DE19956555A1 - Hochfrequenzspule sowie diesbezüglicher Transformator - Google Patents

Abstract

Die Hochfrequenzspule ist auf einer Platine (P1) bzw. Leiterplatte angeordnet und weist Anschlüsse (A, B) auf, die als Leiterbahn (L) ausgeführt sind. Die Induktivität der Hochfrequenzspule wird hierbei aus Leiterbahnsegmenten gebildet, die Halbwindungen (W1-W8) darstellen und auf beiden Seiten der Platine (P1) angeordnet sind und durch Durchkontaktierungen (D1-D8) untereinander sowie mit den Anschlüssen (A, B) verbunden sind. Die Halbwindungen sind hierbei berührungsfrei gegeneinander versetzt auf der Ober- und Unterseite der Platine angeordnet und bilden hierdurch gewissermaßen eine Wicklung, wobei deren Windungen eine Querschnittsfläche aufweisen, die in etwa durch die Dicke der Platine und den Abstand zwischen den Durchkontaktierungen bestimmt ist. Sie weist eine relativ geringe Leiterbahnlänge bei Frequenzen von etwa einem Gigaherz auf, so daß die ohmschen Verluste gering sind. Zudem sind die parasitären Kapazitäten gering, so daß die Hochfrequenzspule gute elektrische Eigenschaften aufweist. Dieses Prinzip kann auch für einen Hochfrequenztransformator verwendet werden, der entsprechende Wicklungen aufweist, die jeweils in Form einer Spule auf der Platine ausgeführt sind. DOLLAR A Anwendungen der Erfindung ergeben sich insbesondere für breitbandige Übertrager wie beispielsweise Diodenringmischer oder Antenneneingangsübertrager, die sowohl zur Widerstandstransformation und/oder zur Symmetrierung verwendet werden können, oder für Oszillatorschaltungen mit LC-Resonanzkreisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule mit Anschlüssen, die als Leiterbahn auf einer Platine ausgeführt sind, sowie einen Transformator mit Wicklungen, die entsprechend der erfindungsgemäßen Spule ausgeführt sind. Bauteile dieser Art werden beispielsweise in Satellitenreceivern und entsprechenden Empfängerschaltungen von Fernsehgeräten sowie in Settopboxen verwendet und betreffen insbesondere den Frequenzbereich von etwa einem oder über einem Gigaherz.

In Empfängerschaltungen für diesen Frequenzbereich sind Luftspulen nicht mehr verwendbar und es werden üblicherweise Induktivitäten in Form verschiedener Leiterbahnanordnungen auf Leiterplattenmaterial verwendet. Beispielsweise kann eine Spule als spiralförmige Leiterbahn angeordnet werden, wobei die innere Leiterbahn entweder mittels einer Durchkontaktierung oder über die Spirale mit einer Isolierschicht als Trennlage wieder nach außen weggeführt werden kann.

Eine weitere bekannte Ausführungsform einer Spule ist die Anordnung einer Leiterbahn als Mäander auf einer Platine. Die Anordnung einer Spule als Mäander ergibt jedoch nur vergleichsweise geringe Induktivitäten, die Spiralenspule hingegen weist als Nachteil hohe parasitäre Kapazitäten auf. Solche Streukapazitäten transformieren sich zwangsläufig in die Anwendungschaltung, sie limitieren beispielsweise den Gesamtabstimmbereich bei einer Empfängerschaltung oder bei einem abgestimmten Verstärker bzw. die nutzbare Bandbreite bei einer Anwendung als Transformator. Dieses Verhalten ist konträr zu dem Wunsch der Dimensionierung nicht abgleichbarer Schaltungen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Hochfrequenzspule der eingangs genannten Art anzugeben, die gute elektrische Eigenschaften aufweist und kostengünstig herstellbar ist sowie einen diesbezüglichen Transformator.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale für die Hochfrequenzspule sowie durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale für den Hochfrequenztransformator gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Hochfrequenzspule nach der Erfindung ist auf einer Platine bzw. Leiterplatte angeordnet und weist Anschlüsse auf, die als Leiterbahn ausgeführt sind. Die Induktivität der Hochfrequenzspule wird hierbei aus Leiterbahnsegmenten gebildet, die Halbwindungen darstellen und auf beiden Seiten der Platine angeordnet sind und durch Durchkontaktierungen untereinander sowie mit den Anschlüssen verbunden sind. Die Halbwindungen sind hierbei berührungsfrei gegeneinander versetzt auf der Ober- und der Unterseite der Platine angeordnet und bilden hierdurch gewissermaßen eine Wicklung, wobei deren Windungen eine Querschnittsfläche aufweisen, die in etwa durch die Dicke der Platine und den Abstand zwischen den Durchkontaktierungen bestimmt ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Halbwindungen der Hochfrequenzspule jeweils in etwa gleich lang und parallel gegeneinander versetzt auf beiden Seiten der Platine angeordnet. Hierdurch ergibt sich jeweils eine gerade Linie für die Anordnung der Durchkontaktierungen, so daß die Spule eine definierte Querschnittsfläche aufweist. Hierdurch sind Ausführungsformen der Spule mit einer Windung bis zu beliebig vielen Windungen herstellbar.

Da die Hochfrequenzspule relativ viele Durchkontaktierungen aufweist, ist eine theoretische Bestimmung ihres Induktivitätswerts mit hoher Genauigkeit schwierig. In der Praxis kann jedoch eine Hochfrequenzspule mit der gewünschten Induktivität über eine Versuchsreihe ermittelt werden. Sie weist eine relativ geringe Leiterbahnlänge bei Frequenzen von einem Gigaherz auf, so daß die ohmschen Verluste gering sind. Zudem sind die parasitären Kapazitäten gering, so daß die Hochfrequenzspule gute elektrische Eigenschaften aufweist.

Dieses Prinzip für den Aufbau der Hochfrequenzspule kann auch für einen Hochfrequenztransformator verwendet werden, der entsprechende Wicklungen aufweist, die jeweils in Form einer Spule auf der Platine ausgeführt sind. Eine günstige Ausführungsform ist hierbei ein Hochfrequenztransformator mit zwei Wicklungen, wie er beispielsweise häufig als Übertrager verwendet wird, bei dem die Halbwindungen der Wicklungen jeweils alternierend in etwa parallel zueinander angeordnet sind. Durch eine entsprechende Zahl von Windungen läßt sich der Kopplungsfaktor einstellen.

Die Hochfrequenzspule sowie der Hochfrequenztransformator können nach diesem Prinzip auch in einer integrierten Schaltung angeordnet werden, wobei als Platine eine entsprechende Isolierschicht dient. Die Halbwicklungen sowie die Isolierschicht können hierbei in nacheinander erfolgenden Schritten jeweils auf dem Substrat aufgebracht werden mit entsprechenden Vertikalverbindungen zwischen den Halbwindungen.

Anwendungen der Erfindung ergeben sich insbesondere für breitbandige Übertrager wie beispielsweise Diodenringmischer oder Antenneneingangsübertrager, die sowohl zur Widerstandstransformation und/oder zur Symmetrierung verwendet werden können, oder für Oszillatorschaltungen mit LC-Resonanzkreisen. Sie läßt sich insbesondere in einem Frequenzbereich von etwa 1 GHz bis 2 GHz (700 MHz-3 GHz) einsetzen, in dem Luftspulen problematisch sind und Leiterbahnen mit einem definierten Wellenwiderstand noch nicht erforderlich sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft an Hand von schematischen Darstellungen sowie Schaltbildern näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Hochfrequenzspule mit zwei Anschlüssen,

Fig. 2 einen Hochfrequenztransformator mit Leiterbahnen, die zwei Wicklungen entsprechen,

Fig. 3a ein Ersatzschaltbild für eine Spule, mit vier Windungen,

Fig. 3b das resultierende Schaltbild für das Ersatzschaltbild der Fig. 3a,

Fig. 4a eine Oszillatorschaltung mit einer Spule und

Fig. 4b das resultierende Ersatzschaltbild für die Schaltung nach der Fig. 4a.

Die Spule nach der Fig. 1 weist zwei Anschlüsse A und B auf, die auf der Oberseite einer Platine P1 bzw. Leiterplatte ausgeführt sind. Die Leiterbahnen L sind hierbei nach üblichen Verfahren, wie beispielsweise ätztechnischen Verfahren, hergestellt. Die Anschlüsse A und B sind durch Windungen zur Erzeugung einer Induktivität miteinander verbunden, die als Halbwindungen W1, W3, W5, W7 auf der Oberseite der Platine P sowie als Halbwindungen W2, W4, W6, W8 auf der Unterseite angeordnet sind. Die Halbwindungen W1 -W8 sind hierbei mittels Durchkontaktierungen D1-D7 miteinander verbunden sowie über die Durchkontaktierung D8 mit dem Anschluß B. Durch eine entsprechende Anzahl von Windungen sowie durch Geometriefaktoren kann die Induktivität der Spule in einem weiten Bereich vorgegeben werden. Der Anschluß B der Spule, der Ausgang, kann hierbei auch auf der Unterseite der Platine angeordnet sein, so daß die Spule eine halbzahlige Anzahl von Windungen aufweist und der Anschluß in die entgegengesetzte Richtung wegführt ist.

Die Halbwindungen W1, W3, W5, W7 sowie W2, W4, W6, W8 sind jeweils parallel nebeneinander angeordnet, so daß sich ein sehr kompakter Aufbau ergibt. Sie sind hierbei insbesondere jeweils gleichlang, so daß die Durchkontaktierungen D1-D4 sowie D5-D8 jeweils auf einer geraden Linie liegen.

Hierdurch ist die Streuinduktivität vergleichsweise niedrig und es ergibt sich ein einheitlicher Spulenquerschnitt für die Windungen, der näherungsweise beschrieben wird durch die Platinenstärke sowie dem Abstand zwischen den Durchkontaktierungsreihen. Durch diese Layout-Struktur werden außerdem die parasitären Kapazitäten minimiert, wie nachfolgend anhand der Fig. 3a und 3b ausgeführt, und gleichzeitig hohe Induktivitätswerte erreicht.

Durch die Verschachtelung zweier Spulen nach der Erfindung läßt sich ein Transformator realisieren, wie in der Fig. 2 dargestellt. Die Eingangswicklung des Transformators mit den Anschlüssen A und B weist hierbei Halbwicklungen W10-W17 auf, die beidseitig auf der Platine P2 angeordnet sind und über Durchkontaktierungen D10-D17 miteinander verbunden sind. Die ausgangsseitige Wicklung weist Anschlüsse C, D und E auf sowie entsprechende Halbwindungen W18-W25 und Durchkontaktierungen D18-D25. Die Halbwindungen W10-W17 sowie W18-W25 sind hierbei jeweils alternierend auf der Oberseite sowie der Unterseite der Platine P2 angeordnet für eine möglichst gute Kopplung zwischen den Wicklungen. Die Ausgangswicklung weist eine Mittenanzapfung D auf zur Symmetrierung der Ausgangsspannung. Die Halbwindungen W10- W25 weisen hierbei ebenfalls jeweils eine gleiche Länge auf, so daß sich ein definierter Querschnitt für die beiden Wicklungen ergibt.

In der Fig. 3a ist ein Ersatzschaltbild für eine Spule mit vier Windungen W1-W4 und Anschlüssen A und B entsprechend der Spule der Fig. 1 dargestellt. Die Induktivitäten Lw1- Lw4 der Windungen W1-W4 liegen hierbei zusammen mit dem Widerstand RD für die ohmschen Verluste in Serie zwischen den beiden Anschlüssen A und B. Die Windungen W1-W4 setzen sich jeweils aus zwei Halbwindungen zusammen, wie anhand der Fig. 1 erläutert.

Als Streukapazitäten treten hierbei im wesentlichen nur die Kapazitäten Cw1-Cw4 zwischen jeweils benachbarten Windungen W1-W4 sowie zu den Anschlüssen A und B auf. Die Streukapazitäten Cw1-Cw4 überbrücken hierbei jeweils die einzelnen Induktivitäten und liegen daher in Serie, parallel zu den Induktivitäten Lw1-Lw4. Streukapazitäten zwischen weiter entfernt liegenden Windungen sind erheblich kleiner, da nur jeweils benachbarte Windungen auf der Platine nebeneinander liegen und die übernächste Windung durch die dazwischen liegende Windung abgeschirmt ist. Sie können deshalb vernachlässigt werden. Außerdem tritt noch eine Streukapazität Cab auf zwischen den beiden Anschlüssen A und B. Diese ist aber ebenfalls verhältnismäßig klein, da die beiden Anschlüsse A und B relativ weit auseinander liegen.

Nach dem Ersatzschaltbild ergibt sich hierdurch eine Induktivität L', die durch die Serienschaltung die Summe der Einzelinduktivitäten ist: L' = 4 × Lw. Für die Streukapazitäten Cw1-Cw4 ergibt sich jedoch durch die Serienschaltung eine Reduktion der Gesamtkapazität Cp, die in etwa nur ein Viertel einer Streukapazität Cw beträgt: Cp ≅ Cw/4. Hierdurch ergibt sich das Ersatzschaltbild nach der Fig. 3b mit einem hohen Induktivitätswert L' und einem vergleichsweise niedrigen Streukapazitätswert Cp parallel zu L'.

In der Fig. 4a ist vereinfacht eine Anwendung für eine Oszillatorschaltung dargestellt, die einen Oszillator-IC IC1 sowie einen externen LC-Resonanzkreis in Parallelschaltung mit einem Kondensator C sowie zwei Spulen L1 und L2 aufweist. Der Kondensator C sowie die Spulen L1, L2 weisen hierbei die Blindwiderstände -Xc sowie +X1 mit Streukapazitäten Cp1 and Cp2 auf, wie anhand der Fig. 3a und 3b erläutert. Die Spulen L1 und L2 können hierbei als eine einzige Spule auf einer Platine mit einem Mittenabgriff angeordnet werden, wie schon die Ausgangswicklung des Transformators der Fig. 2 mit den Anschlüssen C, D und E ausgeführt ist. In diesem Ausführungsbeispiel bestehen sie jeweils nur aus einer Windung, so daß die Streukapazitäten Cp1 und Cp2 jeweils gleich sind. Da die Streukapazitäten hier ebenfalls in Serie liegen, parallel zu den beiden Spulen L1 und L2, reduziert sich ihre Gesamtkapazität ebenfalls entsprechend und beträgt in diesem Ausführungsbeispiel Cp/2.

Hierdurch ergibt sich für die Schaltung der Fig. 4a das Ersatzschaltbild wie in der Fig. 4b dargestellt. Die Gesamtstreukapazität Cp/2 liegt hierbei parallel zu der Kapazität C sowie zu der Induktivität L und die Oszillationsfrequenz fo des Oszillators ergibt sich hierdurch aus der Formel fo = 1/(2π√((C + Cp/2) × L))).

Claims (8)

1. Hochfrequenzspule mit Anschlüssen (A, B), die als Leiterbahn (L) auf einer Platine (P) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mindestens eine Windung enthält, die eine Halbwindung (W1-W8) jeweils auf jeder Platinenseite sowie zwei Durchkontaktierungen (D1-D8) aufweist.

2. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwindungen (W1-W8) auf der jeweiligen Platinenseite in etwa parallel angeordnet sind.

3. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen (D1-D8) in zwei Reihen jeweils in Form einer geraden Linie (D1­ -D4, D5-D8) angeordnet sind.

4. Hochfrequenzspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbwindungen (W1-W8) auf der Oberseite und der Unterseite der Platine (P1) jeweils gleiche Winkel untereinander aufweisen und hierdurch gleichlang sind.

5. Hochfrequenzspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer integrierten Schaltung angeordnet ist mit einer entsprechenden Isolierschicht als Platine und entsprechenden Vertikalverbindungen als Durchkontaktierungen.

6. Hochfrequenztransformator mit mindestens zwei Wicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklung (A-B; C-E) in Form einer Spule nach einem der vorangehenden Ansprüche angeordnet ist.

7. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (W10-W17, W18-­ W25) der Wicklungen (A-B, C-E) in etwa parallel liegen und jeweils alternierend nebeneinander angeordnet sind.

8. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Wicklungen (A-B, C-E) aufweist mit Leiterbahnen (L) jeweils gleicher Breite.