JPH05283910A - フェリ磁性体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 フェリ磁性体共振素子を用いた装置の共振周
波数の安定化を図る。 【構成】 フェリ磁性体共振素子１ａを含む装置におい
て、フェリ磁性体共振素子１ａにかかる磁界の変化を、
ホール素子２ａで磁界の強度で検出して、その変化分の
磁界の強度を制御手段３ｅ、駆動コイル３ｄで圧縮する
よう制御する帰還ループを構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波帯の測定器
および受信装置において広帯域に同調周波数を変化させ
る手段として用いられているＹＩＧ（Yttrium Iron Gar
net ）等、フェリ磁性体からなる共振素子の共振周波数
を制御する磁界を安定にするためのフェリ磁性体装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スペクトラムアナライザ並びに広帯域受
信機では、ミキサの発生するイメージの除去および歪特
性の改善のため、ミキサの前にフエリ磁性体共振素子を
含む周波数可変帯域フィルタを用いている。

【０００３】また、周波数逓倍器を用いて広帯域にわた
る信号を出力する信号発生器において、周波数逓倍器の
後にフェリ磁性体共振素子を含む周波数可変帯域フィル
タを用いて所望の周波数の信号を選択して出力できる。

【０００４】前記帯域フィルタのスペクトラムアナライ
ザに利用される形態につき詳説する。スペクトラムアナ
ライザとは、入力信号を周波数成分ごとに分析して横軸
を周波数，縦軸を振幅とするデータを得るものをいい、
多くの場合はローカル発振器とミキサを備え、ローカル
信号を掃引しながら入力信号を中間周波数信号に変換
し、その中間周波数信号を分析する。

【０００５】マイクロ波帯スペクトラムアナライザも同
様の構成であるが、主に２つの理由で、ミキサの前段で
前記帯域フィルタを用いて入力信号の周波数に同調する
ようにしている。

【０００６】イメージ信号または不要波の除去 特に、広帯域受信を達成するためにローカル信号の高調
波を用いている場合にはローカル周波数をＦ１，中間周
波数をＦｉｆ，使用最高高調波次数を４とすれば、周波
数がＦ１±Ｆｉｆ，２Ｆ１±Ｆｉｆ，３Ｆ１±Ｆｉｆ，
４Ｆ１±Ｆｉｆに該当する入力信号の全てが同時に受信
されて中間周波数に変換される。そこで、例えば、高調
波次数１で受信する場合はＦ１＋Ｆｉｆに同調し、高調
波次数３で受信するならば３Ｆ１＋Ｆｉｆに同調する前
記帯域フィルタが必要となる。

【０００７】入力信号による歪発生の防止 例えば、分析する対象信号（レベルが約−７０ｄＢｍ，
周波数Ｆ１）と非対象信号（レベルが約０ｄＢｍ，周波
数Ｆ２）が入力されている場合に、対象信号を最適に受
信すべく利得を上げて受信しようとすると非対象信号で
ミキサが飽和し歪を生ずる可能性がある。そこで、ミキ
サの前段で前記帯域フィルタにより周波数Ｆ１のみを選
択し、非対象信号を減衰させることにより対象信号の歪
発生を防止できる。

【０００８】ところで、フェリ磁性体共振素子を含む周
波数可変帯域フィルタにおいては、フェリ磁性体共振素
子にかかる磁界を電磁石を用いて変化させることによ
り、その共振周波数を可変し、前記帯域フィルタの中心
周波数を可変している。中心周波数の可変範囲は、例え
ば、２〜２０ＧＨｚと、比帯域で十倍に及ぶものもあ
る。同調帯域がこのように広く、さらに、使用上限周波
数が高くなる場合、電磁石に印加される電流に対する前
記帯域フィルタの中心周波数の関係が直線的でなくな
り、その直線に対する周波数ズレが前記帯域フィルタの
通過帯域幅に対して、Ｓ／Ｎの劣化等、上記機器の性能
上無視できない場合がでてくる。このような同調ズレ
を、以下トラッキングエラーという。

【０００９】トラッキングエラーの要因には、共振素子
の内部異方性磁場による共振周波数の温度変動を除く
と、電磁石に起因する次のものが含まれる。 ａ）静的な要因 非直線性、ヒステリシスおよび時局間隙寸法の温度変動
によるフェリ磁性体共振素子にかかる磁界の変動。 ｂ）動的な要因 中心周波数を掃引した場合の自己インダクタンスや渦電
流損による磁界の応答遅れ。

【００１０】例えば、要因別のトラッキングエラーの大
きさは、前記帯域フィルタの通過帯域幅が２５から８０
ＭＨｚであるのに対して、ほぼ次の通りである。

【００１１】 共振素子の温度による変動分：約１８ＭＨｚ 内部異方性磁場による共振周波数の温度変動によるも
の：約１８ＭＨｚ 磁極間隙寸法の温度変動によるもの：約１２ＭＨｚ ヒステリシスによるもの：約３５ＭＨｚ 非直線性によるもの：約２０ＭＨｚ 本発明は、共振素子自身によるトラッキングエラーを除
く上記トラッキングエラーを減少せしめることのできる
フェリ磁性体装置に関する。

【００１２】上記トラッキングエラーは磁性材料の改良
等によってはその除去が困難である。従来、トラッキン
グエラーを除去するものに次のような技術があった。 イ）従来技術１ フェリ磁性体共振素子を含む帯域フィルタの通過帯域幅
を広げることにより、同調ズレが生じてもトラッキング
エラーを起こさないようにする。

【００１３】通過帯域幅を広げるには次の方法がある。 ・フェリ磁性体共振素子の体積または飽和磁化を大きく
する。 ・フェリ磁性体共振素子と入出力回路との結合を強くす
る。 ロ）従来技術２ 共振素子の共振周波数を検出して、検出値をもとに電磁
石の駆動回路を制御することによりトラッキングエラー
を除去する。

【００１４】具体的な従来技術２として、特開平１−２
２０５１０号公報に示されるものがあった。従来技術２
は、入力ＲＦ信号に同調するためのＹＩＧ素子を含む帯
域フィルタと、ＹＩＧ素子と、ミキサ用ダイオードを備
えた周波数ディスクリミネータと、上記同調用の帯域フ
ィルタと同等の同調帯域を持ち、位相同期ループにより
周波数確度を改善したローカル発振器とを備えている。
周波数ディスクリミネータにより基準となるローカル周
波数と帯域フィルタの中心周波数との差を検出し、検出
した信号をもとに電磁石の駆動回路を制御することによ
り、帯域フィルタの中心周波数を所望の周波数にしてい
る。これは、帯域フィルタと周波数ディスクリミネータ
の各共振周波数が同じように変動するとの前提で行われ
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１には、上記
通過帯域幅を広げると、フェリ磁性体共振素子を含む周
波数可変帯域フィルタの同調帯域が狭くなる、また、不
要モードの結合が生じて通過帯域中に不要なノッチが起
き、通過帯域特性を劣化させる等の問題があった。この
ため、同調帯域が比帯域で十倍若しくはそれ以上になる
と、同調帯域および良好な通過帯域特性の確保と、通過
帯域幅を広げてトラッキングエラーを防止することの両
立は困難であった。

【００１６】従来技術２には、ＹＩＧ素子を含む周波数
ディスクリミネータの構造がマイクロ波帯で動作する精
密さを要し、かつコストが高い、また、基準用の高価な
広帯域高確度のローカル発振器を必要とする欠点があっ
た。

【００１７】本発明の目的は、フェリ磁性体共振素子を
含む周波数可変帯域フィルタの通過帯域幅を広げること
なく、低いコストで上記トラッキングエラーを防止する
手段を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるフェリ磁
性体装置は、磁界強度検出器、すなわち磁気センサによ
り磁界の変化を検出してフェリ磁性体共振素子に一定の
周波数に共振せしめる構成とした。具体的には、フェリ
磁性体共振素子が外部から印加された磁界の強度に応じ
た周波数で共振しているとき、磁気センサがフェリ磁性
体共振素子が受ける磁界の強度を検出し、電磁石とその
駆動回路からなる磁界形成手段が磁気センサの出力を受
けてフェリ磁性体共振素子にかかる磁界の強度が所定の
値になるように制御する。

【００１９】フェリ磁性体の共振素子の典型的例として
ＹＩＧが挙げられる。磁気センサの典型的例としては、
ホール素子が挙げられる。磁界形成手段にはドライバに
磁気センサが検出した磁界の変化分に応じた電圧を出力
する帰還手段を含む。

【００２０】

【作用】本発明においては、フェリ磁性体共振素子があ
る一定の周波数で共振しているとき、例えば、温度等の
要因で磁界を変化させようとしても、磁界強度検出器と
磁界形成手段により、フェリ磁性体共振素子は前記一定
の周波数で共振するようにされる。また、共振周波数を
掃引するときも、前記帰還ループは十分に応答でき応答
遅れも防止できる。

【００２１】

【実施例】図１に本発明の第１実施例の構成を示す。図
１で周波数可変帯域フィルタ１は磁性体からなるケース
３ｃ内に収容されている。ケース３ｃから突出している
磁極３ａおよび３ｂに駆動コイル３ｄが巻かれ、磁極３
ａと磁極３ｂ間にあるフェリ磁性体共振素子、この実施
例ではＹＩＧ１ａにかかる磁界を、制御手段３ｅの出力
電流でコントロールしている。ケース３ｃは磁路の一部
を構成するとともに、外部との高周波シールドを兼ねて
いる。なお、３は磁界形成手段で、前記３ａ〜３ｅから
なる。

【００２２】周波数可変帯域フィルタ１は共振素子とし
てのＹＩＧ１ａ，第１のループ１ｂおよび第２のループ
１ｃからなる。共振素子としてはＹＩＧ以外にリチウム
アルミニウムフェライト、バリウムフェライト等があ
る。ＲＦ入力信号は、第１のループ１ｂの一端に印加さ
れる。第１のループ１ｂの他端はアースに終端されてい
る。上記磁界を受けたＹＩＧ１ａは、磁界に対応した周
波数に共振する。この共振により第１のループ１ｂおよ
び第２のループ１ｃに交互に鎖交する回転磁束が生じ、
第２のループ１ｃの両端に共振周波数のＲＦ信号の電圧
が誘起されＲＦ出力信号として出力される。

【００２３】磁界強度検出器としてのホール素子２ａ
は、電源２ｂより最適な所定のバイアスが与えられて動
作し、印加される磁界に応じた大きさの磁界検出電圧を
制御手段３ｅに送出する。ＹＩＧ１ａおよびホール素子
２ａは磁極３ａおよび３ｂ間の一様な磁界の中に配置さ
れる。

【００２４】温度検出器４はホール素子２ａの温度特性
を補正し、磁界をより正確に検出するために、ＹＩＧ１
ａとホール素子２ａの間に必要に応じて備えられ、温度
に対応した大きさの温度検出電圧を、制御手段３ｅに送
出する。

【００２５】制御手段３ｅは、周波数可変帯域フィルタ
１の中心周波数を所望の周波数に設定するための周波数
データに応じた電圧に、必要に応じて温度検出器４から
の温度検出電圧およびホール素子２ａの直線性を補正す
るための補正データに応じた電圧を加えた電圧を基準電
圧として、その基準電圧とホール素子２ａが検出した磁
界検出電圧の大きさを比較し、基準電圧の値と磁界検出
信号の大きさの値が等しくなるように駆動コイル３ｄに
駆動電流を送出して磁界を一定に制御する。

【００２６】制御手段３ｅは、例えば図２のように構成
される。図２で、Ｄ／Ａ変換器３３は所望の帯域フィル
タの中心周波数に対応する周波数コントロールデータを
アナログの電圧に変換する。スペクトラムアナライザ等
の機器に用いられる場合は、その機器の掃引タイミング
に対応して周波数コントロールデータの値が次々に変化
するので、Ｄ／Ａ変換器３３は掃引タイミングに対応し
たランプ電圧を出力する。

【００２７】Ｄ／Ａ変換器３２は、備えられたメモリ
（図は省略）に、ホール素子２ａの印加磁界の強さに対
する磁界検出電圧特性の非直線性を補正するための補正
データを、周波数コントロールデータの値に対応しあら
かじめ記憶しておいて、Ｄ／Ａ変換器３３に周波数コン
トロールデータが設定されるごとにその値に対応して入
力される補正データを電圧に変換する。

【００２８】加算器３４は、Ｄ／Ａ変換器３２およびＤ
／Ａ変換器３３から出力される各電圧、ならびに温度検
出電圧を加算して出力する。比較器３５は、加算器３４
からの電圧が差動増幅器３１により増幅されたものと、
ホール素子２ａからの磁界検出電圧と比較し、誤差分を
補正したＹＩＧドライバ３６の駆動電圧を出力する。Ｙ
ＩＧドライバ３６は、比較器３５の出力電圧を対応する
駆動電流に変換して駆動コイル３ｄへ出力する。

【００２９】上記ホール素子２ａ，制御手段３ｅおよび
駆動コイル３ｄおよび磁極３ａ，３ｂとケース３ｃから
なる磁気回路は、閉ループを構成する。この帰還ループ
によって、例えば、温度により２つの磁極３ａ，３ｂ間
の間隔が変化して実質の磁界の強さが変化しても変化分
を圧縮して、上記基準電圧に対応した所望の磁界を維持
するように動作する。また、帰還ループの応答速度は従
来の応答遅れを十分に圧縮できる速さである。このよう
にしてトラッキングエラーを防止できる。

【００３０】なお、図２でサンプリングホールド回路３
７は必要に応じて設けられ、帯域フィルタの中心周波数
を掃引する場合に、その掃引帯域幅が帯域フィルタの通
過帯域幅に比し十分に狭い場合には、帰還ループをオフ
にするために用いられる。図１で、温度検出器４により
ホール素子２ａの温度変動による感度変動を補正してい
たが、補正の代わりに恒温槽を用い温度安定化を図って
もよい。

【００３１】ここで、ホール素子について補足説明す
る。磁気センサとしては、強磁性体磁気センサおよびホ
ール素子や磁気抵抗素子等の半導体磁気センサなどがあ
る。その中で、ホール素子２ａは、現状の素子として次
の点において最適である。 ・２〜２０ＧＨｚの同調帯域に対して被検出磁束密度が
約７００〜７０００ガウスになるが、この磁束密度の範
囲において出力電圧の直線性が良好なこと。 ・構造が小さく電磁石の磁極間に配置できること。 ・安価であること。 ・ガリウム砒素，インジュウムアンチモンなどの電子移
動度の大きい半導体の多数キャリアを利用しているため
応答速度が速いこと。

【００３２】したがって、スペクトラムアナライザにお
いて周波数可変帯域フィルタ１の中心周波数を掃引する
場合に、掃引時のトラッキングエラーを防止でき、掃引
時間の大小にかかわらず同調したＲＦ信号は、ほぼ通過
帯域幅の中心を通るために出力信号の周波数に対する平
坦度がよくなる。

【００３３】図３に第２実施例の構成を示す。図３にお
いて図１と同一の符号は同一機能を示す。図３は本発明
をスペクトラムアナライザの入力段の周波数可変帯域フ
ィルタ１とローカル発振器６に用いた例である。

【００３４】周波数可変帯域フィルタ１は入力されるＲ
Ｆ信号に同調し、ミキサ５はローカル発振器６からのロ
ーカル信号とＲＦ信号を混合して中間周波数信号に変換
する。

【００３５】周波数ＦＲＦ，ローカル周波数ＦＬ０およ
び中間周波数ＦＩＦの関係は次式で表せる。

【００３６】 ＦＲＦ−ＦＬ０＝ＦＩＦ ……（１） ここで、周波数可変帯域フィルタ１の中心周波数をＦ₀
とすると、比較回路９の出力電圧は、これまでの説明か
ら、 Ｆ₀ −ＦＬ０−ＦＩＦ＝Ｆ₀ −Ｆ_RF に比例する。すなわち、周波数可変帯域フィルタ１のト
ラッキングエラーに比例している。

【００３７】第１実施例に対する第２実施例の違いは、
特性のそろったホール素子をローカル発振器６と周波数
可変帯域フィルタ１に用いることにより、ホール素子の
非直線性を補正せずにトラッキングエラーを除去できる
点にある。

【００３８】ローカル発振器６は、フエリ磁性体共振素
子を用いた共振回路に発振器素子とそれに付随した回路
を付加し、さらに、ホール素子２ａを磁極間に配置した
ものである（図は省略）。周波数可変帯域フィルタ１と
ローカル発振器６の電磁石はほぼ同一に構成される。各
電磁石の磁極間には、図１と同様のホール素子２ａを備
えているが、図１の温度検出器４によるホール素子２ａ
の温度特性の補正や非直線性の補正はしていない。

【００３９】差検出器７は、周波数可変帯域フィルタ１
からの磁界検出電圧とローカル発振器６の磁界検出電圧
との差を検出して出力している。基準電源８は、中間周
波数に相当する磁界を発生せしめる電圧を基準電圧とし
て出力する。比較回路９は、差検出器７が出力する電圧
と基準電源８が出力する電圧とを比較し、それらの差に
相当する誤差電圧を出力する。Ｄ／Ａ変換器１０は、デ
ィジタル的な周波数コントロールデータを電圧に変換し
て加算器１１に出力するとともに、ＹＩＧドライバ１３
を介してローカル発振器６の電磁石の磁界を制御して所
望の周波数に設定する。加算器１１は、Ｄ／Ａ変換器１
０からの電圧に比較回路９からの誤差電圧を加算して出
力する。

【００４０】ＹＩＧドライバ１２は、加算器１１が出力
する電圧を駆動電流に変換して周波数可変帯域フィルタ
１の電磁石の磁界を制御する。このように、周波数可変
帯域フィルタ１は、ホール素子２ａ，差検出器７，比較
回路９（および基準電源８），加算器１１およびＹＩＧ
ドライバ１２からなる帰還ループによって制御される。
ＰＬＬ回路１４はローカル発振器６を基準発振器にフェ
ーズロックさせることにより周波数確度を上げるために
用いられる。

【００４１】さらに、本発明は、スペクトラムアナライ
ザのみならず、信号発生器等の測定器で周波数に同調と
したり、周波数を合成し新たな周波数を選択的に生成す
るのに有効である。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、フェリ磁性体共振素子を含む
周波数可変帯域フィルタにおいて、フェリ磁性体共振素
子にかかる磁界の変化を磁気センサで検出して、その変
化分を圧縮するよう制御する帰還ループを構成したこと
から、電磁石に起因するフェリ磁性体共振素子にかかる
磁界の変化による周波数変動および中心周波数を掃引し
た場合に生じる応答遅れを圧縮できる効果がある。定量
的には、種々の要因によるトラッキングエラーの最悪値
である約８５ＭＨｚのつち、共振素子自身による変動分
約１８ＭＨｚを除く約６７ＭＨｚ分を除去できる。ま
た、トラッキングエラーの減少により、測定器等の周波
数対しベルの平坦度特性が改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図である。

【図２】本発明の第１実施例の制御手段の構成例を示す
図である。

【図３】本発明の第２実施例の構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 共振回路 １ａ ＹＩＧ（共振素子） １ｂ 第１のループ １ｃ 第２のループ ２ａ ホール素子 ２ｂ 電源 ３ 磁界形成手段 ３ａ 磁極 ３ｂ 磁極 ３ｃ ケース ３ｄ 駆動コイル ３ｅ 制御手段 ４ 温度検出器 ５ ミキサ ６ ローカル発振器 ７ 差検出器 ８ 基準電源 ９ 比較回路 １０ Ｄ／Ａ変換器 １１ 加算器 １２ ＹＩＧドライバ １３ ＹＩＧドライバ １４ ＰＬＬ回路 ３１ 差動増幅器 ３２ Ｄ／Ａ変換器 ３３ Ｄ／Ａ変換器 ３４ 加算器 ３５ 比較器 ３６ ＹＩＧドライバ ３７ サンプリングホールド回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 印加された磁界の強度に応じた周波数で
   共振するフェリ磁性体共振素子（１ａ）と、前記フェリ
   磁性体共振素子が受ける磁界の強度を検出し該磁界の強
   度に応じた磁界強度信号を出力する磁界強度検出器（２
   ａ）と、該磁界強度検出器の出力を受けて前記磁界の強
   度が所定の値になるように磁界を形成する磁界形成手段
   （３）とを備えたことを特徴とするフェリ磁性体装置。