DE102018009686A1 - High-frequency planar transformer with an ultra-permeable dielectric - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Planartransformator umfassend ein Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante, das bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines Glaskeramikmaterials mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante als Dielektrikum in einem Hochfrequenz-Planartransformator.The invention relates to a high-frequency planar transformer comprising a dielectric with a high relative dielectric constant, which is preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material. The invention also relates to the use of a glass ceramic material with a high relative dielectric constant as a dielectric in a high-frequency planar transformer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Planartransformator umfassend ein Dielektrikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante, das bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines Glaskeramikmaterials mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante als Dielektrikum in einem Hochfrequenz-Planartransformator.The invention relates to a high-frequency planar transformer comprising a dielectric with a high relative dielectric constant, which is preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material. The invention also relates to the use of a glass ceramic material with a high relative dielectric constant as a dielectric in a high-frequency planar transformer.

Stand der TechnikState of the art

Transformatoren sind klassische Vorrichtungen in der Elektrotechnik, die gerade in der Energietechnik von entscheidender Bedeutung sind.Transformers are classic devices in electrical engineering that are of crucial importance, especially in energy technology.

Als Anpassungsnetzwerke mit festem Impedanzverhältnis kennt der Stand der Technik Transformatoren. Diese weisen eine Eingangsspule („Primärwindung“) mit einer ersten Windungszahl und einer Ausgangsspule („Sekundärwindung“) mit einer zweiten Windungszahl auf, sowie ein, Wicklungsverhältnis genanntes, Verhältnis zwischen zweiter Windungszahl und erster Windungszahl.The prior art knows transformers as matching networks with a fixed impedance ratio. These have an input coil (“primary turn”) with a first number of turns and an output coil (“secondary turn”) with a second number of turns, as well as a ratio, called the winding ratio, between the second number of turns and the first number of turns.

Bei niederfrequenten Signalen transformiert ein Transformator mit einem Wicklungsverhältnis N die Spannung zwischen Ein- und Ausgang um einen Faktor N hinauf, den Strom hingegen um einen Faktor N hinunter, so dass mithilfe des Transformators ein Verhältnis von Quell- zu Lastimpedanz von N2 angepasst werden kann.In the case of low-frequency signals, a transformer with a winding ratio N transforms the voltage between input and output up by a factor N, and the current down by a factor N, so that a ratio of source to load impedance of N 2 can be adjusted using the transformer .

Eine spezielle Realisierung von Transformatoren sind Planartransformatoren. Ein Planartransformator weist eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeführt sind, getrennt durch ein Dielektrikum. Weist eine der beiden Spulen Primärspule und Sekundärspule eine höhere Windungszahl auf als die andere Spule, so wird nachfolgend, ohne Begrenzung der Allgemeinheit diejenige Spule mit der höheren Windungszahl als Sekundärspule bezeichnet.Planar transformers are a special implementation of transformers. A planar transformer has a primary coil and a secondary coil, which primary and secondary coils are essentially planar and plane-parallel, separated by a dielectric. If one of the two coils, the primary coil and the secondary coil, has a higher number of turns than the other coil, then that coil with the higher number of turns is referred to as the secondary coil without limiting the generality.

Im Stand der Technik sind Planartransformatoren auf Materialien mit niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten bekannt, die typischerweise zwischen 2-4, und in Ausnahmen bis zu 10 liegen. Breitbandigkeit, Verluste und Leistungstragfähigkeit von Planartransformatoren nach dem Stand der Technik werden durch die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwindung, ebenso wie durch eine hohe parasitäre Kapazität zwischen einzelnen Windungen der Primär- oder Sekundärseite, beeinträchtigt. Der Stand der Technik versucht daher, diese Kapazität zu begrenzen und tendenziell Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten als Trägermaterial in Planartransformatoren einzusetzen. Deren Anwendung liegt typischerweise im UKW-Bereich und darüber, etwa von 80MHz bis 250MHz. Es gibt gewickelte Hochfrequenz (HF)-Transformatoren auf Ferritkernen hoher Permeabilität (etwa 4 bis 2000) typischerweise für Anwendungsfrequenzen von 5MHz bis 80MHz. Und es gibt ,herkömmliche‘ Transformatoren, bspw. auch unter Verwendung von Ferritkernen, für Niederfrequenz-Signale (unter 5MHz).In the prior art, planar transformers on materials with low relative dielectric constants are known, which are typically between 2-4, and in exceptional cases up to 10. Widebandness, losses and power capacity of planar transformers according to the prior art are impaired by the capacitance between the primary and secondary windings, as well as by a high parasitic capacitance between individual windings on the primary or secondary side. The prior art therefore tries to limit this capacitance and tends to use materials with a low dielectric constant as carrier material in planar transformers. Their application is typically in the FM range and above, for example from 80MHz to 250MHz. There are high frequency (HF) wound transformers on high permeability ferrite cores (approximately 4 to 2000) typically for application frequencies from 5MHz to 80MHz. And there are conventional transformers, for example also using ferrite cores, for low-frequency signals (below 5 MHz).

Der Stand der Technik der Planartransformatoren im niedrigen MHz-Bereich findet sich zusammengefasst in der Promotionsschrift „Effizientes Design von Planar-Transformatoren“ von Thomas Goßner (Pr1), verfügbar online bspw. unter https://mediatum.ub.tum.de/doc/823188/823188.pdf (abgerufen 12.12.2018), Auf S. 10 weist Prl auf die Notwendigkeit hin, „Die Permittivität sollte möglichst gering sein, um die störenden parasitären Kapazitäten möglichst gering zu halten“. Auf S. 32 betont Pr1, „Die beiden parasitären Kapazitäten die zwischen den direkt angrenzenden Windungsebenen der Primär- und Sekundärspule entstehen bilden hingegen zusammen mit einer der Metallisierungsebenen der stärker induktiven sekundären Induktivität jeweils einen LC-Band-Stopp“. Auf S. 67 zeigt Pr1 einen weiteren negativen Einfluss hochpermittiver Materialien auf nach dem Stand der Technik aufgebaute Planartransformatoren im Bilde: die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen der Sekundärspule schließt diese mit ansteigender Frequenz zunehmend kurz, eine Signalübertragung wird verunmöglicht.The state of the art of planar transformers in the low MHz range is summarized in the doctoral thesis "Efficient design of planar transformers" by Thomas Goßner (Pr1), available online, for example, at https://mediatum.ub.tum.de/doc /823188/823188.pdf (accessed 12.12.2018), on p. 10 Prl points out the necessity, "The permittivity should be as low as possible in order to keep the disturbing parasitic capacities as low as possible". On page 32, Pr1 emphasizes, "The two parasitic capacitances that arise between the directly adjacent winding levels of the primary and secondary coils, on the other hand, form an LC band stop together with one of the metallization levels of the more inductive secondary inductance". On page 67, Pr1 shows another negative influence of highly permeable materials on planar transformers constructed according to the state of the art: the parasitic capacitance between the windings of the secondary coil closes them increasingly with increasing frequency, signal transmission is made impossible.

Des Weiteren verlangt der Stand der Technik nach Möglichkeiten, beispielsweise in gesinterten Keramikschaltungen Planartransformatoren und Kondensatoren nebeneinander in einer (im Wesentlichen in Lagen aufgebauten) integrierten Schaltung zu realisieren. Die Erfordernis niedriger Permittivität für den Bau von Planartransformatoren nach dem Stand der Technik erschwert die Integration kapazitiver Elemente beträchtlich (s. Pr1, S. 66).Furthermore, the prior art requires options, for example, to realize planar transformers and capacitors next to one another in an integrated circuit (essentially built up in layers) in sintered ceramic circuits. The requirement of low permittivity for the construction of planar transformers according to the prior art makes the integration of capacitive elements considerably more difficult (see Pr1, p. 66).

Nachfolgend wird angelegentlich die Abkürzung ,HF‘ für ,Hochfrequenz‘ verwendet.The abbreviation "HF" for "radio frequency" is used in the following.

Es gibt seit langem den Wunsch und wirtschaftlichen Ansporn, die manuell oder nur aufwändig automatisierbar herzustellenden und darüber hinaus nur schlecht reproduzierbar zu fertigenden, gewickelten HF-Transformatoren auf Ferritkernen, die gegenwärtig die Anpaß-Strukturen für Leistungstransistoren im Frequenzbereich von 5MHz bis 80MHz dominieren, durch reproduzierbare, einfach aufgebaute und mit hohem Automatisierungsgrad herstellbare Anpaßnetzwerke zu ersetzen.There has long been a desire and economic incentive to manufacture the wound RF transformers on ferrite cores, which can be manufactured manually or only with difficulty in an automated manner and, moreover, are difficult to reproduce, and which currently dominate the matching structures for power transistors in the frequency range from 5 MHz to 80 MHz Replace reproducible, simply constructed and with a high degree of automation adaptable networks.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-Transformator bereitzustellen, der bezüglich mindestens eines der oben genannten Nachteile den Stand der Technik verbessert.The object of the invention is to provide a high-frequency transformer which improves the prior art with respect to at least one of the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochfrequenz-Planartransformator gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved according to the invention by a high-frequency planar transformer according to the main claim. Further embodiments are the subject of the dependent claims.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Hochfrequenz-Planartransformator, der mindestens eine Primär- und eine Sekundärseite aufweist, die als Eingangs- bzw. In a first aspect, the invention relates to a high-frequency planar transformer which has at least one primary and one secondary side, which are used as input or

Ausgangsseite betrieben werden können, wobei die mindestens eine Primärseite und die mindestens eine Sekundärseite jeweils mindestens eine Spule aufweisen und wobei die Primärseite und die Sekundärseite durch ein Dielektrikum getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum eine relative Dielektrizitätskonstante ε von mehr als 15, bevorzugt von mehr als 25 aufweist.Output side can be operated, wherein the at least one primary side and the at least one secondary side each have at least one coil and wherein the primary side and the secondary side are separated by a dielectric, characterized in that the dielectric has a relative dielectric constant ε of more than 15, preferably of has more than 25.

Die erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformatoren vereinigen mehrere Vorteile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Hochfrequenz-Planartransformatoren.The high-frequency planar transformers according to the invention combine several advantages over the high-frequency planar transformers known from the prior art.

Wie die Erfinder festgestellt haben, sind Hochfrequenz-Planartransformatoren mit dem erfindungsgemäßen Dielektrikum, das bevorzugt aus einem Glaskeramikmaterial besteht, einfach und mit hohem Automatisierungsgrad herzustellen.As the inventors have determined, high-frequency planar transformers with the dielectric according to the invention, which preferably consists of a glass ceramic material, are simple to manufacture and with a high degree of automation.

Die Hochfrequenz-Planartransformatoren der Erfindung können zudem in reproduzierbarer Weise hergestellt werden.The high frequency planar transformers of the invention can also be manufactured in a reproducible manner.

Die bevorzugten erfindungsgemäßen Glaskeramikmaterialien erlauben die Bereitstellung eines Dielektrikums mit hoher relative Dielektrizitätskonstante, geringem dielektrischen Verlust und hoher Durchschlagsfeldstärke.The preferred glass ceramic materials according to the invention make it possible to provide a dielectric with a high relative dielectric constant, low dielectric loss and high breakdown field strength.

Während nach dem Stand der Technik, ausgehend von Lehren, die anhand von Niederfrequenztransformatoren herausgebildet worden sind, versucht wird, die Kapazität zwischen den Windungen zu reduzieren, um so Verluste und Frequenztauglichkeit zu optimieren, sind Planartransformatoren hochfrequenztechnisch Bauelemente, mittels derer unter Verwendung von verteilten Induktivitäten und verteilten Kapazitäten ein Signal von einem Eingang auf einen Ausgang übertragen wird, mit einer erwünschten Änderung der Signalimpedanz. Während diese Änderung im niederfrequenten Bereich zwischen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsverhältnisses stehenden reellen Impedanzen besteht, ist der Zusammenhang bei im Wesentlichen nicht-reellen Hochfrequenzimpedanzen und bei im Wesentlichen verteilten Kapazitäts- und Induktivitätsbelägen im höherfrequenten Bereich komplizierter.While according to the prior art, based on teachings that have been developed using low-frequency transformers, attempts are made to reduce the capacitance between the windings in order to optimize losses and frequency suitability, planar transformers are high-frequency components, by means of which using distributed inductors and distributed capacities, a signal is transmitted from an input to an output with a desired change in signal impedance. While this change in the low-frequency range is between two real impedances in the ratio of the square of the winding ratio, the relationship is more complicated in the case of essentially non-real high-frequency impedances and in the case of essentially distributed capacitance and inductance coatings in the higher-frequency range.

Der Erfindung liegt die Einsicht zugrunde, dass sich für die in Rede stehenden Frequenzbereiche die Kapazitätsbeläge zwischen, und die Induktivitätsbeläge entlang der Windungen zu künstlichen Hochfrequenz-Übertragungsleitungen zusammenfassen, und so wechselseitig in eine Leitungsimpedanz aufheben lassen. Vor diesem Hintergrund wird die parasitäre Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwindung nicht durch die Verringerung der Kapazität zwischen den Windungen, sondern durch Auflösen der Kapazität in eine zu den gewünschten Abschlussimpedanzen grob passende Leitungsimpedanz erzeugt.The invention is based on the insight that, for the frequency ranges in question, the capacitance coverings between and the inductance coverings along the windings can be combined to form artificial high-frequency transmission lines, and can thus be mutually canceled out in a line impedance. Against this background, the parasitic coupling between the primary and secondary turns is not generated by reducing the capacitance between the turns, but by resolving the capacitance into a line impedance that roughly matches the desired terminating impedances.

Um zu erzielen, dass sich die Windungen in der Art von Hochfrequenz-Übertragungsleitungen verhalten, muss die Länge zumindest einer dieser Windungen in dieselbe Größenordnung wie die Wellenlänge kommen - für die in Rede stehenden Betriebsfrequenzen wird dies erfindungsgemäß durch Einsatz eines Dielektrikums zwischen Primär- und Sekundärwindung erzielt, welches die Wellenlänge des Signales im Dielektrikum wesentlich gegenüber der Vakuum-Wellenlänge eines Signales derselben Frequenz verkürzt.In order to ensure that the turns behave in the manner of high-frequency transmission lines, the length of at least one of these turns must be of the same order of magnitude as the wavelength - for the operating frequencies in question, this is done according to the invention by using a dielectric between the primary and secondary turns achieved, which significantly shortens the wavelength of the signal in the dielectric compared to the vacuum wavelength of a signal of the same frequency.

Als ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich hiernach eine Aufhebung der Einschränkungen, die dem Stand der Technik durch die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwindung in puncto Verlust und Leistungstragfähigkeit erwachsen, nicht durch Verringerung, sondern durch Kompensation dieser (verteilten) Kapazität mithilfe der (verteilten) Windungsinduktivität.As a major advantage over the prior art, there is an elimination of the restrictions that the prior art has due to the capacity between primary and secondary winding in terms of loss and power capacity, not by reducing, but by compensating for this (distributed) capacity with the help the (distributed) turn inductance.

Als weiterer wesentlicher Vorteil erlauben Planartransformatoren nach der Lehre der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Integration von Kondensatoren in LTCC-Schaltungen: Während nach dem Stand der Technik hochpermittive Lagen (wie sie zum Aufbau geometrisch kleiner Kondensatoren erforderlich sind) die Frequenztauglichkeit von Planartransformatoren stark beschränken, erlaubt die vorliegende Erfindung durch die Kompensation der parasitären Kapazitäten durch die Windungsinduktivität die Verwendung hochpermittiver Materialien auch beim Aufbau von Planartransformatoren, und somit die Integration von Kondensator und Transformator in einem LTCC-Schaltkreis.As a further significant advantage, planar transformers allow a simplified integration of capacitors in LTCC circuits according to the teaching of the present invention: While according to the prior art, highly permeable layers (as are required for the construction of geometrically small capacitors) severely restrict the frequency suitability of planar transformers, this allows present invention by the compensation of the parasitic capacitances by the winding inductance the use of highly permeable materials also in the construction of planar transformers, and thus the integration of capacitor and transformer in an LTCC circuit.

Als weiteren Vorteil erkennt der Fachmann sodann, dass sich durch den erfindungsgemäßen Teilgedanken der Verwendung eines Dielektrikums hoher Dielektrizitätskonstante zwischen Primär- und Sekundärwindung die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Teilgedankens der Integration der Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwindung in eine künstliche Hochfrequenz-Übertragungsleitung erforderlichen linearen Abmessungen deutlich reduzieren lassen.The person skilled in the art then recognizes as a further advantage that the inventive concept of using a dielectric with a high dielectric constant between the primary and secondary turns clearly shows the linear dimensions required to implement the inventive idea of integrating the capacitance between the primary and secondary turns into an artificial high-frequency transmission line let reduce.

Die Erfindung im Einzelnen The invention in detail

Das Dielektrikum des erfindungsgemäßen HF-Planartransformators weist bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante ε von mehr als 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 oder mehr als 95 auf.The dielectric of the RF planar transformer according to the invention preferably has a relative dielectric constant ε of more than 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 or more than 95 on.

Das Dielektrikum des erfindungsgemäßen HF-Planartransformators weist besonders bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante ε von mehr als 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 oder mehr als 950 auf.The dielectric of the HF planar transformer according to the invention particularly preferably has a relative dielectric constant ε of more than 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 or more than 950.

Das Dielektrikum des erfindungsgemäßen HF-Planartransformators weist insbesondere bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante ε von mehr als 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800, 2900, 3000, 3100, 3200, 3300, 3400, 3500, 3600, 3700, 3800, 3900, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500 oder mehr als 8000 auf.The dielectric of the HF planar transformer according to the invention particularly preferably has a relative dielectric constant ε of more than 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600 , 2700, 2800, 2900, 3000, 3100, 3200, 3300, 3400, 3500, 3600, 3700, 3800, 3900, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500 or more than 8000.

Das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators weist bevorzugt einen dielektrischen Verlust bei 10 kHz von tan δ < 5 × 10-2 und bevorzugt von tan δ < 2 × 10-2 auf.The dielectric of the high-frequency planar transformer preferably has a dielectric loss at 10 kHz of tan δ <5 × 10 -2 and preferably of tan δ <2 × 10 -2 .

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators ein Keramikmaterial, welches bevorzugt ein Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist.In a preferred embodiment, the dielectric of the high-frequency planar transformer comprises a ceramic material, which is preferably a glass ceramic material and particularly preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators im Wesentlichen ein Keramikmaterial, welches bevorzugt ein Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist.In a further preferred embodiment, the dielectric of the high-frequency planar transformer essentially comprises a ceramic material, which is preferably a glass ceramic material and particularly preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators aus einem Keramikmaterial, bevorzugt aus einem Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt aus einem Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial.In a particularly preferred embodiment, the dielectric of the high-frequency planar transformer consists of a ceramic material, preferably a glass ceramic material and particularly preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformator das Glaskeramikmaterial einen kristallinen Anteil von mindestens 30 Vol.-%, bevorzugt von mindestens 70 Vol.-% und besonders bevorzugt von über 90-Vol.- % auf.In a preferred embodiment, in the high-frequency planar transformer according to the invention, the glass ceramic material has a crystalline fraction of at least 30% by volume, preferably at least 70% by volume and particularly preferably more than 90% by volume.

In einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial ein nahezu porenfreies Material mit einer Volumenfüllung von wenigstens 99,5%, bevorzugt von wenigstens 99,97% und besonders bevorzugt von wenigstens 99,999% ist.In one embodiment, the high-frequency planar transformer according to the invention is characterized in that the glass ceramic material is an almost pore-free material with a volume filling of at least 99.5%, preferably at least 99.97% and particularly preferably at least 99.999%.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Glaskeramikmaterial des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators dadurch gekennzeichnet, dass es als kristalline Hauptphase eine Perowskitphase der folgenden Formel aufweist: Ba1-xZ1 xTi1-yZ2 yO3, wobei
Z1 ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sr, Ca, Ce, Pb, La und Sm,
Z2 ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc and Ta,
wobei x und y unabhängig voneinander im Bereich von 0≤x,y≤0,5 und bevorzugt im Bereich von 0 ≤ x,y ≤ 0,1 liegen,
und wobei die Größe der Kristallite zwischen 10 nm und 50 µm und bevorzugt zwischen 100 nm und 1 µm liegt.In a preferred embodiment, the glass ceramic material of the high-frequency planar transformer according to the invention is characterized in that it has a perovskite phase of the following formula as the main crystalline phase: Ba 1-x Z 1 x Ti 1-y Z 2 y O 3 , where
Z 1 is an element which is selected from the group consisting of Sr, Ca, Ce, Pb, La and Sm,
Z 2 is an element selected from the group consisting of Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc and Ta,
where x and y are independently in the range 0≤x, y≤0.5 and preferably in the range 0 ≤ x, y ≤ 0.1,
and wherein the size of the crystallites is between 10 nm and 50 µm and preferably between 100 nm and 1 µm.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Glaskeramikmaterial darüber hinaus ein Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb2O3, As2O3 und Bi2O3.In a preferred embodiment, the glass ceramic material also contains an oxide which is selected from the group consisting of Sb 2 O 3 , As 2 O 3 and Bi 2 O 3 .

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Glaskeramikmaterial 0.01 bis 3 mol%, bevorzugt 0.1 bis 1 mol% und besonders bevorzugt 0.1 bis 0.5 mol% eines Oxides, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb2O3, As2O3 und Bi2O3.In a particularly preferred embodiment, the glass ceramic material contains 0.01 to 3 mol%, preferably 0.1 to 1 mol% and particularly preferably 0.1 to 0.5 mol% of an oxide which is selected from the group consisting of Sb 2 O 3 , As 2 O 3 and Bi 2 O 3 .

In einer speziellen Ausführungsform weist die Glaskeramik mindestens die folgenden Bestandteile auf:

  • 10 bis 20 mol% SiO2,
  • 0 bis 10 mol% Al2O3,
  • 30 bis 45 mol% BaO,
  • 10 bis 20 mol% TiO2.
In a special embodiment, the glass ceramic has at least the following components:
  • 10 to 20 mol% SiO 2 ,
  • 0 to 10 mol% Al 2 O 3 ,
  • 30 to 45 mol% BaO,
  • 10 to 20 mol% TiO 2 .

Ein derartiges Glaskeramikmaterial ist aus der Anmeldung US 2011/0028298 A1 bekannt. Hier findet der Fachmann auch Methoden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glaskeramikmaterials.Such a glass ceramic material is from the application US 2011/0028298 A1 known. Here, the person skilled in the art will also find methods for producing the glass ceramic material according to the invention.

Hochfrequenztechnisch ist ein Planartransformator eine verteilte Struktur mit kapazitiven und induktiven Anteilen. Die induktiven Anteile werden von den Spulen dominiert; die kapazitiven Anteile bestehen zum einen aus dem Kapazitätsbelag zwischen Primär- und Sekundärspule, zum anderen aus einer eventuellen Kapazität zwischen je zwei Windungen innerhalb der Primär- oder der Sekundärspule selbst, sofern diese aus (Teil-) Spulen mit mehr als einer Windung bestehen.In terms of radio frequency technology, a planar transformer is a distributed structure with capacitive and inductive components. The inductive components are dominated by the coils; the capacitive components consist on the one hand of the capacitance between the primary and secondary coils, and on the other hand of a possible capacity between two turns within the primary or the secondary coil itself, provided that these consist of (partial) coils with more than one turn.

Der Wert der verteilten Induktivität läßt sich insbesondere über das Verhältnis der Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen, zur Breite der Windungen der Sekundärspule beeinflussen; der Wert der verteilten Kapazität zwischen den Windungen der Sekundärspule läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die geometrische Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen und durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen der Sekundärspule beeinflussen; der Wert der verteilten Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwindung läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die Metallfläche der Sekundärspule und durch den Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule beeinflussen. Zwischen der verteilten Induktivität sowie den verteilten Kapazitäten bilden sich Resonanzen aus, deren Frequenzen mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der verteilten Kapazitäten beeinflusst werden können. Hierbei lassen sich zumindest zwei getrennte Resonanzfrequenzen unabhängig voneinander einstellen. The value of the distributed inductance can be influenced in particular via the ratio of the length of the secondary coil, measured along the turns, to the width of the turns of the secondary coil; the value of the distributed capacitance between the turns of the secondary coil can be influenced in particular by the dielectric or the dielectric used, by the geometric length of the secondary coil, measured along the turns and by the distance between two adjacent turns of the secondary coil; The value of the distributed capacitance between the primary and secondary turns can be influenced in particular by the dielectric or dielectrics used, by the metal surface of the secondary coil and by the distance between the primary and secondary coils. Resonances form between the distributed inductance and the distributed capacitances, the frequencies of which can be influenced by means of the values of the distributed inductance and the distributed capacitances. Here, at least two separate resonance frequencies can be set independently of one another.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen der verteilten Induktivität der Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen den mindestens zwei Windungen der Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Übertragung der zu unterdrückenden Signalkomponente zwischen Primärseite und Sekundärseite reduziert.According to a particularly preferred embodiment of the invention, by selecting the resonance frequency between the distributed inductance of the secondary coil and the distributed capacitance between the at least two turns of the secondary coil, a transmission of the signal component to be suppressed between the primary side and the secondary side is reduced substantially equal to the frequency of a signal component to be suppressed.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen den verteilten Induktivitäten der Primär- und Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Übertragung der zu unterdrückenden Signalkomponente zwischen Primärseite und Sekundärseite reduziert.According to a particularly preferred embodiment of the invention, by selecting the resonance frequency between the distributed inductances of the primary and secondary coils and the distributed capacitance between the primary and secondary coils, a transmission of the signal component to be suppressed between the primary side and the secondary side is substantially reduced, equal to the frequency of a signal component to be suppressed .

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl einer ersten Resonanzfrequenz zwischen der verteilten Induktivität der Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen den mindestens zwei Windungen der Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer ersten zu unterdrückenden Signalkomponente und durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen den verteilten Induktivitäten der Primär- und Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente eine Übertragung der ersten und der zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente zwischen Primärseite und Sekundärseite reduziert.According to a particularly preferred embodiment of the invention, by choosing a first resonance frequency between the distributed inductance of the secondary coil and the distributed capacitance between the at least two turns of the secondary coil, the frequency of a first signal component to be suppressed is essentially the same and by choosing the resonance frequency between the distributed inductances of the Primary and secondary coils and the distributed capacitance between the primary and secondary coils substantially equal to the frequency of a second signal component to be suppressed, reducing transmission of the first and second signal components to be suppressed between the primary side and the secondary side.

Unter Verwendung eines Planartransformators nach den letzten drei Ausführungsformen wird eingangsseitig bei der oder den zu unterdrückenden Signalkomponente eine Impedanz oder Impedanzen zur Verfügung gestellt, welche Impedanz oder Impedanzen nicht wesentlich von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal abhängt: Der Planartransformator ist für diese Signalkomponente oder Signalkomponenten intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last unabhängig.Using a planar transformer according to the last three embodiments, an impedance or impedances is provided on the input side of the signal component (s) to be suppressed, which impedance or impedances does not essentially depend on a signal (“reflected”) hitting the output of the planar transformer: the planar transformer is opaque for this signal component or signal components, the harmonic termination on the input side is independent of the state of the load.

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, die Primärspule spiegelsymmetrisch aufzubauen („primärseitig symmetrischer Planartransformator“). Dem Stand der Technik ist es ebenfalls zugänglich, bei einer geradzahligen Windungszahl der Sekundärspule die eine Hälfte der Windungen der Sekundärspule in einem, aus einem ersten zu einer Beurteilung des Windungssinnes geeigneten Blickwinkel auf den Planartransformator betrachtet, ersten Windungssinn oberhalb, die andere Hälfte der Windungen im, aus dem ersten Blickwinkel betrachtet, entgegengesetzten Windungssinn unterhalb der Primärspule anzuordnen („sekundärseitig symmetrischer Planartransformator“), welche erste und zweite Hälfte Windungen im Bereich des Drehzentrums der Windungen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Zuletzt kann nach dem Stand der Technik ein Planartransformator vollsymmetrisch, das heißt, primärseitig und sekundärseitig symmetrisch, aufgebaut sein.According to the prior art, it is known to construct the primary coil with mirror symmetry (“primary-side symmetrical planar transformer”). It is also accessible to the prior art, in the case of an even number of turns of the secondary coil, that half of the turns of the secondary coil are viewed from a first angle of view of the planar transformer, which is suitable for assessing the sense of the turn, the first turn sense above, the other half of the turns in , viewed from the first point of view, to arrange the opposite turn sense below the primary coil ("secondary-side symmetrical planar transformer"), which first and second half turns are electrically conductively connected to each other in the area of the center of rotation of the turns. Finally, according to the prior art, a planar transformer can be constructed fully symmetrically, that is to say symmetrically on the primary side and on the secondary side.

Ist die Quelle eine differentielle Verstärkeranordnung, ergibt sich bei einem primärseitig symmetrischen Planartransformator in der Mitte der Primärwindung ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt, über welchen sich eine Versorgungsspannung zuführen lässt, mit lediglich geringen Anforderungen an die Abblockung des Ausgangssignales gegen die Spannungsversorgung. Bei einem primärseitig differentiell getriebenen sekundärseitig symmetrischen Planartransformator ergibt sich auf nämliche Weise in der Mitte der Sekundärspule ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt; dieser wird nach dem Stand der Technik beispielsweise genutzt, um eine Gleichspannung auf einen Antennenanschluss aufzuprägen oder von einem Antennenanschluss abzugreifen.If the source is a differential amplifier arrangement, in the case of a planar transformer which is symmetrical on the primary side, there is a point in the middle of the primary winding which is high-frequency in terms of technology and via which a supply voltage can be supplied, with only low requirements for the blocking of the output signal against the voltage supply. In the case of a planar transformer which is driven differentially on the primary side and symmetrically on the secondary side, in the same way there is a point in the middle of the secondary coil which is high-frequency in terms of technology; According to the prior art, this is used, for example, to apply a DC voltage to an antenna connection or to tap it from an antenna connection.

Kennzeichnendes Merkmal eines Planartransformators ist, dass sich Spulen in im wesentlichen parallelen (häufig: planparallelen) Flächen (häufig: Ebenen) gegenüberliegen, häufig dergestalt, dass Flächenschwerpunkte der Spulen in den Flächen bei Projektion senkrecht zu den Flächen im Wesentlichen übereinstimmen. In einer solchen Anordnung von Flächen gibt es im Allgemeinen Flächen, Innenflächen genannt, die zwischen zwei anderen Flächen der Anordnung liegen; Flächen innerhalb der Anordnung, die nicht Innenflächen sind, heißen Randflächen. Eine der (im Allgemeinen zwei) Randflächen werden wir nachfolgend als obere Fläche, die andere als untere Fläche betrachten. Eine Richtung senkrecht zu der oberen Fläche in einem Flächenschwerpunkt einer Spule in der oberen Fläche, welche dem Flächenpaket abgewandt ist, heißt ,oben‘, die entgegengesetzte Richtung ,unten‘. Durch diese Betrachtung ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit festgelegt, was es bedeutet, zu sagen, eine Spule werde ,von oben‘ betrachtet. Als Windungssinn einer Spule wird der mathematische Windungssinn der Spule bezeichnet, von oben her betrachtet.A characteristic feature of a planar transformer is that coils face each other in essentially parallel (often: plane-parallel) surfaces (often: planes), often in such a way that the centroids of the coils in the surfaces essentially match when projected perpendicular to the surfaces. In such an array of surfaces, there are generally surfaces called interior surfaces that lie between two other surfaces of the array; Areas within the array that are not inside are called Marginal surfaces. In the following, we will consider one of the (generally two) peripheral surfaces as the upper surface and the other as the lower surface. A direction perpendicular to the upper surface in a centroid of a coil in the upper surface, which faces away from the surface packet, is called "up", the opposite direction "down". Through this consideration, without restricting the generality, it is determined what it means to say that a coil is viewed from above. The mathematical sense of the coil is referred to as the winding sense of a coil, viewed from above.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstreckt sich der Planartransformator über drei Flächen, getrennt durch zwei, erfindungsgemäß hochpermittive, dielektrische Bereiche, wobei eine erste Spule, nachfolgend , Primärwindung‘ genannt, in der Innenfläche angeordnet ist, wobei weiter eine zweite Spule mit einer ersten Anzahl Windungen und einem ersten Windungssinn in der oberen Randfläche und eine dritte Spule mit der ersten Anzahl Windungen und einem zweiten, vom ersten verschiedenen Windungssinn in der unteren Randfläche angeordnet ist, dergestalt, dass ein erstes, im Windungssinn innenliegendes Ende der ersten Spule und ein zweites, im Windungssinn innenliegendes Ende der zweiten Spule elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die an ihren im Windungssinn innenliegenden Enden leitfähig miteinander verbundenen Spulen gemeinsam die Sekundärwindung bilden.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the planar transformer extends over three surfaces, separated by two, according to the invention highly permittive, dielectric regions, a first coil, hereinafter referred to as the 'primary winding', being arranged in the inner surface, a second coil further having a first Number of turns and a first turn sense in the upper edge surface and a third coil with the first number of turns and a second, different from the first turn sense in the lower edge surface is arranged such that a first, in the turn direction inner end of the first coil and a second , In the winding direction inner end of the second coil are electrically conductively connected to one another and the coils conductively connected to each other at their inner ends in the winding direction form the secondary winding.

In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die dritte Spule, von oben betrachtet, deckungsgleich zur zweiten Spule, von unten betrachtet, während die Spule, welche die Primärwindung darstellt, mit einer Windung und zwei Enden, nachfolgend ,Eingänge‘ genannt, spiegelsymmetrisch ausgeführt ist. Durch Betrieb mit antisymmetrischen Signalen an den Eingängen wird die Mitte der leitfähigen Verbindung der zweiten und der dritten Spule hochfrequenztechnisch zu einer virtuellen Masse.In a particularly preferred embodiment, the third coil, viewed from above, is congruent with the second coil, viewed from below, while the coil, which represents the primary turn, is designed with a turn and two ends, hereinafter referred to as inputs, in mirror symmetry. By operating with antisymmetric signals at the inputs, the center of the conductive connection of the second and third coils becomes a virtual ground in terms of radio frequency technology.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Planartransformators kann aus einer stufenweisen Parallelschaltung von Primär- und Sekundärspulen erfolgen. Beispielsweise kann eine Anordnung drei Primärspulen und vier Sekundärspulen aufweisen. Diese können abwechselnd angeordnet sein: Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule. Die Primärspulen sind alle parallelgeschaltet, womit sie gewissermaßen eine einzige Spule mit einer einzigen Windung darstellen, nur, dass diese Windung aus drei parallelen „Drähten“ besteht. Zwei benachbarte Paare der Sekundärspulen (jeweils die beiden oberen und die beiden unteren) sind auf eine nämlich Weise jeweils als Paar parallelgeschaltet.Another embodiment of the RF planar transformer according to the invention can be made from a stepwise parallel connection of primary and secondary coils. For example, an arrangement can have three primary coils and four secondary coils. These can be arranged alternately: secondary coil, primary coil, secondary coil, primary coil, secondary coil, primary coil, secondary coil. The primary coils are all connected in parallel, which means that they represent a single coil with a single turn, only that this turn consists of three parallel “wires”. Two adjacent pairs of the secondary coils (the two upper coils and the two lower coils) are connected in parallel as a pair.

Eine weitere Ausführungsform eines Planartransformators weist mehr als eine Primärspule auf.Another embodiment of a planar transformer has more than one primary coil.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planartransformators sind zumindest einzelne der Primärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.In a further embodiment of the planar transformer according to the invention, at least some of the primary coils are electrically connected in parallel with one another.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen HF-Planartransformators weist mehr als eine Sekundärspule auf.Another embodiment of an HF planar transformer according to the invention has more than one secondary coil.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Planartransformators sind zumindest einzelne der Sekundärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.In a further embodiment of the HF planar transformer according to the invention, at least some of the secondary coils are electrically connected in parallel with one another.

Als veranschaulichendes Beispiel dient ein HF-Planartransformator, welcher sich über sieben, im Wesentlichen zueinander planparallelen, Ebenen erstreckt, in einer zu den Ebenen senkrechten Reihe aufeinanderfolgender Ebenen bezeichnet als erste Ebene S1, zweite Ebene P1, dritte Ebene S2, vierte Ebene P2, fünfte Ebene S3, sechste Ebene P3 und siebente Ebene S4.An RF planar transformer, which extends over seven planes which are essentially plane-parallel to one another, serves as an illustrative example, in a row of successive planes perpendicular to the planes, referred to as the first plane S1 , second level P1 , Third level S2 , fourth level P2 , fifth level S3 , sixth level P3 and seventh level S4 .

Drei, beispielsweise geometrisch deckungsgleiche, Primärspulen mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang sind - je eine in einer Ebene - in der zweiten Ebene P1, der vierten Ebene P2 und sechsten Ebene P3 angeordnet, wobei jeweils die ersten (geometrisch übereinanderliegenden) Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen, sowie jeweils die zweiten (geometrisch übereinanderliegenden) Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind. Eine erste Sekundärspule besteht aus einer ersten Teilspule T1 mit einer ersten Anzahl Windungen eines ersten Windungssinnes in der ersten Ebene S1 und einer vierten Teilspule T4 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der siebenten Ebene S4; eine zweite Sekundärspule besteht aus einer zweiten Teilspule T2 der ersten Anzahl Windungen des ersten Windungssinnes in der dritten Ebene S2 und aus einer dritten Teilspule T3 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der fünften Ebene S3; im Drehsinne der Windungen betrachtet innenliegende Enden der ersten Teilspule T1, der zweiten Teilspule T2, der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der ersten Teilspule T1 und der zweiten Teilspule T2 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden.Three, for example geometrically congruent, primary coils each with a first and a second input are - one in one level - in the second level P1 , the fourth level P2 and sixth level P3 Arranged, wherein the first (geometrically one above the other) inputs of all primary coils are electrically short-circuited with each other, and the second (geometrically one above the other) inputs of all primary coils are electrically short-circuited with each other. A first secondary coil consists of a first partial coil T1 with a first number of turns of a first turn sense in the first level S1 and a fourth coil section T4 the first number of turns of the first opposite sense of turn in the seventh plane S4 ; a second secondary coil consists of a second partial coil T2 the first number of turns of the first turn sense in the third level S2 and from a third coil section T3 the first number of turns of the first opposite sense of turn in the fifth level S3 ; Viewed in the direction of rotation of the turns, inner ends of the first partial coil T1 , the second coil section T2 , the third coil section T3 and the fourth coil section T4 are connected to each other in an electrically conductive manner; viewed in the direction of rotation of the turns, the outer ends of the first coil section T1 and the second coil section T2 are connected to each other in an electrically conductive manner; Viewed in the direction of rotation of the turns, outer ends of the third partial coil T3 and the fourth coil section T4 are connected to each other in an electrically conductive manner.

Es entsteht ein Planartransformator mit einem symmetrischen Paar von Eingängen und einem symmetrischen Paar von Ausgängen. Wird der Planartransformator symmetrisch angeregt mit einer differentiellen, mit dem Paar von Eingängen verbundenen Quelle einer Quellimpedanz, und abgeregt vermittels einer differentiellen, mit dem Paar von Ausgängen verbundenen Last einer Lastimpedanz, dergestalt, dass die in das symmetrische Paar von Eingängen hinein gemessene differentielle Eingangsimpedanz der Quellimpedanz, und gleichzeitig die in das symmetrische Paar von Ausgängen hinein gemessene differentielle Ausgangsimpedanz der Lastimpedanz komplex konjugiert ist, werden die Signalübertragungsverluste durch den Planartransformator minimiert. Der Einreicher hat festgestellt, dass bei aus lediglich zwei oder drei Lagen aufgebauten Planartransformatoren häufig die simultan komplex konjugierten Lasten, die für einen optimal verlustarmen Betrieb des Planartransformators selbst erforderlich sind, deutlich höher liegen, als die Lastimpedanz, welche die Effizienz von (namentlich: differentiellen) Transistoranordnungen hoher Ausgangsleistung optimieren. Der Aufbau nach dem dargestellten Beispiel reduziert die Impedanzwerte der den Transformatorverlust minimierenden simultan komplex konjugierten Lasten. The result is a planar transformer with a symmetrical pair of inputs and a symmetrical pair of outputs. If the planar transformer is excited symmetrically with a differential source of a source impedance connected to the pair of inputs, and is de-energized by means of a differential load of a load impedance connected to the pair of outputs, such that the differential input impedance measured into the symmetrical pair of inputs of the Source impedance, and at the same time the differential output impedance of the load impedance measured in the symmetrical pair of outputs is complex conjugate, the signal transmission losses are minimized by the planar transformer. The submitter has determined that in the case of planar transformers constructed from just two or three layers, the simultaneously complex conjugate loads that are required for optimally low-loss operation of the planar transformer itself are significantly higher than the load impedance, which affects the efficiency of (specifically: differential) ) Optimize transistor arrangements with high output power. The structure according to the example shown reduces the impedance values of the simultaneously complex conjugate loads that minimize the transformer loss.

In einer weiteren Ausführungsform sind bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformator die mindestens eine Primärspule und die mindestens eine Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeführt.In a further embodiment, in the high-frequency planar transformer according to the invention the at least one primary coil and the at least one secondary coil are essentially planar and plane-parallel.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist der Hochfrequenz-Planartransformator mindestens zwei Primärspulen und mindestens zwei Sekundärspulen auf, die die elektrisch zueinander parallelgeschaltet sind.In a special embodiment of the invention, the high-frequency planar transformer has at least two primary coils and at least two secondary coils which are electrically connected in parallel with one another.

Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator ist dadurch gekennzeichnet, dass er für einen hochfrequenten Betrieb von f ≥ 50 kHz und bevorzugt von f ≥ 10 MHz ausgelegt ist.The high-frequency planar transformer according to the invention is characterized in that it is designed for high-frequency operation of f 50 50 kHz and preferably of f 10 10 MHz.

Durch das erfindungsgemäß hochpermittive Dielektrikum wird eine Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite vorteilhaft dergestalt beeinflusst, dass in einem breiteren Transformator-Anwendungsbereich als nach dem Stand der Technik auf einen Ferritkern oder Ferritplatten verzichtet werden kann.A coupling between primary and secondary side is advantageously influenced by the high-permittivity dielectric according to the invention in such a way that a ferrite core or ferrite plates can be dispensed with in a wider transformer application area than according to the prior art.

In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Glaskeramikmaterials als Dielektrikum in einem Hochfrequenz-Planartransformator.In a second aspect, the invention relates to the use of the glass ceramic material according to the invention as a dielectric in a high-frequency planar transformer.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Planartransformators aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist. Die zweite Spule ist dabei symmetrisch aufgebaut und weist einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen auf. Der Anteil dieser zweiten Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs weist eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen auf. Der Wert der verteilten Induktivität läßt sich insbesondere über das Verhältnis der Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen, zur Breite der Windungen der Sekundärspule beeinflussen.In a preferred embodiment, the planar transformer consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil. The second coil is constructed symmetrically and has a point of symmetry and a differential output with two branches. The portion of this second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance between its turns. The value of the distributed inductance can be influenced in particular via the ratio of the length of the secondary coil, measured along the turns, to the width of the turns of the secondary coil.

Der Anteil der zweiten Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs weist ferner einen oder zwei verteilte Kapazitätsbeiträge auf: Eine verteilte Kapazität zur Primärwindung, nachfolgend ,extrinsische Kapazität‘, sowie, bei mindestens zwei Windungen der Sekundärspule, eine verteilte Kapazität zwischen den Windungen der Sekundärspule, nachfolgend ,intrinsische Kapazität‘ genannt.The portion of the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output also has one or two distributed capacitance contributions: a distributed capacitance for the primary turn, hereinafter referred to as "extrinsic capacitance", and, for at least two turns of the secondary coil, a distributed capacitance between the turns the secondary coil, hereinafter referred to as "intrinsic capacity".

Der Wert der extrinsischen Kapazität läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, sowie durch die gemeinsame Fläche zwischen Primär- und Sekundärwindung beeinflussen. Der Wert der intrinsischen Kapazität bei mindestens zwei Windungen der Sekundärspule läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die geometrische Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen, und durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen der Sekundärspule beeinflussen.The value of the extrinsic capacitance can be influenced in particular by the dielectric or dielectrics used, as well as by the common area between the primary and secondary turns. The value of the intrinsic capacitance in at least two turns of the secondary coil can be influenced in particular by the dielectric or dielectrics used, by the geometric length of the secondary coil, measured along the turns, and by the distance between two adjacent turns of the secondary coil.

Zwischen der verteilten Induktivität sowie der extrinsischen Kapazität bildet sich eine erste Resonanzfrequenz aus, deren Wert mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der extrinsischen Kapazität beeinflusst werden kann. Zwischen der verteilten Induktivität sowie der intrinsischen Kapazität bildet sich eine zweite Resonanzfrequenz aus, deren Wert mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der intrinsischen Kapazität beeinflusst werden kann.A first resonance frequency is formed between the distributed inductance and the extrinsic capacitance, the value of which can be influenced using the values of the distributed inductance and the extrinsic capacitance. A second resonance frequency forms between the distributed inductance and the intrinsic capacitance, the value of which can be influenced using the values of the distributed inductance and the intrinsic capacitance.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der ersten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.According to a preferred embodiment of the invention, by selecting the first resonance frequency, a signal transmission between the primary side and is essentially equal to the frequency of a signal component to be suppressed Secondary side reduced for the signal component to be suppressed.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der zweiten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.According to a further preferred embodiment of the invention, by selecting the second resonance frequency, essentially equal to the frequency of a signal component to be suppressed, a signal transmission between the primary side and the secondary side is reduced in the signal component to be suppressed.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der ersten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer ersten zu unterdrückenden Signalkomponente und durch Wahl der zweiten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente eine Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der ersten und bei der zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.According to a particularly preferred embodiment of the invention, by selecting the first resonance frequency essentially the frequency of a first signal component to be suppressed and by selecting the second resonance frequency essentially equal to the frequency of a second signal component to be suppressed, a signal transmission between the primary and secondary sides in the first and in of the second signal component to be suppressed.

Bevorzugt wird ein HF-Planartransformators bereitgestellt, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht. Die Primärseite weist einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und die Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz auf, der Eingang abgeschlossen mit einer ersten Quellimpedanz und der Ausgang abgeschlossen mit einer ersten Lastimpedanz. Bei der bevorzugten Betriebsfrequenz ist die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz ist bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert. Die Primärseite weist mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule auf, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist. Bei differentiellem Betrieb des Planartransformators wird also eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufgewiesen, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz umfasst.An RF planar transformer is preferably provided, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side. The primary side has an input with a first input impedance at the preferred operating frequency and the secondary side has an output with a first output impedance at the preferred operating frequency, the input terminated with a first source impedance and the output terminated with a first load impedance. At the preferred operating frequency, when the output is terminated, the first source impedance is complex conjugate to the first load impedance of the input impedance, and the first load impedance is complex conjugate to the first source impedance of the output impedance when the input is terminated. The primary side has at least one first coil and that secondary side has at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically. In the case of differential operation of the planar transformer, a virtual high-frequency mass is therefore shown at the point of symmetry, which comprises selecting a resonance frequency between the distributed inductance and the distributed capacitance equal to a multiple of a preferred operating frequency.

In einer anderen Ausführungsform weist der HF-Planartransformator eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.In another embodiment, the RF planar transformer has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil, which second coil is constructed symmetrically and a point of symmetry and one has differential output with two branches, the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance to the first coil. This embodiment is characterized in that a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance is a multiple of the preferred operating frequency.

In einer weiteren Ausführungsform weist der erfindungsgemäße HF-Planartransformator eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, wobei die zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.In a further embodiment, the HF planar transformer according to the invention has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil, the second coil being constructed symmetrically and with differential Operation of the planar transformer has a virtual radio frequency mass at the point of symmetry. This embodiment is characterized in that an electrical length of the secondary coil is less than half the wavelength at the operating frequency and is equal to an integral multiple of an integral fraction of half the wavelength at the operating frequency.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft einen HF-Planartransformator, der eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule mit mindestens zwei Windungen aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.Another embodiment of the invention relates to an RF planar transformer, which has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, with that primary side having at least one first coil and that secondary side having at least one second coil with at least two turns, the second coil being symmetrical is constructed and has a point of symmetry and a differential output with two branches, the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance. This embodiment is characterized in that a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance is a multiple of the preferred operating frequency.

In einer Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz zwischen der Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite und den Induktivitäten von Primär- und Sekundärseite mit einer Resonanzfrequenz auf, welche Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene Resonanzfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Übertragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Resonanzfrequenz umfasst.In one embodiment, the high-frequency planar transformer with an input side and an output side has a resonance between the capacitance between the primary and secondary side and the inductances of the primary and secondary side with a resonance frequency which resonance frequency is essentially equal to the frequency with respect to the transmission between the input side and output side to be suppressed signal component. In a further embodiment, the high-frequency planar transformer according to the invention is designed to have the resonance frequency described above. In one aspect belonging to this, the invention provides a method for operating a high-frequency planar transformer, preferably for operating the high-frequency planar transformer according to the invention, which essentially uses the frequency of the resonance described above to suppress the transmission of a signal component between the input side and the output side of the resonance frequency described above.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz auf, welche Resonanz zwischen der Kapazität zwischen den Windungen der sekundärseitigen Spule und der Induktivität der sekundärseitigen Spule herausgebildet wird, welche Resonanz eine Resonanzfrequenz aufweist, die im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene Resonanz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Übertragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Resonanzfrequenz umfasst.In a further embodiment, the high-frequency planar transformer has a resonance with an input side and an output side, which resonance between the capacitance is formed between the turns of the secondary-side coil and the inductance of the secondary-side coil, which resonance has a resonance frequency which is substantially equal to the frequency of a signal component to be suppressed with respect to the transmission between the input side and the output side. In an additional embodiment, the high-frequency planar transformer according to the invention is designed to have the resonance described above. In one aspect belonging to this, the invention provides a method for operating a high-frequency planar transformer, preferably for operating the high-frequency planar transformer according to the invention, which essentially uses the frequency of the resonance described above to suppress the transmission of a signal component between the input side and the output side of the resonance frequency described above.

In einer Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz auf, welche Resonanz zwischen der Kapazität zwischen den Windungen der primärseitigen Spule und der Induktivität der primärseitigen Spule herausgebildet wird, mit einer Resonanzfrequenz, die im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene Resonanzfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Übertragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Resonanzfrequenz umfasst.In one embodiment, the high-frequency planar transformer has a resonance with an input side and an output side, which resonance is formed between the capacitance between the windings of the primary-side coil and the inductance of the primary-side coil, with a resonance frequency that is substantially equal to the frequency of one the transmission between the input side and the output side is to be suppressed. In an additional embodiment, the high-frequency planar transformer according to the invention is designed to have the resonance frequency described above. In one aspect belonging to this, the invention provides a method for operating a high-frequency planar transformer, preferably for operating the high-frequency planar transformer according to the invention, which essentially uses the frequency of the resonance described above to suppress the transmission of a signal component between the input side and the output side of the resonance frequency described above.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine bevorzugte Betriebsfrequenz, sowie die mindestens eine bei einem Betrieb jenes Hochfrequenz-Planartransformators bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückende Signalkomponente auf, durch eine Frequenz, die im Wesentlichen gleich einer Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene bevorzugte Betriebsfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das einen Betrieb bei der vorab beschriebenen Betriebsfrequenz umfasstIn a further embodiment, the high-frequency planar transformer with an input side and an output side has a preferred operating frequency, and the at least one signal component to be suppressed during operation of that high-frequency planar transformer with regard to the transmission between the input side and the output side, by a frequency that is essentially the same is a multiple of the preferred operating frequency. In an additional embodiment, the high-frequency planar transformer according to the invention is designed to have the preferred operating frequency described above. In an aspect belonging to this, the invention provides a method for operating a high-frequency planar transformer, preferably for operating the high-frequency planar transformer according to the invention, which comprises operating at the operating frequency described above

In einer Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine bevorzugte Betriebsfrequenz, sowie mindestens eine bei einem Betrieb jenes Hochfrequenz-Planartransformators bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückende Signalkomponente auf, welche zu unterdrückende Signalkomponente im Wesentlichen gleich einer Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist, sowie eine symmetrische aufgebaute zweite Spule und weist jene symmetrisch aufgebaute zweite Spule bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt auf, wobei eine elektrische Länge der zweiten Spule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, welcher Betrieb die vorab beschriebene elektrische Länge zur Unterdrückung jener vorab beschriebenen Übertragung jener vorab beschriebenen zu unterdrückenden Signalkomponente umfasst.In one embodiment, the high-frequency planar transformer with an input side and an output side has a preferred operating frequency, and at least one signal component to be suppressed during operation of that high-frequency planar transformer with respect to the transmission between the input side and the output side, the signal component to be suppressed being essentially a multiple the preferred operating frequency, and a symmetrically constructed second coil, and that symmetrically constructed second coil with differential operation of the planar transformer has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry, an electrical length of the second coil being less than half the wavelength at the operating frequency and equal to an integral multiple is an integer fraction of half the wavelength at the operating frequency. In an aspect belonging to this, the invention provides a method for operating a high-frequency planar transformer, preferably for operating the high-frequency planar transformer according to the invention, which operation comprises the electrical length described above for suppressing the transmission described above of the signal component to be suppressed described above.

Abweichend vom bisher geschilderten Aufbau, der größtmöglichen Einfachheit der Darstellung geschuldet, kann der Fachmann die in der vorliegenden Erfindung offenbarte Lehre auch auf eine solche Weise anwenden, dass die - im bisher geschilderten Aufbau in einem Symmetriepunkt der Sekundärspule befindliche - Hochfrequenzmasse in einem anderen Punkte liegt, beispielsweise, wenn eine erste Zahl Windungen eines ersten Windungssinnes in einer ersten Ebene der Sekundärspule und eine zweite, von der ersten Zahl unterschiedliche, Zahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in einer zweiten Ebene der Sekundärspule angeordnet werden.Deviating from the structure described so far, due to the greatest possible simplicity of the illustration, the person skilled in the art can also apply the teaching disclosed in the present invention in such a way that the high-frequency mass, located in the structure described above in a point of symmetry of the secondary coil, lies in another point , for example, if a first number of turns of a first turn sense are arranged in a first level of the secondary coil and a second number of turns of the opposite turn sense of the first opposite turn sense are arranged in a second level of the secondary coil.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Merkmalskombinationen mit den Merkmalskombinationen aus den Patentansprüchen frei kombiniert werden können.It is expressly pointed out that these combinations of features can be freely combined with the combinations of features from the patent claims.

FigurenlisteFigure list

  • 1 erfindungsgemäße Vorrichtung - ein HF-Planartransformator 1 device according to the invention - an HF planar transformer

Detaillierte Beschreibung der Abbildungen Detailed description of the pictures

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Planartransformator. Der Hochfrequenz-Planartransformator 100 mit einem Dielektrikum 10 und mit einer variablen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebene die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planartransformator in 1 weist mehr als nur eine Sekundärspule in mehr als nur einer Ebene auf. Der erfindungsgemäße Planartransformator in 1 enthält eine Primärseite 11 (dicke Außenlinie), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwischen zwei jeweils auf einer unter und einer über der Ebene der Primärseite befindlichen Ebenen gelegenen Sekundärseiten 12, 12' (dünne Linie, dünne gestrichelte Linie) liegt. Dabei liegt die Hälfte der Windungen der Sekundärspule 12 ober-, die andere Hälfte 12' unterhalb der Primärspule 11. Die Wicklungsrichtungen der beiden Sekundärspulen 12, 12' ist entgegengesetzt. In der Mitte, wo auch die Windungen der Sekundärspulen miteinander verknüpft sind, ergibt sich eine ,virtuelle Masse‘. Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, im entgegengesetzten Windungssinn; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom „von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte „von außen nach innen“, aber die (Teil-) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einander aufzuheben. 1 shows a planar transformer according to the invention. The high-frequency planar transformer 100 with a dielectric 10th and with a variable number of turns in the secondary coil can conventionally consist of two levels, a first level being the primary side and the other level, which for illustration is arranged parallel to the first level, can be the secondary side. The planar transformer in 1 has more than one secondary coil in more than one level. The planar transformer according to the invention in 1 contains a primary page 11 (thick outline), which, as in a sandwich arrangement, is arranged centrally between two secondary sides, each on a level below and one above the level of the primary side 12 , 12 ' (thin line, thin dashed line). Half of the turns of the secondary coil lie here 12 upper, the other half 12 ' below the primary coil 11 . The winding directions of the two secondary coils 12 , 12 ' is opposite. In the middle, where the turns of the secondary coils are also linked, there is a 'virtual mass'. When viewed from above, both halves appear in the opposite direction; this must be so because in one half the current flows "from the inside out" and the other half "from the outside in", but the (partial) voltages that are induced in both halves should add up, instead of lifting each other up.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010th
Dielektrikumdielectric
1111
Primärspule des PlanartransformatorsPrimary coil of the planar transformer
1212
eine Sekundärspule des Planartransformators (oben)a secondary coil of the planar transformer (top)
12'12 '
symmetrische Sekundärspule des Planartransformators (unten)symmetrical secondary coil of the planar transformer (below)
100100
Hochfrequenz-PlanartransformatorHigh frequency planar transformer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2011/0028298 A1 [0038]US 2011/0028298 A1 [0038]

Claims (24)

Hochfrequenz-Planartransformator, aufweisend mindestens eine Primär- und eine Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, wobei die mindestens eine Primärseite und die mindestens eine Sekundärseite jeweils mindestens eine Spule aufweisen und wobei die Primärseite und die Sekundärseite durch ein Dielektrikum getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum eine relative Dielektrizitätskonstante ε von mehr als 15, bevorzugt von mehr als 25 aufweist.High-frequency planar transformer, having at least one primary and one secondary side, which can be operated as an input or output side, the at least one primary side and the at least one secondary side each having at least one coil and the primary side and the secondary side being separated by a dielectric are characterized in that the dielectric has a relative dielectric constant ε of more than 15, preferably of more than 25. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum einen dielektrischen Verlust bei 10kHz von tan δ < 5 × 10-2 und bevorzugt von tan δ < 2 × 10-2 aufweist.High frequency planar transformer according to Claim 1 , characterized in that the dielectric has a dielectric loss at 10 kHz of tan δ <5 × 10 -2 and preferably of tan δ <2 × 10 -2 . Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum ein Keramikmaterial umfasst, das bevorzugt ein Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist.High frequency planar transformer according to Claim 1 or 2nd , characterized in that the dielectric comprises a ceramic material, which is preferably a glass ceramic material and particularly preferably a barium aluminum titanate (BAT) glass ceramic material. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial einen kristallinen Anteil von mindestens 30 Vol.- %, bevorzugt von mindestens 70 Vol.-% und besonders bevorzugt von bis zu 95 Vol.-% aufweist.High frequency planar transformer according to Claim 3 , characterized in that the glass ceramic material has a crystalline fraction of at least 30% by volume, preferably at least 70% by volume and particularly preferably up to 95% by volume. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial ein nahes zu porenfreies Material mit einer Volumenfüllung von wenigstens 99,5%, bevorzugt von wenigstens 99,97% und besonders bevorzugt von wenigstens 99,999% ist.High frequency planar transformer according to Claim 3 or 4th , characterized in that the glass ceramic material is a close to non-porous material with a volume filling of at least 99.5%, preferably of at least 99.97% and particularly preferably of at least 99.999%. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial als kristalline Hauptphase eine Perowskitphase der folgenden Formel aufweist: Ba1-xZ1 xTi1-yZ2 yO3, wobei Z1 ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sr, Ca, Ce, Pb, La und Sm, Z2 ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc and Ta, wobei x und y unabhängig voneinander im Bereich von 0≤x,y≤0,5 und bevorzugt im Bereich von 0≤x,y≤0,1 liegen, wobei die Größe der Kristallite zwischen 10 nm und 50µm und bevorzugt zwischen 100 nm und 1 µm liegt.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that the glass ceramic material has a perovskite phase of the following formula as the main crystalline phase: Ba 1-x Z 1 x Ti 1-y Z 2 y O 3 , where Z 1 is an element selected from the group consisting of Sr , Ca, Ce, Pb, La and Sm, Z 2 is an element selected from the group consisting of Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc and Ta, where x and y independently in the range of 0≤ x, y≤0.5 and preferably in the range of 0≤x, y≤0.1, the size of the crystallites being between 10 nm and 50 μm and preferably between 100 nm and 1 μm. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial zudem ein Oxid enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb2O3, As2O3 und Bi2O3.High frequency planar transformer according to Claim 6 , characterized in that the glass ceramic material also contains an oxide which is selected from the group consisting of Sb 2 O 3 , As 2 O 3 and Bi 2 O 3 . Hochfrequenz-Planartransformator gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial 0.01 bis 3 mol%, bevorzugt 0.1 bis 1 mol% und besonders bevorzugt 0.1 bis 0.5 mol% einer Oxidverbindung enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb2O3, As2O3 und Bi2O3.High frequency planar transformer according to Claim 7 , characterized in that the glass ceramic material contains 0.01 to 3 mol%, preferably 0.1 to 1 mol% and particularly preferably 0.1 to 0.5 mol% of an oxide compound which is selected from the group consisting of Sb 2 O 3 , As 2 O 3 and Bi 2 O 3 . Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Bestandteile aufweist: 10 bis 20 mol% SiO2, 0 bis 10 mol% Al2O3, 30 bis 45 mol% BaO, 10 bis 20 mol% TiO2.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that it has at least the following constituents: 10 to 20 mol% SiO 2 , 0 to 10 mol% Al 2 O 3 , 30 to 45 mol% BaO, 10 to 20 mol% TiO 2 . Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator primärseitig und/oder sekundärseitig symmetrisch aufgebaut ist.High-frequency planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the planar transformer is constructed symmetrically on the primary side and / or on the secondary side. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Primärspule und die mindestens eine Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeführt sind.High-frequency planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one primary coil and the at least one secondary coil are essentially planar and plane-parallel. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator mindestens zwei Primärspulen und mindestens zwei Sekundärspulen aufweist, die die elektrisch zueinander parallelgeschaltet sind.High-frequency planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the planar transformer has at least two primary coils and at least two secondary coils which are electrically connected in parallel with one another. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planartransformator für einen hochfrequenten Betrieb von f ≥ 50 kHz und bevorzugt von f ≥ 10 MHz ausgelegt ist.High-frequency planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the planar transformer is designed for high-frequency operation of f ≥ 50 kHz and preferably f ≥ 10 MHz. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er keinen Ferritkern aufweist.High-frequency planar transformer according to one of the preceding claims, characterized in that it has no ferrite core. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine Resonanz zwischen der Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite und den Induktivitäten von Primär- und Sekundärseite mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 14 , characterized by a resonance between the capacitance between the primary and secondary side and the inductances of the primary and secondary side with a Resonance frequency, the resonance frequency being substantially equal to the frequency of a signal component to be suppressed with respect to the transmission between the input side and the output side. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Resonanz zwischen der Kapazität zwischen den Windungen der sekundärseitigen Spule und der Induktivität der sekundärseitigen Spule mit einer Resonanzfrequenz, wobei die Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 15 , characterized by a resonance between the capacitance between the turns of the secondary-side coil and the inductance of the secondary-side coil with a resonance frequency, the resonance frequency being substantially equal to the frequency of a signal component to be suppressed with respect to the transmission between the input side and the output side. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Resonanz zwischen der Kapazität zwischen den Windungen der primärseitigen Spule und der Induktivität der primärseitigen Spule, wobei die Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 16 , characterized by a resonance between the capacitance between the turns of the primary-side coil and the inductance of the primary-side coil, the resonance frequency being substantially equal to the frequency of a signal component to be suppressed with respect to the transmission between the input side and the output side. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 14 bis 16, mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite und einer bevorzugten Betriebsfrequenz, sowie mindestens eine bei einem Betrieb jenes Hochfrequenz-Planartransformators bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückende, Signalkomponente, wobei die Frequenz der zu unterdrückenden Signalkomponente gleich einer Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.High frequency planar transformer according to one or more of the Claims 14 to 16 , with an input side and an output side and a preferred operating frequency, and at least one signal component to be suppressed during operation of that high-frequency planar transformer with respect to the transmission between the input side and the output side, the frequency of the signal component to be suppressed being equal to a multiple of the preferred operating frequency. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, wobei eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 14 , characterized in that the second coil is constructed symmetrically and, when the planar transformer is operated differentially, has a virtual high-frequency mass at the point of symmetry, the electrical length of the secondary coil being less than half the wavelength at the operating frequency and equal to an integer multiple of an integer fraction of half the wavelength the operating frequency. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass er eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei die Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule mit mindestens 2 Windungen aufweist, wobei die zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, und die zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen den Endungen der mindestens einen zweiten Spule aufweist, und wobei eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 19th , characterized in that it has a preferred operating frequency and consists of a primary and a secondary side, the primary side having at least a first coil and that secondary side having at least a second coil with at least 2 turns, the second coil being constructed symmetrically and a point of symmetry and has a differential output with two branches, and the second coil between the point of symmetry and a first branch of the differential output has a distributed inductance and a distributed capacitance between the ends of the at least one second coil, and wherein a resonance frequency between distributed inductance and distributed capacitance is equal is a multiple of the preferred operating frequency. Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass er ein symmetrisches Paar von Eingängen und ein symmetrischen Paar von Ausgängen aufweist und dafür ausgelegt ist, dass er bei symmetrischer Anregung mit einer differentiellen, mit dem Paar von Eingängen verbundenen Quelle einer Quellimpedanz, und abgeregt vermittels einer differentiellen, mit dem Paar von Ausgängen verbundenen Last einer Lastimpedanz, dergestalt reagiert, dass die in das symmetrische Paar von Eingängen hinein gemessene differentielle Eingangsimpedanz der Quellimpedanz, und gleichzeitig die in das symmetrische Paar von Ausgängen hinein gemessene differentielle Ausgangsimpedanz der Lastimpedanz komplex konjugiert ist.High-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 20th , characterized in that it has a symmetrical pair of inputs and a symmetrical pair of outputs and is designed so that when excited symmetrically with a differential source connected to the pair of inputs of a source impedance, and excitedly by means of a differential with the Pair of outputs connected load of a load impedance, which reacts in such a way that the differential input impedance of the source impedance measured into the symmetrical pair of inputs, and at the same time the differential output impedance of the load impedance measured into the symmetrical pair of outputs, is complex conjugated. Betrieb einer Hochfrequenz-Planartransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterdrückung einer Signalkomponente durch die Ausgestaltung von Primär- und Sekundärseite und/oder Auswahl einer bevorzugten Betriebsfrequenz vorgenommen wird.Operation of a high frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 21st , characterized in that a signal component is suppressed by the configuration of the primary and secondary side and / or selection of a preferred operating frequency. Betrieb eines Hochfrequenz-Planartransformators nach einem der Patentansprüche 1 bis 21 mit einem oder mehreren Eingängen und einem oder mehreren Ausgängen und mit einer bevorzugten Betriebsfrequenz, wobei zumindest einzelne der Eingänge mit Quellen und zumindest einzelne der Ausgänge mit Lasten verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, dass die mit Quellen verbunden Eingänge durch die Quellimpedanz der jeweiligen Quelle und die mit Lasten verbundenen Ausgänge durch die Lastimpedanz der jeweiligen Last bei der bevorzugten Betriebsfrequenz komplex konjugiert abgeschlossen werden.Operation of a high-frequency planar transformer according to one of the Claims 1 to 21st with one or more inputs and one or more outputs and with a preferred operating frequency, wherein at least some of the inputs are connected to sources and at least some of the outputs are connected to loads, characterized in that the inputs connected to sources by the source impedance of the respective source and outputs connected to loads can be complex conjugated by the load impedance of the respective load at the preferred operating frequency. Verwendung eines Glaskeramikmaterials gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9 als Dielektrikum in einem Hochfrequenz-Planartransformator und bevorzugt in einem Hochfrequenz-Planartransformator gemäß einem der Ansprüche 10 bis 21.Use of a glass ceramic material according to one of the Claims 3 to 9 as a dielectric in a high-frequency planar transformer and preferably in a high-frequency planar transformer according to one of the Claims 10 to 21st .
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