JP2011510489A - 電気的可変誘導子、関連する同調フィルター及び方法 - Google Patents

Abstract

電気的に同調可能な誘導的装置（10）は、変化可能な静止した磁場を生成するために対向する磁極を定めるように協働する電磁石コア（14）及びバイアス又は同調コイル（16）を含む。誘導子（30）は、その可変磁場に基づいており、トロイダル形状を持ち、電磁石の対向する磁極に隣り合う位置に固定された誘導子コアを含み、誘導子又は信号コイル（34）がその誘導子コアの少なくとも1部分の周りを巻きつける。電磁石コアは、馬蹄の形を定める1対の対向する脚（40、42）及びそれらの間に湾曲部分（44）を含む。誘導子コアは、電磁石コアの対向する脚（40、42）の端部（18、20）の間に配置されてもよく、同調コイル（16）が、電磁石コアの湾曲部分を取り囲んでもよい。電気的に同調可能な誘導的装置は、同調可能なRFフィルターに役立つ、高精度、高速及び高電力操作の組み合わせを有する。

Description

本発明は、無線通信の分野に関し、さらに具体的には、誘導子、可変誘導子、同調及び高周波可変フィルター及び関連する方法に関する。

可変誘導子又は可変キャパシタなどの様々なリアクター又は様々なリアクタンスの電子部品は、無線電子工学における同調（周波数変更）において重要である。それらは、機械的又は電子的に変更され、小信号から大信号及び電源制御アプリケーションまでの様々な電力レベルを取り扱うために求められる。それらは、オーディオ信号から無線周波数スペクトル（RFスペクトル）の極度な上限までの、部品が利用可能である如何なる周波数において適用されてもよい。

誘導子は、RF回路における様々な目的に使用される基本的な電磁部品である。誘導子ンスの大きい誘導子は、通常、バルクの誘電性又は強磁性コアの周りに巻き付けられたワイヤを含み、共振回路、フィルター、トランス、及び他の装置に使用される。高周波誘導子は、通常、空気又はフェリ磁性コアを持つらせん状のコイルである。フェリ磁性コア物質は、実質的に高周波数及びマイクロ波周波数に対して非導電性である一方、強磁性コア物質は、一般的に低周波数に対しては導電性金属物質である。

可変リアクターは、バイアス可能な媒体を含んでもよく、それは、導電性、誘電性、又は磁性であってよい。この1例は、可変容量又はバラクター・ダイオードにおいて達成されるように、半導体媒体における電荷の分離である。この装置において、媒体は半導体であり、バイアスは、それに印加されるDC電位である。バラクター・ダイオードは、RF回路における電子的同調において広まっている、安価な方法である。それにもかかわらず、それらの使用は、例えばそれらが、電圧の限度によって高い高周波電力レベルに適していないなど、いくつかの同調要件に対して限られており、いくつかの場合において可変誘導子が必要である。

例えば、Abramovに発行された米国特許第6,005,467号（特許文献１）は、相隔たれたリード端子を持つ支持基板、リード端子間に伸びる軸の周りに巻きを形成する複数のターンの連続的経路において、その基板上に搭載された導電性メンバーによって定められるコイル、及び、該巻きのうち１つの巻きの選択的な含有及び除外を可能にするためのコイルの、少なくとも２つの隣り合う巻きの間に伸び、電気接続されている導電性短絡メンバーを含むトリム可能な誘導子に向けられている。誘導子をトリムするために、その導電体又は短絡メンバーは切断される。

また、Goldbergに発行された米国特許第5,450,052号（特許文献２）は、「Magnetically Variable Inductor for High PowerAudio and Radio Applications」と題する。当該特許は、高電力、磁性コアを中に持つソレノイドを含む高周波アプリケーションに対する磁気的可変誘導子を開示しており、該誘導子は、高電力、高周波、及びそのソレノイドを通る電流の操作が導電体に対して可変誘導子ンスをもたらすように、そのソレノイドに結合された可変電流源を搬送するために、導電体の周りに同軸で配置されている。

機械的誘導子は、地磁気変化計、可動式フェリ磁性スラグ、又は「ローラー」のタップに関してらせんが回転するタイプのローラーを含む。非機械的な電気的可変誘導子の選択は、さらに限定されてもよい。同調可能な誘導子に関する現在の最新技術は、一般的に、例えば：高精度、高速及び低電力操作を有する地磁気変化計で固定された誘導子の組み合わせ；大きさがかさばり、粗雑な精度、中速を有し、高電力操作を提供できるリレー；及び、大きさがかさばり、高精度、低速及び高電力操作を提供するモーター駆動タイプ；を含む。しかし、高精度、高速及び高電力操作の組み合わせは利用可能でない。

実用的なサイズ及び構造の、高いQ／効率を持ち、高精度、高速及び高電力操作の特徴を持つ電気的可変の、調整可能又は同調可能な誘導子に対する必要性が存在する。そのような同調可能な誘導子は、アンテナ・プリセレクター及び／又はポストセレクターとして使用されてもよく、特に迅速な再同調を必要とするアプリケーションにおいて魅力的である。それにもかかわらず、小さい双極子又はホイップの同調の場合のように、アンテナ負荷に対してもう１つの必要性がある。

米国特許第6,005,467号明細書 米国特許第5,450,052号明細書

Eric Berg et al. 「Dual-Frequency Distortion Predictions For The Cutler VLF Array」、IEEE Transactions On Aerospace and Electronic Systems、Vol.39、No.3 2003年7月

上記の背景の視点において、本発明の目的は、従って、高精度、高速及び高電力操作の組み合わせを有する電気的に同調可能な誘導的装置を提供することである。

本発明によるこの目的及び他の目的、特徴及び利点は、可変磁場を生成するために反対側に磁極を定めるように協働する電磁石コア及びバイアス又は同調コイルを有する電磁石を含む電気的に同調可能な誘導的装置が提供される。誘導子は、可変磁場に基づいて同調可能であり、トロイダル形状を有し、その電磁石の対向する磁極に隣り合う位置に固定されている誘導子コアを含み、誘導子又は信号コイルをその誘導子コアの少なくとも1部分の周りに含む。

電磁石コアは、1対の対立した脚及びその間の湾曲部分は馬蹄の形状を定める。誘導子コアは、その電磁石コアの対立する脚の端部の間に配置されてもよく、同調コイルは、その電磁石コアの湾曲部分の周囲を囲んでもよい。

電磁石コアは、シリコン・スチール・コアを有し、誘導子コアは、フェリ磁性コア又はニッケル亜鉛フェライト・コアを有する。高周波（RF）フィードが、信号コイルに接続され、キャパシタがそれらの間に接続されてもよい。

もう１つの態様は、電磁石コア及び対向する磁極を定めるために協働する同調コイルを含む電磁石を含む電気的に同調可能な誘導的装置を有する帯域消去同調フィルターに向けられている。同調可能な誘導子は、トロイダル形状を持ち、その電磁石の対立する磁極に隣り合った位置に固定されている誘導子コア、及びその誘導子コアの少なくとも1部分の周りに信号コイルを含む。

方法の態様は、可変磁場を生成するために対立する磁極を定めるように協働する電磁石コア及び同調コイルを含む電磁石を提供する段階を含む伝記的同調誘導的装置の作成に向けられている。当該方法は、その可変磁場に基づいて同調可能である誘導子を提供する段階、トロイダル形状を持ち、電磁石の対立する磁極に隣り合う位置に固定された誘導子コアを有する段階、及び該誘導子コアの少なくとも1部分の周りの信号コイルを含む。

DC磁場を誘導子コアに加えると、そのコアの透磁率が動かされ、従って、誘導子ンス及びDC制御応答は小さな動作に対しては直線状であってもよい。導電性強磁性物質は、RF回路をDC制御回路から分離し、その逆の場合も同様であり、十分な誘導子ンスの変化が、電磁石コアが飽和する前にその誘導子コアにおいて得られる。そのような同調可能な誘導子又はフィルターは、例えば：同調可能なプリ／ポスト・セレクター・フィルター；信号変調に一致するダイナミック・アンテナ；適応干渉軽減フィルター；を含む様々なアプリケーションに対する構成要素であってもよく、ソフトウェア無線（SDR）における使用に対して理想的な構成要素であってもよい。

本発明の実施形態による電気的に同調可能な誘導的装置を説明する概略図である。 図１の電気的に同調可能な誘導的装置を含む同調可能なフィルターを説明する概略図である。 本発明の特徴に従って同調可能なフィルターの例の測定された周波数応答（S₂₁）を説明するグラフである。

本発明は、ここから、本発明の好ましい実施形態が示される付属の図表に関してさらに詳しく説明される。この発明は、しかし、多くの異なった形で実施されてもよく、ここで説明される実施形態に限定されるものとして解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細であり完全であるように提供され、当業者に本発明の範囲を完全に伝える。類似の番号は全体を通して類似の要素に言及する。

最初に図１に関して、電気的に同調可能な誘導的装置10が説明される。該電気的に同調可能な誘導的装置10は、高精度、高速及び高電力操作の組み合わせを有する。説明されるように、その電気的に同調可能な誘導的装置10は、可変磁場を生成するために、対向する磁極18、20を定めるように協働する電磁石コア14及び同調コイル16を含む電磁石12を含む。

誘導子30は、可変磁場に基づいて同調可能であり、例えば、トロイダル形状を持ち、電磁石コア14の対向する磁極18、20に隣り合う位置に固定されている誘導子コア32を含む。当業者にとって明らかであるように、誘導子コア32は、例えばフェライト・コア又はニッケル亜鉛フェライト・コアを有する。信号コイル34は、誘導子コア32の少なくとも1部分の周りを巻き付ける。

電磁石コア14は、1対の対向する脚40、42及びそれらの間に馬蹄の形を定める湾曲部分44を含んでもよい。誘導子コア32は、対向する脚40、42の端部18、20の間に配置されてもよい。電磁石コアは、一般的であるように導電性のシリコン・スチール・コアを有してもよい。本発明は積層を必要とするまで限定されていないが、電磁石コアは、導電性シリコン・スチール・コアを有し、制御速度を拡大するために積層を含んでもよい。

電磁石コア14の重要な物理的特性に、シリコン・スチールが供給する高い透磁率及び導電性が含まれる。本発明において、高い透磁率は、小さいDC同調バイアス電流に対して強烈なDC磁場制御を提供する。さらに、電磁石コア14（μ_{電磁石コア}>>μ_{誘導子コア}）の高い透磁率は、誘導子コア32が電磁石コア14の前に飽和することを保証する。これは、最大誘導子ンス変化（すなわち同調範囲）が、本発明によって達成されることを保証する上で役立つ。原型において、完全な誘導子ンス変化は、電磁石コア14が飽和する前に誘導子コア32において容易に得られる。つまり、その誘導子コア32は、電磁石コア14の前に飽和し、シリコン・スチールの透磁率は、10,000である一方、RFフェライトの透磁率はそれよりもかなり低く、恐らく10から1000までの間である。

電磁石コア14の高い導電性は、電磁石コア14を浸透する誘導子コア32からRF磁場を防止し、それによってRF及びDC巻きを、望まれる制御機能を除いては、お互いから分離させる。本発明は、いくつかの原型において2.6から1までの同調範囲に対して、7から1までの誘導子ンス変化を提供する。一般的に、本発明のRF回路同調範囲は、並列共振式に従って、誘導子ンス変化の平方根である。

であるから、

本発明のもう１つの態様は、図２に関して説明される帯域消去同調フィルター100に向けられている。その帯域消去同調フィルター100は、図１に関して説明されているように、電気的に同調可能な誘導的装置10を含む。ここで図２を参照すると、固定されたキャパシタ14が信号コイル34の端子を交差して接続され、高周波（RF）ポート110及び112が、それらの間の信号コイル34及びキャパシタ104の並列の組み合わせに接続され、制御信号フィード106が巻きコイルに接続されている。DC制御信号又は「同調バイアス」電流は、フィルター100を同調する目的でDC同調バイアス・ブロック108によって供給される。

本発明は、当然のことながら、同調帯域消去フィルターに限られておらず、当業者によって理解されるように、全てのタイプのフィルターが、実現され同調されてもよい。本発明の電気的な可変誘導子は、汎用可変リアクタンス装置である。

信号処理において、帯域消去フィルター又は帯域阻止フィルターは、ほぼ全ての周波数を不変のままで通過させるが、特定の範囲にある周波数を非常に低いレベルまで弱める。それは、帯域通過フィルターとは反対である。ノッチ・フィルターは、狭い帯域消去（高いQファクター）を持つ帯域消去フィルターである。

図２における本発明の可変誘導子を使用した帯域消去フィルターの1例がここで考慮される。図３は、異なるDC同調バイアスで測定されたフィルターの挿入損失（周波数応答）のプロットであり、この例における全体のパフォーマンス・パラメータが、以下の表において供給されている：

当該実施形態において、Q又はフィルターの鮮鋭さが、誘導子の増加したQ値によって、より高いDCバイアス値（すなわち、より低い誘導子ンス）に対して上昇することが観測された。これは、チャンネルの帯域幅がしばしば一定であることから、作動している帯域の１部分よりもむしろ高い部分に対してより鮮鋭なフィルターが望ましいため、ほぼ全ての場合において有益である。例えば、アナログのテレビ放送において、６MHzは896MHzよりも54MHzにおいてはるかに大きい比帯域であるにもかかわらず、チャンネルはそれぞれ帯域幅が６MHzである。一般的に、フェライト・コア上のDC磁気バイアスは、より高いQに対しては、より高い周波数で使用されてもよく、より低いロス・誘導子を供給する。

本発明のような透磁率が同調されたRFフィルターには、ノッチ周波数を素早く調整するための能力が備えられ、類似のアプローチが、通過域周波数の調整が望まれる場合に使用されてよい。

通信チャンネル直線性（相互変調製品、高調波歪み又はスプリアス信号からの解放）は、フェライト・コア・誘導子を使用する回路において本来備わっている設計検討である。本発明において、「プル（pull）」の同調は、複雑な関係において直線性と交換する：いくらかの動作領域において、特に飽和から遠く離れた領域において、直線性は実際に改善され、その他においては、特に飽和に近い状態においては、直線性は減少する。バイアスがかけられた誘導子における相互同調の一例は、非特許文献１によって提供されている。

背景として、直線性は、磁区（同様に強磁性物質において磁気的に配向された原子）のサイズにおける迅速な変化によって生じる磁区分類又はバルクハウゼン効果に関する。一般的に、磁性物質の交換は、より多くの直線性を提供するがより小さい同調範囲を提供する粉末状のペンタカルボニル鉄タイプの誘導子コア及びより大きな同調範囲を提供するがより少ない直線性を提供するフェライトを含む。これは、粉末状の鉄コアが、一般的にフェライトよりも簡単に飽和しないからである。

DC磁場を誘導子コア32に適用することは、フェライト・コアの透磁率を変更し、従ってコイル34の誘導子ンスを変更する。導電性強磁性体は、RF回路をDC制御回路から分離し、その逆もまた同様である（例えば、シリコン・スチール・コアを使用することにおける主な利点である）。積層強磁性体は、より高速な制御に対して渦を減少させる。同調可能な誘導的装置10のDC制御（同調応答）は、少量のDCバイアスに対しておよそ直線形であり、より大きい同調バイアスに対しては、滑らかで単調であることが観測された。

永久磁石は、本発明の誘導子ンスを粗雑に調整し、Q及び誘導子コア32の効率を増加させ、あるいは誘導子コア32の使用可能な周波数範囲を上げるものに含まれる。

電磁石コア14は、好ましくは永久的に磁性を維持しないシリコン・スチールなどの「ソフト」な磁性物質であるのがよいが、その電磁石コア14は、代替的に残留特性（永久磁性の維持）を持っていてもよい。この場合、DC制御の方法は、DCパルスを同調コイル16に、残留の又はハードな磁性物質の電磁石コア14を交互に磁化又は消磁するために適用する段階を含んでもよい。そのDC磁化パルスは、トレーン（trains）にあってもよく、そのDCパルスの極性は、必要に応じて磁化又は消磁するために逆方向にされてもよい。それは、例えばソフトなコア物質からの一定した同調磁場を維持するために必要な電力消費を低減するためである。

本発明に対して限定されない適用は、ダイナミック・アンテナの同調である。ダイナミック・アンテナの同調において、アンテナ共振周波数は、例えば、デジタル最小偏移変調（MSK）型信号を送信する間に、信号変調と一緒に偏移される。アンテナ瞬間ゲイン帯域幅は、基本的にアンテナのサイズに関連し、ダイナミック同調が、送信された信号変調及びスペクトルを追跡するために瞬間的により小さい狭帯域幅アンテナを可能にすることによって、より減少したアンテナのサイズを可能にする。

同調可能なフィルターは、複数の送信機及び受信器が互いに近接して作動しなければいけない軍艦上において直面する、重要な共同サイト干渉の問題を対処する。それは、アンテナ間の間隔が必ず限られているからである。船上のHFでは、HFアンテナ間の空間のみによる間隔の20から30dBさえ得ることが難しい。船上の受信器RFプリセレクター及びポストセレクターのフィルターは、それら自体が機能しなくなること無く、強い近隣の信号を阻止しなければいけなく、本発明は、そのような適用において、バラクター・ダイオード同調に望ましい。

方法の態様が、電気的に同調可能な誘導的装置10の作成に向けられる。該方法は、可変磁場を生成するために対向する磁極18、20を定めるように協働する電磁石コア14及び同調コイル16を含む電磁石12を供給する段階を含む。該方法は、可変磁場に基づいて同調可能である誘導子30を提供し、例えば円錐曲線回転面の形を持ち、電磁石コア32の対立した磁極18、20に隣り合う位置に固定された誘導子コア32を含む。信号コイル34は、誘導子コア32の少なくとも1部分の周りに巻かれている。

従って、高いRF電力レベルに適した同調可能な無効分は、DC電磁石によって磁気的にバイアスがかけられるフェライト円錐曲線回転面誘導子によって供給される。同調可能な無効分は、HF、VHF及び他の周波数において誘導的且つ動作可能である。

Claims (10)

1. 電気的に同調可能な誘導的装置であり：
   可変磁場を生成するために対向する磁極を定めるように協働する電磁石コア及びバイアス・コイルを有する電磁石；及び
   フェライト誘導子コア内において可変磁場に基づいて同調可能である誘導子であり、
   トロイダル形状を持ち、前記電磁石の対向する磁極に隣り合う位置に固定された誘導
   コア、及び
   該誘導子コアの少なくとも1部分の周りの誘導子コイル、
   を有する誘導子；
   を有する、誘導的装置。
2. 前記電磁石コアが、馬蹄の形を定める1対の対向する脚及び該脚の間に湾曲部分を有する、請求項１に記載の電気的に同調可能な誘導的装置。
3. 前記誘導子コアが、前記電磁石コアの対向する脚の端部の間に配置されている、請求項２に記載の電気的に同調可能な誘導的装置。
4. 前記バイアス・コイルが前記コアの前記湾曲部分を取り囲む、請求項３に記載の電気的に同調可能な誘導的装置。
5. 前記誘導子コイル及び該誘導子コイルの間に接続されたキャパシタに接続された高周波（RF）フィードをさらに有する、請求項１に記載の電気的に同調可能な誘導的装置。
6. 電気的に同調可能な誘導的装置を作成するための方法であり：
   可変磁場を生成するために対向する磁極を定めるように協働する電磁石コア及びバイアス・コイルを有する電磁石を供給する段階；及び
   前記可変磁場に基づいて同調可能である誘導子を供給し、
   トロイダル形状を持ち、前記電磁石の対向する磁極に隣り合う位置に固定された誘導
   子コア、及び
   該誘導子コアの少なくとも1部分の周りの誘導子コイル、
   を含む、段階；
   を含む、方法。
7. 前記電磁石を供給する段階が、馬蹄の形を定める1対の対向する脚及び湾曲部分を該脚の間に持つ電磁石コアを形成する段階を含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記誘導子を供給する段階が、該誘導子を前記電磁石コアの対向する脚の端部の間に誘導子コアを配置する段階を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記電磁石を供給する段階が、前記電磁石コアの湾曲部分をバイアス・コイルで巻きつける段階を含む、請求項８に記載の方法。
10. 高周波（RF）フィードを前記誘導子コイル及び該コイルの間のキャパシタに接続する段階をさらに含む、請求項６に記載の方法。

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