DE69009040T2 - Durchstimmbarer monolithischer Breitbandinduktor. - Google Patents

Durchstimmbarer monolithischer Breitbandinduktor.

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Description

  • Ein Breitbandinduktor mit einem Kern aus einem dielektrischen Material, mit einem konisch zulaufenden Abschnitt, und einem elektrisch leitfähigen Draht, der zumindest um den konisch zulaufenden Abschnitt herumgewunden ist, um durchgehende Drahtspulen mit zunehmendem Durchmesser zu bilden.
  • Bei einem herkömmlichen, zylindrisch konstruierten Induktor erzeugt die Kapazität zwischen den Windungen in Verbindung mit den Einzelinduktivitäten einer jeden Spulenwindung viele Resonanzen über einen Frequenzbereich für den Induktor hinweg, wie es in dem Smith-Diagramm in Fig. 1 gezeigt ist. Das Smith-Diagramm ist eine kreisförmige Darstellung der Impedanz einer Übertragungsleitung, wie sie zum Beispiel durch einen Induktor gebildet wird, in Abhängigkeit der Ohmschen und der Blind- Komponenten über einen interessierenden Frequenzbereich. Die Schleifen im Smith-Diagramm treten bei Frequenzen auf, bei denen die parasitären Kapazitäten des Induktors Resonanzen mit den Spulenwindungen bilden. Existierende lnduktoren, die in den Hochfrequenzbereich hinein betrieben werden, verwenden die Technik der Schaltungssynthese, bei der ein kleiner Reiheninduktor zur Pufferung der parasitären Kapazitäten aus einem Induktor mit hohem Wert und niedriger Frequenz eingesetzt wird. Manchmal sind mehrere Induktoren in Reihe geschaltet, wobei jeder für eine schmales Frequenzband optimiert ist, wobei die Reihe von Induktoren einen äquivalenten Breitbandinduktor ergibt.
  • Eine herkömmliche variable Induktivitätenvorrichtung ist in der US-A-2,005,203 offenbart. Diese offenbarte Induktivitätenvorrichtung umfaßt eine konische Form aus einem isolierenden Material, auf dem eine Spule aufgewickelt ist. Auf diese Weise werden zusammenhängende Drahtspulen mit zunehmendem Durchmesser gebildet.
  • Außerdem ist in der US-A-2,442,776 eine NF-Drosselspule mit einem zusammenhängenden Leiter, der in Spiralen- sowie konischer Form gewickelt ist, beschrieben, wobei jede ihrer Spiralen in Längsrichtung von allen benachbarten Spiralen beabstandet ist, wobei ihre Spiralen von einem zum anderen Ende allmählich und gleichmäßig im Durchmesser zunehmen und die Beabstandung in Längsrichtung zwischen aufeinanderfolgenden Spiralen allmählich und gleichmäßig in derselben Richtung abnimmt, wodurch die Spule mit einer vollständigen und kontinuierlichen umhüllenden, isolierenden und versteifenden Schicht versehen ist.
  • Keine der beschriebenen Vorrichtungen ist über einen Frequenzbereich hinweg resonanzfrei.
  • Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den oben beschriebenen Breitbandinduktor zur Verfügung zu stellen, der eine Breitbandcharakteristik mit einem nur sehr geringen Grad an Resonanzen hat, eine geringe parasitäre Kapazität zeigt und gleichzeitig gegenüber Vibrationen gedämpft ist.
  • Dieses Problem wird für den oben erwähnten Breitbandinduktor dadurch gelöst, daß er in dem konischen Abschnitt eine Vorrichtung zur Befestigung des elektrisch leitfähigen Drahtes an dessen Spitze aufweist und daß der Kern des weiteren einen zylindrischen Abschnitt aufweist, der zusammenhängend mit der Basis des konischen Abschnittes verläuft und axial mit diesem ausgerichtet ist, wobei ein Basisabschnitt, der zusammenhängend mit dem zylindrischen Abschnitt verläuft, eine Vorrichtung zur Befestigung des Kerns an einer Leiterplatte aufweist; wobei die Kernbefestigungsvorrichtung ein Abstandselement aufweist; und eine Vorrichtung zum Verbinden eines Abstandselementes zwischen dem Basisabschnitt und der Leiterplatte, um den Breitbandinduktor fest an der Leiterplatte zu befestigen.
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen durchstimmbaren, monolithischen Breitbandinduktor einer konischen und zylindrischen Bauart mit geringen parasitären Kapazitäten und einem sehr geringen Grad von Resonanzen zur Verfügung. Der Kern eines dielektrischen Materials ist mit einem Schlitz in der Spitze versehen, um ein Ende eines elektrischen Drahtes zu befestigen, der um den Kern herum gewickelt werden soll. Der Draht wird in zusammenhängenden Windungen um den Kern herum gewickelt, um die gewünschte Induktivität zu erzielen. Auch eine Basis auf dem Kern stellt eine Vorrichtung zur Anordnung des Induktors auf einer Leiterplatte zur Verfügung, indem die Spitze des Induktors in eine durchgehende Öffnung in der Leiterplatte in der Nähe eine Leitung eingesetzt wird und der Induktor von Abstandselementen zwischen der Basis und der Leiterplatte abgestützt wird. Im Kern des Kerns kann ein Spulenkern angeordnet sein, um die Induktivität je nach Erfordernis durchzustimmen.
  • Diese sowie weitere Aufgaben, Vorteile und andere neuartige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Ansprüchen und Zeichnungen.
  • Fig. 1 zeigt ein Smith-Diagramm für einen zylindrisch gebauten Induktor aus dem Stand der Technik;
  • Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines durchstimmbaren, monolithischen Breitbandinduktors gemäß vorliegender Erfindung, der auf einer Leiterplatte montiert ist;
  • Fig. 3 ist eine Ansicht von unten auf einen Kern für den durchstimmbaren, monolithischen Breitbandinduktor gemäß Fig. 2;
  • Fig. 4 ist ein Smith-Diagramm für den durchstimmbaren, monolithischen Induktor gemäß vorliegender Erfindung.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Es wird nunmehr auf die Fign. 2 und 3 Bezug genommen, in denen ein durchstimmbarer, monolithischer Breitbandinduktor 10 einen Kern 11 mit einem konischen Abschnitt 12, einen zylindrischen Abschnitt 14, der mit dem konischen Abschnitt 12 zusammenhängt, und eine Basis 16, die mit dem zylindrischen Abschnitt 14 zusammenhängt, aufweist. Die Spitze 18 des konischen Abschnittes 12 hat eine durchgehende Öffnung oder einen Schlitz 20 zur Befestigung eines Endes eines Drahtes 22. Der Draht 22 wird um den Kern 11 in zusammenhängenden Windungen um den konischen Abschnitt 12 und einen angrenzenden Abschnitt des zylindrischen Abschnittes 14 gewunden, um eine gewünschte Gesamtinduktivität zu erzielen. Der Draht 22 ist über eine geeignete Maßnahme, wie Kleben, an dem Kern 11 befestigt. Eine axiale durchgehende Öffnung 24 in dem zylindrischen Abschnitt 14 durch die Basis 16 ist mit einem Gewinde versehen, um einen geeigneten Spulenkern zur Durchstimmung des Induktors 10 auf eine gewünschte Induktivität aufzunehmen, wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist. Der Kern 11 ist aus einem dielektrischen Material, beispielsweise Styrol. Die Basis 16 hat durchgehende Öf fnungen 26, die zur Befestigung des Induktors 10 auf einer Leiterplatte 28 dienen.
  • Der Induktor 10 wird auf der Leiterplatte 28 befestigt, indem die Spitze 18 in eine geeignete durchgehende Öffnung 30 in der Leiterplatte 28 eingesetzt wird. Abstandselemente 32 werden zwischen die Basis 16 und die Leiterplatte 28 eingefügt und geeignete Vorrichtungen, wie Muttern und Bolzen oder Schrauben, werden durch die Basisöffnungen 26 und Abstandselemente 32 eingesetzt, um den Induktor 10 an der Leiterplatte 28 zu befestigen. Ein kurzes Ende des Drahtes 22 von der Spitze 18 ist elektrisch mit einer leitenden Leitung 34 auf der Leiterplatte 28 verbunden, und ein langes Ende des Drahtes 22 von dem zylindrischen Abschnitt 14 ist elektrisch über eine herkömmliche Maßnahme wie Löten an einer anderen leitenden Leitung 34 angeschlossen.
  • Die konische Bauart ergibt eine sehr geringe Induktivität und daher eine sehr geringe Kapazität zwischen den Windungen an der Spitze 18, was eine hohe Impedanz bei sehr hoher Frequenz, beispielsweise 6-10 Gigahertz, ergibt. Bei allmählicher Zunahme des Durchmessers der Spulenwindungen verringert sich die mit einer hohen Tmpedanz einhergehende Frequenz. Bei sehr niedrigen Frequenzen verhält sich der Induktor 10 wie ein idealer Induktor, d.h. die Blind-Komponente der Impedanz nimmt bei abnehmender Frequenz linear ab. Das Ergebnis ist ein Breitbandinduktor mit sehr geringen parasitären Querkapazitäten bei hoher Frequenz, und der daher in der Lage ist, eine hohe Impedanz bei sehr hoher Frequenz zu liefern. Theoretisch ist bei einer Punktspitze und einem unendlich schmalen Draht die Frequenzobergrenze unendlich. Die theoretische Grenze jedoch wird durch den für eine bestimmte Schaltungsanwendung erforderlichen Strombetrag beschränkt, welcher wiederum den minimalen Drahtdurchmesser und die kleinstmögliche erste Windung bestimmt.
  • Fig. 4 ist ein Smith-Diagramm für den Induktor 10 über einen Frequenzbereich von 45 MHz bis 6 GHz. Bei 4,124175 GHz, was durch die Markierung #1 angezeigt wird, ist die Ohmsche Komponente der Impedanz 230 Ohm, während die Blind-Komponente -772 Ohm ist, im Vergleich zu 15 und 70 Ohm für den herkömmlichen zylindrischen Induktor aus Fig. 1 bei ungefähr derselben Frequenz, die ebenfalls durch die Markierung #1 gekennzeichnet ist. Die Gesamtinduktivität der Spulenwindungen bestimmt die untere Grenzfrequenz und der Durchmesser der ersten Spulenwindung, die durch die Größe des Drahtes begrenzt ist, bestimmt die höchste Grenzfrequenz.
  • Anwendungsbeispiele für den Induktor 10 sind Vorspann-T-Verstärker und Verstärker mit aufgespaltenem Pfad, die ein LC- Frequenzweichen-Netzwerk verwenden. Bei dem Vorspann-T-Verstärker wird der Induktor zum Einleiten eines Gleichstrom-Vorspannungssignals verwendet, bei hohen Frequenzen jedoch wird vom Induktor verlangt, eine hohe Impedanz zu repräsentieren, so daß die Wechselstromsignale durch die parasitären Querkapazitäten des Induktors nicht beeinträchtigt werden. Bei dem Verstärker mit aufgespaltenem Pfad wird das Frequenzweichen-Netzwerk, das einen Induktor und einen Kondensator hat, dazu verwendet, ein Signal aus bzw. in hohe(n) und niedrige(n) Frequenzen zu kombinieren/aufzuspalten. Wenn der Induktor wie eine niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen wirkt, dann werden die Hochfrequenzsignale, die durch den Kondensator wechselstromgekoppelt werden, von dem herkömmlichen Induktor geladen, was eine Gesamt-Signalverschlechterung ergibt. Der konische Induktor 10 stellt jedoch eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen bereit, so daß die Hochfrequenzsignale nicht von dem Induktor geladen werden, was die Signalleistung verbessert.
  • Somit stellt die vorliegende Erfindung einen durchstimmbaren, monolithischen Breitbandinduktor mit einem konischen Aufbau zur Verfügung, um niedrige parasitäre Kapazitäten zu ergeben und hohe Impedanzen über einen weiten Frequenzbereich ohne nennenswerte Mengen an Resonanzen bereitzustellen, und die gegenüber Vibrationen höchst unempfindlich sind.

Claims (3)

1. Breitbandinduktor (10) umfassend einen Kern (11) aus einem dielektrischen Material, mit einem konisch zulaufenden Abschnitt (12) und einem elektrisch leitfähigen Draht (22), der unter Bildung zusammenhängender Drahtspulen mit zunehmendem Durchmesser mindestens um den konisch verlaufenden Abschnitt (12) herumgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der konisch verlaufende Abschnitt (12) eine Einrichtung (20) zum Befestigen des elektrisch leitfähigen Drahtes (22) an dessen Spitze (18) umfaßt, und daß der Kern (11) des weiteren einen zylindrischen Abschnitt (14) umfaßt, der an die Basis des konisch verlaufenden Abschnittes (12) grenzt und axial mit diesem konischen Abschnitt (12) ausgerichtet ist, einen Basisabschnitt (16), der an den zylindrischen Abschnitt (14) grenzt und eine Vorrichtung zur Befestigung des Kerns (11) an einer Leiterplatte (28) aufweist; wobei die (Kern-) Befestigungsvorrichtung ein Abstandselement (32) umfaßt; sowie eine Vorrichtung zum Befestigen des Abstandselementes (32) zwischen dem Basisabschnitt (16) und der Leiterplatte (28), um den Breitbandinduktor (10) fest an der Leiterplatte (28) zu befestigen.
2. Breitbandinduktor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vorrichtung zum Durchstimmen der Induktivität.
3. Breitbandinduktor nach Anspruch 2, wobei die Durchstimmvorrichtung einen Spulenkern aus magnetischem Material umfaßt, das innerhalb eines Hohlraumes (24) entlang der Achse des Kerns (11) einstellbar ist.
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