专利名称：Hf功率耦合器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种HF功率耦合器，其用于耦合至少两个分别具有大于3kW的功率和在3和30M Hz之间的相等频率和可调节的彼此相位关系的高频功率信号，所述HF功率耦合器具有至少一个第一和第二电导体(110，111)，它们彼此间隔开并且电容式地和电感式地彼此耦合，其中，至少一个第一和/或第二导体的长度小于lm，优选小于O. 5m，其中，第一导体是变压器的初级侧，第二导体是变压器的次级侧，其中，导体被构造为印刷电路板上的平的印制导线。
背景技术：
在激光激励处理或者等离子体处理的领域中，具有通常的工业频率13. 56MHz和 27. 12MHz和IkW至50kW的输出功率的高频放大器是已知的。力求使用更大功率和更高频率的高频放大器，但由于各种原因实现较困难。一个原因是激光激励处理或等离子体处理的负载阻抗的非线性和动态的、往往不可预见的变化。阻抗的所述动态变化产生在放大器中导致损耗的反射。在此，在放大器的无功元件中、在馈电线中以及在匹配网络的无功元件中存储的高无功能量可以卸载并且建立过高的电压或电流，并且激励放大器振荡或者损坏部件。这种负载阻抗变化例如在点燃激光激励处理或等离子体处理时或者在等离子体处理中产生电弧时出现。另外必须考虑，脉冲式地运行高频运行的激光激励以及(在越来越大的程度上)高频激励的等离子体处理，即以例如IOOHz至300kHz的脉冲频率接通和关断或者在两个功率区域之间转换高频放大器。在每个转换过程中产生短时间的反射，所述反射绝大部分在放大器中转化为损耗能量，即发热。这样的高频放大器的输出级对于小功率(l_6kW)已经以晶体管实现，对于较大的功率使用通常的电子管。与晶体管相比，电子管相对于反射更稳健并且可以更好地导出损耗能量，但其较贵并且可能遭受由运行决定的磨损。此外其相对较大。连同控制电路和冷却装置一起，在开关柜中提供结构大小约为O. 8mXlmX2m的电子管高频放大器。因此，越来越试图为较大功率的高频放大器装配晶体管输出级。通过使用晶体管化的放大器，显著增加了在共振运行中工作的、所连接的放大器的使用。在此，如此转换晶体管，使得仅仅产生非常小的损耗能量。由此可以构造具有非常小的尺寸和相对较高的功率的放大器。可实现具有约为O. 3mXO. 2mXO. 2m的结构大小的13. 56MHz、3kW放大器。这样的放大器由于其结构大小可以更好地集成在等离子体设备或激光激励设备中。可以通过多个同步运行的高频放大器的互联来实现具有晶体管化的输出级的大功率。所述互联通过所谓的组合器(Combiner)实现。存在多种结构类型的这样的组合器。一种在微波技术或无线电发射器技术中经常使用的组合器是所谓的90°混合耦合器，其也称为3dB耦合器。90°混合耦合器涉及四门单元(Viertor)。在使用90°混合耦合器作为组合器时，在两个门上分别连接一个具有分别相同的内阻、相同的输出频率和90°相移的输出信号的高频功率放大器。在第三门上连接具有负载电阻的负载。在第四门上连接负载平衡电阻。放大器的负载电阻、负载平衡电阻和内阻相同。如此设计90°混合电路(Hybrid)的仅仅无源的部件(导线、电容器、变压器或电感)，使得在负载上汇集两个放大器的功率，在负载平衡电阻上不输出功率，两个放大器是去耦合的并且不会相互影响。90°混合电路自身理想地无损耗，即两个高频放大器的功率被完全输送给位于第三门处的负载。由微波技术已知的3dB耦合器被构造为具有λ /4的导线长度的导线耦合器。这里λ应是与频率相应的波长。所述导线耦合器技术仅可非常不利地用于3和30MHz之间的频率，因为具有λ /4长度的结构大小有几米，这在所期望的发生器缩小方面意味着退步。替代地，由分立的部件构造90°混合耦合器，其中，90°混合耦合器通常具有至少 一个用于电容式耦合的电容和一个具有用于电感式磁耦合的耦合电感的变压器。为了调节90°混合耦合器的所期望的特性，耦合电感和耦合电容应满足以下条件Lk = Z0/ (2 31 f)Ck = 1/(2 31 fZ0)其中Lk :耦合电感CK:耦合电容Zci:波阻f :频率在13MHz和Ztl = 50的情况下例如得到约600nH的耦合电感Lk和约200pF的耦合电容CK。由分立部件构成90°混合耦合器总是要求精密部件方面的高耗费，这些精密部件可能还必须进行调整。尤其是对于较大的功率(大于3kW)而言，这总是非常昂贵的。可以简单地、低成本地并且可非常精确地再制造地实现借助于具有定义的面积和定义的彼此间距的两个间隔开的电导体的耦合电容。但借助于两个这样的导体大多达不到所需的电感。因此，必须适当地提高电感。一种可行方案在于，仅仅借助电感提高元件、例如铁氧体来提高电感。为了在大功率的情况下得到所需的电感，需要具有大尺寸和高成本的电感提高元件。例如在EP 1699107A1和W02005027258A1中公开了这种类型的HF功率耦合器。当至少两个高频功率信号分别具有大于3kW的功率时，印制导线之间的电压上升到非常高的值。此外，由于损耗的发热加剧。
实用新型内容本实用新型的任务在于，如此进一步构造HF功率耦合器，使得即使在大功率的情况下也可以实现更少的发热。所述任务通过开始部分所述类型的HF功率耦合器解决，其中，印刷电路板具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料作为第一和第二导体之间的绝缘层。所述材料迄今尤其是用于微波技术，并且由于其较高的价格以及其较低的机械强度不用在3至30MHz之间的频率下的HF功率耦合器中。然而尤其是在大功率的情况下以及在所述较低的频率下通过所述材料可以实现预想不到的优点。由于较低的介电损耗，可以显著地减少发热。由此，能够以与90°混合耦合器的较大间距实现通过导电的冷却体的冷却,在所述冷却体中例如可以集成基于液体的冷却。冷却体的过近的间距导致由冷却体和90°混合耦合器之间的电容耦合引起的缺点。另外，在冷却体与90°混合耦合器之间的间距过小时由于出现的高电压必须提供较大耗费来防止电压火花放电，例如在敞开的印制导线上方的绝缘漆或者压接的或粘接的绝缘板。也可以减少这些昂贵的并且在生产技术上费事的措施。此外，所使用的材料在使用的、在3与30MHz之间的频率下以及在电压和电流下显示出电压极其稳定并且具有相对于高电压和高频场的更高长期稳定性的特征。在具有传统印刷电路板材料的HF功率耦合器上的增加的热量导致印刷电路板的机械强度减弱。由此不再能够确保用于避免电压火花放电的勉强保持的安全间距。所述不安全性也额外地通过新使用的材料消除。虽然所述材料自身在低温下具有较低的机械强度，但所述机械强度在以大功率运行时更稳定。此外，传统材料的介电特性可能变化，这又可以导致耐压强度的减弱。这里，新使用的材料表现出显著更高的可靠性、稳定性、长期稳定性和可再制造性。HF功率耦合器可以具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料。由此即使在低温下也可以改善机械强度。由此可以将含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料设计得很薄，而不损失机械强度。印刷电路板可以被构造为多层的。在此，可以由环氧树脂织物制造无耐压强度要求或耐压强度要求不高的层，而具有高耐压强度要求的层具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料。具有高耐压强度要求的层也可以部分优选地在耐压强度要求特别高的区域内具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料。HF功率耦合器可以在没有电压差的印制导线之间具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料。在HF功率耦合器中，印刷电路板可以是多层印刷电路板，并且多层印刷电路板的至少一个绝缘层具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料，并且至少一个另外的层具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料。通过所述方式，这种耦合器的生产特别简单、可靠和可再制造。即使在尺寸有限的情况下也可以可靠地保持耐压强度。在HF功率耦合器中，可以通过至少Imm的半径倒圆地实现平的印制导线的角部。在尖的角部处或者在具有较小半径的倒圆的角部处会产生高的场强。这会在这些位置上导致部分放电或者电晕放电。尤其是在由于新使用的材料现在再次在无附加的绝缘材料层的情况下实施的印制导线中，所述实施方式是有利的。在HF功率耦合器中，可以通过至少I μ m的半径倒圆地实现平的印制导线的棱边。由此产生如同倒圆的角部那样的优点。在HF功率耦合器中，平的印制导线的角部可以是斜切的，使得角部处的所有角度至少大于100°。由此产生如同倒圆的角部那样的优点。在HF功率耦合器中，平的印制导线的棱边可以是斜切的，使得角部处的所有角度至少大于100°。由此产生如同倒圆的角部那样的优点。在HF功率耦合器中，印制导线可以具有70 μ m的最小厚度。由此可以通过唯一的措施同时实现多个优点。第一可以实现更高的机械强度。第二热量可以更好地传导给连接端子或者具有低电压的区域并且由此对于散热的更好可能性传导给冷却体。第三可以以较大的半径倒圆棱边，由此可以减小场强和部分放电、电晕放电和火花放电的危险。在HF功率耦合器中，印刷电路板可以在环氧树脂织物中具有一些另外的铜导线，这些另外的铜导线位于与相邻的印制导线相同的电位上。由此可以通过唯一的措施同时实现多个优点。第一可以实现更高的机械强度。第二热量可以更好地传导给连接端子或者具有低电压的区域并且由此对于散热的更好可能性传导给冷却体。第三可以减小棱边和角部处的场强，由此可以减小部分放电、电晕放电和火花放电的危险。在HF功率耦合器中，另外的铜导线可以具有通向相同电位的印制导线的敷镀通孔(Durchkontaktierung)。由此既提高机械强度并且因此提高可靠性,也改善散热。HF功率耦合器可以是90°混合耦合器。可调整的相位关系可以不等于0°，尤其是在正常运行中位于28°和100°之间、尤其是位于90°。这样的耦合器特别适合大功率的耦合，但在此也特别适合高电压。在其他耦合器中在耦合时波阻不同并且因此耦合器上 的电压较低，而在90°混合耦合器中所有连接端子上的波阻是相同的，通常为50欧姆。由此，对90°混合耦合器的电压要求比对通常的HF功率耦合器的电压要求大得多。
在附图中示意性地示出并且在以下参考附图详细地说明本实用新型的优选的实施例。附图示出图I :HF功率耦合器的局部侧视图；图Ia :90。混合电路 100 ；图2 90°混合电路的立体示意图，具有由四个印制导线构成的印制导线组；图3 :90°混合电路的电路图；图4 :两个设置用于90°混合电路的印制导线；图5 :两个设置用于90°混合电路的印制导线在功能位置中的布置，具有位于其间的绝缘子；图6 :四个设置用于90°混合电路的印制导线的布置；图7 :90°混合电路的立体示意图。
具体实施方式
在图I中示出了 HF功率耦合器107的局部侧视图。它实现为多层印刷电路板。各层表示第一导体的铜导线101、103、由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料102、含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料104和第二导体的铜导线105。在第一和第二导体之间可以出现高电压和高损耗，因此这里使用含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料104。第一导体的铜导线101、103平行地敷设在两个平面内。它们各处具有相同的电位。这里对耐压强度或损耗降低没有要求。这里为了机械加强可以使用环氧树脂织物。第一导体的铜导线101、103可以在多个位置上通过敷镀通孔106连接。其附加地提高机械强度，改善散热并且确保电场均匀分布，并且因此负责铜导线的棱边和角部处的更小场强。在图Ia中示出了 90°混合电路100的实施例，其形成具有四个门连接端子的四门单元。所述90°混合电路的布置具有两个彼此平行地、共面地、相邻地设置的印制导线17、18，所述印制导线17、18构造为板状，如在图4中可清楚地看到的那样。这里还示例性地示出了印制导线的角部的倒圆或者斜切。确定印制导线彼此的尺寸和间距，以形成90°混合电路所需的电容耦合和磁感应耦合。因此，电容耦合和磁感应耦合集成在平行耦合的、平的印制导线的唯一布置中。印制导线17、18的端部23形成四门单元的四个连接端子I至4，并且与同轴插口Ia至4a连接。铁氧体环形磁芯15用于提高印制导线的电感。90°混合电路100构造在基板19上，所述基板19与地连接。90°混合电路的角部是斜切的，以便减小这些角部处的场强。在图3中示出了 90°混合电路100的电路图。其具有用于第一高频放大器9的第一连接端子I、用于第二高频放大器10的第二连接端子2、用于具有负载电阻13的负载 16的第三连接端子3和用于负载平衡电阻14的第四连接端子4。电阻11和12代表所耦合的高频放大器9、10的内阻。感应耦合或耦合电感通过感应变压器7表示，它的一个耦合电感一方面连接到第一连接端子I上而另一方面连接到第四连接端子4上，它的另一个耦合电感平行于电感8并且一方面连接到第三连接端子3上而另一方面连接到第二连接端子2上。耦合电容通过电容器5、6表示，它们分别设在第一和第三以及第四和第二连接端子之间。电感8基本上通过用于负载16的第三连接端子3和用于第二高频放大器10的第二连接端子2之间的印制导线长度确定。比例I : I的磁感应耦合基本上通过面侧(flachseitig)相邻的印制导线17、18之间的间距确定。稱合电容5、6基本上通过共面地、相邻地相互对置的印制导线17、18的面积以及它们彼此的间距确定。为了建立这样的变压器需要紧密感应耦合，即初级侧印制导线和次级侧印制导线必须尽可能地彼此靠近。特别是借助于印刷电路板设计可以非常简单地实现印制导线17、18之间定义的并且主要恒定的间距。但因为为了实现90°混合电路不仅需要大的感应耦合而且也需要定义的电耦合，所以印制导线17、18不是并排地设置而是面侧叠置地设置，并且优选相应于图5设置在作为绝缘子20的板(Platine)21上。在此，不同电位的两个相邻面以已知的方式产生一个板式电容器。原则上，如此设计耦合导线的布局，使得分别产生以面积a. b以间距d共面地相互对置的两个面(图5)。因此，一方面实现具有比例I : I的变压器，另一方面实现一定的耦合电容。所述电容粗略近似地如在板式电容器中那样根据下式计算C= ε 0* ε r*a*b其中，a是耦合导线(印制导线17、18)的宽度、b是耦合导线(印制导线17、18)的长度，而d是两个耦合导线的间距。^是作为绝缘子和间距保持单元位于印制导线17、18之间的板材料的介电常数，ε r是作为绝缘子和间距保持单元位于印制导线17、18之间的板材料的相对介电常数。因为导线必须引导穿过铁氧体磁芯，所以导线的宽度限制为b=18mm。导线的长度同样如需要那样短。原则上，印制导线17、18可以如在图2和图7中示出的那样是空气绝缘的，即通过间隙彼此间隔开。然而，位于其间的固体绝缘子产生更高的耐压强度和更高的电容。此外，如上所述，给出了印制导线17、18之间定义的并且主要恒定的间距。在图2中角部是斜切的，并且至少在印制导线18的两个棱边处同样示例性地示出斜切。为了近似地考虑边缘散射(Randstreuung),由a+d/2替代a,由b+d/2替代b。为了实现高品质的电容，使用适用于高频的、低损耗的板材料作为电介质，其优选具有相对介电常数ε ^ = 2. 33 (厚度d = O. 5mm)。为了精确地制造具有尽可能小的公差的电容需要首先产生尽可能小的介电损耗并且其次具有尽可能精确确定的[印silon]r的板材料。为此可以使用具有介电常数2. 33(公差+/-0. 02)的材料，其在实际实验中已经证实是合适的。为了在基面给定的情况下提高耦合电容，如在图2、图6和图7中可以看到的那样，可以以两个印制导线的整数倍、以其面侧彼此共面地设置多于两个印制导线17、18。 电容随着每一层提高C= ε Q* ε ja*b。通过印制导线的宽度a可以预调节电容。然后可以根据需要以集中部件(konzentrierte Bauteile)进行补偿目的的调整,但所述集中部件与总电容相比仅仅具有较小的值，例如是总电容的1/10至1/100。在示出的图2、图6和图7的实施例中，通过印制导线17、18和17a、18a形成由四个印制导线组成的印制导线组，其中，每两个不直接相邻的印制导线17、17a或者18、18a在端部彼此电连接，并且在相应连接的端部形成门连接端子I至4。如在图2和图7中可以看到的那样，可以通过线桥或者在使用板的情况下通过敷镀通孔形成电连接22。为了提高电感，设有包围印制导线17、17a、18、18a的铁氧体磁芯15 (图I和图7)。实验已经表明，具有12个芯和约7*20cm的尺寸的结构可以耦合在一起在输出端产生直至7kW的功率。在进一步优化的情况下可以实现直至IOkW的功率。每个导体由于它的长度而具有大约为7nH/cm的自感。为了能够缩短由为90°混合电路计算出的电感得出的印制导线的长度，使铁氧体环形磁芯15在耦合印制导线上移动，从而在可预给定的印制导线长度的情况下实现所需的电感，其在本实施例中约为590nH。铁氧体环的制造商标明Al值，借助所述Al值可以计算出通过铁氧体环的电感提高。L = A!*n2(L =具有铁氧体的电感，η =阻数)，在我们的情形中η = I。尺寸为36*23*15mm(dA*dl*b)的典型的环形磁芯根据制造商说明(Ferroxcube)具有17011!1的\值。因此可以借助三个环形磁芯产生510nH的电感。借助Fair-Rite公司的环形磁芯(材料67)和相当的尺寸(35. 55*23*12. 7mm)可以实现约44. 5nH的Al值。即，对于590nH的所需电感，需要11或12个所述结构类型的磁
-!-H
Λ ο过大或者过小的电感可以通过电容补偿。为了进行说明，在图7中仅仅绘出一个铁氧体环形磁芯15。为了显著缩短90°混合电路100的结构长度，如在图I中可以看到的那样，可以设有整系列这样的铁氧体环形磁芯15，例如12个铁氧体环形磁芯15。为了可以良好地装配高频连接端子(门I至4)，印制导线17、18、17a、18a在其端部23处分别延长约一半印制导线宽度a/2，并且侧面错开地设置。在使用印刷电路板的情况下，各印制导线17、18、17a、18a可以借助于在印刷电路板技术中已知的简单的敷镀通孔连接并且被引导至连接端子Ia 至4a。
权利要求1.HF功率耦合器，用于耦合至少两个分别具有大于3kW的功率和在3与30MHz之间的相同频率以及可调节的彼此相位关系的高频功率信号，所述HF功率耦合器具有至少一个第一和第二电导体(110，111)，它们彼此间隔开并且电容式地和电感式地彼此耦合，其中，所述至少一个第一和/或第二导体的长度小于lm、优选小于0. 5m，其中，所述第一导体是变压器的初级侧，而所述第二导体是所述变压器的次级侧，其中，这些导体被构造为印刷电路板上的平的印制导线，其特征在于，所述印刷电路板具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料作为所述第一和第二导体之间的绝缘层，并且所述印刷电路板具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料。
2.根据权利要求I所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述印刷电路板是多层印刷电路板，并且所述多层印刷电路板的至少一个绝缘层具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料，并且至少一个另外的层具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料。
3.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述印刷电路板 在没有电压差的印制导线之间具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料。
4.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述平的印制导线的角部是通过至少1_的半径倒圆的。
5.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述平的印制导线的棱边是通过至少I U m的半径倒圆的。
6.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述平的印制导线的角部是斜切的，使得所有角度大于100°。
7.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述平的印制导线的棱边是斜切的，使得所有角度大于100°。
8.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述印制导线具有70 iim的最小厚度。
9.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述印刷电路板具有一些另外的铜导线，这些另外的铜导线位于与相邻的印制导线相同的电位上。
10.根据权利要求9所述的HF功率耦合器，其特征在于，这些另外的铜导线具有通向相同电位的印制导线的敷镀通孔。
11.根据权利要求I至2中任一项所述的HF功率耦合器，其特征在于，所述耦合器是90°混合耦合器，并且所述可调节的相位关系不等于0°。
专利摘要HF功率耦合器，用于耦合至少两个分别具有大于3kW的功率和在3与30MHz之间的相同频率以及可调节的彼此相位关系的高频功率信号，所述HF功率耦合器具有至少一个第一和第二电导体(110，111)，它们彼此间隔开并且电容式地和电感式地彼此耦合，其中，所述至少一个第一和/或第二导体的长度小于1m、优选小于0.5m，其中，所述第一导体是变压器的初级侧，而所述第二导体是所述变压器的次级侧，其中，这些导体被构造为印刷电路板上的平的印制导线，其特征在于，所述印刷电路板具有含聚四氟乙烯(PTFE)或含聚酰亚胺的印制导线载体材料作为所述第一和第二导体之间的绝缘层，并且所述印刷电路板具有由环氧树脂织物制成的印刷电路板材料。
文档编号H01P5/18GK202550048SQ20112057998
公开日2012年11月21日 申请日期2011年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者E·皮维特, M·格吕克, T·基希迈尔, W·格拉布迈尔 申请人:许廷格电子两合公司