-
Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Leistungsvervielfacherlösung.
-
Gegenstand der Betrachtung sind schmalbandige Hochfrequenz (HF)-Leistungsverstärker und HF-Generatoren mit einer transformatorischen Auskoppeltechnik im Leistungsbereich von einigen Watt bis mehreren Kilowatt. Die Arbeitsfrequenzen liegen im Megaherz-Bereich (typisch 0,2 bis 200 Megaherz). Unter HF-Leistungsgeneratoren versteht man HF-Leistungsverstärker mit der Erweiterung um eine eigene, interne Signalquelle. Der Einfachheit halber soll im Folgenden nur der Begriff „Leistungsverstärker” benutzt werden, da sich die Erfindung auf die Baugruppen der Leistungsverstärker bezieht, welche Bestandteil eines kompletten Leistungsverstärkergerätes oder auch Leistungsgeneratorgerätes sind.
-
HF-Leistungsverstärkerbaugruppen im genannten Leistungs- und Frequenzbereich sind dadurch gekennzeichnet, dass deren maximales Leistungsvermögen im wesentlich durch die Leistungsfähigkeit des technologisch und kommerziell verfügbaren Leistungshalbleiters begrenzt wird. Viele Anforderungen erfordern jedoch höhere Leistungen als die, die eine einzelne Verstärkerbaugruppe zu leisten im Stande ist. Typische Anwendungen sind HF-Industriegeneratoren, HF-Sender und HF-Leistungsverstärker für allgemeine HF-Anwendungen großer Leistung von über zirka 500 Watt.
-
Wenn die Leistungsfähigkeit einer einzelnen HF-Verstärkerbaugruppe nicht ausreicht, müssen mehrere dieser HF-Verstärkerbaugruppen zusammengeschaltet, also leistungsaddiert, werden. Dies geschieht mittels sogenannter „Power Combiner”, die in verschiedenen Varianten – je nach Frequenz – und Leistung – bekannt sind. Power Combiner bestehen aus einer Verschaltung von HF-Leitungen und/oder HF-Transformator(en), zumindest einem Leistungswiderstand und gegebenenfalls weiteren Kondensatoren und Induktivitäten zu Konzentrations- und Anpasszwecken. Ein Power Combiner weist n Eingänge mit je einer Impedanz Z und einen Summenausgang mit typischerweise (aber nicht zwingend) der gleichen Impedanz Z auf. Die Impedanz Z beträgt weltweit vereinbarungsgemäß 50 Ohm. Diese Festlegung auf 50 Ohm ist jedoch für die Funktionen nicht zwingend vorauszusetzen. Die im Rahmen eines Power Combiners einzusetzenden Bauelemente verursachen Kosten, benötigen Platz und sind sehr aufwändig.
-
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte HF-Leistungsvervielfacherlösung zur Verfügung zu stellen.
-
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe eine HF-Leistungsvervielfacherlösung für HF-Leistungsverstärkerbaugruppen mit transformatorischer Leistungsauskopplung, wobei die Ausgänge der Leistungsverstärkerbaugruppen seriell zusammengeschaltet sind. Das serielle Zusammenschalten der Ausgänge der Leistungsverstärker mit transformatorischer Auskopplung erfolgt in der Form, dass prinzipiell die Sekundärseiten der Ausgangstransformatoren in Reihe geschaltet werden. Dadurch wird eine Addition der einzelnen HF-Leistungen von zusammengeschalteten Verstärkerbaugruppen möglich. Die Erfindung erlaubt es weiterhin auf Power Combiner zu verzichten.
-
Die HF-Leistungsvervielfacherlösung kann in einem Bereich von Frequenzen im Megaherzbereich und von Leistungen vom mehreren hundert Watt betrieben werden, insbesondere in einem Frequenzbereich von über 10 Megaherz insbesondere über 30 Megaherz und einem Leistungsbereich von über 100 Watt insbesondere über 300 Watt und wiederum insbesondere über 500 Watt.
-
Vorteilhafterweise beträgt die Ausgangsimpedanz jeder Transformatorauskupplung für eine Anzahl von n HF-Leistungsverstärkerbaugruppen 1/n·Z der gewünschten Ausgangsimpedanz Z. Jedoch sind durchaus auch abweichende Verteilungen möglich, da die Ausgangsimpedanz Z durch weitere Maßnahmen korrigierbar ist.
-
Die Ausgangsimpedanz der addierten Verstärkerbaugruppen beträgt üblicherweise Z = 50 Ohm, es sind aber davon abweichende Impedanzen für die Funktion der Erfindung zulässig.
-
Von Vorteil ist weiter, wenn die HF-Leistungsverstärkerbaugruppen Sekundärwicklungen aufweisen und zwischen den einzelnen Sekundärwicklungen der HF-Leistungsverstärkerbaugruppen ein reaktives Bauelement angeordnet ist. Dieses reaktive Bauelement bietet um den Reaktanzwert eine Entkopplung von einer Sekundär- zu einer benachbarten Sekundärwicklung in der Serienschaltung und so von einer Verstärkerbaugruppe zur anderen.
-
In einem Bereich von zirka 0,5 Megaherz bis 50 Megaherz und 100 bis 1000 Watt und jeweils darüber hinaus ist die Entkopplung zunehmend mit steigender Frequenz und Leistung von Vorteil, insbesondere bei nicht idealen Lasten, wie instabilen oder reflektierenden Lasten. Insgesamt wird so neben weiteren Vorzügen eine einwandfreie Funktion bei verbesserter Stabilität und Robustheit erreicht.
-
Das reaktive Bauelement weist vorzugsweise einen signifikanten Reaktanzwert auf, der in der Größenordnung der Ausgangsimpedanz einer einzelnen HF-Leistungsverstärkerbaugruppe liegen sollte. Vorzugsweise weist das reaktive Bauelement mindestens einen Reaktanzwert von 20%– 100% der Ausgangsimpedanz einer einzelnen HF-Leistungsverstärkerbaugruppe auf. Da größere Werte des Reaktanzwertes zu einer besseren Entkopplung führen kann das reaktive Bauelement auch Reaktanzwerte mehr als 100% bis zu mehreren 100% der Ausgangsimpedanz aufweisen.
-
Das reaktive Bauelement kann ein Induktor, eine Kapazität, eine Leitung oder eine Verkopplung von dergleichen sein.
-
Von Vorteil ist, wenn das reaktive Bauelement eines der Bauteile innerhalb und Bestandteil einer Funktionsgruppe ist, das der Zusammenschaltung der HF-Leistungsverstärkerbaugruppen folgt. Durch die Verwendung dieses Bauelements wird daher kein Zusatzaufwand notwendig.
-
Das reaktive Bauelement liegt vorzugsweise in der nachfolgenden Funktionsbaugruppe in Serienschaltung vor, so kann seine Position in der Serienschaltung von Transformatorausgängen und darauf folgendem Filter verändert werden.
-
Vorzugsweise kann die nachfolgende Funktionsgruppe ein Tiefpassfilter oder ein Bandpassfilter sein. Ein schmalbandiger oder für eine feste Frequenz ausgelegter HF-Leistungsverstärker wird in der Regel ein solches dem HF-Ausgang folgendes Tiefpassfilter beinhalten. Ein Zusatzaufwand wird so vermieden.
-
Von Vorteil ist, wenn das reaktive Bauelement in mehrere Teile aufteilbar ist, damit die einzelnen Teile in der Schaltung an unterschiedliche Stellen verteilt werden können.
-
Ein Teil des reaktiven Bauelements, welches erfindungsgemäß zwischen den einzelnen Sekundärwicklungen der HF-Leistungsverstärkerbaugruppen angeordnet ist, kann zwischen einer Transformatorauskupplung nach Masse angeordnet sein. Dadurch wird eine verbesserte Symmetrierwirkung der Transformatoren erzielt. Vorteilhafterweise wird das reaktive Bauelement in zwei Teilinduktivitäten mit jeweils 1/n·L und 1/m·L aufgeteilt. Die Aufteilung wird so dimensioniert, dass der Anteil n genügend Entkopplung ergibt und der Anteil m genügend Symmetrierunterstützung. Die Aufteilung kann z. B. zu L/2 und L/2 führen, andere Aufteilungen sind zulässig.
-
Vorzugsweise ist die Phasenlage der HF-Ausgangsspannung der HF-Leistungsverstärkerbaugruppen gleich. Durch diese phasengleiche Ansteuerung der einzelnen Verstärkerbaugruppen addieren sich die HF-Spannungsvektoren gleichphasig.
-
Von Vorteil ist schließlich, dass die Leistungsvervielfacherlösung keinen HF-Leistungswiderstand aufweist. Dieser ist in einem Power Combiner immer erforderlich. Bei Ausfall einer Verstärkerbaugruppe kann dieser Leistungswiderstand im Power Combiner überlastet und somit zerstört werden, was üblicherweise zur Sicherheitsabschaltung des gesamten Gerätes führt. Da bei der Erfindung auf solche Leistungswiderstände verzichtet wird, können diese auch nicht bei Ausfall einer der Verstärkerbaugruppen zerstört werden, was einen Zugewinn der Gerätezuverlässigkeit bedeutet.
-
Die Erfindung wird im Nachfolgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
-
Hierin zeigen
-
1 eine Darstellung einer einzelnen Verstärkerbaugruppe mit Transformatorauskupplung
-
2 eine Prinzipdarstellung einer Zusammenschaltung zweier Leistungsverstärker mit Hilfe eines Power Combiners
-
3 zwei typische Power Combiner Schaltungen
-
4 zwei typische Tiefpassschaltungen
-
5 eine Leistungsverstärkerbaugruppe mit transformatorischer Auskopplung
-
6 eine Serienverschaltung der Sekundärseiten von mehreren Leistungsverstärkerbaugruppen
-
7 eine HF-Leistungsverstärkerbaugruppe nach 6 um einen Tiefpassfilter erweitert
-
8 eine HF-Leistungsverstärkerbaugruppe mit geänderter Anordnung der Bestandteile des Tiefpassfilters und
-
9 eine HF-Leistungsverstärkerbaugruppe mit nochmals geänderter Anordnung der Bestandteile des Tiefpassfilters.
-
Die Verstärkerbaugruppe in 1 besteht im Wesentlichen aus einer HF-Steuer- und Treiberbaugruppe S, zwei Leistungs-HF-Transistoren und dem Ausgangstransformator T sowie einem nachgeschalteten Filter F.
-
In der Prinzipdarstellung in 2 sind zwei Leistungsverstärkerbaugruppen abgebildet, die mittels eines Power Combiners PC zusammengeschaltet sind. Jede der Verstärkerbaugruppen besteht erneut aus einer HF-Steuer- und Treiberbaugruppe (S1 und S2), je zwei Leistungs-HF-Transistoren und je einem Transistor (T1 und T2). Der Filter F ist dem Power Combiner nachgeschaltet.
-
3 zeigt typische Varianten von Power Combinern. Dabei ist in 3a) ein Wilkinson Power Combiner und in 3b) ein transformatorischer Power Combiner abgebildet.
-
4 zeigt zwei typische Tiefpassfilterschaltungen zur Unterdrückung von unerwünschten Oberschwingungen. In 4a) ist ein T-Tiefpassfilter und in 4b) ein π-Filter abgebildet. Die vereinfachte Darstellung in 5 zeigt eine Leistungsverstärkerbaugruppe mit transformatorischer Auskopplung der HF-Leistung. Als Beispiel wird eine Gegentaktschaltung als HF-Leistungsendstufe gewählt. Dies ist zwar nicht zwingend notwendig, die Gegentakttechnik hat bei den vorliegenden Leistungspegeln aber entscheidende Vorteile im Vergleich zur Gleichtakttechnik. Eine hart schaltende HF-Ansteuerschaltung A steuert die Gates der beiden Leistungs-HF-Transistoren Q1 und Q2 an. Diese sind vorliegend Power Mosfets. Diese werden im Gegentakt angesteuert. An den Drains liegt die verstärkte HF-Spannung an, und es stellt sich ein Drainstrom ein, der von der Impedanz abhängig ist, die am Drainanschluss angeboten wird.
-
Die Impedanz zwischen den beiden Drains von Q1 und Q2 berechnet sich aus dem Wicklungsverhältnis 1:k und der Lastimpedanz Z nach folgender Formel: Z Drain-Drain = Z Last/k·k
-
Durch die Größe der Lastimpedanz Z, der geeigneten Wahl des Wicklungsverhältnisses k des Ausgangstransformators und der Höhe der DC-Betriebsspannung stellt sich der Drainstrom ein, was eine bestimmte HF-Leistung zur Folge hat. Dabei dürfen die maximal zulässigen Herstellerdaten des Leistungs-Mosfets nicht überschritten werden, was die maximal aus einer einzelnen Leistungsverstärkerbaugruppe entnehmbare Leistung festlegt. Ein erster Schritt der Erfindung ist die Vermeidung des Power Combiners durch die Serienverschaltung der Sekundärseiten von mehreren Leistungsverstärkerbaugruppen, im Folgenden die zwei Leistungsverstärkerbaugruppen in 6, 11 und 12. Die beiden Leistungsverstärkerbaugruppen 11 und 12 werden phasengleich angesteuert, das heißt, das Ausgangssignal des Verstärkers A mit Q1/Q2 ist gleich dem des Verstärkers B mit Q3/Q4. Die Ausgänge der beiden Verstärker 11 und 12, also die Sekundärseiten der HF-Transformatoren, werden in Serie geschaltet, was eine Addition der Spannung zur Folge hat. Um am Summenausgang der kombinierten Verstärkerbaugruppen wieder die gewünschte Impedanz Z zu erhalten, sind die Ausgangsimpedanzen der beiden Baugruppen 11 und 12 auf Z halbe ausgelegt. Nach Serienschaltung ergibt sich nach der Formel 2·Z/2 = Z wieder die gewünschte Impedanz Z. Im Falle von n Verstärkerbaugruppen ist vorzugsweise die Ausgangsimpedanz einer jeden Verstärkerbaugruppe auf Z/n auszulegen. Allerdings ist auch eine Korrektur auf die gewünschte Impedanz Z durch andere Maßnahmen möglich.
-
Dieser Ansatz funktioniert wie in 6 abgebildet bei der Serienschaltung von Transformatoren im niederfrequenten Bereich noch. Er versagt jedoch seinen zuverlässigen Dienst im HF-Frequenzbereich. Aus diesem Grund hat sich im Stand der Technik bisher die Power Combiner-Technik im HF-Bereich als Maßnahme zur Addition mehrerer HF-Leistungsverstärkerbaugruppen als das einzig verbreitete Verfahren durchgesetzt. Bei der Serienschaltung von Sekundärwicklungen der Verstärkerausgangstransformatoren kommt es nämlich zu für den Verstärkerbetrieb gefährlichen Betriebszuständen und fallendem Wirkungsgrad, da die Interaktion von einer Verstärkerbaugruppe zu einer nächsten Verstärkerbaugruppe durch unvermeidbare Kopplungsmechanismen zwischen Sekundär- und Primärseite der Ausgangstransformatoren einen erwünscht sicheren Betrieb von HF-Leistungstransistoren nicht erlaubt. Die Gründe, weshalb das Serienverschalten von HF-Trafo-Sekundärwicklungen bisher keine Anwendung gefunden hat, sind Folgende. Zunächst weisen die verfügbaren HF-Leistungstransformatoren nur eine endliche Funktionsgüte auf. Die Kopplung zwischen deren Primär- und Sekundärwicklungen ist bei Hochfrequenzanwendungen nicht vernachlässigbar. Zudem führt der praktische Aufbau solcher Transformatoren immer zu kleinen Funktionsunterschieden von Transformator TA zu Transformator TB. Die Folge ist ein nichtidentisches HF-Ausgangssignal von Verstärkerbaugruppe A zu der benachbarten Verstärkerbaugruppe B.
-
Wegen der nichtidentischen Ausgangssignalform und Ausgangsamplitude fließen Ausgleichströme getrieben durch das Potential der Signaldifferenzen. Durch die in 6 dargestellte, direkte Serienverschaltung von TA und TB koppeln sich diese Signaldifferenzen auch von der Sekundärseite eines HF-Transformators zu dessen Primärseite. Deswegen entsteht eine Rückwirkung von der Primärwirkung eines HF-Transformators, welche direkt am Drain eines Leistungshalbleiters (z. B. Leistungs-Mosfet) angeschlossen ist, dann über die interne Mosfet-Kapazität Cgd (C drain-gate reverse capacity) auf das ansteuernde Gatesignal. Dies wiederum führt zu Verzerrungen des HF-Gateansteuersignales und zu nicht mehr eindeutig definierten ausreichend stabilen Zuständen der Leistungsendstufe. Die Instabilitäten werden mit steigendem Leistungspegel immer gravierender, die Serienschaltung von HF-Verstärkern durch einfache Serienverschaltung der Transformatorausgänge scheidet daher ohne weitere Maßnahmen als eine praktisch umsetzbare Lösung aus.
-
HF-Leistungsverstärkerbaugruppen erzeugen Verzerrungen und harmonische Oberwellenschwingungen, die sogenannten „Harmonischen”. Die Erzeugung und Abstrahlung von Harmonischen sind aus rechtlichen Gründen (internationale Standards wie CE und FCC) nicht gestattet. Zudem ist es auch im Interesse eines jeden Anwenders, nur eine einzige Arbeitsfrequenz vom HF-Generator geliefert zu bekommen. Deshalb sind dem Verstärker nachgeschaltete Filtermaßnahmen erforderlich und auch üblich. Meist handelt es sich der Einfachheit halber um Tiefpassfilter wie sie in 4a) und 4b) dargestellt sind. Seltener finden auch Bandpassfilter Verwendung.
-
Eine HF-Leistungsverstärkerbaugruppe nach 6 wird in 7 um einen Tiefpassfilter nach 4a) erweitert. Dabei wird der Tiefpassfilter als T-Tiefpass in der der Einfachheit halber kleinsten Ausbaustufe dargestellt.
-
Ein schmalbandiger oder für eine Festfrequenz ausgelegter HF-Leistungsverstärker wird immer ein solches dem HF-Ausgang folgendes Tiefpassfilter beinhalten.
-
Wie in 8 dargestellt kann eines der reaktiven Bauteile des Filters nicht nur als Filterbestandteil, sondern durch eine Umplatzierung aus der Filterbaugruppe hin in den Ausgangstrakt der seriengeschalteten Leistungsverstärkerbaugruppen auch als Reaktanz zur Entkopplung der Verstärkerbaugruppen zwischen den Transformator-Ausgangswicklungen genutzt werden.
-
Im vorliegenden Beispiel wird die Induktivität aus dem Filter gelöst und zwischen die Sekundärseiten von Transformator TA und Transformator TB verlegt. Die Reaktanz X von L ist nach der Regel „Die Reihenfolge der Elemente in der Serienschaltung ist beliebig” von nicht impedanzverzerrender Wirkung. Die Summenausgangsimpedanz des Gesamtverstärkers Z bleibt erhalten.
-
Die Umpositionierung der Induktivität L aus dem Filter zwischen die beiden HF-Transformatorausgänge erhält nach wie vor die Funktion der Induktivität L als einen zweiten Tiefpassfilter. Die erfindungsrelevante Wirkung von L zwischen den beiden Transformatorausbildungen ist eine Entkopplung bei den Transformatoren TA und TB. Die Reaktanz von der Induktivität L wird so ausgelegt, dass deren Wert X die Größenordnung der Ausgangsimpedanz einer einzelnen HF-Verstärkerbaugruppe XL annimmt. Dabei sollte der Reaktanzwert mindestens wenige zig Prozent der Ausgangsimpedanz einer Verstärkerbaugruppe betragen. Größere X-Werte der Induktivität L unterstützen einen besseren Entkopplungseffekt als ein kleiner X-Wert der Impedanz L.
-
Bedingt durch die Zwischenschaltung von L zwischen beide Ausgänge der Verstärkerbaugruppen reduziert oder verhindert das X der Induktivität L die gegenseitige Beeinflussung der beiden Verstärkerausgänge und damit auch die unerwünschte gegenseitige Rückkopplung auf deren Ansteuerschaltungen A und B. Ein definierter und stabiler Betrieb der beiden HF-Verstärkerbaugruppen ist bis in die volle Leistungsaussteuerung hin gewährleistet.
-
Ein weiterer Schritt hin zur Perfektionierung des Konzeptes ist in 9 dargestellt. Eine weitere positive Nutzung der Induktivität L kann durch eine kleine Änderung der Schaltung erzielt werden. Statt die Induktivität L zwischen den beiden Sekundärwicklungen der Transistoren TA und TB anzuordnen dimensioniert man die Induktivität in zwei Induktivitäten mit jeweils der Einzelinduktivität L/2 um. Das verbleibende L/2 gelangt in den Fußpunkt des Verstärkerausgangs nach Masse. Der Transformator TB wird ausgangsseitig statt auf Masse über L/2 gelegt. Dadurch wird eine verbesserte Symmetriewirkung (Baluneffekt mit Balun von balanced/unbalanced) des Transformators TB erreicht, denn der intrinsische Baluneffekt des Transformators durch Nutzung des sogenannten „induktiven Belages” durch die verwendeten Ferritkerne erhält eine weitere Verbesserung des Balunverhaltens.
-
Die Anzahl der derart in Serie geschalteten Verstärkerbaugruppen ist nicht auf zwei Stück limitiert. Die Begrenzung der Anzahl findet ein sinnvolles, praktisches Limit durch die Arbeitsfrequenz, die verwendeten Transformatoren und Leistungstransistoren sowie die Größenordnung der Induktivität L, denn der Wert X von L dividiert durch die Anzahl n der Verstärkerbaugruppen muss zur Erzielung einer ausreichenden Entkopplung immer eine signifikante Größenordnung in Relation zur Ausgangsimpedanz der einzelnen Verstärkerbaugruppe aufweisen.
