TWI292161B - Filter circuit having an fe-based core - Google Patents

Description

1292161 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 發明背景 1。 技術領域 本發明係關於數字和類比資訊傳輸領域，更特別關於在 遠程通訊應用中用於帶通濾波的具有以鐵為基質無定形金 屬芯心之濾波電路9如DSL通訊電路及類似者。 2. 先前技術 電路通訊線路目前用於對產品或服務的商用或民用用戶 提供寬種類信號。當然，此等產品或服務包括標準音頻電 話和通訊以及日益增長的輔助服務。輔助服務一般針對在 現有電路線路上的資訊傳輸。該資訊一般包括電腦數—據 (即，在雙路網際連接上的傳輸）及日益增長的其他輔助服 務。目前在發展或所涵蓋的進一步輔助服務包括單路或雙 路連績廣播資訊，如單音頻（射電）、視頻流、混合音頻/視 頻流及類似。 前述通訊方式由提供能夠運載寬範圍資訊網路的現有電 路線路促使成為可能。雖然可利用帶寬一般在約0至3000千 赫茲（kHz)範圍内，但習知僅聲音遠端通訊的實際帶寬需要 在至高約6千赫茲附近。因此有在較高頻率使用此現有網路 傳輸通訊之潛力。 在某一頻率（即，有限’’帶寬"）範圍内提供資訊之技術使得 能夠沿一個單電路同時傳輸不同信號。這消除需要其中在 單獨頻率框架内（即，對一電路在可利用頻譜内的單獨帶寬） 保持沿通訊線路傳輸信號的多個電路。習知這由使用一般 1292161 (2) 性包括一線圈 圈和電容器的 集通過通訊線 之間，由此限 波器建立的頻 有非重疊頻率 個通訊裝置可 過去已將焦 用並不無缺點 性能的不相容 具有”較軟”和 已將含鈷之無 更為普遍和較 碳線圈芯心， 本發明提供 為基質無定形 一方面，芯 恒定。確切而 之場強度範圍 另一方面， 該焦碳線圈包 圍的磁導率之

和一電容器之”帶通濾波器"完成。應選擇線 工作特性’使得只有全部利用頻譜的有限子 路。帶通濾波器一般置於通訊源和通訊線路 制通訊設備的功率，以僅落在為特定帶通濾 率範圍内。亦可使用在可利用波譜内分別具 範園輸出的複數個帶通濾波器；因此，複數 共用公共通訊線路。 炭線圈用於遠端通訊電路。雖然有益，但使 。此等缺點包括控制相關用途所需焦碳線圈 性’如在帶通濾波電路中。此等缺點產生對 更多可控磁性的材料之需要。在某些例中， 足形金屬合金用於形成焦碳線圈芯心。雖然 V花費’但畐鐵無定形金屬芯心已不用於焦 因為咸信其電感特性不適用於帶通濾波爭。 發明内宏 一種具有芯心之電感器，該芯心基本由以鐵 金屬合金組成。 〜之磁導率在約1至1 〇〇〇千赫茲頻率範圍實質 言，芯心之磁導率在約.丨5至+15奥斯特（〇e) 實質恒定。 本發明提供一種包含焦碳線圈之濾波電路， 括具有實質恒定於約丄至1000千赫茲頻率範 芯心。 通訊分 另一方面，本發明提供一種利用濾波電路使頻率 1292161 (3) 段之方法 實質恒定 ，該濾波電路具有在約-15至+15奥斯特之磁場強度 的芯心磁導率。 有多種結構特性併入本發明之元件。包含自以鐵為基質 無定形金屬合金製成的芯心之濾波電路比用以話為基質芯 心之遽波電路提供優良或更佳性能。另外，由以鐵為基質 無定形合金組成之芯心比以鈷為基質之芯心花費較少。因 此’以鐵為基質無定形金屬合金芯心對需要濾波電路的通 訊應用 '提供低耗費解決方法。使用以鐵為基質芯心之滤波 私路尤其適用於在通訊通道（如，DSL和類似者）需要以可調 節帶通滤波器用於選擇數字和類比信號頻帶之通訊應用。 實施方式 固1圖1顯不根據本發明之通訊系統2 0。通訊源2 2 (如 電話中心辦公室）用DSL技術通過通訊通道26對用戶24(如商 業或豕庭）傳送高帶寬類比及數字信號。濾波電路28可放在 中^辦a立22和用戶24，如帶通濾波電路。可調節濾波電 路28之工你4土 ’性’以限制通過通訊線路2 6的頻譜。在一選 擇性具體實施例中，濾波電路28可為低通濾波器，其工作 特性經調節

以限制允許通過的頻率範圍。 圖2AA ~_ 、、、 顯7^根據本發明之圖1濾波電路28之電路圖。在 、- 施例中’圖2A之滤波電路為一帶通滤波電路，其 包括以並聯佈置組合的電焦碳L和電容器C。圖2A之濾波電 路接又教I入仏號並產生輸出信號，輸出信號依賴輸入信號 的2率和/慮波電路的工作特性而定。參考圖2B，圖2A之濾、 波 ’、有中心講振頻率fc=l/([2 ;r(LC)1/2]，其中L為電感器 (4) I292161 ’:、JL C為e #器（電容。遽波電路具有帶寬bw，代 相對於中心错振頻率f。通過的頻率範園。特定中心譜振頻 率^和請由調節電感器味/或電容器⑶值選擇。例如，在 -DSL具體實施例中，使用一或多個分別具有其自己中心諧 振㈣之滤波電路，以使各攄波電路在肌通訊系統所用 的特定kHz帶寬内在某子帶通過信號。 電感器L為能量貯存元件，其包括繞以電流運載導線的鐵 磁性芯心。對於環形電感器，貯存的能量為 W=l/2[(B2Aclm)/(2 _r)])，其中B為磁通密度，A。為芯心的有 效磁面積’ lm為平均磁通路長度，^為自由空間的磁導率， 而/ir為材料中的相對磁導率。 猎由在裱形引入小間隙，可使空氣間隙中的磁通保持與 鐵磁性芯心材料相同。然而，由於空氣的磁導率（# wi)顯著 低於一般鐵磁材料U S數千），間隙中的磁場強度（H)變得 比芯心其餘部分高得多（H=B//i )。磁場中每單位體積貯存 的能量為W=1/2(BH)，表明其主要集中於空氨間隙。換言 之，芯心的能量貯存容量由引入間隙提高。 可使間隙離散或分佈。為引入經分佈間隙，可用鐵礤性 粉末與#磁性接著劑一起保持，或使無定形合金部分結 晶。在第二例中，由非磁性基質分離或園繞鐵磁性結晶相。 使用部分結晶機理與本發明之焦碳有關。 圖3為一曲線圖’其描緣根據本發明的以鐵為基質無定形 合金芯心與冨話無定形合金為基質的先前技藝芯心之礤化 曲線。該圖表明，由// =B/H界定的本發明芯心之磁導率實 (5) Ϊ292161 貝上為線性。磁揚魂承U Λ a 琢強度H在约40奥斯特至+40奥斯特範園變 化，導致在約+13 $ Mi古& w 至-13千间斯（kG)範圍對應磁通密度b線性 變化。線性磁導皐膝M 碰、， 使以鐵為基質芯心適合在DSL通訊系 統用作帶通滤波電路。在其他方面，先前技藝芯心之磁導 率僅在高達約7千高斯電感水平為線性，這實質上低於在本 發明以鐵為基質芯心中達到 丁運巧的13千间斯水平。根據本發明 之芯心之較大可利用電感水平非常理想，因為該芯心可在 遠端通訊線路中以較大電流水平操作。 圖4A為一曲線圖’其描繚本發明帶通遽波器的芯心磁導 率和所應用場頻率間之函數關係。交流（Ac)信號應用於具 有芯心之帶通滤波器，且芯心基本由具有約磁導率的以 鐵為基質無定形金屬合金組成。在測量磁導率#，頻率在 1-10，_千赫茲範圍變化。曲線圖表明，磁導率在至高約咖 千赫鉍範圍〖旦丨。然後，磁導率隨著頻率自卿。千赫茲至 20,000千赫茲變化而自7〇〇至2〇逐漸呈線性降低。 圖4B為一曲線圖，其描繪本發明帶通濾波器的作為所應 用場強度之函數之芯心磁導率。具有約7〇〇磁導率的以鐵為 基質芯心之帶通濾波器經受磁場Η，該磁場H在測量芯心磁 導率時在0至35奥斯特範圍變化。曲線圖表明，在約〇至15 奥斯特磁場Η範圍内，磁導率未明顯變化。磁導率隨著磁場 Η改變超過17奥斯特變化以線性方式自7〇〇逐漸降低到3〇〇。 可在濾波電路中將鐵磁性芯心用作通訊電路部分，如dsl。 當頻率和磁場強度在代表通訊應用（如DSL)的範圍變化 時，鐵磁性芯心顯示為線性的磁導率。 -10- I292轉沙1。252。號專利申請案 中文說明書替換頁(96年5月）

圖5比較根據本發明广 足中心谐振頻率fc移動。 毫米高度且具150銅繞紐 芯心和先前技藝芯心的圖2B中所界 。具有約1 3毫米〇D、約8毫米ID和約7

卜芯心分別產生約8毫亨（mH) (从F)電容器並聯，這產生約 先前技藝芯心用超過這一範圍 断特之場強度飽和，而根據本 作良好。較低中心諧振頻率移 動對穩定濾波器操作較為理想。 圖6A顯示帶通濾波電路之實例，其中在電感器匕中使用根 據本無明之以鐵為基質芯心。此等電路均具有由1/[2冗 (LC)1/2]給出的相同中心諧振頻率。 圖7為一描繪芯心磁導率和退火溫度間關係之曲線圖，不 同曲線描繪具有不同結晶溫度丁χ之材料。磁導率在10千赫 茲頻率、8圈夾具（jig)和100毫伏特（mV) AC激勵用購得的電 感橋測量。退火時間在6小時保持恒定。所有芯心在惰性氣 體中退火。不同曲線代表化學組合物很小變化及因此其結 晶溫度很小變化的以鐵為基質之合金。結晶溫度由差示掃 描量熱法（DSC)測量。隨著退火溫度經恒定退火時間增加， 觀察到磁導率減小。對於特定退火溫度，根據結晶溫度的 磁導率大小（即，磁導率）對具有最高結晶溫度之合金為最 高。 圖8描纟會具有相同化學組合物之經退火以鐵為基質芯心 作為退火溫度之函數之磁導率。不同曲線代表不同退火時 間。繪圖顯示，對於高於450°C之溫度，退火溫度影響支配 Ι292Ϊ @11〇乃20號專利申請案 中文說明書替換頁(96年5月）

(7) 「一————，〜_— -- 卜年上月〜r修(更)正本 退火時間影響。1-——-~—- 可以圖7和圖8中資料為基礎對以鐵為基質的含和石夕之 無定形金屬合金選擇適宜退火溫度和時間組合。該選擇可 提供結晶溫度（Tx)和/或已知合金之化學组合物。例如，適 宜使用一種具有T，507t之Fe8〇B丨丨％，以在42〇至42^範圍 歷6小時於100至400退火溫度範圍取得磁導率。為取得約7〇〇 之磁導率，如圖7教示將具有丁χ =527。〇之無定形以鐵為基質 合金在430°C熱處理6小時。 為取得磁導率線性改良，在熱處理期間以垂直於芯心磁 激勵的方向施加磁場。例如，用約2〇〇奥斯特之垂直磁場熱 處理圖3、4A、4B和5中所用的本發明之以鐵為基質芯心。 場退火結合圖7和8之教示進行。 參考圖9,其顯示在溫度變化保持小於丨或2度時對特定磁 導率值取得再現性和均勻性。對退火處理展示特殊裝載配 置’以在烘箱中建JL溫度均句性和再現性。對於箱式惰性 氣體洪箱，根據圖9堆疊線網八丨板72，並將此佈置放在烘箱 中央。A 1板72為在退火製程期間保持芯心7丨之基材。 電感器芯心的一般磁性特徵數據顯示於圖〗〇和i丨中，如 芯心損耗和磁導率。芯心損耗數據作為DC偏壓場之函數繪 製，且不同曲線代表不同測量頻率。所示數據係對於具有 25毫米之〇D。芯心性能的重要參數為由DC偏壓場驅動芯心 時保持的初始磁導率之百分比。圖1丨描繪具有3 5毫米〇D芯 心之典型磁導率曲線。 實施橫截面掃描電子顯微（SEM)和X射線衍射（XRD)，以確 -12- 1292161

(8) 定經退火芯心之分佈和結晶度百分比。圖12描繪一典型橫 截面SEM，顯示具有約20微米厚度之合金本體及表面已結 晶。結晶體積百分比自SEM和XRD數據二者測定，並作為磁 導率之函數在圖13中繪製。對於在100至400範圍的磁導率， 需要體結晶在5至30%之範圍。 現已相當詳盡描述本發明，但應懂得，此等細節不必嚴 格堅持，熟諳此藝者可想到额外變化和改進。例如，可將 具有以鐵為基質無定形金屬芯心之濾波電路用於DSL以外 的通訊。此等和其他具體實施例應在附加申請專利範圍界 定的本發明之範圍内。 圖式簡單說明 在參考以上實施方式及附圖時，可更充分暸解本發明， 且進一步優點將更加顯而易見，其中·· 圖1為一顯示根據本發明之通訊系統之示意圖； 圖2A為一顯示本發明之濾波電路之電路圖；

圖2B為一描繪根據本發明之濾波電路之頻率回應之曲線 圖； 圖3A為一顯示根據本發明之芯心之磁化曲線之曲線圖； 圖3B為一顯示根據先前技藝芯心之磁化曲線之曲線圖； 圖4A為一曲線圖，其描繪作為所應用頻率之函數的本發 明芯心之磁導率； 圖4B為一曲線圖，其描繪作為所應用磁場強度之函數的 本發明芯心之磁導率； 圖5為一曲線圖，其描繪根據本發明芯心和先前技藝芯心 -13 - 129216¾102520號專利中請案 中文說明書替換頁(96年5月）

HIS (9) 的作為場強度之函數的圖2B中所示中：17皆振頻率fc移動； 圖6A-D為包含帶通濾波電路實例之電路圖，該濾波電路 利用根據本發明構造的芯心， 圖7為一描繪芯心磁導率和退火溫度間關係之曲線圖，不 同曲線描繪具有不同結晶溫度之材料； 圖8為一對不同退火時間描繪芯心磁導率和退火溫度間 關係之曲線圖； 圖9為一描繪為取得在數度内溫度均勾性的用於退火之 芯心裝載配置之圖解； t 圖10為一描繪作為DC偏壓場和頻率之函數之芯心損耗之 曲線圖； 圖11為'--描纟會作為DC磁化力之函數之芯心磁導率之曲線 圖； 圖12為一顯示退火後帶狀物橫截面之掃描電子顯微（SEM) 像；及 圖13為一描繪作為結晶度體積百分比之函數之芯心磁導 率之曲線圖。 圖 式代表符號 說 明 20 通 訊 系 統 22 通 訊 源 (中心辦公室） 24 用 戶 26 通 訊 電 路 28 濾 波 電 路 1292161

c 電容器 L 電焦碳（電感器） 71 芯心 72 線網A1板 -15-

Claims (1)

1292161 拾、申請專利範® 1. 一種帶通濾波器，其包含電感器，該電感器具有基 以鐵為基質無定形金屬合金組成之芯心。 2，根據申請專利範圍第1項之帶通濾波器，其中該芯心 在約1至1000千赫茲頻率範園實質恒定的磁導率。 3. 根據申請專利範圍第1項之帶通濾波器，其中該芯心 實質恒定的磁導率。 4. 根據申請專利範圍第3項之帶通濾波器，其中該實質 磁導率發生在約-I5至+15奥斯特之場強度範圍。 5· 一種電感器，其包含芯心，該芯心基本由以鐵為基 定形金屬合金組成，且在約1至iOOO千赫茲頻率範圍 實質恒定的磁導率。 6’根據申請專利範園第5項之電感器，其中該芯心磁導 實質上恒定。 7·根據申請專利範圍第5項之電感器，其中該實質恒定 率發生在約-15至+15奥斯特之場強度範圍。 8· 一種限制頻率通訊之方法，其改良之處為其中利用 具有芯心之電感器，且該芯心基本由以鐵為基質無 金屬合金組成。 根據申清專利範圍第8項之方法，其中該芯心具有實 定的磁導率。 1〇.根據申請專利範圍第9項之方法，其中該實質恒定磁 發生在約1至1000千赫兹頻率範圍。 L根據申请專利範圍第10項之方法，其中該芯心磁導 實質恒定於約-15至+15奥斯特之磁場強度範圍。 本由 具有 具有 恒定 質無 具有 率係 磁導 一種 定形 質恒 導率 率係 1292161 第092102520號專利申請案 中文圖式替換頁(96年5月） 700 0 0

500-400 -300-200- 100- 500- ;(熘谵4-.2)跻蛴謂

· 15 20 25 30 35 4〇 Η (奥斯特） 圖 4b 1292161 第0^102520號專利申請案 中文圖式替換頁(96年5月）

1292161 第092102520號專利申請案 中文圖式替換頁(96年5月）

Η (奥斯特) 圖 10 -11 - 1292161 陸、（一）、本案指定代表圖為：第_|__圖 (二）、本代表圖之元件代表符號簡單說明： 20 通訊系統 22 通訊源（中心、辨公室） 24 用戶 26 通訊電路 28 濾波電路 柒、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：