EP3824557A1 - Vorrichtung und verfahren zum betreiben einer impedanzvariablen last am planartransformator im hochfrequenten betrieb ii - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum betreiben einer impedanzvariablen last am planartransformator im hochfrequenten betrieb ii

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EP3824557A1
EP3824557A1 EP19759279.3A EP19759279A EP3824557A1 EP 3824557 A1 EP3824557 A1 EP 3824557A1 EP 19759279 A EP19759279 A EP 19759279A EP 3824557 A1 EP3824557 A1 EP 3824557A1
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EP
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coil
impedance
frequency
primary
output
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19759279.3A
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Inventor
Christoph Bromberger
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Kiefel GmbH
Original Assignee
Kiefel GmbH
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Publication date
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    • H03H2007/013—Notch or bandstop filters

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for operating an impedance-variable load on a planar transformer in high-frequency operation.
  • a source of a signal is connected to a load by means of a transmission path.
  • a low-impedance source for example 1W
  • a low-impedance load that is often variable in impedance (for example variable around a value of 1W) with the aid of a higher-resistance transmission path (for example 50W).
  • a first matching network with a (for example fixed) first impedance ratio is usually used between source and transmission path, and a second matching network with a (for example variable) second impedance ratio between transmission path and load.
  • the signal is transmitted from the source to the load via the first adaptation network, transmission path and second adaptation network.
  • the signal typically has components at a fundamental frequency and components at harmonics, that is to say integer multiples of the fundamental frequency.
  • transformers as matching networks with a fixed impedance ratio.
  • Transformers have an input coil (“primary turn”) with a first number of turns and an output coil (“secondary turn”) with a second number of turns, as well as a ratio called the winding ratio between the second number of turns and the first number of turns.
  • a transformer with a winding ratio N transforms the voltage between input and output down by a factor N
  • Planar transformers are a special implementation of transformers.
  • a planar transformer has a primary coil and a secondary coil, which primary and secondary coils are essentially planar and plane-parallel, separated by a dielectric.
  • planar transformers are components by means of which a signal is transmitted from an input to an output using distributed inductances and distributed capacitances, with a desired change in the signal impedance. While this change in the low-frequency range is between two real impedances in the ratio of the square of the winding ratio, the relationship is more complicated with essentially non-real high-frequency impedances and with essentially distributed capacitance and inductance coatings in the higher-frequency range.
  • the primary coil with mirror symmetry (“primary-side symmetrical planar transformer”). It is also accessible to the prior art, in the case of an even number of turns of the secondary coil, that half of the turns of the secondary coil are viewed from a first angle of view of the planar transformer, which is suitable for assessing the sense of the turn, the first turn sense above, the other half of the turns in , viewed from the first point of view, to arrange the opposite turn sense below the primary coil (“secondary-side symmetrical planar transformer”), which first and second half turns are electrically conductively connected to each other in the area of the center of rotation of the turns.
  • a planar transformer can be fully symmetrical, that is, symmetrical on the primary side and secondary side. metric, be constructed.
  • a point on the primary side with a symmetrical planar transformer results in a high-frequency point at the center of the primary winding, via which a supply voltage can be supplied, with only low demands on the blocking of the output signal against the voltage Care.
  • a symmetrical one on the secondary side
  • a planar transformer results in a point in the middle of the secondary coil that is high-frequency in terms of technology; According to the prior art, this is used, for example, to apply a DC voltage to an antenna connection or to tap it from an antenna connection.
  • the first matching networks harmonic matching structures, by means of which, depending on the amount and phase, desired values of load impedances for the fundamental wave and for the harmonic waves can be achieved.
  • a control of the impedances also at the harmonics can be used advantageously in order to achieve time profiles of current and voltage at the output of a source, by means of which particularly efficient operation of the source is achieved.
  • a load with a variable impedance typically exhibits a variance in the input impedance not only for the fundamental wave, but also for the harmonics of the signal.
  • the second matching network with a variable impedance ratio according to the prior art is typically only suitable for absorbing the variation in the load impedance at the fundamental frequency of the signal, but it usually does not allow any impedance matching for the harmonics.
  • a harmonious adaptation structure as the first adaptation network is hereafter completed without further measures on a side facing the transmission path at the fundamental frequency with a defined impedance; at multiples of the basic frequency, however, there are variable impedances.
  • Such variable harmonic terminations have a disadvantageous influence on the time profiles of current and voltage at the output of the source.
  • the prior art knows structures by means of which the harmonics are derived to ground, for example frequency-selective suction circuits or crossovers.
  • a derivative to ground represents, for example, a short circuit in the respective harmonic and offers a defined impedance in the respective harmonic;
  • the first adaptation network can be designed so that the source can always be operated with high efficiency.
  • a disadvantage of the prior art is in particular that such measures for deriving the harmonics are associated with a high outlay.
  • Another disadvantage of the prior art is that such measures for deriving the harmonics always involve a loss of signal power, which reduces the overall efficiency.
  • the aim of a development would therefore be to provide measures by means of which while weakening the disadvantages of the prior art, with a harmonious adaptation, a consistently high efficiency of a source can also be achieved if the source is operated to drive an impedance-variable load.
  • This invention relates to a method for operating an impedance variable load on a device, consisting of a planar transformer, consisting of at least one primary and a secondary side, which can be operated as an input or output side, comprising primary and secondary coils, with capacitors form a resonant circuit between turns of a coil with inductances of the coil. This has a selection of a resonance frequency of the resonant circuit, the resonance frequency falling on a frequency of a harmonic harmonic of an input signal to be suppressed.
  • a "planar transformer” is a special type of transformer that is characterized by a flat design.
  • a planar transformer is a distributed structure with capacitive and inductive components.
  • the inductive components are dominated by the coils; the capacitive components consist on the one hand of the capacitance between the primary and secondary coils, and on the other hand of a possible capacity between two turns within the primary or the secondary coil itself, provided that these consist of (partial) coils with more than one turn ,
  • the capacitance between two turns of a coil of a plan transformer forms an oscillating circuit with the inductance of the coil.
  • the resonance frequency of this resonant circuit is selected such that it falls on the frequency of a harmonic of the signal to be suppressed. This means that no signal can be transmitted at the harmonic to be suppressed from the output to the input of the planar transformer.
  • the planar transformer provides an impedance for the harmonic to be suppressed, which impedance does not depend on a signal (which is reflected on the output of the planar transformer):
  • the planar transformer is non-transparent for these harmonics, the harmonic termination on the input side depends on the state of the load and the second adjustment network independently.
  • the high-frequency planar transformer can conventionally consist of two levels, a first level being the primary side and the other level, which for illustration is arranged parallel to the first level, can be the secondary side.
  • the planar transformer can furthermore have more than just a primary or secondary level, in various combinations.
  • the planar transformer according to the invention can have a primary side (here: “side” synonymous with “plane” or “coil”), which, as in a sandwich arrangement, is arranged centrally between two secondary sides (here: “side” synonymous with “planes”, “halves”) ",” Coils ").
  • Half of the turns of the secondary coil are above, the other half below the primary coil. In the middle there is a virtual mass.
  • a further embodiment of the planar transformer for carrying out the method according to the invention can take place from a stepwise parallel connection of primary and secondary coils.
  • an arrangement can have three primary coils and four secondary coils. These can be arranged alternately: secondary coil, primary coil, secondary coil, primary coil, secondary coil, primary coil, secondary coil.
  • the primary coils are all connected in parallel, which means that they represent a single coil with a single turn, only that this turn consists of three parallel "wires”.
  • Two adjacent pairs of the secondary coils both upper and the lower two) are connected in parallel in a manner that is as a pair.
  • Another embodiment of a planar transformer which embodiment is advantageously suitable for implementing the method according to the invention, has more than one primary coil.
  • a planar transformer which embodiment is advantageously suitable for implementing the method according to the invention, at least some of the primary coils are electrically connected in parallel with one another.
  • planar transformer which embodiment is advantageously suitable for implementing the method according to the invention, has more than one secondary coil.
  • a planar transformer which is advantageously suitable as an embodiment for implementing the method according to the invention, at least some of the secondary coils are electrically connected in parallel with one another.
  • a planar transformer is used as an illustrative example. ben, planes essentially parallel to each other, extends; in a row of successive levels perpendicular to the levels referred to as first level S 1, second level PI, third level S2, fourth level P2, fifth level S3, sixth level P3 and seventh level S4.
  • Three, for example geometrically congruent, primary coils are arranged in the second level P1, the fourth level P2 and the sixth level P3, the first inputs of all primary coils being electrically short-circuited with one another, and the second inputs of all primary coils are electrically shorted together.
  • a first secondary coil consists of a first partial coil T1 with a first number of turns of a first winding sense in the first level S1 and a fourth partial coil T4 of the first number of turns of the first opposite winding sense in the seventh level S4;
  • a second secondary coil consists of a second coil section T2 of the first number of turns of the first winding sense in the third level S2 and of a third coil section T3 of the first number of turns of the first winding sense opposite in the fifth level S3; Viewed in the direction of rotation of the turns, the inner ends of the first coil section T1, the second coil section T2, the third coil section T3 and the fourth coil section T4 are connected to one another in an electrically conductive manner; Viewed in the direction of rotation of the turns, the outer ends of the first coil section T1 and the second coil section T2 are connected to one another in an electrically conductive manner; Viewed in the direction of rotation of the turns, the outer ends of the third coil section T3 and the fourth coil section T4 are connected to
  • the method according to the invention can provide an impedance on the input side of the planar transformer, which does not depend on a signal reflected at the output, so that the planar transformer appears opaque for the harmonic harmonic.
  • a method for operating a planar transformer consisting of a primary and a secondary side, wherein that primary side has at least one first coil and that secondary side has at least one second coil can be provided.
  • the second coil is constructed symmetrically and has a point of symmetry and a differential output with two branches.
  • This second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance between its turns and can furthermore comprise the feature that a resonance frequency between the distributed inductance and distributed capacitance is selected equal to a multiple of a preferred operating frequency.
  • the task can also be solved by a method for operating a planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side.
  • the primary side has an input with a first input impedance at the preferred operating frequency and the secondary side has an output with a first output impedance at the preferred operating frequency, with a first source impedance and a first load impedance.
  • the first source impedance is complexly conjugated to the first load impedance of the input impedance.
  • the first load impedance is complex conjugate to the first source impedance of the output impedance when the input is terminated.
  • the primary side has at least one first coil and that secondary side has at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically.
  • a virtual high-frequency mass is thus shown at the point of symmetry, which comprises selecting a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance equal to a multiple of a preferred operating frequency.
  • the planar transformers according to the invention with the method according to the invention can be operated in high-frequency operation. While this change in the never- the frequency range between two real impedances in relation to the square of the winding ratio, the relationship is more complicated with essentially non-real high-frequency impedances and with essentially distributed capacitance and inductance coatings in the higher-frequency range.
  • the high-frequency operation can be f> 10 MHz. Furthermore, the high-frequency operation can be 50 kHz ⁇ f ⁇ 10 MHz.
  • An embodiment of the device according to the invention can comprise a planar transformer, comprising at least one primary and one secondary side, which can be operated as input or output side, and comprise a controller, the controller having programming that follows the steps one of the above process steps.
  • Another embodiment of the device according to the invention can comprise a planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil, the second coil being constructed symmetrically and one Point of symmetry and a differential output with two branches, the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance between its turns, characterized in that a resonance frequency between the distributed inductance and distributed capacitance is a multiple of the preferred operating frequency.
  • the device according to the invention can further comprise a planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, the primary side of which has an input with a first input impedance at the preferred operating frequency and which secondary side has an output with a first output impedance at the preferred Operating frequency, with a first source impedance and a first load impedance, the preferred one Operating frequency, the first source impedance at the end of the output is complex conjugated with the first load impedance of the input impedance, and the first load impedance at the end of the input is complex conjugated with the first source impedance of the output impedance, with that primary side having at least one first coil and that secondary side being at least has a second coil, which second coil is constructed symmetrically and, when the planar transformer is operated differentially, has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry, which is characterized in that a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance is a multiple of the preferred operating frequency.
  • the device according to the invention and the method according to the invention can also be combined with further, optional advantageous features.
  • the above-mentioned methods, devices and their embodiments to ensure efficiency relate to the use of the capacities within a coil (e.g. the secondary coil / s). Further embodiments can combine the use of these and the use of capacities between primary and secondary coils in order to achieve increased efficiency.
  • the inductance coating along the coils forms, together with the capacitance coating between the primary and secondary coils, a strip line with a given line impedance and a given electrical line length.
  • the electrical line length in turn depends on the geometric length of the line and the speed of propagation of the signal in the dielectric.
  • a virtual RF mass is mapped to a first impedance at the point of symmetry of the secondary coil.
  • Will be the electrical length of the route From the point of symmetry along the secondary coil to the output of the secondary coil is equal to an odd (even) multiple of a quarter of the wavelength of a desired harmonic, the transmission of a signal from the output to the input of the fully symmetrical planar transformer is maximally low-loss if this output is idle (Short circuit) is completed.
  • planar transformer For all load impedances normally to be expected at the output of the planar transformer, which is terminated with a transmission path, second matching network and load, the transmission from the output to the input is low - the planar transformer therefore provides an impedance on the input side at the desired harmonic, which impedance does not go from one to the output of the planar transformer (“reflected”) signal depends:
  • the planar transformer is non-transparent for these harmonics, the harmonic termination on the input side is independent of the state of the load and the second matching network.
  • a transistor with a relatively high output power and at the same time a relatively low operating voltage delivers its output power particularly efficiently to a low-resistance load:
  • a modern LDMOS with 130V breakdown voltage is typically operated with a 50V supply voltage. When fully controlled, the high-frequency output voltage swings by +/- 50V around 50V.
  • the output impedance is 50V / 40A, i.e. in the region of 1 ohm: this is only determined by the operating voltage and output power, so a 1 ohm load impedance is absolutely necessary here ,
  • an adaptation network that maps 50 ohms to 1 ohm.
  • a planar transformer according to the invention can be part of this adaptation network.
  • the efficiency of the amplifier ie the combination of transistor and matching network, is determined both by the efficiency with which the transistor is operated and by the losses in the matching network, particularly in the planar transformer.
  • the losses in the adaptation network are also influenced by the impedance with which the adaptation network is fired on the input and output side. If, for example, the primary coil is driven by a push-pull amplifier, the differential output impedance of the push-pull amplifier can be seen at the end of the primary coil. On the other hand, there are, for example, 50 ohms at the output of the secondary coil.
  • the turn ratio is the number of turns of the secondary coil divided by the number of turns of the primary coil. If a source has a very high source power (e.g. 2500W based on the operating voltage of the source)
  • planar transformer with a turn ratio significantly greater than one appears to be advantageous for adaptation.
  • a plan transformer with one turn in the primary coil and three turns each above and below the primary coil in the secondary coil can be selected. It can be seen that such planar transformers with a high turn ratio have a minimum loss when terminating on the output and input side, each with impedances that are unfavorably high for the operation of the source or the adaptation of the load, but disadvantageous when terminating with the existing load and source impedances high losses.
  • the load impedance by which the losses in the matching network are minimized depends on the line impedance of the "line" secondary coil, with the primary coil as the reference ground.
  • This line impedance is reduced according to the invention by connecting two halves of the secondary coil in parallel here.
  • the advantage the inductance coating decreases (two coils in parallel), the capacitance coating increases, the line impedance as the square root of the divided by the capacitance coating Inductance coating drops by half if there are two parallel secondary coils.
  • the spaces between the first level S1 and the second level Pl, the second level Pl and the third level S2, the third level S2 and the fourth level P2, the fourth level P2 and the fifth level S3, the fifth level S3 and the sixth level P3, the sixth level P3 and the seventh level S4 are each filled with the same dielectric, a first distance between the second level P1 and the third level S2, between the third level S2 and the fourth level P2, between the fourth level P2 and the fifth level S3 and between the fifth level S3 and the sixth level P3 twice as large as a second distance between the first level S1 and the second level Pl as well as between - See the sixth level P3 and the seventh level S4 are selected.
  • all turns of the secondary coil are provided with similar line impedances.
  • the device according to the invention can therefore map the correct ratio of input to output impedance, for example 50 ohms, to a suitable load impedance for the transistor, and at the same time offer low losses at precisely this 50 ohms as load impedance.
  • the method according to the invention can therefore be combined with a method for operating an impedance variable load on a device, consisting of a planar transformer, consisting of at least one primary and one secondary side, which can be operated as an input or output side, comprising a virtual image RF mass at the point of symmetry of one of the secondary sides to a first impedance.
  • the above combined method may further select a route to a point of symmetry along one of the secondary sides to exit the secondary side equal to an odd (or even) multiple of a quarter of a wavelength of a desired harmonic; and / or terminating the output of the secondary side with an open circuit (or short circuit).
  • Another possible combination is the addition of a method for operating a planar transformer consisting of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and a point of symmetry and one differential output having two branches, which second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance to the first coil, which is a selection of a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance, which is the same is a multiple of a preferred operating frequency.
  • the method according to the invention can be carried out with a method for operating a planar transformer consisting of a primary and a secondary side, wherein that primary side has at least one first coil and that secondary side has at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and one when the planar transformer is operated differentially has virtual high-frequency mass at the point of symmetry, which comprises selecting an electrical length of the secondary coil smaller than half the wavelength at a preferred operating frequency and equal to an integral multiple of an integral fraction of half the wavelength at the preferred operating frequency.
  • the method according to the invention can include a method for operating a planar transformer.
  • This has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, which primary side has an input with a first input impedance at the preferred operating frequency and which secondary side has an output with a first output impedance at the preferred operating frequency, with a first source impedance and a first load impedance, wherein at the preferred operating frequency the first source impedance is complex conjugate when the output is terminated with the first load impedance of the input impedance, and the first load impedance are complex conjugate when the input is terminated with the first source impedance of the output impedance, with that primary side having at least a first coil and that secondary side has at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry when the planar transformer is operating differently, which selection comprises an electrical length of the secondary coil less than half the wavelength at the operating frequency and the same as an integral multiple of an integral fraction of half the wavelength at the operating frequency.
  • An embodiment of a device which can use the above-mentioned methods to achieve the object according to the invention consists of a planar transformer, which has at least one primary and one secondary side, which can be operated as input and output side, and a controller, the controller has programming which has the steps according to one of the preceding claims.
  • a planar transformer can have a preferred operating frequency and can consist of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one at least has a second coil, which second coil is constructed symmetrically and has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry when the planar transformer is operating differentially.
  • This embodiment is characterized in that an electrical length of the secondary coil is less than half the wavelength at the operating frequency and is an integer multiple of an integer fraction of half the wavelength at the operating frequency.
  • Another embodiment of the device is a planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and has a point of symmetry and has a differential output with two branches, the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance to the first coil.
  • This embodiment is characterized in that a resonance frequency between the distributed inductance and the distributed capacitance is a multiple of the preferred operating frequency and thus the efficiency is optimized.
  • a further embodiment of a device for applying the methods according to the invention is a planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, which primary side has an input with a first input impedance at the preferred operating frequency and which secondary side an output with a has first output impedance at the preferred operating frequency.
  • the primary side has at least one first coil and that secondary side has at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry when the planar transformer is operating differentially.
  • the device is further characterized in that an electrical length of the secondary coil is less than half the wavelength at the operating frequency and is an integer multiple of an integer fraction of half the wavelength at the operating frequency.
  • the above-mentioned embodiments via the devices can furthermore have a controller, the controller having programming which has the steps according to one of the preceding claims.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention, which can carry out a method 100 according to the invention.
  • the device 10 consists of a planar transformer 10.
  • the high-frequency planar transformer 10, with a variable number of turns in the secondary coil can conventionally consist of two levels, a first level being the primary side and the other level, which for illustration purposes is parallel to that is arranged first level, which can be the secondary side.
  • the planar transformer in Figure 1 has more than just a secondary coil.

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Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einer Vorrichtung, bestehend aus einem Planartransformator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, umfassend Primär- und Sekundärspulen, wobei Kapazitäten zwischen Windungen einer Spule mit Induktivitäten der Spule einen Schwingkreis bilden. Diese weist ein Wählen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wobei die Resonanzfrequenz auf eine Frequenz einer zu unterdrückenden harmonischen Oberwelle eines Eingangssignals fällt, auf.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER IMPEDANZVARIABLEN LAST AM PLANARTRANSFORMATOR IM HOCHFREQUENTEN BETRIEB II
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer impe- danzvariablen Last am einem Planartransformator im hochfrequenten Betrieb.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Anordnungen offenbart, in denen eine Quelle eines Signales mittels eines Übertragungspfades mit einer Last verbunden ist. Im Bereich hoher Leis- tungen ist typischerweise eine niederohmige Quelle (bspw. 1W) mit einer niederohmigen, häufig in ihrer Impedanz variablen Last (bspw. um einen Wert von 1W herum variabel) mit Hilfe eines höherohmigen Übertragungspfades (bspw. 50W) verbunden. Zur Impedanzanpassung wird meist zwischen Quelle und Übertragungspfad ein erstes Anpassungsnetzwerk mit einem (beispielsweise festen) ersten Impedanzverhältnis, sowie zwischen Übertragungspfad und Last ein zweites Anpassungsnetzwerk mit einem (beispielsweise variablen) zweiten Impedanzverhältnis verwendet. Über erstes Anpassungsnetzwerk, Übertragungspfad und zweites Anpassungsnetzwerk wird das Signal von der Quelle zur Last übertragen. Das Signal weist typischerweise Anteile bei einer Grund- frequenz und Anteile bei Oberwellen, also ganzzahlige Vielfachen der Grundfrequenz, auf.
Als Anpassungsnetzwerke mit festem Impedanzverhältnis kennt der Stand der Technik Transformatoren. Transformatoren weisen eine Eingangsspule („Primärwindung“) mit einer ersten Windungszahl und einer Ausgangsspule („Sekundärwindung“) mit einer zweiten Windungszahl auf, sowie ein, Wicklungsverhältnis genanntes, Verhältnis zwi- sehen zweiter Windungszahl und erster Windungszahl.
Bei niederfrequenten Signalen transformiert ein Transformator mit einem Wicklungsverhältnis N die Spannung zwischen Ein- und Ausgang um einen Faktor N hinunter,
Bestätigungskopie den Strom hingegen um einen Faktor N hinauf, so dass mithilfe des Transformators ein Verhältnis von Quell- zu Lastimpedanz von N2 angepasst werden kann.
Eine spezielle Realisierung von Transformatoren sind Planartransformatoren. Ein Plan- artransformator weist eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeflihrt sind, getrennt durch ein Dielektrikum.
Hochfrequenztechnisch sind Planartransformatoren Bauelemente, mittels derer unter Verwendung von verteilten Induktivitäten und verteilten Kapazitäten ein Signal von einem Eingang auf einen Ausgang übertragen wird, mit einer erwünschten Änderung der Signalimpedanz. Während diese Änderung im niederfrequenten Bereich zwischen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsverhältnisses stehenden reellen Impe- danzen besteht, ist der Zusammenhang bei im Wesentlichen nicht-reellen Hochfrequen- zimpedanzen und bei im Wesentlichen verteilten Kapazitäts- und Induktivitätsbelägen im höherfrequenten Bereich komplizierter.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, die Primärspule spiegelsymmetrisch aufzu- bauen („primärseitig symmetrischer Planartransformator“). Dem Stand der Technik ist es ebenfalls zugänglich, bei einer geradzahligen Windungszahl der Sekundärspule die eine Hälfte der Windungen der Sekundärspule in einem, aus einem ersten zu einer Beurteilung des Windungssinnes geeigneten Blickwinkel auf den Planartransformator betrachtet, ersten Windungssinn oberhalb, die andere Hälfte der Windungen im, aus dem ersten Blickwinkel betrachtet, entgegengesetzten Windungssinn unterhalb der Primärspule anzuordnen („sekundärseitig symmetrischer Planartransformator“), welche erste und zweite Hälfte Windungen im Bereich des Drehzentrums der Windungen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Zuletzt kann nach dem Stand der Technik ein Planartransformator vollsymmetrisch, das heißt, primärseitig und sekundärseitig sym- metrisch, aufgebaut sein.
Ist die Quelle eine differentielle Verstärkeranordnung, ergibt sich bei einem primärsei- tig symmetrischen Planartransformator in der Mitte der Primärwindung ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt, über welchen sich eine Versorgungsspannung Zufuhren lässt, mit lediglich geringen Anforderungen an die Abblockung des Aus- gangssignales gegen die Spannungs Versorgung. Bei einem sekundärseitig symmetrischen
Planartransformator ergibt sich auf nämliche Weise in der Mitte der Sekundärspule ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt; dieser wird nach dem Stand der Technik beispielsweise genutzt, um eine Gleichspannung auf einen Antennenanschluss aufzuprägen oder von einem Antennenanschluss abzugreifen. Dem Stand der Technik weiter bekannt sind, als erste Anpassungsnetzwerke, harmonische Anpassungs-Strukturen, mittels derer sich, nach Betrag und Phase, gewünschte Werte von Lastimpedanzen bei der Grundwelle und bei den Oberwellen erzielen lassen. Eine Kontrolle der Impedanzen auch bei den Oberwellen lässt sich vorteilhaft heranziehen, um am Ausgang einer Quelle Zeitverläufe von Strom und Spannung zu erzielen, mittels derer ein besonders effizienter Betrieb der Quelle erzielt wird.
Eine in ihrer Impedanz variable Last weist typischerweise eine Varianz der Eingangsimpedanz nicht nur bei der Grundwelle, sondern auch bei den Oberwellen des Signales auf. Das zweite Anpassungsnetzwerk mit einem variablen Impedanzverhältnis nach dem Stand der Technik ist typischerweise nur dafür geeignet, die Variation der Lastimpedanz bei der Grundfrequenz des Signales aufzufangen, es erlaubt jedoch meist keine Impedanzanpassung bei den Oberwellen.
Eine harmonische Anpassungs- Struktur als erstes Anpassungsnetzwerk wird hiernach ohne weitere Maßnahmen zwar auf einer dem Übertragungspfad zugewandten Seite bei der Grundfrequenz mit einer definierten lmpedanz abgeschlossen; bei den Vielfachen der Grundfrequenz ergeben sich aber variable Impedanzen. Derartig variable Oberwel- lenabschlüsse haben einen nachteilhaften Einfluss auf die Zeitverläufe von Strom und Spannung am Ausgang der Quelle.
Um auch bei variabler Last einen reproduzierbaren Oberwellenabschluss an der Quelle zu erzielen, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, die Anordnung aus zweitem Anpassungsnetzwerk, Übertragungspfad und erstem Anpassungsnetzwerk für harmoni- sche Frequenzen undurchlässig zu gestalten: Hierdurch lassen sich am Ausgang der aktiven Bauelemente der Verstärkeranordnung reproduzierbare Impedanzverhältnisse, und hierdurch eine von der Impedanz der Last weitgehend unabhängig hohe Effizienz der Quelle, erzielen.
Insbesondere kennt der Stand der Technik Strukturen, durch welche die Oberwellen nach Masse abgeleitet werden, beispielsweise frequenzselektive Saugkreise oder Fre- quenzweichen. Eine derartige Ableitung nach Masse stellt beispielsweise einen Kurz- schluss bei der jeweiligen Oberwelle dar und bietet eine definierte Impedanz bei der jeweiligen Oberwelle; von dieser ausgehend lässt sich das erste Anpassungsnetzwerk so auslegen, dass die Quelle stets mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann.
Nachteilig am Stand der Technik ist insbesondere, dass derartige Maßnahmen zur Ab- leitung der Oberwellen mit einem hohen Aufwand verbunden sind. Nachteilig am Stand der Technik ist weiter, dass durch derartige Maßnahmen zur Ableitung der Oberwellen stets auch ein Verlust an Signalleistung verbunden ist, welcher die Gesamteffizienz schmälert.
Ziel einer Entwicklung wäre daher eine Bereitstellung von Maßnahmen, mittels derer sich, unter Abschwächung der Nachteile des Standes der Technik, bei harmonischer Anpassung eine gleichbleibend hohe Effizienz einer Quelle auch dann erzielen lässt, wenn die Quelle zum Treiben einer impedanzvariablen Last betrieben wird.
Es ist also wünschenswert, Mittel zur Verfügung zu stellen, die das verlustarme Betreiben einer impedanzvariablen Last löst, ohne die Nachteile des Stands der Technik auf- zuweisen.
Die objektive Aufgabe des verlustarme Betreibens einer impedanzvariablen Last ohne die Nachteile des Stands der Technik aufzuweisen, wird gelöst von der Erfindung„fre- quenzselektive intransparente Planartransformator I“. Diese Erfindung betrifft ein Ver- fahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einer Vorrichtung, bestehend aus einem Planartransformator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, umfassend Primär- und Sekundärspulen, wobei Kapazitäten zwischen Windungen einer Spule mit Induktivitäten der Spule einen Schwingkreis bilden. Diese weist ein Wählen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wobei die Resonanzfrequenz auf eine Frequenz einer zu unterdrückenden harmonischen Oberwelle eines Eingangssignals fallt, auf.
Unter einem„Planartransformator“ versteht man eine besondere Bauform eines Transformators, die sich durch flache Bauweise auszeichnet. Hochfrequenztechnisch ist ein Planartransformator eine verteilte Struktur mit kapazitiven und induktiven Anteilen. Die induktiven Anteile werden von den Spulen dominiert; die kapazitiven Anteile bestehen zum einen aus dem Kapazitätsbelag zwischen Primär- und Sekundärspule, zum anderen aus einer eventuellen Kapazität zwischen je zwei Windungen innerhalb der Primär- o- der der Sekundärspule selbst, sofern diese aus (Teil-) Spulen mit mehr als einer Windung bestehen. Die Kapazität zwischen zwei Windungen einer Spule eines Plantransformators bildet mit der Induktivität der Spule einen Schwingkreis. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises so gewählt, dass sie auf die Frequenz einer zu unterdrückenden Harmonische des Signales fallt. Hierdurch kann keine Übertragung eines Signales bei der zu unterdrückenden Harmonischen vom Aus- gang auf den Eingang des Planartransformators stattfinden. Der Planartransformator stellt eingangsseitig bei der zu unterdrückenden Harmonischen eine Impedanz zur Ver- fligung, welche Impedanz nicht von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal abhängt: Der Planartransformator ist für diese Harmonische intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last und des zweiten Anpassungsnetzwerks unabhängig.
Der Hochfrequenz-Planartransformator, mit einer gegebenen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebe- ne die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planartransformator kann des Weiteren mehr als nur eine Primär-, bzw. Sekundär Ebene aufweisen, in verschie- denen Kombinationen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Planartransformator eine Primärseite (hier:„Seite“ gleichbedeutend wie„Ebene“ oder„Spule“), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwischen zwei Sekundärseiten (hier:„Seite“ gleichbedeutend wie„Ebenen“,„Hälften“,„Spulen“) liegt, aufweisen. Dabei liegt die Hälfte der Windungen der Sekundärspule ober-, die andere Hälfte unterhalb der Primärspule. In der Mitte ergibt sich eine , virtuelle Masse . Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, in zwei entgegengesetzten Windungssinnen; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom„von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte „von außen nach innen“, aber die (Teil-) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einander aufzuheben. Eine weitere Ausflihrungsform des Planartransformators zum Ausfuhren des erfin- dungsgemäßen Verfahrens kann aus einer stufenweisen Parallelschaltung von Primär- und Sekundärspulen erfolgen. Beispielsweise kann eine Anordnung drei Primärspulen und vier Sekundärspulen aufweisen. Diese können abwechselnd angeordnet sein: Se- kundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule. Die Primärspulen sind alle parallelgeschaltet, womit sie gewissermaßen eine einzige Spule mit einer einzigen Windung darstellen, nur, dass diese Windung aus drei parallelen„Drähten“ besteht. Zwei benachbarte Paare der Sekundärspulen (beiden oberen und die beiden unteren) sind auf eine nämlich Weise jeweils als Paar parallelgeschaltet. Eine weitere Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche Ausflihrungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, weist mehr als eine Primärspule auf.
In einer weiteren Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche Ausfiihrungs- form zur Umsetzung des erfmdungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, sind zumindest einzelne der Primärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.
Eine weitere Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche Ausflihrungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, weist mehr als eine Sekundärspule auf.
In einer weiteren Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche als Ausflih- rungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, sind zumindest einzelne der Sekundärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.
Als veranschaulichendes Beispiel dient ein Planartransformator, welcher sich über sie- ben, im Wesentlichen zueinander planparallelen, Ebenen erstreckt; in einer zu den Ebenen senkrechten Reihe aufeinanderfolgender Ebenen bezeichnet als erste Ebene S 1 , zweite Ebene PI, dritte Ebene S2, vierte Ebene P2, fünfte Ebene S3, sechste Ebene P3 und siebente Ebene S4.
Drei, beispielsweise geometrisch deckungsgleiche, Primärspulen mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang sind in der zweiten Ebene Pl , der vierten Ebene P2 und sechsten Ebene P3 angeordnet, wobei jeweils die ersten Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen, sowie jeweils die zweiten Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind. Eine erste Sekundärspule besteht aus einer ersten Teilspule Tl mit einer ersten Anzahl Windungen eines ersten Windungssinnes in der ersten Ebene Sl und einer vierten Teilspule T4 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der siebenten Ebene S4; eine zweite Sekundärspule besteht aus einer zweiten Teilspule T2 der ersten Anzahl Windungen des ersten Windungssinnes in der dritten Ebene S2 und aus einer dritten Teilspule T3 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der fünften Ebene S3; im Drehsinne der Windungen betrachtet innenliegende Enden der ersten Teilspule Tl, der zweiten Teilspule T2, der dritten Teil- spule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfahig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der ersten Teilspule Tl und der zweiten Teilspule T2 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfahig verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Impedanz auf der Eingangsseite des Planartransformators zur Verfügung stellen, welche nicht von einem am Ausgang reflektierten Signal abhängt, sodass der Planartransformator für die harmonische Oberwelle intransparent erscheint. Zum Lösen der objektiven Aufgabe kann ein Verfahren zum Betreiben eines Planar- transformators, bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Pri- märseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, zur Verfügung gestellt werden. Die zweite Spule ist dabei symmetrisch aufgebaut und weist einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen auf. Diese zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs weist eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen auf und kann weiterhin das Merkmal umfassen, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz ausgewählt wird.
Ebenso kann die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Planartransforma- tors gelöst werden, welche eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht. Die Primärseite weist einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und die Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz auf, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz. Bei der be- vorzugten Betriebsfrequenz ist die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert. Und die erste Lastimpedanz ist bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert. Die Primärseite weist mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule auf, welche zweite Spule symmet- risch aufgebaut ist. Bei differentiellem Betrieb des Planartransformators wird also eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufgewiesen, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz umfasst.
Die erfindungsgemäßen Planartransformatoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können im hochfrequenten Betrieb betrieben werden. Während diese Änderung im nie- derfrequenten Bereich zwischen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsver- hältnisses stehenden reellen Impedanzen besteht, ist der Zusammenhang bei im Wesent- lichen nicht-reellen Hochfrequenzimpedanzen und bei im Wesentlichen verteilten Ka- pazitäts- und Induktivitätsbelägen im höherfrequenten Bereich komplizierter. Dabei kann der hochfrequente Betrieb f > 10 MHz betragen. Weiterhin kann der hochfrequen- te Betrieb 50 kHz < f < 10 MHz betragen.
Eine Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann einen Planartransfor- mator umfassen, aufweisend mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, sowie einen Controller umfas- sen, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Verfahrensschritten aufweist.
Eine andere Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann einen Planartransformator umfassen, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin einen Planartransformator umfassen, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, deren Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpe- danz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz kom- plex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Se- kundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner mit weiteren, optionalen vorteilhaften Merkmalen kombiniert werden. Dabei wird zur Veranschaulichung nochmal daraufhin gewiesen, dass es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine hohe Effizienz bei einer impedanzvariablen Last im HF-Bereich zu erzielen. Die oben genannten Verfahren, Vorrichtungen und deren Ausfuhrungsformen um die Effizienz zu gewährleisten, beziehen sich die Verwendung der Kapazitäten innerhalb einer Spule (z.B. der Sekundärspule/n). Weitere Ausfuhrungsformen können eine Ver- wendung dieser und ein Verwenden der Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundär- spulen kombinieren, um erhöhte Effizienz zu erzielen.
In der kombinierten Ausfuhrungsform bildet der Induktivitätsbelag entlang der Spulen bildet zusammen mit dem Kapazitätsbelag zwischen Primär- und Sekundärspule eine Streifenleitung mit einer gegebenen Leitungsimpedanz und einer gegebenen elektri- sehen Leitungslänge. Die elektrische Leitungslänge wiederum hängt von der geometri- schen Länge der Leitung ab sowie von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals im Dielektrikum.
Bei einer Signalfrequenz wird eine virtuelle HF-Masse im Symmetriepunkt der Sekun- därspule auf eine erste Impedanz abgebildet. Wird die elektrische Länge der Strecke vom Symmetriepunkt entlang der Sekundärspule zum Ausgang der Sekundärspule gleich einem ungeradzahligen (geradzahligen) Vielfachen eines Viertels der Wellenlän- ge einer gewünschten Harmonischen gewählt, wird die Übertragung eines Signales vom Ausgang zum Eingang des vollsymmetrischen Planartransformators maximal verlust- arm, wenn dieser Ausgang mit einem Leerlauf (Kurzschluss) abgeschlossen wird. Für alle üblicherweise am, mit Übertragungspfad, zweitem Anpassungsnetzwerk und Last abgeschlossenen Ausgang des Planartransformators zu erwartenden Lastimpedanzen wird die Übertragung vom Ausgang zum Eingang gering - der Planartransformator stellt daher eingangsseitig bei der gewünschten Harmonischen eine Impedanz zur Verfügung, welche Impedanz nicht von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal abhängt: Der Planartransformator ist für diese Harmonische intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last und des zweiten Anpassungsnetzwerks unabhängig.
Ein Transistor mit einer relativ hohen Ausgangsleistung, bei gleichzeitig relativ niedriger Betriebsspannung, gibt seine Ausgangsleistung besonders effizient an eine niederohmige Last ab: Ein moderner LDMOS mit 130V Durchbruchspannung wird typischerweise mit 50V Versorgungsspannung betrieben. Bei Vollaussteuerung schwingt die hochfrequente Ausgangsspannung um +/- 50V um 50V herum. Um lkW Ausgangsleistung aus dem Transistor zu entnehmen sind 40A Ausgangsstrom erforderlich, die Ausgangsimpedanz liegt bei 50V/40A, also in der Gegend von 1 Ohm: Dies ist nur durch Betriebsspannung und Ausgangsleistung schon festgelegt, es wird hier also unbedingt so etwa 1 Ohm Lastimpedanz benötigt.
Um die typischerweise 50 Ohm einer„echten“ Last mit diesem Transistor speisen zu können, wird ein Anpassungsnetzwerk benötigt, das 50 Ohm auf 1 Ohm abbildet. Teil dieses Anpassungsnetzwerkes kann ein erfindungsgemäßer Planartrafo sein. Die Effizienz des Verstärkers, also der Kombination aus Transistor und Anpassungs- netzwerk, wird sowohl von der Effizienz bestimmt, mit der der Transistor betrieben wird, als auch von den Verlusten im Anpassungsnetzwerk, insbesondere im Planartrafo. Die Verluste im Anpassungsnetzwerk werden auch davon beeinflusst, mit welcher Im- pedanz das Anpassungsnetzwerk ein- wie ausgangsseitig abgeschossen wird. Wird z.B. die Primärspule von einem Push-Pull-Verstärker getrieben, sieht man am Eingang als Abschluss der Primärspule die differentielle Ausgangsimpedanz des Push-Pull- Verstärkers. Am Ausgang der Sekundärspule liegen dagegen bspw. 50 Ohm an.
Das , Windungsverhältnis ist die Anzahl von Windungen der Sekundärspule, geteilt durch die Anzahl der Windungen der Primärspule. Soll mit einer Quelle einer, bezogen auf die Betriebsspannung der Quelle sehr hohen Quell-Leistung (bspw. 2500W aus
36V) eine moderate Lastimpedanz (beispielsweise 50 Ohm) betrieben werden, erscheint zur Anpassung ein Planartransformator mit einem Windungsverhältnis deutlich größer als Eins als vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Plantransformator mit einer Windung in der Primärspule, und je drei Windungen ober- wie unterhalb der Primärspule in der Se- kundärspule gewählt werden. Es zeigt sich, dass solche Planartransformatoren mit ei- nem hohen Windungsverhältnis ein Verlustminimum bei aus- und eingangsseitigen Ab- schluss mit jeweils für den Betrieb der Quelle beziehungsweise die Anpassung der Last ungünstig hohen Impedanzen, bei Abschluss mit den vorliegenden Last- und Quellimpedanzen jedoch unvorteilhaft hohe Verluste, aufweisen.
Diejenige Lastimpedanz, durch die die Verluste im Anpassungsnetzwerk minimiert werden, hängt von der Leitungsimpedanz der„Leitung“ Sekundärspule, mit der Primärspule als Bezugsmasse, ab. Diese Leitungsimpedanz wird erfindungsgemäß verringert, indem hier jeweils zwei Sekundärspulenhälften parallelgeschaltet werden. Der Vorteil: der Induktivitätsbelag verringert sich (zwei Spulen Parallel), der Kapazitätsbelag erhöht sich, die Leitungsimpedanz als Quadratwurzel des durch den Kapazitätsbelag geteilten Induktivitätsbelages sinkt, bei je zwei parallelen Sekundärspulen auf die Hälfte.
Bei der zuletzt genannten Ausführungsform (Parallelschaltung) des Planartransformators können beispielsweise die Räume zwischen der ersten Ebene Sl und der zweiten Ebene Pl , der zweiten Ebene Pl und der dritten Ebene S2, der dritten Ebene S2 und der vierten Ebene P2, der vierten Ebene P2 und der fünften Ebene S3, der fünften Ebene S3 und der sechsten Ebene P3, der sechsten Ebene P3 und der siebenten Ebene S4 mit je- weils demselben Dielektrikum verfüllt sein, ein erster Abstand jeweils zwischen der zweiten Ebene Pl und der dritten Ebene S2, zwischen der dritten Ebene S2 und der vierten Ebene P2, zwischen der vierten Ebene P2 und der fünften Ebene S3 und zwischen der fünften Ebene S3 und der sechsten Ebene P3 doppelt so groß wie ein zweiter Abstand jeweils zwischen der ersten Ebene Sl und der zweiten Ebene Pl sowie zwi- sehen der sechsten Ebene P3 und der siebenten Ebene S4 gewählt werden. Hierdurch werden alle Windungen der Sekundärspule mit ähnlichen Leitungsimpedanzen versehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher sowohl das richtige Verhältnis von Ein- gangs- zu Ausgangsimpedanz, um bspw. 50 Ohm auf eine geeignete Lastimpedanz für den Transistor abbilden, und als auch gleichzeitig geringe Verluste bei eben diesen 50 Ohm als Lastimpedanz bieten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher kombiniert werden mit einem Verfahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einer Vorrichtung, bestehend aus einem Planartransformator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, aufweisend ein Abbilden einer virtuellen HF-Masse im Symmetriepunkt einer der Sekundärseiten auf eine erste Impedanz. Das oben genannte, kombinierte Verfahren kann weiter ein Wählen einer Strecke zu einem Symmetriepunkt entlang einer der Sekundärseiten zum Ausgang der Sekundär- seite gleich einer ungeradzahligen (oder geradezahl igen) Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge einer gewünschten Harmonischen; und/oder ein Abschließen des Aus- gangs der Sekundärseite mit einem Leerlauf (oder Kurzschluss) aufweisen.
Eine weitere Kombinationsmöglichkeit ist das Hinzufugen eines Verfahren zum Be- treiben eines Planartransformators bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist, bereitgestellt werden, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteil- ter Induktivität und verteilter Kapazität, welches gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz ist, umfasst.
Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Verfahren zum Betreiben eines Planartransformators bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, gelöst werden, welches ein Auswählen einer elektrischen Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei einer bevorzugten Betriebsfre- quenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der bevorzugten Betriebsfrequenz, umfasst, erweitert werden. In einer anderen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren zum Betreiben eines Planartransformator enthalten. Diese weist eine bevorzugte Be- triebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei dif- ferentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, bereit, welches ein Auswählen eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleichei- nem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz umfasst.
Eine Ausführung einer Vorrichtung, die zum Lösen der erfindungsgemäßen Aufgabe die oben genannten Verfahren anwenden kann, besteht aus einem Planartransformator, welches mindestens eine Primär- und eine Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, sowie einem Controller, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.
Weiterhin kann ein Planartransformator, als erfindungsgemäße Vorrichtung eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisen und aus einer Primär- und einer Sekundärseite beste- hen, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite min- destens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Be- triebsfrequenz und gleicheinem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.
Eine andere Ausflihrungsform der Vorrichtung ist ein Planartransformator, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen auf- weist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist. Diese Ausflihrungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Reso nanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist und somit die Effizienz optimiert wird.
Eine weitere Ausflihrungsform einer Vorrichtung zum Anwenden der erfmdungsgemä- ßen Verfahren ist ein Planartransformator, der eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist. Diese ist mit einer ersten Quellimpedanz und ei- ner ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Län- ge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleicheinem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellen- länge bei der Betriebsfrequenz ist.
Die oben genannten Ausführungsformen über die Vorrichtungen, können weiterhin ei- nen Controller aufweisen, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.
Abweichend vom bisher geschilderten Aufbau, der größtmöglichen Einfachheit der Darstellung geschuldet, kann ein in der Kunst bewanderter Anwender die in der vorlie- genden Erfindung offenbarte Lehre auch auf eine solche Weise anwenden, dass die - im bisher geschilderten Aufbau in einem Symmetriepunkt der Sekundärspule befindliche - Hochfrequenzmasse in einem anderen Punkte liegt, beispielsweise, wenn eine erste Zahl Windungen eines ersten Windungssinnes in einer ersten Ebene der Sekundärspule und eine zweite, von der ersten Zahl unterschiedliche, Zahl Windungen des dem ersten ent- gegengesetzten Windungssinnes in einer zweiten Ebene der Sekundärspule angeordnet werden.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Merkmalskombinationen mit den Merkmalskombinationen aus den Patentansprüchen kombiniert werden können.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 erfindungsgemäße Vorrichtung— ein Planartransformator Detaillierte Beschreibung der Abbildungen Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welches ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 ausfuhren kann. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Planartransformator 10. Der Hochfrequenz-Planartransformator 10, mit einer variablen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebene die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung pa- rallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planartransformator in Figur 1 weist mehr als nur eine Sekundärspule auf. Der erfindungsgemäße Planartransformator in Figur 1 enthält eine Primärseite 1 1 (dicke Außenlinie), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwischen zwei Sekundärseiten 12, l2‘ (dünne Linie, dünne gestrichelte Linie) liegt, aufweisen. Dabei liegt die Hälfte der Win- düngen der Sekundärspule 12 ober-, die andere Hälfte 12‘ unterhalb der Primärspule 1 1. Die Wicklungsrichtungen der beiden Sekundärspulen 12, l2‘ ist entgegengesetzt. In der Mitte, wo auch die Windungen der Sekundärspulen miteinander verknüpft sind, ergibt sich eine , virtuelle Masse1. Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, im entgegengesetzten Windungssinn; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom„von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte„von außen nach innen“, aber die (Teil- ) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einander aufzuheben.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
10 erfindungsgemäße Vorrichtung - Planartransformator
1 1 Primärspule des Planartransformators
12 eine Sekundärspule des Planartransformators (oben)
12‘ symmetrische Sekundärspule des Planartransformators (unten)
100 erfindungsgemäße Verfahren

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einem Planartrans- formator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, umfassend Primär- und Sekundärspulen, wobei Kapazitäten zwischen Windungen einer Spule mit Induktivitäten der Spule einen Schwingkreis bilden, aufweisend:
- das Wählen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wobei die Resonanzfrequenz auf eine Frequenz einer zu unterdrückenden harmonischen Oberwelle eines Eingangssignals fallt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein zur Verfügung Stellen einer Impedanz auf der Eingangsseite des Planartransformators, welche nicht von einem am Ausgang reflektierten Signal abhängt, sodass der Planartransformator für die harmonische Oberwelle intransparent erscheint.
3. Verfahren zum Betreiben eines Planartransformators, bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen aufweist, umfassend:
- Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz.
4. Verfahren zum Betreiben eines Planartransformators, eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisend und bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Be- triebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsim- pedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Ein- gangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Ein- gangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule auf-weist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, umfassend:
- Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und ver- teilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator im hochfrequenten Betrieb betrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente Be- trieb f > 10 MHz ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hochfrequente Be- trieb 50 kHz < f < 10 MHz ist.
8. Planartransformator, aufweisend mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, sowie einen Controller, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.
9. Planartransformator, eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisend und bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine ver- teilte Kapazität zwischen ihren Windungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz.
10. Planartransformator, eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisend und beste-hend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Ab-schluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz.
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