-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung für einen Teilchenbeschleuniger mit einer Schaltanordnung mit einem Signaleingang und einem Signalausgang, welche dazu ausgebildet ist, im Betrieb ein an dem Eingang anliegendes hochfrequentes Eingangssignal kleiner Eingangsleistung zu verstärken und an dem Ausgang im CW(Continuous Wave)-Betrieb ein kontinuierliches Ausgangssignal mit im Vergleich zu der Eingangsleistung größerer Ausgangsleistung bereitzustellen.
-
Zur Erzeugung hochfrequenter Signale in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1 GHz und einer Ausgangsleistung von etwa 100 W bis 1 kW werden spezielle Hochfrequenz-Leistungstransistoren eingesetzt. In der Regel werden hierzu Silizium-MOSFETs als Hochfrequenz-Transistoren verwendet. Sie werden beispielsweise in Teilchenbeschleunigern genutzt. Beim kontinuierlichen Betrieb (so genannter Continuous Wave(CW)-Betrieb) entstehen große Verlustleistungen. Die Verlustleistung wird über eine Wärmesenke, zum Beispiel einen Kühlkörper, abgeführt, welcher mit dem Hochfrequenz-Leistungstransistor wärmeleitend verbunden ist. Das Abführen der Verlustleistung über die Wärmesenke ist möglich, weil derartige Hochfrequenz-Leistungstransistoren eine verhältnismäßig große aktive Chipfläche von in der Regel mehr als 50 mm2 aufweisen. Ein Nachteil dieser Hochfrequenz-Leistungstransistoren ist, dass diese sehr teuer sind.
-
Die
US 2012/0229217 A1 offenbart einen Hochfrequenzleistungsverstärker für Mobilfunkgeräte, der ein hochfrequentes Eingangssignal kleiner Leistung verstärkt und an einem Signalausgang als kontinuierliches Signal ausgibt. Um mehrere Leistungsmodi realisieren zu können sind, sind für jeden Leistungsmodus jeweilige, unterschiedlich große Schalttransistoren vorgesehen. Durch eine Steuervorrichtung werden die Schalttransistoren zeitlich versetzt als Pulsverstärker angesteuert, so dass die zeitlich hintereinander erzeugten Pulse ein kontinuierliches Signal ergeben.
-
Die
US 2003/0071731 A1 offenbart einen Verstärker für RFID-Anwendungen zum Erzeugen eines amplitudenmodulierten HF-Signals. Die Vorrichtung umfasst hierzu einen Klasse-E-Verstärker, überwindet jedoch typischerweise in einem solchen Verstärker vorhandene Bandbreiten- und andere Beschränkungen.
-
Die
US 4918401 A offenbart eine stufenweise einstellbare Kettenleiteranordnung bestehend aus Verzögerungsgliedern und einer Anzahl gesteuerter Quellen, einem Signal-Eingang und einem Signal-Ausgang nach Art eines Kettenverstärkers. Die gesteuerten Quellen sind wahlweise zu- und abschaltbar. Als gesteuerte Quellen werden Dual-Gate-FET verwendet, deren erstes Gate jeweils über Verzögerungsglieder an der Eingangs-Signalspannung liegt und deren zweites Gate jeweils an geeigneten Gleichspannungen zum Zu- oder Abschalten der jeweiligen FET anliegt.
-
Die
US 2006/0038710 A1 offenbart eine Leistungsverstärkervorrichtung, deren inaktive Verstärkervorrichtungen in einen Kurzschlusszustand versetzt werden können, wobei diese jeweils eine Komponente mit einer Schaltfunktion aufweisen und diese Schaltfunktion durch eine Ansteuerung der in den Verstärkervorrichtungen enthaltenen Schalttransistoren erzeugt wird. Die Verstärkervorrichtungen umfassen zwei als Halbbrücke verschaltete Schalttransistoren, wobei die Halbbrücke zwischen einer Versorgungsspannung und einem Bezugspotential verschaltet ist. Die Verstärkervorrichtungen umfassen eine Ansteuervorrichtung, die während einer aktiven Phase der Verstärkervorrichtung einen Schaltransistor verstärkend betreibbar macht, wobei der Schalttransistor verstärkend arbeitet, und während einer passiven Phase der Verstärkervorrichtung den Schaltransistor gegen ein Bezugspotential kurzschließt, wobei der Schalttransistor hochohmig ist.
-
Die
US 7 135 919 B2 offenbart eine Vorrichtung zur Leistungsverstärkung mit parallelen Verstärkern, deren Ausgänge über eine Viertelwellenlängenleitung miteinander verbunden sind.
-
Die
US 4495622 A offenbart eine Vorrichtung mit mehreren Verstärkern und zugeordneten Schaltkreisen sowie ein System zur Ansteuerung und Auswahl eines der Schaltkreise.
-
Die
JP 2002064339 A offenbart einen Hochfrequenzleistungsverstärker mit zwei parallelgeschalteten Schalttransistoren, die zeitversetzt ein- oder ausgeschaltet werden.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung für einen Teilchenbeschleuniger mit einer Schaltanordnung anzugeben, welche baulich und/oder funktional derart verbessert ist, dass diese mit geringeren Kosten bereitstellbar ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
-
Es wird eine Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung für einen Teilchenbeschleuniger mit einer Schaltanordnung vorgeschlagen. Die Schaltanordnung umfasst einen Signaleingang und einen Signalausgang und ist dazu ausgebildet, im Betrieb ein an dem Signaleingang anliegendes hochfrequentes Eingangssignal kleiner Eingangsleistung zu verstärken und an dem Ausgang im CW-Betrieb ein kontinuierliches Ausgangssignal mit im Vergleich zu der Eingangsleistung größerer Ausgangsleistung bereitzustellen.
-
Die Schaltanordnung umfasst zumindest zwei Verstärkervorrichtungen, wobei ein jeweiliger Ausgang der zumindest zwei Verstärkervorrichtungen mit dem Ausgang der Schaltanordnung verbunden ist. Jede der Verstärkervorrichtungen umfasst jeweils zumindest einen Schalttransistor, wobei die Schalttransistoren bauartbedingt (bei den bei der Hochfrequenzleistungsverstärkung geforderten Frequenzen und Leistungen) nicht zerstörungsfrei im CW-Betrieb betreibbar sind. Die zumindest zwei Verstärkervorrichtungen sind durch eine Steuervorrichtung zyklisch mit einem sinusförmigen Signal mit konstanter Amplitude als Pulsverstärker derart ansteuerbar, dass die an den Ausgängen der zumindest zwei Verstärkervorrichtungen zeitlich hintereinander erzeugten Pulse an dem Ausgang ein CW-Signal, d. h. ein kontinuierliches Signal, ergeben.
-
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung kostengünstigerer Schalttransistoren, die nicht für eine Hochfrequenzleistungsverstärkung (HF-Leistungsverstärkung) konzipiert sind. Unter einer HF-Leistungsverstärkung wird eine Verstärkung im Frequenzbereich von 1 MHz bis 1 GHz bei einer Ausgangsleistung von etwa 100 W bis 1 kW verstanden. Wenn in der nachfolgenden Beschreibung von einer hohen Ausgangsleistung die Rede ist, so sind hierunter Ausgangsleistungen im Bereich von etwa 100 W bis 1 kW zu verstehen.
-
Solche an sich nicht für eine HF-Leistungsverstärkung gedachten Schalttransistoren, wie z. B. SiC- oder GaN-Transistoren, werden z. B. in Schaltnetzteilen eingesetzt. Sie können jedoch grundsätzlich auch zum Verstärken von Hochfrequenzsignalen bis zu einem Frequenzbereich von etwa 500 MHz eingesetzt werden. Da die aktive Chipfläche derartiger Schalttransistoren klein ist, führt dies zu einer sehr großen Leistungsdichte. In Schaltnetzteilanwendungen können die Schalttransistoren mit geringer Verlustleistung betrieben werden, weil die Schaltfrequenz so niedrig ist, dass der Wirkungsgrad sehr groß werden kann. Bei der Verwendung solcher Schalttransistoren als Hochfrequenzverstärker ist jedoch kein CW-Betrieb mehr möglich. Dies resultiert daraus, dass der Wirkungsgrad mit größer werdenden Frequenzen immer kleiner wird und damit die Verlustleistung ansteigt. Aufgrund der kleinen aktiven Chipfläche ist eine Wärmeabfuhr über Kühlkörper im CW-Betrieb wegen des thermischen Widerstands nicht sinnvoll möglich.
-
Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass ein Hochfrequenzleistungsverstärker auch mit solchen Schalttransistoren realisierbar ist, welche an sich nicht für eine HF-Verstärkung im CW-Betrieb mit hohen Ausgangsleistungen verwendbar sind, wenn diese nicht im CW-Betrieb, sondern im Pulsbetrieb betrieben werden. Hierzu wird die Schaltanordnung (d. h. die die Verstärkung realisierende Komponente) im Gegensatz zu einem herkömmlichen HF-Leistungsverstärker nicht mit einem einzelnen HF-Leistungstransistor realisiert, sondern mit einer Mehrzahl an Verstärkervorrichtungen, von denen jede zumindest einen an sich nicht für den CW-Betrieb geeigneten Schalttransistor aufweist. Durch das gezielte sequentielle Ansteuern der Mehrzahl an Verstärkervorrichtungen können dann zeitlich hintereinander folgende einzelne, verstärkte Pulse der geforderten hohen Ausgangsleistung erzeugt werden, die dann am Ausgang der Schaltanordnung das erwünschte kontinuierliche (CW) Signal ergeben.
-
Aus dieser Beschreibung ist, ersichtlich, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt im Regelfall nur eine Verstärkervorrichtung aktiv und die übrigen Verstärkervorrichtungen passiv (d. h. nicht aktiv) sind. Ist eine Verstärkervorrichtung aktiv, so verstärkt diese das an ihrem Eingang anliegende Signal. Ist eine Verstärkervorrichtung passiv, so findet keine Verstärkung statt.
-
Die Ansteuerung der Verstärkervorrichtungen kann derart erfolgen, dass zum Zeitpunkt des Endes einer aktiven Verstärkervorrichtung diese Verstärkervorrichtung passiv und im gleichen Moment eine andere Verstärkervorrichtung aktiv wird. Die Ansteuerung der Verstärkervorrichtungen kann derart erfolgen, dass zwischen dem Zeitpunkt des Endes einer aktiven Verstärkervorrichtung und dem Beginn der Aktivität einer anderen Verstärkervorrichtung ein kleiner Zeitraum besteht. Die Ansteuerung der Verstärkervorrichtungen kann derart erfolgen, dass der Zeitpunkt des Endes einer aktiven Verstärkervorrichtung zeitlich nach dem Beginn der Aktivität einer anderen Verstärkervorrichtung liegt. Dies ist ein überlappender Betrieb, welcher gegenüber den beiden anderen Varianten mit größeren Verlusten verbunden ist.
-
Die Ausgänge der Verstärkervorrichtungen können in einer Ausgestaltung jeweils über eine λ/4-Leitung mit dem Ausgang der Schaltanordnung verbunden sein. Eine λ/4-Leitung weist eine Leitungslänge auf, die ein Viertel der Wellenlänge des übertragenen Signals lang ist. Die λ/4-Leitung ermöglicht eine Isolierung der aktiven Verstärkervorrichtung von den, während der kurzen Zeitspanne, passiven Verstärkervorrichtungen.
-
Die zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht aktiven Verstärkervorrichtungen können in einer Ausgestaltung in einen Zustand versetzbar sein, dass diese einen Kurzschluss darstellen, wobei wahlweise die Verstärkervorrichtungen eine Komponente mit einer Schaltfunktion aufweisen oder die Verstärkervorrichtungen jeweils mit einer externen Komponente mit einer Schaltfunktion gekoppelt sind. Der Kurzschluss wird über die angeschlossene Leitung in eine hochohmige Impedanz gewandelt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Verstärkervorrichtung, die während einer kurzen Zeitspanne aktiv ist, ihre Leistung nur an eine mit dem Ausgang der Schaltanordnung verbundene Last abgibt.
-
Der Kurzschluss zu einem Bezugspotential kann durch die Ansteuerung der in den Verstärkervorrichtungen enthaltenen Schalttransistoren erzeugbar sein, wodurch der Ausgang der zu einem gegebenen Zeitpunkt nicht aktiven Verstärkervorrichtungen mit dem Bezugspotential verbunden ist. In dieser Variante ist die Komponente mit Schaltfunktion durch den zumindest einen Schalttransistor der Verstärkervorrichtung gebildet. Diese Variante ermöglicht einen einfachen Aufbau der Verstärkervorrichtung.
-
Die zumindest eine Verstärkervorrichtung kann in einer Ausgestaltung einen einzigen Schalttransistor aufweisen, dessen über eine erste Spule mit einer Versorgungsspannung gekoppelter Hauptanschluss über einen ersten Kondensator mit einem Knotenpunkt einer Serienschaltung aus einer zweiten Spule und einer Diode verbunden ist, wobei der Knotenpunkt über einen zweiten Kondensator mit dem Ausgang der Verstärkervorrichtung verbunden ist und die Serienschaltung zwischen einer steuerbaren Ansteuerspannung und dem Bezugspotential verschaltet ist, wobei durch die Steuerung der Ansteuerspannung ein Kurzschluss über die Diode herstellbar ist. Die Diode kann eine PIN-Diode sein. Der Kurzschluss wird in dieser Variante über eine andere Komponente der Verstärkervorrichtung mit Schaltfunktion hergestellt. Diese Ausgestaltung ist von Vorteil, wenn die Versorgungsspannung des Schalttransistors während der Kurzschlussphase des Schalttransistors abgeschaltet werden müsste, um einen gleichstrommäßigen Kurzschluss der Versorgungsspannung zu verhindern. Das Abschalten müsste beim Fehlen der Diode über ein zusätzliches Schaltelement erfolgen, was beim Vorsehen der Diode entbehrlich ist.
-
Die zumindest eine Verstärkervorrichtung kann in einer Ausgestaltung zwei als Halbbrücke verschaltete Schalttransistoren und eine Ansteuerschaltung aufweisen, wobei die Halbbrücke zwischen einer Versorgungsspannung und dem Bezugspotential verschaltet ist, wobei durch die Ansteuerschaltung während der aktiven Phase der Verstärkervorrichtung der mit Versorgungsspannung verbundene Schalttransistor verstärkend betreibbar ist und während der passiven Phase der Verstärkervorrichtung der Schalttransistor einen Kurzschluss darstellt. In dieser Ausgestaltung ist das Vorsehen der oben genannten Diode zur Ausbildung des Kurzschlusses nicht erforderlich.
-
Ein Teil des am Eingang der Verstärkervorrichtung anliegenden Hochfrequenzsignals kann bei dieser Ausgestaltungsvariante gleichgerichtet werden, um den mit der Versorgungsspannung verbundenen Schalttransistor während der aktiven Phase mit einer vorgegebenen Spannung anzusteuern.
-
Weiter kann vorgesehen sein, dass durch die Ansteuerschaltung der mit dem Bezugspotential verbundene Schalttransistor der Halbbrücke während der aktiven Phase der Verstärkervorrichtung verstärkend arbeitet und während der passiven Phase hochohmig ist. Im nicht aktiven Betrieb wird dadurch ein Kurzschließen der Versorgungsspannung vermieden, obwohl der mit der Versorgungsspannung verbundene Schalttransistor einen Kurzschluss darstellt.
-
In einer anderen Ausgestaltung können die Ausgänge der Verstärkervorrichtungen mit einem steuerbaren Schaltelement verbunden sein, welche die Ausgänge mit einem Bezugspotential verbinden. Das steuerbare Schaltelement kann innerhalb der Verstärkervorrichtung angeordnet sein. Das steuerbare Schaltelement kann auch ein bezüglich der Verstärkervorrichtung externes Bauteil sein.
-
In einer anderen Ausgestaltung kann zwischen den Ausgängen der Verstärkervorrichtungen und dem Ausgang der Schaltanordnung ein jeweiliges steuerbares Schaltelement angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung ist keine λ/4-Leitung erforderlich.
-
Die Schalttransistoren können GaN oder SiC-Transistoren sein. Da diese in großen Stückzahlen hergestellt werden, sind sie zu wesentlich geringen Kosten verfügbar als die herkömmlich für HF-Leistungsverstärker eingesetzten Silizium-MOSFETs. Die Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung lässt sich dadurch mit wesentlich geringeren Kosten bereitstellen. Schalttransistoren aus GaN oder SiC weisen, je nach Hersteller und Ausführung, eine Stromdichte zwischen 4 A/mm2 und 8 A/mm2 auf. Die Stromdichte eines herkömmlichen für HF-Leistungsverstärker eingesetzten Silizium-MOSFETs beträgt demgegenüber etwa 0,5 A/mm2 bis 2 A/mm2.
-
Für die oben beschriebene Vorrichtung können die Schalttransistoren selbstleitend oder selbstsperrend sein.
-
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung mit einer, mehrere Verstärkervorrichtungen umfassenden, Schaltanordnung,
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstärkervorrichtung, wie diese in der in 1 gezeigten Vorrichtung eingesetzt werden kann, und
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verstärkervorrichtung, wie diese in der in 1 gezeigten Vorrichtung eingesetzt werden kann.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Hochfrequenzleistungsverstärkung, welche nachfolgend als HF-Leistungsverstärker bezeichnet wird. Die Schaltanordnung SA ermöglicht die Verstärkung eines hochfrequenten Eingangssignals. Der HF-Leistungsverstärker kann z. B. in einem Teilchenbeschleuniger oder einem VHF- oder UHF-Sender eingesetzt werden. Der HF-Leistungsverstärker umfasst eine Schaltanordnung SA und eine Steuervorrichtung STG, welche der Schaltanordnung ein „Eingangssignal” zuführt.
-
Die Schaltanordnung SA umfasst eine Mehrzahl an n Verstärkervorrichtungen V1, V2, ..., Vn (allgemein: Vi, wobei i = 1 ... n). Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch drei Verstärkervorrichtungen dargestellt. Die Anzahl n bemisst sich nach den technischen Daten der in den Verstärkervorrichtungen Vi verwendeten Schalttransistoren, der Arbeitsfrequenz, dem erzielbaren Wirkungsgrad und der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Die Anzahl n ist in jedem Fall mindestens „2”.
-
Ein jeweiliger Ausgang Ai (i = 1 ... n) der Verstärkervorrichtungen Vi ist über eine jeweilige Leitung Li (i = 1 ... n) mit einem Ausgang A der Schaltanordnung SA verbunden. An den Ausgang A ist eine nicht dargestellte Last angeschlossen. Die Leitungen Li sind jeweils λ/4-Leitungen, d. h. deren Länge entspricht einem Viertel der Wellenlänge des über die betreffende Leitung übertragenen Signals. Jeder Ausgang Ai der Verstärkervorrichtungen Vi ist zudem über ein steuerbares Schaltelement Si (i = 1 ... n) mit einem Bezugspotential (z. B. einem Massepotential) verbindbar. Die Steuerung der Schaltstellung (offen oder geschlossen bzw. sperrend oder leitend) der Schaltelemente Si erfolgt mittels der Steuervorrichtung STG.
-
Es wird an dieser Stelle bereits angemerkt, dass die Schaltelemente Si nicht außerhalb der Verstärkervorrichtungen Vi angeordnet sein müssen. Die Schaltelemente Si können jedoch – wie in 1 gezeigt – außerhalb der Verstärkervorrichtungen Vi angeordnet sein. Alternativ können die Schaltelemente Si auch direkt in den Leitungen Li angeordnet sein und die Leitungen Li in geöffneter Stellung auftrennen. Die Leitungen Li müssen in diesem Fall keine λ/4-Leitungen sein. Die Leitungen Li sollten in diesem Fall sehr kurz sein.
-
Jede der Verstärkervorrichtungen Vi umfasst jeweils zumindest einen (in 1 nicht dargestellten) Schalttransistor, wobei die Schalttransistoren bauartbedingt bei den bei der HF-Leistungsverstärkung geforderten Frequenzen (30 MHz bis 1 Ghz) und Leistungen (etwa 1 kW) nicht zerstörungsfrei im kontinuierlichen Betrieb betreibbar sind. Ein kontinuierlicher Betrieb wird auch als CW(Continuous Wave)-Betrieb bezeichnet. Als Schalttransistoren in den Verstärkervorrichtungen Vi werden z. B. GaN(Gallium-Nitrid)- oder Sic(Silizium-Carbid)-Transistoren verwendet.
-
GaN- und SiC-Transistoren werden heutzutage als Schalttransistoren in Schaltnetzteilen eingesetzt. In Schaltnetzteilanwendungen können die Schalttransistoren mit geringer Verlustleistung betrieben werden. Sie können jedoch grundsätzlich auch zum Verstärken von Hochfrequenzsignalen bis zu einem Frequenzbereich von etwa 500 MHz eingesetzt werden. Da die aktive Chipfläche derartiger Schalttransistoren klein ist, führt dies im geforderten Leistungsbereich zu einer sehr großen Leistungsdichte.
-
Ein bekannter SiC-Transistor der Fa. Infineon weist z. B. eine Chipfläche von 9 mm2, bei einem Strom Idss = 50 A und einer maximalen Drain-Spannung Ud, max = 1.700 V auf. Hieraus ergibt sich eine Stromdichte von 5,6 A/mm2. Ein bekannter GaN-Transistor der Fa. EPC weist z. B. eine Chipfläche von 2 mm2, bei einem Strom Idss = 15 A und einer maximalen Drain-Spannung Ud, max = 200 V auf. Hieraus ergibt sich eine Stromdichte von 7,5 A/mm2.
-
Zum Vergleich weist demgegenüber ein beispielhafter, herkömmlicher Si-MOSFET der Fa. Freescale, der für eine HF-Leistungsverstärkung konzipiert ist, folgende Kenndaten auf: Chipfläche von 80 mm2, bei einem Strom Idss = 80 A und einer maximalen Drain-Spannung Ud, max = 125 V auf. Hieraus ergibt sich eine Stromdichte von 1 A/mm2.
-
Bei der Verwendung von GaN- oder SiC-Transistoren in einem HF-Leistungsverstärker ist somit kein CW-Betrieb der Transistoren möglich. Dies resultiert daraus, dass der Wirkungsgrad der GaN- oder SiC-Transistoren mit größer werdenden Frequenzen immer kleiner wird und damit die Verlustleistung ansteigt. Aufgrund der kleinen aktiven Chipfläche ist eine Wärmeabfuhr über einen Kühlkörper im CW-Betrieb wegen des thermischen Widerstands nicht sinnvoll möglich, was die grundsätzliche Nicht-Eignung die Transistoren für eine HF-Leistungsverstärkung erklärt.
-
Da es mit einem einzigen dieser Schalttransistoren nicht möglich ist, CW-Signale großer Leistung im Bereich von etwa 100 W bis 1 kW zu erzeugen, werden die Verstärkervorrichtungen Vi zeitlich versetzt nicht als CW-Verstärker, sondern als Pulsverstärker betrieben. Die zeitliche Steuerung der Verstärkervorrichtungen Vi erfolgt mithilfe der Steuervorrichtung STG. Die Steuervorrichtung STG ist zu diesem Zweck mit jeweiligen Eingängen Ei (i = 1 ... n) der Verstärkervorrichtungen Vi verbunden, denen jeweils zu vorgegebenen Zeitpunkten t0 bis t3 ein hochfrequentes Eingangssignal Sig1, ..., Sign zugeführt wird, das dann durch die betreffenden Verstärkervorrichtung Vi verstärkt wird. Die Gesamtheit der Eingänge Ei der Verstärkervorrichtungen Vi stellt einen Eingang der Schaltanordnung SA dar. Die durch die Verstärkervorrichtungen Vi verstärkten Pulse ergeben hintereinander gesetzt an dem Ausgang A das erwünschte CW-Signal für die Last.
-
Der durch die Steuervorrichtung STG ausgeführte „Steuermechanismus” ist ebenfalls in 1 dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 wird dem Eingang E1 der Verstärkervorrichtung V1 als Eingangssignal Sig1 ein Signalpuls (Puls) der Zeitdauer Δt1 zugeführt. Der Puls hat eine Dauer von Δt1 = t2 – t1. Während dieser Zeitdauer Δt1 wird die Verstärkervorrichtung V1 aktiv geschaltet, so dass der durch Sig1 repräsentierte Puls durch die Verstärkervorrichtung V1 verstärkt und am Ausgang A1 ausgegeben wird. Der verstärkte Puls liegt dann auch am Ausgang A der Schaltanordnung SA an. Zum Zeitpunkt t1 wird die Verstärkervorrichtung V1 passiv geschaltet, so dass diese nicht mehr verstärkt bzw. verstärken kann.
-
Zum Zeitpunkt t1 wird dem Eingang E2 der Verstärkervorrichtung V2 als Eingangssignal Sig2 ein Signalpuls (Puls) der Zeitdauer Δt2 zugeführt. Der Puls hat eine Dauer von Δt2 = t3 – t2. Während dieser Zeitdauer Δt1 wird die Verstärkervorrichtung V2 aktiv geschaltet, so dass der durch Sig2 repräsentierte Puls durch die Verstärkervorrichtung V2 verstärkt und am Ausgang A2 ausgegeben wird. Der verstärkte Puls liegt dann auch am Ausgang A der Schaltanordnung SA an. Zum Zeitpunkt t2 wird die Verstärkervorrichtung V2 passiv geschaltet, so dass diese nicht mehr verstärkt bzw. verstärken kann.
-
Dieses Vorgehen wird in entsprechender Weise auch für die n-te Verstärkervorrichtung Vn wiederholt: Zum Zeitpunkt tn-1 (hier: t2) wird dem Eingang En der Verstärkervorrichtung Vn als Eingangssignal Sign ein Signalpuls (Puls) der Zeitdauer Δtn zugeführt. Der Puls hat eine Dauer von Δtn = tn – tn-1. Während dieser Zeitdauer Δtn wird die Verstärkervorrichtung Vn aktiv geschaltet, so dass der durch Sign repräsentierte Puls durch die Verstärkervorrichtung Vn verstärkt und am Ausgang An ausgegeben wird. Der verstärkte Puls liegt dann auch am Ausgang A der Schaltanordnung SA an. Zum Zeitpunkt tn wird die Verstärkervorrichtung V2 passiv geschaltet, so dass diese nicht mehr verstärkt bzw. verstärken kann.
-
Im Folgenden wird das beschriebene Vorgehen dann wieder mit der Verstärkervorrichtung V1 durchgeführt. Die durch die Verstärkervorrichtungen Vi verstärkten Pulse ergeben hintereinander gesetzt an dem Ausgang A das erwünschte CW-Signal für die Last.
-
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist zu jedem gegebenen Zeitpunkt immer nur eine Verstärkervorrichtung Vi aktiv. Die anderen werden durch die Steuervorrichtung STG passiv, d. h. nicht verstärkend, geschaltet. Grundsätzlich ist auch ein Betrieb möglich, in dem zwei Verstärkervorrichtungen zeitlich überlappend betrieben werden. Dies ist jedoch mit gewissen Verlusten verbunden. Es ist in einer weiteren Alternative auch denkbar, dass im Übergang zwischen zwei aktiven Verstärkervorrichtungen auch eine kurze zeitliche Lücke gegeben ist, in der keine der Verstärkervorrichtungen Vi aktiv ist.
-
Die Pulsdauern Δt1, Δt2, Δtn können gleich lang sein. Sie können auch eine unterschiedliche Zeitdauer aufeisen.
-
Damit die Verstärkervorrichtung Vi, die während einer kurzen Zeitspanne aktiv ist, ihre Leistung nur an die an den Ausgang A angeschlossene Last abgibt, und nicht auch an die momentan passiven Verstärkervorrichtungen, sind die Verstärkervorrichtungen Vi über die oben beschriebenen λ/4-Leitungen voneinander isoliert. Zudem wird durch die Schaltelemente Si sichergestellt, dass die Verstärkervorrichtungen, die gerade nicht aktiv sind, einen Kurzschluss darstellen. Dieser Kurzschluss wird dann über die zugeordnete Leitung in eine hochohmige Impedanz transformiert. Hierzu werden die Schaltelemente Si der passiven Verstärkervorrichtungen Vi leitend geschaltet, so dass eine Verbindung der zugeordneten Ausgänge Ai zum Bezugspotential gegeben ist. Grundsätzlich ist eine Verbindung ausreichend, die nur für die Arbeitsfrequenz wirksam ist, wie z. B. eine mit einem Kondensator realisierte Verbindung.
-
Der Kurzschluss muss nicht unbedingt mittels der (in der schematischen Darstellung der 1 externen) Schaltelemente Si erzeugt werden, sondern kann durch die Ausgestaltung der Verstärkervorrichtung Vi bereitgestellt werden. Die 2 und 3 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Verstärkervorrichtungen Vi.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Verstärkervorrichtung Vi einen einzigen Schalttransistor T1 aufweist und bei der der Kurzschluss mittels einer Diode D1 erzeugt wird. Die Diode D1 kann z. B. als PIN-Diode ausgeführt werden. Der Schalttransistor T1 ist ein selbstleitender GaN- oder SiC-Transistor. Dessen Steuereingang ist über einen Kondensator C3 mit dem Eingang Ei der Verstärkervorrichtung Vi verbunden. Ein Knotenpunkt zwischen dem Kondensator C3 und dem Steueranschluss ist über eine Spule L3 mit einem Spannungsanschluss für eine Vorspannung Uvor verbunden. Liegt an diesem eine negative Spannung an, so ist der Schalttransistor T1 gesperrt. Am Eingang Ei wird durch das hochfrequente Eingangssignal eine Spannung zwischen 0 und der negativen Spannung angelegt. Am Gate des Transistors wird diese Wechselspannung dann um den Wert von Uvor verschoben (Klasse B Betriebsart), so dass der Schalttransistor T1 wechselnd sperrt und leitet.
-
Es versteht sich, dass anstelle des selbstleitenden Schalttransistors auch ein selbstsperrender Schalttransistor mit angepasster Ansteuerschaltung eingesetzt werden könnte.
-
Die Laststrecke des Schalttransistors T1 ist in Reihe zu einer Spule L1 geschaltet. Die Reihenschaltung ist zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss und dem Bezugspotential verschaltet, wobei die Spule L1 über den Versorgungsanschluss mit einer konstanten Versorgungsspannung Ubat beaufschlagt ist. Der Knotenpunkt dieser Reihenschaltung ist über einen Kondensator C1 mit dem Knotenpunkt einer weiteren Reihenschaltung aus einer Spule L2 und der bereits erwähnten Diode D1 verbunden. Diese Reihenschaltung L2, D1 ist zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss für eine steuerbare Ansteuerspannung UPIN und dem Bezugspotential verschaltet. Der Ausgang Ai der Verstärkervorrichtung Vi ist über einen Kondensator C2 mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung L2, D1 verbunden.
-
Ist die Verstärkervorrichtung Vi aktiv, so wird ein UPIN ≤ 0 V gewählt. Soll bei passiver Verstärkervorrichtung die Ansteuerspannung (d. h. am Eingang Ei liegt keine Spannung = 0 V an) der Kurzschluss erzeugt werden, so wird UPIN > 0 V eingestellt.
-
Dieses Vorgehen bietet den Vorteil, dass nicht der Transistor den Kurzschluss machen muss. Ein durchgeschalteter Transistor würde die Versorgungsspannung kurzschließen. Es müsste also während dieser Zeit die Versorgungsspannung von der Verstärkerschaltung abgetrennt werden.
-
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist anstelle eines einzelnen Schalttransistors eine Halbbrücke aus zwei selbstleitenden Schalttransistoren T1, T2 vorgesehen. Dadurch kann die in 2 dargestellte PIN-Diode zur Erzeugung des Kurzschlusses entfallen. Die Halbbrücke T1, T2 ist zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Bezugspotential verschaltet, wobei der Schalttransistor T1 mit einer konstanten Versorgungsspannung Ubat beaufschlagt ist. Der Knotenpunkt der Halbbrücke T1, T2 ist über einen Kondensator C6 mit dem Ausgang Ai der Verstärkervorrichtung Vi verschaltet. An diesem Knotenpunkt liegt im Betrieb eine Spannung Ubat/2, wobei der Kondensator C6 sicherstellt, dass kein Gleichstrom lastseitig abfließen kann, und somit den Arbeitspunkt verschieben würde.
-
Damit der Schalttransistor T1 während der aktiven Verstärkerphase die passende negative Gate-Source-Spannung für den optimalen Betrieb bekommt, wird ein kleiner Teil des am Eingang Ei anliegenden Hochfrequenzsignals an seinem Steueranschluss (Gate) gleichgerichtet. Dies erfolgt durch die Leistungsteiler LT1 (umfassend die Spulen L11, L12), LT2 (umfassend die Spulen L21, L22), den Kondensator C4, den Widerstand R und die Diode D2. Die Diode D2 dient zur Gewinnung einer Sperrspannung des Schalttransistors T1. Der Widerstand R stellt sicher, dass die Gate-Source-Spannung 0 ist, wenn am Eingang Ei kein Signal anliegt (d. h. die Verstärkervorrichtung Vi passiv ist). Der Leistungsteiler LT1 stellt einen 180°-Leistungsteiler dar.
-
Die Spule L12 des Leistungsteilers LT1 ist neben dem Leistungsteiler LT2 mit einem Spulenanschluss über einen Kondensator C5 mit dem Steueranschluss (Gate) des Schalttransistors T2 verbunden. Der Steueranschluss des Schalttransistors T2 ist ferner über eine Spule L4 mit dem Spannungsanschluss für eine Vorspannung Uvor verbunden. Liegt an diesem eine negative Spannung an, so ist der Schalttransistor T2 gesperrt. Die Kondensatoren C4, C5 dienen einer DC-mäßigen Auftrennung.
-
Wird das Hochfrequenzsignal am Eingang Ei abgeschaltet, ändert der Schalttransistor T1 seinen Zustand in einen Kurzschluss. Der Schalttransistor befindet sich somit während der aktiven Phase der Verstärkervorrichtung im Klasse-B Betrieb und während der passiven Phase wird er zum Kurzschluss.
-
Die Vorspannung Uvor des Schalttransistors T2 wird, wie beschrieben, extern zugeführt und bleibt im aktiven und passiven Betriebsfall immer negativ. Dies führt dazu, dass der Schalttransistor T2 im aktiven Fall im Klasse-B Betrieb arbeitet, und im passiven Fall hochohmig bleibt. Ein Kurzschließen der Versorgungsspannung Ubat wird damit vermieden, obwohl der Schalttransistor T1 im passiven Fall einen Kurzschluss darstellt.
