用于耦合高频信号的功率合成器以及具有这种功率合成器的功率合成器装置的制作方法

文档序号:13985218
用于耦合高频信号的功率合成器以及具有这种功率合成器的功率合成器装置的制作方法

本发明涉及一种用于将频率大于1MHz的高频信号耦合成大于100W的输出功率的功率合成器。此外,本发明还涉及一种具有这种功率合成器的功率合成器装置。



背景技术:

功率合成器例如从以下文献中已知:EP 0 210 606 A2、DE 27 33 888 A1、US 2014/0292441 A1、EP 1 347 532 A1。

高频信号源的、尤其高频晶体管放大器的输出功率被限制到几百瓦到几千瓦。因此,为了产生更高的输出功率,必须借助功率合成器将多个高频信号源联接。功率合成器应该在大的带宽下具有尽可能小的损耗。

然而与此同时,功率合成器的能够连接有高频信号源的输入端应该尽可能良好地彼此绝缘,以便避免高频信号源的交叉馈送(Querspeisung)以及反射的输出功率的不均匀分布。在连接到功率合成器的高频信号源的幅度、相位或内部阻抗不相同的情况下,即产生对于高频信号源有害的差模信号。附加地或替代地,在反射功率的分配不相同的情况下,单个放大器的相位和/或幅度以及负载阻抗可能改变。这可能导致负载最大的放大器超负荷。

由现有技术已知,在高频信号源的频率恒定的情况下对连接到功率合成器的输入端的高频信号源进行保护。然而,为了匹配于能够连接到功率合成器的输出端的负载,应该以变化的频率(所谓的频率调谐操作)来运行连接到功率合成器的输入端的高频信号源。因此,期望提供一种功率合成器,该功率合成器的输入端即使在频率改变的情况下,对于连接到输入端的高频信号源的幅度、相位或内部阻抗不相同的情况也显著改善地匹配并且绝缘。



技术实现要素:

因此,本发明的任务在于提供一种功率合成器以及一种具有这种功率合成器的功率合成器装置,所述功率合成器以及功率合成器装置在频率调谐操作中安全、稳定地工作。

该任务通过具有权利要求1的特征的功率合成器以及具有权利要求14的特征的功率合成器装置来解决。从属权利要求说明优选的扩展方案。

因此,根据本发明的任务通过用于将频率大于1MHz的高频信号耦合成大于100W的输出功率的功率合成器来解决,其中,该功率合成器具有:

a)用于第一高频信号的第一输入端;

b)用于第二高频信号的第二输入端;

c)用于连接用电器的输出端;

d)接地连接;

e)使第一输入端与输出端连接的第一电感

f)使第二输入端与输出端连接的第二电感;

g)使输出端与接地连接连接的合成器电容器;

其中,第一电感与第二电感磁性解耦合,其中,第一输入端通过功率合成器的RC匹配环节与第二输入端连接。

在此,功率合成器可以至少部分地平面地由多层电路板构成。

功率合成器还可以具有第一电路板,所述第一电路板具有第一能够导电的层和第一电绝缘层。

第一电路板还可以具有RC匹配环节。

因此,根据本发明的功率合成器具有由电感和共同的合成器电容器构成的LC合成器,其中,电感彼此磁性解耦和。

两个电感的解耦和不排除很小的寄生耦合。然而,目标是尽可能低的耦合。为此,电感可以作为平面电感在平行的平面中或同一平面中彼此间隔开地布置。这种间隔开的平面电感的最外部绕组可以具有至少1cm的间距。

根据本发明,匹配网络在此设置在功率合成器的输入端之间,该匹配网络具有电阻电容性的电路装置、即RC匹配环节。基于驱动功率合成器的基频实现RC匹配环节的规格制定。结果,功率合成器可以在小的结构尺寸和高带宽的情况下实现低损耗。

功率合成器优选构造用于耦合1MHz至200MHz之间的高频信号。

特别优选地,功率合成器构造用于输出高于2kW的功率。

在功率合成器的特别优选的构型中,功率合成器构造用于小于0.5dB、尤其小于0.1dB的插入损耗进一步优选构造用于小于0.05dB的合成衰减。这尤其是在以基频的±10%的频率下工作的情况下。

功率合成器可以作为功率分配器工作。

功率合成器优选具有用于第三高频信号的第三输入端,其中,第三输入端通过功率合成器的第三电感与输出端连接,其中,第三电感与第一电感以及第二电感磁性解耦和,其中,第一RC匹配环节在一端与第一输入端连接,其中,第二RC匹配环节在一端与第二输入端连接,其中,第三RC匹配环节在一端与第三输入端连接,其中,第一RC匹配环节、第二RC匹配环节以及第三RC匹配环节在另一端彼此连接。

在本发明的这种构型中,三个高频信号源能够连接到功率合成器各一个输入端处。第一输入端通过第一RC匹配环节以及第二RC匹配环节与第二输入端连接。第二输入端通过第二RC匹配环节以及第三RC匹配环节与第三输入端连接。第三输入端通过第三RC匹配环节以及第一RC匹配环节与第一输入端连接。

进一步优选地,功率合成器可以具有用于另外的高频信号的另外的输入端,其中,另外的输入端通过功率合成器的另外的电感与输出端连接,其中,另外的电感与第一电感、第二电感以及第三电感磁性解耦和,其中,另外的RC匹配环节在一端与另外的输入端连接并且在另一端与第一RC匹配环节、第二RC匹配环节以及第三RC匹配环节连接。

功率合成器可以具有任意多个另外的输入端,它们通过分别另外的电感与输出端连接,其中,另外的电感与其他电感磁性解耦和,其中,另外的输入端分别与另外的RC匹配环节连接,其中,另外的RC匹配环节分别在一端与另外的输入端连接,并且在另一端与其他RC匹配环节连接。

电感优选被相同地确定参数。特别优选地,第一RC匹配环节、第二RC匹配环节、第三RC匹配环节和/或每个另外的RC匹配环节被相同地确定参数。

此进一步优选地,RC匹配环节如此选择,使得每两个输入端之间的总阻抗是100Ω。由此,可以借助功率合成器使商用的、具有50Ω输出电阻的高频信号源高效并且可靠地联接。

为了简化电路并且便于功率合成器的制造,RC匹配环节在一端连接到交叉点处。交叉点优选构造成星形。

RC匹配环节可以具有由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路。这种串联电路造成是在结构上构特别简单的、能够容易计算的、能够容易确定参数的以及能够成本有利地制造的。

RC匹配环节优选以由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路的形式构造。

优选地,多个RC匹配环节分别具有一个由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路,或分别由由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路构成。

在本发明的进一步优选的构型中,所有的RC匹配环节具有由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路,或进一步优选地分别以由匹配电阻和匹配电容器构成的串联电路的形式构造。

如果功率合成器至少部分地平面地以多层电路板的形式构造,则进一步简化功率合成器的制造并且进一步降低功率合成器所需要的结构空间,其中,功率合成器具有第一电路板。第一电路板具有第一能够导电的层以及第一电绝缘层。第一能够导电的层布置在第一电绝缘层上。多层电路板具有多个能够导电的层,所述多个能够导电的层尤其彼此平行地布置。

优选地,多层电路板的多个、尤其所有能够导电的层不是通过空气,而是通过电介质、尤其电绝缘的层与分别相邻的能够导电的层隔离,以便节省结构空间并且提高功率合成器的抗击穿强度。

功率合成器的特征在于,第一电路板具有第一RC匹配环节。在此,第一电路板优选可从外部可触及地布置在功率合成器上。由此,可以简便地对RC匹配环节进行调节。

优选地,第一电路板具有多个、尤其所有RC匹配环节。

RC匹配环节优选在第一电路板上在交叉点中连接。特别优选地,第一电路板关于如下轴线呈轴对称地构造:所述轴线垂直于第一电路板的主平面延伸并且与交叉点相交。

RC匹配环节的匹配电阻和匹配电容器可以分别以构件形式装配到第一电路板上。由此,可以后续地改变RC匹配环节、例如更换或不同地确定参数。

优选地,RC匹配环节的所有匹配电阻和所有匹配电容器分别以构件形式装配到第一电路板上。

进一步优选地,第一电路板具有第一输入端和第二输入端、尤其所有的输入端。如果第一电路板能够从外部触及,则由此可以将高频信号源简便地连接到功率合成器处。第一电路板可以具有输出端和/或接地连接。

如果合成器电容器以平板电容器的形式构造,则节省结构空间并且简化功率合成器的制造,其中,平板电容器的第一板构造在多层电路板的第二能够导电的层上,平板电容器的第二板构造在多层电路板的第三能够导电的层上。

平板电容器可以具有第三板,该第三板与第一板导电连接并且构造在多层电路板的第四能够导电的层上。由此,可以在基本上不增大结构空间的情况下显著提高合成器电容器的电容。

特别优选地,平板电容器的第二板布置在第一板与第三板之间。

进一步优选地,第二板与接地连接导电连接。

在本发明的进一步优选的构型中,接地连接与功率合成器的冷却板连接。

为了进一步节省结构空间,第二能够导电的层优选具有呈平面构造的电感形式的第一电感。

此外,第二能够导电的层还可以具有呈平面构造的电感形式的第二电感、呈平面构造的电感形式的第三电感和/或构呈平面构造的电感形式的第四电感。优选地,第二能够导电的层具有所有电感,其中,电感分别构造成呈平面构造的电感。

此外,根据本发明的任务还通过具有上述功率合成器的功率合成器装置来解决,其中,功率合成器装置具有:连接到第一输入端处的第一高频信号源、连接到第二输入端处的第二高频信号源、以及尤其具有连接到输出端处的用电器。

功率合成器装置可以具有连接到第三输入端处的第三高频信号源和/或连接到第四输入端处的第四高频信号源。此外,功率合成器装置还可以具有连接到另外的输入端处的另外的高频信号源。

第一高频信号源、第二高频信号源、第三高频信号源、第四高频信号源和/或另外的高频信号源优选以高频晶体管放大器、尤其频率捷变的高频晶体管放大器的形式构造。特别优选地,所有的高频信号源构造成相同的。

用电器优选以等离子体设备的形式构造。

RC匹配环节的阻抗优选如此选择,使得功率合成器的两个输入端之间的总阻抗相应于连接到这两个输入端处的高频信号源的输出阻抗的总和。由此,高频信号源彼此绝缘并且特别有效地防止差模信号。

优选地,高频信号源分别具有一个50Ω的输出阻抗,其中,RC匹配环节如此选择,使得连接有高频信号源的两个输入端之间的总阻抗是100Ω。由此,功率合成器装置可以实现商用高频信号源的使用。

附图说明

本发明的其他特征和优点从接下来对本发明的多个实施例的详细描述中、根据示出本发明重要的细节的附图、以及从权利要求中得出。

附图中所示的特征如此示出,使得根据本发明的特征更加清晰可见。各个特征可以单独实现或在本发明的变型方案的情况下以多个任意组合的形式实现。

附图示出:

图1示出具有功率合成器以及两个连接到功率合成器处的高频信号源的根据本发明的第一功率合成器装置的电路图;

图2示出用于将根据本发明的功率合成器装置与根据现有技术的威尔金森电路进行比较的曲线图;

图3示出具有另一功率合成器以及四个连接到功率合成器处的高频信号源的根据本发明的第二功率合成器装置的电路图;

图4示出另一功率合成器的结构的示意性的局部示图。

具体实施方式

图1示出具有功率合成器12的功率合成器装置10。功率合成器12具有第一输入端14a和第二输入端14b,在所述第一和第二输入端上分别连接有高频信号源16a、16b。高频信号源16a-b用于给呈等离子体设备形式的用电器18供电。用电器18连接到功率合成器12的输出端20处。此外,功率合成器还具有接地连接22。

通过电感24a、24b以及合成器电容器26实现高频信号源16a-b的高频信号的耦合。

为了使两个输入端14a-b绝缘并且为了保护两个高频信号源16a-b免受不均匀分配的反射的差模信号的影响,在两个输入端14a-b之间连接有RC匹配环节28,这在图1中用虚线框出。RC匹配环节28具有匹配电阻30和匹配电容器32。

RC匹配环节28以由匹配电阻30和匹配电容器32构成的串联电路的形式构造。RC匹配环节28如此确定参数,使得输入端14a-b之间的阻抗相应于高频信号源16a-b的输出阻抗的总和。在当前情况下,两个高频信号源16a-b分别具有50Ω的输出阻抗。因此,RC匹配环节28如此确定参数,使得输入端14a-b之间的阻抗是100Ω。

在此,输入端14a-b之间的阻抗通过RC匹配环节28以及两个电感24a-b确定,并且基于基频以如下方式计算:

在此,Z是输入端14a-b之间的阻抗,L1是第一电感24a的电感,L2是第二电感24b的电感,R1是匹配电阻30的电阻,C是匹配电容器32的电容。

结果,匹配电阻30具有50Ω的电阻,匹配电容器32具有78pF的电容,电感24a-b分别具有195nH的电感,合成器电容器具有78pF的电容。上面提到的计算提供功率合成器12在偏离高频信号源16a-b的基频的情况下的最佳平衡。

图2示出根据本发明的经平衡的功率合成器的带宽(实线,A)与根据现有技术的CLC威尔金森功率合成器的带宽(点划线,B)的比较。由图2可看出,根据本发明的功率合成器在偏离基频的情况下具有显著改善的传输特性,功率合成器基于该基频确定参数。

图3示出具有功率合成器12的另一功率合成器装置10。功率合成器12具有第一输入端14a、第二输入端14b、第三输入端14c以及第四输入端14d。第一高频信号源16a连接到第一输入端14a处,第二高频信号源16b连接到第二输入端14b处,第三高频信号源16c连接到第三输入端14c处,第四高频信号源16d连接到第四输入端14d处。

第一电感24a在一端与第一输入端14a连接,第二电感24b在一端与第二输入端14b连接,第三电感24c在一端与第三输入端14c连接,第四电感24d在一端与第四输入端14d连接。电感24a-d在另一端与连接有用电器18的输出端20连接。此外,电感24a-d在另一端与合成器电容器26连接。合成器电容器26与接地连接22连接。

第一RC匹配环节28a在一端与第一输入端14a连接,第二RC匹配环节28b在一端与第二输入端14b连接,第三RC匹配环节28c在一端与第三输入端14c连接,第四RC匹配环节28d在一端与第四输入端14d连接。RC匹配环节28a-d在另一端在交叉点34处彼此连接。

RC匹配环节28a-d相同地构造。因此,接下来为避免重复而仅详细考虑第一RC匹配环节28a。第一RC匹配环节28a具有由匹配电阻30和第一匹配电容器32a构成的并联电路,其中,该并联电路与第二匹配电容器32b串联连接。第一RC匹配环节28a如此确定参数,使得在输入端14a-b之间——在考虑第二RC匹配环节28b以及电感24a-b的情况下——存在相应于高频信号源16a-b的输出阻抗的总和的阻抗。由此,交叉点34具有虚拟接地电位。在当前情况下,第一RC匹配环节28a具有50Ω的电阻,其中,电感24a-b分别具有300nH至400nH、尤其339nH的电感。

图4示出另一功率合成器12的示意性结构。功率合成器12具有多层电路板36。多层电路板36具有多个能够导电的层。在当前情况下,多层电路板36具有第一能够导电的层38a、第二能够导电的层38b、第三能够导电的层38c以及第四能够导电的层38d。

清楚起见,能够导电的层38a-d以过远的距离彼此间隔开地示出。

此外,在图4中为清楚起见,能够导电的层38a-d的能够导电的结构不设有附图标记,而以下平面设有附图标记:能够导电的层38a-d的能够导电的结构处于该平面中。多层电路板36在能够导电的层38a-d之间具有电绝缘层,清楚起见,所述电绝缘层在图4中未示出。

输入端14a-d处于最上面的、能够从外部接触的第一能够导电的层38a中。输入端14a-d分别与用虚线框出的RC匹配环节28a-d连接。RC匹配环节28a-d分别具有用于匹配电阻和匹配电容器的容纳部,出于可表示性的原因,所述容纳部在图4中仅被标明。

RC匹配环节28a-d的背向输入端14a-d的端部在交叉点34处聚合。由于在交叉点34处聚合而形成的点状构造,有利地,交叉点34具有良好的对称性。通过结构的较小的表面可以进一步降低电容效应。

输入端14a-d分别与电感24a-d连接。电感24a-d的端部通过桥40a-d与第一板42连接。输出端20与第一板42连接。

多层电路板36在第三能够导电的层38c中具有与第一板42相对置的第二板44。第二板44与接地连接22连接。第二板44不与桥40a-d接通。

可选地,多层电路板36在第四能够导电的层38d中具有第三板46,该第三板同样如第一板42那样与桥40a-d连接。因此,第三板46具有与第一板42相同的电位。第一板42、第二板44以及第三板46共同形成合成器电容器26。通过第三板46使合成器电容器26的电容显著提高。

多层电路板36的层之间的敷镀通孔可以穿过所有层并且在每层中具有能够导电的焊盘。然后,在第一层38a上存在四个焊盘,它们具有从输出端20的电位的第二平面直到第一层38a的电接通。所述焊盘目前非常接近交叉点34。为了可靠的绝缘并且为了避免泄漏电流,可以将绝缘板压制或粘接到第一平面上。所述绝缘板可以具有第三板46的尺寸。

匹配环节28、28a-28d分别可以具有电容器和电阻的串联电路。如果电阻布置在多层电路板36的凹槽中,使得接通部焊接到多层电路板36上并且其发热的本体在布置在多层电路板36下面的冷却板上接通,则电阻可以良好地冷却。

如果多层电路板借助在多层电路板36与冷却板之间固定在冷却板处的陶瓷板固定,则多层印制电路36可以良好地冷却。陶瓷板可以是2mm至7mm厚。陶瓷板可以具有比多层电路板36在面积中更小的尺寸。因此,多层电路板36可以伸出超过陶瓷板。

陶瓷板可以如此构型,使得其覆盖电感24a-24d,但不覆盖连接25a-d。然后,连接25a-d可以与其他的电路板、例如与放大器电路板的输出端直接连接。

陶瓷板可以如此构型,使得其覆盖电感24a-d,但不覆盖输出端20的连接以及接地连接22。然后,所述连接可以与其他的电路板或与接地的冷却板直接连接。

在概览所有附图的情况下,本发明涉及一种呈经平衡的LC合成器形式的功率合成器12。功率合成器12的输入端14a-d分别通过至少一个RC匹配环节28、28a-d彼此绝缘。至少一个RC匹配环节28、28a-d优选如此确定参数,使得输入端14a-d之间的连接在功率合成器12工作的情况下在至少一个位置处处于稳定电位。进一步优选地,功率合成器12以平面的结构形式构造并且具有彼此平行延伸的能够导电的层38a-d。在能够导电的层38a-d中优选构造有至少一个电感24a-d以及合成器电容器26。此外,本发明还涉及一种具有之前描述的功率合成器12以及连接到至少两个输入端14a-d处的高频信号源16a-d的功率合成器装置10,该功率合成器装置优选以频率捷变的晶体管放大器的形式构造。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1