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1. WO2020108697 - HOCHFREQUENZ-PLANARTRANSFORMATOR MIT EINEM ULTRAPERMITTIVEN DIELEKTRIKUM

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

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HOCHFREQUENZ-PLANARTRANSFORMATOR MIT EINEM

ULTRAPERMITTIVEN DIELEKTRIKUM

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Planartransformator umfassend ein Dielekt rikum mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante, das bevorzugt ein Barium- Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist. Die Erfindung betrifft zudem die Verwendung eines Glaskeramikmaterials mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante als Dielektrikum in einem Hochfrequenz -Planartransformator.

Stand der Technik

Transformatoren sind klassische Vorrichtungen in der Elektrotechnik, die gerade in der Energietechnik von entscheidender Bedeutung sind.

Als Anpassungsnetzwerke mit festem Impedanzverhältnis kennt der Stand der Technik Transformatoren. Diese weisen eine Eingangsspule („Primärwindung“) mit einer ersten Windungszahl und einer Ausgangsspule („Sekundärwindung“) mit einer zweiten Win dungszahl auf, sowie ein, Wicklungsverhältnis genanntes, Verhältnis zwischen zweiter Windungszahl und erster Windungszahl.

Bei niederfrequenten Signalen transformiert ein Transformator mit einem Wicklungsver hältnis N die Spannung zwischen Ein- und Ausgang um einen Faktor N hinauf, den Strom hingegen um einen Faktor N hinunter, so dass mithilfe des Transformators ein Verhältnis von Quell- zu Lastimpedanz von N2 angepasst werden kann.

Eine spezielle Realisierung von Transformatoren sind Planartransformatoren. Ein Planar transformator weist eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeführt sind, getrennt durch ein Dielektrikum. Weist eine der beiden Spulen Primärspule und Sekundärspule eine höhere Windungszahl auf als die andere Spule, so wird nachfolgend, ohne Begrenzung der Allgemeinheit diejenige Spule mit der höheren Windungszahl als Sekundärspule bezeichnet.

Im Stand der Technik sind Planartransformatoren auf Materialien mit niedrigen relativen Dielektrizitätskonstanten bekannt, die typischerweise zwischen 2-4, und in Ausnahmen bis zu 10 liegen. Breitbandigkeit, Verluste und Leistungstragfähigkeit von Planartrans formatoren nach dem Stand der Technik werden durch die Kapazität zwischen Primär-und Sekundärwindung, ebenso wie durch eine hohe parasitäre Kapazität zwischen ein zelnen Windungen der Primär- oder Sekundärseite, beeinträchtigt. Der Stand der Tech nik versucht daher, diese Kapazität zu begrenzen und tendenziell Materialien mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstanten als Trägermaterial in Planartransformatoren einzuset zen. Deren Anwendung liegt typischerweise im UKW-Bereich und darüber, etwa von 80MHz bis 250MHz. Es gibt gewickelte Hochfrequenz (HF)-Transformatoren auf Fer ritkernen hoher Permeabilität (etwa 4 bis 2000) typischerweise für Anwendungsfrequen zen von 5MHz bis 80MHz. Und es gibt ,herkömmliche‘ Transformatoren, bspw. auch unter Verwendung von Ferritkernen, für Niederfrequenz-Signale (unter 5MHz).

Der Stand der Technik der Planartransformatoren im niedrigen MHz-Bereich findet sich zusammengefasst in der Promotionsschrift „Effizientes Design von Planar-Transformatoren“ von Thomas Goßner (Prl), verfügbar online bspw. unter https://mediatum.ub.tum.de/doc/823188/823188.pdf (abgerufen 12.12.2018), Auf S. 10 weist Prl auf die Notwendigkeit hin,„Die Permittivität sollte möglichst gering sein, um die störenden parasitären Kapazitäten möglichst gering zu halten“. Auf S. 32 betont Prl, „Die beiden parasitären Kapazitäten die zwischen den direkt angrenzenden Windungs ebenen der Primär- und Sekundärspule entstehen bilden hingegen zusammen mit einer der Metallisierungsebenen der stärker induktiven sekundären Induktivität jeweils einen LC-Band-Stopp“. Auf S. 67 zeigt Prl einen weiteren negativen Einfluss hochpermittiver Materialien auf nach dem Stand der Technik aufgebaute Planartransformatoren im Bil de: die parasitäre Kapazität zwischen den Windungen der Sekundärspule schließt diese mit ansteigender Frequenz zunehmend kurz, eine Signalübertragung wird verunmög licht.

Des Weiteren verlangt der Stand der Technik nach Möglichkeiten, beispielsweise in ge sinterten Keramikschaltungen Planartransformatoren und Kondensatoren nebeneinander in einer (im Wesentlichen in Lagen aufgebauten) integrierten Schaltung zu realisieren. Die Erfordernis niedriger Permittivität für den Bau von Planartransformatoren nach dem Stand der Technik erschwert die Integration kapazitiver Elemente beträchtlich (s. Prl, S. 66).

Nachfolgend wird angelegentlich die Abkürzung ,HF‘ für ,Hochfrequenz‘ verwendet.

Es gibt seit langem den Wunsch und wirtschaftlichen Ansporn, die manuell oder nur aufwändig automatisierbar herzustellenden und darüber hinaus nur schlecht reprodu zierbar zu fertigenden, gewickelten HF-Transformatoren auf Ferritkernen, die gegenwär tig die Anpaß- Strukturen für Leistungstransistoren im Frequenzbereich von 5MHz bis 80MHz dominieren, durch reproduzierbare, einfach aufgebaute und mit hohem Automa tisierungsgrad herstellbare Anpaßnetzwerke zu ersetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-Transformator bereit zustellen, der bezüglich mindestens eines der oben genannten Nachteile den Stand der Technik verbessert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochfrequenz-Planartransformator gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Hochfrequenz -Planartransformator, der mindestens eine Primär- und eine Sekundärseite aufweist, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, wobei die mindestens eine Primärseite und die mindestens eine Sekundär seite jeweils mindestens eine Spule aufweisen und wobei die Primärseite und die Sekundärseite durch ein Dielektrikum getrennt sind, dadurch ge kennzeichnet, dass das Dielektrikum eine relative Dielektrizitätskonstante e von mehr als 15, bevorzugt von mehr als 25 aufweist.

Die erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformatoren vereinigen mehrere Vor teile gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Hochfrequenz-Planartransformatoren.

Wie die Erfinder festgestellt haben, sind Hochfrequenz-Planartransformatoren mit dem erfmdungsgemäßen Dielektrikum, das bevorzugt aus einem Glaskeramikmaterial be steht, einfach und mit hohem Automatisierungsgrad herzustellen.

Die Hochfrequenz-Planartransformatoren der Erfindung können zudem in reproduzier barer Weise hergestellt werden.

Die bevorzugten erfmdungsgemäßen Glaskeramikmaterialien erlauben die Bereitstellung eines Dielektrikums mit hoher relative Dielektrizitätskonstante, geringem dielektrischen Verlust und hoher Durchschlagsfeldstärke.

Während nach dem Stand der Technik, ausgehend von Lehren, die anhand von Nieder frequenztransformatoren herausgebildet worden sind, versucht wird, die Kapazität zwi schen den Windungen zu reduzieren, um so Verluste und Frequenztauglichkeit zu opti mieren, sind Planartransformatoren hochfrequenztechnisch Bauelemente, mittels derer unter Verwendung von verteilten Induktivitäten und verteilten Kapazitäten ein Signal von einem Eingang auf einen Ausgang übertragen wird, mit einer erwünschten Ände-rung der Signalimpedanz. Während diese Änderung im niederfrequenten Bereich zwi-schen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsverhältnisses stehenden reellen Impedanzen besteht, ist der Zusammenhang bei im Wesentlichen nicht-reellen Hochfre quenzimpedanzen und bei im Wesentlichen verteilten Kapazitäts- und Induktivitätsbe lägen im höherfrequenten Bereich komplizierter.

Der Erfindung liegt die Einsicht zugrunde, dass sich für die in Rede stehenden Fre quenzbereiche die Kapazitätsbeläge zwischen, und die Induktivitätsbeläge entlang der Windungen zu künstlichen Hochfrequenz-Übertragungsleitungen zusammenfassen, und so wechselseitig in eine Leitungsimpedanz aufheben lassen. Vor diesem Hintergrund wird die parasitäre Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwindung nicht durch die Verringerung der Kapazität zwischen den Windungen, sondern durch Auflösen der Ka pazität in eine zu den gewünschten Abschlussimpedanzen grob passende Leitungsimpe danz erzeugt.

Um zu erzielen, dass sich die Windungen in der Art von Hochfrequenz-Übertragungsleitungen verhalten, muss die Länge zumindest einer dieser Windungen in dieselbe Größenordnung wie die Wellenlänge kommen - für die in Rede stehenden Be triebsfrequenzen wird dies erfindungsgemäß durch Einsatz eines Dielektrikums zwi schen Primär- und Sekundärwindung erzielt, welches die Wellenlänge des Signales im Dielektrikum wesentlich gegenüber der Vakuum-Wellenlänge eines Signales derselben Frequenz verkürzt.

Als ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich hiernach eine Aufhebung der Einschränkungen, die dem Stand der Technik durch die Kapazität zwi schen Primär- und Sekundärwindung in puncto Verlust und Leistungstragfähigkeit er wachsen, nicht durch Verringerung, sondern durch Kompensation dieser (verteilten) Kapazität mithilfe der (verteilten) Windungsinduktivität.

Als weiterer wesentlicher Vorteil erlauben Planartransformatoren nach der Lehre der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Integration von Kondensatoren in LTCC-Schaltungen: Während nach dem Stand der Technik hochpermittive Lagen (wie sie zum Aufbau geometrisch kleiner Kondensatoren erforderlich sind) die Frequenztauglichkeit von Planartransformatoren stark beschränken, erlaubt die vorliegende Erfindung durch die Kompensation der parasitären Kapazitäten durch die Windungsinduktivität die Verwendung hochpermittiver Materialien auch beim Aufbau von Planartransformatoren, und somit die Integration von Kondensator und Transformator in einem LTCC-Schaltkreis.

Als weiteren Vorteil erkennt der Fachmann sodann, dass sich durch den erfindungsge mäßen Teilgedanken der Verwendung eines Dielektrikums hoher Dielektrizitätskonstan te zwischen Primär- und Sekundärwindung die zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Teilgedankens der Integration der Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwindung in eine künstliche Hochfrequenz-Übertragungsleitung erforderlichen linearen Abmessun gen deutlich reduzieren lassen.

Die Erfindung im Einzelnen

Das Dielektrikum des erfmdungsgemäßen HF-Planartransformators weist bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante e von mehr als 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90 oder mehr als 95 auf.

Das Dielektrikum des erfmdungsgemäßen HF-Planartransformators weist besonders bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante e von mehr als 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900 oder mehr als 950 auf.

Das Dielektrikum des erfmdungsgemäßen HF-Planartransformators weist insbesondere bevorzugt eine relative Dielektrizitätskonstante e von mehr als 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300, 2400, 2500, 2600, 2700, 2800, 2900, 3000, 3100, 3200, 3300, 3400, 3500, 3600, 3700, 3800, 3900, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500 oder mehr als 8000 auf.

Das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators weist bevorzugt einen die lektrischen Verlust bei 10 kHz von tan□ < 5 x 10-2 und bevorzugt von tan□ < 2 x 10-2 auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dielektrikum des Hochfrequenz-Planartransformators ein Keramikmaterial, welches bevorzugt ein Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist.

In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dielektrikum des Hoch-frequenz-Planartransformators im Wesentlichen ein Keramikmaterial, welches bevorzugt ein Glaskeramikmaterial und insbesondere bevorzugt ein Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Dielektrikum des Hoch-frequenz-Planartransformators aus einem Keramikmaterial, bevorzugt aus einem Glaske-

ramikmaterial und insbesondere bevorzugt aus einem Barium-Aluminium-Titanat (BAT)-Glaskeramikmaterial.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist bei dem erfindungsgemäßen Hochfre-quenz-Planartransformator das Glaskeramikmaterial einen kristallinen Anteil von min destens 30 Vol.-%, bevorzugt von mindestens 70 Vol.-% und besonders bevorzugt von über 90 Vol.-% auf.

In einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dadurch gekennzeichnet, dass das Glaskeramikmaterial ein nahezu porenfreies Material mit einer Volumenfüllung von wenigstens 99,5%, bevorzugt von wenigstens 99,97% und besonders bevorzugt von wenigstens 99,999% ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Glaskeramikmaterial des erfindungsge mäßen Hochfrequenz-Planartransformators dadurch gekennzeichnet, dass es das als kris talline Hauptphase eine Perowskitphase der folgenden Formel aufweist: Bal-xZlxTil-yZ2y03, wobei

ZI ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sr, Ca, Ce, Pb, La und Sm,

Z2 ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zr, Hf, Nb, V, Y, Sc and Ta,

wobei x und y unabhängig voneinander im Bereich von 0<x,y<0,5 und bevorzugt im Bereich von 0 < x,y < 0, 1 liegen,

und wobei die Größe der Kristallite zwischen 10 nm und 50 pm und bevorzugt zwi-schen 100 nm und 1 pm liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Glaskeramikmaterial darüber hinaus ein Oxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb203, As203 und Bi203.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das Glaskeramikmaterial 0.01 bis 3 mol%, bevorzugt 0.1 bis 1 mol% und besonders bevorzugt 0.1 bis 0.5 mol% eines Oxides, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sb203, As203 und Bi203.

In einer speziellen Ausführungsform weist die Glaskeramik mindestens die folgenden Bestandteile auf:

10 bis 20 mol% Si02,

0 bis 10 mol% A1203,

30 bis 45 mol% BaO,

10 bis 20 mol% Ti02.

Ein derartiges Glaskeramikmaterial ist aus der Anmeldung US 2011/0028298 Al be kannt. Hier findet der Fachmann auch Methoden zur Herstellung des erfindungsgemä-ßen Glaskeramikmaterials.

Hochfrequenztechnisch ist ein Planartransformator eine verteilte Struktur mit kapaziti ven und induktiven Anteilen. Die induktiven Anteile werden von den Spulen dominiert; die kapazitiven Anteile bestehen zum einen aus dem Kapazitätsbelag zwischen Primär-und Sekundärspule, zum anderen aus einer eventuellen Kapazität zwischen je zwei Windungen innerhalb der Primär- oder der Sekundärspule selbst, sofern diese aus (Teil-) Spulen mit mehr als einer Windung bestehen.

Der Wert der verteilten Induktivität läßt sich insbesondere über das Verhältnis der Län ge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen, zur Breite der Windungen der Sekundärspule beeinflussen; der Wert der verteilten Kapazität zwischen den Windungen der Sekundärspule läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die geometrische Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen und durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Windun gen der Sekundärspule beeinflussen; der Wert der verteilten Kapazität zwischen Primär-und Sekundärwindung läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die Metallfläche der Sekundärspule und durch den Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule beeinflussen. Zwischen der verteilten Induktivität sowie den verteilten Kapazitäten bilden sich Resonanzen aus, deren Fre quenzen mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der verteilten Kapazitäten beeinflusst werden können. Hierbei lassen sich zumindest zwei getrennte Resonanzfre quenzen unabhängig voneinander einstellen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen der verteilten Induktivität der Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen den mindestens zwei Windungen der Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Übertragung der zu unterdrückenden Signalkomponente zwischen Primärseite und Se kundärseite reduziert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen den verteilten Induktivitäten der Primär- und Sekundärspu le sowie der verteilten Kapazität zwischen Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signalkomponente eine Übertragung der zu unterdrückenden Signalkomponente zwischen Primärseite und Sekundärseite redu ziert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl einer ersten Resonanzfrequenz zwischen der verteilten Induktivität der Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen den mindestens zwei Windungen der Sekundärspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer ersten zu unterdrückenden Signalkomponen-te und durch Wahl der Resonanzfrequenz zwischen den verteilten Induktivitäten der Primär-und Sekundärspule sowie der verteilten Kapazität zwischen Primär- und Sekun-därspule im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zweiten zu unterdrückenden Signal komponente eine Übertragung der ersten und der zweiten zu unterdrückenden Signal komponente zwischen Primärseite und Sekundärseite reduziert.

Unter Verwendung eines Planartransformators nach den letzten drei Ausführungsfor-men wird eingangsseitig bei der oder den zu unterdrückenden Signalkomponente eine Impedanz oder Impedanzen zur Verfügung gestellt, welche Impedanz oder Impedanzen nicht wesentlich von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal abhängt: Der Planartransformator ist für diese Signalkomponente oder Signalkomponenten intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last unabhängig.

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, die Primärspule Spiegel symmetrisch aufzubau en („primärseitig symmetrischer Planartransformator“). Dem Stand der Technik ist es ebenfalls zugänglich, bei einer geradzahligen Windungszahl der Sekundärspule die eine Hälfte der Windungen der Sekundärspule in einem, aus einem ersten zu einer Beurtei lung des Windungssinnes geeigneten Blickwinkel auf den Planartransformator betrach tet, ersten Windungssinn oberhalb, die andere Hälfte der Windungen im, aus dem ersten Blickwinkel betrachtet, entgegengesetzten Windungssinn unterhalb der Primärspule an zuordnen („sekundärseitig symmetrischer Planartransformator“), welche erste und zwei te Hälfte Windungen im Bereich des Drehzentrums der Windungen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Zuletzt kann nach dem Stand der Technik ein Planartrans formator voll symmetrisch, das heißt, primärseitig und sekundärseitig symmetrisch, auf-gebaut sein.

Ist die Quelle eine differentielle Verstärkeranordnung, ergibt sich bei einem primärseitig symmetrischen Planartransformator in der Mitte der Primärwindung ein hochfrequenz-technisch auf Masse liegender Punkt, über welchen sich eine Versorgungsspannung zu führen lässt, mit lediglich geringen Anforderungen an die Abblockung des Ausgangs-signales gegen die Spannungsversorgung. Bei einem primärseitig differentiell getriebe nen sekundärseitig symmetrischen Planartransformator ergibt sich auf nämliche Weise in der Mitte der Sekundärspule ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt; die ser wird nach dem Stand der Technik beispielsweise genutzt, um eine Gleichspannung auf einen Antennenanschluss aufzuprägen oder von einem Antennenanschluss abzugrei fen.

Kennzeichnendes Merkmal eines Planartransformators ist, dass sich Spulen in im we sentlichen parallelen (häufig: planparallelen) Flächen (häufig: Ebenen) gegenüberliegen, häufig dergestalt, dass Flächenschwerpunkte der Spulen in den Flächen bei Projektion senkrecht zu den Flächen im Wesentlichen übereinstimmen. In einer solchen Anordnung von Flächen gibt es im Allgemeinen Flächen, Innenflächen genannt, die zwischen zwei

anderen Flächen der Anordnung liegen; Flächen innerhalb der Anordnung, die nicht Innenflächen sind, heißen Randflächen. Eine der (im Allgemeinen zwei) Randflächen werden wir nachfolgend als obere Fläche, die andere als untere Fläche betrachten. Eine Richtung senkrecht zu der oberen Fläche in einem Flächenschwerpunkt einer Spule in der oberen Fläche, welche dem Flächenpaket abgewandt ist, heißt ,oben‘, die entgegen gesetzte Richtung ,unten‘. Durch diese Betrachtung ist ohne Beschränkung der Allge meinheit festgelegt, was es bedeutet, zu sagen, eine Spule werde ,von oben‘ betrachtet. Als Windungssinn einer Spule wird der mathematische Windungssinn der Spule be zeichnet, von oben her betrachtet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstreckt sich der Planartransformator über drei Flächen, getrennt durch zwei, erfindungsgemäß hochpermittive, dielektrische Bereiche, wobei eine erste Spule, nachfolgend ,Primär-windung‘ genannt, in der Innenfläche angeordnet ist, wobei weiter eine zweite Spule mit einer ersten Anzahl Windungen und einem ersten Windungssinn in der oberen Randfläche und eine dritte Spule mit der ersten Anzahl Windungen und einem zweiten, vom ersten verschiedenen Windungssinn in der unteren Randfläche angeordnet ist, der gestalt, dass ein erstes, im Windungssinn innenliegendes Ende der ersten Spule und ein zweites, im Windungssinn innenliegendes Ende der zweiten Spule elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die an ihren im Windungssinn innenliegenden Enden leitfähig miteinander verbundenen Spulen gemeinsam die Sekundärwindung bilden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die dritte Spule, von oben betrachtet, deckungsgleich zur zweiten Spule, von unten betrachtet, während die Spule, welche die Primärwindung darstellt, mit einer Windung und zwei Enden, nachfolgend ,Eingänge‘ genannt, spiegelsymmetrisch ausgeführt ist. Durch Betrieb mit antisymmetrischen Signa len an den Eingängen wird die Mitte der leitfähigen Verbindung der zweiten und der dritten Spule hochfrequenztechnisch zu einer virtuellen Masse.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF -Planartransformators kann aus einer stufenweisen Parallelschaltung von Primär- und Sekundär spulen erfolgen. Bei spielsweise kann eine Anordnung drei Primärspulen und vier Sekundärspulen aufweisen. Diese können abwechselnd angeordnet sein: Sekundär spule, Primärspule, Sekundärspu le, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule. Die Primärspulen sind alle parallelgeschaltet, womit sie gewissermaßen eine einzige Spule mit einer einzigen Win dung darstellen, nur, dass diese Windung aus drei parallelen„Drähten“ besteht. Zwei benachbarte Paare der Sekundärspulen (jeweils die beiden oberen und die beiden unte ren) sind auf eine nämlich Weise jeweils als Paar parallelgeschaltet.

Eine weitere Ausführungsform eines Planartransformators weist mehr als eine Primär spule auf.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Planartransformators sind zumindest einzelne der Primärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen HF -Planartransformators weist mehr als eine Sekundärspule auf.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF -Planartransformators sind zumindest einzelne der Sekundärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet.

Als veranschaulichendes Beispiel dient ein HF -Planartransformator, welcher sich über sieben, im Wesentlichen zueinander planparallelen, Ebenen erstreckt, in einer zu den Ebenen senkrechten Reihe aufeinanderfolgender Ebenen bezeichnet als erste Ebene Sl, zweite Ebene PI, dritte Ebene S2, vierte Ebene P2, fünfte Ebene S3, sechste Ebene P3 und siebente Ebene S4.

Drei, beispielsweise geometrisch deckungsgleiche, Primärspulen mit jeweils einem ersten und einem zweiten Eingang sind - je eine in einer Ebene - in der zweiten Ebene PI, der vierten Ebene P2 und sechsten Ebene P3 angeordnet, wobei jeweils die ersten (geomet-risch übereinanderliegenden) Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzge-schlossen, sowie jeweils die zweiten (geometrisch übereinanderliegenden) Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind. Eine erste Sekundärspule be-steht aus einer ersten Teilspule TI mit einer ersten Anzahl Windungen eines ersten Win-dungssinnes in der ersten Ebene Sl und einer vierten Teilspule T4 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der siebenten Ebene S4; eine zweite Sekundärspule besteht aus einer zweiten Teilspule T2 der ersten Anzahl Windungen des ersten Windungssinnes in der dritten Ebene S2 und aus einer dritten Teilspule T3 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Win-dungssinnes in der fünften Ebene S3; im Drehsinne der Windungen betrachtet innenlie-gende Enden der ersten Teilspule TI, der zweiten Teilspule T2, der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden; im Dreh-sinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der ersten Teilspule TI und der zweiten Teilspule T2 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfähig verbunden.

Es entsteht ein Planartransformator mit einem symmetrischen Paar von Eingängen und einem symmetrischen Paar von Ausgängen. Wird der Planartransformator symmetrisch angeregt mit einer differentiellen, mit dem Paar von Eingängen verbundenen Quelle einer Quellimpedanz, und abgeregt vermittels einer differentiellen, mit dem Paar von Ausgängen verbundenen Last einer Lastimpedanz, dergestalt, dass die in das symmetri sche Paar von Eingängen hinein gemessene differentielle Eingangsimpedanz der Quell impedanz, und gleichzeitig die in das symmetrische Paar von Ausgängen hinein gemes sene differentielle Ausgangsimpedanz der Lastimpedanz komplex konjugiert ist, werden die Signalübertragungsverluste durch den Planartransformator minimiert. Der Einreicher hat festgestellt, dass bei aus lediglich zwei oder drei Lagen aufgebauten Planartransfor matoren häufig die simultan komplex konjugierten Lasten, die für einen optimal verlust armen Betrieb des Planartransformators selbst erforderlich sind, deutlich höher liegen, als die Lastimpedanz, welche die Effizienz von (namentlich: differentiellen) Transisto ranordnungen hoher Ausgangsleistung optimieren. Der Aufbau nach dem dargestellten Beispiel reduziert die Impedanzwerte der den Transformatorverlust minimierenden si multan komplex konjugierten Lasten.

In einer weiteren Ausführungsform sind bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformator die mindestens eine Primärspule und die mindestens eine Sekundär spule im Wesentlichen planar und planparallel ausgeführt.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung weist der Hochfrequenz-Planartransformator mindestens zwei Primärspulen und mindestens zwei Sekundärspu len auf, die die elektrisch zueinander parallelgeschaltet sind.

Der erfmdungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator ist dadurch gekennzeichnet, dass er für einen hochfrequenten Betrieb von f > 50 kHz und bevorzugt von f > 10 MHz ausgelegt ist.

Durch das erfindungsgemäß hochpermittive Dielektrikum wird eine Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite vorteilhaft dergestalt beeinflusst, dass in einem breiteren Transformator-Anwendungsbereich als nach dem Stand der Technik auf einen Ferritkern oder Ferritplatten verzichtet werden kann.

In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfmdungsgemä-ßen Glaskeramikmaterials als Dielektrikum in einem Hochfrequenz-Planartransformator.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Planartransformators aus einer Pri mär- und einer Sekundär seite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist. Die zweite Spule ist dabei symmetrisch aufgebaut und weist einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen auf. Der Anteil dieser zweiten Spule zwischen Symmetrie-punkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs weist eine verteilte Induktivi-tät und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen auf. Der Wert der verteilten Induktivität läßt sich insbesondere über das Verhältnis der Länge der Sekundärspule, gemessen entlang den Windungen, zur Breite der Windungen der Sekundärspule beein flussen.

Der Anteil der zweiten Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des diffe rentiellen Ausgangs weist ferner einen oder zwei verteilte Kapazitätsbeiträge auf: Eine verteilte Kapazität zur Primärwindung, nachfolgend ,extrinsische Kapazität, sowie, bei mindestens zwei Windungen der Sekundär spule, eine verteilte Kapazität zwischen den Windungen der Sekundär spule, nachfolgend , intrinsische Kapazität genannt.

Der Wert der extrinsischen Kapazität läßt sich insbesondere durch das verwendete Die lektrikum oder die verwendeten Dielektrika, sowie durch die gemeinsame Fläche zwi schen Primär- und Sekundärwindung beeinflussen. Der Wert der intrinsischen Kapazität bei mindestens zwei Windungen der Sekundärspule läßt sich insbesondere durch das verwendete Dielektrikum oder die verwendeten Dielektrika, durch die geometrische Länge der Sekundär spule, gemessen entlang den Windungen, und durch den Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen der Sekundärspule beeinflussen.

Zwischen der verteilten Induktivität sowie der extrinsischen Kapazität bildet sich eine erste Resonanzfrequenz aus, deren Wert mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der extrinsischen Kapazität beeinflusst werden kann. Zwischen der verteilten In duktivität sowie der intrinsischen Kapazität bildet sich eine zweite Resonanzfrequenz aus, deren Wert mithilfe der Werte der verteilten Induktivität und der intrinsischen Ka-pazität beeinflusst werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der ersten Reso nanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrückenden Signal komponente eine Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der zweiten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer zu unterdrücken den Signalkomponente eine Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird durch Wahl der ersten Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Frequenz einer ersten zu unterdrü ckenden Signalkomponente und durch Wahl der zweiten Resonanzfrequenz im Wesent lichen gleich der Frequenz einer zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente eine

Signalübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite bei der ersten und bei der zweiten zu unterdrückenden Signalkomponente reduziert.

Bevorzugt wird ein HF -Planartransformators bereitgestellt, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht. Die Primärseite weist einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und die Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpe danz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz auf, der Eingang abgeschlossen mit einer ersten Quellimpedanz und der Ausgang abgeschlossen mit einer ersten Lastimpedanz. Bei der bevorzugten Betriebsfrequenz ist die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz ist bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert. Die Primärseite weist mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule auf, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist. Bei differentiellem Betrieb des Planartransformators wird also eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufgewiesen, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Ka pazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz umfasst.

In einer anderen Ausführungsform weist der HF -Planartransformator eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetrie punkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spu le zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist. Diese Aus führungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteil ter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Be trieb sfrequenz ist.

In einer weiteren Ausführungsform weist der erfindungsgemäße HF-Planartransformator eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, wobei die zweite Spule symmet risch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuel- le Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft einen HF -Planartransformator, der eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärsei te besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule mit mindestens zwei Windungen aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine ver teilte Kapazität aufweist. Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.

In einer Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Ein gangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz zwischen der Kapazität zwischen Primär- und Sekundärseite und den Induktivitäten von Primär- und Sekundärseite mit einer Resonanzfrequenz auf, welche Resonanzfrequenz im Wesentlichen gleich der Fre quenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist. In einer weiteren Ausführungsform ist der er findungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschrie bene Resonanzfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Er findung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Über tragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Resonanzfrequenz umfasst.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz auf, welche Resonanz zwi- sehen der Kapazität zwischen den Windungen der sekundärseitigen Spule und der In duktivität der sekundärseitigen Spule herausgebildet wird, welche Resonanz eine Reso nanzfrequenz aufweist, die im Wesentlichen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signal komponente ist. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hoch-frequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene Resonanz aufzu weisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Be treiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Übertragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Resonanzfrequenz umfasst.

In einer Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Ein gangsseite und einer Ausgangsseite eine Resonanz auf, welche Resonanz zwischen der Kapazität zwischen den Windungen der primärseitigen Spule und der Induktivität der primärseitigen Spule herausgebildet wird, mit einer Resonanzfrequenz, die im Wesentli chen gleich der Frequenz einer bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückenden Signalkomponente ist. In einer zusätzlichen Ausfüh rungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene Resonanzfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfre-quenz-Planartransformators, das die Verwendung der vorab beschriebenen Resonanz zur Unterdrückung der Übertragung einer Signalkomponente zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich der vorab beschriebenen Re sonanzfrequenz umfasst.

In einer weiteren Ausführungsform weist der Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine bevorzugte Betriebsfrequenz, sowie die mindestens eine bei einem Betrieb jenes Hochfrequenz-Planartransformators bezüg-lich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangsseite zu unterdrückende Signalkomponente auf, durch eine Frequenz, die im Wesentlichen gleich einer Vielfa- chen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist. In einer zusätzlichen Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator dazu ausgelegt, die vorab beschriebene bevorzugte Betriebsfrequenz aufzuweisen. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betreiben des erfindungsgemäßen Hochfre-quenz-Planartransformators, das einen Betrieb bei der vorab beschriebenen Betriebsfre quenz umfasst

In einer Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Planartransformator mit einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite eine bevorzugte Betriebsfrequenz, sowie mindestens eine bei einem Betrieb jenes Hochfrequenz-Planartransformators bezüglich der Übertragung zwischen Eingangsseite und Ausgangs seite zu unterdrückende Signalkomponente auf, welche zu unterdrückende Signalkom ponente im Wesentlichen gleich einer Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist, sowie eine symmetrische aufgebaute zweite Spule und weist jene symmetrisch aufge baute zweite Spule bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt auf, wobei eine elektrische Länge der zweiten Spule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleich einem ganz zahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Be trieb sfrequenz ist. In einem hierzu gehörenden Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Hochfrequenz-Planartransformators bereit, bevorzugt zum Betrei ben des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Planartransformators, welcher Betrieb die vorab beschriebene elektrische Länge zur Unterdrückung jener vorab beschriebenen Übertragung jener vorab beschriebenen zu unterdrückenden Signalkomponente umfasst.

Abweichend vom bisher geschilderten Aufbau, der größtmöglichen Einfachheit der Darstellung geschuldet, kann der Fachmann die in der vorliegenden Erfindung offenbar te Lehre auch auf eine solche Weise anwenden, dass die - im bisher geschilderten Auf bau in einem Symmetriepunkt der Sekundärspule befindliche - Hochfrequenzmasse in einem anderen Punkte liegt, beispielsweise, wenn eine erste Zahl Windungen eines ers ten Windungssinnes in einer ersten Ebene der Sekundärspule und eine zweite, von der ersten Zahl unterschiedliche, Zahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Win dungssinnes in einer zweiten Ebene der Sekundärspule angeordnet werden.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Merkmalskombinationen mit den Merkmalskombinationen aus den Patentansprüchen frei kombiniert werden können.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 erfindungsgemäße Vorrichtung - ein HF -Planartransformator

Detaillierte Beschreibung der Abbildungen

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Planartransformator. Der Hochfrequenz-Planartransformator 100 mit einem Dielektrikum 10 und mit einer variablen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebene die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planar transformator in Figur 1 weist mehr als nur eine Sekundärspule in mehr als nur einer Ebene auf. Der erfindungsgemäße Planartransformator in Figur 1 enthält eine Primärsei te 11 (dicke Außenlinie), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwi schen zwei jeweils auf einer unter und einer über der Ebene der Primärseite befindlichen Ebenen gelegenen Sekundärseiten 12, 12‘ (dünne Linie, dünne gestrichelte Linie) liegt. Dabei liegt die Hälfte der Windungen der Sekundärspule 12 ober-, die andere Hälfte 12‘ unterhalb der Primärspule 11. Die Wicklungsrichtungen der beiden Sekundär spulen 12, 12‘ ist entgegengesetzt. In der Mitte, wo auch die Windungen der Sekundär spulen miteinander verknüpft sind, ergibt sich eine , virtuelle Masse‘ . Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, im entgegengesetzten Windungssinn; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom„von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte„von au-ßen nach innen“, aber die (Teil-) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einander aufzuheben.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

Dielektrikum

11 Primärspule des Planartransformators

12 eine Sekundärspule des Planartransformators (oben)

12 symmetrische Sekundärspule des Planartransformators (unten)

100 Hochfrequenz-Planartransformator