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Die Erfindung betrifft einen Sender
zu Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals und ein Verfahren
zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals. Der Sender und
das Verfahren finden beispielsweise Anwendung bei der drahtlosen
Datenübertragung.
Die Datenübertragung
kann zum Beispiel in einem Frequenzband zwischen 868 und 870 MHz
erfolgen.
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Um eine Datenübertragung drahtlos, das heißt in diesem
Zusammenhang mittels Funk, zu ermöglichen ist ein Sender erforderlich,
der das über eine
Funkstrecke zu übertragende
Signal entsprechend aufbereitet. Dem Sender wird dazu ein niederfrequentes
Signal, im folgenden auch als Datensignal oder als zu übertragendes
Signal bezeichnet, zugeführt.
Mittels eines Leistungsverstärkers
wird das zu übertragendes
Signal zuerst verstärkt
und anschließend
einer Modulationsstufe, im folgenden auch als Modulator bezeichnet,
zugeführt.
Der Moderator bildet aus dem verstärkten Datensignal zusammen
mit einem hochfrequenten Trägersignal
ein Sendesignal. Das hochfrequente Trägersignal, abgekürzt HF-Trägersignal,
kann beispielsweise mit einem stabilen Quarzoszillator und einer
Phasenregelschleife (PLL, Phase Locked Loop) erzeugt werden. Da
das Sendesignal noch auf einem niedrigen Pegel vorliegt, wird es
deshalb in der Regel noch durch einen linearen HF-Leistungsverstärker verstärkt, bevor
es zur Abstrahlung auf die Antenne gelangt.
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Die durch den Modulator erfolgte
Modulation kann eine Amplitudenmodulation, im folgenden mit AM-Modulation
abgekürzt,
sein. Bei der Amplitudenmodulation, bei der es sich um ein analoges
oder zeitkontinuierliches Modulationsverfahren handelt, wird durch
eine modulierende Spannung die Amplitude einer hochfrequenten Trägerschwingung
variiert. Die Amplitude des Trägersignals
wird linear mit dem Modulationssignal, das heißt durch das Datensignal, verändert.
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Die Verwendung eines linearen HF-Leistungsverstärkers für die Verstärkung des
Sendesignals hat jedoch den Nachteil, dass der Stromverbrauch durch
den linearen HF-Leistungsverstärker gegenüber dem
Stromverbrauch bei Verwendung eines nichtlinearen HF-Leistungsverstärkers erheblich höher ist.
Dem Vorteil des geringeren Stromverbrauchs bei einem nichtlinearen
HF-Leistungsverstärker steht
jedoch der Nachteil gegenüber,
dass dieser aufgrund seines Funktionsprinzips nur eine sehr eingeschränkte lineare
Amplitudenmodulation ermöglicht.
Ein Basisbandshaping ist dabei nicht möglich.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es
daher, einen Sender zu Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals
und ein Verfahren zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals
anzugeben, bei dem einerseits der Stromverbrauch sehr gering ist und
andererseits eine sehr lineare Amplitudenmodulation erreicht werden
kann.
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Die Aufgabe wird durch einen Sender
zu Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch
1 und ein Verfahren zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
10 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sender zu Erzeugung eines
amplitudenmodulierten Signals umfasst einen nichtlinearen Leistungsverstärker, zur
Erzeugung eines verstärkten
hochfrequenten Signals. Der Leistungsverstärker ist über einen Spannungsversorgungsanschluss
mit einer Spannungsquelle, welche zur Erzeugung eines niederfrequenten
Signals, dient, verbunden. Zudem ist ein Modulator vorgesehen, der eingangsseitig
mit der Spannungsquelle und dem Leistungsverstärker verbunden ist und einen
Modulatorausgang zum Abgreifen des amplitudenmodulierten Signals
aufweist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung
eines amplitudenmodulierten Signals weist folgende Schritte auf.
Mit einem einen Spannungsversorgungsanschluss aufweisenden nichtlinearen
Leistungsverstärker
wird ein verstärktes
hochfrequentes Signal erzeugt und gleichzeitig wird mit einer Spannungsquelle
wird ein niederfrequentes Signal erzeugt, welches auf den Spannungsversorgungsanschluss
geführt
wird. Mit einem Modulator wird dann das verstärkte hochfrequente Signal mit
dem niederfrequenten Signal amplitudenmoduliert und auf einen Modulatorausgang
geführt.
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Dem vorliegenden Prinzip gemäß dem aufgezeigten
Verfahren und dem Sender ist gemeinsam, daß mit einem nichtlinearen Leistungsverstärker eine lineare
Amplitudenmodulation möglich
ist. Hierfür
ist der Leistungsverstärker
mit der Spannungsquelle und dem Modulator wie beschrieben verschaltet.
Die Verwendung eines nichtlinearen Leistungsverstärkers bietet
den Vorteil eines besonders geringen Strombedarfs. Die beschriebene
Schaltung ist mit geringem schaltungstechnischen Aufwand realisierbar.
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Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich
bei dem beschriebenen Prinzip dadurch, daß der Leistungsverstärker stets
in Sättigung
betrieben werden kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Senders
ist der Leistungsverstärker
ausgangsseitig mit einer ersten Kapazität sowie einem ersten Anschluss
einer ersten Induktivität
und einer zweiten Induktivität
verbunden. Die Spannungsquelle ist mit einem zweiten Anschluss der
ersten Induktivität
verbunden. Zudem ist eine zweite Kapazität vorgesehen, welche einerseits
mit einem ersten Potenzial und andererseits mit der zweiten Induktivität und dem
Modulatorausgang verbunden ist.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Senders
zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals weist der nichtlineare
Leistungsverstärker
einen Leistungstransistor auf. Der Leistungstransistor wiederum
weist einen Steuereingang zum Anlegen des zu übertragenden Signals auf.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Senders
ist der Leistungsverstärker
ein Klasse-C-Leistungsverstärker.
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Alternativ dazu kann bei einer Weiterbildung der
Erfindung der Leistungsverstärker
des Senders ein Klasse-E-Leistungsverstärker sein.
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In einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Senders
ist eine dritte Kapazität
vorgesehen, welche zwischen das erste Potenzial und den Ausgang
geschaltet ist.
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Zudem ist es möglich, im erfindungsgemäßen Sender
eine Diode vorzusehen, welche mit der zweiten Induktivität eine Reihenschaltung
bildet.
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Vorteilhafter Weise ist in einer
zusätzlichen Ausführungsform
der Erfindung eine vierte Kapazität vorgesehen, welche mit der
zweiten Induktivität
eine Reihenschaltung bildet.
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Schließlich kann bei einer weiteren
Ausgestaltungsform der Erfindung das Modulationssignal ein sinusförmiges Signal
sein.
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Im folgenden wird die Erfindung mit
mehreren Ausführungsbeispielen
anhand von zwei Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt
in Form eines Schaltplans eine mögliche
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Senders
zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals.
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2 zeigt
den Verlauf der Übertragungskennlinie
für die
in 1 gezeigte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Senders.
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Bei dem in 1 gezeigten Schaltplan des erfindungsgemäßen Senders
zur Erzeugung eines amplitudenmodulierten Signals handelt es sich
um eine mögliche
Ausführungsform
der Erfindung. Mit dem Bezugszeichen 1 ist ein integrierter
Schaltkreis bezeichnet, welcher einen Leistungsverstärker PA, im
folgenden auch als HF-Leistungsverstärker bezeichnet, umfasst. Über einen
Steuereingang 2 wird ein zu sendendes Signal DS, das im
folgenden auch als Datensignal bezeichnet wird, einem Leistungstransistor
T1 zugeführt.
Der Leistungstransistor T1 ist dabei ein Teil des HF-Leistungsverstärkers PA.
Der Steuereingang 2 bildet sowohl den Eingang des Leistungsverstärkers PA
als auch den Eingang des Leistungstransistors T1. Der Kollektor
des Leistungstransistors T1 bildet den Steuerausgang 3 des
HF-Leistungsverstärkers PA.
Der Steuerausgang 3 wird im folgenden auch als Verstärkerausgang
bezeichnet. Der Verstärkerausgang 3 ist
mit einem Netzwerk aus verschiedenen Bauelementen, welche sich außerhalb
des integrierten Schaltkreises 1 befinden, verbunden. Der
Verstärkerausgang 3 wird
auf einen ersten Anschluss einer ersten Induktivität L1, einen
ersten Anschluss einer zweiten Induktivität L2 und einen ersten Anschluss
einer Kapazität
C4 geführt.
Der zweite Anschluss der Kapazität
C4 ist mit einem ersten Potenzial GND, auch Bezugspotenzial genannt, verbunden.
Der zweite Anschluss der ersten Induktivität L1 ist einerseits über eine
weitere Kapazität
C5 mit dem ersten Potenzial GND und andererseits mit einem Modulationseingang 4 verbunden. Über den Modulationseingang 4 wird
das modulierende Signal AM-BBS zugeführt. Der zweite Anschluss der
zweiten Induktivität
L2 ist einerseits über
eine weitere Kapazität
C3 mit dem ersten Potenzial GND und andererseits über eine
Diode D1 und eine zu dieser Diode in Reihe geschaltete weitere Kapazität C1 mit
dem HF-Ausgang RFI/O des Senders verbunden. Am HF-Ausgang RFI/O
des Senders ist ein lineares amplitudenmoduliertes Sendesignal RFS
abgreifbar. Die Diode D1 ist mit ihrer Kathode mit den ersten Anschlüssen eines
ersten Widerstands R1 und einer zu diesem Widerstand R1 parallel
geschalteten weiteren Kapazität
C2 verbunden. Die zweiten Anschlüsse des
ersten Widerstands R1 und der Kapazität C2 sind mit dem ersten Anschluss
einer siebten Kapazität
C7 und der Anode einer zweiten Diode D2 verbunden. Der zweite Anschluss
der siebten Kapazität
C7 ist einerseits über
eine dritte Induktivität
L3 mit dem ersten Potenzial GND und andererseits über eine weitere
Kapazität
C9 mit einem ersten Eingang LNI eines rauscharmen Verstärkers 5 verbunden.
Der zweite Eingang LNIX des rauscharmen Verstärkers 5 liegt über eine
weitere Kapazität
C10 auf dem ersten Potenzial GND. Die Kathode der zweiten Diode
D2 führt
sowohl auf den Eingang zur Sende-/Empfangsauswahl RX/TXq als auch über eine
weitere Kapazität
C6 auf das erste Potenzial GND.
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Der rauscharme Verstärker 5 ist
als differenzieller Verstärker
ausgebildet. Die Anschlüsse
LNI und LNIX bilden die beiden differenziellen Eingänge des
Eingangsverstärkers 5.
Dadurch, dass der Eingang LNIX über
eine relativ große
Kapazität
C10 auf Masse liegt und damit hochfrequenzmäßig direkt mit der Masse verbunden
ist, wird der Eingangsverstärker 5 nicht
als differenzieller Verstärker
betrieben.
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Die Kapazitäten C7, C9 und die Induktivität L3 dienen
zur Anpassung des Empfängers 5.
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Die Kapazität C2 und der Widerstand R1
bestimmen den Strom, der über
die Induktivität
L2 sowie die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 fließt. Die
Kapazität
C2 und der Widerstand R1 dienen somit ebenfalls zur Anpassung.
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Über
den Anschluss RX/TXq kann der integrierte Schaltkreis 1 konfiguriert
werden. Liegt am Anschluss RX/TXq ein Signal mit dem Pegel 1,
was dem Zustand high entspricht, an, wird der integrierte Schaltkreis 1 in
den Empfangsmodus geschaltet.
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Liegt am Anschluss RX/TXq hingegen
ein Signal mit dem Pegel 0 an, was dem Zustand low entspricht,
wird der integrierte Schaltkreis 1 in den Sendemodus geschaltet.
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Als integrierter Schaltkreis 1 kann
beispielsweise ein von der Firma Infineon vertriebener Baustein
zum Senden und Empfangen verwendet werden. Der Baustein wird unter
der Bezeichnung TDA5250 ASK/FSK 868 MHz Wireless Transceiver geführt. Dabei
handelt es sich um einen in einem integrierten Schaltkreis aufgebauten
kombinierten Sender und Empfänger,
der für
den Betrieb im Halbduplex bei einer Frequenz von 868 bis 870 MHz
ausgelegt ist. Der Baustein umfasst neben dem HF-Leistungsverstärker PA den rauscharmen Verstärker 5, der
auch als low noise amplifier LNA bezeichnet wird, einen double balanced
Mixer, einen FSK-Demodulator, einen spannungsgesteuerten Oszillator,
einen PLL-Synthesizer, einen einstellbaren Kristalloszillator, ein
Datenfilter, einen Datenkomparator, auch Slicer genannt, positive
und negative Spitzenwertdetektoren, einen Schaltkreis zur Ermittlung
der Datenrate und ein 2/3-Draht-Bus-Interface.
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Unter FSK wird ein zur binären Datenübertragung
benutztes Frequenzumtastverfahren, auch Frequency Shift Keying genannt,
verstanden. Im Gegensatz zur analogen Frequenzmodulation wird hier die
vom Sender abgestrahlte Frequenz im Rhythmus des binären Datenstroms
verändert,
was als umtasten bezeichnet wird.
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Unter ASK wird ein Modulationsverfahren
mit Amplitudenumtastung verstanden, das als Amplitude Shift Keying
bezeichnet wird. ASK ist ebenso wie FSK ein binäres kohärentes Modulationsverfahren.
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Mit der außerhalb des integrierten Schaltkreises 1 aufgebauten
Schaltung kann über
den Anschluss RX/TXq ausgewählt
werden, ob der integrierte Schaltkreis 1 entweder in den
Sendemodus oder in den Empfangsmodus geschaltet werden soll.
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Im Empfangsmodus, das heißt, wenn
wie erwähnt,
am Anschluss RX/TXq ein Signal mit dem Pegel 1 anliegt,
bilden die beiden Pin-Dioden D1 und D2 für das HF-Signal eine hohe Impedanz
und eine sehr geringe Kapazität.
Um das Verständnis
für die
Schaltung zu erleichtern, können
daher im Empfangsmodus die beiden Dioden D1 und D2 weggelassen werden.
Die diskreten Bauelemente C1, C2, R1, C7, L3 und C9 bilden dann
den Empfangspfad bis zum integrierten Schaltkreis 1.
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Im Sendemodus, das heißt, wenn
wie erwähnt,
am Anschluss RX/TXq ein Signal mit dem Pegel 0 anliegt,
bilden die beiden Pin-Dioden D1 und D2 für das HF-Signal eine sehr niedrige
Impedanz. Um das Verständnis
zu erleichtern, können
daher im Sendemodus die beiden Dioden D1 und D2 als leitende Verbindung
angesehen werden. Die Bauelemente C4, L1, L2, C3, D1 und C1 bilden
dann den Sendepfad.
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An den Ausgang RFI/O des Senders
ist eine Antenne anschließbar.
Dazu ist der Ausgang RFI/O des Senders als 50 Ohm SMA-Verbindung ausgebildet.
Die Abkürzung
SMA steht für
Sub-Miniatur-A-Stecker
für Mikrowellenkomponenten
und -Systeme für
3,5-Millimeter-Kabel bis 24 GHz.
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Als HF-Leistungsverstärker PA
kann ein Klasse-C-Leistungsverstärker verwendet
werden. Alternativ dazu kann auch ein Klasse-E-Leistungsverstärker verwendet
werden. Ab und an werden in der Literatur die Bezeichnungen Klasse-C-Leistungsverstärker und
Klasse-E-Leistungsverstärker
als Äquivalent
verwendet.
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Die Einteilung der HF-Leistungsverstärker in verschiedene
Klassen ist zwar aus dem Stand der Technik bekannt, soll hier jedoch
trotzdem kurz erläutert
werden. HF-Leistungsverstärker
werden je nach Betriebsart in die Klassen A, AB, B und C eingeteilt. Die
Klasse E bleibt bei dieser Betrachtung unberücksichtigt. Das Unterscheidungsmerkmal
bei der Einteilung in die verschiedenen Klassen ist der Stromflusswinkel θ, wobei
gilt. 0 < = θ < = π
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Für
die Klasse A gilt: θ = π,
für die Klasse
AB gilt: π/2 < θ < π,
für die Klasse
B gilt: θ = π/2, und
für die Klasse
C gilt: θ < π/2.
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Der maximale Wirkungsgrad η des HF-Leistungsverstärkers PA
wächst
in der Reihenfolge der alphabetischen Bezeichnung der Klassen. Klasse-C-Leistungsverstärker weisen
demnach den höchsten
Wirkungsgrad η auf.
Der Wirkungsgrad η ist das
Verhältnis
der an die Lastimpedanz abgegebenen (Ausgangs-) Signalleistung Pa
zur insgesamt aufgenommen Leistung. Die insgesamt aufgenommene Leistung
setzt sich zusammen aus der Eingangsleistung Pe des HF-Leistungsverstärkers und der
von der Betriebsspannungsquelle gelieferten Leistung P0. Die von
der Betriebsspannungsquelle gelieferte Leistung P0 wiederum berechnet
sich zu: P0 = Pa + Ptot wobei Ptot die thermische
Verlustleistung ist, welche an die Umgebung abgeführt werden
muss.
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Der Wirkungsgrad η ist somit gegeben durch: η =
Pa/(Pe+P0) = Pa/(Pe + Pa + Ptot)
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Außer bei Klasse-C-Leistungsverstärkern kann
die Eingangsleistung Pe vernachlässigt
werden.
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Bei einem Eintaktverstärker der
Klasse C ergibt sich die von der Betriebsspannungsquelle gelieferte
Leistung P0 zu:
wobei
UB
die Betriebsspannung und
ÎL
die Amplitude des Ausgangsstroms ist.
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Als integrierter Schaltkreis 1 kann
statt dessen auch der von der Firma Infineon vertriebene Baustein
TDA 5100 ASK/FSK Transmitter 868/433 MHz verwendet werden. Dabei
handelt es sich um einen als integrierter Schaltkreis aufgebauten
Sender. Da der Baustein TDA 5100 keinen rauscharmen Verstärker 5 aufweist,
entfallen auch die für
den Empfangspfad erforderlichen diskreten Bauelemente in 1.
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Die Modulation des hochfrequenten
Signals, welches am Ausgang 3 des Leitungsverstärkers PA anliegt,
erfolgt im wesentlichen über
die beiden Pin-Dioden D1 und D2.
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In 2 ist
der Verlauf der Kennlinie 21 des Senders, wie er oben beschrieben
ist, gezeigt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Spannung Uc
am Ausgang 3 des HF-Leistungsverstärkers PA
in Volt angegeben. Auf der y-Achse des Diagramms ist die Ausgangsleistung
Pout des HF-Leistungsverstärkers PA
in Milliwatt aufgetragen. Aus dem Diagramm und dem darin aufgezeigten
Verlauf der Kennlinie 21 ist zu erkennen, dass die Ausgangsleistung
Pout mit zunehmender Spannung Uc in einem weiten Bereich linear
zunimmt. Erst im Bereich oberhalb von ca. 5 V nimmt die Ausgangsleistung
Pout nicht mehr linear zu. Die Amplitudenmodulation wurde mit einem
sinusförmigen
Signal mit einer Frequenz von 20 kHz vorgenommen. Dabei konnte im
Bereich zwischen 2 und 3 V ein Klirrfaktor von 3 Prozent gemessen
werden.
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Die lineare Amplitudenmodulation
eines überkritischen
Klasse-C-Leistungsverstärkers erfolgt über die
DC-Kollektorspannung. Durch eine gezielte Anpassung auf eine bestimmte
Lastimpedanz unter Einbeziehung aller für einen HF-Leistungsverstärker im
Klasse-C-Betrieb auftretenden charakteristischen Verhaltensweisen
ist es möglich,
den in diesem Betriebsfall sehr nichtlinearen HF-Leistungsverstärker mit
einer linearen Amplitudenmodulation über die Gleichspannung am Kollektor
zu betreiben.
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In Kombination mit einem Tiefpass
können hohe
Datenübertragungsraten
bei einer geringen HF-Bandbreite erreicht werden. Der Leistungstransistor,
auch als Ausgangstransistor des nichtlinearen HF-Leistungsverstärkers bezeichnet,
wird mit einem konstanten Betriebsmodus betrieben, das heißt der Ausgangstransistor
geht, unabhängig
vom modulierten Basisbandsignal AM-BBS, immer in Sättigung. Dies
hat den Vorteil, dass unerwünschte
Effekte, wie beispielsweise „load
pulling" eliminiert
werden können,
wodurch das Spektrum nochmals schmäler wird.
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Die vorhergehende Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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- C1
- erster
Kondensator
- C2
- zweiter
Kondensator
- C3
- dritter
Kondensator
- C4
- vierter
Kondensator
- C5
- fünfter Kondensator
- C6
- sechster
Kondensator
- C7
- siebter
Kondensator
- C9
- neunter
Kondensator
- C10
- zehnter
Kondensator
- L1
- erste
Induktivität
- L2
- zweite
Induktivität
- L3
- dritte
Induktivität
- D1
- erste
Diode
- D2
- zweite
Diode
- T1
- Leistungstransistor
- 1
- Transceiver
- 2
- Verstärkereingang
- 3
- Verstärkerausgang
- 4
- NF-Spannungsquelle
- 5
- rauscharmer
Verstärker
- 21
- Kennlinie
- AM-BBS
- modulierendes
Signal
- RFS
- Sendesignal
- GND
- erstes
Potenzial
- PA
- Leistungsverstärker
- RX/TX
- Sende-/Empfangsauswahl
- RFI/O
- HF-Ausgang
- DS
- zu
sendendes Signal
- LNI
- erster
Empfängereingang
- LNIX
- zweiter
Empfängereingang
- Uc
- Betriebsspannung
- Pout
- Ausgangsleistung
