流体冷却式巴伦变换器的制作方法

本发明涉及能够将单端输出匹配至平衡输入的变换器，即巴伦变换器，并具体涉及用于射频（rf）功率应用的巴伦变换器的冷却技术。

高功率射频（rf）源用于广播、通信、雷达、医疗保健应用等许多应用中。rf源（并且更具体地，高功率rf源）的重要元件之一是最后的功率放大器。与基于真空管（如速调管、四极管和感应输出管）的传统rf功率源相比，基于固态晶体管的功率放大器具有更小的尺寸、更好的可靠性和更高的效率。

目前，单个rf功率晶体管的上限功率能力在1-1.5kw（千瓦）的范围内。在输出功率要求（即，功率需求）超过单个晶体管可以输送的功率的情况下，可以组合多个晶体管以共同满足功率需求。组合或耦合两个晶体管的方便且有用的方法是称为“推挽”原理图的技术。在“推挽”方案中，在第一晶体管和第二晶体管之间共享驱动，第一晶体管驱动电流以一个方向通过负载，第二晶体管驱动电流以相对方向通过负载。然而，“推挽”电路是平衡的系统，其产生相对于耦合的晶体管的公共地电位对称的输出信号，而通常要求单端（即，参考地）的输出信号。这个问题的解决方案是在“推挽”对的输出和负载之间提供变换器。此变换器能够将平衡输出耦合到单端负载。这种变换器是在本领域被称为“巴伦”（平衡到不平衡变换）的变换器。

包括传输线形式的许多形式的巴伦在本领域中是已知的。目前，从制造和组装的角度来看，巴伦变换器中最有前途的设计之一是基于pcb（印刷电路板）的平面变换器。例如如题为“baluntransformers（巴伦变换器）”的美国专利号5061910中描绘的那样，pcb巴伦变换器在本领域中被广泛使用。然而，这些巴伦变换器以及尤其是pcb巴伦变换器由于过热的令人感兴趣的问题而处于不利地位，主要是初级和次级传导元件（即，pcb中用作pcb巴伦变换器中的初级绕组和次级绕组的传导束（tract））的过热以及传导束中存在的其它嵌入式电子器件（例如，pcb巴伦变换器中在传导束中连接的电容器（如果有的话））的过热。

目前，在一些pcb巴伦变换器中，通过使用具有高导热性的基底（pcb基底）材料利用增加散热来解决过热问题。本领域发现的另一解决方案是使用预匹配电路来减少变换器的变换比率并因此减少变换器中流动的电流。本领域中利用的又另一解决方案是在变换器的顶部使用气冷式翅片。然而，这些技术中没有一个有效地解决了过热问题，并且更具体地没有解决针对在高于1.2kw的rf功率水平处操作的rf功率应用的过热问题。

因此，本技术的目的是提供一种具有高效冷却系统的巴伦变换器。此外，期望本技术的具有冷却系统的巴伦变换器是紧凑的、易于与巴伦变换器集成的并且简单的。

以上目的通过根据本技术的权利要求1的流体冷却式巴伦变换器实现。在从属权利要求中提供本技术的有利实施例。权利要求1的特征可以与从属权利要求的特征组合，并且从属权利要求的特征可以组合在一起。

根据本技术的一个方面，提出了一种流体冷却式巴伦变换器。流体冷却式巴伦变换器包括基板、第一传导元件和第二传导元件、第一信号端口和第二信号端口以及冷却模块。基板具有第一面和第二面。第一面和第二面彼此相对。第一传导元件布置在基板的第一面上。第二传导元件布置在基板的第二面上。第二传导元件被变换地（transformatively）耦合到第一传导元件并与其电气隔离。第一信号端口被电气连接到第一传导元件。第二信号端口被电气连接到第二传导元件。

冷却模块包括第一管状构件。第一管状构件具有用于将冷却剂流体接收到第一管状构件中的流体入口、用于引导冷却剂流体在第一管状构件内流动的流动通道、以及用于从第一管状构件释放冷却剂流体的流体出口。第一管状构件的流动通道被布置成与第一传导元件热接触。

当使用流体冷却式巴伦变换器时，合适的冷却剂流体被引入到第一管状构件的流体入口中。合适的冷却剂流体然后流经第一管状构件的流动通道到达第一管状构件的流体出口，并通过第一管状构件的流体出口离开。由于流动通道与第一传导元件热接触，所以来自第一传导元件的热量传递到第一管状构件的流动通道，并且因此被在第一管状构件的流动通道中流动的冷却剂流体所接收，并随后与冷却剂流体一起通过第一管状构件的流体出口送离流体冷却式巴伦变换器。冷却剂流体可以是合适的冷却剂液体。流体冷却（具体地，液体冷却）比仅通过散热的冷却更高效。这种主动冷却技术在本技术的巴伦变换器中提供了冷却的高效方式。此外，冷却技术和构造是简单的、易于集成的、并能够以紧凑的设计进行制造。

在流体冷却式巴伦变换器的实施例中，第一传导元件的至少一部分被印刷在基板的第一面上。这提供了本技术的基于印刷电路板（pcb）的巴伦变换器的有利实施例。这也有助于流体冷却式巴伦变换器的紧凑设计。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第二传导元件的至少一部分被印刷在基板的第二面上。这提供了本技术的基于pcb的巴伦变换器的有利实施例。这也有助于流体冷却式巴伦变换器的紧凑设计。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一管状构件的流动通道被布置成通过第一管状构件和第一传导元件的直接物理接触来与第一传导元件热接触。这确保了第一传导元件和第一管状构件的流动通道之间通过第一管状构件的壁或表面的良好热接触。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一传导元件包括用于使第一传导元件接地的接地点。第一管状构件的流体入口或第一管状构件的流体出口或第一管状构件的（流体入口和流体出口）二者位于邻近第一传导元件的接地点。第一管状构件的流体入口和/或流体出口的这种放置减少了在使用流体冷却式巴伦变换器期间第一管状构件和在第一管状构件中流动的冷却剂流体在第一传导元件的顶部上的存在对于通过流体冷却式巴伦变换器的rf功率流的影响。此外，在接地点直接连接到地面的情况下，第一管状构件的流体入口和/或流体出口可以用金属管而不是塑料管连接到外部流体连接。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一管状构件的流动通道被适配成湍流地引导冷却剂流体的流动。流体的湍流式流动是通过确保流动通道在流体冷却剂的流动路径中具有湍流产生结构（例如，从第一管状构件的壁的内表面到第一管状构件的流动通道中的突出）来实现的。流体的湍流式流动确保流动的冷却剂流体的较大部分的容积被最佳地用于从第一管状构件的流动通道中接收热量。这增强了由以给定速率流经第一管状构件的流动通道的给定量的冷却剂流体实现的冷却效率。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一管状构件的流动通道的形状与第一管状构件的形状不同。这确保了第一管状构件内部的流动通道以使得增加第一传导元件和第一管状构件的流动通道之间的热接触的方式成形。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一信号端口是平衡信号端口，并且第二信号端口是单端信号端口。因此，当使用流体冷却式巴伦变换器时，第一传导元件用作流体冷却式巴伦变换器的初级绕组。从而为初级绕组提供冷却。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一信号端口是单端信号端口，并且第二信号端口是平衡信号端口。因此，当使用流体冷却式巴伦变换器时，第一传导元件用作流体冷却式巴伦变换器的次级绕组。从而为次级绕组提供冷却。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，冷却模块包括第二管状构件。第二管状构件具有被适配成将冷却剂流体接收到第二管状构件中的流体入口、被适配成引导冷却剂流体在第二管状构件内流动的流动通道、和被适配成将冷却剂流体从第二管状构件释放的流体出口。第二管状构件的流动通道被布置成与第二传导元件热接触。当使用流体冷却式巴伦变换器时，合适的冷却剂流体被引入到第二管状构件的流体入口中。合适的冷却剂流体然后流经第二管状构件的流动通道到达第二管状构件的流体出口，并通过第二管状构件的流体出口离开。由于流动通道与第二传导元件热接触，所以来自第二传导元件的热量传递到第二管状构件的流动通道，并且因此由在第二管状构件的流动通道中流动的冷却剂流体接收并且通过第二管状构件的流体出口送离流体冷却式巴伦变换器。因此，第一传导元件和第二传导元件二者同时被冷却。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第二管状构件的流动通道被布置成通过第二管状构件与第二传导元件的直接物理接触来与第二传导元件热接触。这确保了第二传导元件与第二管状构件的流动通道之间通过第二管状构件的壁或表面的良好热接触。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第二传导元件包括用于使第二传导元件接地的接地点。第二管状构件的流体入口或第二管状构件的流体出口或第二管状构件的（流体入口和流体出口）二者位于邻近第二传导元件的接地点。第二管状构件的流体入口和/或流体出口的这种放置减少了在流体冷却式巴伦变换器的使用期间第二管状构件和在第二管状构件中的冷却剂流体在第二传导元件的顶部上的存在对于通过流体冷却式巴伦变换器的rf功率流的影响。此外，在接地点直接连接到地面的情况下，第二管状构件的流体入口和/或流体出口可以用金属管而不是塑料管连接到流体回路。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第二管状构件的流动通道被适配成湍流地引导冷却剂流体的流动。流体的湍流式流动是通过确保第二管状构件的流动通道在流体冷却剂的流动路径中具有湍流产生结构（例如，从第二管状构件的壁的内表面到第二管状构件的流动通道中的突出）来实现的。流体的湍流式流动确保流动的冷却剂流体的较大部分的容积被最佳地用于从第二管状构件的流动通道中接收热量。这增强了由以给定速率流经第二管状构件的流动通道的给定量的冷却剂流体实现的冷却效率。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第二管状构件的流动通道的形状与第二管状构件的形状不同。这确保了第二管状构件内部的流动通道以使得增加第二传导元件和第二管状构件的流动通道之间的热接触的方式成形。

在流体冷却式巴伦变换器的另一实施例中，第一管状构件的流动通道流体连接到第二管状构件的流动通道。因此，相同的冷却剂流体可以在第一和第二管状构件中循环，使冷却模块简单且紧凑。

在后文中参考附图中所示的所例证的实施例进一步描述本技术，在附图中：

图1示意性地示出了流体冷却式巴伦变换器的示例性实施例，

图2示意性地示出了从一侧看到的流体冷却式巴伦变换器的示例性实施例的部分，而未描绘出流体冷却式巴伦变换器的冷却，

图3示意性地示出了从顶侧看到的图2的流体冷却式巴伦变换器的示例性实施例，

图4示意性地示出了从与图3的顶侧相对的底侧看到的图2和图3的流体冷却式巴伦变换器的示例性实施例，以及

图5示意性地示出了根据本技术的各方面的流体冷却式巴伦变换器的另一示例性实施例。

在后文中，详细描述了本技术的上述特征和其它特征。参考附图描述各种实施例，其中相同的参考标号通篇用于指代相同的元件。在以下描述中，为了解释的目的阐述了众多具体细节，以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以注意到，所例证的实施例旨在解释而不是限制本发明。可以显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践此类实施例。

图1示意性地示出了根据本技术的方面的流体冷却式巴伦变换器10的示例性实施例。流体冷却式巴伦变换器10包括基板5、第一传导元件3、第二传导元件4、第一信号端口1、第二信号端口2和冷却模块20。

进一步结合图2、图3和图4来解释图1。图2、图3和图4示意性地示出了流体冷却式巴伦变换器10的示例性实施例的一些部分，而没有描绘冷却模块20。图2从侧视图示意性地示出了流体冷却式巴伦变换器10的一些部分；图3示意性地示出了从顶视图看到的图2的流体冷却式巴伦变换器10；并且图4示意性地示出了从与图3的顶视图相对的底视图看到的图2和图3的流体冷却式巴伦变换器10。

如图2中描绘的，流体冷却式巴伦变换器10包括基板5。基板5具有第一面51和第二面52。第一面51和第二面52彼此相对，即第一面51和第二面52是彼此的背面。在一个实施例中，基板5具有如图2中描绘的平面结构，并且第一面51和第二面52是平面的两个主面中的不同的面，即由平面结构的长度和幅宽（breadth）形成的两个平面而不涉及到形成平面结构的宽度（width）的面。基板5不导电并且可以由例如硅、二氧化硅、氧化铝的半导体或电绝缘材料构成。第一传导元件3被布置在基板5的第一面51上。第二传导元件4被布置在基板5的第二面52上。

第一传导元件3和第二传导元件4变换地耦合到彼此。第一传导元件3和第二传导元件4彼此电气隔离。如本文中使用的术语“传导”意指对rf（射频）功率或rf信号的传导。可以注意到，在本公开中，术语“变换地耦合”或类似短语意指以使得通过电磁感应来传递两个或更多个电路或导体或传导元件3和4之间的能量的方式来布置。因此，当rf功率或信号被第一传导元件3接收时，其通过布置在基板5的第一面51上的第一传导元件3传导或传送，并且由于rf功率通过第一传导元件3的这种传送或流动，在另一传导元件（即，放置在基板5的另一侧（即，第二面52）上的第二传导元件4）中电磁地感应出电流和对应的功率流。替换地，当rf功率或信号被第二传导元件4接收并且被传导或传送通过布置在基板5的第二面52上的第二传导元件4时，然后由于rf功率通过第二传导元件4的这种传送或流动，在另一传导元件（即，放置在基板5的另一侧（即，第一面51）上的第一传导元件3）中电磁地感应出电流和对应的功率流。第一传导元件3和/或第二传导元件4通过在基板5上附接传导材料（例如，通过焊接）或者通过在基板5的表面上印刷传导材料来布置在它们的对应面（即，第一面51和第二面52）上。在基板（也被称为晶片）上印刷传导材料的技术在印刷电路板领域中是众所周知的，并且因此为了简洁起见，本文中没有详细解释。

图3和图4分别描绘了第一面51的视图和第二面52的视图。流体冷却式巴伦变换器10包括连接到第一传导元件3的第一信号端口1，并且因此由第一信号端口1接收的rf功率传送或流动到第一传导元件3，或者反之亦然，在第一传导元件3中的任何电磁感应电流传送或流动到第一信号端口1并且能够从第一信号端口1离开流体冷却式巴伦变换器10。此外，流体冷却式巴伦变换器10包括连接到第二传导元件4的第二信号端口2，并且因此第二传导元件4中的任何电磁感应电流传送或流动到第二信号端口2并且能够从第二信号端口2离开流体冷却式巴伦变换器10，并且反之亦然，由第二信号端口2接收的任何rf功率传送或流动到第二传导元件4。

在流体冷却式巴伦变换器10的一个实施例中，第一信号端口1是平衡信号端口并且第二信号端口2是单端信号端口，如图3和图4中描绘的。因此，当使用流体冷却式巴伦变换器10将平衡输入匹配至单端输出时，第一传导元件3用作流体冷却式巴伦变换器10的初级绕组，并且第二传导元件4用作流体冷却式巴伦变换器10的次级绕组。

替换地，在流体冷却式巴伦变换器10的另一实施例（未示出）中，第一信号端口1是单端信号端口并且第二信号端口2是平衡信号端口。因此，第一传导元件3能够用作流体冷却式巴伦变换器10的次级绕组，并且第二传导元件4能够用作流体冷却式巴伦变换器10的初级绕组。

第一传导元件3包括接地点6，接地点6直接地或经由一个或多个电容器连接到地面。可选地，第二传导元件4包括接地点7，接地点7连接到地面或者可以没有任何连接并且保持开路。第一面51上的（即，与第一传导元件3或初级绕组3相关联的）区或区域8可以用于电容器放置以优化流体冷却式巴伦变换器10的变换器行为。

仅为了解释的目的而不作为对本技术的限制，在后文中在本公开中讨论了用于将平衡输入匹配至单端输出的流体冷却式巴伦变换器10的实施例，即其中第一传导元件3用作流体冷却式巴伦变换器10的初级绕组并且第二传导元件4用作流体冷却式巴伦变换器10的次级绕组的实施例。

再次参考图1，流体冷却式巴伦变换器10包括冷却模块20。冷却模块20包括第一管状构件21。第一管状构件是中空管并且包括用于将冷却剂流体（未示出）接收到第一管状构件21中的流体入口22、用于引导冷却剂流体在经由流体入口22被接收到之后在第一管状构件21内流动的流动通道23以及用于在冷却剂流体流经流动通道23之后从第一管状构件21释放冷却剂流体的流体出口24。第一管状构件21的流动通道23被布置成与第一传导元件3热接触。第一管状构件21可以具有适用于与第一传导元件3建立最佳热接触的形状和尺寸。例如，如图1中描绘的，第一管状构件21具有由被弯曲以形成“c”形状的长方体形成的“c”形结构。

流动通道23位于第一管状构件21的内部，并且可以具有与如图1中描绘的第一管状构件21的形状相似的形状，或者替换地，位于第一管状构件21内部的流动通道23可以具有不同于如图5中描绘的第一管状构件21的形状的形状。图5描绘了作为第一管状构件21中的铣削流动路径11的流动通道23。流动通道23可以通过机械加工（例如，铣削）或其它任何其它合适的制造技术（例如，激光烧结）来形成以实现与第一管状构件21的形状相同或不同的期望形状。

如前所述，第一管状构件21的流动通道23与第一传导元件3热接触，即在图1的这个示例性实施例中与初级绕组热接触。可以注意到，在本公开中，术语“热接触”和类似短语意指流动通道23和第一传导元件3之间的直接物理接触或间接物理接触（即，通过其它居间的直接物理接触），其允许热能主要通过热传导从第一传导元件3传递到流动通道23。在流体冷却式巴伦变换器10的一个实施例中，第一管状构件21的流动通道23被布置成通过第一管状构件21和第一传导元件3的直接物理接触而与第一传导元件3热接触，即，第一管状构件21的流动通道23和第一传导元件3之间的热接触是通过第一传导元件3的表面（未示出）与第一管状构件21的壁（未示出）或表面（未示出）的直接物理接触来实现的。

当使用流体冷却式巴伦变换器10时，并且当冷却剂流体（比如说冷却剂液体）被引入到第一管状构件21的流体入口22中时，冷却剂流体通过第一管状构件21的流动通道23流动至第一管状构件21的流体出口24并且通过第一管状构件21的流体出口24离开。由于流动通道23与第一传导元件3热接触，因此来自第一传导元件3的热量被传导到第一管状构件21的流动通道23，并且因此被在第一管状构件21的流动通道23中流动的冷却剂流体所接收并随后与冷却剂流体一起通过第一管状构件21的流体出口24被送离流体冷却式巴伦变换器10。

流体入口22和流体出口24可以位于第一管状构件21中的任何位置。作为示例，图1示出了邻接区域8并朝向第一信号端口1的流体入口22和流体出口24，而图5示出了邻接接地点6的流体入口22和流体出口24。在流体冷却式巴伦变换器10的一个实施例中，第一管状构件21的流动通道23被成形成使得冷却剂流体以层流流动，而在流体冷却式巴伦变换器10的替换实施例中，第一管状构件21的流动通道23被成形成使得冷却剂流体以湍流方式流动。为了引导冷却剂流体湍流地流动，流动通道在流体冷却剂的流动路径中具有湍流产生结构（未示出），例如从第一管状构件21的壁（未示出）的内表面（未示出）到第一管状构件21的流动通道23中的突出（未示出）。

在流体冷却式巴伦变换器10的另一实施例中，冷却模块20包括第二管状构件（未示出）。第二管状构件具有与参照图4和图5针对第一管状构件21解释的相似的特征，不同之处在于第二管状构件被布置成与第二传导元件4热接触。第二管状构件的所有特征（诸如被适配成将冷却剂流体接收到第二管状构件中的第二管状构件的流体入口、被适配成引导冷却剂流体在第二管状构件内流动的第二管状构件的流动通道以及被适配成从第二管状构件中释放冷却剂流体的第二管状构件的流体出口）全部类似于第一管状构件21的可比拟特征，并且可以被本领域技术人员容易地领会。为了解释的目的，由第二管状构件向第二传导元件4提供的冷却与由第一管状构件21向第一传导元件3提供的冷却相当，并且因此为了简洁起见，在本文中不作详细解释。

因此，在本技术的至少一个实施例（未示出）中，流体冷却式巴伦变换器10包括用于冷却第一传导元件3的第一管状构件21和用于冷却第二传导元件4的第二管状构件。在流体冷却式巴伦变换器10的一个实施例（未示出）中，第一管状构件21的流动通道23可以流体链接到第二管状构件的流动通道或者不与第二管状构件的流动通道连接，而在流体冷却式巴伦变换器10的替换实施例（未示出）中，第一管状构件21的流动通道23可以与第二管状构件的流动通道流体链接或连接。

虽然已经参考某些实施例详细描述了本技术，但是应领会到，本技术不限于那些确切的实施例。相反，鉴于描述用于实践本发明的示例性模式的本公开，许多修改和变化将向本领域技术人员呈现而不脱离本发明的范围和精神。因此，本发明的范围由以下的权利要求而不是由前述描述来指示。落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变、修改和变化应被视为在其范围内。