專利名稱：不可逆電路裝置和高頻電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不可逆電路裝置，如微波頻帶中用的隔離器等，本發(fā)明還涉及設(shè)有不可逆電路裝置的高頻電路裝置，如通信裝置。
微波頻帶中用的不可逆電路裝置已公開在(1)美國專利4016510；(2)日本特許公開No52-134349；(3)日本特許公開No:58-3402；(4)日本特許公開No.9-232818，和(5)日本特許公開No.8-8612中。
上述的不可逆電路裝置是一個(gè)元件，其中，鐵(淦)氧板(ferrite plate)設(shè)有按預(yù)定角度相交的中心電極，之后，給鐵淦氧板加靜磁場。利用鐵淦氧板的鐵磁特性，中心電極引起的高頻磁場的極化平面按法拉第旋轉(zhuǎn)定律旋轉(zhuǎn)，這提供不可逆特性。
上述(5)篇文獻(xiàn)中的用第1至第3中心電極的不可逆電路裝置中，第3中心電極的匹配阻抗有無功分量。由于阻抗取決于頻率，在頻率范圍內(nèi)最好是能得到窄的不可逆特性。即，元件用作隔離器時(shí)，隔離特性必然是窄頻帶。
用兩個(gè)中心電極的不可逆電路裝置的優(yōu)點(diǎn)是能小型化而且能實(shí)現(xiàn)更寬的頻帶。隨著近年來對無線通信中通信系統(tǒng)裝置的小型化要求也要求通信裝置中的諸如隔離器的不可逆電路裝置進(jìn)一步小型化。
但是，鐵淦氧板的尺寸大大地小型到例如0.5mm×0.5mm×0.3mm時(shí)，而常規(guī)不可逆元件結(jié)構(gòu)仍保持不變，如以下要說的，由于中心電極的長度縮短，它的電感分量也減小。當(dāng)不可逆電路裝置在預(yù)定頻率下操作時(shí)，不可能達(dá)到阻抗匹配。因此，出現(xiàn)了插入損耗(IL)升高的問題。
常規(guī)隔離器的電路圖示于圖8中。中心電極L1和L2的電感量與并聯(lián)電容器C1和C2的電容量阻抗匹配時(shí)，陰抗軌跡關(guān)系圖如圖9所示。即，當(dāng)中心電極的阻抗是預(yù)定值時(shí)，中心電極的阻抗必須在穿過50Ω的電納圓上，以連接并聯(lián)電容器從而與歸一化阻抗(50Ω)匹配。
但是，要求隔離器的尺寸為3.5mm×3.5mm×1.5mm或以下時(shí)，鐵淦氧板的尺寸為1.0mm×1.0mm×0.3mm或以下，該情況下它是直角平行六面體。常規(guī)隔離器的這種結(jié)構(gòu)中，只在鐵淦氧板的表面上設(shè)中心電極，中心電極的電感量減小。因而，由于操作頻率下的無功分量小，匹配的并聯(lián)電容器的電容量必須增大。但是，由于該原因，出現(xiàn)了操作頻帶寬度窄的問題。
而且，用單板電容器作上述的匹配并聯(lián)電容器時(shí)，它的尺寸增大，這就使隔離器不能達(dá)到目標(biāo)尺寸。例如，設(shè)計(jì)有800MHz頻帶的隔離器的外部尺寸為3.5mm時(shí)，對6.6nH的中心電極的電感量就要求并聯(lián)電容器的電容量為6pf。即使用相對介電常數(shù)例如為110的高介電常數(shù)的陶瓷板構(gòu)成厚度為0.17mm的匹配并聯(lián)電容器，電容器的尺寸仍然大到1.0mm×1.05mm，這就是說，電容器不能包含在預(yù)定尺寸的隔離器中。
整體結(jié)構(gòu)的小型化，使中心電極的尺寸減小，它導(dǎo)致中心電極的電感量減小。電感量太小，以致于不在通過歸一化阻抗(50Ω)的電納圓上，無論并聯(lián)電容器的電容量如何增大，也不可能達(dá)到阻抗匹配。這就增大了輸入/輸出阻抗，使插入損耗更壞。
本發(fā)明的目的是，提供小型不可逆電路裝置，它在寬頻帶上有不可逆特性，有低插入損耗，并提供用不可逆電路裝置的高頻電路裝置，如通信裝置。
到此為止，按本發(fā)明第1方案，提供不可逆電路裝置，它包括相互交叉的第1和第2中心電極，每個(gè)中心電極有一端接地；鐵磁體它位于第1和第2中心電極附近；磁鐵，它給鐵磁體供給靜磁場；串聯(lián)電容器，串聯(lián)連接在第1中心電極的另一端與輸入端之間，和串聯(lián)電容器，串聯(lián)連接在第2中心電極的另一端與輸出端之間；和并聯(lián)電容器，并聯(lián)連接在第1中心電極的另一端與地之間，和并聯(lián)電容器，并聯(lián)連接在第2中心電極的另一端與地之間。
由于用了串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器，能使輸入/輸出阻抗可靠地匹配，而且能進(jìn)一步減小插入損耗，因而能實(shí)現(xiàn)小型化和寬頻帶。
不可逆電路裝置中，第1和第2中心電極可包圍鐵磁體。
即使用小的鐵磁體也能使第1和第2中心電極達(dá)到足夠的電感量。因此，能實(shí)現(xiàn)整體小型化。
不可逆電路裝置中，第1和第2中心電極的相交角度可以是在80°至100℃范圍內(nèi)的預(yù)定角。
能得到低插入損耗和高的不可逆特性。
不可逆電路裝置中，鐵磁體可以是多邊形板。
這就能使第1和第2中心電極之間的鐵磁體較長磁耦合距離相對于第1和第2中心電極的。此外，第1和第2中心電極包圍在鐵磁體周圍時(shí)，使包圍簡便了。而且，即使鐵磁體小，也能達(dá)到低插入損耗和高的不可逆特性。
不可逆電路裝置中，磁鐵可以是直角平行六面體。
這就能在總體為直角平行六面體形的不可逆電路裝置的有限體積中進(jìn)一步增大加到鐵磁體上的靜磁場強(qiáng)度。因此，能得到低插入損耗和高的不可逆特性。由于可用切割板狀或直角平行六面體磁性材料構(gòu)成不可逆電路裝置，因此，容易制造。
或者，不可逆電路裝置中，第1和第2中心電極、鐵磁體和磁鐵放在上軛鐵和下軛鐵之間，上軛鐵和下軛鐵接地。
由于第1和第2中心電極和電容器與要屏蔽的軛鐵一起接地，因此能防止產(chǎn)生寄生容量。
按本發(fā)明第2方案，高頻電路裝置包括上述不可逆電路裝置中的一個(gè)。
因此能制成有低插入損耗且特性穩(wěn)定的通信裝置。


圖1是按本發(fā)明第1實(shí)施例的隔離器的電路圖；圖2是隔離器的分解透視圖；圖3是組裝了隔離器的主要元件之后的隔離器的透視圖；圖4A和4B是說明隔離器操作原理的電路圖；圖5A和5B是說明隔離器阻抗匹配例的圖；圖6A和6B分別是說明隔離器的頻率特性的圖；圖7A和7B是展示按第2實(shí)施例的高頻電路裝置的主要元件的方框圖；圖8是常規(guī)隔離器的電路圖；圖9是說明常規(guī)隔離器的阻抗匹酯例的圖；圖10A和10B是說明有常規(guī)結(jié)構(gòu)的隔離器在阻抗不匹配狀態(tài)下的頻率特性例的圖。
以下參見圖1至3說明按本發(fā)明第1實(shí)施例的隔離器結(jié)構(gòu)。
圖1是隔離器的電路圖。這里，鐵淦氧板10是直角平行六面體。各包括用絕緣體包覆的銅絲的第1中心電極11和第2中心電極12包圍鐵淦氧板10，以使兩個(gè)中心電極按預(yù)定角度相互交叉。第1和第2中心電極11和12的一端接地。串聯(lián)電容器C21和C22分別串聯(lián)連接在第1中心電極11的另一端與輸入端之間，和串聯(lián)連接在第2中心電極12的另一端與輸出端之間。并聯(lián)電容器C11和C12分別并聯(lián)連接在第1中心電極11的另一端與地之間，和并聯(lián)連接在第2中心電極12的另一端與地之間。此外，電阻器R連在第1中心電極11的另一端與第2中心電極12的另一端之間。盡管該圖中沒畫，設(shè)有按與第1和第2中心電極11和12確定的回路平面平行的厚度方向給鐵淦氧板10加靜磁場的磁鐵。
圖2是構(gòu)成上述電路的隔離器的分解透視圖。這里，用包含涂有絕緣體的銅絲的第1和第2中心電極11和12每個(gè)繞鐵淦氧板10 1.5匝，構(gòu)成鐵淦氧體組件1。磁鐵3給鐵淦氧板10加靜磁場。上軛鐵2和下軛鐵4構(gòu)成部分磁路?；?有接地電極50，輸入端電極51和輸出端電極52形成在其頂表面上。這些電極中的某此電極伸過基片5的端表面到其底面的一部分。當(dāng)該隔離器表面安裝到電子裝置的印刷電路板上時(shí)它們作終端電極。C11,C12,C21和C22和R是構(gòu)成圖1所示分立的電容器和電阻器的片狀元件。它們中，C11,C12和R安裝在下軛鐵4上，而C21和C22安裝在基片5的頂面上。
圖3是組裝于圖2中所示元件狀態(tài)下的透視圖，其中，上軛鐵2和磁鐵3已從組件中去掉。如圖所示，下軛鐵4利用焊接或類似方法連接在襯底5的頂面上形成的接地電極50上。電容器C11和C12和鐵淦氧體組件1利用焊接或類似方法連接在下軛鐵4的頂面。電容器C11和C12是由設(shè)在其頂面和底面上的電極制成的片狀電容器。其底面上的電極焊到下軛鐵4的頂面。焊接鐵淦氧組件1的中心電極11和12中每一個(gè)的一端使其電連接到下軛鐵4的頂面。此外，中心電極11和12的另一端焊到電容器C11和C12的頂面上的對應(yīng)電極。而且，電阻器R的兩端的電極焊到電容器C11和C12的頂面的對應(yīng)電極。由于用絕緣體涂敷了圍繞鐵淦氧板10的中心電極11和12的圍繞部分，因此，中心電極之間和中心電極與下軛鐵4之間均是電絕緣的。
電極設(shè)在電容器C21和C22的頂面和底面上。底面上的電極焊到基片5的對應(yīng)的輸入端電極51和輸出端電極52。C21和C22頂面上電極經(jīng)焊絲W焊到C11和C12的頂面上對應(yīng)的電極上。
圖2中所示磁鐵3連接到上軛鐵2的頂板面。連接到該磁鐵3的上軛鐵2蓋住下軛鐵4，形成閉合磁路。
圖1和2所示鐵淦氧板10的尺寸是0.5mm×0.5mmm×0.3mm?；?的厚度是0.1mm，下軛鐵4的厚度是0.15mm，上軛鐵2厚度是0.15mm，中心電極11和12的直徑是0.05mm。
移動(dòng)通信系統(tǒng)中用的通信裝置，如移動(dòng)電話，市場要求隔離器的高度要減小到1.5mm或1.5mm以下，以便基本上減小裝置中隔離器所占的面積(體積)。因此，鑒于上述的結(jié)構(gòu)和每個(gè)元件的尺寸，高度應(yīng)在1.5mm或以下。保持除鐵淦氧板之外的每個(gè)元件的尺寸，而鐵淦氧板10變得較厚時(shí)，只要鐵淦氧板的厚度在1mm之內(nèi)，隔離器的總厚度能保持在1.5mm。因此，為了在有限體積內(nèi)盡可能增大鐵淦氧板的尺寸，鐵淦氧板應(yīng)是每邊長在1mm或1mm以下的直角平行六面體。
圖4A和4B是為了說明上述隔離器的工作原理的電路圖。
圖4A和4B中，箭頭指示在中心有11和12影響下的高頻磁場的方向?？紤]前向信號的傳送，由于在電阻器R兩端的相位和幅值都相同，如圖4A所示，因此，沒有電流流過電阻器R，以輸入端來的輸入信號能簡單地從輸出端輸出。
考慮到反向信號的反射，如圖4B所示，穿過鐵淦氧板10的高頻磁場的方向與圖4A所示情形相反。此后，在電阻器R的兩端之間產(chǎn)生相位相反的信號，其電功率消耗在電阻器R中。因此，理想的是沒有從輸入端來的信號輸出。從電路中去掉上述電阻器R時(shí)，電路起回轉(zhuǎn)器的作用。
實(shí)際上，信號按前向方向發(fā)送時(shí)，和信號按反方向輸入時(shí)，電阻器兩端之間的相位差的變化與中心電極11和12的相交角度和由于法拉第旋轉(zhuǎn)造成的極化平面的轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)。因此，外部磁場強(qiáng)度和中心電極11和12的相交角度設(shè)定成能達(dá)到低插入損耗和高的不可逆特性(隔離特性)為準(zhǔn)。加到鐵淦氧板的磁場強(qiáng)度范圍一般是0.09至0.17T范圍，由于法拉第旋轉(zhuǎn)的極化平面的旋轉(zhuǎn)角范圍是90°至100°的范圍內(nèi)時(shí)，就能得到低插入損耗和高的不可逆特性(隔離特性)。
為了具有以上功能，預(yù)先要求輸入/輸出阻抗與隔離器阻抗匹配。但是，當(dāng)鐵淦氧板大大減小到例如0.5mm×0.5mm×0.3mm時(shí)，而保持常規(guī)結(jié)構(gòu)，那么，中心電極的長度就會縮短，如上所述，中心電極的電感分量減小。因此，在期望頻率不能達(dá)到阻抗匹配。
如圖1和2所示，中心電極11和12圍繞鐵淦氧板10。即使用小的鐵淦氧板也大大增大了中心電極的電感，實(shí)現(xiàn)了寬的工作頻帶。但是，由于中心電極圍繞而使電量大大增大，有時(shí)只用匹配的并聯(lián)電容器也會使阻抗大于歸一化阻抗(50Ω)，而使其匹配。因此，如圖1和2所示，串聯(lián)電容器與輸入/輸出端串聯(lián)連接。
圖5A和5B是說明并聯(lián)電容器與串聯(lián)電容器之間阻抗匹配例的圖。圖5A表示中心電極的電感量較小的情形，圖5B表示中心電極的電感量較大的情形。任何一種情形下，組合阻抗沿并聯(lián)電容器連接的電納圓移動(dòng)，之后，組合阻抗沿串聯(lián)電容器連接的阻抗圓移動(dòng)，由此，把并聯(lián)電容器和串聯(lián)電容器的值設(shè)定為使組合阻抗最終與歸一化阻抗(50Ω)匹配。
因此，在兩端口隔離器中使用有兩個(gè)中心電極的回旋器，造成加到鐵淦氧板的靜磁場強(qiáng)度經(jīng)常改變，以使回旋器的相位旋轉(zhuǎn)角達(dá)到最優(yōu)。這使鐵淦氧板的導(dǎo)磁率改變，也改變了中心電極的電感量。甚至在該情況下，不改變中心電極的形狀等，但改變并聯(lián)電容器和串聯(lián)電容器的容量就能容易地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，這能容易設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)以達(dá)到上述的最優(yōu)化。
有并聯(lián)和串聯(lián)電容器這兩種電容器的阻抗匹配電路中，與只用一種并聯(lián)電容器的阻抗匹配電路相比，能大大減小電容器的容量，用單板電容器時(shí)，可減小它的尺寸。例如，繞在鐵淦氧板周圍的中心電極的電感量是19.8nH時(shí)，并聯(lián)電容器的容量是0.5至1.5pF，串聯(lián)電容器的容量是0.5至2.2pF。(用相對介電常數(shù)為110的介質(zhì)材料時(shí)，電容器厚0.17mm，寬0.45mm，長0.85mm或以下。因此，用1mm2或1mm2以下鐵淦氧板時(shí)，可使隔離器的尺寸達(dá)到3.5mm2或3.5mm2以下。
用電極層和介質(zhì)層交替疊置的疊層結(jié)構(gòu)制成的電狀電容器構(gòu)成上述的串聯(lián)電容器和并聯(lián)電容器。該情況下，由于片狀電容器還能進(jìn)一步小型化，甚至當(dāng)中心電極圍繞鐵磁體和中心電極的電感量過量增大時(shí)，只要把串聯(lián)或并聯(lián)電容器的容量設(shè)得更大，也容易達(dá)到阻抗匹配，這更容易使不可逆電路裝置整體小型化。
圖6A和6B是中心頻率設(shè)計(jì)成2.52GHz的上述隔離器的插入損耗和輸入阻抗的頻率特性曲線圖。圖6A表示頻率從2.02GHz變到3.02GHz時(shí)的發(fā)送特性S21和反射特性S12的損耗。圖6B表示輸入阻抗隨頻率變化的軌跡圖。因此，由于輸入/輸出阻抗匹配歸一化阻抗(50Ω)，因此得到了低插入損耗。
只用并聯(lián)電容器就能達(dá)到匹配的常規(guī)隔離器中，由于中心電極圍繞鐵淦氧板而使電感量極大增大時(shí)，由于高輸入阻抗導(dǎo)致了以下要說的不匹配，使插入損耗變壞。
圖10A和10B是上述隔離器的插入損耗和輸入阻抗的頻率特性圖。按與圖6A和6B相同的方式中心頻率設(shè)計(jì)成2.52GHz。圖10A表示頻率從2.02GHz變到3.02GHz時(shí)發(fā)送特性S21和反射特性S12的損耗。圖10B表示輸入阻抗隨頻率變化的軌跡。如圖所示，中心電極的電感量過量增大時(shí)，輸入/輸出阻抗增大，插入損耗在約-10dB處變得更壞。
另一方面，如圖5A和5B所示，用并聯(lián)和串聯(lián)電容器使阻抗匹配，可改善插入損耗達(dá)到-1.6dB，如圖6A和6B所示例。
之后將參見圖7A和7B說明例如通信裝置或信號測試電路的高頻電路裝置的構(gòu)成。
用上述各種隔離器，例如圖7A所示，隔離器設(shè)在如VCO(壓控例振蕩器)的振蕩器的振蕩輸出單元中，使得由連接到隔離器的輸出單元的發(fā)送電路反射的波與振蕩器無關(guān)。這就增大了振蕩器的振蕩穩(wěn)定性。
如圖7B所示，隔離器設(shè)在濾波器的輸入單元中，因此，隔離器用作匹配。這構(gòu)成恒定阻抗濾波器。在發(fā)送/接收電路單元中設(shè)這樣的電路構(gòu)成通信裝置。
上述的每個(gè)實(shí)施例中，用隔離器。但是，當(dāng)構(gòu)成回旋器(不可逆相位裝置)時(shí)隨回旋器兩個(gè)端口之間的發(fā)送方向不同而相位延遲特性不同，可省去實(shí)施例中的電阻R。
上述實(shí)施例中，盡管直線性中心電極圍繞鐵淦氧板，也可設(shè)形成中心電極圖形的薄片材料，使它疊在鐵淦氧板上或固定在兩個(gè)鐵淦氧板之間。
權(quán)利要求
1．不可逆電路裝置，包括第1和第2中心電極，它們相互交叉，它們中每一個(gè)有一端接地；鐵磁體，設(shè)在所述第1和第2中心電極附近；磁鐵，給所述鐵磁體供給靜磁場；串聯(lián)電容器，串聯(lián)連接在所述第1中心電極的另一端與輸入端之間；和串聯(lián)電容器，串聯(lián)連接在第2電極的另一端與輸出端之間；和并聯(lián)電容器，并聯(lián)連接在所述第1中心電極另一端與地之間，和并聯(lián)電容器，并聯(lián)連接在所述第2中心電極的另一端與地之間。
2．按權(quán)利要求1的不可逆電路裝置，其中，所述第1和第2中心電極圍繞所述鐵磁體。
3．按權(quán)利要求1或2的不可逆電路裝置，其中，所述第1和第2中心電極的相交角是在80°至100°范圍內(nèi)的預(yù)定角。
4．按權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的不可逆電路裝置，其中，所述鐵磁體是多邊板。
5．按權(quán)利要求1至4之一的不可逆電路裝置，其中，所述磁鐵是直角平行六面體。
6．按權(quán)利要求1至5之一的不可逆電路裝置，其中，所述第1和第2中心電極，所述鐵磁體和所述磁鐵裝在上軛鐵與下軛鐵之間；和所述上軛鐵和下軛鐵都接地。
7．高頻電路裝置，包括權(quán)利要求1至6之一所述的不可逆電路裝置。
全文摘要
不可逆電路裝置包括相互交叉的第1和第2中心電極,每個(gè)中心電極的一端接地,設(shè)在第1和第2中心電極附近的鐵磁體,供給鐵磁體靜磁場的磁鐵,串聯(lián)連接在第1中心電極另一端與輸入端之間的串聯(lián)電容器和串聯(lián)連接在第2中心電極的另一端與輸出端之間的串聯(lián)電容器,和并聯(lián)連接在第1中心電極另一端與地之間的并聯(lián)電容器和并聯(lián)連接在第2中心電極另一端與地之間的并聯(lián)電容器。
文檔編號H01P1/32GK1322032SQ0111651
公開日2001年11月14日 申請日期2001年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月25日
發(fā)明者岡田剛和, 新村悟, 牧野敏弘 申請人:株式會社村田制作所