專利名稱：電可變電感器,相關(guān)的可調(diào)濾波器和方法
電可變電感器，相關(guān)的可調(diào)濾波器和方法本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，更具體地涉及電感器和可變電感器，調(diào)諧和可調(diào)的射 頻(RF)濾波器及相關(guān)方法。諸如可變電感器或者可變電容器這樣的可變電抗器或者可變電抗的電子元件在 無線電電子方面對(duì)于調(diào)諧目的(改變頻率)是重要的。它們可以機(jī)械地或者電子地改變， 并且用于處理從小信號(hào)到大信號(hào)的各類能級(jí)信號(hào)和功率控制應(yīng)用。它們可以在元件可用的 任何頻率下被應(yīng)用，從音頻到射頻(RF)頻譜的極高端。在射頻電路中電感器是用于廣泛各類用途的基礎(chǔ)電磁元件。具有大電感值的電感 器典型地包括纏繞大電介質(zhì)或者鐵磁芯的線圈，并且用于諧振電路、濾波器、變壓器和其他 設(shè)備。射頻電感器典型地是具有空的或者鐵氧體磁心的螺旋線圈。鐵磁性的芯材對(duì)于射頻 和微波頻率基本上不導(dǎo)電，而鐵磁性的芯材通常對(duì)于低頻率是導(dǎo)電的金屬材料?？勺冸娍蛊骺梢园梢詫?dǎo)通、介電或磁性的偏磁介質(zhì)。其例子是在半導(dǎo)體介質(zhì) 中的電荷分離，如在變?nèi)荻O管或參量二極管中完成的。在這個(gè)設(shè)備中，介質(zhì)是半導(dǎo)體，偏 置是在其上施加的DC電勢(shì)。變?nèi)荻O管是用于射頻電路中的電子調(diào)諧的廣泛且經(jīng)濟(jì)的手 段。但是，因?yàn)槔邕@些變?nèi)荻O管由于電壓的限制并不適合用于高射頻功率級(jí)別，并且在 某些情況下需要可變電感，所以對(duì)于那些調(diào)諧的需求來說變?nèi)荻O管的使用是受限的。例如，Abramov的美國(guó)專利No. 6，005, 467涉及一種可微調(diào)的電感器，包括具有分 離的引線端子的支撐襯底；在多匝的連續(xù)路徑上由安裝在襯底上的電導(dǎo)部件限定的線圈， 所述多匝形成了圍繞在引線端子之間延伸的軸的繞組；以及電導(dǎo)短路元件，其在線圈的至 少兩個(gè)相鄰繞組之間延伸和電連接，以使得能夠選擇性地包含和消除繞組之一。在導(dǎo)體或 短路元件中制造切口來微調(diào)電感器。此外，Goldberg等人的美國(guó)專利 No. 5，450，052 名稱為 “Magneticallyvariable inductor for high power audio and radio frequency applications，，。 i亥專禾Il公開了 一種用于高功率和高頻率應(yīng)用的磁性可變電感器，其包括其中具有磁芯的螺線圈，同軸地 設(shè)置在導(dǎo)體周圍以傳送高功率、高頻率信號(hào)；以及與螺線圈耦合的可變電流源，從而對(duì)通過 螺線圈的電流的操控產(chǎn)生該導(dǎo)體的可變電感。機(jī)械電感器包括可變電感器、具有可移動(dòng)鐵氧體環(huán)的線圈，或輥類型，在該輥類型 中，螺旋體相對(duì)于“輥”抽頭旋轉(zhuǎn)。對(duì)于非機(jī)械電可變電感器的選擇可能更加受限?？烧{(diào)電 感器領(lǐng)域的當(dāng)前狀況通常包括例如可能具有細(xì)精度、快速度和低功率處理的變?nèi)莨潭▽?dǎo) 體組合；體積大、可能具有粗精度、中速度且能提供高功率處理的繼電器；以及體積大、可 能具有細(xì)精度、低速度和高功率處理的電機(jī)驅(qū)動(dòng)類型。但是，沒有細(xì)精度、高速度和高功率 處理的組合。需要具有實(shí)用尺寸和構(gòu)造的電可變、可調(diào)整或可調(diào)諧的電感器，其具有高Q/效 率、細(xì)精度、高速度和高功率處理特征。這樣的可調(diào)電感器可以用作天線預(yù)選器和/或后選 器濾波器，并且其在需要快速重調(diào)的應(yīng)用中特別有吸引力。另一種需求是對(duì)于天線負(fù)載，如 對(duì)于調(diào)諧小偶級(jí)天線或鞭狀天線。鑒于上述背景，因此本發(fā)明的目的是提供一種具有細(xì)精度、高速度和高功率處理
3組合的電可調(diào)電感設(shè)備。本發(fā)明的這個(gè)和其它的目的、特征和優(yōu)勢(shì)由一種電可調(diào)的電感設(shè)備提供，其包括 電磁體，該電磁體包括電磁芯和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極以產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的偏置或 調(diào)諧線圈。電感器是基于可變磁場(chǎng)可調(diào)的，并且包括電感器芯，具有螺線管形狀且固定在 與所述電磁體的相對(duì)磁極相鄰的位置處；和電感器或信號(hào)線圈，圍繞在電感器芯的至少一 部分上。所述電磁芯可包括一對(duì)相對(duì)的管腳(leg)和在其間的限定馬蹄形的彎曲(bight) 部分。所述電感器芯可定位于所述電磁芯的相對(duì)管腳的端部之間，且所述調(diào)諧線圈可圍繞 所述電磁芯的所述彎曲部分。所述電磁芯可包括硅鋼磁芯，并且電感器芯可包括鐵氧體芯或鎳鋅鐵氧體芯。射 頻(RF)饋送端可以連接到信號(hào)線圈，并且其間連接有電容器。另一方面旨在一種帶阻(band stop)可調(diào)濾波器，其包括具有電磁體的電可調(diào)的 電感設(shè)備，該電磁體包括電磁芯和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極的調(diào)諧線圈?？烧{(diào)電感 器包括電感器芯，具有螺線管形狀且固定在與所述電磁體的相對(duì)磁極相鄰的位置處；和 信號(hào)線圈，圍繞在電感器芯的至少一部分上。射頻(RF)饋送端與信號(hào)線圈相連，而控制信 號(hào)饋送端和調(diào)諧線圈相連。一種方法方面旨在制造電可調(diào)電感設(shè)備，其包括提供電磁體，該電磁體包括電磁 芯和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極以產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的調(diào)諧線圈。所述方法包括提供基于 可變磁場(chǎng)可調(diào)的電感器，且該電感器包括電感器芯，具有螺線管形狀且固定在與所述電磁 體的相對(duì)磁極相鄰的位置處，和電感器線圈，環(huán)繞在電感器芯的至少一部分上。對(duì)電感器芯施加直流磁場(chǎng)改變?cè)撔镜拇艑?dǎo)率，因此對(duì)于小的改變來說，電感和直 流控制響應(yīng)可能呈線性。導(dǎo)電電磁材料將射頻電路與直流控制電路分離，并且反之亦然，在 電磁芯飽和之前電感器芯中獲得充足的電感變量。這樣的可調(diào)電感器或?yàn)V波器可以用于例 如，頻率跳躍系統(tǒng)中。這樣的電可調(diào)電感器可以是對(duì)于各種應(yīng)用的元件，所述各種應(yīng)用包 括可調(diào)預(yù)選/后選濾波器；與信號(hào)調(diào)制匹配的動(dòng)態(tài)天線；適配干擾減輕濾波器；也可以是 在軟件定義的無線電(SDR)中使用的理想元件。

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電可調(diào)的電感設(shè)備的示意圖。圖2是示出了包括圖1的電可調(diào)的電感設(shè)備的可調(diào)濾波器的示意圖。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的特征的可調(diào)濾波器的示例的測(cè)量到的頻率響應(yīng)(S21) 的曲線圖?，F(xiàn)在將參考附圖在下文中更充分地描述本發(fā)明，附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例。然而，本發(fā)明可以很多不同的形式實(shí)施，且不應(yīng)該被解釋為局限于在此闡述的實(shí)施例。 相反，所提供的這些實(shí)施例使得本公開徹底和完整，并且將完全把本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本 領(lǐng)域技術(shù)人員。在所有附圖中，相同的數(shù)字指代相同的元件?，F(xiàn)在將首先參考圖1描述電可調(diào)的電感設(shè)備10。所述電可調(diào)的電感設(shè)備10可具 有細(xì)精度、高速度和高功率處理的組合。如圖所示，電可調(diào)的電感設(shè)備10包括電磁體12，該 電磁體包括電磁芯14和與電磁芯合作來限定相對(duì)的磁極18、20以產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的調(diào)諧線 圈16。電感器30是基于可變磁場(chǎng)可調(diào)的，并且包括電感器芯32，即，具有螺線管形狀，并且固定在與電磁芯14的相對(duì)磁極18、20相鄰的位置處。像本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣， 電感器芯32可包括例如鐵氧體芯或者鎳鋅鐵氧體芯。信號(hào)線圈34纏繞在電感器芯32的 至少一部分上。電磁芯14可包括一對(duì)相對(duì)管腳40、42和在其間的限定馬蹄形的彎曲部分44。電 感器芯32可定位于電磁芯14的相對(duì)管腳40，42的端部18、20之間，并且調(diào)諧線圈16可圍 繞電磁芯的彎曲部分44以形成磁路，如同常規(guī)那樣。電磁芯可包括導(dǎo)電的硅鋼芯并且包括 疊片結(jié)構(gòu)以提高控制速度，但是本發(fā)明并沒有被限制為要求疊片結(jié)構(gòu)。電磁芯14的重要物理性能包括硅鋼提供的高滲透性和電導(dǎo)率。在本發(fā)明中，高滲 透性為小的直流調(diào)諧偏置電流提供強(qiáng)的直流磁性控制場(chǎng)。另外，電磁芯14的高滲透性(μ _芯>> μ電感器芯)保證電感器芯32在電磁芯14之前磁性飽和。這有助于確保由本發(fā)明 完成最大電感變化(即，調(diào)諧范圍)。在一個(gè)原型里，全電感變化容易在電磁芯14飽和前在 電感器芯32內(nèi)獲得。S卩，電感器芯32在電磁芯14飽和之前飽和，且硅鋼的滲透性可能是 10000，而射頻鐵氧體的滲透性通常很小，可能10到1000。在電磁芯14中的高導(dǎo)電性防止射頻磁場(chǎng)從電感器芯32穿過電磁芯14，從而把射 頻和直流線圈彼此隔離，除了預(yù)期的控制功能。一些原型中，本發(fā)明對(duì)于2. 6到1的調(diào)諧范 圍提供了 7到1的電感變化。通常，本發(fā)明的射頻電路調(diào)諧范圍是電感變化的平方根，根據(jù) 并聯(lián)共振公式f = 1/2 Π V LC從而(Af) =V (AL)本發(fā)明的另一個(gè)方面旨在一種帶阻可調(diào)濾波器100，其將參考圖2描述。帶阻濾波 器100包括電可調(diào)的電感設(shè)備10，像參考圖1描述的那樣。現(xiàn)在參考圖2，固定電容器14 穿過信號(hào)線圈34的端子連接，并且射頻(RF)端口 110和112連接到信號(hào)線圈34和其間的 電容器104的并聯(lián)組合，且控制信號(hào)饋送端106連接到調(diào)諧線圈。為了調(diào)諧濾波器100，由 直流調(diào)諧偏置塊108提供直流控制信號(hào)或"調(diào)諧偏壓"電流。本發(fā)明當(dāng)然不限于調(diào)諧帶阻濾波器，并且各種濾波器可被實(shí)現(xiàn)和調(diào)諧，如本領(lǐng)域 技術(shù)人員將理解的那樣。本發(fā)明的電可變電感是通用的可變電抗設(shè)備。在信號(hào)處理中，帶阻濾波器或者帶抑濾波器是使大多數(shù)頻率不變地通過但是將特 定范圍中的頻率降到非常低的水平的濾波器。這與帶通濾波器相反。陷波濾波器是具有窄 阻帶(高Q因數(shù))的帶阻濾波器?，F(xiàn)在將考慮使用本發(fā)明的可變電感器的圖2的帶阻濾波器的操作的例子。圖3是 具有不同直流調(diào)諧偏置的濾波器測(cè)量插入損耗(頻率響應(yīng))的曲線，并且本例的整體性能 參數(shù)在下述表格中提供 在實(shí)施例中，觀察到Q或者濾波器清晰度由于增加電感器的Q值，而對(duì)于直流偏置 (即，電感的較小值)的高值而升高。這在大多數(shù)情況下是有利的，因?yàn)楦怃J的濾波器可 能對(duì)于工作帶的更高部分是期望的，因?yàn)樾诺缼捊?jīng)常是恒定的，而不是工作頻率的分?jǐn)?shù) 比例。例如，在模擬電視廣播中，信道在帶寬方面為每6兆赫，即使與896兆赫處的6兆赫 相比，54兆赫處的6兆赫是大得多的分?jǐn)?shù)帶寬。通常，鐵氧體芯上的直流磁偏置提供了更高 的Q和更低損耗的電感器，其可用于更高的頻率。諸如本發(fā)明的滲透性調(diào)諧的射頻濾波器提供了迅速調(diào)整陷波頻率的能力，并且如 果期望，可以利用帶通濾波使用類似的方法來調(diào)整通帶頻率。通信信道線性(免除互調(diào)乘積、諧波失真或者寄生信號(hào))是使用鐵氧體磁心電感 器的電路中所固有的設(shè)計(jì)考慮。在本發(fā)明中，調(diào)諧"推出"可在復(fù)雜的關(guān)系中與線性折衷 (trade)在一些操作區(qū)域線性實(shí)際上可被改進(jìn)，特別是遠(yuǎn)離飽和的那些區(qū)域，在其它區(qū)域 中線性則可能降低，特別是接近飽和的區(qū)域。在偏置的電感器中互調(diào)制折衷的例子由論文 "Dual-Frequency Distortion PredictionsFor The Cutler VLF Array，，，Eric Berg等人， IEEE Transactions On Aerospaceand Electronic Systems, Vol. 39，No. 3 July 2003 提
6
作為背景，線性與磁疇歸類或Barkhausen效應(yīng)相關(guān)，磁疇歸類或Barkhausen效應(yīng) 由磁疇(在鐵磁性材料中類似磁性導(dǎo)向的原子)范圍中的快速變化引起。通常，磁性材料折 衷包括粉末的五羰基鐵型的電感器芯，其提供較大的線性但較小的調(diào)諧范圍；以及鐵氧 體，其提供較大的調(diào)諧范圍但較小的線性。這是因?yàn)檩^之鐵氧體，粉狀鐵芯通常不易飽和。把直流磁場(chǎng)施加于電感器芯32改變了鐵氧體芯的滲透性，而且因此改變了線圈 34的電感。導(dǎo)電的電磁體材料把射頻電路與直流控制電路隔離，并且反之亦然(例如，可能 是使用硅鋼芯的本質(zhì)優(yōu)勢(shì))。層壓的電磁體材料為更高速度控制而降低渦旋。經(jīng)觀察，可調(diào) 電感設(shè)備10的直流控制(調(diào)諧響應(yīng))對(duì)少量直流偏置大約呈線性，對(duì)較大的調(diào)諧偏置則光 滑和單調(diào)。永磁鐵可能被包括以用于粗略調(diào)整本發(fā)明的電感，以增加電感器芯32的Q和效 率，或者提高電感器芯32的可用頻率范圍。雖然電磁芯14優(yōu)先是"柔軟"的磁性材料，例如不保留永磁的硅鋼，但是電磁芯 14可另選地具有殘余物(保留永磁)的性質(zhì)。在這種情況下，直流控制的方法可包括將直 流脈沖應(yīng)用到調(diào)諧線圈16，以交替地磁化或去磁剩余的或者硬磁材料的電磁芯14。直流磁 化脈沖可能按順序，且直流脈沖的極性可能按需要被反轉(zhuǎn)以磁化或者去磁，以例如從柔軟 的芯材中減少對(duì)于保持恒定的磁性調(diào)諧場(chǎng)所必需的功耗。本發(fā)明的非限制性應(yīng)用為動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧。在動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧中，天線諧振頻率與信 號(hào)調(diào)制一起移動(dòng)，例如，在傳送數(shù)字式的最小相移鍵控(MSK)型信號(hào)時(shí)。由于天線即時(shí)增益 帶寬基本上與天線尺寸有關(guān)，因此動(dòng)態(tài)天線調(diào)諧通過允許更小更多的即時(shí)窄帶天線來跟隨 發(fā)射信號(hào)調(diào)制和頻譜，來允許降低的天線尺寸?？烧{(diào)濾波器可處理在多臺(tái)發(fā)送器和接收器必須彼此接近地操作的軍用船上遭遇 的重要的共同場(chǎng)所干涉問題，因?yàn)橛斜匾拗铺炀€之間的隔離。在船上的高頻處，通過單獨(dú) 隔離可能難于在高頻天線之間獲得甚至20到30dB的隔離。舷側(cè)接收器射頻預(yù)選和后選濾 波器必須在自己不喪失能力的同時(shí)拒絕附近的強(qiáng)信號(hào)，并且在這樣的應(yīng)用中本發(fā)明可優(yōu)選
變?nèi)荻O管調(diào)諧。一種方法方面旨在制造電可調(diào)的電感設(shè)備10的方法。這種方法包括提供電磁體 12，該電磁體包括電磁芯14和與電磁芯合作來限定相對(duì)磁極18、20以產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的調(diào)諧 線圈16。這種方法包括提供基于可變磁場(chǎng)可調(diào)的電感器30，并且包括例如具有螺線管形狀 的電感器芯32，且固定在和所述電磁芯14的相對(duì)磁極18，20相鄰的位置上。信號(hào)線圈34 被環(huán)繞包圍電感器內(nèi)芯32的至少一部分。因此，適于高射頻功率等級(jí)的可調(diào)電抗元件由鐵氧體螺線管電感器提供，該電感 器被直流電磁偏置?？烧{(diào)電抗元件在高頻、甚高頻和其他頻率是電感的和可操作的。
權(quán)利要求
一種電可調(diào)的電感設(shè)備包括電磁體，該電磁體包括電磁芯和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極以產(chǎn)生可變磁場(chǎng)的偏置線圈；和電感器，該電感器基于在鐵氧體電感器芯內(nèi)部的可變磁場(chǎng)而可調(diào)，且包括電感器芯，具有螺線管形狀且固定在與所述電磁體的相對(duì)磁極相鄰的位置處，和電感器線圈，圍繞電感器芯的至少一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電可調(diào)的電感設(shè)備，其中所述電磁芯包括一對(duì)相對(duì)的管腳和在其 間的限定馬蹄形的彎曲部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電可調(diào)的電感設(shè)備，其中所述電感器芯定位于所述電磁芯的相對(duì) 管腳的端部之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的電可調(diào)的電感設(shè)備，其中所述偏置線圈圍繞所述芯的所述彎曲部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電可調(diào)的電感設(shè)備，還包括連接到電感器線圈的射頻(RF)饋送端 和連接在其間的電容器。
6.一種制造電可調(diào)的電感設(shè)備的方法，其包括提供電磁體，該電磁體包括電磁芯和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極以產(chǎn)生可變磁場(chǎng) 的偏置線圈；和提供基于可變磁場(chǎng)可調(diào)的電感器，且該電感器包括電感器芯，具有螺線管形狀且固定在與所述電磁體的相對(duì)磁極相鄰的位置處，和 電感器線圈，圍繞電感器芯的至少一部分。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中提供所述電磁體包括形成具有一對(duì)相對(duì)的管腳和在其間 的限定馬蹄形的彎曲部分的電磁芯。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中提供所述電感器包括在所述電磁芯的相對(duì)管腳的端部之 間定位所述電感器芯。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中提供所述電磁體包括利用偏置線圈包裹將電磁芯的彎曲 部分。
10.如權(quán)利要求6的方法，還包括連接射頻(RF)饋送端到所述電感器線圈以及在其間 連接電容。
全文摘要
電可調(diào)的電感設(shè)備(10)包括電磁體(12)，該電磁體包括電磁芯(14)和與該電磁芯合作來限定相對(duì)磁極以產(chǎn)生可能改變的靜磁場(chǎng)的偏置或調(diào)諧線圈(16)。一個(gè)電感器(30)基于可變磁場(chǎng)是可調(diào)的，并且包括具有螺線管形狀且固定在和所述電磁體(12)的相對(duì)磁極(18，20)相鄰的位置處的電感器芯(32)，且電感器線圈或信號(hào)線圈(34)被包裹在電感器芯的至少一部分周圍。所述電磁芯可包括一對(duì)相對(duì)的管腳(40，42)和在其間的確定馬蹄形的彎曲部分(44)。所述電感器芯可定位于電磁芯的相對(duì)管腳(40，42)的端部(18，20)之間，并且調(diào)諧線圈(16)可圍繞所述電磁芯的所述彎曲部分。電可調(diào)的電感設(shè)備可具有高精度、高速度和高功率處理的組合，能夠用于可調(diào)射頻濾波器。
文檔編號(hào)H01F29/14GK101919012SQ200980101874
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者F·E·帕斯科, J·S·西博爾德 申請(qǐng)人:哈里公司