DE69814484T2

DE69814484T2 - Breitbandimpedanzanpassungstransformator

Info

Publication number: DE69814484T2
Application number: DE69814484T
Authority: DE
Inventors: Rudy Menna
Original assignee: Arris Technology Inc; General Instrument Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2018-01-22
Also published as: US5767754A; EP0855794A3; DE69814484D1; EP0855794B1; EP0855794A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Breitbandimpedanzanpassungstransformatoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Breitbandübertragungsleitungstransformatoren, die einen geringen Einfügungsverlust vorweisen und ein Anpassungsnetzwerk zwischen symmetrischen und asymmetrischen Schaltungen bereitstellen.
Übertragungsleitungen spielen einen wichtige Rolle beim Radiofrequenzkommunikationsdesign. Übertragungsleitungen werden verwendet, um verschiedene Radiofrequenzschaltungselemente, einschließlich Verbindungen von Radiofrequenzschaltungen bis zu Antennensystemen, zu verbinden.
Die an eine Übertragungsleitung gekoppelte Last sollte eine Impedanz vorweisen, die der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung gleicht. Die Anforderung an das Design ist, die Last an die Leitung „anzupassen".
Die Bedeutsamkeit einer angepassten Last ist, dass eine Übertragungsleitung, die mit einer Last, die ihrer charakteristischen Impedanz gleicht, abgeschlossen ist, ein Signal ohne Reflexion überträgt. In diesem Fall wird die gesamte, in dem Signal enthaltene Leistung von der Übertragungsleitung zur Last übertragen. Lasten mit einem Wirkwiderstand, der der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung nicht gleicht, erzeugen Reflexionen.
Ein anderes Problem, dass sich bei der Verwendung von Übertragungsleitungen ergibt, ist der Übergang zwischen einer asymmetrischen und einer symmetrischen Schaltung. Bei einer asymmetrischen Schaltung ist einer von zwei signaltragenden Leitern geerdet, wie etwa ein Koaxialkabel. Bei einer symmetrischen Schaltung ist keiner der signaltragenden Leiter geerdet. Deshalb weisen beide Leiter eine identische Impedanz zum Erden auf. Eine Eingreifvorrichtung ist typischerweise erforderlich, um eine asymmetrische Schaltung an eine symmetrische Schaltung anzuschließen.
Ein BALUN (Symmetrietransformator) ist eine Art Übertragungsleitungstransformator (BALanced-UNbalanced), der den Übergang zwischen einer asymmetrischen Schaltung und einer symmetrischen Schaltung ermöglicht und Impedanzanpassung je nach Windungsverhältnis erlaubt. Der Symmetrietransformator stellt eine elektrische 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 Übertragungsleitung bilden, die frei von Resonanzen ist. Symmetrietransformatoren können auch Impedanzwandlungen mit hervorragender Breitbandleistung bereitstellen. Die meisten Übertragungsleitungsimpedanzanpassungstransformatoren des Stands der Technik sind für ganzzahlige Verhältnisse, wie etwa 4 : 1, 9 : 1 und 16 : 1 entworfen. 1 zeigt einen 1 : 1-Symmetrietransformator des Stands der Technik, der eine symmetrische Schaltung in eine asymmetrische Schaltung ohne Impedanzwandlung umwandelt. 2 zeigt einen BALUN-4 : 1-Impedanzanpassungstransformator des Stands der Technik. 3 zeigt einen BALUN-4 : 1-Impedanzanpassungstransformator des Stands der Technik auf einem symmetrischen Kern.
Impedanzwandlungen, die Bruchverhältnisse erzeugen, sind komplizierter und werden typischerweise durch Zusammenschalten von Kombinationen aus Transformatoren mit ganzzahligem Verhältnis in Reihe oder parallelen Konfigurationen aufgebaut. Wie in 4C gezeigt, wird ein 9 : 4-Impedanzanpassungstransformator aus einem wie in 4A gezeigten 1 : 1-Symmetrietransformator und einem wie in 4B gezeigten 4 : 1-Transformator zusammengebaut. Diese Designs haben, wenn sie, wie in 5 gezeigt, als von asymmetrisch zu asymmetrisch und, wie in 6 gezeigt, als von asymmetrisch zu symmetrisch konfiguriert werden, eine deutliche Breitbandspannungsasymmetrie zur Folge. Dies wirft Probleme auf, wenn Schaltungen mit einheitlichen oder flachen Frequenzgangcharakteristiken entworfen werden.
Die Potentialdifferenz oder Asymmetrie über die Einzeltransformatoranschlüsse des in 5 gezeigten 9 : 4-Impedanzanpassungstransformators beträgt annähernd 0,5 bis 1,0 dB. Wird die Spannungsasymmetrie an einen Breitband-Linearverstärker mit einer Gegentakt-Ausgangstreiberstufe angeschlossen, reduziert sie den Betrag an gerader Oberwellenlöschung und reduziert den gesamten Verstärkergewinn. Ein typisches Gegentakt-Design würde einen Ausgangstransformator mit einem Mittelabgriff, der gleichen Gleichstrom durch jede Hälfte der Primärwicklung trägt, aufweisen. Deshalb ist es notwendig, einen hohen Symmetriegrad zwischen den getrennten Hälften der Primärwicklung aufrechtzuerhalten oder der Transformator wird in der Schaltung zum Begrenzungsfaktor.
Die Spannungsasymmetrien über die Einzeltransformatoranschlüsse werden von ungleichem Belasten der Transformatorausgänge verursacht, d. h. der Weg zur Erde von jedem symmetrischen Einzeltransformatorausgang ist unterschiedlich. Da der Niedrigfrequenzgang jedes Transformators von der Induktivität jeder Übertragungsleitungswicklung abhängt, weist jeder Ausgang einen ungleichen Betrag an Trennung von der Erde auf. Das gleiche Problem besteht für einen 9 : 4-BALUN-Transformator. Deshalb ist der Ansatz des Stands der Technik, eine breite Betriebsbandbreite zu erzielen, ein beständiges Abwägen zwischen Gleichtakt-Spuleninduktivität und Übertragungsleitungslänge.
Während es möglich ist, einen Impedanzanpassungsübertragungsleitungstransformer unter Verwendung einer Kombination von Vorrichtungen des Stands der Technik zu konstruieren, ist das Ergebnis ein technischer Kompromiss, der unerwünschte Ergebnisse erzielt.
Der BALUN-Breitbandübertragungsleitungstransformator der vorliegenden Erfindung verbessert den Frequenzgang über eine breite Betriebsbandbreite. Die vorliegende Erfindung verbessert deutlich die Niedrigfrequenzausgangssymmetrie durch Hinzufügen einer zusätzlichen Transformatorwicklung. Die zusätzliche Wicklung verbessert den Niedrigfrequenzgang auf weniger als 0,2 dB über eine gegebene Design-Bandbreite.
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Übertragungsleitungstransformator bereitzustellen, der symmetrische und asymmetrische Schaltungsübergänge und Impedanzwandlung bereitstellt.
Andere Ziele und Vorteile werden für Fachleute nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung einer zurzeit bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine elektrische schematische Darstellung eines Übertragungsleitungstransformators des Stands der Technik.
2 ist eine elektrische schematische Darstellung eines Impedanzanpassungsübertragungsleitungstransformators des Stands der Technik.
3 ist eine elektrische schematische Darstellung eines Impedanzanpassungsübertragungsleitungstransformators des Stands der Technik.
4A ist eine elektrische schematische Darstellung eines 1 : 1-Symmetrietransformators des Stands der Technik.
4B ist eine elektrische schematische Darstellung eines 4 : 1-Transformators des Stands der Technik.
4C ist eine elektrische schematische Darstellung eines 9 : 4-Transformators des Stands der Technik.
5 ist eine elektrische schematische Darstellung eines 9 : 4-asymmetrisch-zu-asymmetrisch-Transformators des Stands der Technik, die die Potentialdifferenzen über die Einzeltransformatorwicklungen zeigt.
6 ist eine elektrische schematische Darstellung eines 9 : 4-BALUN-Transformators des Stands der Technik, die die Potentialdifferenzen über die Einzeltransformatorwicklungen zeigt.
7 ist eine elektrische schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform.
8 ist eine Perspektivansicht der auf einem symmetrischen Magnetkern gezeigten bevorzugten Ausführungsform.
9 ist eine elektrische schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform.
10 ist eine elektrische schematische Darstellung einer anderen alternativen Ausführungsform.
Die bevorzugte Ausführungsform wird nun mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen durchweg gleiche Elemente darstellen.
Unter Bezugnahme auf die elektrische schematische Darstellung aus 7 wird die bevorzugte Ausführungsform des 9 : 4-Übertragungsleitungstransformators 17 gezeigt. Der Transformator 17 wird zwischen einer symmetrischen Schaltung 19 mit einer charakteristischen Impedanz von (9/4) R_L Ohm und einer asymmetrischen Schaltung 21 mit einer Lastimpedanz von R_L Ohm eingeführt. Der Transformator 17 beinhaltet drei 1 : 1-Übertragungsleitungstransformatoren TL-A 23, TL-B 25 und TL-C 27, wobei TL-C 27 drei getrennte Wicklungen aufweist. Wicklung g₁-g 29 des Transformators TL-C 27 führt die Stromabgleichungsfunktion aus. Die Transformatoren TL-A 23, TL-B 25 und TL-C 27 können eine symmetrische Magnetkopplung 43 teilen oder mit Einzelkernen konstruiert sein.
Die drei Transformatoren TL-A 23, TL-B 25 und TL-C 27 werden in 7 zusammen mit den notwendigen Zusammenschaltungen als eine 9 : 4-Impedanzwandlung zwischen der symmetrischen 19 und der asymmetrischen 21 Schaltung gezeigt. Knoten 1 45 und Knoten 2 47 sind der symmetrische Plus- und Minus-Signalleiter. Knoten 3 49 ist der asymmetrische Signalleiter. Knoten 4 51 befindet sich sich bei Erdpotential. Knoten 5 53 und Knoten 6 55 sind gewöhnliche Wicklungsanschlüsse.
Der Knoten 1 45 ist ein externer Anschluss für die Wicklung a₁ des Transformators TL-A 23 und die Wicklung e₁ des Transformators TL-B 25. Knoten 2 47 ist ein externer Anschluss für die Wicklung f₁ des Transformators TL-C 27. Der Knoten 3 49 ist ein externer Anschluss für die Wicklung a des Transformators TL-A 23 und die Wicklung e des Transformators TL-C 27. Der Knoten 4 51 ist ein externer Anschluss für die Wicklung d des Transformators TL-B 25 und die Wicklung f des Transformators TL-C. Knoten 5 53 ist ein gewöhnlicher Anschluss für die Wicklung b₁ des Transformators TL-A-23, die Wicklung d₁ des Transformators TL-B 25 und die Wicklung e₁ des Transformators TL-C-27. Der Knoten 6 55 ist ein gewöhnlicher Anschluss für die Wicklung b des Transformators TL-A 23 und die Wicklung e des Transformators TL-B 25.
Die physikalische Konstruktion jedes Transformators bestimmt die Induktivität und Kapazität der Transformatorstrahlungskopplung und bestimmt ebenfalls den Frequenzgang. Diese Gleichtaktinduktivität bestimmt den Niedrigfrequenzgang des Transformators. Frequenzen über der Niedrigfrequenzgrenze werden durch den Transformator gekoppelt und bleiben von der Gleichtaktinduktivität unberührt. Die Hochfrequenzgrenze wird durch jede Transformatorwicklungslänge und durch die von der Gleichtaktinduktivität und den Drahtzwischenschaltungen eingeführte Parasitärkapazität bestimmt. Die Induktivität jeder Wicklung muss eine hohe Impedanz aufweisen, so dass das Signal die Übertragungsleitung nicht umgeht. Typischerweise beträgt die maximale Transformatorwicklungslänge λ/4, wobei λ die Wellenlange bei der höchsten erwarteten Frequenz ist.
Der Niedrigfrequenzsausgangswert wird durch Hinzufügen der Symmetriewicklung g₁-g 29 zum Transformator TL-C 27 verbessert. Bei der Konstruktion jedes Transformators TL-A 23, TL-B 25 und TL-C 27 sind alle Wicklungen in die gleiche Richtung gewickelt, so dass es zu keiner Magnetfeldlöschung kommt.
Für gleiches Niedrigfrequenzbelasten über den Transformator 17 muss die Symmetriewicklung g₁-g 29 zwischen dem Knoten 1 45 und dem Knoten 4 51, an der Erde, angeschlossen werden. Von jedem symmetrischen signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung 19 gibt es zwei getrennte Erdstrecken von Knoten 1 45 oder Knoten 2 47 zur Erde.
Unter Bezugnahme auf 6 sind die Spannungen über jeden Knoten des Designs des Stands der Technik wie folgt:
Die Symmetriewicklung 29 des Transformators 17 zwischen Knoten 1 45 und Knoten 4 51, an der Erde, hat eine Potentialdifferenz von 1,5 V₁ zur Folge. Das Hinzufügen der Symmetriewicklung 29 gleicht die Spannung über die Last ab. Die Symmetriewicklung 29 verringert auch die Asymmetrie des Transformators 17 auf weniger als 0,2 dB über eine gegebene Betriebsbandbreite.
Die Schaltungseffizienz wird verbessert, da Spannungs- und Phasensymmetrie nicht geopfert werden muss, wenn Symmetrietransformator- und Transformatorfunktionen kombiniert werden. Die physikalische Verwirklichung der Einfachheit der Schaltung des Transformators 17 wird in 8 gezeigt. Alternative Ausführungsformen für Asymmetrisch-zu-symmetrisch-Übertragungsleitungstransformatoren mit einem jeweiligen Impedanzanpassungswert von 4 : 1 und 9 : 1 werden in 9 und 10 gezeigt. Die physikalische Konstruktion der Transformatoren kann Toroide, Stäbe oder symmetrische Kerne von pulvrigem Eisen oder Ferrit umfassen.

Claims

Eine Breitbandimpedanzanpassungstransformatorvorrichtung (17A) zum Koppeln eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenzbandbreite zwischen einer symmetrischen Schaltung (19), die zwei signaltragende Leiter aufweist, und einer asymmetrischen Schaltung (21), die einen signaltragenden Leiter aufweist, die Folgendes beinhaltet: einen ersten Knoten (45) zum Koppeln mit einem ersten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen zweiten Knoten (47) zum Koppeln mit einem zweiten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen dritten Knoten (49) zum Koppeln mit dem signaltragenden Leiter der asymmetrischen Schaltung; einen vierten Knoten (51) zum Koppeln mit der Erde; einen ersten Transformator (23A), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (a₁, b₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; einen zweiten Transformator (27A), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (e₁, f₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das zweite Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den dritten Knoten (49) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an das zweite Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators gekoppelt (57) ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: der zweite Transformator eine dritte Wicklung (g₁, 29) als Symmetriewicklung aufweist, die eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der dritten Wicklung an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist und das zweite Ende der dritten Wicklung an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist.
Eine Breitbandimpedanzanpassungstransformatorvorrichtung (17) zum Koppeln eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenzbandbreite zwischen einer symmetrischen Schaltung (19), die zwei signaltragende Leiter aufweist, und einer asymmetrischen Schaltung (21), die einen signaltragenden Leiter aufweist, die Folgendes beinhaltet: einen ersten Knoten (45) zum Koppeln mit einem ersten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen zweiten Knoten (47) zum Koppeln mit einem zweiten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen dritten Knoten (49) zum Koppeln mit dem signaltragenden Leiter der asymmetrischen Schaltung; einen vierten Knoten (51) zum Koppeln mit einer Erde; einen ersten Transformator (23), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (a₁, b₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; einen zweiten Transformator (27), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (e₁, f₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; einen dritten Transformator (25), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (c₁, d₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das zweite Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den dritten Knoten (49) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an das erste Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators und das erste Ende der zweiten Wicklung des dritten Transformators gekoppelt (53) ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an das zweite Ende der ersten Wicklung des dritten Transformators gekoppelt (55) ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist; wobei das zweite Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators an den dritten Knoten (49) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des dritten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des dritten Transformators an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass: der zweite Transformator (27) eine dritte Wicklung (g₁, 29) als Symmetriewicklung aufweist, die eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der dritten Wicklung an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist und das zweite Ende der dritten Wicklung an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist.
Eine Breitbandimpedanzanpassungstransformatorvorrichtung (17B) zum Koppeln eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenzbandbreite zwischen einer symmetrischen Schaltung (19), die zwei signaltragende Leiter aufweist, und einer asymmetrischen Schaltung (21), die einen signaltragenden Leiter aufweist, die Folgendes beinhaltet: einen ersten Knoten (45) zum Koppeln mit einem ersten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen zweiten Knoten (47) zum Koppeln mit einem zweiten signaltragenden Leiter der symmetrischen Schaltung; einen dritten Knoten (49) zum Koppeln mit dem signaltragenden Leiter der asymmetrischen Schaltung; einen vierten Knoten (51) zum Koppeln mit einer Erde; einen ersten Transformator (23B), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (a₁, b₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; einen zweiten Transformator (27B), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (e₁, f₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; einen dritten Transformator (25B), der einen Magnetkern (43) und eine erste und zweite Wicklung (c₁, d₁) aufweist, wobei jede Wicklung eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das zweite Ende der ersten Wicklung des ersten Transformators an den dritten Knoten (49) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des ersten Transformators an das zweite Ende der ersten Wicklung des dritten Transformators gekoppelt (59) ist; wobei das erste Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist und das zweite Ende der zweiten Wicklung des zweiten Transformators an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist; wobei das erste Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das zweite Ende der ersten Wicklung des zweiten Transformators an das zweite Ende der zweiten Wicklung des dritten Transformators gekoppelt (61) ist; dadurch gekennzeichnet, dass: der zweite Transformator (27) eine dritte Wicklung (g₁, 29) als Symmetriewicklung aufweist, die eine vorbestimmte Anzahl an Windungen und ein erstes und zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der dritten Wicklung an den vierten Knoten (51) gekoppelt ist und das zweite Ende der dritten Wicklung an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei: das erste Ende der ersten Wicklung des dritten Transformators an den ersten Knoten (45) gekoppelt ist und das erste Ende der zweiten Wicklung des dritten Transformators an den zweiten Knoten (47) gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Magnetkern (43) des ersten, zweiten und dritten Transformators ein Ferritstab ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Magnetkern (43) des ersten, zweiten und dritten Transformators ein Ferrit-Toroid ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Magnetkern (43) des ersten, zweiten und dritten Transformators gewöhnlich ist.
Breitbandimpedanzanpassungstransformatorvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung in einem Breitband-Linearverstärker verwendet wird.