(57)【要約】  ９０°ハイブリッドは２つの高周波増幅器（９，１０）を統合接続するために用いられる。９０°イブリッドは４つのゲート端子を有する４ゲートとして構成されており、これが９０°ハイブリッドを形成する。９０°ハイブリッドは、電気的容量性結合のためのキャパシタンス（５，６）と、磁気的誘導性結合のためのインダクタンス（７，８）を有する。本発明の９０°ハイブリッドでは、電気的容量性結合（５，６）と磁気的誘導性結合（７，８）とが、相互にほぼ平行に配置された導体路（１７，１８）によって形成され、該導体路の端部（２３）はゲート端子として構成されており、該導体路の寸法と相互の間隔は、９０°ハイブリッドに対して所要の電気的容量性結合と磁気的誘導性結合を形成するように選定されている。
2007505533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力を分割または統合するための９０°ハイブリッドであって、該９０°ハイブリッドは４つのゲート端子を有する４ゲートとして構成されており、電気的容量性結合のためのキャパシタンスと磁気的誘導性結合のためのインダクタンスを有する形式の９０°ハイブリッドにおいて、
電気的容量性結合（５，６）と磁気的誘導性結合（７，８）は、相互にほぼ平行に配置された導体路（１７，１８）によって形成されており、
該導体路の端部（２３）はゲート端子として構成されており、該導体路の寸法と相互の間隔は、９０°ハイブリッドに対して所要の電気的容量性結合と磁気的誘導性結合を形成するように選定されており、
誘導性結合を上昇させるために、前記導体路を包囲するフェライトリングが設けられている、ことを特徴とする９０°ハイブリッド。
【請求項２】
請求項１記載の９０°ハイブリッドにおいて、前記フェライトリング（８）は、４０ｎＨから２００ｎＨの間のＡＬ値を備えるフェライトリングコア（１５）を有する９０°ハイブリッド。
【請求項３】
請求項１または２記載の９０°ハイブリッドにおいて、結合容量（５，６）を上昇させるために、２つ以上の導体路（１７，１８）が相互に面側で向き合うように配置されている９０°ハイブリッド。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも４つの導体路（１７，１８，１７ａ、１８ａ）から形成された導体路パケットが設けられており、
それら導体路のうち直接隣接しないそれぞれ２つの導体路（１７，１８；１７ａ、１８ａ）は端部（２３）で電気的に相互に接続されており、それぞれ接続された端部においてゲート端子（１〜４）を形成する９０°ハイブリッド。
【請求項５】
請求項４記載の９０°ハイブリッドにおいて、端部で相互に接続された導体路（１７，１８；１７ａ、１８ａ）はそれらの端子端部（２３）で側方にずらされた端子ラグを有し、
同じ側で直接隣接する導体路は反対方向で側方にずらされた端子ラグを有する９０°ハイブリッド。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、隣接する導体路’１７，１８；１７ａ、１８ａ）間には、有利にはεｒが２から２．６であり、厚さが約０．５ｍｍから３ｍｍである絶縁材料からなる面状のアイソレータ（２０）が設けられている９０°ハイブリッド。
【請求項７】
請求項６記載の９０°ハイブリッドにおいて、隣接する導体路ｂ（１７，１８；１７ａ、１８ａ）間に存在するアイソレータ（２０）は、導体路輪郭を越えて突出する突出部を有し、該突出は有利には約０．５ｍｍから３ｍｍである９０°ハイブリッド。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、導体路（１７，１８，１７ａ、１８ａ）は、絶縁材料からなるそれぞれ１つの支持体層にラミネート、プリント、または被覆されており、この構成の複数が相互に積層されている９０°ハイブリッド。
【請求項９】
請求項８記載の９０°ハイブリッドにおいて、直接隣接しないそれぞれ２つの導体路（１７，１７ａ；１８，１８ａ）が絶縁材料からなるそれぞれ１つの支持体層（２１）にラミネート、プリント、または被覆されており、
２つ以上の導体路を備える導体路パケットでは端子端部に貫通接続によって接続されている９０°ハイブリッド。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、１００ＭＨｚ以下の動作周波数、有利には１から１００ＭＨｚの動作周波数、とりわけ有利には１３．５６ＭＨｚの動作周波数と約１０から５０ｋＷの出力電力において、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１５ｃｍより小さい寸法を有する９０°ハイブリッド。
【請求項１１】
少なくとも１つの第１導体と少なくとも１つの第２導体を有する９０°ハイブリッドであって、当該導体路は相互に離間しており、結合領域では容量的かつ誘導的に相互に結合している形式の９０°ハイブリッドにおいて、
結合領域には導体のインダクタンスを上昇させるためにインダクタンス上昇素子が設けられている、ことを特徴とする９０°ハイブリッド。
【請求項１２】
請求項１１記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つのインダクタンス上昇素子は導体を結合領域で少なくとも部分的に包囲する９０°ハイブリッド。
【請求項１３】
請求項１１から１２までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つのインダクタンス上昇素子はリング状に構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項１４】
請求項１１から１３までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つのインダクタンス上昇素子は少なくとも１つの調整可能な空隙を有する９０°ハイブリッド。
【請求項１５】
請求項１１から１４までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つのインダクタンス上昇素子はフェライト材料から構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項１６】
請求項１５記載の９０°ハイブリッドにおいて、インダクタンス上昇素子はフェライトリングコアとして構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項１７】
請求項１１から１６までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、インダクタンス上昇素子は冷却体を有するか、または冷却体と接続されているか、または冷却体自体として構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項１８】
請求項１１から１７までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つの第１導体および／または少なくとも１つの第２導体の長さはλ／４より小さく、有利胃はλ／８より小さく、特に有利にはλ／１０より小さい９０°ハイブリッド。
【請求項１９】
請求項１１から１８までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、導体は相互に平行に伸長している９０°ハイブリッド。
【請求項２０】
請求項１１から１９までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、導体は平行な面に配置されている９０°ハイブリッド。
【請求項２１】
請求項１１から２０までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、少なくとも１つのスペースホルダが設けられており、該スペースホルダは少なくとも１つの第１導体と少なくとも１つの第２導体を所定の間隔で離間して保持する９０°ハイブリッド。
【請求項２２】
請求項２２記載の９０°ハイブリッドにおいて、スペースホルダは電気的アイソレータとして構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項２３】
請求項１１から２２までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、導体は導体路として構成されている９０°ハイブリッド。
【請求項２４】
請求項２１から２３までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、スペースホルダは平坦に構成されており、第１導体はスペースホルダの一方の側に、第２導体は対向する側に取り付けられており、とりわけスペースホルダには第１導体と第２導体がプリント、被覆、またはラミネートされている９０°ハイブリッド。
【請求項２５】
請求項１１から２４までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、複数の第１導体と複数の第２導体が設けられており、
第１導体の第１端部と第１導体の第２端部はそれぞれ相互に電気接続されており、接続された端部にそれぞれ１つのゲート端子が形成され、
第２導体の第１端部と第２導体の第２反歩はそれぞれ相互に電気接続されており、接続された端部にそれぞれ１つのゲート端子が形成される９０°ハイブリッド。
【請求項２６】
請求項２５記載の９０°ハイブリッドにおいて、第１導体と第２導体は導体積層体に配置されており、該第１導体と第２導体は交互に上下に配置されている９０°ハイブリッド。
【請求項２７】
請求項２５または２６記載の９０°ハイブリッドにおいて、端部で相互に接続された第１導体と第２導体は側方にずらされた端子ラグを有し、隣接する第１導体と第２導体は同じ側で相互にずらされた端子ラグを有する９０°ハイブリッド。
【請求項２８】
請求項２５から２７までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、隣接する導体間には電気アイソレータとして構成されたスペースホルダが設けられている９０°ハイブリッド。
【請求項２９】
請求項２８記載の９０°ハイブリッドにおいて、スペースホルダは導体輪郭を越えて突出する突出部を有する９０°ハイブリッド。
【請求項３０】
請求項２５から３０までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドにおいて、有利には両側に導体が設けられた複数のスペースホルダが積層されており、
隣接するスペースホルダの対向する側にある導体は実質的に合同であり、相互に接触している９０°ハイブリッド。
【請求項３１】
請求項１から３０までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドの使用法であって、
出力電力が９０°ハイブリッドによって結合された少なくとも２つの高周波発生器により、プラズマ励振プロセスおよび／またはレーザ励振プロセスのために高周波電力を供給する使用法。
【請求項３２】
請求項１から３１までのいずれか一項記載の９０°ハイブリッドの使用法であって、
プラズマ励振プロセスおよび／またはレーザ励振プロセスに高周波電力を供給するため、とりわけトランジスタ電力増幅器である少なくとも２つの高周波発生器を結合するために用いる使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は９０°ハイブリッドに関する。このような９０°ハイブリッドは高周波電力を分離または統合するために用いられ、４つのゲート端子を有する４ゲートとして構成されており、電気的容量性結合のためのキャパシタンスと磁気的誘導性結合のためのインダクタンスを有する。
【０００２】
レーザ励振プロセスまたはプラズマプロセスの領域では、通常の工業周波数１３．５６ＭＨｚと２７．１２ＭＨｚで動作し、出力電力が１ｋＷから５０ｋＷである高周波増幅器が公知である。出力が比較的に大きく、周波数が比較的に高い高周波増幅器を使用することが努められているが、種々の理由から実現は非常に困難である。
【０００３】
理由は、レーザ励振プロセスまたはプラズマプロセスの負荷インピーダンスが非線形特性を有し、ダイナミックに、しばしば制御不能に変化するからである。インピーダンスのこのダイナミックな変化は、増幅器での損失を引き起こす反射を形成する。増幅器のダミー素子、およびマッチングネットワークの線路とダミー素子に蓄積される無効エネルギーは放電する際に高電圧または大電流を形成し、増幅器を発振させたり、構成部材を破壊したりする。
【０００４】
このような負荷インピーダンス変化は、例えばレーザ励振プロセスまたはプラズマプロセスの点弧時、またはプラズマプロセスでのアークで生じる。付加的に、高周波駆動されるレーザ励振と、高周波励振されるプラズマプロセスがパルス駆動されることを考慮しなければならない。すなわち高周波増幅器が例えば１００Ｈｚから３００ｋＨｚのパルス周波数でスイッチオンオフされるか、または２つの電力領域間を切り換えられることを考慮しなければならない。各スイッチング過程の際に、短時間の反射が発生し、この反射は大部分が増幅器での損失エネルギーに、すなわち熱に変換される。
【０００５】
このような高周波増幅器の出力段は比較的に小さな電力（１〜６ｋＷ）に対してはすでにトランジスタにより実現されるが、比較的大きな電力に対しては通常、真空管が使用される。真空管は反射に対して頑強であり、トランジスタよりも損失エネルギーを良好に排出することができる。しかし真空管は高価であり、駆動に起因する老化を受ける。さらに真空管は比較的大きい。制御回路と冷却との関連で、約０．８ｍ×１ｍ×２ｍの構造サイズの回路ボックスを有する真空管高周波増幅器が提供される。
【０００６】
従って大電力の高周波増幅器にもトランジスタ出力段を装備することがますます試みられている。トランジスタ増幅器を使用することにより、共振モードで動作するスイッチング増幅器がますます多く使用されるようになる。ここでトランジスタは、非常に小さな損失エネルギーしか生じないようにスイッチングされる。これにより非常に寸法が小さく、比較的高電力の増幅器が得られる。構造サイズが約０．３ｍ×０．２ｍ×０．２ｍである１３．５６ＭＨｚ、３ｋＷの増幅器が実現された。このような増幅器はその構造サイズが小さいので、プラズマ装置またはレーザ励振装置に良好に組み込むことができる。
【０００７】
トランジスタ出力段を用いた大電力は、同期駆動される複数の高周波増幅器を統合接続することにより得られる。この統合接続はいわゆる結合器により行われる。このような結合器には種々の構造形式がある。
【０００８】
ＥＰ０９６２０４８Ｂ１から例えば、複数の高周波電力増幅器の統合回路が公知であり、これはいわゆる伝送線路結合器によって実現される。
【０００９】
ＥＰ０７３１５５９には、０°結合器による２つの増幅器の統合回路が開示されている。この結合器では増幅器の入力信号の位相がずらされ、同じ増幅器の出力信号も同様に再びずらされる。これにより結合器の入力端における位相は再び同相となる。位相シフタとして所定の長さのケーブルが提案される。この長さは、位相速度が０．６９＊ｃｏ（ｃｏ＝真空中の光速度）である通常のケーブルによれば、１３．５６ＭＨｚに対して約４ｍである。これはかなりのコストであり、大きな空間を必要とし、増幅器の構造サイズを常に小さくしたいという目標に反するものである。
【００１０】
マイクロ波技術と無線送信技術でしばしば使用される結合器はいわゆる９０°ハイブリッドであり、３ｄＢカプラとも称される。９０°ハイブリッドは４ゲ―トである。すなわち４つのゲートを有する。９０°ハイブリッドを結合器として使用する場合、２つのゲートにそれぞれ同じ内部抵抗および同じ出力周波数を有し、出力信号の位相が９０°ずれた高周波電力増幅器がそれぞれ接続される。
【００１１】
第３ゲートには負荷抵抗を備える負荷が接続される。
【００１２】
第４ゲートには負荷調整抵抗が接続される。
【００１３】
増幅器の負荷抵抗、負荷調整抵抗および内部抵抗は同じである。９０°ハイブリッドのほとんどのパッシブ構成素子（線路、キャパシタ、トランスまたはインダクタ）は次のように構成されている。すなわち、負荷で２つの増幅器の電力が統合され、負荷調整抵抗で電力が出力されず、２つの増幅器が分離され、相互に影響しないように構成されている。９０°ハイブリッド自体は理想的には無損失である。すなわち２つの高周波増幅器の電力は第３ゲートに接続された負荷に完全に供給される。
【００１４】
ＤＥ１１４３８７３（ＧＢ０９６６６２９）から、２つの電力増幅器の出力を短波送信機に対して統合するための使用法が公知である。線路区間がλ／４の４つの線路からなるカプラが記載されており、このカプラは付加的コンデンサを備える、λ／８線路からなる短縮された構造形状と同等である。
【００１５】
ここでλは伝送周波数の中心の波長である。この長さは、位相速度が０．６９＊ｃｏ（ｃｏ＝真空中の光速度）である通常のケーブルによれば、１３．５６ＭＨｚに対して約１５．２７ｍである。λ／８はそれでもなお２ｍほどあり、これは増幅器の通常の構造サイズに対しては過度に大きく、とりわけ製造が面倒である。
【００１６】
本発明の課題は、高周波電力を統合または分離するための９０°ハイブリッドを提供し、この９０°ハイブリッドの寸法を基本周波数の波長の１／８よりも格段に小さくすることである。さらに構造は簡単なものとし、製造に有利な構造を有するようにする。
【００１７】
さらに負荷を交番する負荷抵抗により、例えばレーザ励振またはプラズマ励振のように問題なしに駆動することができるようにし、トランジスタ出力段を有する高周波電力増幅器も使用できるようにする。
【００１８】
この課題を解決するために、少なくとも１つの第１電気導体と少なくとも１つの第２電気導体とを有する９０°ハイブリッドであって、該２つの電気導体は相互に間隔を置いており、結合領域では容量的かつ誘導的に相互に結合されている形式の９０°ハイブリッドにおいて、結合領域には導体のインダクタンスを上昇させるために少なくとも１つのインダクタンス上昇素子が設けられている。このことにより、５０ＭＨｚ以下の周波数に対する３ｄＢカプラの寸法が格段に低減される。この寸法はλ／４より小さく、λ／８よりも、さらにはλ／１０よりも小さくできる。これにより従来技術から公知の線路カプラとは関係なく、電気導体間の結合は、導体の面積と間隔に依存する導体間の容量性結合、および導体の長さと付加的インダクタンス上昇素子の長さに依存する誘導性結合に相当する。
【００１９】
ここでインダクタンス上昇素子は任意の形状を有することができる。有利にはインダクタンス上昇素子は導体を結合領域で少なくとも部分的に包囲する。インダクタンス上昇素子は例えば導体に対して平行に配置することができる。このことによりとりわけ簡単で効率的な結合が達成される。有利にはインダクタンス上昇素子は導体を結合領域でリング状に包囲する。ここでリング状とは、導体経過が閉じた幾何形状により包囲されていることを意味し、この幾何形状は円形、楕円形、矩形、または他の形状でもよい。リング状の幾何形状の利点は漂遊電磁界が低減されることである。リング形状が矩形構造である場合には、インダクタンス上昇素子に発生する熱を特に良好に平坦な冷却板に排熱することができる。
【００２０】
矩形構造は複数の部材から統合することができ、例えば４つの正方形または２つのＵ字型部材、または１つのＵ字型部材と１つの正方形から構成することができる。構造形状が複数の部材から統合される場合、簡単な製造が可能であり、さらにインダクタンスを調整するために調整可能な空隙を部材間に設けることができる。
【００２１】
この課題を解決するためにさらに自立的な解決手段が提案される。ここでは９０°ハイブリッドに電気的容量性結合と磁気的誘導性結合が、相互にほぼ平行に配置された導体路の構成によって形成され、それら導体路の端部がゲート端子を形成し、それらの寸法と相互間隔は９０°ハイブリッドに必要な電気的容量性結合と磁気的誘導性結合が形成されるように選定されており、誘導性結合を高めるために導体路を包囲するフェライトリングが設けられている。
【００２２】
これにより結合キャパシタと結合インダクタとを製造技術的に簡単に、しかし十分な精度を以て作製することができる。
【００２３】
従って９０°ハイブリッドはその基本構成において少なくとも２つの導体路からなり、インダクタンス上昇素子、とりわけ導体路を包囲するフェライトリングを除いてそれ以上のパッシブ素子またはアクティブ素子を離散的形態で必要としない。少なくとも２つの導体路はその幾何的寸法と相互に配置構成により、インダクタンスとキャパシタンスを形成する。
【００２４】
この簡単な構造により製造が簡素化され、機能的に重要な構成も再現可能となる。なぜなら電気的容量性結合と磁気的誘導性結合に対する所定の値は導体路の寸法および位置に依存するからである。
【００２５】
ＵＳ４４８２８７３には、２つのキャパシタを備える変成器からなる３ｄＢカプラが公知である。この変成器は、２つの面に平坦に構成された導体路を貫通接続することによって実現される。
【００２６】
この３ｄＢカプラでは、磁気結合と電気結合とが完全に分離される。従ってＵＳ４４８２８７３は、離散的構成素子としてのコンデンサを有する構成を開示する。離散的キャパシタンスはこの構成でも非常に狭い公差を有する。しかし公差の非常に狭い離散的キャパシタンスはとりわけ高電力用のものは入手が困難である。
【００２７】
最後に、十分に大きなインダクタンスと同時に十分な結合を高電力に対して提供するためには、大きなコストと大きなスペースが必要である。全体としてこのカプラは比較的面倒である。
【００２８】
本発明の９０°ハイブリッドは第１高周波増幅器に対する第１端子と、第２高周波増幅器に対する第２端子と、負荷抵抗を備える負荷に対する第３端子と、負荷調整抵抗に対する第４端子とを有し、９０°ハイブリッドは誘導性変成器を有し、該誘導性変成器の一方の結合インダクタは一方では第１端子に、他方では第４端子に接続されており、前記誘導性変成器の他方の結合インダクタはインダクタンスに並列に一方では第３端子に他方では第２端子に接続されており、第１端子と第３端子の間、並びに第４端子と第２端子の間には結合キャパシタが設けられている。
【００２９】
ここで本発明によれば、インダクタンスは実質的に、負荷に対する第３端子と第２高周波増幅器に対する第２端子との間の導体路長によって決められ、磁気誘導性結合は実質的に１：１で隣接する導体路間の間隔により決められ、キャパシタンスは実質的に対向する導体路の面積並びにそれら相互の間隔により決められる。
【００３０】
これにより良好な誘導性結合と同時に十分なキャパシタンスが形成される。結合キャパシタンスに対して付加的な離散構成素子は必要ない。誘導性結合を上昇させるために単にインダクタンス上昇素子、とりわけ導体路を包囲するフェライトリングが設けられているだけである。
【００３１】
誘導性変成器を作製するために、密な誘導性結合が必要である。すなわち一次線路と二次線路はできるだけ相互に接近させなければならない。有利な実施形態によれば、隣接する導体路間に扁平なスペースホルダないしアイソレータを設けることができる。このスペースホルダないしアイソレータは、εｒが約２．３３（または２〜２．６）の絶縁材料からなり、厚さは約０．５ｍｍから３ｍｍである。
【００３２】
高いＱと高い絶縁破壊耐性のためには絶縁材料として有利にはポロテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（商品名「テフロン」として知られる）を使用する。
【００３３】
これにより導体路間の間隔を所定のとおり、とりわけ一定にすることが簡単に実現される。
【００３４】
有利には隣接する導体路間に存在するアイソレータは導体輪郭を越えて突出する突出部を有する。この突出は有利には約０．５ｍｍから約３ｍｍである。
【００３５】
これにより導体路間で確実な空気区間とクリープ区間が保証される。
【００３６】
実施形態によれば、導体路は絶縁材料からなるそれぞれ１つの支持体層にラミネート、プリント、または被覆され、この構成の複数が相互に積層されている。
【００３７】
すでに前に述べたように、これにより所定の一定の間隔を導体路間で保証することができる。誘電体としての支持体層を備える導体路は配線板設計および導体路基板製作によって簡単に実現される。
【００３８】
積層されている場合には、空隙によってキャパシタンスの精度が不正確になる。この欠点は、支持体層を両側でプリント、被覆、またはラミネートすることで回避できる。この場合、支持体層上の２つの導体路の間隔が規定される。このように両側で被覆された複数の支持体層を積層すれば、当接する２つの支持体層の常に２つの被覆部が良好に接触する。しかしここでは値の大きな特に良好な接触は必要ない。なぜなら接触する層は同じ電位だからである。この構成では空隙が障害となることもない。
【００３９】
９０°ハイブリッドの構造サイズを低減するためには、インダクタンスを上昇させる素子を設ける。この素子は少なくとも１つの導体路を包囲するフェライトリングまたはインダクタンス上昇素子であり、有利には４０ｎＨから２００ｎＨのＡＬ値を有する。
【００４０】
結合すべき電力に応じて、磁気損失の比較的に大きいまたは比較的に小さいフェライトリングを使用することができる。電力が比較的に小さい場合には磁気損失の比較的に大きいフェライトリングを使用することができるが、電力が大きい場合に対しては、磁気損失が非常に小さいフェライトリングを使用しなければならない。構造サイズが同じ場合、磁気損失の小さいフェライト体は通常はやはり低いＡＬ値を有し、従って同じインダクタンスを達成するためには相応に複数のフェライト体を使用しなければならない。
【００４１】
従い電力が比較的に小さい場合には、例えば２００ｎＨの大きなＡＬ値を有するフェラとリングを使用することができ、例えば５００ｎＨである所要のインダクタンスを達成するためには少数のフェライトリングが必要なだけである。しかし高電力（例えば５ｋＷ）に対しては導体路の電流も相応に大きく、ＡＬ値の小さいフェライトリングを使用しなければならない。なぜならそうでないと、相応して大きな強磁性損失がフェライトコアに発生するからである。公知のようにフェライトコアでの磁気損失または磁気回転損失は材料に依存して所定周波数においては磁気共振周波数まで上昇する。この強磁性共振周波数が過度に低く、動作周波数の近傍にあると、損失がフェライトを加熱する。
【００４２】
従って電力が大きい場合には、ＡＬ値の小さいフェライトリングを、相応に多数で使用する。
【００４３】
これにより電力が１０ｋＷまでであり、動作周波数が１３．５６ＭＨｚの場合、底面積が７ｃｍ×２０ｃｍまたはそれ以下の９０°ハイブリッドを実現することができる。
【００４４】
さらに電力が５０ｋＷまでであり、動作周波数が１３．５６ＭＨｚの場合、底面積が１０ｃｍ×１５ｃｍまたはそれ以下の９０°ハイブリッドを実現することができる。
【００４５】
ここで両者の場合とも高さは約１０ｃｍまたはそれ以下である。Ｆ動作周波数は１３．５６ＭＨｚに制限されるのではなく、１から１００ＭＨｚの領域とすることができる。しかしこの装置の大きな利点は、基本的に格段に低い周波数に対しても適用される。なぜなら導体路は線路結合器として機能するのはなく、結合キャパシタおよび結合インダクタとして機能するからである。導体路が線路結合器として動作するならば、少なくともλ／４の線路長を使用しなければならないこととなる。おそらくはλ／８の線路長も可能であろうが、それ以下では決してない。このような線路長は周波数が低くなるとそれだけ長くなる。このことは線路結合器の場合はますます大きな構造サイズを意味する。しかし本発明のコンセプトによれば、構造サイズを周波数が低下しても延長する必要がなく、キャパシタンス値およびインダクタンス値だけを適合すれば良い。
【００４６】
特に小型の構造に対しては、キャパシタンスを上昇させるために２つ以上の導体路をその偶数倍で、それらの面側が相互に向き合うように配置することができる。
【００４７】
この場合、少なくとも４つの導体路からなる導体路パケットが形成され、それらの直接隣接しないそれぞれ２つの導体路は端部で電気的に相互に接続され、それぞれ接続された端部でゲート端子を形成する。
ここで有利には、端部で相互に接続された導体路はその端子端部において側方にずらされた接続ラグを有し、直接隣接する導体路は同じ側において反対方向に側方にずらされた接続ラグを有する。
【００４８】
このようにして高周波端子（ゲート端子）を良好に取り付けることができる。直接隣接して配置されていない導体路付きの基板を使用する場合には、導体路基板技術では公知の簡単な貫通接続を行うことができる。接続個所ごとに有利にはこのような貫通接続部を複数、移行抵抗の低減のために設ける。
【００４９】
本発明はまた。請求項１から１２のいずれか一項記載の９０°ハイブリッドを、プラズマ励振またはレーザ励振のために、とりわけトランジスタ電力増幅器を統合接続するために使用することにも関連する。
【００５０】
プラズマ励振またはレーザ励振と関連して発生する種々異なる負荷状態は反射および振動を引き起こし得る。このために使用される増幅器の出力段はこれによって損傷を受ける。
【００５１】
本発明の９０°ハイブリッドには種々ことなる構造形式および適用が可能である。トランジスタ電力増幅器をプラズマ励振またはレーザ励振のために統合接続する使用法はこれまで公知ではなかった。
【００５２】
すでに述べたようにＵＳ４４８２８７３の９０°ハイブリッドでは離散的キャパシタが設けられており、これらのキャパシタはこの構成では非常に狭い公差を有していなければならない。このような公差の狭い構成素子はとりわけ高電力用のものは入手が困難である。とりわけこの理由から、レーザ励振またはプラズマ励振という前記の使用領域に対して電力増幅器を使用することが試みられていなかった。
【００５３】
９０°ハイブリッドは多数の別の結合器に対して重要な利点を有する。理想的に動作する場合、負荷抵抗、増幅器の内部抵抗、並びに負荷調整抵抗は同じ大きさである。ここでは負荷が静的な値を取ることが前提とされる。しかし実際にはこのような理想的負荷を見出すのは困難である。例えばプラズマプロセス給電の場合、増幅器に対する「目に見える」負荷は大きな問題である。プラズマは非点弧状態と点弧状態とでまったく異なる負荷を有する。この問題が面倒なマッチングシステムによって緩和されたにしても、増幅器に常に理想負荷を提供することは不可能である。従って反射が発生する。この反射は増幅器へ分散してフィードバックされる。これにより入力ゲートには部分的には完全な反射が発生する。
【００５４】
増幅器は通常時には増幅器内部抵抗に大きな無効成分を有しているから、増幅器は反射係数を有する。組み合わせるべき増幅器が同じように構成されていれば、それらの反射係数も同じである。従って負荷から反射された電圧は再びその増幅器によって反射される。しかし反射の際の位相回転によって、反射された電力は第３ゲートの負荷に導かれるのではなく、第４ゲートの負荷調整抵抗に導かれる。このゲートを理想吸収抵抗Ｒにより終端すると、負荷から反射された電力は吸収抵抗で完全に消費され、それ以上反射されない。これは２つの増幅器を９０°ハイブリッドによって組み合わせる重大な利点である。
【００５５】
ここで９０°ハイブリッドは保護回路を形成し、この保護回路は種々異なる負荷状態で反射が発生する際に、接続された高周波増幅器の破壊を阻止し、高周波増幅器を使用する場合でもトランジスタ出力段の確実な動作を可能にする。
【００５６】
本発明の付加的構成は従属請求項に記載されている。
【００５７】
以下、本発明の詳細を説明する。
図１は、本発明の９０°ハイブリッドの実施形態の平面図である。
図２は、９０°ハイブリッドの斜視図であり、４つの導体路から形成された導体路パケットを備えている。
図３は、９０°ハイブリッドの回路図である。
図４は、９０°ハイブリッドに対して設けられた２つの導体路を取り外し状態で示す図である。
図５は、９０°ハイブリッドに対して設けられた２つの導体路の構成を、その間にあるアイソレータと共に機能位置で示す図である。
図６は、９０°ハイブリッドに対して設けられた４つの導体路の構成を、その間にあるアイソレータと共に機能位置で示す図である。
図７は、９０°ハイブリッドの斜視図であり、導体路パケットと、インダクタンス上昇のためのフェライト製リングコアを備えている。
図８は、導体路パケットを備える、輪郭が矩形のフェライトリングコアの側面図である。
【００５８】
４つのゲート端子を有する４ゲートを形成する９０°ハイブリッド１００の実施例が図１に示されている。
この９０°ハイブリッドは相互に平行に配置された２つの導体路を備える構成を有しており、これら導体路は図４に示すように扁平に構成されている。導体路の寸法および相互の間隔は、９０°ハイブリッドに対して必要な電気的キャパシタンスおよび磁気誘導性結合が形成されるように選定されている。従って電気容量性結合および磁気誘導性結合が、平行に結合された扁平導体路のただ１つの構成に組み込まれている。
【００５９】
導体路１７，１８の端部２３は４ゲートの４つの端子１〜４を形成し、同軸ブッシュ１ａ〜４ａと接続されている。フェライトリングコア１５は導体路のインダクタンスを上昇させるために用いられる。この９０°ハイブリッドは基本基板１９上に構成されており、基板はアースと接続されている。
【００６０】
図３には９０°ハイブリッド１００の回路図が示されている。９０°ハイブリッドは、第１高周波増幅器９に対する第１端子、第２高周波増幅器に対する第２端子、負荷抵抗１３を備える負荷１６に対する第３端子、並びに負荷調整抵抗１４に対する第４端子を有している。抵抗１１と１２は結合された高周波増幅器９，１０の内部抵抗を表す。
【００６１】
誘導性結合または結合インダクタンスが誘導性変成器７によって表されており、その一方の結合インダクタンスは一方では第１端子に、他方では第４端子に、その他方の結合インダクタンスはインダクタ８と並列に、一方では第３端子に、他方では第２端子に接続されている。結合キャパシタンスはコンデンサ５，６により表されており、これらのコンデンサは第１端子と第３端子の間、および第４端子と第２端子の間にそれぞれ設けられている。
【００６２】
インダクタンス８は実質的に、負荷１６に対する第３端子と第２高周波増幅器に対する第２端子との間の線路長によって決められる。比が１：１である磁気誘導性結合は実質的に面状に隣接する導体路１７，１８間の間隔によって決められる。結合キャパシタンス５，６は実質的に対向する導体路１７，１８の面積、並びに相互の間隔によって決められる。
【００６３】
このような誘導性変成器を作製するために、密な誘導性結合が必要である。すなわち一次導体路と二次導体路はできるだけ相互に接近していなければならない。とりわけ基板設計と導体路製作によって所定のように、とりわけ一定の間隔を導体路１７，１８間で非常に簡単に実現することができる。
【００６４】
しかし高い誘導性結合だけでなく、定義された電気結合も９０°ハイブリッドの実現には必要であるから、導体路１７，１８は並置されるのではなく面側で積層配置され、有利には図５に相応してアイソレータ２０としての基板２１配置される。２つの隣接する面が異なる電位にあれば、公知のようにプレートコンデンサが形成される。
【００６５】
基本的に結合線路のレイアウトは、面積がａ＊ｂであるそれぞれ２つの面が間隔ｄで対向するように構成される（図５）。これにより一方では比が１：１の変成器が実現され、他方では所定の結合キャパシタンスが達成される。キャパシタンスはプレートコンデンサの場合、荒い近似で次式により計算される：Ｃ＝ε０＊εｒ＊ａ＊ｂ／ｄ、ここでａは結合線路（導体路１７，１８）の幅、ｂは長さ、ｄは２つの結合線路の間隔である。ε０は誘電率、εｒは導体路１７，１８間のアイソレータおよびスペースホルダとして存在する基板材料の相対的誘電率である。線路はフェライトコアを通って導かれなければならないから、線路の幅はａ＝１８ｍｍに制限される。線路の長さも同様に必要最小限に維持すべきである。
【００６６】
基本的に導体または導体路１７，１８は図２と図７に示すように空気絶縁することができる。すなわち相互間の中間空間によって離間することができる。しかしその間に存在するスペースホルダ、例えば固体アイソレータは比較的に大きな絶縁耐力を有し、キャパシタンスも比較的に大きい。さらにすでに述べたように、導体路１７，１８間で定義された一定の間隔が得られる。
【００６７】
近似的に縁部のばらつきを考慮するために、ａはａ＋ｄ／２により、ｂはｂ＋ｄ／２により置換される。比較的にＱの高いキャパシタンスを実現するために誘電体として高周波に適し、低損失の基板材料（例えばＲｏｇｅｒｓ社のＲＴ−Ｄｕｒｏｉｄ  ５８７０）を使用する。この基板材料は有利には厚さｄ＝０．５ｍｍにおいて相対的誘電率εｒ＝２．３３である。
【００６８】
キャパシタをできるだけ狭い公差で正確に作製するためには、第１に誘電損失が小さく、第２にεｒをできるだけ正確に設定できる基板材料が必要である。これには誘電率が２．３３、公差±０．０２の材料を使用することができ、実験で実用性が証明されている。
【００６９】
所定の基面のままで結合キャパシタンスを上昇させるために、図２，６および７から分かるように、２つの導体路の整数倍の導体路をそれらの面側で相互に配置することができる。
キャパシタンスは各層で、Ｃ＝ε０＊ａ＊ｂ／ｄ１だけ上昇する。導体路の幅ａによりキャパシタンスを調整することができる。補償目的のための調整も必要に応じて集中された構成部材によって行うことができる。しかしこの構成部材は全体キャパシタンスに対して比較的に小さな値しか有しておらず、例えば全体キャパシタンスの１／１０から１／１００である。
【００７０】
図２，６および７に示した実施例では、４つの導体路からなる導体路パケットが導体路１７，１８および１７ａ，１８ａによって形成されており、これらのうち直接隣接しない２つの導体路１７，１７ａないし１８，１８ａは端部で電気的に相互に接続されており、それぞれ接続された端部、すなわちゲート端子１〜４を形成する。電気接続２２は、図２と図７に示すように、ワイヤブリッジにより、または基板を使用する場合には貫通接続により形成することができる。
【００７１】
図６の導体路構成は、技術的実現性の点で改善することができる。図６で導体層１７，１８，１７ａ，１８ａの間に常に１つの絶縁材料またはスペースホルダ２０が配置されると次のような欠点が生じる。すなわち、導体路が絶縁材料にしっかりと載置されていない場合には取り付け公差に起因してキャパシタンスに制御し得ない公差が生じ、例えば付加的な空隙が形成されてしまうという欠点が生じる。この欠点を回避するために、導体路を絶縁材料またはスペースホルダをしっかりと取り付けることができる。このことは電子回路の基板作製から公知である（銅クラッド）。
【００７２】
これにより結合キャパシタンスがスペースホルダないし絶縁材料の厚さだけによって設定され、取り付け公差の影響を受けない。
【００７３】
基本的に導体路は、図６に示すように多層基板に構成することができる。特別に損失の小さい絶縁材料を使用すべきであり、多層技術に対してはコストのかかる条件を課すことができないか、または困難であるから、有利には導体路１７，１８を絶縁材料２０の上側と下側にだけ取り付ける。このことは図５に示されている。絶縁材料は４つすべての側で突出しており、これにより高電圧の際の絶縁破壊を阻止する（図５には示されていない）。
【００７４】
キャパシタンスを上昇するために第２の基板が作製される。この基板は図５の基板と同じ寸法を有し、導体路の切欠部が鏡対称に取り付けられている点でのみ異なる。このような基板が第１の基板に直接載置されると、接触する導体路面は合同である。合同に接触する導体路は同じ電位となる。所要の結合キャパシタンスを達成するために、複数のこのような基板が積層配置され、すべての偶数基板は奇数基板に対して鏡対称である。結合キャパシタンスは絶縁材料間の基板内でだけ発生し、積層される基板の取り付け公差による影響は受けない。
【００７５】
電気的には図６に示すのと同じ関係が生じるが、機械的には内側に存在する導体路１７，１８，１７ａ，１８ａはそれぞれ２倍である。
【００７６】
インダクタンスを上昇するために、導体路１７，１７ａ，１８，１８ａを包囲するフェライトリングコア１５が設けられている（図１と７）。
【００７７】
実験によって、１２のコアと約７×２０ｃｍの寸法の線路による構造体を統合結合すると、出力端で７ｋＷまでが形成されることが示された。さらなる最適化により１０ｋＷまでの電力が可能である。
【００７８】
各線路はその長さに基づき、約７ｎＨ／ｃｍの固有インダクタンスを有している。９０°ハイブリッドに対して算出されたインダクタンスから生じる導体路の長さを短縮するために、フェライトリングコア１５が結合導体路の上に挿入される。これにより線路長が一定のままで所要のインダクタンスが達成され、このインダクタンスは本実施例では約５９０ｎＨである。
【００７９】
フェライトリングの製造業者は、フェライトリングによりインダクタンスの上昇を見積もることのできるようにＡＬ値を設定する。Ｌ＝ＡＬ＊ｎ２（Ｌ＝フェライトのインダクタンス、ｎ＝巻回数である）、われわれの場合ｎ＝１。
【００８０】
寸法が３６×２３×１５ｍｍ（ｄＡ×ｄＩ×ｂ）である典型的なリングコアは、製造業者（Ｆｅｒｒｏｘｃｕｂｅ）の仕様によれば５１０ｎＨのインダクタンスを有する。従って３つのリングコアにより５１０ｎＨのインダクタンスを形成することができる。
【００８１】
同等の寸法（３５．５５×２３×１２．７ｍｍ）を有するＦａｉｒ−Ｒｉｔｅ社のリングコア（マテリアル６７）によれば、約４４．５ｎＨのＡＬ値が達成される。従って５９０ｎＨの所要のインダクタンスに対しては、この形式のコアが１１または１２必要である。
【００８２】
過度に大きな、または過度に小さなインダクタンスはキャパシタンスによって補償することができる。
【００８３】
図７には分かりやすくするために１つのフェライトリングコア１５だけが示されている。９０°ハイブリッド１００の構造長を格段に短縮するために、図１から分かるように、このようなフェライトリングコア１５を例えば１２個、一列に設けることができる。
【００８４】
図７の構成は、円形のフェライトリングコア１５の代わりに図８のような輪郭が矩形のフェライトリングコア１５を使用するとさらに改善することができる。冷却板２９には輪郭が矩形のフェライト体が取り付けられており、このフェライトコアはＵ字状に配置された部材２７，２６と、部材２６の３つの自由Ｕ字形脚端部を接続する横脚部２５からなる。これらの部材２５〜２７は正方形または矩形の横断面を有するか、または少なくとも平坦な外側を有する。フェライト体の中央では矩形の切欠部に、導体路パケット２４が組み込まれている。インダクタンス調整のために、部材２６の自由Ｕ字形脚端部と横脚部２５との間には空隙２８を設けることができ、この空隙の厚さは公知のようにシートによって非常に正確に調整することができる。この構成から以下の利点が得られる：
・構造を小型化できる。
・フェライト体からの熱を、冷却板２９での面状の当接によって良好にこれに放出することができる。
・インダクタンスを空隙２８の変化によって調整することができる。
【００８５】
さらにインダクタンス上昇素子、実施例ではフェライト体自体を冷却体として構成することができる。このために例えばインダクタンス上昇素子の少なくとも外側輪郭を表面積が拡大するように構成することができる。このことはプロフィール付与により、例えば本体と一体的に結合されたフィンを設けることにより行われる。この構成は付加的な冷却手段と組み合わせることもできる。
【００８６】
さらにインダクタンス上昇素子が冷却体を有することができ、例えば冷却体を組み込むことができる。任意の構成が考えられる。
【００８７】
高周波端子（ゲート１〜４）を良好に取り付けることができるようにするため、導体路１７，１８，１７ａ、１８Ａの端部２３がそれぞれ導体路幅の約半分ａ／２だけ端子ラグの方向に延長されており、側方にずらして配置されている。導体路基板を使用する場合、個々の導体路１７，１８，１７ａ、１８ａを、導体路基板技術では公知の簡単な貫通接続によって接続し、端子１ａ〜４ａに導くことができる。
【００８８】
簡単にまとめると以下の利点が得られる：
・漂遊電磁界の小さいキャパシタンスを正確に調整することができる；
・構造が小型化である；
・エラー適合を、負荷調整抵抗での電流測定および電圧測定によって非常に簡単に検出できる；
・電力増幅器を保護するために、この抵抗におけるレベルが過度に高い場合には、電力増幅器の増幅率を低減することができ、場合により遮断することができる；
・漂遊インダクタンスが小さい。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】図１は、本発明の９０°ハイブリッドの実施形態の平面図である。
【図２】図２は、９０°ハイブリッドの斜視図であり、４つの導体路から形成された導体路パケットを備えている。
【図３】図３は、９０°ハイブリッドの回路図である。
【図４】図４は、９０°ハイブリッドに対して設けられた２つの導体路を取り外し状態で示す図である。
【図５】図５は、９０°ハイブリッドに対して設けられた２つの導体路の構成を、その間にあるアイソレータと共に機能位置で示す図である。
【図６】図６は、９０°ハイブリッドに対して設けられた４つの導体路の構成を、その間にあるアイソレータと共に機能位置で示す図である。
【図７】図７は、９０°ハイブリッドの斜視図であり、導体路パケットと、インダクタンス上昇のためのフェライト製リングコアを備えている。
【図８】図８は、導体路パケットを備える、輪郭が矩形のフェライトリングコアの側面図である。
【図１】
2007505533.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007505533.tif 000009
【図８】
2007505533.tif 000010
【国際調査報告】
2007505533.tif 000011
2007505533.tif 000012
2007505533.tif 000013
2007505533.tif 000014
2007505533.tif 000015
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