Leitungstransformator

Abstract

 Ein Leitungstransformator, insbesondere zur Ankopplung der Antenne eines Kernspintomographen, besteht erfindungsgemäß aus zwei deckungsgleichen Leiterbahnstrukturen (10, 11), die auf den gegenüberliegenden Flachseiten eines als Dielektrikum vor­gesehenen Substrats (8) angeordnet sind. Jede dieser Leiter­bahnstrukturen (10, 11) enthält zwei Muster konzentrischer Streifenleiter (16 bis 23), die spiegelsymmetrisch zu den Symmetrieachsen (A, B und A′, B′) angeordnet sind. Die Symme­trieachsen (A, B und A′, B′) verlaufen einander parallel und liegen auf den beiden Flachseiten einander gegenüber. Mit die­ser Ausführungsform erhält man einen 4-Tor-Differentialtrans­formator ohne ferromagnetisches Material, der sich sowohl vom Tor 1 als auch vom Tor 2 aus gesehen symmetrisch zu den Toren 3 und 4 verhält.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Leitungstransformator, der in der Hochfrequenztechnik beispielsweise zur Anpassung von Impedanzen verwendet werden kann.

[0002] Für den Bereich niederfrequenter Wechselströme geeignete Trans­formatoren enthalten im allgemeinen einen Kern aus ferromagne­tischem Material sowie eine Primär- und Sekundärwicklung mit jeweils wenigstens einigen Windungen. Der dadurch gebildete Vierpol soll Strom und Spannung in gewünschter Weise ändern. Solche Übertrager sind zur Impedanztransformation geeignet, so­lange die Länge des eine Wicklung bildenden Leiters klein ist gegen die Wellenlänge. Funkantennen sollen bekanntlich auch für sehr hohe Frequenzen elektromagnetische Energie, d.h. beliebige Signale, unverzerrt übertragen. Bei Breitbandübertragern werden deshalb beide Wicklungen so eng gekoppelt, daß sie Leitungen mit definiertem Wellenwiderstand und vernachlässigbarem Strah­lungsverlust bilden. Mit Leitungsübertragern kann praktisch je­des rationale Übersetzungsverhältnis realisiert werden (NTZ 1966, Heft 9, Seiten 527 bis 238).

[0003] Es ist ferner bekannt, daß Induktivitäten auch in Flachbauweise als sogenannte gedruckte Spulen ausgeführt sein können. Sie be­stehen dann aus einem Leiter, beispielsweise in der Form einer Spirale, der auf der Oberfläche eines flachen Körpers aus elek­trisch isolierendem Material angeordnet ist. Die gegenüberlie­gende Flachseite des Isolierstoffkörpers kann mit einer groß­flächigen Metallisierung versehen sein (1987 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Vol. 1, Seiten 123 bis 126).

[0004] Zur Realisierung verschiedener Entkopplungs- und Verzweigungs­schaltungen, beispielsweise Richtkoppler, werden in der Hoch­frequenztechnik 4-Tor-Differentialtransformatoren benötigt. Diese in der Niederfrequenztechnik häufig als Gabelschaltung bezeichneten 4-Tore müssen zur Erzielung einer großen Bandbrei­te und zur Verminderung der Durchgangsverluste als Leitungs­transformatoren ausgebildet werden.

[0005] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Leitungstransformatoren zu vereinfachen und zu verbessern, ins­besondere soll ein 4-Tor-Differentialtransformator so gestaltet werden, daß er sich sowohl vom Tor 1 als auch vom Tor 2 aus ge­sehen völlig symmetrisch zu den Toren 3 und 4 verhält.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnen­den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Ausführungsform des Lei­tungstransformators in Streifenleitungstechnik ist einfach her­stellbar und enthält keine ferromagnetischen Teile. Er kann so­mit auch in starken Magnetfeldern, beispielsweise im Feld supraleitender Magnete, insbesondere im Grundfeld eines Kern­spintomographen, eingesetzt werden. Durch die spiegelsymmetri­sche Anordnung der beiden Teile jeder der Leiterbahnstrukturen erhält man symmetrische elektrische Eigenschaften. Durch die Dicke des Substrats, d.h. den Abstand der beiden Leiterbahn­strukturen und die Breite der Streifenleiter, kann der benötig­te Wellenwiderstand Z eingestellt werden. Auch der Kopplungs­grad zwischen den Teilinduktivitäten ist reproduzierbar.

[0007] Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 das Niederfrequenz-Ersatz­schaltbild eines 4-Tor-Differentialtransformators schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Ausfüh­rungsform der Leiterbahnstrukturen gemäß der Erfindung. In den Figuren 4 und 5 ist eine besondere Ausführungsform dieser Lei­terbahnstrukturen dargestellt.

[0008] Im Niederfrequenz-Ersatzschaltbild eines 4-Tor-Differential­transformators gemäß Figur 1 mit einem Übersetzungsverhältnis 1:1 bildet die Eingangsklemme c und der zugeordnete, in der Figur nicht näher bezeichnete Masseanschluß das Tor 1. Das Tor 2 wird durch das Klemmenpaar d und e gebildet. Das Tor 3 wird durch die Klemme b und den entsprechenden Masseanschluß und das Tor 4 durch die Klemme a und dem zugeordneten Masseanschluß gebildet. Eine optimale Entkopplung der Tore 3 und 4 sowie der Tore 1 und 2 erhält man mit einer Impedanz von der Größe des Wellenwiderstandes Z an den Toren 3 und 4 und einer Impedanz Z/2 an den Toren 1 und 2. Dieser 4-Tor-Differentialtransforma­tor kann bekanntlich als Leitungstransformator dadurch herge­stellt werden, daß ein vorzugsweise ferromagnetischer Träger 6 mit Leitungen vorbestimmter Impedanz bewickelt wird. Die Ver­wendung von ferromagnetischem Material bewirkt jedoch in hoch­frequenten Wechselfeldern entsprechende zusätzliche Verluste. Ferner ist bei Verwendung von ferromagnetischem Material ein Betrieb in starken statischen Magnetfeldern nicht möglich.

[0009] Für eine Ausführungsform dieses 4-Tor-Differentialtransforma­tors in Streifenleitungstechnik ergibt sich nun das Problem, daß er sich sowohl vom Tor 1 als auch vom Tor 2 aus gesehen völlig symmetrisch zu den Toren 3 und 4 verhalten soll.

[0010] Diese Eigenschaften hat ein Leitungstransformator in der Aus­führungsform gemäß der Erfindung, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist. Gemäß Figur 2 ist der in Figur 1 darge­stellte 4-Tor-Differentialtransformator in Streifenleitungs­technik ausgeführt. In dieser Ausführungsform enthält er auf der oberen Flachseite eines Substrats 8 mit einer vorbestimmten Dicke von beispielsweise 0,8 mm und einer vorbestimmten rela­tiven Dielektrizitätszahl, das als Dielektrikum dient, eine Leiterbahnstruktur 10 mit Leiterbahnen 16 bis 19 aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer, die jeweils aus einem Ringteil, praktisch einem Halbring, be­ stehen. Das Substrat 8 kann beispielsweise aus Kunststoff, vor­zugsweise Tetrafluorethylen (Teflon), oder auch aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, bestehen. Die beiden Strei­fenleiter 16 und 17 sind spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrie­achse A, B angeordnet. Konzentrisch zu diesen beiden Streifen­leitern 16 und 17 sind zwei weitere Streifenleiter 18 und 19 ebenfalls spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse A, B angeordnet. Auf der rechten Seite sind die beiden Streifenleiter 16 und 19 durch eine Leitungsbrücke 24 miteinander verbunden, die vor­zugsweise als Streifenleiter der gleichen Breite ausgeführt sein kann. Die beiden Enden der Streifenleiter 17 und 18 sind ebenfalls durch eine Leitungsbrücke 25 miteinander verbunden, die dann beispielsweise als gegenüber der Leitungsbrücke 24 elektrisch isolierte Drahtbrücke ausgeführt sein kann. Auf der linken Seite sind jeweils die Enden a und b sowie d und e′ der Streifenleiter 16 und 17 bzw. 18 und 19 auf der Oberfläche des Substrats 8 einander gegenüber angeordnet.

[0011] In der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist auf der unteren Flach­seite des Substrats 8 eine Struktur aus Streifenleitern 20 bis 23 angeordnet, die derart gestaltet ist, daß sich von der obe­ren Flachseite aus betrachtet eine deckungsgleiche Anordnung der Streifenleiter 20 bis 23 ergibt. In dieser von der oberen Flachseite nicht sichtbaren und deshalb gestrichelt dargestell­ten Leiterbahnstruktur 11 sind ebenfalls jeweils zwei Streifen­leiter 20 und 21 bzw. 22 und 23 spiegelsymmetrisch zur Symme­trieachse A′, B′ angeordnet. Die Symmetrieachsen A, B und A′B′ liegen auf den beiden Flachseiten des Substrats 8 parallel zu­einander und einander gegenüber. Auf der rechten Seite sind die Enden der Streifenleiter 22 und 21 und die Enden der Streifen­leiter 20 und 23 jeweils durch eine Brücke 26 bzw. 27 mitein­ander verbunden. In dieser Ausführungsform besteht die Lei­tungsbrücke 26 aus einem Streifenleiter, während die Leitungs­brücke 27 als Drahtbrücke ausgeführt ist, die gegenüber der Brücke 26 elektrisch isoliert ist. Auf der linken Seite sind an der Klemme c die Anfänge der Streifenleiter 20 und 21 miteinan­der verbunden, während die Anschlüsse d′ und e einander gegen­über angeordnet sind. Gemäß Figur 1 ist der Anschluß d der Lei­terbahnstruktur 10 auf der oberen Flachseite durch eine Lei­tungsbrücke verbunden mit dem Anschluß d′ der Leiterbahnstruk­tur 11 auf der unteren Flachseite. Das gleiche gilt für die Anschlüsse e′ und e. Diese Leitungsverbindungen können in ein­facher Weise dadurch hergestellt werden, daß an den entspre­chenden Stellen das Substrat 8 mit einer Bohrung und einer elektrisch leitenden Füllung, beispielsweise aus Lötmetall, versehen wird. Wird in dieser Ausführungsform eines Leitungs­transformators in das Tor 1 ein Signal eingespeist, so wird dieses Signal symmetrisch auf die Tore 3 und 4 verteilt. In gleicher Weise wird ein im Tor 2 eingespeistes Signal symme­trisch auf die Tore 3 und 4 verteilt. Zum Betrieb einer zir­kular polarisierenden Antenne eines Kernspintomographen können beispielsweise an Tor 1 der Empfänger, an Tor 2 der Sender und an die Tore 3 und 4 unter Zwischenschaltung eines 90°-Zweipha­sennetzwerkes die beiden Antennentore angeschlossen werden.

[0012] In der Ausführungsform gemäß den Figuren 4 und 5 sind auf der oberen und unteren Flachseite des Substrats 8 Leiterbahnstruk­turen 12 und 13 angeordnet, die jeweils aus Streifenleitern 31 bis 36 bzw. 37 bis 42 bestehen. Die Leiterbahnstruktur 12 soll auf der oberen und die Leiterbahnstruktur 13 auf der unteren Flachseite des Substrats 8 angeordnet sein. Wie in der Ausfüh­rungsform gemäß den Figuren 2 und 3 bilden die Streifenleiter 31 und 32 sowie 33 und 34 und auch 35 und 36, die aus Ringtei­len bestehen, und jeweils spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse A, B angeordnet sind, konzentrische Ringe. Die Streifenleiter 31 und 34 sind an ihren rechten Enden und die Streifenleiter 34 und 35 an ihren linken Enden jeweils durch eine Leitungsbrücke 44 bzw. 45 miteinander verbunden, die als Streifenleiter ausge­führt sind. Diese Brücken 44 und 45 werden jeweils durch eine weitere Brücke 46 und 47 gekreuzt, welche die Streifenleiter 32 und 33 bzw. 33 und 36 elektrisch leitend miteinander verbinden. Die Enden a und b der Streifenleiter 31 und 32 auf der linken Seite liegen einander gegenüber. In ähnlicher Weise liegen auf der rechten Seite die Enden der Streifenleiter 35 und 36 ein­ander gegenüber. In der Leiterbahnstruktur 13 auf der unteren Flachseite des Substrats 8 sind gemäß Figur 1 die beiden Enden der Streifenleiter 37 und 38 mit einer Brücke c versehen. Ebenso sind die Streifenleiter 39 und 42 auf der linken Seite durch eine Leitungsbrücke 48 miteinander verbunden, die vor­zugsweise aus einem Streifenleiter besteht. Durch eine weitere Leitungsbrücke 49 sind die Enden der Streifenleiter 38 und 39 auf der rechten Seite elektrisch miteinander verbunden. Die linken Enden der Streifenleiter 40 und 41 sind ebenfalls durch eine Leitungsbrücke 50 miteinander verbunden, die beispiels­weise aus einem angelöteten Draht bestehen kann, der isoliert gegenüber der Streifenleiterbrücke 48 ausgeführt ist. In glei­cher Weise sind auf der rechten Seite die Enden der Streifen­leiter 37 und 40 durch eine Leitungsbrücke 51 miteinander ver­bunden, die isoliert gegenüber der Streifenleitungsbrücke 49 ausgeführt ist. Gemäß Figur 1 sind die Enden d′ und e der Streifenleiter 42 und 41 mit den Enden d bzw. e′ der Streifen­leiter 35 und 36 auf der oberen Flachseite elektrisch verbun­den. Diese Leitungsverbindung kann in besonders einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß das Substrat 8 an diesen Enden durchkontaktiert ist, da sich die Enden der Streifenleiter durch die deckungsgleiche Anordnung auf den gegenüberliegenden Flachseiten jeweils am gleichen Ort befinden. Die Ausführungs­form mit einer ungeraden Zahl von Ringen (Figuren 4 und 5) hat gegenüber der Ausführungsform mit einer geraden Zahl von Ringen (Figuren 2 und 3) den Vorteil, daß das Klemmenpaar d, e (Tor 2 in Fig. 1) von den übrigen Toren räumlich weiter entfernt ist.

[0013] Im Ausführungsbeispiel wurde eine Bauform der Leiterbahnstruk­turen angenommen, die jeweils praktisch aus konzentrischen Halbkreisen bestehen, weil man mit Ringen die größte Induktivi­ tät bei kürzester Leitungslänge, d.h. bei geringsten elektri­schen Verlusten, erhält. Es können jedoch auch andere Muster vorgesehen sein, die beispielsweise aus Ellipsen oder Recht­ecken bestehen und bei denen die beiden Hälften einer Leiter­bahnstruktur symmetrisch zu einer Mittelachse auf einer Flach­seite des Substrats angeordnet sind.

Ansprüche

1. Leitungstransformator, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Flachseiten eines als Dielektrikum vorgesehenen schei­benförmigen Substrats (8) sind jeweils mit einer Leiterbahn­struktur (10, 11) versehen,

b) diese Leiterbahnstrukturen (10, 11) bestehen aus konzentri­schen Streifenleitern (16 bis 23), sie sind deckungsgleich ausgeführt und übereinander mit dem Substrat (8) als Zwi­schenlage angeordnet,

c) jede Leiterbahnstruktur (10, 11) besteht aus zwei Mustern, die spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse (A, B bzw. A′, B′) angeordnet sind,

d) die Symmetrieachsen (A, B und (A′, B′) verlaufen einander parallel und liegen einander gegenüber an jeweils einer der Flachseiten des Substrats (8) (Fig. 2 und 3).

2. Leitungstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnstrukturen (10 bis 13) im wesentlichen aus Halbringen bestehen.

3. Leitungstransformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbringe (31 bis 36) auf den beiden Flachseiten des Substrats (8) eine ungerade Zahl von Ringen bilden (Figuren 4 und 5).

4. Leitungstransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den auf den beiden Flachseiten des Substrats (8) einander gegenüberliegenden Enden (d, d′ und e, e′) der Streifenleiter (19, 22 bzw. 18, 23) metallisierte Bohrungen als Leitungs­brücken vorgesehen sind.

Zeichnung