DE202010016850U1

DE202010016850U1 - HF Leistungs-Koppler

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Publication number: DE202010016850U1
Application number: DE202010016850U
Authority: DE
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: CN202550048U

Abstract

HF Leistungs-Koppler zur Kopplung von mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungssignalen mit Leistungen jeweils größer als 3 kW und jeweils gleicher Frequenz zwischen 3 und 30 MHz und einstellbarer Phasenbeziehung zueinander mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (110, 111), die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei die Länge des mindestens einen ersten und/oder zweiten Leiters kleiner 1 m, bevorzugt kleiner 0,5 m ist, und wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt, wobei die Leiter als ebene Leiterbahnen auf einer Leiterkarte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial als isolierende Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter aufweist und Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen HF Leistungs-Koppler zur Kopplung von mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungssignalen mit Leistungen jeweils größer als 3 kW und jeweils gleicher Frequenz zwischen 3 und 30 MHz und einstellbarer Phasenbeziehung zueinander mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (110, 111), die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei die Länge des mindestens einen ersten und/oder zweiten Leiters kleiner 1 m, bevorzugt kleiner 0,5 m ist, und wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt, wobei die Leiter als ebene Leiterbahnen auf einer Leiterkarte ausgebildet sind.
Im Bereich der Laseranregungs- oder Plasmaprozesse sind Hochfrequenzverstärker mit den üblichen Industriefrequenzen 13,56 MHz und 27,12 MHz und Ausgangsleistungen von 1 kW bis 50 kW bekannt. Die Verwendung von Hochfrequenzverstärkern größerer Leistung und höherer Frequenzen wird angestrebt, lässt sich aber aus unterschiedlichen Gründen nur schwer realisieren.
Ein Grund ist die Nichtlinearität und die dynamische, oftmals unvorhersehbare Änderung der Lastimpedanzen von Laseranregungs- oder Plasmaprozessen. Diese dynamischen Änderungen der Impedanz erzeugen Reflektionen, die im Verstärker zu Verlusten führen. Hohe Blindenergien, die in den Blindelementen von den Verstärkern, in den Zuleitungen und in Blindelementen von Anpassungsnetzwerken gespeichert sind, können sich dabei entladen und zu hohen Spannungen oder Strömen aufbauen und den Verstärker zu Oszillationen anregen oder Bauteile zerstören.
Solche Lastimpedanzänderungen treten beispielsweise beim Zünden der Laseranregungs- oder Plasmaprozesse oder beim Arcen im Plasmaprozess auf. Zusätzlich muss berücksichtigt werden, dass hochfrequenzbetriebene Laseranregungen und im zunehmenden Masse auch hochfrequenzangeregte Plasmaprozesse gepulst betrieben werden, also die Hochfrequenzverstärker mit Pulsfrequenzen von beispielsweise 100 Hz bis 300 kHz ein- und ausgeschaltet werden oder zwischen zwei Leistungsbereichen geschaltet werden. Bei jedem Schaltvorgang entstehen dann kurzzeitige Reflektionen, die zum größten Teil in den Verstärkern in Verlustenergie, also Wärmeentwicklung, umgesetzt werden.
Ausgangsstufen solcher Hochfrequenzverstärker werden für kleine Leistungen (1–6 kW) bereits mit Transistoren realisiert, für größere Leistungen werden üblicherweise Röhren eingesetzt. Röhren sind robuster gegenüber Reflektionen und können die Verlustenergie besser abführen als Transistoren, sie sind aber teurer und unterliegen einem betriebsbedingten Verschleiß. Außerdem sind sie relativ groß. Zusammen mit Ansteuerschaltung und Kühlung werden Röhren-Hochfrequenzverstärker in Schaltschränken in Baugrößen von ca. 0,8 m × 1 m × 2 m angeboten.
Daher wird zunehmend versucht auch Hochfrequenzverstärker größerer Leistung mit Transistorausgangsstufen auszurüsten. Mit dem Einsatz von transistorisierten Verstärkern hat der Einsatz von geschalteten Verstärkern, die im Resonanzbetrieb arbeiten, stark zugenommen. Dabei werden die Transistoren so geschaltet, dass nur eine sehr geringe Verlustenergie produziert wird. Damit lassen sich Verstärker mit sehr geringen Abmessungen und vergleichsweise hoher Leistung aufbauen. 13,56 MHz 3 kW Verstärker mit Baugrößen von ca. 0,3 m × 0,2 m × 0,2 m sind realisierbar. Solche Verstärker können auf Grund ihrer Baugröße besser in Plasmaanlagen oder Laseranregungsanordnungen integriert werden.
Große Leistung mit transistorisierten Ausgangsstufen lässt sich mit der Zusammenschaltung mehrerer synchron laufender Hochfrequenzverstärker erzielen. Die Zusammenschaltung erfolgt durch sogenannte Combiner. Es gibt unterschiedliche Bauarten solcher Combiner.
Ein in der Mikrowellentechnik oder Radiosendertechnik häufig verwendeter Combiner ist der sogenannte 90° Hybrid-Koppler, der auch als 3 dB-Koppler bezeichnet wird. Bei dem 90° Hybrid-Koppler handelt es sich um ein Viertor.
Bei der Verwendung des 90° Hybrid-Kopplers als Combiner werden an zwei Tore jeweils ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit jeweils gleichem Innenwiderstand, gleicher Ausgangsfrequenz und einem um 90° phasenverschobenen Ausgangssignal angeschlossen. An einem dritten Tor wird eine Last mit einem Lastwiderstand angeschlossen. An dem vierten Tor wird ein Lastausgleichswiderstand angeschlossen. Lastwiderstand, Lastausgleichswiderstand und Innenwiderstände der Verstärker sind gleich. Die ausschließlich passiven Bauelemente des 90° Hybriden (Leitungen, Kapazitäten, Übertrager oder Induktivitäten) werden so ausgelegt, dass an der Last die Leistung der beiden Verstärker zusammengeführt wird, dass am Lastausgleichswiderstand keine Leistung abgegeben wird und dass die beiden Verstärker entkoppelt sind und sich gegenseitig nicht beeinflussen können. Der 90° Hybrid ist selbst idealerweise verlustfrei, das heißt, die Leistung der beiden Hochfrequenzverstärker wird vollständig der am dritten Tor anliegenden Last zugeführt.
Die aus der Mikrowellentechnik bekannten 3 dB Koppler sind als Leitungskoppler mit Leitungslängen von λ/4 aufgebaut. λ soll hier die zu der Frequenz zugeordnete Wellenlänge sein. Diese Leitungskopplertechnik ist für Frequenzen zwischen 3 und 30 MHz nur sehr unvorteilhaft einsetzbar, weil die Baugröße mit λ/4-Längen einige Meter betragen würde, was im Hinblick auf die gewünschte Verkleinerung der Generatoren einen Rückschritt bedeuten würde.
Alternativ dazu kann ein 90° Hybrid Koppler auch aus diskreten Bauteilen aufgebaut werden, wobei der 90° Hybrid Koppler in der Regel mindestens eine Kapazität zur kapazitiven Kopplung und einen Übertrager mit einer Koppelinduktivität zur induktiven magnetischen Kopplung aufweist.
Damit sich das gewünscht Verhalten des 90° Hybrid Kupplers einstellt, sollten die Koppelinduktivität und die Koppelkapazität die folgenden Bedingungen erfüllen: L_K = Z₀/(2πf) C_K = 1/(2πfZ₀) wobei gilt:

LK:: Koppelinduktivität
CK:: Koppelkapazität
Z0:: Wellenwiderstand
f:: Frequenz Bei 13 MHz und Z₀ = 50 ergibt sich dann beispielsweise eine Koppelinduktivität L_K von ca. 600 nH und eine Koppelkapazität C_K von ca. 200 pF.

Der Aufbau eines 90° Hybrid Kopplers aus diskreten Bauteilen erfordert immer einen hohen Aufwand an präzisen Bauteilen, die unter Umständen auch noch abgeglichen werden müssen. Insbesondere für größere Leistungen (größer 3 kW) ist dies immer sehr kostspielig.
Die Koppelkapazität mittels zweier beabstandeter elektrischer Leiter mit einer definierten Fläche und einem definierten Abstand zueinander kann einfach, kostengünstig und sehr präzise reproduzierbar realisiert werden. Zumeist wird aber die erforderliche Induktivität mittels zweier solcher Leiter nicht erreicht. Sie muss daher geeignet erhöht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Induktivität ausschließlich mit Induktivitätserhöhungselementen, z. B. Ferriten zu erhöhen. Um auf die notwendige Induktivität bei großen Leistungen zu kommen, sind Induktivitätserhöhungselemente mit großen Abmessungen und hohen Kosten notwendig.
HF Leistungs-Koppler dieser Art sind beispielsweise aus EP1699107A1 und WO2005027258A1 bekannt. Wenn die mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungssignalen Leistungen jeweils größer als 3 kW aufweisen steigt zum einen die Spannung zwischen den Leiterbahnen auf sehr hohe Werte. Zudem steigt die Wärmeentwicklung auf Grund von Verlusten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen HF Leistungs-Koppler derart weiter zu bilden, dass eine geringere Wärmeentwicklung auch bei hohen Leistungen erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen HF Leistungs-Koppler der Eingangs genannten Art wobei die Leiterkarte ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial als isolierende Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter aufweist.
Diese Materialien sind bislang vornehmlich in der Mikrowellentechnik eingesetzt und sind wegen ihrer hohen Preise und ihrer geringeren mechanischen Festigkeit für den Einsatz bei HF Leistungs-Kopplern bei Frequenzen zwischen 3 und 30 MHz nicht vorgesehen. Insbesondere bei hohen Leistungen und bei diesen relativ niedrigen Frequenzen konnten jedoch mit diesen Materialien überraschende Vorteile erzielt werden. Die Wärmeentwicklung auf Grund niedrigerer dielektrischer Verlust konnte deutlich gesenkt werden. Dadurch ist es möglich die Kühlung durch einen elektrisch leitfähigen Kühlkörper, bei dem zum Beispiel eine flüssigkeitsbasierte Kühlung integriert sein kann, mit einem größeren Abstand zum 90° Hybrid Koppler zu realisieren. Ein zu naher Abstand eise Kühlkörpers führt zu Nachteilen durch die kapazitive Kopplung zwischen Kühlkörper und 90° Hybrid Koppler. Außerdem musste bei einem zu niedrigen Abstand zwischen Kühlkörper und 90° Hybrid Koppler wegen der hohen auftretenden Spannungen ein großer Aufwand zur Verhinderung von Spannungsüberschlägen vorgesehen werden, zum Beispiel ein zusätzliche Isolierlack oder eine verpresste oder verklebte Isolierplatte über den offen liegenden Leiterbahnen. Auch diese teuren und produktionstechnisch aufwendigen Maßnahmen konnten reduziert werden. Das eingesetzte Material zeigte sich zudem bei den verwendeten Frequenzen zwischen 3 und 30 MHz und bei den Spannungen und Strömen als außerordentlich spannungsstabil und zeichnete sich zusätzlich durch eine erhöhte Langzeitstabilität gegenüber hohen Spannungen und hochfrequenten Feldern aus. Die erhöhte Wärme am HF Leistungs-Koppler mit herkömmlichen Leiterplattenmaterial führt zu einem Nachlassen der mechanischen Festigkeit der Leiterkarte. Damit konnten knapp eingehaltene Sicherheitsabstände zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen nicht mehr sicher gestellt werden. Diese Unsicherheit entfällt mit dem neu eingesetzten Material zusätzlich auch noch. Das Material selber weist zwar bei niedrigen Temperaturen eine geringere mechanische Festigkeit auf, aber diese mechanische Festigkeit ist stabiler bei Betrieb mit hohen Leistungen. Zudem konnten sich dielektrische Eigenschaften des herkömmlichen Materials verändern, was wiederum zu einem Nachlassen der Spannungsfestigkeit führen kann. Hier zeigte das neu eingesetzte Material eine deutlich höhere Zuverlässigkeit, Stabilität, Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit.
Der HF Leistungs-Koppler kann Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe aufweisen. Dadurch kann die mechanische Festigkeit auch bei niedrigen Temperaturen verbessert werden. Dadurch kann das Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial dünner ausgelegt werden, ohne dass die mechanische Festigkeit verloren geht. Die Leiterkarten können mehrlagig aufgebaut sein. Dabei können Lagen, die keine oder nur geringe Spannungsfestigkeitsanforderungen haben aus Epoxydharzgewebe gefertigt sein und Lagen mit hohen Anforderungen Spannungsfestigkeit Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial aufweisen. Die Lagen mit hohen Spannungsfestigkeitsanforderungen können auch teilweise bevozugt in den Bereichen besonders hoher Spannungsfestigkeitsanforderungen Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial aufweisen.
Der HF Leistungs-Koppler kann Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe zwischen Leiterbahnen ohne Spannungsdifferenz aufweisen.
Beim HF Leistungs-Koppler kann die Leiterkarte eine Mehrlagenleiterkarte sein und zumindest eine isolierende Lage der Mehrlagenleiterkarte Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe aufweisen und zumindest eine weitere Lage ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial aufweist. Auf diese Weise ist die Produktion solcher Koppler besonders einfach, zuverlässig und reproduzierbar. Die Spannungsfestigkeit kann auch bei begrenzten Abmessungen sicher eingehalten werden.
Beim HF Leistungs-Koppler können die Ecken der ebenen Leiterbahnen abgerundet mit einem Radius von mindestens 1 mm ausgeführt sein. An spitz zulaufenden Ecken oder an abgerundeten Ecken mit geringerem Radius können hohe Feldstärken entstehen. Das kann zu Teilentladungen oder Koronaentladung an diesen Stellen führen. Insbesondere bei Leiterbahnen die auf Grund von den neu eingesetzten Materialien nun wieder ohne zusätzliche Isolierschicht ausgeführt werden, ist diese Ausführung vorteilhaft.
Beim HF Leistungs-Koppler können die Kanten der ebenen Leiterbahnen abgerundet mit einem Radius von mindestens 1 μm ausgeführt sein. Es ergeben sich dabei die gleichen Vorteile wie bei den abgerundeten Ecken.
Beim HF Leistungs-Koppler können die Ecken der ebenen Leiterbahnen abgeschrägt sein, so dass alle Winkel an Ecken zumindest größer 100° sind. Es ergeben sich dabei die gleichen Vorteile wie bei den abgerundeten Ecken.
Beim HF Leistungs-Koppler können die Kanten der ebenen Leiterbahnen abgeschrägt sein, so dass alle Winkel an Ecken zumindest größer 100° sind. Es ergeben sich dabei die gleichen Vorteile wie bei den abgerundeten Ecken.
Beim HF Leistungs-Koppler können die Leiterbahnen eine Mindestdicke von 70 μm aufweisen. Dadurch können gleich mehrere Vorteile durch eine einzige Maßnahme erzielt werden. Zum einen kann eine erhöhte mechanische Festigkeit erreicht werden. Zweitens kann die Wärme besser an Anschlüsse oder an Bereiche mit geringer Spannung und damit besseren Möglichkeiten der Wärmabfuhr an Kühlkörper abgeführt werden. Drittens können Kanten mit größerem Radius abgerundet werden, womit die Feldstärke und die Gefahr von Teilentladungen, Koronaentladungen und Überschlägen verringert werden kann.
Beim HF Leistungs-Koppler kann die Leiterkarte weitere Kupferbahnen im Epoxydharzgewebe aufweist, die auf dem gleichen elektrischen Potential wie benachbarte Leiterbahnen liegen. Dadurch können gleich mehrere Vorteile durch eine einzige Maßnahme erzielt werden. Zum einen kann eine erhöhte mechanische Festigkeit erreicht werden. Zweitens kann die Wärme besser an Anschlüsse oder an Bereiche mit geringer Spannung und damit besseren Möglichkeiten der Wärmabfuhr an Kühlkörper abgeführt werden. Drittens wird die Feldstärke an den Kanten und Ecken verringert und damit die Gefahr von Teilentladungen, Koronaentladungen und Überschlägen.
Beim HF Leistungs-Koppler können die weiteren Kupferbahnen Durchkontaktierungen zu den Leiterbahnen gleichen Potentials aufweisen. Dadurch werden sowohl die mechanische Festigkeit und damit auch die Zuverlässigkeit erhöht, als auch die Wärmeabfuhr verbessert.
Der HF Leistungs-Koppler kann ein 90° Hybrid-Koppler sein. Die einstellbare Phasenbeziehung kann ungleich 0° sein, insbesondere im Normalbetrieb zwischen 28° und 100° insbesondere bei 90° liegen. Solche Koppler eignen sich im besonderen Maße für die Kopplung von hohen Leistungen, entwickeln dabei aber auch im besonderen Maße hohe Spannungen. Während bei anderen Kopplern der Wellenwiderstand beim Koppeln differiert und demzufolge die Spannung am Koppler kleiner ist, so ist beim 90° Hybrid-Koppler der Wellenwiderstand an allen Anschlüssen gleich, in der Regel bei 50 Ohm. Dadurch entstehen an einem 90° Hybrid-Koppler viel größere Spannungsanforderungen als an einen üblichen HF Leistungs-Koppler.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 Seitenansicht eines Ausschnitts eines HF-Leistungs-Kopplers
2 eine schematische Darstellung eines 90° Hybrids in perspektivischer Ansicht mit einem aus vier Leiterbahnen gebildeten Leiterbahnenpaket
3 ein Schaltbild eines 90° Hybrids,
4 zwei für einen 90° Hybrid vorgesehenen Leiterbahnen,
5 eine Anordnung von zwei für einen 90° Hybrid vorgesehenen Leiterbahnen in Funktionsstellung mit dazwischen befindlichem Isolator,
6 eine Anordnung von vier für einen 90° Hybrid vorgesehenen Leiterbahnen
7 eine schematische perspektivische Darstellung eines 90° Hybrids
In 1 ist Seitenansicht eines Ausschnitts eines HF-Leistungs-Kopplers 107 gezeigt. Er ist als Mehrlagenleiterkarte ausgeführt. Die einzelnen Lagen zeigen Kupferbahnen 101, 103 des ersten Leiters, Leiterkartenmaterial aus Epoxydharzgewebe 102, Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial 104 und Kupferbahnen 105 des zweiten Leiters. Zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter können hohe Spannungen und hohe Verluste auftreten, deswegen wird hier ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial 104 verwendet. Kupferbahnen 101, 103 des ersten Leiters sind in zwei ebenen parallel verlegt. Sie weisen überall das gleiche Potential auf. Hier sind keine Anforderungen an Spannungsfestigkeit oder Verlustreduzierung gegeben. Hier kann zu mechanischen Festigung ein Epoxydharzgewebe verwendet werden. Die Kupferbahnen 101, 103 des ersten Leiters können an mehreren Stellen mit Durchkontaktierungen 106 verbunden sein. Das erhöht zusätzlich die mechanische Festigkeit, verbessert die Wärmeabfuhr und stellt elektrisch die Gleichverteilung der Felder sicher und sorgt damit für geringere Feldstärken an Kanten und Ecken der Kupferbahnen.
Ein Ausführungsbeispiel eines 90° Hybrids 100, der ein Viertor mit vier Toranschlüssen bildet, ist in 1a gezeigt.
Dieser 90° Hybrid weist eine Anordnung mit zwei parallel zueinander koplanar benachbart angeordneten Leiterbahnen 17, 18 auf, die plattenförmig ausgebildet sind, wie dies gut in 4 erkennbar ist. Hier ist beispielhaft auch die Abrundung bzw. Abschrägung der Ecken der Leiterbahnen gezeigt. Die Abmessungen und Abstände der Leiterbahnen zueinander sind zur Bildung der für den 90° Hybrid erforderlichen elektrisch kapazitiven und magnetisch induktiven Kopplungen dimensioniert. Die elektrische kapazitive Kopplung und die magnetische induktive Kopplung sind somit integriert in eine einzige Anordnung von parallel gekoppelten, planaren Leiterbahnen.
Die Enden 23 der Leiterbahnen 17, 18 bilden die vier Anschlüsse 1 bis 4 des Viertors und sind mit Koaxialbuchsen 1a bis 4a verbunden. Ferrit-Ringkerne 15 dienen zur Erhöhung der Induktivität der Leiterbahnen. Der 90° Hybrid 100 ist auf einer Grundplatte 19 aufgebaut, die mit Masse verbunden ist. Die Ecken des 90° Hybrids sind abgeschrägt, um die Feldstärke an diesen Ecken zu verringern.
In 3 ist das Schaltbild des 90° Hybrids 100 dargestellt. Erweist einen ersten Anschluss 1 für einen ersten Hochfrequenzverstärker 9, einen zweiten Anschluss 2 für einen zweiten Hochfrequenzverstärker 10, einen dritten Anschluss 3 für eine Last 16 mit einem Lastwiderstand 13 sowie einen vierten Anschluss 4 für einen Lastausgleichswiderstand 14 auf. Die Widerstände 11 und 12 repräsentieren die Innenwiderstände der gekoppelten Hochfrequenzverstärker 9, 10.
Die induktive Kopplung oder Koppelinduktivität ist durch einen induktiven Übertrager 7 dargestellt, dessen eine Koppelinduktivität einerseits an den ersten Anschluss 1 und andererseits an den vierten Anschluss 4 und dessen andere Koppelinduktivität parallel zu einer Induktivität 8 sowie einerseits an den dritten Anschluss 3 und andererseits an den zweiten Anschluss 2 angeschlossen sind. Die Koppelkapazitäten sind durch Kondensatoren 5, 6 dargestellt, die jeweils zwischen dem ersten und dem dritten sowie dem vierten und dem zweiten Anschluss vorgesehen sind.
Die Induktivität 8 ist im wesentlichen durch die Leiterbahnlänge zwischen dem dritten Anschluss 3 für die Last 16 und dem zweiten Anschluss 2 für den zweiten Hochfrequenzverstärker 10 bestimmt. Die magnetische induktive Kopplung im Verhältnis 1:1 ist im wesentlichen durch den Abstand zwischen den flachseitig benachbarten Leiterbahnen 17, 18 bestimmt. Die Koppelkapazitäten 5, 6 sind im wesentlichen durch die Fläche der koplanar benachbart gegenüberstehenden Leiterbahnen 17, 18 sowie deren Abstand voneinander bestimmt.
Um einen solchen Übertrager herzustellen ist eine enge induktive Kopplung notwendig, d. h. die Primär- und die Sekundär-Leiterbahnen müssen so nah wie möglich beieinander liegen. Insbesondere mittels eines Platinenentwurfs kann ein definierter und vor allem konstanter Abstand zwischen den Leiterbahnen 17, 18 sehr einfach realisiert werden.
Da jedoch nicht nur eine hohe induktive Kopplung, sondern auch eine definierte elektrische Kopplung für die Realisierung eines 90° Hybrids notwendig ist, sind die Leiterbahnen 17, 18 nicht nebeneinander sondern flachseitig übereinander angeordnet und vorzugsweise entsprechend 5 auf einer Platine 21 als Isolator 20 angeordnet. Zwei benachbarte Flächen verschiedenen Potentiales erzeugen dabei in bekannter Weise einen Plattenkondensator.
Prinzipiell wurde das Layout einer Koppelleitung so gestaltet, dass jeweils zwei Flächen entstehen, welche sich mit der Fläche a·b im Abstand d koplanar gegenüber stehen (5). Zum einen wird somit ein Übertrager mit dem Verhältnis 1:1 realisiert und zum anderen erreicht man eine gewisse Koppelkapazität. Die Kapazität berechnet sich in grober Näherung wie bei einem Plattenkondensator nach der Formel: C = ε₀·ε_r·a·b wobei a die Breite und b die Länge der Koppelleitungen (Leiterbahnen 17, 18) sind und d der Abstand der beiden Koppelleitungen. ε₀ ist die Dielektrizitätskonstante und ε_r die relative Dielektrizitätskonstante des Platinenmaterials, das sich als Isolator und Abstandhalter zwischen den Leiterbahnen 17, 18 befindet. Da die Leitung durch die Ferritkerne führen muss, wurde die Breite der Leitung auf b = 18 mm begrenzt. Die Länge der Leitung wurde ebenfalls so kurz wie nötig gehalten.
Prinzipiell können die Leiterbahnen 17, 18, wie in den 2 und 7 gezeigt luftisoliert, also durch einen Zwischenraum zueinander beabstandet sein. Ein dazwischen befindlicher Festkörperisolator ergibt jedoch eine höhere Spannungsfestigkeit und eine höhere Kapazität. Ausserdem ist, wie bereits vorerwähnt, ein definierter und vor allem konstanter Abstand zwischen den Leiterbahnen 17, 18 gegeben. In 2 sind die Ecken abgeschrägt und zumindest an zwei Kanten der Leiterbahn 18 ebenfalls beispielhaft Abschrägungen gezeigt.
Um näherungsweise die Randstreuung zu berücksichtigen, wird a durch a + d/2 und b durch b + d/2 ersetzt.
Um eine Kapazität hoher Güte zu realisieren wird als Dielektrikum ein hochfrequenztaugliches, verlustarmes Platinenmaterial vorzugsweise mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r = 2,33 in der Dicke d = 0,5 mm eingesetzt.
Für eine genaue Fertigung der Kapazitäten mit einer möglichst engen Toleranz ist ein Platinenmaterial notwendig, dass erstens möglichst wenig dielektrische Verluste erzeugt und zweitens eine möglichst exakt festgelegtes [epsilon]r besitzt. Es stehen dazu Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von 2,33 bei einer Toleranz von +/–0,02 zur Verfügung, die sich in praktischen Versuchen bewährt haben.
Zur Erhöhung der Kopplungskapazitäten bei gegebener Grundfläche können, wie in den 2, 6 und 7 erkennbar, mehr als zwei Leiterbahnen 17, 18 in einem ganzzahligen Vielfachen der zwei Leiterbahnen mit ihren Flachseiten koplanar zueinander angeordnet sein.
Die Kapazität erhöht sich mit jeder Lage um C = ε₀·ε_r·a·b Mit der Breite a der Leiterbahnen kann die Kapazität voreingestellt werden. Ein Abgleich auch zu Kompensationszwecken kann dann bedarfsweise mit konzentrierten Bauteilen erfolgen, die dann aber nur noch geringe Werte im Vergleich zu der gesamten Kapazität aufweisen, zum Beispiel 1/10 bis 1/100 der Gesamtkapazität.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen von 2, 6 und 7 ist ein aus vier Leiterbahnen bestehendes Leiterbahnpaket mit Leiterbahnen 17, 18 und 17a, 18a gebildet, von denen jeweils zwei nicht unmittelbar benachbarte Leiterbahnen 17, 17a bzw. 18, 18a an den Enden elektrisch miteinander verbunden sind und an den jeweils verbundenen Enden Toranschlüsse 1 bis 4 bilden. Die elektrischen Verbindungen 22 können, wie in den 2 und 7 erkennbar, durch Drahtbrücken oder bei Verwendung von Platinen durch Durchkontaktierungen gebildet sein.
Zur Erhöhung der Induktivität sind die Leiterbahnen 17, 17a, 18, 18a umgreifender Ferritkerne 15 vorgesehen (1 und 7).
Versuche haben gezeigt, dass sich ein Aufbau mit 12 Kernen und Abmessungen von ca. 7·20 cm Leistungen zusammenkoppeln lassen die bis zu 7 kW am Ausgang erzeugen. Bei weiterer Optimierung sind Leistungen bis zu 10 kW möglich.
Jeder Leiter besitzt auf Grund seiner Länge eine Eigeninduktivität, die ungefähr 7 nH/cm beträgt. Um die sich aus der für den 90° Hybrid errechneten Induktivität ergebende Länge der Leiterbahnen verkürzen zu können, werden Ferrit-Ringkerne 15 über die Koppel-Leiterbahnen geschoben, so dass bei einer vorgebbaren Leiterbahnlänge die notwendige Induktivität erreicht wird, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa 590 nH beträgt.
Hersteller von Ferritringen geben den A_L Wert an, mit dem sich die Erhöhung der Induktivität durch den Ferritring berechnen lässt. L = A_L·n² (L = Induktivität mit Ferrit, n = Anzahl Windungen) In unserem Fall ist n = 1.
Ein typischer Ringkern in den Dimensionen 36·23·15 mm (dA·dI·b) besitzt laut Herstellerangaben (Ferroxcube) einen A_L-Wert von 170 nH. Somit kann mit drei Ringkernen eine Induktivität von 510 nH erzeugt werden.
Mit einem Ringkern der Firma Fair-Rite (Material 67) und den vergleichbaren Abmessungen (35,55·23·12,7 mm) kann ein A_L Wert von ca. 44,5 nH erreicht werden. Für eine erforderliche Induktivität von 590 nH sind also 11 oder 12 Kerne dieser Bauart erforderlich.
Zu große oder zu kleine Induktivitäten lassen sich durch Kapazitäten kompensieren.
In 7 ist zur Verdeutlichung nur ein Ferrit-Ringkern 15 eingezeichnet. Für eine erhebliche Verkürzung der Baulänge des 90° Hybrids 100 können, wie in 1 erkennbar, eine ganze Reihe solcher Ferrit-Ringkerne 15 vorgesehen sein, beispielsweise zwölf Ferrit-Ringkerne 15.
Um die Hochfrequenz-Anschlüsse (Tore 1 bis 4) gut anbringen zu können sind die Leiterbahnen 17, 18, 17a, 18a an ihren Enden 23 auf jeweils etwa der halben Leiterbahnbreite a/2 verlängert und seitenversetzt angeordnet.
Bei Verwendung von Leiterplatten können die einzelnen Leiterbahnen 17, 18, 17a, 18a mittels einfacher Durchkontaktierungen, wie sie in der Leiterplattentechnik bekannt sind, verbunden werden und an die Anschlüsse 1a bis 4a geführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1699107 A1 [0015]
WO 2005027258 A1 [0015]

Claims

HF Leistungs-Koppler zur Kopplung von mindestens zwei Hochfrequenz-Leistungssignalen mit Leistungen jeweils größer als 3 kW und jeweils gleicher Frequenz zwischen 3 und 30 MHz und einstellbarer Phasenbeziehung zueinander mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (110, 111), die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei die Länge des mindestens einen ersten und/oder zweiten Leiters kleiner 1 m, bevorzugt kleiner 0,5 m ist, und wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt, wobei die Leiter als ebene Leiterbahnen auf einer Leiterkarte ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial als isolierende Schicht zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter aufweist und Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe aufweist.
HF Leistungs-Koppler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte eine Mehrlagenleiterkarte ist und zumindest eine isolierende Lage der Mehrlagenleiterkarte Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe aufweist und zumindest eine weitere Lage ein Polytetrafluorethylen-(PTFE) oder ein polyimidehaltiges Leiterbahnträgermaterial aufweist.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte Leiterplattenmaterial aus Epoxydharzgewebe zwischen Leiterbahnen ohne Spannungsdifferenz aufweist.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder nach Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ecken der ebenen Leiterbahnen abgerundet mit einem Radius von mindestens 1 mm sind.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche der nach Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten der ebenen Leiterbahnen abgerundet mit einem Radius von mindestens 1 μm sind.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche der nach Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ecken der ebenen Leiterbahnen abgeschrägt sind, so dass alle Winkel größer 100° sind.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche der nach Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten der ebenen Leiterbahnen abgeschrägt sind, so dass alle Winkel größer 100° sind.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche der nach Oberbegriff des Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen eine Mindestdicke von 70 μm aufweisen.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterkarte weitere Kupferbahnen aufweist, die auf dem gleichen elektrischen Potential wie benachbarte Leiterbahnen liegen.
HF Leistungs-Koppler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kupferbahnen Durchkontaktierungen zu den Leiterbahnen gleichen Potentials aufweisen.
HF Leistungs-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppler ein 90° Hybrid-Koppler ist und die einstellbare Phasenbeziehung ungleich 0° ist.