SE512036C2 - Anordning för impedansanpassning innefattande två seriella kvartsvågstransformatorer - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 512 036 2 effektsteget. Impedansanpassningsanordningen kallas även för en impedansmatchningsanordning eller kortare för en impedansanpassning, impedansmatchning eller matchning.

Olika typer av impedansmatchningar är kända. En känd typ av matchning är en transformator med resonanta kretsar. I princip ansluts en primärsida till effektstegets utgång och en sekundärsida med de avstämda resonanta kretsarna till antennen. De resonanta kretsarna innehåller en parallellkopplad spole och kapacitans. Ofta är spolen luftlindad. En variant av resonanta kretsar är där spolen är utformad med hjälp av strip line. Det innebär att man gör ett kretskortsmönster som bildar spolen. En annan variant är den där~ man utesluter primärlindningen och går direkt och ansluter ledarna från effektsteget pà något lämpligt ställe inpå sekundärlindningen. Den lösningen har flera fördelar som färre och mindre komponenter vilket sparar utrymme och kostnader i jämförelse med en transformatorkrets med både primär- och sekundärlindning. Dock har denna lösning en stor nackdel genom att den är smalbandig.

Ytterligare en annan typ av impedansmatchning är att utnyttja en helixresonator, vilken egentligen är en filterkomponent. Denna kan i extremfall fås att fungera som en avstämd svängningskrets.

I små apparater som exempelvis mobila radioutrustningar erbjuds emellertid endast ett litet utrymme för en impedansanpassande anordning.

Rsnosönr-:Lsm FÖR UPPFINNINGEN För att förhindra reflexioner och dålig verkningsgrad måste effektstegets utgàngsimpedans matchas mot antennens ingångsimpedans. En matchning är nödvändig vare sig effektsteget/matningssteget har väsentligt högre eller lägre 10 15 20 25 30 3 512 036 utimpedans i jämförelse med ingångsstegets inimpedans.

Bildas en kvot mellan den högsta och den lägsta impedansen erhålls en impedanskvot I. En hög impedanskvot innebär således en stor skillnad mellan impedanserna för in- och utgång. Kända impedansanpassningsanordningar kräver ofta stort utrymme och/eller är konstruktionsmässigt komplicerade. I små apparater som exempelvis mobila radioutrustningar erbjuds emellertid endast ett litet utrymme för en impedansanpassande anordning.

Föreliggande uppfinning erbjuder en lösning på impedansanpassningsproblemet att i ett litet utrymme med korta avstånd impedansanpassa en antenn.

Ett annat problem som löses med föreliggande uppfinning är tillräckligt bandbredd erhålls med att en impedansanpassningen.

Ett annat problem som löses med föreliggande uppfinning är att en impedansanpassande anordning ska vara enkel och billig att tillverka. Ändamålet med föreliggande uppfinning är således att åstadkomma en impedansanpassning på en mycket begränsad längd och ändå bibehålla högt uppsatta krav på precision och bandbredd samt att uppfinningen skall vara enkel och billig att tillverka.

I korthet innebär den föreslagna lösningen en anpassning i flera steg medelst kvartsvàgstransformatorer.

Mer i detalj innebär lösningen att man stackar kvartsvågstransformatorer vilkas dielektrikum består av material vars dielektricitetstal e överstiger värdet 10.

Med denna lösning av problemen erhålls en rad fördelar.

Impedansanpassningsanordningen kan göras tillräckligt liten för att det ska vara möjligt att integrera antenn och 10 15 20 25 512 036 4 anpassningsanordning med varandra - till och med i samma inneslutning. Anordningen är särskilt lämplig att använda i radioutrustning i övergångar med hög impedanskvot (I>3) mellan krets-/modulsteg. Av nedanstående presentation kommer att framgå att impedansanpassningsanordningen är enkel att består av få delar och är därmed även billig att erhålls tillverka, framställa. Trots den ringa storleken goda frekvensegenskaper så som god precision, lätt att avstämma och tillräckligt stor bandbredd. Konstruktörer och tillverkare slipper de nackdelar det innebär att arbeta med kretsar och spolar eftersom dessa kretselement är svåra att tillverka så att de får exakta värden samt att förlusterna är stora.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av föredragna utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritning.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar en mobil radioenhet med en första utföringsform av en impedansanpassningsanordning integrerad i antennenheten.

Figur 2 visar ett tvärsnitt av den första utföringsformen av en impedansanpassningsanordning.

Figur 3 visar en vy av den första utföringsformen av impedansanpassningsanordningen.

Figur 4 visar en vy i profil av den första utföringsformen av impedansanpassningsanordningen.

Figur 5 visar en vy i profil av en andra utföringsform av impedansanpassningsanordningen_ 10 15 20 25 30 5 512 056 Figur 6 visar ett tvärsnitt av den andra utföringsformen av en impedansanpassningsanordning_ Figur 7 är ett kurvdiagram som illustrerar hur bandbredden påverkas av olika typer av impedansanpassning.

FÖREDRAGNA Urrönrnssrommn Figur 1 visar en mobil radioenhet 10 med en integrerad antennenhet 12, vilken i figuren är uppsnittad.

Antennenheten består av en antenn 14 och av en impedansanpassningsanordning 16. Antennen 14 kan vara av typen halvvågsdipolantenn, vilken matas i ena änden med radiovàgor. Matningsimpedansen. är av storleksordningen 800 ohm (0,5 - 1 Kohm). Radioenhetens uteffektsteg har en utgångsimpedans av storleksordningen 50 - 100 ohm. För att matcha denna stora skillnad i impedanser har en impedansanpassningsanordning anslutits mellan uteffektsteget och antennen. Genom att impedansanpassningsanordningen är så liten har den integrerats med antennen till en antennenhet. stegvis genom att med ett Idén med anpassningen är att göra den seriekoppla ett antal kvartsvågstransformatorer dielektrikum med högt dielektricitetstal men med olika avstånd mellan yttre och inre ledare.

Impedansanpassningsanordningen ska nu beskrivas mer i detalj med hjälp av figur 2. Denna figur visar ett längsgående tvärsnitt av en första utföringsform av anordningen. denna 24 vilka Impedansanpassningsanordningen 16 inkluderar i utföringsform fyra kvartsvàgstransformatorer 18 - är seriekopplade mellan ett nmtningssteg i radioenheten 10 typ. 24 består av en yttre elektriskt ledande och antennen 14. Dessa transformatorer är koaxiell Varje kvartsvågstransformator 18 - ledare 26, material. även kallad skärm, av ett Närmast innanför skärmen finns ett dielektrikum 28, ett elektriskt isolerande material. Den yttre ledaren 10 15 20 25 30 512 056 e och dielektrikummet omsluter en inre ledare 30. Det dielektriska materialet 28 fyller ut utrymmet mellan ledarna, 26 och 30. Varje dielektriskt material har sitt dielektricitetstal e.

I figuren är den inre ledaren 30 utformad som ett tunt skal.

Ledaren är således rörformig. Det räcker således med att metallisera insidan av det dielektriska materialet. Denna lösning innebär att kvartsvågstransformatorn inte är homogen. Skalutformningen är fördelaktigt med hänsyn till vikten. Alternativt kan ledaren 30 vara homogen men denna blir tyngre. I små mobila radioenheter är vikt och storlek parametrar som det är önskvärt att minimera.

Matchningsanordningen har en högimpediv ände/kortsida 34 och en lågimpediv ände/kortsida 32. Högimpediv är bara ett relativt begrepp för att ange att den änden av anordningen har en högre impedans län den lágimpediva änden. Den högimpediva änden skall anslutas till den in- eller utgång som har den högre impedans en relativt den andra in- eller utgången.

Genom att variera avståndet mellan den yttre 26 och den inre ledaren 30 och därmed tjockleken på det mellanliggande dielektrikummet 28 så kommer kvartsvàgstransformatorns impedans att variera. Ju större avstånd mellan ledarna desto högre impedans. Ytterligare en variationsmöjlighet är att variera material och därigenom dielektricitetstalet.

I den föreslagna utföringsformen enligt figur 2 har de olika seriekopplade kvartsvågstransformatorernas 18 - 24 ytterledare 26 samma avstånd till centralaxeln och därmed även impedansanpassningsanordningens 16 yttre ledare 26 konstant avstånd till centralaxeln 36. 26 i Eftersom ytterledaren detta fall är rörformig, med en tväryta som är en så är avståndet en radie R som är konstant. Den till cirkelring, inre ledaren 26 är stegvis rörformig, men avståndet centralaxeln 36 ändras stegvis för varje ny 10 15 20 25 30 7 512 056 kvartsvågstransformator. Genom att den inre ledarens radie r minskar stegvis för varje kvartsvàgstransformator på sträckan från radioenhetens effektsteg/matningssteg till antennens 14 infästning så ökas även impedansen stegvis.

Exempelvis blir varje kvartsvàgstransformatorsteg (18 - 24) 9 mm vid 900 MHz om ett material med ett dielektricitetstal s som minst har värdet 80. Görs matchningen i fyra steg blir matchningsanordningen totalt 36 mm hög. första hand av I och med att det Matchningsanordningens diameter styrs i vilken styvhet som konstruktionen ska ha. är förhållandet mellan innerledarens 30 (antennanslutningens) diameter och ytterledarens 26 (skärmens) diameter som ska vara densamma finns det stor frihet att välja matchningsanordningens dimensioner så länge som förhållandet är detsamma. Dock får inte innerledarens diameter väljas för liten (storleksordningen 0,01 mm) eftersom de resistiva förlusterna ökar med minskande diameter. Låga, acceptabla resistiva förluster i innerledaren erhålls i. en koppartråd vars diameter är 0.5 ITlITl.

Denna föreslagna lösning är mycket intressant upp till 2 GHz. I frekvensbandet 1,8 GHz blir varje transformatorsteg endast 4,5 mm långt. Över frekvensen 2 GHz kan även andra impedansmatchningar av olika orsaker vara intressanta.

En alternativ utformning av natchningsanordningsanordningen är att låta avståndet mellan den inre ledaren 30 och centrumaxeln 36 vara konstant varvid avståndet/radien mellan centrumaxeln 36 och den yttre ledaren 26 ändras stegvis för varje kvartsvågstransformatorsteg 18 - 24.

Figur 3 visar den första utföringsformen av impedansanpassningsanordningen 16 då den lågimpediva änden 32 av anordningens båda ändar är vänd. mot en betraktare.

Utifrån och in mot centrum ligger först den yttre ledaren 10 15 20 25 30 512 056 s 26, det dielektriska materialet 28 och den inre ledaren 30 vilka ingår i det kvartsvàgstransformatorsteg 18 som har den Efter steget 18 22 och 24. lägsta impedansen. följer de övriga transformatorstegen 20, Varje transformatorsteg elektrisk våglängd lång. 21 och 23. är en kvarts Mellan varje steg finns en övergång 19, Figur 4 visar en vy i profil av den första utforingsformen.

I figuren illustreras de fyra transformatorstegen med sina inre begränsningsytor streckade. En utdragningsbar antenn kan integreras med matchningsanordningen 16 så att antennen har sin infästning i det centrumhål 38 smn bildas i det högimpediva steget 24. I inskjutet läge passerar antennmasten genom matchningsanordningens hàlrum som bildas i mitten av den inre ledaren 28.

I figurerna 5 och 6 visas en andra utföringsform av impedansanpassningsanordningen 16. Denna utföringsform skiljer sig från den första genom att avståndet mellan ytter- och innerledare, 26 och 30, ändras kontinuerligt i stället för i steg. Övergången mellan stegen har med andra ord gjorts kontinuerlig.

Figur 5 visar impedansanpassningsanordningen 16 i profil där den inre begränsningsytan, innerytan av den inre ledaren 30, Tomrummet i mitt är konisk. är streckad. anordningens Alternativt kan ytterledaren 26 avgränsa en konisk volym samtidigt som innerledaren 30 har konstant radie.

Figur 6 visar ett tvärsnitt av den andra utföringsformen av impedansanpassningsanordningen 16. Ändringen av det radiella 26 respektive 30, avståndet mellan ytter- och innerledare, från den làgimpediva kortsidan/änden 32 till den högimpediva kortsidan/änden 34 är i detta fall linjär.

Avståndet och därmed tjockleken på det dielektriska materialet i den ände av anordningen som är ansluten till den lägre impedansen, exempelvis utimpedansen hos ett 10 15 20 25 30 35 9 512 036 av tvâ impedanser som ska matchas är således till den effektsteg, mindre än den ände som är ansluten högre impedansen, exempelvis antennsidans inimpedans. Den radiella avståndsändringen mellan inner- och ytterledare kan även vara olinjär vilket medför att innerledarens och/eller ytterledarens radier ändras olinjärt i anpassningsanordningens längdriktning från änden 32 till änden 34.

En god egenskap i denna komponent är att den har bra verkningsgrad - det höga obelastade Q-värdet eller det så kallade godhetstalet är högt. I det fallet då impedansanpassningen sker i ett enda steg fås ett högt (kvoten mellan matningsimpedansen ohm). obelastat Q-värde på 16 800 ohm och däremot sker i flera steg fås ett lägre belastat Q-värde. I utgångsimpedansen 50 Om matchningen den första utföringsformen sker matchningen i fyra steg med (från 50 till vilket medför att det belastade Q-värdet blir 8 = (Q-värdet/steg). en fördubbling av impedansen för varje steg 800 ohm) 4 (steg) x 2 Således har Q-värdet halverats i jämförelse med värdet för den impedansanpassning som sker i ett steg.

En matchning i ett enda stort steg medför att lösningen blir smalbandig medan en lösning som innebär nßtchning i flera steg innebär en bredbandig anpassning. Antalet transformatorsteg avgörs av hur bredbandigt system som önskas. I figur 7 visas ett kurvdiagram som illustrerar hur frekvenskurvan förändras om matchningen sker i ett eller flera steg. Den streckade kurvan H1 anger förlusterna med en Kurvans maximum ligger vid en (lO0%) blir det mittfrekvensen. anpassning i ett enda steg. mittfrekvens pà 900 MHz. Vid ideal matchning inga impedansförluster vid Matchningsförlusterna ökar snabbt med ökande avstånd från mittfrekvensen. Bandbredden uppmäts mellan de punkter där kurvan skär -3 dB linjen. har smal bandbredd B1.

Enstegsanpassningen (H1) Den heldragna kurvan Hn anger förlusterna med 10 15 20 25 30 512 056 10 -3 dB är Vid en anpassning i flera steg. Vid en dämpning på bandbredden Bn betydligt bredare än i enstegsfallet. mobilradiotillämpning är det viktigt att bandbredden är så stor att RX- TX-frekvensbanden klart respektive ligger innanför anpassningsanordningens bandbredd.

Den föreslagna impedansanpassningsanordningen kan kombineras med olika typer av antenner. Anordningen är således inte enbart begränsad till halvvàgsdipoler. Det medför heller inga svårigheter att anpassa anordningen till inskjutningsbara antenner.

Impedansanpassningsanordningen 16 kan tillverkas med en mycket enkel metod. Det dielektriska materialet pressgjutes varvid anordningen formas i ett stycke under högt tryck och hög temperatur. Ett lämpligt val av material för pressgjutning är keramer. Keramer är sintrade, icke-ledande material som påminner om glas. Keramer är saltblandningar av Cobolt, etc. metalloxider av Barium, Vid gjutningen bildas (s>10).

Mangan, dielektriska dielektricitetstal Olika material med högt sammansättningar av metalloxider ger nya keramer med andra dielektricitetstal. Väggarna på den färdiga detaljen av dielektriskt material beläggs, bestryks, besprutas med metall eller doppas i ett metallbad. Den stelnande metallen bildar då ytterledare och innerledare.

Beroende på önskemål kan innerledaren göras homogen eller ihålig.

Kvartsvàgstransformatorer har tidigare inte varit särskilt intressanta att använda i små radioenheter. Den uppfunna konstruktionen innebär att det är möjligt att tillverka impedansanpassningsanordningar med tillräckligt små dimensioner för att de ska vara intressanta att utnyttja i små radioenheter. Material med dielektricitetstalet s som överstiger 10, så som exempelvis keramer, är en viktig del i konstruktionen. Den uppfunna matchningsanordningen kan inkluderas i en rad olika radioutrustningar och anordningar 11 512 036 för radiokommunikation. Exempel på sàdana anordningar är terminaler och mikrobasstationer för mobil radiokommunikation samt GPS-utrustning såsom satellitmottagare.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och på ritningen visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (8)

10 15 20 25 30 512 036 12 PAIENTKRAV

1.Impedansanpassningsanordning (16) vilken är anordnad mellan en i en radioutrustning (10) ingående antenn (12) och ett matningssteg, exempelvis ett uteffektsteg, vilkas impedanskvot överstiger en faktor 3 , k ä n n e t e c k n a d av, att impedansanpassningen inkluderar åtminstone två seriekopplade (18,20) med ett dielektricitetstal kvartsvågstransformatorer vilka består av ett dielektrikum (28) s vars värde överstiger 10.

2.Impedansanpassningsanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av, att det dielektriska materialets (28) ytter- och innerväggar (26 respektive 30) är metalliserade och utgör ytter- respektive innerledare i anordningen (16).

3.Impedansanpassningsanordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av, att impedansanpassningen inkluderar åtminstone två kvartsvågstransformatorer av koaxiell typ med olika avstånd mellan ytter- och innerväggar (26,30).

4.Impedansanpassningsanordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a d av, att den inre ledaren är ihålig.

5.Impedansanpassningsanordning enligt något av kraven l-4, k ä n n e t e c k n a d av, att den inre ledaren har olika radie för varje nytt kvartsvågstransformatorsteg.

6.Impedansanpassningsanordning enligt något av kraven 1-4, k ä n n e t e c k n a d av, att den inre ledaren är ihålig och har en jämn och kontinuerlig övergång mellan varje transformatorsteg samt att radien över ett steg varierar kontinuerligt. 5 iß 512 oss

7. Impedansanpassningsanordning enligt något av kraven l-6, k a n n e t e c k n a d av, att impedansanpassningen ar integrerad med antennen (14) till en antennenhet (12).

8. Impedansanpassningsanordning enligt något av kraven 1-7, k ä n n e t e c k n a d av, att impedansanpassnings- anordningen ingår i utrustning för radiokommunikation.