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Die
Erfindung betrifft einen Leitungstransformator zur Impedanzanpassung
in Hochfrequenzanwendungen.
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In
vielen Hochfrequenzschaltungen kommen Bauteile zum Einsatz, deren
unterschiedliche Impedanzen aneinander angepasst werden müssen. Um in
der Produktion die Fertigungssicherheit erhöhen zu können und gleichzeitig die Produktionskosten senken
zu können,
ist es wünschenswert,
die zur Impedanzanpassung erforderlichen Bauteile in den Produktionsprozess
integrieren zu können.
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Aus
der
EP 1 043 736 A1 sind
Impedanztransformatoren für
den Kurzwellenbereich bekannt, welche in gedruckter Schaltungstechnik
ausgeführt werden
können.
Die auf einer Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen sind dabei
schleifenförmig
durch einen Ferritkern hindurchgeführt, wobei die Verkopplung
zwischen den einzelnen Leiterabschnitten magnetisch erfolgt. Zum
Erzeugen des richtigen Übersetzungsverhältnisses
werden die durch die Leiterbahnen auf der Leiterplatte gebildeten
Doppelleitungen in einer entsprechenden Anzahl von Windungen durch
einen gemeinsamen Ferritkern geführt.
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Der
beschriebene Transformator ist im Mikrowellenbereich nicht einsetzbar.
Aufgrund der Leitungslänge,
die durch das mehrfache Durchführen der
Doppelleitungen durch den Ferritkern entsteht, können oberhalb des Kurzwellenbereichs
die Abmessungen des Impedanztransformators gegenüber der auftretenden Wellenlänge nicht
mehr als klein angesehen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator zur Impedanzanpassung
für Hochfrequenzanwendungen
in weitem Frequenzbereich zu schaffen, der in einfacher Weise in
einen Fertigungsprozess zu integrieren ist.
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Die
Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Leitungstransformator mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein
Leitungstransformator zur Impedanzanpassung bei Hochfrequenzanwendungen
ausgebildet. Der Leitungstransformator umfasst zumindest einen ersten
Hochfrequenzleitungsabschnitt und einen zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt.
Die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte sind in einfacher
Weise herstellbar, da sie als gedruckte Leitungen ausgeführt sind,
wie z. B. Microstrip-Leitungen oder Triplate-Leitungen. Die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte
weisen eine im wesentlichen identische Impedanz auf. Zumindest eine
der Streifenleitungen ist durch einen Ferritkörper zum Dämpfen von Mantelwellen geführt. Vorteile
ergeben sich dabei insbesondere aus der Verwendung von gedruckten
Leitungen, die in einfacher Weise während einer Produktion beispielsweise einer
gedruckten Schaltung eines HF-Verstärkers hergestellt
werden können.
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In
den Unteransprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leitungstransformators
dargestellt.
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Insbesondere
ist eine parallele Anordnung der Hochfrequenzleitungsabschnitte über eine
Mindestlänge
vorteilhaft. Durch eine parallele Anordnung der Hochfrequenzleitungsabschnitte
ergibt sich in einfacher Weise eine vergleichbare Leitungslänge entlang
der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte. Durch eine solche
identische Länge
der Hochfrequenzleitungsabschnitte lässt sich die Breitbandigkeit
des Leitungstransformators erhöhen.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, die Gesamtlänge
zwischen den Anschlusspunkten entlang jedes der Hochfrequenzleitungsabschnitte
identisch zu wählen.
Praktisch wird dies durch eine Einbeziehung der Leitungen zwischen
den Anschlussstellen und den parallelen Leitungsabschnitten außerhalb
des parallelen Abschnitts erreicht.
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Durch
eine Bedämpfung
von Mantelwellen durch den Ferritkörper entsteht in dem Ferritkörper eine
erhebliche Wärme.
Dies ist insbesondere bei Leistungsverstärkern problematisch, bei denen
Temperaturen innerhalb des Ferritkörpers entstehen könne, die
zur Zerstörung
des Leitungstransformators führen.
Die Abgabe der entstehenden Wärme
an die Umgebung kann verbessert werden, indem zusätzlich zu
dem Ferritkörper
ein mit dem Ferritkörper
in Verbindung stehender Kühlkörper vorgesehen
wird. Dieser Kühlkörper wird
in Anlage mit dem Ferritkörper
gebracht, der um einen optimalen Wärmeübergang zu erzielen und die
Verwendung einfacher Kühlkörper zu
ermöglichen,
erfindungsgemäß mit einer ebenen
Anlagefläche
versehen ist. An dieser ebenen Anlagefläche kann ein Standardkühlkörper angebracht
werden, der in an sich bekannter Technik z. B. mittels Federspangen
an der Leiterplatte fixiert werden kann.
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Eine
weitere Verbesserung ergibt sich durch die Verwendung eines gemeinsamen
Ferritkörpers, der
zumindest zwei der mehreren Hochfrequenzleitungsabschnitte umgibt
und die dort entstehenden Mantelwellen bedämpft. Der Ferritkörper dient
dabei nicht einer magnetischen Kopplung zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten
und ein preiswerter einfacher geometrischer Körper kann als Ferritkörper Verwendung
finden.
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Um
eine unerwünschte
Verkopplung der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte untereinander
zu verhindern, ist in dem Ferritkörper vorzugsweise für jeden
der Hochfrequenzleitungsabschnitte eine separate Durchführung vorgesehen.
Es entsteht somit ein Ferritkörper
mit einem oder mehreren tunnelähnlich
ausgebildeten Durchführungen,
die jeweils eine Hochfrequenzleitung umschließen.
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Um
die Fertigung weiter zu vereinfachen, ist es dabei vorteilhaft,
einen zweiteiligen Ferritkörper vorzusehen.
Der Ferritkörper
besteht aus einem Ferritkörperoberteil,
in das parallel zueinander Nuten eingearbeitet sind. Die zwischen
den Nuten bzw. seitlich der Nuten entstehenden Stege des Ferritkörperoberteils
greifen dabei durch Aussparungen, die in der Leiterplatte vorgesehen
sind. Auf der gegenüberliegenden
Seite der Leiterplatte wird der Ferritkörper durch eine Platte abgedeckt,
so dass ein um zumindest einen Teil der Hochfrequenzleitungsabschnitte geschlossener
Ferritkörper
entsteht.
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Der
erfindungsgemäße Leitungstransformator
kann dahingehend erweitert werden, dass eingangs- und/oder ausgangsseitig
zusätzlich
ein Symmetrieglied vorgesehen wird, welches in Streifenleitertechnik
ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet ist und mit dem Leitungstransformator
zusammen ein integriertes Bauteil bildet.
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Zum
Erzeugen eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses
durch den Leitungstransformator werden die einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte
eingangsseitig und ausgangsseitig in unterschiedlicher Weise miteinander
verschaltet. Dabei kann auf jeder Seite der Hochfrequenzleitungsabschnitte
eine Kombination aus mehreren parallel und/oder seriellen Verbindungen
vorgesehen werden. Es lassen sich Übersetzungsverhältnisse
realisieren, die einem Quotienten von Quadratzahlen entsprechen.
Mögliche Übersetzungsverhältnisse
sind daher 1:4, 1:9, 1:16, 4:9, 9:16 usw.
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In
Abhängigkeit
von den gewählten Übersetzungsverhältnissen
lassen sich Schaltungen realisieren, bei denen einer der Hochfrequenzleitungsabschnitte
Leitungselemente als Außenleiter
aufweist, die eingangs- und ausgangsseitig mit einem Massepotential
verbunden sind. In einem solchen Fall treten Mantelwellen aufgrund
des gemeinsamen Potenzials der beiden Enden des Hochfrequenzleitungsabschnitts
nicht auf. Auf ein Durchführen
dieses Hochfrequenzleitungsabschnitts durch den Ferritkörper kann
daher verzichtet werden. Infolgedessen kann der verwendete Ferritkörper klein
gewählt
werden, wodurch sich wiederum der Aufwand in der Fertigung ebenso
verringern lässt
wie die Kosten für
das Material.
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Um
in einfacher Weise die Impedanz der verwendeten Hochfrequenzleitungsabschnitte
einstellen zu können,
werden vorzugsweise Microstrip-Leitungen oder Stripline-Leitungen bzw. Triplate-Leitungen verwendet.
Damit lässt
sich die Impedanz der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte,
die untereinander identisch sind, durch eine geeignete Auswahl des Leiterplattenmaterials
sowie der Leitungsgeometrie bestimmen.
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Leitungstransformators
sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators;
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2 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Leitungstransformators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
und
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4 eine
Ansicht der zur Bildung des Leitungstransformators verwendeten Leiterplattenelemente.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1.
Der erfindungsgemäße Leitungstransformator 1 umfasst
einen ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 sowie einen
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3. Der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 besteht
aus einem ersten Leitungselement 4 und einem zweiten Leitungselement 5.
Die Breite des ersten und des zweiten Leitungselements 4, 5 ist
identisch und die beiden Leitungselemente 4, 5 sind
zueinander parallel angeordnet. Zwischen den beiden beabstandet zueinander
angeordneten Leitungselementen 4, 5 ist ein Mittelleiter 6 ausgebildet,
der lediglich zu Erläuterungszwecken
in der Zeichnung gegenüber
den Leitungselementen 4, 5 verlängert dargestellt
ist. Um die Leitungselemente 4 und 5 auf einem
identischen Potential zu halten, sind sie an einer oder mehreren Stellen
miteinander verbunden.
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Zur
Erläuterung
der Ausführungsbeispiele werden
ausschließlich
Stripline-Leitungen verwendet, wobei ebenfalls die Verwendung von
Microstrip-Leitungen denkbar ist. Weiterhin ist es möglich, anstelle
des symmetrischen Aufbaus der Stripline-Leitungen, wie er in der 1 dargestellt
ist, eine asymmetrische Anordnung des Mittelleiters 6 zwischen
den Leitungselementen 4, 5 vorzusehen. Wie es
später
unter Bezugnahme auf die 3 und 4 noch erläutert wird,
sind das erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 vorzugsweise
auf einer Ober- bzw. Unterseite einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet.
Ebenfalls auf der Ober- und Unterseite einer mehrlagigen Leiterplatte
sind ein drittes Leitungselement 7 und ein viertes Leitungselement 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 angeordnet. Der
zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 ist vergleichbar
mit dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 aufgebaut,
so dass der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 einen zweiten
Mittelleiter 9 aufweist, der in dem Abstand zwischen dem dritten
Leitungselement 7 und dem vierten Leitungselement 8 und
vorzugsweise bezüglich
seiner relativen Lage identisch angeordnet ist.
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Zum
Anschluss des erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1 ist
eine erste Anschlussstelle 10 sowie eine zweite Anschlussstelle 11 vorgesehen. Bei
dem gewählten
Ausführungsbeispiel
besteht die erste Anschlussstelle 10 aus einem ersten Anschlusskontakt 10a und
einem zweiten Anschlusskontakt 10b, der in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
mit einem Massepotential 15 verbunden ist. Ebenso ist die
zweite Anschlussstelle 11 durch einen ersten Anschlusspunkt 11a und
einem zweiten Anschlusspunkt 11b gebildet, wobei der zweite
Anschlusspunkt 11b der zweiten Anschlussstelle 11 wiederum
mit einem Massepotential 15 verbunden ist. Der dargestellte
Leitungstransformator 1 ist somit für eine Anordnung zwischen zwei
unsymmetrischen Signalen vorgesehen. Anstelle des unmittelbaren
Anschlusses an der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten
Anschlussstelle 11 kann jedoch auch jeweils oder an einer
Seite ein Symmetrieglied vorgesehen sein. Mit Hilfe eines solchen
Symmetrieglieds, das vorzugsweise in den Aufbau des Leitungstransformators 1 integriert
ist und somit eine bauliche Einheit mit diesem bildet, kann der
erfindungsgemäße Leitungstransformator 1 auch
zur Anwendung bei symmetrischen Signalen kommen.
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Bei
der weiteren Beschreibung wird die erste Anschlussstelle 10 als
Eingangsseite und die zweite Anschlussstelle 11 als Ausgangsseite
bezeichnet. Es ist offensichtlich, dass diese Unterscheidung lediglich zu
Zwecken der vereinfachten Darstellung getroffen wird und der dargestellte
Leitungstransformator 1 ebenfalls in umgekehrter Richtung
verwendet werden kann.
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Die
eingangsseitige Anschlussstelle 10 ist mit dem ersten Anschlusspunkt 10a sowohl
mit dem ersten Mittelleiter 6 als auch mit dem zweiten
Mittelleiter 9 verbunden. Hierzu ist eine schematisch dargestellte
Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschlusspunkt 10a und
einer ersten Verbindungsstelle 16 sowie einer zweiten Verbindungsstelle 17 vorgesehen.
Das erste bis vierte Leitungselement 4, 5, 7 und 8 sind über dritte
bis sechste Verbindungsstellen 18, 19, 20 und 21 mit
einem Massepotential 15 verbunden und bilden paarweise
jeweils die Außenleiter
der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3. Der erste
Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 sind
somit eingangsseitig parallel geschaltet. Ausgangsseitig ist der
erste Mittelleiter 6 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 über eine
siebte Verbindungsstelle 22 mit einer achten Verbindungsstelle 23 und
einer neunten Verbindungsstelle, die in der 1 verdeckt ist,
des dritten Leitungselements 7 und des vierten Leitungselements 8 verbunden.
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Das
erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 sind ausgangsseitig über eine
zehnte Verbindungsstelle 25 und eine elfte Verbindungsstelle 26 wiederum
mit dem Massepotential 15 verbunden. Der zweite Mittelleiter 9 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 ist dagegen über eine zwölfte Verbindungsstelle 27 mit
dem ersten Anschlusspunkt 11a der zweiten Anschlussstelle 11 verbunden.
Damit sind ausgangsseitig der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und
der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 seriell miteinander
verschaltet. Der in der 1 dargestellte Leitungstransformator 1 weist
daher aufgrund der einerseits parallelen und andererseits seriellen
Verschaltung der beiden Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 ein Übersetzungsverhältnis von 4 zu 1 auf.
Sind beispielsweise der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der
zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 in ihrer Geometrie
einschließlich
des gewählten
dielektrischen Materials so gewählt,
dass die Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 eine
Impedanz von jeweils 50 Ohm aufweisen, so ergibt sich eine Impedanzanpassung
von eingangsseitig 25 Ohm auf ausgangsseitig 100 Ohm.
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In
der 1 ist es dargestellt, dass sowohl der erste als
auch der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 2, 3 gemeinsam
durch einen Ferritkörper 12 umschlossen
sind. Der Ferritkörper 12 umgibt
den ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und den zweiten
Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 dabei nicht über ihre
jeweilige Gesamtlänge,
sondern nur über einen
Teil der Längsausdehnung.
Um in einfacher Weise den Ferritkörper 12 montieren
zu können,
besteht der Ferritkörper 12 aus
einem Ferritkörperoberteil 12a und
einer Ferritplatte 12b. Das Ferritkörperoberteil 12a und
die Ferritplatte 12b liegen an der in der 1 gestrichelt
dargestellten Kontaktebene 14 aneinander an. In das Ferritkörperoberteil 12a sind eine
erste Nut 45 und eine zweite Nut 46 eingebracht. Die
Nuten 45, 46 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
rechteckig ausgebildet und stimmen in ihrer Breite im Wesentlichen
mit der Breite des ersten bis vierten Leitungselements 4, 5, 7 und 8 überein.
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Die
Tiefe der Nuten 45, 46 ist so gewählt, dass
die Stripline-Leitungen des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und
des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 gerade vollständig innerhalb
der ersten Nut 45 und der zweiten Nut 46 angeordnet
sind. Auf diese Weise kann die Ferritplatte 12b als ebene
Platte ausgeführt
sein, die die zwischen und beidseits der Ausnehmungen 45, 46 in dem
Ferritkörperoberteil 12a ausgebildeten
Stege in einfacher Weise miteinander verbindet. Die Stege weisen
vorzugsweise ebene Anlageflächen
für die Ferritplatte 12b auf.
Ebenso ist die in der 1 nach oben orientierte Begrenzungsfläche des
Ferritkörperoberteils 12a als
ebene Anlagefläche 13 ausgebildet.
Es entsteht dabei eine im Wesentlichen rechteckige Anlagefläche 13,
an der beispielsweise eine korrespondierende Fläche eines Kühlkörpers angelegt werden kann.
Durch einen zusätzlich
angeordneten Kühlkörper wird
die wärmeabgebende
Oberfläche
signifikant erhöht,
so dass die Temperaturen innerhalb des Ferritkörpers 12 reduziert
werden. Selbst bei Verwendung des Leitungstransformators 1 in
einem Leistungsverstärker
können
somit die auftretenden Wärmemengen
in einfacher Weise an die Umgebungsluft abgeführt werden. Alternativ zum
Aufsetzen eines separaten Kühlkörpers könnte auch
die Oberfläche
des Ferritkörperoberteils 12a beispielsweise
vergrößert werden,
indem kühlrippenähnliche Geometrien
anstelle der ebenen Anlagefläche 13 ausgebildet
werden.
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Durch
den Ferritkörper 12 werden
entstehende Mantelwellen zwischen den äußeren Leitungselementen 4, 5, 7 und 8 der
Stripline-Leitungen gedämpft.
Eine solche Dämpfung
von Mantelwellen ist insbesondere dann erforderlich, wenn, wie dies
im Beispiel des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 der
Fall ist, die entgegengesetzten Enden der äußeren Leitungselemente 7, 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 nicht auf einem identischen
Massepotential 15 liegen. Eingangsseitig ist das dritte
Leitungselement 7 und das vierte Leitungselement 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem Massepotential 15 verbunden. Ausgangsseitig
ist dagegen an der achten Verbindungsstelle 23 sowie der
in der 1 nicht sichtbaren neunten Verbindungsstelle das
dritte Leitungselement 7 bzw. das vierte Leitungselement 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem ersten Mittelleiter 6 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 verbunden. Bei
einer solchen Anordnung, die auch als "floating ground" bezeichnet wird, können sich zwischen dem allgemeinen
Massepotential 15 und dem dritten Leitungselement 7 bzw.
dem vierten Leitungselement 8 sog. Mantelwellen ausbilden. Diese
werden durch einen das dritte Leitungselement 7 und das
vierte Leitungselement 8 umgebenden Ferritkörper 12 gedämpft, wodurch
es auch zur beschriebenen Wärmeentwicklung
in dem Ferritkörper 12 kommt.
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In
der 1 ist ein Leitungstransformator 1 dargestellt,
bei dem sowohl der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 als
auch der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 durch einen
gemeinsamen Ferritkörper 12 geführt sind.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist eine solche Anordnung für den
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 jedoch nicht erforderlich.
Die Ausbildung von Mantelwellen tritt in diesem Fall nicht auf,
da das erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 sowohl eingangsals
auch ausgangsseitig mit dem Massepotential 15 verbunden
sind. Eine Anordnung wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
hat jedoch Vorteile bezüglich
der Verwendung von Gleichteilen, weil ein solcher Ferritkörper 12 sowohl
für das
in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel als auch ein
weiteres, später
unter Bezugnahme auf die 2 erläutertes Ausführungsbeispiel
verwendet werden kann.
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Der
erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 sind zumindest
auf einer Mindestlänge
parallel zueinander angeordnet. Ihre Längenausdehnung ist dabei gleich.
Die Mindestlänge
ergibt sich aus dem Frequenzbereich in dem der Leitungstransformator
eingesetzt wird. Anders als dies in der schematischen Darstellung
der 1 gezeigt ist, sind insbesondere auch der erste
Mittelleiter 6 und der zweite Mittelleiter 9 gleich
lang wie die die Mittelleiter 6, 9 umgebenden Leitungselemente 4, 5, 7 und 8.
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Der
vorgeschlagene Leitungstransformator 1 ist für den Einsatz
bei Hochfrequenzanwendungen, insbesondere Mikrowellenanwendungen,
vorgesehen. Der Ferritkörper 12 beeinflusst
dabei insbesondere das Verhalten des Leitungstransformators 1 zu niedrigen
Frequenzen hin positiv und vergrößert damit
die Bandbreite.
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In
der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1' dargestellt,
bei dem ein dritter Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 zusätzlich vorhanden
ist. Gleichzeitig ist die Beschaltung des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und
des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 geändert. Wie
schon in dem ersten Ausführungsbeispiel
der 1 sind lediglich der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und
der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 durch den Ferritkörper 12 teilweise
umschlossen.
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Der
gezeigte Leitungstransformator 1' weist ein Übersetzungsverhältnis von 9 zu 4 auf.
Um dieses Übersetzungsverhältnis zu
erreichen, ist der erste Anschlusspunkt 10a der ersten
Anschlussstelle 10 an der ersten Verbindungsstelle 16' mit dem ersten Mittelleiter 6 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 verbunden. Die
zweite Verbindungsstelle 17' des
zweiten Mittelleiters 9 ist dagegen mit der dritten Verbindungsstelle 18' und der vierten
Verbindungsstelle 19' des
ersten Leitungselements 4 und des zweiten Leitungselements 5 verbunden.
Zudem ist die zweite Verbindungsstelle 17' mit einer dreizehnten Verbindungsstelle 30 eines
dritten Mittelleiters 33 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 verbunden.
Damit sind der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und
der dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 eingangsseitig
parallel zueinander geschaltet. Die Parallelschaltung aus dem zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und
dem dritten Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 ist seriell
zu dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 geschaltet. Eingangsseitig
sind das dritte Leitungselement 7 und das vierte Leitungselement 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 gemeinsam mit
dem Massepotential 15 über
die fünfte
und sechste Verbindungsstelle 20' und 21' verbunden. Ebenfalls eingangsseitig
mit dem Massepotential 15 verbunden sind ein fünftes Leitungselement 31 und
ein sechstes Leitungselement 32 über eine vierzehnte bzw. fünfzehnte
Verbindungsstelle 34, 35.
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Zur
einfacheren Darstellung ist wiederum die erste Anschlussstelle 10 als
eingangsseitige Anschlussstelle bezeichnet. Dementsprechend ist
die Seite der zweiten Anschlussstelle 11 als Ausgangsseite
bezeichnet. Auf der Ausgangsseite sind der erste Mittelleiter 6 und
der zweite Mittelleiter 9 über die siebte Verbindungsstelle 22' bzw. die zwölfte Verbindungsstelle 27' gemeinsam mit
dem ersten Anschlusspunkt 11a der zweiten Anschlussstelle 11 verbunden.
Der dritte Mittelleiter 33 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 ist
dagegen ausgangsseitig mit dem dritten und vierten Leitungselement 7 bzw. 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 verbunden. Hierzu
sind die achte Verbindungsstelle bzw. die neunte Verbindungsstelle 23' bzw. 24' mit einer sechzehnten
Verbindungsstelle 28 an dem dritten Mittelleiter 33 des
dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 eingangsseitig
verbunden.
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Das
fünfte
und sechste Leitungselement 31, 32 sind ausgangsseitig über eine
siebzehnte bzw. achtzehnte Verbindungsstelle 36 bzw. 37 mit
dem Massepotential 15 verbunden. Damit ist der Außenleiter
bestehend aus dem fünften
und sechsten Leitungselement 31, 32 des dritten
Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 eingangs- und ausgangsseitig
mit dem Massepotential 15 verbunden.
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Auf
diese Weise ergibt sich ausgangsseitig eine serielle Anordnung des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem dritten
Hochfrequenzleitungsabschnitt 29, wobei diese serielle
Verschaltung der beiden Hochfrequenzleitungsabschnitte 3 und 29 parallel
zu dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 angeordnet
ist.
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Wählt man
beispielsweise als Leitungsimpedanz der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 eine
Impedanz von 33 Ohm, so ergibt sich bei der in der 2 dargestellten Übersetzung
von 9:4 eine eingangsseitige Anschlussimpedanz von 50 Ohm und eine
ausgangsseitige Anschlussimpedanz von 22,2 Ohm.
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Wie
es bereits bei den Ausführungen
zur 1 erläutert
wurde, ist der Ferritkörper 12,
der in beiden Ausführungsbeispielen
zum Einsatz kommt, identisch. Bei dem in der 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
eines Leitungstransformators 1' sind die Leitungselemente 4 und 5 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und die Leitungselemente 7 und 8 des
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 jeweils nur einseitig
mit dem Massepotential 15 verbunden. Beide Hochfrequenzleitungsabschnitte 2 und 3 weisen
folglich einen sog. "floating
ground" auf, so
dass in beiden Fällen
die Mantelwellen gedämpft werden
müssen.
Dies erfolgt in bereits erläuterter
Art und Weise durch den Ferritkörper 12,
der in seinem Aufbau dem aus der 1 bereits
bekannten Ferritkörper 12 entspricht.
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Im
Gegensatz dazu ist bei dem dritten Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 das
fünfte
Leitungselement 31 und das sechste Leitungselement 32 sowohl an
seinem eingangseitigen Ende als auch an seinem ausgangsseitigen
Ende über
die Verbindungsstellen 34 – 37 jeweils mit dem
Massepotential 15 verbunden. Dadurch können sich zwischen dem fünften und sechsten
Leitungselement 31 und 32 mit einem weiteren Bezugsmassepotential
keine Mantelwellen ausbilden und eine Bedämpfung ist nicht erforderlich. Der
dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 kann daher außerhalb
des Ferritkörpers 12 angeordnet sein.
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In
gleicher Weise, wie es in den 1 und 2 für einen
Leitungstransformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 4 zu 1 bzw. 9 zu 4 dargestellt
ist, können
auch andere Übersetzungsverhältnisse
mit einem entsprechend aufgebauten Leitungstransformator ausgebildet
werden. Das gewünschte Übersetzungsverhältnis wird
dabei durch eine geänderte
Kombination von Parallel- und Serienschaltungen mehrerer Hochfrequenzleitungsabschnitte
erreicht, wobei die jeweiligen Kombinationen der Parallel- und Serienschaltungen
sich eingangs- und ausgangsseitig voneinander unterscheiden. Damit
können Übersetzungsverhältnisse
eingestellt werden, die einem Quotienten von Quadratzahlen entsprechen.
Das Übersetzungsverhältnis ist
dabei unabhängig
von der gewählten
Leitungslänge.
Die Leitungslänge
muss jedoch eine gewisses Mindestlänge überschreiten, wobei ein exakt
Vielfaches einer bestimmten Wellenlänge λ nicht erforderlich ist. Die mögliche Bandbreite
des Leitungstransformators 1, 1' beträgt dabei mehr als zwei Oktaven.
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Zum
besseren Verständnis
ist bezüglich
des Leitungstransformators 1',
wie er in der 2 in einer schematischen Darstellung
gezeigt ist, noch einmal eine perspektivische Ansicht eines aufgebauten
Leitungstransformators in der 3 gezeigt.
In der 3 ist der erfindungsgemäße Leitungstransformator 1' auf einer dreilagigen
Leiterplatte aufgebaut. In der perspektivischen Darstellung ist
ein erstes Leiterplattenelement 38 gut erkennbar, auf dem
das erste Leitungselement 4, das dritte Leitungselement 7 sowie
das fünfte
Leitungselement 31 als Metallbahnen aufgebracht sind. Der
Abstand zu den darunterliegend angeordneten Mittelleitern 6, 9 und 23 wird durch
die Dicke des ersten Leiterplattenelements 38 bestimmt.
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Ein
Teil der gesamten Längenausdehnung des
ersten und dritten Leitungselements 4 und 7 wird durch
das Ferritkörperoberteil 12a verdeckt.
Auf der von dem ersten Leiterplattenelement 38 abgewandten
Seite des Ferritkörperoberteils 12a ist
die ebene Anlagefläche 13 ausgebildet,
wobei aus Gründen
der Übersichtlichkeit
eine zusätzliche
Darstellung eines dort vorgesehenen Kühlkörpers verzichtet wird. Die Weglängen der
einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 zwischen
der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten Anschlussstelle 11 sind identisch.
Wie es in der 3 gut zu erkennen ist, wird
dies am einfachsten dadurch erreicht, dass auf der Eingangsseite
der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 geradlinig aus
dem Ferritkörper 12 herausgeführt wird,
wohingegen auf der Ausgangsseite der Verlauf des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 geradlinig
ist. Die größere Länge, die
der zweite und dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und 29 gegenüber dem
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 eingangsseitig ausweisen,
wird dabei durch die geringere Länge
ausgangsseitig gerade wieder ausgeglichen. Durch eine solche identische Ausbildung
der Längen
zwischen der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten
Anschlussstelle 11 sämtlicher
beteiligter Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 ergeben
sich zwischen den einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitten 2, 3 und 29 keine Laufzeitunterschiede.
Solche Laufzeitunterschiede gilt es insbesondere zu vermeiden, um
eine Anwendung in Richtung höherer
Frequenzen zu ermöglichen.
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An
der ersten Anschlussstelle 10 ist in dem in der 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
eine Buchse 40 vorgesehen, mit der der Leitungstransformator 1' an eine vorhandene
Schaltung angeschlossen werden kann. Ebenso ist auf der Seite der
zweiten Anschlussstelle 11 eine beispielsweise gleich ausgeführte, nicht
dargestellte Buchse vorgesehen. Selbstverständlich ist ein solcher Anschluss
des Leitungstransformator 1' mit
Buchsen lediglich eine Möglichkeit
der Kontaktierung. Idealerweise wird der Leitungstransformator 1' bei der Produktion
z. B. eines Leistungsverstärkers
in die Herstellung der Leiterplatte des Verstärkers selbst integriert.
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In
der 3 ist es zu erkennen, dass zu beiden Seiten des
Ferritkörpers 12 an
dem ersten Leitungselement 4 bzw. dem dritten Leitungselement 7 des
ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und des zweiten
Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 Lötstellen 50 ausgebildet
sind. Diese Lötstellen 50 verbinden
das erste Leitungselement 4 mit dem in der 3 nicht
sichtbaren zweiten Leitungselement 5 bzw. das dritte Leitungselement 7 mit
dem in der 3 ebenfalls nicht sichtbaren
vierten Leitungselement 8. Durch die Verbindung der jeweils
als Außenleiter
der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 fungierenden
Leitungselemente 4, 5 und 7, 8 außerhalb des
Ferritkörpers 12 wird
erreicht, dass die außerhalb des
Ferritkörpers 12 geführten Leitungselemente 4, 5 und 7, 8 bis
hin zu den Anschlussstellen 10, 11 auf jeweils
identischem Potential liegen. Damit kann sich eine Mantelwelle nur
in dem dazwischen liegenden parallelen Bereich ausbilden, auf dem
sich eine Potentialänderung über der
Länge der
Außenleiter
ergibt. Durch eine entsprechende Verbindung des ersten mit dem zweiten
Leitungselement 4, 5 und des dritten mit dem vierten
Leitungselement 7, 8 unmittelbar im Anschluss
an den Ferritkörper 12 bleibt
daher eine Mantelwelle auf die Längsausdehnung
des Ferritkörpers 12 beschränkt und
wird dementsprechend gedämpft.
In dem Bereich innerhalb des Ferritkörpers 12 sind zumindest
die durchgeführten
Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 parallel zueinander
angeordnet.
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In
der 4 sind zu dem Leitungstransformator 1' der 3 die
einzelnen auf dem ersten Leiterplattenelement 38 und einem
zweiten Leiterplattenelement 39 angeordneten Leiterbahnen
dargestellt. Jeweils ein erstes Leiterplattenelement 38 bildet
die Außenlage
und das zweite Leiterplattenelement 39 bildet die Innenlage
des Leitungstransformators 1'.
Dabei ist es zu erkennen, dass die in der schematischen Darstellung
der 2 gewählten
Verbindungsstellen 22' und 27' sich in einfacher
Weise auf dem zweiten Leiterplattenelement 39 durch eine Zusammenführung der
entsprechenden Leiterbahnen realisieren lassen. Dementsprechend
ist eingangsseitig auch eine Verbindung zwischen der zweiten Verbindungsstelle 17' und der dreizehnten Verbindungsstelle 30' durch ein Zusammenführen der
Ausläufer
des zweiten Mittelleiters 9 und des dritten Mittelleiters 33 realisiert.
In entsprechender Weise ist die zehnte Verbindungsstelle 10' sowie die siebzehnte
Verbindungsstelle 36 auf dem ersten Leiterplattenelement 38 bzw.
die fünfte
Verbindungsstelle 20' und
die vierzehnte Verbindungsstelle 34 auf der Eingangsseite
des ersten Leiterplattenelements 38 ausgebildet.
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Sowohl
in dem zweiten Leiterplattenelement 39 als auch dem ersten
Leiterplattenelement 38 ist eine erste Ausnehmung 42,
eine zweite Ausnehmung 43 und eine dritte Ausnehmung 44 vorgesehen.
Die Ausnehmungen 42 – 44 sind
so angeordnet, dass sie bei Übereinanderlegen
des ersten Leiterplattenelements 38 und des zweiten Leiterplattenelements 39 übereinstimmend
positioniert sind. Durch die Ausnehmungen 42 – 44 werden
der zwischen den Nuten 45, 46 des Ferritkörperoberteils 12a ausgebildete
Steg bzw. die auf den Außenseiten
ausgebildeten Stege hindurchgeführt
und, wie es bereits vorstehend bei den Ausführungen zu 1 und 2 erläutert wurde,
auf der gegenüberliegenden
Seite durch eine Ferritplatte 12b miteinander verbunden.
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Wie
es in der 4 bei der Darstellung des ersten
Leiterplattenelements 38 und des zweiten Leitungselements 39 zu
erkennen ist, ist die Breite der mittleren Ausnehmung 43 gegenüber der
Breite der ersten Ausnehmung 42 und der zweiten Ausnehmung 44 vergrößert. Dadurch
wird der Anordnung des zwischen den Nuten 45, 46 des
Ferritkörperoberteils 12a ausgebildeten
breiteren Stegs zwischen dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und dem
zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 Rechnung getragen.
Hier erfolgt sowohl eine Dämpfung der
Mantelwelle des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 als
auch der Mantelwelle des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 und
die beidseitige Eindringtiefe wird berücksichtigt.
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Sofern
die Ausdehnung des Ferritkörpers 12 und
damit der Ausnehmungen 42 – 44 in Übertragungsrichtung
groß genug ist,
können
die Geometrien des ersten bis dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2, 3 und 29 an
Standardferrite angepasst werden. Dies erlaubt beispielsweise den
kostengünstigen
Einsatz von Standardferriten, wie sie bei der Herstellung von Schaltnetzteilen
Verwendung finden. Sofern die durch den Ferritkörper 12 durchgeführte Länge der
beteiligten Hochfrequenzleitungsabschnitte 2 und 3 groß genug
ist, kann außerhalb
des Ferritkörpers 12 die
Geometrie der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 so
gewählt
werden, dass sich eine identische Laufzeit zwischen der eingangsseitigen
ersten und der ausgangsseitigen zweiten Anschlussstelle 10 bzw. 11 ergibt.
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Bei
dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein drittes, in der 4 nicht separat dargestelltes
Leiterplattenelement vorgesehen, welches in seiner Geometrie dem
ersten Leiterplattenelement 38, wie es in der 4 dargestellt
ist, entspricht. Anstelle der Verwendung des dritten Leiterplattenelements
kann auch das zweite Leiterplattenelement 39 auf der Rückseite
mit den entsprechenden Leiterbahnen für die Leitungselemente 5, 8 und 32 versehen
sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere
sind Kombinationen der einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele
denkbar. Darüberhinaus
können durch
das Vorsehen weiterer Hochfrequenzleitungsabschnitte bzw. von Symmetriegliedern
der Anwendungsbereich der dargestellten Leitungstransformatoren 1, 1' erweitert werden.