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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einem schaltbaren planaren Transformator für eine Verstärkeranordnung. Die Erfindung bezieht sich zudem auf eine Verstärkeranordnung umfassend ein Verstärkerbauteil und den schaltbaren planaren Transformator mit Balun-Funktionalität.
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Hintergrund der Erfindung
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Hochfrequenzverstärker sollen über 80% Wirkungsgrad bei einer relativen Bandbreite von ±5% bezogen auf ihre nominale Arbeitsfrequenz (Nennfrequenz) aufweisen. Die Bauteile wie Kondensatoren, Induktivitäten, Transformator usw. werden in der Regel in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung des Verstärkers in speziellen Schaltungslayouts realisiert, um eine Impedanzanpassung zu gewährleisten, die den angestrebten Wirkungsgrad und die angestrebte Ausgangsleistung ermöglichen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator bzw. Transformator mit Balun-Funktionalität zur Verfügung zu stellen, der eine vereinfachte und kostengünstige Impedanzanpassung insbesondere in Abhängigkeit von der nominellen Ausgangsleistung einer Verstärkeranordnung ermöglicht.
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Gemäß eines ersten Aspektes der Erfindung wird ein schaltbarer planarer Transformator zur Verfügung gestellt. Der schaltbare planare Transformator ist eingerichtet, an einen Ausgang eines Verstärkerbauteils (z.B. Transistor) für eine Verstärkeranordnung gekoppelt zu werden. Die Verstärkeranordnung weist dabei eine nominale Arbeitsfrequenz zwischen 1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 85 MHz und eine Ausgangsleistung von mindestens 100 W, bevorzugt von mindestens 200 W, noch mehr bevorzugt von mindestens 250 W auf. Der schaltbare planare Transformator weist zudem eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf. Die Primärwicklung ist dabei eingerichtet, um an den Ausgang des Verstärkerbauteils gekoppelt bzw. mit diesem elektrisch verbunden zu werden. Die Sekundärwicklung weist einen Hochfrequenzausgang auf. Die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung ist so angeordnet, dass in verschiedenen Schaltzuständen verschiedene Windungsverhältnisse mittels der Primärwicklung oder der Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt werden können.
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Wird bei Verstärkeranordnungen in verschiedenen Nennleistungen der gleiche Typ von Verstärkerbauteil (Leistungstransistor) bei gleicher, oder nur leicht variierter Versorgungsspannung verwendet, muss zum Beispiel dieser Leistungstransistor niederohmiger belastet werden, um mehr Leistung liefern zu können. Dies kann durch den schaltbaren planaren Transformator gewährleistet werden, indem in Abhängigkeit von der Nenn-Ausgangsleistung verschiedene Windungsverhältnisse durch die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung zur Verfügung gestellt werden. Der Vorteil der Verwendung des gleichen Verstärkerbauteils (Transistors), auch für deutlich kleinere Leistungsklassen als seine Nennleistung, kann z.B. darin bestehen, dass die Verstärkeranorndung in einer solchen Niederleistungsvariante deutlich an Robustheit und Zuverlässigkeit gewinnt. Dies ist insbesondere auch für den Betrieb an fehlangepassten Lasten wichtig. Insgesamt wird auf diese Art und Weise ein variabler Einsatz des gleichen Verstärkerbauteils ermöglicht. Des Weiteren können das gleiche PCB und ein Großteil der Komponenten in größeren Stückzahlen verwendet werden. Die teureren weil leistungsfähigeren Transistoren in Kombination mit verschiedenen Bestückungsvarianten ermöglichen somit nicht nur einen robusteren Betrieb in der Niederleistungsvariante sondern zudem eine kosteneffizientere Lösung, da verschiedene Schaltungslayouts für verschiedene Leistungsstufen vermieden werden.
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Die Sekundärwicklung weist vorzugsweise zumindest eine erste Leiterbahn und zumindest eine zweite Leiterbahn auf, die die Wicklung des Transformators bilden. Der schaltbare planare Transformator ist vorzugsweise so angeordnet, dass ein erstes Windungsverhältnis in einem ersten Schaltzustand zur Verfügung gestellt wird, wobei die erste Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn im ersten Schaltzustand parallel geschaltet wird. Der schaltbare planare Transformator ist vorzugsweise weiterhin so angeordnet, dass ein zweites Windungsverhältnis durch eine Serienschaltung der ersten Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn in einem zweiten Schaltzustand zur Verfügung gestellt wird. Das erste Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung unterscheidet sich vom zweiten Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung.
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Alternativ könnten die verschiedenen Windungsverhältnisse auch mittels der Primärwicklung des Transformators zur Verfügung gestellt werden. Des Weiteren ist es möglich verschiedene Windungsverhältnisse mit einer Kombination aus einer schaltbaren Primärwicklung und einer schaltbaren Sekundärwicklung zur Verfügung zu stellen.
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Der schaltbare planare Transformator weist vorzugsweise zumindest einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dritten Schalter auf. Der erste Schalter ist so angeordnet, dass die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahnin Serie geschaltet werden können. Der zweite Schalter und der dritte Schalter sind so angeordnet, dass die erste Leiterbahn und die zweite Leiterbahn parallel geschaltet werden können.
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Ein Ende der ersten Leiterbahn bildet vorzugsweise den Hochfrequenzausgang des schaltbaren planaren Transformators. Ein Ende der zweiten Leiterbahn ist elektrisch mit Masse verbunden.
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Die Schalter sind vorzugsweise als oberflächenmontierbare (SMD) – Jumper (Brücken, 0 Ohm Widerstände) ausgelegt, die vorzugsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei die Leiterplatte Teil des schaltbaren planaren Transformators ist.
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Die Sekundärwicklung lässt sich so auslegen, dass durch Bestücken einer SMD Brücke (Schalter) zwei Sekundärwindungen (Leiterbahnen) in Reihe (für Hochleistungsvariante) oder durch zwei Brücken (Schalter) zwei Sekundärwindungen parallel (für Niederleistungsvariante) geschaltet werden können.
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Die erste Leiterbahn definiert vorzugsweise eine erste Fläche des schaltbaren planaren Transformators. Die zweite Leiterbahn ist vorzugsweise innerhalb der ersten Fläche angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine platzsparende Ausführung des schaltbaren planaren Transformators.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Verstärkeranordnung zur Verfügung gestellt. Die Verstärkeranordnung umfasst ein Verstärkerbauteil, wie z.B. einen Transistor. Die Verstärkeranordnung weist eine nominale Arbeitsfrequenz zwischen 1 MHz und 100 MHz, vorzugsweise zwischen 5 MHz und 85 MHz und eine Ausgangsleistung von mindestens 100 W, bevorzugt von mindestens 200 W, noch mehr bevorzugt von mindestens 250 W auf. Die Verstärkeranordnung weist zudem einen der zuvor beschriebenen schaltbaren planaren Transformatoren auf. Der schaltbare planare Transformator ist elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkerbauteils verbunden.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein elektrischer Hochfrequenz-Generator zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung im Frequenzbereich 1–100 MHz zur Verfügung gestellt. Der elektrische Hochfrequenz-Generator umfasst eine Verstärkeranordnung, wie sie zuvor beschrieben wurde.
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Der elektrische Hochfrequenz-Generator umfasst einen Kontrollschaltkreis und eine Hochfrequenz-Verstärkeranorndung. Der Kontrollschaltkreis umfasst zumindest einen Prozessor oder Mikroprozessor, zumindest eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Daten, zumindest eine Leistungsmesseinrichtung und zumindest einen Frequenzgenerator. Der Kontrollschaltkreis ist eingerichtet, die Hochfrequenz-Verstärkeranorndung in einem gepulsten oder einem kontinuierlichen Betriebsmodus zu betreiben.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Plasmaprozessierungssystem zur Verfügung gestellt. Das Plasmaprozessierungssystem umfasst den zuvor beschriebenen elektrischen Hochfrequenz-Generator und eine Plasmakammer.
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Ein Plasma wird in der Plasmakammer erzeugt. Die Plasmakammer umfasst Versorgungseinrichtungen, um chemische Komponenten wie zum Beispiel Prozessgase zur Verfügung zu stellen. Die Plasmakammer stellt des Weiteren die physikalischen Randbedingungen zur Verfügung, um einen stabilen Plasmaprozess durchzuführen.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines schaltbaren planaren Transformators
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2 zeigt eine Draufsicht des schaltbaren planaren Transformators
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3 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Verstärkeranordnung
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine Seitenansicht eines schaltbaren planaren Transformators 110 mit einer Primärwicklung 112 und einer Sekundärwicklung 114 die auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterplatte 120 aufgebracht sind. Die Leiterplatte kann alternativ auch als Mehrlagenleiterplatte ausgeführt sein. Die Primärwicklung kann an den Ausgang eines Verstärkerbauteils (nicht gezeigt) einer Verstärkeranordnung angeschlossen werden. Die Sekundärwicklung weist zudem einen Hochfrequenzausgang auf, der an eine Lastimpedanz angeschlossen werden kann.
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2 zeigt eine Draufsicht des in 1 gezeigten schaltbaren planaren Transformators 110. In der Draufsicht ist die Sekundärwicklung gezeigt, die eine erste Leiterbahn 121 und eine zweite Leiterbahn 122 aufweist. Die auf der Rückseite der Leiterplatte 120 angebrachte nicht sichtbare Primärwicklung kann wieder mit einem Verstärkerbauteil (nicht gezeigt) verbunden werden. Die erste Leiterbahn 121 und die zweite Leiterbahn 122 sind in diesem Fall mittels eines ersten Schalters 131 in Reihe geschaltet. Des Weiteren sind ein zweiter Schalter 132 und ein dritter Schalter 133 vorgesehen, die die erste Leiterbahn 121 und die zweite Leiterbahn 122 in einem zweiten Schaltzustand parallel schalten können. Das Windungsverhältnis des schaltbaren planaren Transformators 110 kann somit mittels der Schalter 131, 132, 133 angepasst werden. Das nicht mit der ersten Leiterbahn 121 durch den Schalter 131 verbundene Ende der zweiten Leiterbahn 122 ist mit Masse verbunden.
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3 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten Verstärkeranordnung mit einem schaltbaren planaren Transformator 110 in Kombination mit einem Verstärkerbauteil 200 die in einer Referenzebene 150 miteinander verbunden sind. Die Primärwicklung des schaltbaren planaren Transformators 110 ist parallel zu einer ersten Shuntkapazität 161 mit dem Verstärkerbauteil 200 verbunden. Der Hochfrequenzausgang der Sekundärwicklung des schaltbaren planaren Transformators 110 ist parallel zu einer zweiten Shuntkapazität 162 mit einer elektrischen Last verbunden. Das Verstärkerbauteil 200 umfasst in diesem Fall zwei Transistoren 213, 214 (MOSFET) in einer Push-Pull-Anordnung, die einen balancierten Eingang an den Gates aufweisen. Das Gate des ersten Transistors 213 ist mit dem 0° Eingang 211 verbunden. Das Gate des zweiten Transistors 214 ist mit dem 180° Eingang 212 verbunden. Das Drain des ersten Transistors 213 und das Drain des zweiten Transistors 214 sind in der Referenzebene 150 mit dem schaltbaren planaren Transformator 110 verbunden. Der Hochfrequenzausgang des schaltbaren planaren Transformators 110 kann mit einer elektrischen Last verbunden werden.
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Weitere Varianten der Erfindung und ihre Ausführung ergeben sich für den Fachmann aus der vorangegangenen Offenbarung, den Figuren und den Ansprüchen.
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In den Ansprüchen verwendete Begriffe wie "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und dergleichen schließen weitere Elemente oder Schritte nicht aus. Die Verwendung des unbestimmten Artikels schließt eine Mehrzahl nicht aus. Eine einzelne Einrichtung kann die Funktionen mehrerer in den Patentansprüchen genannten Einheiten bzw. Einrichtungen ausführen. In den Patentansprüchen angegebene Bezugszeichen sind nicht als Beschränkungen der eingesetzten Mittel und Schritte anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 110
- schaltbarer planarer Transformator
- 112
- Primärwicklung
- 114
- Sekundärwicklung
- 120
- Leiterplatte
- 121
- erste Leiterbahn
- 122
- zweite Leiterbahn
- 131
- erster Schalter
- 132
- zweiter Schalter
- 133
- dritter Schalter
- 150
- Referenzebene
- 161
- erste Shuntkapazität
- 162
- zweite Shuntkapazität
- 200
- Verstärkerbauteil
- 211
- Eingang 0°
- 212
- Eingang 180°
- 213
- erster Transistor
- 214
- zweiter Transistor
