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Mehrstufiger Hochfrequenzverstärker grosser Bandbreite und Stabilität
Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Hochfrequenzverstärker mit einer kaschierten
Leiterplatte, an der die Verstärkerstufen angebracht sind.
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Die Eigenschaften eines Hochfrequenzverstärkers sind bekanntlich ausser
von der Schaltungsanordnung in besonderem Maße von dem räumlichen Aufbau der Schaltungselemente
abhängig.
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Schaltungsmässig hat sich beispielsweise ein Differentialverstärker
bewährt, der mit je zwei Emitter-gekoppelten Transistoren in jeder Verstärkerstufe
aufgebaut ist.
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Eine solche Schaltungsanordnung ermöglicht eine gute Stabilität, insbesondere
gegen Temperatureinflüsse, da sich die Auswirkungen der Temperatur in dem Differenzverstärker
ausgleichen. Dieser Differenzverstärker kann ausserdem bei hoher Bandbreite und
weitgehend linearem Frequenzgang eine hohe Verstärkung ermöglichen. Zum Erreichen
dieser günstigen Eigenschaften ist es gleichwohl erforderlich, für einen mechanischen
Aufbau der Schaltungsanordnung zu sorgen, mit dem eine unerwünschte Rückkoppelung
zwischen den beiden Transistoren eines Differenzverstärkers, von denen einer eine
Eingangsstufe
und einer eine Ausgangsstufe bildet, ebenso vermieden
wird wie eine unerwünschte Rückkoppelung zwischen aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen.
Die dabei auftretenden Abschirmungsprobleme sind besonders schwerwiegend, wenn ein
kompakter Schaltungsaufbau gewünscht wird.
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Dabei kann davon ausgegangen werden, dass bekannte mehrstufige Hochfrequenzverstärker
mit einer kaschierten Leiterplatte aufgebaut sind, welche die Verdrahtung und Montage
erleichtert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen
mehrstufigen Hochfrequenzverstärker räumlich so aufzubauen, dass bei einer gegebenen
Schaltungsanordnung, vorzugsweise einem Differenzverstärker in jeder Verstärkerstufe,eine
grösstmögliche Stabilität und Verstärkung bei grosser Bandbreite erzielt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss für einen mehrstufigen Hochfrequenzverstärker
der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass die Verstärkerstufen abwechselnd
auf beiden Seiten der Leiterplatte gegenüberliegend angeordnet sind und dass die
sich jeweils auf beiden Seiten der Leiterplatte gegenüberliegenden Verstärkerstufen
durch weinigstens eine auf die Leiterplatte kaschierte Kupferschicht, die als Masseleitung
dient, gegeneinander abgeschirmt sind.
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Bei diesem räumlichen Aufbau wird praktisch.ohne besonderen Aufwand
eine gute Abschirmung und eine dementsprechend günstige Entkoppelung der in Signalrichtung
auf einanderfolgenden Verstärkerstufen dadurch erreicht, dass die unmittelbar schaltungsmässig
aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen durch die Kupferschicht, mit der die Leiterplatte
kaschiert ist, voneinander getrennt sind. Hierzu wird die Kupferschicht nur möglichst
wenig ausgeätzt und
vorzugsweise entfernt von den Bauelementen,
die eine induktive oder kapazitive Ubertragung der Hochfrequenz von der einen auf
die andere Seite der Leiterplatte hervorrufen. Dabei kann ein ausserordentlich raumsparender
Aufbau gewählt werden, bei dem die aktiven Elemente, vorzugsweise Transistoren,
der aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen unmittelbar nebeneinander bzw. übereinander
angeordnet sind, so dass zur Koppelung der Verstärkerstufen nur kurze Verbindungen
genügen.
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Bei einem Aufbau jeder Verstärkerstufe als Differenzverstärker mit
einer Eingangsstufe und einer Ausgangsstufe, wobei die Eingangs stufe und die Ausgangs
stufe je einen Transistor aufweisen und beide Transistoren über ihre Emitter gekoppelt
sind, können die voranstehend genannten günstigen Eigenschaften bereits in hohem
Maße verwirklicht werden.
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Besonders günstig wird jedoch ein derartiger mehrstufiger Hochfrequenzverstärker,
inaem jede Verstärkerstufe eine Eingangsstufe und eine Ausgangsstufe aufweist, die
insbesondere durch zwei als Differenzverstärker geschaltete Transistoren gebildet
werden, mit den Merkmalen ausgestaltet, dass auf der ersten Seite der Leiterplatte
die Eingangsstufen der ersten, dritten, fünften bis (n-1)ten Verstärkerstufe sowie
die Ausgangsstufen der zweiten, vierten, sechsten bis n-ten Stufe angeordnet sind
und dass auf der zweiten Seite der Leiterplatte die Ausgangsstufen der ersten, dritten,
fünften bis (n-1)-ten Verstärkerstufen sowie die Eingangs stufen der zweiten, vierten,
sechsten. und n-ten Stufe angeordnet sind.
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Es folgen also bei diesem räumlichen Aufbau die Eingangsstufe der
ersten Verstärkerstufe auf der einen Seite der Leiterplatte, die zugehörige Ausgangsstufe
auf der anderen Seite der Leiterplatte, auf der dann auch die Einganufe der nächsten
Verstärkerstufe liegt, deren Ausgangsstufe
wiederum auf der ersten
Seite der Leiterplatte angeordnet ist, usw. Es wird dadurch viel Platz gewonnen,
dass der Eingang auf der einen Seite und der Ausgang auf der anderen Seite der vorzugsweise
zweiseitig kaschierten Leiterplatte abwechselnd auf beiden Seiten dieser Leiterplatte
angeordnet sind, wobei Eingang und Ausgang jeder Verstärkerstufe direkt übereinander
liegen können, da sie durch die kaschierte Kupferschicht voneinander abgeschirmt
sind. Insbesondere ist auch das Anpassungsnetzwerk, das zum Eingang der ersten Verstärkerstufe
gehört, so angeordnet, dass ihm auf der Ausgangsseite eine Kupferschicht gegenüberliegt.
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Wie bereits voranstehend erwähnt, wird ein besonders raumsparender
Aufbau dadurch erzielt, dass die Ausgangsstufe unmittelbar über der Eingangs stufe
der gleichen Verstärkerstufe auf derjenigen Seite der Leiterplatte angeordnet ist,
die-der Seite gegenüberliegt, an der die Eingangsstufe angebracht ist.
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Weiterhin können die Verstärkerstufen dadurch sehr nahe ;Ir aneinandergerückt
werden, dass zwischen den auf je einer Seite der Leiterplatte liegenden Stufen je
eine Abschirmwand angeordnet ist, die mit der als Masseleitung dienenden Kupferschicht
verbunden ist.
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So sind vorteilhaft die Ausgangsstufe beispielsweise der ersten Verstärkerstufe
und die Eingangs stufe der zweiten Verstärkerstufe, die auf der gleichen Seite der
kaschierten Leiterplatte liegen, durch eine zu der Leiterplatte rechtwinklig angeordnete
und mit der Leiterplatte verbundene Abschirmwand getrennt. Solche Abschirmwände
sind auf beiden Seiten der Leiterplatte vorgesehen, da auf jeder Seite mindestens
eine Ausgangs stufe einer Verstärkerstufe und die Eingangs stufe der folgenden Verstärkerstufe
angeordnet sind
Der mehrstufige Verstärker ist weiterhin vorteilhaft
so ausgebildet, dass die auf die Leiterplatte kaschierte Kupferschicht, die als
Masseleitung dient, einen Randstreifen bildet, der um den gesamten Rand der Leiterplatte
umläuft.
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Dieser Rand kann in vorteilhafter Weise einfach grossflächig mit einem
metallischen Gehäuse verbunden werden, um die mit dem umlaufenden Rand versehene
Kupferschicht auf dem gleichen Potential wie das metallische Gehäuse zu halten.
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Besonders zweckmässig ist dabei ein Aufbau des mehrstufigen Hochfrequenzverstärkers
mit einem Gehäuse mit dem Merkmal, dass das Gehäuse mit dem Randstreifen der Leiterplatte
in Druckkontakt steht.
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Dadurch wird die gewünschte umlaufende Verbindung zwischen Leiterplatte
und Gehäuse geschaffen, ohne eine feste Verbindung, beispielsweise eine Lötverbindung,
herstellen zu müssen. Die Leiterplatte kann vielmehr einfach von dem Gehäuse entfernt
werden.
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Besonders zweckmässig ist das Gehäuse so ausgestaltet, dass aus dem
Gehäuse die Abschirmwände ausgeformt sind, die ebenfalls mit der als Masseleitung
dienenden Kupferschicht in Druckkontakt stehen.
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Die Abschirmwände erfordern daher keine gesonderten Fertigungsschritte,
durch die etwa die Abschirmwände aus Metall geschnitten werden und an der kaschierten
Leiterplatte fixiert werden müssten, vielmehr erfolgt die Ausformung zusammen mit
der Herstellung des Gehäuses und die Kontaktierung zu der Leiterplatte bei Anbau
der Leiterplatte an dem Gehäuse selbsttätig. Bei entferntem Gehäuse sind auch die
Abschirmwände entfernt, so dass die Leiterplatte leicht bestückt werden kann und
später auch trotz
raumsparenden Aufbaus die Leiterplatte zur Reparatur
gut zugänglich ist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des mehrstufigen Hochfrequenzverstärkers
besteht darin, dass eine zweiseitig kaschierte Leiterplatte vorgesehen ist, dass
das Gehäuse dergestalt zweiteilig mit zwei Hälften ausgebildet ist, dass die Leiterplatte
zwischen beiden Hälften des Gehäuses einklemmbar ist und dass beide Hälften mit
der zwischen ihnen liegenden Leiterplatte zusammen schraubbar sind.
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Durch die zweiseitig kaschierte Leiterplatte wird nicht nur ein verhältnismässig
freizügiger Aufbau der Verstärkerstufen ermöglichst, sondern es können die Kupferschichten,
die die Masseleitung bilden, auf beiden Seiten der Leiterplatte übereinanderliegend
anschliessen oder überdecken, so dass eine möglichst vollkommene Abschirmung zwischen
beiden Seiten der Leiterplatten gewährleistet ist. Beide als Masseleitungen dienenden
Kupferschichten werden, nachdem die zweiseitig kaschierte Leiterplatte zwischen
den beiden Hälften des Gehäuses in einfacher Weise eingeklemmt sind, elektrisch
grossflächig und gut miteinander verbunden, so dass gewährleistet ist, dass auf
beiden Kupferschichten das gleiche Potential herrscht, und zwar auch bei sehr hohen
Frequenzen. Das Einklemmen der Leiterplatte zwischen beiden Hälften des Gehäuses
kann einfach derart geschehen, dass die beiden Hälften mit zwischenliegender Leiterplatte
mit leitenden Schrauben zusammengeschraubt werden.
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Die Gehäusehälften können dabei in fertigungstechnisch günstiger Weise
als Rahmen ausgebildet sein, die sowohl zu der Leiterplatte hin als auch nach aussen
offen sind und die nach aussen hin schliesslich durch Deckel abgeschlossen werden
können.
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Zur besonders guten Abschirmung ist vorgesehen, dass die Leiterplatte
zumindest an ihren Kontaktflächen mit dem Gehäuse vergoldet ist.
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Auf dem Prinzip der Abschirmung aufeinanderfolgender Eingangs- und
Ausgangs stufen je einer Verstärkerstufe kann ein mehrstufiger Hochfrequenzverstärker
unter der Verwendung von jeweils zwei Hochfrequenztransistoren, die sich in einem
Transistorgehäuse befinden, vorteilhaft so aufgebaut sein, dass die Schichten (Chips)
der Transistoren innerhalb des Transistorgehäuses durch eine metallische Abschirmwand
getrennt sind, die mit dem Transistorgehäuse leitend verbunden ist. - Das Transstorgehäuse
wird dann in üblicher Weise mit der Masseleitung verbunden.
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In dem zuletzt genannten Zusammenhang sitzt das Transistorgehäuse
vorteilhaft auf der als Masseleitung dienenden kaschierten Kupferschicht.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren
erläutert Es zeigt: Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit zwei Differenzverstärkerstufen,
die jeweils eine Eingangsstufe und eine Ausgangs stufe aufweisen, wobei die Trennung
bzw. Abschirmung der Stufen durch unterbrochene Linien angedeutet ist, Fig. 2 den
räumlichen Aufbau des Hochfrequenzverstärkers nach Fig. 1 in einem Längsschnitt,
Fig. 3 einen ähnlichen Hochfrequenzverstärker wie in Fig. 2, jedoch in einer Draufsicht
auf die obere Seite bei angesetzter unterer Gehäusehälfte und Fig 4 die Ansicht
nach Fig. 3 in einem kleineren Maßstab, jedoch mit angesetzter oberer Gehäusehälfte,
die mit der unteren Gehäusehälfte verbunden ist, jedoch bei entferntem Deckel.
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In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist ein Hochfrequenzverstärker
mit zwei Verstärkerstufen, die jeweils als Differenzverstärker geschaltet sind,
dargestellt. Mit jeweils einem Transistor ist eine Eingangsstufe 1 und eine Ausgangsstufe
2 der ersten Verstärkerstufe gebildet.
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Analog dazu ist mit jeweils einem Transistor eine Eingangsstufe 3
und eine Ausgangs stufe 4 der auf die erste Verstärkerstufe folgenden zweiten Verstärkerstufe
aufgebaut. Zum Aufbau wird eine in Fig. 1 nicht dargestellte kaschierte Leiterplatte
verwendet. Mit der unterbrochenen Linie 4 ist die als Masseleitung dienende Kupferschicht
der Leiterplatte angedeutet, ebenso die gleiche oder eine andere als Masseleitung
dienende Kupferschicht durch eine unterbrochene Linie 6.
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Der links der unterbrochenen Linie bzw. als Masseleitung dienenden
Kupferschicht angeordnete Schaltungsteil mit der Eingangs stufe der ersten Verstärkerstufe
zusammen mit dem Anpassungsnetzwerk 7 und den Emitter-Widerständen 8, 9 der Transistoren,
die die Eingangsstufe 1 und die Ausgangsstufe 2 bilden, ebenso wie die gemeinsamen
Emitter-Widerstände 10, 11 sind oberhalb der Kupferschicht, die durch die unterbrochene
Linie 5 repräsentiert wird, angeordnet.
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Rechts neben der unterbrochenen Linie, d.h. unterhalb der Kupferschicht,
befindet sich der Transistor der Ausgangsstufe 2, der über einen Kollektor-Widerstand
12 mit einer Spannungsquelle in Verbindung steht. Eine Leitung 13 ist von dieser
Ausgangsstufe zu der nächsten Eingangsstufe 3 geführt, die auf der gleichen Seite
der Kupferschicht, die durch die unterbrochene Linie 5.repräsentiert wird, nämlich
unterhalb der Leiterplatte, angeordnet ist.
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Jedoch sind die Ausgangsstufe 2 und die nächste Eingangsstufe 3 durch
eine Abschirmwand, die durch eine unterbrochene Linie 13 angedeutet ist, voneinander
abgeschirmt.
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Emitter-Widerstände 14, 15 und ein gemeinsamer Emitter-Widerstand
16 zur Koppelung der Ausgangsstufe 4 der zweiten Verstärkerstufe liegen ebenfalls
unterhalb der kaschierten
Leiterplatte. Die rechts neben der unterbrochenen
Linie 6, die die Kupferschicht dieser Leiterplatte repräsentiert, dargestellte Ausgangsstufe
mit einem Transistor befindet sich wiederum mit den Auskoppelelementen 17 auf der
Oberseite der Leiterplatte.-In Fig. 2 ist die räumliche Anordnung der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 mit der Leiterplatte 18, die auf zwei Seiten kaschierte Kupferschichten
19, 20 als Masseleitungen aufweist, dargestellt.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Eingangsstufe 1 der ersten Verstärkerstufe
und die Ausgangs stufe 4 der zweiten Verstärkerstufe oberhalb der kaschierten Leiterplatte
angeordnet ist, während sich die Ausgangs stufe 2 der ersten Verstärkerstufe und
die Eingangs stufe 3 der zweiten Verstärkerstufe unterhalb der Leiterplatte befinden.
Dabei sind die Eingangsstufe 1 und die Ausgangs stufe 4 durch eine Abschirmwand
21 voneinander getrennt. In gleicher Weise sind die Ausgangsstufe 2 und die Eingangsstufe
3, die auf der gleichen Seite der Leiterplatte liegen, durch die Abschirmwand 22
voneinander getrennt. Die Abschirmwand 21 bildet einen integralen Bestandteil mit
einem oberen Gehäuse 23, das genau genommen nur ein Gehäuserahmen ist, welches durch
einen Deckel 24 abgedeckt wird. Analog dazu ist die Abschirmwand 22 Bestandteil
eines unteren Gehäuseteils 25, welches durch einen Deckel 26 abgeschlossen wird.
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Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, wie die beiden Gehäuseteile durch
Schrauben 27 mit dazwischen liegender Leiterplatte 18 so zusammengeschraubt werden,
dass die Abschirmwände 21, 22 an den Kupferschichten 19 bzw. 20, die als Masseleitungen
dienen, zur Anlage gelangen. Ausserdem sind die Gehäuseteile selbst mit den Rändern
der Kupferschichten 19, 20 verbunden.
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In Fig. 3, welche einen ähnlichen Verstärker wie denjenigen in Fig.
2 in einer Ansicht von oben bei entferntem Deckel
zeigt, ist die
als Abschirmung dienende Kupferschicht 19 auf der Oberseite der Leiterplatte 18
in ihrer Flächenausdehnung zu sehen. Diese Kupferschicht ist möglichst grossflächig
ausgebildet, um eine möglichst vollkommene Abschirmung der Oberseite zu der Unterseite
der Leiterplatte zu ermöglichen. In den nicht durch die Kupferschicht 19 ausgefüllten
Flächen können gleichwohl Abschnitte dieser Kupferschicht vorhanden sein, die zum
Schaltungsaufbau benötigt sind. Bemerkenswert ist in Fig.3 der umlaufende Randstreifen
28, der einen integralen Bestandteil mit der Kupferschicht 19 bildet und der zur
Kontaktierung mit den Gehäuseteilen dient. Desgleichen ist im Bereich der mit unterbrochenen
Linien dargestellten Abschirmwand 21 jedenfalls eine Fläche der Kupferschicht 19
vorhanden, mit der die Abschirmwand beim Aufschrauben des oberen Gehäuseteils mit
dieser Abschirmwand kontaktiert wird.
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Dieses obere Gehäuseteil 23, das auf das untere Gehäuseteil aufgeschraubt
ist, ist aus Fig. 4 ersichtlich. Hierin erkennt man auch den Verlauf der Abschirmwand
21, die aus dem oberen Gehäuseteil ausgeformt ist und die die Eingangs stufe 1 der
ersten Verstärkerstufe von der Ausgangsstufe 4 der zweiten Verstärkerstufe trennt.
An das Gehäuseteil 23 angeschraubt sind eine Eingangsbuchse 29 und eine Ausgangsbuchse
30 des Hochfrequenzverstärkers.