DE2310371C3

DE2310371C3 - Broadband line transformer for transforming wave resistance at very high frequencies

Info

Publication number: DE2310371C3
Application number: DE19732310371
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing 7150 Backnang Magnus
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1977-09-22

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem breitbandigen Leitungsübertrager zur Transformation von Wellenwiderständen bei sehr hohen Frequenzen, bei dem auf der hochohmigen Seite zwei Leitungen in Reihe und auf der niederohmigen Seile diese Leitungen parallel geschaltet sind, wobei auf der niederohmigen Seite durch die Parallelschaltung der Leitungen eine Kreuzung zweier Leitungen entsteht.
Leistungstransistoren für hohe Frequenzen werden durch Parallelschaltung vieler Hochfrequenztransistoren kleiner Leistung, die auf einem und bei sehr großen Leistungen (>10 W) auf mehreren Siliziumchips integriert sind, realisiert. Diese Parallelschaltung be-The present invention relates to a broadband line transformer for transforming wave resistances at very high frequencies, in which two lines are connected in series on the high-resistance side and these lines are connected in parallel on the low-resistance side, with one on the low-resistance side due to the parallel connection of the lines Two lines cross.
Power transistors for high frequencies are implemented by connecting many high-frequency transistors with low power in parallel, which are integrated on one silicon chip and, in the case of very high power (> 10 W), on several silicon chips. This parallel connection

,o wirkt daß Eingangs- und Ausgangsimpedanzen sehr niederohmig werden (eingangsseitig unter 1 Ω). Hieraus, erwachsen für Leistungsanpassung derart niederohmiger Elemente an 50 Ω beträchtliche Schwierigkeiten, besonders wenn diese breitbandig gefordert wird., o has the effect that input and output impedances become very low-resistance (less than 1 Ω on the input side). From this, Considerable difficulties arise for adapting the power of such low-resistance elements to 50 Ω, especially if this is required on a broadband basis.

Bei den für die Leisiungsanpassung erforderlichen Anpassungsnetzwerken handelt es sich im wesentlichen um transformierende Tief- oder Bandpaßanordnungen, die auf verschiedene Weise realisierbar sind, durch diskrete Bauelemente, bestehend aus Drahtinduktivitä-The adaptation networks required for adapting the output are essentially transforming low-pass or band-pass arrangements that can be implemented in various ways, using discrete components consisting of wire inductance.

ten, Scheibenfestkapazitäten - neuerdings auch als Mu'ltilayer-Chips - und variablen Tauch- und Scheibenkondensatoren. Diese Bauelemente zeichnen sich durch einfache und billige Herstellung aus. Weiterhin erlauben eingebaute Trimmer einen nachträglichen Abgleich desten, fixed disk capacitors - recently also as multi-layer chips - and variable immersion and disk capacitors. These components are characterized by simple and cheap production. Continue to allow built-in trimmer a subsequent adjustment of the

Netzwerkes, durch den Streuungen der Transistorparameter abgefangen werden können. Andererseits erschweren starke Toleranzen und störende Fremdeffekte dieser Elemente in Form von Kapazitäten der Windungen gegeneinander und der Windungen gegenNetwork, due to the scattering of the transistor parameters can be intercepted. On the other hand, strong tolerances and disruptive external effects make it more difficult of these elements in the form of capacities of the turns against each other and the turns against each other

Masse der Spulen und der mit Zuleitungsinduktivitäten behafteten Kondensatoren eine exakte rechnerische Erfassung bei der Berechnung des Transformationsnetzwerkes.
Größere Chancen, ein errechnetes Netzwerk zu realisieren, bietet die Transformation mit Leitungsanordnungen auf glasfaserverstärktem Tetrafluoräthylen oder Keramik und neuerdings auch auf Saphirsubstrat als Trägermaterial in Stripline- oder Triplatetechnik. Andererseits ist eine Berechnung dieser Netzwerke erforderlich, da ein nachträglicher Abgleich schwierig und nur begrenzt möglich ist. Auch ist die Anzahl der möglichen Transformationswege eingeschränkt, weil nicht alle möglichen Tief- oder Bandpaßanordnungen mit diskreten Bauelementen in Leitungstechnik ausführbar sind. Als besonders vorteilhaft bei Leitungsanordnung mit aktiven Bauelementen wirken sich die geringeren Streufelder aus, die oft zu unerwünschten Rückkopplungen führen und den Verstärker instabil werden lassen. Die geringe Bauhöhe und auch die geringe flächenmäßige Ausdehnung bei der Verwendung von Keramiksubstraten als Trägermaterialien sind weitere Vorteile, die für Anpassungsnetzwerke in Leitungstechnik sprechen.
Eine besondere Form der Transformationsleitung stellt die Exponentialleitung dar. Diese inhomogene Leitung ändert ihren Wellenwiderstand im Zuge der Leitung durch exponentielle Variation der Leiterbreite und erreicht dadurch eine Transformation mit geringer Fehlanpassung. Jedoch können sehr große Überset-Mass of the coils and the capacitors with lead inductance an exact calculation when calculating the transformation network.
The transformation with line arrangements on fiberglass-reinforced tetrafluoroethylene or ceramic and, more recently, on sapphire substrate as a carrier material in stripline or triplate technology offers greater opportunities to realize a calculated network. On the other hand, a calculation of these networks is necessary, since subsequent adjustment is difficult and only possible to a limited extent. The number of possible transformation paths is also limited because not all possible low-pass or band-pass arrangements can be implemented with discrete components using line technology. The lower stray fields, which often lead to undesired feedback and make the amplifier unstable, are particularly advantageous in the case of line arrangements with active components. The low overall height and also the small areal expansion when using ceramic substrates as carrier materials are further advantages that speak in favor of adaptation networks in line technology.
The exponential line represents a special form of transformation line. This inhomogeneous line changes its characteristic impedance in the course of the line through an exponential variation of the line width and thus achieves a transformation with little mismatch. However, very large translation

6^ ziingsverhältnisse nur schwer realisiert werden, da6 ^ zing relationships can only be realized with difficulty, since

hierfür sehr niederohmige Leitungen erforderlich wären, die beim Übergang auf den Transistoranschluß ein Undefiniertes elektrisches Verhalten hervorrufen.very low-resistance lines would be required for this, which at the transition to the transistor connection cause undefined electrical behavior.

Als weiteres Transformationselement bieten sich Leitungsübertrager an. Werden die beiden Leiter einer Leitung, die durch einen aus magnetischem Material bestehenden Ringkern geführt ist, gleichphasig im Gleichtakt erregt, so werden die Ströme durch dieLine transformers can be used as a further transformation element. The two leaders become one Line, which is led through a ring core made of magnetic material, in phase in Simultaneously excited, the currents through the

η induktivität, hervorgerufen durch das magneti^gru^ßeK«_aterial kleingchalten. Werden dagegen die ^s Hr Leitung von den Strömen gegenphasig im ^Uiter .Ji durchflossen, so beeinflußt das magnetische GegentaKi _{k ivUät der Anor}dnung nur genngfü-η inductance caused by the magneti ^gr u ^SSE K _"a TERIAL kleingchalten. If, in contrast, the ^s Hr line crossed by the currents in phase opposition ^Uiter .Ji, the magnetic GegentaKi influenced _{k ivUät the Anor} dnung only genngfü-

^MaThei gegenphasigem Stromdurchnuß die Felds,Ir^glgl Lrhalb der Leiter klein ist gegenüber dem ^ke, "Etfall Bei eingangsseitig symmetrischer Em-^Glel I und unsymmetrischer Last am Ausgang speisung u werdet) einer derartigen Leitung ^Ma Thei antiphase Stromdurchnuß the field, Ir ^glgl Lrhalb the conductor is small compared with the ^ke, "Etfall At the input side symmetrical Em- ^Glel I and unbalanced load on the output power will u) of such line

^(A"Ä sich einstellende Ausgleichstrom, der als ^(A "Ä adjusting equalizing current, which is called

^W1, WMWtstrom auf der Leitung auftritt, klein gehalten. Gicch aktstrom ^ ^ _Mord ^W1 , WMWtstrom occurs on the line, kept small. Gicch aktstrom ^^ _murder

Daraus eig ^^ ^ ^_n _{und Ausgang} bewirkt.From this, eig ^^ ^ ^ _n _{and exit} causes.

»«..„^„„^(ΐ/Γ.ηηΙιιηυ Wann auch ohne >: oder Eingangsseite des Übertragers JJ d,n gen Klemmen oder Ausgang ^w ^rj (Transistor) stetig zunimmt und die Le ler J^ Halbkreis bildend auf beiden Seiten des Substrat.»« .. "^" "^ (ΐ / Γ.ηηΙιιηυ When also without >: or input side of the transformer JJ d, n gen terminals or output ^ w ^ rj (Transistor) steadily increasing and the Le ler J ^ Form a semicircle on both sides of the substrate.

verbesserten Anpassung ist es ^iWCL" ^B Engang und Ausgang des Leaungsubcriragersimproved adaptation, it is ^iWCL " ^B entry and exit of the Leaungsubcrirager

»■»■

Erfindung erläuternExplain the invention

und Ausgang voneinander zu entkoppeln. Diese S l Guanella-Leiiung bekannt geworden.and output to be decoupled from each other. This S l Guanella-Leiiung became known.

können dazu verwendet werden, h die Vorderseite eines Substrates nachcan be used to trace the front of a substrate

g.
in der \-1 g. 3 die Rückseite eines Substrates nach derG.
in the \ - 1 g. 3 the back of a substrate after the

Erfindung, beide in eine Ebene umgeklappt, in der Fig.4 ein Ausführungsbeisoiel dieser Anord-Invention, both folded over into one plane, in FIG. 4 an exemplary embodiment of this arrangement

*_hen verwendet. M* _hen used. M.

symmetnscnensymmetnscnen

»aKoaxi««««.-*»AKoaxi« «« «.- *

üb₈sverh_äll over ₈ sverh _äll

diethe

AUM₆^ ^u verwirklichenAUM ₆ ^ ^ u realize

Schaltungsweise aufzubauen hat sich ™ ' zur Aufgabe gestellt, integrierte BauelementeTo set up the switching method, ™ 'has set itself the task of integrated components

uic i.u.u...~.._o im für den verwendetenuic iuu .. ~ .. _o im for the used

Transistor möglich sein.Transistor be possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Leitungsübertrager in zwei Ebenen auf der Ober- und Unterseite eines Substrates angeordnet ist und daß die Kreuzung der Leitungen auf der hochohmigen Seite des Leitungsübertragers ausgeführtAccording to the invention this object is achieved in that the line transformer in two levels on the Top and bottom of a substrate is arranged and that the crossing of the lines on the executed high-resistance side of the line transformer

ist.is.

Die Kreuzung der Leitungen auf der hochohmigenThe crossing of the lines on the high resistance

Seite des Leitungsübertragers wird zweckmäßigerweise durch einen Kondensator aus Metallbelcgen auf der Ober- und Unterseite des Substrates gebildet, wobei die Kapazität des Kondensators veränderbar gestaltet ist. Die Veränderbarkeit des Kondensators wird durch auf dem Substrat aufgebrachte Kapazitätselemente ermöglicht, die der Gesamtkapazität des Kondensators zu- oder abschaltbar sind. Eine Weiterbildung besteht darin, daß der Kondensator über veränderbare Induktivitäten bildende Leitungszüge schaltbar ist. Die Anordnung des Leitungsübertragers auf dem Substrat wird zweckmäßigerweise derart vorgenommen, daß Eingangsklemme und Ausgangsklemme diametral liegen. Eine weitere (>; "" »η»«ιησ des Transformationsverhältnisses be-The side of the line transformer is expediently supported by a capacitor made of metal linings on the Formed top and bottom of the substrate, the capacitance of the capacitor being designed to be variable. The changeability of the capacitor is made possible by capacitance elements applied to the substrate, which can be switched on or off the total capacitance of the capacitor. Continuing education consists of that the capacitor can be switched via lines forming variable inductances. The arrangement of the Line transformer on the substrate is expediently made such that the input terminal and output terminal are diametrically opposed. Another (>; "" »Η» «ιησ of the transformation ratio

¹ - ~-»>«ϊϊ1ΐίτρη ¹ - ~ - »>« ϊϊ1ΐίτρη

beiden Leitungen unu 1 cu_lu «... both lines unu 1 cu _lu «...

1, deren elektrische Wellenlänge etwa λ/8 L ^ 1, whose electrical wavelength is about λ / 8 L ^

betragen soll, ist der niederohmige Ausgang ZA, bei dem die Leitungen parallel geschaltet sind, zu verstehen. Am Ausgang ZA ist ein Transistor Tr angeschlossen, dessen Eingang sehr niederohmig ist. Allein durch die Schaltungsanordnung von Reihen- auf Parallelschaltung wird eine Widerstandstranformation von 4 ·. 1 erreicht.should be, the low-resistance output ZA, in which the lines are connected in parallel, is to be understood. A transistor Tr , whose input is very low-resistance, is connected to the output ZA. A resistance transformation of 4 ·. 1 reached.

Durch die gegebene Tatsache, daß am Eingang ein Widerstand von ZE« 50 Ω und am Ausgang des Leitungstransformators ein Transistorwiderstand von etwa 3 Ω vorgegeben ist, reicht die Leitungstransformation von 4:1 allein bei weitem nicht aus. Diese Anpassung wird durch ein weiteres Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, daß man die Leitungszüge in ihrer Breite stetig vergrößert und den geforderten Wellenwiderstand auf diese Weise realisiert. Dies ist ein Weg, der das Aneinanderreihen weiterer Transformationsglieder vermeidet.Due to the fact that at the input a resistance of ZE «50 Ω and at the output of the Line transformer is given a transistor resistance of about 3 Ω, the line transformation is sufficient 4: 1 alone is by no means sufficient. This Adaptation is achieved by a further feature of the invention in that one pulls the lines steadily increased in width and realized the required wave resistance in this way. This is a Path that avoids stringing together further transformation elements.

Das Problem in der Realisierung eines solchen Leitungsübertragers besteht darin, die in dem Transformator vorhandene Kreuzung der Leitungen in Druckschaltungstechnik auszuführen. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Kreuzungspunkt einmal durch einen Kondensator Cl ausführt und die Kreuzung selbst auf der hochohmigen Seite des Leitungstransformators anordnet. Dieser Kondensator C1 ist in seiner Kapazität veränderbar dadurch, daß man den Kapazitätsbelag auf beiden Seiten des Substrates in kleine Kapazitätselemente unterteilt, die auf einfache Weise mit Hilfe einer Weichlötung zu- oder abschaltbar sind. 5 In gleicher Weise sind am Ausgang des Leitungstransformators solche kleinen Kapazitätselemenie angeordnet, die den Abgleich und die Anpassung an das • * . 1„ PUuMement, in diesem Falle einenThe problem in realizing such a line transformer is to use pressure circuit technology to implement the crossing of the lines in the transformer. This is achieved by executing the crossing point once through a capacitor C1 and arranging the crossing itself on the high-resistance side of the line transformer. The capacitance of this capacitor C 1 can be changed by dividing the capacitance per unit length on both sides of the substrate into small capacitance elements which can be easily switched on or off with the aid of soft soldering. 5 In the same way, such small capacitance elements are arranged at the output of the line transformer, which enable the adjustment and adaptation to the • *. 1 “PUuMement, in this case one

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Transistor Tr, vereinfachen sollen. Diese Kapazitäten sind im Ersatzschaltbild der F i g. 1 mit Cl bezeichnet.Transistor Tr, intended to simplify. These capacities are shown in the equivalent circuit diagram in FIG. 1 denoted by Cl.

Die Kapazität CZ stellt einen hochfrequenten Kurzschluß dar und dient gleichzeitig als Zuführung der Betriebsgleichspannung für den Transistor Tr. Sie wird durch zwei aufgelötete Vielschichtkondensatoren C3" zur Vergrößerung der Kapazität verwirklicht. Die Kapazität C 4 dient zur Anpassung an den eingangsseitig vorgegebenen Wellenwiderstand. Die Kapazität C 4 besteht aus Kapazitätselementen CA'. ίοThe capacitance CZ represents a high-frequency short circuit and serves at the same time as the supply of the DC operating voltage for the transistor Tr. It is realized by two soldered multilayer capacitors C3 ″ to increase the capacitance. The capacitance C 4 is used to adapt to the input impedance 4 consists of capacity elements CA '. Ίο

Zur Vereinfachung des Verständnisses des Ausführungsbeispieles in den F i g. 2 und 3 sind die Leitungen mit L1 und L 2 bezeichnet.To simplify the understanding of the exemplary embodiment in FIGS. 2 and 3, the lines are labeled L 1 and L 2.

Die F i g. 2 und 3 sollen zusammen betrachtet werden. Sie stellen ein Ausführungsbeispiel des Leitungsübertragers nach der Erfindung dar. Die F i g. 2 zeigt die Oberseite und die Fig.3 die Unterseite dieses Substrates. Die Darstellung ist so gewählt, daß die beiden Ebenen des Substrates um die Seite »A«, hier die hochohmige Seite des Leitungstransformators, in die eine Betrachtungsebene herumgeklappt sind. Die gestrichelte Linie ßist die Trennungslinie zwischen den beiden Leitungen L1 und L 2, die eingestrichenen Bezeichnungen geben die einzelnen Leiter selbst an.The F i g. 2 and 3 should be considered together. They represent an embodiment of the line transformer according to the invention. 2 shows the upper side and FIG. 3 the underside of this substrate. The representation is chosen so that the two levels of the substrate around the side "A", here the high-resistance side of the line transformer, into which a viewing level is folded. The dashed line ß is the dividing line between the two lines L 1 and L 2, the dashed designations indicate the individual conductors themselves.

F i g. 3: L Γ ist der eine Leiter der Leitung L 1 von der hochohmigen Eingangsklemme ZE zum Massepunkt M, L 2' der Leiter der Leitung L 2 von dem Massepunkt M zum Kreuzungspunkt des Systems, der durch den Kondensator Cl mit dem einen Beleg CV des Kondensators gebildet wird. Die Kapazitätselemente C4' können durch Zuschalten oder Abtrennen die Kapazität C4 verändern und damit die Anpassung auf den Bestwert einstellen.F i g. 3: L Γ is the one conductor of the line L 1 from the high-impedance input terminal ZE to the ground point M, L 2 'is the conductor of the line L 2 from the ground point M to the intersection of the system, which is through the capacitor Cl with the one document CV des Capacitor is formed. The capacitance elements C4 'can change the capacitance C4 by connecting or disconnecting them and thus adjust the adaptation to the best value.

F i g. 2: L 1" ist der andere Leiter der Leitung L 1, die den zweiten Beleg Cl" des Kondensators Cl mit der einen Elektrode des Transistors Tr verbindet und L 2" ist der andere Leiter der Leitung L 2, die die eine Elektrode des Transistors Tr mit dem Leitungspunkt /V verbindet, über den die Betriebsgleichspannung dem Transistor Trzugeführt wird und dessen hochfrequentes Potential durch die Vielschichtkondensatoren C3" gegen Bezugspotential geschaltet ist.F i g. 2: L 1 "is the other conductor of the line L 1, which connects the second slip Cl" of the capacitor Cl to one electrode of the transistor Tr and L 2 "is the other conductor of the line L 2, which is one electrode of the transistor Tr connects to the line point / V via which the DC operating voltage is fed to the transistor Tr and whose high-frequency potential is connected to the reference potential by the multilayer capacitors C3 ″.

Eine Verbesserung der Anpassung kann durch zusätzliche Induktivität /in Reihe mit dem Kondensator Cl erreicht werden. Diese sind mit /' bzw. /" entsprechend der Seite des Substrates bezeichnet.The matching can be improved by adding additional inductance / in series with the capacitor Cl can be achieved. These are marked with / 'or / "according to the side of the substrate.

Die Belege C2' und C2" gehören zu dem Kondensator C2 und dienen zur besseren Anpassung des Transistors Tran den Leitungstransformator.The documents C2 'and C2 "belong to the capacitor C2 and are used for better matching of the transistor Tran the line transformer.

Die F i g. 4 und 5 zeigen ein praktisches Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Die Fig.4 zeigt ein Substrat 1 in einem Gehäuse 2 angeordnet in der Ansicht von oben und die F i g. 5 eine seitliche Ansicht, die im Schnitt dargestellt ist. Das Substrat 1 wird mittels Schrauben 3 in dem Gehäuse 2 gehalten. Das Gehäuse 1 kann mittels Deckel (nicht abgebildet) hochfrequenzdicht abgeschlossen werden. Links am Gehäuse 2 ist eine Koaxialbuchse 4 angeordnet, über die die Signalspannung zugeführt wird. Damit ist also links auf der Seite die koaxiale Buchse 4 des Leitungstransformators hochohmig und rechts, wo der Transistor Tr angeordnet ist, die niederohmige Seite. Die Kapazitätselemente der Kondensatoren Cl, C2 und C3 sind mit jeweils einer Belegseite sichtbar. Auch die Induktivität /, die zwischen die Kapazitätselemente Cl" einschaltbar sind, gehen aus dieser Anordnung deutlich hervor.The F i g. 4 and 5 show a practical embodiment according to the invention. FIG. 4 shows a substrate 1 arranged in a housing 2, viewed from above, and FIG. Fig. 5 is a side view shown in section. The substrate 1 is held in the housing 2 by means of screws 3. The housing 1 can be closed in a high-frequency-tight manner by means of a cover (not shown). A coaxial socket 4, via which the signal voltage is fed, is arranged on the left of the housing 2. The coaxial socket 4 of the line transformer is thus high-resistance on the left on the side and the low-resistance side on the right, where the transistor Tr is arranged. The capacitance elements of the capacitors C1, C2 and C3 are each visible with one document side. The inductance /, which can be switched between the capacitance elements Cl ″, can also be seen clearly from this arrangement.

Die Ansicht von der Seite, die im Schnitt in der F i g. 5 dargestellt ist, stimmt mit ihren Positionszahlen mit denen der Figur überein. Der einfache und auf die Massenfertigung abgestimmte Aufbau wird hier noch einmal einleuchtend dargestellt.The view from the side which, in section, in FIG. 5 is shown, agrees with their item numbers match those of the figure. The simple structure, which is tailored to mass production, is still here once presented plausibly.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Broadband line transformer for transforming wave resistance at very high frequencies, in which two lines are connected in series on the high-resistance side and these lines are connected in parallel on the low-resistance side, whereby the parallel connection of the lines creates a crossing of two lines, characterized in that the line transformer is arranged in two levels on the top and bottom of a substrate (1) and that the crossing (K) of the lines (LV, Ll ¹ IL i ", Ll") ") is carried out on the high-resistance side of the line transformer.

2. Broadband line transformer according to claim I, characterized in that the intersection (K) of the lines (LV, LTILV, LT ') on the high-resistance side of the line transformer by a capacitor (Cl) is formed from metal layers on the top and bottom of the substrate .

3. Broadband line transformer according to claim 2, characterized in that the capacity of the capacitor (Cl) can be changed.

4. Broadband line transformer according to claim 3, characterized in that the capacitor (Cl) consists of capacitance elements (CV, Ci ") applied to the substrate (1), which the total capacitance of the capacitor (C) can be switched on or off.

5. Broadband line transformer according to claim 2, characterized in that the capacitor (Cl) via variable inductances (/ ', I ") forming lines is switchable' ..

6. Broadband line transformer according to claim 1, characterized in that the input terminal (ZE, LJ =) and output terminal (Tr, M / 4SS £ ^ are arranged diametrically.

7. Broadband line transformer according to claim 1, characterized in that the width of the conductors of the respective line of the line transformer from the high-resistance or input side (4) of the transformer to the low-resistance terminals or output or consumer (transistor Tr) increases steadily and the conductor ( LV, LV-LT, Ll ") each forming a semicircle, are arranged on both sides of the substrate (1) (FIG. 4).

8. Broadband line transformer according to claim 1, characterized in that the Width of the conductor of the respective line at the entrance to the width of the conductor at the exit of the Line transformer behave almost inversely as the wave resistances.

9. Broadband line transformer according to claim 1, characterized in that capacitor elements (CT, Cl "- C4 ', C3") which can be switched on and off by bridging the insulating gaps are arranged connected to ground at the input and output of the line transformer.