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EP1350319B1 - Symmetrierübertrager - Google Patents

Symmetrierübertrager Download PDF

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EP1350319B1
EP1350319B1 EP02711795A EP02711795A EP1350319B1 EP 1350319 B1 EP1350319 B1 EP 1350319B1 EP 02711795 A EP02711795 A EP 02711795A EP 02711795 A EP02711795 A EP 02711795A EP 1350319 B1 EP1350319 B1 EP 1350319B1
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EP
European Patent Office
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loop
conductor
balun
metal part
sheet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02711795A
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English (en)
French (fr)
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EP1350319A1 (de
Inventor
Bernhard Kaehs
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Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Original Assignee
Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling

Definitions

  • the invention relates to a balun (balun) for transmitting large high frequency power, for example at the symmetrical output of a transistor power amplifier to the transition to an asymmetrical Output line.
  • a balun according to the invention can be very simple and inexpensive in printed circuit technology directly manufactured integrated with the rest of the high-frequency circuit become.
  • the additional soldered metal sheet part becomes the thermal conductivity of the symmetrical conductor loop so increased that when transferring the High-frequency power completely generates heat loss a heat sink can be derived.
  • this additional Metal sheet metal part can be compared to a known in printed circuit technology Balancing transformer, in which the conductor loops only through the thin circuit board layer are formed, the two to three times the high-frequency power can be transmitted.
  • a conductor loop can be an inventive Balancing transformer despite its simple and inexpensive Construction up to a transmission power of 150 watts can be operated.
  • the principle according to the invention can with all usual in printed circuit technology trained balun be applied at which the unbalanced conductor loop either on the same or on the opposite side of the Printed circuit board is formed.
  • the asymmetrical loop as a double loop is trained and thus acts as a 4: 1 transformer.
  • a balun according to the invention is everywhere there can be used where higher frequencies between high-frequency circuits Power must be transferred. This is for example at Radio frequency transmitters when merging or distributing High frequency power the case.
  • Has been particularly advantageous it turned out to be an inventive Balancing transformer at the output of push-pull transistor power amplifiers to be used, because then particularly compact and simple overall structure of one Power amplifier with unbalanced output results.
  • the only figure shows the section of a push-pull transistor power amplifier, the one in printed Circuit technology on a fragmentary representation Printed circuit board 1 is formed and its symmetrical Output with a conductor loop symmetrical to ground M. 2 of a balun is connected.
  • This symmetrical conductor loop 2 has the shape of a opposite sides of the annulus two opposite C-shaped loop halves 3 and 4, the one on one side at 5 in one another pass over and a slot on the opposite side 6 form.
  • the two opposite and the slot 6 delimiting ends 7 and 8 of the C-shaped loop halves 3 and 4 form the balanced input of the Balun, they're over Transformation capacitors 9 with conductor tracks 10 and 11 electrically connected, with which the terminal lugs of the shown and in the rectangular recess 12th used high-frequency power transistor contact do.
  • the input circuit for the not shown Power transistor which preferably also as Symmetry transformer is not shown in the figure shown, also not the other conductor tracks for the Wiring the transistors.
  • the connection point 5 of the two loop halves 3 and 4 compared to the symmetrical Input 7, 8 forms the electrically cold ground point, it is via a conductor track 13 with which the conductor loop 2 surrounding ground area M shown only in fragments connected. All conductor tracks (M, 2, 10, 11, 13 etc.) are in known printed circuit technology on the Top of the circuit board 1 as thin metal layers educated.
  • the unbalanced output conductor loop the for example as a double loop Resistance transformation is formed in the Embodiment shown on the back of the PCB 1 directly opposite the conductor loop 2 trained and therefore not visible in the figure.
  • the Printed circuit board 1 is placed on a heat sink 14, the below the conductor loop 2 or this opposite not visible asymmetrical Conductor loop has a cutout 15.
  • Those in the transfer of high High-frequency power in the thickened conductor loop 2, 20 resulting heat, partly from neighboring Capacitors is inserted into the loop evenly distributed through the thickened ring and can over a screw 16 which in a mounting hole 18 one after protruding inside 17 formed and in a Threaded bore 19 can be screwed into the heat sink 14, for Heat sink 14 derived and there, for example in the Cooling elements circulating coolant are degraded.
  • a corresponding projection 21 is located on the conductor loop 2 provided with a corresponding mounting hole 22, the latter is plated through and the one on the back of the Printed circuit board 1 formed through this ring Bore 22 lies flat on the in the assembled state Top of the heat sink 14 so that the thermal contact between the conductor loop and the heat sink is reinforced.
  • the thickened formation of the symmetrical conductor loop 2, 20 on the top of the circuit board 1 allows that the transformation capacitors 9, via which the High-frequency power from the transistor (connecting tracks 10, 11) passed to the symmetrical input 7, 8 of the transformer be, and possibly another arranged in the gap 6
  • Capacitor 23 also with a relatively large area Copper ring 20 can be soldered, so that the Waste heat of such capacitors is dissipated well.
  • balun is very simple and inexpensive because the additional copper sheet part 20 like a common component in automatic SMD (Surface Mounted Devices) assembly technology together with the others Components of the transistor circuit on the prepared printed circuit board can be soldered. This is done on the thin copper layer 2 of the conductor loop 2 in a known manner Way, solder paste is applied, then the copper sheet part 20 laid flat on the solder paste and finally the same printed circuit board with the other components in the Hot air oven introduced. Around component 20 during melting to fix the solder paste on the conductor loop 2 the opposite inner edges of the conductor track 2 strip-shaped solder mask 24 applied.
  • SMD Surface Mounted Devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Microwave Amplifiers (AREA)
  • Amplifiers (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft einen Symmetrierübertrager (Balun) zum Übertragen großer Hochfrequenzleistung, beispielsweise am symmetrischen Ausgang eines Transistor-Leistungsverstärkers zum Übergang auf eine unsymmetrische Ausgangsleitung.
Symmetrierübertrager für höhere Leistung werden bisher stets in koaxialer Leitungstechnik aufgebaut. Dies ergibt relativ großvolumige Anordnungen, die relativ teuer in Handarbeit hergestellt und als gesonderte Bauelemente mit der übrigen Schaltung verbunden werden müssen. Es ist auch schon bekannt, Symmetrierübertrager in gedruckter Schaltungstechnik herzustellen und dabei die Leiterschleifen des Übertragers entweder nur auf der Oberseite der Leiterplatte (britische Patentschrift GB 2 084 809) oder auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte (US Patent US 4,193,048) auszubilden. Letztere in gedruckter Schaltungstechnik ausgebildete Symmetrierübertrager sind jedoch nur zur Übertragung von geringer Hochfrequenzleistung geeignet. Aus US-A-6 144 276 ist ein Übertrager mit spezieller Vorrichtung zur besseren Wärmeableitung bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Symmetrierübertrager für die Übertragung hoher Leistung zu schaffen, der einfach und preiswert in gedruckter Schaltungstechnik herstellbar ist, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Symmetrierübertrager laut Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird bezüglich des Herstellungsverfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Symmetrierübertrager kann sehr einfach und preiswert in gedruckter Schaltungstechnik unmittelbar integriert mit der übrigen Hochfrequenzschaltung hergestellt werden. Durch das zusätzlich aufgelötete Metall-Blechteil wird die Wärmeleitfähigkeit der symmetrischen Leiterschleife so erhöht, daß die bei der Übertragung der Hochfrequenzleistung erzeugte Verlustwärme vollständig zu einem Kühlkörper ableitbar ist. Durch dieses zusätzliche Metall-Blechteil kann also gegenüber einem bekannten in gedruckter Schaltungstechnik ausgebildeten Symmetrierübertrager, bei dem die Leiterschleifen nur durch die dünne Leiterplattenschicht gebildet sind, das zwei- bis dreifache an Hochfrequenzleistung übertragen werden.
Je nach übertragener Frequenz und damit Größe der Leiterschleifen kann ein erfindungsgemäßer Symmetrierübertrager trotz seines einfachen und preiswerten Aufbaus beispielsweise bis zu einer Übertragungsleistung von 150 Watt betrieben werden. Das erfindungsgemäße Prinzip kann bei allen üblichen in gedruckter Schaltungstechnik ausgebildeten Symmetrierübertragern angewendet werden, bei denen die unsymmetrische Leiterschleife entweder auf der gleichen oder auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte ausgebildet ist. In gleicher Weise ist das erfindungsgemäße Prinzip auch für Symmetrierübertrager geeignet, deren unsymmetrische Schleife als Doppelschleife ausgebildet ist und der damit als 4:1-Transformator wirkt.
Ein erfindungsgemäßer Symmetrierübertrager ist überall dort einsetzbar, wo zwischen Hochfrequenzschaltungen höhere Leistung übertragen werden muß. Dies ist beispielsweise bei Hochfrequenzsendern beim Zusammenführen oder Verteilen von Hochfrequenzleistung der Fall. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, einen erfindungsgemäßen Symmetrierübertrager am Ausgang von Gegentakt-Transistor-Leistungsverstärkern einzusetzen, da sich hierbei dann ein besonders gedrungener und einfacher Gesamtaufbau eines Leistungsverstärkers mit unsymmetrischem Ausgang ergibt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt den Ausschnitt eines Gegentakt-Transistor-Leistungsverstärkers, der in gedruckter Schaltungstechnik auf einer bruchstückhaft dargestellten Leiterplatte 1 ausgebildet ist und dessen symmetrischer Ausgang mit einer gegen Masse M symmetrischen Leiterschleife 2 eines Symmetrierübertragers verbunden ist. Diese symmetrische Leiterschleife 2 besitzt die Form eines von gegenüberliegenden Seiten zusammengedrückten Kreisringes mit zwei gegenüberliegenden C-förmigen Schleifenhälften 3 und 4, die auf der einen Seite bei 5 einstückig ineinander übergehen und auf der gegenüberliegenden Seite einen Schlitz 6 bilden. Die beiden gegenüberliegenden und den Schlitz 6 begrenzenden Enden 7 und 8 der C-förmigen Schleifenhälften 3 und 4 bilden den symmetrischen Eingang des Symmetrierübertragers, sie sind über Transformationskondensatoren 9 mit Leiterbahnen 10 und 11 elektrisch verbunden, mit denen die Anschlußfahnen des nicht dargestellten und in der rechteckigen Ausnehmung 12 eingesetzten Hochfrequenz-Leistungstransistors Kontakt machen.
Die Eingangsschaltung für den nicht dargestellten Leistungstransistor, die vorzugsweise ebenfalls als Symmetrierübertrager ausgebildet ist, ist in der Fig. nicht dargestellt, ebenso nicht die übrigen Leiterbahnen für die Beschaltung der Transistoren. Der Verbindungspunkt 5 der beiden Schleifenhälften 3 und 4 gegenüber dem symmetrischen Eingang 7, 8 bildet den elektrisch kalten Massepunkt, er ist über eine Leiterbahn 13 mit der die Leiterschleife 2 umgebenden nur bruchstückhaft dargestellten Massefläche M verbunden. Sämtliche Leiterbahnen (M, 2, 10, 11, 13 usw. ) sind in bekannter gedruckter Schaltungstechnik auf der Oberseite der Leiterplatte 1 als dünne Metallschichten ausgebildet. Die unsymmetrische Ausgangsleiterschleife, die beispielsweise als Doppelschleife zur Widerstandstransformation ausgebildet ist, ist in dem gezeigtem Ausführungsbeispiel auf der Rückseite der Leiterplatte 1 unmittelbar gegenüber der Leiterschleife 2 ausgebildet und in der Figur daher nicht sichtbar. Die Leiterplatte 1 ist auf einem Kühlkörper 14 aufgesetzt, der unterhalb der Leiterschleife 2 bzw. der dieser gegenüberliegenden nicht sichtbaren unsymmetrischen Leiterschleife eine Ausfräsung 15 aufweist.
Auf der Oberseite der symmetrischen Leiterschleife 2 ist ein zusätzliches in gleicher Weise geformtes schleifenförmiges Kupferblechteil 20 aufgelötet. Dadurch wird die symmetrische Leiterschleife des Symmetrierübertragers dicker und besser wärmeleitend. Die bei der Übertragung von hoher Hochfrequenzleistung in der verdickten Leiterschleife 2, 20 entstehende Wärme, die teilweise auch von benachbarten Kondensatoren in die Schleife mit eingebracht wird, wird durch den verdickten Ring gleichmäßig verteilt und kann über eine Schraube 16, die in eine Montagebohrung 18 eines nach innen ragenden Vorsprungs 17 ausgebildet und in einer Gewindebohrung 19 im Kühlkörper 14 einschraubbar ist, zum Kühlkörper 14 abgeleitet und dort über das beispielsweise im Kühlkörper zirkulierende Kühlmittel abgebaut werden.
An der Leiterschleife 2 ist ein entsprechender Vorsprung 21 mit einer entsprechenden Montagebohrung 22 vorgesehen, letztere ist durchkontaktiert und der auf der Rückseite der Leiterplatte 1 gebildete Durchkontaktierungsring dieser Bohrung 22 liegt im montierten Zustand flach auf der Oberseite des Kühlkörpers 14 auf, so daß der Wärmekontakt zwischen Leiterschleife und Kühlkörper noch verstärkt wird. Die verdickte Ausbildung der symmetrischen Leiterschleife 2, 20 auf der Oberseite der Leiterplatte 1 ermöglicht es, daß die Transformationskondensatoren 9, über welche die Hochfrequenzleistung vom Transistor (Anschlußbahnen 10, 11) zum symmetrischen Eingang 7, 8 des Übertragers geleitet werden, und ggf. ein weiterer im Spalt 6 angeordneter Kondensator 23 ebenfalls relativ großflächig mit dem Kupferring 20 verlötet werden können, so daß auch die Verlustwärme solcher Kondensatoren gut abgeleitet wird.
Die Herstellung eines solchen Symmetrierübertragers ist sehr einfach und preiswert, da das zusätzliche Kupferblechteil 20 wie ein übliches Bauteil in automatischer SMD (Surface Mounted Devices)-Bestückungstechnik zusammen mit den anderen Bauelementen der Transistorschaltung auf die vorbereitete gedruckte Leiterplatte aufgelötet werden kann. Dazu wird auf die dünne Kupferschicht 2 der Leiterschleife 2 in bekannter Weise Lötpaste aufgebracht, dann wird das Kupferblechteil 20 flach auf die Lötpaste aufgelegt und schließlich die so auch mit den übrigen Bauelementen bestückte Leiterplatte in den Heißluftofen eingebracht. Um das Bauteil 20 beim Schmelzen der Lötpaste auf der Leiterschleife 2 zu fixieren werden an den gegenüberliegenden Innenrändern der Leiterbahn 2 streifenförmiger Lötstopplack 24 aufgebracht.

Claims (9)

  1. Symmetrierübertrager, dessen gegen Masse symmetrische Leiterschleife als schleifenförmige Leiterbahn (2) auf der Oberseite einer Leiterplatte (1) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung- großer Hochfrequenzleistung auf der schleifenförmigen Leiterbahn (2) ein der Form der schleifenförmigen Leiterbahn entsprechend schleifenförmig ausgebildetes Metall-Blechteil (20) aufgelötet ist und am elektrisch kalten Massepunkt (5) der symmetrischen Leiterschleife die Verlustwärme abgeleitet wird.
  2. Symmetrierübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß am elektrisch kalten Massepunkt (5) des schleifenförmigen Metall-Blechteiles (20) eine Montagebohrung (18) für eine Metallschraube (16) ausgebildet ist, die in einen auf der Rückseite der Leiterplatte (1) angeordneten Kühlkörper (14) einschraubbar ist.
  3. Symmetrierübertrager nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Montagebohrung (18) in einem vom schleifenförmigen Metall-Blechteil (20) radial nach innen ragenden Vorsprung (17) ausgebildet ist.
  4. Symmetrierübertrager nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß auch an der das Metall-Blechteil (20) aufnehmenden schleifenförmigen Leiterbahn (2) der Leiterplatte (1) ein entsprechender Vorsprung (21) mit einer durchkontaktierten Montagebohrung (22) ausgebildet ist.
  5. Symmetrierübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Metall-Blechteil (20) aus verzinntem Kupfer besteht.
  6. Symmetrierübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß am symmetrischen Eingang der Leiterschleife (2, 20) angeordnete Kondensatoren (9, 23) mit dem Metall-Blechteil (20) großflächig verlötet sind.
  7. Symmetrierübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Symmetrierübertrager in unmittelbarer Nachbarschaft des Ausganges eines Hochfrequenz-Leistungstransistors angeordnet ist und der gegen Masse symmetrische Eingang (7, 8) der symmetrischen Leiterschleife (2, 20) mit dem symmetrischen Ausgang (10, 11) des Verstärkers verbunden ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Symmetrierübertragers nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Leiterplatte (1), auf deren Oberseite in gedruckter Schaltungstechnik die Leiterbahnen für eine Hochfrequenzschaltung, insbesondere eine Transistor-Leistungsverstärker-Schaltung, zusammen mit der schleifenförmigen Leiterbahn (2) für den Symmetrierübertrager ausgebildet sind, an vorbestimmten Lötstellen Lötpaste aufgetragen wird, dann in bekannter automatischer Bestückungstechnik zusammen mit den übrigen Bauelementen das Metall-Blechteil (20) auf die schleifenförmige Leiterbahn (2) aufgebracht und schließlich durch Erwärmen der Lötvorgang durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß an den gegenüberliegenden gekrümmten Innenrändern der beiden sich gegenüberstehenden Hälften der schleifenförmigen Leiterbahn (2) zur Fixierung des aufgebrachten Metall-Blechteils (20) während des Lötvorganges auf der Leiterplatte (1) entsprechende Lötstopplack-Streifen (24) aufgebracht werden.
EP02711795A 2001-02-08 2002-01-09 Symmetrierübertrager Expired - Lifetime EP1350319B1 (de)

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