JPS588762B2 - サ−キユレ−タおよびアイソレ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ｖＨＦ帯，ＵＨＦ帯およびその他のマイクロ
波領域に用いられるサーキュレータおよびアイソレータ
の温度安定化を計るための磁界温度補償方法に関する。

一般に、フエライトを含むほとんどの強磁性体の飽和磁
化４πＭｓは第１図に示すように、温度の上昇とともに
徐々に減少し、ある温度で急速に零となる。

この温度をキューリ一温度Ｔｃという。普通、サーキュ
レータおよびアイソレータはこのような特性のフエライ
トに永久磁石等により静磁界Ｈｅｘｔが印加された構成
をとる。

そのため、温度補償を行なわないサーキュレータおよび
アイソレータにおいては、その電気的特性が温度に対し
てきわめて敏感に変化するので、これを避けるためのサ
ーキュレータおよびアイソレータの温度安定化が重要な
研究課題であった。

従来、この不安定性を改善するために最初に考えられた
ことは、使用温度範囲（Ｔ１〜Ｔ２ ）の上限温度Ｔ２
（例えば８０℃）よりできるだけ高いキューリ一温度を
有するフエライトを用い、４πＭｓの変化の激しいキュ
ーリ一温度近傍で使用することを避けることである。

マイクロ波領域で使用されるサーキュレータおよびアイ
ソレータに使用されるフエライトには、上記キューリ一
温度Ｔｃが高いだけでなく、マイクロ波における電磁波
の吸収ができるだけ小さいことが要求される。

しかし、一般にはキューリ一温度Ｔｃが高いということ
と吸収が小さいということは相反する関係にあり、適当
なる材料を見出すことは難しく、材料研究の主要な研究
課題である。

上記の目的で開発されたのがＣａ−Ｖ系ガーネットであ
る。

このガーネットのキューリ一温度は約２００℃であり、
使用温度範囲における４πＭｓの温度係数α４πＭｓは
−０．３％／℃で、４πＭｓはほゾ直線的に温度上昇と
ともに減少する。

但し、４πＭｓの温度係数は α４πＭＳ三△４πＭｓ／４πＭｓ・△Ｔ（１）で定義
される。

こゝで、△４πＭｓは温度差△Ｔにおける４πＭｓの変
化量である。

しかし、この程度の変化量でも、ｌ００゜Ｃの温度変化
に対して約３０％も４πＭｓが変化することとなり、何
らかの温度補償が必要である。

４πＭｓが温度とともに変化した場合の温度補償方法は
、普通外部磁界Ｈｅｘｔを温度とともに変化させて行な
う。

例えば、永久磁石としてフエライト磁石を用いた場合に
は、外部磁界Ｈｅｘｔの温度係数αＨｅｘｔは約０．１
５％／℃でありα４πＭｓより小さい。

但し、ＨｅＸｔの温度係数は ａＨｅｘｔ三△Ｈｅｘｔ／Ｈｅｘｔ・△Ｔ（２）で定義
される。

こ＼で、△Ｈｅｘｔは温度差△ＴにおけるＨｅｘｔの変
化量である。

普通、温度補償にはα４πＭｓとαＨｅｘｔを合わせる
方法がとられるので、具体的には第２図のようにキュー
リ一温度が使用上限温度Ｔ２（６０〜１００℃）付近に
ある整磁鋼３を２個のフエライト磁石１，１ａを含む磁
気回路に直列に装架してαＨｅｘｔを大きくする。

第２図において２，２ａは鉄板、４は磁気ヨーク、５は
ガーネット円板である。

しかし、このような温度補償方法にはおのずと限界があ
る。

何故なら、４πＭｓの変化にともなって変化するものは
、サーキュレータおよびアイソレータの中心周波数と整
合状態の２つがある。

後述するように、一般に中心周波数の温度補償方法と整
合状態の温度補償方法が異なるため、ガーネットの４π
Ｍｓの変化量が大きい場合には、広い温度範囲にわたっ
て、中心周波数一定の条件と整合状態一定の条件の温度
補償を同時に行なうことが不可能となる欠点がある。

このような欠点を解消するため、最近、希土類元素のＧ
ｄを含むＣａ−Ｖ係ガーネットが開発された。

このガーネットは第３図に示すように、使用温度範囲（
Ｔ１〜Ｔ２）において４πＭｓが凸状の温度変化を示す
。

凸状のピークの温度ＴＮは、使用温度範囲（Ｔ１〜Ｔ２
）の丁度中間（通常はＯ〜４０℃）に設けられる。

このガーネットの４πＭｓ の温度係数は前述のＣａ−
Ｖ系ガーネットのように単調ではなく、ＴＮの前後の温
度で符号が反転する。

ある種のＧｄ − Ｃａ − Ｖ系ガーネットでは、Ｔ
１＝−２０℃−ＴＮ＝２０℃でα４πＭｓ＝＋０．２％
／℃、ＴＮ＝２０℃〜Ｔ２＝６０℃で−０．２％／０Ｃ
である。

このようなガーネットでは各温度における微分値として
の４πＭｓの絶対値はＣａ−Ｖ系ガーネットに比してそ
れほど改善されないが、使用温度範囲（Ｔ１〜Ｔ２ ）
における４πＭｓの変化△４πＭｓが従来のＣ ａ −
Ｖ系ガーネットと比較して１／３〜１／５以下となり
、実質的には温度係数が著しく小さくなったことに相当
する。

例えばＴ１＝−２０℃、Ｔ２−６０°Ｃとした場合は温
度係数は０．０７％／℃となる。

この温度係数とフエライト磁石を用いた外部磁界の温度
係数αＨｅｘｔ＝０．１５％／℃と比較すると前者の力
が著しく小さくなっているため、αＨｅ ｘ ｔを小さ
くするような温度補償を行なわなければならない。

これは、例えば第４図のように、６０〜１００℃にキュ
ーリ一温度を有する整磁鋼６を、フエライト磁石の周囲
にリング状に巻き、磁気回路的に並列に装架する方法で
ある。

第４図におけるその他の数字は第２図におけるものと同
じものを意味する。

第５図は、この方法を用いた場合の外部磁界ハの温度変
化を示す。

同時に、整磁鋼を装架しない場合の外部磁界イとＧｄ
− Ｃ ａ − Ｖ系ガーネットの４πＭｓロの温度変
化を点線で示した。

第５図から明らかなように確かに、この方法は、ＴＮ近
傍におけるサーキュレータおよびアイソレータの温度特
性を著しく改善するが同時に次の欠点を有している。

（１）ＴＮ近傍を除いた低温および高温におけるサーキ
ュレータおよびアイソレータの温度特性が改善されない
。

高温側においてはむしろ整磁鋼を装架しない力が温度特
性がよい。

（２）高いキューリ一温度を持った整磁鋼を用いるため
、ＴＮ近傍での整磁鋼の４πＭｓの変化が小さく、第５
図のようなＨｅｘｔの平担な温度特性を得るためには多
量の整磁鋼が必要である。

また、永久磁石の発する磁力線が整磁鋼に多量にすい込
まれるため、ガーネットに印加する使定の外部磁界を得
るためには、強力な永久磁石が必要である。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、電気特
性の温度安定なサーキュレータおよびアイソレータを提
供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、飽和磁化４πＭｓ
がＯ〜４０℃に極大を有するような凸状の温度特性を持
つ少なくとも一枚以上のフエライト板、前記フエライト
板の平面に対して上下少なくとも１個の永久磁石を配し
、前記フエライト板の平面にほゾ垂直に静磁界を印加し
てなるサーキュレータおよびアイソレータにおいて、０
〜４０℃の範囲にキューリ一温度を有する整磁鋼さらに
前記キューリ一温度に比較して高いキューリ一温度およ
び低いキューリ一温度を有する整磁鋼を、前記永久磁石
を含む磁気回路に磁気回路的に並列および直列に装架し
たことを特徴とする。

以下、本発明をその理論的根拠と実施例を用いて説明す
る。

フエライト板の４πＭｓが温度とともに変化する場合の
温度補償力法は、サーキュレータおよびアイソレータの
種類とその温度補償の考え方によって多少異なる。

簡単のため、アバブレゾナンス領域を用いた単峰特性を
有する集中定数形サーキュレータについて説明する。

このサーキュレータは温度による４πＭｓの変化にとも
ない中心周波数および外部回路との整合状態が変化する
。

それぞれが温度とともに変化しない条件は次のようであ
る。

但し、この場合負荷コンデンサーは温度により変化しな
いとした。

け）中心周波数一定の条件 αＨｅｘｔ＝α４πＭｓ（
３）１ （２）整合状態一定の条件 αＨｅｘｔ＝１／２α４π
Ｍｓ（４）上式から明らかなように、中心周波数一定の
条件と整合状態一定の条件とは一般に一致しない。

しかし、どちらもαＨｅｘｔはα４πＭｓに単純に比例
しており、４πＭｓの温度変化の形状にＨｅｘ ｔの温
度変化をあわせることに変わりはない。

上では単峰特性を有する集中定数形サーキュレータに限
定したが、分布定数形導波管形のサーキュレータおよび
アイソレータに対しても原理的にこの傾向は全く同じで
ある。

上の検討から明らかなごとく、飽和磁化４πＭｓが温度
に対して凸状の特性を有するガーネットを用いた場合に
は、外部磁界Ｈｅｘｔも凸状に変形させる必要がある。

このような特性を得るためには、高いキューリ一温度を
有する整磁鋼を用いたので不可能であり、前述の温度の
ＴＮ近傍にキューリ一温度を有する整磁鋼を用いなけれ
ばならない。

これが本発明の基礎となる考え方である。

整磁鋼の４πＭｓの変化の仕方は多くの場合、第１図に
示したように、キューリ一温度Ｔｃ近傍でその変化が大
きく、その温度より離れるにつれてその変化が小さくな
る。

本実施例において検討したＦｅ−Ｎｉを主成分とする整
磁鋼では、この４πＭｓが大きく変化する領域は２０〜
３０℃であった。

この領域で整磁鋼の効果がもつとも激しく効く。

第６図は本発明の第一の実施例を示す。

これはＴＮＥ２０℃近傍にキューリ一温度を有する整磁
鋼を第４図の手段により磁気回路に並列に装架した場合
の外部磁界Ｈｅｘｔの温度変化二を表わす。

図中イ、ロは幣磁鋼を装架しない場合の外部磁界の温度
変化、Ｇｄ−Ｃａ−Ｖ系ガーネットの４πＭｓの温度変
化である。

図から明らかなごとく、ニはＴＮ＝２０℃より高い温度
領域ではイの曲線に沿って変化するが、ＴＬ１＝０℃〜
ＴＮ＝２０℃の温度領域ではイの曲線からずれ口の曲線
に近づく。

二はＴＬ１〜ＴＮの温度領域で凸状の曲線に近づく。

しかし、整磁鋼の４πＭｓの変化が小さくなるＴＬ１以
下の温度では二はロの曲線から離れ、再びイの温度変化
に引きづられた傾向を示すようになる。

本実施例をＶＨＦ帯広帯域集中定数形サーキュレータに
応用した結果、０〜６０℃の温度範囲において安定に動
作するサーキュレータを実現できた。

第８図は本発明の第二の実施例を示す。

これは、第６図の実施例において、さらに低温側の温度
特性を改善するためにＴＬ１＝０℃にキューリ一温度を
有する整磁鋼を第７図に示す構造で配置した場合の外部
磁界Ｈｅｘｔの温度変化ホを表わす。

第７図において、６，７はＴＮ＝２０℃およびＴＬ１＝
０℃にキューリ一温度を有する２種類の整磁鋼であり、
それぞれフエライト磁石１ａ，１のまわりにリング状に
巻かれている。

第８図から明らかなごとく、この整磁鋼７は磁気回路に
並列に作用しＴＬ１＝Ｏ℃ − ＴＬ２＝− ２ ０℃
の領域のＨｅｘｔ の温度特性は凸状の口の曲線に沿っ
て変化する。

しかし、整磁鋼の４πＭｓの変化が小さくなるＴＬ２以
下の温度ではホは口の曲線から離れ、再びイの温度変化
に引きづられた傾向を示すようになる。

本実施例をＶＨＦ帯広帯域集中形サーキュレータに応用
した結果、−２０〜６０℃の温度範囲で安定に動作する
サーキュレータを実現できた。

前述の手法を繰り返えすことにより、その使用温度範囲
をさらに低温側に広げることが可能なことは以上の説明
から明らかであろう。

しかし、たとえ上記方記方法で温度範囲を広げたとして
も、４πＭｓの変化量が大きくなり、整合状態が大きく
くずれてゆくし、また低温になるとこの種のガーネット
の電磁波の吸収が増加するので、２〜３種類程度の整磁
鋼の装架が適当と考えられる。

ＴＮにより低温側における温度補償は、前の二つの実施
例によって可能であったが、６０℃をこえる高温での特
性を補償させるためにはさらにきめの細い方法が必要で
ある。

すなわち、６０℃をこえるとある種のガーネットの４π
Ｍｓの温度係数α４ａは０．２％／℃から０．３％／℃
と大きくなる。

そのため、６０℃をこえる温度領域では外部磁界Ｈｅｘ
ｔの温度係数αＨｅｘｔを大きくしなければならない。

第９図は本発明の第三の実施例を示す。

整磁鋼６，７の他に、新たに、ＴＮより高いキューリ一
温度８０℃を有する整磁鋼３が磁気回路的に直列に装架
されている。

本実施例をＶＨＦ帯広帯域集中定数形サーキュレータに
応用した結果−２０〜＋８０℃の温度範囲で安定に動作
するサーキュレータを実現できた。

第１２図は、このサーキュレータの逆方向損失（ｄＢ）
の温度特性を示す。

イは２０℃、口は８０℃、ハは−２０℃における曲線で
ある。

第１１図は、従来技術の第５図の温度補償方法を用いた
場合である。

第１２図をこれと比較すると明らかなごとく、本発明の
実施例を用いたサーキュレータは−２０〜８０℃という
非常に広い温度範囲にわたって、逆方向損失が必要帯域
巾８８〜１ １ ０ ＭＨｚわたって一般の仕様２０ｄ
Ｂを楽に満たしており、本発明の効果の著しいことが明
らかである。

また、ある種のＧｄ −Ｃａ−Ｖ系ガーネットでは高温
側のα４πＭｓがαＨｅｘｔに比して小さい場合がある
。

これまでの説明で明らかのごとく、この場合はＴＮより
高温にキューリ一温度を有する幣磁鋼を磁気回路的に韮
列に装架すればよい。

第１０図は、本発明の第四の実施例を示す。

この場合キューリ一温度の異なる整磁鋼６，７は一方の
永久磁石だけに巻かれている。

この方式でも第１２図とほゞ同様な結果を得た。

フエライト板の飽和磁化４πＭｓが極大となる温度ＴＮ
を、特許請求の範囲に記載のとさくｏ〜４０℃とした理
由は次のどさくである。

すなわち、この温度範囲を逸脱したのでは使用温度範囲
−２０〜４０℃における△４πＭｓの値がそれほど小さ
くならないからである。

例えば、ＴＮ＝−１０℃では、α４πＭｓ（−２０〜６
０℃）は０．２％／℃であり、Ｃａ−Ｖ係ガーネット０
． ３％／℃と比較してそれほど小さくならない。

同様に４０℃をこえた場合にもα４πＭｓが大きくなり
好ましくないが、同時に電磁波の吸収が大きくなり使用
に耐えなくなる場合が多い。

以上、本発明の四つの実施例を用いて説明したとおり、
本発明の効果の著しいことが明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は強磁性体の飽和磁化の温度変化を表わす図、第
２図は従来技術により直列に整磁鋼を装架した磁気回路
図、第３図はＧｄ − Ｃ ａ −Ｖ系ガーネットの飽
和磁化の温度変化を表わす図、第４図は従来技術により
並列に整磁鋼を装架した磁気回路図、第５図は従来技術
により温度補償した場合の外部磁界の温度変化を表わす
図、第６図および第８図は本発明により温度補償した場
合の外部磁界の温度変化を表わす図、第７図は本発明に
より２種類の整磁鋼を並列に装架した磁気回路図、第９
図および第１０図は本発明により２種類の整磁鋼を並列
にいま１種類の幣磁鋼を直列に装架した磁気回路図、第
１１図、第１２図はそれぞれ従来技術および本発明によ
る温度補償を行なった場合の集中定数形サーキュレータ
の逆方向損失の温度変化を表わす図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 飽和磁化４πＭｓが０〜４０℃の範囲に極大を有す
   る凸状の温度特性を持った少なくとも一枚以上のフエラ
   イト板、前記フエライト板の平面に対して上下に少なく
   とも１個以上の永久磁石を配し、前記フエライト板の平
   面にほゞ垂直に静磁界を印加してなるサーキュレータお
   よびアイソレータにおいて、０〜４０℃の範囲にキュリ
   一温度を有する整磁鋼を、前記永久磁石を含む磁気回路
   に磁気回路的に並列に装架したことを特徴とするサーキ
   ュレータおよびアイソレータ。 ２ 飽和磁化４πＭｓがＯ〜４０℃の範囲に極大を有す
   る凸状の温度特性を持った少なくとも一枚以上のフエラ
   イト板、前記フエライト板の平面に対して上下に少なく
   とも１個以上の永久磁石を配し、前記フエライト板の平
   面にほゾ垂直に静磁界を印加してなるサーキュレータお
   よびアイソレータにおいて、０〜４０℃の範囲にキュリ
   一温度を有する整磁鋼を、前記永久磁石を含む磁気回路
   に磁気回路的に並列に装架しさらに前記整磁鋼に比較し
   て低いキューリ一温度を有する１種類以上の整磁鋼を、
   前記永久磁石を含む磁気回路に磁気回路的に並列に装架
   したことを特徴とするサーキュレータおよびアイソレー
   タ。 ３ 飽和磁化４πＭＳが０〜４０℃の範囲に極大を有す
   る凸状の温度特性を持った少なくとも一枚以上のフエラ
   イト板、前記フエライト板の平面に対して上下に少なく
   とも１個以上の永久磁石を配し、前記フエライト板の平
   面にほゞ垂直に静磁界を印加してなるサーキュレータお
   よびアイソレータにおいて、０〜４０℃の範囲にキュリ
   一温度を有する整磁鋼を、前記永久磁石を含む磁気回路
   に磁気回路的に並列に装架しさらに、前記整磁鋼に比較
   して高いキューリ一温度を有する整磁鋼を、前記永久磁
   石を含む磁気回路に磁気回路的に直列ないし並列に装架
   したことを特徴とするサーキュレータ２よびアイソレー
   タ。