DE69503551T2

DE69503551T2 - Verfahren zur Herstellung eines Transformators

Info

Publication number: DE69503551T2
Application number: DE69503551T
Authority: DE
Inventors: Robert S. Mesa Arizona Kaltenecker
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1995-02-23
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2015-02-24
Also published as: JPH07245225A; EP0676779B1; DE69503551D1; US5572435A; EP0676779A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entwurf eines RF-Transformators für erhöhte Leistungsfähigkeit.

Hintergrund der Erfindung

Ein Weg zum Herstellen eines RF-Transformators ist es, einen Abschnitt von verdrilltem Draht und einen Kern zu nehmen und den verdrillten Draht eine vorherbestimmte Anzahl von Windungen um den Kern zu wickeln. Solch eine Transformatorkonfiguration hat eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise die Induktivität jedes einzelnen Drahtes, wenn er um den Kern gewickelt ist, und eine Kreuzkopplungsinduktivität zwischen jedem der einzelnen Drähte. Außerdem würde es wegen der weit verbreiteten Verwendung von Transformatoren wünschenswert sein, ein Modell des Transformators und ein Verfahren zum Herstellen von Transformatoren zu haben, so daß die Leistungsfähigkeit von RF-Transformatoren optimiert werden kann.
Ein typisches Verfahren zum Erhalten von Informationen über RF-Transformatoren ist, viele Beispiele von verwendeten Drähten und Ferritkernen zu erhalten und einen Transformator manuell zu wickeln und dann die verschiedenen Parameter zu messen. Dies kann wiederholt getan werden, um gegebenenfalls eine große Anzahl von empirischen Daten zu erhalten, wobei die empirischen Daten dann dazu verwendet werden können, einen gewünschten Transformator zu entwerfen. Dieses mühsame Verfahren leidet offensichtlich an den Nachteilen, daß es schwierig ist, den Entwurf zu optimieren, da kein Modell geschaffen ist, und es ist zeitaufwendig.
Gegenwärtig existieren andere Modelle für einen Transformator. Zum Beispiel kann ein Niederfrequenzmodell für einen Transformator zwei parallele Induktionsspulen enthalten, die gegengekoppelt sind, wobei ein Widerstand über eine der Induktionsspulen gekoppelt ist. Zusätzlich kann ein Hochfrequenzmodell eine ähnliche Konfiguration enthalten, jedoch weiter Kondensatoren und/oder Induktionsspulen enthalten, die über die gegengekoppelten Induktionsspulen gekoppelt sind. Jedoch ist kein Modell anwendbar, um einen Transformator sowohl für Niedrig- als auch Hochfrequenzbereiche zu charakterisieren.
Ein Artikel mit dem Titel "Frequency-Independent-Element Cross-Coupled-Secondaries Model for Multiwinding Transformers", veröffentlicht von Van A. Niemela u. a. (PESC '92 Record. 23RD ANNUAL IEEE ROWER ELECTRONICS SPECTALISTS CONFERENCE (CAT. NO. 92CH3163-3), TOLEDO, SPAIN, 29 JUNE-3 JULY 1992), beschreibt ein Verfahren zum Entwerfen eines frequenzunabhängigen Elements sekundärkreuzgekoppelten Modells für Transformatoren mit mehrfachen Windungen durch Darlegen einer äquivalenten Schaltung für Hochfrequenztransformatoren, welches genau die Effekte eines gewickelten Wechselstromwiderstands und einer Streuinduktivität über einen großen Frequenzbereich vorherbestimmt.
Daher existiert ein Bedarf für eine verbesserte Technik zum Modellieren eines Transformators und ein verbessertes Verfahren zum Entwerfen eines Transformators für erhöhte Leistungsfähigkeit.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 der angefügten Patentansprüche genannt ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine detaillierte schematische Darstellung, die ein Modell für einen RF-Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 2 ist eine detaillierte graphische Darstellung, die eine Verfahren zum Entwerfen eines RF-Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine detaillierte schematische Darstellung, die ein Modell 10 für einen Zweidrahttransformator zeigt. Dieses Modell verkörpert einen Transformator, der durch erste und zweite Drähte hergestellt wurde, welche miteinander verdrillt und dann um den Kern gewickelt sind.
Der erste Draht, welcher ein erstes an den Anschluß 12 gekoppeltes Ende hat, besitzt eine Reihenleitungsinduktivität, wie sie durch die Spule 14 verkörpert wird, und eine Kapazität gegen Masse (Erde), wie sie durch den Kondensator 16 verkörpert wird. In ähnlicher Weise ist das zweite Ende des ersten Drahtes an einen Anschluß 18 gekoppelt, wobei seine Reiheninduktivität durch eine Spule 20 verkörpert wird und seine Kapazität gegen Masse durch einen Kondensator 22 verkörpert wird.
In ähnlicher Weise besitzt der zweite Draht ein erstes Ende, das an einen Anschluß 24 gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das an einen Anschluß 26 gekoppelt ist. Der zweite Draht hat ähnliche Reiheninduktivitäten, wie sie durch die Spulen 14 und 20 für den ersten Draht verkörpert werden, die entsprechend durch Spulen 28 und 30 verkörpert werden. Außerdem hat der zweite Draht Kapazitäten gegen Masse, ähnlich denen durch die Kondensatoren 16 und 22 für den ersten Draht verkörperten, die entsprechend durch Kondensatoren 32 und 34 verkörpert werden.
Wenn ein Draht um einen Kern gewickelt ist, existiert eine Induktivität zwischen den Enden des Drahtes, die eine Funktion sowohl der Frequenz als auch der magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials ist. Eine derartige Induktivität für den ersten Draht ist durch eine Spule 36 verkörpert. Eine ähnliche Induktivität für den zweiten Draht ist durch eine Spule 38 verkörpert.
Wenn ein Draht um einen Kern gewickelt ist, existiert zusätzlich ein Widerstand, der zwischen den Enden des Drahtes auftritt. Ein derartiger Widerstand für die ersten und zweiten Drähte ist entsprechend durch Widerstände 40 und 42 verkörpert.
Da die ersten und zweiten Drähte im übrigen verdrillte Drähte sind, existiert weiterhin eine Gegeninduktivität zwischen den zwei Drähten, wie sie durch einen Kopplungsfaktor KKern verkörpert wird.
Außerdem existiert eine Kapazität, die zwischen den zwei Drähten auftritt, wie sie durch Kondensatoren 44 und 46 verkörpert wird.
Diese Kombination von Elementen, die das Modell für den RF- Transformator mit verdrillten Drähten beschreibt, wurde aus der tatsächlichen physikalischen Konstruktion des RF-Transformators gewonnen. Das heißt, jeder Modellparameter kann zu den physikalischen Parametern der Elemente, die den RF-Transformator erzeugen, nämlich der verdrillte Draht und der Kern, in Beziehung gesetzt werden. Zum Beispiel sind die Reihenleitungsinduktivitäten (der Abschnitt des Drahtes, der nicht um den Kern gewickelt ist), die durch die Spulen 14, 20, 28 und 30 verkörpert werden, die tatsächlichen Induktivitäten für die Leitungen des RF-Transformators. Der Induktivitätswert dieser Reiheninduktivitäten ist direkt proportional zu der physikalischen Länge der Leitungen des RF-Transformators, da eine direkte Beziehung offensichtlich ist. Die Kapazität zwischen dem verdrillten Draht, die durch die Kondensatoren 44 und 46 verkörpert wird, steht in direkter Beziehung zu der Drahtisolationsdicke, der relativen Dielektrizitätskonstante der Drahtisolation und der Verdrillungsrate des Drahtes, da dieser Parameter des Modells in direkter Beziehung zu den physikalischen Eigenschaften des verdrillten Drahtes steht. Ebenso sind die Selbstinduktivitäten 36 und 38 in direkter Beziehung zu den magnetischen Eigenschaften des Kernmaterials und der physikalischen Konfiguration des um den Kern gewikkelten verdrillten Drahtes. Alle Modellparameter stehen in direkter Beziehung zu der physikalischen Konstruktion des RF- Transformators.
In Fig. 2 sind die Schritte eines Verfahrens zum Entwurf eines RF-Transformators dargestellt. Der RF-Transformator ist unter Verwendung von verdrilltem Draht und einem Kern aufgebaut, wie dies in den Kreisen 60 bzw. 61 dargestellt ist. Der erste, durch einen Kasten 64 dargestellte Schritt ist die Bestimmung der Kapazität zwischen den verdrillten Drähten, wobei diese Kapazität in dem Modell 10 des RF-Transformators (von Fig. 1) durch die Kondensatoren 44 und 46 verkörpert ist. Dieser Schritt beinhaltet die Bestimmung einer Charakteristik des verdrillten Drahtes, wenn dieser vom Kern getrennt ist. Die Kapazität zwischen dem verdrillten Draht wird bestimmt durch Verwenden einer Länge des verdrillten Drahtes und Ausführen einer Kapazitätsmessung. Der Kapazitätslängenwert des verdrillten Drahtes wird durch dividieren der gemessenen Kapazität durch die Länge des Drahtes erhalten.
Der nächste, durch einen Kasten 66 dargestellte Schritt ist, die Selbstinduktivität und den Widerstand eines einzelnen, um den Kern gewickelten Drahtes über einen vorherbestimmten Frequenzbereich zu bestimmen. Typischerweise ist der einzelne Draht im wesentlichen identisch mit einem der Drähte, die in dem RF-Transformator mit dem verdrillten Draht verwendet werden, jedoch ist dies keine Voraussetzung. Wenn ein einzelner Draht um den Kern gewickelt ist, haben die Bereiche des einzelnen Drahtes, die nicht um den Kern gewickelt sind und auch als die Leitungen bezeichnet werden, eine vorherbestimmte physikalische Länge. Aus dieser Länge und der Kenntnis des Durchmessers des Drahtes kann die Reihenleitungsinduktivität (LS) des einzelnen Drahtes bestimmt werden. Aus einer Impedanzmessung über einen vorherbestimmten Frequenzbereich werden die Gesamtinduktivität und der Gesamtwiderstand des einzelnen Drahtes, der um den Kern gewickelt ist, bestimmt. Der Wert der Gesamtinduktivität ist die Summe aus den Reihenleitungsinduktivitäten (L5) und der Kerninduktivität (LKern) in dem Modell des RF-Transformators nach Fig. 1. Deshalb können aus dieser Messung die Induktivität 36 und der Widerstand 40 bestimmt werden, da die Leitungsinduktivität bereits wie oben erläutert festgestellt wurde. Die Werte der Komponenten 36 und 40 (sowie auch der Komponenten 38 und 42) sind Funktionen der Frequenz und stehen in direkter Beziehung zu den magnetischen Eigenschaften des Kerns und der physikalischen Konfiguration des um den Kern gewickelten Drahtes. Es ist ersichtlich, daß dieser Schritt die Bestimmung einer Charakteristik des Kerns mit sich bringt, wenn dieser von dem verdrillten Draht getrennt ist. Oder alternativ bringt dieser Schritt die Bestimmung einer Charakteristik des verdrillten Drahtes durch Benutzen eines einzelnen Drahtes mit sich.
Die durch einen Kasten 68 dargestellte Entfernung des Kerns gestattet für die Bestimmung der Selbstinduktivität des einzelnen Drahtes in Abwesenheit des Kerns über einen vorherbestimmten Frequenzbereich, wobei der einzelne Draht im wesentlichen in einer identischen Konfiguration vorliegt, als wenn er um den Kern gewickelt wäre, wobei der einzelne Draht im wesentlichen identisch zu einem der Drähte ist, die in dem RF-Transformator mit verdrilltem Draht verwendet werden. Ein einzelner Draht wird um den Kern gewickelt, und dann wird der Kern entfernt. Durch eine Impedanzmessung über einen vorherbestimmten Frequenzbereich wird die Gesamtinduktivität dieses einzelnen Drahtes bestimmt, der in einer im wesentlichen identischen Konfiguration vorliegt, als wenn er um den Kern gewickelt wäre. Der Wert der Gesamtinduktivität ist die Summe aus den Reihenleitungsinduktivitäten und einer Luftkerninduktivität. Da die Reihenleitungsinduktivität bereits bekannt ist, kann die Luftkerninduktivität festgestellt werden.
Außerdem kann aus der Luftkerninduktivität und den Kerninduktivitätswerten der gemeinsame Kopplungsfaktor KKern in dem Modell des RF-Transformators aus Fig. 1 bestimmt werden. Es ist bemerkenswert, daß der gemeinsame Kopplungsfaktor KKern durch Wickeln des verdrillten Drahtes um den Kern und Ausführen von angenäherten Messungen bestimmt werden kann.
Die durch die Kondensatoren 16, 22, 32 und 34 verkörperten Kapazitäten gegen Masse können durch Messung der Kapazität gegen Masse des einzelnen Drahtes, der in einer im wesentlichen identischen Konfiguration, als wäre er um den Kern gewickelt, vorliegt, bestimmt werden. Nachdem alle Parameter des Modells des RF-Transformators bestimmt wurden, können diese Werte in ein Computerprogramm eingegeben werden, um die optimalen Werte für diese Parameter für eine bestimmte Anwendung des RF-Transformators zu bestimmen, wie dies durch einen Kasten 73 dargestellt ist. Dieses Computerprogramm sollte für die Schaltungsanalyse mit Optimierungsmöglichkeit geeignet sein, wie das "Microwave Design System" von Hewlett Packard. Diese optimierten Werte werden dann dazu verwendet, um die Komponenten 60 und 61 zu entwerfen und zu bestimmen, die den RF-Transformator erzeugen. Als ein Ergebnis werden für eine gegebene Anwendung die nötigen physikalischen Eigenschaften des verdrillten Drahtes und des Kernmaterials festgestellt, um eine optimale Transformatorantwort zu erzeugen, wobei diese optimale Transformatorantwort optimiert werden kann, beispielsweise in Bezug auf die Bandbreite, das gewünschte Transformationsverhältnis und minimale Pegelminderung. Da außerdem die Modellparameter in direkter Beziehung zu der physikalischen Konstruktion und den Eigenschaften des Transformators stehen, können die Effekte physikalischer Veränderungen oder von Toleranzen in den Komponenten 60 und 61 auf die RF-Leistungsfähigkeit des Transformators ohne weiteres überprüft werden.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Entwurf eines RF-Transformators mit erhöhter Leistungsfähigkeit. Mit solch einem Verfahren werden die optimalen Draht- und Kerneigenschaften, die für eine bestimmte Anwendung nötig sind, ohne weiteres erhalten, in Form meßbarer physikalischer Parameter, die in direkter Beziehung zu den Komponenten des RF- Transformators stehen, nämlich der verdrillte Draht und der Kern. Vorher war diese direkte physikalische Beziehung zwischen den Komponenten, die zum Aufbau des Transformators genutzt werden, nämlich der verdrillte Draht und der Kern, und der elektrischen Leitungsfähigkeit des RF-Transformators nicht verfügbar. Mit diesen Beziehungen werden empirisch basierende und zeitaufwendige Techniken eliminiert, und was noch wichtiger ist, eine optimale Lösung kann bestimmt werden.
Zusätzlich liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Entwerfen und Erzeugen eines RF-Transformators. Das Verfahren verwendet ein Modell für einen RF-Transformator, wobei das Modell Parameter besitzt, die in direkter Beziehung zu einer physikalischen Konstruktion der Komponenten des Transformators stehen, nämlich ein Kern und ein verdrillter Draht. Das Verfahren trennt den Kern von dem verdrillten Draht, so daß die Charakteristiken von jedem getrennt bestimmt werden können. Diese bestimmten Charakteristiken werden dann optimiert und zum Entwurf und Aufbau eines Transformators benutzt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Transformators, wobei der Transformator aus verdrillten Drähten (60) und einem Kern (61) gefertigt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

- Bestimmen (64) einer Kapazität (44, 46) zwischen den verdrillten Drähten (60), wenn diese vom Kern (61) getrennt sind;

- Bestimmen (70) einer Induktivität des Kerns (61), wenn dieser von den verdrillten Drähten (60) getrennt ist;

- Optimieren (73) dieser bestimmten Kapazität und Induktivität gemäß einer Anwendung des Transformators, um so eine optimale Transformatorantwort für die Anwendung bereitzustellen; und

- Benutzen (74) dieser optimierten Kapazität und Induktivität, um einen Transformator herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Bestimmen (64) einer Kapazität (44, 46) die folgenden Schritte einschließt:

- Bestimmen einer Kapazität pro Längeneinheit zwischen den verdrillten Drähten (60); und

- Bestimmen einer elektrischen Länge der verdrillten Drähte (60).

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Bestimmen (70) einer Induktivität des Kerns (61), wenn dieser von den verdrillten Drähten (60) getrennt ist, die Verwendung eines einzelnen Drahtes einbezieht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses Bestimmen (70) der Induktivität des Kerns (61), wenn dieser von den verdrillten Drähten getrennt ist, einschließt:

- Bestimmen (66) einer Selbstinduktivität (36, 38) und eines Widerstandes (40, 42) eines einzelnen um den Kern (61) gewickelten Drahtes, über einen vorherbestimmten Frequenzbereich;

- Bestimmen einer Selbstinduktivität und eines Widerstandes dieses einzelnen Drahtes in Abwesenheit des Kerns (61), über einen vorherbestimmten Frequenzbereich, wobei eine physikalische Geometrie dieses einzelnen Drahtes im wesentlichen identisch ist mit einer Konfiguration, als wenn dieser einzelne Draht um den Kern (61) gewickelt wäre; und

- Bestimmen (72) einer Gegeninduktivität (KKern) der verdrillten Drähte (60), wenn diese in einer im wesentlichen identischen Konfiguration sind, als wenn die verdrillten Drähte (60) um den Kern (61) gewickelt wären.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei dieses Optimieren (73) dieser bestimmten Kapazität und Induktivität das Optimieren (73) dieser bestimmten Induktivitäten (36, 38, KKern), Kapazitäten (44, 46) und Widerstände (40, 42) enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei dieser einzelne Draht einer der verdrillten Drähte (60) ist.