ITBO20100189A1 - PLANAR OUTPUT TRANSFORMER FOR A RADIOFREQUENCY POWER AMPLIFIER - Google Patents
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Description
“TRASFORMATORE DI USCITA PLANARE PER UN AMPLIFICATORE DI POTENZA OPERANTE IN RADIOFREQUENZA †⠀ œPLANAR OUTPUT TRANSFORMER FOR A POWER AMPLIFIER OPERATING IN RADIO FREQUENCY â €
DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invenzione si inquadra nel settore tecnico relativo alla produzione di dispositivi per apparecchiature elettriche ed elettroniche atte ad operare nel campo delle radiofrequenze. The present invention is part of the technical sector relating to the production of devices for electrical and electronic equipment suitable for operating in the field of radio frequencies.
In particolare, l’invenzione riguarda un trasformatore di uscita di tipo planare, atto ad operare in un amplificatore di potenza a radiofrequenza. In particular, the invention relates to a planar type output transformer, suitable for operating in a radio frequency power amplifier.
E’ noto che negli impianti di trasmissione in radiofrequenza, ad esempio i trasmettitori radiotelevisivi, quelli delle reti telefoniche cellulari etc., hanno grande importanza i dispositivi amplificatori di potenza, che ricevono il segnale da trasmettere da precedenti stadi di preamplificazione e di filtraggio e lo forniscono all’antenna trasmittente, oppure a un carico equivalente, con un’impedenza ottimale per il pilotaggio della stessa e con una potenza di pilotaggio adeguata a coprire le distanze o le aree di irradiazione per le quali l’impianto à ̈ stato progettato. It is known that in radio frequency transmission systems, for example radio and television transmitters, those of cellular telephone networks, etc., power amplifier devices are of great importance, which receive the signal to be transmitted from previous preamplification and filtering stages and they supply it to the transmitting antenna, or to an equivalent load, with an optimum impedance for driving it and with an adequate driving power to cover the distances or areas of irradiation for which the system is been designed.
Poiché gli amplificatori di potenza sono di gran lunga i dispositivi di maggior assorbimento energetico in un impianto di trasmissione, à ̈ innanzitutto di fondamentale importanza che gli stadi amplificatori abbiano un’elevata efficienza, vale a dire che venga riportata sul carico, in forma di potenza utile, la frazione quanto più elevata possibile della potenza elettrica assorbita. Un’efficienza elevata comporta inoltre una minore produzione di calore a parità di potenza utile trasferita all’antenna, e consente pertanto di ridurre la dimensione ed il peso dei dispositivi dissipatori necessari a rimuovere il calore in eccesso. L’ingombro e il peso dei dispositivi dissipatori costituiscono una percentuale significativa, e a volte preponderante, delle dimensioni dell’intero amplificatore. Una riduzione di tali dimensioni comporta pertanto sia una corrispondente riduzione delle dimensioni e del peso delle apparecchiature che la possibilità di collocarne diverse in batteria a distanza ravvicinata. Since power amplifiers are by far the most energy-absorbing devices in a transmission system, it is first of all of fundamental importance that the amplifier stages have a high efficiency, that is to say that it is returned to the load, in the form of useful power, the highest possible fraction of the absorbed electrical power. A high efficiency also involves a lower production of heat for the same useful power transferred to the antenna, and therefore allows to reduce the size and weight of the dissipating devices necessary to remove the excess heat. The bulk and weight of the heat sink devices make up a significant, and sometimes preponderant, percentage of the size of the entire amplifier. A reduction of these dimensions therefore entails both a corresponding reduction in the dimensions and weight of the equipment and the possibility of placing several in the battery at close range.
Ai fini del rendimento complessivo dell’amplificatore à ̈ inoltre particolarmente importante che l’efficienza del trasferimento di potenza all’antenna, o comunque al carico posto in uscita, venga mantenuta per l’intera larghezza di banda operativa dell’amplificatore. For the purposes of the overall efficiency of the amplifier, it is also particularly important that the efficiency of the power transfer to the antenna, or in any case to the load placed at the output, is maintained for the entire operating bandwidth of the amplifier.
Negli amplificatori convenzionali più avanzati lo stadio di amplificazione finale comprende, quale elemento attivo di amplificazione, un transistore MOSFET di potenza. Il segnale in radiofrequenza giunge agli ingressi del MOSFET attraverso un trasformatore di ingresso, la cui funzione principale à ̈ quella di adattare l’impedenza del medesimo segnale a quella di ingresso ottimale del transistore. In more advanced conventional amplifiers the final amplification stage comprises, as an active amplifier element, a power MOSFET transistor. The radiofrequency signal reaches the inputs of the MOSFET through an input transformer, whose main function is to adapt the impedance of the same signal to the optimum input impedance of the transistor.
Ai morsetti di uscita del MOSFET à ̈ inoltre collegato un trasformatore di uscita, anch’esso destinato ad adattare l’impedenza del segnale in uscita dal transistore a quella ottimale dell’antenna trasmittente. An output transformer is also connected to the output terminals of the MOSFET, which is also designed to adapt the impedance of the output signal from the transistor to the optimum impedance of the transmitting antenna.
La progettazione e la corretta realizzazione dei trasformatori di ingresso e di uscita dello stadio amplificatore di potenza sono fondamentali per ottenere un corretto funzionamento del MOSFET in una banda di frequenze appartenente al dominio delle frequenze radio. Modeste variazioni dei parametri di progetto, del tipo e del valore dei componenti, o anche solo della loro disposizione nel circuito, sono in genere sufficienti per modificare in modo consistente la risposta del transistore e per peggiorarne significativamente le prestazioni, sia per quel che riguarda l’efficienza complessiva del trasferimento di potenza che per il suo bilanciamento nell’intera banda di trasmissione. The design and the correct realization of the input and output transformers of the power amplifier stage are fundamental to obtain a correct operation of the MOSFET in a frequency band belonging to the radio frequency domain. Modest variations of the design parameters, of the type and value of the components, or even of their arrangement in the circuit, are generally sufficient to significantly modify the transistor response and to significantly worsen its performance, both as regards the Overall efficiency of power transfer and its balancing in the entire transmission band.
Una possibile tecnologia di trasformatore per pilotare i MOSFET negli stadi finali di potenza in radiofrequenza à ̈ quella planare. In un trasformatore planare l’avvolgimento primario e il secondario sono realizzati in forma di piste di circuito stampato con andamento a spirale, variamente sagomate e dimensionate. Il substrato della piastra di circuito stampato costituisce il materiale dielettrico di separazione fra gli avvolgimenti, e svolge un ruolo importante nel funzionamento del trasformatore. A possible transformer technology to drive MOSFETs in the final stages of radio frequency power is the planar one. In a planar transformer, the primary and secondary windings are made in the form of printed circuit circuits with a spiral pattern, variously shaped and dimensioned. The substrate of the printed circuit board constitutes the dielectric material separating the windings, and plays an important role in the operation of the transformer.
In uno stadio amplificatore progettato in tecnologia planare i trasformatori possono essere realizzati su piastre di circuito stampato separate o in un’unica piastra. In quest’ultimo caso la piastra comprende generalmente un trasformatore di ingresso, un trasformatore di uscita, i componenti circuitali necessari alla loro corretta taratura (condensatori, induttanze e resistori), nonché il MOSFET stesso, opportunamente posizionato fra i due trasformatori. In an amplifier stage designed in planar technology, the transformers can be made on separate printed circuit boards or in a single board. In the latter case, the plate generally includes an input transformer, an output transformer, the circuit components necessary for their correct calibration (capacitors, inductances and resistors), as well as the MOSFET itself, suitably positioned between the two transformers.
Anche per gli stadi amplificatori realizzati in tecnologia planare valgono le considerazioni sopra esposte in merito all’efficienza e alla risposta in frequenza. Con i migliori stadi amplificatori convenzionali, che utilizzano trasformatori di impedenza realizzati con cavi coassiali o con avvolgimenti su nuclei ferromagnetici, si riescono a ottenere efficienze dell’ordine del 70%, che possono però diminuire considerevolmente anche con modeste variazioni della conformazione degli avvolgimenti dei trasformatori, del tipo dei componenti passivi utilizzati e del loro valore. The above considerations regarding efficiency and frequency response also apply to amplifier stages made with planar technology. With the best conventional amplifier stages, which use impedance transformers made with coaxial cables or with windings on ferromagnetic cores, it is possible to obtain efficiencies of the order of 70%, which can however decrease considerably even with modest variations in the conformation of the windings of the transformers, of the type of passive components used and their value.
Ogni configurazione circuitale e ogni conformazione di avvolgimento dei trasformatori planari à ̈ progettata e realizzata in funzione del particolare MOSFET di potenza impiegato, in funzione della specifica impedenza di ingresso e di uscita dello stesso. Ciascun transistore à ̈ infatti peculiare, e circuiti progettati per ottenere un buon rendimento con un dispositivo non sono altrettanto adatti ad essere utilizzati con un altro. Each circuit configuration and each winding configuration of the planar transformers is designed and built according to the particular power MOSFET used, according to the specific input and output impedance of the same. Each transistor is in fact peculiar, and circuits designed to perform well with one device are not as suitable for use with another.
Per i motivi sopra esposti sono note molteplici configurazioni di amplificatori di potenza per radiofrequenza in tecnologia planare. I tentativi di migliorare l’efficienza di qualche punto percentuale hanno spesso portato a configurazioni circuitali complesse, con gli avvolgimenti dei trasformatori planari ad esempio intercalati su diversi strati conduttori della piastra di circuito stampato, così come le piste di collegamento dei vari componenti. Ciò porta inoltre ad ottenere amplificatori spesso critici in relazione alla ripetibilità delle prestazioni e al costo degli stessi. For the above reasons, many configurations of power amplifiers for radiofrequency in planar technology are known. Attempts to improve efficiency by a few percentage points have often led to complex circuit configurations, with the windings of planar transformers for example interleaved on different conducting layers of the printed circuit board, as well as the connection tracks of the various components. This also leads to obtaining amplifiers that are often critical in relation to the repeatability of the performances and the cost of the same.
In ogni caso, le configurazioni circuitali convenzionali non consentono di ottenere efficienze complessive dello stadio amplificatore significativamente maggiori del 70% . In any case, conventional circuit configurations do not allow to obtain overall efficiencies of the amplifier stage significantly higher than 70%.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un trasformatore planare di uscita per un amplificatore di potenza in radiofrequenza in grado di consentire il funzionamento come amplificatore di un corrispondente transistore MOSFET con efficienza complessiva di Drain prossima al 90%. An object of the present invention is to propose a planar output transformer for a radio frequency power amplifier capable of allowing the operation as amplifier of a corresponding MOSFET transistor with overall drain efficiency close to 90%.
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di proporre un trasformatore di uscita planare in grado di ottenere la sopra citata efficienza con una configurazione circuitale semplice e compatta. Another object of the invention is to propose a planar output transformer capable of obtaining the aforementioned efficiency with a simple and compact circuit configuration.
Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di proporre un trasformatore di uscita planare in grado di ottenere i valori di efficienza sopra citati quando realizzato in una piastra di circuito stampato a due strati, vale a dire con piste di conduttore disposte sulle sole due facce superiore ed inferiore. A further object of the invention is to propose a planar output transformer capable of obtaining the above-mentioned efficiency values when made in a two-layer printed circuit board, i.e. with conductor tracks arranged on only two upper and lower faces.
Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di proporre una configurazione di trasformatore di uscita planare in grado di operare ad elevata efficienza con diversi dispositivi MOSFET di potenza. A further object of the invention is to propose a planar output transformer configuration capable of operating at high efficiency with different power MOSFET devices.
Gli scopi sopra citati vengono interamente ottenuti, in accordo con il contenuto delle rivendicazioni, da un trasformatore planare di uscita di uno stadio amplificatore di potenza in radiofrequenza destinato a ricevere in ingresso su un proprio avvolgimento primario un segnale di uscita di un dispositivo amplificatore a stato solido, ed a fornire in uscita su un proprio avvolgimento secondario il medesimo segnale adattato in impedenza a un carico. The aforementioned purposes are entirely achieved, in accordance with the content of the claims, by a planar output transformer of a radiofrequency power amplifier stage intended to receive an output signal from a state amplifier device on its own primary winding. solid, and to output on its own secondary winding the same signal adapted in impedance to a load.
Nel trasformatore planare l’avvolgimento primario comprende una prima pista realizzata in un primo strato di una piastra di circuito stampato, la quale conforma una singola spira aperta avente sagoma esterna sostanzialmente quadrangolare. La larghezza della prima pista à ̈ compresa fra 3/10 e 4/10 della larghezza complessiva dell’avvolgimento primario. In the planar transformer, the primary winding comprises a first track made in a first layer of a printed circuit board, which forms a single open turn having a substantially quadrangular external shape. The width of the first track is between 3/10 and 4/10 of the overall width of the primary winding.
L’avvolgimento secondario comprende una seconda pista realizzata in un secondo strato della piastra di circuito stampato, separato dal primo strato da un supporto di materiale elettricamente isolante a basse perdite. La seconda pista conforma una spirale a due spire ed à ̈ provvista, alle estremità libere, di piste di raccordo con punti di collegamento al carico. L’avvolgimento secondario à ̈ sostanzialmente allineato con il predetto avvolgimento primario. The secondary winding comprises a second track made in a second layer of the printed circuit board, separated from the first layer by a support of low loss electrically insulating material. The second track forms a two-coil spiral and is provided, at the free ends, with connecting tracks with connection points to the load. The secondary winding is substantially aligned with the aforementioned primary winding.
Le caratteristiche dell'invenzione, così come risulteranno dalle rivendicazioni, sono evidenziate nella seguente descrizione dettagliata, con riferimento alle tavole di disegno allegate, nelle quali: The characteristics of the invention, as will appear from the claims, are highlighted in the following detailed description, with reference to the attached drawing tables, in which:
- la figura 1 illustra uno schema elettrico di base dello stadio di uscita di un dispositivo amplificatore di potenza in radiofrequenza, comprensivo del relativo trasformatore di uscita secondo l’invenzione; Figure 1 illustrates a basic electrical diagram of the output stage of a radio frequency power amplifier device, including the relative output transformer according to the invention;
- la figura 2 illustra una vista schematica in sezione di una piastra di circuito stampato incorporante il trasformatore di uscita di figura 1; Figure 2 illustrates a schematic sectional view of a printed circuit board incorporating the output transformer of Figure 1;
- la figura 3 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento primario a bassa impedenza del trasformatore di uscita delle figure precedenti in una prima forma di realizzazione dell’invenzione; - la figura 4 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento secondario ad alta impedenza del trasformatore di uscita di figura 1; - la figura 5 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento primario a bassa impedenza del trasformatore di uscita delle figure precedenti in una seconda forma di realizzazione dell’invenzione; Figure 3 schematically illustrates the conformation of the low impedance primary winding of the output transformer of the previous figures in a first embodiment of the invention; - figure 4 schematically illustrates the conformation of the high impedance secondary winding of the output transformer of figure 1; Figure 5 schematically illustrates the conformation of the low impedance primary winding of the output transformer of the previous figures in a second embodiment of the invention;
- la figura 6 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento secondario ad alta impedenza del trasformatore di uscita nella predetta seconda forma di realizzazione. Figure 6 schematically illustrates the conformation of the secondary high impedance winding of the output transformer in the aforesaid second embodiment.
Con riferimento alle figure 1 e 2, e ad una prima forma di realizzazione dell’invenzione, si indica con 100, nel suo complesso, un trasformatore planare di uscita di uno stadio amplificatore di potenza in radiofrequenza. Il trasformatore 100 à ̈ collegato ai piedini d’uscita (Drain) di un dispositivo amplificatore di potenza 101 realizzato in tecnologia LDMOS di produzione Philips, identificato con la sigla BLF 578, per ricevere dallo stesso un segnale da adattare in impedenza e da portare in uscita a un’antenna trasmittente 2, o a un carico analogo quale un ulteriore stadio amplificatore di potenza, ed à ̈ espressamente ideato per rispondere in modo ottimale alle specifiche del sopra citato dispositivo. With reference to figures 1 and 2, and to a first embodiment of the invention, 100 indicates, as a whole, a planar output transformer of a radio frequency power amplifier stage. The transformer 100 is connected to the output pins (Drain) of a power amplifier device 101 made in Philips LDMOS technology, identified with the initials BLF 578, to receive from it a signal to be adapted in impedance and to be carried output to a transmitting antenna 2, or to a similar load such as an additional power amplifier stage, and is expressly designed to respond optimally to the specifications of the aforementioned device.
Il trasformatore di uscita 100 comprende un avvolgimento primario 10 a bassa impedenza e un avvolgimento secondario 20 ad alta impedenza, realizzati su corrispondenti strati conduttori primo 1a e secondo 1b di una piastra di circuito stampato 1, secondo quanto verrà descritto in dettaglio nel seguito. The output transformer 100 comprises a low impedance primary winding 10 and a high impedance secondary winding 20, made on corresponding first 1a and second 1b conductive layers of a printed circuit board 1, according to what will be described in detail below.
Al trasformatore 100 à ̈ associato inoltre un circuito ausiliario di adattamento, il quale comprende una prima capacità 3 collegata in parallelo al predetto avvolgimento primario 10, un’induttanza 4 collegata in serie all’avvolgimento secondario 20 e una seconda capacità 5, collegata in parallelo al medesimo avvolgimento secondario 20 e all’antenna trasmittente 2. An auxiliary adaptation circuit is also associated with the transformer 100, which comprises a first capacitor 3 connected in parallel to the aforementioned primary winding 10, an inductance 4 connected in series to the secondary winding 20 and a second capacitor 5, connected in parallel to the same secondary winding 20 and to the transmitting antenna 2.
Nella ricerca di un’elevata efficienza di trasferimento di energia verso l’antenna trasmittente si à ̈ rivelata di fondamentale importanza, nel trasformatore planare oggetto dell’invenzione, una particolare ed esclusiva combinazione di caratteristiche, costituita dalla conformazione e dalle dimensioni dei predetti avvolgimenti primario 10 e secondario 20, nonché dalla tipologia e dimensioni della piastra di circuito stampato 1. In the search for a high efficiency of energy transfer towards the transmitting antenna, a particular and exclusive combination of characteristics, consisting of the conformation and dimensions of the aforementioned primary 10 and secondary 20 windings, as well as the type and size of the printed circuit board 1.
In particolare (vedasi figura 3), l’avvolgimento primario 10 comprende una prima pista 11, realizzata nel primo strato conduttore 1a, conformante una spira singola aperta avente sagoma sostanzialmente quadrangolare con spigoli smussati. In tal modo le estremità opposte della prima pista 11 risultano fra loro contraffacciate e separate da uno spazio limitato. Tali estremità opposte sono destinate a ricevere, saldati, i piedini di uscita del sopra menzionato dispositivo amplificatore 101. In particular (see Figure 3), the primary winding 10 comprises a first track 11, made in the first conducting layer 1a, forming a single open turn having a substantially quadrangular shape with rounded edges. In this way the opposite ends of the first track 11 are mutually counter-facing and separated by a limited space. These opposite ends are intended to receive, soldered, the output pins of the aforementioned amplifier device 101.
La prima pista 11 possiede un caratteristico rapporto fra la sua larghezza e la larghezza complessiva dell’avvolgimento primario 10. In particolare, secondo l’invenzione, la larghezza della predetta prima pista 11 à ̈ compresa fra 3/10 e 4/10 della larghezza complessiva dell’avvolgimento primario 10. Ciò comporta che la spira conformata dalla prima pista 11 risulti particolarmente larga, e lo spazio vuoto all’interno della spira stessa piuttosto limitato. The first track 11 has a characteristic ratio between its width and the overall width of the primary winding 10. In particular, according to the invention, the width of the aforementioned first track 11 is between 3/10 and 4/10 of the overall width of the primary winding 10. This implies that the coil shaped by the first track 11 is particularly wide, and the empty space inside the coil itself is rather limited.
Secondo la prima forma di realizzazione descritta, l’avvolgimento primario 10 presenta larghezza compresa fra 35 millimetri e 45 millimetri e profondità compresa fra 30 millimetri e 40 millimetri. Un dimensionamento preferito dell’avvolgimento primario 10 prevede una larghezza dello stesso di 40 millimetri, e una profondità di 45 millimetri. According to the first embodiment described, the primary winding 10 has a width of between 35 millimeters and 45 millimeters and a depth of between 30 and 40 millimeters. A preferred dimensioning of the primary winding 10 provides a width of the same of 40 millimeters, and a depth of 45 millimeters.
Nel suddetto dimensionamento preferito, la prima pista 11 presenta una porzione intermedia 11a avente larghezza di 11 millimetri, e la restante parte con larghezza di 14 millimetri. Tale parte intermedia corrisponde sostanzialmente al lato centrale della spira definita dalla prima pista 11. In the aforementioned preferred dimensioning, the first track 11 has an intermediate portion 11a having a width of 11 millimeters, and the remaining part with a width of 14 millimeters. This intermediate part substantially corresponds to the central side of the coil defined by the first track 11.
L’avvolgimento secondario 20 del trasformatore di uscita 100 (vedasi figura 4) comprende una seconda pista 21, ricavata nel secondo strato 1b della piastra di circuito stampato 1 in allineamento con il sopra descritto avvolgimento primario 10. La seconda pista 21 conforma una spirale a due spire complete e presenta, in corrispondenza delle proprie estremità libere, piste di raccordo 22,23 con corrispondenti punti di collegamento 22a,23a alla sopra citata antenna trasmittente 2, o comunque all’analogo carico dell’amplificatore. Tali punti di collegamento presentano continuità con altrettanti punti previsti nel primo strato 1a del circuito stampato 1, nel quale può essere previsto il collegamento effettivo con l’antenna 2. The secondary winding 20 of the output transformer 100 (see Figure 4) comprises a second track 21, formed in the second layer 1b of the printed circuit board 1 in alignment with the above described primary winding 10. The second track 21 forms a spiral with two complete coils and has, at its free ends, connecting tracks 22,23 with corresponding connection points 22a, 23a to the aforementioned transmitting antenna 2, or in any case to the analogous load of the amplifier. These connection points have continuity with as many points provided in the first layer 1a of the printed circuit 1, in which the actual connection with the antenna 2 can be provided.
Nella forma di realizzazione dell’invenzione illustrata, la seconda pista 21 presenta larghezza compresa fra 31 millimetri e 37 millimetri e profondità compresa fra 30 millimetri e 35 millimetri. Una conformazione preferita della stessa, atta ad ottenere la massima efficienza nel trasferimento di energia, prevede una larghezza di 34 millimetri e una profondità di 32,5. In corrispondenza, la larghezza della sopra citata seconda pista à ̈ di circa 5 millimetri. In the embodiment of the illustrated invention, the second track 21 has a width of between 31 millimeters and 37 millimeters and a depth of between 30 millimeters and 35 millimeters. A preferred conformation of the same, suitable for obtaining the maximum efficiency in the transfer of energy, foresees a width of 34 millimeters and a depth of 32.5. Correspondingly, the width of the aforementioned second track is approximately 5 millimeters.
Nel punto centrale della prima pista 11 à ̈ inoltre previsto un punto di ingresso 15 per l’alimentazione del dispositivo amplificatore a stato solido 101. Tale punto à ̈ quello comunemente utilizzato per l’alimentazione del circuito in quanto posizionato nel punto di simmetria elettrica per il segnale a radiofrequenza presente nel primario del trasformatore. In the central point of the first track 11 there is also an input point 15 for the power supply of the solid state amplifier device 101. This point is the one commonly used for the power supply of the circuit as it is positioned at the point of symmetry electrical for the radiofrequency signal present in the primary of the transformer.
Le caratteristiche della piastra di supporto 1c del circuito stampato 1 sul quale à ̈ realizzato il trasformatore di uscita 100 dell’invenzione sono anch’esse importanti per ottenere l’elevata efficienza fornita dalla particolare configurazione degli avvolgimenti primario 10 e secondario 20 così come descritta. Tale piastra 1c à ̈ costituita da materiale a basse perdite, ed à ̈ preferibilmente realizzata con Teflon (materiale a base PTFE) avente costante dielettrica di 2,5 e spessore di 0,5 millimetri. Tolleranze di /-10% su questi valori sono da considerare accettabili per mantenere elevate prestazioni del circuito. The characteristics of the support plate 1c of the printed circuit 1 on which the output transformer 100 of the invention is made are also important for obtaining the high efficiency provided by the particular configuration of the primary 10 and secondary 20 windings. ¬ as described. Said plate 1c is made up of low-loss material, and is preferably made of Teflon (PTFE-based material) having a dielectric constant of 2.5 and a thickness of 0.5 millimeters. Tolerances of -10% on these values are to be considered acceptable to maintain high circuit performance.
Nel circuito ausiliario di adattamento dello stadio amplificatore che à ̈ stato introdotto in precedenza, alcuni accorgimenti consentono di sfruttare al meglio le caratteristiche degli avvolgimenti primario e secondario sopra esposte. In particolare, la prima capacità 3, che à ̈ empiricamente dimensionata in 75 pf (picofarad), viene vantaggiosamente ottenuta come serie di due capacitori da 150 pf a mica. La seconda capacità 5, dimensionata in 26 pf, viene vantaggiosamente realizzata con un parallelo di due capacitori, rispettivamente da 18 pf e 8 pf, anch’essi del tipo a mica. In the auxiliary circuit for the adaptation of the amplifier stage that has been introduced previously, some expedients make it possible to make the most of the characteristics of the primary and secondary windings described above. In particular, the first capacitance 3, which is empirically dimensioned in 75 pf (picofarad), is advantageously obtained as a series of two capacitors from 150 pf to mica. The second capacitance 5, sized at 26 pf, is advantageously realized with a parallel of two capacitors, respectively of 18 pf and 8 pf, also of the mica type.
La combinazione di caratteristiche sopra esposta riguardanti l’avvolgimento primario 10 e l’avvolgimento secondario 20 del trasformatore di uscita 100 consente vantaggiosamente di raggiungere un’efficienza complessiva dello stadio amplificatore di potenza compresa fra il 90% e il 92% nell’intera banda di frequenza operativa dell’amplificatore stesso. Tali risultati sono ottenuti per un modulo amplificatore della potenza di 800 watt di potenza erogata. L’efficienza à ̈ calcolata come rapporto fra potenza consumata (data dal prodotto della tensione per la corrente di drain) e potenza generata al connettore dell’antenna 2, trascurando la potenza di pilotaggio del dispositivo amplificatore 101 che à ̈ di circa 1,8 watt. The combination of the above characteristics concerning the primary winding 10 and the secondary winding 20 of the output transformer 100 advantageously allows to reach an overall efficiency of the power amplifier stage between 90% and 92% in the Entire operating frequency band of the amplifier itself. These results are obtained for an amplifier module with a power of 800 watts of delivered power. The efficiency is calculated as the ratio between the power consumed (given by the product of the voltage and the drain current) and the power generated at the antenna connector 2, neglecting the driving power of the amplifier device 101 which is approximately 1 , 8 watts.
In particolare, per massimizzare le prestazioni del dispositivo amplificatore 101 sopra esposte, il trasformatore di uscita 100 à ̈ preferibilmente associato a un trasformatore di ingresso, anch’esso realizzato in tecnologia planare, non illustrato in questa sede in quanto oggetto di separata domanda di brevetto in capo alla medesima Richiedente. In particular, to maximize the performance of the amplifier device 101 described above, the output transformer 100 is preferably associated with an input transformer, also made in planar technology, not illustrated here as it is the subject of a separate application for patent held by the same Applicant.
Una seconda forma di realizzazione dell’invenzione à ̈ relativa a una configurazione degli avvolgimenti primario 110 e secondario 120 del trasformatore di uscita 100 atta ad ottenere la massima efficienza per lo stadio amplificatore di potenza nel caso in cui il dispositivo amplificatore a stato solido 101 sia costituito dal transistore realizzato in tecnologia LDMOS di produzione Freescale, identificato con la sigla MRF 6VP 2600H. A second embodiment of the invention relates to a configuration of the primary 110 and secondary 120 windings of the output transformer 100 suitable for obtaining the maximum efficiency for the power amplifier stage in the case in which the solid state amplifier device 101 is constituted by the transistor made in Freescale production LDMOS technology, identified with the initials MRF 6VP 2600H.
Per la predetta seconda forma di realizzazione dell’invenzione, l’efficienza ottimale viene ottenuta, pur mantenendo le caratteristiche fondamentali degli avvolgimenti primario 110 e secondario 120 già descritte, con particolari combinazioni dimensionali dei due avvolgimenti sopra citati. For the aforementioned second embodiment of the invention, the optimum efficiency is obtained, while maintaining the fundamental characteristics of the primary 110 and secondary 120 windings already described, with particular dimensional combinations of the two aforementioned windings.
In particolare (vedasi figura 5), l’avvolgimento primario 110 comprende una prima pista 111, realizzata nel primo strato conduttore 1a, conformante una spira singola aperta avente sagoma sostanzialmente quadrangolare con spigoli smussati, con le estremità opposte fra loro contraffacciate e separate da uno spazio limitato. Tali estremità opposte sono destinate a ricevere, saldati, i piedini di uscita del sopra menzionato dispositivo amplificatore 101. In particular (see Figure 5), the primary winding 110 comprises a first track 111, made in the first conducting layer 1a, forming a single open turn having a substantially quadrangular shape with rounded edges, with the opposite ends facing each other and separated by a limited space. These opposite ends are intended to receive, soldered, the output pins of the aforementioned amplifier device 101.
Nella seconda forma di realizzazione descritta, l’avvolgimento primario 110 presenta larghezza compresa fra 38 millimetri e 46 millimetri e profondità compresa fra 32 millimetri e 38 millimetri. Un dimensionamento preferito dell’avvolgimento primario 110 prevede una larghezza dello stesso di 43 millimetri, e una profondità di 35 millimetri. In the second embodiment described, the primary winding 110 has a width of between 38 millimeters and 46 millimeters and a depth of between 32 millimeters and 38 millimeters. A preferred dimensioning of the primary winding 110 provides a width of the same of 43 millimeters, and a depth of 35 millimeters.
Nel suddetto dimensionamento preferito, la prima pista 111 presenta una porzione intermedia 111a avente larghezza di 10 millimetri, e la restante parte con larghezza di 15 millimetri. Tale parte intermedia corrisponde sostanzialmente al lato centrale della spira definita dalla prima pista 111. In the aforementioned preferred dimensioning, the first track 111 has an intermediate portion 111a having a width of 10 millimeters, and the remaining part having a width of 15 millimeters. This intermediate part substantially corresponds to the central side of the turn defined by the first track 111.
L’avvolgimento secondario 120 del trasformatore di uscita 100 (vedasi figura 6) comprende una seconda pista 121, ricavata nel secondo strato 1b della piastra di circuito stampato 1 in allineamento con il sopra descritto avvolgimento primario 110. Così come per la sopra descritta prima forma di realizzazione, la seconda pista 121 conforma una spirale a due spire complete e presenta, in corrispondenza delle proprie estremità libere, piste di raccordo 122,123 con corrispondenti punti di collegamento 122a,123a alla sopra citata antenna trasmittente 2. Tali punti di collegamento presentano continuità con altrettanti punti previsti nel primo strato 1a del circuito stampato 1, nel quale può essere previsto il collegamento effettivo con l’antenna 2. The secondary winding 120 of the output transformer 100 (see figure 6) comprises a second track 121, obtained in the second layer 1b of the printed circuit board 1 in alignment with the above described primary winding 110. As for the one described above first embodiment, the second track 121 forms a spiral with two complete coils and has, at its free ends, connecting tracks 122, 123 with corresponding connection points 122a, 123a to the aforementioned transmitting antenna 2. These connection points have continuity with as many points provided in the first layer 1a of the printed circuit 1, in which the actual connection with the antenna 2 can be provided.
Nella forma di realizzazione dell’invenzione illustrata, la seconda pista 121 presenta larghezza compresa fra 31 millimetri e 37 millimetri e profondità compresa fra 30 millimetri e 35 millimetri. Una conformazione preferita della stessa, atta ad ottenere la massima efficienza nel trasferimento di energia, prevede una larghezza di 34 millimetri e una profondità di 32,5. In corrispondenza, la larghezza della sopra citata seconda pista à ̈ di circa 5 millimetri. In the embodiment of the illustrated invention, the second track 121 has a width of between 31 millimeters and 37 millimeters and a depth of between 30 millimeters and 35 millimeters. A preferred conformation of the same, suitable for obtaining the maximum efficiency in the transfer of energy, foresees a width of 34 millimeters and a depth of 32.5. Correspondingly, the width of the aforementioned second track is approximately 5 millimeters.
Anche nel punto centrale della prima pista 111 à ̈ previsto un punto di ingresso 115 per l’alimentazione del dispositivo amplificatore a stato solido 101. Tale punto à ̈, in questo caso, coincidente con una porzione della prima pista 11, e non à ̈ distinguibile dal corpo della medesima prima pista. Also in the central point of the first track 111 there is an input point 115 for the power supply of the solid state amplifier device 101. This point is, in this case, coinciding with a portion of the first track 11, and is not It is distinguishable from the body of the same first runway.
I vantaggi che la presente invenzione consente di ottenere sono del tutto evidenti e, come già detto, riguardano l’ottenimento di un’efficienza di trasferimento della potenza verso l’antenna trasmittente, o ad altro analogo carico, nell’intera banda di trasmissione particolarmente elevati, in particolare prossimi o maggiori del 90%, e comunque molto maggiori dell’efficienza ottenuta con gli stadi amplificatori di potenza convenzionali. Efficienze paragonabili non sono riscontrabili nei dispositivi noti. The advantages that the present invention allows to obtain are quite evident and, as already said, concern the obtaining of an efficiency of power transfer towards the transmitting antenna, or to another similar load, in the whole particularly high transmission bandwidth, in particular close to or greater than 90%, and in any case much higher than the efficiency obtained with conventional power amplifier stages. Comparable efficiencies are not found in known devices.
Un ulteriore vantaggio à ̈ dato dal fatto che le prestazioni sopra menzionate vengono ottenute con una struttura estremamente semplice, affidabile e ripetibile. A further advantage is given by the fact that the above mentioned performances are obtained with an extremely simple, reliable and repeatable structure.
Un altro vantaggio, direttamente collegato al primo, à ̈ dato dalla possibilità di ottenere apparecchiature di amplificazione estremamente compatte e “fredde†, che possono essere disposte anche molto ravvicinate l’una all’altra in impianti di amplificazione complessi. Another advantage, directly related to the first, is given by the possibility of obtaining extremely compact and â € œcoolâ € amplification equipment, which can also be arranged very close to each other in complex amplification systems.
Si intende che quanto sopra à ̈ stato descritto a titolo puramente esemplificativo e non limitativo. Pertanto, possibili modifiche e varianti dell'invenzione si considerano rientranti nell'ambito protettivo accordato alla presente soluzione tecnica, così come sopra descritta e nel seguito rivendicata. It is understood that the above has been described purely by way of non-limiting example. Therefore, possible modifications and variants of the invention are considered to fall within the protective scope accorded to the present technical solution, as described above and claimed hereinafter.
Claims (11)
Priority Applications (1)
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| ITBO2010A000189A IT1398920B1 (en) | 2010-03-24 | 2010-03-24 | PLANAR OUTPUT TRANSFORMER FOR A RADIOFREQUENCY POWER AMPLIFIER. |
Applications Claiming Priority (1)
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| ITBO2010A000189A IT1398920B1 (en) | 2010-03-24 | 2010-03-24 | PLANAR OUTPUT TRANSFORMER FOR A RADIOFREQUENCY POWER AMPLIFIER. |
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| US20070279035A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-06 | Robotham W Shef | Transformer for impedance-matching power output of RF amplifier to gas-laser discharge |
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- 2010-03-24 IT ITBO2010A000189A patent/IT1398920B1/en active
Patent Citations (1)
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| US20070279035A1 (en) * | 2006-06-02 | 2007-12-06 | Robotham W Shef | Transformer for impedance-matching power output of RF amplifier to gas-laser discharge |
Also Published As
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| IT1398920B1 (en) | 2013-03-28 |
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