КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ, ПЕРЕСТРАИВАЕМАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
INDUCTANCE COIL RE-TUNED BY ELECTRIC FIELD

Изобретение относится к области электротехники, в частности к выполнению катушек индуктивности, используемых при создании различных электронных схем.
Известна высокочастотная катушка для получения полезного электромагнитного сигнала радиочастотного диапазона. С целью снижения помех при приеме, увеличения соотношения полезный сигнал/шум и упрощения технологии закрепления на каркасе витков катушки за счет естественной жесткости провода катушка закрепляется на внутренней специально подготовленной поверхности несущего каркаса без применения дополнительных средств для ее закрепления (см. заявку на изобретение №98123634, МПК H01F 5/02, G01N 33/00).
Однако данная катушка не имеет электронного управления величиной индуктивности.
Известна регулируемая катушка индуктивности на кольцевом сердечнике, содержащая обмотку и кольцевой магнитный сердечник. Число витков части обмотки, расположенной с одной стороны перемычки из магнитного материала, вводимой между диаметрально противоположными участками кольцевого магнитного сердечника, меньше, чем число витков части обмотки, расположенной с другой стороны перемычки из магнитного материала, то есть отношение этих чисел витков друг к другу меньше единицы и соответствует заданному значению расширения пределов регулирования. Часть обмотки с меньшим числом витков выполнена проводом с большим диаметром, чем у другой части обмотки, или параллельно соединенными проводами, заполняя равномерно всю сторону кольцевого магнитного сердечника, на которой они расположены (см. патент РФ №2239901, МПК H01F 21/06).
Однако данная конструкция позволяет осуществить только дискретную регулировку величины индуктивности.
Наиболее близкой к предлагаемому решению является регулируемая катушка индуктивности, содержащая ферритовый сердечник с рабочей обмоткой и вводы для подачи управляющего тока в цепь управления, которые выполнены в виде электродов, соединенных с сердечником, служащим цепью управления. Цепь управления - сердечник - разделена на несколько частей, и у каждого края этой части есть свой вывод - электрод (см. заявку на изобретение №97111055, МПК H01F 21/08).
Однако данная катушка также не позволяет осуществлять плавную регулировку величины индуктивности.
Задачей настоящего решения является обеспечение возможности плавного электронного управления величиной индуктивности пассивной катушки посредством введения в ее конструкцию специфического сердечника, свойства которого изменяются под воздействием приложенного электрического поля, оказывая при этом влияние на величину индуктивности.
Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей катушки индуктивности, заключающемся в плавной регулировке величины индуктивности за счет изменения свойств сердечника, перестраиваемых под воздействием электрического поля.
Поставленная задача решается тем, что в регулируемой катушке индуктивности, содержащей сердечник с основной обмоткой, электроды, соединенные с сердечником и цепь управления, согласно изобретению в качестве сердечника выбрана кремниевая структура, имеющая, по крайней мере, по одной р-, i-, n-области, электроды выполнены из немагнитного материала, а цепь управления содержит регулируемый источник питания, электрически соединенный с электродами, которые подключены соответственно к р- и n-областям структуры, при этом обмотка размещена на i-области, протяженность которой сравнима с диаметром провода обмотки.
Регулируемая катушка индуктивности содержит дополнительную обмотку, последовательно соединенную с основной обмоткой, кремниевая структура представляет собой n-i-p-i-n-структуру, при этом дополнительная обмотка размещена на второй i-области.
Регулируемая катушка индуктивности представляет собой каскадное соединение n-i-p-i-n-структур с последовательно соединенными обмотками на i-областях.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена катушка индуктивности, в изометрии, на фиг.2, 3 изображена экспериментальная двухсекционная катушка, вид сбоку и сверху соответственно, на фиг.4 - экспериментальная двухсекционная катушка с подключенными графитовыми электродами, на фиг.5 представлена зависимость добротности Q и индуктивности L исследуемой катушки от напряжения смещения U, на фиг.6 изображена принципиальная электрическая схема передатчика, разработанного для проверки возможности практического применения предложенного технического решения, на фиг.7 представлены графики зависимостей несущей частоты передатчика и индуктивности экспериментальной катушки от напряжения на различных участках диапазона (88, 89 и 90 МГц),
где:
1 - сердечник в виде p-i-n-структуры;
2 - электрические контакты p-i-n-структуры;
3 - основная обмотка катушки индуктивности;
4 - прижимные электроды из немагнитного материала;
5 - соединительные проводники;
6 - регулируемый источник питания;
7 - изолированный контакт р-области;
8 - изолирующая диэлектрическая прокладка;
9 - дополнительная обмотка катушки индуктивности.
Катушка индуктивности содержит сердечник 1 в виде кремниевой структуры, имеющей, по крайней мере, по одной р-, i-, n-области, обладающей электрическими контактами к р- и n-областям 2. В качестве кремниевой структуры может быть использован p-i-n-диод или n-i-p-i-n-структура или каскадное соединение n-i-p-i-n-структур. Основная обмотка катушки индуктивности 3 размещена на i-области (базе), протяженность которой сравнима с диаметром провода обмотки. Сердечник посредством электрических контактов 2 и прижимных электродов 4, выполненных из немагнитного материала, подсоединяется через соединительные проводники 5 к регулируемому источнику питания 6.
В случае применения n-i-p-i-n-структур или каскадного соединения n-i-p-i-n-структур дополнительные обмотки 9 размещаются на i-областях, свободных от основной обмотки 3. В этом случае р-область имеет изолированный контакт 7, предназначенный для соединения с источником питания 6. Изолирующая диэлектрическая прокладка 8 обеспечивает электрическую изоляцию изолированный контакт 7 и n-i-p-i-n-структуры от основной 3 и дополнительной 9 катушек, а также центрирует n-i-p-i-n-структуру.
Катушка индуктивности, перестраиваемая электрическим полем, работает следующим образом. Выводы обмотки катушки индуктивности 3 включаются в соответствующую электронную схему (усилитель, генератор, контур, фильтр), в результате чего в катушке возбуждается электрический ток, создающий собственное магнитное поле катушки.
В отсутствие прямого смещения, когда напряжение на выводах регулируемого источника питания 6 равно нулю, сердечник, например, в виде p-i-n-диода 1 представляет собой по сути диэлектрик с магнитной проницаемостью µ=1, поскольку количество носителей заряда на i-области невелико.
При подаче на p-i-n-структуру 1 в виде диода напряжения прямого смещения происходит процесс инжекции носителей заряда в высокоомную i-область диода, в результате чего концентрация носителей заряда в базе возрастает на несколько порядков. Прохождение через витки катушки тока приводит к возникновению в прямосмещенной p-i-n-структуре 1, помещенной в катушку 3, наведенного магнитным полем витка с током, наличие которого должно увеличивать суммарное значение индуктивности. Увеличение тока через катушку 3 должно приводить к увеличению приращения индуктивности, связанному с взаимодействием с p-i-n-структурой 1, выполняющей роль сердечника катушки. Увеличение тока через p-i-n-структуру 1 и связанное с ним увеличение числа носителей заряда в структуре также должно приводить к увеличению приращения индуктивности, поскольку приводит к возникновению дополнительных наведенных магнитным полем витков с током.
Дрейф носителей заряда в электрическом поле образует отдельный виток тока, находящийся в магнитном поле исследуемой катушки индуктивности, причем проводимость этого витка изменяется в широком диапазоне в зависимости от величины приложенного напряжения, что также влияет на величину индуктивности катушки.
Для проверки возможности создания катушки индуктивности с перестройкой электрическим полем согласно предложенному в заявке техническому решению была изготовлена двухсекционная катушка (фиг.2, 3, 4), сердечник 1 которой представлял собой кремниевую n-i-p-i-n-структуру с толщиной i-областей 200 мкм. В качестве такой структуры использовался выпускаемый промышленностью бескорпусный диод типа 2А505, конструктивно объединяющий в себе по сути две p-i-n-структуры с общей р-областью, имеющей гибкий соединительный контакт. Контакты n-областей структуры 1 имели вид металлических площадок из материала с хорошей проводимостью. Диод, длина которого вместе с контактами составляла ~0,8 мм, размещался между двумя секциями катушки 3, намотанными виток к витку в форме плоской спирали на оправке диаметром 0,9 мм, причем изолированный контакт р-области 7 пропускался наружу между плоскостями секций, а p-i-n-структуры заполняли области внутри секций. Диод центрировался по оси катушки с помощью тонкой изолирующей диэлектрической прокладки 8.
Обе секции катушки содержали по три витка медного провода в лаковой изоляции диаметром 0,5 мм. Электрический контакт с n-областями диода осуществлялся с помощью прижимных графитовых электродов 9, не оказывающих влияние на величину индуктивности катушки (фиг.2).
Таким образом, магнитное поле изготовленной катушки было сосредоточено во внутреннем объеме секций, преобладающую часть которого занимали протяженные i-области (базы) диода, размер которых значительно превышал размеры р- и n-областей. В отсутствие прямого смещения базовые области p-i-n-структуры представляют собой по сути диэлектрик с магнитной проницаемостью µ=1.
Диамагнитные контакты ввиду их незначительного размера снижали значение индуктивности на величину порядка 0.5%, добротность катушки при введении в нее n-i-p-i-n-структуры уменьшалась на 15÷18%.
При подаче на диод прямого смещения происходит процесс инжекции носителей заряда в высокоомную i-область диода, в результате чего концентрация носителей заряда в базе возрастает на несколько порядков и соответственно увеличивается проводимость базы (см. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. P-i-n-диоды в широкополосных устройствах СВЧ. - М.: Сов. радио, 1970. 200 с.; Вайсблат А.В. Коммутационные устройства на полупроводниковых диодах. - М.: Радио и связь. 1987. 120 с.). В таком случае говорят, что база диода "заливается" носителями заряда или "металлизируется".
Зависимость параметров катушки от величины напряжения прямого смещения, прикладываемого к n-i-p-i-n-структуре, выполняющей роль управляемого электрическим полем сердечника, исследовалась с помощью измерителя добротности (Q-метра) типа Е4-11, позволяющего определить резонансным методом как значение индуктивности, так и величину потерь.
Из приведенных на фиг.5 зависимостей добротности Q и индуктивности L исследуемой катушки от напряжения смещения U видно, что добротность начинает заметно снижаться непосредственно с появлением тока через n-i-p-i-n-структуру. Уменьшение добротности с ростом приложенного к n-i-p-i-n-структуре напряжения может быть объяснено увеличением мощности потерь, связанным с ростом числа инжектированных носителей заряда. Наблюдающийся участок "насыщения" на зависимости Q от U может быть объяснен возрастанием токов "утечки" через переходы при высоких напряжениях смещения на переходах и связанным с этим уменьшением уровня инжекции носителей заряда через переходы.
С ростом значения напряжения смещения, приложенного к n-i-p-i-n-структуре, индуктивность катушки увеличивается, причем форма графика зависимости индуктивности катушки от напряжения смещения обнаруживает сходство с вольт-амперной характеристикой p-i-n-структуры.
Следует отметить, что обнаруженный эффект в значительной мере зависит от соотношения геометрических размеров катушки и n-i-p-i-n-структуры. Так, при диаметре намоточного провода 1 мм зависимость индуктивности от напряжения смещения выражена весьма слабо. Большое значение имеет также выбор конкретного экземпляра n-i-p-i-n-структуры. Как показала практика, диоды имеют значительный разброс характеристик в пределах партии, причем возможна заметная неидентичность характеристик p-i-n-диодов отдельно выбранной n-i-p-i-n-структуры. Не последнюю роль, оказывающую влияние на величину как индуктивности, так и добротности, играет качество изготовления самой катушки.
В связи с этим можно рекомендовать для изготовления управляемой катушки индуктивности материалы, обладающие хорошей проводимостью, что повысит начальное значение добротности и позволит выбрать диаметр намоточного провода, сравнимый с размерами i-областей диода. Геометрия индуктивного элемента определяется преимущественно размерами используемого диода и должна обеспечивать концентрацию магнитного поля катушки в объеме p-i-n-структуры.
С целью исследования возможности практического применения заявляемого технического решения был сконструирован простой маломощный радиопередатчик с частотной модуляцией (ЧМ) ультракоротковолнового (УКВ) вещательного диапазона частот 88÷108 МГц (FM2), в резонансном контуре которого была применена катушка индуктивности описанной выше конструкции. Принципиальная электрическая схема радиопередатчика приведена на фиг.6 (см. Янчук Е.В. Туннельные диоды в приемно-усилительных устройствах. - М.: Энергия. 1967. 56 с.; Морозов В. Некоторые схемы на туннельных диодах // Радио. 1965. №4. с.37-39).
BX
BX
ЭДС источника питания Е1 и включенный параллельно источнику резистивный делитель напряжения R1, R2 определяли положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике (ВАХ) туннельного диода VD1, при котором возникает устойчивая высокочастотная генерация, причем резистор R2 определял величину внутреннего сопротивления цепи питания диода, в связи с чем его номинал был выбран достаточно малым. Конденсатор С3, включенный параллельно нижнему плечу делителя R1, R2, образовывал фильтр цепи питания туннельного диода, а емкость С1 осуществляла блокировку источника питания Е1 по высокой частоте. Катушка индуктивности L и включенный параллельно ей конденсатор С4 представляли собой колебательный контур, резонансная характеристика которого определяла частоту ВЧ несущей передатчика. Для согласования величины отрицательного дифференциального сопротивления туннельного диода с сопротивлением потерь контура, а также с целью уменьшения влияния активного элемента на резонансные характеристики было применено частичное подключение диода к контуру генератора, что не вызвало конструктивных трудностей, поскольку управляемая катушка L, намотанная поверх n-i-p-i-n-структуры (VD2), имела две секции с общим отводом (фиг.2, 3, 4). Триммер С4 позволял осуществлять предварительную настройку передатчика на частоту диапазона FM2, не занятую вещательной станцией. Через разделительную емкость С2 в схему передатчика подавался низкочастотный синусоидальный модулирующий сигнал U от звукового генератора типа Г3-112, причем амплитуда сигнала подбиралась по минимуму искажений синусоиды на выходе приемника. Низкочастотный сигнал U, складываясь с постоянным смещением в цепи питания диода, приводил к изменению положения рабочей точки на падающем участке ВАХ туннельного диода, что вызывало девиацию частоты высокочастотного генератора и соответственно частотную модуляцию ВЧ несущей, излучаемой посредством штыревой антенны А. Диод VD2 представлял собой n-i-p-i-n-структуру типа 2А505, и питание его осуществлялось от отдельного источника ЭДС Е2 типа Б5-43, гальванически не связанного со схемой передатчика. Конденсатор С5 емкостью 47 нФ блокировал источник питания Е2 по высокой частоте. В качестве активного элемента передатчика был использован туннельный диод типа АИ101, остальные элементы схемы имели следующие номиналы: R1=220 Ом, R2=20 Ом, С1=68 нФ, С2=10 мкФ, С3=10 нФ, С4=8÷30 пФ. Источник питания Е1 представлял собой гальванический элемент типа 373, ЭДС=1.2÷1.5 В. Прием частотно-модулированного сигнала осуществлялся приемником NAIKO F28D, имевшим опцию автоматического поиска станций и цифровой индикатор настройки на принимаемую станцию (встроенный частотомер). При изменении напряжения источника питания n-i-p-i-n-структуры, управляющей перестройкой индуктивности L, в диапазоне 0-0.9 В несущая частота передатчика сдвигалась в среднем на 150 кГц в сторону уменьшения. Графики зависимостей несущей частоты и индуктивности от напряжения на различных участках диапазона (88, 89 и 90 МГц) приведены на фиг.7. Значения индуктивности рассчитаны по графику изменения частоты несущей исходя из известной величины емкости контура, постоянной в каждом частотном диапазоне. Поскольку источник питания имел дискретное управление с шагом 0,01 В, а разрешение индикатора частоты приемника составляло 0,01 МГц, измерения проводились следующим образом: точное значение частоты выставлялось по индикатору, после чего передатчик перестраивался на эту частоту изменением величины напряжения смещения. Далее приемник включался в режим автопоиска сигнала передатчика, и если найденная частота отличалась от изначально выставленной, то она корректировалась подстройкой величины напряжения на n-i-p-i-n-структуре. После чего процесс повторялся до наиболее точного совпадения заданной частоты и частоты, определенной в режиме автопоиска. Поскольку в процессе поиска станции приемник подходит к несущей со стороны низких частот, погрешность определения частоты носит систематический характер, вследствие чего общий вид зависимости можно считать достоверным, что подтвердилось при проведении измерений на разных участках диапазона.
Из полученного графика видно, что зависимость индуктивности от напряжения смещения на n-i-p-i-n-структуре хорошо коррелирует с аналогичной экспериментальной характеристикой катушки индуктивности (фиг.5), измеренной прибором Е4-11. Диапазон изменения величины индуктивности по мнению авторов можно весьма просто увеличить, изготовив многосекционную катушку, поскольку геометрия n-i-p-i-n-структуры позволяет это сделать без значительных конструктивных трудностей.
Катушки индуктивности предложенной конструкции удобны для изготовления в планарной форме, когда витки формируются напылением или травлением материала поверхности вокруг p-i-n-структуры, расположенной в объеме.
Несомненным преимуществом конструкции является также то, что цепь управления индуктивностью гальванически развязана от схемы, в которую катушка включена.
Таким образом, показано, что катушка, выполненная на сердечнике, являющемся p-i-n-структурой с толстой базой, представляет собой индуктивный элемент, обладающий способностью к перестройке под воздействием потенциала, приложенного к выводам p-i-n-структуры, что позволяет считать доказанной возможность создания миниатюрного пассивного индуктивного элемента, перестраиваемого под воздействием электрического поля.
Катушки такого типа, в качестве миниатюрных управляемых индуктивностей, могут представлять интерес при конструировании современной радиоэлектронной аппаратуры, в схемах генераторов, модуляторов, фильтров, частотно-избирательных усилителей высокочастотного диапазона.