DE3851831T2

DE3851831T2 - Symmetrischer planarer Übertrager.

Info

Publication number: DE3851831T2
Application number: DE19883851831
Authority: DE
Inventors: Gordon Glen Rabjohn
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1988-01-15
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2008-12-10
Also published as: CA1278051C; EP0324240A3; EP0324240B1; EP0324240A2; JPH027406A; JP2938082B2; DE3851831D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf planare Übertrager, und sie bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich auf symmetrische monolithische Übertrager zur Verwendung bei Mikrowellenfrequenzen, beispielsweise in einem Doppelgegentakt- Mischer eines Mikrowellen-Funkempfängers.
Es ist bekannt, einen planaren Übertrager, insbesondere in monolithischer Form, für einen Betrieb bei Gigahertz-Frequenzen zu schaffen, der zwei ineinander verschachtelte spiralförmige Spulen aufweist. Beispielsweise beschreibt eine Veröffentlichung mit den Titel "Computer Simulation and Experimental Investigations of Square Spiral Transformers for MMIC Applications" von L. Wiemer et al., IEE Colloquium von Computer Aided Design of Microwave Circuits, Digest #99, 11. Novemer 1985, Seiten 2/1 bis 2/5 die Eigenschaften eines derartigen Übertragers auf der Grundlage der Darstellung des Übertragers als Viertor-Netzwerk oder Richtkoppler.
Bei der praktischen Anwendung derartiger Übertrager ergibt sich ein Problem. Insbesondere ist es häufig erforderlich, derartige Übertrager in symmetrischen oder Gegentaktschaltungen oder zur Kopplung an derartige Schaltungen zu verwenden, wobei zumindest eine der Übertragerwicklungen mittelangezapft sein muß. Die Festlegung eines optimalen Mittelanzapfungspunktes auf einer planaren spiralförmigen Wicklung ist jedoch schwierig, und der Mittelanzapfungspunkt kann lediglich für eine Frequenz oder für ein sehr schmales Frequenzband richtig sein, und zwar aufgrund von Kompromissen zwischen den kapazitiven und induktiven Effekten der beiden Hälften der angezapften Wicklung.
Die UK-Patentanmeldung 2 084 809, die am 15. April 1982 mit dem Titel "Printed Circuit Transformers" veröffentlicht wurde, beschreibt einen planaren Übertrager zur Verwendung in Mischern bei VHF-Anwendungen. Bei diesem Übertrager ist eine primäre Leiterbahn zwischen zwei eine mittelangezapfte Sekundärwicklung bildenden sekundären Leiterbahnen auf einer bedruckten Leiterplatte angeordnet. Bei diesem Übertrager hat die primäre Leiterbahn und jede sekundäre Leiterbahn lediglich drei Viertel einer Windung, und die Konstruktion scheint auf Übertrager mit weniger als einer Windung für jede Leiterbahn beschränkt zu sein. Dieser Übertrager sieht vor, daß Lotbrücken zum Abgleich des Übertragers durch Ändern der wirksamen Längen der sekundären Leiterbahnen hinzugefügt werden; ein derartiger manueller Abgleich ist in einer Fertigungsumgebung unerwünscht und er kann nicht ohne weiteres mit kleineren Übertragern erzielt werden, die für einen Betrieb bei Gigahertz-Frequenzen bestimmt sind.
Weiterhin ist es aus dem US-Patent 4 080 585, das am 21. März 1978 auf den Namen Molthen mit dem Titel "Flat Coil Transformer For Electronic Circuit Boards" erteilt wurde, bekannt, einen Übertrager zu schaffen, dessen schraubenlinienförmige Primär- und Sekundärwicklungen abgeflacht sind, wobei jede Wicklung durch Leiter auf gegenüberliegenden Oberflächen einer gedruckten Leiterplatte ausgebildet ist, und wobei sich Durchkontaktierungsbohrungen durch die Leiterplatte erstrecken, um diese Leiter zu einer flachen Wendel miteinander zu verbinden. Ein derartiger Übertrager behält im wesentlichen eine dreidimensionale Form bei, obwohl er abgeflacht ist, so daß er keine planare Form mit Windungen in einer einzigen Ebene mit spiralförmigen ineinander verschachtelten Leitern aufweist.
Es ist weiterhin aus dem US-Patent 3 904 991, das am 9. September 1975 auf den Namen Ishii et al. mit dem Titel "Stripline Directional Coupler Having Bent Coupling Arms" erteilt wurde, bekannt, einen mit gekoppelten Streifenleitungen aufgebauten Richtkoppler zu schaffen, der zwei Viertelwellenlängen-Richtkopplungseinheiten umfaßt, die in Kaskade geschaltet sind und die jeweils zentral über einen rechten Winkel gebogen sind, so daß die beiden Einheiten eine angenähert diamantförmige Anordnung bilden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten planaren Übertragers.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein planarer Übertrager mit zwei Wicklungen geschaffen, die jeweils zumindestens eine Windung aufweisen, wobei die beiden Wicklungen ineinander verschachtelte spiralförmige Leiter aufweisen, die im wesentlichen in einer einzigen Ebene angeordnet sind, wobei der Übertrager dadurch gekennzeichnet ist, daß die Leiter der Wicklungen einander überkreuzen, so daß jede Wicklung um eine Linie symmetrisch ist, die durch die Mittelpunkte der beiden Wicklungen verläuft, und daß ein Mittelanzapfungsanschluß an den Mittelpunkt von zumindestens einer der Wicklungen vorgesehen ist.
Somit sind gemäß dieser Erfindung die ineinander verschachtelten Leiter der beiden Wicklungen des Transformators so angeordnet, daß sie einander überkreuzen, um eine Symmetrie jeder Wicklung bezüglich eines Mittelpunktes der Wicklung zu erzielen, wobei an diesem Punkt eine Mittelanzapfungsverbindung hergestellt werden kann. Aufgrund der Symmetrie der Wicklung ist diese Mittelanzapfung optimal angeordnet, und die beiden Hälften der Wicklung sind induktiv und kapazitiv für alle Frequenzen in einem sehr breiten Frequenzbereich symmetriert.
Eine oder beide Wicklungen können mehr als eine Windung aufweisen, wobei typischerweise die Anzahl der Windungen der beiden Wicklungen um wesentlichen gleich ist. In diesem Fall haben die beiden Wicklungen vorzugsweise im wesentlichen die gleiche körperliche Anordnung in der Ebene. Damit können die beiden Wicklungen im wesentlichen identisch zueinander sein, wobei eine Wicklung gegenüber der anderen Wicklung in der Ebene gedreht und verschoben ist, so daß die Leiter der beiden Wicklungen ineinander verschachtelt sind und die Verbindungen an diese Wicklungen in bequemer Weise hergestellt werden können.
Wenn jede Wicklung n Windungen aufweist, so können bei einem derartigen Übertrager die Leitungen der Wicklungen einander typischerweise an einer Anzahl von 4n-2 Stellen überkreuzen.
Alternativ kann eine Wicklung im wesentlichen eine Windung mehr als die andere Wicklung aufweisen, und die Überkreuzungspunkte der Leiter können zwei Überkreuzungspunkte weniger aufweisen als Gesamtwindungen der beiden Wicklungen zusammen vorliegen, wobei jeder Überkreuzungspunkt eine Überkreuzung zwischen Leitern in unterschiedlichen Windungen der gleichen Wicklung umfaßt.
Jede Wicklung kann eine ganzzahlige Anzahl von Windungen aufweisen, doch ist dies nicht notwendigerweise der Fall, und die Wicklungen können alternativ eine nicht-ganzzahlige Anzahl von 5 Windungen aufweisen. Insbesondere werden im folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, bei denen jede Wicklung eine Anzahl von (2p+1)/2 Windungen aufweist, worin p eine positive ganze Zahl ist, was unter bestimmten Umständen vorteilhafte Anordnungen ergeben kann.
Um eine enge Kopplung zwischen den Wicklungen zu erzielen, sind die Leiter der Wicklungen und die Überkreuzungspunkte zwischen diesen in einer derartigen Weise angeordnet, daß irgendwelche zwei benachbarten Leiter einen Leiter jeder Wicklung umfassen; dies heißt mit anderen Worten, daß die Leiter der beiden Wicklungen einander abwechseln, wenn sie in einer Reihe von dem Inneren der Windungen der Wicklungen nach außen betrachtet werden.
In vorteilhafter Weise können beide Wicklungen mittelangezapft sein. In diesem Fall kann der Übertrager Einrichtungen zum Anschluß einer unsymmetrischen Schaltung zwischen einem Ende und der Mittelanzapfung einer der Wicklungen einschließen, während das andere Ende dieser einen der Wicklungen elektrisch schwimmend bleibt. Diese Anordnung kompensiert Unsymmetrien aufgrund von Schaltungen, die im Betrieb mit dem Übertrager verbunden sind, um einen verbesserten Betrieb zu erzielen.
Um kapazitive Effekte durch Vorsehen eines Luftraumes unterhalb der Leiter der Wicklungen zu verringern, umfassen die Leiter der Wicklungen vorzugsweise Leiter, die auf einer Oberfläche eines Substrates gehaltert und in Abstand von dieser angeordnet sind, so daß diese Ebene in Abstand von der Oberfläche des Substrates angeordnet ist. In diesem Fall umfaßt jeder Überkreuzungspunkt zwischen Leitern der Wicklungen in zweckmäßiger Weise einen Leiter, der von der Oberfläche des Substrates und in Abstand von dieser gehaltert ist, und einen Leiter auf der Oberfläche des Substrates.
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter verständlich, in denen:
Fig. 1 schematisch eine bekannte Form eines monolithischen Übertragers zeigt,
Fig. 2 schematisch einen monolithischen Übertrager mit einer einzigen Windung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3(a) schematisch einen monolithischen Übertrager mit zwei Windungen und einer mittelangezapften Sekundärwicklung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 3(b) schematisch eine verbesserte Form des Übertragers nach Fig. 3(a) zeigt,
Fig. 3(c) eine modifizierte Form des Übertragers nach Fig. 3(b) zeigt,
Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) schematisch weitere Formen eines Übertragers gemäß Ausführungsformen der Erfindung zeigen,
Fig. 5(a), 5(b), 5 (c) und 5(d) schematisch weitere Ausführungsformen eines Übertragers mit einer nicht ganzzahligen Windungszahlen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen,
Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des Übertragers nach Fig. 3(b) zeigt,
Fig. 7 eine modifizierte Ersatzschaltung zeigt,
Fig. 8 schematisch einen monolithischen Übertrager gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entsprechend der Ersatzschaltung nach Fig. 7 zeigt,
Fig. 9 eine praktisch ausgeführte Form eines monolithischen Übertragers zeigt, der der Fig. 8 entspricht, jedoch eine größere Anzahl von Windungen aufweist, und
Fig. 10 eine Schnittansicht ist, die den Aufbau eines Teils des Übertragers nach Fig. 9 zeigt.
Die gleichen Bezugsziffern werden in den unterschiedlichen Figuren in den Zeichnungen verwendet, um gleiche Bauteile zu bezeichnen.
Gemäß Fig. 1 besteht eine bekannte Form eines monolithischen Übertragers aus zwei spiralförmigen Wicklungen 10 und 12, nämlich primären und sekundären Wicklungen, die jeweils mit zwei Windungen dargestellt sind. Die beiden spiralförmigen Wicklungen sind im wesentlichen identisch zueinander, doch ist eine Wicklung gegenüber der anderen gedreht und verschoben, um die dargestellte Form zu bilden.
Eine wichtige Anwendung eines derartigen monolithischen Übertragers ergibt sich bei Mikrowellen-Funkempfängern bei Frequenzen von einigen Gigahertz, und insbesondere bei symmetrischen oder Gegentaktschaltungen, wie zum Beispiel bei einem Doppelgegentaktmischer, bei dem derartige Übertrager zur Ankopplung der Hochfrequenz- und Überlagerungsoszillatorsignale verwendet werden können. Bei einer derartigen Anwendung ist es erforderlich, daß die Sekundärwicklung des Transformators mittelangezapft ist, und daß die beiden Hälften der Sekundärwicklung eng aneinander angepaßt sind.
Eine Mittelanzapfung für die Sekundärwicklung 12 in Fig. 1 könnte irgendwo im Bereich des mit C markierten Punktes liegen. Die Bestimmung der Position der Mittelanzapfung für die Wicklung ist jedoch schwierig, und die Mittelanzapfungsposition kann nicht optimal für alle Frequenzen sein und führt nicht zu einer Symmetrierung der beiden Hälften der Sekundärwicklung. Diese Nachteile ergeben sich aus der Tatsache, daß sich der Windungsradius über die gesamte Wicklung ändert, so daß die Induktivität pro Windung stark von der Innenseite zur Außenseite der Spiralform hin zunimmt, während die Induktivität pro Einheitslänge geringfügig zunimmt, sowie weiterhin aus der Tatsache, daß sich die Wicklungskapazität in einer Weise ändert, die schwierig zu berechnen ist. Somit ist die Mittelanzapfungsposition typischerweise frequenzabhängig, und sie kann ein Kompromiß zwischen unterschiedlichen Positionen darstellen, die für eine induktive und eine kapazitive Symmetrierung erforderlich sind.
Fig. 2 zeigt einen monolithischen Übertrager mit einer Primärwicklung 14 und einer mittelangezapften Sekundärwicklung 16, die jeweils eine einzige Windung aufweisen, wobei die vorstehend genannten Nachteile beseitigt sind. Statt der monoton spiralförmigen Wicklungen 10 und 12 nach Fig. 1 umfaßt bei dem Übertrager nach Fig. 2 jede Wicklung eine Spirale nach innen zu einem Mittelpunkt und dann wieder nach außen, wobei die Wicklung auf jeder Seite dieses Mittelpunktes symmetrisch ist. Dieser Mittelpunkt, beispielsweise der Punkt CT in Fig. 2 für die Wicklung 16, definiert in eindeutiger Weise für die Wicklung einen Mittelanzapfungspunkt, der unabhängig von der Frequenz ist und der sicherstellt, daß die Wicklungshälften auf jeder Seite von diesem Mittelanzapfungspunkt induktiv und kapazitiv gleich sind. Diese Gleichheit ist aus der Tatsache ersichtlich, daß der Übertrager um eine horizotale Linie A-A symmetrisch ist, die durch den Punkt CT verläuft; die Windungen selbst sind außerdem im wesentlichen symmetrisch zu einer vertikalen Linie B-B, die durch ihren Mittelpunkt verläuft. Insbesondere verläuft in Fig. 2 die Linie A-A durch die Mittelpunkte beider Wicklungen des Übertragers, und jede Wicklung ist um diese Linie symmetrisch; das gleiche gilt für jede weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Symmetrie des Übertragers und seiner Wicklungen wird dadurch erzeugt, daß vertauschte Positionen oder Überkreuzungen der Leiter der Wicklungen vorgesehen werden. Für die eine einzige Windung aufweisenden Wicklungen 14 und 16 nach Fig. 2 ergeben sich zwei derartige Überkreuzungen 18, die auf der Linie B-B zentriert sind und symmetrisch auf jeder Seite der Linie A-A liegen. Die Überkreuzungen 18, an denen sich jeweils die Wicklungsleiter überkreuzen, jedoch nicht miteinander in Verbindung oder Berührung stehen, können in irgendeiner zweckmäßigen Weise ausgebildet sein, wie dies weiter unten beschrieben wird.
Fig. 3(a) zeigt einen weiteren monolithischen Übertrager mit Primär- und Sekundärwicklungen 14 und 16, die jeweils zwei Windungen aufweisen. Als Ergebnis der zusätzlichen Windung für jede Wicklung und zur Aufrechterhaltung einer Symmetrie um die horizontale Linie A-A schließt der Übertrager nach Fig. 3(a) nicht nur die beiden Überkreuzungen 18 sondern weitere vier ähnliche Überkreuzungen 20 ein. Zusätzlich führt die gerade Anzahl von Windungen dazu, daß der Punkt CT auf der Sekundärwicklung auf der rechten Seite, wie dargestellt, des Übertragers liegt, das heißt auf der gleichen Seite des Übertragers, wie die Anschlüsse 22 der Sekundärwicklung. In Fig. 3(a) schließen diese Anschlüsse 22 symmetrisch angeordnete Leiter 24 ein, die eine Verbindung zum Mittelanzapfungspunkt CT bilden. Die Leiter 24 überkreuzen die Leiter der Wicklungen 14 und 16 in der gleichen Weise wie die Überkreuzungen 18 und 20.
Somit ergibt die Anordnung nach Fig. 3(a) einen eng angepaßten und symmetrischen Übertrager mit einem unsymmetrischen oder Eintakt-Eingang (Anschlüsse 30) und einem symmetrischen oder Gegentakt-Ausgang (Anschlüsse 22). Ein derartiger Übertrager ist sehr gut für die Verwendung in einem Doppelgegentaktmischer eines Mikrowellen-Funkempfängers geeignet. Für andere Anwendungen kann die Primärwicklung 14 statt dessen oder ebenso in einer ähnlichen Weise mittelangezapft sein.
Die Anordnung nach Fig. 3(a) weist den Nachteil auf, daß unterschiedliche Windungen jeder Wicklung 14 oder 16 benachbart zueinander über Teile ihrer Länge verlaufen, anstatt daß die Leiter der beiden verschiedenen Wicklungen immer benachbart zueinander liegen. Als Ergebnis hiervon ergibt sich eine gewisse Verringerung der Kopplung zwischen den Wicklungen. Dieser Nachteil wird durch die alternative Anordnung vermieden, die in Fig. 3(b) gezeigt ist. Zur Erleichterung der Beschreibung, insbesondere zur Unterscheidung zwischen den Fig. 3(a) und 3(b) wird im folgenden auf Ringe der Wicklungen Bezug genommen, die von dem innersten Ring (Ring 1) zum äußersten ERing (Ring 4) beziffert sind, und die mit R1 bis R4 in jeder der Fig. 3(a) und 3(b) bezeichnet sind. Es sei jedoch vermerkt, daß diese Bezeichnungen sich nicht auf Windungen oder Leiter der Wicklungen selbst beziehen, weil jeder Ring aus unterschiedlichen Teilen beider Wicklungen 14 und 16 besteht.
Bei dem Übertrager nach Fig. 3(a) ergeben sich die Überkreuzungen 18 zwischen horizontalen Leitern in den Ringen R1 und R2, und zwei der Überkreuzungen 20 liegen zwischen horizontalen Leitern in den Ringen R3 und R4. Das gleiche gilt für den Übertrager nach Fig. 3(b).
Bei dem Übertrager nach Fig. 3(a) ergeben sich die beiden anderen Überkreuzungen zwischen vertikalen Leitern in den Ringen R2 und R3, wobei die Primärwicklungsanschlüsse 30 und die Sekundärwicklungsanschlüsse 22 mit vertikalen Leitern in dem Ring R4 verbunden sind. Bei dem Transformator nach Fig. 3(b) sind jedoch Überkreuzungen 26 zwischen vertikalen Leitern in nicht benachbarten Ringen R2 und R4 vorgesehen, und die Primärwicklungsanschlüsse 30 und die Sekundärwicklungsanschlüsse 22 erfolgen über Leiter in dem Ring R3 über wahlweise vorgesehene Überkreuzungen 28.
Als Ergebnis dieser Neuanordnung der Überkreuzungen und der Wicklungsanschlüsse sind die Leiter der beiden Wicklungen 14 und 16 dauernd über die gesamten Ringe R1 bis R4 des Übertragers nach Fig. 3(b) ineinander verschachtelt, so daß eine Kopplung 5 zwischen den Wicklungen bezogen auf die Kopplung des Übertragers nach Fig. 3(a) verbessert ist, während sich immer noch die gleichen Vorteile ergeben. Dies heißt mit anderen Worten, daß irgendwelche zwei benachbarten Leiter des Übertragers nach Fig. 3(b) einen Leiter jeder Wicklung bilden.
Fig. 3(c) zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Übertragers nach Fig. 3(b). Die Überkreuzungen 18, 20, 26 und 28 sind identisch, und lediglich die Pfade der Leiter der Wicklungen 14 und 16 zwischen den Überkreuzungen sind geändert. Es ist zu erkennen, daß andere Anordnungen der Leiter, unter Einschluß von rechtwinkligen, kreisförmigen und achteckigen Anordnungen in ähnlicher Weise gebildet werden können.
Die Anordnungen der Übertrager nach den Fig. 2, 3(a), 3(b) und 3(c) können modifiziert und erweitert werden, um willkürliche Windungszahlen und unterschiedliche geänderte Anordnungen von Überkreuzungen und Anschlüssen zu schaffen. Beispielsweise könnten die Mittelanzapfungen auf einem äußeren Ring vorgesehen sein, während die Anschlüsse an die Enden der Wicklungen auf einem inneren Ring erfolgen könnten, anstatt umgekehrt, wie dies gezeigt ist. Bei diesen Übertragern sind die Primär- und Sekundärwicklungen 14 und 16 zueinander identisch. Allgemein ergeben abgeänderte Anordnungen, die diese Identität beibehalten, immer noch zwei Überkreuzungen für die erste Windung und vier Überkreuzungen für jede nachfolgende Windung der Wicklungen, so daß Übertrager mit Primär- und Sekundärwicklungen von jeweils 1, 2, 3, 4 . . . Windungen jeweils 2, 6, 10, 14 . . . Überkreuzungen aufweisen, oder, all gemein gesagt, Wicklungen von n Windungen haben 4n-2 Überkreuzungen.
Die Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) zeigen abgeänderte Übertrager- Anordnungen entsprechend Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die vorstehend beschriebene Symmetrie bezüglich einer Mittellinie A-A beibehalten wird, mit einer entsprechenden Beibehaltung der durch diese Symmetrie erzielten Vorteile, bei denen jedoch die Primärwicklung 14 und die Sekundärwicklung 16 nicht identisch sind. Die in diesen Figuren gezeigten Anordnungen haben im allgemeinen insgesamt weniger Überkreuzungen, die Überkreuzungen erfolgen zwischen nicht benachbarten anstatt zwischen benachbarten Ringen, und sie können die Erzielung unterschiedlicher Windungsverhältnisse zwischen der Anzahl der Windungen der Primär- und Sekundärwicklungen erleichtern.
Bei dem Übertrager nach Fig. 4(a) weist die Primärwicklung 14 eine Windung auf, und die Sekundärwicklung 16 weist zwei Windungen mit einer Überkreuzung 26 zwischen den Sekundärwicklungsringen R1 und R3 auf. Die Endanschlüsse 22 der Sekundärwicklung werden am äußeren Ring R3 abgenommen, und die Primärwicklungsanschlüsse 30 werden am Ring R2 über eine wahlweise verwendete Überkreuzung 28 abgenommen.
Bei dem Übertrager nach Fig. 4(b) weist die Primärwicklung 14 zwei Windungen in Ringen R1 und R3 mit einer Überkreuzung 26 zwischen diesen und Anschlüsse 20 an den Ring R1 auf. In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß weitere nicht gezeigte Schaltungen in bekannter Weise im inneren des Ringes R1 angeordnet sein können.
Die Sekundärwicklung 14 weist ebenfalls zwei Windungen in Ringen R2 und R4 mit einer Überkreuzung 26 zwischen diesen und Anschlüsse 22 an die Enden der Wicklung 14 in dem Ring R4 auf.
Bei dem Übertrager nach Fig. 4(c) weist die Primärwicklung 14 drei Windungen in den Ringen R1, R3 und R5 mit einer Überkreuzung 26 zwischen den Ringen R1 und R3 und einer weiteren Überkreuzung 26 zwischen den Ringen R3 und R5 sowie Anschlüsse 30 an den Ring R5 auf. Die Sekundärwicklung 16 weist zwei Windungen in Ringen R2 und R4 mit einer Überkreuzung 26 zwischen diesen sowie Anschlüsse 22 an die Enden der Wicklung in dem Ring R4 und einen Mittelanzapfungsanschluß an dem Punkt CT in dem Ring R2 über symmetrische Leiter 24 auf.
Die Übertrager nach den Fig. 4(a) bis 4(c) können in ähnlicher Weise mit mehr Windungen in den Wicklungen und mehr Überkreuzungen 26 erweitert werden. Allgemein ergeben sich weniger Überkreuzungen 26 als die Gesamtzahl der Windungen in den Primär- und Sekundärwicklungen. Dies heißt mit anderen Worten, daß wenn die Primärwicklung 14 np Windungen aufweist, während die Sekundärwicklung 16 ns Windungen auf weist, wobei np-ns ≤1 ist, die Anzahl nc der Überkreuzungen 26 durch die Gleichung nc=np+ns-2 ist.
Die Übertrager nach den Fig. 2 bis 4 weisen sämtlich Primär- und Sekundärwicklungen mit ganzzahligen Anzahlen von Windungen auf, doch ist die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Als Beispiel zeigen die Fig. 5(a) bis 5(d) abgeänderte Formen von Übertragern mit nicht ganzzahligen Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklungen. Im einzelnen weist in diesen Figuren jede Wicklung (2p+1)/2 Windungen auf, worin p eine positive ganze Zahl ist. Jede dieser Figuren zeigt einen Übertrager mit einer Primärwicklung 14 mit einem Mittelanzapfungspunkt CP und Anschlüssen 30a und 30b, mit einer Sekundärwicklung 16 mit einem Mittelanzapfungspunkt CT und Anschlüssen 22a und 22b, mit Überkreuzungen, die aus Gründen der Klarheit nicht bezeichnet sind, und mit einer Symmetrielinie A-A.
Bei dem Übertrager nach Fig. 5(a) weist jede Wicklung 14 und 16 eineinhalb Windungen auf, doch ist die Kopplung zwischen diesen Wicklungen nicht optimal, weil wie im Übertrager nach Fig. 3(a) unterschiedliche Windungen jeder Wicklung 14 oder 16 benachbart zueinander über Teile ihrer Längen verlaufen. Bei dem Übertrager nach Fig. 5(b) sind die Wicklungen 14 und 16 derart anders angeordnet, daß irgendwelche zwei Leiter, die benachbart zueinander verlaufen, zu unterschiedlichen Wicklungen gehören, so daß die Kopplung zwischen den Wicklungen gegenüber der nach Fig. 5(a) verbessert ist, und zwar in der gleichen Weise, wie die Kopplung des Übertragers nach Fig. 3(b) gegenüber der des Übertragers nach Fig. 3(a) verbessert ist. Fig. 5(c) zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Übertragers nach Fig. 5(b), wobei die Modifikation ähnlich der nach Fig. 3(c) gegenüber der Fig. 3(b) ist. Fig. 5(d) zeigt einen Übertrager, bei dem die Primärwicklung 14 zweieinhalb Windungen aufweist, während die Sekundärwicklung eineinhalb Windungen aufweist.
Bei den Übertragern nach den Fig. 5(a) bis 5(d) führt die nicht ganzzahlige Windungszahl jeder Wicklung 14 oder 16 dazu, daß die Anschlüsse 30a, 30b oder 22a, 22b auf entgegengesetzten Seiten des Übertragers liegen. Dies kann ein Vorteil bei solchen Schaltungen wie z. B. Gegentaktverstärkern sein, bei denen die beiden Anschlüsse jeder Wicklung mit jeweiligen Verstärkereinheiten verbunden sind, weil hier die Verstärkereinheiten auf jeder Seite des Übertragers in einer integrierten Schaltung mit einer symmetrischen Auslegung angeordnet sein können.
Obwohl die Übertrager nach den Fig. 2 bis 5 perfekt symmetrisch ausgebildet werden können, besteht ein Symmetrierproblem immer noch dann, wenn sie als Symmetrierübertrager verwendet werden, d. h. zur Erzeugung von symmetrischen gegenphasigen Signalen aus einem unsymmetrischen Signal, und zwar aufgrund der Symmetrie der Schaltungen, mit denen sie verbunden sind. Dies wird weiter unten anhand der Fig. 6 erläutert.
Fig. 6 zeigt einen Übertrager mit einem unsymmetrischen Eingang an einer Primärwicklung 14 und einem symmetrischen Ausgang an einer mittelangezapften Sekundärwicklung 16. Die Mittelanzapfung CT der Sekundärwicklung ist geerdet, und zwar ebenso wie ein Ende der Primärwicklung 14, und ein Eingangssignal 32 wird dem anderen Ende der Primärwicklung zugeführt. Ein gleichphasiges Ausgangssignal 34 und ein gegenphasiges Ausgangssignal 36 werden an den Enden der Sekundärwicklung 16 abgeleitet. Fig. 6 zeigt weiterhin mit gestrichelt dargestellten Leitungsverbindungen Kapazitäten 38 und 40 zwischen den Enden der Wicklungen 14 und 16. Die Kapazitäten stellen die Wicklungkapazitäten des Übertragers zwischen den Wicklungen 14 und 16 dar, die zu einem Symmetrierproblem führen.
Nun ist aus Fig. 6 zu erkennen, daß die Kapazität 38 zwischen Punkten angeschaltet ist, an denen die Signalspannungen gleichphasig sind, während die Kapazität 40 an einer Seite mit Erde und an der anderen Seite mit einer Signalspannung verbunden ist. Entsprechend ist die Kapazität 40 einer anderen und größeren Signalspannung als die Kapazität 38 ausgesetzt, und dies führt zu einer beträchtlichen Unsymmetrie in dem Frequenzgang des Übertragers für die beiden Ausgangssignale 34 und 36.
Eine Lösung dieses Problems ist in Fig. 7 gezeigt. Wie dies in dieser Figur gezeigt ist, ist die Primärwicklung 14 ebenfalls mittelangezapft, und die Mittelanzapfung ist geerdet, wobei das Signal 32 einem Ende der Primärwicklung zugeführt wird, während das andere Ende frei schwimmend gelassen wird. Entsprechend wird ein gegenphasiges Signal 42 an diesem schwimmenden Ende erzeugt, das damit in Phase mit dem gegenphasigen Ausgangssignal 36 ist.
Hierdurch wird im wesentlichen jede Unsymmetrie beseitigt, weil nunmehr beide Kapazitäten 38 und 40 den gleichen Spannungsbedingungen ausgesetzt sind, und der Frequenzgang des Übertragers wird beträchtlich verbessert. Die im Leerlauf betriebene oder schwimmende Hälfte der Primärwicklung 14 dient damit zur Kompensation der Auswirkungen der Kapazitäten zwischen den Wicklungen.
Fig. 8 zeigt den Übertrager nach Fig. 3(b) nach Modifikation gemäß den Prinzipien der Fig. 7. Ein Mittelpunkt CP der Primärwicklung 14 ist über symmetrische Leiter 44 mit einem der Primärwicklungsanschlüsse 30 verbunden, von denen der andere mit einem Ende der Primärwicklung 14 verbunden ist. Das andere Ende 46 der Primärwicklung verbleibt offen. Im übrigen entspricht der Übertrager nach Fig. 8 dem vorstehend anhand der Fig. 3(b) beschriebenen Übertrager.
Fig. 9 zeigt in stark vergrößerter Draufsicht eine praktische Ausführungsform eines monolithischen Übertragers auf der Grundlage der Darstellung nach Fig. 8, wobei jedoch jede der Wicklungen insgesamt vier Windungen aufweist. Ähnliche Bezugsziffern wie die vorstehend verwendeten werden zur Bezeichnung der entsprechenden Teile des Übertragers verwendet. Hierbei gibt es 4·4-2=14 Überkreuzungen, nämlich die zwei Überkreuzungen 18, sechs Überkreuzungen 20 und sechs nicht benachbarte Überkreuzungen 26 sowie zusätzlich die beiden wahlweisen Überkreuzungen 28 an den Enden der Wicklungen 14 und 16. Jede Überkreuzung ist so ausgebildet, wie dies nachfolgend unter zusätzlicher Bezugnahme auf die Querschnittsansicht nach Fig. 10 beschrieben wird.
Der Übertrager wird unter Verwendung einer sogenannten Luftbrückentechnologie auf einem geeigneten Substrat ausgebildet, das durch Glas, Keramik oder einem anderen Isoliermaterial gebildet sein kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wurde der Übertrager auf einem Galliumarsenitsubstrat ausgebildet, auf dem andere Bauteile eines Doppelgegentaktmischers mit Feldeffekttransistoren mit zwei Gateelektroden für einen Betrieb bei Frequenzen von bis zu ungefähr 8 GHz ebenfalls ausgebildet wurden, wobei die Übertragerwicklungen 14 und 16 als solche einen quadratischen Bereich mit einer Seitenlänge von ungefähr 300 um einnehmen. Die quadratischen Anschlüsse 22 und 30 in Fig. 9 stellen Anschlußkissen auf einem derartigen Substrat dar, das in Fig. 10 mit 48 bezeichnet ist.
Mit der Luftbrückentechnologie werden die Leiter 50 über die Oberfläche des Substrates 48 zur Verringerung der Kapazität angehoben, und sie sind periodisch entlang ihrer Länge auf leitenden Säulen 52 gehaltert, die in Fig. 9 als kleine Quadrate gezeigt sind. Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit stellt die Fig. 9 nicht alle Säulen 52 dar, die entlang der Längen der Leiter 50 vorhanden sein würden. Für jede Überkreuzung wird ein Leiter 54 direkt auf der Oberfläche des Substrates 48 ausgebildet, die sich zwischen zwei Säulen 52 erstreckt, die hierdurch verbunden sind. Mit der Ausnahme dieser Überkreuzungsleiter 54, der Verbindungen 22 und 30, der Leiter 24 und 44, der Säulen 52 und einem Leiter 56 sind alle Übertrager-Leiter durch die erhöht angeordneten Leiter 50 gebildet.
Um die Leiter 54, die Säulen 52 und die erhöht angeordneten Leiter 50 auf dem Substrat 48 auszubilden, werden anfänglich die Substratleiter 54 auf dem Substrat in dem gewünschten Muster abgeschieden, worauf eine Fotolackschicht aufgebracht wird und die Säulen 52 und die Leiter 50 in dem gewünschten Muster abgeschieden werden, und schließlich wird der Fotolack entfernt, so daß die in Fig. 10 dargestellte Form der Struktur verbleibt. Die leitenden Teile können zweckmäßigerweise aus Gold bestehen, wobei die Substratleiter 54 eine Dicke von ungefähr 0,4 um aufweisen, während die Leiter 50 eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 um aufweisen und die Luftspalte zwischen den Leitern 50 und 54 eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 um aufweisen.
In Fig. 9 verbindet der Substratleiter 56 die Basisflächen der Säulen 52 an den Mittelanzapfungen CP und CT, und er ist (obwohl die Verbindungen in Fig. 9 nicht zu erkennen sind, weil sie über den erhöht angeordneten Leitern 50 liegen) mit den Leitern 44 und 24 verbunden, die ihrerseits über jeweilige Anschlüsse 30 und 22 geerdet sind. Die beiden Leiter 44 sind in Fig. 9 miteinander verbunden dargestellt, sie können jedoch statt dessen auch mit getrennten Anschlußkissen zur getrennten Erdung verbunden sein.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben wurden, ist es verständlich, daß vielfältige Modifikationen, Abänderungen und Anpassungen an diesen durchgeführt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Beispielsweise sei bemerkt, daß die Erfindung nicht auf monolithische Übertrager beschränkt ist, sondern daß sie auch auf andere planare Übertrager anwendbar ist, wie zum Beispiel auf Übertrager, die durch gedruckte Leitungen auf Leiterplatten gebildet sind, für die insbesondere durchkontaktierte Bohrungen und Leiter auf beiden Seiten oder in unterschiedlichen Lagen verwendet werden können, um die erforderlichen Überkreuzungen herzustellen. Weiterhin ist es verständlich, daß Übertrager gemäß der Erfindung weiterhin direkt auf einem Substrat aufgebaut werden können, wobei isolierende Überkreuzungen anstelle der Luftbrückentechnologie, wie sie vorstehend beschrieben wurde, verwendet werden.

Claims

1. Planarer Übertrager mit zwei Wicklungen (14, 16), die jeweils zumindestens eine Windung aufweisen, wobei die beiden Wicklungen ineinander verschachtelte spiralförmige Leiter aufweisen, die im wesentlichen in einer einzigen Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Wicklungen einander kreuzen (18), wodurch jedes Wicklung symmetrisch zu einer Linie (A-A) ist, die durch die Mittelpunkte der beiden Wicklungen verläuft, und daß ein Mittelanzapfungsanschluß (CT) an den Mittelpunkt von zumindestens einer der Wicklungen vorgesehen ist.

2. Planarer Übertrager nach Anspruch 1, bei dem zumindestens eine der Wicklungen mehr als eine Windung aufweist.

3. Planarer Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Überkreuzungen der Leiter zwei Überkreuzungen weniger als die Gesamtzahl der Windungen der beiden Wicklungen zusammen umfassen.

4. Planarer Übertrager nach Anspruch 3, bei dem jede Überkreuzung eine Überkreuzung (26) zwischen Leitern in unterschiedlichen Windungen der gleichen Wicklung umfaßt.

5. Planarer Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Wicklung im wesentlichen eine Windung mehr als die andere Wicklung aufweist.

6. Planarer Übertrager nach Anspruch 1, bei dem jede der Wicklungen mehr als eine Windung aufweist.

7. Planarer Übertrager nach Anspruch 1 oder 6, bei dem die beiden Wicklungen im wesentlichen die gleiche Anzahl von Windungen aufweisen.

8. Planarer Übertrager nach Anspruch 7, bei dem die beiden Wicklungen im wesentlichen die gleiche körperliche Anordnung in der genannten Ebene aufweisen.

9. Planarer Übertrager nach Anspruch 8, bei dem jede Wicklung n Windungen aufweist und die Leiter der Wicklung einander an einer Anzahl von 4n-2 Stellen überkreuzen.

10. Planarer Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Leiter der Wicklungen und die Überkreuzungen zwischen diesen in einer derartigen Weise angeordnet sind, daß jeweilige zwei benachbarte Leiter einen Leiter jeder Wicklung umfassen.

11. Planarer Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der Mittelanzapfungsanschlüsse (CT, CP) an die Mittelpunkte beider Wicklungen einschließt.

12. Planarer Übertrager nach Anspruch 11, der Einrichtungen (30) zum Anschluß einer unsymmetrischen Schaltung zwischen einem Ende und dem Mittelanzapfungsanschluß (CP) einer der Wicklungen (14) einschließt, wobei das andere Ende dieser einen der Wicklungen elektrisch schwimmend gelassen wird.

13. Planarer Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Leiter der Wicklungen Leiter (50) umfassen, die auf einer Oberfläche eines Substrates (48) und mit Abstand von dieser gehaltert sind, so daß die genannte Ebene von der Oberfläche des Substrates einen Abstand aufweist.

14. Planarer Übertrager nach Anspruch 13, bei dem jede Überkreuzung zwischen Leitern der Wicklungen einen Leiter (50), der auf der Oberfläche des Substrates (48) und in Abstand von dieser gehaltert ist, und einen Leiter (54) auf der Oberfläche des Substrates umfaßt.