DE102007017837A1

DE102007017837A1 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines YIG Resonators

Info

Publication number: DE102007017837A1
Application number: DE102007017837A
Authority: DE
Inventors: Michael Fischlein; Michael WÖHRLE
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: DE102007017837B4; DE102007017837A8

Abstract

Gegenstand dieser Erfindung ist eine Vorrichtung (1) zur Stabilisierung der Stromversorgung oder der Spannungsversorgung einer Magnetspule (23) für zumindest einen ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Resonator (3) in einem Filter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) umfasst zumindest eine Sonde (4) zur Detektion eines im Filterkörper (2) des Filters herrschenden Magnetfelds (5), die zusammen mit dem Resonator (3) bzw. der Resonatorengruppe (3, 3a, 3b, 3c) baulich im Filterkörper (2) integriert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Stromversorgung oder der Spannungsversorgung einer Magnetspule für zumindest einen ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Resonator, insbesondere einen YIG Resonators.
Ferromagnetische bzw. ferrimagnetische Resonatoren dienen z. B. in Spektrumanalysatoren als Filter zur Unterdrückung eines unerwünschten Spiegelsignals bei der Abwärtsmischung im Mikrowellen-Empfangsteil, wobei über einen sehr weiten Frequenzbereich eine gute Spiegelfrequenzunterdrückung zeitoptimiert einstellbar sein soll.
In der japanischen Publikation JP-A 42 74 601 ist eine magnetisch durchstimmbare Schaltung zur Erzeugung einer Resonanz beschrieben, wobei störende, negative Einflüsse durch Temperaturschwankungen, Hystereseeffekte und durch mechanische Schwingungen auf ein Minimum reduziert werden, indem die Schaltung einen Rückkopplungszweig aufweist. Die in der JP-A 42 74 601 beschriebene magnetisch durchstimmbare Schaltung ist so beschaffen, dass ein mit einer Hallsonde gemessenes Spannungssignal einer Steuerung des Rückkopplungszweigs zugeführt wird, welche eine Regeldifferenz bestimmt und einem Addierer zuführt. Der Addierer erzeugt ein Steuersignal, indem die Regeldifferenz von seinem Ansteuersignal subtrahiert wird. Dieses Steuersignal wird nach einem Messabgleich einem Spulentreiber zugeschaltet. Das abgeglichene Steuersignal regelt den Spulentreiber, wobei der entsprechend geregelte Strom einem Elektromagneten zugeführt wird.
Der Nachteil an der in der JP-A 42 74 601 beschriebenen magnetisch durchstimmbaren Schaltung ist, dass die Hallsonde bezüglich des YIG-Körpers zentriert angeordnet ist und sich in dem Hauptfeld des vom Elektromagneten erzeugten magnetischen Feldes zwischen den Polen des Elektromagneten befindet. Für die Reduktion der Empfindlichkeit ist zusätzlicher Aufwand nötig. Außerdem wird nicht die Magnetfeldstärke in dem Filterkörper gemessen, der dort gar nicht vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Vorrichtung anzugeben, deren Sonde zur Messung des Magnetfeldes eine reduzierte Empfindlichkeit aufweist, wobei mittels der Sonde gleichzeitig eine zügige und genaue magnetische Durchstimmung eines an die Vorrichtung angeschlossenen Filters gewährleistet sein soll und trotz reduzierter Empfindlichkeit eine möglichst genaue Aussage über das Magnetfeld am Ort der Resonatoren getroffen werden soll.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung sind Gegenstand der hierauf rückbezogen Unteransprüche.
So umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stabilisierung der Stromversorgung oder der Spannungsversorgung einer Magnetspule für zumindest einen ferromagnetischen Resonator oder einen ferrimagnetischen Resonator in einem Filter zumindest eine Sonde zur quantitativen Bestimmung bzw. zur Detektion eines im Filterkörper des Filters herrschenden Magnetfelds. Dabei sind der ferromagnetische bzw. der ferrimagnetische Resonator und die Sonde gemeinsam im Filterkörper des Filters erfindungsgemäß baulich integriert.
Mehrere im Filterkörper des Filters integrierte Sonden haben den Vorteil, dass das Magnetfeld mit höherer Genauigkeit bestimmt wird, was sich wiederum vorteilhaft auf die Strom- bzw. Spannungsstabilisierung auswirkt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Stabilisierung des angelegten Magnetfelds im Hinblick auf seinen stationären Betrieb mittels einer geregelten bzw. stabilisierten Stromversorgung oder mittels einer geregelten bzw. stabilisierten Spannungsversorgung der Magnetspule.
Des weiteren ist es von Vorteil, dass die baulich integrierte Sonde in einer Ausnehmung des Filterkörpers angeordnet ist, wobei diese Ausnehmung im Filterkörper in einer näheren Umgebung einer den oder die Resonatoren enthaltenden Resonatorkammer vorgesehen ist. Dadurch, dass die im Filterkörper angeordnete Sonde radial versetzt zu einer Längsachse bzw. zu der Symmetrieachse des Filterkörpers angeordnet ist, befindet sich die Sonde nicht im Hauptmagnetfeld, sondern im Streufeld, so dass auch eine Sonde mit einer hohen Messempfindlichkeit eingesetzt werden kann, da das magnetische Streufeld verglichen mit dem Hauptmagnetfeld eine geringere Feldstärke aufweist, wobei sein Betrag dennoch direkt proportional zum Hauptmagnetfeld des felderzeugenden Magneten ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht eine Verstelleinrichtung vor, welche den Drehwinkel α zwischen der Richtung des Hauptmagnetfelds bzw. der magnetischen Induktion, welche der Richtung der Flächennormalen der Sonde in ihrer Ausgangsposition entspricht, und der Flächennormalen der gekippten bzw. der gedrehten Sonde präzise einstellt und arretiert. Vorteilhafterweise ist der oben definierte Drehwinkel α der Sonde stets kleiner als 90°, so dass auch starke Magnetfelder durch eine entsprechende Herabsetzung der Messempfindlichkeit zuverlässig und mit einer für die Stabilisierung hinreichenden Genauigkeit gemessen werden.
Zudem ist es von Vorteil, dass die Sonde eine Hallsonde ist, welche ein Metallplättchen aufweist, dessen Flächennormale eine gut handhabbare Referenz zur Einstellung des Drehwinkels α darstellt.
Zweckmäßigerweise ist die Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als integrierter Schaltkreis realisiert, so dass sie auch für andere Anwendungen zum Erzeugen eines stationären Magnetfelds bzw. zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einem definierten und stabilisierten Betrag und zur Minimierung von störenden Hystereseeffekten flexibel anwendbar ist.
An einem Signaleingang der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorzugsweise ein Differenzverstärker zur Gleichtaktunterdrückung vorgesehen, wobei das differenzielle analoge Signal vorteilhafterweise ein günstigeres Signal/Rausch-Verhältnis als ein massebezogenes unsymmetrisches analoges Signal hat.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass ein Regelverstärker in Serie zum Differenzverstärker vorgesehen ist. Insbesondere ist dies von Vorteil bei der magnetischen Durchstimmung von Filtern im Hochfrequenzbereich, da das gewünschte Magnetfeld bzw. die gewünschte Mittenfrequenz des Filters mit dieser Regelung zeitoptimiert und zügig eingestellt werden kann, ohne dass ungünstige Einflüsse durch Hysterese bei der Durchstimmung durch eine aufwendige Zusatzschaltung kompensiert werden müssen. Vorteilhafterweise ist der Regelverstärker ein zweiter Operationsverstärker.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der nicht-invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, wobei dessen Ausgang ein gegentaktunterdrücktes Signal liefert. Zudem ist vorzugsweise der invertierende Eingang des Regelverstärkers als Steuereingang mit der Sonde verbunden, wobei die Sonde eine Spannung liefert, die eine Steuergröße und ein Maß für den Betrag des im Filterkörper herrschenden Magnetfelds ist, welches von dem eine Magnetspule aufweisenden Elektromagneten erzeugt wird. Vorteilhafterweise ist die mittels der Sonde gemessene Spannung, welche als Steuergröße über einen Steuereingang der Regelung bzw. dem Regelverstärker zugeführt wird, direkt proportional zur magnetischen Induktion bzw. zum Magnetfeld zwischen den beiden Polen des Elektromagneten. Durch diese direkte Messung einer unmittelbar mit dem Magnetfeld zusammenhängenden Größe haben Hystereseeffekte keinen Einfluss mehr auf die Strom/Spannungsversorgung der Magnetspule.
Des weiteren ist es von Vorteil, dass die Regelung mittels des Regelverstärkers einen zeitlich konstanten Strom in der Magnetspule und somit ein zeitlich konstantes Magnetfeld im Filterkörper selbst einstellt. Außerdem ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise ein FET-Transistor als Treiber vorgesehen.
In zweckmäßigerweise Weiterbildung ist statt einem Regelverstärker eine Kaskade aus Regelverstärkern in Serie zum Differenzverstärker vorgesehen, wobei die Kaskade aus zumindest zwei seriell angeordneten Regelverstärkern bzw. Operationsverstärkern besteht. Dadurch ist es möglich, die Regelung eines Filters feiner bzw. noch zeitoptimierter zu gestalten.
Ferner ist es von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung die durch magnetische Eigenschaften des Elektromagneten bedingten Hystereseeffekte für die Stabilisierung der Magnetspule kompensiert bzw. eliminiert, wobei die aufgrund der Vorgeschichte verbliebene Restmagnetisierung bei der Regelung des Magnetfelds bzw. der magnetischen Induktion über die Strom/Spannungsversorgung der Magnetspule nun vorteilhafterweise vernachlässigbar ist.
Da in den Filtern Feldstärken von 1T oder mehr auftreten, ist es nötig, die Empfindlichkeit der Sonde zu reduzieren. Vorteilhafterweise geschieht dies dadurch, dass die Sonde nicht im Hauptmagnetfeld, sondern in dem Streumagnetfeld angeordnet ist.
Zudem ist es von Vorteil, dass die Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer genügend großen Ausnehmung des Filterkörpers angeordnet ist, so dass die Sonde darin mittels einer Verstelleinrichtung kontrolliert gekippt werden kann, was die Messempfindlichkeit der Sonde reduziert, da die Vektorkomponente des einwirkenden Magnetfeldes senkrecht zur Oberfläche der Sonde durch das Kippen der Sonde verkleinert wird.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird besonders ausgeführt im anschließenden Teil dieser Beschreibung. Sowohl die Struktur als auch die Betriebsweise der Erfindung sowie deren weitere Vorteile und Aufgaben sind am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet werden.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strom/Spannungsstabilisierung einer Magnetspule für ein Filter als schematische Darstellung der zugrundeliegenden Schaltung;
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strom/Spannungsstabilisierung einer Magnetspule für ein Filter als schematische Darstellung der zugrundeliegenden Schaltung;
3 zeigt eine schematische Anordnung der Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem magnetischen Streufeld;
4 zeigt einen Filterkörper mit zwei Ausnehmungen zur baulichen Integration der Sonde;
5 zeigt die nachteiligen Auswirkungen der Hysterese für ein herkömmliches YIG-Filter und
6 zeigt die Anwendung des Filterkörpers der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Spalt zwischen zwei Polen eines Elektromagneten.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Stabilisierung eines Resonators 3 oder einer Gruppe von Resonatoren 3, 3a, 3b, 3c als schematische Darstellung der zugrundeliegenden Schaltung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bewirkt eine Stabilisierung einer Stromversorgung einer Magnetspule 23 für ein Filter mit zumindest einem in einem Filterkörper 2 angeordneten ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Resonator 3, insbesondere YIG-Resonator. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst zumindest eine Sonde 4 zur Bestimmung bzw. zur Detektion eines im Filterkörper 2 herrschenden Magnetfelds 5, wobei die Sonde 4 und der Resonator 3 bzw. die Resonatoren 3a, 3b, 3c erfindungsgemäß gemeinsam in dem Filterkörper 2 angeordnet sind bzw. in diesem integriert sind.
Die bauliche Integration der Sonde 4 ist in einer Ausnehmung 6 des Filterkörpers 2 für den Resonator 3 bzw. die Resonatoren 3, 3a, 3b, 3c vorgesehen, wobei die Ausnehmung 6 in einer näheren Umgebung je einer Resonatorkammer 7 vorgesehen ist, die den Resonator 3 oder jeweils einen der Resonatoren 3, 3a, 3b, 3c enthält.
Dabei ist die im Filterkörper 2 angeordnete Sonde 4 radial versetzt zu einer Längsachse 9 des Filterkörpers 2 angeordnet, so dass die Sonde 4 wegen ihrer relativ zur Längsachse 9 radial verschobenen Anordnung nicht das Hauptmagnetfeld erfasst, sondern in seinem Streufeld 5b platziert ist und dieses erfasst. Die Längsachse 9 des Filterkörpers 2 ist gleichzeitig seine Symmetrieachse im Hinblick auf eine rotationssymmetrische Gestaltung des Filterkörpers 2, der mit den Resonatoren 3, 3a, 3b und 3d in 2 dargestellt ist.
Die Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist bevorzugt als integrierter Schaltkreis realisiert, der ohne großen Aufwand auch in unterschiedliche Filterkörper 2 eingebaut werden könnte.
Die Schaltung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sieht vor, dass an einem Signaleingangs 11 ein Differenzverstärker 12 zur Gleichtaktunterdrückung angeschlossen ist, wobei der Differenzverstärker 12 ein erster Operationsverstärker 13 mit einem nicht-invertierenden Eingang 14, mit einem invertierenden Eingang 15 und mit einem durch externe Beschaltung 16 gegengekoppelten Ausgang 17 ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Regelverstärker 18, der in Serie zum Differenzverstärker 12 geschaltet ist, wobei der Regelverstärker 18 ein zweiter Operationsverstärker 19 ist, der ebenfalls einen nicht-invertierenden Eingang 14a, einen invertierendem Eingang 14b und einen Ausgang 17a hat.
Der nicht-invertierende Eingang 14a des Regelverstärkers 18 bzw. des zweiten Operationsverstärkers 19 ist mit dem gegengekoppelten Ausgang 17 des Differenzverstärkers 12 bzw. des ersten Operationsverstärkers 13 verbunden. Der invertierende Eingang 15a des Regelverstärkers 18 bzw. des zweiten Operationsverstärkers 19 hat die Funktion eines Steuereingangs 20 und ist mit der Sonde 4 verbunden, wobei die Sonde 4 als Steuergröße eine Spannung U_H liefert, welche ein Maß für den Betrag des im Filterkörper 2 herrschenden Magnetfelds 5, insbesondere des magnetischen Streufeldes 5b ist, welches in seinem Betrag geringer ist als das Hauptmagnetfeld 5a.
Der Ausgang 17a des Regelverstärkers 18 bzw. des zweiten Operationsverstärkers 19 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist mit einem Treiber 21 verbunden, wobei der Treiber 21 bevorzugt ein FET-Transistor 22 ist, der einen ansteuerbaren Gateanschluss G und einen Drainanschluss D sowie einen Sourceanschluss S hat, welcher mit einem Bezugspotential (Masse) 38 verbunden ist. Der Drainanschluss D des FET-Transistors 22 bzw. des Teibers 21 ist über einen Widerstand 28 mit einer Magnetspule 23 verbunden.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Strom/Spannungsstabilisierung der Magnetspule 23 für ein Filter als schematische Darstellung der zugrundeliegenden Schaltung. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist eine Kaskade 24 aus zumindest zwei seriell geschalteten Regelverstärkern 18a, 18b in Serie zum Differenzverstärker 12 vorgesehen, wobei die zumindest zwei Regelverstärker 18a, 18b der Kaskade 24 als zweiter Operationsverstärker 19a und dritter Operationsverstärker 19b realisiert sind.
Der zweite Operationsverstärker 19a, welcher Bestandteil der Kaskade 24 ist, weist einen nicht-invertierenden Eingang 25a, einen invertierendem Eingang 26a und einen Ausgang 27a auf, wobei sein nicht-invertierender Eingang 25a mit dem gegengekoppelten Ausgang 17 des Differenzverstärkers 12 bzw. des ersten Operationsverstärkers 13 verbunden ist.
Der invertierende Eingang 26a des zweiten Operationsverstärkers 19a, der Bestandteil der Kaskade 24 ist, greift an dem Konten K den Spannungsabfall an einem Widerstand 29 ab, der in Serie zu dem Treiber 21a angeordnet ist. Der Ausgang 27a des zweiten Operationsverstärkers 18a ist im zweiten Ausführungsbeispiel mit dem nicht-invertierenden Eingang 25b des dritten Operationsverstärkers 18b verbunden.
Der invertierende Eingang 26b des dritten Operationsverstärkers 18b dient als Steuereingang 20 und ist mit der Sonde 4 verbunden, wobei die Sonde 4 als Steuergröße eine Spannung U_H liefert, welche ein Maß für den Betrag des im Filterkörper 2 herrschenden Magnetfelds, insbesondere des Streufelds ist.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang 27b des dritten Operationsverstärkers 18b mit dem Treiber 21a verbunden, welcher über den seriellen Widerstand 29 mit dem Bezugspotential 38 verbunden ist. Der Treiber 21a ist bevorzugt ein FET-Transistor 22, mit einem ansteuerbaren Gateanschluss G, einem Drainanschluss D und einem Sourceanschluss S, wobei der Drainanschluss D entweder direkt oder über einen Widerstand 28 mit einer Magnetspule 23 verbunden ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird eine im einzelnen noch genauer zu beschreibende Regelung des von der Magnetspule 23 erzeugten Magnetfeldes mittels der Sonde bzw. des Sensors 4 mit einer Stromregelung kombiniert. Die Stromregelung erfolgt mit dem Regelverstärker 18a. Der invertierende Eingang 26a greift die über dem Widerstand 29 abfallende Spannung an dem Knoten K ab. Die Spannung, die an den seriell zu dem Treiber 21 und seriell zu der Magnetspule 23 angeordneten niederohmigen Widerstand 29 abfällt, ist proportional zu dem von der Magnetspule 23 durchgeflossenen Strom I. Da das von der Magnetspule 23 erzeugte Magnetfeld abgesehen von dem noch zu beschreibenden Hystereseeffekt und abgesehen von einem Temperatureffekt in erster Näherung proportional zu dem durchflossenen Strom I ist, erlaubt die Regelung mit dem ersten Regelverstärker 18a eine Grobregelung des Magnetfeldes. Mittels des Sensors bzw. der Sonde 4 erfolgt dann mit dem nachgeschalteten Regelverstärker 18b eine Feinregelung in Abhängigkeit von dem mit dem unmittelbar in den Filterkörper 2 angeordneten Sensor 4 gemessenen Magnetfeld.
3 zeigt die Sonde 4 in ihrer schematischen Anordnung in einem magnetischen Streufeld 5b, die Magnetspule 23 und den Jochkörper 33. Im Spalt 31 des mit der Magnetspule 23 magnetisierten Jochkörpers 33, tritt eine magnetische Induktion B auf, die mit einer magnetischen Feldstärke H einen hysteresebehafteten Zusammenhang aufweist, wobei die magnetische Induktion B bzw. Flussdichte direkt mittels einer Hallsonde 42 gemessen wird und die gemessene Spannung, d. h. die Hallspannung U_H, direkt proportional zur magnetischen Induktion B ist. Diese wiederum ist direkt proportional zur Mittenfrequenz des Filters. Dabei ist es wichtig, dass die magnetische Induktion B während des Messvorgangs zeitlich konstant ist, da die eingestellte Mittenfrequenz sonst unerwünschten Schwankungen unterliegt. Insbesondere wirken sich Temperaturschwankungen und die Hysterese der einzustellenden magnetischen Induktion B aufgrund des historischen Verlaufs (fallend oder steigend) des vorliegenden Magnetfelds H auf die einzustellende Mittenfrequenz aus.
Durch das Messen der magnetischen Induktion 41 z. B. mittels der Hallsonde 42 werden die für den Messvorgang störenden Hystereseeffekte minimiert, so dass ein unnötiges und zeitintensives Verstellen des Stromes auf einen definierten Startpunkt (z. B. maximaler oder negativer maximaler Wert) zum Zweck des Durchlaufens der Hysteresekurve in einer definierten und vorher festgelegten Richtung entfällt.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt des aus einem massiven nichtmagnetischen Metall gefertigten Filterkörpers 2 mit zwei Ausnehmungen 6 zur baulichen Integration der Sonde 4. Die Ausnehmungen 6, welche im Ausführungsbeispiel im Querschnitt entweder z. B. rund, abgerundet oder langlochförmig sind, sind auf der Höhe der Resonatorkammer 7 angeordnet, welche symmetrisch zu der in die Zeichenebene hinein verlaufenden Längsachse 9 im Zentrum des Filterkörpers 2 angeordnet ist. Diese Ausnehmungen 6 sind – von einer Draufsicht auf den Querschnitt durch die Resonatorkammer 7 betrachtet – senkrecht zur Ausnehmung für die Einkopplungsleitung 34 bzw. senkrecht zur Ausnehmung für die Auskopplungsleitung 35 angeordnet, wobei sie jeweils zwischen zwei im Querschnitt ellipsenförmigen Ausnehmungen für die Stelleinrichtungen 36 liegen, welche zur mechanischen bzw. magnetischen Ausrichtung der Resonatoren 3, 3a, 3b, 3c dienen.
Mit den beiden Ausnehmungen 6 sind jeweils radiale Schlitze 37 verbunden, die zusammen mit den Ausnehmungen 6 beim schnellen Durchstimmen des Filters die im Filterkörper 2 induzierten Wirbelströme unterdrücken. Ferner ist am Filterkörper 2 eine bevorzugte Verstelleinrichtung 40 vorgesehen, die die Sonde 4 kontrolliert um einen Drehwinkel α bzgl. einer senkrecht zur Längsachse 9 des Filterkörpers 2 stehenden Achse verstellt und arretiert.
5 zeigt die nachteiligen Auswirkungen der Hysterese für ein herkömmliches YIG-Filter zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und ihrer Vorteile im Zusammenhang mit der Anwendung für stabilisierte YIG-Filter in komplexen elektronischen Messgeräten, wie Spektrumanalysatoren, Netzwerkanalysatoren oder ähnlichen Messgeräten.
In der 5 ist der S-Parameter S₁₂ in Abhängigkeit von der einfallenden Frequenz f dargestellt, wobei die dargestellte Kurve einer YIG-Filterhysterese entspricht, die mit einem Netzwerkanalysator aufgenommen wurde. Für das Regeln der Mittenfrequenz des YIG-Filters über den Strom in der Magnetspule 23 hat das Hystereseverhalten des magnetisierbaren Materials des Jochkörpers 33 im Elektromagneten 32 einen störenden Einfluss, da die Vorgeschichte, d. h. ob der Magnetisierungsprozess ausgehend von einer hohen Magnetisierung oder ausgehend von einer kleinen Magnetisierung durchlaufen ist, sich in störender Weise auf die Mittenfrequenz des Filters auswirkt.
Beispielsweise ist das Filter zunächst bei einer tiefen Mittenfrequenz f₁ korrekt eingestellt. Nun wird das Filter auf eine höhere Mittenfrequenz f₂ (in 5 nicht dargestellt) verstellt, wobei auch diese Mittenfrequenz f₂ korrekt eingestellt ist. Anschließend wird die Mittenfrequenz des Filters wieder auf die tiefere Mittenfrequenz f₁ eingestellt. Obwohl der Strom der Magnetspule entsprechend der korrekten Einstellung der Mittenfrequenz f₁ gewählt wurden, wird die gewünschte Mittenfrequenz f₁ aufgrund der Hysterese des Jochmaterials nun nicht mehr getroffen. Statt f₁ ist nun f ~1 die eingestellte Mittenfrequenz. Dadurch ist eine Messung mit dem so eingestellten Filter mit einer großen Messungenauigkeit behaftet.
Um dem oben beschriebenen Nachteil abzuhelfen, beinhalten herkömmliche Filter das zeitaufwendige und komplizierte Verfahren immer von einer definierten Sättigungsmagentisierung (z. B. maximaler positiver oder negativer Strom) auszugehen. Ein Frequenzwechsel ist dabei aber sehr zeitaufwendig. Auf dieses zeitaufwendige und komplizierte Verfahren kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 verzichtet werden, wobei gleichzeitig die störenden Einflüsse durch Hysterese minimiert bzw. kompensiert sind und das Filter mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr schnell und mit hinreichender Genauigkeit auf eine neue Mittenfrequenz einstellbar ist.
6 zeigt die Gesamtkonfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. In einem Spalt 31 zwischen zwei Polen 39 eines Elektromagneten 32 ist in schematischer Darstellung der Filterkörper 2 angeordnet. Der dargestellte Elektromagnet 32 wird mittels der stromdurchflossenen Magnetspule 23 betrieben und erzeugt in dem Spalt 31 zwischen den beiden Polen 39 eine magnetische Induktion 41 bzw. magnetische Flussdichte B, welche hauptsächlich parallel zu einer Symmetrieachse 9a dieser Anordnung gerichtet ist. Zwischen den beiden Polen 39 wird der Filterkörper 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 so angeordnet, dass die magnetische Induktion 41 auf die Resonatoren 3, 3a, die sich in den schematisch angedeuteten Resonatorkammern 7 befinden, einwirkt.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird der Strom I in der Magnetspule 23 dahingehend geregelt, dass die magnetische Induktion 41 bzw. Flussdichte B im Spalt 31 stationär ist und bei einer Durchstimmung des Filters keinen Schwankungen aufgrund von Hysterseeffekten unterworfen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, insbesondere nicht auf eine zeitoptimierte Regelung bzw. Stabilisierung eines magnetisch durchstimmbaren Filters beschränkt, sondern eignet sich auch zur Stabilisierung eines Magnetfelds beziehungsweise eines Spulenstroms in anderen Anwendungen. Alle vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 4274601 A [0003, 0003, 0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Stabilisierung der Stromversorgung oder der Spannungsversorgung einer Magnetspule (23) für ein Filter mit zumindest einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Resonator (3), wobei die Vorrichtung (1) zumindest eine Sonde (4) zur Detektion eines von der Magnetspule (23) erzeugten Magnetfelds (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine ferromagnetische oder ferrimagnetische Resonator (3) und die Sonde (4) gemeinsam in einem Filterkörper (2) des Filters angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Filterkörper (2) angeordnete Sonde (4) in einer Ausnehmung (6) des Filterkörpers (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (6) im Filterkörper (2) in einer näheren Umgebung zumindest einer Resonatorkammer (7) vorgesehen ist, wobei jede Resonatorkammer (7) einen Resonator (3) oder mehrere Resonatoren (3, 3a, 3b, 3c) enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Filterkörper (2) angeordnete Sonde (4) radial versetzt zu einer der Symmetrieachse des Filterkörpers (2) entsprechenden Längsachse (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausgangsposition der im Filterkörper (2) angeordneten Sonde (4) die Sonde (4) mit ihrer Flächennormalen (8) parallel zu der Längsachse (9) des Filterkörpers (2) angeordnet ist, wobei zwischen der Längsachse (9) des Filterkörpers (2) und der Flächennormalen (8) der Sonde (4) ein definierter Abstand vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (4) bezüglich einer Achse (43), die senkrecht zu dem auf den Filterkörper (2) wirkenden Magnetfeld (41) steht, um einen Drehwinkel α in dem Filterkörper (2) drehbar bzw. kippbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (4) eine Hallsonde (42) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Signaleingang (11) der Vorrichtung (1) ein Differenzverstärker (12) zur Gleichtaktunterdrückung eines Eingangs-Stellsignals vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (12) ein erster Operationsverstärker (13) mit einem nicht-invertierenden Eingang (14), mit einem invertierenden Eingang (15), und mit einem durch eine externe Beschaltung (16) gegengekoppelten Ausgang (17) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelverstärker (18) in Serie zum Differenzverstärker (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelverstärker (18) ein zweiter Operationsverstärker (19) ist, der einen nicht-invertierenden Eingang (14a), einen invertierenden Eingang (15a) und einen Ausgang (17a) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-invertierende Eingang (14a) des Regelverstärkers (18) mit dem Ausgang (17) des Differenzverstärkers (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang (15a) des Regelverstärkers (18) als Steuereingang (20) mit der Sonde (42) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (42) als Steuergröße am Steuereingang (20) eine Spannung (U_h) liefert, welche ein Maß für den Betrag des im Filterkörper (2) herrschenden Magnetfelds (5) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (17a) des Regelverstärkers (18) mit einem Treiber (21) verbunden ist, welcher zur Steuerung der Stromversorgung bzw. der Spannungsversorgung der Magnetspule (23) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (21) ein FET-Transistor (22) ist, mit einem über den Ausgang (17a) des Regelverstärkers (18) ansteuerbaren Gateanschluss (G) und einem Drainanschluss (D) und einem Sourceanschluss (S), wobei der Drainanschluss (D) über einen Widerstand (28) mit der Magnetspule (23) und der Sourceanschluss (S) mit einem Bezugspotential (38) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kaskade (24) aus mehreren Regelverstärkern (18a, 18b) in Serie zu dem Differenzverstärker (12) geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaskade (24) aus zwei seriell angeordneten Regelverstärkern (18a, 18b) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Regelverstärker (18a, 18b) der Kaskade (24) als zweiter Operationsverstärker (19a) und als dritter Operationsverstärker (19b) realisiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Operationsverstärker (19a) und der dritte Operationsverstärker (19b) jeweils einen nicht- invertierenden Eingang (25a, 25b), einen invertierenden Eingang (26a, 26b) und einen Ausgang (27a, 27b) aufweisen, dass der nicht-invertierende Eingang (25a) des zweiten Operationsverstärkers (19a) mit dem Ausgang (17) des Differenzverstärkers (12) verbunden ist und dass der Ausgang (27) des zweiten Operationsverstärkers (19a) mit dem nicht-invertierenden Eingang (25a) des dritten Operationsverstärkers (19b) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang (26a) des zweiten Operationsverstärkers (19a) über einen Widerstand (29) mit einem Bezugspotential (38) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (4) eine Hallsonde (42) ist und dass der invertierende Eingang (26b) des dritten Operationsverstärkers (19b) als Steuereingang (20) mit der Hallsonde (42) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsonde (4) als Steuergröße am Steuereingang (20) eine Spannung (U_h) liefert, welche ein Maß für den Betrag des im Filterkörper (2) herrschenden Magnetfelds (5) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (27b) des dritten Operationsverstärkers (19b) mit einem Treiber (21a) verbunden ist, der mit einem ersten Widerstand (29) in Serie geschaltet ist und dass der invertierende Eingang (26a) des zweiten Operationsverstärkers (19a) mit einem Knoten (K) zwischen dem Treiber (21a) und dem ersten Widerstand (29) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Treiber (21a) ein FET-Transistor (22) ist, mit einem ansteuerbaren Gateanschluss (G), einem Drainanschluss (D) und einem Sourceanschluss (S), wobei der Drainanschluss (D) über einen zweiten Widerstand (28) oder direkt mit der Magnetspule (23) und der Sourceanschluss (S) mit einem Bezugspotential (38) über den Konten (K) und den ersten Widerstand (29) verbunden ist.