DE2744862C2

DE2744862C2 - Aus Koaxialleitungsstücken gebildeter Hochfrequenztransformator

Info

Publication number: DE2744862C2
Application number: DE2744862A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Ing.(Grad.) 7853 Steinen Sartorius; Don John Rotrigo Prof. Dr.-Ing. 7860 Schopfheim Stock
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1977-10-05
Filing date: 1977-10-05
Publication date: 1982-07-08
Also published as: JPS5489214A; GB1599557A; IT7828428A0; DE2744862A1; FR2405560A1; IT1099245B; BE871000A; NL7809032A; SE7810415L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen aus Koaxialleitungsstücken gebildeten Hochfrequenztransformator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein aus der DE-OS 14 66 006 bekannter Hochfrequenztransformator dieser Art mit zwei oder mehr Paaren von Koaxialleitungsstücken dient als Symmetrierglied, beispielsweise zur Kopplung eines Koaxialleiters mit dem symmetrischen Eingang einer Dipolantenne. Die AnschlußseUe, auf der jeweils ein Innenleiter des ersten Koaxialleitungsstücks jedes Paares mit dem Außenleiter des zweiten Koaxialleitungsstücks des Paares verbunden ist, stellt die symmetrische Seite dar. Auf der unsymmetrischen Anschlußseite sind alle Innenleiter der Koaxialleitungsstücke mit der einen Anschlußklemme und alle Außenleiter mit der anderen Anschlußklemme verbunden. Dieser bekannte Hochfrequenztransformator bewirkt außer der Symmetrierung auch eine Impedanztransformation. Für Gleichstrom besteht aber eine direkte galvanische Verbindung zwischen den beiden Anschlußseiten.

Es gibt jedoch Anwendungsfäi'e, bei denen eine galvanische Trennung in einer Hochirequenz-Übertragungsleitung gefordert wird. Dies ist beispielsweise bei der Übertragung von Meßwertsignalen der Fall, wenn der Meßwertaufnehmer in einem explosionsgefährdeten Bereich installiert ist und die Auswertegeräte außerhalb desexplosionsgefährdeten Bereichs liegen. In diesem Fall müssen die die Signalimpulse führenden Stromkreise eigensicher sein, d. h. in ihnen muß die elektrische Energie so gering sein, daß zündfähige

so Funken, Lichtbogen und Temperaturen nicht entstehen können.

Im Niederfrequenzbereich kann diese Eigensicherheit dadurch erreicht werden, daß die Stromkreise durch herkömmliche Transformatoren voneinander galvanisch getrennt werden. Solche Transformatoren sind aber für die Übertragung von Impulsen sehr hoher Frequenz nicht geeignet; bei Frequenzen im Gigahertzbereich liegen die vorkommenden Drahtlängen bereits in der Größenordnung der Wellenlänge.

Koaxialleitungs-Transformatoren der eingangs geschilderten Art sind zwar für die Übertragung von Höchfrequenziffipulsen geeignet, sie ergeben aber nicht die geforderte galvanische Trennung.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines

Hochfrequenztransformators, der für die Übertragung von Signalen sehr hoher Frequenz mit großer Bandbreite geeignet ist und eine vollständige galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmaie des Anspruchs I gelöst

Der Transformator nach der Erfindung bewirkt die Übertragung von Hochfrequenzsignalen in einem breiten Frequenzband. Infolge der angegebenen Zusammenschaltung der beiden Koaxialleitungsstücke jedes Paares besteht aber keine direkte leitende Verbindung zwischen den Eingangs- und den Ausgangsanschlüssen. Der Transformator ist vollkommen reversibel; Eingang und Ausgang können also vertauscht werden.

Wenn der Transformator aus zwei Koaxialleitungsstücken in der angegebenen Weise aufgabaut ist, hat er am Engang und am Ausgang die gleiche Impedanz, die doppelt so groß wie der Wellenwiderstand jedes der beiden Koaxiaileitungsslücke ist Der Transformator hat somit das Übersetzungsverhältnis 1 :1. Er kann in diesem Fall zur galvanischen Trennung von zwei Systemen gleicher Impedanz verwendet werden, wobei der Wellenwiderstand jedes Koaxialleitungsstücks gleich der Hälfte der Systemimpedanz zu wählen ist

Es ist aber auch möglich, nach dem angegebenen Prinzip Transformatoren mit einem von 1 :1 verschiedenen Übersetzungsverhältnis aufzubauen Beispielsweise wird ein Transformator mit dem Impedanz-Transformationsverhältnis 1 :4 dadurch erhalten, daß zwei Paare von Koaxialleitungsstücken vorgesehen sind, daß die beiden Paare auf der einen Seite an ihren freien Anschlüssen parallel geschaltet sind und daß die beiden Paare auf der anderen Seite in Reihe geschaltet sind.

Zur Vermeidung von Verzerrungen bei der Übertragung von Impulsen, die Komponenten mit niedrigerer Frequenz enthalten, wird vorzugsweise auf dem Außenleiter jedes Koaxialleitungsstücks ein Ferritmantel angebracht

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen aus einem Koaxialleitungsstück gebildeten Hochfrequenztransformator bekannter Art zum besseren Verständnis des der Erfindung zugrunde liegenden P-inzips,

F i g. 2 das Ersatzschaltbild des Transformators von Fig. 1,

F i g. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Hochfrequenztransformators nach der Erfindung,

Fig.4 das Ersatzschaltbild des Transformators von Fig. 3,

Fig.5 eine praktische Realisierung des Transformators von F i g. 3,

F i g. 6 eine abgewandelte Ausführung eines Teils des Transformators von F i g. 5,

Fig. 7 eine andere praktische Realisierung des Transformators von F i g. 3,

F i g. 8 den prinzipiellen Aufbau eines Hochfrequenztransformators nach der Erfindung mit anderem Übersetzungsverhältnis und

Fig.9 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Transformators von F i g. 8.

Fig. 1 zeigt einen Transformator bekannter Art, der aus einem Koaxialleitungsstück 1 der Länge d gebildet ist, das aus einem Innenleiter 2 und einem Außenleiter 3 besteht Auf der Eingangsseite A sind der Anschluß 4 des innenldters 2 und der Anschluß S des Außenleiters 3 mit den beiden Anschlüssen eines Generators G verbunden. Der Anschluß 5 liegt an Massepotential.

Für Gleichstrom und sehr niedrige Frequenzen liegt der Anschluß 7 des Außenleiters 3 auf der Ausgangsseite B gleichfalls auf Massepotential. Bei hohen Frequenzen, für welche die Länge d in der Größenordnung von einem Viertel der Betriebswellenlänge liegt, führt dagegen der Anschluß 7 ein Potential, das von dem Potential am Masseanschluß 8 verschieden ist Bei diesen hohen Frequenzen gilt für den Transformator das in F i g. 2 dargestellte Ersatzschaltbild.

Zwischen den Anschlüssen 4 und 5 besteht auf der Eingangsseite A die Impedanz Zo, die dem Wellenwiderstand der Koaxialleitung entspricht Die gleiche

ίο Impedanz Zo besteht auf der Ausgangsseite zwischen den Anschlüssen 6 und 7. Dagegen besteht zwischen dem Masseanschluß 8 und jedem der Anschlüsse 6 und 7 die Impedanz Zo/2. Es ist daher möglich, zwischen den Anschlüssen 6 und 8 eine Leitung oder einen Verbraucher mit der Impedanz ZJ2 anzuschließen; der Transformator bewirkt in diesem Fall eine Impedanztransformation im Verhältnis 2:1. Ferner ist es möglich, an die Anschlüsse 6 und 7 zwei gegen Masse symmetrische Leiter anzuschließen, so daß der Transformator als Symmetrierungsglied wirkt

Das in einem gestrichelten R^.'hteck dargestellte jr-Glied 9 mit einer Induktivität i. >rn Längszweig und zwei Kapazitäten C in den Querzweigen stellt die Impedanz des Außenleiters 3 gegen Masse dar. Das Λ-Glied ist ein Tiefpaß, der bei hohen Frequenzen die Anschlüsse 5 und 7 voneinander isoliert Bei niedrigeren Frequenzen wird diese Isolation jedoch unvollkommen, und es ist unmittelbar zu erkennen, daß für Gleichstrom eine galvanische Kurzschlußverbindung zwischen der.

Klemmen 5 und 7 besteht Desgleichen besteht für Gleichstrom eine galvanische Kurzschlußverbindung über den Innenleiter 2 zwischen den Anschlüssen 4 und 6.

Da die Induktivität L des Außenleiters 3 im allgemeinen sehr klein ist und die Grenzfrequenz des Tiefpaßglieds 9 dementsprechend hoch liegt, kann es bei der Übertragung von Impulsen, die reich an Niederfrequenzkomponenten sind, zu Verzerrungen kommen. Es ist bekannt, die Induktivität L dadurch zu vergrößern, daß der Außenleiter 3 über einen Teil seiner Länge mit einem Mantel aus hochpermeablem Material umgeben w'i-d, der beispielsweise aus Ferritringkernen 10 (F ig. 1) gebildet ist, die über den Außenleiter 3 geschoben sind. Die galvanische Gleichstromverbindung bleibt jedoch auch bei Anwendung dieser Maßnahmen beziehen.

Wie nachfolgend beschrieben, weiden die Eigenschaften des zuvor geschilderten, aus einem Koaxialleitungsstück bestehenden Transformators zur Bildung eines Transformators ausgenutzt, der für die Übertragung hochfrequenter Impulse geeignet ist, bei dem aber zusätzlich die Eingangsseite von der Ausgangsseite galvanisch getrennt ist

Eine Ausführungsform dieses Transformators ist in Fig.3 dargestellt. Es besteht aus zwei parallelen rCoaxiaileitungsstücken 11 und 21 der Länge d. Das Koaxialleitungsslück 11 hat den Innenleit-?r 12 und den Außenleiter 13; das Koaxialleitungsstück 21 hat den Innenleiter 22 und den Außenleiter 23.

Auf der Eingangsseite A ist der Anschluß 15 der, Außenleiters 13 ^Jes Koaxialleitungsstücks 11 mit dem Anschluß 74 des Innenleiters 22 des Koaxialleitungsstücks 21 verbunden. Die Eingangsanschhisse des Transformators sind durch den Ans:hluß 14 des Innenleiters 12 des Koaxialleitungsstücks 11 und durch den Anschluß 25 des Außenleiters 23 des Koaxialleitungsstücks 21 gebildet.

Auf der Ausgangsseile B ist der Anschluß 16 des Innenleiters 12 des Koaxialleitungsstücks 11 mit dem

Anschluß 27 des Außenleiters 23 des Koaxialleitungsstücks 21 verbunden. Die Ausgangsanschlüsse des Transformators sind durch den Anschluß 17 des Außenleiters 13 des Koaxialleitungsstücks 11 und durch den Anschluß 26 des Innenleiters 22 des Koaxialleitungsstücks 21 gebildet.

Das Ersatzschaltbild des Transformators von F i g. 3 ist in Fig.4 dargestellt. Die Tiefpaßglieder 19 und 29 stellen wieder die Impedanz der Außenleiter 13 bzw. 23 gegen Masse dar.

Wenn man in den F i g. 3 und 4 die Gleichstromwege über die Innenleiter 12, 22 und über die Außenleiter 13, 23 verfolgt, stellt man fest, daß keine galvanische Verbindung zwischen den Eingangsanschlüssen 14, 25 einerseits und den Ausgangsanschlüssen 17, 26 andererseits bestehi. Hochfrequenzmäßig sind diese Anschlüsse dagegen miteinander gekoppelt.

Zwischen den Eingangsanschlüssen 14 und 25 liegen die Impedanzen Zn der beiden Koaxialleitungsstücke in dargestellten Weise ausgebildet sein. Das dargestellte Endstück 34 hat einen angeformten Ansatz 35, der als Halterung für das Ende des Eingangs-Koaxialkabels 36 dient. In dem zwischen dem Endstück 34 und dem Ansatz 35 bestehenden Einschnitt 37 kann die Verbindung des Innenleiters des Koaxialkabels 36 mit dem Anschluß 14 und die Verbindung des Außenleiters des Koaxialkabels 36 mit dem Anschluß 25 hergestellt werden. Das nicht dargestellte Endstück auf der Ausgangsseite ist in entsprechender Weise ausgebildet.

Wenn das Koaxialkabel 36 einen Wellenwiderstand von 50 Ω hat, muß natürlich für die Koaxialleitungsstükke 11, 21 eine Koaxialleitung mit 25 Ω Wellenwiderstand verwendet werden.

F i g. 7 zeigt eine andere praktische Ausführungsform des Transformators von F i g. 3 für die Einfügung zwischen zwei Koaxialkabel 40, 41. Die beiden Koaxialleitungsstücke 11,21 sind auf einer Isolierplatte 42 montiert, die einen Ausschnitt 43 hat, der die

danz 2 Zv Ebenso liegen zwischen den Ausgangsanschlüssen 17 und 26 die beiden Impedanzen Zi in Serie, so daß der Transformator auch die Ausgangsimpedanz 2 Zn hat. Der in F i g. J dargestellte Transformator hat somit das Übersetzungsverhältnis I : 1.

Um Verzerrungen bei der Übertragung von Impulsen mit niederfrequenten Komponenten zu vermeiden, kann auch bei dem Transformator von F i g. 3 die Maßnahme angewendet werden, zur Erhöhung der Induktivität L auf dem Außenleiter jedes Koaxialleitungsstücks 11 und 21 einen Mantel aus Ferritringkernen anzubringen; die geschilderte galvanische Trennung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite wird von dieser Maßnahme nicht beeinflußt.

Der Transformator ist vollkommen reversibel und kann in beiden Richtungen betrieben werden: Eingang und Ausgang können also vertauscht werden.

Die Länge d der beiden Koaxialleitungsstücke ist gleich einem Viertel der mittleren Wellenlänge Λ der über den Transformator übertragenen Hochfrequenzwellen oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen oder auch der Hälfte der Viertelwellenlänge. In der Praxis haben sich Längen Jvon λ/4 und λ/8 bewährt.

Es ist zu beachten, daß die Außenleiter 13 und 23 der beiden Koaxialleitungsstücke 11,21 auf sehr verschiedenen Potentialen liegen können, die auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite herrschen. Die Außenleiter müssen daher voneinander und auch gegen Masse isoliert sein. Die Isolation bzw. der gegenseitige Abstand der beiden Außenleiter muß entsprechend den geltenden Sicherheitsbestimmungen so bemessen sein, daß Spannungsi'berschläge vermieden werden.

F i g. 5 zeigt eine praktische Ausführungsform des Transformators von F i g. 3. Die beiden Koaxialleitungsstücke 11 und 21 sind an beiden Enden im erforderlichen Abstand voneinander in dielektrischen Endstücken 30, 31 gehalten.

Auf den zwischen den Endstücken liegenden Abschnitten der Koaxialleitungsstücke sind Ferritringkerne 32 bzw. 33 angebracht Damit auch in diesem Bereich der erforderliche Abstand erhaltren bleibt werden Koaxialleitungen verwendet deren Außenleiter aus einem massiven Metallrohr besteht Solche Koaxialleitungen sind unter der Bezeichnung »Semi-Rigid« im Handel erhältlich und haben die benötigte Steifheit

Wenn der Transformator zur galvanischen Trennung zwischen zwei Koaxialkabeln eingesetzt werden soll. kann jedes der beiden Endstücke in der in Fig.6 rerritritigr.errie JA JJ auimmmt. L/ie /u ueiueii
des Ausschnitts 43 liegenden Abschnitte der Isolierplatte 42 sind mit gedruckten Leiterbahnen versehen, die zur Herstellung der Schaltungsverbindungen dienen.

An der Eingangsseite ist der Außenleiter 13 des Koaxialleitungsstücks 11 auf eine Leiterbahn 44 aufgelötet, an der auch der Innenleiter 22 des Koaxialleitungsstücks 21 angelötet ist. Der Außenleiter 23 des Koaxialleitungsstücks 21 ist auf eine Leiterbahn 45 abgelötet, auf die auch der Außenleiter der Koaxialkabel 40 aufgelötet ist. Eine Leiterbahn 46 dient zur Verbindung zwischen dem Innenleiter 12 des Koaxialleitungssfiicks 11 und dem Innenleiter des Koaxialkabels 40.

An der Ausgangsseite ist der Außenleiter 23 des Koaxialleitungsstücks 21 auf eine Leiterbahn 47 aufgelötet, an der auch der Innenleiter 12 des Koaxiallcitungsstückes 11 angelötet ist. Der Außenleiter 13 des Koaxialleitungsstücks 11 ist auf eine Leiterbahn 48 aufgelötet, auf die auch der Außenleiter des Koaxialkabels 41 aufgelötet ist. Eine Leiterbahn 49 dient zur Verbindung zwischen dem Innenleiter 22 des Koaxialleitungsstücks 21 und dem Innenleiter des Koaxialkabels 41.

Die in F i g. 7 nicht sichtbare Rückseite der Isolierplatte 42 ist mit einer Metallbeschichtung versehen, die als Masseebene dient. Diese Masseebene bildet mit den auf der anderen Seite befindlichen gedruckten Leiterbahnen Leitungen nach dem Prinzip der Mikrobandleitungen.

Nach dem zuvor beschriebenen Prinzip können auch Transformatoren gebildet werden, die ein anderes Übersetzungsverhältnis als 1:1 haben. Als .Beispiel zeigt F ι g. 8 einen Transformator, der durch Zusammenschaltung von zwei Transformatoren der in Fig.3 gezeigten Art gebildet ist und eine Impedanz-Transformation I :4 ergibt wobei wiederum eine vollständige galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang besteht

Zum besseren Verständnis sind in F i g. 8 für die Bestandteile der beiden Teil transformatoren die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 3 verwendet zu denen für den einen Teiltransformator der Buchstabe a und für den anderen Teiltransformator der Buchstabe b hinzugefügt ist Die beiden Koaxialleitungsstücke 11a, 21a bzw. 116, 216 der beiden Teiltransformatoren sind jeweils in der gleichen Weise zusammengeschaltet wie die Koaxialleitungsstücke 11, 21 des Transformators von F i g. 3.

Auf der Eingangsseitc sind die Anschlüsse I4,i und 146 einerseits und die Anschlüsse 25/j und 25b andererseits miteinander verbunden, so daß die Eingänge d~r beiden Teiltransformatorcn parallel geschallet sind.

Auf der Ausgangsseile ist der Anschluß 26;) des einen Teiltransformators mit dem Anschluß 176 des anderen Triltransformators verbunden, wodurch die Ausgänge der beiden Teiltransformatoren zwischen den Anschlüssen 17a und 26i>in Reihe geschaltet sind.

Fig. 9 zeigt ein sehr vereinfachtes Ersatzschaltbild des Transformators von Γ i g. 8, in welchem der besseren Übersichtlichkeit wegen die die Impedanz, der Außenleiter darstellenden Tiefpaßglicder fortgelassen sind.

Wie aus F i g. 9 unmittelbar zu entnehmen ist, besteht zwischen den beiden Eingangsanschlüssen die Impedanz Z_n und zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen die Impedanz 4 Z₁₁. Der Transformator kann also beispielsweise als Impedanzwandler zwischen einem 50-n-KoaxialkabeI und einer 200-i2-Doppelleitung verwendet werden, wobei er eine vollständige galvanische Trennung zwischen den beiden Leitungen bewirkt.

Natürlich ist auch der Transformator von F i g. 8 vollkommen reversibel, so daß Eingang und Ausgang vertauscht werden können.

Wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen können auch bei dem Transformator von F i g. 8 auf dein Außenleiter jedes Koaxiallcitungsstücks Ferritringkerne angebracht werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Aus Koaxialleitungsstücken gebildeter Hochfrequenztransformator mit wenigstens einem Paar von Koaxialleitungsstücken gleicher Länge, welche mit Abstand parallel zueinander angeordnet sind und deren Außenleiter voneinander isoliert sind, wobei auf einer Anschlußseite jeweils der Innenleiter des ersten Koaxialleitungsstücks jedes Paares mit dem Außenleiter des zweiten Koaxialleitungsstücks des Paares verbunden ist und der freie Innenleiter des einen und der freie Außenleiter des anderen der beiden außenliegenden Koaxialleitungsstücke mit den beiden Anschlußklemmen dieser Anschlußseite verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Anschlußseite der Innenleiter des zweiten Koaxialleitungsstücks jedes Paares mit dem Außenleiter des ersten Koaxialleitungsstücks des Paares verbunden ist und die beiden freien Leiter des Paares mit den beiden Anschlußklemmen verbunden sind.

2. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Koaxialleitungsstücken vorgesehen sind, daß die beiden Paare auf der einen Seite an ihren freien Anschlüssen parallel geschaltet sind, und daß die beiden Paare auf der anderen Seite in Reihe geschaltet sind.

3. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 1 mit einem Paar von Koaxialleitungsstücken, der in eine koaxiale Übertragungsleitung zur Widerstands-Transformatkjn mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1 bei „gleichzeitiger gaj /anischer Trennung eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand jedes Koaxi ileitungsstücks des Paares halb so groß ist wie der Weilenwiderstand der koaxialen Übertragungsleitung.

4. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Widerstands-Transformation mit dem Übersetzungsverhältnis 1 :4, wobei der Wellenwiderstand jedes Koaxialleitungsstücks gleich dem primärseitigen Widerstand ist.

5. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Außenleiter jedes Koaxialleitungsstücks ein Ferritmantel angebracht ist.

6. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Koaxialleitungsstücks gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge oder einem ganzzahligen Vielfachen davon ist

7. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes Koaxialleitungsstücks gleich einem Achtel der Betriebswellenlänge ist

8. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter jedes Koaxialleitungsstücks ein massiver Metallmantel ist.

9. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Koaxialleitungsstücke auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite jeweils in einem dielektrischen Endstück befestigt sind.

10. Hochfrequenztransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die

Koaxialleitungsstücke auf einer mit gedruckten Leiterbahnen versehenen Isolierplatte angebracht sind und ihre Außen- und Innenleiter mittels gedruckter Leiterbahnen miteinander bzw. mit der äußeren Beschattung verbunden sind.

11. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 10 unter Rückbeziehung auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte einen Ausschnitt aufweist, in dem die die Ferritmäntel tragenden Abschaute der Koaxialleituiigsstücke untergebracht sind.

12. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der Isolierplatte eine als Masseebene dienende Metallbeschichtung trägt