DE1487570A1 - Verstaerker mit Hybridkopplung - Google Patents

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated H. Seidel New York, N. Y. 10007 USA Verstärker mit Hybridekopplung

Die Erfindung betrifft hochfrequente Leistungsverstärker, insbesondere Verstärker mit Hybride kopplung, die eine große Anzahl von aktiven Elementen aufweisen, welche parallelgeschaltet sind·

In der US-Patentschrift 3 021 490 ist ein Verstärker mit Hybridekopplung beschrieben, bei dem die aktiven Elemente einzeln zwischen entsprechende Klemmen an der Grenzfläche zwischen einer ersten und einer zweiten gleichen symmetrischen Gegen- taktanordnung von 180 Hybriden geschaltet sind. Die erste Anordnung besteht aus einem ersten und einem zweiten Teil, denen jeweils entgegengesetzte Phasen durch einen 180 Leistungsverteiler zugeführt werden, der mit dem Verstärkereingangssignal verbunden ist. Die zweite Anordnung besteht ihrerseits aus einem dritten und einem vierten Teil, die jeweils die Spiegelbilder des ersten und des zweiten Teils der ersten Anordnung bildet. Die Ausgänge des dritten und des vierten Teils sind mit den Eingängen eines zweiten 180 Leistungsteilers verbunden, wobei das Ausgangssignal des Verstärkers dem Ausgang des zweiten Teilers entnommen wird.

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Der Hauptnachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die verwendeten 180 Hybriden nur über einen verhältnismäßig schmalen Frequenzbereich impedanzangepaßt sind. Infolgedessen können außerhalb dieses Bereichs Störschwingungen entstehen, wenn der Frequenzbereich der Wirksamkeit der aktiven Elemente größer als der Frequenzbereich ist, in dem die 180 Hybriden impedanzangepaßt sind. Dies ist z.B. der Fall, wenn Tunneldioden als aktive Elemente benutzt werden, da derartige Dioden in einem Frequenzbereich, der sich bis zum Gleichstrom erstreckt, einen negativen Widerstand haben können. Diese Tendenz der Instabilität außerhalb des Bandes macht die Anordnung für viele Anwendungen unbrauchbar.

Das Problem der Schaffung der Stabilität außerhalb des Bandes bei einem Leistungsverstärker mit Hybridenkopplung, der eine große Anzahl von parallelgeschalteten aktiven Elementen aufweist, wurde durch die Anordnung der Erfindung gelöst, bei der die 90 Hybriden anstelle der 180 Hybriden in der ersten und der zweiten Anordnung verwendet werden und bei der die Zweige, welche die aktiven Elemente enthalten, dadurch gebildet werden, daß nur eine Hälfte der Ausgänge des ersten und des zweiten Teils mit den entsprechenden Eingängen des dritten und des vierten Teils unmittelbar verbunden wird. Die übrigen Ausgänge des ersten und des zweiten Teils werden einzeln in einer regelmäßigen Form

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mit den übrigen Eingängen des vierten und des dritten Teils querverbunden.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß nicht nur die sehr große Impedanzbreite von 90 Hybriden benutzt wird, sondern daß auch keine Notwendigkeit besteht, in der ersten und der zweiten Anordnung eine Vielzahl von breitbandigen 180 Phasenschiebern zu verwenden. Solche Phasenschieber sind gewöhnlich notwendig, wenn 90 Hybriden anstelle von 180 Hybriden verwendet werden, um eine Verengung des Verstärkerfrequenzbereichs innerhalb des Bandes zu verhindern, wenn die Anzahl der Verstärkungselemente erhöht wird.

Die Natur der Erfindung und ihre verschiedenen Vorteile werden eingehender in der nachfolgenden Erläuterung anhand der beigefügten Zeichnungen dargelegt.

Fig. 1 zeigt einen Vierelemtverstärker mit Hybridenkopplung bisheriger Art;

Fig. 2 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung der 90 Hybriden verwendet und der 180 Phasenschieber enthält, um das Band der Frequenzselektivität der Hybriden zu verbreitern;

Fig. 3 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung entsprechend der Erfindung;

Fig. 4 zeigt einen breitbandigen 180 Leistungsteiler der für die Anordnung der Fig. 3 geeignet ist;

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Fig. 5 zeigt einen Achtelementverstärker mit Hybridekopplung entsprechend der Verbindung.

Es wird nunmehr auf die Zeichnungen nä^er eingegangen. Figur 1 zeigt einen Vierelementverstärker mit Hybridekopplung entsprechend den Lehren der bisherigen Technik, wie sie in der oben angegebenen US-Patentschrift offenbart sind. Diese Schaltung besteht aus sechs 180° Hybriden 10, 11, 12, 13, 14 und 15, die so angeordnet sind, daß sie vier parallele Zweige 16, 17, 18 und 19 ergeben. Jeder dieser Zweige enthält ein aktives Verstärkungselement 20, 21, 22, oder 23, das einen Teil des zugeführten Signals verarbeitet.

Im Betrieb wird ein an die Klemme 1 der Hybride 10 angelegtes Eingangssignal gleichmäßig zwischen den beiden konjugierten Zweigen 2 und 3 aufgeteilt. Der Zweig 4 ist durch einen geeigneten Widerstand 24 angepaßt abgeschlossen. Der Zweig 2 der Hybride 10 ist mit dem Zweig 1 der Hybride 11 verbunden, in der das vom Zweig 2 kommende Signal wiederum in zwei gleiche Signalkomponenten in den konjugierten Zweigen 2 und 3 der Hybride 11 aufge· teilt wird. In gleicher Weise ist der Zweig 3 der Hybride 10 mit dem Zweig 1 der Hybride 12 verbunden, in der das vom Zweig 3 kommende Signal in gleicher Weise in zwei gleiche Signalkomponente in den konjugierten Zweigen 2 und 3 der Hybride 12 aufgeteilt wird. Die Zweige 4 der Hybriden 11 und 12 sind mit Hilfe geeigneter Widerstände 25 und 26 angepaßt abgeschlossen.

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Die so entstehenden vier Signalkomponenten werden in den Elementen 20, 21, 22 und 23 verstärkt, danach werden sie in den Hybriden 13, 14 und 15 in Phase wieder vereinigt. Das Ausgangssignal erscheint am Zweig 2 der Hybride 15.

Bei der Anordnung der Fig. 1 werden 180 Hybriden verwendet weil diese in ihren Leistungsteilungseigenschaften breitbandig sind. Jedoch haben solche 180 Hybriden eine verhältnismäßig schmale Impedanzanpassungskennlinie. Wenn sie auch so bemessen werden können, daß sie in dem interessierenden Band hinreichend angepaßt erscheinen, so sind sie doch außerhalb des interessierenden Bandes fehlangepaßt. Wenn die Verstärkungselemente außerhalb des Bandes ausreichend aktiv sind und wenn der Verstärker insgesamt eine große Verstärkung aufweist, wird die Impedanzfehlanpassung ein ernsthaftes Problem.

Glücklicherweise gibt es eine zweite Art von Hybriden, die eine

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breitere Impedanzanpassungskennlinie als die 180 Hybriden haben. Dies ist die bekannte 90 Hybride, bei der die Ausgangsspannungen sich um 90 unterscheiden. In Anbetracht der Tatsache, daß diese 90 Hybriden sehr breitbandige Impedanzanpaßeigenschaften haben, kann es vorteilhaft erscheinen, einfach sämtliche 180

Hybriden der Figur 1 durch 90 Hybriden zu ersetzen. Wenn hierdurch auch das Problem der Fehlanpassung gelöst würde, so ent-

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steht doch ein weiteres Problem. Bekanntlich sind die Leistungsteilungseigenschaften von 90 Hybriden verhältnismäßig schmalbandig. Eine Hintereinanderschaltung derartiger 90 Hybriden würde demnach dieses Problem nur verschärfen, in dem diese Frequenzselektivität exponentiell verstärkt würde, wenn die Anzahl der Stufen erhöht wird.

Ein Verfahren zur Vermeidung dieses Problems besteht darin, daß jedem Hybridenpaar in der in Fig. 2 dargestellten Weise ein Phasenschieber hinzugefügt wird. Die Anordnung der Fig. 2 ist in jeder Hinsicht die gleiche wie diejenige der Figur 1, abgesehen davon, daß sämtliche Hybriden 30, 31, 32, 33, 34 und 35 90° Hybriden sind. Zusätzlich sind in dieSchaltung drei 180 Phasenschieber 36, 37 und 38 eingefügt und zwar jeweils einer für jedes Hybridenpaar. Z.B. korrigiert der Phasenschieber 37 die Frequenzkennlinie der Hybridenpaare 31 und 32 , der Phasenschieber 38 korrigiert die Hybridenpaare 33 und 34 und der Phasenschieber die Hybridenpaare 30 und 35.

Wenn der Versuch gemacht wird, die Anordnung der Fig. 2 auszuführen, steht man unglücklicherweise dem Problem gegenüber, 180 Phasenschieber zu erhalten, die für Verstärker mit Hybridenkopplung ausreichend breitbandig sind. Derartige Phasenschieber, die für dsn breitbandigen Betrieb sorgfältig kompensiert werden müssen, werden außerordentlich teuer, wenn die Anzahl der aktiven

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Elemente im Verstärker zunimmt, insbesondere wenn Zweileiter-Übertragungsleitungen anstelle von Wellenleitern verwendet werden. (Wie oben angegeben wurde, ist die Zunahme der Anzahl der aktiven Elemente von Natur aus exponentiell).

Erfindungsgemäß werden diese Beschränkungen der bisherigen Verstärker mit Hybridekopplung mit Hilfe einer Anordnung vermieden, bei der (1) 90 Hybriden für Impedanzbrandbreite-Zwecke verwendet werden und bei der (2) die notwendigen 180 Phasenverschiebungen im Netzwerk durch die Art und Weise vorgesehen werdei wie die Schaltung geschaltet ist und nicht mit Hilfe von getrennten Phasenschiebern. Eine solche Verstärkerschaltung ist als Blockschema in Figur 3 dargestellt, in der eine Kombination von zwei 180 Leistungsteilern 40 und 45 und vier 90 Hybriden 41, 42, 43 und 44 erfindungsgemäß geschaltet sind. Eins der vier aktiven Elemente 51, 52, 53 und 54 ist jeweils in die Zweige eingefügt.

Von den beiden 180 Leistungsteilern wird der Leistungsteiler 40 im Eingang der Anordnung verwendet, um die zugeführte Wellenenergie in zwei gleiche in Gegenphase befindliche Signalkomponenten aufzuteilen. Die reziproken Eigenschaften des anderen 180 Leistungsteilers 45 werden im Ausgang der Anordnung verwendet, um die beiden Signalkomponenten zu vereinigen und das Ausgangssignal zu erzeugen.

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Eine als Beispiel gewählte Anordnung zur Aufteilung des Eingangssignals in zwei gleiche in Gegenphase befindliche Signalkomponenten ist in Figur 4 dargestellt.

Der in Fig. 4 dargestellte 180 Leistungsteiler besteht aus zwei breitbandigen 90 Hybriden 60 und 61. Wenn man die Zweige 1-4 und 2-3 als die konjugierten Paare jeder Hybride bezeichnet, dann wird das Eingangssignal parallel mit den Zweigen 1 verbunden, während die beiden Aus gangs signale von den Zweigen 4 abgenommen werden.

Um die 180 Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalkomponenten zu erhalten, sind die Zweige 2 und 3 der Hybride 60 kurzgeschlossen, während die Zweige 2 und 3 der Hybride 61 offen sind. Bekanntlich unterscheiden sich die Reflexionskoeffizienten für diese beiden ungleichen Abschlüsse für alle Frequenzen, bei denen die Abschlüsse offen und kurzgeschlossen sind, um 180 . Infolgedessen vereinigen sich die Signalkomponenten, die von den Abschlüssen in den beiden Hybriden reflektiert werden und verlassen die jeweiligen Hybriden über die Zweige 4 in Gegenphase.

In Figur 3 sind die Signale in dem Teil der Anordnung, der von der Klemme A des Leistungsteilers 40 erregt wird, um 180 phasenverschoben zu den entsprechenden Signalen in dem Teil der Anordnung, der von der Klemme B des Leistungsteilers 40 erregt wird.

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ο Wegen der Symmetrie der Anordnung kann eine beeitbandige 180 Phasenverschiebung, wenn erforderlich, durch eine geeignete Verbindung zwischen den entsprechenden Punkten der beiden symmetrischen Hälften der Anordnung erhalten werden. Um somit eine 180 Phasenverschiebung in dem Weg zwischen den Zweigen 3 der Hybriden 41 und 43 zu erhalten, wird eine solche Querverbindung 55 hergestellt, daß der Zweig 3 der Hybride 41 mit dem Zweig 3 der Hybride 44 über das Element 45 verbunden ist, während der Zweig 3 der Hybride 42 mit dem Zweig 3 der Hybride 43 über das Element 52 verbunden ist. Da das Signal am Zweig 3 der Hybride 41 in jeder Hinsicht identisch mit dem Signal am Zweig 3 der Hybride 42 ist, wenn man von einer 180 Phasendifferenz absieht, ergibt die Querverbindung einen einfachen, billigen und zweckmäßigen Weg zur Erzielung einer breitbandigen 180 Phasenverschiebung.

In jeder anderen Hinsicht arbeitet der Verstärker der Fig. 3 wie jeder Verstärker mit Hybridenkopplung mit dem bemerkenswerten Unterschied, daß die Schaltung über einen sehr viel breiteren Frequenzbereich impedanzangepaßt ist und daher von Haus aus sehr viel stabiler arbeitet.

Das Prinzip der Erfindung kann auf symmetrische Anordnungen höherer Ordnung ausgedehnt werden, wie sie in Figur 5 darge-

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stellt sind. In dieser Darstellung sind acht Zweige 90 bis 97 vorhanden, bei denen zwölf 90 Hybriden 70 bis 81 und zwei 180 Leistungsteiler 85 und 86 verwendet werden. Wie bei der Ausführung der Figur 3 wird eine breitbandige 180 Phasenverschiebung durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden Teilen der symmetrischen Anordnung erhalten. So erhält man 180 Phasenverschiebungen in einem der Wegen zwischen den Hybriden 72 und 76 und in einem der Wege zwischen den Hybriden 74 und78 durch die Querverbindung 100. In gleicher Weise erhält man die erforderlichen Phasenverschiebungen zwischen den Hybriden 73 und 77 , und zwischen 75 und 79 durch die Querverbindung 101. Eine dritte Querverbindung 103 liefert die notwendigen Phasenverschiebungen zwischen den Hybriden 70 und 80 und den Hybriden 71 und 81.

Wenn dies in Fig. 5 auch nicht dargestellt ist, so können doch selbstverständlich in jedem der Zweige 90 bis 97 Verstärkungselemente eingefügt werden.

Die Anordnung der Leistungsverteiler, die dem Netzwerk 90-97 Signalenergie zuführt, ist das Spiegelbild der Anordnung der Leistungsverteiler, die zur Vereinigung der Signalenergie benutzt wird. In gleicher Weise ist derjenige Teil des Leistungsteilungs- und Vereinigungsnetzwerks zwischen den Klemmen A der beiden 180 Leistungsteiler das Spiegelbild desjenigen Teils

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des Leistungsteilungs- und Vereinigungsnetzwerks zwischen den Klemmen B der 180 Leistungsteiler.

Die Anzahl der erforderlichen 180 Phasenverschiebungen ist gleich der Anzahl der 90 Hybridenpaare, wobei zwischen jeder Hybride im Eingangsteil der Anordnung und einer symmetrisch angeordneten Hybride im Ausgangsteil eine 180 Phasenverschiebung vorhanden ist. So sind in Fig. 5 180 Phasenverschiebungen zwischen jedem der Hybridenpaare 72-76, 73-77, 74-78, 75-79, 70-80 und 71-81 vorhanden.

Die 180 Phasenverschiebungen werden paarweise durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden Teilen der beiden in Gegenphase befindlichen Hälften der symmetrischen Anordnung erhalten. So besteht in Fig. 5 eine Querverbindung zwischen dem obersten Zweig 90 der oberen Hälfte der Anordnung und dem obersten Zweig 94 der unteren (in Gegenphase befindlichen) Hälfte. Diese liefert die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 72-76 und 74-78. In gleicher Weise liefert eine Querverbindung zwischen dem dritten Zweig 92 in der oberen Hälfte der Anordnung und dem dritten Zweig 96 in der unteren Hälfte die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 73-77 und 75-79.

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In gleicher Weise liefert eine Querverbindung zwischen einem Zweig der. Hybride 70 und dem entsprechenden Zweig der Hybride 71 die erforderliche Phasenverschiebung zwischen den Hybridenpaaren 70-80und 71-81.

Das symmetrische Netzwerk der Figuren 3 und 5 jcann so erweitert werden, daß sich 16, 32 oder allgemeiner, 2 Zweige ergeben, in denen 2(2 -2) 90 Hybriden und zwei 180 Leistungsteiler verwendet werden, wobei n^2 ist. In jeder dieser Schaltungen höherer Ordnung wird eine 180 Phasenverschiebung zwischen jeder der 90 Hybriden in der Eingangshälfte der Anordnung und einer symmetrisch angeordneten 90 Hybride in der Ausgangshälfte durch eine Querverbindung zwischen entsprechenden Bereichen der in Gegenphase befindlichen Teile der Anordnung erhalten.

Offensichtlieh können die Verstärkerschaltungen der Fig. 3 und 5 auch benutzt werden, um stabile Oszillatoren mit einer Wellenform zu schaffen, in dem zum Eingang der Verstärkeranordnung ein Teil des Ausgangsignals selektiv rückgekoppelt wird. Dies kann in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 mit Hilfe eines Schalters 56 geschehen, der den Eingangszweig des Leistungsteilers 40 mit dem Ausgangszweig des Leistungßteilers 45 über einen induktivgekoppelten abgestimmten Kreis 57 verbindet. Der letztgenannte ist so eingerichtet, daß er den bekannten Amplituden- und Phasenkriterien für Schwingungen genügt,

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Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Schaffung der Stabilität außerhalb des

Bandes in einem Leistungsverstärker mit Hybridekopplung,

N der eine große Anzahl (2 ) von aktiven Elementen in einer Parallelschaltung aufweist, wobei die Anordnung aus einem 180 Leistungsteiler besteht, der mit dem Verstärkereingangssignal verbunden ist, ferner aus einer ersten symmetrischen Anordnung

N-I von gleichen Hybriden, die 2 Ausgangshybriden enthält, wobei die erste Anordnung aus einem ersten und einem zweiten Teil besteht, die mit entgegengesetzten Phasen der jeweiligen Ausgänge des Leistungsverteilers beliefert werden, und schließlich aus einer zweiten symmetrischen Anordnung von gleichen Hybriden,

N-I die 2 Eingangehybriden enthalten, wobei die Hybriden der zweiten Anordnung so angeordnet sind, daß sie einen dritten und einen vierten Teil bilden, die jeweils die Spiegelbilder des ersten und des zweiten Teils der dritten Anordnung sind, wobei ferner die

N aktiven Elemente einzeln zwischen die 2 Ausgangsklemmen der

ersten Anordnung und die 2 Eingangsklemmen der zweiten Anordnung in vorbestimmter Form geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Hybriden in der ersten und der zweiten Anordnung aus 90 Hybriden (z.B. 41-44) bestehen, die an sich bekannt sind, daß ferner eine Ausgangsklemme (2) jeder Ausgangshybride im ersten (41) und zweiten (42) Teil mit einer Eingangs-

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klemme (2) jeder entsprechenden Eingangshybride im dritten (43) und im vierten (44) Teil verbunden ist, und daß die übrigen Ausgangsklemmen (3) der Ausgangshybriden im ersten und im zweiten .Teil einzeln in einer regelmäßigen Form (55) mit den übrigen Eingangsklemmen (3) der Eingangshybriden im vierten und im dritten Teil querverbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der N ^ 2 ist, dadurch

gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Zwischenhybriden (z.B. 70, 71) in dem ersten (70, 72, 73) und dem zweiten (71, 74, 75) Teilen in einer regelmäßigen Form (103) mit den Eingängen der nachfolgenden Hybriden (72-75) in den zweiten und ersten Teilen querverbunden sind.

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