ITBO20100287A1 - PLANAR INPUT TRANSFORMER FOR A RADIOFREQUENCY POWER AMPLIFIER - Google Patents
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Description
“TRASFORMATORE DI INGRESSO PLANARE PER UN AMPLIFICATORE DI POTENZA OPERANTE IN RADIOFREQUENZA †⠀ œPLANAR INPUT 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 ingresso realizzato in tecnologia planare, atto ad operare in un amplificatore di potenza a radiofrequenza. In particular, the invention relates to an input transformer made in planar technology, 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 di ingresso in tecnologia planare 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 technology input 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 ingresso 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 input 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 ingresso 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 input 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 ingresso 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 input 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 ingresso 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 preamplificatore od altro idoneo dispositivo di preparazione di un segnale in radiofrequenza, e a fornire in uscita su un proprio avvolgimento secondario il medesimo segnale adattato in impedenza all’ingresso di un dispositivo amplificatore di potenza a stato solido, quale un transistore di potenza MOSFET. The aforementioned purposes are entirely achieved, in accordance with the content of the claims, by a planar input transformer of a radiofrequency power amplifier stage intended to receive an output signal from a preamplifier or other device as input on its own primary winding. suitable device for preparing a radiofrequency signal, and for supplying the same impedance matched signal at the input of a solid state power amplifier device, such as a MOSFET power transistor, on its own secondary winding.
Nel trasformatore di ingresso planare l’avvolgimento secondario 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 quadrilatera, con gli estremi della prima pista contraffacciantisi in corrispondenza dei piedini di ingresso del dispositivo amplificatore. In the planar input transformer, the secondary winding comprises a first track made in a first layer of a printed circuit board, which forms a single open turn having a substantially quadrilateral external shape, with the ends of the first track counterfacing in correspondence with the pins input of the amplifier device.
L’avvolgimento primario comprende una seconda pista realizzata in un secondo strato della piastra di circuito stampato, separato dal predetto primo strato da un supporto di materiale elettricamente isolante a basse perdite. The primary winding comprises a second track made in a second layer of the printed circuit board, separated from the aforementioned first layer by a support of low-loss electrically insulating material.
La seconda pista conforma una spirale provvista, alle estremità libere, di piste di raccordo con punti di collegamento all’ingresso del segnale da amplificare. The second track forms a spiral provided, at the free ends, with connecting tracks with connection points at the input of the signal to be amplified.
L’avvolgimento primario à ̈ sostanzialmente allineato con il sopra citato avvolgimento secondario. The primary winding is substantially aligned with the aforementioned secondary 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 ingresso di un dispositivo amplificatore di potenza in radiofrequenza, comprensivo del relativo trasformatore di ingresso secondo l’invenzione; Figure 1 illustrates a basic electrical diagram of the input stage of a radio frequency power amplifier device, including the relative input transformer according to the invention;
- la figura 2 illustra una vista schematica in sezione di una piastra di circuito stampato, nella quale à ̈ realizzato il trasformatore di ingresso di figura 1; Figure 2 illustrates a schematic sectional view of a printed circuit board, in which the input transformer of Figure 1 is made;
- la figura 3 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento secondario a bassa impedenza del trasformatore di ingresso delle figure precedenti in una prima forma di realizzazione dell’invenzione; Figure 3 schematically illustrates the conformation of the low impedance secondary winding of the input transformer of the previous figures in a first embodiment of the invention;
- la figura 4 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento primario ad alta impedenza del trasformatore di ingresso di figura 1; - figure 4 schematically illustrates the conformation of the high impedance primary winding of the input transformer of figure 1;
- la figura 5 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento secondario a bassa impedenza del predetto trasformatore di ingresso in una seconda forma di realizzazione dell’invenzione; Figure 5 schematically illustrates the conformation of the low impedance secondary winding of the aforesaid input transformer in a second embodiment of the invention;
- la figura 6 illustra schematicamente la conformazione dell’avvolgimento primario ad alta impedenza del trasformatore di ingresso nella predetta seconda forma di realizzazione. - figure 6 schematically illustrates the conformation of the high impedance primary winding of the input transformer in the aforementioned second embodiment.
Con riferimento alle figure 1 e 2, e ad una prima forma di realizzazione dell’invenzione, si indica con 200, nel suo complesso, un trasformatore planare di ingresso di un amplificatore di potenza in radiofrequenza. Il trasformatore 200 à ̈ collegato ai piedini d’ingresso (Gate) di un transistore di potenza 101 realizzato in tecnologia LDMOS di produzione Philips, identificato con la sigla BLF 578, per fornire allo stesso un segnale adattato in impedenza da amplificare e portare quindi in uscita a un carico, ad esempio un’antenna trasmittente o un ulteriore stadio amplificatore di potenza, con l’interposizione di un idoneo trasformatore di uscita. Quest’ultimo può essere vantaggiosamente costituito da un trasformatore, anch’esso realizzato in tecnologia planare, secondo quanto descritto e rivendicato in una separata domanda di brevetto nazionale per invenzione industriale depositata a nome della medesima Richiedente. La combinazione dei predetti trasformatore di ingresso e di uscita à ̈ espressamente ideata per rispondere in modo ottimale alle specifiche del sopra citato transistore di potenza 101. With reference to figures 1 and 2, and to a first embodiment of the invention, 200 indicates, as a whole, a planar input transformer of a radio frequency power amplifier. The transformer 200 is connected to the input pins (Gate) of a power transistor 101 made in Philips LDMOS technology, identified with the initials BLF 578, to supply it with a signal adapted in impedance to be amplified and then carried at the output to a load, for example a transmitting antenna or an additional power amplifier stage, with the interposition of a suitable output transformer. The latter can advantageously be constituted by a transformer, also made in planar technology, as described and claimed in a separate national patent application for industrial invention filed in the name of the same Applicant. The combination of the aforementioned input and output transformers is expressly designed to respond optimally to the specifications of the aforementioned power transistor 101.
Il trasformatore di ingresso 200 comprende un avvolgimento secondario 210 a bassa impedenza e un avvolgimento primario 220 ad alta impedenza, rispettivamente realizzati su corrispondenti strati conduttori primo 111a e secondo 111b di una piastra di circuito stampato 111, secondo quanto verrà descritto in dettaglio nel seguito. The input transformer 200 comprises a low impedance secondary winding 210 and a high impedance primary winding 220, respectively made on corresponding first 111a and second 111b conductive layers of a printed circuit board 111, according to what will be described in detail below.
In una preferita configurazione circuitale dello stadio di ingresso dell’amplificatore, illustrata in figura 1, il segnale proveniente da uno stadio di preamplificazione à ̈ portato nel trasformatore 200 tramite un ingresso 201, con una capacità 203 collegata in parallelo all’avvolgimento primario 220, e una prima induttanza 204 collegata in serie fra l’ingresso 201 e il medesimo avvolgimento primario 220. La funzione del predetto circuito LC à ̈ quella di realizzare un ulteriore stadio di adattamento di impedenza, onde estendere la banda di frequenze entro la quale à ̈ utilizzabile il trasformatore 200 stesso. In a preferred circuit configuration of the amplifier input stage, illustrated in figure 1, the signal coming from a preamp stage is carried into the transformer 200 through an input 201, with a capacitance 203 connected in parallel to the primary winding 220, and a first inductance 204 connected in series between the input 201 and the same primary winding 220. The function of the aforementioned LC circuit is to provide a further impedance matching stage, in order to extend the frequency band within the which transformer 200 itself can be used.
In uscita dall’avvolgimento secondario 210 sono previste due ulteriori induttanze, di valore identico, rispettivamente seconda 205 e terza 206, collegate in serie fra le uscite del suddetto secondario 210 e i corrispondenti piedini di gate del transistore 101. Una prima resistenza 207, di 330 Ohm, à ̈ posta in parallelo ai suddetti piedini di gate a valle delle sopra citate induttanze seconda 205 e terza 206. Anche in questo caso la funzione realizzata à ̈ quella di estendere l’ampiezza della banda di frequenze entro la quale à ̈ utilizzabile il trasformatore 200. Two further inductances of identical value are provided at the output of the secondary winding 210, respectively second 205 and third 206, connected in series between the outputs of said secondary 210 and the corresponding gate pins of transistor 101. A first resistance 207, of 330 Ohm, is placed in parallel to the aforementioned gate pins downstream of the aforementioned inductances second 205 and third 206. Also in this case the function performed is to extend the width of the frequency band within which it is transformer 200 can be used.
Il transistore 101 à ̈ polarizzato per mezzo di una tensione di polarizzazione Vp portata su un piedino di gate attraverso una seconda resistenza 208 di 1,8 KOhm, mentre una terza resistenza 209, del valore di 10 KOhm, collega l’altro piedino di gate a massa. The transistor 101 is biased by means of a bias voltage Vp carried on a gate pin through a second resistance 208 of 1.8 KOhm, while a third resistance 209, with a value of 10 KOhm, connects the other pin of ground gate.
Nella ricerca di un’elevata efficienza di trasferimento di energia da parte dello stadio amplificatore di potenza, e quindi da parte del trasformatore di ingresso 200, del transistore di potenza 101 e del relativo trasformatore di uscita, verso il carico, si à ̈ rivelata di fondamentale importanza, nel trasformatore di ingresso planare 200 oggetto dell’invenzione, una particolare ed esclusiva combinazione di caratteristiche, costituita dalla conformazione e dalle dimensioni dei predetti avvolgimenti primario 220 e secondario 210, nonché dalla tipologia e dimensioni della piastra di circuito stampato 111. In the search for a high efficiency of energy transfer by the power amplifier stage, and therefore by the input transformer 200, the power transistor 101 and the relative output transformer, towards the load, it has been revealed of fundamental importance, in the planar input transformer 200 object of the invention, a particular and exclusive combination of characteristics, consisting of the conformation and dimensions of the aforementioned primary 220 and secondary 210 windings, as well as the type and dimensions of the printed circuit board 111.
In particolare (vedasi figura 3), l’avvolgimento secondario 210 comprende una prima pista 211, realizzata nel primo strato conduttore 111a, conformante una spira singola aperta avente sagoma sostanzialmente quadrilatera con spigoli smussati. In tal modo le estremità opposte della prima pista 211 risultano fra loro contraffacciate e separate da uno spazio limitato. Tali estremità opposte sono destinate a ricevere, saldati, i piedini di ingresso (Gate) del sopra menzionato transistore di potenza 101. In particular (see Figure 3), the secondary winding 210 comprises a first track 211, made in the first conductive layer 111a, forming a single open turn having a substantially quadrilateral shape with rounded edges. In this way the opposite ends of the first track 211 are mutually counter-facing and separated by a limited space. These opposite ends are intended to receive, soldered, the input pins (Gate) of the aforementioned power transistor 101.
La prima pista 211 possiede un caratteristico rapporto fra la sua larghezza e la larghezza complessiva dell’avvolgimento secondario 210. In particolare, secondo l’invenzione, la larghezza della predetta prima pista 211 à ̈ compresa fra il 27% e il 45% della larghezza complessiva dell’avvolgimento secondario 210 per almeno tre lati dei quattro che la compongono. Ciò comporta che la spira conformata dalla prima pista 211 risulti particolarmente larga, e lo spazio vuoto all’interno della spira stessa piuttosto limitato. The first track 211 has a characteristic ratio between its width and the overall width of the secondary winding 210. In particular, according to the invention, the width of the aforementioned first track 211 is between 27% and 45% of the overall width of the secondary winding 210 for at least three sides of the four that make it up. This implies that the coil shaped by the first track 211 is particularly wide, and the empty space inside the coil itself is rather limited.
Secondo la prima forma di realizzazione descritta, l’avvolgimento secondario 210 presenta inoltre larghezza e profondità comprese fra 15 millimetri e 21 millimetri. According to the first embodiment described, the secondary winding 210 also has a width and depth between 15 millimeters and 21 millimeters.
I valori dimensionali sopra elencati forniscono i limiti entro i quali à ̈ ancora possibile ottenere efficienze accettabili con un disegno di secondario così come descritto. The dimensional values listed above provide the limits within which acceptable efficiencies can still be achieved with a secondary design as described.
L’efficienza massima si ottiene con un preferito dimensionamento dei parametri sopra citati, compreso all’interno dell’intervallo di valori accettabile. The maximum efficiency is obtained with a preferred dimensioning of the above mentioned parameters, included within the acceptable range of values.
Un dimensionamento preferito dell’avvolgimento secondario 210 prevede una larghezza dello stesso di 18 millimetri, e una identica profondità . Nel suddetto dimensionamento preferito, la prima pista 211 presenta due lati 211a, 211b fra loro opposti, costituiti dal lato che contiene le estremità della medesima prima pista 211 e dal lato adesso opposto, aventi larghezza di 5 millimetri. I rimanenti lati presentano una larghezza di 7 millimetri. A preferred dimensioning of the secondary winding 210 foresees a width of the same of 18 millimeters, and an identical depth. In the aforementioned preferred dimensioning, the first track 211 has two sides 211a, 211b opposite each other, consisting of the side containing the ends of the same first track 211 and the now opposite side, having a width of 5 millimeters. The remaining sides have a width of 7 millimeters.
In prossimità del punto centrale della prima pista 211 à ̈ inoltre previsto un punto di ingresso 218 per la tensione di polarizzazione di Gate Vp del transistore di potenza 101. Tale tensione, come già descritto in precedenza e illustrato in figura 1, viene generata in un apposito circuito di polarizzazione di tipo noto, e viene fornita attraverso la seconda resistenza 208. In proximity to the central point of the first track 211, an input point 218 is also provided for the Gate bias voltage Vp of the power transistor 101. This voltage, as previously described and illustrated in Figure 1, is generated in a special biasing circuit of known type, and is supplied through the second resistor 208.
Le estremità dell’avvolgimento secondario 210 sono collegate a una coppia di piazzole di saldatura 215,216, destinate al collegamento dei piedini di gate del transistore di potenza 101, per mezzo di una corrispondente coppia di piste di raccordo 213,214 sagomate a “S†. La particolare sagoma delle stesse consente loro di operare inoltre quali induttanze aggiuntive, del valore di alcuni nanoHenry (tipicamente, 2-10 nH), disposte in serie fra le uscite del secondario 210 e gli ingressi di Gate del transistore 101. The ends of the secondary winding 210 are connected to a pair of solder pads 215,216, intended for the connection of the gate pins of the power transistor 101, by means of a corresponding pair of connecting tracks 213,214 shaped in an "S" shape. The particular shape of the same also allows them to operate as additional inductances, of the value of some nanoHenries (typically, 2-10 nH), arranged in series between the outputs of the secondary 210 and the Gate inputs of the transistor 101.
L’avvolgimento primario 220 del trasformatore di ingresso 200 (vedasi figura 4) comprende una seconda pista 221, ricavata nel secondo strato 111b della piastra di circuito stampato 111 in allineamento con il sopra descritto avvolgimento secondario 210. La seconda pista 221 conforma una spirale a due spire complete più un’altra incompleta e presenta, in corrispondenza delle proprie estremità , piste di raccordo 222,223. In particolare l’estremità esterna à ̈ collegata, mediante una piazzola 223a, alla massa del circuito di ingresso. L’estremità interna à ̈ collegata con un punto di collegamento 222a previsto nel primo strato 111a del circuito stampato 111, all’interno della prima pista 211, e da questa a una piazzola di ingresso 222b disposta all’esterno della medesima prima pista 211. La piazzola di ingresso 222b costituisce il punto materiale sul quale à ̈ effettivamente realizzato, nella piastra di circuito stampato, il sopra citato ingresso di segnale 201. The primary winding 220 of the input transformer 200 (see Figure 4) comprises a second track 221, obtained in the second layer 111b of the printed circuit board 111 in alignment with the above described secondary winding 210. The second track 221 forms a spiral with two complete coils plus another incomplete one and presents, at its ends, connecting tracks 222,223. In particular, the external end is connected, by means of a pad 223a, to the ground of the input circuit. The internal end is connected to a connection point 222a provided in the first layer 111a of the printed circuit 111, inside the first track 211, and from this to an input pad 222b arranged outside the first track track 211. The input pad 222b constitutes the material point on which the aforementioned signal input 201 is actually made in the printed circuit board.
Il collegamento fra il punto di collegamento 222a e la piazzola di ingresso 222b à ̈ vantaggiosamente effettuato in aria, tramite un ponticello metallico non illustrato nelle figure, che assume altresì la funzione della prima induttanza 204 già menzionata in precedenza. The connection between the connection point 222a and the inlet pad 222b is advantageously carried out in the air, by means of a metal bridge not shown in the figures, which also assumes the function of the first inductance 204 already mentioned above.
Nella forma di realizzazione dell’invenzione illustrata, la seconda pista 221 presenta larghezza e profondità comprese fra 15 millimetri e 21 millimetri. Una conformazione preferita della stessa, atta ad ottenere la massima efficienza nel trasferimento di energia, prevede una larghezza di 18 millimetri e una identica profondità . In corrispondenza, la larghezza della sopra citata seconda pista à ̈ di circa 2 millimetri. In the embodiment of the illustrated invention, the second track 221 has a width and depth between 15 millimeters and 21 millimeters. A preferred conformation of the same, suitable for obtaining the maximum efficiency in the transfer of energy, foresees a width of 18 millimeters and an identical depth. Correspondingly, the width of the aforementioned second track is approximately 2 millimeters.
Le caratteristiche della piastra di supporto 111c del circuito stampato 111 sul quale à ̈ realizzato il trasformatore di ingresso 200 dell’invenzione sono anch’esse importanti per ottenere l’elevata efficienza fornita dalla particolare configurazione degli avvolgimenti secondario 210 e primario 220 così come descritta. Tale piastra 111c 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. Altri materiali aventi simili caratteristiche elettriche e meccaniche, quali ad esempio la Vetronite FR4, possono comunque essere utilizzati per la realizzazione della piastra 111c. The characteristics of the support plate 111c of the printed circuit 111 on which the input transformer 200 of the invention is made are also important for obtaining the high efficiency provided by the particular configuration of the secondary 210 and primary 220 windings. ¬ as described. Said plate 111c is made 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. Other materials having similar electrical and mechanical characteristics, such as for example Vetronite FR4, can in any case be used for making the plate 111c.
La combinazione di caratteristiche sopra esposta riguardanti l’avvolgimento secondario 210 e l’avvolgimento primario 220 del trasformatore di ingresso 200 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 transistore di potenza 101 che à ̈ di circa 1,8 watt. The combination of the above characteristics concerning the secondary winding 210 and the primary winding 220 of the input transformer 200 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 consumed power (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 power transistor 101 which is approximately 1.8 watts.
Una seconda forma di realizzazione dell’invenzione à ̈ relativa a una configurazione degli avvolgimenti secondario 310 e primario 320 del trasformatore di ingresso 200 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 secondary 310 and primary 320 windings of the input transformer 200 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 secondario 210 e primario 220 già descritte nella prima forma di realizzazione dell’invenzione, 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 secondary 210 and primary 220 windings already described in the first embodiment of the invention, with particular dimensional combinations of the two windings mentioned above.
In particolare (vedasi figura 5), l’avvolgimento secondario 310 comprende una prima pista 311, realizzata nel primo strato conduttore 111a, conformante una spira singola aperta avente sagoma sostanzialmente quadrilatera 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 transistore di potenza 101. In particular (see Figure 5), the secondary winding 310 comprises a first track 311, made in the first conductive layer 111a, forming a single open turn having a substantially quadrilateral 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 power transistor 101.
Nella seconda forma di realizzazione descritta, l’avvolgimento secondario 310 presenta larghezza e profondità comprese fra 15 millimetri e 19 millimetri, e profondità compresa fra 17 millimetri e 21 millimetri. Un dimensionamento preferito dell’avvolgimento secondario 310 prevede una larghezza dello stesso di 17 millimetri, e una profondità di 19 millimetri. In the second embodiment described, the secondary winding 310 has a width and depth of between 15 millimeters and 19 millimeters, and a depth of between 17 millimeters and 21 millimeters. A preferred dimensioning of the secondary winding 310 provides a width of the same of 17 millimeters, and a depth of 19 millimeters.
Nel suddetto dimensionamento preferito, la prima pista 311 presenta una larghezza di 2 millimetri in corrispondenza del lato che contiene le estremità dell’avvolgimento secondario 310. I rimanenti lati presentano larghezza di 5 millimetri. In the aforementioned preferred dimensioning, the first track 311 has a width of 2 millimeters in correspondence with the side that contains the ends of the secondary winding 310. The remaining sides have a width of 5 millimeters.
Anche nella seconda forma di realizzazione dell’invenzione le estremità dell’avvolgimento secondario 310 sono collegate a una coppia di piazzole di saldatura 315,316, destinate al collegamento dei piedini di gate del transistore di potenza 101, per mezzo di una corrispondente coppia di piste di raccordo 313,314 sagomate a “S†. La sagoma a “S†delle stesse à ̈ in questo caso maggiormente accentuata rispetto a quella delle piste di raccordo 213,214 descritte in precedenza, e consente di ottenere un valore di alcuni nanoHenry (tipicamente 5-20 nH), per le corrispondenti induttanze in serie fra le uscite del secondario 310 e gli ingressi di Gate del transistore 101. Also in the second embodiment of the invention the ends of the secondary winding 310 are connected to a pair of solder pads 315,316, intended for the connection of the gate pins of the power transistor 101, by means of a corresponding pair of tracks connection 313,314 shaped to â € œSâ €. The `` S '' shape of the same is in this case more accentuated than that of the connecting tracks 213,214 described above, and allows to obtain a value of some nanoHenry (typically 5-20 nH), for the corresponding inductances in series between the outputs of the secondary 310 and the Gate inputs of the transistor 101.
L’avvolgimento primario 320 del trasformatore di ingresso 200 (vedasi figura 6) comprende una seconda pista 321, ricavata nel secondo strato 111b della piastra di circuito stampato 111 in allineamento con il sopra descritto avvolgimento secondario 210. Diversamente da quanto descritto per la prima forma di realizzazione, la seconda pista 321 conforma una spirale a che si estende per circa una spira e mezza e presenta, in corrispondenza delle proprie estremità libere, punti di raccordo 322,323 a corrispondenti piazzole di collegamento 322a,323a al sopra citato ingresso 201 di segnale. Queste ultime piazzole di collegamento 322a,323a sono realizzate nel primo strato 111a del circuito stampato 111, nel quale può essere effettivamente previsto il punto di ingresso 201. The primary winding 320 of the input transformer 200 (see figure 6) comprises a second track 321, obtained in the second layer 111b of the printed circuit board 111 in alignment with the above described secondary winding 210. Unlike what is described for the first embodiment, the second track 321 forms a spiral a which extends for about one and a half turns and has, at its free ends, connection points 322,323 to corresponding connection pads 322a, 323a to the aforementioned signal input 201 . These last connection pads 322a, 323a are made in the first layer 111a of the printed circuit 111, in which the entry point 201 can actually be provided.
Nella forma di realizzazione dell’invenzione illustrata, la seconda pista 321 presenta larghezza compresa fra 10 millimetri e 13 millimetri e profondità compresa fra 13 millimetri e 17 millimetri. Una conformazione preferita della stessa, atta ad ottenere la massima efficienza nel trasferimento di energia, prevede una larghezza di 11,5 millimetri e una profondità di 15 millimetri. In corrispondenza, la larghezza della sopra citata seconda pista à ̈ di circa 2 millimetri. In the embodiment of the invention illustrated, the second track 321 has a width of between 10 millimeters and 13 millimeters and a depth of between 13 millimeters and 17 millimeters. A preferred conformation of the same, suitable for obtaining the maximum efficiency in the transfer of energy, foresees a width of 11.5 mm and a depth of 15 mm. Correspondingly, the width of the aforementioned second track is approximately 2 millimeters.
Anche nel punto centrale della prima pista 311 à ̈ previsto un punto di ingresso 318 per la polarizzazione dell’ingresso di Gate del transistore di potenza 101 con una tensione di polarizzazione Vp, generata in modo noto. Also in the central point of the first track 311 an input point 318 is provided for biasing the Gate input of the power transistor 101 with a bias voltage Vp, generated in a known way.
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.
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