CN111886661A - 感应元件和高频滤波器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有平面导体线路结构的感应元件。所述平面导体线路结构沿着预定片段被铁磁芯包围。为了有针对性地控制在所述平面导体线路结构内的电流流动以及特别是在所述平面导体线路结构的横截面中的电流密度，在此在所述铁磁芯中有针对性地设置间隙。所述铁磁芯中的间隙在此布置在所述平面导体线路结构上方和/或下方的区域中。

Description

感应元件和高频滤波器设备

技术领域

本发明涉及一种感应元件。本发明还涉及一种具有这种感应元件的高频滤波器设备。

背景技术

在电子电路中，为高电流和高频率设计的电感通常被实现为分立元件，然后被固定焊接在印刷电路板上。在优化过程中，也希望为了感应元件将铜层形式的绕组直接集成在印刷电路板上。

文献WO 2004/030001 A1公开了一种用于印刷电路板的高频扼流圈，该高频扼流圈具有电感和并联连接的欧姆电阻。在该文献中，可以由曲折的导体线路来实现所述电感。

在使用高频的应用中，由于所谓的集肤效应，具有增加的频率的电流仅在电导体的边缘区域中流动。因此，正是在用于高频应用的印刷电路中，只有导体线路的边缘区域可用于电流流动。

发明内容

本发明公开了一种具有权利要求1的特征的感应元件以及具有权利要求10的特征的高频滤波器设备。

因此设置了：

具有平面导体线路结构和铁磁芯的感应元件。所述平面导体线路结构具有上侧和与所述上侧相对的下侧。所述铁磁芯围绕所述平面导体线路结构布置。特别地，所述铁磁芯在所述平面导体线路结构的上侧和/或下侧的区域中包括至少一个间隙。

优选地，所述平面导体线路结构具有纵向伸展，该纵向伸展指向流过平面导体线路结构的期望电流流动的方向。所述平面导体线路结构优选地具有横向伸展，该横向伸展垂直于流过所述平面导体线路结构的期望电流流动的方向取向。所述铁磁芯的横截面的对角线垂直于所述期望电流流动的方向取向。因此，优选地为管状或环状的所述铁磁芯至少部分地沿着所述平面导体线路结构的纵向伸展而围绕所述平面导体线路结构布置。在本说明书中，术语“管状”或“环状”优选除了矩形或多边形横截面之外还包括圆形或椭圆形横截面。

还设置：

具有根据本发明的感应元件的高频滤波器设备。

本发明的优点

本发明基于以下认识：在高频电流流过电导体时，由于集肤效应，电流流动更多地仅在所述电导体的外部区域中发生。此外，本发明基于以下认识：具有气隙的磁芯由于所述气隙所引起的磁场不均匀分布同样会在电导体内部引起部分电流位移。

因此，本发明基于以下思想：考虑该认识并创建用于感应元件的装置，该感应元件对于高频电流也具有高载流能力。为此，形成了由平面电导体和围绕所述电导体的铁磁芯构成的装置，其中由于所述铁磁芯中的间隙而引起的电流位移效应抵消了由于集肤效应引起的电流位移效应。由此使得可以正好在平面导体线路结构的情况下将电流流动分布在所述电导体的横截面的大范围上。通过这种方式，可以增加平面电导体的载流能力。

在此，作为平面导体线路结构首先可以理解为具有垂直于预期的电流流动方向的横截面的任何类型的导体线路结构，其中在一个方向上的伸展明显大于在垂直于所述一个方向的另一方向上的伸展。特别地，两个伸展之间的差异在此可以是至少一个数量级或更大。作为平面导体线路结构例如可以理解为在印刷电路板衬底上的印刷导体线路结构。例如，可以将诸如铜等的导电材料施加在所述印刷电路板衬底上，该材料根据期望的导体线路结构延伸。然而，此外，平面导体线路结构也可以理解为任何其他平面导体线路结构。特别地，所述平面导体线路结构在此不必一定施加在整个载体衬底上。原则上也可能的是，仅部分地、例如在支撑点处承载所述平面导体线路结构。

在简单的情况下，所述平面导体线路结构可以例如由线性延伸的平面导电元件组成。然而，此外，所述平面导体线路结构也可以由具有任意数量的两个或更多绕组的线圈状导体线路结构形成。如将在下面更详细地描述的，各个绕组在此例如可以并排地或叠加地延伸。这些的组合也是可能的。

所述平面导体线路结构的上侧和下侧在此特别是应理解为导体线路结构的以下侧面，所述侧面在垂直于期望电流流动的方向上具有较大、特别是最大的伸展。所述导体线路结构的上侧与所述导体线路结构的下侧相对地布置。在导体线路结构的横截面例如为矩形的情况下，所述导体线路结构的上侧和下侧可以分别借助于两个侧面彼此连接。

所述平面导体线路结构沿着预定片段被所述铁磁芯包围。所述铁磁芯可以至少近似完全包围所述平面导体线路结构。然而，在此所述铁磁芯在其周边上具有一个或多个间隙。所述一个或多个间隙特别是布置在所述平面导体线路结构的上侧和/或下侧的区域中。在上侧或下侧的“区域中”这一表述应理解为可以垂直于所述上侧或所述下侧延伸的虚拟线也穿过这样的间隙。因此，在所述平面导体线路结构的上侧或下侧的区域中的这种间隙明确地不同于布置在平面导体线路结构侧向上的间隙。根据本发明的感应元件的铁磁芯优选地在所述平面导体线路结构的侧表面的区域中不包括任何这样的侧向间隙。

所述铁磁芯可以由任何铁磁材料形成。这种铁磁材料是已知的，因此在此不再详细解释。

如下面将更详细讲述的，所述铁磁芯中的间隙可以是气隙或至少部分被电介质材料填充的间隙。

在此，所述铁磁芯在所述平面导体线路结构的上侧区域中和下侧区域中均可以具有间隙。特别地，可以使一个或多个间隙在所述平面导体线路结构的上侧区域中和所述导体线路结构的下侧区域中的布置相同或至少近似相同。然而，此外在所述平面导体线路结构的上侧或下侧的区域中具有一个或多个间隙的根本不同的实施也是可能的。

根据一个实施方式，所述铁磁芯包括多个间隙。特别是在上侧区域和下侧区域中可以分别设置多个间隙。各个间隙例如可以分别具有相同的间隙宽度。此外，各个间隙的间隙宽度也可以根据其他要求而变化。通过布置多个间隙，特别是可以调节磁通量，所述磁通量进一步改善了所述平面导体线路结构内的电流流动的均匀分布。

根据一个实施方式，平面导体线路结构可以包括多个平行延伸的导体线路。这些平行延伸的各个导体线路中的每一个同样可以具有平面结构，其中这种导体线路结构在一个空间方向上的横截面明显大于在垂直于所述一个空间方向延伸的空间方向上的横截面。在此，通过使用多个导体线路，特别是可以实现感应元件的增大的电感。

根据一个实施方式，所述平面导体线路结构包括多个叠加布置的导体线路。在此，表述“叠加”应被理解为每个导体线路的下侧和相邻导体线路的上侧有间距地彼此对置。各个导体线路可以例如借助于电绝缘的衬底彼此间隔开。通过这种方式，可以实现具有多个绕组的线圈装置。根据一个实施方式，所述平面导体线路结构可以包括多个共面的导体线路。在这样的共面布置中，多个、特别是多个平行延伸的导体线路布置在共同的平面中。例如，各个导体线路可以布置在共同的载体衬底上。可以理解，如上所述的多个共面布置的导体线路的布置和多个叠加布置的导体线路的布置也可以彼此组合。

根据一个实施方式，特别是在多个导体线路共面布置的情况下，在每个导体线路的上侧和/或下侧的区域中布置至少一个间隙。通过这种方式，对于所述导体线路结构的每个导体线路，可以实现在相应导体线路内的尽可能均匀的电流分布。

根据一个实施方式，所述铁磁芯的至少一个间隙可以至少部分地填充有电介质填充材料。特别地，所述铁磁芯中的所有间隙也可以用相同的填充材料填充。但是，各个间隙也可以使用不同的填充材料。通过使用合适的填充材料，可以影响磁通量并且因此可以控制所述平面导体线路结构内的电流分布。此外，通过使用填充材料也可以机械地稳定所述装置、特别是所述磁芯。

根据一个实施方式，所述铁磁芯在到间隙的过渡中包括倒圆的边缘。通过使所述铁磁芯中的边缘倒圆，特别是通过在间隙区域中使用倒圆的边缘，同样可以影响磁场并因此影响所述平面导体线路结构内的电流分布。

根据一个实施方式，所述磁芯在所述平面导体线路结构的上侧和/或下侧的区域中包括具有铁磁粉末颗粒的材料。通过部分使用这种铁磁粉末颗粒，同样可以影响磁通量。特别地，具有这种铁磁颗粒的磁芯也被称为粉末芯或具有所谓的分布式气隙的芯。

根据一个实施方式，所述感应元件包括载体衬底。特别地，所述平面导体线路结构的下侧和/或上侧可以与电介质载体衬底连接。例如，电介质载体衬底可以是用于印刷电路的印刷电路板衬底。由此，例如可以特别简单地实现平面导体线路结构。特别地，具有多个载体衬底和/或多个平面导体线路结构的多层结构也是可能的。

只要有意义，上述设计和扩展可以任意相互组合。本发明的其他设计、扩展和实现还包括以上或以下关于实施例描述的本发明特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员在此还将添加各个方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

附图说明

下面基于附图的各个示意图中所讲述的实施方式更详细地解释本发明。在此：

图1示出了根据一个实施方式的感应元件的横截面的示意图；

图2示出了根据另一个实施方式的感应元件的横截面的示意图；

图3示出了根据又一个实施方式的感应元件的横截面的示意图；

图4示出了根据一个实施方式的感应元件的部分区域的横截面的示意图；

图5a，5b示出了根据另一个实施方式的感应元件的透视图；和

图6示出了常规元件的横截面的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，相同或相似的元件由相同的附图标记表示。此外，只要有意义，以下描述的实施方式可以任意彼此组合。

图6示出了用于感应元件的装置的横截面。导电导体线路结构110施加在载体衬底130上。例如，它可以是印刷电路板衬底上的印刷的导体线路。导体线路结构110的高度h在此明显小于导体线路结构110的宽度b。导体线路结构110被应当形成磁芯的两个半壳120包围。由于连续的载体衬底130，由两个半壳120形成的芯在位置121处中断。因此，所述磁芯在每个位置121处具有间隙，所述间隙增加了该区域中的磁场强度。

在根据图6所示的装置的情况下，由于所述磁芯中的间隙的位置121，磁场线的走向导致在导体线路110中朝向导体线路结构110的边缘的电流位移。

此外，如果高频电流流过电导体110，则电流流动也移动到电导体110的边缘区域中。由此显著减小了最大载流能力。

图1示出了根据一个实施方式的感应元件1的横截面的示意图。感应元件1包括平面导体线路结构10和铁磁芯20。在此，平面导体线路结构10的横截面的高度h明显小于所述平面导体线路结构的宽度b。宽度b指向平面导体线路结构10的横向伸展的方向。特别地，宽度b可以比高度h大多于一个数量级，也就是高度h的10倍。沿着导体线路结构10的纵向伸展的方向上的预定片段，平面导体线路结构10被铁磁芯20包围。铁磁芯20可以由任何铁磁材料形成。

平面导体线路结构10特别是具有上侧11和与上侧11相对的下侧12。上侧11和下侧12由具有较大尺寸的侧面形成，因此在这种情况下是明显大于高度h的宽度b。导体线路结构10可以例如由任何导电材料（例如铜）形成。例如，平面导体线路结构10可以被实现为印刷电路的导体线路结构。然而，此外，任何其他平面导体线路结构都是可能的。

在预定片段中包围平面导体线路结构10的铁磁芯20具有至少一个间隙21。一个或多个间隙21在此布置在上侧11和/或下侧12的区域A中。这被理解为例如垂直于上侧11或下侧12的虚拟假想线V穿过对应的间隙21。例如，这种虚拟线在图1中作为虚线V示出。

与图6不同，感应元件1在此在侧表面的区域B中（即在将上侧11和下侧12彼此连接的表面的区域中）明确地没有间隙。

通过平面导体线路结构10的上侧11或下侧12的区域A中的间隙21，导致磁场走向中的不均匀，所述不均匀可能影响流过平面导体线路结构10的电流流动。特别地，由于磁场中的这些不均匀，迫使电流至少部分地从边缘向平面导体线路结构10的中心的方向流动。特别是在高频信号的情况下，这抵消了可能出现的集肤效应，由此迫使电流流到外侧。因此，通过有针对性的定位和设置铁磁芯20中的间隙21，可以在平面导体线路结构10中实现也在平面导体线路结构10的内部区域中进行的电流流动。特别地，电流流动可以从边缘区域移动到平面导体线路结构10的内部区域中。通过这种方式，可以增加平面导体线路结构10的载流能力。

如有必要，可以用电介质填充材料22填充铁磁芯20的间隙21。通过选择合适的电介质填充材料22，同样可以影响磁场线的走向，并因此影响平面导体线路结构10内的电流分布。如果在铁磁芯20中存在多个间隙21，则各个间隙21可以用相同的填充材料22填充，或者必要时也可以使用不同的电介质填充材料22来填充各个间隙21。

此外，铁磁芯20的边缘可以在到间隙21的过渡区域中倒圆。

图2示出了根据另一实施方式的感应元件1的横截面的示意图。图2所示的实施方式与上述实施方式的不同之处特别是在于，代替在平面导体线路结构10的上侧11或下侧12的区域A中的单个间隙21，现在设置多个间隙21。但是，这里示出的四个间隙的数量只是任意示例。此外，在平面导体线路结构10的上侧和/或下侧上的任何其他数量的间隙21也是可能的。此外，还应注意，在上侧11的区域和下侧12的区域中都可以安置如这里所示的间隙21。但是原则上也可以仅在上侧11的区域中或者替代地仅在下侧12的区域中设置间隙21。

图3示出了根据又一实施方式的感应元件1的横截面的示意图。这里示出的实施例与上述实施例的不同之处特别是在于，平面导体线路结构10布置在电绝缘的载体衬底30上。特别地，平面导体线路结构10的一侧，这里特别是平面导体线路结构10的下侧12，与载体衬底30的一侧连接。

除了这里示出的平面导体线路结构10的实施方式之外，具有多个导体线路的装置也是可以的。例如，在载体衬底30的两个相对侧上可以分别布置平面导体线路。此外，例如具有多个载体衬底30和必要时多个平面导体线路的层结构也是可能的。必要时，也可以将多个导体线路作为平面导体线路结构10并排地布置在载体衬底30上。

图4示出了根据另一实施方式的感应元件1的一部分的示意图。从这里所示的实施例中可以看出，平面导体线路结构10包括多个单独的导体线路10-i。这些单独的导体线路10-i例如可以叠加地布置。在此上下文中，“叠加地”是指例如每个导体线路10-1的下侧指向相邻导体线路10-1的上侧。此外，导体线路结构10的各个导体线路10-i也可以具有不同的尺寸。例如，上部的两个导体线路10-1和10-2的宽度小于布置在下面的导体线路10-3和10-4的宽度。此外，也可以将多个导体线路10-i在共同的平面中并排地布置。通过这种方式，例如可以实现共面的导体线路装置10。

如在根据图4的示例中也可以看出的，间隙21的宽度d1，d2可以变化。例如，可以根据相应的导体线路结构10来适配间隙21的宽度d1，d2。从而例如对于较大数量的导体线路10-i或被期望较高电流密度的导体线路10-i，可以选择较大的间隙宽度d1，而对于较少数量的导体线路10-i或较小的期望电流密度可以设置较小的间隙宽度d2。此外，例如间隙21的数量也可以对应于导体线路结构10的配置在宽度上变化。通过这种方式，铁磁芯20中的间隙21的密度可以根据平面导体线路结构10的特性而变化。

图5a和5b示出了根据一个实施方式的感应元件1的透视图。在此在部分图像5a中，示出了平面导体线路结构10。平面导体线路结构10在此具有多个绕组。此外在部分图像5b中还示出了平面导体线路结构10如何被铁磁芯20包围。铁磁芯20可以具有例如与平面导体线路结构10的走向相对应的一个或多个间隙21。通过这种方式，可以有针对性地影响在平面导体线路结构10内的电流流动的走向。因此，在该实施例中，对应于导体线路结构10的环形走向，铁磁芯20的间隙21同样被实施为环形。

上述感应元件1例如可以用作高频滤波器设备的感应滤波器元件。为此，上述感应元件1必要时可以与其他元件组合，例如欧姆电阻和/或电容元件。

总之，本发明涉及具有平面导体线路结构的感应元件。所述平面导体线路结构沿着预定片段被铁磁芯包围。为了有针对性地控制在所述平面导体线路结构内的电流流动以及特别是在所述平面导体线路结构的横截面中的电流密度，在此在所述铁磁芯中有针对性地设置间隙。所述铁磁芯中的间隙在此布置在所述平面导体线路结构上方和/或下方的区域中。

Claims (10)

1.一种感应元件（1），具有：

平面导体线路结构（10），所述平面导体线路结构包括上侧（11）和下侧（12），其中所述上侧（11）与所述下侧（12）相对地布置，以及

铁磁芯（20），所述铁磁芯围绕所述平面导体线路结构（10）布置，

其中所述铁磁芯（20）在所述平面导体线路结构（10）的上侧（11）和/或下侧（12）的区域（A）中包括至少一个间隙（21）。

2.根据权利要求1所述的感应元件（1），其中，所述铁磁芯（20）包括多个间隙（21），所述多个间隙布置在所述平面导体线路结构（10）的上侧（11）和/或下侧（12）的区域（A）中。

3.根据权利要求1或2所述的感应元件（1），其中，所述平面导体线路结构（10）包括多个平行延伸的导体线路（10-i）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的感应元件（1），其中，所述平面导体线路结构（10）包括多个叠加布置的导体线路（10-i）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的感应元件（1），其中，所述平面导体线路结构（10）包括多个共面的导体线路（10-i），并且其中，在每个导体线路（10-i）的上侧（11）和/或下侧（12）的区域（A）中布置至少一个间隙（21）。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的感应元件（1），其中，所述铁磁芯（20）的至少一个间隙（21）至少部分地填充有电介质填充材料（22）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的感应元件（1），其中，所述铁磁芯（20）在到所述间隙（21）的过渡处包括倒圆的边缘。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的感应元件（1），其中，所述磁芯（20）在所述平面导体线路结构（10）的上侧（11）和/或下侧（12）的区域中包括具有铁磁粉末颗粒的材料。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的感应元件（1），具有载体衬底（30），

其中，所述平面导体线路结构（10）的下侧（11）和/或上侧（12）布置在所述载体衬底（30）上。

10.一种高频滤波器设备，具有根据权利要求1至9中任一项所述的感应元件（1）。

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