SE469999B - Yig-komponent innefattande en magnetkrets och åtminstone en ferritkristall - Google Patents

Description

469 10 15 20 25 30 35 999 2 mekanisk uppbyggnad av YIG-komponenten. Detta har givit en konstruktion där magnetkärnan utgörs av en cylinder med en botten, ett lock och en centrumtapp, eller poltapp, som sträcker sig uppåt frán botten mot locket lämnande en spalt (polgap) mellan tappens övre ände och locket. En spole är anordnad kring tappen. Övriga komponenter är huvudsakligen anordnade i det utrymme som bildas mellan magnetspolen och magnetkärnans lock, och är fästa i locket eller i cylinderväggen.

Den kända konstruktionen uppvisar åtskilliga nackde- lar. Framför allt är den relativt stor, tung och dyr eftersom magnetmaterialet är en speciell och dyr legering besvärligt att bearbeta. Efter hand har konstruk- förminskats men storleksminskningen begränsas av och är tionen att de och av inneslutna komponenterna kräver ett visst utrymme att resonatorn måste orienteras till centrum av den mekaniska strukturen.

Magnetjärn har dålig värmeledning, vilket är en nack- del i den kända konstruktionen eftersom relativt stora effekter frán spole och kretsar skall kylas genom detta material.

De kända YIG-komponenterna är visserligen elektriskt styrbara men höga induktanser i styrspolen och besvärande virvelströmmar gör att frekvensändringar tar förhållande- vis láng tid, vilket begränsar användningsmöjligheterna.

Av det av elektromagneten alstrade magnetflödet flyter huvuddelen upp genom poltappen, via spalten, eller polga- pet, till locket, ner genom cylindern och botten och åter upp genom poltappen. Härvid passerar magnetflödet mánga delar med olika tvärsnitt och omkrets. När en strömändring görs för att ändra resonansfrekvensen àstadkommes en flö- desändring. I varje tvärsnitt/omkrets induceras då vir- velströmmar, vars styrka och utklingningstid, eller tids- konstant, varierar med tvärsnittet/omkretsen. Dessa vir- velströmmar ger upphov till en exponentiell fördröjning mellan avstämningsström och magnetisering (frekvensänd- ring). Denna fördröjning kan kompenseras i en s k “dri- ver", som är en elektronikkrets för spänning-till-ström- 10 15 20 25 30 35 'Wfïlfïïlifi 469 999 3 omvandling som används för att göra YIG-komponenten spän- ningsstyrd. En magnet med den konventionella utformningen ger upphov till ca 5 olika tidskonstanter, som måste kom- penseras med lika många kompensationsnät, vilka vart och ett mäste bestämmas med avseende pà proportionalitet och tidskonstant för att effektivt motverka nämnda fördröj- ning.

Den konventionella magnetutformningen ger ett stort läckflöde. Det optimala är att hela magnetflödet passerar polgapet, eller luftgapet, mellan poltappen och locket, men i den kända konstruktionen viker en betydande del av fràn poltappen och passerar utanför polgapet.

Vidare är den konventionella YIG-komponenten känslig för såväl mekanisk påverkan som yttre magnetfält, från fläktar, motorer etc, som kan modulera resonansfrekvensen.

Således erfordras ofta en speciell mekanisk upphängning respektive en yttre, magnetisk skärm av u-metall, som anordnas kring YIG-komponenten.

YIG-komponenten ingår vanligen i ett mikrovàgssystem där flera elektriska funktioner önskas, varvid YIG-kompo- nenten skall samverka med andra YIG-komponenter eller andra enheter. Dessa mäste dà sammankopplas medelst yttre kontakter, kablage och mekaniska anordningar.

Ovanstående nackdelar har hittills begränsat YIG-kom- ponenternas användningsområde. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att elimine- ra nackdelarna hos den kända tekniken och åstadkomma en YIG-komponent som är liten, lätt monterbar på ett krets- kort, och i vilken flera önskade funktioner kan integre- ras.

Det är vidare ett ändamål med föreliggande uppfinning att åstadkomma en YIG-komponent, som är avsevärt mindre känslig för mekanisk och magnetisk påverkan än kända kom- ponenter, som väsentligen har endast en tidskonstant, och som har låg induktans för åstadkommande av snabba frek- vensändringar. 10 15 20 25 30 35 469 999 4 Ändamålet uppnås med en YIG-komponent enligt förelig- gande uppfinning, vilken komponent kännetecknas av att magnetkretsen är innesluten i en kavitet i ett hölje, som är anordnat att mekaniskt avlasta magnetkretsen från yttre påverkan och som är format av ett valfritt material, att magnetkretsen är anbringad i ett särskilt utformat säte för noggrann positionering av luftgapet i höljet, och att ett i höljet utformat fundament är anordnat för att upp- bära en YIG-enhet, som innefattar ferritkristallen, med korrekt positionering av ferritkristallen i luftgapet.

Den YIG-komponent som således erhålls enligt uppfin- ningen uppvisar ett helt nytt tänkande. Den gamla kon- struktionen har i någon mening vänts ut och in. Magnetkär- nan utgör inte längre höljet utan ett särskilt hölje, som innesluter övriga ingående delar, är utformat. Härvid kan konstruktionen göras betydligt mindre och friare, eftersom de ingående elementen kan placeras tämligen fritt i höljet och magnetkretsen kan krympas med mindre hänsyn till de övriga elementens storlek. Vidare kan höljet utformas med hög precision och i ett annat material än ovannämnda spe- ciella legering till en komplicerad struktur så att ele- ment som kräver noggrann inriktning i förhållande till varandra positioneras korrekt vid anordnandet av dem i höljet utan tidskrävande efterjustering.

YIG-komponenten enligt föreliggande uppfinning kommer nedan att beskrivas utförligt i form av utföringsexempel under hänvisning till de bifogade ritningarna, där: fig l är en sprängskiss av en konventionell YIG- komponent; fig 2 är en sprängskiss av en utföringsform av en YIG-komponent enligt uppfinningen; fig 3 är en tvärsnittsvy av den ihopsatta YIG- komponenten enligt fig 2.

I fig 1 visas en konventionell YIG-komponent i form av en mikrovågssoscillator. I denna komponent utgör höljet samtidigt kärna i en elektromagnet. Denna kärna har en övre del 2 och en undre del 3, som är en i ett stycke ur 10 15 20 25 30 35 469 999 5 ett magnetjärnsmaterial utsvarvad del. Den undre delen 3 har en cylinder 4, en botten 5 och en poltapp 6, som sträcker sig uppåt från botten 5 mitt i cylindern 4. När komponenten är sammansatt finns det ett luftgap mellan poltappens 6 övre ändyta 7 och locket 2. En spole 8, som är en huvudspole för grovinställning av frekvensen, är anordnad kring poltappen 6. En modulations-spole 9 för fininställning är anordnad i luftgapet. En ferritkristall i form av en sfär 10 är placerad i luftgapet och anordnad på en dielektrisk stav 11, som oftast är av keramik, exem- pelvis safir och som är monterad i en hållare 12. Hàllaren 12 äf fäst i locket 2 pà dettas insida.

På lockets 2 insida är vidare ett keramiskt kretskort 13 som innehåller mikrovàgselektronik fäst. Anslutningar 14 för spänningsmatning och styrning av ingående komponen- ter är anordnade i locket 2, liksom en mikrovågsanslutning 15, som är en signalutgång.

Den kända YIG-komponenten i fig 1 fungerar enligt följande. En första styrström för styrning av huvudspolen 8 och en andra styrström, för styrning av modulationsspo- len 9 tillförs via anslutningar 14. Härvid alstras av huvudspolen 8 ett magnetflöde, som till stor del leds i magnetjärnet, dvs upp genom poltappen 6, via luftgapet till den övre delen 2, ner genom cylindern 4 och botten 5 och tillbaka upp genom poltappen 6. Modulationsspolen 9 påverkar magnetflödet i luftgapet mellan poltappens 6 övre ändyta 7 och locket 2, där ferritkristallen 10 är place- rad. I luftgapet erhålls ett homogent magnetfält. Ferrit- kristallen 10 har egenskapen att när den placeras i ett magnetfält (H~fält) av en viss storlek erhålla en reso- nansfrekvensflsom är proportionell mot H-fältet. Resonansen kan styras inom ett visst frekvensområde, exempelvis 2-20 GHz. Ferritkristallen 10 är kopplad till en elektrisk för- stärkarkrets på kretskortet 13. Förstärkarkretsen alstrar en elektrisk svängning (oscillation), vars frekvens över- ensstämmer med ferritkristallens 10 resonansfrekvens. En grovinställning av frekvensen görs medelst huvudspolen 8 469 999 10 15 20 25 30 35 6 och fininställningen görs medelst modulationsspolen 9. Den alstrade mikrovàgssignalen kopplas till signalutgángen 15.

Denna kända utformning av elektromagnetens kärna 1 ger ett förhållandevis stort onyttigt flöde, dvs magnetflöde som inte passerar luftgapet utan gär direkt från poltappen 6 till locket 2.

När en större frekvensändring skall åstadkommas änd- ras först styrströmmen till huvudspolen 8 och i vissa fall finjusteras frekvensen genom en ändring av styrströmmen till modulationsspolen 9. När strömmarna i spolarna ändras induceras i elektromagnetens kärna virvelströmmar, som söker motverka förändringen. Dessa virvelströmmar uppträ- der främst i magnetmaterialets ytskikt. Tiden det tar för virvelströmmarna att klinga ut är proportionell mot mag- netkärnans omkrets vinkelrätt mot magnetflödet. Den kända utformningen av magnetkärnan enligt fig l ger upphov till väsentligen fem olika avklingningstider, eller tidskon- stanter, i olika delar av magnetkärnan 1. Detta ger en tämligen lång omställningstid hos komponenten 10 som man emellertid delvis kan kompensera för medelst separat styr- elektronik med ett kompensationsnät för varje tidskons- tant, dvs 5 stycken kompensationsnät. Det avsevärda onyt- tiga flödet bidrar till en stor induktans hos komponenten 10. Denna stora induktans fördröjer också omställnings- tiden.

I fig 2 och 3 visas en utföringsform av en YIG-kompo- nent enligt föreliggande uppfinning. Denna utföringsform, som visas som en sprängskiss i fig 2 och som en tvär- snittsvy i fig 3, är en mikrovàgsoscillator. Denna YIG- komponent har ett hölje 51 med ett lock 53 och en botten 55. I botten 55 är ett spår 59 utformat. I locket 53 är ett säte 57 precisionsutformat för upptagande av en mag- netkärna 61, 63, som är en del av en magnetkrets i form av en elektromagnet. Denna nya konstruktionsprincip i stort sett eliminerar känsligheten för mekanisk påverkan genom att elektromagneten skyddas av höljet 51. Kärnan består av en övre del 61, som anordnas i höljets 51 lock 53, och en 10 15 20 25 30 35 469 999 7 undre del 63, som förbinds med den övre delen 61. Magnet- kärnan 61, 63 är i denna utföringsform E-formig och är uppbyggd av element med väsentligen samma omkrets runt ett tvärsnitt tvärs magnetflödets riktning genom elementet.

Magnetkärnan har en övre poltapp 65 och en undre poltapp 67, som definierar ett luftgap, eller polgap, 69 (se fig 3). Varje poltapp 65, 67 avsmalnar vid sin mot luftgapet 69 riktade ände till ett ändparti 66 respektive 68. Elek- tromagneten har vidare en huvudspole 71, som omsluter den övre poltappen 65 och som är fäst i locket 53, och en mo- dulationsspole 73, som är anordnad vid luftgapet 69 och som är fäst i endera poltappen 65 eller 67. Modulations- spolen 73 kan exempelvis vara limmad pà den övre poltap- pens 65 ändyta. YIG-komponenten har vidare en YIG-enhet 75, som innefattar en skivformig keramikkretshállare 76 som anligger mot och är fäst vid en yta hos ett fundament i höljets 51 lock 53. På keramikkretshàllaren 76 är bl a en keramikkrets 79 med mikrovàgselektronik och en ferrit- kristall 81 anordnade. Härvid är ferritkristallen 81 an- ordnad i den ena änden av en stav 83, som i sin tur upp- bärs av en hållare 85. Hållaren 85 är förbunden med kera- mikkretshállaren 76. Mikrovàgskretsen 79 är elektriskt an- sluten till ferritkristallen 81. På hàllaren 85 är ett värmeelement anordnat (ej visat), som via hállaren 85 och staven 83 håller YIG-kristallen 81 vid konstant tempera- tur. Det är en stor fördel att de i YIG-enheten 75 ingå- ende delarna genom den nya konstruktionen enligt uppfin- ningen kunnat sammanföras till en väsentligen fristående enhet. I keramikkretshållaren 76 är ett hål 87 utformat.

Vid anordnandet av keramíkkretshàllaren 75 i locket 53 skjuter den övre poltappens 65 ändparti 66 in i hålet 87, vars diameter är obetydligt större än ändpartiets 66 dia- meter. Detta ger en centrering av ferritkristallen 81 i det homogena magnetfältet i luftgapet 69. För inriktningen av ferritkristallen 81 i höjdled är det viktigt att magnetkärnans övre del 61 bearbetas noggrannt till en förutbestämd höjd och att avståndet frán botten av sätet n a» - 469 999 10 15 20 25 30 35 8 57 till fundamentets yta i locket 53 avstäms noggrannt genom bearbetning medelst samma verktyg i samma uppsättning. Precisionsbearbetningen av höljet 51, magnetkärnan 61, och även hàllaren 85 säkerställer en god inriktning av ferritkristallen 81 i det homogena magnet- fältet och minimerar behovet av efterjustering.

I höljet 51 är ström-/spänningsanslutningar 89 för tillförsel av matningsspänningar och styrströmmar mm samt en mikrovàgsutgàng 91 anordnade. I mikrovàgsutgàngen 91 erhålls den högfrekventa utsignalen. Höljets 51 lock 53 och botten 55 förbinds medelst rörnitar 93. En tätring 95 mellah locket 53 och botten 55 säkerställer en god av- tätnig av höljets 51 hàlrum fràn omgivningen. Höljet 51 omsluts av ett hus 97, 99, av magnetplàt, så kallad u- metall, som utgör magnetskärm för minimalt läckage av mag- netfältet till omgivningen och eliminering av magnetiska störningar utifrån. Denna skärmning är effektivare än mot- svarande utförd pá den kända konstruktionen, eftersom detta hus 97, 99 inte har direktkontakt med magnetkärnan 61, 63, varvid ett extra, omagnetiskt gap bildas mellan skärmningen 97, 99 och magnetkärnan 61, 63.

Denna i fig 2 och 3 visade utföringsform av en YIG- komponent enligt uppfinningen fungerar väsentligen pà sam- ma sätt som den kända konstruktionen. Således matas ström via en anslutning 89 till huvudspolen 71 för grovinställ- ning av frekvensen hos komponentens utsignal. På motsva- rande sätt görs en fininställning medelst modulations- spolen 73. Strömmen genom spolen 71 skapar ett magnet- flöde, som väsentligen följer en sluten väg genom magnet- kärnan 61, 63, upp genom den undre poltappen 67 och den övre poltappen 65 via luftgapet 69, åt sidorna, ner genom sidoelement, in mot mitten och åter upp genom den undre poltappen 67. Härvid àstadkommes ett kraftigt, homogent magnetfält i luftgapet 69, i vilket ferritkristallen 81 är placerad. Ferritkristallen 81 alstrar i kombination med mikrovàgskretsen 79 en signal med en viss frekvens som är direkt relaterad till H-fältets styrka. Signalen matas till utgången 91. 10 15 20 25 30 35 469 999 9 Även om funktionsprincipen är densamma ger den nya uppbyggnaden av YIG-komponenten, utöver de stora konstruk- tionsmässiga vinsterna, flera funktionsmässiga fördelar framför kända komponenter. Denna nya magnetkärnekonstruk- tion 61, 63 har betydligt mindre onyttigt magnetflöde, eller läckflöde, än den kända konstruktionen. Magnetens förbättrade effektivitet och nya konstruktion och YIG-kom- ponentens övriga utformning, som har berörts ovan, gör det möjligt att enkelt tillverka en mycket komplicerad och kompakt komponent, som är betydligt mindre och betydligt lättare än kända YIG-komponenter.

Materialet till höljet 51 kan väljas tämligen fritt, vilket ger möjligheten att välja ett lättbearbetat, lätt men ändå robust material. Företrädesvis används aluminium eller zink. Det kan dock vara fördelaktigt att åtminstone delvis använda u-metall.

När strömmarna i spolarna 71, 73 ändras för att åstadkomma en ändring av utsignalens frekvens induceras virvelströmmar i magnetkärnan 61, 63. Genom dimensioneringen av kärnans delar så att varje tvärsnitt genom materialet vinkelrätt mot flödets riktning i detsamma har väsentligen samma omkrets erhålls väsentligen en tidskonstant, vilket har sin grund i att virvelströmmarna huvudsakligen är ytliga. Därför behövs endast ett kompensationsnät och ett snabbare insvängningsförlopp åstadkommas. Dessutom ger det låga läckflödet en làg induktans i huvudspolen 71, vilket också förkortar insvängningsförloppet. En ytterligare för- bättring kan erhållas om magnetkärnan tillverkas av lamel- ler, eftersom detta reducerar virvelströmmarna.

Magnetkärnans 61, 63 tvärsnittsdimensioner kan mins- kas ytterligare tack vare det reducerade läckflödet. Däri- genom kan än kortare tidskonstanter för virvelströmmarna åstadkommas.

En ytterligare stor fördel med den nya konstruktionen är att den medger integrering av flera olika YIG- och and- ra elektriska funktioner inom samma hölje. Således kan f=yfš 10 15 20 25 30 35 469 999 10 blandare, filter, effektdelare, förstärkare etc integreras och bilda en modul. Det som förut krävde flera fristående komponenter med mellanliggande ledningar kan således i konstruktionen enligt uppfinningen integreras i samma hölje 51. Således kan ett godtyckligt system byggas upp och inneslutas i höljet 51, varvid även flera kaviteter med flera magneter och/eller flera ferritkristaller kan åstadkommas i detta. Även övrig elektronik för styrning och övervakning av YIG-komponenter, såsom kretsar för spännning-till-strömomvandling (“Drivers"), kan integreras i miniatyriserat utförande i samma hölje 51. Genom inte- grationen förenklas anslutningen av styrning genom redu- cerade krav på skydd mot störstrålning (EMI). Det ger också ett system som är väsentligen okänsligt för yttre elektriska störningar.

Den ovan beskrivna utföringsformen utgör, såsom fack- mannen inser, endast ett exempel på en YIG-komponent en- ligt uppfinningen och ändringar kan göras inom ramen för uppfinningstanken, såsom den definieras i de bifogade patentkraven. Exempelvis kan magnetkärnans form varieras så länge den uppfyller de uppställda kriterierna beträff- ande dimensioneringen med avseende på tidskonstanter och/- eller läckflöde och den kan vara utförd i ett stycke eller bestå av flera delar. Vidare kan givetvis höljet, keramik- kretshàllaren med mera utformas på allehanda sätt. Mag- netkretsen kan istället för en elektromagnet utgöras av en permanentmagnet med tillbehör eller innefatta kombinatio- ner av elektro-och permanentmagneter. I komponenter som endast utnyttjar en bestämd frekvens kan en permanent- magnet användas istället för elektromagneten. “fl

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 469 999 ll PATENTKRAV

1. YIG-komponent innefattande en magnetkrets för alstring av ett homogent magnetfält i ett luftgap (69) hos magnetkretsen och åtminstone en ferritkristall (81), som är anordnad i luftgapet (69) och vars magnetiska resonans- frekvens är styrbar i beroende av det homogena magnet- fältets styrka, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen är innesluten i en kavitet i ett hölje (53, 55), som är anordnat att mekaniskt avlasta magnetkretsen från yttre påverkan och som är format av ett valfritt material, att magnetkretsen är anbringad i ett särskilt utformat säte (57) för noggrann positionering av luftgapet (69) i höljet (51, 53), och att ett i höljet (51, 53) ut- format fundament är anordnat för att uppbära en YIG-enhet (75), som innefattar ferritkristallen (81), med korrekt positionering av ferrit-kristallen i luftgapet (69).

2. YIG-komponent enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d av att organ för utförande av flera olika YIG-funktioner och organ för utförande av andra elektro- niska funktioner är integrerade i samma hölje (53, 55).

3. YIG-komponent enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen har poltap- par (65, 67), som definierar luftgapet (69), varvid en poltapp (65) sträcker sig genom ett hål i YIG-enheten (75) och därigenom positionerar denna och ferritkristallen (81) i två dimensioner i det homogena magnetfältet, och att fundamentet är precisionsutformat för positionering av YIG-enheten (75) och ferritkristallen i en tredje dimension i det homogena magnetfältet.

4. YIG-komponent enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen innefattar en elektromagnet, som har en magnetkärna (61, 63).

5. YIG-komponent enligt patentkravet 4, k ä n n e - t e c k n a d av att magnetkärnan (61, 63) är uppbyggd av element med väsentligen samma omkrets runt ett tvärsnitt tvärs magnetflödets riktning genom elementet. 469 999 10 15 20 25 30 35 12

6. YIG-komponent enligt patentkrav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkärnan (61, 63) är uppbyggd av lameller.

7. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att komponenten är för- sedd med organ för direkt anslutning av densamma till ett kretskort.

8. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att höljet (53, 55) är uppdelat i en undre del (55) och en övre del (53), och att magnetkretsen är fäst i höljets övre del (53).

9. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av ett hus (97, 99) av ett magnetiskt skärmande material som väsentligen omsluter höljet (53, 55).

10. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att YIG-enheten (75) innefattar en hållare (76), en mikrovågskrets (79), fer- ritkristallen (81) och organ för elektrisk sammankoppling av mikrovågskretsen (79) och ferritkristallen (81), varvid hállaren är förbunden med fundamentet och uppbär mikro- vàgskretsen (79), ferritkristallen (81) och sistnämnda organ.

11. ll. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att magnetkretsen innefattar en permanentmagnet.

12. -12. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att ytterligare kavi- teter är utformade i höljet (53, 55), och att ytterligare elektro- eller permanentmagneter är anordnade i nämnda ytterligare kaviteter.

13. YIG-komponent enligt något av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d av att höljet (53, 55) är av aluminium eller zink.