DE2019104A1

DE2019104A1 - Verstaerker fuer elektromagnetische Wellen

Info

Publication number: DE2019104A1
Application number: DE19702019104
Authority: DE
Inventors: Harold Seidel
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-04-25
Filing date: 1970-04-21
Publication date: 1970-11-12
Also published as: FR2046492A5; US3541467A; NL7005675A; DE2019104C3; NL165618B; GB1302605A; SE351956B; DE2019104B2; JPS4911777B1; NL165618C; BE748995A; CA921574A

Description

Verstärker für elektromagnetische Wellen

Die Erfindung betrifft Verstärker für elektromagnetische Wellen.

In einem Aufsatz mit dem Titel "Error-Controlled High Power Linear Amplifiers at VHF¹¹, der in der Ausgabe vom Mai-Juni 1968 des Bell System Technical Journal auf Seite 651-722 veröffentlicht ist, haben H. Seidel und andere einen rauscharmen Verstärker beschrieben, der die Fehlerkorrektur mit Vorwärtskopplung verwendet. Insbesondere ist die beschriebene Schaltung für Ho chleistungs verstärker mit konstanter Verstärkung geeignet.

Bei dem Versuch ähnliche Verfahren als Mittel zum Kompensieren von Verstärkern mit frequenz abhängigen Verstärkungskennlinien zu verwenden, die auf Gebiete mit verhältnismäßig niedriger Verstärkung umfassen, wurde es bald klar, daß die bisher entwickelten Kriterien und; Verfahren nicht mehr geeignet sind und daß die so aufgebauten Verstärker nicht zufriedenstellend arbeiten. Offensichtlich ist eine andere Lösung erforderlich.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker zu schaffen, der

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diese Schwierigkeiten überwindet.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verstärker für elektromagnetische Wellen vorgeschlagen, der eine Verstärkungsfrequenz kennlinie F(& ) aufweist und der aus einem ersten und einem zweiten parallelen Signalweg besteht, wobei der erste dieser Signal·* wege hintereinander einen Hauptsignalverstärker und ein erstes Verzögerungsnetzwerk enthält, der zweite dieser Signalwege hintereinander ein zweites Verzögerungsnetzwerk und einen Fehlerverstärker, ferner ein MIttel, um eine elektromegnatische Eingangswelle in zwei Signalkomponenten zu teilen, und um jeweils eine dieser Komponenten in das Eingangeende eines dieser Signalwege einzukoppeln, weiterhin Mittel, um einen Teil des Ausgange des Hauptsignalverstärkers in den Eingang des Fehlerverstärkers einzukoppeln, und schließlich Ausgangsmittel, um in einer Ausgangeschaltung die Signale in den beiden Signalwegen in der Zeit und in Phase wieder zu vereinigen, um Fehlerkomponenten im Aus gangs signal zu minimieren, wobei im Verstärker die Einkopplungsmittel ein reaktives Netzwerk sind, das zwei Paare von konjugierten Polen aufweist und das einen Übertragungskoeffizienten | t J und einen Kopplungskoeffizient | k | zwischen gekoppelten Polen hat, wobei I k I +It | ■ 1 ist, wobei ferner der Hauptsignalverstärker und das zweite Verzögerungsnetzwerk mit dem einen Paar konjugierter

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Pole des Kopplers gekoppelt sind und das erste Verzögerungsnetzwerk und der Fehlerverstärker mit dem anderen Paar konjugierter Pole des Kopplers gekoppelt sind, wobei die Verstärkungskennlinie G[iu) des Hauptverstärkers und die Verstärkungskennlinie g(cj) des Fehlerverstärkers gegeben sind durch

G(Q) οι g(w) ot V F(W)* - 1 ; und wobei

Im Verstärker wird der Fehler in Beziehung zu einem zeitlich verschobenen Referenzsignal bestimmt und in einer zeitlichen Folge korrigiert, die im Einklang mit dem Hauptsignal steht. Dementsprechend besteht der Verstärker mit Vorwärtskopplung aus zwei parallelen Signalwegen. Ein Weg, der der Hauptsignalweg genannt wird, enthält einen oder mehrere Signalverstärker und wirkt in üblicher Weise auf das zu verstärkende Signal. Der Hauptsignalverstärker ist durch eine Verstärkungsfrequenzkennlinie gekennzeichnet, die sich als Funktion der Frequenz ändert. Ein zweiter Weg, der der Fehlersignalweg genannt wird, nimmt die Fehler auf, die durch den Signalverstärker in das Signal eingebracht werden. Diese Fehlerkomponenten, die sowohl Rausch als auch eine Intermodulationsverzerrung umfassen, werden im Fehlersignalweg mit

o9

einem Pegel und in geeigneter Zeit- und Phasenbeziehung aufgenommen derart, daß sie in den Hauptsignalweg so eingeführt werden können, daß die Fehlerkomponenten im Hauptsignalweg gelöscht werden.

Das Fehlersignal erhält man durch Vergleich eines Teils des Eingangssignals, der als Referenzsignal bezeichnet wird, mit einem Teil des verstärkten Hauptsignals. Das Abtasten des verstärkten Signals ge» schieht mit Hilfe eines einzigen reaktiven Vierpols, dessen Leistungsteilungsverhältnis dieselbe Frequenz kennlinie wie der Signalverstärker hat.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß anders wie bei bekannten Verstärkern mit Vorwärtskopplung die Gesamtverstärkung des fehlerkorrigierten Signals größer als die Verstärkung des Hauptsignalverstärkers ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Signal- zu Rauschverhältnis des fehlerkorrigierten verstärkten Signals größer als das Signal- zu Rauschverhältnis des Fehlerverstärkers ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema eines Weitverkehr-Übertragungssystems, das in Abständen Verstärker enthält;

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Fig. 2 zur Erklärung einen bekannten Verstärker mit Vorwärtskopplung;

Fig. 3 eine Ausführung eines Verstärkers mit Vorwärtskopplung gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Art von Koppler mit einer speziellen Leistungsteilungsverhältnis-Kennlinie.

Fig. 1 zeigt ein Nachrichtenübertragungssystem, das aus einem Sender 5 und einem Empfänger 6 besteht, die mit Hilfe einer Übertragungsleitung 7 verbunden sind. Wegen der zur Übertragungsleitung 7 gehörigen Verluste sind in regelmäßigen Abständen Verstärker 8 eingefügt.

Die an die Verstärker gestellten Forderungen ändern sich selbstverständlich von System zu System. Eine allgemeine Forderung besteht darin, daß sie das übertragene Signal so verstärken sollen, daß die auf der Übertragungsleitung auftretenden Verluste kompensiert werden. Da diese Verluste typischerweise nicht gleichförmig sind, muß die Verstärkungskennlinie jedes Verstärkers (als Funktion der Frequenz) so geformt sein, daß die besondere Verlustkennlinie der Übertragungsleitung kompensiert wird. Im allgemeinen sind die Übertragungsverluste bei höheren Frequenzen höher. Dementsprechend ist die Ver-

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Stärkung der Verstärker bei diesen höheren Frequenzen höher.

Schließlich werden die Verstärker vorteilhafterweise so aufgebaut, daß sie so frei , wie wirtschaftlich nötig, von Verzerrung sind. Zum Beispiel begrenzt die Intermodulationsverzerrung dritter Ordnung in einem Träger-Nachrichtensystem die Kapazität des Systems wesentlich. Daher ergibt jede wesentliche Herabsetzung der Intermodulationsverzerrung vorteilhafterweise eine entsprechende Vergrößerung der Systemkapazität und der Wirtschaftlichkeit.

Die nun zu beschreibende Erfindung betrifft einen rauscharmen, verzerrungsarmen Verstärker mit einer willkürlichen Verstärkungskennlinie F(&>). Bevor jedoch auf diesen Verstärker eingegangen wird, soll zunächst ein verwandter Verstärker bekannter Art betrachtet werden, der in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Fig. 2, die zur Erklärung und zum Vergleich eingeschaltet ist, stellt ein vereinfachtes Blockschema des bekannten Verstärkers mit Vorwärtskopplung dar, der von Seidel u. anderen in dem oben erwähnten Aufsatz beschrieben ist. Im Betrieb wird das Eingangssignal in zwei vorzugsweise ungleiche Komponenten geteilt. Die kleinere Komponente, d. h. das Hauptsignal (oder einfach das Signal) wird auf einem Haupt-

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signalweg 11 zu einem Hauptsignalverstärker 12 geleitet. Die andere größere Komponente, d. h. das Referenzsignal wird auf einem Referenzsignalweg 13 weiter geleitet j der ein Verzögerungsnetzwerk 16 enthält.

Das Signal wird durch den Verstärker 12 verstärkt und ein kleiner Teil des verstärkten Signals in einen Fehlersignalweg mit Ililfe der Richtkoppler 14 und 15 eingekoppelt, wo es mit dem zeitverzögerten Referenzsignal verglichen wird. Die Abtrennung der Fehlerkomponenten, die durch den Verstärker 12 in das verstärkte Signal eingeführt werden, geschieht durch Einstellen der Amplitudenphasen und Zeitverzögerungen, die zum Referenzsignal und zum abgetasteten verstärkten Signal gehören, in der Weise, daß die Signalkomponenten sich löschen und nur Fehlerkomponenten übriglassen. Der Phasenschieber 23, das Verzögerungsnetzwerk 16 und die Koppler 14 und 15 sind sämtlich in für diesen Zweck geeigneter Weise aufgebaut.

Das so erhaltene Fehlereignal wird im Fehlerverstärker 17 verstärkt, dessen Verstärkung so bemessen ist, daß das Fehlersignal auf einen geeigneten Pegel gebracht wird, um irgendwelche Fehlerkomponenten im Hauptsignalweg zu löschen, die durch den Signalverstärker 12 eingeführt sein können. Die durch den Fehler verstärker 17 eingeführte

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Verzögerung wird durch ein geeignetes Verzögerungsnetzwerk 18 im Hauptsignalweg kompensiert. Die Phaseneinstellungen werden im Phasenschieber 24 durchgeführt. Die Einführung des abgetrennten Fehlersignals in den Hauptsignalsweg geschieht mit Hilfe eines reaktiven Fehlereinführungsnetzwerks 19, das in diesem Falle ein Transformator mit dem Windungsverhältnis N; 1 ist.

Eine der Fehlerkomponenten, die mit Hilfe des oben beschriebenen Vorwärtskopplungsverfahrens beseitigt werden soll, ist der Rausch des Hauptsignalverstärkers. In einem Leistungsverstärker kann dieser Rausch beträchtlich sein. Bei dem Verfahren wird der im Fehlerverstärker vorhandene thermische Rausch ersetzt; schließlich ist es die Rauschzahl des Fehlerverstärkers, die das gesamte Rauschverhalten des kompensierten Verstärkers bestimmt. Somit ginge ein sehr wichtiger Vorteil der Vorwärtskopplungskompensation verloren, wenn die Schaltung nicht so eingerichtet wäre, daß die Rauschzahl des Fehlerverstärkers minimiert wird. Daher wird das Eingangssignal vorteilhafterweise ungleich geteilt, wobei die größere Signalkomponente in den Referenzsignalweg eingekoppelt wird. Während die Verstärkung des Signalverstärkers 12 größer gemacht werden muß, um diesen Kopplungsverlust zu beseitigen, ist diese Vergrößerung prinzipiell

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unerheblich insofern, als jede im Signalweg entstehende Verschlechterung der Rauschzahl keine Folgen hat, da das Merkmal der Fehler« löschung des Vorwärtskopplungs systems den zusätzlichen Rausch einfach als zusätzlichen Fehler behandelt und ihn beseitigt.

Sämtliche oben beschriebenen Betrachtungen und Faktoren setzen voraus, daß im Signalverstärker eine ausreichende Verstärkung zur Verfügung steht, um die ungleiche Leistungsteilung des Eingangs signals und die Signaldämpfung durch die Koppler 14 und 15 zu kompensieren. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch die Situation betrachtet, bei der große Verstärkungswerte nicht verfügbar sind. Zum Beispiel sei die Situation betrachtet, bei der der Verstärker die Verluste in einem Übertragungssystem ausgleichen soll, in dem die Verluste an dem einen Ende des interessierenden Frequenzbandes verhältnismäßig klein und am anderen Ende groß sind. In einem speziellen Fall eines bekannten Trägersystems kann sich die Verstärkung des Verstärkers als Funktion der Frequenz im interessierenden Band von 5 bis 30 dB ändern. Der Versuch, die bekannten Betrachtungen auf ein derartiges System anzuwenden, macht, wie nun gezeigt werden soll, das System unverwendbar. Zum Beispiel sei angenommen, daß das Eingangssignal gleich zwischen dem Hauptsignalweg und dem Referenzsignalweg geteilt

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wird. Diese beiden Komponenten sind in Fig. 1 als 0 dB-Signale an den Signalteilerausgängen bezeichnet. Wenn man eine 5 dB Verstärkung im Verstärker 12 annimmt, beträgt das Signal am Eingangspol 1 des Kopplers 14 +5dB. Der typische Kopplungsverlust in jedem der beiden Koppler 14 und 15 beträgt etwa 1OdB bei einem Gesamtverlust von 2OdB. Somit geht das vom Hauptsignalweg in den Fehlerverstärker eingekoppelte Signal auf -15dB herunter. Das Referenzsignal beträgt andererseits etwa OdB. Offensichtlich kann unter diesen Umständen keine Löschung der Signale stattfinden, wenn nicht ein 15dB Dämpfungsglied in den Referenzsignalweg eingefügt wird. Hierdurch wird selbstverständlich zusätzlicher thermischer Rausch in die Fehlerschaltung eingebracht . und die Möglichkeit der Verwirklichung einer verbesserten Rauschzahl vollständig beseitigt.

Entsprechend der Erfindung werden diese konkurrierenden und unvereinbaren Forderungen durch Ersetzen der beiden Koppler 14 und 15 ., durch einen einzigen reaktiven Vierpolkoppler 20 beseitigt, wie er in dem Vorwärtskopplungsverstärker 30 in Fig. 3 dargestellt ist. In jeder anderen Hinsicht sind die Schaltungen der Fig. 1 und 2 im wesentlichen gleich, dementsprechend werden dieselben Identifizierungszahlen zur Bezeichnung entsprechender Schaltelemente verwendet.

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Bevor zur Schilderung der Arbeitsweise des Verstärkers der Fig. 3 übergegangen wird, sollen die Übertragungseigenschaften eines reaktiven Vierpolkopplers kurz betrachtet werden. Wenn man die Pole 1-2 und 3-4 als konjugierte Polpaare bezeichnet, ist die Streumatrix M des Kopjbiers gegeben durch

41

^S31 ^S32

S S,.

13 14

^S23 ^S24

wobei die Bezeichnungen S.. die Kopplung zwischen dem i-ten und dem j-ten Pol angibt. Da der Koppler reaktiv ISt₄ ist das reziproke

Netzwerk S.. ■ S., und insbesondere ¹J J¹

IJLJ

13'

is

31'

'24'

I s.J -|t|, (i)

42

wobei t der Kopplungskoeffizient der "Durchgangs"-Signalkomponente ist, und

wobei k der Kopplungskoeffizient der "gekoppelten" Signalkomponente ist.

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Wenn der Koppler 20 zusätzlich Asymmetrisch ist, sind die Matrixkoeffizienten, die jeweils durch die Gleichungen (1) und (2) gegeben sind, in der Phase wie auch in der Größe gleich. Wenn der Koppler asymmetrisch ist, besteht eine Phasendifferenz bei einigen der Koeffizienten.

Da für einen reaktiven Vierpol MM* ■ 1 (wobei das Sternchen den konjugierten Wert des so bezeichneten Ausdrucks angibt) folgt, daß

^S13^S23 ^{+ S}14^S24 " ^S13^Sf3 ^{+ S}23^S!₃ -

und damit

Ir I ² 4- I c

23

|s„|²- ι (6)

Wenn man für die Erklärung und Erläuterung annimmt, daß eine Eingangssignalkomponente von l/_0 sowohl im Hauptsignalweg 11 als auch im Referenzsignalweg 13 vorhanden ist, betragen die Amplituden der Signale an den Kopplerpolen 1 und 2 G und 1, wobei G die Ver stärkung des Haupteignaiver stärkere ist. Wenn man für den Augenblick jede Fehlerkomponente vernachlässigt, beträgt das Signal ν am Eingang des Fehlerverstärkers

^V " ^GS14 ^{+ S}24 · 009846/1595

Da die Summe des Referenzsignals und des eingekoppelten Teils des verstärkten Signals am Eingang des Fehlerverstärkers gleich Null sein muß, wird die Verstärkung G des Signalverstärkers 12 dadurch abgeleitet, daß die Gleichung (7) gleich Null gesetzt wird. Dies ergibt

S,

(8) '14 '

oder aufi Gleichung (3)

' S*

Das Verstärkerausgangssignal V_n, das gleich der. Summe der in den Pol 3 eingekoppelten Signale ist, ist gegeben durch

^V0 * ⁰⁸I₃ ^{+ S}23 *

Das Einsetzen von G aus Gleichung (9) ergibt

23
oder

S S* +S S*
, ^S13^S13 ^S23^S23

^{0 8}I₃

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201S1C4

Aus Gleichung (5) ergibt SiCh₁ daß der Zähler gleich Eins ist, so daß sich die Gleichung (12) reduziert zu

Da ein Eingangssignal Eins angenommen war, definiert die Gleichung (13) auch die Gesamtverstärkungs-Kennlinie des Verstärkers. Der W Gleichung (13) ist zu entnehmen, daß die Gesamtverstärkung des Verstärkers 30 der Fig. 3 größer als die Gesamtverstärkung ist, die durch den in Fig. 2 dargestellten bekannten Verstärker verwirklicht werden kann, und zwar um den Faktor

^S23

Aus Gleichung (13) ergibt sich, daß die Ausgangsspannung V_n eine Funktion des Kopplungskoeffizienten S „ des Kopplers ist. Somit ist die Frequenzkennlinie des Verstärkers 30 durch die Frequenzkennlinie des Kopplers 20 bestimmt. Umgekehrt wird durch die Festlegung der gewünschten Frequenzkennlinie des Verstärkers die Kennlinie des Kopplers und die Verstärkungskennlinie des Verstärkers 12 bestimmt.

Die Bedeutung des Ausdrucks S_o„ im Ausdruck für den Verstärkerausgang kann leicht dadurch abgeschätzt werden, daß eine Signalpegel-Analyse des Verstärkers gleich derjenigen vorgenommen wird, die

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anhand der Fig. 2 gemacht wurde. Es sei wiederholt, daß bei der bekannten Ausführung der Fig. 2 zwei in Konflikt stehende Bedingungen vorhanden waren, die erfüllt werden mußten. Einerseits wurde angestrebt, den Signalverlust im Koppler 14 zu minimieren. Andererseits wurde angestrebt, ein verhältnismäßig großes Referenzsignal mit Hilfe desjenigen Teils des Signals zu löschen, der über die Koppler 14 und 15 gekoppelt wurde. Wie angegeben, konnten diese beiden Forderungen nicht gleichzeitig ohne einen Kompromiß für das Gesamtrauschverhalten des Verstärkers erfüllt werden.

Bei der Ausführung der Fig. 3 ergibt sich kein derartiger Kompromiß. Zum Beispiel wird beim Anlegen eines OdB-Signals an den Hauptsignalweg und den Referenzsignalweg wie oben der Koppler 20 so bemessen, daß ein ausreichendes Signal zum Löschen des Referenzsignals eingekoppelt wird. Bei einer 5dB-Verstärkung im Verstärker würde eift.6dB -Koppler ein -1, OdB-Signal am Pol 4 des Kopplers 20 erzeugen. Dieses Refereiizsignal würde einen Verlust von etwa IdB im Koppler erfahren, wobei ebenfalls ein -1, OdB-Referenzsignal am Pol 4 erzeugt würde. Da die beiden Signale gleich sind, würden sie wie gefordert, gelöscht und kein Signal am Eingang des Fehlerverstärkers 17 erzeugen. Da der Koppler ein reaktives Netzwerk ist, findet keine Absorption

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von Energie im Koppler statt, so daß die gesamte Energie, die in die Pole 1 und 2 eingekoppelt war, am Pol 3 austreten muß. Somit ist anders als beim bekannten Verstärker kein Energieverlust im Signalabtastnetzwerk trotz der Tatsache vorhanden, daß eine verhältnismäßig große Signalkomponente vom Hauptsignalweg in den Fehlerverstärker eingekoppelt wird, da ein gleicher Betrag vom Referenzweg in den Signalweg eingekoppelt wird. Diese Fähigkeit, verhältnismäßig große Signalkomponenten in den Referenzsignalweg einzukoppeln, bedeutet, daß entsprechend größere Fehlerkomponenten auch in den Fehlerverstärker eingekoppelt werden. Da letztlich das Rauschverhalten des Fehlerverstärkers das Rauschverhalten des Gesamtverstärkers bestimmt, stellt der vorliegende Verstärker eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem bekannten Verstärker dar. Wie nunmehr gezeigt wird, ist in der Tat die Rauschzahl des Verstärkers der Fig. 3 kleiner als die Rauschzahl des Fehlerverstärkers.

In der bisherigen Diskussion wurde eine Fehlerkomponente vernachlässigt. Allgemein wird jedoch der Ausgang des Signalverstärkers 12 gleich der Summe des verstärkten Eingangssignals und einer Fehlerkomponente £ sein. Somit ist für ein Eingangssignal mit der Amplitude 1 der Ausgang V des Signalverstärkers 12 vollständig gegeben durch V ■ G + e .. (14)

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Am Eingang des Fehlerverstärkers werden die Signalkomponenten gelöscht, wobei eine Fehler komponente ν übrig bleibt, die gegeben ist durch

ν »es., . (is)

e 14 ^v '

Das Verstärkerfehlersignal V , das an den Pol 2 des Fehlereinfüh-

ti

rungsnetzwerks 19 angelegt wird, beträgt dann

V₆- geS₁₄ , (16)

wobei g die Verstärkung des Fehlerverstärkers ist.

Die Fehlerkomponente im Hauptsignalweg, die über den Koppler 20 in den Pol 1 des Fehlereinführungsnetzwerks eingekoppelt wird,
beträgt

Vc - ^S13 ·

Durch Summieren von V und ν zu Null erhält man

e m£,

ge-s₁₄ + S₁₃ * ο (18)

^S13
oder gM - (-«) . (19)

^S14
Da S₁ . * S__Q ist, reduziert sich die Gleichung (19) zu

14 Δά g

^b23

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Durch Vergleichen der Gleichungen (9)und (20) ergibt sich, daß die Verstärkungskennlinie des Fehlerverstärkers die gleiche ist, wie die Verstärkungskennlinie des Hauptsignalverstärkers.

Da jeder durch den Signalverstärker 12 eingeführte thermische Rausch eine Fehlerkomponente ist und damit durch das in den Signalweg eingeführte Fehlersignal gelöscht wird, ist der einzige thermische Rausch im Ausgangssignal der Rausch, der infolge des thermischen Rausches auftritt, welcher im Eingangskreis des Fehlerverstärkers erzeugt wird. Wenn diese thermische Rauschenergie mit T. bezeichnet ist, so beträgt die thermische Rauschenergie im Fehlerverstärkerausgang T , das gegeben ist durch

^T0" ^Tin I«!² ·

Wenn man g aus Gleichung (20) einsetzt, so ergibt sich

I S₁₃ I ²

^T0-^Ti

0-^Tin—TT ' I ^S23 '

Für das oben angenommene Eingangssignal 1 ist die gesamte Signal-

2
energie P_Q gleich | V_Q J .

. 0098 A6/1595

Das Einsetzen von V aus Gleichung (13) ergibt

P₀ i-y . (23)

Aus den Gleichungen (22) und (23) ergibt sich das Rausch-zu-Signal-Verhältnis im Verstärkerausgang zu

^N/^S" V^V0² ■ ^Tin I^S13» ² · <²⁴⁾

Da S₁., stets kleiner als Eins ist, ist der Rauschgehalt des Ausgangssignals gegeben durch die Gleichung (24), kleiner als der thermische Rausch, der durch den Fehlersignalverstärker eingeführt wird.

Wie oben angegeben, ist für zahlreiche Anwendungen die Verstärkungskennlinie des Verstärkers nicht flach, sie wird speziell auf den besonderen Zweck zugeschnitten. Bei der anhand der Fig. 1 gegebenen Erläuterung wurde angegeben, daß die Verstärkungskennlinie der Verstärker 8 durch die Verlustkennlinie der Übertragungsleitung 7 bestimmt ist. Wenn somit die letztere mit A(Cu) bezeichnet wird, so ist die Verstärkungskennlinie f(co) des Verstärkers 8 zur Erzeugung einer flachen Kennlinie im Empfänger gegeben durch

ί(ω) - Α(ω) . (25)

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Mr

ίο

Allgemein kann jede beliebige Ge samtver star kungs kennlinie F(to) festgelegt werden, wenn sie einmal festgelegt ist, ist der Verstärker 30 vollständig deffiniert. Zum Beispiel ist durch Gleichsetzen der Gleichung (13) mit der gewünschten Verstärkungskennlinie der Kopplerparameter S „ gegeben durch

CtO

1 ^S23 I - !Ω * ⁽²⁶⁾

(Der * kann weggelassen werden, da er sich nur auf die Phase des Matrixkoeffizienten bezieht).

Wenn man S kennt, kann man aus Gleichung (6) ableiten, daß

womit der Koppler vollständig definiert ist.

Aus den Gleichungen (13) und (20) erhält man für die Verstärkung des Signalverstärkers 12 und des Fehlerverstärkers 17

G(6J) ■ g(co) ■ V F(co) - 1 . (28)

Es sei bemerkt, daß alle oben gegebenen Beziehungen auf gleichen Signalen mit der Amplitude Eins beruhen, die an den H aupt signal-

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verstärker 11 und den Referenzsignalweg 13 angelegt werden. Es wurde jedoch auch angegeben, daß in der Praxis das Eingangssignal vorzugsweise durch den Signalteiler 9 ungleich geteilt wird, und daß die kleinere der beiden Signalkomponenten vorteilhafterweise in den Hauptsignalweg eingekoppelt wird. Wenn dies geschieht, muß die Verstärkung des Hauptsignalverstärkers mit einer Konstanten multipliziert werden, um sich dieser Ungleichheit anzupassen. Somit ist der durch Gleichung (9) angegebene Verstärkungsaus druck allgemeiner gegeben durch

wobei K₁ eine Konstante ist.

In gleicher Weise ist die Verstärkung des Fehlerverstärkers allgemein gegeben durch

^β"^κ*(ί)\ ⁽³⁰⁾

wobei K₂ eine Konstante ist und die Gleichung (28) genau gegeben ist durch die Proportionalität

oc g((o) oc V F(Cc))² - 1 . (31)

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Während somit der Hauptsignalverstärker und der Fehlerverstärker dieselbe Verstärkungsfrequenz-Kennlinie haben, brauchen die absoluten Verstärkungen der beiden Verstärker nicht notwendigerweise gleich zu sein, noch brauchen sie notwendigerweise denselben dynamischen Bereich und dieselben Rauscheigenschaften zu haben. Da der Fehlerverstärker nur ein verhältnismäßig kleines Fehlersignal zu verarbeiten braucht, kann sein dynamischer Bereich offensichtlich viel kleiner als derjenige des Signalverstärkers sein. Da in gleicher Weise die Rauscheigenschaften des Fehlerverstärkers die endgültige Rauschkennlinie des Gesamtverstärkers bestimmen, ist der Fehlerverstärker vorteilhafterweise ein viel feinerer Verstärker mit einer relativ kleinen Rauschzahl. Im allgemeinen ist der Fehlerverstärker ein kleiner Verstärker hoher Güte.

Während der Koppler allgemein anhand seiner Matrixkoeffizienten S.. spezifiziert wurde, wurden keine speziellen Schaltungen beschrieben. Offensichtlich kann keine spezielle Schaltung beschrieben werden, da sich die Art des Kopplers ändert je nach der Gesamtverstärkungs kennlinie F(iu). Jedoch können einige allgemeine Bemerkungen gemacht und ein Koppler als Beispiel beschrieben werden.

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Si

Die einfachsten Koppler sind die sogenannten "Hybrid-Koppler", die in zwei allgemeine Klassen eingeteilt werden können. Bei der einen Klasse, die das "magische-T" enthält, wird das Eingangssignal

O *

in zwei Komponenten geteilt, die entweder in Phase oder 180 außer Phase sind. Bei der zweiten Klasse von Kopplern der sogenannten "90°-Koppler" sind die geteilten Signalkomponenten stets 90 außer Phase,

Da sie reaktive Vier-Pole sind, sind beide Klassen von Koppler η durch zwei Kopplungskoeffizienten t und k gekennzeichnet, die sich als Funktion der Frequenz ändern. Im allgemeinen ändern sie sich jedoch nicht notwendigerweise derart, daß sie die Gleichung (26) erfüllen. Es ist daher notwendig, kompliziertere Kopplungsschaltungen vorzuschlagen, wie z. B. die in Fig. 4 dargestellte.

Der in Fig. 4 gezeigte Koppler ist ein reaktiver Vier-Pol, bestehend aus einem Paar von Hybriden 40 und 41, die mit Hilfe der beiden Signalwege 42 und 43 miteinander verbunden sind. Der Signalweg 42 enthält ein reaktives Zweipolnetzwerk N, dessen Übertragungskoeffizient t(cj) und Reflektionskoeffizient k(c*>) die notwendige Kopplungskennlinie haben, die von den Gleichungen (26) und (27) gefordert wird.

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Dieses Netzwerk kann nach den Verfahren aufgebaut werden, die von S. Darlington in seinem Aufsatz mit dem Titel "Synthesis of Reactance 4-Poles" beschrieben sind, der im Journal of Mathematical Physics, Band 30, September 193 9, auf Seite 257-353 veröffentlicht ist.

Der andere Signalweg enthält ebenfalls ein reaktives Zweipolnetzwerk N , das in dualer Beziehung zum Netzwerk N steht. Es hat daher denselben Übertragungskoeffizienten t(co) wie das Netzwerk N, doch ist der Reflektionskoeffizient -k(&)) der negative Koeffizient des Netzwerks N.

Im Betrieb wird ein an den Pol 1 angelegtes Signal gleich zwischen den beiden Signalwegen 42 und 43 geteilt. Für ein Eingangssignal mit der Amplitude Eins sind die in die Signalwege 42 und 43 eintretenden

Signalkomponenten gleich — . Ein Teil jeder Signalkompo-

/J _D JT

nente wird durch die Netzwerke N und N übertragen und in der Hybride 41 wieder vereinigt, um am Pol 3 ein Ausgangssignal t zu erzeugen. Der andere Teil jedes Signals wird von den Netzwerken N und N reflektiert, um die beiden reflektierten Signalkomponenten

k k

—— und - zu erzeugen. Diese werden in der Hybride 40 ver-

VT /T

einigt, um am Pol 4 ein Ausgangssignal k zu erzeugen und damit

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die geforderte Kopplerkennlinie zu verwirklichen. Offensichtlich können durch den Fachmann auch andere Kopplungsnetzwerke ebenso leicht vorgeschlagen werden.

Die in Konflikt stehenden Forderungen an das Fehlereinführungsnetzwerk können bei Auftreten größerer Energiebeträge erfüllt werden, indem ein Transformator mit dem Windungsverhältnis N: 1 verwendet wird, der wie in Fig. 2 dargestellt, mit dem Fehlerverstärker auf der Seite mit der höheren Windungszahl verbunden wird, wobei die Seite mit der niedrigeren Windungszahl in Reihe mit dem Hauptsignalweg liegt. Diese Schaltung hat die Wirkung, den Hauptsignalweg in Reihe mit der Ausgangsschaltung zu legen. Sie hat den Nachteil, daß eine gute Anpassung im Hauptsignalweg erforderlich ist, um schädliche Reflektionen zu vermeiden. In Situationen, bei denen dies geschehen kann, oder nur geringe Konsequenzen hat, kann auch bei der Ausführung der Erfindung in Fig. 3 die Transformator-Fehlereinführungsschaltung der Fig. 2 verwendet werden.

Bei denjenigen Anwendungen, bei denen ein höherer Grad an Impedanzanpassung erforderlich ist, ist die in Fig. 3 dargestellte alternative Anordnung vorzuziehen. Bei dieser Ausführung besteht das Fehler-

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BAD ORIGINAL

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einführungsnetzwerk 19 aus einem Hybridkoppler 50. Das Signal wird vom Hauptsignalweg in den Pol 1 des Kopplers 50, und das Fehlersignal in den Pol 2 eingekoppelt. Das fehlerkorrigierte Ausgangssignal wird vom Pol 3 abgenommen. Der Pol 4 ist ohmisch abgeschlossen.

Um Signalverluste infolge der Kopplung zwischen dem Eingangspol 1 und dem abgeschlossenen Pol 4 zu minimieren, wird ein Koppler mit einem größeren Energieteilungsverhältnis (in der Größenordnung von 1OdB) verwendet, der eine flache Kennlinie auf dem interessierenden Frequenzbereich hat. Um den entsprechenden Verlust in dem in den Hauptsignalweg eingeführten Fehler signal zu kompensieren, muß die Verstärkung des Fehlerverstärkers entsprechend vergrößert werden oder ein getrennter Verstärker 31 mit einer flachen Verstärkungskennlinie in den Fehlersignalweg eingefügt werden. Da dieser Verstärker wahlweise ist, ist er in Fig. 3 gestrichelt dargestellt.

Aus den Gleichungen (9) und (13) ergibt sich, daß die Verstärkung

des Verstärkers 12, gegeben durch

13
^S23

, kleiner als die Verstär-

kung -r— des Gesamtverstärkers 30 ist, und zwar um den Faktor

^S23
S_1Q. Bei manchen Anwendungen kann es vorzusehen sein, daß die

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Verstärkung des Gesamtverstärkers die gleiche ist, wie die Verstärkung des Hauptsignalverstärkers. In einer derartigen Situation wird ein Dämpfungsglied 32 der Schaltung am Ausgang des Fehlereinführungsnetzwerks 19 hinzugefügt. Jedoch sei bemerkt, daß, um die GesamtverstäPkung an die Verstärkung des Signalverstärkers anzugleichen, das Dämpfungsglied denselben Kopplungskoeffizient S₁ _ wie der Koppler 20 haben muß. Dementsprechend wird die erforderliche Dämpfung in dem interessierenden Band am zweckmäflgsten durch Hinzufügen eines zweiten Kopplers verwirklicht, der dieselben Kopplungskennlinien hat wie der Koppler 20, und zwar am Ausgang des Verstärkers, so daß die Gesamtverstärkung des Verstärkers um den Faktor S-„ geändert wird. Die Pole 2 und 4 des Kopplers werden ohmisch abgeschlossen.

Die Erfindung wurde anhand eines Verstärkers beschrieben, dessen Verstärkung sich als willkürliche Funktion der Frequenz ändert. Selbstverständlich umfaßt der Ausdruck "willkürliche Funktion der Frequenz" Verstärker mit Verstärkungskennlinien, die von der Frequenz unabhängig sind, (die flach in dem interessierenden Frequenz·· bereich sind), wie auch Verstärker mit Verstärkungskennlinien, die in dem interessierenden Frequenzbereich frequenz abhängig sind.

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Es sei ferner bemerkt, daß entweder der Hauptsignalverstärker oder der Fehlerverstärker oder beide selbst Verstärker mit Vorwärtskopplung sein können. Dementsprechend sollen die Ausdrücke "Hauptsignalverstärker" und "Fehlerverstärker" so verstanden werden, daß sie Verstärker aller Arten umfassen, einschließlich Verstärker mit Vorwärtskopplung der hier beschriebenen Art«

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Claims

Patentansprüche

fly Verstärker für elektromagnetische Wellen, der eine Verstärkungsfrequenzkennlinie F(to) aufweist und der aus einem ersten und einem zweiten parallelen Signalweg (11, 28) besteht, wobei der erste dieser Signalwege (11) hintereinander einen Hauptsignalverstärker (12) und ein erstes Verzögerungsnetzwerk (18) enthält, der zweite Signalweg (28) hintereinander ein zweites Verzögerungsnetzwerk (16) und einen Fehlerverstärker (17) enthält, ferner Mittel (9), um ein elektromagnetisches Eingangssignal in zwei Signalkomponenten zu teilen und um jeweils eine der Komponenten in das Eingangsende eines der Signalwege einzukuppeln, weiterhin Mittel (20), um einen Teil des Ausgangs von dem Hauptsignalverstärker in den Eingang des Fehlerverstärkers einzukuppeln, und schließlich Ausgangsmittel (19), um in einer Ausgangsschaltung die Signale in den beiden Signalwegen in Zeit und Phase wiederzuvereinigen, um Fehler komponenten im Ausgangssignal zu minimieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel (20) ein reaktives Netzwerk sind, das zwei Paare, von konjugierten Polen (1, 2; 3, 4) aufweist und einen Übertragungskoeffizienten f t [ und einen Kopplungskoeffizienten j k [ zwischen gekoppelten Polen hat, wobei

² + ft²f * ι ,

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wobei ferner der Hauptsignalverstärker und das zweite Verzögerungsnetzwerk mit dem einen Paar von konjugierten Polen des Kopplers gekoppelt sind und das erste Versögerungsnetzwerk und der Fehlerverstärker mit dem anderen Paar von konjugierten Polen des Kopplers gekoppelt sind, wobei die Verstarkungskennlinie G(w) des Hauptverstärkers und die Ver star kungs kennlinie g(<*>) des Fehlerverstärkers gegeben sind durch

ocV F(Cu)²

G(Cj) oc g(ü>) ocV F(Cu)² - 1 ; und wobei
2. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Dämpfungsglied (32), das in Reihe mit dem Ausgangamittel liegt und das eine Dämpfungskennlinie hat, deren Größe gleich dem Übertragungskoeffizient der Kopplungsmittel ist.
3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsglied ein reaktiver Vier-Pol mit demselben Übertragungskoeffizient wie die Kopplungsmittel ist.

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