JPS6019163B2 - フエリ磁性体回路素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低磁界で動作するフェリ磁性体回路素Ｚ子の温
度特性の改良に関する。

一般にフェリ磁性体回路素子には強磁性共鳴点付近で動
作するものと、共鳴点以外の上下で動作するものとに大
別され、共鳴点以下で動作するものを低磁界動作形、共
鳴点以上の磁界で動作するものを高磁界動作形と呼んで
いる。

低磁界動作形のフェリ磁性体回路素子の例としては函界
偏位形、アィソレータ、移相器、サーキュレータ、及び
磁界による仏の変化を利用した整合用素子等がある。従
来、これら低磁界動作形フェリ磁性体回路素子の温度特
性の改良方法としては、■フェリ磁性体の組成を変えて
所要温度範囲内のフェリ磁性体素子の飽和磁化４ｍＭｓ
の温度変化を最小にする方法、■４ｍＭｓの温度変化は
通常のままでフェリ磁性体素子に外部より磁場を印加す
る磁気装置に細工を施して外部磁場或いはフェリ磁性体
素子の内部磁場に適当な温度変化を持たせ４ｍＭｓの温
度変化を補償する方法とが殆んどであった。

然るに、上記従来の方法は次の様な欠点を有し夕てし・
た。先ず■の方法はフェリ磁性体の組成を変えるため４
ｍＭｓの値そのものが変化（通常低下する）し、磁気的
性質が劣化する。即ち、非可逆性を劣化させることにな
る。更に添加物等のためねｎ６が増加し回路の挿入損失
を増大させる。次０に■の方法は例えば整磁鋼等を使用
するため磁気装置が大形となる他、後述る如く外部磁場
の値によっては全く温度補償の用をなさなくなることが
あった。尚、これら従来の方法に於いては、フェリ磁性
体素子は飽和状態で使われていたものであつた。本発明
は、上記従来の欠点を除去すべく、小形・簡便にして且
つ有効な温度特性の改良方法を提供するものである。

以下、図面に従って本発明を詳細に説明する。

低磁界動作形フェリ磁性体回路素子の最も一般的に用い
られているサーキュレータを例にとって説明する。サー
キュレー夕は例えばイットリウム・アイアン・ガーネッ
ト（Ｙに）、フェライト等のフェリ磁性体素子（以下フ
ェライト素子と呼ぶ）を３対の端子を有する伝送線路の
接合部に設置し、上記フェライト素子に例えば永久磁石
の磁気装置により外部磁場を印加して、フェライト素子
のテンソル透磁率に起因する右廻り円偏波に対する仏＋
、左廻り円偏波に対する仏一との差によりフェライト素
子内のマイクロ波磁界分布を歪曲させ或る端子より入射
したマイクロ波を他の１つの端子にのみ出力し、他の残
りの端子には出力しない。以下同機に別の端子から入射
した場合も前述の回転方向の端子に出力する。第１図は
サーキュレータの基本的構造を示すための図で、第１図
ａはストリップライン形、第１２図ｂは導波管形の場合
を示す。

第１図においてｌａ，ｌｂ，ｌｃはフェライト素子、２
ａ，２ｂ及び２ｃは入出力端子、，はその接合部であり
フェライト素子ｌａ，ｌｂ，ｌｃには直流バイアス磁場
として図の矢印の方向に外３部磁場日。

ｃが印加されている。サーキュレータ設計の際の重要因
子としてフェライト素子の材料定数、特に４７Ｍｓ、フ
ェライト素子の大きさ、外部磁場の強さの３因子が挙げ
られる。４汀Ｍｓは通常、サーキュレータの動作中心周
波数を山（Ｍ３ＨＺ）、ジャィロ磁気定数をｙ（ら２．
８）とすると４汀Ｍｓら（山／ｙ）×０−７８塁度に選
ぶのが良いとされている。

フェライト素子の大きさは動作中心周波数でのフェライ
ト素子中の波長を＾ｆとするとほぼ＾ｆ／２程度に選ば
れる。最後に外部磁場４の強さＨｏｃは磁場印加方向の
反磁場係数をＮとすれば、日。ｃ２Ｎ・４ｍＭｓ即ち飽
和領域に選ばれていたものである。第２図は本発明の原
理を説明するための図であり、第２図ａは２昨日２サー
キュレータの場合で、外部磁場の強さＨｏｃをパラメー
タとして各Ｈｏｃの時につき温度を変化させた場合のサ
ーキュレータィンピーダンスの実測値をスミスチャート
で表示夕 したものである。

尚、第２図ａに於いては繁雑を避ける為、最適であった
外部磁場の強さ日。ｃを中心にしてＨＤｃ−△Ｈｏｃ、
Ｈｏｃ＋△ＨＤｃの３点のみを例示するものであり、又
温度変化は高温を△印、常温を○印、低温を×印で示し
ている。０ 第２図ｂは第２図ａの温度によるインピー
ダンスの変化と外部磁場の強さ‘こよるインピーダンス
の変化の実測値を判りやすく示したもので夫々矢印の向
きが温度上昇方向又は外部磁場の強さの増加方向を示し
、又その矢印の大きさ（変化）がィクンピーダンスの変
化幅を示している。

第２図ｂに於いて、４は外部磁場の強さが比較的弱い場
合の温度によるインピーダンスの変化、６は外部磁場の
強さが比較的強い場合の温度によるインピーダンスの変
化、５は４と６の中間位の０外部磁場の強さの場合の温
度によるインピーダンスの変化（前述の最適であった外
部磁場の強さの場合に対応する）、７，８は夫々４と５
、５と６の中間位の外部磁場の強さの場合の温度による
インピーダンスの変化、９は基準温度で外部磁場の夕強
さを変化させた場合のインピーダンスの変化を示してい
る。

図から明らかな様に、４及び７と、６及び８とでは矢印
の向きが逆転しており、温度によるインピーダンスの変
化幅を示す矢印の大きさは４よりも７、６よりも８の方
が小さくなってる。そして５では矢印が折れ曲つており
、結局４，７，６，８及び６の中で５が最も変化幅が４
・さくなっている。また９との関係に着目すると４と９
と同一向き、７及び８は９と若干角度を有しており、６
は９と逆向きである。従って、６の場合は磁気装置に適
当な工夫例えば磁気装置の磁気回路に並列に、温度の上
昇に伴ってその磁気抵抗が増加する磁性材料例えば整磁
鋼等を装着すれば外部磁場の強さは温度の上昇に従って
増加し則ち正の温度係数を有し、しかも前述した様に温
度と外部磁場変化によるインピーダンス変化の向きが反
対であるから、温度保償が行える。７，５，８及び４の
場合は温度と外部磁場変化によるインピーダンス変化の
向きが或る角度を有しているため、及び同一向きのため
外部磁場の強さに正の温度係数を持たせる上記の温度補
償等の方法ではインピーダンスの温度補償は完全には行
えない。

上述のインピーダンスの変化幅の最も小さい５を示す場
合の外部磁場の強さＨｏｃは、本発明者等の詳細な実験
及びその検討による結果、４ｍＭＳをフェライト素子の
基準温度（通常室温）での飽和磁化、Ｎをフェライト素
子の外部磁場印加方向の反磁場係数とすればＨｏｃ＝ａ
・Ｎ・４ｍＭＳで与えられ、ａの値は０．５〜０．９の
範囲にあることが判明した。

即ち、第３図はその一例を示すものであるが、２昨日ｚ
帯のサーキュレータを用い、外部磁場の強さを変えた場
合のＶＳＷＲ温度変化幅の様子を示すものである。ＨＤ
Ｃ 尚、第３図こ於いては、横軸まａ＝応布賄で規格化した
ものを用い、又特性曲線は４種類の寸法のフェライト素
子を用いた場合が示されている。

フェライト素子は円柱を用い、その直径をＤ、高さをｔ
としてｔ／○をパラメータとして示してある。尚、良く
知られるように、円板状の物質においてはその形状が非
連続的に変化する領域が存在するため、正確な反磁場係
数Ｎの算出が困難である。

よって、ここでは、だ円体における主軸の長さａ，ｂ，
Ｃく但しａ２ｂ＞Ｃ）をａ＝ｂ＝号、Ｃ＝季蝿き換えて
・「ＰＨＹＳＩ肌ＲＥＶＩＥＷＶｏｌｍｍｅ６７、ｎｕ
ｍｂｅｍａｎｄｌ幻ｕｎｅｌａｎｄ１５，１９４５（Ｊ
．ＡＯＳＢＯＲＮ）」等で既に計算の為されているだ円
体の反磁場係数を表わすグラフを用いて、円板状のフェ
リ磁性体素子の反磁場係数Ｎを近似的に求めている。第
３図よりわかる如く、４つの特性曲線の最小値則ちＶＳ
ＷＲの温度変化幅の最も小さいところ（第２図ｂに於け
るインピーダンスの変化５に対応する）は０．５〜０．
９の範囲にあることがわかる。

そして第２図ｂに於けるインピーダンスの変化６に対応
するところはほぼ０．７５以上であることがわかる。第
３図にはフェライト素子の寸法が４つの場合しか示され
ていないが、本発明者等の詳細な実験によれば、上記温
度変化幅の最も４・さし、点は全て０．５〜０．９の範
囲になることが確認されている。

又、数種の動作周波数帯に於いても全く同様であること
が確認されている。例えば、上記実施例ではｔ／，Ｄ＝
０．６６５８〜０．９６３、即ちＮ±０．４５〜０．３
４のものについて示したが、これはｔ／Ｄ＝０．１〜０
．７のものについても、同様の結果を得られることが確
認されている。従って本発明によれば、低磁界動作形フ
ェリ磁性体回路素子に於いて、基準温度での外部磁場の
強さ日。

ｃと、フェリ磁性体素子の基準温度での飽和磁化４ｍＭ
ｓとフェリ磁性体素子に印加する外部磁場の方向の反磁
場係数Ｎとの積Ｎ・４ｍＭｓとの比日。ｃ／（Ｎ・４汀
Ｍｓ）が０．７５以上となる様な外部磁場の強さＨＤｃ
を印加し、更に外部磁場の強さが温度に対して正の温度
係数で変化する手段を与えることにより低磁界動作形フ
ェリ磁性体回路素子の温度特性を良好ならしめることが
できる。上記の理論を実際にサーキュレータに応用した
例を以下に示す。

第４図は２昨日Ｚ帯導波管形サーキュレータでフェライ
ト素子はＮｉ−Ｚｎ系で４ｍＭｓ＝４８００ガウス、Ｎ
＝０．３ Ｈｏｃ＝１３００ェルステツドの場合（ａ〒
０．９０）のサーキユレータインピーダンスの温度変化
を示し、実線は磁気装置に磁気変態点１００午０の整磁
鋼を装着して外部磁場の強さが温度に対して正の温度係
数を有するように温度補償した場合、破線は温度補償を
しない場合をそれぞれ示す。

第４図よりわかるように、周波数１晦日Ｚから２１．昨
日Ｚにわたり、温度範囲−１０℃から十６０℃でのイン
ピーダンスの温度変化幅はＶ．Ｓ．Ｗ．Ｒに換算して約
１．０５以下に補償されている。第５図は同じく２昨日
Ｚ帯導波管形サーキュレ‐５夕でＨｏｃ＝１０２０ェル
ステッド、他は同じ条件で温度補償を行なった場合（ａ
±０．７１）であるが、第４図と比べて完全な温度補償
が行なわれていないことがわかる。

第６図は本発明を適用した一実施例の構造を示０す図で
あり、導波管形サーキュレータの場合の横断面図を示す
。

第６図に於いて、１０はフェライト素子、２０，２０′
はインピーダンス変成のための金属変成器、３０，３０
′は誘電体、４０，４０′は磁石、５０，６０，６０′
はヨーク、７０，７０′はリング状の整磁鋼をそれぞれ
示している。

このよに磁石４０，４０′に並列に整磁鋼７０，７０′
を設けることにより外部磁場の強さは温度に対して正の
温度係数を有することになる。

以上詳述した如く、本発明に依れば温度特性の非常に優
れた低磁界動作形フェリ磁性体回路素子を得ることがで
きる。尚、上述の説明はサーキュレー夕に限定されず、
他の低磁界動作形フェリ磁性体回路素子にも適用できる
事は勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図はフェリ磁性体回路素子で最も一般的なサーキュ
レータの基本的構造を示すためのもので、ａはストリッ
プライン形サーキュレータ、ｂは導波管形サあのキュレ
ータを示す図、第２図ａは２のＨＺ帯導波管形サーキュ
レータで外部磁場の強さＨｏｃを変化した場合の各Ｈｏ
ｃにおけるサーキュレータインピーダンスの温度変化の
実測値を示す図、第２図ｂは外部磁場の強さと温度を変
えた場合のインピーダンスの変化の向きと大きさを示す
図、第３図は本発明の原理を説明するためのもので、外
部磁場の強さを変えた場合のＶＳＷＲ温度変化幅の様子
を示す図、第４図、第５図は本発明の実施例による２の
ＨＺ帯導波管形サーキュレータのインピーダンスの温度
変化を示す図、第６図は本発明の実施例による導波管形
サーキュレータの構造図をそれぞれ示す。 第６図に於いて、１０はフェライト素子、４０，４０′
は磁石、７０，７０′はリング状の整磁鋼をそれぞれ示
す。 第１図 第２図′Ｑ’ 第２図似 第３図 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ フエリ磁性体素子と該フエリ磁性体素子に強磁性共
   鳴点以下の外部磁場を印加するための磁気装置とを有す
   る低磁界動作形フエリ磁性体回路素子に於いて、基準温
   度での外部磁場の強さＨ＿Ｄ＿Ｃと、該フエリ磁性体素
   子の基準温度での飽和磁化４πＭｓと該フエリ磁性体素
   子に印加する外部磁場の方向の反磁場係数Ｎとの積Ｎ・
   ４πＭｓとの比Ｈ＿Ｄ＿Ｃ／（Ｎ・４πＭｓ）が０．７
   ５以上となる様な外部磁場の強さＨ＿Ｄ＿Ｃを印加され
   、更に該外部磁場の強さが温度に対して正の温度係数で
   変化するようにしたことを特徴とするフエリ磁性体回路
   素子。