專利名稱：具有基于鐵的芯子的濾波器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字和模擬信息傳輸領(lǐng)域；更具體地說，涉及具有基于鐵的非晶態(tài)金屬芯子的濾波器電路，用于諸如DSL通信電路之類的電信應(yīng)用中的帶通濾波。
先有技術(shù)的描述電話通信線路目前用來為產(chǎn)品或服務(wù)的商業(yè)和家庭用戶產(chǎn)生各種各樣的信號。這種產(chǎn)品或服務(wù)當(dāng)然包括常規(guī)的話音電話和通信以及數(shù)量不斷增長的輔助服務(wù)。輔助服務(wù)一般旨在通過現(xiàn)有的電話線路傳輸信息。這種信息目前包括計算機數(shù)據(jù)、即通過雙向因特網(wǎng)連接傳送的數(shù)據(jù)以及數(shù)量不斷增長的其它輸助服務(wù)。那些目前正在發(fā)展或設(shè)想的其它輔助服務(wù)包括單向和雙向連續(xù)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(xiàn)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范圍廣泛的這種信息的網(wǎng)絡(luò)。雖然可用帶寬的一般范圍是從大約0到3000kHz，但是傳統(tǒng)純話音電信的實際帶寬要求卻接近高達(dá)約6kHz。因此，存在著在更高頻率上使用這種現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳送通信信息的可能性。
在一定的頻率范圍、即有限“帶寬”內(nèi)提供信息的技術(shù)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(nèi)、即電路可用頻譜中分開的帶寬內(nèi)的多個電路的需要。傳統(tǒng)上，這是通過使用“帶通濾波器”來實現(xiàn)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(jīng)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(shè)置在通信源與通信線路之間，從而限定通信設(shè)備的輸出只落在為特定帶通濾波器設(shè)置的頻率范圍內(nèi)。還可使用多個各具有可用頻譜內(nèi)的不重疊頻率范圍的輸出的帶通濾波器，由此多個通信設(shè)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于諸如帶通濾波器電路中相關(guān)使用所必需的預(yù)期扼流線圈性能的不相容性。這些缺點產(chǎn)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(tài)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(tài)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(yīng)屬性被認(rèn)為是不適合用于帶通濾波器。
發(fā)明概述本發(fā)明提供一種電感器，它具有基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子。
一方面，芯子的磁導(dǎo)率在大約1到1000kHz的頻率范圍上基本上恒定。特別是，芯子的磁導(dǎo)率在大約-15到+15奧斯特(Oe)的場強范圍上基本恒定。
另一方面，本發(fā)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1000kHz的頻率范圍上基本恒定的磁導(dǎo)率的芯子。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于分段頻率通信的方法，它采用具有在大約-15到+15Oe的場強上基本恒定的芯子磁導(dǎo)率的濾波器電路。
有利的結(jié)構(gòu)特征被結(jié)合到本發(fā)明的元件中。包括由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金制成的芯子的濾波器電路提供與采用基于Co的芯子的濾波器電路一樣好或更佳的性能。此外，由基于Fe的非晶態(tài)合金構(gòu)成的芯子比基于Co的芯子便宜得多。這樣，基于Fe的非晶態(tài)金屬合金芯子向需要濾波器電路的通信應(yīng)用提供低成本解決方案。采用基于Fe的芯子的濾波器電路特別適用于需要可調(diào)帶通濾波器來選擇如DSL之類通信信道上的數(shù)字和模擬信號的頻帶的通信應(yīng)用。
附圖簡介參照以下本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明和附圖，會更加全面地理解本發(fā)明，而且其它優(yōu)點會變得顯而易見，其中

圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的通信系統(tǒng)的示意圖；圖2A是說明本發(fā)明的濾波器電路的電路圖；圖2B是描述根據(jù)本發(fā)明的濾波器電路的頻率響應(yīng)的曲線圖；圖3A是說明根據(jù)本發(fā)明的芯子的磁化曲線的曲線圖；圖3B是說明先有技術(shù)芯子的磁化曲線的曲線圖；圖4A是描述作為所應(yīng)用的頻率的函數(shù)的本發(fā)明的芯子的磁導(dǎo)率的曲線圖；圖4B是描述作為所加場強的函數(shù)的本發(fā)明的芯子的磁導(dǎo)率的曲線圖；圖5是描述對于根據(jù)本發(fā)明的芯子和先有技術(shù)的芯子、作為DC偏置場的函數(shù)的圖2B中所示的中心諧振頻率fc的偏移的曲線圖；圖6A-D是包含采用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)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(dǎo)率與退火溫度之間關(guān)系的曲線圖，不同的曲線描述了具有不同結(jié)晶溫度的材料；圖8是描述對于不同的退火時間、芯子磁導(dǎo)率與退火溫度之間關(guān)系的曲線圖；圖9是描述為了獲到幾度以內(nèi)的溫度均勻性、用于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(shù)的芯子損耗的曲線圖；圖11是描述作為DC磁化力的函數(shù)的芯子磁導(dǎo)率的曲線圖12是說明在退火之后條帶的剖面的掃描電子顯微術(shù)(SEM)圖片；以及圖13是描述作為結(jié)晶度的體積百分比的函數(shù)的芯子磁導(dǎo)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(jù)本發(fā)明的通信系統(tǒng)20。通信源22(如電話中心局)采用DSL技術(shù)通過通信信道26向用戶24(如公司或家庭)傳遞高帶寬的模擬和數(shù)字信號。濾波器電路28(如帶通濾波器電路)可以設(shè)置在中心局22和用戶24處。濾波器電路28的工作特性可經(jīng)過調(diào)節(jié)，以便限制通過通信線路26的頻譜。在另一實施例中，濾波器電路28可以是低通濾波器，其工作特性可經(jīng)過調(diào)節(jié)，以便限定允許通過的頻率范圍。
圖2A是說明根據(jù)本發(fā)明的圖1的濾波器電路28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，包括組合成并聯(lián)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并且產(chǎn)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fc＝1/([2π(LC)1/2]，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于中心諧振頻率fc通過的頻率范圍的帶寬BW。通過調(diào)節(jié)電感器L和/或電容器C的值來選擇特定的中心諧振頻率fc和BW。例如，在DSL實施例中，采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fc，使得各濾波器電路讓DSL通信系統(tǒng)中使用的特定kHz帶寬內(nèi)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(dǎo)線纏繞的鐵磁芯。對于環(huán)形電感器，存儲的能量是W＝1/2[(B2Aclm)/(2μ0μr)]，其中B是磁通密度，Ac是芯子的有效磁性面積，lm是平均磁路長度，μ0是自由空間的磁導(dǎo)率，μr是材料中的相對磁導(dǎo)率。
通過在圓環(huán)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，由于空氣的磁導(dǎo)率(μ≈1)明顯低于典型鐵磁材料中的磁導(dǎo)率(μ≈幾千)，因此間隙中的磁場強度(H)變得遠(yuǎn)高于芯子其余部分中的磁場強度(H＝B/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?？梢酝ㄟ^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(tài)合金部分結(jié)晶來引入分布的間隙。在第二種情況下，鐵磁晶相是分開的并且被非磁性矩陣所圍繞。結(jié)合本發(fā)明的扼流圈來利用這種部分結(jié)晶機制。
圖3是描述根據(jù)本發(fā)明的基于Fe的非晶態(tài)合金芯子和先有技術(shù)的基于富Co非晶態(tài)合金的芯子的磁化曲線的曲線圖。該曲線圖表明，由本發(fā)明的芯子的μ＝B/H所定義的磁導(dǎo)率基本上是線性的。磁場強度H在從大約-40Oe到+40Oe的范圍上變化，導(dǎo)致相應(yīng)磁通密度B在大約+13到-13kG的范圍上線性變化。線性磁導(dǎo)率屬性使基于Fe的芯子適合于DSL通信系統(tǒng)中的帶通濾波器電路。另一方面，先有技術(shù)的芯子的磁導(dǎo)率只是一直到大約7kG的感應(yīng)程度是線性的，這明顯低于在本發(fā)明的基于Fe的芯子中達(dá)到的13kG程度。根據(jù)本發(fā)明的芯子的較大的可用感應(yīng)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(fā)明的帶通濾波器的芯子磁導(dǎo)率與所加場頻率之間函數(shù)關(guān)系的曲線圖。把交流(AC)信號施加于具有基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子的帶通濾波器，其中磁導(dǎo)率大約為700。在1-10000kHz的范圍上改變頻率，同時測量磁導(dǎo)率。該曲線圖表明，磁導(dǎo)率一直到大約1000kHz范圍都是恒定的。隨著頻率從1000kHz到20000kHz變化，磁導(dǎo)率從700向20逐漸地線性減小。
圖4B是描述本發(fā)明的帶通濾波器的作為所加場強的函數(shù)的芯子磁導(dǎo)率的曲線圖。具有磁導(dǎo)率大約為700的基于Fe的芯子的帶通濾波器處于在0到35Oe的范圍上變化的磁場H中，同時測量芯子的磁導(dǎo)率。曲線圖表明，磁導(dǎo)率在大約0到15Oe的磁場H范圍內(nèi)不會顯著變化。隨著磁場H變化到超過17Oe，磁導(dǎo)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(yīng)用的范圍上變化而呈現(xiàn)出線性的磁導(dǎo)率。
圖5對于根據(jù)本發(fā)明的芯子和先有技術(shù)的芯子比較了圖2B中定義的中心諧振頻率fc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(gòu)成大約8mH的電感L。電感器與1μF的電容器并聯(lián)連接，得到大約1800Hz的中心諧振頻率fc。先有技術(shù)的芯子在高于10Oe的DC偏置場下飽和，超過10Oe，芯子變得無法工作，而根據(jù)本發(fā)明的芯子超過10Oe仍能良好地工作。較低的中心諧振頻率偏移是穩(wěn)定的濾波器操作所需要的。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的基于Fe的芯子用于電感器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)1/2]給定的相同中心諧振頻率。
圖7是描述芯子的磁導(dǎo)率與退火溫度之間關(guān)系的曲線圖，不同的曲線描述了具有不同結(jié)晶溫度Tx的材料。在10kHz頻率、8轉(zhuǎn)jig和100mV AC激勵下，采用市面上可買到的電感電橋來測量磁導(dǎo)率。退火時間保持恒定為6小時。所有的芯子在惰性氣體氣氛中退火。不同的曲線表示基于Fe的合金，其中化學(xué)成分有小變化，因此它們的結(jié)晶溫度也有小變化。通過差分掃描量熱法(DSC)來測量結(jié)晶溫度。對于恒定的退火時間，隨著不斷增大的退火溫度觀察磁導(dǎo)率的降低。對于給定的退火溫度，磁導(dǎo)率根據(jù)結(jié)晶溫度而縮放，即對于具有最高結(jié)晶溫度的合金，磁導(dǎo)率最高。
圖8描述作為退火溫度的函數(shù)的具有相同化學(xué)成分的退火后的基于Fe的芯子的磁導(dǎo)率。不同的曲線表示不同的退火時間。曲線表明，對于高于450℃的溫度，退火溫度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過退火時間的影響。
根據(jù)圖7和8中的信息，為包含非晶態(tài)金屬合金的基于Fe的硼和硅選擇適當(dāng)?shù)耐嘶饻囟群蜁r間的組合。只要合金的結(jié)晶溫度(Tx)和/或化學(xué)成分是已知的，就可進(jìn)行這種選擇。例如，對于具有Tx＝507℃的Fe80B11Si9，為了獲得在100到400的范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率，持續(xù)6小時、范圍為420到425℃的退火溫度是適當(dāng)?shù)?。為了獲得大約700的磁導(dǎo)率，具有Tx＝527℃的基于Fe的非晶態(tài)合金在430℃經(jīng)過6小時熱處理，如圖7所述。
在熱處理期間，通過施加垂直于芯子的磁激勵方向的磁場，實現(xiàn)磁導(dǎo)率線性的改進(jìn)。例如，用于圖3、4A、4B和5的本發(fā)明的基于Fe的芯子在大約200Oe的垂直磁場下受到熱處理。結(jié)合圖7和8的論述來執(zhí)行場致退火。
參考圖9，圖中表明，當(dāng)維持小于一或二度的溫度變化時，獲得給定的磁導(dǎo)率值的再生性和均勻性。為退火過程開發(fā)了專門的裝入配置，以便建立爐中溫度的均勻性和再生性。對于盒式惰性氣體爐，按照圖9堆疊金屬絲網(wǎng)Al板72，該排列設(shè)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征數(shù)據(jù)、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(shù)畫出芯子損耗數(shù)據(jù)的曲線，不同的曲線表示不同的測量頻率。所示數(shù)據(jù)是關(guān)于OD為25mm的芯子的。芯子性能的重要參數(shù)是當(dāng)芯子由DC偏置場驅(qū)動時保持的初始磁導(dǎo)率的百分比。圖11描述OD為35mm的芯子的典型DC偏置曲線。
執(zhí)行剖面掃描電子顯微術(shù)(SEM)和x射線衍射(XRD)，以便確定退火后的芯子的分布和結(jié)晶百分比。圖12描述典型剖面SEM，表明具有大約20μm的厚度的大塊合金和表面結(jié)晶。從SEM和XRD數(shù)據(jù)中確定結(jié)晶的體積百分比，并作為磁導(dǎo)率的函數(shù)畫在圖13中。對于范圍在100到400的磁導(dǎo)率，需要范圍在5％到30％的大量結(jié)晶。
由此相當(dāng)全面詳細(xì)地描述了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解，不一定嚴(yán)格遵守這種細(xì)節(jié)，而是本領(lǐng)域的技術(shù)人員會想到額外的變更和修改。例如，具有基于Fe的非晶態(tài)金屬芯子的濾波器電路可用于除DSL以外的通信。這些和其它實施例要落在如所附權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種帶通濾波器，它包括一種電感器，所述電感器具有基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子。
2.如權(quán)利要求1所述的帶通濾波器，其特征在于，所述芯子具有在大約1到1000kHz的頻率范圍上基本上恒定的磁導(dǎo)率。
3.如權(quán)利要求1所述的帶通濾波器，其特征在于，所述芯子具有基本上恒定的磁導(dǎo)率。
4.如權(quán)利要求3所述的帶通濾波器，其特征在于，所述基本上恒定的磁導(dǎo)率在大約-15到+15Oe的場強范圍中存在。
5.一種電感器，包括基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子，并且具有在大約1到1000kHz的頻率范圍上基本上恒定的磁導(dǎo)率。
6.如權(quán)利要求5所述的電感器，其特征在于，所述芯子磁導(dǎo)率基本上恒定。
7.如權(quán)利要求5所述的電感器，其特征在于，所述基本上恒定的磁導(dǎo)率在大約-15到+15Oe的場強范圍中存在。
8.一種用于限定頻率通信的方法中的改進(jìn)，其中采用具有基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子的電感器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述芯子具有基本上恒定的磁導(dǎo)率。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述基本上恒定的磁導(dǎo)率在大約1到1000kHz的頻率范圍上存在。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述芯子磁導(dǎo)率在大約-15到+15Oe的磁場場強范圍上基本上恒定。
全文摘要
一種濾波器電路用于在DSL通信系統(tǒng)中的通信信道上選擇數(shù)字和模擬信號的頻帶。濾波器電路包括具有基本上由基于Fe的非晶態(tài)金屬合金構(gòu)成的芯子的電感器。有利的是，所述濾波器電路提供與采用基于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(tǒng)之類的通信應(yīng)用提供了一種低成本、高效率的解決方案。
文檔編號H01F27/00GK1647370SQ03807917
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月8日
發(fā)明者R·哈塞加瓦, S·V·塔蒂科拉, R·J·馬蒂斯 申請人:梅特格拉斯公司