JP6485430B2 - 非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置に関し、特に、分布定数型の非可逆回路素子及びこれを用いた通信装置に関する。

アイソレータやサーキュレータ等の非可逆回路素子は、例えば、携帯電話のような移動体通信機器や、基地局で使用される通信装置などに組み込まれて使用される。非可逆回路素子には分布定数型や集中定数型などのタイプがあり、中でも分布定数型の非可逆回路素子は、基地局など高出力が求められる用途に適している。

分布定数型の非可逆回路素子の構造は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された非可逆回路素子は、互いに１２０°の角度で放射状に伸びる３つのポートを有する中心導体と、中心導体に磁界を与える永久磁石をケースに収容した構成を有している。

しかしながら、中心導体や永久磁石をケースに収容するタイプの非可逆回路素子は、小型化や製造コストの低減が困難であるという問題があった。特に、２０ＧＨｚを超えるような高周波帯域における使用を想定した場合、数百ＭＨｚ帯の非可逆回路素子に比べてサイズを非常に小型化する必要があるため、中心導体や永久磁石をケースに収容するタイプの非可逆回路素子では作製が困難である。

このため、より小型な非可逆回路素子を低コストで作製するためには、中心導体や永久磁石をケースに収容するのではなく、集合基板を用いて作製する積層型の非可逆回路素子が有利である。

図１４は、積層型の非可逆回路素子の一例を示す略斜視図である。

図１４に示す非可逆回路素子１００は、２つの永久磁石１１１，１１２に挟まれた磁気回転子１２０を備えており、その外形は略直方体形状である。磁気回転子１２０は、２つのフェライトコア１２１，１２２とこれらに挟まれた中心導体１２３を備え、中心導体１２３から導出された３つのポート１３１〜１３３は、それぞれ外部端子１４１〜１４３に接続されている。図１４に示す非可逆回路素子１００はＸＹ面が実装面であり、ＸＹ面と直交するＺ方向に永久磁石１１１、磁気回転子１２０及び永久磁石１１２が順次積層された構成を有している。

このような構成を有する非可逆回路素子１００は、集合基板の状態で積層を行った後、ダイシングによって個片化することによって多数個取りすることができるため、製造コストを低減することが可能となるとともに、全体のサイズを小型化することも可能となる。

特開２０１２−２９１２３号公報

しかしながら、図１４に示す非可逆回路素子１００においては、外部端子１４１〜１４３が永久磁石１１１をＺ方向に横切ることから、外部端子１４１〜１４３が永久磁石１１１からの磁気特性の影響を強く受ける。これにより、外部端子１４１〜１４３が持つインダクタンス成分に悪影響が生じるため、電気的特性、特に挿入損失が悪化するという問題があった。このような問題は、対象とする周波数帯が低ければ深刻とはならないが、対象とする周波数帯が例えば２０ＧＨｚ以上になると、電気的特性が大幅に悪化してしまう。

したがって、本発明は、小型且つ低コストで作製可能な非可逆回路素子の電気的特性を改善することを目的とする。また、本発明は、このような非可逆回路素子を備える通信装置を提供することを目的とする。

本発明による非可逆回路素子は、積層方向と平行な実装面と、前記実装面に対して垂直であり、且つ、前記積層方向と平行な第１及び第２の側面を有する非可逆回路素子であって、第１の永久磁石と、前記第１の永久磁石に対して前記積層方向に積層され、中心導体と前記中心導体から導出された少なくとも第１及び第２のポートを有する磁気回転子と、前記第１の側面に設けられ、前記第１のポートに接続された第１の外部端子と、前記第２の側面に設けられ、前記第２のポートに接続された第２の外部端子とを備えることを特徴とする。

また、本発明による通信装置は、上記の非可逆回路素子を備えることを特徴とする。

本発明によれば、実装面が積層方向と平行であることから、永久磁石を横切ることなく外部端子を配置することができる。これにより、外部端子と永久磁石との重なりに起因する電気的特性の悪化を防止することが可能となる。

本発明による非可逆回路素子は磁性体基板をさらに備え、前記磁気回転子は、前記第１の永久磁石と前記磁性体基板によって前記積層方向に挟まれていることが好ましい。この場合、前記磁性体基板が第２の永久磁石であることがより好ましい。これによれば、中心導体に強い磁界を垂直に印加することが可能となる。

本発明において、前記磁気回転子は、前記中心導体を前記積層方向に挟む第１及び第２のフェライトコアを含むことが好ましい。これによれば、より良好な電気的特性を得ることが可能となる。

本発明による非可逆回路素子は前記実装面に設けられた第３の外部端子をさらに備え、前記中心導体は、前記第３の外部端子に接続された第３のポートをさらに有することが好ましい。これによれば、３ポート構成のアイソレータ又はサーキュレータとして使用することが可能となる。この場合、前記第１及び第２の外部端子の一部は、前記実装面に設けられていることが好ましい。これによれば、実装強度及び接続信頼性を高めることが可能となる。

本発明において、前記中心導体の中心点を基準とした前記第１のポートの延在方向と、前記中心導体の中心点を基準とした前記第３のポートの延在方向が成す角度は鋭角であり、前記中心導体の中心点を基準とした前記第２のポートの延在方向と、前記中心導体の中心点を基準とした前記第３のポートの延在方向が成す角度は鋭角であることが好ましい。これによれば、外部端子の長さを短縮できることから、良好な高周波特性を得ることが可能となる。

本発明による非可逆回路素子は、前記第１の永久磁石と前記磁気回転子によって前記積層方向に挟まれた導体プレートと、前記導体プレートに接続された第４の外部端子とをさらに備えることが好ましい。これによれば、導体プレートにグランドなどの基準電位を与えることが可能となる。

本発明による非可逆回路素子は、前記実装面の反対側に位置する上面を覆い、前記導体プレートと前記第４の外部端子を接続する接続導体をさらに備えることが好ましい。この場合、前記導体プレートは、前記実装面、前記第１の側面及び前記第２の側面のいずれからも露出することなく、前記上面に露出することによって前記接続導体に接続されることが好ましい。これによれば、導体プレートと外部端子との間のショート不良を防止することが可能となる。

本発明によれば、小型且つ低コストで作製可能であるとともに、高周波特性に優れた非可逆回路素子を提供することが可能となる。また、本発明によれば、このような非可逆回路素子を備える通信装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の好ましい実施形態による非可逆回路素子１０を上面側から見た略斜視図である。 図２は、非可逆回路素子１０を実装面側から見た略斜視図である。 図３は、非可逆回路素子１０に含まれる外部端子及び接続導体を削除した状態を上面側から見た略斜視図である。 図４は、非可逆回路素子１０に含まれる外部端子及び接続導体を削除した状態を実装面側から見た略斜視図である。 図５は、非可逆回路素子１０の主要部を説明するための略分解斜視図である。 図６は、中心導体５０の形状を説明するためのＹＺ断面図である。 図７は、中心導体５０に設けられたポート５１〜５３の位置を説明するための模式図である。 図８は、第１の変形例による中心導体５０の形状を説明するための図である。 図９は、第２の変形例による中心導体５０の形状を説明するための図である。 図１０は、非可逆回路素子１０の製造方法を説明するための工程図である。 図１１は、非可逆回路素子１０の製造方法を説明するための工程図である。 図１２は、導体パターン４０Ｂと導体プレート５０Ａの位置関係を説明するための平面図である。 図１３は、本実施形態による非可逆回路素子を用いた通信装置８０の構成を示すブロック図である。 図１４は、積層型の非可逆回路素子の一例を示す略斜視図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の好ましい実施形態による非可逆回路素子１０の構成を示す略斜視図であり、図１は上面側から見た略斜視図、図２は実装面側から見た略斜視図である。また、図３及び図４は、非可逆回路素子１０に含まれる外部端子及び接続導体を削除した状態を示す略斜視図であり、図３は上面側から見た略斜視図、図４は実装面側から見た略斜視図である。さらに、図５は、非可逆回路素子１０の主要部を説明するための略分解斜視図である。

図１〜図５に示す非可逆回路素子１０は分布定数型の非可逆回路素子であり、携帯電話のような移動体通信機器や、基地局で使用される通信装置などに組み込まれて、アイソレータ又はサーキュレータとして使用される。特に限定されるものではないが、本実施形態による非可逆回路素子１０は、基地局で使用される通信装置に使用することが好適である。

図１〜５に示すように、本実施形態による非可逆回路素子１０は略直方体形状を有する表面実装型の電子部品であり、ＸＹ面を構成する実装面１１及び上面１２と、ＸＺ面を構成する第１及び第２の側面１３、１４と、ＹＺ面を構成する第３及び第４の側面１５、１６とを有している。特に限定されるものではないが、対象とする周波数帯域が約２５ＧＨｚである場合、Ｘ方向における長さは２ｍｍ程度、Ｙ方向における幅は１．２５ｍｍ程度、Ｚ方向における高さは１．２５ｍｍ程度である。

非可逆回路素子１０は４つの外部端子２１〜２４と接続導体２５を備えている。図２に示すように、第１の外部端子２１は側面１３及び実装面１１に形成され、第２の外部端子２２は側面１４及び実装面１１に形成され、第３の外部端子２３は実装面１１に形成されている。尚、図３及び図４においては、外部端子２１〜２３の形成位置を破線で示している。これら３つの外部端子２１〜２３は、本実施形態による非可逆回路素子１０をサーキュレータとして使用する場合にはそれぞれ対応する信号配線に接続される。一方、本実施形態による非可逆回路素子１０をアイソレータとして使用する場合には、例えば、外部端子２１及び２２がそれぞれ対応する信号配線に接続され、外部端子２３が終端抵抗を介して接地される。同様にして外部端子２１もしくは、２２の一端を介して終点抵抗に接地しても、アイソレータとして使用することができる。第４の外部端子２４は、側面１５及び１６の全体に形成されるとともに、実装面１１の一部に形成される。第４の外部端子２４には、グランドなどの基準電位が与えられる。接続導体２５は、上面１２の全面に形成されており、第４の外部端子２４に与えられる基準電位を後述する導体プレートに供給する役割を果たす。

さらに、非可逆回路素子１０は永久磁石３１及び３２を備え、これらの間に磁気回転子４０が積層方向であるＸ方向に挟み込まれた構成を有している。本発明において、永久磁石３１及び３２の一方については省略、或いは、保磁力の小さい磁性体基板としての鉄板等に置き換えても構わないが、磁気回転子４０に対して強い磁界を垂直に印加するためには、磁気回転子４０を２つの永久磁石３１及び３２によって挟み込むことが好ましい。本実施形態においては、外部端子２１〜２３がいずれも磁気回転子４０の表面に形成されており、外部端子２１〜２３が永久磁石３１又は３２を覆う部分を有していない。このようなレイアウトが可能であるのは、実装面１１が積層方向であるＸ方向に対して平行だからである。

磁気回転子４０は、２つのフェライトコア４１及び４２と、これらによってＸ方向に挟まれた中心導体５０を含む。フェライトコア４１及び４２の材料としては、イットリウム／鉄／ガーネット（ＹＩＧ）等の軟磁性材料を用いることが好ましい。中心導体５０は略円盤形状であり、中心点から放射状に導出された３つのポート５１〜５３を有している。中心導体５０とフェライトコア４１，４２は、接着層７１を介して互いに接着されている。

ここで、中心導体５０から導出された第１のポート５１の先端は第１の側面１３に露出し、これにより第１の外部端子２１に接続されている。また、中心導体５０から導出された第２のポート５２の先端は第２の側面１４に露出し、これにより第２の外部端子２２に接続されている。さらに、中心導体５０から導出された第３のポート５３の先端は実装面１１に露出し、これにより第３の外部端子２３に接続されている。

本実施形態による非可逆回路素子１０は、永久磁石３１と磁気回転子４０によってＸ方向に挟まれた導体プレート６１と、永久磁石３２と磁気回転子４０によってＸ方向に挟まれた導体プレート６２をさらに備えている。このため、中心導体５０は２つの導体プレート６１及び６２によって挟まれ、永久磁石３１及び３２から隔離される。導体プレート６１及び６２は、Ｙ方向における幅が非可逆回路素子１０のＹ方向における幅よりも狭く、且つ、Ｚ方向における高さが非可逆回路素子１０のＺ方向における高さよりも低い。そして、導体プレート６１及び６２は、側面１３、１４及び実装面１１のいずれからも露出することなく、上面１２に露出している。上述の通り、上面１２の全面は接続導体２５によって覆われているため、導体プレート６１及び６２は、接続導体２５を介して第４の外部端子２４に接続されることになる。尚、永久磁石３１及び３２と磁気回転子４０は、接着層７２を介して互いに接着されている。

図６は、中心導体５０の形状を説明するためのＹＺ断面図である。

図６に示すように、中心導体５０のＹＺ断面はほぼ円形である。そして、中心導体５０から導出される第１のポート５１は、図６の左下方向に延在し、第１の外部端子２１に接続される。また、中心導体５０から導出される第２のポート５２は、図６の右下方向に延在し、第２の外部端子２２に接続される。さらに、中心導体５０から導出される第３のポート５３は、図６の真下方向（マイナスＺ方向）に延在し、第３の外部端子２３に接続される。但し、中心導体５０のＹＺ断面が円形であることは必須でなく、特性調整のための凹部、凸部、孔部、分岐枝、スリットなどを有していても構わない。

図６には導体プレート６１及び６２の位置も図示されており、実装面１１及び側面１３，１４には導体プレート６１及び６２の端部が露出していないことが分かる。一方、導体プレート６１及び６２の端部は上面１２に露出しており、これにより接続導体２５に接続される。

図７は、中心導体５０に設けられたポート５１〜５３の位置を説明するための模式図である。

図７に示すように、本実施形態においては、中心導体５０の中心点Ｃを基準としたポート５１〜５３の延在方向をそれぞれ直線Ｌ１〜Ｌ３で示した場合、直線Ｌ１とＬ２が成す角度θ１は約１２０°であり、直線Ｌ１及びＬ２と直線Ｌ３が成す角度θ２はいずれも約６０°である。つまり、角度θ２がいずれも鋭角であり、一般的な非可逆回路素子におけるポートの導出角度（互いに１２０°）と大きく異なっている。

このような構成であっても非可逆回路素子として機能するのは、第３のポート５３が仮想ポート５４と実質的に同じ特性を有するからである。仮想ポート５４は、中心点Ｃから真上方向（プラスＺ方向）に延在し、仮想ポート５４に対応する直線Ｌ４と直線Ｌ１及びＬ２が成す角度θ３はいずれも約１２０°である。つまり、第１及び第２のポート５１，５２と仮想ポート５４を有する中心導体５０は、一般的な３端子型の非可逆回路素子に用いられる中心導体と同じ構成を有しており、広く知られているようにアイソレータ又はサーキュレータとして機能する。

この仮想ポート５４に現れる定在波は、仮想ポート５４の１８０°反対側に位置する第３のポート５３にも同様に現れるため、仮想ポート５４の代わりに第３のポート５３を用いることによって、一般的な３端子型の非可逆回路素子に用いられる中心導体と同じ機能を実現することができる。尚、直線Ｌ１と直線Ｌ２が成す角度θ１が完全に１２０°である必要はなく、第１のポート５１と第２のポート５２との間の挿入損失を低減すべく、１２０°超に設計しても構わない。

但し、本発明において中心導体５０から導出されるポート５１〜５３のレイアウトが上記のレイアウトに限定されるものではない。したがって、図８に示す第１の変形例のように、第３のポート５３を仮想ポート５４と同じ位置に配置しても構わない。或いは、図９に示す第２の変形例のように、第１の変形例のレイアウトを１８０°回転させても構わない。しかしながら、この場合は、第１及び第２の外部端子２１，２２のＺ方向における長さが長くなるため、使用する周波数帯域が高い場合、特に２０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用する場合には、第１及び第２の外部端子２１，２２のインダクタンス成分によって電気的特性が悪化してしまう。

これに対し、図６に示した本実施形態によるレイアウトによれば、第３のポート５３とプリント基板上のランドパターンとの接続が困難となることがなく、且つ、第１及び第２の外部端子２１，２２のＺ方向における長さを短くすることができる。このため、本実施形態による中心導体５０のレイアウトは、表面実装型の端子配置を採ることが容易であるとともに、使用する周波数帯域が高い場合、特に２０ＧＨｚ以上の周波数帯域で使用する場合において特に有利である。

そして、本実施形態による非可逆回路素子１０は、外部端子２１〜２３が永久磁石３１又は３２と重なりを有していないことから、従来の非可逆回路素子１００のように外部端子２１〜２３のインダクタンスが増大することがない。このため、使用する周波数帯域が非常に高い場合であっても、良好な電気的特性を得ることが可能となる。

表１は、本実施形態による非可逆回路素子１０と図１４に示した従来の非可逆回路素子１００の電気的特性を示す表であり、いずれもＸ方向における長さが２ｍｍ、Ｙ方向における幅が１．２５ｍｍ、Ｚ方向における高さが１．２５ｍｍである場合の値である。

表１に示すように、本実施形態による非可逆回路素子１０は、従来の非可逆回路素子１００に比べ、２６．５ＧＨｚ及び２９．５ＧＨｚの周波数帯域において、挿入損失が低く、且つ、アイソレーション特性が高いことが分かる。

次に、本実施形態による非可逆回路素子１０の製造方法について説明する。

まず、図１０に示すように、集合基板である永久磁石３０Ａとフェライトコア４０Ａを用意し、永久磁石３０Ａ及びフェライトコア４０Ａの表面に導体パターンを形成する。具体的には、永久磁石３０Ａの表面にはほぼ全面に導体パターン３０Ｂを形成し、フェライトコア４０Ａの表面には矩形状の導体パターン４０Ｂを規則的に形成する。導体パターン３０Ｂ，４０Ｂの形成方法としては、例えばスクリーン印刷法を用いることができる。導体パターン４０Ｂは、最終的に導体プレート６１又は６２となる部分である。

次に、接着層７２を介して、永久磁石３０Ａとフェライトコア４０Ａを積層し、真空熱プレスを行うことによってこれらを一体化し、図１１に示す積層体７３を作製する。このような積層体７３を２つ作製した後、図１１に示すように、接着層７１を介して２つの積層体７３によって導体プレート５０Ａを挟み込み、真空熱プレスを行うことによってこれらを一体化する。導体プレート５０Ａは、複数の中心導体５０によって構成されている。

図１２は、導体パターン４０Ｂと導体プレート５０Ａの位置関係を説明するための平面図である。図１２に示すように、１つの導体パターン４０Ｂと２つの中心導体５０が重なるよう、両者の位置関係を調整する。尚、Ｙ方向に隣接する中心導体５０はポート５１又は５２によって連結され、Ｚ方向に隣接する中心導体５０はポート５３によって連結されているため、個々の中心導体５０が分離することはない。

そして、図１２に示すダイシングラインＤに沿って集合基板をダイシングした後、各個片に外部端子２１〜２４及び接続導体２５を形成すれば、本実施形態による非可逆回路素子１０が完成する。

このような製造方法を用いれば、多数の非可逆回路素子１０を同時に作製することができるため、製造コストを低減することが可能となる。また、図１２に示すように、２つの中心導体５０と重なる導体パターン４０Ｂを用いるとともに、導体パターン４０ＢをＹ方向に切断していることから、上面１２に導体プレート６１及び６２を露出させることが可能となる。

そして、完成した非可逆回路素子１０をプリント基板に実装する際には、積層方向であるＸ方向が水平となるよう、９０°回転させた状態で実装する。これにより、既に説明したように外部端子２１〜２３が永久磁石３１又は３２を横切る必要がないことから、従来の非可逆回路素子１００のように高周波特性が悪化することがない。

図１３は、本実施形態による非可逆回路素子を用いた通信装置８０の構成を示すブロック図である。

図１３に示す通信装置８０は、例えば移動体通信システムにおける基地局に備えられるものであって、受信回路部８０Ｒと送信回路部８０Ｔとを含み、これらは送受信用のアンテナＡＮＴに接続されている。受信回路部８０Ｒは、受信用増幅回路８１と、受信された信号を処理する受信回路８２とを含んでいる。送信回路部８０Ｔは、音声信号、映像信号などを生成する送信回路８３と、電力増幅回路８４とを含んでいる。

このような構成を有する通信装置８０において、アンテナＡＮＴから受信回路部８０Ｒに到る経路や、送信回路部８０ＴからアンテナＡＮＴに至る経路に、本実施形態による非可逆回路素子９１、９２が用いられる。非可逆回路素子９１は、サーキュレータとして機能し、非可逆回路素子９２は終端抵抗器Ｒ０を有するアイソレータとして機能する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１０，９１，９２ 非可逆回路素子
１１ 実装面
１２ 上面
１３〜１６ 側面
２１〜２４ 外部端子
２５ 接続導体
３０Ａ，３１，３２ 永久磁石
３０Ｂ，４０Ｂ 導体パターン
４０ 磁気回転子
４０Ａ，４１，４２ フェライトコア
５０ 中心導体
５０Ａ 導体プレート
５１〜５３ ポート
５４ 仮想ポート
６０，６１ 導体プレート
７１，７２ 接着層
７３ 積層体
８０ 通信装置
８０Ｒ 受信回路部
８０Ｔ 送信回路部
８１ 受信用増幅回路
８２ 受信回路
８３ 送信回路
８４ 電力増幅回路
ＡＮＴ アンテナ
Ｃ 中心点
Ｄ ダイシングライン
Ｌ１〜Ｌ４ 直線
Ｒ０ 終端抵抗器

Claims (10)

1. 積層方向と平行な実装面と、前記実装面に対して垂直であり、且つ、前記積層方向と平行な第１及び第２の側面を有する非可逆回路素子であって、
   第１の永久磁石と、
   前記第１の永久磁石に対して前記積層方向に積層され、中心導体と前記中心導体から導出された少なくとも第１及び第２のポートを有する磁気回転子と、
   前記第１の側面に設けられ、前記第１のポートに接続された第１の外部端子と、
   前記第２の側面に設けられ、前記第２のポートに接続された第２の外部端子と、を備え、
   前記磁気回転子は、前記中心導体を前記積層方向に挟む第１及び第２のフェライトコアを含むことを特徴とする非可逆回路素子。
2. 磁性体基板をさらに備え、
   前記磁気回転子は、前記第１の永久磁石と前記磁性体基板によって前記積層方向に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の非可逆回路素子。
3. 前記磁性体基板が第２の永久磁石であることを特徴とする請求項２に記載の非可逆回路素子。
4. 前記実装面に設けられた第３の外部端子をさらに備え、
   前記中心導体は、前記第３の外部端子に接続された第３のポートをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。
5. 前記第１及び第２の外部端子の一部は、前記実装面に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の非可逆回路素子。
6. 前記中心導体の中心点を基準とした前記第１のポートの延在方向と、前記中心導体の中心点を基準とした前記第３のポートの延在方向が成す角度は鋭角であり、
   前記中心導体の中心点を基準とした前記第２のポートの延在方向と、前記中心導体の中心点を基準とした前記第３のポートの延在方向が成す角度は鋭角であることを特徴とする請求項４又は５に記載の非可逆回路素子。
7. 前記第１の永久磁石と前記磁気回転子によって前記積層方向に挟まれた導体プレートと、
   前記導体プレートに接続された第４の外部端子と、をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の非可逆回路素子。
8. 前記実装面の反対側に位置する上面を覆い、前記導体プレートと前記第４の外部端子を接続する接続導体をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の非可逆回路素子。
9. 前記導体プレートは、前記実装面、前記第１の側面及び前記第２の側面のいずれからも露出することなく、前記上面に露出することによって前記接続導体に接続されることを特徴とする請求項８に記載の非可逆回路素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の非可逆回路素子を備えた通信装置。

Images