用于在射频操作I中操作平面变压器上的可变阻抗负载的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在射频操作中操作平面变压器上的可变阻抗负载的装置和方法。

背景技术

在现有技术中公开了一种装置，其中，信号电源通过传输路径连接到负载。在高功率范围内，低阻抗电源(例如，1Ω)通常通过较高阻抗传输路径(例如，50Ω)连接到低阻抗负载，所述低阻抗负载通常是可变的(例如，在1Ω的值附近是可变的)。为了进行阻抗匹配，通常在电源和传输路径之间使用具有(例如固定的)第一阻抗比的第一匹配网络，并且在传输路径和负载之间使用具有(例如可变的)第二阻抗比的第二匹配网络。信号经由第一匹配网络、传输路径和第二匹配网络从电源传输到负载。信号通常具有基频分量和谐波分量，即基频的整数倍。

现有技术将变压器视作具有固定阻抗比的匹配网络。变压器包括具有第一绕组数量的输入线圈("初级绕组")和具有第二绕组数量的输出线圈("次级绕组")，以及第二绕组数量与第一绕组数量之间的比率(称为绕组比)。

在低频信号的情况下，具有绕组比N的变压器将输入和输出之间的电压向下变换N倍，但是相反地，将电流向上变换N倍，从而可以利用该变压器来调整N2的电源与负载阻抗的比。

平面变压器是变压器的一种特殊实施方式。平面变压器具有初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈实质上是由电介质隔开的平行平面。

就射频技术而言，平面变压器是一种利用分布式电感和分布式电容将信号从输入端传输到输出端的元件，并且平面变压器的信号阻抗具有期望的变化。虽然在低频范围中，两个实际阻抗之间的变化比率是绕组比的平方，但是，在较高频的范围内，由于射频阻抗并非实际的电阻，以及实质上存在的分布电容和电感涂层，这种关系更加复杂。

根据现有技术，构造镜像对称的初级线圈("初级侧对称平面变压器")已周知。根据现有技术也可无疑义地推知，在次级线圈绕组为偶数个的情况下，从平面变压器的第一视角来看，该平面变压器适于评估绕组方向，以第一绕组方向将次级线圈绕组的一半布置在初级线圈上方，并且以相反的绕组方向将绕组的另一半布置在初级线圈下方("次级侧对称平面变压器")。从第一视角看，次级线圈的第一半绕组和第二半绕组在次级线圈的旋转中心区域彼此导电连接。最后，根据现有技术，可以完全对称地构造平面变压器，也就是说，在初级侧和次级侧对称地构造平面变压器。

如果电源是差分放大器装置，在初级侧对称的平面变压器的情况下，初级绕组的中间有一个点，该点依据射频技术接地，并且通过该点可以提供电源电压，而对于阻塞来自电源电压的输出信号的要求极低。在次级侧对称的平面变压器的情况下，同样的方式，次级线圈的中间有一个点，该点依据射频技术接地；根据现有技术，这被用于例如向天线连接施加DC电压或从天线连接分接DC电压。

谐波匹配结构在现有技术中也被称为第一匹配网络，通过该第一匹配网络，依据数量和相位，可以实现用于基波和谐波的负载阻抗的期望值。在谐波的情况下也可以有利地使用阻抗的控制，以便在电源的输出处获得电流和电压的时间分布，通过该时间分布可以实现电源的特别有效的操作。

具有可变阻抗的负载通常不仅对于信号的基波而且对于谐波表现出输入阻抗的变化。根据现有技术的具有可变阻抗比的第二匹配网络通常仅适于吸收在信号的基频处的负载阻抗的变化，但是它通常不允许任何谐波的阻抗匹配。

然后，在具有规定阻抗的基频下，在面向传输路径的一侧上没有进一步措施的情况下，得出谐波匹配结构作为第一匹配网络；然而，在基频的倍数处，存在可变阻抗。这种可变谐波终端对电源输出处的电流和电压的时间分布具有不利的影响。

为了即使在可变负载的情况下也能在电源处实现可再现的谐波终端，根据现有技术，已知将由第二匹配网络，传输路径和第一匹配网络组成的装置设计成不能渗透谐波频率：作为结果，可以在放大器装置的有电源元器件的输出处实现可再现的阻抗比，从而实现电源的高效率，这在很大程度上独立于负载的阻抗。

特别地，现有技术中已知这样的结构，例如频率选择吸入电路或分频器，通过该结构谐波被偏离到地。这种对地的偏离表示例如各个谐波中的短路，并且在各个谐波中提供限定的阻抗；基于此，第一匹配网络可以被设计成使得电源总是可以高效地操作。

现有技术的缺点尤其在于，用于使谐波偏离的这种措施与高支出相关联。现有技术的另一个缺点是，用于使谐波偏离的这种措施总是涉及信号功率的损失，这降低了总效率。

因此，开发的目的将是提供一种措施，通过该措施，在减少现有技术的缺点的同时，通过谐波匹配，即使电源被操作来驱动可变阻抗负载，也可以实现电源的一贯的高效率。

因此，希望提供一种解决可变阻抗负载的低损耗操作而没有现有技术的缺点的方法。

发明内容

本发明“频率可选的不透明平面变压器I”解决了现有技术的缺陷，实现了可变阻抗负载的低损耗操作的目标。本发明涉及一种用于操作装置中的可变阻抗负载的方法，所述装置包括平面变压器，所述平面变压器至少包括初级侧和次级侧，所述初级侧和次级侧可以作为输入侧或输出侧操作，所述方法包括将在所述次级侧对称点之一处的虚拟RF接地映射到第一阻抗。

“平面变压器”是一种特殊类型的变压器，其特征在于平面设计。就射频而言，平面变压器是具有电容和电感元器件的分布式结构。电感元器件由线圈主导；电容元器件一方面包括初级线圈和次级线圈之间的电容涂层，另一方面包括初级线圈或次级线圈自身内的两个绕组之间的可能电容，只要这些绕组包括具有多于一个绕组的(部分)线圈。

沿着线圈的电感涂层与初级和次级线圈之间的电容涂层一起形成具有给定线阻抗和给定电线长度的带状线。电线长度又取决于几何线长度和信号在电介质中的传播速度。

在信号频率处，虚拟RF接地被映射到次级线圈的对称点处的第一阻抗上。如果从对称点沿着次级线圈到次级线圈的输出的路径的电长度被选择为等于期望谐波的四分之一波长的奇数(偶数)倍，如果该输出是以开路(短路)终结，则从完全对称的平面变压器的输出到输入的信号的传输具有最大损耗。对于通常在平面变压器输出侧预期的所有负载阻抗，该阻抗以传输路径、第二匹配网络和负载为终端，从输出到输入的传输量很低，因此，平面变压器会在输入侧提供所需谐波的阻抗，该阻抗不取决于撞击平面变压器输出的(“反射”)信号：平面变压器对这些谐波不透明，输入侧的谐波终端与负载和第二匹配网络的状态无关。

在次级线圈中具有给定数目的绕组的射频平面变压器通常可以由两个层组成，其中第一层可以是初级侧，为了说明而布置成平行于第一层的另一层可以是次级侧。平面变压器还可以具有一个以上的初级或次级层的各种组合。例如，根据本发明的平面变压器可以具有初级侧(这里：“侧”具有与“层”或“线圈”相同的含义)，该初级侧在夹层结构中被布置在两个次级侧中间(这里：“侧”具有与“层”，“半部”，“线圈”相同的含义)。次级线圈的绕组的一半在初级线圈的上方，而另一半在初级线圈的下方。在中间有一个“虚拟接地”。当从上方观察时，两个半部出现在两个相反的绕组方向上；必须这样设置因为在一半中，电流“从内向外”流动，而在另一半中电流“从外向内”流动，但是在两半中感应的(部分)电压应该相加，而不是相互抵消。

具体实施方式

将在实质上彼此平面平行的七个层上延伸的平面变压器用作说明性实例；在一行连续的层中，垂直于层依次称为第一层S1，第二层P1，第三层S2，第四层P2，第五层S3，第六层P3和第七层S4。

例如在几何上一致的，每个具有第一输入和第二输入的初级线圈布置三层，第二层P1，第四层P2和第六层P3，其中所有初级线圈的第一输入彼此电短路，并且所有初级线圈的第二输入彼此电短路。第一次级线圈由第一层S1中具有第一绕组方向的第一绕组数的第一线圈部分T1和第七层S4中与第一绕组方向相反的绕组方向的第一绕组数的第四线圈部分T4组成；第二次级线圈由第三层S2中的第一绕组方向的第一绕组的第二线圈部分T2和第五层S3中的与第一绕组方向相反的绕组方向的第一绕组的第三线圈部分T3组成；从绕组的旋转方向看，第一线圈部分T1，第二线圈部分T2，第三线圈部分T3和第四线圈部分T4的内部末端相互导电连接；从绕组的旋转方向看，第一线圈部分T1和第二线圈部分T2的外部末端彼此导电连接；从绕组的旋转方向看，第三线圈部分T3和第四线圈部分T4的外部末端彼此导电连接。

具有相对高的输出功率并且同时具有相对低的操作电压的晶体管将其输出功率特别有效地传递到低电阻负载：具有130V击穿电压的现代高压场效应管通常在50V电源电压下操作。当完全控制时，射频输出电压摆动大约在50V的+/-50V之间。为了从晶体管获得1kW的输出功率，需要40A的输出电流，输出阻抗是50V/40A，即在1欧姆的范围内：这仅由操作电压和输出功率确定，因此大约1欧姆的负载阻抗十分必要。

为了能够向该晶体管提供典型的50欧姆的“真实”负载，需要将50欧姆映射到1欧姆的匹配网络。根据本发明的平面变压器可以是该匹配网络的一部分。

放大器的效率，即晶体管和匹配网络的组合，由晶体管的操作效率和匹配网络中的损耗，特别是平面变压器中的损耗决定。匹配网络中的损耗还受到匹配网络在输入和输出侧终结的阻抗的影响。例如，如果初级线圈由推拉式放大器驱动，则推拉式放大器的差分输出阻抗可以在输入侧被看作初级线圈的终端。相反，例如，在次级线圈的输出侧存在50欧姆。

“绕组比”是次级线圈的绕组数除以初级线圈的绕组数。如果基于电源的操作电压，具有非常高电源功率(例如，从36V起的2500W)的电源将以中等负载阻抗(例如，50欧姆)操作，则绕组比明显大于1的平面变压器似乎更有利于匹配。例如，可以选择初级线圈中具有一个绕组，次级线圈中具有三个绕组，且每个绕组在初级线圈的上方和下方的平面变压器。可以看出，当输出侧和输入侧终结时，这种具有高绕组比的平面变压器具有最小的损耗，每一个都具有对于电源的操作或负载的匹配不利地高的阻抗，但是当以现有的负载和电源阻抗终结时具有不利的高损耗。

使匹配网络中的损耗最小化的负载阻抗取决于“线”次级线圈的线阻抗，初级线圈作为参考地。本发明通过并联连接次级线圈的两个半部分来减小该线阻抗。优点：电感涂层减小(两个线圈并联)，电容涂层增大，作为电感涂层的平方根的线阻抗除以电容涂层，两个并联的次级线圈减小一半。

在平面变压器的最后提及的实施例(并联连接)中，例如，第一层S1和第二层P1，第二层P1和第三层S2，第三层S2和第四层P2，第四层P2和第五层S3，第五层S3和第六层P3，第六层P3和第七层S4之间的空间分别填充有相同的电介质。可以选择第二层P1和第三层S2之间，第三层S2和第四层P2之间，第四层P2和第五层S3之间，以及第五层S3和第六层P3之间的第一距离，是第一层S1和第二层P1之间，以及第六层P3和第七层S4之间的第二距离的两倍。作为结果，次级线圈的所有绕组都具有类似的线阻抗。

因此，根据本发明的装置可以将输入与输出阻抗的正确比率(例如50欧姆)映射到用于晶体管的适当负载阻抗，并且同时精确地提供这些50欧姆的低损耗作为负载阻抗。

根据本发明的方法还可以进一步包括选择沿着次级侧中的一侧到次级侧的输出的对称点的路径，该路径等于期望谐波的四分之一波长的奇数(或偶数)倍；和/或用开路(或短路)终结次级侧的输出。

一种用于操作由初级侧和次级侧组成的平面变压器的方法可以用于解决目标任务，其中该初级侧具有至少第一线圈并且该次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈对称地构造并且具有对称点和具有两个分支的差分输出，该对称点和差分输出的第一分支之间的第二线圈具有到第一线圈的分布式电感和分布式电容。该第二线圈包括对分布式电感和分布式电容之间的谐振频率的选择，该谐振频率等于优选操作频率的倍数。

该任务还可以通过一种用于操作由初级侧和次级侧组成的平面变压器的方法来解决，其中该初级侧具有至少第一线圈并且该次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈被对称地构造，并且当平面变压器以差分模式操作时，在对称点处具有虚拟射频地，该方法包括所述次级线圈的电长度小于所述操作频率处的波长的一半，并且等于所述操作频率处的波长的一半的整数倍。

通过用于操作平面变压器的方法提供了对目标任务的进一步解决方案。该方案具有优选操作频率并且由初级侧和次级侧组成，该初级侧具有在优选操作频率处具有第一输入阻抗的输入，并且该次级侧具有在优选操作频率处具有第一输出阻抗的输出，该输出具有第一电源阻抗和第一负载阻抗，其中在优选操作频率下，第一电源阻抗为输出终结时输入阻抗的第一负载阻抗的复共轭。第一负载阻抗为输入终结时输出阻抗的第一电源阻抗的复共轭。初级侧具有至少第一线圈并且次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈对称的构造并且当平面变压器以差分模式操作时在对称点处具有虚拟射频地，该差分模式包括选择次级线圈的电长度，其小于操作频率处的波长的一半，并且是操作频率处的波长的一半的整数倍。

一种可以使用上述方法来实现根据本发明的目的的装置是平面变压器，该平面变压器具有至少一个初级侧和一个次级侧，所述初级侧和次级侧能够作为输入侧或输出侧操作，以及一种控制器，其中该控制器包括根据前述权利要求之一的步骤的程序编制。

此外，作为根据本发明的装置的平面变压器可以具有优选操作频率，并且包括初级侧和次级侧，其中，当平面变压器以差分模式操作时，该初级侧具有至少第一线圈并且该次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈被对称地构造并且在对称点处具有虚拟射频地。该实施例的特征在于，次级线圈的电长度小于操作频率处的波长的一半，并且等于操作频率处的波长的一半的整数倍。

该装置的另一个实施例是平面变压器，其具有优选操作频率并且包括初级侧和次级侧，其中该初级侧具有至少第一线圈并且该次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈被对称地构造并且具有对称点和具有两个分支的差分输出，对称点和差分输出的第一分支之间的第二线圈具有分布电感和其绕组之间的分布电容。该实施例的特征在于，分布式电感和分布式电容之间的谐振频率等于优选操作频率的倍数，从而优化了效率。

用于应用根据本发明的方法的装置的另一个实施例是平面变压器，其具有优选操作频率并且包括初级侧和次级侧，该初级侧具有在优选操作频率处具有第一输入阻抗的输入，并且该次级侧具有在优选操作频率处具有第一输出阻抗的输出，该第一输出阻抗的输出具有第一电源阻抗和第一负载阻抗。其中在优选操作频率下，第一电源阻抗为输出终结时输入阻抗的第一负载阻抗的复共轭。第一负载阻抗为输入终结时输出阻抗的第一电源阻抗的复共轭。初级侧具有至少第一线圈并且次级侧具有至少第二线圈，该第二线圈对称的构造。当平面变压器以差分模式操作时，在对称点处具有虚拟射频地。所述装置的特征还在于，所述次级线圈的电长度小于所述操作频率处的波长的一半，并且等于所述操作频率处的波长的一半的整数倍。

关于装置的上述实施例还可以具有控制器，其中控制器包括具有根据前述权利要求中步骤之一的步骤的程序编制。

根据本发明的平面变压器的各种实施例，也可以使用根据本发明的方法在射频操作中操作。虽然在低频范围中，两个实际阻抗之间的比率是绕组比的平方，但是，在较高频的范围内，由于射频阻抗并非实际的电阻，以及实质上存在的分布电容和电感涂层，这种关系更加复杂。射频操作可以为f≥10MHz。此外，射频操作也可以是50kHz≤f≤10MHz。

在一个实施例中，初级线圈和次级线圈之间的电容形成具有完全对称的平面变压器的次级线圈的相应一半的电感的阻断电路。就射频技术而言，"对称地构造"意味着：如果平面变压器是差分馈送，则这种对称导致在相应线圈的对称点处存在虚地。

根据本发明的装置和根据本发明的方法还可以结合进一步的，可选的和有利的特征相结合。为了说明，再次指出，本发明的一个目的是利用RF范围内的可变阻抗负载实现高效率。上述方法，装置及其实施例涉及使用初级线圈和次级线圈之间的电容以确保效率。其它实施例可以将这些的使用和线圈(一个或多个次级线圈)内的容量的使用相结合，以实现提高的效率。

在可组合实施例中，平面变压器的线圈的两个绕组之间的电容与线圈的电感形成谐振电路。在根据本发明提供的方法，选择该谐振电路的谐振频率，使得其落在要抑制的信号的谐波的频率上。作为结果，在抑制谐波的情况下，没有信号可以从平面变压器的输出传输到平面变压器的输入。在输入侧，平面变压器为要抑制的谐波提供阻抗，该阻抗不依赖于撞击平面变压器的输出的(反射)信号：平面变压器对于这些谐波是不透明的，输入侧的谐波终端与负载和第二匹配网络的状态无关。

因此，根据本发明的方法可以与用于操作平面变压器中的可变阻抗负载的方法相结合，所述平面变压器至少包括初级侧和次级侧，所述初级侧和次级侧可以作为输入或输出侧操作，所述输入侧或输出侧包括初级线圈和次级线圈。其中，线圈的绕组与线圈的电感器之间的电容形成谐振电路，所述谐振电路包括对谐振电路的谐振频率的选择。其中，谐振频率落在要抑制的输入信号的谐波的频率上。此外，组合方法可以具有在平面变压器的输入侧提供阻抗的特征，该阻抗不依赖于在输出处反射的信号，从而平面变压器对于谐波看起来是不透明的。

根据本发明的用于操作平面变压器的方法，所述平面变压器包括初级侧和次级侧，其中所述初级侧具有至少一个第一线圈并且所述次级侧具有至少一个第二线圈，所述第二线圈被对称地构造并且具有对称点和具有两个分支的差分输出，所述第二线圈在对称点和差分输出的第一分支之间的绕组之间具有分布电感和分布电容。还可以包括：选择分布电感和分布电容之间的谐振频率等于优选操作频率的倍数的特征。

另一种可能的组合是增加一种用于操作平面变压器的方法，该变压器具有优选操作频率并且包括初级侧和次级侧，所述初级侧在优选操作频率处具有第一输入阻抗的输入，并且所述次级侧在优选操作频率处具有第一输出阻抗的输出，所述输出具有第一电源阻抗和第一负载阻抗，其中在优选操作频率的情况下，第一电源阻抗为输出终结时输入阻抗的第一负载阻抗的复共轭；第一负载阻抗为输入终结时输出阻抗的第一电源阻抗的复共轭。其中初级侧具有至少一个第一线圈并且次级侧具有至少一个第二线圈，所述第二线圈被对称地构造。并且当平面变压器以差分模式操作时，在对称点处具有虚拟射频地，所述差分模式包括选择分布式电感和分布式电容之间的谐振频率等于优选操作频率的倍数。

根据本发明的平面变压器的各种组合实施例也可以使用根据本发明的方法在射频操作中操作。射频操作可以是f≥10MHz。此外，射频操作也可以是50kHz≤f≤10MHz。

根据本发明的装置可以包括平面变压器，该平面变压器至少具有初级侧和次级侧，该初级侧和次级侧可以作为输入侧或输出侧操作，并且包括控制器，其中所述控制器的程序实现前述方法之一的步骤。

根据本发明的装置可以包括平面变压器，其具有优选操作频率并且包括初级侧和次级侧，其中初级侧具有至少一个第一线圈，次级侧具有至少一个第二线圈，所述第二线圈对称地构造并且具有对称点和具有两个分支的差分输出，在对称点和差分输出的第一分支之间的第二线圈具有分布电感和其绕组之间的分布电容，其特征在于，分布电感和分布电容之间的谐振频率等于优选操作频率的倍数。

根据本发明的装置可以包括平面变压器，该平面变压器具有优选操作频率并且包括初级侧和次级侧，初级侧在优选操作频率处具有第一输入阻抗的输入，并且次级侧在优选操作频率处具有第一输出阻抗的输出，所述输出具有第一电源阻抗和第一负载阻抗，其中在优选操作频率的情况下，第一电源阻抗为输出终结时输入阻抗的第一负载阻抗的复共轭；第一负载阻抗为输入终结时输出阻抗的第一电源阻抗的复共轭。其中初级侧具有至少一个第一线圈并且次级侧具有至少一个第二线圈，所述第二线圈被对称地构造。并且当平面变压器以差分模式操作时在对称点处具有虚拟射频地，其特征在于，分布式电感和分布式电容之间的谐振频率等于优选操作频率的倍数。

与上述结构不同，由于呈现的最大可能的简单性，本领域技术人员还可以以这样的方式应用本发明所公开的教导，即，位于目前所描述的结构中的一个次级线圈的对称点上的射频接地，位于另一点，例如，当第一绕组方向的第一数目的绕组布置在次级线圈的第一层中时，与第一绕组相反的绕组方向的不同于第一数目的第二数目的绕组布置在次级线圈的第二层中。

应当清楚地指出，这些特征的组合可以与来自专利权利要求的特征的组合相组合。

附图说明

图1根据本发明的装置-平面变压器。

附图的详细说明

图1具有根据本发明的装置，其可以实施本发明的方法100。装置10包括平面变压器10。在次级线圈中具有可变数量的绕组的射频平面变压器10通常可以由两个层组成，其中第一层可以是初级侧，而为了说明而布置成与第一层平行的另一层可以是次级侧。图1中的平面变压器不止有一个次级线圈。根据本发明的图1中的平面变压器包括一个初级侧11(粗外线)，该初级侧11与夹层结构一样，被布置在两个次级侧12，12'(细线，细虚线)之间的中心。次级线圈12的绕组的一半在初级线圈11的上方，另一半12'在初级线圈11的下方。两个次级线圈12，12'具有彼此相反的绕组方向。在中间，次级线圈的绕组也被连接，存在“虚地”。当从上方观察时，两个半部看起来具有彼此相反的绕组方向；必须这样设置因为在一半中，电流“从内向外”流动，而在另一半中电流“从外向内”流动，但是在两半中感应的(部分)电压应该相加，而不是相互抵消。

使用的附图标记列表

10 根据本发明的装置-平面变压器

11 平面变压器的初级线圈

12 平面变压器(上)的次级线圈

12' 平面变压器(下)的对称次级线圈

100 根据本发明的方法