EP0371157A1 - Leitungstransformator - Google Patents
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- EP0371157A1 EP0371157A1 EP88119827A EP88119827A EP0371157A1 EP 0371157 A1 EP0371157 A1 EP 0371157A1 EP 88119827 A EP88119827 A EP 88119827A EP 88119827 A EP88119827 A EP 88119827A EP 0371157 A1 EP0371157 A1 EP 0371157A1
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Definitions
- the invention relates to a line transformer that can be used in high-frequency technology, for example, for matching impedances.
- Transformers suitable for the area of low-frequency alternating currents generally contain a core made of ferromagnetic material and a primary and secondary winding, each with at least a few turns. The quadrupole thus formed is to change current and voltage in the desired manner. Such transformers are suitable for impedance transformation as long as the length of the conductor forming a winding is small compared to the wavelength.
- radio antennas are also said to have electromagnetic energy for very high frequencies, i.e. any signals, transmitted undistorted. In the case of broadband transmitters, both windings are therefore coupled so closely that they form lines with a defined characteristic impedance and negligible radiation loss. Virtually any rational transmission ratio can be achieved with line transformers (NTZ 1966, number 9, pages 527 to 238).
- inductors can also be designed as flat coils as so-called printed coils. They then consist of a conductor, for example in the form of a spiral, which is arranged on the surface of a flat body made of electrically insulating material. The opposite flat side of the insulating material body can be provided with a large-area metallization (1987 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 1, pages 123 to 126).
- 4-port differential transformers are required in high-frequency technology to implement various decoupling and branching circuits, for example directional couplers. These 4-ports, often referred to as hybrid switching in low-frequency technology, must be designed as line transformers in order to achieve a wide bandwidth and to reduce throughput losses.
- the invention is based on the object of simplifying and improving the known line transformers, in particular a 4-port differential transformer is to be designed such that it is completely symmetrical to the ports 3 and 3, both from port 1 and from port 2 4 behaves.
- This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1.
- This embodiment of the line transformer using stripline technology is simple to manufacture and contains no ferromagnetic parts. It can thus also be used in strong magnetic fields, for example in the field of superconducting magnets, in particular in the basic field of an MRI scanner.
- the mirror-symmetrical arrangement of the two parts of each of the conductor track structures gives symmetrical electrical properties.
- the thickness of the substrate i.e. the distance between the two conductor track structures and the width of the stripline, the required impedance Z can be set.
- the degree of coupling between the partial inductors is also reproducible.
- FIG. 1 shows the low-frequency equivalent circuit diagram of a 4-port differential transformer.
- Figures 2 and 3 show an embodiment of the conductor track structures according to the invention.
- FIGS. 4 and 5 show a special embodiment of these conductor track structures.
- the input terminal c and the associated ground connection form the gate 1.
- the gate 2 is formed by the pair of terminals d and e.
- the gate 3 is formed by the terminal b and the corresponding ground connection and the gate 4 by the terminal a and the associated ground connection.
- Optimal decoupling of gates 3 and 4 and gates 1 and 2 is obtained with an impedance equal to the impedance Z at gates 3 and 4 and an impedance Z / 2 at gates 1 and 2.
- This 4-port differential transformer As is known, can be produced as a line transformer in that a preferably ferromagnetic carrier 6 is wound with lines of predetermined impedance.
- the use of ferromagnetic material causes corresponding additional losses in high-frequency alternating fields.
- operation in strong static magnetic fields is not possible.
- a line transformer in the embodiment according to the invention, as shown in FIGS. 2 and 3, has these properties.
- the 4-port differential transformer shown in Figure 1 is designed in stripline technology.
- it contains on the upper flat side of a substrate 8 with a predetermined thickness of, for example, 0.8 mm and a predetermined relative dielectric number, which serves as a dielectric, a conductor track structure 10 with conductor tracks 16 to 19 made of electrically conductive material, preferably metal, in particular Copper, each from a ring part, practically a half ring, be stand.
- the substrate 8 can, for example, be made of plastic, preferably tetrafluoroethylene (Teflon), or also of ceramic, for example aluminum oxide Al2O3.
- the two strip lines 16 and 17 are arranged mirror-symmetrically to an axis of symmetry A, B. Concentric to these two strip lines 16 and 17, two further strip lines 18 and 19 are also arranged mirror-symmetrically to the axis of symmetry A, B.
- the two strip conductors 16 and 19 are connected to one another by a line bridge 24, which can preferably be designed as a strip conductor of the same width.
- the two ends of the strip conductors 17 and 18 are likewise connected to one another by a line bridge 25, which can then be designed, for example, as a wire bridge electrically insulated from the line bridge 24.
- the ends a and b as well as d and e 'of the strip conductors 16 and 17 or 18 and 19 on the surface of the substrate 8 are arranged opposite one another.
- a structure of strip conductors 20 to 23 is arranged on the lower flat side of the substrate 8, which is designed in such a way that, viewed from the upper flat side, there is a congruent arrangement of the strip conductors 20 to 23.
- this conductor structure 11 which is not visible from the upper flat side and is therefore shown in dashed lines, two strip conductors 20 and 21 or 22 and 23 are also arranged mirror-symmetrically to the axis of symmetry A ', B'.
- the axes of symmetry A, B and A'B ' lie on the two flat sides of the substrate 8 parallel to each other and opposite each other.
- the ends of the strip conductors 22 and 21 and the ends of the strip conductors 20 and 23 are connected to each other by a bridge 26 and 27, respectively.
- the line bridge 26 consists of a strip conductor, while the line bridge 27 is designed as a wire bridge which is electrically insulated from the bridge 26.
- the terminal c On the left are on the terminal c, the beginnings of the strip conductors 20 and 21 connected to each other, while the connections d 'and e are arranged opposite one another.
- the terminal d of the conductor structure 10 on the upper flat side is connected by a cable bridge to the terminal d 'of the conductor structure 11 on the lower flat side. The same applies to the connections e 'and e.
- line connections can be made in a simple manner in that the substrate 8 is provided with a bore and an electrically conductive filling, for example made of solder, at the corresponding points. If, in this embodiment of a line transformer, a signal is fed into the gate 1, this signal is distributed symmetrically to the gates 3 and 4. In the same way, a signal fed into gate 2 is distributed symmetrically to gates 3 and 4.
- the two antenna gates can be connected, for example, to gate 1 of the receiver, to gate 2 of the transmitter and to gates 3 and 4 with the interposition of a 90 ° two-phase network.
- conductor track structures 12 and 13 are arranged on the upper and lower flat side of the substrate, each consisting of strip conductors 31 to 36 and 37 to 42, respectively.
- the conductor track structure 12 should be arranged on the upper and the conductor track structure 13 on the lower flat side of the substrate 8.
- the strip conductors 31 and 32 as well as 33 and 34 and also 35 and 36 which consist of ring parts and are each arranged mirror-symmetrically to the axis of symmetry A, B, form concentric rings.
- the strip conductors 31 and 34 are connected to one another at their right ends and the strip conductors 34 and 35 at their left ends by a line bridge 44 and 45, respectively, which are designed as strip conductors. These bridges 44 and 45 are each crossed by a further bridge 46 and 47, which the stripline 32nd and 33 or 33 and 36 connect to one another in an electrically conductive manner.
- the ends a and b of the strip conductors 31 and 32 on the left are opposite to each other.
- the ends of the strip conductors 35 and 36 face each other.
- the two ends of the strip conductors 37 and 38 are provided with a bridge c in the conductor track structure 13 on the lower flat side of the substrate 8.
- the strip conductors 39 and 42 are connected to one another on the left side by a cable bridge 48, which preferably consists of a strip conductor.
- the ends of the strip conductors 38 and 39 are electrically connected to one another on the right-hand side by a further line bridge 49.
- the left ends of the strip conductors 40 and 41 are also connected to one another by a cable bridge 50, which can consist, for example, of a soldered wire which is insulated from the strip conductor bridge 48.
- the ends of the strip conductors 37 and 40 are connected to one another on the right-hand side by a line bridge 51 which is insulated from the strip line bridge 49.
- the ends d 'and e of the strip lines 42 and 41 are electrically connected to the ends d and e' of the strip lines 35 and 36 on the upper flat side.
- This line connection can be made in a particularly simple manner by contacting the substrate 8 at these ends, since the ends of the strip conductors are located at the same location on the opposite flat sides due to the congruent arrangement.
- the embodiment with an odd number of rings ( Figures 4 and 5) has the advantage over the embodiment with an even number of rings ( Figures 2 and 3) that the pair of terminals d, e (gate 2 in Fig. 1) from the rest Gates is farther away.
- a design of the conductor track structures was assumed, each of which practically consist of concentric semicircles, because rings are the largest inductors with the shortest cable length, ie with minimal electrical losses.
- other patterns can also be provided, which for example consist of ellipses or rectangles and in which the two halves of a conductor track structure are arranged symmetrically to a central axis on a flat side of the substrate.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Coils Or Transformers For Communication (AREA)
- Near-Field Transmission Systems (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitungstransformator, der in der Hochfrequenztechnik beispielsweise zur Anpassung von Impedanzen verwendet werden kann.
- Für den Bereich niederfrequenter Wechselströme geeignete Transformatoren enthalten im allgemeinen einen Kern aus ferromagnetischem Material sowie eine Primär- und Sekundärwicklung mit jeweils wenigstens einigen Windungen. Der dadurch gebildete Vierpol soll Strom und Spannung in gewünschter Weise ändern. Solche Übertrager sind zur Impedanztransformation geeignet, solange die Länge des eine Wicklung bildenden Leiters klein ist gegen die Wellenlänge. Funkantennen sollen bekanntlich auch für sehr hohe Frequenzen elektromagnetische Energie, d.h. beliebige Signale, unverzerrt übertragen. Bei Breitbandübertragern werden deshalb beide Wicklungen so eng gekoppelt, daß sie Leitungen mit definiertem Wellenwiderstand und vernachlässigbarem Strahlungsverlust bilden. Mit Leitungsübertragern kann praktisch jedes rationale Übersetzungsverhältnis realisiert werden (NTZ 1966, Heft 9, Seiten 527 bis 238).
- Es ist ferner bekannt, daß Induktivitäten auch in Flachbauweise als sogenannte gedruckte Spulen ausgeführt sein können. Sie bestehen dann aus einem Leiter, beispielsweise in der Form einer Spirale, der auf der Oberfläche eines flachen Körpers aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Die gegenüberliegende Flachseite des Isolierstoffkörpers kann mit einer großflächigen Metallisierung versehen sein (1987 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 1, Seiten 123 bis 126).
- Zur Realisierung verschiedener Entkopplungs- und Verzweigungsschaltungen, beispielsweise Richtkoppler, werden in der Hochfrequenztechnik 4-Tor-Differentialtransformatoren benötigt. Diese in der Niederfrequenztechnik häufig als Gabelschaltung bezeichneten 4-Tore müssen zur Erzielung einer großen Bandbreite und zur Verminderung der Durchgangsverluste als Leitungstransformatoren ausgebildet werden.
- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Leitungstransformatoren zu vereinfachen und zu verbessern, insbesondere soll ein 4-Tor-Differentialtransformator so gestaltet werden, daß er sich sowohl vom Tor 1 als auch vom Tor 2 aus gesehen völlig symmetrisch zu den Toren 3 und 4 verhält.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Ausführungsform des Leitungstransformators in Streifenleitungstechnik ist einfach herstellbar und enthält keine ferromagnetischen Teile. Er kann somit auch in starken Magnetfeldern, beispielsweise im Feld supraleitender Magnete, insbesondere im Grundfeld eines Kernspintomographen, eingesetzt werden. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung der beiden Teile jeder der Leiterbahnstrukturen erhält man symmetrische elektrische Eigenschaften. Durch die Dicke des Substrats, d.h. den Abstand der beiden Leiterbahnstrukturen und die Breite der Streifenleiter, kann der benötigte Wellenwiderstand Z eingestellt werden. Auch der Kopplungsgrad zwischen den Teilinduktivitäten ist reproduzierbar.
- Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 das Niederfrequenz-Ersatzschaltbild eines 4-Tor-Differentialtransformators schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform der Leiterbahnstrukturen gemäß der Erfindung. In den Figuren 4 und 5 ist eine besondere Ausführungsform dieser Leiterbahnstrukturen dargestellt.
- Im Niederfrequenz-Ersatzschaltbild eines 4-Tor-Differentialtransformators gemäß Figur 1 mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 bildet die Eingangsklemme c und der zugeordnete, in der Figur nicht näher bezeichnete Masseanschluß das Tor 1. Das Tor 2 wird durch das Klemmenpaar d und e gebildet. Das Tor 3 wird durch die Klemme b und den entsprechenden Masseanschluß und das Tor 4 durch die Klemme a und dem zugeordneten Masseanschluß gebildet. Eine optimale Entkopplung der Tore 3 und 4 sowie der Tore 1 und 2 erhält man mit einer Impedanz von der Größe des Wellenwiderstandes Z an den Toren 3 und 4 und einer Impedanz Z/2 an den Toren 1 und 2. Dieser 4-Tor-Differentialtransformator kann bekanntlich als Leitungstransformator dadurch hergestellt werden, daß ein vorzugsweise ferromagnetischer Träger 6 mit Leitungen vorbestimmter Impedanz bewickelt wird. Die Verwendung von ferromagnetischem Material bewirkt jedoch in hochfrequenten Wechselfeldern entsprechende zusätzliche Verluste. Ferner ist bei Verwendung von ferromagnetischem Material ein Betrieb in starken statischen Magnetfeldern nicht möglich.
- Für eine Ausführungsform dieses 4-Tor-Differentialtransformators in Streifenleitungstechnik ergibt sich nun das Problem, daß er sich sowohl vom Tor 1 als auch vom Tor 2 aus gesehen völlig symmetrisch zu den Toren 3 und 4 verhalten soll.
- Diese Eigenschaften hat ein Leitungstransformator in der Ausführungsform gemäß der Erfindung, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Gemäß Figur 2 ist der in Figur 1 dargestellte 4-Tor-Differentialtransformator in Streifenleitungstechnik ausgeführt. In dieser Ausführungsform enthält er auf der oberen Flachseite eines Substrats 8 mit einer vorbestimmten Dicke von beispielsweise 0,8 mm und einer vorbestimmten relativen Dielektrizitätszahl, das als Dielektrikum dient, eine Leiterbahnstruktur 10 mit Leiterbahnen 16 bis 19 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer, die jeweils aus einem Ringteil, praktisch einem Halbring, be stehen. Das Substrat 8 kann beispielsweise aus Kunststoff, vorzugsweise Tetrafluorethylen (Teflon), oder auch aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, bestehen. Die beiden Streifenleiter 16 und 17 sind spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse A, B angeordnet. Konzentrisch zu diesen beiden Streifenleitern 16 und 17 sind zwei weitere Streifenleiter 18 und 19 ebenfalls spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse A, B angeordnet. Auf der rechten Seite sind die beiden Streifenleiter 16 und 19 durch eine Leitungsbrücke 24 miteinander verbunden, die vorzugsweise als Streifenleiter der gleichen Breite ausgeführt sein kann. Die beiden Enden der Streifenleiter 17 und 18 sind ebenfalls durch eine Leitungsbrücke 25 miteinander verbunden, die dann beispielsweise als gegenüber der Leitungsbrücke 24 elektrisch isolierte Drahtbrücke ausgeführt sein kann. Auf der linken Seite sind jeweils die Enden a und b sowie d und e′ der Streifenleiter 16 und 17 bzw. 18 und 19 auf der Oberfläche des Substrats 8 einander gegenüber angeordnet.
- In der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist auf der unteren Flachseite des Substrats 8 eine Struktur aus Streifenleitern 20 bis 23 angeordnet, die derart gestaltet ist, daß sich von der oberen Flachseite aus betrachtet eine deckungsgleiche Anordnung der Streifenleiter 20 bis 23 ergibt. In dieser von der oberen Flachseite nicht sichtbaren und deshalb gestrichelt dargestellten Leiterbahnstruktur 11 sind ebenfalls jeweils zwei Streifenleiter 20 und 21 bzw. 22 und 23 spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse A′, B′ angeordnet. Die Symmetrieachsen A, B und A′B′ liegen auf den beiden Flachseiten des Substrats 8 parallel zueinander und einander gegenüber. Auf der rechten Seite sind die Enden der Streifenleiter 22 und 21 und die Enden der Streifenleiter 20 und 23 jeweils durch eine Brücke 26 bzw. 27 miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform besteht die Leitungsbrücke 26 aus einem Streifenleiter, während die Leitungsbrücke 27 als Drahtbrücke ausgeführt ist, die gegenüber der Brücke 26 elektrisch isoliert ist. Auf der linken Seite sind an der Klemme c die Anfänge der Streifenleiter 20 und 21 miteinander verbunden, während die Anschlüsse d′ und e einander gegenüber angeordnet sind. Gemäß Figur 1 ist der Anschluß d der Leiterbahnstruktur 10 auf der oberen Flachseite durch eine Leitungsbrücke verbunden mit dem Anschluß d′ der Leiterbahnstruktur 11 auf der unteren Flachseite. Das gleiche gilt für die Anschlüsse e′ und e. Diese Leitungsverbindungen können in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß an den entsprechenden Stellen das Substrat 8 mit einer Bohrung und einer elektrisch leitenden Füllung, beispielsweise aus Lötmetall, versehen wird. Wird in dieser Ausführungsform eines Leitungstransformators in das Tor 1 ein Signal eingespeist, so wird dieses Signal symmetrisch auf die Tore 3 und 4 verteilt. In gleicher Weise wird ein im Tor 2 eingespeistes Signal symmetrisch auf die Tore 3 und 4 verteilt. Zum Betrieb einer zirkular polarisierenden Antenne eines Kernspintomographen können beispielsweise an Tor 1 der Empfänger, an Tor 2 der Sender und an die Tore 3 und 4 unter Zwischenschaltung eines 90°-Zweiphasennetzwerkes die beiden Antennentore angeschlossen werden.
- In der Ausführungsform gemäß den Figuren 4 und 5 sind auf der oberen und unteren Flachseite des Substrats 8 Leiterbahnstrukturen 12 und 13 angeordnet, die jeweils aus Streifenleitern 31 bis 36 bzw. 37 bis 42 bestehen. Die Leiterbahnstruktur 12 soll auf der oberen und die Leiterbahnstruktur 13 auf der unteren Flachseite des Substrats 8 angeordnet sein. Wie in der Ausführungsform gemäß den Figuren 2 und 3 bilden die Streifenleiter 31 und 32 sowie 33 und 34 und auch 35 und 36, die aus Ringteilen bestehen, und jeweils spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse A, B angeordnet sind, konzentrische Ringe. Die Streifenleiter 31 und 34 sind an ihren rechten Enden und die Streifenleiter 34 und 35 an ihren linken Enden jeweils durch eine Leitungsbrücke 44 bzw. 45 miteinander verbunden, die als Streifenleiter ausgeführt sind. Diese Brücken 44 und 45 werden jeweils durch eine weitere Brücke 46 und 47 gekreuzt, welche die Streifenleiter 32 und 33 bzw. 33 und 36 elektrisch leitend miteinander verbinden. Die Enden a und b der Streifenleiter 31 und 32 auf der linken Seite liegen einander gegenüber. In ähnlicher Weise liegen auf der rechten Seite die Enden der Streifenleiter 35 und 36 einander gegenüber. In der Leiterbahnstruktur 13 auf der unteren Flachseite des Substrats 8 sind gemäß Figur 1 die beiden Enden der Streifenleiter 37 und 38 mit einer Brücke c versehen. Ebenso sind die Streifenleiter 39 und 42 auf der linken Seite durch eine Leitungsbrücke 48 miteinander verbunden, die vorzugsweise aus einem Streifenleiter besteht. Durch eine weitere Leitungsbrücke 49 sind die Enden der Streifenleiter 38 und 39 auf der rechten Seite elektrisch miteinander verbunden. Die linken Enden der Streifenleiter 40 und 41 sind ebenfalls durch eine Leitungsbrücke 50 miteinander verbunden, die beispielsweise aus einem angelöteten Draht bestehen kann, der isoliert gegenüber der Streifenleiterbrücke 48 ausgeführt ist. In gleicher Weise sind auf der rechten Seite die Enden der Streifenleiter 37 und 40 durch eine Leitungsbrücke 51 miteinander verbunden, die isoliert gegenüber der Streifenleitungsbrücke 49 ausgeführt ist. Gemäß Figur 1 sind die Enden d′ und e der Streifenleiter 42 und 41 mit den Enden d bzw. e′ der Streifenleiter 35 und 36 auf der oberen Flachseite elektrisch verbunden. Diese Leitungsverbindung kann in besonders einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß das Substrat 8 an diesen Enden durchkontaktiert ist, da sich die Enden der Streifenleiter durch die deckungsgleiche Anordnung auf den gegenüberliegenden Flachseiten jeweils am gleichen Ort befinden. Die Ausführungsform mit einer ungeraden Zahl von Ringen (Figuren 4 und 5) hat gegenüber der Ausführungsform mit einer geraden Zahl von Ringen (Figuren 2 und 3) den Vorteil, daß das Klemmenpaar d, e (Tor 2 in Fig. 1) von den übrigen Toren räumlich weiter entfernt ist.
- Im Ausführungsbeispiel wurde eine Bauform der Leiterbahnstrukturen angenommen, die jeweils praktisch aus konzentrischen Halbkreisen bestehen, weil man mit Ringen die größte Induktivi tät bei kürzester Leitungslänge, d.h. bei geringsten elektrischen Verlusten, erhält. Es können jedoch auch andere Muster vorgesehen sein, die beispielsweise aus Ellipsen oder Rechtecken bestehen und bei denen die beiden Hälften einer Leiterbahnstruktur symmetrisch zu einer Mittelachse auf einer Flachseite des Substrats angeordnet sind.
Claims (4)
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