FI91930B - Piirilevymuuntaja ja sen käyttö - Google Patents

Description

91930

Piirilevymuuntaja ja sen käyttö - Kretskortstransformator samt dess användning 5 Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista piirilevymuuntajaa suurtaajuussovellutuksia varten. Keksintö koskee myös tällaisen muuntajan käyttöä.

Suurtaajuussovellutuksissa, kuten esim. radiopuhelinten se-10 koitin- ja modulaattoripiireissä, käytetään piirilevyille asennettavia muuntajia, esim. symmetrointimuuntajia, joilla epäsymmetrinen signaali saadaan symmetriseksi tai joilla muutoin galvaanisesti erotetaan ensiö ja toisio. Perinteisesti muuntajat tehdään erillisinä komponentteina, jolloin 15 magneettiselle sydämelle käämitään tarvittavat ensiö- ja toisiokäämit. Tällaisen perinteisen muuntajan valmistus sisältää useita työvaiheita ja yleensä myös käsityötä, jolloin siitä tulee kallis.

20 Tunnetaan myös itse piirilevyllä toteutetut ns. kytketyt liuskat (coupled lines). Useimmiten kirjallisuudessa esitetyt kytketyt liuskat ovat neljännesaallon mittaisia. Esim.

100 MHz:n taajuudella neljännesaallon mittaisten liuskojen käyttö on useimmissa sovellutuksissa käytännössä mahdotonta, 25 koska lasikuitupiirilevyllä (FR4) niiden pituus olisi noin ·: 40 cm, riippuen kuitenkin jonkin verran piirilevymateriaa- lista.

Keksinnön tavoitteena on sellaisen mm. edellä mainittuihin JO sovellutuksiin sopivan muuntajan aikaansaaminen, joka soveltuu nykyisiin piirilevyn valmistusmenetelmiin ja joka voidaan toteuttaa yksinkertaisella ja edullisella tavalla.

Keksinnön mukaisesti tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen J5 1 tunnusmerkein. Muuntajan ensiön ja toision välille saadaan kytkentä sinänsä tunnetulla tavalla lähekkäin samansuuntaisesti sijoitettujen muuntajaliuskojen keskinäisinduktanssin kautta. Suorat muuntajaliuskat voivat muodostaa osan yhte- 91930 2 naisesta suorakaiteen muotoisesta liuskasilmukasta. Liuska-silmukat voidaan muodostaa piirilevyn pinnalle tai piirilevyn johonkin välikerrokseen, esimerkiksi samoilla menetelmillä ja samanaikaisesti kuin piirilevylle painettavat muut 5 johdinpiirit.

Liuskasilmukat voivat keksinnön mukaisesti olla sisäkkäin tai ne voivat olla samassa tasossa niiden välisen keskiviivan kummallakin puolella, tai jos ne ovat piirilevyn eri 10 kerroksissa, niin niiden projektiot voivat olla sisäkkäin tai niiden välisen keskiviivan kummallakin puolella. Keksinnön mukainen piirilevymuuntaja toimii kytkien ensiöstä toi-sioon signaalin, jonka taajuus on välillä noin 50 MHz...

2 GHz, edullisesti välillä noin 100 MHz...400 MHz. Muuntaja-15 liuskat voivat olla oleellisesti lyhyemmät kuin muuntajan läpi kytkettävän signaalin aallonpituus, koska muuntajalius-koja voidaan ajatella paremminkin keloina kuin siirtolinjöinä. Liuskasilmukan suorakaiteen pitkän sivun keskelle sijoitettujen liitäntäpisteiden väliin kytketty kapasitanssi ja 20 muuntajaliuska muodostavat LC-resonanssipiirin.

Keksinnön mukaista piirilevymuuntajaa voidaan edullisesti käyttää symmetrointimuuntajana, jolloin toisiomuuntajalius-kan keskipiste on kytketty signaalimaahan. Piirilevymuunta-25 jaa voidaan keksinnön mukaisesti myös käyttää balansoidussa sekoittimessa. Lisäksi sitä voidaan käyttää myös IQ-modu-laattorissa, jolloin saadaan yksinkertainen ja edullinen piiriratkaisu, jossa ei tarvita tasavirtasäätöä.

30 Keksintöä selitetään seuraavassa lähemmin suoritusesimerkki-en avulla viitaten oheiseen piirustukseen, jossa: kuviot la ja Ib esittävät keksinnön mukaisen symmetrointi-muuntajan kytkentäkaavion ja vastaavan liuskojen kaaviollisen sijoittelun piirilevyllä, jolloin kapasitanssit on esi-35 tetty symbolisesti; kuvio 2 esittää balansoidun sekoituspiirin sinänsä tunnetun periaatekytkennän ja kuvio 3 piirilevymuuntajalla toteutetun sekoituspiirin periaatekytkennän; li 3 91930 kuvio 4 esittää tunnetun IQ-modulaattorin periaatteellisen lohkokaavion; ja kuvio 5 vastaavan piirilevymuuntajalla toteutetun IQ-modu-laattorin piirikaavion.

5

Kuviossa la on esitetty symmetrointimuuntajan 10 periaatteellinen kytkentäkaavio. Asymmetrinen signaali ASYM kytketään ensiön li signaaliliitännän 13 ja signaalimaan 14 väliin. Ensiön liitäntäpisteiden 13 ja 14 väliin on kytketty 10 kondensaattori 12. Muuntajan toisiosta 15 symmetrinen signaali SYM saadaan liitäntäpisteistä 17 ja 18. Toision liitäntäpisteiden väliin on kytketty kondensaattori 16. Toisio-liuskan 15 keskipiste 19 on liitetty signaalimaahan.

15 Keksinnön symmetrointimuuntaja 10 toteutetaan kuvion Ib mukaisesti muodostamalla piirilevylle lähekkäin olevat muunta-jaliuskat 11 ja 15 samalla kun piirilevyn muut painetut joh-timet valmistetaan sinänsä tunnettuja piirilevyn valmistusmenetelmiä käyttäen. Muuntajaliuskat 11, 15 ovat kulloinkin 20 osana suorakaiteen muotoista liuskasilmukkaa 20 ja vastaavasti 21. Kuviossa Ib kondensaattorit 12 ja 16 on esitetty symbolisesti; ne ladotaan erillisinä komponentteina piirilevylle (tässä esimerkissä pintaliitoskomponentteina) ja liitetään liuskoihin vastaavissa pisteissä.

25

Alan ammattilaiselle painettujen piirien toteuttaminen on sinänsä tunnettua, eikä sitä tässä tarkemmin selitetä. Suo-ritusesimerkissä ensiö- ja toisioliuskasilmukan korkeus d eli muuntajairuskojen 11, 15 pituus on 16 mm. Silmukan 20 30 leveys a (sisäreunalla) on 1 mm. Toisiosilmukan 21 sisäreunan b pituus on 3 mm. Liuskojen leveys 1 on 0,5 mm. Muunta-jaliuskojen eristysväli c on myös 0,5 mm. Kondensaattorien 12 ja 16 arvot ovat 180 pF ja vastaavasti 120 pF. Kondensaattori ja muuntajaliuska muodostaa kulloinkin LC-resonans-25 sipiirin. Näillä mitoilla ja arvoilla piirilevymuuntaja toimii taajuudella 100 MHz. Mittoja voidaan alan ammatti- 4 91930 laisen hyvin käsittämissä puitteissa vaihdella niin, että mahdollinen taajuusalue on välillä noin 50 MHz...2 GHz, ja paras taajuusalue välillä 100 MHz...400 MHz. Havaitaan, että muuntajaliuskan pituus on oleellisesti pienempi kuin 5 kytkettävän signaalin aallonpituus. Tässä esitetty piirile-vymuuntaja on suhteellisen kapeakaistainen, joka ajatelluissa sovellutuksissa on etu.

Käytännössä keksinnön mukainen piirilevymuuntaja voidaan 10 toteuttaa monin eri tavoin. Kuviossa Ib on esitetty yksinkertainen tapaus, jossa ensiö 20 ja toisio 21 ovat samassa tasossa raon c keskellä kulkevan keskiakselin kummallakin puolella. Voitaisiin myös ajatella tapaus, jossa silmukat 20, 21 ovat sisäkkäin samassa tasossa. Piirilevyn pinta-alan 15 säästämiseksi on myös mahdollista sijoittaa liuskasilmukat 20, 21 eri tasoihin, esim. niin, että toinen silmukka on piirilevyn pinnalla ja toinen sen välikerroksessa, jolloin keskiakseli voi sijaita muuntajaliuskojen samaan tasoon projisoitujen kuvaajien välissä tai niiden keskellä (jolloin 20 muuntajaliuskat ovat siis päällekkäin). Tällöin välikerrok sen silmukkaan kuuluva kondensaattori kytketään silmukan liuskajohtoon pintakerroksen reikien läpi. Voidaan myös ajatella useamman toisioliuskan käyttämistä, jolloin toisiot lisäksi voisivat olla eri kerroksissa. Oleellista on keksin-25 non mukaiselle piirilevymuuntajalle se, että sen komponentit, ts. liuskajohdot ja kondensaattorit, eivät vaadi erillisiä käsityövaiheita, vaan liuskajohdot voidaan painaa muiden johtimien kanssa samassa vaiheessa ja kondensaattorit latoa automaattikoneissa samoin kuin muut piirilevylle 30 asennettavat komponentit.

Keksinnön piirilevymuuntajaa käytetään edullisesti balansoitua sekoitinta varten. Tavanomaisesti toteutetaan sekoitin erillisillä käämityillä muuntajilla, jotka vievät suuren 35 tilan ja jolloin komponenttien arvot ovat kriittisiä. Kuviossa 2 on esitetty tavallinen balansoidun sekoittimen kytkentä, jossa sekoittavana elementtinä on sarjaan kytketty diodipari Dl, D2 (Schottky-diodeja). Radiotaajuinen

II

5 91930 signaali liitetään muuntajan T tuloon RF, paikallisoskil-laattorin signaali LO toision keskelle, ja välitaajuinen lähtösignaali IF otetaan diodien Dl, D2 välisestä pisteestä alipäästösuodattimen F kautta.

5

Kuviossa 3 on esitetty piirilevymuuntajän 10 kytkeminen tavanomaisen muuntajan sijaan balansoituun sekoitinpiiriin. Piirilevymuuntaja 10 ja sekoitindiodit 31 ja 32 muodostavat tässä esimerkissä balansoidun sekoittimen 50. Diodit 31, 10 32 vastaavat kuvion 2 diodeja Dl, D2 ja alipäästösuodatin 40 kuvion 2 suodatinta F. Kuvion 3 piirissä paikallisoskil-laattorin LO-liitäntä on kytketty diodien väliin. LO-liitän-tä voitaisiin tehdä kuvion 2 tapaan suoraan muuntajalius-kaan, mutta tällöin tulisi liitäntä järjestää erityisesti 15 siten, ettei se häiritse muuntajan symmetrisyyttä. LO-, RF-ja IF-portit voidaan kytkeä useammalla tavalla, mutta perusajatus 180 asteen vaihesiirron aikaansaamiseksi diodeille pysyy niissä samana.

20 Kuviossa 4 on esitetty sinänsä tunnettu IQ-modulaattorin periaatteellinen lohkokaavio. Paikallisoskillaattorisignaali LO tuodaan sekoittimelle Ml ja 90 asteen vaiheensiirron (PS) jälkeen sekoittimelle M2. Sekoittimille kytketään moduloitavat signaalit I ja vastaavasti Q ja sekoitetut 25 signaalit johdetaan summaimeen S, josta saadaan suurtaajuinen lähtösignaali RF. Tavanomaisissa sovellutuksissa on käytetty kaupallisia sekoittimia, jotka ovat kalliita, ja joilla harvoin on riittävä paikallisoskillaattorisignaalin vaimennus esim. GSM-järjestelmää varten. Oskillaattorisig-30 naalin vaimentamiseksi on jouduttu käyttämään erilaisia balansointimenetelmiä, esim. tasavirta- eli DC-säätöä, joka aiheuttaa lisäkustannuksia sekä mahdollisesti lämpötila-ongelmia. Käyttämällä kuvion 4 mukaisessa IQ-modulaattorissa keksinnön mukaista piirilevymuuntajaa saadaan valmistustek-35 nisesti edullinen ratkaisu kuvion 5 mukaisesti.

Kuviossa 5 on käytetty kahta keksinnön mukaista piirilevy-muuntajaa 50 ja 50', joiden epäsymmetriseen tuloon tuodaan 91930 6 paikallisoskillaattorisignaali LO ja vastaavasti 90 astetta vaihekäännetty signaali L0(90). Vaihesiirron toteutustapa ei vaikuta keksinnöllisen ajatuksen soveltamiseen, joten sitä ei tässä ole tarkemmin esitetty. DC-säätöä ei keksinnön mu-5 kaisessa IQ-modulaattorissa tarvita. Signaalit I ja Q syötetään piiriin jännitteenjakajien 61-62 ja 65-66 kautta. Sekoitetut signaalit johdetaan kondensaattorin 63 ja vastuksen 64 ja vastaavasti 67, 6Θ kautta lähtöön RF. Piirilevymuunta-jan ominaisuuksista johtuen IQ-modulaattorista tulee suh-10 teellisen kapeakaistainen, mutta tästä on useimmiten etua harhasignaalien suodatusta ajatellen.

Rinnakkaiset liuskat ovat edellä esitetyssä esimerkissä suoria, mutta tämä ei ole välttämätöntä. Liuskojen muoto voi 15 olla lähes mielivaltainen, kunhan rakenne on täysin symmetrinen keskilinjan suhteen.

Keksinnön mukaista piirilevymuuntajaa käytetään edullisesti radiopuhelinpiireissä, kuten esim. GSM-radiopuhelimissa.

20 li

Claims (10)

91930

1. Piirilevymuuntaja (10) suurtaajuussovellutuksia varten, joka käsittää piirilevyllä lähekkäin olevat samansuuntaiset muuntajaliuskat (11, 15), joiden päät piirissä on liitetty 5 piirilevyllä oleviin muuntajan ensiön ja vastaavasti toision liitäntäpisteisiin (13 ja 14, 17 ja 18), tunnettu siitä, että ensiön ja vastaavasti toision liitäntäpisteiden (13 ja 14, 17 ja 18) väliin on järjestetty kapasitanssi (12, 16), jolloin muuntajaliuska (11, 15) ja kapasitanssi (12, 16) 10 kulloinkin muodostavat LC-resonanssipiirin (li ja 12, 15 ja 16) .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen piirilevymuuntaja, tunnettu siitä, että samansuuntaiset suorat muuntajaliuskat 15 (11, 15) ja niiden päät kulloinkin liitäntäpisteisiin (13 ja 14, 17 ja 18) yhdistävä piiri muodostaa oleellisesti yhtenäisen suorakaiteen muotoisen liuskasilmukan (20, 21), ja että liitäntäpisteet on sijoitettu oleellisesti symmetrisesti suorakaiteen pitkän sivun keskelle. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen piirilevymuuntaja, tunnettu siitä, että muuntajaliuskat (11, 15) on muodostettu piirilevyn pinnalle ja/tai piirilevyn välikerroksen pinnalle . 25

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen piirilevymuuntaja, tunnettu siitä, että liuskasilmukoiden (20, 21) samassa tasossa olevat projektiot ovat sisäkkäin.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-4 mukainen piirilevymuuntaja, tunnettu siitä, että liuskasilmukoiden (20, 21) samassa tasossa olevat projektiot sijaitsevat muun-tajaliuskojen (11, 15) välisen keskiakselin kummallakin puolella.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen piirilevymuuntaja, tunnettu siitä, että ensiön ja toision välillä kytkettävän signaalin taajuus on välillä noin 50 MHz...2 GHz, 35 91930 edullisesti välillä noin 100 MHz...400 MHz, ja että muunta-jaliuskat (11, 15) ovat oleellisesti lyhyemmät (d) kuin kytkettävän signaalin aallonpituus.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen piirile- vymuuntajan käyttö symmetrointimuuntajana (10), jolloin toi-siomuuntajaliuskan (15) keskipiste on kytketty signaalimaa-han (19).

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen piirile- vymuuntajan (10) käyttö balansoidussa sekoittimessa (50).

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen piirile-vymuuntajan (10) käyttö IQ-modulaattorissa. 15

10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen piirile-vymuuntajan käyttö GSM-puhelimessa.