DE102006057324A1

DE102006057324A1 - Doherty-Verstärker-System

Info

Publication number: DE102006057324A1
Application number: DE102006057324A
Authority: DE
Inventors: Rainer Bott
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2008-06-19
Also published as: AU2007327942A1; ZA200808027B; CA2646633A1; US20090115530A1; WO2008067891A3; NO20084038L; EP2097974A2; WO2008067891A2

Abstract

Ein Doherty-Verstärker-System (1) hat mehrere Teilverstärker (2-4), deren Eingänge über eine Ansteuereinheit (5) mit unterschiedlichen Phasenwinkeln und/oder Signalamplituden eines Eingangssignals (S<SUB>I</SUB>) angesteuert sind. Erfindungsgemäß ist jeder Ausgang jedes Teilverstärkers (2-4) direkt mit einem Antennenelement (10-12) verbunden, ohne dass die Ausgangssignale der Teilverstärker (2-4) vor Zuführung an die Antennenelemente (10-12) miteinander kombiniert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Doherty-Verstärker-System mit einem Doherty-Verstärker mit einer nachgeschalteten Antennenstruktur.
Adaptive Antennensysteme oder Phased Array Techniken sind bekannt. Siehe z. B. Sarkar et al. „Smart Antennas", Verlag John Wiley&Sons, Hoboken, New Jersey, 2003. Bei diesen Anordnungen wird zur Steigerung des sendeseitigen Antennengewinns eine ein- oder mehrdimensionale Antennenanordnung mit sog. Antennenarrays verwendet, bestehend aus einzelnen Antennenelementen, bei dem ein auszusendendes Signal mittels geeigneter komplexwertiger Gewichtung (Gewichtung in Amplitude und Phase) auf die einzelnen Antennenelemente geschaltet wird und so die gewünschte Sendekeule mit dem resultierenden Gewinn erreicht wird. Diese Anordnungen können auch so realisiert werden, dass anstelle nur eines Leistungs-Verstärkers für jedes dieser Elemente jeweils ein separater Verstärker verwendet wird, deren Signalamplituden und/oder -phasen entsprechend der gewünschten Antennenkeule eingestellt werden.
Verstärkerarchitekturen zur Steigerung der Effizienz sind seit langem bekannt. Unter den Verfahren, die für Signale mit Amplitudenmodulation besonders geeignet sind, zeichnet sich eine Doherty-Architektur besonders aus, wie sie z. B. aus der US 2006/0214732 A1 bekannt ist. Bei diesen Verfahren erfolgt vor der Aufschaltung auf die Antenne ein Zusammenführen der einzelnen Verstärkerpfade mittels geeigneter Koppler oder Combiner zum gewünschten Summensignal, das dann der Antenne zugeführt wird.
1 zeigt einen Doherty-Verstärker 1 gemäß dem Stand der Technik. Die einzelnen Teilverstärker 2, 3 und 4 sind parallel angeordnet. Der Eingang jedes Teilverstärkers 2, 3, 4 ist mit einer Ansteuereinheit 5 verbunden, die ein Eingangssignal S_I mit unterschiedlichen Phasenwinkeln und Amplituden den einzelnen Eingängen der Teilverstärker 2–4 zuführt. Die Ausgänge der Teilverstärker 2–4 sind mit einer gemeinsamen Antenne 6 verbunden. Nur der Ausgang eines einzigen Teilverstärkers 4 steht mit der Antenne 6 in direkter Verbindung. Die anderen Ausgänge der anderen Teilverstärker 2 und 3 sind über kaskadenartig angeordnete Phasenschieber, die im Ausführungsbeispiel als λ/4-Leitungen 7 und 8 ausgebildet sind, mit der Antenne 6 verbunden. Die Ausgangssignale der Teilverstärker 2–4 werden zunächst in Signalkombinierern (Combiner) 9a und 9b miteinander kombiniert, bevor sie der Antenne 6 zugeführt werden.
Nachteilig bei diesen Verfahren ist, dass die Combiner entweder relativ schmalbandig oder verlustbehaftet sind. Bei Anschaltung dieser Verstärkerarchitekturen an die o.a. adaptiven Antennensysteme sind daher die beschriebenen Koppelverfahren nachteilig.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein verbessertes Doherty-System mit verbesserter Effizienz zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch ein Doherty-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß sind an den Ausgängen der Teilverstärker keine Signalkombinierer vorhanden, die die Ausgangssignale der Teilverstärker vor Zuführung an die Antenne zu einem Gesamtsignal kombinieren, sondern die einzelnen Ausgangssignale der Teilverstärker werden ohne Zwischenschaltung eines Signalkombinierers direkt einem Antennenelement Teilarray der gesamten Antennenanordnung zugeführt. Dabei ist vorzugsweise jedem Teilverstärker ein Antennenelement zugeordnet. Die Kombination der Ausgangssignale der Teilverstärker zum auszusendenden Gesamtsignal ergibt sich dann durch Überlagerung der von den jeweiligen Antennenelementen abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Auf diese Weise wird der Signalkombinierer am Ausgang der Teilverstärker eingespart und es ergibt sich eine noch bessere Entkopplung der Ausgänge der Teilverstärker.
Ein im Prinzip beliebig strukturiertes Antennenarray wird erfindungsgemäß entsprechend der Anzahl der parallel zu betreibenden Verstärker in Teilarrays (Antennenelemente) unterteilt. Die Anzahl der einzelnen Antennen pro Teilarray muß nicht a priori gleich sein. Aus Gründen der Einfachheit sowie zur Erzielung einer ähnlichen Keulencharakteristik ist es jedoch sinnvoll, dass deren Anzahl sowie die Keulencharakteristik identisch oder zumindest ähnlich sind.
Auf jedes dieser Teilarrays wird nun jeweils direkt ein Verstärker geschaltet. Die normalerweise mittels geeigneter Combiner, die als Schaltung innerhalb des Gesamtverstärkers realisiert sind, durchgeführte Zusammenführung der einzelnen Signale erfolgt erfindungsgemäß durch die Kombination bzw. Überlagerung der elektromagnetischen Wellen, die durch die Antennen abgestrahlt werden. Zwangsläufig auftretende Nachteile der Combiner wie relative Schmalbandigkeit oder Verluste werden dadurch a priori vermieden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Doherty-System nach dem Stand der Technik;
2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Doherty-Systems;
3 ein Ausführungsbeispiel eines Antennen-Arrays mit ULVAs und
4 ein Ausführungsbeispiel eines Antennen-Arrays mit einem Parabolspiegel.
Das Verfahren lässt sich besonders anschaulich anhand einer Doherty-Verstärkerarchitektur sowie einem eindimensionalen ULVA (Uniform Linear Virtual Array) beschreiben. Eine Erweiterung auf beliebige, auch mehrdimensionale Antennenanordungen ist möglich und leicht durchführbar. So kann ein ULVA z. B. mittels geeigneter Transformationen, wie sie z. B. in Sarkar et al. „Smart Antennas", Verlag John Wiley&sons, Hoboken, New Jersey, 2003, Abschnitt 6, speziell Abschnitt 6.2, beschrieben sind, in jede beliebige Antennenanordnung übergeführt werden. Die Keulenformung für eine zweidimensionale Antennenanordnung ist beispielsweise in Ghavami, „Wideband Smart Antenna theory Using rectangular Array Structures", IEEE Trans. On Signal Processing, Vol. 50, No.9, Seiten 2143 ff, September 2002 beschrieben.
Für die Erläuterung der Erfindung wird in 2 ein dreistufiger Doherty-Verstärker als Ausgangsbasis verwendet. Bereits anhand von 1 beschriebene Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wodurch die Zuordnung erleichtert wird. Auch hier besteht der Doherty-Verstärker aus mehreren Teilverstärkern 2, 3 und 4, deren Eingang jeweils mit der Ansteuereinheit 5 in Verbindung steht. Die Ansteuereinheit 5 steuert auch hier die Eingänge der Teilverstärker 2–4 mit unterschiedlichen Phasenwinkeln und/oder Signalamplituden an.
Soll der Doherty-Verstärker nur eine geringe Ausgangsleistung zur Verfügung stellen, so ist zunächst nur der erste Teilverstärker 2 aktiv. Beim Erreichen der Sättigung des ersten Teilverstärkers 2 wird dessen Leistung auf einen konstanten Maximalwert begrenzt und der weitere Leistungszuwachs wird nur mit dem zweiten Teilverstärker 3 vorgenommen. Reicht die Summe der Leistungen der beiden Teilverstärker 2 und 3 noch nicht aus, so wird auch der zweite Teilverstärker 3 beim Erreichen seiner Sättigung auf eine konstante Maximalleistung begrenzt und der weitere Leistungszuwachs wird mit dem dritten Teilverstärker 4 vorgenommen. Obwohl im Ausführungsbeispiel drei Teilverstärker 2–4 dargestellt sind, lässt sich die Erfindung natürlich auch mit nur zwei Teilverstärkern oder mit mehr als drei Teilverstärkern realisieren.
Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Doherty-System nach dem Stand der Technik, ist bei dem erfindungsgemäßen Doherty-System jeder Ausgang jedes Teilverstärkers 2, 3 und 4 mit einem jeweils zugeordneten Antennenelement 10, 11, 12, das im Rahmen dieser Anmeldung auch als Teilarray der Antenne 6 Antennenarray bezeichnet wird, verbunden.
Die einzelnen Ausgangssignale der Teilverstärker 2–4 werden also nicht wie beim Stand der Technik zunächst unterschiedlichen Phasenverschiebungen unterworfen und dann in Signalkombinierern miteinander kombiniert, sondern es wird jeder Ausgang jedes Teilverstärkers 2–4 unmittelbar direkt dem ihm zugeordneten Antennenelement 10–12 zugeführt. Die Signalkombinierer können somit entfallen und es ergibt sich eine erheblich bessere Entkopplung der Ausgänge der Teilverstärker 2–4.
Anstelle der beim Stand der Technik realisierten Kopplung der Verstärkerausgänge über λ/4-Leitungen werden erfindungsgemäß die einzelnen Verstärker direkt auf die Teilarrays geschaltet. Dies ist in 2 für drei Teilarrays dargestellt. Die Erweiterung auf mehrere parallele Verstärker oder auch die Reduktion auf nur zwei Verstärker erfolgt in einfacher Weise. Die Keulenformung erfolgt hier über die entsprechende komplexwertige Gewichtung der einzelnen Antennensignale.
3 zeigt ein Beispiel, wie die einzelnen Antennenelemente 10, 11, 12 bzw. Teilarrays innerhalb der Gesamtantenne 6 angeordnet sein können. Jedes Antennenelement bzw. Teilarray 10, 11 bzw. 12 besteht im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren Einzelantennen, die alternierend zueinander angeordnet sind. Beispielsweise besteht das mit dem ersten Teilverstärker 2 verbundene erste Antennenelement bzw. Teilarray 1 aus den Einzelantennen 20₁ , 20₂ , 20₃ und 20₄ . Das mit dem zweiten Teilverstärker 3 verbundene zweite Antennenelement 11 bzw. Teilarray 2 besteht aus den Einzelantennen 21₁ , 21₂ , 21₃ und 21₄ und das mit dem dritten Teilverstärker 4 verbundene dritte Antennenelement 12 bzw. Teilarray 3 besteht aus den Einelantennen 22₁ , 22₂ , 22₃ und 22₄ . Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Einzelantennen ausgehend von einer Mittelebene 23 beidseitig spiegelsymmetrisch zu der Mittelebene 23 angeordnet. Es sind aber auch eine Vielzahl anderer eindimensionaler oder mehrdimensionaler Anordnungen denkbar.
Das ULVA ist, wie in 3 dargestellt, in N ULVA-Teilarrays unterteilt. In der 3 ist N = 3. X kennzeichnet die Antennenelemente des ersten Teilarrays, O die des zweiten sowie ∇ die des dritten Teilarrays. Diese Unterteilung entspricht einer räumlichen Unterabtastung. Demgemäß werden zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten Abstände zwischen den Antennenelementen benötigt, deren Werte kleiner als d/_2·λ·N sind. d ist hierbei der Abstand zweier Antennenelemente, λ die Wellenlänge des Signals und N ist die Anzahl der Teilarrays. Vorteilhaft, jedoch nicht zwingend, ist die Verwendung von jeweils 2·L Elementen für jedes Teilarray. Damit kann, wie oben bereits erwähnt, die Keulencharakteristik jedes dieser Teilarrays nahezu gleich gestaltet werden.
Für jedes dieser drei so gewählten ULVA im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ergibt sich die Beziehung für die Feldstärke im Fernfeld der Antennen zu
W_n,l bezeichnet hier die komplexwertige Gewichtung für das Antennenelement 1 des Teilarrays n. φ ist die gewünschte Richtung der Keule des resultierenden Gesamtarrays. S_n(t) ist das über das Teilarray n abzustrahlende Signal. In Vorzugsrichtung φ ergibt sich dann das auszusendende Signal in einfacher Weise als Summe der Teilsignale S₁(t) + S₂(t) + S₃(t) ohne Berücksichtigung des Antennengewinns.
Wird der Doherty-Verstärker nur wenig ausgesteuert, ist nur der Trägerverstärker PA1 aktiv und demgemäß wird das Signal nur über das Teilarray 1 ausgesendet. Wird der Trägerverstärker in der Sättigung betrieben und der erste Spitzenverstärker PA2 zusätzlich aktiv, so werden die Signale gemäß dem Doherty-Prinzip über die Teilarrays 1 und 2 ausgesendet. Die Kombination erfolgt in der Luft durch die Addition bzw. Überlagerung der beiden Teilwellen. Im Spitzenbetrieb ist zusätzlich der zweite Spitzenverstärker PA3 aktiv und die Feldstärken der drei Arrays überlagern sich.
Beim Betrieb bei mittlerer Leistung liefert der Trägerverstärker PA1 eine konstante Amplitude. Eine Amplitudenmodulation des Sendesignals erfolgt über die Variation der Sendeamplitude des Spitzenverstärkers PA2 und der resultierenden Überlagerung der Feldstärken gemäß der Keulenformung. Entsprechendes gilt für den Betrieb bei großer Leistung, bei der PA3 aktiv ist.
Weiterhin kann diese Anordnung auch bei gerichteten Antennen verwendet werden, bei denen die Richtwirkung durch mechanische Maßnahmen erreicht wird. So werden bei Parabolantennen n Feeder eingesetzt und somit erfolgt die Zusammenführung durch die Addition der Signale der einzelnen Feeder.
Anstelle mechanischer Maßnahmen kann auch die Richtwirkung durch Variation der Signallaufzeiten in Delektrika erreicht werden. Solche Antennen sind u. a. als Luneberg-Antennen bekannt.
Insbesondere werden Verfahren zum Betrieb von Verstärkerarchitekturen mit mehreren Einzelverstärkern an einem Antennenarray vorgeschlagen, bei dem dieses Array in Teilarrays unterteilt wird, und bei dem jeder Verstärker direkt an einem der Teilarray betrieben wird und die Kombination der Signale der Einzelverstärker zum eigentlich auszusendenden Signal über die Überlagerung der vom jeweiligen Teilarray abgestrahlten elektromagnetischen Wellen erfolgt.
Vorzugsweise wird bei jedem Verstärker ein unterschiedliches Signal über das angeschaltete Teilarray aussendet und durch die Kombination der elektromagnetischen Wellen der Teilarrays das eigentliche Sendesignal gebildet. Es kann auch jeder Verstärker dasselbe Signal über das angeschaltete Teilarray aussenden.
Das Antennenarray kann durch entsprechende Beschaltung der Einzelantennen der Teilarrays eine Keulenformung durchführen, in deren Ergebnis sich dann die gewünschte Keulen-Charakteristik des Gesamtsignals ergibt. Das Antennenarray kann eine beliebige mehrdimensionale Struktur haben und die Keulenformung kann durch geeignete komplexwertige Gewichtung (Amplitudengewichtung und Phasendrehung) erfolgen. Insbesondere kann das Antennenarray als sog. ULVA (Uniform Linear Virtual Array) modelliert werden, das ein- oder mehrdimensional sein kann, und die reale Arraystruktur kann durch geeignete Transformation vom/zum ULVA erhalten werden.
Alternativ wird ein Verfahren zum Betrieb von Verstärkerarchitekturen mit mehreren Einzelverstärkern an einem Antennenarray vorgeschlagen, bei dem anstelle eines Antennenarrays mit Einzelantennen, die durch entsprechende Gewichtung der Speisesignale seine Keulenformung durchführen, eine Antennenanordnung eingesetzt wird, deren Keulenformung durch den mechanischen Aufbau der Antenne erreicht wird und diese Antenne dann durch entsprechende Speisung durch die verschiedenen Verstärker angeschlossen wird
Dabei kann die Antennenanordnung aus verschiedenen Einzelantennen mit Keulenformung durch mechanische Maßnahmen erfolgen, die in die gewünschte Richtung der resultierenden Keule zeigen, wobei die jeweilige Einzelantenne von einem der Verstärker gespeist ist.
Die Antenne kann auch eine Parabolantenne sein und die Speisung kann durch verschiedene Feeder realisiert sein, deren Anzahl der der Teilverstärker entspricht. Dies ist in 4 veranschaulicht. Dort ist ein Parabolspiegel 30 dargestellt. Die Antennenelemente 10–12 sind als Feeder an unterschiedlichen Positionen des Parabolspiegels 30 angeordnet.
Die Keulenbildung kann auch durch Laufzeiten innerhalb von Dielektrika anstelle des mechanischen Aufbaus erfolgen. Dabei kann ein Antennenelelement als Luneberg-Antenne ausgeführt sein.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt und auch für anders konfigurierte Teilarrays anwendbar.

Claims

Doherty-Verstärker-System (1) mit mehreren Teilverstärkern (2–4), deren Eingänge über eine Ansteuereinheit (5) mit unterschiedlichen Phasenwinkeln und/oder Amplituden eines Eingangssignals (S_I) angesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgang jedes Teilverstärkers (2–4) direkt mit einem Antennenelement (10–12) verbunden ist, ohne dass die Ausgangssignale der Teilverstärker (10–12) vor Zuführung an die Antennenelemente (10–12) miteinander kombiniert werden.
Doherty-Verstärker-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination der Ausgangssignale der Teilverstärker (2–4) zum auszusendenden Gesamtsignal durch die Überlagerung der vom jeweiligen Antennenelement (10–12) abgestrahlten elektromagnetischen Wellen erfolgt.
Doherty-Verstärker-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antennenelement (10; 11; 12) aus mehreren Einzelantennen (20₁ –20₄ ; 21₁ –21₄ ; 22₁ –22₄ ) besteht und dass jedes Antennenelement (10; 11; 12) durch entsprechende Beschaltung der Einzelantennen (20₁ –20₄ ; 21₁ –21₄ ; 22₁ –22₄ ) eine solche Keulenformung der Abstrahlcharakteristik hat, dass sich eine vorbestimmte Keulenformung der Abstrahlcharakteristik des überlagerten Gesamtsignals ergibt.
Doherty-Verstärker-System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antennenelement (10; 11; 12) eine bestimmte eindimensionale oder mehrdimensionale Struktur aus Einzelantennen (20₁ –20₄ ; 21₁ –21₄ ; 22₁ –22₄ ) hat und dass sich die Keulenformung durch eine bestimmte komplexwertige Gewichtung, d. h. Amplitudengewichtung und Gewichtung der Phasendrehung, der Einzelantennen (20₁ –20₄ ; 21₁ –21₄ ; 22₁ –22₄ ) ergibt.
Doherty-Verstärker-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Antennenelement (10; 11; 12) als einheitliches lineares virtuelles Feld (Uniform Linear Virtual Array) modelliert ist, das ein- oder mehrdimensional sein kann, und sich die reale Struktur durch eine geeignete Transformation ergibt.
Doherty-Verstärker-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Keulenformung durch den mechanischen Aufbau der Antennenelemente (10–12) realisiert ist und dass diese Antennenelemente (10–12) über verschiedene Speiseleitung (13–15) mit unterschiedlicher Dämpfung und/oder Phasenschiebung an den Teilverstärkern (2–4) angeschlossen sind.
Doherty-Verstärker-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Parabolspiegel (30) vorhanden ist und dass die Antennenelemente (10–12) an unterschiedlichen Positionen in den Parabolspiegel (30) einstrahlen.
Doherty-Verstärker-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antennenelement als Luneberg-Antenne ausgeführt ist.