DE4035209A1 - Impedanzwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Impedanzwandler mit mindestens einem Magnetkern und mindestens einer damit verbundenen Wicklung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Solche Impedanzwandler, insbesondere als Sparübertrager ausgebildet, werden in der Übertragungstechnik für Breit­ bandübertragung hoher Frequenzen eingesetzt. Bei dieser Übertragungsart tritt insbesondere das Problem der Eigen­ induktivität auf, welche die Übertragungsgrenzen bestimmt. Mit steigender Eigeninduktivität nimmt die Übertragungs­ bandbreite ab. Die Eigeninduktivität nimmt mit der Win­ dungszahl der Spule quadratisch zu. Dies wirkt sich bei höheren Frequenzen besonders nachteilig aus und aus diesem Grund ist man bestrebt, die Windungszahl so niedrig wie möglich zu halten. Ein anderes Problem bei Spulenüber­ tragern ist dadurch gegeben, daß eine genaue Anpassung der transformierten Wellenwiderstände (die meistverwendete Transformation ist: 50 Ohm auf 75 Ohm) aufgrund der zu geringen Rückflußdämpfung schwierig ist. Insbesondere bei Übertragungen im Bereich hoher Frequenzen, (z. B. 1,2 GHz bis 2 GHz) wirkt sich die zu geringe Rückflußdämpfung sehr negativ aus. Bei den auf dem Markt erhältlichen Impedanzwandlern, ergibt sich z. B. bei einer Windungszahl w₁ = 5 und w₂ = 4 ein Impedanzverhältnis von 1,56. Dieses Impedanzverhältnis bedingt, daß eine Transformation von 50 Ohm auf 78,13 Ohm stattfindet und nicht auf 75 Ohm, wie erwünscht. Daher ist es wichtig, das Impedanzverhältnis zu verbessern, daß heißt es auf einen Wert zu bringen, der für das obige Beispiel so nahe wie möglich an 1,5 liegt. Würde ein Impedanzwandler mit einem Windungsverhält­ nis von z. B. w₁ = 22 und w₂ = 18, gewählt, so würde sich zwar ein Impedanzverhältnis von 1,494 ergeben, was zu einem transformierten Wert des obigen Beispieles von 74,7 Ohm führen würde, jedoch aufgrund der eingangs geschilderten Zusammenhänge würde bei dieser hohen Win­ dungszahl die Eigeninduktivität des Übertragers so hoch ansteigen, daß eine Übertragung in breiten Frequenzbereich­ en nicht mehr realisierbar wäre. Ein weiterer Nachteil einer höheren Windungszahl wäre auch die große Länge der Leitung/der Windungen wodurch der Wellenwiderstandswert sehr erhöht würde, was wiederum zum Abfall der Leistung nach sich ziehen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungs­ gemäßen Impedanzwandler so auszugestalten, daß bei einfacher und gebrauchsvorteilhafter Ausgestaltung eine genaue Anpassung der Wellenwiderstände bei gleichzeitiger Einhaltung einer vorgegebenen Übertragungsbandbreite gewährleistet ist. Die Rückflußdämpfung soll dabei wesentlich verbessert werden.

Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß durch die Reali­ sierung von Teilwindungsverhältnissen d. h. durch nichtganz­ zahlige Windungszahlen bei gleichzeitiger Einhaltung der Bedingung der Minimierung der Windungszahl ein optimales Impedanzverhältnis erreicht wird und somit eine genaue Impedanzeinstellung im Sinne einer optimalen Anpassung der Wellenwiderstände realisierbar ist.

Eine preisgünstige und einfache Realisierung der Teilwin­ dungsverhältnisse ist im einzelnen dadurch erreicht, daß mindestens zwei Teilmagnetkerne vorgesehen sind. Die er­ forderliche Teilwindung ist so ausgeführt, daß eine Windung nur um mindestens einen Teilmagnetkern geführt ist und die restlichen Windungen um alle anderen Teile des Magnet­ kernes. Sind zwei gleiche Teilmagnetkerne vorgesehen, und sind diese in ihren Abmessungen gleich, so wird dadurch ein Windungsverhältnis von 0,5 erreicht. Besteht der Magnetkern aus drei Teilmagnetkernen von gleichen Abmessungen, so werden Teilwindungsverhältnisse von 0,33 bzw. 0,66 realisiert, je nachdem ob eine Windung durch einen oder zwei Teilmagnetkerne geführt ist.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß die einzelnen Teilmagnetkerne Abmessungen/Breiten aufweisen, welche die Teilwindungsverhältnisse bestimmen. Durch das Führen einer Windung nur durch einen einzelnen Teilmagnetkern können beliebige nicht ganzzahlige Windungszahlen realisiert werden.

Ähnlich verhält es sich mit der Maßnahme der Führung einer Windung durch ein in der Wandung eines Ringmagnetkernes an seiner Stirnseite vorgesehenes Loch. In Abhängigkeit von dem Abstand des Loches vom Rand des Magnetkerns werden auf einfache Weise verschiedene Teilwindungsverhältnisse erreicht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung bestehen die Teilmag­ netkerne aus Werkstoffen, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. In diesem Fall erfolgt die Reali­ sierung des gewünschten Teilwindungsverhältnisses durch die magnetische Verschiebung durch die verschiedenen mag­ netischen Eigenschaften der einzelnen Kerne, unabhängig von den geometrischen Verhältnissen. Das heißt, daß auch bei einer geometrischen Ausgestaltung derart, daß die Teilmagnetkerne die gleichen Abmessungen aufweisen, jedoch unterschiedliche magnetische Eigenschaften besitzen, ein beliebiges Teilwindungsverhältnis, abweichend von dem geometrisch vorgegebenen (in diesem Fall 0,5) realisiert werden kann. Für diese erfinderische Ausgestaltung bieten sich insbesondere Ferrit- oder Eisenpulverkerne an. Die Auswahl der geeigneten Werkstoffe und deren Kombination kann aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung derart, daß mehrere Teilmagnetkerne vorgesehen sind auf eine besonders einfache Weise erfolgen, wobei das einzige Auswahlkriterium das Frequenzverhalten und die dadurch bedingten Breitbandübertragungseigenschaften der Teilmagnet­ kerne sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gegenstandes liegt darin, daß die Wicklungen auf einer Leiterplatte angeordnet sind (gedruckte Schaltung) und ein Magnetkern in diese eingeschoben wird.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung eines Ersatzschaltbildes des erfindungsgemäßen Impedanzwandlers.

Fig. 2 perspektivische Darstellung eines aus zwei Teilmag­ netkernen bestehenden Magnetkernes mit 4,5 Windungen.

Fig. 3 perspektivische Darstellung einer anderen Ausgestal­ tung des erfindungsgemäßen Magnetkernes mit 4,5 Windungen.

Fig. 4 eine Seitenansicht der Anordnung der Windungen an dem Magnetkern.

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impedanzwandlers.

In der Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines erfindungsge­ mäßen Impedanzwandlers in Ausführung als Sparübertrager dargestellt. In diesem Bild ist dargestellt, daß ein Win­ dungsverhältnis 1+4,5 Windungen realisiert wurde. Dieses Windungsverhältnis von w₁ = 5,5 zu w₂ = 4,5 ergibt ein Impedanzverhältnis von 1,494 und somit eine Transfor­ mation von 50 Ohm auf 74,69 Ohm. Mit diesem Windungszahl­ verhältnis ist realisiert, daß der Sollwert von 75 Ohm mit nur einer geringen Abweichung erreicht wurde. Denkbar sind auch Windungsverhältnisse von w₁ =5,45 zu w₂ = 4,45 Windungen, welche Windungszahlen ein Impedanzverhältnis von 1,49994 ergeben, was einer Transformation von 50 Ohm auf 74,997 Ohm entspricht. Durch diese Ausgestaltung könnte bei einem vorgegebenen Sollwert von 75 Ohm ein optimales Transformationsverhältnis erreicht werden.

Die konstruktive Ausführung des Magnetkernes und der Windungen des erfindungsgemäßen Impedanzwandlers ist beispielhaft in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. Der Ring­ magnetkern 1 besteht aus zwei Teilmagnetkernen 1a und 1b. Diese Magnetkerne 1a, 1b haben gleiche Breiten, deshalb bewirkt ein Herausführen einer Windung 2 in der Mitte zwischen den beiden Teilmagnetkernen 1a, 1b eine halbe Windung. (Eine ganze Windung 2 bedeutet ein Wickeln um beide Teilmagnetkerne 1a, 1b.) Das Windungsverhältnis von 4,5 bzw. 5,5 Windungen ist auf diese Weise einfach realisiert. Anstatt der Ausführungsform des Teilmagnet­ kernes 1 mit zwei Teilmagnetkernen 1a und 1b ist auch eine Ausführungsform mit einem Loch 3 in der Mitte des Ringmagnetkernes 1 möglich. Durch dieses an der Stirnseite der Wandung angeordnete Loch 3 wird die Windung 2 heraus­ geführt.Das Loch 3 befindet sich in der Breitenmitte des Magnetkernes 1. Daher ist auch hier ein Windungsverhältnis 4,5 bzw. 5,5 realisiert. Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Windungen 2 und des Magnetkernes 1, in einer Aus­ führungsform bei der der Magnetkern 1 aus zwei Teil­ magnetkernen 1a und 1b besteht.

Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Impedanzwandler als fertiges Bauteil 4. Der Impedanzwandler 4 weist eine aus Kupfer bestehende Zentralleitung 5 auf, die gleichzeitig die erste Windung darstellt, einen, aus zwei Teilen 1a und 1b bestehenden Magnetkern 1, ein Gehäuse 6, das die Endbuchse bildet und einen Endstecker 7. Auf dem Magnet­ kern 1 sind 4, 5 Windungen angebracht, welche zusammen mit der Zentralleitung 5 5,5 Windungen darstellen. In der Umgebung der Teilmagnetkerne 1a, 1b sind die Außen­ leiter 5a, 5b durch in der Umgebung des Magnetkernes 1 und in richtigem Abstand von der Zentralleitung 5 angeord­ ete Leiterplatten 8 ersetzt. Dies geschieht aus Montage­ gründen und um die Zentralleitung 5 so wenig wie möglich zu beeinflussen.

Claims (7)

1. Impedanzwandler, insbesondere als Sparübertrager ausge­ bildet, mit mindestens einem Magnetkern, insbesondere einem Ringkern und mindestens einer damit verbundenen Wicklung dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Magnetkern (1) bei einer minimalen Anzahl von Windungen (2) Teilwin­ dungsverhältnisse realisiert sind.

2. Impedanzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (1) aus mindestens zwei einzelnen Teil­ magnetkernen (1a, 1b) besteht, und daß die eine Windung (2) um mindestens einen Teilmagnetkern (1a) gewickelt ist.

3. Impedanzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmagnetkerne (1a, 1b) Breiten aufweisen, welche das Teilwindungsverhältnis bestimmen.

4. Impedanzwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Ringkern (1) ausgebildete Magnetkern ein stirn­ seitig angeordnetes Loch (3) in seiner Wandung aufweist durch das eine Windung (2) herausgeführt ist und das Loch (3) einen Abstand vom äußeren Rand des Magnetkernes (1) aufweist, der das Teilwindungsverhältnis bestimmt.

5. Impedanzwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmagnetkerne (1a, 1b) aus Materialien mit unter­ schiedlichen magnetischen Eigenschaften bestehen.

6. Impedanzwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilmagnetkerne (1a, 1b) gleiche Breiten aufweisen.

7. Impedanzwandler nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (2) in einer Leiterplatte, in welche der Magnetkern (1) eingreift, angeordnet sind.