得られないといった問題もあった。また方向
性結合器と非可逆回路素子とのインピーダンス整合を取
るように、新たに整合回路を付加しなければならない場
合もあった。なお、方向性（directivity）は次式で与
えられ、携帯電話などの無線通信機では少なくとも１０
ｄＢ以上の方向性が必要となる。方向性＝（出力端子から結合取出し端子間のアイソレー
ション）―（カップリング量）

【０００６】さらには、方向性結合器２には、主として
結合損失と導体損失とからなる一定の挿入損失があり、
非可逆回路素子３にも挿入損失がある。従って、それぞ
れを個別の部品として使用した場合、各々の損失量が加
算され、送信回路部全体の損失量が大きくなる。送信回
路部の損失は、消費電力の増加を招き、バッテリ容量に
制限のある携帯電話では、この損失を無視することがで
きないという問題があった。従って本発明の目的は、部
品点数の増加、実装面積の増加、コスト上昇の低減を行
うべく、非可逆回路素子と方向性結合器の機能を具備
し、優れた方向性を有する非可逆回路素子を提供するこ
とである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はフェリ磁性体
と、前記フェリ磁性体に直流磁界を印加する永久磁石
と、一端を共通端子とし他端を入出力端子とする複数の
中心導体を前記フェリ磁性体に巻回し、又は、中心導体
の少なくとも一部を埋設形成した組立体と、前記入出力
端子と接続する整合容量を積層形成した誘電体基板を備
えた非可逆回路素子であって、前記誘電体基板には広が
りを有する導体層で形成されたグランド電極と、誘電体
層を介して前記グランド電極と対向配置された導体層で
形成された整合容量用電極と、該整合容量用電極と連続
して形成された第１の結合電極と、誘電体層を介して前
記第１の結合電極と対向配置された導体層で形成された
第２の結合電極を具備する非可逆回路素子である。本発
明においては、前記入出力端子と共通端子との間に終端
抵抗を配置してアイソレータとすることも出来る。また
前記第１の結合電極を、送信回路からの高周波信号が入
力する整合容量用電極に連続して形成すれば、非可逆回
路素子に入力される前記高周波信号に比例して出力を取
り出すことが出来好ましい。また前記第２の結合電極
は、前記誘電体基板に形成されたスルーホールを介して
前記誘電体基板の外表面に形成された外部電極に延出さ
れる。前記第１及び第２の結合電極を、前記誘電体基板
の積層方向に前記グランド電極及び整合容量用電極と重
なり合わないように配置し、誘電体基板の比誘電率εr
で規定される距離Ｌ[μｍ]＝５・εr以上離して配置する
のが好ましい。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明者等は、無線通信装置の高
周波回路部について鋭意研究し、図１に示す非可逆回路
素子に想到した。図１は発明の一実施例に係る非可逆回
路素子の等価回路図であり、図２は本発明の一実施例に
係る非可逆回路素子の分解斜視図であり、図３は本発明
の非可逆回路素子の誘電体基板を構成する各層の回路構
成を示す展開図である。この非可逆回路素子は非可逆回
路と方向性結合器の機能を備えている。図１において、
端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とグランド間に接続されたＣ１は
整合容量でありサーキュレータの動作周波数を決定す
る。またアイソレータとするために、端子Ｐ３とグラン
ド間に終端抵抗Ｒｉを接続している。さらに、端子Ｉｎ
と端子Ｐ１間から分岐するように結合容量Ｃ２を配置し
て、容量結合により前記高周波信号に比例する高周波電
力を取り出して非可逆回路素子に形成した端子Ｃｏｕｐ
ｌｉｎｇから自動利得制御回路に供給される。

【０００９】前記整合容量Ｃ１と結合容量Ｃ２は樹脂ベ
ース１２上に配置される誘電体基板１１に導体層で積層
形成されている。前記誘電体基板１１は低温焼成が可能
なセラミック誘電体材料から成り、例えば比誘電率εｒ
が約８で、９００℃で焼成可能な誘電材料を用いる。厚
さが３０μｍ〜１００μｍのグリーンシートをドクター
ブレード法で作製し、各グリーンシート上にＡｇ、Ｃｕ
等の導体を主体とする導電ペーストを印刷して結合容量
や整合容量を構成する電極パターンを形成し、複数のグ
リーンシートを積層して一体化し、焼結することにより
製造することができる。

【００１０】また組立体１０は、例えば板状の接地用導
体から放射状に３つの中心導体１４ａ、１４ｂ、１４ｃ
が突出した構造の導体の上に、ガーネットなどの磁性体
の板１３を配置し、その側面に沿って前記中心導体を折
り曲げ、それぞれの中心導体１４ａ、１４ｂ、１４ｃは
絶縁フィルムなどを間に挟むようにして絶縁状態で１２
０度間隔で重ねられ構成される。組立体１０は誘電体基
板１１の略中央部に設けられた透孔１５に挿入される。
中心導体１４ａ,１４ｂ,１４ｃの一端は誘電体基板１１
の上面に形成された整合容量Ｃ１を構成する整合容量用
電極５０ａ,５０ｂ,５０ｃに接続され、各中心導体の他
端はガーネット１３の下面に位置するグランド電極を介
して樹脂ベース１２のグランド電極１８に接続される。
また樹脂ベース１２の側面には、実装基板と接続するた
めの複数の外部端子１７ａ〜１７ｆが形成されている。

【００１１】また組立体１０は、上記以外の方法により
作製することも出来る。例えばドクターブレード法等の
シート形成技術を用いてシート状磁性体を作製し、これ
に中心導体となる電極パターンを形成して積層一体化
し、焼結してもよい。また焼結した磁性体に薄膜技術を
用いて中心導体を形成しても良い。

【００１２】更に組立体１０に直流磁界を印加するため
の永久磁石９を配置し、それらの上下から磁性ヨークを
兼ねる金属ケース７、８で囲むようにして本発明に係る
非可逆回路素子が構成される。

【００１３】

【実施例】（実施例１）誘電体基板１１の内部構造の一
例を積層順に従って図３を用いて説明する。この誘電体
基板１１はＷ−ＣＤＭＡ（Ｗｉｄｅ‐ｂａｎｄＣＤＭ
Ａ送信周波数ＴＸ１．９２ＧＨｚ−１．９８Ｇｚ）
の非可逆回路素子に用いられるものである。なお、ここ
では説明の簡略化の為に無線通信装置のシステムとして
Ｗ−ＣＤＭＡを例にとるが、他のシステムであっても本
発明の効果に変わりない。

【００１４】まず、誘電体層（ａ）にはアイソレータの
整合容量用電極５０ａ，５０ｂ，５０ｃ及び抵抗接続用
の電極６０ａと、前記整合容量用電極５０ａと連続して
抵抗接続用の電極６０ｂが印刷形成されている。整合容
量電極５０ｂは、スルーホール（図中、黒丸で表したも
のがスルーホールである。）により、下部シートのスル
ーホールと接続し前記端子電極１６ａと接続する。誘電
体層（ｂ）には、広がりを有する導体層によりグランド
電極ＧＮＤが形成されている。またその一部は後述する
第１及び第２の結合電極と積層方向に重なり合わないよ
うに切り欠いて構成されている。誘電体層（ｃ）には、
整合容量用電極５１ａ，５１ｂ，５１ｃ、及びスルーホ
ールと、前記整合容量用電極５１ｂと連続して第１の結
合電極４０が同一平面上に形成されている。ここで、前
記第１の結合電極４０は整合容量用電極５１ｂと一体的
に印刷形成されている。前記整合容量用電極５１ｂの近
傍にスルーホールが形成されるため、これとの電気的接
続を避けるように、また後述する第２の結合電極との積
層ずれによる容量ばらつきを小さくするように、整合容
量用電極５１ｂと第１の結合電極４の間をライン状の導
体層としている。前記導体層のライン状部は等価回路に
おいては結合容量Ｃ２と接続するインダクタンス成分と
して見えるため、所望の結合量が得られないといった問
題が生じたり、導体損や近接する他の導体層との間の浮
遊容量により、高周波での損失が増大するので、極力短
く構成するのが好ましい。誘電体層（ｄ）には，広がり
を有する導体層によりグランド電極ＧＮＤが形成されて
いる。またその一部は切り欠いて構成され、グランド電
極ＧＮＤが形成されていない部分に第２の結合電極４１
が印刷形成されている。前記第２の結合電極４１は、誘
電体層（ｃ）を介して第１の結合電極４０と対向して、
結合度１４ｄＢが得られる結合容量Ｃ２を構成してい
る。そして前記第２の結合電極４１を第１の結合電極４
０よりも大きな面積で構成することにより、積層ずれが
あっても、得られる容量値のばらつきが小さくなるよう
に構成している。誘電体層（ｄ）の裏面には広がりを有
する導体層によりグランド電極ＧＮＤが形成されてい
る。このグランド電極により、樹脂ベース１２とのはん
だ接続において、十分な固着強度を得ることが出来る。
なお前記誘電体基板はＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＰｂＯを
含む比誘電率εｒ＝８の誘電体材料で構成し、電極はＡ
ｇを主成分とする導体を印刷して形成している。

【００１５】前記整合容量用電極５０ａ〜５０ｃ，整合
容量電極５１ａ〜５１ｃはグランド電極ＧＮＤと、端子
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に接続する整合容量Ｃ１を構成する。
このように構成して、外形寸法が４ｍｍ×３．５ｍｍ×
０．３ｍｍの誘電体基板１１を得た。そして、この誘電
体基板を用いて図１に示す等価回路を備え、図２に示す
構成で外形寸法が４ｍｍ×４ｍｍ×１．７ｍｍの超小型
の非可逆回路素子を作製した。このようにして得られた
非可逆回路素子のＷ−ＣＤＭＡ中心周波数（１．９５Ｇ
Ｈｚ）での電気的特性を表１に示す。表１には比較例と
して、従来の非可逆回路素子(５ｍｍ×５ｍｍ×１．７
ｍｍ)と図１０に示すライン結合型の方向性結合器(２０
１２サイズ)を回路基板上で組み合わせた時の挿入損失
を示す。また参考値として、出力端子から入力端子間の
アイソレーション（アイソレーション１）非可逆回路素子単体の
評価結果を、出力端子から結合取出し端子間のアイソレ
ーション(アイソレーション２)、カップリング、方向性は方向性
結合器単体の評価結果を括弧を付して記載している。

【００１６】

【表１】

【００１７】方向性結合器と非可逆回路素子をそれそれ
別々に構成し、回路基板上で組み合わせたときには、入
出力端Ｐ１においてインピーダンスの不整合を生じ挿入
損失特性が劣化してしまうが、本発明の如く、前記積層
体に結合容量Ｃ２と非可逆回路素子の整合容量Ｃ１とを
誘電体基板に一体化すれば、実質的に端子Ｐ１における
インピーダンスの不整合を極めて小さくでき、挿入損失
を低減することが出来た。また、整合容量Ｃ１を構成す
る整合容量用電極５１ｂに連続して結合電極４０を形成
して寄生インダクタンスや抵抗損の発生を押さえるとと
もに、導体層間の浮遊容量が生じない様に、前記第１及
び第２の結合電極を、前記誘電体基板の積層方向に前記
グランド電極及び整合容量用電極と重なり合わないよう
に配置し不要な干渉をしないように構成することでも挿
入損失を低減している。

【００１８】また、本発明において前記第１の結合電極
と前記第２の結合電極は、前記誘電体層を介して積層方
向に対向して配置される。この様に構成することで、同
一平面状に配置して結合容量を構成するよりも、平面的
な広がりを小さく構成できた。これにより、非可逆回路
素子と方向性結合器をそれぞれ別に回路基板上に配置す
る場合よりも実装面積を低減することが出来た。本発明
の如く構成することで、非可逆回路素子、方向性結合器
単独の電気的特性に劣ることのない、極めて小型で方向
性結合器の機能を備えた高性能な非可逆回路素子を得る
ことが出来た。

【００１９】（実施例２）導体層間の浮遊容量に着目
し、前記結合電極と整合容量用電極との干渉について検
証した。本実施例に用いた誘電体基板の分解平面図を図
４に示す。本実施例においては、図６に示すように誘電
体層（ｃ）に形成された第１の結合電極４０と整合容量
用電極５１ａとの間隔Ｌを変化させた誘電体基板を作製
した。他は実施例１と同様なのでその説明を省く。得ら
れた非可逆回路素子の電気的特性について評価した。そ
の結果を図５に示す。第１の結合電極４０と整合容量用
電極５１ａとの間隔Ｌが４０μｍを下回ると出力側から
入力したマイクロ波のカップリング端子への漏洩（表１
においてアイソレーション２として表される）が増加し、必要な
方向性（１０ｄＢ以上）が得られなくなることが判明し
た。このように方向性が低下するのは、結合電極４０と
整合容量用電極５１ａとの間に浮遊容量が発生し、出力
端子から入力したマイクロ波の一部が整合容量用電極か
ら、この寄生容量を介して結合電極に伝送し、カップリ
ング端子に漏洩するためである。浮遊容量は誘電体基板
を構成する誘電体材料の比誘電率に比例して大きくな
る。そこで比誘電率εｒの異なる誘電体材料を用いて誘
電体基板１１を作製し、非可逆回路素子を構成して同様
の評価を行ったところ、比誘電率εrで規定する距離Ｌ
[μｍ]＝５・εr以上離して前記結合電極と整合容量用電
極とを配置することにより、方向性が１０ｄＢ以上の良
好な方向性が得られることが分かった。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る非可逆回路
素子によれば、アンプの出力電力をモニタする方向性結
合器の機能を有し、かつ、超小型の非可逆回路素子を得
ることが出来、非可逆回路素子が用いられる携帯電話な
どのマイクロ波通信機器などにおいて部品点数の削減お
よび実装面積を小さくすることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による非可逆回路素子の等価
回路図である。

【図２】本発明の一実施例による非可逆回路素子の分解
斜視図である。

【図３】本発明の一実施例による非可逆回路素子の誘電
体基板を層毎に示した分解図である。

【図４】本発明の別の実施例による非可逆回路素子の誘
電体基板を層毎に示した分解図である。

【図５】本発明の別の実施例による非可逆回路素子の特
性を示すものである。

【図６】本発明の実施例における誘電体基板の部分拡大
図である。

【図７】携帯電話のＲＦ回路部の一例を示すブロック図
である。

【図８】携帯電話のＲＦ回路部の他の例を示すブロック
図である。

【図９】従来の非可逆回路素子を示す分解斜視図であ
る。

【図１０】従来の方向性結合器の（ａ）斜視図と（ｂ）
等価回路図である。

【符号の説明】

７上ケース８下ケース９永久磁石１０組立体１１誘電体基板１２樹脂ベース１３フェリ磁性体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ中心導体４０出力検出用の第１の結合電極４１出力検出用の第２の結合電極５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ整
合容量用電極６０ａ，６０ｂ抵抗用の電極パターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フェリ磁性体と、前記フェリ磁性体に直
流磁界を印加する永久磁石と、一端を共通端子とし他端
を入出力端子とする複数の中心導体を前記フェリ磁性体
に巻回し、又は、中心導体の少なくとも一部を埋設形成
した組立体と、前記入出力端子と接続する整合容量を積
層形成した誘電体基板を備えた非可逆回路素子であっ
て、前記誘電体基板には広がりを有する導体層で形成さ
れたグランド電極と、誘電体層を介して前記グランド電
極と対向配置された導体層で形成された整合容量用電極
と、該整合容量用電極と連続して形成された第１の結合
電極と、誘電体層を介して前記第１の結合電極と対向配
置された導体層で形成された第２の結合電極を具備する
ことを特徴とする非可逆回路素子。
【請求項２】前記入出力端子と共通端子との間に終端
抵抗を配置してアイソレータとすることを特徴とする請
求項１に記載の非可逆回路素子。
【請求項３】前記第１の結合電極は、送信回路からの
高周波信号が入力する整合容量用電極に連続して形成さ
れることを特徴とする請求項１又は２に記載の非可逆回
路素子。
【請求項４】前記第２の結合電極は、前記誘電体基板
に形成されたスルーホールを介して前記誘電体基板の外
表面に形成された外部電極に延出されることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項５】前記第１及び第２の結合電極を、前記誘
電体基板の積層方向に前記グランド電極及び整合容量用
電極と重なり合わないように配置することを特徴とする
請求項１乃至４のいずれかに記載の非可逆回路素子。
【請求項６】前記第１及び第２の結合電極を、前記ア
ース電極及び整合容量用電極と誘電体基板の比誘電率ε
rで規定される距離Ｌ[μｍ]＝５・εr以上離して配置す
ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれに記載の非
可逆回路素子。