EP1699107A1

EP1699107A1 - 3dB-Koppler

Info

Publication number: EP1699107A1
Application number: EP05004860A
Authority: EP
Inventors: Erich Dr. Pivit; Michael Glück
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-05
Filing date: 2005-03-05
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2025-03-05
Also published as: US7477114B2; JP2006245591A; US20060197629A1; EP1699107B1

Abstract

Bei einem 3dB-Koppler (100) mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (110, 111), die voneinander beabstandet sind und die in einem Kopplungsbereich (101) kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter (110) die Primärseite und der zweite Leiter (111) die Sekundärseite eines Übertragers darstellt, weisen der erste und der zweite Leiter (110, 111) jeweils eine Windungszahl n > 1 auf. Dadurch wird eine gute induktive und kapazitive Kopplung erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft einen 3dB-Koppler mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter, die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter die Primärseite und der zweite Leiter die Sekundärseite eines Übertragers darstellt.
Im Bereich der Laseranregungs- oder Plasmaprozesse sind Hochfrequenzverstärker mit den üblichen Industriefrequenzen 13,56MHz und 27,12MHz und Ausgangsleistungen von 1kW bis 50kW 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 100Hz bis 300kHz 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 (1-6kW) 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. 0,8m x 1m x 2m 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. 13,56MHz 3kW Verstärker mit Baugrößen von ca. 0,3m x 0,2m x 0,2m 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, der auch als 3dB-Koppler bezeichnet wird. Bei dem 3dB Koppler handelt es sich um ein Viertor.
Bei der Verwendung des 3dB 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 3dB Koppler sind als Leitungskoppler mit Leitungslängen von λ/4 aufgebaut. Diese Leitungskopplertechnik ist für 13 und 27 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 3dB Koppler auch aus diskreten Bauteilen aufgebaut werden, wobei der 3dB 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 3dB Kopplers einstellt, sollten die Koppelinduktivität und die Koppelkapazität die folgenden Bedingungen erfüllen: $L_{K} = Z_{0} / (2 π f)$
$C_{K} = 1 / (2 {π f Z}_{0})$

wobei gilt:

L_K =: Koppelinduktivität
C_K =: KKoppelkapazität
Z₀ =: Wellenwiderstand
f =: Frequenz

₀

_K

Der Aufbau eines 3dB 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 1kW) 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.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen 3dB-Koppler derart weiter zu bilden, dass eine gute kapazitive und induktive Kopplung der Primär- und der Sekundärseite des Übertragers bei geringer Baugröße realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem 3dB-Koppler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der erste und der zweite Leiter jeweils eine Windungszahl n > 1 aufweisen. Durch diese einfache Maßnahme kann die Induktivität auf einfache Art und Weise erhöht werden. Die Induktivität steigt mit der Anzahl der Windungen im Quadrat, mit einer Verdopplung der Windungszahl erhöht sich die Induktivität demnach um den Faktor vier. Die Größe eines Induktivitätserhöhungselements kann sich demnach bei der Verdopplung der Windungszahl um den Faktor 4 verkleinern. Damit kann die Baugröße durch Verwendung von mehr als einer Windung reduziert werden. Bei einer ausreichend hohen Windungszahl kann im Idealfall auf weitere induktivitätserhöhende Maßnahmen verzichtet werden.
Durch eine erhöhte Windungszahl kann aber auch die Länge der die Induktivität erzeugenden Leiter reduziert werden. Das bewirkt vorteilhafterweise auch eine symmetrischere Phasenaufteilung. Idealerweise sollte der Phasenversatz zwischen dem Eingangssignal an einem Eingangstor und einem ersten Ausgangssignal eines ersten Ausgangstors +45° und zwischen dem Eingangssignal und einem zweiten Ausgangssignal eines zweiten Ausgangstors -45° betragen. Bei nur einer Windung ergibt sich aber häufig ein Phasenversatz von z.B. +40° an einem Ausgangstor im Vergleich zum Eingangstor und -50° am anderen Ausgangstor. Bei kürzeren Leiterlängen sind Abweichungen von der idealen Phasenaufteilung geringer.
Der erfindungsgemäße 3dB-Koppler kann vorteilhafterweise zur Kopplung von HF-Leistung bei einer Frequenz im Bereich 1 - 80 MHz, insbesondere bei etwa 1; etwa 2; 13,56; 27,12 oder etwa 60 MHz und bei Leistungen größer 1kW verwendet werden. In diesem Bereich war der Einsatz von 3dB Kopplern bislang nicht bekannt.
Die Abmessungen des 3dB Kopplers für Frequenzen unter 100 MHz können deutlich reduziert werden. Sie können kleiner als λ/4, insbesondere kleiner als λ/8 und vorzugsweise sogar kleiner als λ/10 betragen. Bei diesen Größen haben die Einflüsse der Leitungstheorie der Hochfrequenztechnik keine Bedeutung mehr. Ausdrücklich sei hier noch einmal erwähnt, dass es sich bei dem 3dB Koppler nach dieser Erfindung nicht um einen Leitungskoppler handelt, wie er aus dem Stand der Technik für höhere Frequenzen bekannt ist, d.h. die Charakterisitk des 3dB-Kopplers wird nicht (ausschließlich) durch die Leitungslänge bestimmt. Vielmehr entspricht die Kopplung zwischen den elektrischen Leitern einer kapazitiven Kopplung mit einer fest vorgegebenen und eingestellten Kapazität zwischen den Leitern bei vorgegebener Grundfrequenz f und vorgegebenem Wellenwiderstand Z₀. Die Kapazität kann über die Fläche und den Abstand der Leiter eingestellt werden. Weiterhin entspricht die Kopplung einer induktiven Kopplung mit einer fest vorgegebenen und eingestellten Induktivität des Übertragers bei vorgegebener Grundfrequenz f und vorgegebenem Wellenwiderstand Z₀. Die Induktivität wird beispielsweise abhängig von der Länge der Leiter, insbesondere der Leiterabschnitte eingestellt. Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Kopplungsbereich zur Erhöhung der Induktivität der Leiter zumindest ein Induktivitätserhöhungselement vorgesehen. Die Werte für die Induktivität und die Kapazität berechnen sich aus den oben angegebenen Formeln in Abhängigkeit von Frequenz und Wellenwiderstand.
Dabei kann das Induktivitätserhöhungselement eine beliebige Form haben. Vorzugsweise umgibt es die Leiter im Kopplungsbereich zumindest teilweise. Es kann z.B. parallel zu ihnen liegen. Dadurch kann eine besonders einfache und effektive Kopplung erreicht werden. Bevorzugt wird das Induktivitätserhöhungselement die Leiter im Kopplungsbereich ringförmig umgeben. Dabei ist mit ringförmig gemeint, dass die Leiterabschnitte im Kopplungsbereich von einer weitestgehend geschlossenen Geometerie umgeben sind, sie kann kreisförmig, ellipsoid, rechteckig oder anders geformt sein. Der Vorteil einer ringförmigen Geometrie ist die Reduzierung von Streufeldern. Bei einer rechteckigen Bauweise der Ringform kann die Wärme, die im Induktivitätserhöhungselement entsteht, besonders gut an einen Kühlkörper, insbesondere eine plane Kühlplatte, abgeführt werden. Allgemein kann das Induktivitätserhöhungselement einen Kühlkörper aufweisen oder mit einem solchen in Wärmeaustauschverbindung stehen oder selbst als Kühlkörper ausgebildet sein.
Die rechteckige Bauform des Induktivitätserhöhungselements kann aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein, z.B. aus vier Quadern oder aus zwei U-förmigen Teilen oder aus einem U-förmigen Teil und einem Quader. Bei den aus mehreren Teilen zusammengesetzten Bauformen ist eine vereinfachte Fertigung möglich, außerdem können zur Einstellung der Induktivität einstellbare Spalte zwischen den Teilen vorgesehen werden.
Vorzugsweise ist das zumindest eine Induktivitätserhöhungselement aus ferritischem Material ausgebildet. Insbesondere können ein oder mehrere die Leiter zumindest abschnittsweise, vorteilhafterweise im Kopplungsbereich umgreifende Ferritringe vorgesehen sein.
Je nach den zu koppelnden Leistungen können Ferritringe mit relativ hohen oder niedrigen magnetischen Verlusten eingesetzt werden. Während bei vergleichsweise kleinen Leistungen Ferritringe mit noch relativ hohen magnetischen Verlusten eingesetzt werden können, muss für hohe Leistungen Ferritmaterial mit extrem niedrigen magnetischen Verlusten eingesetzt werden. Bei gleicher Baugröße weisen Ferritkörper mit niedrigen magnetischen Verlusten in der Regel auch niedrigere A_L Werte auf, weshalb zur Erzielung der gleichen Induktivität entsprechend mehr Ferritkörper eingesetzt werden müssen.
Während also bei vergleichsweise kleinen Leistungen Ferritringe mit großem A_L-Wert von zum Beispiel 200nH einsetzbar sind und damit nur wenige Ferritringe erforderlich sind, um die notwendige Induktivität von zum Beispiel 600nH zu erreichen, müssen für hohe Leistungen (z.B. 5kW) mit entsprechend großen Strömen in den Leitern Ferritringe mit geringerem A_L-Wert verwendet werden, weil sonst entsprechend hohe ferromagnetische Verluste in den Ferritkernen auftreten. Bekanntermaßen steigen die magnetischen oder auch gyromagnetischen Verluste im Ferritkern materialabhängig bei bestimmten Frequenzen bis zu einer magnetischen Resonanzfrequenz an. Liegt diese ferromagnetische Resonanzfrequenz zu niedrig und zu nah an der Betriebsfrequenz, so erwärmen die Verluste den Ferrit.
Es werden deshalb bei hohen Leistungen bevorzugt Ferritringe mit geringerem A_L Wert verwendet und dafür eine entsprechend höhere Anzahl. Damit sind bei einer Leistung von bis zu 10kW und einer Betriebsfrequenz von 13,56MHz 90° Hybride mit einer Grundfläche von 5cm X 10cm oder kleiner realisierbar. Dabei ist die Höhe in beiden Fällen kleiner oder ungefähr gleich 5cm. Je höher jedoch die Windungszahl ist, desto weniger Induktivitätserhöhungselemente werden benötigt. Dies ist wünschenswert für einen besonders platzsparenden und preisgünstigen Aufbau, da die Induktivitätserhöhungselemente die Reproduzierbarkeit der Induktivität erschwert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen der erste und der zweite Leiter jeweils eine Windungszahl n = 2 auf. Diese Windungszahl stellt insbesondere bei der gleichzeitigen Verwendung eines Induktivitätserhöhungselements einen guten Kompromiss dar. Der konstruktive Aufwand für den 3dB-Koppler hält sich in Grenzen. Die Induktivität und die Kapazität können gut reproduziert werden und ohmsche Verluste können gering gehalten werden. Streufelder haben keinen großen Einfluss. Werden Ferrite als Induktivitätserhöhungselemente verwendet, kann deren Anzahl oder Erstreckung auf 25% dessen reduziert werden, was bei einer Windungszahl von n=1 benötigt wird. Dadurch können teure Ferrite eingespart werden. Außerdem ist die Reproduzierbarkeit besser, wenn weniger Ferrite verwendet werden, da die Toleranzen von 10-20%, mit denen Ferrite gefertigt werden, weniger ins Gewicht fallen.
Um den induktiven Übertrager des 3dB-Kopplers herzustellen, ist eine enge induktive Kopplung notwendig, d.h. zumindest Abschnitte der Primär- und der Sekundärleitung müssen so nah wie möglich beieinander liegen. Insbesondere können Leiterabschnitte der Primär- und der Sekundärseite sich überlappen oder miteinander kämmen. Weiterhin erstrecken sich die Leiter bzw. Abschnitte davon vorteilhafterweise zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Kopplungsbereich, parallel zueinander.
Um eine reproduzierbare Kapazität zu erzielen, kann zumindest ein Abstandshalter, insbesondere ein Isolator vorgesehen sein, der Abschnitte des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten Leiters in einem vorgegebenen Abstand hält. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Leiter sich zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Kopplungsbereich, in parallelen Ebenen erstrecken.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform können zwischen benachbarten Leiterabschnitten flächige Abstandhalter bzw. Isolatoren vorgesehen sein. Die Isolatoren sind vorzugsweise aus einem Isoliermaterial mit einem ε_r im Bereich 2 - 2,6, bevorzugt von etwa 2,33, und einer Dicke von etwa 0,5mm bis 3mm vorgesehen. Die Isolatoren können sich im gesamten Kopplungsbereich erstrecken.
Für eine hohe Güte und eine hohe Durchschlagfestigkeit kann als Isoliermaterial bevorzugt Polytetrafluoräthylen (PTFE), wie es unter der Handelsbezeichnung "Teflon" bekannt ist, verwendet werden. Vorteilhaft ist ein niedriger Verlustfaktor tan δ des Isoliermaterials. tan δ sollte kleiner als 0,005 sein, damit die Verluste im Isoliermaterial gering gehalten werden. Als besonders geeignet hat sich in ersten Versuchen RT/duorit 5870 von ROGERS Corp. herausgestellt mit einem tan δ von 0,0005 - 0,0012 und einem ε_r von 2,3.
Eine raumsparende Anordnung, die zugleich einfach zu reproduzierende Kapazitäten ermöglicht, ergibt sich, wenn die Leiter zumindest im Kopplungsbereich als ebene Leiterbahnen ausgebildet sind.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der zumindest eine Abstandshalter flächig ausgebildet ist und ein Leiterabschnitt des ersten Leiters auf der einen und ein Leiterabschnitt des zweiten Leiters auf der gegenüber liegenden Seite des Abstandhalters angebracht, insbesondere der Abstandshalter mit einem Leiterabschnitt des ersten und zweiten Leiters bedruckt, beschichtet oder kaschiert ist. Der Abstandshalter dient dabei als Trägermaterial für die Leiter bzw. Leiterbahnen und kann als Leiterplatte ausgebildet sein.
Mehrere dieser Anordnungen können übereinander gestapelt sein. Wie bereits vorerwähnt, kann damit ein definierter, konstanter Abstand zwischen den Leitern bzw. Leiterbahnen sichergestellt werden. Insbesondere können dadurch Abschnitte des ersten und zweiten Leiters im Kopplungsbereich in einem Leiterstapel angeordnet sein, wobei benachbarte Leiterabschnitte insbesondere durch einen Isolator voneinander beabstandet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere, vorzugsweise beidseitig mit Leiterabschnitten versehene Abstandshalter, insbesondere Leiterplatten, gestapelt, wobei die Leiterabschnitte von sich gegenüberliegenden Seiten benachbarter Abstandshalter im Wesentlichen deckungsgleich sind. Die Leiterbahnen mit einem Dielektrikum als Trägerschicht können mittels eines Platinenentwurfs und Leiterplattenfertigung einfach realisiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine erste Leiterplatte vorgesehen, die eine Ausnehmung aufweist, die von jeweils einer Leiterbahn auf der Ober- und Unterseite der Leiterplatte umgeben ist. Es sind zumindest zwei im Wesentlichen T-förmige Leiterplatten vorgesehen, die auf der Ober- und Unterseite jeweils eine Leiterbahn aufweisen, wobei die Leiterbahnen zu zwei getrennten Wicklungen verbunden sind. Die Ausnehmung kann einen beispielsweise ringförmigen Ferrit aufnehmen, wobei die T-Stücke in den Durchbruch des Ferrits eingesteckt werden können.
Die Betriebsfrequenz ist nicht auf die Industriefrequenz von 13,56 MHz beschränkt, sondern kann im Bereich 1 bis 100MHz liegen. Der große Vorteil dieser Anordnung ist aber, dass das Prinzip auch für noch deutlich niedrigere Frequenzen anwendbar ist. Weil die Leiterbahnabschnitte nicht als Leitungskoppler funktionieren, sondern als Koppelkapazitäten und Koppelinduktivitäten. Würden die Leiterbahnen bzw. Leiterbahnabschnitte als Leitungskoppler arbeiten, müsste mindestens eine Leitungslänge von λ\4 verwendet werden. Solche Leitungslängen sind aber umso länger, je niedriger die Frequenz ist. Das würde bei Leitungskopplern immer größere Bauformen bedeuten. Nach dem erfindungsgemäßen Konzept muss aber die Bauform mit dem Verringern der Frequenz nicht verlängert werden, es müssen nur die Kapazitäts- und Induktivitätswerte, beispielsweise durch Beeinflussung der Windungszahl, angepasst werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a: die Oberseite einer ersten Leiterplatte, die Teil eines 3dB-Kopplers ist;
Fig. 1b: die Unterseite der Leiterplatte der Fig. 1a;
Fig. 2a: die Oberseite einer zweiten Leiterplatte, die über der ersten Leiterplatte anzuordnen ist;
Fig. 2b: die Unterseite der zweiten Leiterplatte;
Fig. 3a: die Oberseite einer dritten Leiterplatte, die über der zweiten Leiterplatte anzuordnen ist;
Fig. 3b: die Unterseite der dritten Leiterplatte
Fig. 4: eine Frontalansicht einer ersten Ausführungsform eines 3dB-Kopplers;
Fig. 5: eine weitere Ausführungsform eines 3dB-Kopplers.

Die Fign. 1a, 1b zeigen die Oberseite 1a bzw. Unterseite 1b einer ersten Leiterplatte 1. Die Fign. 2a, 2b zeigen die Oberseite 2a bzw. Unterseite 2b einer zweiten Leiterplatte 2. Die Fign. 3a, 3b zeigen die Oberseite 3a bzw. Unterseite 3b einer dritten Leiterplatte 3. Durch die Leiterplatten 1, 2, 3 kann ein erfindungsgemäßer 3dB-Koppler 100 gebildet werden, wie er in der Fig. 4 gezeigt ist.
Die Anschlüsse 11, 16, 21, 26 der Leiterplatte 1 sind die Ein- bzw. Ausgänge (Tore) des 3dB-Kopplers. Die Anschlüsse 12 und 12a sind deckungsgleich, wenn die Leiterplatten 1 und 2 aufeinander gelegt werden, und sind bei zusammengesetztem 3dB-Koppler miteinander elektrisch leitend verbunden. Gleiches gilt für die Anschlüsse 13, 13a; 14, 14a; 15, 15a; 22, 22a; 23, 23a; 24, 24a und 25, 25a. Der 3dB-Koppler weist einen Übertrager auf, wobei die Induktivität der Primärseite (senkrecht schraffierte Flächen) zwei Windungen aufweist, die durch das als Ferrit ausgebildete Induktivitätserhöhungselement 4 verlaufen. Der Verlauf der zwei Windungen wird anhand von Bezugszeichen und Pfeilen in den Figuren 1a - 3b erläutert. Die erste Induktivität verläuft von 11 nach 12, weiter nach 12a, weiter nach 13, weiter nach 13a, weiter nach 14, weiter nach 14a, weiter nach 15, weiter nach 15a und schließlich zum Anschluss 16.
Die Induktivität der Sekundärseite (schräg schraffierte Flächen) läuft ebenfalls in zwei Windungen durch das Induktivitätserhöhungselement 4, nämlich vom Anschluss 21 nach 22 weiter nach 22a weiter nach 23 weiter nach 23a weiter nach 24 weiter nach 24a weiter nach 25 weiter nach 25a und schließlich zum Anschluss 26.
Beim ausgebildeten 3dB-Koppler 100 (Fig. 4) liegt die Leiterplatte 2 auf der Leiterplatte 1 und die Leiterplatte 3 liegt auf der Leiterplatte 2. Die Kapazität wird so im Wesentlichen nur zwischen den leitenden Flächen der Oberseite 1a, 2a, 3a und Unterseite 1b, 2b, 3b jeweils einer Leiterplatte 1, 2, 3 ausgebildet. Die Oberseite 1a der Leiterplatte 1 und der Unterseite 2b der Leiterplatte 2 weisen Leiterbahnen 27a, 28b derselben Induktivität, und die Oberseite 2a der Leiterplatte 2 und die Unterseite 3b der Leiterplatte 3 weisen Leiterbahnen 28a, 29b der anderen Induktivität auf. Da sich über der Induktivität eine Spannung ausbildet, müssen die Leiterplatten 1, 2, 3 untereinander beabstandet sein, insbesondere durch Abstandshalter, beispielsweise durch Isolierplatten oder Folien, isoliert voneinander beabstandet sein. Die ganze Anordnung aus drei Leiterplatten 1, 2, 3 kann auch in eine mehrlagige (in diesem Fall sechslagige) Multilayerplatine integriert werden, was eine präzisere und kostenoptimierte Fertigung ermöglicht. Die Induktivitätserhöhungselemente 4 müssen dann in Form von zwei Halbschalen eingefügt werden.
Mit den Abmessungen von 10 cm Länge und 5 cm Breite (Leiterplatte 1) und 4cm Höhe (bestimmt durch das als Ferritring ausgebildete Induktivitätserhöhungselement 4) kann so ein 3dB-Koppler für die Zusammenführung von zweimal 2,5kW HF-Leistung bei 13,56MHz zu 5kW erreicht werden.
Wenn die Kapazität abgeglichen werden muss oder erhöht werden muss, kann eine diskreter Kondensator parallel geschaltet werden oder die Fläche z.B. auf der Leiterplatte 1 beidseitig erhöht werden
In der Fig. 4 ist die Anordnung der Leiterplatten 1, 2, 3 zu dem 3dB-Koppler 100 gezeigt. Zu sehen sind die Anschlüsse 16, 26. Über der Leiterplatte 1 sind die Leiterplatten 2, 3 angeordnet, wobei die T-förmigen Leiterplatten 2, 3 in den Freiraum 4a des als Ferrit ausgebildeten Induktivitätserhöhungselements 4 eingeschoben sind. Dies bedeutet, dass der Kopplungsbereich 101 von dem Induktivitätserhöhungselement 4 umgeben ist. Die Leiterplatten 1, 2, 3 weisen Leiterbahnen 27a, 27b, 28a, 28b, 29a, 29b an ihrer Oberseite 1a, 2a, 3a und Unterseite 1b, 2b, 3b auf. Die Leiterbahnen 27a, 27b, 28a, 28b, 29a, 29b auf unterschiedlichen Seiten einer Leiterplatte 1, 2, 3 sind durch das Trägermaterial der Leiterplatte 1, 2, 3 beabstandet. Das Trägermaterial ist ein Isolator und dient als Abstandshalter. Die sich gegenüber liegenden Leiterbahnabschnitte benachbarter Leiterplatten 1,2,3 sind durch Abstandshalter beabstandet. Das Induktivitätserhöhungselement 4 ist auf einen Kühlkörper 103 aufgesetzt, der wiederum auf einer Trägerplatte 104 sitzt. Zwischen dem Kühlkörper 103 und dem Element 4 ist eine die Wärmeleitung verbessernde Schicht 105 angeordnet.
Eine Ausführungsform ohne Induktivitätserhöhungselement ist in der Fig. 5 gezeigt. Die als Leiterbahnen ausgebildeten Leiter 110, 111 sind als Spiralen geformt. Die Spiralen aus leitfähigem Material werden beidseits auf eine Leiterplatte aufgebracht, beispielsweise aufkaschiert. Dabei wird weitestgehend deckungsgleich ein Leiter 110 auf der Oberseite und ein Leiter 111 auf der Unterseite der Leiterplatte angebracht. Die Leiter 110, 111 stellen die Induktivitäten der Primärseite und der Sekundärseite eines Übertragers eines 3dB-Kopplers dar. Sie weisen jeweils eine Windungszahl n= 4 auf.
Wenn die Anschlüsse 112 - 115 als Durchkontaktierungen gewünscht sind, müssen diese versetzt ausgeführt werden, wie das in der Fig. 5 angedeutet ist. Es ist aber auch denkbar, die Anschlüsse 112 - 115 jeweils auf der Ober-und Unterseite auszubilden und den 3dB-Koppler z.B. zwischen zwei Verstärkern anzuordnen.
Auch hier ist ein induktivitätserhöhendes Element, z.B. ein Ferrit z.B. als Scheibe, Stift oder Schalenkern denkbar. Ggf. müsste in der Mitte der Spirale eine Aussparung, z.B. eine Bohrung für einen Ferrit, vorgesehen werden.

Claims

3dB-Koppler (100) mit mindestens einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiter (110, 111), die voneinander beabstandet sind und die kapazitiv und induktiv miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Leiter (110) die Primärseite und der zweite Leiter (111) die Sekundärseite eines Übertragers darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Leiter (110, 111) jeweils eine Windungszahl n > 1 aufweisen.
3dB-Koppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität der kapazitiven Kopplung auf einen vorgegebenen Kapazitätswert für einen vorgegebenen Wellenwiderstand und eine vorgegebene Grundfrequenz und die die induktive Kopplung ausbildende Induktivität des Übertragers auf einen vorgegebenen Induktivitätswert für einen vorgegebenen Wellenwiderstand und eine vorgegebene Grundfrequenz eingestellt sind.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Leiter jeweils eine Windungszahl n = 2 aufweist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kopplungsbereich (101) zur Erhöhung der Induktivität der Leiter zumindest ein Induktivitätserhöhungselement (4) vorgesehen ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Induktivitätserhöhungselement (4) die Leiter (110, 111) im Kopplungsbereich (101) zumindest teilweise umgibt.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Induktivitätserhöhungselement (4) ringförmig ausgebildet ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Induktivitätserhöhungselement (4) zumindest einen einstellbaren Spalt aufweist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Induktivitätserhöhungselement (4) aus ferritischem Material ausgebildet ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des mindestens einen ersten und/oder zweiten Leiters (110, 111) < λ/4, bevorzugt < λ/8, besonders bevorzugt < λ/10 ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (110, 111) sich zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Kopplungsbereich (101), parallel zueinander erstrecken.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (110, 111) sich zumindest abschnittsweise, vorzugsweise im Kopplungsbereich (101), in parallelen Ebenen erstrecken.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abstandshalter vorgesehen ist, der Abschnitte des zumindest einen ersten und des zumindest einen zweiten Leiters in einem vorgegebenen Abstand hält.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter als elektrischer Isolator ausgebildet ist, der sich im gesamten Kopplungsbereich (101) erstreckt.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter zumindest im Kopplungsbereich als ebene Leiterbahnen (27a, 27b, 28a, 28b, 29a, 29b) ausgebildet sind.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Abstandshalter flächig ausgebildet ist und ein Leiterabschnitt des ersten Leiters auf der einen und ein Leiterabschnitt des zweiten Leiters auf der gegenüber liegenden Seite des Abstandhalters angebracht, insbesondere der Abstandshalter mit einem Leiterabschnitt des ersten und zweiten Leiters bedruckt, beschichtet oder kaschiert ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des ersten und zweiten Leiters im Kopplungsbereich in einem Leiterstapel angeordnet sind, wobei benachbarte Leiterabschnitte insbesondere durch einen Isolator voneinander beabstandet sind.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, vorzugsweise beidseitig mit Leiterabschnitten versehene Abstandshalter, insbesondere Leiterplatten (1, 2, 3), gestapelt sind, wobei die Leiterabschnitte von sich gegenüberliegenden Seiten benachbarter Abstandshalter im Wesentlichen deckungsgleich sind.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Induktivitätserhöhungselement (4) einen Kühlkörper (103) aufweist oder mit einem solchen in Wärmeaustauschverbindung steht oder selbst als Kühlkörper (103) ausgebildet ist.
3dB-Koppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Leiterplatte (1) vorgesehen ist, die eine Ausnehmung aufweist, die von jeweils einer Leiterbahn (27a, 27b) auf der Ober- und Unterseite (1a, 1b) der Leiterplatte (1) umgeben ist, zumindest zwei im Wesentlichen T-förmige Leiterplatten (2, 3) vorgesehen sind, die auf der Ober- und Unterseite (2a, 3a, 2b, 3b) jeweils eine Leiterbahn (28a, 28b, 29a, 29b) aufweisen, wobei die Leiterbahnen (27a, 27b, 28a, 28b, 29a, 29b) zu zwei getrennten Wicklungen verbunden sind.
Verwendung eines 3dB-Kopplers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kopplung von HF-Leistung bei einer Frequenz im Bereich 1 - 80 MHz, insbesondere bei 1; 2; 13,56; 27,12 oder 60 MHz und bei Leistungen größer 1kW.