Die Erfindung betrifft eine Spule, welche eine hohe

Leistungstragfähigkeit im Hochfrequenzbereich aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine

Schalteinrichtung, welcher eine derartige Spule zur

Zuführung von Steuersignalen nutzt.

Zur Zuführung von Bias-Spannungen zur Ansteuerung von PIN- Dioden in RX/TX-Schaltern werden üblicherweise Spulen eingesetzt, um Hochfrequenzanteile nicht aus dem

geschalteten Zweig abfließen zu lassen. Diese sind

üblicherweise mit einem Eisenkern gefüllt, um gewünschte günstige elektrische Eigenschaften zu erreichen.

Bei hohen Sendeleistungen ergibt sich jedoch das Problem, dass die bisher genutzten Spulen keine ausreichende

Leistungstragfähigkeit aufweisen . Weiterhin ist es bekannt, eine Kombination aus verschieden großen Spulen und Kondensatoren zu nutzen, um eine große Bandbreite zu erreichen. Hier entstehen jedoch Resonanzen, welche den Hochfrequenzpfad beeinflussen. Eine Möglichkeit ist es in diesem Fall, die Resonanzen der Spule mit

Parallelwiderständen zu bedämpfen. Diese Lösung ist jedoch aufgrund der hohen Verluste bei großen Leistungen nicht akzeptabel .

So zeigt beispielsweise die US-Patentschrift US 6,236,289 Bl eine oben beschriebene eisengefüllte Spule. Nachteilig ist hier die beschriebene geringe Leistungstragfähigkeit. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spule und eine Schalteinrichtung zu schaffen, welche zur Zuführung der Steuersignale geeignet ist und gleichzeitig eine sehr hohe Leistungstragfähigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Spule durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 für die

Schalteinrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Spule weist mehrere Windungen auf. Eine erste Windung, d.h. eine randseitige Windung der Spule weist dabei einen bestimmten ersten

Windungsdurchmesser und einen bestimmten ersten

Windungsabstand zur nächsten Windung auf. Am anderen Ende der Spule weist eine letzte Windung einen bestimmten zweiten Windungsdurchmesser und einen bestimmten zweiten Windungsabstand zu der benachbarten Windung auf. Dabei ist der erste Windungsdurchmesser größer als der zweite

Windungsdurchmesser. Der erste Windungsabstand ist dabei kleiner als der zweite Windungsabstand. Somit wird

erreicht, dass die Spule keine Resonanzen bei niedrigen Frequenzen aufweist. Solche Resonanzen führen zu einem Leistungsabfall und damit zu einer Erwärmung der Spule. Dies würde die Leistungstragfähigkeit der Spule

reduzieren. Somit wird durch die oben beschriebenen

Maßnahmen eine hohe Leistungstragfähigkeit der Spule erreicht .

Vorzugsweise weist die Spule zwischen der ersten und der letzten Windung zumindest eine weitere Windung mit einem dritten Windungsdurchmesser und einem dritten Windungsabstand zu benachbarten Windungen auf. Dieser dritte Windungsdurchmesser liegt dabei zwischen dem ersten Windungsdurchmesser und dem zweiten Windungsdurchmesser. Ebenso liegt der dritte Windungsabstand zwischen dem ersten Windungsabstand und dem zweiten Windungsabstand. Durch die Nutzung dreier unterschiedlicher

Windungsdurchmesser und dreier unterschiedlicher

Windungsabstände kann eine weitere Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Spule erreicht werden.

Insbesondere können so Resonanzen weiter verringert werden, was die Leistungstragfähigkeit zusätzlich erhöht.

Vorzugsweise liegt dabei der erste Windungsdurchmesser im Bereich von 5-30 mm, bevorzugt von 12-16 mm. Bevorzugt liegt weiterhin der zweite Windungsdurchmesser im Bereich von 3-10 mm, bevorzugt von 4-7 mm. Vorteilhafterweise liegt dabei der erste Windungsabstand im Bereich von 0-4 mm, bevorzugt von 0-1 mm. Vorteilhafterweise liegt dabei der zweite Windungsabstand im Bereich von 1-10 mm, bevorzugt von 2-4 mm. Falls die Spule über einen dritten Windungsdurchmesser und einen dritten Windungsabstand verfügt, so beträgt der dritte Windungsdurchmesser bevorzugt 4-20 mm, besonders bevorzugt 8-16 mm. In diesem Fall beträgt der dritte Windungsabstand bevorzugt 0-8 mm, bevorzugt 1-6 mm. So wird erreicht, dass Resonanzen erst jenseits der Betriebsfrequenz auftreten und somit im

Bereich der Betriebsfrequenz eine sehr hohe

Leistungstragfähigkeit erreicht wird. Besonders bevorzugt ist die Spule dabei konisch. D.h. ein Windungsdurchmesser der Windungen der Spule verringert sich kontinuierlich von der ersten Windung bis zur letzten Windung. Weiterhin erhöht sich dabei von der ersten Windung bis zur letzten Windung kontinuierlich der

Windungsabstand. So wird eine weitere Erhöhung der

Leistungstragfähigkeit erreicht. Um eine besonders gute Kühlung der Spule zu erreichen, ist der Innenraum der Spule dabei vorzugsweise mit Luft gefüllt. Alternativ ist der Innenraum der Spule für eine erhöhte Stabilität mit einem Spulenkörper gefüllt. Hierdurch wird zusätzlich eine Vereinfachung der Herstellung erreicht. Vorzugsweise ist der Spulenkörper dabei aus einem soliden Kunststoff, vorzugsweise Teflon gefertigt. Alternativ ist er aus einem geschäumten Kunststoff, vorzugsweise Rohacell gefertigt. Die relative Dielektrizitätskonstante des

Spulenkörpers beträgt dabei <1,2. So wird ein geringer Einfluss des Spulenkörpers auf die elektrischen

Eigenschaften der Spule erreicht.

Um eine einfache Herstellbarkeit und Stabilität der Spule zu erreichen, sind die Windungen der Spule in einer

Führungsrille des Spulenkörpers geführt. Die Führungsrille gibt dabei den Windungsdurchmesser und den Windungsabstand vor. D.h. auf den bereits vorgefertigten Spulenkörper wird die Spule in der Führungsrille aufgewickelt. Um eine weiter verbesserte Kühlung zu erreichen, kann der Spulenkörper alternativ oder zusätzlich Aussparungen entlang seiner Längsachse aufweisen. In diesem Fall werden die Windungen der Spule lediglich durch einzelne

Auflagepunkte, welche um den Radius des Spulenkörpers verteilt sind, gehalten.

Vorzugsweise weist die Spule eine Leistungstragfähigkeit von mindestens 500W, bevorzugt von mindestens 1kW und besonders bevorzugt von mindestens 10kW im Frequenzbereich von 600MHz bzw. einer Frequenz von 600 MHz auf.

Die erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist zumindest eine erste PIN-Diode, einen ersten Signalanschluss, einen zweiten Signalanschluss, einen ersten Steueranschluss und eine erste oben beschriebene Spule auf. Ein erstes

Steuersignal ist mittels der ersten Spule der ersten Diode zuführbar. Mittels des Steuersignals kann die PIN-Diode in einen leitenden oder einen nicht-leitenden Zustand

versetzt werden. So wird erreicht, dass ein Signal sehr hoher Leistung zwischen dem ersten und zweiten

Signalanschluss an- und abgeschaltet werden kann. Bevorzugt sind dabei der erste Signalanschluss und der zweite Signalanschluss bei leitender PIN-Diode leitend miteinander verbunden und bei nicht-leitender PIN-Diode nicht leitend miteinander verbunden. Vorzugsweise weist die Schalteinrichtung eine zweite PIN- Diode, einen dritten Signalanschluss, einen zweiten

Steueranschluss und eine zweite Spule auf. Das zweite Steuersignal ist dabei mittels der zweiten Spule der zweiten PIN-Diode zuführbar. Mittels des zweiten

Steuersignals kann die zweite PIN-Diode in einen leitenden und in einen nicht-leitenden Zustand versetzt werden. So ist es möglich, ein Signal sehr hoher Leistung zwischen den beiden Signalanschlüssen umzuschalten. Die Spule weist dabei bevorzugt 10-100 Windungen,

besonders bevorzugt 20-40 Windungen auf. So kann eine gewünschte Induktivität bei überschaubarem

Herstellungsaufwand erreicht werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der

Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Schalteinrichtungen;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild mehrerer Windungen einer

Spule ;

Fig. 3 ein S-Parameter-Diagramm einer exemplarischen zylindrischen Spule;

Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Spule in einer Seitenansicht und in einer isometrischen Ansicht;

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Spule in einer Seitenansicht und in einer isometrischen Ansicht;

Fig. 6 ein S-Parameter-Diagramm einer erfindungsgemäßen

Spule in Abhängigkeit der Frequenz, und

Fig. 7 ein S-Parameter-Diagramm einer erfindungsgemäßen

Schalteinrichtung in Abhängigkeit der Frequenz.

Zunächst wird anhand von Fig. 1 der generelle Aufbau und die Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der

erfindungsgemäßen Schalteinrichtung erläutert.

Anschließend wird anhand von Fig. 1 bis Fig. 3 näher auf die der Erfindung zu Grunde liegende Problematik

eingegangen. Anschließend wird mittels Fig. 4 - 5 der Aufbau und die Funktionsweise verschiedener

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Spule

verdeutlicht. Abschließend wird anhand von Fig. 6 und Fig. 7 auf die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Spule und der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung

(nachfolgend auch Schalter) verwiesen. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild eines breitbandigen PIN-Dioden-Schalters 1. Der Schalter 1 verfügt über einen ersten Signalanschluss 11, einen zweiten Signalanschluss 21, an welchem hier eine Antenne 22 angeschlossen ist und einen dritten Signalanschluss 15. Darüber hinaus verfügt der Schalter 1 über einen ersten Steueranschluss 10 und einen zweiten Steueranschluss 14. Verbunden mit dem ersten Signalanschluss 11 ist ein Entkoppelkondensator 12. Mit dem abgewandten Ende des Entkoppelkondensators 12

verbunden ist eine Spule 2, welche wiederum mit dem ersten Steueranschluss 10 verbunden ist. Weiterhin ist mit dem abgewandten Ende des Entkoppelkondensators 12 eine erste PIN-Diode 13 verbunden.

Mit dem in Flussrichtung abgewandten Ende der ersten PIN- Diode 13 ist der zweite Signalanschluss 21 und darüber die Antenne 22 verbunden. Mit dem zweiten Signalanschluss 21 ist weiterhin eine zweite PIN-Diode 17 in

entgegengesetzter Polung verbunden. Mit dem abgewandten Ende der zweiten PIN-Diode 17 ist ein weiterer

Entkoppelkondensator 16 vorhanden. Dessen abgewandter Anschluss wiederum ist mit dem dritten Signalanschluss 15 verbunden. Zwischen der zweiten PIN-Diode 17 und dem zweiten Entkoppelkondensator 16 ist eine weitere Spule 3 angeschlossen. An deren abgewandten Ende ist der zweite Steueranschluss 14 befindlich. An dem zweiten

Signalanschluss 21 ist weiterhin eine Spule 18 und in Serie hierzu ein ohmscher Widerstand 19 angeschlossen, welche mit einem Masseanschluss 20 verbunden sind.

Beispielsweise ist an dem ersten Signalanschluss 11 ein Sender angeschlossen. Soll der Schalter 1 ein von dem

Sender abgestrahltes Signal auf die Antenne 22 schalten, so muss über den ersten Steuereingang 10 ein Steuersignal eingespeist werden, welches die PIN-Diode 13 leitend schaltet. An dem dritten Signalanschluss 15 ist

beispielsweise ein Empfänger angeschlossen. Soll ein durch die Antenne 22 empfangenes Signal zu dem Empfänger am dritten Signalanschluss 15 übertragen werden, so wird an dem zweiten Steuereingang 14 über die Spule 3 ein

Steuersignal eingespeist, welches die PIN-Diode 17 leitend werden lässt. Vorzugsweise wird entweder an dem ersten

Steuereingang 10 oder an dem zweiten Steuereingang 14 ein Steuersignal angeschlossen, damit jeweils nur eine der beiden PIN-Dioden 13, 17 gleichzeitig leitend ist. Insbesondere im oben dargestellten Sende-Fall tritt eine sehr hohe Leistung innerhalb des Schalters 1 auf. D.h. insbesondere die Spule 2 und 18 benötigen eine besonders hohe Leistungstragfähigkeit. In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild mehrerer Windungen 31- 35 einer Spule 29 dargestellt. Die Windungen 31-35 sind dabei als schwarz ausgefüllte Kreise gezeichnet. Diese sind im Querschnitt gezeichnet. Sämtliche übrige in Fig. 2 gezeigten Komponenten sind lediglich im Ersatzschaltbild, jedoch nicht in der Realität vorhanden. Jede einzelne der Windungen 31-35 verfügt dabei über eine Kapazität 41-45 zur Umgebung. Zusätzlich verfügt jede der Windungen 31-35 über Kapazitäten 46-49 zu benachbarten Windungen. Darüber hinaus verfügt jede der Windungen 31-35 über Kapazitäten zu nicht benachbarten Windungen. Der Übersichtlichkeit halber ist hier lediglich eine Kapazität 50 zwischen den Windungen 32 und 34 dargestellt. Selbstverständlich bestehen jedoch im tatsächlichen Ersatzschaltbild

Kapazitäten zwischen sämtlichen Windungen.

Der Übersichtlichkeit halber ist hier zusätzlich die von der Spule erzeugte Induktivität zwischen den einzelnen Windungen nicht dargestellt. Es ergibt sich somit im

Ersatzschaltbild eine komplexe Verschaltung von

Kapazitäten und Induktivitäten, welche als Filter wirkt. Es entsteht somit ein Frequenzgang, welcher Resonanzen zeigt. Derartige Resonanzen verursachen Verluste, welche zu einer thermischen Leistung und damit zu einer Erwärmung der Spule bis zu ihrer Zerstörung führen.

In Fig. 3 sind die S-Parameter Sil 61 und S21 60 einer herkömmlichen zylindrischen Spule konstanten

Windungsabstands und konstanten Windungsdurchmessers dargestellt. Es lässt sich sehr deutlich erkennen, dass insbesondere gegen höhere Frequenzen zahlreiche Resonanzen auftreten . In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Spule 78 dargestellt. In Fig. 4 sind jedoch lediglich der Spulenkörper 70 und nicht die

Windungen selbst gezeigt. Der Spulenkörper 70 weist dabei einen ersten zylindrischen Teil 73 und einen zweiten zylindrischen Teil 74 auf. Dazwischen befindet sich ein konischer Teil 76 des Spulenkörpers 70. Der konische Teil 76 des Spulenkörpers 70 weist dabei eine Führungsrille 72 auf, welche spiralförmig entlang des gesamten konischen Teils 76 des Spulenkörpers 70 verläuft. Die Führungsrille 72 gibt dabei den Verlauf der Windungen entlang des

Spulenkörpers 70 vor. Anhand der Abstände der

Führungsrille 72 können die Windungsabstände erkannt werden. Anhand des Durchmessers des Spulenkörpers entlang der Führungsrille 72 können die Windungsdurchmesser erkannt werden.

Der hier dargestellte Spulenkörper 70 weist darüber hinaus im konischen Teil 76 Aussparungen 75a, 75b auf. Diese Aussparungen 75a, 75b erlauben eine Hinterlüftung der Windungen und reduzieren gleichzeitig die Menge

dielektrischen Materials innerhalb der Windungen. Die verbleibenden Stege 71a, 71b, 71c des konischen Teils 76 des Spulenkörpers 70 werden von den Aussparungen 75a, 75b getrennt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich vier derartige Stege, welche jeweils 90° gegenüber dem Spulenkörper 70 zueinander versetzt sind. In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der

erfindungsgemäßen Spule 78 dargestellt. In Fig. 5 sind nun die Windungen 83 gezeigt. Diese sind entlang des gesamten konischen Teils 76 des Spulenkörpers 70 aufgebracht.

Erkennbar ist hier, dass die Windungen 83 in der

Führungsrille 72 aus Fig. 4 verlaufen. Die Windungen 83 sind weiterhin mit Anschlüssen 81, 82 im Bereich des

Aufeinandertreffens des konischen Teils 76 der Spule 78 auf die zylindrischen Teile 73 und 74 verbunden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Windung 85 ganz links einen Durchmesser dl von 14,38 mm auf. Die letzte Windung 86 ganz rechts weist einen Durchmesser d5 von 5 mm auf. Der Spulenkörper 70 weist eine Gesamtlänge von 80 mm auf. Es wird eine Drahtstärke von bevorzugt 0,75 mm eingesetzt. Der Draht ist dabei bevorzugt lackiert. In dem hier dargestellten

Ausführungsbeispiel beträgt der Windungsabstand al der ersten fünf Windungen 0. Danach steigt er konstant von 0,4 mm bis 2,25 mm an. Der Windungsabstand bezeichnet dabei den Abstand zwischen den direkt benachbarten Seiten der Windungen 83. Im Gegensatz hierzu steht die Steigung, welche jeweils die Mittelpunkte der Windungen

berücksichtigt.

Bei einer Windung 87 beträgt der Windungsabstand a4 und der Windungsdurchmesser d4. Der Windungsabstand a4 ist geringer als a5 und größer als al . Der Windungsdurchmesser d4 ist geringer als dl und größer als d5.

Fig. 6 zeigt die S-Parameter S21 90, S12 91, Sil 92 und S22 93 des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spule aus Fig. 5. Deutlich erkennbar ist hier, dass

Resonanzstellen erst bei sehr hohen Frequenzen auftreten.

In Fig. 7 sind S-Parameter Sil 101, S22, 100, S21 102 und S12, 103 des Sendepfads des erfindungsgemäßen Schalters aus Fig. 1 zwischen den Anschlüssen 11 und 21 dargestellt. Auch hier ist erkennbar, dass Resonanzen erst bei sehr hohen Frequenzen auftreten und damit eine sehr hohe

Leistungstragfähigkeit vorliegt. Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte

Ausführungsbeispiel beschränkt. So können die

beschriebenen Spulen auch für beliebige andere

Anwendungen, bei welchen es auf eine hohe

Leistungstragfähigkeit und eine hohe Bandbreite ankommt, eingesetzt werden. Auch können Schalter mit mehreren unterschiedlichen Pfaden unter Nutzung der

erfindungsgemäßen Spulen hergestellt werden. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.