EP1913606B1

EP1913606B1 - Leitungstransformator zur impedanzanpassung

Info

Publication number: EP1913606B1
Application number: EP06762086A
Authority: EP
Inventors: Christoph Fluhrer
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2026-06-19
Also published as: DE502006004608D1; ES2329078T3; IL189222A0; WO2007017000A8; DE102005037616A1; ATE440370T1; PT1913606E; WO2007017000A1; EP1913606A1; IL189222A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitungstransformator zur Impedanzanpassung in Hochfrequenzanwendungen.
In vielen Hochfrequenzschaltungen kommen Bauteile zum Einsatz, deren uriterschiedliche Impedanzen aneinander angepasst werden müssen. Um in der Produktion die Fertigungssicherheit erhöhen zu können und gleichzeitig die Produktionskosten senken zu können, ist es wünschenswert, die zur Impedanzanpassung erforderlichen Bauteile in den Produktionsprozess integrieren zu können.
Aus der EP 1 043 736 A1 sind Impedanztransformatoren für den Kurzwellenbereich bekannt, welche in gedruckter Schaltungstechnik ausgeführt werden können. Die auf einer Leiterplatte angeordneten Leiterbahnen sind dabei schleifenförmig durch einen Ferritkern hindurchgeführt, wobei die Verkopplung zwischen den einzelnen Leiterabschnitten magnetisch erfolgt. Zum Erzeugen des richtigen Übersetzungsverhältnisses werden die durch die Leiterbahnen auf der Leiterplatte gebildeten Doppelleitungen in einer entsprechenden Anzahl von Windungen durch einen gemeinsamen Ferritkern geführt.
Der beschriebene Transformator ist im Mikrowellenbereich nicht einsetzbar. Aufgrund der Leitungslänge, die durch das mehrfache Durchführen der Doppelleitungen durch den Ferritkern entsteht, können oberhalb des Kurzwellenbereichs die Abmessungen des Impedanztransformators gegenüber der auftretenden Wellenlänge nicht mehr als klein angesehen werden.
Die DE 11 59 527 B offenbart einen Impedanztransformator für Hochfrequenzanwendungen mit den in der Präambel von Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator zur Impedanzanpassung für Hochfrequenzanwendungen in weitem Frequenzbereich zu schaffen, der in einfacher Weise in einen Fertigungsprozess zu integrieren ist.
Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Leitungstransformator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Leitungstransformator zur Impedanzanpassung bei Hochfrequenzanwendungen ausgebildet. Der Leitungstransformator umfasst zumindest einen ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt und einen zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt. Die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte sind in einfacher Weise herstellbar, da sie als gedruckte Leitungen ausgeführt sind, wie z. B. Microstrip-Leitungen oder Triplate-Leitungen. Die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte weisen eine im wesentlichen identische Impedanz auf. Zumindest eine der Streifenleitungen ist durch einen Ferritkörper zum Dämpfen von Mantelwellen geführt. Vorteile ergeben sich dabei insbesondere aus der Verwendung von gedruckten Leitungen, die in einfacher Weise während einer Produktion beispielsweise einer gedruckten Schaltung eines HF-Verstärkers hergestellt werden können.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Leitungstransformators dargestellt.
Insbesondere ist eine parallele Anordnung der Hochfrequenzleitungsabschnitte über eine Mindestlänge vorteilhaft. Durch eine parallele Anordnung der Hochfrequenzleitungsabschnitte ergibt sich in einfacher Weise eine vergleichbare Leitungslänge entlang der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte. Durch eine solche identische Länge der Hochfrequenzleitungsabschnitte lässt sich die Breitbandigkeit des Leitungstransformators erhöhen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, die Gesamtlänge zwischen den Anschlusspunkten entlang jedes der Hochfrequenzleitungsabschnitte identisch zu wählen. Praktisch wird dies durch eine Einbeziehung der Leitungen zwischen den Anschlussstellen und den parallelen Leitungsabschnitten außerhalb des parallelen Abschnitts erreicht.
Durch eine Bedämpfung von Mantelwellen durch den Ferritkörper entsteht in dem Ferritkörper eine erhebliche Wärme. Dies ist insbesondere bei Leistungsverstärkern problematisch, bei denen Temperaturen innerhalb des Ferritkörpers entstehen könne, die zur Zerstörung des Leitungstransformators führen. Die Abgabe der entstehenden Wärme an die Umgebung kann verbessert werden, indem zusätzlich zu dem Ferritkörper ein mit dem Ferritkörper in Verbindung stehender Kühlkörper vorgesehen wird. Dieser Kühlkörper wird in Anlage mit dem Ferritkörper gebracht, der um einen optimalen Wärmeübergang zu erzielen und die Verwendung einfacher Kühlkörper zu ermöglichen, erfindungsgemäß mit einer ebenen Anlagefläche versehen ist. An dieser ebenen Anlagefläche kann ein Standardkühlkörper angebracht werden, der in an sich bekannter Technik z. B. mittels Federspangen an der Leiterplatte fixiert werden kann.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch die Verwendung eines gemeinsamen Ferritkörpers, der zumindest zwei der mehreren Hochfrequenzleitungsabschnitte umgibt und die dort entstehenden Mantelwellen bedämpft. Der Ferritkörper dient dabei nicht einer magnetischen Kopplung zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten und ein preiswerter einfacher geometrischer Körper kann als Ferritkörper Verwendung finden.
Um eine unerwünschte Verkopplung der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte untereinander zu verhindern, ist in dem Ferritkörper vorzugsweise für jeden der Hochfrequenzleitungsabschnitte eine separate Durchführung vorgesehen. Es entsteht somit ein Ferritkörper mit einem oder mehreren tunnelähnlich ausgebildeten Durchführungen, die jeweils eine Hochfrequenzleitung umschließen.
Um die Fertigung weiter zu vereinfachen, ist es dabei vorteilhaft, einen zweiteiligen Ferritkörper vorzusehen. Der Ferritkörper besteht aus einem Ferritkörperoberteil, in das parallel zueinander Nuten eingearbeitet sind. Die zwischen den Nuten bzw. seitlich der Nuten entstehenden Stege des Ferritkörperoberteils greifen dabei durch Aussparungen, die in der Leiterplatte vorgesehen sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte wird der Ferritkörper durch eine Platte abgedeckt, so dass ein um zumindest einen Teil der Hochfrequenzleitungsabschnitte geschlossener Ferritkörper entsteht.
Der erfindungsgemäße Leitungstransformator kann dahingehend erweitert werden, dass eingangs- und/oder ausgangsseitig zusätzlich ein Symmetrieglied vorgesehen wird, welches in Streifenleitertechnik ebenfalls auf der Leiterplatte angeordnet ist und mit dem Leitungstransformator zusammen ein integriertes Bauteil bildet.
Zum Erzeugen eines bestimmten Übersetzungsverhältnisses durch den Leitungstransformator werden die einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte eingangsseitig und ausgangsseitig in unterschiedlicher Weise miteinander verschaltet. Dabei kann auf jeder Seite der Hochfrequenzleitungsabschnitte eine Kombination aus mehreren parallel und/oder seriellen Verbindungen vorgesehen werden. Es lassen sich Übersetzungsverhältnisse realisieren, die einem Quotienten von Quadratzahlen entsprechen. Mögliche Übersetzungsverhältnisse sind daher 1:4, 1:9, 1: 16, 4:9, 9:16 usw.
In Abhängigkeit von den gewählten Übersetzungsverhältnissen lassen sich Schaltungen realisieren, bei denen einer der Hochfrequenzleitungsabschnitte Leitungselemente als Außenleiter aufweist, die eingangs- und ausgangsseitig mit einem Massepotential verbunden sind. In einem solchen Fall treten Mantelwellen aufgrund des gemeinsamen Potenzials der beiden Enden des Hochfrequenzleitungsabschnitts nicht auf. Auf ein Durchführen dieses Hochfrequenzleitungsabschnitts durch den Ferritkörper kann daher verzichtet werden. Infolgedessen kann der verwendete Ferritkörper klein gewählt werden, wodurch sich wiederum der Aufwand in der Fertigung ebenso verringern lässt wie die Kosten für das Material.
Um in einfacher Weise die Impedanz der verwendeten Hochfrequenzleitungsabschnitte einstellen zu können, werden vorzugsweise Microstrip-Leitungen oder Stripline-Leitungen bzw. Triplate-Leitungen verwendet. Damit lässt sich die Impedanz der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte, die untereinander identisch sind, durch eine geeignete Auswahl des Leiterplattenmaterials sowie der Leitungsgeometrie bestimmen.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Leitungstransformators sind in der Zeichnung dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators;
Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines Leitungstransformators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und
Fig. 4: eine Ansicht der zur Bildung des Leitungstransformators verwendeten Leiterplattenelemente.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1. Der erfindungsgemäße Leitungstransformator 1 umfasst einen ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 sowie einen zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3. Der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 besteht aus einem ersten Leitungselement 4 und einem zweiten Leitungselement 5. Die Breite des ersten und des zweiten Leitungselements 4, 5 ist identisch und die beiden Leitungselemente 4, 5 sind zueinander parallel angeordnet. Zwischen den beiden beabstandet zueinander angeordneten Leitungselementen 4,5 ist ein Mittelleiter 6 ausgebildet, der lediglich zu Erläuterungszwecken in der Zeichnung gegenüber den Leitungselementen 4, 5 verlängert dargestellt ist. Um die Leitungselemente 4 und 5 auf einem identischen Potential zu halten, sind sie an einer oder mehreren Stellen miteinander verbunden.
Zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele werden ausschließlich Stripline-Leitungen verwendet, wobei ebenfalls die Verwendung von Microstrip-Leitungen denkbar ist. Weiterhin ist es möglich, anstelle des symmetrischen Aufbaus der Stripline-Leitungen, wie er in der Fig. 1 dargestellt ist, eine asymmetrische Anordnung des Mittelleiters 6 zwischen den Leitungselementen 4, 5 vorzusehen. Wie es später unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 noch erläutert wird, sind das erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 vorzugsweise auf einer Ober- bzw. Unterseite einer mehrlagigen Leiterplatte angeordnet. Ebenfalls auf der Ober- und Unterseite einer mehrlagigen Leiterplatte sind ein drittes Leitungselement 7 und ein viertes Leitungselement 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 angeordnet. Der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 ist vergleichbar mit dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 aufgebaut, so dass der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 einen zweiten Mittelleiter 9 aufweist, der in dem Abstand zwischen dem dritten Leitungselement 7 und dem vierten Leitungselement 8 und vorzugsweise bezüglich seiner relativen Lage identisch angeordnet ist.
Zum Anschluss des erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1 ist eine erste Anschlussstelle 10 sowie eine zweite Anschlussstelle 11 vorgesehen. Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel besteht die erste Anschlussstelle 10 aus einem ersten Anschlusskontakt 10a und einem zweiten Anschlusskontakt 10b, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Massepotential 15 verbunden ist. Ebenso ist die zweite Anschlussstelle 11 durch einen ersten Anschlusspunkt 11a und einen zweiten Anschlusspunkt 11b gebildet, wobei der zweite Anschlusspunkt 11b der zweiten Anschlussstelle 11 wiederum mit einem Massepotential 15 verbunden ist. Der dargestellte Leitungstransformator 1 ist somit für eine Anordnung zwischen zwei unsymmetrischen Signalen vorgesehen. Anstelle des unmittelbaren Anschlusses an der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten Anschlussstelle 11 kann jedoch auch jeweils oder an einer Seite ein Symmetrieglied vorgesehen sein. Mit Hilfe eines solchen Symmetrieglieds, das vorzugsweise in den Aufbau des Leitungstransformators 1 integriert ist und somit eine bauliche Einheit mit diesem bildet, kann der erfindungsgemäße Leitungstransformator 1 auch zur Anwendung bei symmetrischen Signalen kommen.
Bei der weiteren Beschreibung wird die erste Anschlussstelle 10 als Eingangsseite und die zweite Anschlussstelle 11 als Ausgangsseite bezeichnet. Es ist offensichtlich, dass diese Unterscheidung lediglich zu Zwecken der vereinfachten Darstellung getroffen wird und der dargestellte Leitungstransformator 1 ebenfalls in umgekehrter Richtung verwendet werden kann.
Die eingangsseitige Anschlussstelle 10 ist mit dem ersten Anschlusspunkt 10a sowohl mit dem ersten Mittelleiter 6 als auch mit dem zweiten Mittelleiter 9 verbunden. Hierzu ist eine schematisch dargestellte Verbindungsleitung zwischen dem ersten Anschlusspunkt 10a und einer ersten Verbindungsstelle 16 sowie einer zweiten Verbindungsstelle 17 vorgesehen. Das erste bis vierte Leitungselement 4, 5, 7 und 8 sind über dritte bis sechste Verbindungsstellen 18, 19, 20 und 21 mit einem Massepotential 15 verbunden und bilden paarweise jeweils die Außenleiter der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3. Der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 sind somit eingangsseitig parallel geschaltet. Ausgangsseitig ist der erste Mittelleiter 6 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 über eine siebte Verbindungsstelle 22 mit einer achten Verbindungsstelle 23 und einer neunten Verbindungsstelle, die in der Fig. 1 verdeckt ist, des dritten Leitungselements 7 und des vierten Leitungselements 8 verbunden.
Das erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 sind ausgangsseitig über eine zehnte Verbindungsstelle 25 und eine elfte Verbindungsstelle 26 wiederum mit dem Massepotential 15 verbunden. Der zweite Mittelleiter 9 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 ist dagegen über eine zwölfte Verbindungsstelle 27 mit dem ersten Anschlusspunkt 11a der zweiten Anschlussstelle 11 verbunden. Damit sind ausgangsseitig der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 seriell miteinander verschaltet. Der in der Fig. 1 dargestellte Leitungstransformator 1 weist daher aufgrund der einerseits parallelen und andererseits seriellen Verschaltung der beiden Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 ein Übersetzungsverhältnis von 4 zu 1 auf. Sind beispielsweise der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 in ihrer Geometrie einschließlich des gewählten dielektrischen Materials so gewählt, dass die Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 eine Impedanz von jeweils 50 Ohm aufweisen, so ergibt sich eine Impedanzanpassung von eingangsseitig 25 Ohm auf ausgangsseitig 100 Ohm.
In der Fig. 1 ist es dargestellt, dass sowohl der erste als auch der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 2, 3 gemeinsam durch einen Ferritkörper 12 umschlossen sind. Der Ferritkörper 12 umgibt den ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und den zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 dabei nicht über ihre jeweilige Gesamtlänge, sondern nur über einen Teil der Längsausdehnung. Um in einfacher Weise den Ferritkörper 12 montieren zu können, besteht der Ferritkörper 12 aus einem Ferritkörperoberteil 12a und einer Ferritplatte 12b. Das Ferritkörperoberteil 12a und die Ferritplatte 12b liegen an der in der Fig. 1 gestrichelt dargestellten Kontaktebene 14 aneinander an. In das Ferritkörperoberteil 12a sind eine erste Nut 45 und eine zweite Nut 46 eingebracht. Die Nuten 45, 46 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckig ausgebildet und stimmen in ihrer Breite im Wesentlichen mit der Breite des ersten bis vierten Leitungselements 4, 5, 7 und 8 überein.
Die Tiefe der Nuten 45, 46 ist so gewählt, dass die Stripline-Leitungen des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 gerade vollständig innerhalb der ersten Nut 45 und der zweiten Nut 46 angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Ferritplatte 12b als ebene Platte ausgeführt sein, die die zwischen und beidseits der Ausnehmungen 45, 46 in dem Ferritkörperoberteil 12a ausgebildeten Stege in einfacher Weise miteinander verbindet. Die Stege weisen vorzugsweise ebene Anlageflächen für die Ferritplatte 12b auf. Ebenso ist die in der Fig. 1 nach oben orientierte Begrenzungsfläche des Ferritkörperoberteils 12a als ebene Anlagefläche 13 ausgebildet. Es entsteht dabei eine im Wesentlichen rechteckige Anlagefläche 13, an der beispielsweise eine korrespondierende Fläche eines Kühlkörpers angelegt werden kann. Durch einen zusätzlich angeordneten Kühlkörper wird die wärmeabgebende Oberfläche signifikant erhöht, so dass die Temperaturen innerhalb des Ferritkörpers 12 reduziert werden. Selbst bei Verwendung des Leitungstransformators 1 in einem Leistungsverstärker können somit die auftretenden Wärmemengen in einfacher Weise an die Umgebungsluft abgeführt werden. Alternativ zum Aufsetzen eines separaten Kühlkörpers könnte auch die Oberfläche des Ferritkörperoberteils 12a beispielsweise vergrößert werden, indem kühlrippenähnliche Geometrien anstelle der ebenen Anlagefläche 13 ausgebildet werden.
Durch den Ferritkörper 12 werden entstehende Mantelwellen zwischen den äußeren Leitungselementen 4, 5, 7 und 8 der Stripline-Leitungen gedämpft. Eine solche Dämpfung von Mantelwellen ist insbesondere dann erforderlich, wenn, wie dies im Beispiel des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 der Fall ist, die entgegengesetzten Enden der äußeren Leitungselemente 7, 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 nicht auf einem identischen Massepotential 15 liegen. Eingangsseitig ist das dritte Leitungselement 7 und das vierte Leitungselement 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem Massepotential 15 verbunden. Ausgangsseitig ist dagegen an der achten Verbindungsstelle 23 sowie der in der Fig. 1 nicht sichtbaren neunten Verbindungsstelle das dritte Leitungselement 7 bzw. das vierte Leitungselement 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem ersten Mittelleiter 6 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 verbunden. Bei einer solchen Anordnung, die auch als "floating ground" bezeichnet wird, können sich zwischen dem allgemeinen Massepotential 15 und dem dritten Leitungselement 7 bzw. dem vierten Leitungselement 8 sog. Mantelwellen ausbilden. Diese werden durch einen das dritte Leitungselement 7 und das vierte Leitungselement 8 umgebenden Ferritkörper 12 gedämpft, wodurch es auch zur beschriebenen Wärmeentwicklung in dem Ferritkörper 12 kommt.
In der Fig. 1 ist ein Leitungstransformator 1 dargestellt, bei dem sowohl der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 als auch der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 durch einen gemeinsamen Ferritkörper 12 geführt sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine solche Anordnung für den ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 jedoch nicht erforderlich. Die Ausbildung von Mantelwellen tritt in diesem Fall nicht auf, da das erste Leitungselement 4 und das zweite Leitungselement 5 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 sowohl eingangsals auch ausgangsseitig mit dem Massepotential 15 verbunden sind. Eine Anordnung wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jedoch Vorteile bezüglich der Verwendung von Gleichteilen, weil ein solcher Ferritkörper 12 sowohl für das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel als auch ein weiteres, später unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutertes Ausführungsbeispiel verwendet werden kann.
Der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 sind zumindest auf einer Mindestlänge parallel zueinander angeordnet. Ihre Längenausdehnung ist dabei gleich. Die Mindestlänge ergibt sich aus dem Frequenzbereich in dem der Leitungstransformator eingesetzt wird. Anders als dies in der schematischen Darstellung der Fig. 1 gezeigt ist, sind insbesondere auch der erste Mittelleiter 6 und der zweite Mittelleiter 9 gleich lang wie die die Mittelleiter 6, 9 umgebenden Leitungselemente 4, 5, 7 und 8.
Der vorgeschlagene Leitungstransformator 1 ist für den Einsatz bei Hochfrequenzanwendungen, insbesondere Mikrowellenanwendungen, vorgesehen. Der Ferritkörper 12 beeinflusst dabei insbesondere das Verhalten des Leitungstransformators 1 zu niedrigen Frequenzen hin positiv und vergrößert damit die Bandbreite.
In der Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leitungstransformators 1' dargestellt, bei dem ein dritter Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 zusätzlich vorhanden ist. Gleichzeitig ist die Beschaltung des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 geändert. Wie schon in dem ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind lediglich der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 durch den Ferritkörper 12 teilweise umschlossen.
Der gezeigte Leitungstransformator 1' weist ein Übersetzungsverhältnis von 9 zu 4 auf. Um dieses Übersetzungsverhältnis zu erreichen, ist der erste Anschlusspunkt 10a der ersten Anschlussstelle 10 an der ersten Verbindungsstelle 16' mit dem ersten Mittelleiter 6 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 verbunden. Die zweite Verbindungsstelle 17' des zweiten Mittelleiters 9 ist dagegen mit der dritten Verbindungsstelle 18' und der vierten Verbindungsstelle 19' des ersten Leitungselements 4 und des zweiten Leitungselements 5 verbunden. Zudem ist die zweite Verbindungsstelle 17' mit einer dreizehnten Verbindungsstelle 30 eines dritten Mittelleiters 33 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 verbunden. Damit sind der zweite Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und der dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 eingangsseitig parallel zueinander geschaltet. Die Parallelschaltung aus dem zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und dem dritten Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 ist seriell zu dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 geschaltet. Eingangsseitig sind das dritte Leitungselement 7 und das vierte Leitungselement 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 gemeinsam mit dem Massepotential 15 über die fünfte und sechste Verbindungsstelle 20' und 21' verbunden. Ebenfalls eingangsseitig mit dem Massepotential 15 verbunden sind ein fünftes Leitungselement 31 und ein sechstes Leitungselement 32 über eine vierzehnte bzw. fünfzehnte Verbindungsstelle 34, 35.
Zur einfacheren Darstellung ist wiederum die erste Anschlussstelle 10 als eingangsseitige Anschlussstelle bezeichnet. Dementsprechend ist die Seite der zweiten Anschlussstelle 11 als Ausgangsseite bezeichnet. Auf der Ausgangsseite sind der erste Mittelleiter 6 und der zweite Mittelleiter 9 über die siebte Verbindungsstelle 22' bzw. die zwölfte Verbindungsstelle 27' gemeinsam mit dem ersten Anschlusspunkt 11a der zweiten Anschlussstelle 11 verbunden. Der dritte Mittelleiter 33 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 ist dagegen ausgangsseitig mit dem dritten und vierten Leitungselement 7 bzw. 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 verbunden. Hierzu sind die achte Verbindungsstelle bzw. die neunte Verbindungsstelle 23' bzw. 24' mit einer sechzehnten Verbindungsstelle 28 an dem dritten Mittelleiter 33 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 eingangsseitig verbunden.
Das fünfte und sechste Leitungselement 31, 32 sind ausgangsseitig über eine siebzehnte bzw. achtzehnte Verbindungsstelle 36 bzw. 37 mit dem Massepotential 15 verbunden. Damit ist der Außenleiter bestehend aus dem fünften und sechsten Leitungselement 31, 32 des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 eingangs- und ausgangsseitig mit dem Massepotential 15 verbunden.
Auf diese Weise ergibt sich ausgangsseitig eine serielle Anordnung des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 mit dem dritten Hochfrequenzleitungsabschnitt 29, wobei diese serielle Verschaltung der beiden Hochfrequenzleitungsabschnitte 3 und 29 parallel zu dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 angeordnet ist.
Wählt man beispielsweise als Leitungsimpedanz der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 eine Impedanz von 33 Ohm, so ergibt sich bei der in der Fig. 2 dargestellten Übersetzung von 9:4 eine eingangsseitige Anschlussimpedanz von 50 Ohm und eine ausgangsseitige Anschlussimpedanz von 22,2 Ohm.
Wie es bereits bei den Ausführungen zur Fig. 1 erläutert wurde, ist der Ferritkörper 12, der in beiden Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommt, identisch. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Leitungstransformators 1' sind die Leitungselemente 4 und 5 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und die Leitungselemente 7 und 8 des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 jeweils nur einseitig mit dem Massepotential 15 verbunden. Beide Hochfrequenzleitungsabschnitte 2 und 3 weisen folglich einen sog. "floating ground" auf, so dass in beiden Fällen die Mantelwellen gedämpft werden müssen. Dies erfolgt in bereits erläuterter Art und Weise durch den Ferritkörper 12, der in seinem Aufbau dem aus der Fig. 1 bereits bekannten Ferritkörper 12 entspricht.
Im Gegensatz dazu ist bei dem dritten Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 das fünfte Leitungselement 31 und das sechste Leitungselement 32 sowohl an seinem eingangseitigen Ende als auch an seinem ausgangsseitigen Ende über die Verbindungsstellen 34 - 37 jeweils mit dem Massepotential 15 verbunden. Dadurch können sich zwischen dem fünften und sechsten Leitungselement 31 und 32 mit einem weiteren Bezugsmassepotential keine Mantelwellen ausbilden und eine Bedämpfung ist nicht erforderlich. Der dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 29 kann daher außerhalb des Ferritkörpers 12 angeordnet sein.
In gleicher Weise, wie es in den Fig. 1 und 2 für einen Leitungstransformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 4 zu 1 bzw. 9 zu 4 dargestellt ist, können auch andere Übersetzungsverhältnisse mit einem entsprechend aufgebauten Leitungstransformator ausgebildet werden. Das gewünschte Übersetzungsverhältnis wird dabei durch eine geänderte Kombination von Parallel- und Serienschaltungen mehrerer Hochfrequenzleitungsabschnitte erreicht, wobei die jeweiligen Kombinationen der Parallel- und Serienschaltungen sich eingangs- und ausgangsseitig voneinander unterscheiden. Damit können Übersetzungsverhältnisse eingestellt werden, die einem Quotienten von Quadratzahlen entsprechen. Das Übersetzungsverhältnis ist dabei unabhängig von der gewählten Leitungslänge. Die Leitungslänge muss jedoch eine gewisses Mindestlänge überschreiten, wobei ein exaktes Vielfaches einer bestimmten Wellenlänge λ nicht erforderlich ist. Die mögliche Bandbreite des Leitungstransformators 1, 1' beträgt dabei mehr als zwei Oktaven.
Zum besseren Verständnis ist bezüglich des Leitungstransformators 1', wie er in der Fig. 2 in einer schematischen Darstellung gezeigt ist, noch einmal eine perspektivische Ansicht eines aufgebauten Leitungstransformators in der Fig. 3 gezeigt. In der Fig. 3 ist der erfindungsgemäße Leitungstransformator 1' auf einer dreilagigen Leiterplatte aufgebaut. In der perspektivischen Darstellung ist ein erstes Leiterplattenelement 38 gut erkennbar, auf dem das erste Leitungselement 4, das dritte Leitungselement 7 sowie das fünfte Leitungselement 31 als Metallbahnen aufgebracht sind. Der Abstand zu den darunterliegend angeordneten Mittelleitern 6, 9 und 23 wird durch die Dicke des ersten Leiterplattenelements 38 bestimmt.
Ein Teil der gesamten Längenausdehnung des ersten und dritten Leitungselements 4 und 7 wird durch das Ferritkörperoberteil 12a verdeckt. Auf der von dem ersten Leiterplattenelement 38 abgewandten Seite des Ferritkörperoberteils 12a ist die ebene Anlagefläche 13 ausgebildet, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine zusätzliche Darstellung eines dort vorgesehenen Kühlkörpers verzichtet wird. Die Weglängen der einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 zwischen der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten Anschlussstelle 11 sind identisch. Wie es in der Fig. 3 gut zu erkennen ist, wird dies am einfachsten dadurch erreicht, dass auf der Eingangsseite der erste Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 geradlinig aus dem Ferritkörper 12 herausgeführt wird, wohingegen auf der Ausgangsseite der Verlauf des dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 29 geradlinig ist. Die größere Länge, die der zweite und dritte Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 und 29 gegenüber dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 eingangsseitig ausweisen, wird dabei durch die geringere Länge ausgangsseitig gerade wieder ausgeglichen. Durch eine solche identische Ausbildung der Längen zwischen der ersten Anschlussstelle 10 und der zweiten Anschlussstelle 11 sämtlicher beteiligter Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 ergeben sich zwischen den einzelnen Hochfrequenzleitungsabschnitten 2, 3 und 29 keine Laufzeitunterschiede. Solche Laufzeitunterschiede gilt es insbesondere zu vermeiden, um eine Anwendung in Richtung höherer Frequenzen zu ermöglichen.
An der ersten Anschlussstelle 10 ist in dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Buchse 40 vorgesehen, mit der der Leitungstransformator 1' an eine vorhandene Schaltung angeschlossen werden kann. Ebenso ist auf der Seite der zweiten Anschlussstelle 11 eine beispielsweise gleich ausgeführte, nicht dargestellte Buchse vorgesehen. Selbstverständlich ist ein solcher Anschluss des Leitungstransformator 1' mit Buchsen lediglich eine Möglichkeit der Kontaktierung. Idealerweise wird der Leitungstransformator 1' bei der Produktion z. B. eines Leistungsverstärkers in die Herstellung der Leiterplatte des Verstärkers selbst integriert.
In der Fig. 3 ist es zu erkennen, dass zu beiden Seiten des Ferritkörpers 12 an dem ersten Leitungselement 4 bzw. dem dritten Leitungselement 7 des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 und des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 Lötstellen 50 ausgebildet sind. Diese Lötstellen 50 verbinden das erste Leitungselement 4 mit dem in der Fig. 3 nicht sichtbaren zweiten Leitungselement 5 bzw. das dritte Leitungselement 7 mit dem in der Fig. 3 ebenfalls nicht sichtbaren vierten Leitungselement 8. Durch die Verbindung der jeweils als Außenleiter der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 fungierenden Leitungselemente 4, 5 und 7,8 außerhalb des Ferritkörpers 12 wird erreicht, dass die außerhalb des Ferritkörpers 12 geführten Leitungselemente 4, 5 und 7,8 bis hin zu den Anschlussstellen 10, 11 auf jeweils identischem Potential liegen. Damit kann sich eine Mantelwelle nur in dem dazwischen liegenden parallelen Bereich ausbilden, auf dem sich eine Potentialänderung über der Länge der Außenleiter ergibt. Durch eine entsprechende Verbindung des ersten mit dem zweiten Leitungselement 4, 5 und des dritten mit dem vierten Leitungselement 7,8 unmittelbar im Anschluss an den Ferritkörper 12 bleibt daher eine Mantelwelle auf die Längsausdehnung des Ferritkörpers 12 beschränkt und wird dementsprechend gedämpft. In dem Bereich innerhalb des Ferritkörpers 12 sind zumindest die durchgeführten Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 parallel zueinander angeordnet.
In der Fig. 4 sind zu dem Leitungstransformator 1' der Fig. 3 die einzelnen auf dem ersten Leiterplattenelement 38 und einem zweiten Leiterplattenelement 39 angeordneten Leiterbahnen dargestellt. Jeweils ein erstes Leiterplattenelement 38 bildet die Außenlage und das zweite Leiterplattenelement 39 bildet die Innenlage des Leitungstransformators 1'. Dabei ist es zu erkennen, dass die in der schematischen Darstellung der Fig. 2 gewählten Verbindungsstellen 22' und 27' sich in einfacher Weise auf dem zweiten Leiterplattenelement 39 durch eine Zusammenführung der entsprechenden Leiterbahnen realisieren lassen. Dementsprechend ist eingangsseitig auch eine Verbindung zwischen der zweiten Verbindungsstelle 17' und der dreizehnten Verbindungsstelle 30' durch ein Zusammenführen der Ausläufer des zweiten Mittelleiters 9 und des dritten Mittelleiters 33 realisiert. In entsprechender Weise ist die zehnte Verbindungsstelle 10' sowie die siebzehnte Verbindungsstelle 36 auf dem ersten Leiterplattenelement 38 bzw. die fünfte Verbindungsstelle 20' und die vierzehnte Verbindungsstelle 34 auf der Eingangsseite des ersten Leiterplattenelements 38 ausgebildet.
Sowohl in dem zweiten Leiterplattenelement 39 als auch dem ersten Leiterplattenelement 38 ist eine erste Ausnehmung 42, eine zweite Ausnehmung 43 und eine dritte Ausnehmung 44 vorgesehen. Die Ausnehmungen 42 - 44 sind so angeordnet, dass sie bei Übereinanderlegen des ersten Leiterplattenelements 38 und des zweiten Leiterplattenelements 39 übereinstimmend positioniert sind. Durch die Ausnehmungen 42 - 44 werden der zwischen den Nuten 45, 46 des Ferritkörperoberteils 12a ausgebildete Steg bzw. die auf den Außenseiten ausgebildeten Stege hindurchgeführt und, wie es bereits vorstehend bei den Ausführungen zu Fig. 1 und 2 erläutert wurde, auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Ferritplatte 12b miteinander verbunden.
Wie es in der Fig. 4 bei der Darstellung des ersten Leiterplattenelements 38 und des zweiten Leitungselements 39 zu erkennen ist, ist die Breite der mittleren Ausnehmung 43 gegenüber der Breite der ersten Ausnehmung 42 und der zweiten Ausnehmung 44 vergrößert. Dadurch wird der Anordnung des zwischen den Nuten 45, 46 des Ferritkörperoberteils 12a ausgebildeten breiteren Stegs zwischen dem ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt 2 und dem zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt 3 Rechnung getragen. Hier erfolgt sowohl eine Dämpfung der Mantelwelle des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2 als auch der Mantelwelle des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts 3 und die beidseitige Eindringtiefe wird berücksichtigt.
Sofern die Ausdehnung des Ferritkörpers 12 und damit der Ausnehmungen 42 - 44 in Übertragungsrichtung groß genug ist, können die Geometrien des ersten bis dritten Hochfrequenzleitungsabschnitts 2, 3 und 29 an Standardferrite angepasst werden. Dies erlaubt beispielsweise den kostengünstigen Einsatz von Standardferriten, wie sie bei der Herstellung von Schaltnetzteilen Verwendung finden. Sofern die durch den Ferritkörper 12 durchgeführte Länge der beteiligten Hochfrequenzleitungsabschnitte 2 und 3 groß genug ist, kann außerhalb des Ferritkörpers 12 die Geometrie der Hochfrequenzleitungsabschnitte 2, 3 und 29 so gewählt werden, dass sich eine identische Laufzeit zwischen der eingangsseitigen ersten und der ausgangsseitigen zweiten Anschlussstelle 10 bzw. 11 ergibt.
Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein drittes, in der Fig. 4 nicht separat dargestelltes Leiterplattenelement vorgesehen, welches in seiner Geometrie dem ersten Leiterplattenelement 38, wie es in der Fig. 4 dargestellt ist, entspricht. Anstelle der Verwendung des dritten Leiterplattenelements kann auch das zweite Leiterplattenelement 39 auf der Rückseite mit den entsprechenden Leiterbahnen für die Leitungselemente 5, 8 und 32 versehen sein.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind Kombinationen der einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele denkbar. Darüberhinaus kann durch das Vorsehen weiterer Hochfrequenzleitungsabschnitte bzw. von Symmetriegliedern der Anwendungsbereich der dargestellten Leitungstransformatoren 1, 1' erweitert werden.

Claims

Leitungstransformator zur Impedanzanpassung bei Hochfrequenzanwendungen umfassend zumindest einen ersten Hochfrequenzleitungsabschnitt (2) und einen zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitt (3), wobei zumindest einer der Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) von einem Ferritkörper (12) teilweise umgeben ist, wobei die Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) als gedruckte Leitungen zwischen einer ersten Anschlussstelle (10) und einer zweiten Anschlussstelle (11) ausgeführt sind, die eine im wesentlichen identische Impedanz aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) als Triplate-Leitungen ausgebildet sind, die als Außenleiter des ersten Hochfrequenzleitungsabschnitts (2) fungierenden Leitungselemente (4, 5) unmittelbar im Anschluss an beiden Seiten des Ferritkörpers (12) miteinander verbunden sind und dass die als Außenleiter des zweiten Hochfrequenzleitungsabschnitts (3) fungierenden Leitungselemente (7, 8) unmittelbar im Anschluss an beiden Seiten des Ferritkörper (12) miteinander verbunden sind.
Leitungstransformator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) über eine Mindestlänge parallel zueinander angeordnet sind.
Leitungstransformator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zumindest zwei Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) zwischen der ersten Anschlussstelle (10) und der zweiten Anschlussstelle (11) eine identische Länge aufweisen.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Ferritkörper (12) zumindest eine ebene Fläche (13) als Anlagefläche für einen Kühlkörper ausgebildet ist.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass für mehrere Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3) Durchführungen (45, 46) in einem gemeinsamen Ferritkörper (12) ausgebildet sind.
Leitungstransformator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch jede Durchführung (45, 46) des Ferritkörpers (12) genau ein Hochfrequenzleitungsabschnitt (2, 3) verläuft.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) auf einer Leiterplatte ausgebildet sind und die Leiterplatte Aussparungen (42, 43, 44) aufweist, die von dem Ferritkörper (12) durchdrungen sind.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf der Seite der ersten Anschlussstelle (10) und/oder auf der Seite der zweiten Anschlussstelle (11) des Leitungstransformators (1, 1') ein Symmetrieglied integriert ist.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hochfrequenzleitungsabschnitte (2, 3, 29) auf der Seite der ersten Anschlussstelle (10) und auf der Seite der zweiten Anschlussstelle (11) jeweils parallel und/oder seriell verschaltet sind, wobei die Verschaltungen sich voneinander unterscheiden.
Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein dritter Hochfrequenzleitungsabschnitt (29) als Streifenleitung ausgebildet ist, die ein sowohl auf der Seite einer ersten Anschlussstelle (10) als auch an einer zweiten Anschlussstelle (11) mit einem Massepotential (15) ausgebildetes Leitungselement (31, 32) aufweist.
Leitungstransformator nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass diejenigen Hochfrequenzleitungsabschnitte (29), die ein an der ersten Anschlussstelle (10) und an der zweiten Anschlussstelle (11) mit dem Massepotential (15) verbundenes Leitungselement (31, 32) aufweisen, außerhalb des Ferritkörpers (12) angeordnet sind.