CN1675851A - 用于补偿感应信号耦合单元中的低频磁场的装置和方法 - Google Patents

用于补偿感应信号耦合单元中的低频磁场的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于补偿感应信号耦合单元中的低频磁场的装置和方法。根据本发明，该耦合单元包括环绕导体的铁磁体芯(30)，低频电流(1)流过该导体，以便能向其中注入高频信号。该发明的特征在于它包括检测流过该导体的电流(1)或在该耦合单元中产生的磁场(3)，然后根据在上述检测过程中获得的值产生供给电流，以及将在该耦合单元中获得的供给电流通过低通滤波器(9)注入，以产生磁场(4)，该磁场与在上述耦合单元中由流过导体的电流(1)产生的磁场相等，方向相反，这样不用增加插入损耗就能避免磁芯(30)的饱和。一般情况下，该发明应用于要求将射频信号注入导体的通信系统，特别是用配电网作为传递手段的系统。

Description

用于补偿感应信号耦合单元中的低频磁场的装置和方法
技术领域
如本描述性说明书的标题所述，本发明涉及可以补偿在感应耦合单元中产生的低频磁场的方法和装置。
本发明优选地可用于通过感应耦合单元在配电网上注入高频信号，其目的在于将配电网上的高频信号的插入损耗降至最小，这样可以防止感应耦合单元中出现的磁饱和效应。
背景技术
在电信系统中，一旦在发射器中产生了信号，就必须把其注入到传递介质中，以便信号能够到达接收器。
进行注入的方式主要取决于所用的传递介质。
在把信号注入到配电网上的情况下，可以用感应耦合单元进行操作，这些耦合单元由放置在电源导体周围的电流变压器组成，并要在电源导体中感应信号。在这些情况中，操作基于的原理是：随着时间而变化的电流产生随着时间而变化的磁场，反之亦然。换句话说，所需要注入的射频(RP)电流在耦合单元的铁磁体芯内产生可变磁场(随时间而变化，因此其磁通量也随时间变化)，并且，此外，在导体周围的磁通量的变化也会其中感应与该变化成比例的电流。基于这个原理，就可以在由相同磁芯包围的导体之间感应信号。因为有强电流循环通过电源导体，并且因此电缆周围的磁场强度很大，这样问题就产生了：如果铁磁体芯被放置于电缆周围，磁芯就变成饱和的，并且不能再用于进行信号注入的功能。
在现有技术水平中，公知可以在磁路中包括气隙来克服这种效应，这样可使得磁路中的磁阻会大幅度增大，而磁通量则会大幅度减小。这就意味着信号的插入损耗会增大，而这种结果在通信应用中是不理想的，因为在通信应用中该损耗意味着通信系统范围的显著减小。
为了抵制这种效果，通常的做法是加长耦合单元，以便使其能尽量容纳更多的磁通量，但是这样会使耦合单元体积庞大，成本提高，这两种情况都不理想；这一阵子人们都综合考虑体积，气隙和插入损耗三者以寻求折中方案。
本发明使得在进行感应耦合时不会发生铁磁体芯的饱和，也没有额外的插入损耗发生。
发明内容
为了避免以上段落中所述缺点，本发明包括用于补偿在感应耦合单元中的低频磁场的方法，其中该耦合单元包括环绕导体的磁芯，低频电流流过该导体以便能向其中注入高频信号。
本发明的方法特征在于它公开了对流过导体的电流或在耦合单元中产生的磁场进行选择性地检测，以便检测之后能够根据检测所获得的值得到补偿电流，由向配电网发射高频信号的实际装置或自动由绕在耦合器上的绕组上的感应利用外部电源产生该注入电流。然后在该耦合单元中获得的该补偿电流的注入通过低通滤波器而产生，该低通滤波器对其要注入的高频信号提供高阻抗。
补偿电流的注入操作造成的结果是在感应耦合单元中，产生的磁场与由流过导体的电流产生的磁场相等，方向相反，这样不用增大要发射的所需信号的插入损耗就能在该感应耦合单元的磁芯中避免饱和，也因而获得最高的效率。
本发明被认为可以特别用于向有低频电流流过的配电网上发送高频信号。
在本发明的一个实施例中，在感应信号耦合单元的铁磁体芯中进行磁场的检测。把检测的磁场与参考信号相比较以得到补偿电流，这样磁场的测量信号就能与参考信号保持实际相等，其中所述参考信号在0与一个值之间，能够防止耦合单元饱和，即耦合单元的铁磁体芯内部的信号绝对不会超过它能承受的磁通密度的最高值。
在本发明的另一实施例中，通过测量在配电网中流过的电流进行检测。
通过置于感应信号耦合单元的铁磁体芯上的补偿绕组并经过低通滤波器进行所获得的补偿电流的注入，该低通滤波器为要注入的高频信号提供高阻抗。
在本发明的实施例中，通过置于独立于感应信号耦合单元的铁磁体芯上的绕组进行对流过导体的电流的测量。
本发明还公开了通过把绕组定位为绕在形成该耦合单元的铁磁体芯的双磁芯上的单绕组，可以同时进行检测、获得补偿电流以及注入所述电流。
本发明还涉及根据以上提及的方法运行的在感应信号耦合单元中的低频磁场补偿装置。为此本发明的该装置包括检测器，该检测器可以选择性地由检测流过导体的电流检测器构成或由检测在耦合单元中产生的磁场的检测器构成。
此外，本发明的装置还包括控制模块，利用该控制模块并根据在检测器中获得的值就可以计算并产生补偿电流。
由控制模块产生的电流通过置于该耦合单元的铁磁体芯上的补偿绕组并经过滤波器，被注入到导体中，该滤波器对高频提供高阻抗，以防止要注入的高频信号受到补偿电流的注入的影响。
补偿电流的注入在铁磁体芯中产生磁场，该磁场与由流过导体的电流产生的磁场相等，方向相反，这样在该感应耦合单元的磁芯中就能避免饱和，这样在向配电网上发射信号时就不用增大插入损耗，也因而获得最高的效率。
在本发明的实施例中，检测器由测量在耦合单元的铁磁体芯中的磁场的装置构成。把检测器提供的信号与最好是零的参考信号相比较，且应用于控制模块，以便后者产生补偿电流以获得等同于参考信号的检测器发出的信号。由控制模块产生的电流的注入经过低通滤波器并通过绕该感应信号耦合装置的铁磁体芯设置的补偿绕组来进行。
本发明的装置还公开了其包括绕在构成该耦合单元的铁磁体芯的双磁芯上的单绕组，以便可以同时进行检测、获得补偿电流以及注入该电流。
下面，为了帮助更好地理解本说明，也作为本说明的一部分，利用附图说明本发明的目的，但只是示意性的，并不是限制性的。
附图说明
图1用示意图的形式示出了现有技术的感应耦合器，其中铁氧体磁芯的饱和问题就会出现。
图2示出了本发明的装置的一个实施例，其为注入补偿电流进行磁场检测。
图3示出了本发明的装置的一个实施例，其中在导体中测定电流，补偿电流自动注入。
图4示出了本发明的装置的另一个实施例，其中在电缆中测定电流，补偿电流自动注入。
图5示出了本发明的装置的另一个实施例，其中如前一个图的情况一样，在导体中测定电流，补偿电流自动注入。
图6示出了本发明的装置的另一个实施例，其中通过单绕组同时进行检测，获得补偿电流以及注入该电流。
具体实施方式
以下参照这些图中的附图标记说明本发明的几个实施例。
本发明的实施例涉及将特定信号注入到配电网的导体上，该导体上有低频电流1流过，而且还要向该导体上注入高频信号。
以下根据图1，对现有技术存在的问题做一般性的说明。公知利用感应耦合器向有电流1流过的导体上注入确定的信号。为了该目的，该感应耦合器由环绕导体的铁磁体芯30构成，要向该导体上注入该信号，铁磁体芯30中还包括施加了电流2的绕组31，因而在铁磁体芯30中产生了磁场4，其又在导体中感应了电流。该装置的缺点是流过导体的电流1在铁磁体芯上还会产生磁场3，如果该磁场3高的话，就会出现铁磁体芯30的饱和，这样电流2就不能提高磁场的值，也因此不能在导体中感应电流，也就无法注入需要的信号。
为了克服该缺点，图2中示出了一个实施例，其中霍尔效应传感器5被安装在铁磁体芯30上，该传感器要求有外部电源才能起作用(图中未示出)。在这种情况下，流过导体的电流1以同样在铁磁体芯30上产生磁场3，由传感器5检测到该磁场，获得的信号被传输至低通滤波器6，其使获得的信号平稳。
被检测和过滤的信号的标号为20，其被传输至比较器32，该比较器又接收参考信号21，该比较器再被连接到控制模块7上，该控制模块计算并产生补偿电流，以保持信号20与参考信号21的值相等。该补偿电流经功率级8和射频扼流圈9被传输至设置在铁磁体芯30上的绕组33上，并在铁磁体芯30上产生与由电流1产生的磁场3相等、方向相反的磁场4，这样就补偿了磁场3，因而铁磁体芯30就不会饱和，这样在导体中感应电流2而没有额外的插入损耗。
通过射频扼流圈9，获得了低通滤波器，其阻止注入的信号产生的高频率通过。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，通过绕有线圈34的外部铁磁体芯11可以获得流过导体的电流1，其中，由电流1在铁磁体芯11中产生的磁场使得线圈34中也产生了上述电流1，该电流1经过射频扼流圈9到达绕组33，这样通过在前图的实施例中说明的方式就能产生该磁场的补偿磁场。
最后，图4和图5中示出了由电流1产生的磁场3的补偿磁场。所以，在图4中的实施例，公开了利用由双铁磁体芯16和17构成的两个感应耦合器，双铁磁体芯16和17形成铁磁体芯30。铁磁体芯16是个电源变压器，不适合用于射频，即它在低频时导磁率很高，而在高频时导磁率很低；而铁磁体芯17适合用于射频，即它在低频时导磁率很低，而在高频时导磁率很高。
在这种情况下，可以通过在该耦合器的双圈上定位绕组，同时进行检测和获得补偿电流。由流经电缆的电流产生的磁感应被绕组检测到，并在其中产生电流，该电流后来会起补偿作用。为此，可以安装n个线圈作为射频扼流圈18并且其包绕铁磁体芯16和17，这样每个绕组19中都可以产生较小的额定电流，以便所述电流补偿由流过导体的电流1感应的磁场。这样只在铁磁体芯16中感应出磁场3，在铁磁体芯17中感应出的磁场4防止上面提到的饱和的发生。
图5示出了另一个实施例，其中通过射频扼流圈15短接安装n个绕组。这种情况与前一个相同，但是其优点是减少了进行补偿所必需的扼流线圈的数目。
图6的另一个实施例示出了施行本发明的方法的装置。在该装置中，单绕组35绕在形成该耦合器的铁磁体芯30的双铁磁体芯16和17上。这种情况与图5中示出的情况相似，但是这种情况的优点是能够减少绕组的数目，并且没必要用扼流线圈进行补偿。通过利用上述的绕组35，可以同时进行检测和获得补偿电流。并且，因为该绕组在低频时阻抗很高，而在高频时阻抗很低，所以可以通过安装该绕组35而同时进行补偿电流的注入，这样就得到了一个低成本的解决方案。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其中该耦合单元包括环绕导体的铁磁体芯(30)，低频电流(1)流过导体，以在其中注入高频信号；其特征在于，其包括：
通过独立的铁磁体芯(16)和设置在该耦合单元上的补偿绕组(33)同时获得和注入补偿电流，这样就在该感应耦合单元中产生磁场，该磁场与由流过导体的电流(1)产生的磁场相等，方向相反，因而就能避免该感应耦合单元的磁芯中的饱和，以及
通过对要求的高频信号提供高阻抗的低通滤波器注入该补偿电流。
2.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，该导体是配电网。
3.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，补偿这样来进行，即，通过至少一个绕组(19)与射频扼流圈(18)串联，目的为对经过信号绕组(31)注入的信号(2)提供高阻抗。
4.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，补偿电流的获得和所述补偿电流的注入是通过在形成该耦合单元的铁磁体芯(30)的双芯(16)和(17)上定位单绕组的绕组(35)进行的。
5.用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其中该耦合单元包括适合用于射频的铁磁体芯，它在低频时导磁率很低，而在高频时导磁率很高，该铁磁体芯环绕低频电流(1)流过以注入高频信号的导体；其特征在于，其包括：
在低频时导磁率很高、而在高频时导磁率很低并在高的磁场强度下饱和的铁磁体芯(16)，以便能够由于流过导体的低频电流(1)获得磁通；以及
围绕芯(16)和(17)的补偿绕组(19)，通过该补偿绕组可同时获得低频电流，并使用该低频电流，其在铁磁体芯(17)中产生磁场的补偿，从而防止所述芯的磁饱和，所述补偿电路能表现出高阻抗低通滤波器效应，以阻碍需要的高频信号(2)经过该信号绕组(31)到达导体(1)。
6.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，低频电流(1)流过的导体是配电网。
7.根据权利要求5所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，围绕该耦合单元的芯(16)和(17)的补偿绕组由至少一个绕组(19)与射频扼流圈(18)串联形成，目的为对经过信号绕组(31)注入的信号(2)提供高阻抗。
8.根据权利要求5所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，其包括绕在构成该耦合单元的芯(30)的双芯(16)和(17)上的单绕组(35)，以便可以同时获得补偿电流和注入所述电流。

Claims (13)

1.用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其中该耦合单元包括环绕导体的铁磁体芯(30)，低频电流(1)流过导体，以在其中注入高频信号；其特征在于，其包括：
选择性地检测流经导体的电流(1)或在该耦合单元的铁磁体芯(30)中产生的磁场；
根据检测获得的值获得补偿电流；以及
通过对需要的高频信号提供高阻抗的低通滤波器(9)注入在该耦合单元中获得的补偿电流；
这样就能在该耦合单元的铁磁体芯(30)中产生磁场，该磁场与由在上述铁磁体芯(30)中的导体的电流产生的磁场相等，方向相反，这样不用增大插入损耗就能避免饱和。
2.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，该磁场的检测是在该耦合单元的铁磁体芯(30)中进行的。
3.根据权利要求2所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，把检测的磁场与参考信号(21)相比较，以得到该补偿电流；其中所述参考信号在0与一个值之间选择，其避免耦合单元的铁磁体芯内部的信号会超过它能承受的磁通密度的最高值。
4.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，该导体是配电网。
5.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，该获得电流的注入是通过耦合单元的铁磁体芯(30)上的补偿绕组(33)并经过对要求的信号提供高阻抗的低通滤波器(9)进行的。
6.根据权利要求5所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，通过独立于该耦合单元的铁磁体芯(30)定位的铁磁体芯(11)上的绕组(34)测量流过该导体的电流(1)。
7.根据权利要求1所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的方法，其特征在于，通过在形成该耦合单元的铁磁体芯(30)的双芯(16)和(17)上定位单绕组的绕组(35)，可以同时进行检测、获得补偿电流和注入所述电流。
8.用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其中该耦合单元包括环绕导体的铁磁体芯(30)，低频电流(1)流过导体，以注入高频信号；其特征在于，其包括：
选择性地检测流经该导体的电流或在该耦合单元中产生的磁场的检测器；
根据检测器获得的值计算并产生补偿电流的控制模块；
在铁磁体芯(30)上的补偿绕组(33)，用于注入该补偿电流并产生磁场，该磁场与由流过导体的电流(1)产生的磁场相等，方向相反；
高阻抗的低通滤波器，以避免要注入的信号受到该补偿电流的注入的影响。
9.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，该检测器包括测量在该耦合单元的铁磁体芯(30)内的磁场的磁场传感器(5)。
10.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，该检测器包括测量流过该导体的电流(1)的装置。
11.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，该补偿电流的注入是经过高阻抗的低通滤波器(9)且通过该耦合单元的铁磁体芯(30)上的补偿绕组(33)进行的。
12.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，低频电流(1)流过的该导体是配电网。
13.根据权利要求8所述的用于补偿在感应信号耦合单元中的低频磁场的装置，其特征在于，该装置包括绕在构成该耦合单元的铁磁体芯(30)的双芯(16)和(17)上的单绕组(35)，以便可以同时进行检测、获得补偿电流和注入所述电流。
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