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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für Hochfrequenz-Leistungsverstärker nach
der Gattung des Hauptanspruches, vorzugsweise zum Einsatz in der
Satellitenkommunikation.
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Solche
Schutzschaltungen sind notwendig, um zu verhindern, dass bei HF-Leistungsverstärkern die
erzeugte HF-Leistung, beispielsweise im Falle von Fehlbedienung,
komplett oder zum großen
Teil in den Verstärker
reflektiert wird, da dies zur Beschädigung oder zum Ausfall des
Verstärkers
führen
kann.
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Wie
bereits in der
EP 1
179 873 A1 beschrieben ist, kann die ggf. zerstörerische
Hochfrequenz-Rückwirkung
auf den HF-Leistungsverstärker durch
sogenannte Isolatoren verhindert werden. Dabei handelt es sich bei
den Isolatoren um Schaltelemente, die die Hochfrequenz-Leistungssignale
des Verstärkers
nur in einer Richtung – nämlich zur
Antenne – passieren
lassen, während
sie die Gegenrichtung blockieren. In der erwähnten Lösung nach der
EP 1 179 873 A1 , deren Anwendungsgebiet
sich auf Funktelefone bezieht, ist jedoch nicht spezifiziert, auf
welche Weise im Falle einer HF-Reflektion
das Umsetzen der schädlichen
Reflektionsleistung erfolgen soll. Dieser Umstand und eine nach
diesem Lösungsvorschlag
zusätzlich
notwendig Impedanzanpassungsschaltung, welche erhöhten Schaltungsaufwand
nach sich zieht, lassen die Lösung
mindestens für
das Gebiet der Satellitenkommunikation untauglich erscheinen.
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Bei
Satellitennutzlasten werden diese daher durch spezielle Isolatoren
am Ausgang der Leistungsverstärker
geschützt.
Diese Isolatoren bestehen aus einem Zirkulator und einer Last. Der
Zirkulator hat drei Anschlüsse
und führt
die vom Verstärker erzeugte
HF-Leistung zu seinem Ausgang und die in seinem Ausgang reflektierte
Leistung zur Last. Somit kann keine reflektierte Leistung zum Verstärker gelangen.
Die Last muss dabei jedoch so dimensioniert sein, dass sie die gesamte
erzeugte HF-Leistung kontinuierlich in Wärme umwandeln kann. Besonders in
der Raumfahrt unterliegen jedoch alle Baugruppen hinsichtlich ihres
möglichst
geringen Raum- und Gewichtsbedarfs ebenso strengen Anforderungen
wie bezüglich
ihrer elektrischen Daten und Funktionen: Die allgemein bekannte
Lösung
der Verwendung einer ggf. die gesamte anfallende Reflektionsenergie umsetzenden
Last ist also ebenfalls nachteilig und nur begrenzt einsetzbar.
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Eine
weitere bekannte Schutzschaltung für HF-Verstärker nach der
DE 692 08 205 T2 betrifft eine Schutzschaltung
für einen
rauscharmen Verstärker
zum Empfang von Mikrowellensignalen von Nachrichtensatelliten. Die
Schutzschaltung enthält eine
Mikrostreifenleitung, deren eine Seite mit der Eingangsseite eines rauscharmen
Verstärkers
verbunden ist, und eine Diode, die mit der Mikrostreifenleitung
verbunden ist und auf der anderen Seite geerdet ist sowie einen
Kondensator. Diese Lösung
ist wegen ihrer spezifischen eingangsseitigen Auslegung für die Anwendung
bei HF-Leistungsverstärkerausgängen ungeeignet,
zudem schaltungstechnisch aufwendig.
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In
der
US 6.232.852 wird
eine Lösung
mit einer Leistungsbegrenzungsschaltung für einen RF-Transceiver mit
einem kombinierten Ein-/Ausgang für einen Antennenanschluss beschrieben.
Die Nachteile dieser Lösung
bestehen unter anderen im erhöhten
Schaltungsaufwand, der durch die Einbeziehung zweier Zirkulatoren,
einer Überspannungsschutzeinheit,
eines Isolators sowie einer Diodenkombination als Leistungsbegrenzer
entsteht. Damit trifft auch diese Lösung die Anforderungen der
Satellitenkommunikation und Raumfahrt nach geringsten Baugrößen und
geringstem Gewicht nicht.
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Die
eben genannten Einschränkungen
gelten auch für
eine Lösung
nach der
DE 198 45
281 C2 , in der eine Verstärkerschaltung mit einer Überspannungsschutzeinrichtung,
eine Diodenschutzschaltung sowie einer Transistorschutzschaltung,
deren Transistoren im üblichen
Betrieb gesperrt geschaltet sind, vor Überlastung geschützt ist.
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In
der US 2002/0146990 A1 wird ein automatisiertes Übertragungs-Überwachungssystem
für ein RF-Radio-Transmittersystem
mit einem Transmitter, der eine Primärquelle für RF-Energie bereitstellt sowie
einem Isolator-Netzwerk, das den Ausgang des Transmitters vor Sekundärquellen
von RF-Energie isoliert, beschrieben. Dieses lediglich ein Überwachungssignal
für das
Arbeiten mehrerer Sendeendstufen auf ein Antennen-Ankopplungsnetzwerk
liefernde System ist ohne weiteres nicht in der Lage, die HF-Leistungsverstärkerausgänge vor
zerstörerischen
Reflektionsleistungen zu schützen – seine Wirksamkeit
ist daher eingeschränkt.
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In
der
US 6.570.442 B2 ist
ein RF-Verstärker mit
Isolator-Einheit beschrieben, der eine Regeleinrichtung besitzt,
jedoch in seiner Anwendung auf Mobiltelefonie begrenz ist.
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Eine
in der US 2003/0030501 A1 beschriebene Zirkulatoreinheit ist auf
die Minimierung der Verlustleistung und erhöhte mechanische Stabilität ausgerichtet – die Vermeidung
von Reflektionsenergie-Schäden ist
steht hier nicht im Focus der beanspruchten Erfindung.
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Die
in der
DE 696 20 099
T2 beschriebene Schaltung zur Leistungsregelung eines HF-Verstärkersystems
fußt im
Wesentlichen auf den Anforderungen von GSM-Mobilfunksystemen. Hier
wird referenzierte Senderausgangsleistung zur Steuerung des mobilen
Senders benutzt, ohne jedoch das Problem der zur Ausgangsstufe reflektierten
HF-Leistung zu beachten. Auch diese Anordnung bietet so keine Lösung für das Problem
der Erfindung.
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Insgesamt
kann festgestellt werden, dass eine größere Anzahl von Lösungsvorschlägen für den Schutz
von HF-Verstärkerausgängen vor
Reflektionsenergie bzw. zur Steuerung von HF-Leistungsverstärkern existiert, diese sich
jedoch durch aufwendige Realisierung, ungünstigen Raumbedarf, eingeschränktes Anwendungsgebiet
oder begrenzte Wirksamkeit nachteilig auszeichnen.
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Mit
der Erfindung wird eine neue, überraschend
wirksame und vorteilhafte Lösung
für das
bestehende Problem der Gefahr von Reflektionsenergie-Schäden an HF-Leistungsverstärker-Ausgängen vorgeschlagen.
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Die Erfindung
und ihre Vorteile
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Das
Wesen der Erfindung besteht darin, dass zum Schutz der Leistungsverstärker von
Satellitennutzlasten bei Fehlbedienung und damit verbundenen Reflektionen
von HF-Leistung in den Verstärkerausgang
eine Detektorschaltung vorhanden ist, die bei Überschreitung eines Grenzwerts
der HF-Leistung ein Abschaltsignal für den Leistungsverstärker erzeugt.
In einer alternativen Variante der Erfindung kann das Signal der
erfindungsgemäß vorhandenen
Detektorschaltung auch benutzt werden, um nur die Ruf-Leistung im
Leistungsverstärker
oder im Vorverstärker
des Leistungsverstärkers
abzuschalten oder auf einen akzeptablen Pegel zu reduzieren.
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Die
Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Schutzschaltung
bestehen also in der gegenüber
den bekannten Lösungen
weitaus einfacheren und unaufwendigeren Realisierung, dem geringen
Gewicht und Raumbedarf sowie der besseren und umfassenden Wirksamkeit.
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Allgemein
umfasst die Erfindung eine Lösung
gemäß des Hauptanspruches,
während
die weiteren Ansprüche
bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung betreffen.
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Nähere Einzelheiten
und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar.
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Zeichnungen
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Die
Zeichnungen beinhalten Ausführungsbeispiele
der Erfindung, welche im Folgenden näher beschrieben werden.
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Es
zeigen:
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1:
das Blockschaltbild einer HF-Leistungsverstärker-Anordnung mit erfindungsgemäß vorhandener
Detektorschaltung,
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2:
das Blockschaltbild einer HF-Leistungsverstärker-Anordnung mit erfindungsgemäß vorhandener
Detektorschaltung in der alternativen Ausgestaltung der Erfindung,
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
erfindungsgemäße Schutzschaltung stellt
sich allgemein gem. 1 wie folgt dar:
Einem
Vorverstärker 1 ist
ein Leistungsverstärker 2 nachgeschaltet,
dessen Ausgang mit dem Eingang eines Zirkulators 3 verbunden
ist. Ein Ausgang A31 des Zirkulators 3 führt zu einer
hier nicht dargestellten Antenne für die Abstrahlung der vom Leistungsverstärker 2 bereitgestellten
HF-Leistungssignale. Ein weiterer Ausgang A32 des Zirkulators 3 ist
mit dem Eingang E4 einer Last 4 verbunden. Zirkulator 3 und
Last 4 bilden einen Isolator, wie er bereits im Stand der
Technik geschildert wurde.
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Der
Leistungsverstärker 2 erhält erfindungsgemäß zusätzlich zu
seinem Eingang E21 den weiteren Eingang E22. Dieser ist mit dem
Ausgang A5 einer erfindungsgemäß zusätzlich vorhandenen
Detektorschaltung 5 verbunden. Im Falle des in Fig. dargestellten
Vorhandenseins eines Vorverstärkers 1 ist
es auch sehr gut möglich,
den Ausgang A5 der Detektorschaltung 5 mit einem weiteren
Eingang E12 dieses Vorverstärkers 1 zu
verbinden.
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Die
Detektorschaltung 5 besitzt einen oder mehrere hier nicht
gezeigte Sensoren, mit denen über
einen Messpfad M ein oder mehrere Werte erfasst werden, die für die in
die Last 4 eingeleitete HF-Reflektionsenergie charakteristisch
sind. Dies können
die Parameter Temperatur des Isolators, Temperaturdifferenz zwischen
Isolator und Umgebung oder Betrag der reflektierten HF-Leistung
selbst sein. Die erfassten Parameter werden benutzt, um in der Detektorschaltung 5 ein
Abschaltsignal für
den Leistungsverstärker 2 zu
erzeugen, wenn ein bestimmter Grenzwert für definierte Parameter erreicht wird.
Dann können
entweder der Leistungsverstärker 2 oder
der Vorverstärker 1 abgeschaltet
werden.
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Es
ist auch vorteilhaft möglich,
nur die HF-Leistung im Leistungsverstärker 2 oder im Vorverstärker 1 abzuschalten
oder auf einen akzeptablen Pegel zu reduzieren. In diesem Fall muss
die Last 4 die reflektierte HF-Leistung nur kurzzeitig
absorbieren und kann für
entsprechend kleinere Verlustleistung ausgelegt werden. Auch die
Wärmeabfuhr
kann entsprechend schlechter sein. Dies spart Masse, Raum und Kosten:
Die Last 4 muss nicht mehr so dimensioniert sein, dass
sie die gesamte erzeugte HF-Leistung für den Fall vollständiger Reflexion
kontinuierlich in Wärme
umwandeln kann.
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In
besonders vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Detektorschaltung 5 auch
Teil des Vorverstärkers 1 oder
des Leistungsverstärkers 2 sein.
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Auch
die Integration von Vorverstärker 1 und Leistungsverstärker 2 zu
einer gemeinsamen Baugruppe ist möglich, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
fußt auf der
Tatsache, dass der Ausgang des Leistungsverstärkers 2 im allgemeinen
die reflektierte Leistung für eine
bestimmte kurze Zeit – z.B.
0,5 sec – ohne
Beschädigung
absorbieren kann. Daher kann der Isolator aus Zirkulator 3 und
Last 4 durch einen Koppler 6 ersetzt werden, der
die zurücklaufende
HF-Leistung auskoppelt. Diese Leistung wird ebenso wie im ersten
Ausführungsbeispiel
mit einer Detektorschaltung 5 erfasst. Wieder wird bei
Erreichen eines Grenzwerts entweder der Leistungsverstärker 2 oder
der Vorverstärker 1 abgeschaltet.
Alternativ kann auch bei dieser Lösungsvariante nur die HF-Leistung
im Leistungsverstärker 2 oder
im Vorverstärker 1 abgeschaltet
oder auf einen akzeptablen Pegel reduziert werden.
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In
jedem Fall der Ausführungsbeispiele
kann der Ausgang A5 der Detektorschaltung 5 auch mit einem
zweiten Eingang E12 des Vorverstärkers 1 verbunden
sein, um die Begrenzung bzw.
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Abschaltung
des Leistungsverstärkers 2 bereits über die
Steuerung des Vorverstärkers 1 vornehmen
zu können.
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Die
gezeigten Anordnungen der Figuren sind als Beispiele für die Erfindung
zu verstehen. Alle in der Beschreibung, in den nachfolgenden Ansprüchen und
in den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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- 1
- Vorverstärker
- 2
- Leistungsverstärker
- 3
- Zirkulator
- 4
- Last
- 5
- Detektorschaltung
- 6
- Koppler
- A31
- Ausgang
(des Zirkulators 3)
- A32
- Ausgang
(des Zirkulators 3)
- A5
- Ausgang
(der Detektorschaltung 5)
- E4
- Eingang
(der Last 4)
- E5
- Eingang
(der Detektorschaltung 5)
- E12
- Eingang
(des Vorverstärkers 1)
- E21
- Eingang
(des Leistungsverstärkers 2)
- E22
- Eingang
(des Leistungsverstärkers 2)
- M
- Messpfad