Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer impe- danzvariablen Last am einem Planartransformator im hochfrequenten Betrieb.

Stand der Technik

Im Stand der Technik sind Anordnungen offenbart, in denen eine Quelle eines Signales mittels eines Übertragungspfades mit einer Last verbunden ist. Im Bereich hoher Leis- tungen ist typischerweise eine niederohmige Quelle (bspw. 1W) mit einer niederohmi- gen, häufig in ihrer Impedanz variablen Last (bspw. um einen Wert von 1W herum vari- abel) mit Hilfe eines höherohmigen Übertragungspfades (bspw. 50W) verbunden. Zur Impedanzanpassung wird meist zwischen Quelle und Übertragungspfad ein erstes An- passungsnetzwerk mit einem (beispielsweise festen) ersten Impedanzverhältnis, sowie zwischen Übertragungspfad und Last ein zweites Anpassungsnetzwerk mit einem (bei- spielsweise variablen) zweiten Impedanzverhältnis verwendet. Über erstes Anpassungs- netzwerk, Übertragungspfad und zweites Anpassungsnetzwerk wird das Signal von der Quelle zur Last übertragen. Das Signal weist typischerweise Anteile bei einer Grundfrequenz und Anteile bei Oberwellen, also ganzzahlige Vielfachen der Grundfrequenz, auf.

Als Anpassungsnetzwerke mit festem Impedanzverhältnis kennt der Stand der Technik Transformatoren. Transformatoren weisen eine Eingangsspule („Primärwindung“) mit einer ersten Windungszahl und einer Ausgangsspule („Sekundärwindung“) mit einer zweiten Windungszahl auf, sowie ein, Wicklungsverhältnis genanntes, Verhältnis zwi- schen zweiter Windungszahl und erster Windungszahl.

Bei niederfrequenten Signalen transformiert ein Transformator mit einem Wicklungsverhältnis N die Spannung zwischen Ein- und Ausgang um einen Faktor N hinunter,

Bestätigungskopie den Strom hingegen um einen Faktor N hinauf, so dass mithilfe des Transformators ein Verhältnis von Quell- zu Lastimpedanz von N ² angepasst werden kann.

Eine spezielle Realisierung von Transformatoren sind Planartransformatoren. Ein Planartransformator weist eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche Primär- und Sekundärspule im Wesentlichen planar und planparallel ausgefuhrt sind, getrennt durch ein Dielektrikum.

Hochfrequenztechnisch sind Planartransformatoren Bauelemente, mittels derer unter Verwendung von verteilten Induktivitäten und verteilten Kapazitäten ein Signal von einem Eingang auf einen Ausgang übertragen wird, mit einer erwünschten Änderung der Signalimpedanz. Während diese Änderung im niederfrequenten Bereich zwischen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsverhältnisses stehenden reellen Impedanzen besteht, ist der Zusammenhang bei im Wesentlichen nicht-reellen Hochfrequenzimpedanzen und bei im Wesentlichen verteilten Kapazitäts- und Induktivitätsbelägen im höherfrequenten Bereich komplizierter.

Nach dem Stand der Technik ist bekannt, die Primärspule spiegelsymmetrisch aufzubauen („primärseitig symmetrischer Planartransformator“). Dem Stand der Technik ist es ebenfalls zugänglich, bei einer geradzahligen Windungszahl der Sekundärspule die eine Hälfte der Windungen der Sekundärspule in einem, aus einem ersten zu einer Beurteilung des Windungssinnes geeigneten Blickwinkel auf den Planartransformator betrachtet, ersten Windungssinn oberhalb, die andere Hälfte der Windungen im, aus dem ersten Blickwinkel betrachtet, entgegengesetzten Windungssinn unterhalb der Primärspule anzuordnen („sekundärseitig symmetrischer Planartransformator“), welche erste und zweite Hälfte Windungen im Bereich des Drehzentrums der Windungen elektrisch leitfahig miteinander verbunden sind. Zuletzt kann nach dem Stand der Technik ein Planartransformator vollsymmetrisch, das heißt, primärseitig und sekundärseitig sym- metrisch, aufgebaut sein.

Ist die Quelle eine differentielle Verstärkeranordnung, ergibt sich bei einem primärsei- tig symmetrischen Planartransformator in der Mitte der Primärwindung ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt, über welchen sich eine Versorgungsspannung Zufuhren lässt, mit lediglich geringen Anforderungen an die Abblockung des Aus- gangssignales gegen die Spannungsversorgung. Bei einem sekundärseitig symmetrischen

Planartransformator ergibt sich auf nämliche Weise in der Mitte der Sekundärspule ein hochfrequenztechnisch auf Masse liegender Punkt; dieser wird nach dem Stand der Technik beispielsweise genutzt, um eine Gleichspannung auf einen Antennenanschluss aufzuprägen oder von einem Antennenanschluss abzugreifen. Dem Stand der Technik weiter bekannt sind, als erste Anpassungsnetzwerke, harmonische Anpassungs-Strukturen, mittels derer sich, nach Betrag und Phase, gewünschte Werte von Lastimpedanzen bei der Grundwelle und bei den Oberwellen erzielen lassen. Eine Kontrolle der Impedanzen auch bei den Oberwellen lässt sich vorteilhaft heranziehen, um am Ausgang einer Quelle Zeitverläufe von Strom und Spannung zu erzielen, mittels derer ein besonders effizienter Betrieb der Quelle erzielt wird.

Eine in ihrer Impedanz variable Last weist typischerweise eine Varianz der Eingangsimpedanz nicht nur bei der Grundwelle, sondern auch bei den Oberwellen des Signales auf. Das zweite Anpassungsnetzwerk mit einem variablen Impedanzverhältnis nach dem Stand der Technik ist typischerweise nur dafür geeignet, die Variation der Lastimpedanz bei der Grundfrequenz des Signales aufzufangen, es erlaubt jedoch meist keine Impedanzanpassung bei den Oberwellen.

Eine harmonische Anpassungs-Struktur als erstes Anpassungsnetzwerk wird hiernach ohne weitere Maßnahmen zwar auf einer dem Übertragungspfad zugewandten Seite bei der Grundfrequenz mit einer definierten Impedanz abgeschlossen; bei den Vielfachen der Grundfrequenz ergeben sich aber variable Impedanzen. Derartig variable Oberwellenabschlüsse haben einen nachteilhaften Einfluss auf die Zeitverläufe von Strom und Spannung am Ausgang der Quelle.

Um auch bei variabler Last einen reproduzierbaren Oberwellenabschluss an der Quelle zu erzielen, ist es nach dem Stand der Technik bekannt, die Anordnung aus zweitem Anpassungsnetzwerk, Übertragungspfad und erstem Anpassungsnetzwerk für harmonische Frequenzen undurchlässig zu gestalten: Hierdurch lassen sich am Ausgang der aktiven Bauelemente der Verstärkeranordnung reproduzierbare Impedanzverhältnisse, und hierdurch eine von der Impedanz der Last weitgehend unabhängig hohe Effizienz der Quelle, erzielen.

Insbesondere kennt der Stand der Technik Strukturen, durch welche die Oberwellen nach Masse abgeleitet werden, beispielsweise frequenzselektive Saugkreise oder Frequenzweichen. Eine derartige Ableitung nach Masse stellt beispielsweise einen Kurzschluss bei der jeweiligen Oberwelle dar und bietet eine definierte Impedanz bei der jeweiligen Oberwelle; von dieser ausgehend lässt sich das erste Anpassungsnetzwerk so auslegen, dass die Quelle stets mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann.

Nachteilig am Stand der Technik ist insbesondere, dass derartige Maßnahmen zur Ableitung der Oberwellen mit einem hohen Aufwand verbunden sind. Nachteilig am Stand der Technik ist weiter, dass durch derartige Maßnahmen zur Ableitung der Oberwellen stets auch ein Verlust an Signalleistung verbunden ist, welcher die Gesamteffizienz schmälert.

Ziel einer Entwicklung wäre daher eine Bereitstellung von Maßnahmen, mittels derer sich, unter Abschwächung der Nachteile des Standes der Technik, bei harmonischer Anpassung eine gleichbleibend hohe Effizienz einer Quelle auch dann erzielen lässt, wenn die Quelle zum Treiben einer impedanzvariablen Last betrieben wird.

Es ist also wünschenswert, Mittel zur Verfügung zu stellen, die das verlustarme Betreiben einer impedanzvariablen Last löst, ohne die Nachteile des Stands der Technik aufzuweisen.

Die objektive Aufgabe des verlustarme Betreibens einer impedanzvariablen Last ohne die Nachteile des Stands der Technik aufzuweisen, wird gelöst von der Erfindung„fre- quenzselektive intransparente Planartransformator I“. Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einer Vorrichtung, bestehend aus einem Planartransformator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, aufwei send ein Abbilden einer virtuellen HF-Masse im Symmetriepunkt einer der Sekundärseiten auf eine erste Impedanz. Unter einem„Planartransformator“ versteht man eine besondere Bauform eines Transformators, die sich durch flache Bauweise auszeichnet. Hochfrequenztechnisch ist ein Planartransformator eine verteilte Struktur mit kapazitiven und induktiven Anteilen. Die induktiven Anteile werden von den Spulen dominiert; die kapazitiven Anteile bestehen zum einen aus dem Kapazitätsbelag zwischen Primär- und Sekundärspule, zum anderen aus einer eventuellen Kapazität zwischen je zwei Windungen innerhalb der Primär- o- der der Sekundärspule selbst, sofern diese aus (Teil-) Spulen mit mehr als einer Windung bestehen.

Der Induktivitätsbelag entlang der Spulen bildet zusammen mit dem Kapazitätsbelag zwischen Primär- und Sekundärspule eine Streifenleitung mit einer gegebenen Lei- tungsimpedanz und einer gegebenen elektrischen Leitungslänge. Die elektrische Lei- tungslänge wiederum hängt von der geometrischen Länge der Leitung ab sowie von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals im Dielektrikum. Bei einer Signalfrequenz wird eine virtuelle HF-Masse im Symmetriepunkt der Sekundärspule auf eine erste Impedanz abgebildet. Wird die elektrische Länge der Strecke vom Symmetriepunkt entlang der Sekundärspule zum Ausgang der Sekundärspule gleich einem ungeradzahligen (geradzahligen) Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge einer gewünschten Harmonischen gewählt, wird die Übertragung eines Signales vom Ausgang zum Eingang des vollsymmetrischen Planartransformators maximal verlustarm, wenn dieser Ausgang mit einem Leerlauf (Kurzschluss) abgeschlossen wird. Für alle üblicherweise am, mit Übertragungspfad, zweitem Anpassungsnetzwerk und Last abgeschlossenen Ausgang des Planartransformators zu erwartenden Lastimpedanzen wird die Übertragung vom Ausgang zum Eingang gering - der Planartransformator stellt daher eingangsseitig bei der gewünschten Harmonischen eine Impedanz zur Verfügung, welche Impedanz nicht von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal abhängt: Der Planartransformator ist für diese Harmonische intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last und des zweiten Anpassungsnetzwerk unabhängig.

Der Hochfrequenz-Planartransformator, mit einer gegebenen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebene die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planartransformator kann des Weiteren mehr als nur eine Primär-, bzw. Sekundär-Ebene aufweisen, in verschiedenen Kombinationen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Planartransformator eine Primärseite (hier:„Seite“ gleichbedeutend wie„Ebene“ oder„Spule“), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwischen zwei Sekundärseiten (hier:„Sei- te“ gleichbedeutend wie„Ebenen“,„Hälften“,„Spulen“) liegt, aufweisen. Dabei liegt die Hälfte der Windungen der Sekundärspule ober-, die andere Hälfte unterhalb der Primärspule. In der Mitte ergibt sich eine , virtuelle Masse ¹ . Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, in zwei entgegengesetzten Windungssinnen; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom„von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte „von außen nach innen“, aber die (Teil-) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einander aufzuheben.

Eine weitere Ausführungsform des Planartransformators zum Ausfuhren des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aus einer stufenweisen Parallelschaltung von Primär- und Sekundärspulen erfolgen. Beispielsweise kann eine Anordnung drei Primärspulen und vier Sekundärspulen aufweisen. Diese können abwechselnd angeordnet sein: Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule, Primärspule, Sekundärspule. Die Primärspulen sind alle parallelgeschaltet, womit sie gewissermaßen eine einzige Spule mit einer einzigen Windung darstellen, nur, dass diese Windung aus drei parallelen„Drähten“ besteht. Zwei benachbarte Paare der Sekundärspulen (beiden oberen und die beiden unteren) sind auf eine nämlich Weise jeweils als Paar parallelgeschaltet. Ein möglicher Vorteil dieser Ausfuhrungsform des Planartransformators wird im Folgenden erläutert.

Eine weitere Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche Ausführungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, weist mehr als eine Primärspule auf.

In einer weiteren Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche Ausfuhrungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, sind zumindest einzelne der Primärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet. Eine weitere Ausführungsform eines Planartransformators, welche Ausführungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, weist mehr als eine Sekundärspule auf.

In einer weiteren Ausfuhrungsform eines Planartransformators, welche als Ausfuhrungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft geeignet ist, sind zumindest einzelne der Sekundärspulen elektrisch zueinander parallelgeschaltet. Als veranschaulichendes Beispiel dient ein Planartransformator, welcher sich über sie- ben, im Wesentlichen zueinander planparallelen, Ebenen erstreckt; in einer zu den Ebe- nen senkrechten Reihe aufeinanderfolgender Ebenen bezeichnet als erste Ebene S 1 , zweite Ebene Pl, dritte Ebene S2, vierte Ebene P2, fünfte Ebene S3, sechste Ebene P3 und siebente Ebene S4.

Drei, beispielsweise geometrisch deckungsgleiche, Primärspulen mit jeweils einem ers- ten und einem zweiten Eingang sind in der zweiten Ebene Pl , der vierten Ebene P2 und sechsten Ebene P3 angeordnet, wobei jeweils die ersten Eingänge aller Primärspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen, sowie jeweils die zweiten Eingänge aller Pri- märspulen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind. Eine erste Sekundärspule be- steht aus einer ersten Teilspule Tl mit einer ersten Anzahl Windungen eines ersten Windungssinnes in der ersten Ebene Sl und einer vierten Teilspule T4 der ersten An- zahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der siebenten Ebene S4; eine zweite Sekundärspule besteht aus einer zweiten Teilspule T2 der ersten Anzahl Windungen des ersten Windungssinnes in der dritten Ebene S2 und aus einer dritten Teilspule T3 der ersten Anzahl Windungen des dem ersten entgegengesetzten Windungssinnes in der fünften Ebene S3; im Drehsinne der Windungen betrachtet innenliegende Enden der ersten Teilspule Tl , der zweiten Teilspule T2, der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfahig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der ersten Teilspule Tl und der zweiten Teilspule T2 sind miteinander elektrisch leitfahig verbunden; im Drehsinne der Windungen betrachtet außenliegende Enden der dritten Teilspule T3 und der vierten Teilspule T4 sind miteinander elektrisch leitfahig verbunden. Ein Transistor mit einer relativ hohen Ausgangsleistung, bei gleichzeitig relativ niedriger Betriebsspannung, gibt seine Ausgangsleistung besonders effizient an eine niede- rohmige Last ab: Ein moderner LDMOS mit 130V Durchbruchspannung wird typischerweise mit 50V Versorgungsspannung betrieben. Bei Vollaussteuerung schwingt die hochfrequente Ausgangsspannung um +/- 50V um 50V herum. Um l kW Ausgangs- leistung aus dem Transistor zu entnehmen sind 40A Ausgangsstrom erforderlich, die Ausgangsimpedanz liegt bei 50V/40A, also in der Gegend von 1 Ohm: Dies ist nur durch Betriebsspannung und Ausgangsleistung schon festgelegt, es wird hier also unbedingt so etwa 1 Ohm Lastimpedanz benötigt. Um die typischerweise 50 Ohm einer„echten“ Last mit diesem Transistor speisen zu können, wird ein Anpassungsnetzwerk benötigt, das 50 Ohm auf 1 Ohm abbildet. Teil dieses Anpassungsnetzwerkes kann ein erfindungsgemäßer Planartrafo sein.

Die Effizienz des Verstärkers, also der Kombination aus Transistor und Anpassungs- netzwerk, wird sowohl von der Effizienz bestimmt, mit der der Transistor betrieben wird, als auch von den Verlusten im Anpassungsnetzwerk, insbesondere im Planartrafo. Die Verluste im Anpassungsnetzwerk werden auch davon beeinflusst, mit welcher Impedanz das Anpassungsnetzwerk ein- wie ausgangsseitig abgeschossen wird. Wird z.B. die Primärspule von einem Push-Pull-Verstärker getrieben, sieht man am Eingang als Abschluss der Primärspule die differentielle Ausgangsimpedanz des Push-Pull- Verstärkers. Am Ausgang der Sekundärspule liegen dagegen bspw. 50 Ohm an. Das , Windungsverhältnis ist die Anzahl von Windungen der Sekundärspule, geteilt durch die Anzahl der Windungen der Primärspule. Soll mit einer Quelle einer, bezogen auf die Betriebsspannung der Quelle sehr hohen Quell-Leistung (bspw. 2500W aus

36V) eine moderate Lastimpedanz (beispielsweise 50 Ohm) betrieben werden, erscheint zur Anpassung ein Planartransformator mit einem Windungsverhältnis deutlich größer als Eins als vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Plantransformator mit einer Windung in der Primärspule, und je drei Windungen ober- wie unterhalb der Primärspule in der Se- kundärspule gewählt werden. Es zeigt sich, dass solche Planartransformatoren mit einem hohen Windungsverhältnis ein Verlustminimum bei aus- und eingangsseitigen Abschluss mit jeweils für den Betrieb der Quelle beziehungsweise die Anpassung der Last ungünstig hohen Impedanzen, bei Abschluss mit den vorliegenden Last- und Quellimpedanzen jedoch unvorteilhaft hohe Verluste, aufweisen.

Diejenige Lastimpedanz, durch die die Verluste im Anpassungsnetzwerk minimiert werden, hängt von der Leitungsimpedanz der„Leitung“ Sekundärspule, mit der Primärspule als Bezugsmasse, ab. Diese Leitungsimpedanz wird erfindungsgemäß verringert, indem hier jeweils zwei Sekundärspulenhälften parallelgeschaltet werden. Der Vorteil: der Induktivitätsbelag verringert sich (zwei Spulen Parallel), der Kapazitätsbelag erhöht sich, die Leitungsimpedanz als Quadratwurzel des durch den Kapazitätsbelag geteilten Induktivitätsbelages sinkt, bei je zwei parallelen Sekundärspulen auf die Hälfte.

Bei der zuletzt genannten Ausführungsform (Parallelschaltung) des Planartransforma- tors können beispielsweise die Räume zwischen der ersten Ebene S1 und der zweiten

Ebene PI , der zweiten Ebene PI und der dritten Ebene S2, der dritten Ebene S2 und der vierten Ebene P2, der vierten Ebene P2 und der fünften Ebene S3, der fünften Ebene S3 und der sechsten Ebene P3, der sechsten Ebene P3 und der siebenten Ebene S4 mit jeweils demselben Dielektrikum verfällt sein, ein erster Abstand jeweils zwischen der zweiten Ebene Pl und der dritten Ebene S2, zwischen der dritten Ebene S2 und der vierten Ebene P2, zwischen der vierten Ebene P2 und der fünften Ebene S3 und zwi- schen der fünften Ebene S3 und der sechsten Ebene P3 doppelt so groß wie ein zweiter Abstand jeweils zwischen der ersten Ebene Sl und der zweiten Ebene Pl sowie zwi- schen der sechsten Ebene P3 und der siebenten Ebene S4 gewählt werden. Hierdurch werden alle Windungen der Sekundärspule mit ähnlichen Leitungsimpedanzen verse- hen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher sowohl das richtige Verhältnis von Ein- gangs- zu Ausgangsimpedanz, um bspw. 50 Ohm auf eine geeignete Lastimpedanz für den Transistor abbilden, und als auch gleichzeitig geringe Verluste bei eben diesen 50 Ohm als Lastimpedanz bieten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiter ein Wählen einer Strecke zu einem Symmetriepunkt entlang einer der Sekundärseiten zum Ausgang der Sekundärseite gleich einer ungeradzahligen (oder geradezahligen) Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge einer gewünschten Harmonischen; und/oder ein Abschließen des Aus- gangs der Sekundärseite mit einem Leerlauf (oder Kurzschluss) aufweisen.

Zum Lösen der objektiven Aufgabe kann ein Verfahren zum Betreiben eines Planar- transformators bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetrie- punkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spu- le zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte lnduktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist, bereitgestellt werden, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität, welches gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz ist, umfasst. Ebenso kann die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Planartransformators bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, gelöst werden, welches ein Auswählen einer elektrischen Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei einer bevorzugten Betriebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der bevorzugten Betriebsfrequenz, umfasst.

Eine weitere Lösung der objektiven Aufgabe stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Planartransformator. Diese weist eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf und besteht aus einer Primär- und einer Sekundärseite, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, bereit, welches ein Auswählen eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleicheinem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz umfasst. Eine Vorrichtung, die zum Lösen der erfindungsgemäßen Aufgabe die oben genannten Verfahren an wenden kann, ist ein Planartransformator, welches mindestens eine Primär- und eine Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden kön- nen, sowie einen Controller, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.

Weiterhin kann ein Planartransformator, als erfindungsgemäße Vorrichtung eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisen und aus einer Primär- und einer Sekundärseite beste- hen, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Diese Ausfuhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Länge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Be- triebsfrequenz und gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz ist.

Eine andere Ausfuhrungsform der Vorrichtung ist ein Planartransformator, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zur ersten Spule aufweist. Diese Ausfuhrungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist und somit die Effizienz optimiert wird.

Eine weitere Ausfuhrungsform einer Vorrichtung zum Anwenden der erfindungsgemä- ßen Verfahren ist ein Planartransformator, der eine bevorzugte Betriebsfrequenz auf- weist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der be- vorzugten Betriebsfrequenz aufweist. Diese ist mit einer ersten Quellimpedanz und ei- ner ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist. Die Vorrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Län- ge der Sekundärspule kleiner als die halbe Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz und gleicheinem ganzzahligen Vielfachen eines ganzzahligen Bruchteils der halben Wellen- länge bei der Betriebsfrequenz ist.

Die oben genannten Ausfuhrungsformen über die Vorrichtungen, können weiterhin einen Controller aufweisen, wobei der Controller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Patentansprüche aufweist.

Auch können die verschiedene Ausfuhrungsformen der erfmdungsgemäße Planartrans- formator mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im hochfrequenten Betrieb betrieben werden. Während diese Änderung im niederfrequenten Bereich zwischen zwei im Verhältnis des Quadrates des Wicklungsverhältnisses stehenden reellen Impedanzen be- steht, ist der Zusammenhang bei im Wesentlichen nicht-reellen Hochfrequenzimpedan- zen und bei im Wesentlichen verteilten Kapazitäts- und Induktivitätsbelägen im höher- frequenten Bereich komplizierter. Dabei kann der hochfrequente Betrieb f > 10 MHz betragen. Weiterhin kann der hochfrequente Betrieb 50 kHz < f < 10 MHz betragen. In einer Ausfuhrungsform bildet die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärspule mit der Induktivität je eine Hälfte der Sekundärspule des vollsymmetrischen Planartrans- formators einen Sperrkreis. In hochfrequenztechnischem Sinn bedeutet symmetrisch aufgebaut : Wenn der Planartransformator differentiell gespeist wird, fuhrt eine solche Symmetrie zur Existenz einer virtuellen Masse in einem Symmetriepunkt der jeweiligen Spule.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner mit weiteren, optionalen und vorteilhaften Merkmalen kombiniert werden. Dabei wird zur Veranschaulichung nochmal daraufhin gewiesen, dass es eine Aufgabe der Erfin- düng ist, eine hohe Effizienz bei einer impedanzvariablen Last im HF-Bereich zu erzie- len. Die oben genannten Verfahren, Vorrichtungen und deren Ausführungsformen um die Effizienz zu gewährleisten, beziehen sich auf Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundärspulen. Weitere Ausfuhrungsformen können eine Verwendung dieser und ein Verwenden der Kapazitäten innerhalb einer Spule (Sekundärspule/n) kombinieren, um erhöhte Effizienz zu erzielen.

In der kombinierbaren Ausfuhrungsform bildet die Kapazität zwischen zwei Windungen einer Spule eines Plantransformators mit der Induktivität der Spule einen Schwingkreis. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises so gewählt, dass sie auf die Frequenz einer zu unterdrückenden Harmo- nischen des Signales fallt. Hierdurch kann keine Übertragung eines Signales bei der zu unterdrückenden Harmonischen vom Ausgang auf den Eingang des Planartransformators stattfinden. Der Planartransformator stellt eingangsseitig bei der zu unterdrückenden Harmonischen eine Impedanz zur Verfügung, welche Impedanz nicht von einem auf den Ausgang des Planartransformators aufschlagenden („reflektierten“) Signal ab- hängt: Der Planartransformator ist für diese Harmonische intransparent, der eingangsseitige Oberwellenabschluss vom Zustand der Last und des zweiten Anpassungsnetzwerks unabhängig.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher kombiniert werden mit einem Verfahren zum Betreiben einer impedanzvariablen Last an einem Planartransformator, bestehend aus mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, umfassend Primär- und Sekundärspulen, wobei Kapazitäten zwischen Windungen einer Spule mit Induktivitäten der Spule einen Schwingkreis bilden, welches ein Wählen einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises, wobei die Resonanzfrequenz auf eine Frequenz einer zu unterdrückenden harmonischen Oberwelle eines Eingangssignals fällt, aufweist. Weiterhin kann das kombinierte Verfahren das Merkmal aufweisen ein zur Verfügung stellen einer Impedanz auf der Eingangsseite des Planartransformators, welche nicht von einem am Ausgang reflektierten Signal abhängt, sodass der Planartransformator für die harmonische Oberwelle intransparent erscheint.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Planartransformators, bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen aufweist, kann weiterhin das Merkmal umfassen, dass einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz ausgewählt wird.

Eine weitere Kombinationsmöglichkeit ist das Hinzufügen eines Verfahrens zum Betreiben eines Planartransformators, eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweisend und bestehend aus einer Primär- und einer Sekundärseite, welche Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, welches ein Auswählen einer Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen einer bevorzugten Betriebsfrequenz, umfasst.

Auch können die verschiedene kombinierten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Planartransformatoren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im hochfrequenten Betrieb betrieben werden. Dabei kann der hochfrequente Betrieb f > 10 MHz betragen. Weiterhin kann der hochfrequente Betrieb 50 kHz < f < 10 MHz betragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Planartransformator umfassen, aufweisend mindestens einer Primär- und einer Sekundärseite, die als Eingangs- bzw. Ausgangsseite betrieben werden können, sowie einen Controller umfassen, wobei der Con- troller eine Programmierung aufweist, welche die Schritte nach einem der vorstehenden Verfahrensschritten aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Planartransformator umfassen, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärsei- te mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und einen Symmetriepunkt sowie einen differentiellen Ausgang mit zwei Ästen aufweist, welche zweite Spule zwischen Symmetriepunkt und einem ersten Ast des differentiellen Ausgangs eine verteilte Induktivität und eine verteilte Kapazität zwischen ihren Windungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz zwi- sehen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevor- zugten Betriebsfrequenz ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einen Planartransformator umfassen, welcher eine bevorzugte Betriebsfrequenz aufweist und aus einer Primär- und einer Sekundärseite besteht, deren Primärseite einen Eingang mit einer ersten Eingangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz und welche Sekundärseite einen Ausgang mit einer ersten Ausgangsimpedanz bei der bevorzugten Betriebsfrequenz aufweist, mit einer ersten Quellimpedanz und einer ersten Lastimpedanz, wobei bei der bevorzugten Betriebsfrequenz die erste Quellimpedanz bei Abschluss des Ausgangs mit der ersten Lastimpedanz der Eingangsimpedanz komplex konjugiert, und die erste Lastimpedanz bei Abschluss des Eingangs mit der ersten Quellimpedanz der Ausgangsimpedanz komplex konjugiert sind, wobei jene Primärseite mindestens eine erste Spule und jene Sekundärseite mindestens eine zweite Spule aufweist, welche zweite Spule symmetrisch aufgebaut ist und bei differentiellem Betrieb des Planartransformators eine virtuelle Hochfrequenzmasse im Symmetriepunkt aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Resonanzfrequenz zwischen verteilter Induktivität und verteilter Kapazität gleich einem Vielfachen der bevorzugten Betriebsfrequenz ist.

Abweichend vom bisher geschilderten Aufbau, der größtmöglichen Einfachheit der Darstellung geschuldet, kann ein in der Kunst bewanderter Anwender die in der vorlie- genden Erfindung offenbarte Lehre auch auf eine solche Weise anwenden, dass die - im bisher geschilderten Aufbau in einem Symmetriepunkt der Sekundärspule befindliche - Hochfrequenzmasse in einem anderen Punkte liegt, beispielsweise, wenn eine erste Zahl Windungen eines ersten Windungssinnes in einer ersten Ebene der Sekundärspule und eine zweite, von der ersten Zahl unterschiedliche, Zahl Windungen des dem ersten ent- gegengesetzten Windungssinnes in einer zweiten Ebene der Sekundärspule angeordnet werden.

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass diese Merkmalskombinationen mit den Merkmalskombinationen aus den Patentansprüchen kombiniert werden können.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 erfmdungsgemäße Vorrichtung - ein Planartransformator

Detaillierte Beschreibung der Abbildungen

Figur 1 zeigt eine erfmdungsgemäße Vorrichtung, welches ein erfmdungsgemäßes Ver- fahren 100 ausfuhren kann. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem Planartransformator 10. Der Hochfrequenz-Planartransformator 10, mit einer variablen Anzahl von Windungen in der Sekundärspule kann herkömmlich aus zwei Ebenen bestehen, wobei eine erste Ebene die Primärseite und die andere Ebene, welches zur Veranschaulichung parallel zu der ersten Ebene angeordnet ist, die Sekundärseite sein kann. Der Planartransformator in Figur 1 weist mehr als nur eine Sekundärspule auf. Der erfmdungsgemäße Planartransformator in Figur 1 enthält eine Primärseite 1 1 (dicke Außenlinie), die, wie in einer Sandwichanordnung, mittig angeordnet zwischen zwei Sekundärseiten 12, 12‘ (dünne Linie, dünne gestrichelte Linie) liegt, aufweisen. Dabei liegt die Hälfte der Windungen der Sekundärspule 12 ober-, die andere Hälfte 12‘ unterhalb der Primärspule 1 1. Die Wicklungsrichtungen der beiden Sekundärspulen 12, 12‘ ist entgegengesetzt. In der Mitte, wo auch die Windungen der Sekundärspulen miteinander verknüpft sind, ergibt sich eine .virtuelle Masse . Beide Hälften erscheinen, von oben betrachtet, im entgegengesetzten Windungssinn; dies muss so sein, weil in der einen Hälfte der Strom„von innen nach außen“ fließt, und er anderen Hälfte„von außen nach innen“, aber die (Teil- ) Spannungen, die in beiden Hälften induziert werden, sich addieren sollen, statt einan- der aufzuheben.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

10 erfindungsgemäße Vorrichtung - Planartransformator

1 1 Primärspule des Planartransformators

12 eine Sekundärspule des Planartransformators (oben) l2‘ symmetrische Sekundärspule des Planartransformators (unten)

100 erfindungsgemäße Verfahren