DE102004024805A1

DE102004024805A1 - Verfahren und Regelanordnung zur Regelung der Ausgangsleistung einer HF-Verstärkeranordnung

Info

Publication number: DE102004024805A1
Application number: DE102004024805A
Authority: DE
Inventors: Michael Glück
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2004-05-17
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: US20050255809A1; DE102004024805B4; US7512387B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung einer Hochfrequenz-(HF)-verstärkeranordnung mit den folgenden Verfahrensschritten: DOLLAR A a. Ermitteln einer eine in eine Last (15) gelieferte Vorwärtsleistung beschreibende Größe (Vpi) und/oder einer eine von der Last (15) reflektierte Rückwärtsleistung beschreibenden Größe (Vpr) als Ausgangsleistung; DOLLAR A b. Ermitteln einer ersten Stellgröße aus den ermittelten die Vorwärtsleistung und/oder die reflektierte Leistung beschreibenden Größen (Vpi, Vpr) und einer ersten und/oder einer zweiten Sollgröße (Vpiref, Vprref); DOLLAR A c. Ermitteln einer eine Verlustleistung beschreibenden Größe (Vabs); DOLLAR A d. Ermitteln einer zweiten Stellgröße aus der die Verlustleistung beschreibenden Größe (Vabs) und einer dritten Sollgröße (Vabsref); DOLLAR A e. Ansteuerung eines Verstärkerglieds (4) mit der ersten oder zweiten Stellgröße; DOLLAR A f. Ansteuerung einer das Verstärkerglied (4) versorgenden Stromversorgung (2) mit der ersten oder zweiten Stellgröße. DOLLAR A Dadurch kann eine große Ausgangsleistung bei geringen Verlusten erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung einer Hochfrequenz- (HF)-verstärkeranordnung und eine Regelanordnung einer Hochfrequenzverstärkeranordnung.
Es sind Leistungsverstärker zur Anregung von Plasmaprozessen oder Laserentladungsstrecken in einem Frequenzbereich von 1 bis 50 MHz insbesondere bei den Industriefrequenzen 13,56, 27,12 und 40,68MHz allgemein bekannt. Solche Leistungsverstärker gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen von ca. 1kW bis zu mehreren 100 kW. Bei den kleineren Leistungen im Bereich von 1 bis 20kW werden bevorzugt Verstärker basierend auf Halbleitermodulen (Halbleiterverstärker) eingesetzt. Bei größeren Leistungen werden häufig Röhrenverstärker eingesetzt. Die Röhrenverstärker besitzen eine Verstärkerröhre, die ihrerseits von einem Leistungsverstärker angetrieben wird, der wiederum auf Halbleitemodulen basiert, also den Verstärkern bei kleinen Leistungen entspricht. Da Röhren einen erhöhten Platzbedarf haben, ist es erstrebenswert, auch Leistungsverstärker für größere Leistungen aus auf Halbleitermodulen basierenden Verstärkern aufzubauen. Dazu werden Halbleiterverstärker geringerer Leistung mit geeigneten Leistungskopplern zusammengeschaltet.
Ein wichtiger Aspekt bei den Leistungsverstärkern basierend auf Halbleitermodulen ist die Minimierung der Verlustleistung, vor allem in den Halbleitermodulen selbst. Vorteilhaft sind so genannte Verstärkerschaltungen im Resonanzbetrieb, bei denen die Halbleitermodule besonders verlustarm geschaltet werden.
Typische Anordnungen von geschalteten Verstärkern der Klasse D, E und F sind dem Fachmann bekannt. Ein häufiges Problem bei diesen geschalteten Verstärkern ist die sich dynamisch verändernde Last. Dies tritt insbesondere bei Plasmaprozessen, aber auch bei der Laseranregung oder Verstärkerröhren als Last auf. Es kommt zu Reflektionen der in die Last gelieferten Leistung. Diese reflektierte Leistung wird von den Verstärkern zum Teil in Wärme umgewandelt und zum Teil wieder zurück reflektiert. Durch mehrmalige Reflektionen von Last zu Verstärker und zurück kann es zu Instabilitäten im Verstärker und zu Spannungs- und Stromüberhöhungen kommen, die die Bauteile in dem Verstärker und insbesondere auch die Halbleitermodule zerstören können.
Die Regelung der Ausgangsleistung erfolgt bei diesen Verstärkern üblicherweise durch die Steuerung der zugeführten Gleichspannung bzw. des Gleichstroms. Soll die Leistung am Ausgang schnell geregelt werden, so ist es erforderlich, die zugeführte Gleichspannung schnell zu regeln. Dies bedeutet jedoch auch einen zusätzlichen Aufwand in der Gleichspannungsversorgung mit kostspieligen Bauteilen und aufwendigen Regelungen.

Aus der JP 8181552AA ist eine Anordnung bekannt geworden, bei der eine HF Leistung mittels eines Leistungssplitters in zwei Verstärkerpfade aufgeteilt wird, die jeweils einen Verstärker aufweisen. Anschließend werden die beiden verstärkten HF-Leistungssignale mittels eines phasensensitiven Kopplers zusammengeführt. In einem Verstärkerpfad ist ein steuerbares phasenschiebendes Glied vorgesehen, so dass dem Leistungskoppler HF-Leistungssignale zugeführt werden, die eine Phasenlage (Phasendifferenz) zueinander aufweisen. Das phasenschiebendes Glied ist durch eine Steuereinrichtung ansteuerbar, so dass die Phasenlage und damit die Ausgangsleistung einstellbar ist. Eine Regelung der Ausgangsleistung erfolgt nicht.

Aus der US 5,222,246 ist eine Anordnung bekannt, bei der eine HF-Quelle an einen Leistungssplitter angeschlossen ist, der die Leistung der Quelle auf zwei Pfade aufteilt. In beiden Pfaden befindet sich je ein Verstärker. Die verstärkten Signale werden mit einem Leistungskoppler zusammengeführt. Dieser Leistungskoppler ist phasensensitiv, d.h. er koppelt die Leistung zum Summierausgang nur, wenn die Phasenlage der beiden verstärkten HF-Signale eine ganz bestimmte Lage einnimmt (z.B. 90°). Ändert sich die Phasenlage, so wird nur noch ein Teil der Leistung an den Summier-Ausgang und die restliche Leistung auf einen Ausgleichsausgang geleitet. An diesem ist ein Absorber angeschlossen, in dem die restliche Leistung in Wärme umgewandelt wird. Die Leistung am Ausgleichsausgang wird erfasst und zur Leistungsregelung eingesetzt. Die Leistungsregelung erfolgt durch Phasenschiebung in einem der Verstärker-Pfade.

Der Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Regelanordnung bereit zu stellen, mit denen eine schnelle, genaue Regelung bei einer geringen Verlustleistung ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das die folgenden-Verfahrensschritte umfasst:

a. Ermitteln einer eine in eine Last gelieferte Vorwärtsleistung beschreibende Größe und/oder einer eine von der Last reflektierte Rückwärtsleistung beschreibenden Größe als Ausgangsleistung;
b. Ermitteln einer ersten Stellgröße aus den ermittelten die Vorwärtsleistung und/oder die reflektierte Leistung beschreibenden Größen und einer ersten und/oder einer zweiten Sollgröße;
c. Ermitteln einer eine Verlustleistung beschreibenden Größe;
d. Ermitteln einer zweiten Stellgröße aus der die Verlustleistung beschreibenden Größe und einer dritten Sollgröße;
e. Ansteuerung eines Verstärkerglieds mit der ersten oder zweiten Stellgröße;
f. Ansteuerung einer das Verstärkerglied versorgenden Stromversorgung mit der ersten oder zweiten Stellgröße.

Beeinflusst die erste Stellgröße die HF Verstärkeranordnung derart, dass ein Verringern der Ausgangsleistung immer ein Erhöhen der Verlustleistung impliziert, so kann die zweite Stellgröße die HF Verstärkeranordnung derart beeinflussen, dass die Verlustleistung innerhalb vordefinierter Grenzen, insbesondere unterhalb eines vorgegebenen Maximalwerts bleibt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn durch die zweite Sollgröße ein Maß für die maximale Verlustleistung gegeben wird, die nicht überschritten werden darf. Vorteilhafterweise werden sowohl die Vorwärts- als auch die reflektierte Rückwärtsleistung für die Regelung der Ausgangsleistung herangezogen. Dabei kann als erste Sollgröße eine die Vorwärtsleistung beschreibende Größe und als zweite Sollgröße eine die reflektierte Leistung beschreibende Größe vorgegeben werden. Als die die verschiedenen Leistungen beschreibenden Größen kommen unter anderem die Leistungen selbst, Spannungen, Ströme und Funktionen davon in Frage.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausgangsleistung der HF-Verstärkeranordnung schneller geregelt wird als der Ausgangsstrom der Stromversorgung. Beispielsweise kann die Regelung der Ausgangsleistung zu niedrigeren Werten durch Ansteuern des Verstärkerglieds deutlich schneller, vorzugsweise um mindestens den Faktor 10, besonders bevorzugt um mindestens den Faktor 100 schneller erfolgen als die Regelung der Stromversorgung. Die Stromversorgung folgt einer Sollgrößenänderung mit einer Verzögerung im Bereich von etwa 1ms bis 100ms, wohingegen die Regelung des Verstärkerglieds im Bereich von 1 bis 100μs erfolgen kann, bei entsprechender Auslegung des Verstärkerglieds in weniger als 10μs. Auf diese Weise kann die Ausgangsleistung durch Ansteuern des Verstärkerglieds sehr schnell geregelt werden. Bei der schnellen Regelung darf bei Verringern der Ausgangsleistung die Verlustleistung entsprechend ansteigen, weil durch die Regelung der Stromversorgung die Verlustleistung begrenzt werden kann. Eine kurzzeitige (1-100ms) Erhöhung der Verlustleistung kann in Kauf genommen werden, wenn die Dynamik der Regelung der Ausgangsleistung insgesamt deutlich schneller ist (1-100μs).

Bei einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die erste Stellgröße das Verstärkerglied ansteuert und die zweite Stellgröße die Stromversorgung ansteuert. In diesem Fall wird mit den die Vorwärts- und/oder Rückwärtsleistung beschreibenden Größen und den entsprechenden Sollgrößen eine erste Stellgröße für das Verstärkerglied erzeugt, und damit die schnelle Regelung vorgenommen. So kann in Anwendungen mit schnellen Laständerungen schnell auf diese reagiert werden. Vorteilhafterweise kann deutlich schneller reagiert werden, als mit der bloßen Regelung der Stromversorgungen auf eine solche Lastschwankung reagiert werden könnte.

Auf besonders einfache Art und Weise kann die Ausgangsleistung erzeugt werden, indem ein HF-Signal in mindestens zwei Verstärkerpfaden zu jeweils einem HF-Leistungssignal verstärkt wird, wobei die Phasenlage der HF-Leistungssignale zueinander eingestellt wird und jeweils zwei HF-Leistungssignale einem Leistungskoppler zugeführt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die das Verstärkerglied ansteuernde Stellgröße die Phasenlage der HF-Leistungssignale zueinander einstellt. Durch diese Maßnahme kann besonders schnell die Ausgangsleistung eingestellt werden. Unter einem HF-Leistungssignal wird ein durch einen Verstärker verstärktes HF-Signal verstanden. Es kann sich dabei um eine Spannung, einen Strom oder eine Leistung handeln. Im Leistungskoppler wird in Abhängigkeit von der Phasenlage die Ausgangsleistung aus den HF-Leistungssignalen erzeugt. Dabei gelten folgende Beziehungen:

wobei P_OUT die Ausgangsleistung an einem Summierausgang des Leistungskopplers ist, R_load der Widerstand der am Summierausgang angeschlossenen Last ist, U_RF1 und U_RF2 die den HF-Leistungssignalen entsprechenden HF-Spannungssignale sind, die an den Ausgängen der Verstärkerpfade und als Eingangssignale an dem Leistungskoppler anliegen, und Δφ die Phasenlage zwischen den HF-Leistungssignalen ist.

Die Ausgangsleistung ist damit nicht linear zu der Phasenlage. Um dies auszugleichen, ist es vorteilhaft, ein Linearisierungsglied in der Regelstrecke für die Regelung der Ausgangsleistung vorzusehen. Vorteilhaft ist auch eine Digitalisierung der gemessenen Werte und eine Regelung mittels Digitalem Signal Prozessor (DSP) oder Mikrocontroller (μC). Dann kann die Linearisierung digital vorgenommen werden.

Die Einstellung der Phasenlage der HF-Leistungssignale zueinander erfolgt besonders einfach, wenn das HF-Signal, das in beide Verstärkerpfade eingespeist wird, in einem Pfad in der Phase gegenüber dem HF-Signal des anderen Verstärkerpfads verändert wird. Ein solches HF-Signal hat bei geschalteten Verstärkern einen kleinen Pegel und kleine Leistungen, üblicherweise liegt es auf Logikpegel, also insbesondere ≤ 5V. Ein solches Signal kann auch bei Frequenzen von 1MHz bis 50MHz sehr leicht in der Phase eingestellt werden.

Es ist vorteilhaft, wenn die Regelung der Ausgangsleistung aufgrund der ersten Sollgröße und der ermittelten die Vorwärtsleistung beschreibenden Größe erfolgt, wenn die ermittelte die reflektierte Leistung beschreibende Größe ≤ der zweiten Sollgröße ist und die Regelung der Ausgangsleistung aufgrund der zweiten Sollgröße und der ermittelten die reflektierte Leistung beschreibenden Größe erfolgt, wenn die ermittelte die reflektierte Leistung beschreibende Größe größer als die zweite Sollgröße ist. Dadurch ist es möglich, die Ausgangsleistung aufgrund der ermittelten Vorwärtsleistung und der als Sollgröße vorgegebenen Vorwärtsleistung zu regeln, solange die reflektierte Leistung unterhalb eines vorgegebenen Werts liegt, der durch die zweite Sollgröße vorgegeben werden kann. Übersteigt die reflektierte Leistung den vorgegebenen Wert, kann die Ausgangsleistung derart geregelt werden, dass die reflektierte Leistung reduziert wird und insbesondere wieder unter den vorgegebenen Wert fällt. Somit wird sicher gestellt dass es zu keiner Zerstörung der Verstärker kommt, in die die reflektierte Leistung zurückgekoppelt wird.

Vorteilhafterweise wird eine gepulste HF-Ausgangsleistung erzeugt. Gepulste HF Ausgangsleistungen mit Pulsfrequenzen zwischen 100Hz und mehreren 100kHz werden bei der Anregung von Lasern und zunehmend auch bei Plasmaprozessen benötigt.

Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird das HF-Signal gepulst. Ein Pulsen des HF-Signals lässt sich besonders einfach und kostengünstig realisieren, wenn das HF-Signal und ein Pulssignal durch eine Logikschaltung verknüpft werden.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird die Stromversorgung geschaltet betrieben. Geschaltete Stromversorgungen haben einen besonders guten Wirkungsgrad und lassen sich einfach und genau steuern.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Regelanordnung einer Hochfrequenzverstärkeranordnung, mit einem Verstärkerglied, dem ein HF-Signal zugeführt ist, und einem damit verbundenen Ausgangsglied, das einen Summieranschluss und einen Ausgleichsanschluss aufweist, wobei ein erstes mit dem Summieranschluss mittelbar oder unmittelbar verbundenes Stellgrößenerzeugungsglied vorgesehen ist, das mit dem Verstärkerglied oder einer Stromversorgung verbunden ist, sowie ein zweites mittelbar oder unmittelbar mit dem Ausgleichsanschluss verbundenes Stellgrößenerzeugungsglied vorgesehen ist, das mit dem Verstärkerglied oder der Stromversorgung verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich die HF Verstärkeranordnung sowohl durch die Stromversorgung als auch durch das Verstärkerglied regeln. Man kann an zwei Stellen mit unterschiedlichen Charakteristika in die Regelung eingreifen. Wird die Leistung am Summieranschluss einer Last zugeführt und die Leistung am Ausgleichanschluss einem Absorberwiderstand zugeführt, der Verlustleistung aufnimmt, so kann diese Regelanordnung vorteilhaft dazu eingesetzt werden, mit dem einen Stellgrößenerzeugungsglied die HF Verstärkeranordnung so zu steuern, dass die Leistung in die Last einem vorgegebenen Wert entspricht und mit dem anderen Stellgrößenerzeugungsglied die Verlustleistung zu steuern, z.B. unter einem definierten Grenzwert zu halten.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verstärkerglied mindestens zwei Verstärkerpfade mit jeweils mindestens einem HF-Leistungsverstärker auf, wobei mindestens ein Verstärkerpfad ein steuerbares phasenverschiebendes Glied aufweist. Durch die Ansteuerung des phasenverschiebenden Glieds kann die Ausgangsleistung eingestellt werden. Das phasenverschiebende Glied kann besonders schnell und ohne großen Aufwand gesteuert werden, insbesondere, wenn es sich auf leistungsmäßig niedrigem Niveau befindet, beispielsweise auf Logikpegel (≤ 5V).

Bei einer Ausführungsform ist das Ausgangsglied als 90°- Leistungskoppler, insbesondere als 3dB-Koppler, ausgebildet. Dabei wird im Sinne der Erfindung auch unter einem 0° Leistungskoppler oder 180° Leistungskoppler mit an einem Eingangstor vorgeschaltetem 90° Phasenschieber (um 90° phasenverschiebendes Glied) ein 90° Leistungskoppler verstanden. Die HF-Leistungsverstärker der Verstärkerpfade reagieren weniger empfindlich auf eine Fehlanpassung am Summieranschluss des Leistungskopplers, da der 90° Leistungskoppler die Fehlanpassung auf weniger kritische Werte transformiert. Unabhängig von den Innenwiderständen der HF-Leistungsverstärker in den Verstärkerpfaden wird der Ausgangswiderstand am Summieranschluss bei einem 90° Leistungskoppler immer gleich dem Wellenwiderstand des Leistungskopplers sein, wenn man den Absorberwiderstand auch gleich dem Wellenwiderstand auslegt.

Ein 90° Phasenschieber ist für Mikrowellenanwendungen (300MHz bis 3000Hz) leicht durch eine λ/4 Leitung zu realisieren. Bei tieferen Frequenzen und vor allem bei hohen Leistungen ist diese Phasenschiebung sehr aufwändig. Ein 3dB Leistungskoppler beinhaltet diese 90° Phasenschiebung und lässt sich für Frequenzbereiche 2-50MHz insbesondere für die Industriefrequenzen 13,56; 27,12 und 40,68MHz, und auch für hohe Leistungen bis über 100kW besonders kostengünstig realisieren.

Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an den Summieranschluss ein erstes Messglied, insbesondere ein Richtungskoppler, angeschlossen ist, das mit dem ersten Stellgrößenerzeugungsglied verbunden ist. Auf diese Weise können die Vorwärtsleistung und die reflektierte Leistung gemessen werden. Aus ihnen kann eine erste Stellgröße ermittelt werden, die z.B. das phasenverschiebende Glied steuert. So kann eine erste Regelung der HF Verstärkeranordnung erfolgen.

Bei einer Ausgestaltung der Regelanordnung kann an dem Ausgleichsanschluss ein zweites Messglied, insbesondere ein Spannungsdetektor, vorgesehen sein, das mit dem zweiten Stellgrößenerzeugungsglied verbunden ist. So kann die Verlustleistung im Absorberwiderstand gemessen werden. Hieraus kann zusammen mit einer dritten Sollgröße eine zweite Stellgröße ermittelt werden, die z.B. die Stromversorgung ansteuert.

In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem eine Regelanordnung einer Hochfrequenzverstärkeranordnung, mit einem mindestens zwei Verstärkerpfade mit jeweils mindestens einem HF-Leistungsverstärker aufweisenden Verstärkerglied, wobei mindestens ein Verstärkerpfad ein steuerbares phasenverschiebendes Glied aufweist und an den Ausgängen der Verstärkerpfade anliegende HF-Leistungssignale zueinander phasenverschoben sind, mit mindestens einem phasensensitiven Leistungskoppler, der an zwei Verstärkerpfade angeschlossen ist, und der einen Summierausgang mit daran angeschlossenem ersten Messglied, insbesondere Richtkoppler, und einen Ausgleichsausgang aufweist. Das erste Messglied gibt jeweils ein die Vorwärts- und Rückwärtsleistung beschreibendes Signal aus. Es ist ein das steuerbare phasenverschiebende Glied ansteuerndes Stellgrößenerzeugungsglied vorgesehen, das die Signale des ersten Messglieds und die Vorwärts- und Rückwärtsleistung beschreibende Sollgrößen als Eingangssignale aufweist. Wird in die mindestens zwei Verstärkerpfade ein HF-Signal geringer Leistung, z.B. im Logikpegelbereich, eingespeist, so kann das steuerbar phasenverschiebende Glied in einem Verstärkerpfad sehr kostengünstig realisiert werden. Dabei kann es außerdem so realisiert werden, dass es sehr schnell und exakt gesteuert werden kann.

Wenn die HF-Leistungsverstärker phasenverschoben arbeiten, insbesondere wenn die Phasenverschiebung 90° beträgt, so wirkt sich das positiv auf die Stabilität der HF Verstärkeranordnung aus. Der phasensensitive Leistungskoppler, z.B. ein 90° Hybrid (3dB Koppler) leitet die an seinen Eingängen eingekoppelte Leistung vollständig auf den Summierausgang, wenn die beiden Signale an seinen Eingängen um 90° phasenverschoben zueinander sind. Ändert sich die Phasenlage, so wird nur noch ein Teil zum Summierausgang geliefert, der andere Teil wird an den Ausgleichsausgang geliefert und erzeugt in einem angeschlossenen Absorberwiderstand Verlustenergie. Mit der Messung der Vorwärts- und Rückwärtsleistung am Summierausgang, beziehungsweise diese beschreibende Größen, und einer Ermittlung einer Stellgröße aus den gemessenen Werten und entsprechenden Sollwerten kann zum einen die Ausgangsleistung auf den Sollwert für die Vorwärtsleistung geregelt werden, zum anderen kann zusätzlich auch eine Regelung auf einen zweiten Sollwert für die reflektierte Rückwärtsleistung erfolgen. Dies kann sehr schnell erfolgen, da sich das phasenverschiebende Glied sehr schnell regeln lässt.

Bei einer Weiterbildung der Regelanordnung kann vorgesehen sein, dass am Ausgleichsausgang ein zweites Messglied, insbesondere ein Spannungsdetektor, angeschlossen ist, das ein eine Verlustleistung beschreibendes Signal erzeugt und dieses einem zweiten Stellgrößenerzeugungsglied zuführt, das mit einer Stromversorgung der HF-Leistungsverstärker verbunden ist, und das eine die Verlustleistung beschreibende Sollgröße als weiteres Eingangssignal aufweist. Damit kann die Verlustleistung an dem am Ausgleichsanschluss angeschlossenen Absorberwiderstand begrenzt werden.

Vorzugsweise sind die HF-Leistungsverstärker als schaltende Verstärker ausgebildet. Schaltende Verstärker arbeiten besonders verlustarm. Besonders verlustarm arbeiten schaltende Verstärker im Resonanzbetrieb, wie etwa ein Klasse E Verstärker. Als Eingangssignal ist ein sehr leistungsarmes HF-Signal, z.B. ein Logik-Signal, ausreichend. Die Ausgangsleistung der schaltenden Verstärker kann durch ihre Eingangsgleichstromsversorgung gesteuert werden. Diese lässt sich aber häufig nur sehr langsam regeln. Deswegen ist eine schnelle Regelung durch Verwendung eines steuerbaren phasenverschiebenden Glieds einerseits und einer zweiten langsameren Regelung der Stromsversorgungen vorteilhaft.

Wenn das erste Stellgrößenerzeugungsglied mindestens zwei Regelglieder und eine damit verbundene Vorrangschaltung umfasst, die als Ausgangssignal die erste Stellgröße aufweist, kann das phasenverschiebende Glied mit nur einer Stellgröße angesteuert werden. Dennoch ist es möglich, sowohl die Vorwärtsleistung als auch die reflektierte Leistung gezielt zu beeinflussen.

Eine besonders gute Verstärkung kann erzielt werden, wenn mehr als zwei Verstärkerpfade vorgesehen sind, wobei einige Verstärkerpfade konstante phasenverschiebende Glieder aufweisen. Dabei können vorteilhafterweise mehrere Verstärker bzw. Verstärkerpfade mit mehreren 90°-Leistungskopplern zusammengefasst werden. Beispielsweise können vier Verstärker über drei Leistungskoppler zusammengefasst werden, wobei jeweils zwei Verstärker auf einen Leistungskoppler geschaltet sind und die Signale an den Summieranschlüssen dieser beiden Leistungskoppler auf den dritten Leistungskoppler geschaltet werden.

In gleicher Weise lassen sich acht Verstärker mit sieben Kopplern zusammenfassen oder sechzehn Verstärker mit fünfzehn Kopplern. Weitere Kombinationen sind denkbar.

Damit lassen sich sehr hohe Ausgangsleistungen erzielen. Außerdem verbessert sich die Empfindlichkeit der Verstärker auf Fehlanpassung mit jeder Leistungskopplerstufe, d.h. Die Fehlanpassung wirkt sich weniger stark auf die Verstärker aus.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu der Figur der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Regelanordnung einer HF-Verstärkeranordnung.
In der einzigen Figur ist eine Regelanordnung 1 dargestellt. Durch eine geschaltete Stromversorgung 2, deren Eingang 3 mit einer Netzspannung verbunden ist, wird ein Verstärkerglied 4 mit Strom versorgt. Insbesondere werden auf Halbleiterbauelementen basierende HF-Leistungsverstärker 5,6, die Bestandteil des Verstärkerglieds 4 sind, und die in Verstärkerpfaden 7,8 angeordnet sind, mit Strom versorgt. In dem Verstärkerpfad 7 ist ein steuerbares phasenverschiebendes Glied 9 angeordnet. Ein von einem Oszillator 10 geliefertes HF-Signal wird im Verstärkerpfad 8 dem Leistungsverstärker 6 direkt und im Verstärkerpfad 7 nach einer Phasenverschiebung durch das phasenverschiebende Glied 7 dem Verstärker 5 zugeführt. Die an den Ausgängen der HF-Leistungsverstärker 5, 6 anliegenden HF-Leistungssignale, die eine Phasendifferenz zueinander aufweisen, werden den Eingangstoren 11, 12 eines als 90°-Leistungskoppler ausgebildeten Leistungskoppler 13 zugeführt.
Die Ausgangsleistung des Leistungskopplers 13 liegt am Summierausgang 14 an, an den eine Last 15 anschließbar ist. Am Ausgleichsausgang 16 liegt die Verlustleistung, insbesondere diejenige Leistung, die aufgrund der Phasenverschiebung nicht am Summierausgang 14 liegt, an. An den Ausgleichsanschluss 16 ist ein Absorberwiderstand 17 angeschlossen, in dem die Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Am Summierausgang 14 ist ein erstes als Richtkoppler ausgebildetes Messglied 18 angeordnet, das die Vorwärtsleistung und die von der Last 15 reflektierte Rückwärtsleistung beschreibende Größen Vpi, Vpr erfasst und an ein erstes Stellgrößenerzeugungsglied 19 übermittelt.
In einem ersten Regelglied 20 wird die erfasste die Vorwärtsleistung beschreibende Größe Vpi mit einer ersten Sollgröße Vpiref verglichen, indem die Differenz gebildet wird. Die Differenz wird auf einen als PI-Regler ausgebildeten Regler 21 gegeben, wo eine Stellgröße für das steuerbare phasenverschiebende Glied 9 ermittelt wird. Das Regelglied 20 kann dabei eine Linearisierung durchführen.
In einem zweiten Regelglied 22 wird die erfasste die Rückwärtsleistung beschreibende Größe Vpr mit einer zweiten Sollgröße Vprref verglichen, indem die Differenz gebildet wird. Die Differenz wird auf einen als PI-Regler ausgebildeten Regler 23 gegeben, wo eine Stellgröße für das steuerbare phasenverschiebende Glied 9 ermittelt wird. Das Regelglied 22 kann dabei eine Linearisierung durchführen.
Den Reglern 21, 23 nachgeordnet ist eine Vorrangschaltung 24, die zwei Dioden 25, 26 aufweist. Durch die Vorrangschaltung 24 wird bestimmt, durch welche Stellgröße die vorrangige Regelung durchgeführt wird und welche Stellgröße als erste Stellgröße an das phasenverschiebende Glied 9 gegeben wird.
Am Ausgleichsausgang 16 ist ein als Spannungsdetektor ausgebildetes zweites Messglied 27 angeordnet, das eine die Verlustleistung beschreibende Größe Vabs ermittelt. Diese Größe wird einem zweiten Stellgrößenerfassungsglied 28 zugeführt und dort mit einer Sollgröße für die Verlustleistung Vabsref verglichen, indem die Differenz gebildet wird. Aus der Differenz wird in einem als PI-Regler ausgebildeten Regler 29 eine zweite Stellgröße ermittelt, mit der die geschaltete Stromversorgung 2 angesteuert wird. Das Stellgrößenerfassungsglied 28 kann dabei eine Linearisierung durchführen.
Das von dem Oszillator erzeugte HF-Signal wird gepulst, indem das HF-Signal über ein als AND-Gatter ausgebildetes Logikglied 30 mit einem von einem Pulsmodulator 31 gelieferten Pulssignal verknüpft wird.

Claims

Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung einer Hochfrequenz-(HF)-verstärkeranordnung mit den folgenden Verfahrensschritten: a. Ermitteln einer eine in eine Last (15) gelieferte Vorwärtsleistung beschreibende Größe (Vpi) und/oder einer eine von der Last (15) reflektierte Rückwärtsleistung beschreibenden Größe (Vpr) als Ausgangsleistung; b.Ermitteln einer ersten Stellgröße aus den ermittelten die Vorwärtsleistung und/oder die reflektierte Leistung beschreibenden Größen (Vpi, Vpr) und einer ersten und/oder einer zweiten Sollgröße (Vpiref, Vprref); c. Ermitteln einer eine Verlustleistung beschreibenden Größe (Vabs); d. Ermitteln einer zweiten Stellgröße aus der die Verlustleistung beschreibenden Größe (Vabs) und einer dritten Sollgröße (Vabsref); e. Ansteuerung eines Verstärkerglieds (4) mit der ersten oder zweiten Stellgröße; f. Ansteuerung einer das Verstärkerglied (4) versorgenden Stromversorgung (2) mit der ersten oder zweiten Stellgröße.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung der HF-Verstärkeranordnung schneller geregelt wird als der Ausgangsstrom der Stromversorgung (2)
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stellgröße das Verstärkerglied (4) ansteuert und die zweite Stellgröße die Stromversorgung (2) ansteuert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung erzeugt wird, indem ein HF-Signal in mindestens zwei Verstärkerpfaden (7, 8) zu jeweils einem HF-Leistungssignal verstärkt wird, wobei die Phasenlage der HF-Leistungssignale zueinander eingestellt wird und jeweils zwei HF-Leistungssignale einem Leistungskoppler (13) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die das Verstärkerglied (4) ansteuernde Stellgröße die Phasenlage der HF-Leistungssignale zueinander einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ausgangsleistung aufgrund der ersten Sollgröße (Vpiref) und der ermittelten die Vorwärtsleistung beschreibenden Größe (Vpi) erfolgt, wenn die ermittelte die reflektierte Leistung beschreibende Größe (Vpr) ≤ der zweiten Sollgröße (Vprref) ist und die Regelung der Ausgangsleistung aufgrund der zweiten Sollgröße (Vprref) und der ermittelten die reflektierten Leistung beschreibenden Größe (Vpr) erfolgt, wenn die ermittelte die reflektierte Leistung beschreibende Größe (Vpr) größer als die zweite Sollgröße (Vprref) ist.
Regelanordnung (1) einer Hochfrequenzverstärkeranordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Verstärkerglied (4), dem ein HF-Signal zugeführt ist, und einem damit verbundenen Ausgangsglied (Leistungskoppler 13), das einen Summieranschluss (14) und einen Ausgleichsanschluss (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes mit dem Summieranschluss (14) mittelbar oder unmittelbar verbundenes Stellgrößenerzeugungsglied (19) vorgesehen ist, das mit dem Verstärkerglied (4) oder einer Stromversorgung (2) verbunden ist, sowie ein zweites mittelbar oder unmittelbar mit dem Ausgleichsanschluss (16) verbundenes Stellgrößenerzeugungsglied (28) vorgesehen ist, das mit dem Verstärkerglied (4) oder der Stromversorgung (2) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkerglied (4) mindestens zwei Verstärkerpfade (7, 8) mit jeweils mindestens einem HF-Leistungsverstärker (5, 6) aufweist, wobei mindestens ein Verstärkerpfad (7) ein steuerbares phasenverschiebendes Glied (9) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsglied (Leistungskoppler 13) als 90°- Leistungskoppler, insbesondere als 3dB-Koppler, ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Summieranschluss (14) ein erstes Messglied (18), insbesondere ein Richtungskoppler, angeschlossen ist, das mit dem ersten Stellgrößenerzeugungsglied (19) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ausgleichsanschluss (16) ein zweites Messglied (27), insbesondere ein Spannungsdetektor, vorgesehen ist, das mit dem zweiten Stellgrößenerzeugungsglied (28) verbunden ist.
Regelanordnung (1) einer Hochfrequenzverstärkeranordnung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, mit einem mindestens zwei Verstärkerpfade (7, 8) mit jeweils mindestens einem HF-Leistungsverstärker (5, 6) aufweisenden Verstärkerglied (4), wobei mindestens ein Verstärkerpfad (7) ein steuerbares phasenverschiebendes Glied (9) aufweist und an den Ausgängen der Verstärkerpfade (7, 8) anliegende HF-Leistungssignale zueinander phasenverschoben sind, mit mindestens einem phasensensitiven Leistungskoppler (13), der an zwei Verstärkerpfade (7, 8) angeschlossen ist, und der einen Summierausgang (14) mit daran angeschlossenem ersten Messglied (18), insbesondere Richtkoppler, und einen Ausgleichsausgang (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messglied (18) jeweils ein die Vorwärts- und Rückwärtsleistung beschreibendes Signal (Vpi, Vpr) ausgibt und dass ein das steuerbare phasenverschiebende Glied (9) ansteuerndes Stellgrößenerzeugungsglied (19) vorgesehen ist, das die Signale des ersten Messglieds (18) und die Vorwärts- und Rückwärtsleistung beschreibende Sollgrößen (Vpiref, Vprref) als Eingangssignale aufweist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgleichsausgang (16) ein zweites Messglied (27), insbesondere ein Spannungsdetektor, angeschlossen ist, das ein eine Verlustleistung beschreibendes Signal (Vabs) erzeugt und dieses einem zweiten Stellgrößenerzeugungsglied (28) zuführt, das mit einer Stromversorgung (2) der HF-Leistungsverstärker (5, 6) verbunden ist, und das eine die Verlustleistung beschreibende Sollgröße (Vabsref) als weiteres Eingangssignal aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Leistungsverstärker (5, 6) als schaltende Verstärker ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stellgrößenerzeugungsglied (19) mindestens zwei Regelglieder (20, 22) und eine damit verbundene Vorrangschaltung (24) umfasst, die als Ausgangssignal die erste Stellgröße aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Verstärkerpfade (7, 8) vorgesehen sind, wobei einige Verstärkerpfade konstante phasenverschiebende Glieder aufweisen.