DE60005656T2

DE60005656T2 - Transformator mit ubermittlungsleitung für impedanzanpassung

Info

Publication number: DE60005656T2
Application number: DE60005656T
Authority: DE
Inventors: Rudolph Menna; Philip Miguelez
Original assignee: Arris Technology Inc; General Instrument Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: WO2000062420A1; DK1166440T3; AR023500A1; PT1166440E; DE60005656D1; ATE251360T1; US6239668B1; CA2366582A1; EP1166440B1; CA2366582C; EP1166440A1; ES2207512T3; AU4642800A

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung, die gemäß den beigefügten Ansprüchen festgelegt ist, bezieht sich allgemein auf Breitband-Impedanzanpassungs-Transformatoren. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf Breitband-Übertragungsleitungs-Transformatoren mit hoher Impedanz, die eine geringe Einfügungsdämpfung und kleinste Welligkeitsfaktoren vorweisen und ein Abstimmnetzwerk zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Schaltungen bereitstellen.
Beschreibung verwandter Techniken
Übertragungsleitungen werden verwendet, um verschiedene Radiofrequenzschaltungselemente zu verbinden, einschließlich Verbindungen von Radiofrequenz-Schaltungen (RF-Schaltungen) mit Antennensystemen. Typische RF-Ingenieurspraxis diktiert, dass eine Signalquelle eine Impedanz aufweisen sollte, die der Impedanz der Last gleicht. Zusätzlich sollte eine an eine Übertragungsleitung gekoppelte Last eine Impedanz vorweisen, die der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung gleicht.
Die Bedeutung einer angepassten Last liegt darin, dass eine Übertragungsleitung, die mit einer ihrer charakteristischen Impedanz gleichenden Last abgeschlossen ist, ein Signal ohne Reflexion überträgt. In diesem Fall wird die gesamte, in dem Signal enthaltene Leistung von der Übertragungsleitung auf die Last übertragen. Lasten mit einem Widerstand, der der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung nicht gleicht, erzeugen Reflexionen.
Kurze Abschnitte von Übertragungsleitungen können verwendet werden, um eine fehlangepasste Last abzustimmen, indem der Abschnitt als ein Nebenschluss über die Leiter oder in Reihe mit der fehlangepassten Leitung eingefügt wird. Die Länge der Übertragungsleitung, die Art des Abschlusses (offen oder kurzgeschlossen) und ihre Position bestimmen die Wirkung auf die Schaltung. Bei sehr kurzen Wellenlängen arbeiten Übertragungsleitungen als Schaltungsabstimmelemente.
Eine Anwendung eines Anpassungsnetzwerks würde an dem Ausgang eines RF-Signalverstärkers eingesetzt werden. Eine typische Gegentakt-RF-Verstärker-Ausgangsstufe würde einen Ausgangstransformator mit einem Mittelabgriff zum Tragen von gleichen Gleichströmen durch jede Hälfte der Primärwicklung zu den Transistoren erfordern. Die Sekundärwicklung stellt einen symmetrischen Ausgang bei einer unterschiedlichen Impedanz zur Umwandlung in eine unsymmetrische Leitung und zur weiteren Schaltungsverbindung bereit. Eine angepasste Last ist daher zur Maximierung der Leistungsübertragung unerlässlich.
Ein Symmetrietransformator ist eine passive Vorrichtung, die den Übergang zwischen einer unsymmetrischen Schaltung und einer symmetrischen Schaltung erlaubt und, wenn notwendig, ebenfalls Impedanzanpassung erlaubt. Der Symmetrietransformator stellt eine galvanische Trennung bereit, leitet aber den Übertragungsleitungsstrom weiter. Symmetrietransformatoren vermeiden die Hochfrequenzbegrenzungen herkömmlicher magnetischer Transformatoren, da die Wicklungen so angeordnet sind, dass Wicklungskapazität und -induktivität eine resonanzfreie Übertragungsleitung bilden. Symmetrietransformatoren können ebenfalls Impedanzwandlungen mit hervorragender Breitbandleistung bereitstellen.
Ein Netzwerk nach Stand der Technik, das einen symmetrischen Ausgang in einen unsymmetrischen Ausgang umwandelt, einschließlich eines Zwischen-Filternetzwerks, ist im U.S. Patent Nummer 5,495,212 offenbart. Jedoch führt das offen gelegte Zwischen-Filternetzwerk keine Abstimmfunktion für die Ersatzschaltung durch; das Netzwerk stellt Tiefpassfilterung bereit. Anpassungstransformatoren werden ebenfalls im U.S. Patent Nummer 2,921,275 und U.S. Patent Nummer 5,767,754 offenbart.
Während der bisherige Stand der Technik Übertragungsleitungs-Transformatoren mit Impedanzanpassung, die eine Kombination von externen Vorrichtungen mit inkorporierter Zwischen-Filterung verwenden, gezeigt hat, sind herkömmliche Vorrichtungen zu komplex, wenn sie zum Betrieb über eine breite RF-Bandbreite entworfen sind. Benötigt wird daher ein Übertragungsleitungs-Symmetrie-Transformator, der es erlaubt, das Gesamtfrequenzantwortverhalten der Schaltung abzustimmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Breitband-RF-Übertragungsleitungs-Symmetrie-Transformator der vorliegenden Erfindung koppelt eine Übertragungsleitung aus verdrilltem Draht zwischen einem magnetischen Transformator mit Mittelanzapfung und einem Symmetrietransformator. Die Position und die Funktion der Übertragungsleitung aus verdrilltem Draht verbessern das Frequenzverhalten über eine breite Betriebsbandbreite, indem sie es erlauben, die Schaltung abzustimmen; wodurch sie einen größeren Anpassungsgrad erlauben. Die Erfindung verbessert das Frequenzverhalten über eine 50–860 MHz Betriebsbandbreite signifikant und stellt gleichzeitig eine Umwandlung von einer symmetrischen zu einer unsymmetrischen Schaltung mit einem hohen (4 : 1) Impedanzverhältnis bereit. Der RF-Übertrager weist einen geringen Welligkeitsfaktor (VSWR) mit kleinster Schaltungsbelastung auf.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Übertragungsleitungs-Transformator bereitzustellen, der symmetrische Eingänge, die um 180° miteinander gegenphasig verlaufen, in eine unsymmetrische Schaltung umwandelt und gleichzeitig Schaltungsabstimmung unter Verwendung einer Kompensations-Übertragungsleitung durchführt, um das Antwortverhalten über eine große Bandbreite anzugleichen.
Andere Ziele und Vorteile werden dem Fachmann nach dem Lesen der genauen Beschreibung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein elektrisches Schaltbild der bevorzugten Ausführungsform des RF-Übertragers.
2 ist eine Perspektivansicht des magnetischen Transformators.
3 ist eine grafische Darstellung des Frequenzverhaltens des RF-Übertragers über die Betriebsbandbreite sowohl mit der als auch ohne die Kompensations-Übertragungsleitung.
4 ist eine Draufsicht der gesamten bevorzugten Ausführungsform.
5 ist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die bevorzugte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf die Figuren der Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen durchweg gleiche Elemente darstellen.
Unter Bezugnahme auf das elektrische Schaltbild aus 1 wird die bevorzugte Ausführungsform des RF-Übertragers 17 gezeigt. Der RF-Übertrager 17 umfasst drei getrennte Abschnitte: 1) einen magnetischen Transformator 19 mit Mittelanzapfung; 2) eine Kompensations-Übertragungsleitung 23 mit verdrilltem Draht; und 3) einen Symmetrietransformator 25.
Der erste Abschnitt des RF-Übertragers 17 ist ein magnetischer Transformator 19 mit Mittelanzapfung mit symmetrischen primären Eingangsanschlüssen 21 und sekundären Ausgangsknoten a und b. Die Knoten a und b sind mit dem zweiten Abschnitt, der Kompensations-Übertragungsleitung 23 mit verdrilltem Draht, gekoppelt. Die Kompensations-Übertragungsleitung 23 ist über die Knoten a und b nebengeschlossen und weist eine berechnete, variable, charakteristische Impedanz Z₀ und eine elektrische Länge auf. Der Ausgang des magnetischen Transformators 19 (Knoten a und b) ist ebenfalls mit dem dritten Abschnitt, dem 1 : 1 Symmetrietransformator 25, gekoppelt. Der Symmetrietransformator 25 wandelt den symmetrischen Ausgang a und b des magnetischen Transformators 19 in einen unsymmetrischen RF-Ausgang 27 um.
Die physikalische Konstruktion des magnetischen Transformators 19 und des Symmetrietransformators 25 bestimmt die charakteristische Induktivität und Kapazität des RF-Übertragers 17 und bestimmt ebenfalls das Gesamtfrequenzverhalten. Die Gleichtaktinduktivität, oder die primäre Induktivität für einen magnetischen gekoppelten Tranformator, bestimmt das Niederfrequenzverhalten eines Transformators. Frequenzen oberhalb der Niedrigfrequenzgrenze werden durch den Transformatorkern 39 gekoppelt und bleiben von der Gleichtaktinduktivität unberührt. Die Hochfrequenzgrenze wird durch die Transformatorwicklungslänge und die von der Gleichtaktinduktivität eingeführte Parasitärkapazität bestimmt.
In der bevorzugten Ausführungsform 17 weist der magnetische Transformator 19 einen mit Mittelanzapfung versehenen primären 29 mit fünf (5) Windungen und einen symmetrischen sekundären 31 Ausgang mit drei (3) Windungen auf. Eine Drahtlehre von 36 AWG (Amerikanische Drahtlehre) wird verwendet, um den Primären 29 und Sekundären 31 um einen Ferritkern 39 zu bilden. Der Eingang 21 ist um den primären positiven 33 und negativen 35 Eingangsanschluss mit dem Anschluss 33 mit Mittelanzapfung, der eine gemeinsame Spannungsversorgung für den symmetrischen Eingang 21 bereitstellt, symmetrisch. Der Eingang 21 ist typischerweise mit einer Gegentaktverstärker-Ausgangsstufe (nicht gezeigt) verbunden.
Der Symmetrietransformator 25 ist vorzugsweise mit neun (9) Windungen von 38 AWG auf einen separaten Ferritkern 41 gewunden. Der Ausgang 27 des Symmetrietransformators 25 ist unsymmetrisch, mit einem positiven Anschluss 43 und einem Signal gemeinsamen (geerdeten) Anschluss 45.
Die Kompensations-Übertragungsleitung 23 ist aus verdrilltem magnetischen 36 AWG-Draht mit einer Schichtisolation konstruiert. Wie der Fachmann auf diesem Gebiet verstehen wird, kann die Isolation in Bezug auf ihre Dicke zwischen den vier Gruppen variieren. Eine große Vielfalt charakteristischer Impedanzen kann erreicht werden, indem der Drahtdurchmesser, die Anzahl der Verdrillungen pro Inch, die Länge, die Dicke der Isolationschicht und die Art der Isolationsschicht variiert werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kompensations-Übertragungsleitung 23 aus 36 AWG magnetischem Draht mit 0,5 Inch Länge und sechzehn (16) Verdrillungen pro Inch konstruiert.
Die charakteristische Impedanz, Z₀, der Kompensations-Übertragungsleitung 23 gleicht dem Verhältnis der Spannung zum Stromfluss. Die charakteristische Impedanz der bevorzugten Ausführungsform beträgt 41 Ω. Diese charakteristische Impedanz kann ebenfalls als die Reihen-Drahtinduktivität und Zwischendrahtkapazität, die entlang der Länge der Kompensations-Übertragungsleitung 23 verteilt sind, ausgedrückt werden. Diese Beziehungen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Elektronik wohl bekannt. Es ergibt sich:
wobei Z₀ die charakteristische Impedanz ist, L die Induktivität des Paralleldrahts ist und C_t die gesamte Zwischendrahtkapazität ist.
Vorzugsweise lokalisiert die vorliegende Erfindung 17 im Inneren eines Verstärkers, wie in 2 gezeigt, die Kompensations-Übertragungsleitung 23 innerhalb des Ferritkerns 39 des magnetischen Transformators 19. Die Platzierung der Kompensations-Übertragungsleitung 23 innerhalb des Ferritkerns 39 stellt ferner eine feste Form bereit, um die die Kompensations-Übertragungsleitung 23 gewickelt wird und die sie am Platz hält. Dies stellt sicher, dass die physikalischen Parameter der Kompensations-Übertragungsleitung 23 für alle hergestellten Einheiten dieselben sind und dass die Kompensations-Übertragungsleitung 23 nicht versehentlich verdrängt wird, wenn der RF-Übertrager 17 die Herstellungsanlage verlässt.
Eine grafische Darstellung des Frequenzverhaltens des RF-Übertragers 17 im Inneren eines RF-Verstärkers mit und ohne die Kompensations-Übertragungsleitung 23 wird in 3 gezeigt. Im Fall der vorliegenden Erfindung war es erwünscht, die Verstärkerrückflussdämpfung auf weniger als –18 dB zu beschränken. Das Eingangs-RF-Signal ist eine Sinuskurve, die eine Bandbreite von 0–900 MHz überstreicht. Wie gezeigt, weist die Frequenzverhaltenskurve 60 des RF-Übertragers 17 ohne die Kompensations-Übertragungsleitung 23 einen Anstieg von über 5 dB bei 860 MHz auf. Demgemäß beträgt die Rückflussdämpfung bei 860 MHz –13 dB.
Zur Angleichung des Antwortverhaltens wird die Kompensations-Übertragungsleitung 23 eingefügt, um das Frequenzverhalten abzustimmen. Die Wirkung der kompensierenden Übertragungsleitung 23 wird durch die Frequenzverhaltenskurve 62 in 3 gezeigt. Die Kurve 62 zeigt eine wahrnehmbare Verminderung der Amplitude bei 860 MHz und insgesamt ein flacheres Verhalten über die Planbandbreite des RF-Übertragers. Die Verwendung der Kompensations-Übertragungsleitung 23 stellt deutlich erkennbar sicher, dass diese Rückflussdämpfung unterhalb der –18 dB Bezugslinie 64 gehalten wird. Es sollte beachtet werden, dass das in 3 gezeigte Antwortverhalten für eine auf eine spezifische Anwendung abgestimmte Ausführungsform repräsentativ ist.
Eine physikalische Verwirklichung der Einfachheit des RF-Übertragers 17 wird gleichfalls in 4 gezeigt. Der Symmetrietransformator 25 grenzt an den magnetischen Transformator 19 auf einem einzelnen Träger 50 an. Dies stellt eine kompakte und effiziente Raumnutzung innerhalb eines einzelnen Gehäuses bereit. Die Lage der Kompensations-Übertragungsleitung 23 ist kritisch, da eine falsche Platzierung die RF-Leistung signifikant herabsetzen kann. Die Lage der Kompensations-Übertragungsleitung 23 wird zur Optimierung der Anpassung des RF-Übertragers 17 an einen Verstärker verwendet. Vorzugsweise ist die Kompensations-Übertragungsleitung 23 durch den Kern 39 des magnetischen Transformators 19 eingefügt und um einen Teil des Kerns 39 gewickelt, wie in 2 und 4 gezeigt. Die Kompensations-Übertragungsleitung 23 könnte auch um den Umfang des Kerns 39 des magnetischen Transformators 19 lokalisiert sein. In diesem Fall wäre es zu bevorzugen, eine Rille (nicht gezeigt) einzuschließen, so dass die Kompensations-Übertragungsleitung 23 sicher am Platz gehalten wird.
Es sollte beachtet werden, dass alternative Ausführungsformen des RF-Übertragers 17 aus einem Koaxialkabel hergestellte Kompensations-Übertragungsleitungen 23 verwendet können. Zusätzlich kann die physikalische Konstruktion jedes Transformators 19, 25 Toroide, Stäbe oder symmetrische Kerne aus pulvrigem Eisen oder Ferrit umfassen. Zum Beispiel kann ein Mehrlochkern 100 (mehr als 2 Löcher) benutzt werden, wie in 5 gezeigt, um den Transformatorkern 39 des magnetischen Transformators 19 mit dem Ferritkern 41 des Symmetrietransformators 25 zu kombinieren. Dies ist besonders für Anwendungen wünschenwert, die einen kompakten Entwurf benötigen, da nur ein einzelner Kern 100 benutzt wird.

Claims

Ein RF-Übertrager (17), gekennzeichnet durch: einen magnetischen Transformator (19); einen Symmetrietransformator (25), der mit dem magnetischen Transformator (19) gekoppelt ist; und eine Kompensations-Übertragungsleitung (23), die eine ausgewählte Länge aufweist und zwischen dem magnetischen Transformator (19) und dem Symmetrietransformator (25) gekoppelt ist.
RF-Übertrager (17) gemäß Anspruch 1, der einen symmetrischen RF-Eingang (21) und einen unsymmetrischen RF-Ausgang (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: der magnetische Transformator (19) ausgeführt ist, um ein symmetrisches RF-Eingangssignal (21) zu empfangen und ein symmetrisches RF-Ausgangssignal zu erzeugen; und der Symmetrietransformator (25) ausgeführt ist, um das symmetrische RF-Ausgangssignal von dem magnetischen Transformator (19) zu empfangen und ein unsymmetrisches RF-Ausgangssignal (27) auszugeben.
RF-Übertrager (17) gemäß Anspruch 1, wobei die Länge der Kompensations-Übertragungsleitung (23) ausgewählt wird, um die Impedanz des magnetischen Transformators (19) an den Symmetrietransformator (25) anzupassen.
RF-Übertrager (17) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der magnetische Transformator (19) ferner zwei Ausgangsanschlüsse (a, b) zum Koppeln des magnetischen Transformators (19) mit dem Symmetrietransformator (25) umfasst.
RF-Übertrager (17) gemäß Anspruch 4, wobei die Kompensations-Übertragungsleitung ferner zwei Eingangsanschlüsse umfasst, und wobei jeder Eingangsanschluss jeweils mit einem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
RF-Übertrager (17) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Transformator (19) einen Transformator mit Mittelanzapfung beinhaltet.
RF-Übertrager (17) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kompensations-Übertragungsleitung ein verdrilltes Leitungspaar beinhaltet.
RF-Übertrager (17) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kompensations-Übertragungsleitung ein Koaxialkabel beinhaltet.
RF-Übertrager (17) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Transformator (19) und der Symmetrietransformator (25) ferner einen gemeinsamen Magnetkern umfassen.