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9-2013

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HF-Praxis 9/2013

Grundlagen So

Grundlagen So funktionieren HF-Transformatoren Bild 1: Der einfache Aufbau eines Autotransformers. Die-Punkte markieren den Wicklungsanfang bei gleichem, Wickelsinn. HF-Transformatoren sind altbekannte Bauteile, werden aber auch in modernen HF- Schaltungen vielseitig genutzt. Wie bei vielen anderen Bauelementen auch, wurden durch technologische Weiterentwicklungen die Eigenschaften verbessert. Unser Beitrag nimmt diese „modernen Klassiker" genauer unter die Lupe. HF-Transformatoren dienen vor allem dazu, Impedanzen anzupassen (und somit beispielsweise die maximal mögliche Leistung zu übertragen), um Spannungen herab- oder heraufzusetzen (etwa zu Messzwecken), um eine DC-Entkopplung zu bewirken und um von symmetrisch auf unsymmetrisch bzw. umgekehrt zu wandeln. Das alles sind klassische Aufgaben, die sich auch heute uneingeschränkt stellen, und dabei führt nach wie vor kein Weg an einem HF-Transformator vorbei! Bild 3: Dreiwicklungstrafo. Schließt man nicht Anfang und Ende der Sekundärwicklungen zusammen, haben die Teilausgangsspannungen entgegengesetzte Phasenlage, so dass sich insgesamt null ergibt. Nach Bild 1, 2 und 3 kann ein Transformator als „Spartrafo" (Autotransformer) oder als Zwei- bzw. Dreiwicklungstrafo und somit DC-trennend ausgeführt werden. In der HF-Technik kommt es meist auf Breitbandigkeit an. Es ist also wichtig, einen möglichst breitbandig funktionierenden Kern einzusetzen (Ferritmaterial) und die Wicklungen so zu gestalten, dass Streukapazitäten, welche die obere Einsatzfrequenz mitbestimmen, möglichst minimal sind. Breitband-HF-Transformatoren nutzen leicht verdrillte oder parallel geführte Drähte (Twisted Pair), um dieses Ziel zu erreichen. Durch den homogenen Aufbau bilden Längsinduktivität und Querkapazität einen Wellenwiderstand und treten daher nicht störend in Erscheinung. Dabei ist eine optimale Performance dann möglich, wenn die Impedanzen angeschlossen werden, für welche der Transformator primär und sekundär ausgelegt ist. HF-Transformatoren mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 sind typisch für 50 oder 75 Ohm dimensioniert. Bei den Breitbandtransformatoren kann man grundsätzlich zwischen zwei Arten unterscheiden: • Impedanzwandler (Transformatoren) • Symmetriewandler (Baluns) Die Kombination beider Typen ist möglich und in der Praxis oft anzutreffen. Betreffs des Einsatzfrequenzbereiches gilt: • Die untere Einsatzfrequenz hängt von der kleinsten erzielten Induktivität ab. Diese wird durch AL-Wert und Windungszahl bestimmt. • Die obere Einsatzfrequenz hängt im Wesentlichen von der Permeabilität des Ferritmaterials ab. Mit sinkender Permeabilität verschiebt sich der Einsatzfrequenzbereich nach oben. Weiter gilt: Unter Verwendung der Application Note „How RF Transformers Work“ Mini-Circuits www.minicircuits.com Aufbau und Funktion Bild 2: Grundaufbau eines Zweiwicklungstrafos. Polt man eine der Wicklungen um, ändert sich die Phasenbeziehung um 180°. 10 hf-praxis 9/2013

Grundlagen • Die Güte des Kerns und damit die Verluste des Übertragers hängen von der Größe des Kerns ab. Faustregel: Je größer der Kern, umso geringer die Verluste Die Spannungstransformation erfolgt direkt mit dem Windungszahlverhältnis N, die Widerstandstransformation aber mit dem Quadrat dieses Verhältnisses: N = 1:2 » 1:4 (z.B. 50 Ohm auf 200.Ohm) N = 1:3 » 1:9 (z.B. 50 Ohm auf 450-Ohm) N = 1:4 » 1:16 (z.B. 50 Ohm auf 800 0hm) Mit dem „Spartransformator", der ja nichts weiter darstellt als eine angezapfte Induktivität, ist das ebenfalls möglich (N = Gesamtwindungszahl zu Teilwindungszahl). Das wäre der einfachste Impedanzwandler. Damit ist aber keine Symmetriewandlung möglich, da Ein- und Ausgang einseitig verbunden sind. Symmetriewandlung gelingt mit einem Transformator, dessen Primär- und Sekundärwicklung voneinander getrennt sind. In der HF-Technik benutzt man darüber hinaus beispielsweise das in Bild 4 gezeigte, etwas weniger gut verständliche Konzept, da es praktische Vorteile verspricht. Der Transmission- Linie-Transformator T1 im Eingang verbessert die Performance bei hohen Frequenzen und erlaubt primär problemlos ein symmetrisches Signal. Dieses. Design zeichnet sich aus durch: • hohe Bandbreite, bis hin zu1 GHz • exzellente Amplituden- und Phasensymmetrie • gutes SWR auf der Eingangsseite Ersatzschaltbild eines Zweiwicklungstrafos In Bild-5 sind die diversen Störgrößen des realen Transformators zu erkennen. Zu den Verlustwiderständen der Windungen R1 und R2 gesellen sich Längsund Parallelinduktivitäten sowie parasitäre Kapazitäten, die längs und quer liegen. Lp etwa beruht auf der Magnetisierungsinduktanz, welche die Performance bei niedrigen Frequenzen einschränkt. Cl und C2 beispielsweise sind die Windungs- und Anschlusskapazitäten. Der Verlustwiderstand des Kerns (Core) RC ist durchaus frequenzabhängig. Er resultiert aus drei Verlustmöglichkeiten: • Eddy-Current-Loss, der mit der Frequenz steigt • Hysteresis Loss, welcher mit der Flussdichte ansteigt, also vomn Signalpegel abhängt • Residual Loss, der teils durch gyromagnetische Resonanz entsteht Die parasitären Größen und RC sind mehr oder minder von der Temperatur abhängig. So ist bei hohen Temperaturen die zufällige thermische Vibration größer Bild 5: Ersatzschaltbild eines HF-Transformators mit zwei Wicklungen Bild 4: HF-Transformator mit Balun im Eingang als bei kleinen. Das vergrößert die Verluste im Kern. Die Einfügedämpfung (Insertion Loss) und ihr Frequenzgang Verluste in den Wicklungen (z.B. durch ohmschen Anteil und Skin-Effekt), im Kern (Streuung des Magnetfelds, Hysterese- Verluste) sowie infolge der nicht idealen Kopplung (Abstände, parasitäre Kapazitäten) bewirken, dass ein Teil der Eingangsleistung im Transformator in Wärme umgewandelt wird. Entsprechend weniger Ausgangsleistung ist verfügbar. Die Verluste eines HF-Breitbandtransformators sind recht stark frequenzabhängig. Es gibt praktisch nur einen schmalen Frequenzbereich, in dem sie als minimal angesehen werden können. Bei guten HF-Breitbandtransformatoren sind die Verluste in diesem Bereich vernachlässigbar gering. Das Datenblatt informiert über diese kleinstmöglichen Verluste, die immer etwa in der Mitte des Einsatzfrequenzbereichs auftreten. In Bild 6 sind sie vernachlässigt. Das Bild will nicht so sehr über die Verluste informieren als vielmehr über die Phasendrehung des Ausgangssignals gegenüber dem Eingangssignal. Dazu sind drei Phasendrehungen als Parameter festgelegt. Es ergeben sich drei verschiedene Verläufe. Ist die Phasendrehung nicht von Bedeutung, so kann man die äußeren Kurventeile als Begrenzungen ansehen. Etwa eine 2-dB- Bandbreite würde dann bei der unteren Frequenz +100° bewirken und bei der oberen –55°. Im gesamten Einsatzfrequenzbereich würde die Phase also über 155° verschoben werden. Bild 7 führt in die Praxis und stellt das Verhalten des Typs AD TT-1-1 von Mini Circuits transparent dar. Die 0-dB-Linie bezieht sich dabei auf die minimale, nicht mehr zu-unterbietende Dämpfung bei ungefähr 10 MHz mit 0,28 dB. Davon ausgehend ergeben sich die drei angeführten Bandbreiten, jeweils für 25°. Man beachte die stark nichtlineare Skalierung der Horizontalen. Dies ist auch bei Bild 8, und 9 der Fall. Hier wird die Performance von HF-Transformatoren für Einsatzfrequenzen weit höher als beim AD TT1-1 (beim AD T4-1 WT) bzw. deutlich darunter (beim AD T16-1 T) vorgestellt. Die minimalen Einfügedämpfungen sind deutlich größer. Warum ist das so? Weil die Verluste praktisch mit dem Transformationsverhältnis ansteigen. Der AD TT-1-1 transformiert 1:1, der AD T4-1 WT 1:4 und der AD hf-praxis 9/2013 11

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel