具有基於鐵的芯子的濾波器電路的製作方法

2023-11-06 20:42:12

專利名稱：具有基於鐵的芯子的濾波器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及數字和模擬信息傳輸領域；更具體地說，涉及具有基於鐵的非晶態金屬芯子的濾波器電路，用於諸如DSL通信電路之類的電信應用中的帶通濾波。
背景技術：
電話通信線路目前用來為產品或服務的商業和家庭用戶產生各種各樣的信號。這種產品或服務當然包括常規的話音電話和通信以及數量不斷增長的輔助服務。輔助服務一般旨在通過現有的電話線路傳輸信息。這種信息目前包括計算機數據、即通過雙向網際網路連接傳送的數據以及數量不斷增長的其它輸助服務。那些目前正在發展或設想的其它輔助服務包括單向和雙向連續廣播信息，諸如純音頻(無線電廣播)、視頻流、混合的音頻/視頻流等。通過現有電話線路使前述通信模式成為可能，電話線路提供了能夠承載範圍廣泛的這種信息的網絡。雖然可用帶寬的一般範圍是從大約O到3000kHz，但是傳統純話音電信的實際帶寬要求卻接近高達約6kHz。因此，存在著在更高頻率上使用這種現有網絡傳送通信信息的可能性。在一定的頻率範圍、即有限「帶寬」內提供信息的技術使得能夠沿單一電路同時傳輸不同的信號。這免除了對其中可將沿通信線路傳送的信號保持在分開的頻段內、即電路可用頻譜中分開的帶寬內的多個電路的需要。傳統上，這是通過使用「帶通濾波器」來實現的，所述濾波器通常包括線圈和電容器。線圈和電容器的工作特性經過選擇，使得只有總可用頻譜的有限子集通過通信線路。帶通濾波器通常設置在通信源與通信線路之間，從而限定通信設備的輸出只落在為特定帶通濾波器設置的頻率範圍內。還可使用多個各具有可用頻譜內的不重疊頻率範圍的輸出的帶通濾波器，由此多個通信設備可共用公共的通信線路。過去，扼流線圈一直用在電信電路中。雖然有利，但是使用不是沒有缺點。這種缺點包括控制對於諸如帶通濾波器電路中相關使用所必需的預期扼流線圈性能的不相容性。 這些缺點產生了對具有「更軟」和更可控的磁性的材料的需要。在某些情況下，包含非晶態金屬合金的鈷被用來形成扼流線圈芯子。雖然富鐵的非晶態金屬芯子更普遍和更便宜，但是一直未被用在扼流線圈芯子中，因為它們的感應屬性被認為是不適合用於帶通濾波器。

發明內容
本發明提供一種電感器，它具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金構成的芯子。一方面，芯子的磁導率在大約1到IOOOkHz的頻率範圍上基本上恆定。特別是，芯子的磁導率在大約-15到+15奧斯特(Oe)的場強範圍上基本恆定。
另一方面，本發明提供一種包含扼流線圈的濾波器電路，所述扼流線圈包括具有在從大約1到IOOOkHz的頻率範圍上基本恆定的磁導率的芯子。另一方面，本發明提供一種用於分段頻率通信的方法，它採用具有在大約-15到 +150e的場強上基本恆定的芯子磁導率的濾波器電路。有利的結構特徵被結合到本發明的元件中。包括由基於狗的非晶態金屬合金製成的芯子的濾波器電路提供與採用基於Co的芯子的濾波器電路一樣好或更佳的性能。此外，由基於狗的非晶態合金構成的芯子比基於Co的芯子便宜得多。這樣，基於狗的非晶態金屬合金芯子向需要濾波器電路的通信應用提供低成本解決方案。採用基於狗的芯子的濾波器電路特別適用於需要可調帶通濾波器來選擇如DSL之類通信信道上的數字和模擬信號的頻帶的通信應用。


參照以下本發明的優選實施例的詳細說明和附圖，會更加全面地理解本發明，而且其它優點會變得顯而易見，其中圖1是說明根據本發明的通信系統的示意圖；圖2A是說明本發明的濾波器電路的電路圖；圖2B是描述根據本發明的濾波器電路的頻率響應的曲線圖；圖3是說明根據本發明的芯子的磁化曲線和先有技術芯子的磁化曲線的曲線圖；圖4A是描述作為所應用的頻率的函數的本發明的芯子的磁導率的曲線圖；圖4B是描述作為所加場強的函數的本發明的芯子的磁導率的曲線圖；圖5是描述對於根據本發明的芯子和先有技術的芯子、作為DC偏置場的函數的圖 2B中所示的中心諧振頻率f。的偏移的曲線圖；圖6A-D是包含採用根據本發明構造的芯子的帶通濾波器電路的示例的電路圖；圖7是描述芯子磁導率與退火溫度之間關係的曲線圖，不同的曲線描述了具有不同結晶溫度的材料；圖8是描述對於不同的退火時間、芯子磁導率與退火溫度之間關係的曲線圖；圖9是描述為了獲到幾度以內的溫度均勻性、用於退火的芯子的裝入配置的圖示；圖10是描述作為DC偏置場和頻率的函數的芯子損耗的曲線圖；圖11是描述作為DC磁化力的函數的芯子磁導率的曲線圖；圖12是說明在退火之後條帶的剖面的掃描電子顯微術(SEM)圖片；以及圖13是描述作為結晶度的體積百分比的函數的芯子磁導率的圖表。
具體實施例方式參照附圖中的圖1，圖中說明一種根據本發明的通信系統20。通信源22(如電話中心局)採用DSL技術通過通信信道沈向用戶24(如公司或家庭)傳遞高帶寬的模擬和數位訊號。濾波器電路觀(如帶通濾波器電路)可以設置在中心局22和用戶M處。濾波器電路觀的工作特性可經過調節，以便限制通過通信線路沈的頻譜。在另一實施例中，濾波器電路觀可以是低通濾波器，其工作特性可經過調節，以便限定允許通過的頻率範圍。圖2A是說明根據本發明的圖1的濾波器電路觀的電路圖。在一個實施例中，圖 2A的濾波器電路是帶通濾波器電路，包括組合成並聯電路的電扼流圈L和電容器C。圖2A 的濾波器電路接受輸入信號並且產生隨輸入信號的頻率和濾波器電路的工作特性而定的輸出信號。參照圖2B，圖2A的濾波器電路具有中心諧振頻率f。= 1/([2π (LC)1勺，其中L 是電感器L的電感，C是電容器的電容。濾波器電路具有表示相對於中心諧振頻率f。通過的頻率範圍的帶寬BW。通過調節電感器L和/或電容器C的值來選擇特定的中心諧振頻率 f。和BW。例如，在DSL實施例中，採用一個或多個濾波器電路，它們各具有其自己的中心諧振頻率f。，使得各濾波器電路讓DSL通信系統中使用的特定kHz帶寬內的特定子帶中的信號通過。電感器L是儲能元件，包括用載流導線纏繞的鐵磁芯。對於環形電感器，存儲的能量是W= 1/2 [(B2AcIm) Λ2 μ。μ》]，其中B是磁通密度，Α。是芯子的有效磁性面積，Im是平均磁路長度，μ ^是自由空間的磁導率，μ ^是材料中的相對磁導率。通過在圓環中引入小間隙，空氣隙中的磁通保持與鐵磁芯材料中的相同。但是，由於空氣的磁導率(μ ^ 1)明顯低於典型鐵磁材料中的磁導率(μ 幾千)，因此間隙中的磁場強度(H)變得遠高於芯子其餘部分中的磁場強度(H = Β/μ )。磁場中每單位體積貯存的能量為W= 1/2 (BH)，這表明它主要集中在空氣隙中。換言之，芯子的能量貯存容量通過引入間隙而得到提高。間隙可以是離散的或分布的。可以通過使用以非磁性粘合劑固定在一起的鐵磁粉或者通過使非晶態合金部分結晶來引入分布的間隙。在第二種情況下，鐵磁晶相是分開的並且被非磁性矩陣所圍繞。結合本發明的扼流圈來利用這種部分結晶機制。圖3是描述根據本發明的基於狗的非晶態合金芯子和先有技術的基於富Co非晶態合金的芯子的磁化曲線的曲線圖。該曲線圖表明，由本發明的芯子的μ = Β/Η所定義的磁導率基本上是線性的。磁場強度H在從大約_400e到+400e的範圍上變化，導致相應磁通密度B在大約+13到-13kG的範圍上線性變化。線性磁導率屬性使基於狗的芯子適合於DSL通信系統中的帶通濾波器電路。另一方面，先有技術的芯子的磁導率只是一直到大約7kG的感應程度是線性的，這明顯低於在本發明的基於狗的芯子中達到的13kG程度。根據本發明的芯子的較大的可用感應程度是所需的，因為芯子可以在電信線路中較大的電流電平下工作。圖4A是描述本發明的帶通濾波器的芯子磁導率與所加場頻率之間函數關係的曲線圖。把交流(AC)信號施加於具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金構成的芯子的帶通濾波器，其中磁導率大約為700。在I-IOOOOkHz的範圍上改變頻率，同時測量磁導率。該曲線圖表明，磁導率一直到大約IOOOkHz範圍都是恆定的。隨著頻率從IOOOkHz到20000kHz 變化，磁導率從700向20逐漸地線性減小。圖4B是描述本發明的帶通濾波器的作為所加場強的函數的芯子磁導率的曲線圖。具有磁導率大約為700的基於狗的芯子的帶通濾波器處於在0到350e的範圍上變化的磁場H中，同時測量芯子的磁導率。曲線圖表明，磁導率在大約0到150e的磁場H範圍內不會顯著變化。隨著磁場H變化到超過170e，磁導率逐漸地以線性方式從700減小到300。 鐵磁芯可用在作為諸如DSL的通信電路的一部分的濾波器電路中。鐵磁芯隨著頻率和磁場強度在代表諸如DSL的通信應用的範圍上變化而呈現出線性的磁導率。圖5對於根據本發明的芯子和先有技術的芯子比較了圖2B中定義的中心諧振頻率f。的偏移。OD大約為13mm、ID大約為8mm、高度大約為7mm的這些芯子每個與150圈銅繞線一起構成大約8mH的電感L。電感器與1 μ F的電容器並聯連接，得到大約1800Hz的中心諧振頻率f。。先有技術的芯子在高於IOOe的DC偏置場下飽和，超過100e，芯子變得無法工作，而根據本發明的芯子超過IOOe仍能良好地工作。較低的中心諧振頻率偏移是穩定的濾波器操作所需要的。圖6表示根據本發明的基於狗的芯子用於電感器L中的帶通濾波器電路的示例。 所有這些電路具有由1/[2π (LC)172]給定的相同中心諧振頻率。圖7是描述芯子的磁導率與退火溫度之間關係的曲線圖，不同的曲線描述了具有不同結晶溫度Tx的材料。在IOkHz頻率、8轉jig和IOOmV AC激勵下，採用市面上可買到的電感電橋來測量磁導率。退火時間保持恆定為6小時。所有的芯子在惰性氣體氣氛中退火。不同的曲線表示基於狗的合金，其中化學成分有小變化，因此它們的結晶溫度也有小變化。通過差分掃描量熱法(DSC)來測量結晶溫度。對於恆定的退火時間，隨著不斷增大的退火溫度觀察磁導率的降低。對於給定的退火溫度，磁導率根據結晶溫度而縮放，即對於具有最高結晶溫度的合金，磁導率最高。圖8描述作為退火溫度的函數的具有相同化學成分的退火後的基於狗的芯子的磁導率。不同的曲線表示不同的退火時間。曲線表明，對於高於450°C的溫度，退火溫度的影響遠遠超過退火時間的影響。根據圖7和8中的信息，為包含非晶態金屬合金的基於狗的硼和矽選擇適當的退火溫度和時間的組合。只要合金的結晶溫度(Tx)和/或化學成分是已知的，就可進行這種選擇。例如，對於具有Tx = 507°C的!^e8tlB11Si9，為了獲得在100到400的範圍內的磁導率， 持續6小時、範圍為420到425°C的退火溫度是適當的。為了獲得大約700的磁導率，具有 Tx = 527°C的基於!^e的非晶態合金在430°C經過6小時熱處理，如圖7所述。在熱處理期間，通過施加垂直於芯子的磁激勵方向的磁場，實現磁導率線性的改進。例如，用於圖3、4A、4B和5的本發明的基於狗的芯子在大約2000e的垂直磁場下受到熱處理。結合圖7和8的論述來執行場致退火。參考圖9，圖中表明，當維持小於一或二度的溫度變化時，獲得給定的磁導率值的再生性和均勻性。為退火過程開發了專門的裝入配置，以便建立爐中溫度的均勻性和再生性。對於盒式惰性氣體爐，按照圖9堆疊金屬絲網Al板72，該排列設計在爐中心。Al板72 是襯底，它在退火過程中固定芯子71。電感器芯子的典型磁性表徵數據、如芯子損耗和DC偏置表示在圖10和11中。作為DC偏置場的函數畫出芯子損耗數據的曲線，不同的曲線表示不同的測量頻率。所示數據是關於OD為25mm的芯子的。芯子性能的重要參數是當芯子由DC偏置場驅動時保持的初始磁導率的百分比。圖11描述OD為35mm的芯子的典型DC偏置曲線。執行剖面掃描電子顯微術(SEM)和χ射線衍射(XRD)，以便確定退火後的芯子的分布和結晶百分比。圖12描述典型剖面SEM，表明具有大約20 μ m的厚度的大塊合金和表面結晶。從SEM和XRD數據中確定結晶的體積百分比，並作為磁導率的函數畫在圖13中。對於範圍在100到400的磁導率，需要範圍在5%到30%的大量結晶。
由此相當全面詳細地描述了本發明，應當理解，不一定嚴格遵守這種細節，而是本領域的技術人員會想到額外的變更和修改。例如，具有基於狗的非晶態金屬芯子的濾波器電路可用於除DSL以外的通信。這些和其它實施例要落在如所附權利要求所定義的本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種帶通濾波器，所述帶通濾波器包括電感器，所述電感器具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子，所述金屬合金條帶具有從507°C至527°C的範圍的結晶溫度，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
2.如權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
3.如權利要求1所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率在大約-1.2至 +1. 2kA/m的場強範圍上存在。
4.一種電感器，所述電感器包括基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子， 所述金屬合金條帶具有從507°C至527°C的範圍的結晶溫度，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
5.如權利要求4所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
6.如權利要求4所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率在-1.2至+1. 2kA/m的場強範圍上存在。
7.一種用於限定頻率通信的方法中的改進，其中採用具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子的電感器，所述金屬合金條帶具有從507°C至527°C的範圍的結晶溫度，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在大約IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述芯子磁導率在-1.2至+1. 2kA/m的磁場場強範圍上是基本恆定的。
10.一種帶通濾波器，所述帶通濾波器包括電感器，所述電感器具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
11.如權利要求10所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100 到 400。
12.如權利要求10所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率在大約-1.2至 +1. 2kA/m的場強範圍上存在。
13.—種電感器，所述電感器包括基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
14.如權利要求13所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
15.如權利要求13所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率在-1.2至+1. 2kA/m 的場強範圍上存在。
16.一種用於限定頻率通信的方法中的改進，其中採用具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子的電感器，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在大約IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
18.如權利要求16所述的方法，其中，所述芯子磁導率在-1.2至+1. 2kA/m的磁場場強範圍上是基本恆定的。
19.一種帶通濾波器，所述帶通濾波器包括電感器，所述電感器具有基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，以及所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率，以及所述芯子是在下列條件之一下生產的 在415至450°C的範圍中的溫度退火6小時； 在440至450°C的範圍中的溫度退火4小時；或者在450°C退火2小時。
20.如權利要求19所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100 到 400。
21.如權利要求19所述的帶通濾波器，其中，所述基本上恆定的磁導率在大約-1.2至 +1. 2kA/m的場強範圍上存在。
22.—種電感器，所述電感器包括基本上由基於狗的非晶態金屬合金條帶構成的芯子，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，所述芯子在IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率，以及所述芯子是在下列條件之一下生產的 在415至450°C的範圍中的溫度退火6小時； 在440至450°C的範圍中的溫度退火4小時；或者在450°C退火2小時。
23.如權利要求22所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
24.如權利要求22所述的電感器，其中，所述基本上恆定的磁導率在-1.2至+1. 2kA/m 的場強範圍上存在。
25.一種用於限定頻率通信的方法中的改進，其中採用具有基本上由基於！^的非晶態金屬合金條帶構成的芯子的電感器，其中所述金屬合金條帶經過退火而在其中產生線性BH回線，所述線性BH回線在大約-15 至+15奧斯特的場強範圍上具有接近零的矩形比，所述芯子在大約IkHz到IOOOkHz的頻率範圍上具有基本上恆定的磁導率，以及所述芯子是在下列條件之一下生產的 在415至450°C的範圍中的溫度退火6小時； 在440至450°C的範圍中的溫度退火4小時；或者在450°C退火2小時。
26.如權利要求25所述的方法，其中，所述基本上恆定的磁導率的範圍是從100到400。
27.如權利要求25所述的方法，其中，所述芯子磁導率在-1.2至+1. 2kA/m的磁場場強範圍上是基本恆定的。
全文摘要
本發明名稱是「具有基於鐵的芯子的濾波器電路」。一種濾波器電路用於在DSL通信系統中的通信信道上選擇數字和模擬信號的頻帶。濾波器電路包括具有基本上由基於Fe的非晶態金屬合金構成的芯子的電感器。有利的是，所述濾波器電路提供與採用基於Co的芯子的濾波器電路一樣好或更好的性能；但是便宜得多。這樣，它為諸如DSL通信系統之類的通信應用提供了一種低成本、高效率的解決方案。
文檔編號H01F17/04GK102208902SQ20111011131
公開日2011年10月5日 申請日期2003年2月3日 優先權日2002年2月8日
發明者R·J·馬蒂斯, R·哈塞加瓦, S·V·塔蒂科拉 申請人:梅特格拉斯公司