NO317550B1 - Ikke-resiprok kretskomponent - Google Patents

Abstract

Ikke-resiprok kretskomponent med liten innskuddsdempning D og tre krysslagte ledere (2, 3, 4) som krysser hverandre i midten av komponenten og er galvanisk skilt fra hverandre, hvor to og to av lederne krysser hverandre med hhv en bakre krysningsvinkel 01, 82, 03, og hvor et stasjonært magnetfelt påtrykkes en sentral ferrittkjerne (5) i komponenten.Krysningsvinklene avviker med hensikt fra 120° og tilpasses den dreining et høyfrekvent magnetfelt vil få under påvirkning av det stasjonære magnetfelt. Et sterkest mulig stasjonært magnetfelt tilstrebes for å redusere jerntap i ferrittkjernen (5).

Description

Denne oppfinnelse gjelder ikke-resiproke kretskomponenter bl.a. kjent under benevnelsene (RF-)isolatorer og sirkulatorer, for bruk innenfor høyfrekvens- (RF-) og mikrobølgeteknikk (f.eks. i frekvensområdet 300 MHz til 15 GHz - tilsv, kvartbølgelengden 25 cm til 5 mm).

Isolatorer og sirkulatorer regnes å være av typen "lumped constant", dvs at deres enkeltelementer kan betraktes som punktkonsentrerte eller bare dekker et fysisk område som har meget liten utstrekning i forhold til det aktuelle frekvensområdes tilsv, kvartbølgelengde, og de er typiske ved sine ikke-resiproke egenskaper som bl.a. arter seg ved at signal-dempningen er liten i den ønskede transmisjonsretning, men stor i minst én annen retning. Slike komponenter brukes i sender/mottakerkretser og liknende, i bl.a. bærbare telefoner og mobiltelefoner. Fig. 11 i tegningene viser en konvensjonell sirkulator med tre krysslagte ledere 30 som to og to danner en bestemt krysningsvinkel (som her skal forstås som vinkelen mellom dem på motsatt side av der de krysser hverandre i et krysningsområde på midten av komponenten, i forhold til deres tilkoplingsside for bl.a. signalpåtrykk/uttak, idet lederne som illustrert skjematisk på figuren krysser helt over hverandre). De er galvanisk skilt fra hverandre og ført med sin ene ende ut til en port, hver parallellkoplet med en tilpasningskon-densator C. Motsatt ende av de tre ledere 30 er ført til jord. En sentral ferrittkjeme 31 i sirkulatoren mottar et stasjonært magnetfelt fra en magnet (ikke vist) innenfor komponentens hus. Isolatoren bygger på Faraday-rotasjonsvirkningen som i dette tilfelle arter seg slik at et høyfrekvenssignal påtrykt en av portene setter opp en elektromagnetisk bølge som i krysningsområdet mellom de tre ledere "trekker ut" (eng.: is vented) under en bestemt vinkel som er avhengig av den magnetiske feltstyrke.

En isolator er utformet på samme måte, men har en avslutningsmotstand (R) koplet fra den ene port og til jord. I en konvensjonell isolator eller sirkulator er krysnings vinkelen mellom samtlige to og to krysslagte ledere 30 lik 120° og innenfor en gjengs maskin-toleranse på±l°.

De krysslagte ledere kan være utført som metallstrimler som er viklet rundt den sentrale ferrittkjeme, de kan være utformet som elektrodemønstere på et dielektrisk substrat og fremstilt ved etsing og med flere lameller forbundet via hull i substratet, eller som elektrodemønstere i en dielektrisk eller magnetisk keramikk som trykte kretsløp på et keramisk råsubstrat (eng.: green sheet) i form av en tynn skive, og hvor flere slike skiver er maskinelt ved laminering og sintret.

Når de tre ledere er lagt med 120° vinkelavstand og siden hver av dem er utført på samme måte i forhold til de to andre, vil komponentens tre porter fremvise samme elektriske/magnetiske konstanter, og man kan betrakte komponenten å være 120° dreiesym-metrisk. Ønsker man imidlertid å holde signaloverføringstapene så små som mulig (det man ofte kaller innskuddsdempningen I) er ikke tre like krysningsvinkler 61 = 82 = 63 = 120° det ideelle, og dette skal utredes nærmere nedenfor.

Generelt gjelder i høyfrekvens- og mikrobølgeområdet at en sirkulært polarisert bølge i et magnetfelt presenteres for forskjellig magnetisk permeabilitet fi+ t /i-, idet hver av disse permeabilitetsstørrelser, den "positive" og den "negative" er en kompleks størrelse med realdel og imaginærdel: I likningssettet representerer imaginærdelene tapsledd. De fire størrelser på høyre side av likhetstegnene vil være avhengige av styrken av det påtrykte stasjonære magnetfelt, nemlig på en måte som fremgår av fig. 12. En av størrelsene, nemlig fi-" er meget liten over et stort feltstyrkeområde.

Den elektromagnetiske bølges og dermed det utgående høyfrekvenssignals "utgangs-" eller "dreievinkel" (venting angle) vil være avhengig av forskjellen mellom fi+' og fi~. Ved en magnetisk feltstyrke Ho kan man definere en normaltilstand med utgangs-vinkelen 120°. Når man altså har en ikke-resiprok kretskomponent hvor den bakre vinkel (den her definerte krysningsvinkel 6) mellom to og to krysslagte elektroder er 120° skal altså den magnetiske feltstyrke som påtrykkes ferrittkjernen være lik H0.

Ferrittapet defineres på den annen side som forskjellen mellom og /i-", og dette magnettap blir relativt stort ved feltstyrken Ho. Dermed blir også innskuddsdempningen I for komponenten relativt stor når man lar den være symmetrisk (alle krysniiigsvinkler lik 120°).

Som bakgrunnsteknikk skal her vises til side 40-46 i IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques, vol. 39, no. 1, Jan. 1991, hvor det i en artikkel "Novel filter design..." av H.How et al. beskrives to-foldet symmetri i en Y-sirkulator.

Med utgangspunkt i denne teknikk og det problem som er skissert ovenfor er det et mål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ikke-resiprok kretskomponent med lavest mulig innskuddsdempning og forøvrig ønskede elektriske egenskaper, ved å la krysningsvinkelen mellom to bestemte krysslagte ledere tilsvare dreiningsvinkelen for det høyfrekvente magnetfelt som settes opp ved signalpåtrykk, under forutsetning av et gitt stasjonært magnetfelt. Likeledes er det et mål med oppfinnelsen å komme frem til en fremgangsmåte for å frembringe en slik kretskomponent.

I følge oppfinnelsen har man løst disse oppgaver med en ikke-resiprok kretskomponent og en tilhørende fremgangsmåte slik det fremgår av patentkravene. Således lar man krysningsvinkelen 6 mellom to bestemte ledere være forskjellig fra krysningsvinkelen mellom hver av disse to ledere og den tredje leder i komponenten. De to øvrige krysningsvinkler behøver heller ikke være like, men de kan være det. Minst én av krysningsvinklene må være større enn 120°.

Fig. 6 i tegningene viser grafisk sammenhengen mellom innskuddsdempningen D (målt i desibel) og krysningsvinkelen 03 mellom de krysslagte ledere 2 og 4 (fig. 1 - 5) i området 83 = 120 - 180°. Ved at man lar denne ene krysningsvinkel 83 øke opp mot 180° reduseres innskuddsdempningen drastisk.

Den nødvendige magnetfeltstyrke må imidlertid økes etter hvert som krysningsvinkelen økes, hvilket fremgår av den tilnærmet lineære sammenheng med skala på høyre side av figuren. Det er imidlertid begrenset hvor stor feltstyrke man kan ha, særlig ved størrelsen av permanentmagneten, og med utvendige dimensjoner på 5,0 x 4,5 x 2,5 mm for en konvensjonell komponent vil den maksimale magnetfeltstyrke være omkring 1130 Gauss (= 0,113 T). I et slikt tilfelle vil man måtte begrense krysningsvinkelen 63 til omkring 150° slik den vertikale linje i diagrammet på fig. 6 viser.

Spesielt gjelder for sender/mottakerkretser i bærbare telefoner o.l. at batterilevetiden kan forlenges hvis kraftforbruket blir mindre, og det er naturligvis ønskelig å ha så lave tap som mulig i en ikke-resiprok kretskomponent. Ved således å øke krysningsvinkelen mellom to av elektrodene eller de sentrale lederne i sirkulatoren eller isolatoren, til den verdi som tilsvarer den dreiningsvinkel som gjelder for et magnetfelt i denne størrelsesorden, kan man redusere innskuddstapet noe, og dermed reduseres også energiforbruket samtidig med at apparatet kan lages kompakt.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives i nærmere detalj, og det vises i denne sammenheng igjen til tegningene, hvor samme henvisningstall går igjen fra figur til figur der elementet er det samme eller liknende, og hvor fig. 1 skjematisk som en ekvivalentkrets viser en sirkulator ifølge en første utførelse av oppfinnelsen, fig. 2 viser hvordan de krysslagte ledere er anordnet i denne utførelse, fig. 3 . viser vinkelstillingen av lederne i en andre utførelse, fig. 4 viser samme i en tredje utførelse, fig. 5 viser samme i en fjerde utførelse, fig. 6 viser som allerede nevnt et diagram over innskuddsdempningen D og det optimale stasjonære magnetfelt H0 som funksjon av en bestemt krysningsvinkel 63, fig. 7(a) viser skjematisk innskuddsdempningen D som funksjon av frekvensen. av en påtrykt elektromagnetisk bølge på en kretskomponent med krysningsvinkelen 83 = 120 hhv 150°, fig. 7(b) viser i et tilsvarende diagram sperredempningen (isolasjonen I) i en isolator i samme utførelse og over samme frekvensområde, fig. 8 viser ekvivalentskjemaet for en isolator i en femte utførelse av oppfinnelsen, fig. 9 viser et typisk diagram over hvilken maksimal isolasjon man kan forvente i en isolator når man varierer avslutningsmotstanden R, fig. 10 viser et isolasjons/frekvensdiagram for en isolator hvis avslutningsmotstand R hhv er 50,100 og 150 ohm, fig. 11 viser, som også nevnt innledningsvis, et ekvivalentskjema for en konvensjonell sirkulator for generelt bruk, og fig. 12 viser sammenhengen mellom den magnetiske relative permeabilitet ( i for en sirkulært polarisert bølge som tvinges til å passere en sirkulators eller isolators ferrittkjerne, som fiinksjon av styrken av et stasjonært magnetfelt påtrykt ferrittkjernen.

Den sirkulator 1 som er vist på fig. 1 er beregnet for bruk i mikrobølgeområdet og er utført slik at de tre krysslagte ledere 2,3 og 4 ligger elektrisk isolert fra hverandre og krysser hverandre på eller i en ferrittkjerne 5 med en hovedoverflate. Et magnetisk felt med feltstyrke Hc påtrykkes normalt på ledernes og overflatens plan slik som illustrert, og dette magnetfelt kan være satt opp av en permanentmagnet (ikke vist) eller ved hjelp av likestrøm (DC bias). Lederne 2-4, ferrittkjernen 5 og permanentmagneten for å etablere det stasjonære magnetfelt er fortrinnsvis samlet i et magnetisk åk som danner en lukket magnetisk krets (ikke vist).

De tre lederes 2, 3, 4 ene ende 2a, 3a hhv 4a er koplet til jord, mens deres andre. ende er ført til en inn/ut-port Pl, P2 hhv P3. En kondensator Cl, C2 hhv C3 er koplet fra hver port og til jord.

Fig. 2 viser en utgave av sirkulatoren hvor krysningsvinkelen mellom to og to av lederne ikke er den samme, men hhv: 01 = 110°, 02= 120° og 83= 130°, mellom hhv den andre og tredje leder (den bakre og i dette tilfelle også største av de i alt fire vinkler disse to ledere danner med hverandre, se definisjonen på side 1), den tredje og den fjerde leder, og den fjerde og den femte leder (idet vinkelen også mellom disse to lederpar i dette tilfelle blir den største, butte vinkel).

Ved at bare 82 = 120° kan innskuddsdempningen mellom den tredje leder 4 og den første leder 2 reduseres ved at deres felles krysningsvinkel 83 = 130°, og dette bidrar til at batteriets levetid kan forlenges og apparatet hvor sirkulatoren brukes gjøres mer kompakt. Det foretrekkes at den magnetiske feltstyrke inn på ferrittkjernen 5 er noe større enn normalt, idet ferritt-tapene reduseres på denne måte, dvs at n+" holdes liten.

Fig. 3-5 viser andre utførelser, idet symbolene gjenfinnes fra fig. 2. For utførelsen på fig. 3 gjelder: 81 = 110°, 82 = 150° og 83 = 100°, dvs at alle krysningsvinkler 8 avviker fra den rotasjonssymmetriske verdi 120°.

Utgaven vist på fig. 4 har: 61 =82 = 105°, 83 = 150°, mens fig. 5 viser en variant hvor 01 =82= 150° og 83 = 60° (noe feilaktig tegnet).

I de to siste varianter er altså 01 = 02, og alle tre krysningsvinkler er forskjellig fra 120°. Fig. 7(a) viser virkningen ut fra oppfinnelsen når det gjelder innskuddsdempningen D fra den tredje leder 4 og til den første leder 2, som funksjon av frekvensen omkring 1,9 GHz og med 03 som parameter. Kurvene viser at en økning av 03 fra 120° og til 150° gir redusert innskuddsdempning over et stort frekvensområde. Fig. 7(b) viser den isolasjon I man kan forvente med en slik komponent, og ved samme frekvensområde og samme krysningsvinkel 03 som parameter. Velges 83 = 150° får man relativt dårlig isolasjon i forhold til normaltilfellet med 03 = 120°, men isolasjonen i en slik komponent kan forbedres ved å bruke en tilpasset verdi av avslutningsmotstandene, idet virkningen av slik tilpasning er illustrert på fig. 10.

De eksempler som er tatt frem så langt gjelder sirkulatorer, men oppfinnelsen gjelder like godt for isolatorer, f.eks. en slik som er vist på fig. 8. Samme symboler går igjen på denne tegning.

En isolator 10 er kjennetegnet ved at en ikkereflekterende avslutningsmotstand R er parallellkoplet over den tredje port P3. Når et signal påtrykkes den første port Pl og overføring til en krets tilkoplet den andre port P2 vil eventuelle refleksjonssignaler fra kretsen (ikke ledes tilbake til Pl, men avbøyes til den tredje port P3 hvor de vil) forsvinne i motstanden R. Forøvrig har man de samme fordeler med hensyn til å variere krysningsvinklene, i en isolator som i den allerede omtalte sirkulator.

Således kan man på tilsvarende måte forbedre innskuddsdempningen, men samtidig risikerer man at isolasjonen I reduseres ved at impedansene endrer seg med krysningsvinklene. For å løse dette problem kan man imidlertid endre avslutningsmotstanden R.

Fig. 9 og 10 viser diagrammer over sammenhengen mellom hhv maksimal isolasjon som funksjon av avslutningsmotstanden R, og isolasjonens frekvensavhengighet når avslutningsmotstanden R er brukt som varierende parameter. Den konvensjonelle verdi for motstanden R er 50 ohm, og denne verdi gir en relativt dårlig isolasjon I (= 8 dB). Ved å øke motstanden til 100 ohm får man en maksimal isolasjon I på 17 dB, og øker man motstanden til 150 ohm kommer isolasjonen opp i 33 dB. Isolatorens dempningskarakteristikk blir altså forbedret.

Selv om beskrivelsen så langt har dreid seg om isolatorer og sirkulatorer og sammenhengen mellom krysningsvinklene, feltstyrken av et stasjonært magnetfelt og verdien av avslutningsmotstanden, for å oppnå lave tap samtidig med god returisolasjon, kan de samme prinsipper også anvendes for andre ikke-resiproke kretselementer.

Selv om en bestemt utførelse av oppfinnelsen er vist og beskrevet vil det også være klart for fagfolk at endringer og modifikasjoner kan utføres uten at man derved fraviker oppfinnelsens ramme, idet denne er bestemt av de patentkrav som er satt opp på de nå følgende sider.

Claims (12)

1. Ikke-resiprok kretskomponent med tre sentrale ledere (2,3, 4) som erlagt i kryss slik at det mellom to og to dannes en bestemt krysningsvinkel av i alt tre krysningsvinkler (01, 02, 03), hvor lederne er galvanisk skilt fra hverandre og hvor et stasjonært magnetfelt påtrykkes området hvor de krysser hverandre, karakterisert ved at samtlige tre krysningsvinkler (01, 02, 03) som dannes ved krysningen av de sentrale ledere (2, 3, 4) er innbyrdes forskjellige.

2. Komponent ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én av krysningsvinklene (01,02,03) er over 120°.

3. Komponent ifølge krav 1-2, karakterisert ved at krysningsvinklene (01, 02, 03) hhv er 110°, 120° og 130°.

4. Komponent ifølge krav 2, karakterisert ved at krysningsvinklene er 100, 110 hhv 150°.

5. Ikke-resiprok kretskomponent med tre sentrale ledere (2,3,4) som er lagt i kryss slik at det mellom to og to dannes en bestemt krysningsvinkel av i alt tre krysningsvinkler (01, 02, 03), hvor lederne er galvanisk skilt fra hverandre og hvor et stasjonært magnetfelt påtrykkes . området hvor de krysser hverandre, karakterisert ved at en av de tre krysningsvinkler (01, 82; d3) som dannes ved krysningen av de sentrale ledere (2, 3, 4) er forskjellig fra de to øvrige, idet denne ene krysningsvinkel (03) er omkring 150°, mens de to øvrige (01,02) begge er omkring 105°.

6. Komponent ifølge krav 1-5, karakterisert ved en avslutningsmotstand (R) som er elektrisk koplet til minst én av de sentrale lederne (2, 3, 4), hvorved komponenten utgjør en isolator.

7. Fremgangsmåte for å frembringe en ikke-resiprok kretskomponent med utgangspunkt i en ferrittkjerne (5), ved påtrykk av et stasjonært magnetfelt på denne og anordning av tre sentrale ledere (2,3,4) i kryss slik at det mellom to og to dannes en bestemt krysningsvinkel av i alt tre krysningsvinkler (01,02,03), idet lederne er holdt galvanisk skilt fra hverandre, karakterisert ved at de tre sentrale ledere (2,3,4) krysses slik at samtlige tre krysningsvinkler (01,02, 03) blir innbyrdes forskjellige.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at minst én av krysningsvinklene er over 120°.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7-8, karakterisert ved å tilkople en avslutningsmotstand (R) til minst én av de sentrale lederne (2, 3, 4) slik at komponenten blir en isolator.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved innstilling av krysningsvinklene for å redusere komponentens innskuddstap.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved å øke avslutningsmotstanden (R) for å forbedre komponentens isolasjonsevne.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved å øke styrken av det stasjonære magnetfelt for å redusere ferritt-tap.