DE102013102552B3

DE102013102552B3 - Wellenleiter-Combiner

Info

Publication number: DE102013102552B3
Application number: DE201310102552
Authority: DE
Inventors: Helmut Piel; Sergei Kolesov
Original assignee: Cryoelectra GmbH
Current assignee: Cryoelectra GmbH
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-03-14

Abstract

Beschrieben wird ein Wellenleiter-Combiner, umfassend einen Wellenleiter und eine Vielzahl von symmetrischen Verstärkern, wobei jeder symmetrische Verstärker der Vielzahl von symmetrischen Verstärkern sein Ausgangssignal über nur jeweils ihm zugeordnete Einkopplungsmittel in den Wellenleiter einkoppelt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenz(HF)-Leistungs-Combiner, insbesondere Wellenleiter-Combiner, zur Kombination der Ausgangsleistung einer Vielzahl von symmetrischen Verstärkern.
Hintergrund der Erfindung
Die Beschleunigungsresonatoren (Cavities) von Teilchenbeschleunigern sind bestimmt durch die Bauart des Beschleunigers (Zyklotron, Linearbeschleuniger und Synchrotron) und durch die Art der zu beschleunigenden Teilchen. Allen Resonatoren ist gemeinsam, dass sie mit hohen HF-Leistungen versorgt werden müssen, um die nötigen Beschleunigungsfeldstärken und den gewünschten Energiegewinn der zu beschleunigenden Teilchen zu gewährleisten. Die in jüngster Zeit entwickelten LDMOS-Transisoren (z. B. der BLF578XR von NXP) ermöglichen eine Ausgangsleistung pro Transistor von ca. 500 bis 1000 W. Selbst in kleinen Protonen-Sektor-Zyklotrons werden bereits HF-Leistungen von deutlich mehr als 10 kW zum Betrieb des Beschleunigungsresonators benötigt. In großen Zyklotrons und in den Beschleunigungsresonatoren von Synchrotrons und Speicherringen werden HF-Leistungen von 100 kW und mehr gefordert. Die Ausgangsleistung von 100 und mehr elementaren Verstärkereinheiten (Amplifier Units) muss demnach zum Betrieb eines Resonators in HF-Combinern aufsummiert werden. Dies geschieht in HF-Leistungs-Combinern.
Die US 2011/0273228 A1 betrifft einen Leistungskombinierer/Teiler mit einem Wellenleiter, einer Vielzahl von Verstärkern, die an einer Tragstruktur angeordnet sind, und einer Vielzahl von Sonden, von denen jede ein erstes elektrisch mit einem Ausgang eines entsprechenden Verstärkers gekoppeltes Ende aufweist und ein zweites Ende, das von der Tragstruktur nach außen und in den Wellenleiter vorsteht.
Die FR 2948822 A1 beschreibt eine passive Vorrichtung zur Kopplung und Kombination zumindest zweier Radiofrequenzquellen. Die Vorrichtung umfasst einen Wellenleiter in Form eines zylindrischen Hohlkörpers, der an einem Ende durch eine Kurzschluss-Platte verschlossen ist.
Die JP 61018204 A beschreibt einen Wellenleiter, in den im Abstand einer Viertel Wellenlänge Ausgangssignale von Einheitsverstärkern eingekoppelt werden.
Zusammenfassung einiger beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung Wichtige Anforderungen an HF-Leistungs-Combiner sind:

1. Wirtschaftlichkeit (Investitions- und Betriebskosten)
2. Geringe Kombinationsverluste und damit hoher Wirkungsgrad
3. Kompakte Bauform
4. Leichte Austauschbarkeit der Basis-Verstärkereinheiten

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen HF-Leistungs-Combiner bereitzustellen, der einige oder alle dieser Anforderungen erfüllt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen ein Wellenleiter-Combiner, insbesondere für einen Betrieb im Frequenzbereich von 0,3 bis 3 GHz, umfassend einen Wellenleiter und eine Vielzahl von symmetrischen Verstärkern, wobei jeder symmetrische Verstärker der Vielzahl von symmetrischen Verstärkern sein Ausgangssignal über nur jeweils ihm zugeordnete Einkopplungsmittel in den Wellenleiter einkoppelt, wobei Module, die zumindest die Schaltungen der jeweiligen symmetrischen Verstärker umfassen, auf dem Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Module jeweils Kühleinrichtungen für zumindest einige Komponenten der symmetrischen Verstärker umfassen, und wobei die Kühleinrichtungen zwischen dem Wellenleiter und den Schaltungen angeordnet sind.
Die Einkopplungsmittel sind also insbesondere nur dem jeweiligen symmetrischen Verstärker, und keinem anderen der Vielzahl von symmetrischen Verstärkern zugeordnet. In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung findet die Einkopplung der Ausgangssignale der symmetrischen Verstärker in den Wellenleiter insbesondere ohne die Zwischenschaltung eines Koaxial-Combiners, der die Ausgangssignale von mehreren symmetrischen Verstärkern kombiniert und dann das kombinierte Signal in den Wellenleiter einkoppelt, statt. Durch die Elimination der Notwendigkeit von Koaxial-Combinern können die bei steigenden Frequenzen, insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 500 MHz, auftretenden Verluste in den Zuleitungskabeln zu den Koaxial-Combinern vermieden werden.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Einkopplungsmittel eine nur dem jeweiligen symmetrischen Verstärker zugeordnete Antenne, über die das Ausgangssignal des jeweiligen symmetrischen Verstärkers elektrisch in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Alternativ ist auch eine magnetische Einkopplung denkbar. Die Antenne ist beispielsweise mit einem Ende des Innenleiters eines Koaxialleiters verbunden, wobei das andere Ende des Innenleiters des Koaxialleiters mit einem Ausgang des symmetrischen Verstärkers oder einem Ausgang eines Zirkulators, dessen Eingang wiederum mit dem Ausgang des symmetrischen Verstärkers verbunden ist, verbunden ist.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung erfolgt an zumindest zwei Querschnitten des Wellenleiters eine Einkopplung, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Querschnitten jeweils einer Wellenlänge des Wellenleiters entspricht.
Die Eingangssignale der symmetrischen Verstärker, deren Ausgangsignale an den zumindest zwei Querschnitten eingekoppelt werden, weisen dann bevorzugt gleiche Phase auf.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung erfolgt an zumindest zwei Querschnitten des Wellenleiters eine Einkopplung, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Querschnitten jeweils einer halben Wellenlänge des Wellenleiters entspricht.
Die Eingangssignale der symmetrischen Verstärker, deren Ausgangsignale an den zumindest zwei Querschnitten eingekoppelt werden, weisen dann bevorzugt entgegengesetzte Phase auf.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden an einem Querschnitt des Wellenleiters die jeweiligen Ausgangssignale von zumindest zwei symmetrischen Verstärkern eingekoppelt.
Die Einkopplung der Ausgangssignale der zumindest zwei symmetrischen Verstärker kann dann beispielsweise auf der gleichen Seite des Wellenleiters erfolgen, oder auf unterschiedlichen Seiten des Wellenleiters.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden an einem Querschnitt des Wellenleiters die jeweiligen Ausgangssignale von zumindest vier symmetrischen Verstärkern eingekoppelt.
Die Einkopplung der Ausgangssignale von zumindest zwei der zumindest vier symmetrischen Verstärker erfolgt dann beispielsweise auf einer ersten Seite des Wellenleiters, und die Einkopplung der Ausgangssignale von zumindest zwei weiteren der zumindest vier symmetrischen Verstärker erfolgt dann beispielsweise auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des Wellenleiters.
Gemäß der Erfindung werden Module, die zumindest die Schaltungen der jeweiligen symmetrischen Verstärker umfassen, auf dem Wellenleiter angeordnet. Dies erlaubt zum einen eine kompakte Bauform des Wellenleiter-Combiners und ermöglicht zum anderen, dass die – gfs. über einen zwischengeschaltenen Zirkulator geführten – Ausgangssignale der symmetrischen Verstärker direkt in den Wellenleiter eingekoppelt werden können.
Die Module umfassen jeweils Kühleinrichtungen (z. B. Kühlkörper, die von einem Kühlmedium durchflossen sein können oder nicht) für zumindest einige Komponenten der symmetrischen Verstärker, und die Kühleinrichtungen sind zwischen dem Wellenleiter und den Schaltungen angeordnet.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Einkopplung elektrisch durch in den Wellenleiter hineinragende Antennen, die mit den jeweiligen symmetrischen Verstärkern verbunden sind, beispielsweise über jeweilige Koaxialleiter (z. B. ein Koaxialkabel). Beispielsweise ist eine Antenne mit einem Ende des Innenleiters eines Koaxialleiters verbunden, während das andere Ende mit dem Ausgang des zugehörigen symmetrischen Verstärkers oder mit dem Ausgang eines Zirkulators verbunden ist, dessen Eingang wiederum mit dem Ausgang des symmetrischen Verstärkers verbunden ist. Der symmetrische Verstärker, gfs. der Zirkulator, das Koaxialleiter und die Antenne bilden dann ein Modul, also eine bauliche Einheit. Die Antenne und beispielsweise zumindest ein Teil des Koaxialleiters ragen dann beispielsweise aus der Unterseite des Moduls heraus, um in den Wellenleiter hineinragen zu können. Die Antenne und beispielsweise zumindest ein Teil des Koaxialleiters werden dann beispielsweise durch eine Öffnung in der Kühleinrichtung und eine Öffnung in der Außenwand des Wellenleiters geführt, wenn das Modul auf dem Wellenleiter angeordnet wird.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der Wellenleiter ein länglicher metallischer Hohlkörper, insbesondere mit rechteckförmigem Querschnitt. Solche Wellenleiter werden üblicherweise auch als „zylindrische” Wellenleiter bezeichnet, auch wenn sie rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Zumindest ein Ende des Wellenleiters ist vorzugsweise zumindest teilweise offen, um eine Auskopplung des Ausgangssignals des Wellenleiter-Combiners zu ermöglichen. Der Wellenleiter kann beispielsweise vom Typ WR650 sein.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung umfasst zumindest einer der Verstärker (oder beispielsweise auch alle) eine Kombination von zwei Verstärkereinheiten unter Verwendung eines hybriden Splitters am Eingang der Kombination und eines hybriden Combiners am Ausgang der Kombination.
Zumindest eine (oder auch alle) der Verstärkereinheiten können beispielsweise einen Leistungstransistor mit Eingangs- und Ausgangs-Anpassungsnetzwerk umfassen.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung wird das Ausgangssignal zumindest eines der symmetrischen Verstärker über einen Zirkulator den Einkopplungsmitteln zugeführt. Wie erläutert kann der Ausgang des Zirkulators dabei über einen Koaxialleiter mit den Einkopplungsmitteln, beispielsweise einer Antenne, verbunden sein.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung wird das Ausgangssignal des Wellenleiter-Combiners mit dem Ausgangssignal eines im wesentlichen baugleichen zweiten Wellenleiter-Combiners über einen dritten Wellenleiter-Combiner kombiniert.
In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung sind der Wellenleiter-Combiner und die symmetrischen Verstärker in einem Schaltschrank untergebracht, und die symmetrischen Verstärker sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Wellenleiters angeordnet, so dass sie zu Wartungszwecken leicht zugänglich sind.
Die in dieser Spezifikation beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen auch in allen technisch möglichen und sinnvollen Kombinationen miteinander offenbart verstanden werden sein.
Weitere vorteilhafte beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden detaillierten Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, insbesondere in Verbindung mit den Figuren zu entnehmen.
Die der Anmeldung beiliegenden Figuren sollen jedoch nur dem Zwecke der Verdeutlichung, nicht aber zur Bestimmung des Schutzbereiches der Erfindung dienen. Die beiliegenden Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu und sollen lediglich das allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung beispielhaft widerspiegeln. Insbesondere sollen Merkmale, die in den Figuren enthalten sind, keineswegs als notwendiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung erachtet werden.
Verzeichnis der Figuren
1: Aufbau und Abmessungen des Zehnfach-Combiners für den Verstärker CRE312 mit einer Betriebsfrequenz von 72 MHz (λ/4 = 1,04 m)
2: Ansicht der Anordnung der 6 Stationen des Verstärkers CRE 312B von oben („begehbare Wagenradanordnung”). Die „Wagenradspeichen” sind die Zehnfach-Combiner der oberen 6 Sektionen. Man sieht außerdem auf den Kollektor des 6-fach-Combiners der oberen Sektionen in den 6 Stationen. Der Zweifach-Combiner am Ausgang des Verstärkers ist ebenfalls zu erkennen
3: Vertikaler Schnitt durch den Aufbau des Hochleistungs-Combiner-Systems entlang einer „Wagenradspeiche” mit der Anordnung der Stationen.
4: Vertikaler Schnitt durch den Aufbau des Combiner-Systems
5: Photographie des Sechsfach-Combiners mit einer Ausgangsleistung von 75 kW.
6: Photographie des Zweifach-Combiners mit einer Ausgangsleistung von 150 kW.
7: Ankopplung von koaxialen Combinern an das elektrische Feld eines Rechteckhohlleiters (zylindrischer Hohlleiter mit rechteckigem Querschnitt)
8: Seitenansicht der elektrischen Ankopplung von Koaxial-Combinern an einem Wellenleiter-Combiner.
9: Magnetische Einkopplung der Ausgangssignale der Koaxial-Combiner auf der Schmalseite eines rechteckigen Wellenleiter-Combiners
10: Querschnitt des erfindungsgemäßen Wellenleiter-Combiners für den Mikrowellenbereich mit optimierter Effizienz. Die Kreise (Bezugszeichen 102) im Bereich zwischen dem Kupferboden (Bezugszeichen 101) des symmetrischen Verstärkers und der Wand des rechteckförmigen Wellenleiter-Combiners im Zentrum der Figur ist ein wasserdurchflossener Wärmetauscher, welcher sowohl der Kühlung der Leistungs-Transistoren im symmetrischen Verstärker (kleines, kreuzschraffiertes Rechteck mit Bezugszeichen 103 im Querschnitt des jeweiligen sym. Verstärkers) als auch der Kühlung des Zirkulators am Ausgang des symmetrischen Verstärkers (großes, kreuzschraffiertes Rechteck mit Bezugszeichen 104) dient
11: Schematische Aufsicht auf zwei auf dem Wellenleiter montierte symmetrische Verstärker
12: Aufsicht und Seitenansicht der auf dem Rechteck-Hohlleiter WG6 (WR650, Breite: 6,5 Zoll, Höhe: 3,25 Zoll) beidseitig im Abstand von λg montierten symmetrischen 1,3 GHz-Verstärkermodule.
13: Frontansicht eines technisch realisierbaren Verstärkerschranks. Die symmetrischen 1,3 GHz-Verstärkermodule sind im Abstand von λg/2 auf beiden gegenüberliegenden Breitseiten eines Wellenleiters vom Typ WR650 montiert. Das Vorzeichen des Eingangssignals zu den individuellen symmetrischen Verstärkern wechselt entsprechend der Position auf dem Wellenleiter.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung
Es ist Stand der Technik, die erste Combiner-Stufe eines Verstärkers als Kombination zweier Verstärkereinheiten in einem symmetrischen Verstärker (Englisch: Balanced Amplifier) zu gestalten. Alle Cryoelectra Halbleiter HF-Verstärker bestehen aus Kombinationen von symmetrischen Verstärkern.
Eine wichtige Klasse von Teilchenbeschleunigern sind Zyklotrons. Die Betriebsfrequenz eines Sektor-Zyklotrons liegt mit etwa 72 MHz im VHF-Bereich. Hier ist der Transfer von Signalen über flexible Kabel noch mit nur sehr geringen Verlusten behaftet. Eine weitere Kombination der HF-Signale der Verstärkereinheiten ist daher in koaxialen Leistungs-Combinern sehr sinnvoll. Leistungs-Combiner im UHF-Bereich, z. B. für Synchrotrons, müssen allerdings, wie nachfolgend ausgeführt, wegen der Leitungsverluste in flexiblen Koaxialkabeln andere Methoden zur Leistungskombination verwenden.
Ein koaxialer Leistungs-Combiner besteht aus drei Sektionen. Die erste Sektion ist der Kollektor. In diesen Kollektor münden n Koaxialkabel mit einem Hochfrequenzsignal von z. B. 72 MHz. Der Wellenwiderstand dieser Kabel ist typischerweise 50 Ω. Jedes dieser Kabel sieht daher an diesem Kollektor einen Wellenwiderstand von 50/n Ω. Dieser Abschlusswiderstand muss nun wieder auf 50 Ω hoch transformiert werden. Dies geschieht über einen λ/4-Transformator. Der λ/4-Transformator ist ein Koaxialleiter der Länge λ/4 mit einem Wellenwiderstand von Wurzel (50/n × 50). Für n = 10 wäre dieser Wellenwiderstand also = 15,8 Ω.
Dies bedeutet, dass die n Eingangssignale in den Kollektor eine HF-Stehwelle in einem λ/4-Resonator erzeugen, der durch einen 50 Ω-Ausgang die Leistungssumme der n Eingangssignale weiterleitet.
1 zeigt einen Zehnfach-Combiner für eine Frequenz von 72 MHz, an dessen Ausgang ein bidirektionaler Richtkoppler angeflanscht ist, mit dem sowohl die Ausgangsleistung des Combiners gemessen wird, als auch die Stärke eines möglicherweise von den nachfolgenden Kombinationsstufen reflektierten Signals.
Nachfolgend wird zunächst der HF-Combiner des Cryoelectra Verstärkers CRE 312B beschrieben, der die Ausgangsleistung von 120 Verstärkermodule CRE 312B-1 zu einer Gesamtleistung von 150 kW summiert und für den Betrieb eines großen 250 MeV Protonen-Sektor-Zyklotrons bestimmt ist.
Die HF-Ausgangsleistungen von 1,25 kW der 10 Verstärkermodule einer Sektion des Verstärkers, der aus insgesamt 12 Sektionen aufgebaut ist, werden über den Zehnfach-Combiner aus 1 zu einer Ausgangsleistung von 12,5 kW zusammengeführt. Die Ausgangsleistungen von 6 Verstärkersektionen werden sodann über einen Sechsfach-Combiner zu einer Verstärkerhälfte mit einer Ausgangsleistung von nominell 75 kW zusammengeführt. Eine weitere Kombination der Ausgangsleistung der beiden Sechsfach-Combiner erfolgt über einen Zweifach-Combiner zu nominell 150 kW. Wie schon für die einzelnen Module beschrieben, sind auch die Ausgänge der einzelnen Verstärkersektionen, der Verstärkereinheiten und der Ausgang des gesamten Verstärkers jeweils mit bidirektionalen Richtkopplern zur Erfassung der Messdaten für die vom Ausgangsport des Combiner transferierte sowie die am Ausgangsport reflektierte HF-Leistung ausgerüstet.
Die 1 bis 6 zeigen den Aufbau der verschiedenen Elemente des Hochleistungs-Combiners von CRE 312, dessen Architektur die Anordnung der Stationen des Verstärkers festlegt.
Der Verstärker CRE 312B mit einer Arbeitsfrequenz von 72 MHz wird z. B. entscheidend durch die Arbeitsfrequenz des Verstärkers vorgegeben. Die große Länge der Combiner (λ/4 = 1,04 m), die durch die Wellenlänge der zu kombinierten HF-Wellen bestimmt wird, ist bestimmend für den Aufbau des Verstärkers, wie in 2 gezeigt.
Der raumgreifende und begehbare wagenradartige Aufbau hat den großen Vorteil, dass die Combiner-Architektur nicht die Rückseite der Stationsschränke (jeweils an den Enden der sechs Speichen) versperrt. Hierdurch wird ein Austausch defekter Module sehr erleichtert.
In Forschungslabors mit großen Teilchenbeschleunigern werden zunehmend große HF-Verstärker, die in Röhrentechnik gebaut sind, durch Verstärker in Transistortechnik ersetzt. Dies betrifft insbesondere Hochleistungsverstärker für die Booster-Synchrotrons und Speicherringe von ”Light Source” – Projekten im Frequenzbereich von 350 bzw. 500 MHz des UHF-Bandes.
Wegen der vorwiegend „linearen Aufstellungsart” der zu ersetzenden Röhrenverstärkerschränke wird man in diesem Frequenzbereich auch bei Halbleiterverstärkern zu einer (im Gegensatz zur Wagenradstruktur der 2) linearen Aufstellungsweise der Verstärkerschaltschränke kommen müssen. Diese Aufstellung hat unter anderem den großen Vorteil, dass die Verstärkereinheiten leicht zugänglich werden.
Die im Gegensatz zur Anordnung von reinen Koaxialresonator-Combinern sehr kompakte lineare Aufstellungsart wird durch die Verwendung von Wellenleiter-Combinern („Waveguide Combiner”) sehr erleichtert.
Wellenleiter-Combiner sind dem Fachmann in ihrem grundsätzlichen Aufbau seit langem bekannt, sie müssen allerdings an den gewählten Frequenzbereich und an die Herausforderung der Kombination sehr vieler Verstärkereinheiten angepasst werden.
Im UHF-Bereich ist es grundsätzlich zweckmäßig, die Ausgangsleistung der individuellen symmetrischen Verstärker zunächst in einem koaxialen Combiner, wie zuvor beschrieben, zu summieren und den Ausgang des koaxialen Combiners dann unmittelbar an einen Wellenleiter-Combiner anzuschließen.
Die 7 und 8 zeigen die Cryoelectra-Version der elektrischen Ankopplung von zwölf Koaxial-Combinern (in 7 sind davon lediglich die obersten beiden zu sehen, in 8 alle) an einen Wellenleiter-Combiner. Die Koaxial-Combiner bündeln dabei jeweils die Leistung von 12 symmetrischen Verstärkern, die den 7 und 8 jeweils schraffiert dargestellt sind (es sind jeweils nur die oberen sechs symmetrischen Verstärker zu sehen, auf der Unterseite sind allerdings nochmals sechs symmetrische Verstärker vorhanden). Die etwas dicker als die Eingänge der symmetrischen Verstärker gezeichneten Ausgänge der zwölf symmetrischem Verstärker werden jeweils mit einem Eingang eines der zwölf Koaxial-Combiner verbunden (dies ist lediglich in 8 für jeweils zwei symmetrische Verstärker schematisch dargestellt).
Der zylindrische Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt ist in der 7 von oben und in der 8 von der Seite gezeigt. Abweichend vom Stand der Technik geschieht die (elektrische) Einkopplung von beiden Seiten des Welleleiters her (durch Antennen). Der Abstand der Einkoppeltore beträgt dabei die Hälfte der Leiter-Wellenlänge λg/2, wie in 8 dargestellt ist. Die korrekte Phasenlage der eingekoppelten HF-Signale wird durch Phasenkorrektur der Eingangssignale in die entsprechenden symmetrischen Verstärker festgelegt.
Die gezeigte Anordnung zeigt ein sehr kompaktes Design eines Wellenleiter-Combiners, das so, nach Kenntnisstand der Anmelderin, bei Hochleistungs-Combinern noch nicht realisiert oder vorgeschlagen wurde.
Eine weitere Erhöhung der Kompaktheit des Wellenleiter-Combiner-Aufbaus wird durch eine zusätzliche magnetische Einkopplung der Ausgangssignale der Koaxial-Combiner auf den Schmalseiten des Wellenleiter-Combiners, wie in 9 gezeigt, möglich.
Die klassischen Betriebsfrequenzen für Elektronen-Linearbeschleuniger liegen mit 1,3 GHz für supraleitende Linearbeschleuniger und etwa 3 GHz für normalleitende Beschleuniger im Mikrowellenbereich. Hier ist der Transfer der Ausgangssignale der symmetrischen Verstärker über flexible Kabel, insbesondere im Vergleich zum VHF-Bereich, bereits mit deutlichen Verlusten behaftet.
Um dies zu vermeiden, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein neues HF-Leistungs-Kombinationsverfahren auf der Basis eines Wellenleiter-Combiners vorgeschlagen.
In dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Combiner werden, wie in der 10 (Sicht von oben in den Combiner hinein) gezeigt, symmetrische Verstärker mit ihren Kühlkörpern unmittelbar auf einem Wellenleiter angeordnet. Die Antennen der symmetrischen Verstärker sind hier als dreieckige Elemente dargestellt, die jeweils mit einem Ende eines Innenleiters eines Koaxialleiters (dessen Isolierung kreuzschraffiert (Bezugszeichen 105) und dessen Außenleiter einfach schraffiert (Bezugszeichen 106) dargestellt ist) verbunden sind. Das andere Ende der Koaxialleiter ist jeweils mit einem Zirkulator verbunden, der wiederum jeweils mit dem Ausgang eines symmetrischen Verstärkers verbunden ist. Der Außenleiter des Koaxialleiters ist beispielsweise jeweils an einem Ende mit einer Kupferplatte verlötet, die die Schaltung des jeweiligen symmetrischen Verstärkers und des (optionalen) Zirkulators trägt. Damit ergibt sich jeweils ein Modul aus symmetrischem Verstärker, Zirkulator, Kupferplatte, Koaxialleitung, Antenne, Gehäuse und Eingangsstecker wie in 10 gezeigt. Diese Module können leicht auf dem Wellenleiter oder auf einem dazwischen angeordneten Kühlkörper angeordnet werden. Die Struktur aus zumindest einem Teil des Koaxialleiters und der Antenne durchdringt dabei jeweils den Kühlkörper und die Wand des Wellenleiters. Dabei ist anzumerken, dass die Abmessungen der Antennen in der 10 etwas zu groß dargestellt sind. Die Antennenabmessungen sollten bevorzugt so gewählt werden, dass die Antenne durch die Öffnung der Wand des Wellenleiters und die Öffnungen des Kühlkörpers passt, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn das Modul mit dem symmetrischen Verstärker beispielsweise aufgrund eines Ausfalls eines der darin enthaltenen Leistungstransistoren ausgetauscht werden muss.
Die Antennen koppeln die Ausgangsleistung der symmetrischen Verstärker elektrisch in den Wellenleiter ein, wodurch dieser die Funktion eines Wellenleiter-Combiners erhält, er führt also die HF-Leistung und kombiniert gleichzeitig die Ausgangssignale mehrerer symmetrischer Verstärker. Die Einkopplung erfolgt jeweils an einem Wellenleiter-Combiner-Querschnitt, in dem die Amplitude des elektrischen Feld maximal ist. Der Abstand der Amplitudenmaxima ist λg/2, wobei λg die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes im Wellenleiter ist (λg = Leiterwellenlänge), λg ist bei einer Frequenz von 1,3 GHz und im Wellenleiter mit der Kodierung WR650 etwa 28 cm.
Montiert man die symmetrischen Verstärker im Abstand von λg zueinander, so wählt man die gleiche Phase des Einganssignals für jeden symmetrischen Verstärker. Man erhält dann die in 12 (seitliche Ansicht des Wellenleiter-Combiners) dargestellte Montageart auf dem zylindrischen Wellenleiter mit rechteckförmigem Querschnitt. Sowohl auf der Vorderseite als auch auf der Rückseite des Wellenleiter-Combiners sind hier jeweils Paare von zwei symmetrischen Verstärkern (Bezugszeichen 120) angeordnet, also insgesamt 16 symmetrische Verstärker, die über jeweilige Antennen in den Wellenleiter-Combiner einkoppeln.
Bei der in den 10 und 12 gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Wellenleiter-Combiners werden die Ausgangssignale der symmetrischen Verstärker also unmittelbar, insbesondere ohne dass die Ausgangssignale mehrerer symmetrischer Verstärker vorher in Koaxial-Combinern kombiniert würden, in den Wellenleiter-Combiner eingespeist. Dadurch kommen die flexiblen Kabel zur Führung der Ausgangssignale der symmetrischen Verstärker zu den Koaxial-Combinern vollständig in Wegfall und die Verluste können erheblich reduziert werden.
Der schematische Aufbau zweier symmetrischer Verstärker ist in 11 dargestellt. Jeder der beiden symmetrischen Verstärker enthält zwei Verstärkereinheiten (mit jeweils einem Leistungstransistor), die von zwei Hybriden (Splitter/Combiner) eingefasst sind zu Abgabe ihrer Leistung über einen Zirkulator und einen Koaxialleiter an die Einkoppelantenne, die in den Wellenleiter-Combiner ragt.
Das Ausgangssignal des symmetrischen Verstärkers kann bei Wahl der gegenwärtig leistungsfähigsten Transistoren bis zu 500 W betragen. Es wird unmittelbar (also insbesondere ohne einen Koaxialcombiner) mittels einer in den Wellenleiter ragenden Antenne dem elektromagnetischen Feld im Wellenleiter zugeführt.
Das summierte Ausgangssignal des in 12 gezeigten exemplarischen Verstärkers mit 16 symmetrischen Verstärkern (auf Vorder- und Rückseite des Wellenleiters montiert) beträgt unter Berücksichtigung der Dämpfung im Zirkulator jedes einzelnen Moduls ca. 7,2 kW. Eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung – bei leichzeitig kompakter Bauform – kann man jedoch durch eine Modifikation erreichen, die nachfolgend beschrieben wird.
Eine wesentlich höhere Leistungsdichte als im Aufbau nach 12 lässt sich in einem optimierten Verstärkeraufbau mit der Montage der symmetrischen Verstärker im Abstand von λg/2 (statt λg) erreichen.
Der in 13 gezeigte Aufbau eines erfindungsgemäßen Verstärkerschranks nutzt diese Variante.
Die Breite der gedruckten Schaltung eines symmetrischen Verstärkers für 1,3 GHz ist geringer als 12 cm. Daher ist es möglich, eine Montage der symmetrischen Verstärker in einem Abstand von λg/2 durchzuführen, was zu einer sehr kompakten Bauweise der Combiner-Anordnung führt.
Die Phase des Eingangssignals für jeden symmetrischen Verstärker muss hierbei jedoch mit der Phase des Wellenleiterfeldes übereinstimmen. Dies ist aber beispielsweise leicht durch die passende Modifikation der Kabellänge möglich, über die jeweils das Eingangssignal der symmetrischen Verstärker geführt wird.
Die beschriebene Bauweise erlaubt es, in einem üblichen Schaltschrank von 2020 cm Höhe und 120 cm Breite einen 1,3 GHz Verstärker mit einer Ausgangsleistung von 18 kW zu installieren. Zugleich ist es möglich, den HF-Teil des Verstärkers zusammen mit seinem AC/DC-Konverter von ca. 40 kW und der Verstärker-Kontrollelektronik zu montieren.
Der Verstärkeraufbau in 13 erfüllt in besonderer Weise die eingangs gestellten Anforderungen an einen Hochleistungs-Combiner für einen Hochleistungs-Verstärker, nämlich Wirtschaftlichkeit (geringe Investitions- und Betriebskosten), geringe Kombinationsverluste und damit hoher Wirkungsgrad, kompakte Bauform und leichte Austauschbarkeit der Basis-Verstärkereinheiten.
Verwendete Bezeichnungen

Leistungstransistor: Unipolarer oder bipolarer MOSFET
Verstärkereinheit (amplifier unit): Ein unipolarer oder bipolarer Leistungstransistor mit Eingangs und Ausgangs-Anpassungsnetzwerken.
Symmetrischer Verstärker: Kombination von 2 Verstärkereinheiten unter Verwendung eines hybriden Splitters am Eingang der Kombination und eines hybriden Combiners am Ausgang der Kombination.
Verstärkermodul: Kombination von k Verstärkereinheiten unter Verwendung von k-fach Splittern und k-fach Combinern vom Wilkinson- oder Hybrid-Typ.
Verstärkersektion: Kombination von m Verstärkermodulen mit einem m-fach Splitter am Eingang der Kombination und einem m-fach Combiner an ihrem Ausgang
Verstärker Abteilung: Gruppe von n Sektionen mit einem n-fach Splitter am Gruppeneingang und einem n-fach Combiner am Gruppenausgang.
Verstärker Sektoren: Der Verstärker ist in drei Sektoren geteilt, den Eingangssektor, den Verstärkungssektor und den Ausgangssektor.
Eingangssektor: Der Eingangssektor des Verstärkers enthält den Eingangsverstärker und eine Abfolge von m Eingangsstufen, wobei der Eingang jeder Eingangsstufe durch einen Signalteiler (Splitter) definiert ist. Dem Signalteiler einer Eingangsstufe ist der Kollektor des entsprechenden Combiners zugeordnet
Ausgangssektor: Der Ausgangssektor des Verstärkers enthält eine Abfolge von m Combinerstufen, wobei der Eingang jeder Combinerstufe durch den Kollektor eines Combiners definiert ist. Der Kollektor des Combiners ist dem Ausgang des ihm entsprechenden Signalteilers zugeordnet.
Leistungssektor: Im Leistungssektor werden die N Teilsignale, die im Eingangssektor erzeugt wurden in N Leistungstransistoren auf ihre Sollleistung verstärkt und an die Combiner im Ausgangssektor des Verstärkers weitergeleitet
Teilsignal: In der Eingangsstufe wird das Eingangssignal in insgesamt N Teilsignale geteilt. Die Zahl N ist die Zahl der Leistungstransistoren, die benötigt wird, um die geforderte Ausgangsleistung des Verstärkers zu erzielen.

Claims

Wellenleiter-Combiner, insbesondere für einen Betrieb im Frequenzbereich von 0,3 bis 3 GHz, umfassend: – einen Wellenleiter, und – eine Vielzahl von symmetrischen Verstärkern, wobei jeder symmetrische Verstärker der Vielzahl von symmetrischen Verstärkern sein Ausgangssignal über nur jeweils ihm zugeordnete Einkopplungsmittel in den Wellenleiter einkoppelt, wobei Module, die zumindest die Schaltungen der jeweiligen symmetrischen Verstärker umfassen, auf dem Wellenleiter angeordnet sind, wobei die Module jeweils Kühleinrichtungen für zumindest einige Komponenten der symmetrischen Verstärker umfassen, und wobei die Kühleinrichtungen zwischen dem Wellenleiter und den Schaltungen angeordnet sind.
Wellenleiter-Combiner nach Anspruch 1, wobei die Einkopplungsmittel eine nur dem jeweiligen symmetrischen Verstärker zugeordnete Antenne umfassen, über die das Ausgangssignal des jeweiligen symmetrischen Verstärkers elektrisch in den Wellenleiter eingekoppelt wird.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–2, wobei an zumindest zwei Querschnitten des Wellenleiters eine Einkopplung erfolgt, und wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Querschnitten jeweils einer Wellenlänge des Wellenleiters entspricht.
Wellenleiter-Combiner nach Anspruch 3, wobei die Eingangssignale der symmetrischen Verstärker, deren Ausgangsignale an den zumindest zwei Querschnitten eingekoppelt werden, gleiche Phase aufweisen.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–2, wobei an zumindest zwei Querschnitten des Wellenleiters eine Einkopplung erfolgt, und wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Querschnitten jeweils einer halben Wellenlänge des Wellenleiters entspricht.
Wellenleiter-Combiner nach Anspruch 5, wobei die Eingangssignale der symmetrischen Verstärker, deren Ausgangsignale an den zumindest zwei Querschnitten eingekoppelt werden, entgegengesetzte Phase aufweisen.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Wellenleiter ein Wellenleiter ein länglicher metallischer Hohlkörper, insbesondere mit rechteckförmigem Querschnitt, ist.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–7, wobei zumindest einer der symmetrischen Verstärker eine Kombination von zwei Verstärkereinheiten unter Verwendung eines hybriden Splitters am Eingang der Kombination und eines hybriden Combiners am Ausgang der Kombination umfassen.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Ausgangssignal zumindest eines der symmetrischen Verstärker über einen Zirkulator den Einkopplungsmitteln zugeführt wird.
Wellenleiter-Combiner nach einem der Ansprüche 1–9, wobei der Wellenleiter-Combiner und die symmetrischen Verstärker in einem Schaltschrank untergebracht sind, und wobei die symmetrischen Verstärker auf unterschiedlichen Seiten des Wellenleiters angeordnet sind, so dass sie zu Wartungszwecken leicht zugänglich sind.