КАТУШКА ПЕРЕМЕННОЙ ИНДУКТИВНОСТИ В ИНТЕГРАЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ Российский патент 2011 года по МПК H01F21/12 H04B1/38 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к катушке переменной индуктивности в интегральном исполнении, значение индуктивности которой может переключаться между двумя или более значениями. В одном варианте применения катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении используется в таком типе управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции (например, в устройствах беспроводной связи, таких как мобильные телефоны, пейджеры, ноутбуки, карманные персональные компьютеры (PDA) и т.п.). В других вариантах применения катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении может быть использована в нагрузке перестраиваемого усилителя, сети согласования полных сопротивлений, генераторе с цифровым управлением или частотно-избирательной индуктивно-емкостной сети.

Уровень техники

На фиг.1 (предшествующий уровень техники) изображена блок-схема, иллюстрирующая основные компоненты традиционной многодиапазонной приемопередающей радиостанции 100 с прямым преобразованием частоты (например, устройства 100 беспроводной связи). Изображенная многодиапазонная приемопередающая радиостанция 100 включает в себя антенну 102, блок 104 приема/передачи (T/R), приемный тракт 106, передающий тракт 108 и блок 110 обработки сигналов основного диапазона. Приемный тракт 106 включает в себя частотный преобразователь 112, который используется совместно с управляемым напряжением генератором 114 (VCO) для понижения радиочастоты сигнала, принятого с помощью антенны 102, до меньшей частоты, подходящей для дальнейшей обработки сигналов в блоке 110 обработки сигналов основного диапазона. Передающий тракт 108 включает в себя частотный преобразователь 116, который используется совместно с управляемым напряжением генератором 118 (VCO), для повышения частоты сигнала основного диапазона, принятого от блока 110 обработки сигналов основного диапазона, до более высокой частоты перед его передачей с помощью антенны 102. Поскольку радиочастота (f_RF) принятого сигнала и переданного сигнала может изменяться в очень широком диапазоне (более чем вдвое), многодиапазонному приемопередатчику 100 требуется, чтобы управляемые напряжением генераторы 114 и 118 (VCO) имели возможность перестройки по широкому частотному диапазону.

В прошлом для многодиапазонной приемопередающей радиостанции 100 применялся этот тип структуры. Несмотря на это в настоящее время требуются решения комбинированной приемопередающей радиостанции, способные охватить более широкий частотный диапазон, для поддержки большего количества структур многодиапазонной и мультистандартной приемопередающей радиостанции. Эти расширенные функциональные возможности имели трудности в реализации в связи с тем, что изображенные на фиг.1 управляемые напряжением генераторы 114 и 118 (VCO) имеют ограниченный диапазон перестройки. Ниже предоставлено пояснение того, в связи с чем управляемые напряжением генераторы 114 и 118 (VCO) имеют ограниченный диапазон перестройки.

Управляемые напряжением генераторы 114 и 118 (VCO) имеют частоту генерации (f₀), устанавливаемую схемой 120 индуктивно-емкостного резонатора, содержащей параллельно соединенные друг с другом катушку 121 постоянной индуктивности и конденсатор 123 переменной емкости. Частота генерации (f₀) вычисляется с помощью нижеприведенного уравнения:

Поскольку значение катушки 121 индуктивности является постоянным, это означает, что диапазон перестройки схемы 120 индуктивно-емкостного резонатора ограничивается емкостным коэффициентом, который может быть получен с помощью регулировки конденсатора 123 переменной емкости (то есть вариконда 123 и блока 123 емкостного переключения). Ограниченный диапазон перестройки индуктивно-емкостной схемы 120 является проблемой не только для многодиапазонных приемопередающих радиостанций 100. Это также является проблемой для других типов частотно-избирательных индуктивно-емкостных схем, которые могут быть использованы, например, в нагрузках перестраиваемого усилителя и схемах согласования полных сопротивлений. Далее, со ссылкой на фиг.2-5 описывается множество решений, используемых в прошлом для решения данной проблемы.

На фиг.2 (предшествующий уровень техники) изображена блок-схема двойного управляемого напряжением генератора 200 (VCO), включающего в себя два управляемых напряжением генератора 202a и 202b (VCO), соединенных с мультиплексором 204. Каждый из управляемых напряжением генераторов 202a и 202b (VCO) включает в себя схему 206a и 206b индуктивно-емкостного резонатора, содержащую параллельно соединенные друг с другом катушку 205 постоянной индуктивности и конденсатор 207 переменной емкости. В этом случае двойной управляемый напряжением генератор 200 (VCO) имеет полный частотный диапазон V_out, состоящий из двух поддиапазонов V_out1 и V_out2, выдаваемых с помощью управляемых напряжением генераторов 202a и 202b (VCO). Несмотря на то что двойной управляемый напряжением генератор 200 (VCO) относительно прост в осуществлении, он занимает более чем в два раза больше площади кремниевой подложки по сравнению с используемой для создания управляемого напряжением генератора 114 (VCO) (например), изображенного на фиг.1. Это является нежелательным.

На фиг.3 (предшествующий уровень техники) изображена блок-схема управляемого напряжением генератора 300 (VCO), соединенного с блоком 302 деления. Управляемый напряжением генератор 300 (VCO) включает в себя схему 304 индуктивно-емкостного резонатора, содержащую параллельно соединенные друг с другом катушку 305 постоянной индуктивности и конденсатор 307 переменной емкости. Добавление блока 302 деления на выходе управляемого напряжением генератора 300 (VCO), в котором коэффициенту деления могут быть присвоены разные целочисленные значения для разных выходных частотных диапазонов, эффективно сокращает требования к диапазону перестройки на управляемом напряжением генераторе 300 (VCO). При этом добавление блока 302 деления приводит к существенному увеличению потребления тока, в особенности если требования к фазовому шуму являются строгими. Также добавление блока 302 деления увеличивает общую область, используемую на кристалле. Кроме того, при добавлении блока 302 деления зачастую трудно генерировать выходные квадратурные сигналы для коэффициентов деления, которые не кратны 2. Ни одна из этих характеристик не желательна.

На фиг.4 (предшествующий уровень техники) изображена блок-схема комбинированной схемы генерации частоты с обратной связью, используемой для выполнения дробного деления выходного сигнала управляемого напряжением генератора 400 (VCO). В этой схеме управляемый напряжением генератор 400 (VCO) включает в себя схему 402 индуктивно-емкостного резонатора такого типа, который содержит параллельно соединенные друг с другом катушку 403 постоянной индуктивности и конденсатор 405 переменной емкости. Также выходной сигнал управляемого напряжением генератора (VCO) подается на частотный преобразователь 404, который смешивает этот сигнал с сигналом, прошедшим через частотный преобразователь 404 и разделенным на целое число N в блоке 406 деления. Недостатками этой схемы являются большее потребление тока и использование большой площади на кристалле по сравнению с любым из предыдущих решений, изображенных на фиг.2-3.

На фиг.5 (предшествующий уровень техники) изображена блок-схема комбинированной схемы генерации частоты с прямой связью, также используемая для выполнения дробного деления выходного сигнала управляемого напряжением генератора 500 (VCO). В этой схеме управляемый напряжением генератор 500 (VCO) включает в себя схему 502 индуктивно-емкостного резонатора, содержащую параллельно соединенные друг с другом катушку 503 постоянной индуктивности и конденсатор 505 переменной емкости. Также выходной сигнал управляемого напряжением генератора (VCO) подается на частотный преобразователь 504 и блок 506 деления. Блок 506 деления функционирует для деления выходного сигнала на целое число N и дальнейшей подачи разделенного сигнала на частотный преобразователь 504. Затем частотный преобразователь смешивает первоначальный выходной сигнал с разделенным выходным сигналом и выводит сигнал V_out. Эта схема имеет недостатки, аналогичные недостаткам схемы с обратной связью, изображенной на фиг.4, а именно большее потребление тока и использование большего места на кристалле по сравнению с любым из предыдущих решений, изображенных на фиг.2-3.

Следовательно, существует потребность в новом решении, которое может быть использовано для расширения диапазона перестройки управляемого напряжением генератора (VCO). Это новое решение не должно иметь вышеупомянутых недостатков, а также недостатков, связанных с традиционными решениями. Таким решением является комбинированная катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение включает в себя катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении, значение индуктивности которой может переключаться между двумя или более значениями. В предпочтительном варианте осуществления катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя первичную многоконтурную катушку индуктивности, связанную с парой вторичных катушек индуктивности электромагнитным способом. Вторичные катушки индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутой цепи, в пределах которой вторичные катушки индуктивности имеют изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением для изменения значения индуктивности, выводимого первичной многоконтурной катушкой индуктивности. В одном варианте применения катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении используется в таком типе управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции (например, в устройстве беспроводной связи). В других вариантах применения катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении может быть использована в нагрузке перестраиваемого усилителя, сети согласования полных сопротивлений, генераторе с цифровым управлением или любом другом типе частотно-избирательной индуктивно-емкостной сети.

Краткое описание чертежей

Более полное понимание настоящего изобретения может быть получено из следующего подробного описания, изложенного совместно с сопроводительными чертежами, на которых изображено следующее:

Фиг.1 (предшествующий уровень техники) изображает блок-схему, иллюстрирующую основные компоненты традиционной многодиапазонной приемопередающей радиостанции.

Фиг.2 (предшествующий уровень техники) изображает блок-схему, иллюстрирующую один тип управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции, изображенной на фиг.1.

Фиг.3 (предшествующий уровень техники) изображает блок-схему, иллюстрирующую другой тип управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции, изображенной на фиг.1.

Фиг.4 (предшествующий уровень техники) изображает блок-схему, иллюстрирующую еще один тип управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции, изображенной на фиг.1.

Фиг.5 (предшествующий уровень техники) изображает блок-схему, иллюстрирующую еще один тип управляемого напряжением генератора (VCO), который может быть использован в многодиапазонной приемопередающей радиостанции, изображенной на фиг.1.

Фиг.6 изображает блок-схему, иллюстрирующую управляемый напряжением генератор (VCO), включающий в себя схему индуктивно-емкостного резонатора, содержащую катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении и конденсатор переменной емкости, согласно настоящему изобретению.

Фиг.7 изображает схемное решение катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, изображенной на фиг.6, в которой первичная катушка индуктивности связана с парой вторичных катушек индуктивности электромагнитным способом, а вторичные катушки индуктивности соединены последовательно, согласно настоящему изобретению.

Фиг.8 изображает схемное решение катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, изображенной на фиг.6, в которой первичная катушка индуктивности связана с парой вторичных катушек индуктивности электромагнитным способом, а вторичные катушки индуктивности соединены друг с другом параллельно, согласно настоящему изобретению.

Фиг.9 изображает графическое представление, иллюстрирующее одновитковую первичную катушку индуктивности, имеющую форму в виде цифры 8, которая может быть использована наряду со вторичными катушками индуктивности (не показаны) для создания комбинированной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, согласно настоящему изобретению.

Фиг.10 изображает блок-схему иллюстративной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающей в себя одновитковую первичную катушку индуктивности, имеющую форму в виде цифры 8, соединенной с двумя последовательно соединенными друг с другом вторичными катушками индуктивности электромагнитным способом, согласно настоящему изобретению.

Фиг.11 изображает блок-схему иллюстративной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающей в себя одновитковую первичную катушку индуктивности, имеющую форму в виде цифры 8, связанную с двумя параллельно соединенными друг с другом вторичными катушками индуктивности электромагнитным способом, согласно настоящему изобретению.

Фиг.12 изображает блок-схему иллюстративной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающей в себя двухвитковую первичную катушку индуктивности, имеющую форму в виде цифры 8, соединенную с двумя параллельно соединенными друг с другом вторичными катушками индуктивности, согласно настоящему изобретению.

Фиг.13 изображает блок-схему иллюстративной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающей в себя первичную катушку индуктивности, имеющую форму клеверного листа, связанную с четырьмя вторичными катушками индуктивности электромагнитным способом, согласно настоящему изобретению.

Фиг.14 изображает блок-схему, иллюстрирующую основные компоненты многодиапазонной приемопередающей радиостанции, объединяющей две катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, подобные изображенным на фиг.6-12, согласно настоящему изобретению; и

Фиг.15 изображает блок-схему, иллюстрирующую основные этапы способа изготовления комбинированной катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении, согласно настоящему изобретению.

Подробное описание чертежей

На фиг.6 изображена блок-схема, иллюстрирующая управляемый напряжением генератор 600 (VCO), включающей в себя схему индуктивно-емкостного резонатора 602, содержащего катушку 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении и конденсатор 606 переменной емкости. Катушка 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении выполняет нижеописанную процедуру уникального индуктивного переключения, которая предоставляет возможность переключения ее индуктивности между двумя или более значениями. В результате чего управляемый напряжением генератор 600 (VCO), использующий катушку 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении и конденсатор 606 переменной емкости, имеет диапазон перестройки, который может быть расширен посредством использования индуктивного и емкостного переключения (см. Уравнение 1). В прошлом такой расширенный диапазон перестройки не был доступен в связи с тем, что традиционный управляемый напряжением генератор 114 (VCO) (например) имел диапазон перестройки, который мог быть изменен исключительно при использовании емкостного переключения (через конденсатор 123 переменной емкости), поскольку катушка 121 имела постоянную индуктивность (см. фиг.1).

Катушка 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении выполняет процедуру уникального индуктивного переключения посредством добавления вторичных катушек индуктивности в область кристалла первичной катушки индуктивности (см. фиг.10-13). Вторичные катушки индуктивности физически не соединены с первичной катушкой индуктивности, они связаны с первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом. Также сами вторичные катушки индуктивности могут быть соединены друг с другом с помощью разных конфигураций/топологий, вследствие чего они могут изменить фактор влияния, которое вторичные катушки индуктивности имеют на первичную катушку индуктивности. В частности, они могут изменить конфигурацию/топологию вторичных катушек индуктивности, а также изменить значение итоговой индуктивности, обеспечиваемое первичной катушкой индуктивности.

Добавление новых компонентов, наподобие вторичных катушек индуктивности, на катушку индуктивности является непростой задачей в связи с тем, что эти новые компоненты вводят новые паразитные элементы, которые могут ухудшить коэффициент качества катушки индуктивности. Во избежание этой проблемы предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения использует две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности, связанные с первичной катушкой L₁ индуктивности не физическим, а электромагнитным способом (см. фиг.7-8). Две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности должны иметь одинаковую индуктивность, а также они должны иметь одинаковое соединение с первичной катушкой L₁ индуктивности. Кроме того, две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности должны иметь коэффициенты к связи с противоположными знаками. Таким образом, итоговая эквивалентная индуктивность трех соединенных электромагнитным способом структур L₁, L₂₁ и L₂₂ зависит от способа соединения двух вторичных устройств L₂₁ и L₂₂, соединенных друг с другом.

Если две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности соединены последовательно, как изображено на фиг.7, то эффекты двух вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности компенсируют друг друга из-за противоположных знаков коэффициентов k и -k связи. В этом случае ток не будет проходить по стороне, имеющей две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности, а индуктивность и коэффициент качества первичной катушки L₁ индуктивности останутся незатронутыми в соответствии со следующим уравнением:

При этом, если две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности соединены параллельно, как изображено на фиг.8, то эффект компенсации отсутствует. Итоговое значение индуктивности первичной катушки L₁ индуктивности уменьшается до нового значения L_TОT, которое зависит от величины коэффициента k связи, в соответствии со следующим уравнением:

В этой топологии итоговый коэффициент качества катушки 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении также уменьшается вследствие того, что сопротивление потерь не сокращается посредством величины, аналогичной значению индуктивности. Как может быть замечено на фиг.7 и 8, две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности всегда соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, и это является единственной топологией в пределах этого замкнутого контура, которая может быть изменена посредством последовательного или параллельного соединения.

В предпочтительном варианте осуществления катушки L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности в интегральном исполнении осуществлены в качестве металлических дорожек сверху подложки полупроводника (кристалла). Все важные рабочие параметры, подобные значению индуктивности, коэффициенту качества и электромагнитному соединению с другими металлическими структурами, определяются посредством геометрических свойств размещения катушки индуктивности совместно со свойствами материала подложки. Также важно определить правильный размер и разместить металлические дорожки, которые используются для создания катушек L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности. Далее предоставляется описание некоторых других вариантов размещения, которые могут быть использованы для осуществления катушек L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности.

На фиг.9 изображена блок-схема, иллюстрирующая вариант размещения одновитковой первичной катушки L₁ индуктивности, имеющей форму в виде цифры 8. В этом примере первичная катушка L₁ индуктивности имеет форму одновитковой структуры, изображенной на фиг.8, с верхним контуром 902 и нижним контуром 904. На основании формы, изображенной на фиг.8, ток в верхнем контуре 902 проходит в направлении (например, по часовой стрелке, см. стрелки), противоположном направлению тока в нижнем контуре 904 (например, против часовой стрелки, см. стрелки). В результате конфигурация в виде цифры 8 имеет преимущество, заключающееся в том, что магнитные поля 906 и 908, исходящие от этих двух частных контуров 902 и 904, имеют противоположные знаки. Это означает, что магнитные поля 906 и 908, которые испускаются на определенном расстоянии от первичной катушки L₁ индуктивности, имеют тенденцию нейтрализовывать друг друга, сокращая эффект дальнего поля, который первичная катушка L₁ индуктивности может иметь на других компонентах (за дополнительными подробностями этого преимущества обращайтесь к заявке на патент США №10.919.130, находящейся на стадии рассмотрения). Другое преимущество этого симметричного размещения первичной катушки L₁ индуктивности заключается в пригодности для осуществления способа индуктивного переключения настоящего изобретения, как обсуждается ниже.

На фиг.10, на которой изображена блок-схема иллюстративной катушки 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении, изображаются две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности, связанные электромагнитным способом с одновитковой первичной катушкой L₁ индуктивности, имеющей форму в виде цифры 8, согласно настоящему изобретению. Находящийся в центре ключ 1002 остается открытым, приводя к последовательному соединению замкнутого контура с двумя вторичными катушками L₂₁ и L₂₂ индуктивности. Например, ключ 1002 может являться программно-управляемым большим МОП транзистором 1002 (MOS). Полная симметрия размещения катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности гарантирует, что коэффициенты связи вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности идентичны друг другу по значению. Также симметричная форма в виде цифры 8 первичной катушки L₁ индуктивности автоматически гарантирует, что коэффициенты связи вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности имеют противоположные знаки. Вследствие чего первичная катушка L₁ индуктивности имеет два частных контура 902 и 904, имеющих противодействующие магнитные поля 906 и 908. В результате чего катушка 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении в этой конфигурации функционирует в качестве схемы, изображенной на фиг.7, а полная индуктивность L_TOT равна индуктивности первичной катушки L₁ индуктивности.

На фиг.11 изображена блок-схема иллюстративной катушки 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении, изображенной на фиг.10, где ключ 1002 закрыт, следовательно, вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности соединены параллельно. И в этом случае полная симметрия размещения катушек L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности гарантирует, что коэффициенты связи вторых катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности идентичны друг другу по значению. Также топология катушек L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности не изменяется, поскольку вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности по-прежнему имеют коэффициенты связи с противоположными знаками. В результате чего катушка 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении в этой конфигурации функционирует в качестве схемы, изображенной на фиг.8, а полная индуктивность L_TОT сокращается, согласно уравнению 3.

На фиг.12 изображена блок-схема иллюстративной катушки 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающей в себя две вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности, соединенные электромагнитным способом с двухвитковой первичной катушкой L₁ индуктивности, имеющей форму в виде цифры 8, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Двухвитковая первичная катушка L₁ индуктивности, имеющая форму в виде цифры 8, очень похожа на изображенную на фиг.10-11 одновитковую первичную катушку L₁ индуктивности, имеющую форму в виде цифры 8, где она включает в себя верхний контур 902 и нижний контур 904. Однако двухвитковая первичная катушка L₁ индуктивности, имеющая форму в виде цифры 8, а также включающая в себя два контура, имеет меньший коэффициент качества, а также структурно меньше для аналогичного значения индуктивности по сравнению с одновитковой первичной катушкой L₁ индуктивности, имеющей форму в виде цифры 8, которая изображена на фиг.10-11. Механизм 1002 переключения может являться аналогичным механизму, изображенному на фиг.10-11.

В обоих вариантах осуществления катушки 604 и 604′ переменной индуктивности в интегральном исполнении должно быть отмечено, что в зависимости от фактического размещения катушек L₁, L₂₁ и L₂₂ индуктивности, значения индуктивности соединенных вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности могут немного отличаться между последовательной конфигурацией и параллельной конфигурацией. Однако это не является проблемой при условии, что значения индуктивности равны L₂₁=L₂₂ между двумя вторичными катушками L₂₁ и L₂₂ индуктивности. Несмотря на то что одна пара вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности изображены и описаны выше со ссылкой на фиг.7-12, также возможно осуществить несколько пар вторичных катушек индуктивности, что предоставит первичной катушке L₁ индуктивности возможность вывода более двух значений индуктивности. Использование множества пар вторичных катушек индуктивности может быть желательным, начиная с использования индуктивных переключателей вместо емкостных переключателей для перестройки частоты, и вероятно менее чувствительным к различиям в параметрах процесса. Причина состоит в том, что индуктивные переключатели тесно связаны с конфигурацией устройства, которой можно более точно управлять. Например, значением коэффициентов k связи можно управлять при использовании инструментальных средств лазерной резки для изменения конфигурации (например, размеров, формы) вторичных катушек индуктивности по сравнению с первичной катушкой L₁ индуктивности. Инструментальные средства лазерной резки могут также быть использованы для замены ключа 1002 MOS при желании однократного выполнения всей перестройки (подстройки) катушки 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении в течение изготовления для компенсации изменения процесса в других компонентах, которые влияют на частоту управляемого напряжением генератора (VCO).

Большое разнообразие конфигураций может быть использовано для переключаемых катушек 604 переменной индуктивности в интегральном исполнении, что осуществляет множество пар вторичных катушек индуктивности при условии простой поддержки противоположных знаков для различных коэффициентов k связи вторичных катушек индуктивности. Один такой пример изображен на фиг.13, здесь катушка 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя первичную катушку L₁ индуктивности, имеющую форму клеверного листа, и четыре вторичные катушки L₂₁, L₂₂, L₂₃ и L₂₄ индуктивности. Четыре вторичные катушки L₂₁, L₂₂, L₂₃ и L₂₄ индуктивности используются для индуктивного переключения, где две вторичные картушки L₂₁ и L₂₃ индуктивности (например) имеют положительные коэффициенты k связи, а другие две вторичные катушки L₂₂ и L₂₄ индуктивности (например), имеют отрицательные коэффициенты к связи. Механизм 1002 переключения может быть аналогичным механизму, изображенному на фиг.10-11.

Как было упомянуто выше, катушки 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении могут быть осуществлены в большом разнообразии устройств. Например, устройства, подобные нагрузкам перестраиваемого усилителя, сетям согласования полных сопротивлений, генератору с цифровым управлением или другим типам частотно-избирательных выбираемых индуктивно-емкостных сетей, могут извлечь пользу из объединения и использования расширенного диапазона перестройки катушек 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении. Кроме того, многодиапазонная приемопередающая радиостанция 1400, подобная изображенной на фиг.14, получить преимущество при использовании двух катушек 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении.

На фиг.14 изображена блок-схема, иллюстрирующая основные компоненты многодиапазонной приемопередающей радиостанции 1400, согласно настоящему изобретению. Изображенная многодиапазонная приемопередающая радиостанция 1400 (например, устройство 1400 беспроводной связи) включает в себя антенну 1402, блок 1404 приема/передачи (T/R), приемный тракт 1406, передающий тракт 1408 и блок 1410 обработки сигналов основного диапазона. Приемный тракт 1406 включает в себя частотный преобразователь 1412, который используется совместно с управляемым напряжением генератором 1414 (VCO) для понижения радиочастоты сигнала, принятого с помощью антенны 1402, до меньшей частоты, подходящей для дальнейшей обработки сигналов в блоке 1410 обработки сигналов основного диапазона. Тракт 1408 передачи включает в себя частотный преобразователь 1416, который используется совместно с управляемым напряжением генератором 1418 (VCO) для повышения частоты сигнала основного диапазона, принятого от блока 1410 обработки сигналов основного диапазона, до более высокой частоты перед его передачей с помощью антенны 1402.

Многодиапазонная приемопередающая радиостанция 1400 имеет конфигурацию, аналогичную традиционной многодиапазонной приемопередающей радиостанции 100, изображенной на фиг.1, за исключением того, что диапазоны перестройки управляемых напряжением генераторов 1414 и 1418 (VCO) больше диапазонов перестройки управляемых напряжением генераторов 114 и 118 (VCO), используемых в традиционной многодиапазонной приемопередающей радиостанции 100.

В свою очередь, управляемые напряжением генераторы 1414, 1418 (VCO) имеют расширенный диапазон перестройки в связи с тем, что они могут использовать комбинацию индуктивного переключения (через катушку 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении) и емкостного переключения (через конденсатор 606 переменной емкости). В прошлом этот расширенный диапазон перестройки не был возможен в связи с тем, что традиционные управляемые напряжением генераторы 114 и 118 (VCO) имели диапазон перестройки, который мог быть изменен только при использовании емкостного переключения (через конденсатор 123 переменной емкости), поскольку была установлена катушка 121 индуктивности (см. фиг.1). Для ясности, изложенное в настоящем документе описание многодиапазонной приемопередающей радиостанции 1400 опускает некоторые детали об известных компонентах, которые не являются необходимыми для понимания настоящего изобретения.

Другое преимущество, связанное с использованием катушки 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении в многодиапазонной приемопередающей радиостанции 1400 (или любом устройстве), заключается в меньшей взаимной электромагнитной связи между управляемыми напряжением генераторами 1414 и 1418 (VCO). Причина состоит в том, что каждая катушка 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении является симметричной. Кроме того, поскольку каждая катушка 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении состоит из множества симметричных контуров, это означает, что каждый из них испускает магнитные поля, которые имеют тенденцию нейтрализовывать себя. Вследствие чего две катушки 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении могут быть размещены рядом и ориентированы некоторым образом, при котором индуцированный ток в одной катушке 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении значительно уменьшается из-за магнитного поля, создаваемого другой катушкой 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении. Для более подробного обсуждения этого и других преимуществ, связанных с использованием симметричной первичной катушки индуктивности, делается ссылка на заявку на патент США №10/919,130, находящуюся на стадии рассмотрения.

На фиг.15 изображена блок-схема, иллюстрирующая основные этапы способа 1500 изготовления катушки 604, 604′ и 604′′ переменной индуктивности в интегральном исполнении, согласно настоящему изобретению. На этапе 1502 многоконтурная первичная катушка L₁ индуктивности формируется посредством размещения металлических дорожек на кристалле. На этапе 1504 одна или несколько пар вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности, например, формируются посредством размещения металлических дорожек следы на кристалле. Как обсуждалось выше, вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности соединены с многоконтурной первичной катушкой L₁ индуктивности электромагнитным способом. Также вторичные катушки L₂₁ и L₂₂ индуктивности формируют замкнутый контур, который имеет изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением. На этапе 1506 на кристалле формируется ключ 1002. Ключ 1002 используется для переключения изменяемой топологии вторичных катушек L₂₁ и L₂₂ индуктивности, а также для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого многоконтурной первичной катушкой L₁ индуктивности.

Ниже изложены некоторые дополнительные особенности и преимущества, связанные с настоящим изобретением.

Использование переключаемой катушки индуктивности в резонаторе управляемого напряжением генератора (VCO) расширяет диапазон перестройки частоты за порог, установленный емкостными ключами. Это позволяет использовать один управляемый напряжением генератор (VCO) для охвата большего количества полос многодиапазонной приемопередающей радиостанции. Кроме того, область кристалла комбинированного управляемого напряжением генератора (VCO) относительно большая из-за катушки индуктивности и сокращенного количества управляемых напряжением генераторов (VCO), что означает существенное сокращение стоимости кристалла приемопередатчика.

Переключаемая катушка индуктивности имеет значение индуктивности, которое может быть установлено в произвольное значение (в пределах определенных порогов) посредством изменения коэффициента k связи между обмотками. Этап почти не зависит от изменений процесса, поскольку он определен, главным образом, посредством геометрических параметров.

Вторичные катушки индуктивности соединены со схемой резонатора способом, отличным от гальванического. Это минимизирует паразитные эффекты и облегчает осуществление элемента ключа, поскольку можно применить самое подходящее напряжение ко вторичным обмоткам.

Способ индуктивного переключения может быть использован для большого разнообразия вариантов размещения катушки индуктивности, и его использование не будет занимать намного большую область кристалла по сравнению с используемой традиционной катушкой индуктивности.

Способ индуктивного переключения может быть применен, поскольку варианты размещения катушки индуктивности имеют уменьшенную электромагнитную связь с другими проводниками, находящимися на кристалле или за его пределами.

Вторичные катушки индуктивности могут ввести дополнительные потери, находясь в параллельном соединении с низким коэффициентом индуктивности. Вследствие чего коэффициент качества катушки индуктивности может сократиться, а также может быть сокращен параметр фазового шума управляемого напряжением генератора (VCO). Однако это можно легко компенсировать с помощью увеличения тока питания в вариантах применения, где требования к фазовому шуму являются строгими.

В этом случае изменения в производственном процессе приводят к управляемому напряжением генератору (VCO) (который включает в себя катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении), имеющему низкую частоту генерации, затем для увеличения частоты генерации до приемлемого значения может быть выполнена промышленная обработка катушек индуктивности.

Несмотря на то что несколько вариантов осуществления настоящего изобретения были иллюстрированы на сопроводительных чертежах и описаны в предшествующем подробном описании, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления и допускает многочисленные перестановки, модификации и замены, не отступая от сущности изобретения, как сформулировано и определено в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в управляемом напряжением генераторе для многодиапазонной передающей электростанции, в нагрузке перестраиваемого усилителя, сети согласования полных сопротивлений, генераторе с цифровым управлением или частотно-избирательной индуктивно-емкостной связи. Технический результат состоит в расширении диапазона регулирования. Катушка переменной индуктивности имеет значение индуктивности, которое может быть переключено между двумя или более значениями. Она включает в себя многоконтурную первичную катушку индуктивности, которая электромагнитно связана с парой вторичных катушек индуктивности. Вторичные катушки индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого они имеют изменяемую топологию, переключаемую между последовательным и параллельным соединениями для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого многоконтурной первичной катушкой индуктивности. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении, включающая в себя:
многоконтурную первичную катушку индуктивности; и пару вторичных катушек индуктивности, связанных с упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом, причем упомянутые вторичные катушки индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого упомянутые вторичные катушки индуктивности имеют изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением, для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

2. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой, если упомянутая пара вторичных катушек индуктивности соединена последовательно, то изменения в значении индуктивности, обеспечиваемом упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности, отсутствуют.

3. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой, если упомянутая пара вторичных катушек индуктивности соединена параллельно, то значение индуктивности, обеспечиваемое упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности, уменьшается.

4. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая пара вторичных катушек индуктивности включает в себя одну вторичную катушку индуктивности, которая имеет предварительно определенную индуктивность и положительный коэффициент k индуктивной связи, и другую вторичную катушку индуктивности, которая имеет предварительно определенную индуктивность и отрицательный коэффициент k индуктивной связи.

5. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является симметричной многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

6. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является одновитковой катушкой индуктивности, имеющей форму цифры 8, включающей в себя два частных контура, причем первый частный контур имеет магнитное поле в одном направлении, а второй частный контур имеет магнитное поле в противоположном направлении.

7. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является катушкой индуктивности, имеющей форму клеверного листа.

8. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является двухвитковой катушкой индуктивности, имеющей форму цифры 8.

9. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, дополнительно включающая в себя множество пар вторичных катушек индуктивности, используемых для увеличения множества возможных значений индуктивности, которые могут быть обеспечены упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

10. Катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении по п.1, в которой упомянутая первичная катушка индуктивности и упомянутая пара вторичных катушек индуктивности используются в любом из следующих устройств:
управляемый напряжением генератор;
нагрузка перестраиваемого усилителя;
генератор с цифровым управлением;
сеть согласования полных сопротивлений и
частотно-избирательная индуктивно-емкостная сеть.

11. Способ изготовления переключаемой катушки индуктивности в интегральном исполнении, содержащий этапы, на которых:
формируют многоконтурную первичную катушку индуктивности на кристалле;
формируют пару вторичных катушек индуктивности на кристалле из условия, чтобы:
упомянутая пара вторичных катушек индуктивности была соединена с упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом; и
упомянутая пара вторичных катушек индуктивности формировала замкнутый контур, который имеет переключаемую топологию; и
формируют ключ на упомянутом кристалле, причем упомянутый ключ используется для изменения переключаемой топологии упомянутой пары вторичных катушек индуктивности либо на последовательное соединение, либо на параллельное соединение для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

12. Способ по п.11, в котором, если упомянутый ключ находится в открытом положении, то упомянутая пара вторичных катушек индуктивности соединена последовательно, не вызывая изменений в значении индуктивности, обеспечиваемом упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

13. Способ по п.11, в котором, если упомянутый ключ находится в закрытом положении, то упомянутая пара вторичных катушек индуктивности соединена параллельно, вызывая уменьшение значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

14. Способ по п.11, в котором упомянутая пара вторичных катушек индуктивности включает в себя одну вторичную катушку индуктивности, имеющую предварительно определенную индуктивность и положительный коэффициент k индуктивной связи, и другую вторичную катушку индуктивности, имеющую предварительно определенную индуктивность и отрицательный коэффициент k индуктивной связи.

15. Способ по п.11, в котором упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является симметричной многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

16. Способ по п.15, в котором упомянутая многоконтурная первичная катушка индуктивности является одновитковой катушкой индуктивности, имеющей форму цифры 8, включающей в себя два частных контура, причем первый частный контур имеет магнитное поле в одном направлении, а второй частный контур имеет магнитное поле в противоположном направлении.

17. Многодиапазонная приемопередающая радиостанция, включающая себя:
приемный тракт, включающий в себя первый управляемый напряжением генератор, включающий в себя:
первый конденсатор переменной емкости и
первую катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении, причем упомянутая катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя:
первую многоконтурную первичную катушку индуктивности; и
первую пару вторичных катушек индуктивности, соединенных с упомянутой первой многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом, причем упомянутая первая пара вторичных катушек индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого упомянутая первая пара вторичных катушек индуктивности имеет изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой первой многоконтурной первичной катушкой индуктивности; и
передающий тракт, включающий в себя второй управляемый напряжением генератор, включающий в себя:
второй конденсатор переменной емкости; и
вторую катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении, причем упомянутая вторая катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя:
вторую многоконтурную первичную катушку индуктивности и
вторую пару вторичных катушек индуктивности, связанных с упомянутой второй многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом, причем упомянутая вторая пара вторичных катушек индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого упомянутая вторая пара вторичных катушек индуктивности имеют изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой второй многоконтурной первичной катушкой индуктивности.

18. Многодиапазонная приемопередающая радиостанция по п.17, в которой упомянутая первая катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении имеет симметричную многоконтурную структуру, уменьшающую электромагнитную связь с упомянутой второй катушки переменной индуктивности в интегральном исполнении и наоборот.

19. Многодиапазонная приемопередающая радиостанция по п.17, в которой, если одна из упомянутых пар вторичных катушек индуктивности соединены последовательно, то изменения в значении индуктивности, обеспечиваемом соответствующей многоконтурной первичной катушкой индуктивности, отсутствуют.

20. Многодиапазонная приемопередающая радиостанция по п.17, в которой, если одна из упомянутых пар вторичных катушек индуктивности соединены параллельно, то значение индуктивности, обеспечиваемое соответствующей многоконтурной первичной катушкой индуктивности, уменьшается.

21. Устройство беспроводной связи, включающее в себя:
приемный тракт, включающий первый управляемый напряжением
генератор, включающий в себя:
первый конденсатор переменной емкости; и
первую симметричную катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении, причем упомянутая первая симметричная катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя:
первую многоконтурную первичную катушку индуктивности; и
первую пару вторичных катушек индуктивности, связанных с упомянутой первой многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом, причем упомянутая первая пара вторичных катушек индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого упомянутая первая пара вторичных катушек индуктивности имеет изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой первой многоконтурной первичной катушкой индуктивности; и
передающий тракт, включающий в себя второй управляемый напряжением генератор, включающий в себя:
второй конденсатор переменной емкости и
вторую симметричную катушку переменной индуктивности в интегральном исполнении, причем упомянутая вторая симметричная катушка переменной индуктивности в интегральном исполнении включает в себя:
вторую многоконтурную первичную катушку индуктивности; и
вторую пару вторичных катушек индуктивности, связанных с упомянутой второй многоконтурной первичной катушкой индуктивности электромагнитным способом, причем упомянутая вторая пара вторичных катушек индуктивности соединены друг с другом для формирования замкнутого контура, в пределах которого упомянутая вторая пара вторичных катушек индуктивности имеют изменяемую топологию, которая может быть переключена между последовательным соединением и параллельным соединением для изменения значения индуктивности, обеспечиваемого упомянутой второй многоконтурной первичной катушкой индуктивности.