DE2108955A1 - Vorwartskopplungs Verstarker - Google Patents

Description

Western Electric Company Incorporated H. Seidel 73 (2-1) New York, N. Y. 10007 V. St. A.

Vorwärtskopplungs -Verstärker

Die Erfindung bezieht sich auf Vorwärtskopplungs-Verstärker für elektromagnetische Wellensignale, mit einem ersten Wellenweg und parallel hierzu einem zweiten Wellenweg, wobei der erste Wellenweg in Kaskade einen Hauptsignalverstärker und ein erstes Zeitverzögerungsnetzwerk umfaßt, während der zweite Wellenweg, in Kaskade, ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk und einen Fehlerverstärker aufweist, mit einer Einrichtung zur Aufteilung des Eingangs signals in zwei Signalkomponenten und zur Kopplung jeweils einer unterschiedlichen Komponente an den Eingang des zugehörigen Wellenweges, mit einer Einrichtung zur Kopplung eines Teiles des Ausgangssignals des Hauptsignalverstärkers an den Eingang des Fehlerverstärkers sowie mit einem Fehlereingabenetzwerk, welches einen Richtungskoppler zur Verbindung der Signale der beiden Wellenwege aufweist.

In der US-Patentschrift 3 471 798 sind kompensierte Vorwärtskopplungs-Verstärker beschrieben, wobei das von einem Hauptsignalverstärker abgeleitete, verstärkte Signal aufgrund eines

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zeitverzögerten Referenzsignals kompensiert wird, so daß in dem verstärkten Signal enthaltene Fehlerkomponenten isoliert werden. Die Fehlerkomponenten, welche sowohl Rauschen als auch Verzerrungskomponenten umfassen können, welche von dem Hauptverstärker eingeführt werden, werden dann mittels eines Hilfsverstärkers verstärkt und wieder dem zeitverzögerten verstärkten Signal in solcher Phase zugefügt, daß der Nettofehler in dem Ausgangs signal möglichst klein wird.

Eines der größten Schwierigkeiten bei dem Entwurf von kompensierten Vorwärtskopplungs-Verstärkern ist die Bereitstellung eines wirksamen Fehlereingabenetzwerkes. Es ist gerade dieses Netzwerk, welches das relativ niedrigpegelige Fehlersignal in den relativ hochpegeligen Hauptsignalweg einschleust. Zusätzlich zur Eingabe des Fehlersignals in korrekter Phase, muß das Eingabenetzwerk den Hilfsverstärker von dem starken Hauptsignal abtrennen und gleichzeitig das Fehlersignal in den Hauptsignalkanal mit einem minimalen Verlust sowohl für das Fehlersignal als auch für das Hauptsignal einkoppeln. Außerdem wäre es vorteilhaft, wenn sowohl für den Hauptsignalkanal als auch den Fehlersignalkanal eine Impedanzprüfung durchgeführt würde.

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In der Anordnung gemäß US-Patentschrift 3 471 798 wurde ein Kompromiß zwischen diesen unterschiedlichen, sich gegeneinander ausschließenden Erfordernissen getroffen, indem ein als Dreipol geschalteter Transformator verwendet wurde. Ein derartiges Netzwerk kann jedoch nicht als Impedanzprüfung verwendet werden. Wenn es durch einen Richtungskoppler ersetzt wird, führt die Verwendung des Kopplers in der beschriebenen Weise zu einem Verlust an Hauptsignalleistung und Fehlersignalleistung,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für den Koppler anzugeben, bei welcher die angeführten Schwierigkeiten überwunden werden.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Vorwärtskopplungs-Verstärker der eingangs angegebenen Art dadurch ct-löst, daß der Richtungskopplei' die Signale in ;:eit- und php sengerechter Weist: an seinem Ausgangsanschluß auf einen Signalpegel mneinandnr ·vereinigt, der den maximalen Ausgangssignalpegel erreicht oder diesem angenähert.ist,-um die Fehlerkomponenten in dem \ *-; stärkerausgangssignal möglichst gering ;;u halten.

Im allgemeinen treten zwei sich beeinflussende, aber sehr unterschiedlich gewichtete Typen von Verzerrungen in einem Verstärker

BAO ORtG)NAL

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auf. Die erste Erscheinung wird als Kompression bezeichnet und führt typischerweise zu einer Verringerung der Amplitude des Ausgangs signals, während die zweite Erscheinung als Intermodulation bezeichnet wird und neue Signalkomponenten bei Frequenzen erzeugt, die von den Frequenzen des Eingangs signals unterschiedlich sind. Die erste Erscheinung stellt einen kohärenten Fehler dar, welcher durch eine Fehlerspannung erster Ordnung gekennzeichnet ist. Die zweite Erscheinung stellt einen nicht-kohärenten Fehler dar und ist von zweiter Ordnung. In der nun folgenden Beschreibung werden nur die Fehlerkomponenten infolge Kompression wegen der in Frage stehenden Größenordnung ihre Stärke betrachtet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß das Vorwärtskopplungs-System gemäß seiner Wirkungsweise beide Fehlerarten gleichzeitig korrigiert.

Typischerweise wird diese Einstellung beim maximalen Ausgangssignal durchgeführt. Unter dieser bevorzugten Bedingung vereinigen sich die gesamte Ausgangsleistung des Hauptverstärkers und des Fehlerverstärkers mit minimalem Verlust miteinander an der Ausgangsklemme des Verstärkers. - Zusätzlich zur Aufrechterhaltung einer dauernden Impedanzüberprüfung in dem Hauptsignalkanal, dem Fehlersignalkanal und an der Ausgangsklerame

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des Vorwärtskopplungs-Verstärkers hat die Anordnung die Tendenz, die von dem Fehlerverstärker maximal zuzuführende Leistung zu reduzieren. Dies führt zu einer Verbesserung der Eigenschaften des Fehlerverstärkers und zu einer entsprechenden Verbesserung der Gesamteigenschaften des Vorwärtskopplungs-Verstärkers.

Die Erfindung wird unter Berücksichtigung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt;

Fig. 1 einen Vorwärtskopplungs-Verstärker gemäß Erfindung,

Fig. 2 einen Hauptsignalverstärker des Vorwärtskopplungs· Verstärkers nach Fig. 1,

Fig. 3 die Amplitude bzw. Phasenverzerrung des Haupt und 4

Signalverstärkers nach Fig. 2,

Fig. 5A und 5B Vektordiagramme der in Fig. 3 und 4 dargestellten Verzerrungen,

Fig. 6 den Ausgangskoppler des Vorwärtskopplungs-Verstärkers nach Fig. 1,

Fig. 7 die Phasen der Signale in dem Ausgangskoppler nach Fig. 6 und

Fig. 8 den Koppler 18 des Vorwärtskopplungs-Verstärkers nach Fig. 1 und die an diesem anliegende Signale.

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.β- 2103955

Fig. 1 zeigt einen Vorwärtskopplungs-Verstärker 9, welcher zwei parallele Wellenwege oder Kanäle 10 und 11 aufweist. Der erste oder Hauptsignalkanal 10 umfaßt, in Kaskade, einen Haupt Signalverstärker 12 und ein Zeitverzögerungsnetzwerk 13. Der zweite oder Fehlerkanal 11 umfaßt, in Kaskade, ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk 14 und einen Fehlerverstärker 15. fc Am Eingangsende des Verstärkers 9 teilt ein erster Richtungskoppler 16 das Eingangssignal in zwei Komponenten auf und koppelt jeweils eine dieser Komponenten an den Kanal 10 bzw. an. Am Ausgangsende des Verstärkers 9 koppelt ein zweiter Richtungskoppler 17 das vom Fehlersignalverstärker 15 kommende Signal in den Hauptsignalkanal ein, um das korrigierte Ausgangssignal zu erzeugen.

Ein dritter Richtungskoppler 18 koppelt ein Teil des von dem ™ Verstärker 12 verstärkten Aus gangs signals in den Eingang des

Fehlerverstärkers 15 ein.

Im Betrieb wird das zu verstärkende Eingangssignal durch den Koppler 16 in zwei Komponenten aufgeteilt. Die eine Komponente wird an den Hauptverstärker 12 angekoppelt und verstärkt. Die andere Komponente wird in den Kanal 11 eingespeist und stellt

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das Bezugssignal dar., welches mit dem Anteil des verstärkten Signals verglichen wird, welcher von dem Verstärker 12 abgeleitet wird. Dieser Vergleich wird durch Einkopplung über den Koppler 18 eines Teiles des verstärkten Signals vom Kanal 10 in Kanal 11 und Subtraktion des Referenzsignals von diesem eingekoppelten Teil durchgeführt. Wenn vom Verstärker 12 keine Verzerrung eingeführt wird, ist die Differenz oder das so gebildete Fehlersignal gleich Null. Wenn jedoch andererseits Fehler komponenten vorhanden sind, wird ein Nettofehlersignal am Eingang des Fehlerverstärkers 15 erzeugt. Dieses Fehler signal wird dann verstärkt und in den Hauptfehlerkanal mittels des Ausgangskopplers 17 in der Weise rück-eingeführt, daß die Netto verzerrung in dem Aus gangs signal möglichst gering wird. Die Amplitude, die Zeitverzögerung und die Phase der jeweiligen Signalkomponenten werden mittels der Netzwerke 13 und 14 sowie nichtgezeigter, geeignet angeordneter Phasenschieber eingestellt.

Die Anwendung eines Richtungskopplers 17 als Fehlereingabenetzwerk am Ausgangsende des Verstärkers führt dazu, dal? ein Teil des Fehlerkorrektiirsignals und ein Teil des verstärkten Hauptsignals in der resistiven Klemme 2.0 verbraucht werden, welche mit dem Pol 4 des Kopplers 17 verbunden ist. Gemeäi?

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Ei ündung sollen die Parameter des Vorwärtskopplungs-Verstärkers 9 so bestimmt werden, daß die «er Verlust bei den höheren Leistungspegeln, bei denen die Anforderungen an den Fehlerverstärker am .schwersten sind, verringert werden. Die Grundlage, auf welcher die Neubeslimmung der Par-dm οίο:.· vor-■ -enonimen wird, bezieht sich auf die Natur der in dem Hauptverstärker erzeugten Verzerrung, nie rinmchr erläuteri wird.

Unter erneuter Bezugnahme auf die Zeichnung, und zwar Fig. 2, die zu PJrJäuterungszwecken eingefügt worden ißi, ist der Hauptverstärker 12 ersichtlich, an welchem ein Eingangssignal e/(J anliegt und welcher wiederum ein Ausgangssignal E'/jJ_ erzeugt. Bei geringem Signalpegel erzeugt eine inkrementale Zunahme des FJngangssignals eine proportionale inkrementale Zunahme des Ausgangssignals. Jedoch tendieren a Ue Verstärkei· dazu, Im i steigendem Eingangssignal in Sättigung zu geraten, ;.-o daß iiil;]M;]?:eniale Zunalimen des Eingang-i-signals bei diesem iiöheren Pegel immer kleinere inkrementale Zunaljütn des Au:-.".angs-.signals erzeugen. Dieser Sättigungseffekt ' M-d durch die ¹JpJ-.S'jiu Eingangs-Ausgangsverstärkej f.-liarakiii'i-ilik 30 gemäi* Fig. gezeigt, welche, linear in einem Intervall am unteren Eingangspegel ansteigt, aber bei dem höheren Eingangspegel zur Abflachung neigt.

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ZusätzLich tritt eine entsprechende Änderung der relativen Phase zwischen Ein- und Aus gangs Signalen auf. Dies wird durch die Kurve 31 in Fig. 4 angedeutet, welche die Änderung der Phase des Ausgangs signals als Funktion des Eingangssignalspegels darstellt. Bei niedrigem Pegel ist der relative Phasenwinkel gleich Θ. Wenn die Amplitude des Eingangs signals zunimmt, tendiert der E'hasemvinkel dazu, sich zu ändern. Während in Fig. 4 eine Zunahme des Phasenwinkels angedeutet ist, kann die Änderung jedoch auch in einem abnehmenden Phasenwinkel bestehen, was von der Art des Verstärkers abhängt.

Die Figuren 5A und 5B stellen Vektordiagramme dar, welche die von den Kurven 3 0 und 31 gegebenen Verzerrungen darstellen. Im einzelnen zeigt die Fig. 5A acht inkrementale Zunahmen 1-8 des Pegels des Eingangssignal e. Die Fig. 5B zeigt acht zugehörige inkrementale Zunahmen 1-8 der Amplitude des Ausgangssignals eines idealen Verstärkers, welcher ein unverzerrtes Ausgangs signal E erzeugt. Das durch E dargestellte Ausgangs-.signal ist darin unverzerrt, daß die inkrementalen Zunahmen 1-8 alle bezüglich ihrer Amplitude gleich sind und den gleichen Phasonwinkel aufweisen. In der Praxis jedoch sind die tatsächlichen inkrementalen Zuii.iiinien.l'-H¹ nicht. gleich, weder bezüg-

o ii a :■ ■. ■ π a 5 ·*" ^0ΒΙ01*^Α1-

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lieh ihrer Amplitude noch bezüglich ihrer Phase. Daher werden sie mit abnehmenden Amplituden und wechselnden relativen Phasen dargestellt. Das wirkliche Aus gangs signal E¹ ist deshalb durch die Summe der Vektoren 0-1¹^ 1' — 2' usw. gegeben. Das tatsächliche Ausgangssignal beim maximalen Eingangssignal wird durch die Vektorsumme aller Inkremerite l'-8' gebildet und in Fig. 5B durch den Vektor E' dargestellt. Die Vektor differenz CX¹ zwischen dem unverzerrten Ausgangssignal E und dem tatsächlichen Ausgangssignal E¹ stellt die maximale, von dem Verstärker eingeführte Verzerrung dar.

Bei dem Vorwärtskopplungs-Verstärker des Standes der Technik wurden die Schaltungsparameter mit Rücksicht auf den Verstärkungsfaktor bei niedrigem Pegel des Hauptverstärkers gewählt. Das heißt, die Verstärkung und die Phase bei niedrigem Pegel des Hauptverstärkers werden als Kriterien genommen, an welchen der Fehler gemessen wird. Eine Abgleichuny des Verstärkungsfaktors oder der Phase mit Zunahme des Signalpegels wird als Fehler betrachtet und ein entsprechendes Fehlerkoi-rektursignal in den Hauptsignalkanal eingegeben. Dieses Fehlersignal wird dem aktuellen Signal zugefügt, um das kerregierte Ausgangs signal zu erzeugen. Unter erneuter Bezugnahme auf Fi». 5ß ist

" ^: '""""' BAD ORIGINAL

^:- 1 U Ü t ο V / 113 5

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das auf den Niedrigsten Pegeln gezeigte aktuelle Signal 1' gleich dem unverzerrten Signal 1, so dai? kein Fehlerkerroktursignal gebildet wird. Wenn das Eingangssignal auf den Pegel (i ansteigt, mui* beispielsweise ein Fehlersignalvektor a" dem Ausgangssignal E" /ugefüj.1 werden, um das korrekte Ausgangssignal 6 zu ergeben. In ähnlicher Weise wird ein Fehlerkorrektur-•signal a¹ beim Pegel ö¹ benötigt, um das richtige Ausgangssignal ö zu bilden. In jedem Fall führt die Korrektur zu einer Signalplnse, die der Signalphase bei niedrigem Signalpegel entspricht, wie dieser· durch die Signalt 1 und 1' dargestellt wird. Es kann jedoch gezeigt werden, daC bei diesel· Korrekturbedingung die Leistung ilt:.'·- Fehlerverstärkers nicht wirkungsvoll ausgenutzt wird, indem ein Aiüeil der Leistung in dem resistiven Abschluß 20, uev mit dem Pol 4 des Ausgangskopplers 17 verbunden ist, imvermeidlii h verloren geht.

Als Ergebnis dieses Leistung.sverlusies in dem Ausgangskoppler wird die Nettoausgangsleistung eines Yorwürtskopplungs-Verstärkers verringert. Während dieser Auscangsverhist durch eini Verstärkung der Ausgangsleistung des Fehlerverstärkers aufgefangen werden kann, soll daran erinnert werden, daß gerade die Qualitäten des Fehlerverstärkers die Gfsamtgüte des Vorwärls-

BADORtGINAL

1 0 9 P " 7 / 1 Ί 3 G

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kopplungs-Verstärkers als Ganzes ausmachen. Demgemäß ist der Fehlerverstärker vorzugsweise ein leistungsschwacher Verstärker hoher Güte. Während demnach die Ausgangsleistung des Fehlerverstärkers vergrößert werden kann, um die durch, den Vorwärtskopplungs-Verstärker gegebenen Anforderungen zu erfüllen, würde diese Maßnahme zu einer Verschlechterung des Fehlerverstärkers und daher wiederum zu einer Verschlech- W terung des Gesamtverstärkers führen. Die Maßnahme führt demnach nur zur Verschleierung der Schwierigkeit, jedoch nicht zu deren Lösung.

Die vorliegende Erfindung sucht diese Beschränkungen zu vermeiden, indem das Bezugsstandard, gegen welches der Fehler gemessen wird, neu definiert wird. Insbesondere wird der Fehlerbezug im Hinblick auf Bedingungen bei gewissem speziellen hohen Pegel aufgestellt, beispielsweise für maximale Ausgangsleistung, und nicht mit Rücksicht auf Bedingungen bei geringen Leistung?-: pegeln, wie bisher. Daher w^rerden, unter Bezugnahme auf Fig. 0, die auf den Ausgangskoppler 17 einuirlx.¹ den Signale und die Kopplerparameter in Betracht gezogen und auf den Ausgangssignalpegel 8 gemäß Fig. 5B definiert und dieser Signalpe gt-J wird zum Zwecke der vorliegenden Erläuterung als der maximalen

BAD ORiGiNAL

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Ausgangsleistung des Hauptverstärkers entsprechend angesehen. Vor Beginn dieser Erläuterung sollen jedoch die Eigenschaften eines passiven, reaktiven, reziprokalen Vierpol-Kopplers kurz dargelegt werden. Die Pole 1-2 und 3-4 werden als konjugierte Polpaare bezeichnet. Die Verteilungsmatrix M des Kopplers wird durch folgenden Ausdruck gegeben;

-^S13 ^S14

^S23 ^S24

^S31 ^S32 ^S41 ^S42

Hierbei bezeichnet die verallgemeinernde Bezeichnung S.. die Kopplung zwischen dem i-ten und dem j-ten Pol. Da der Koppler ein reaktives, reziprokales Netzwerk ist, ist S.. * S..

und insbesondere

|^S3l| - |^S24| - |^S42|

hierbei ist t der Koeffizient der Übertragung der "Durch"-Signalkomponente. Weiterhin gilt;

(D

109637/113 S

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■ |^S4li * |^S23| " |^S32l - !

wobei k der Koeffizient der Kopplung der "gekoppelten" Signalkomponente darstellt.

Wenn der Koppler 17 gleichzeitig bisymmetrisch ausgebildet ist, sind die durch die Gleichungen (1) und (2) gegebenen Matrixkoeffizienten sowohl in Phase als auch in Größe einander gleich. Wenn der Koppler asymmetrisch ausgebildet ist, tritt eine Phasendifferenz auf, die einigen der Koeffizienten zugeordnet ist.

Da für ein Vierpol gilt; MM* ■ 1 (wobei das Sternchen den konjugierten Pol des Ausdrucks bezeichnet) folgt allgemein, daß

^S*ji ^Sjk - ⁶Ik (3,

wobei ό., * 0 ist, wenn i i. k
ik '

und 6.. * 1 ist, wenn i ■ k ist.

ik '

Dies führt zu einer Anzahl von nützlichen Beziehungen zwischen den Verteilungskoeffizienten, von denen einige aufgeführt sind:

19 1ΐ 9 ^ 9^

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-15-

Daraus folgt, daß

^S23

Auch gilt beispielsweise:

^S14 ^{+ S}l3 ^S24

^S13 ³I₃ ^{+ S}14 ^S24

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 6 wird nunmehr gefordert, daß, wenn alle Verstärker mit ihrer jeweiligen maximalen Ausgangsleistung arbeiten, die ganze einfallende, dem Signal V des Hauptkanals zugeordnete Leistung dem Pol 1 des Kopplers 17 zugeführt wird und daß alle einfallende und dem Fehlerkorrektursignal ν zugeordnete Leistung an den Pol 2 angekoppelt werden, daß diese Eingangs signale im Ausgangspol 3 miteinander kombiniert werden, um das Ausgangssignal E zu erzeugen, und daß keine Leistung in dem resistiven Abschluß 20, welcher an den Kopplerpol 4 angeschlossen ist, verbraucht wird.

Wenn die beiden zuvor angeführten Bedingungen in Ausdrücken der unterschiedlichen Signale ausgedrückt werden, wird folgendes erhalten;

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■•1 Ό"

^VS13 ^{+ VS}23

und

+ VS₂₄ ■ O . (9)

Wenn die Gleichung (9) nach ν aufgelöst wird und in Gleichung (8) eingesetzt wird, findet man

ν « -V -^- (10)

^b24

^VS23 ^S14

24

Wenn der Zähler und Nenner des zweiten Ausdruckes der Gleichung (11) mit S* multipliziert wird, erhält man:

^VS23 ^(S14 ^S24^}
VS * E. (12)

24 24

Wenn S₁₄ S* aus Gleichung (7) substituiert wird unter Berück-

sichtigung von S.. Sr. * ! S.. I . wird erhalten; ij ij I ij I

VS.„ +VS₁₉ » E, (13)

I^S24

■ 1 0 9 δ 3 7 / 1 1 3 B

2 If. ?. 9 5 5

was vereinfacht werden kann zu:

² - (14)

Da VS _ die Komponente des Hauptkanalsignals ist, welche

1 ο

an dem Ausgangspol 3 auftritt, und zwar entsprechend dem

Signal E¹ in Fig. 5B, und da I S_n . I ² . , _ , . . . . ._

^& Sj I 24 ' eine reele Zahl ist, stellt

Gleichung (14) fest, daß E¹ und das Aus gangs signal E in Phase sind.

Die mit dem Pol 3 gekoppelte Komponente des Fehlerkorrektur-

2 signals wird durch Substituieren von E | S . | anstelle von VS₁ in Gleichung (8) abgeleitet und nach vS₉„ aufgelöst. Dies ergibt

VS₂₃ » E -E I S₂₄I ² (15)

vS * E fl- I S I ) * Ή

2
I 14 I ebenfalls eine reele Zahl ist, stellt die Gleichung

(16) fest, daß das Fehlerkorrektursignal vS „ (entsprechend a¹ in Fig. 5B) ebenfalls in Phase mit dem Aus gangs signal E ist.

1098,7/1135 Ofi.G,NA_L

2101955

-lo-

Die neuen Signalverhältnisse, wie sie durch die Gleichungen (14) und (16) definiert werden, sind in Fig. 7 dargestellt. Die Fig. 7 umfaßt, ebenso wie Fig. 5B, die unverzerrten Signalinkremente 1-8 und die tatsähclichen Signalinkremente (Zuwachsbeträge) l'-8'. In Fig. 7 wird jedoch das Fehlerkorrektursignal ß¹ « vS_OQ nunmehr in Phase mit dem Signal E¹ * VS zugefügt, um das richtige Aus gangs signal E zu erhalten. Dies ist offenbar unterschiedlich von der in Fig. 5B gezeigten Arbeitsweise, bei welcher das Fehlerkorrektursignal a^J und das resultierende korregierte Ausgangs signal E nicht in Phase sind. Dieses Erfordernis der Phasengleichheit bedeutet, daß der Bezugsphasenwinkel, gegen welchen der Phasenfehler gemessen wird, durch die Phase des Aus gangs signals 8^J bei höchstem Pegel, und nicht durch den Phasenwinkel des Signals 1 bei niedrigstem Pegel, wie früher, definiert wird.

Um ein Maß der Größe des Fehlerkorrektur signals bei Zwischensignalpegeln 1-7 zu erhalten, werden entlang des Vektors E¹ (in Verlängerung, falls notwendig) mit den Radien 1 und durch 7 geschlagen und Vektoren zwischen den Punkten I¹, 2¹... 7' und den entsprechenden Punkten 1, 2. . . 7 entlang des

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.19- 21Q3955

Vektors E¹ gezogen. Zur Illustration sind zwei derartige Vektoren ß" und ß"¹ für die Pegel 5 und 6 in Fig. 7 eingezeichnet.

Es sei unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 5B darauf hingewiesen, daß mindestens bei den höheren Signalpegeln die Fehlerkorrektursognale, wie sie durch die oben konstruierten Vektoren ß¹, ßⁿ und ß^ln dargestellt werden, kleiner sind als die entsprechenden Fehlerkorrektur signale, wie diese durch die Vektoren a¹, a" und a^m dargestellt sind und zur Wiederherstellung der Signalphase bei niedrigen Pegeln benötigt werden. Dies bedeutet, daß für das gleiche korregierte Ausgangssignal der Fehlerverstärker nunmehr kleiner gemacht werden kann. Oder die andere Betrachtungsweise, kann für einen Fehlerverstärker gleicher Größe nunmehr ein stärkeres Ausgangssignal erhalten werden. Bei geringen Signalpegeln kann die gemäß dem Stand der Technik erforderliche Korrektur geringer sein, aber bei diesen relativ geringen Pegeln ist der Leistungsbetrag jedenfalls klein und weit unter den Leistungsreserven des Fehlerverstärkers.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß bei einem Vorwärts-

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210^955

kopplungs-Verstärker gemäß Erfindung das Fehlereingabenetzwerk ein Richtungskoppler mit zwei Paaren konjugierter Pole 1-2 und 3-4 ist. Wenn das Signal in dem Hauptsignalkanal an den Pol 1 und das Fehlerkorrektursignal an den Pol 2 angekoppelt werden, wird alle Wellenenergie dem Aus gangs pol 3 zugeführt, um das maximale, korrigierte Ausgangssignal E zu erzeugen, wenn die Signalkomponente V des Haupt- W kanals und das Fehlerkorrektursignal ν durch folgende Ausdrücke gegeben sind:

^S13

und

^S23

(18)

Hierbei ist ν das Fehlerverstärkungs signal bei maximalem Ausgangs signal des Hauptsignalverstärkers.

Nachdem der Ausgangskoppler und die an diesen anzulegenden Signale definiert worden sind, befaßt sich die verbleibende Erläuterung mit den praktischen Aspekten de.s Entwurfs eines Vorwärtskopplungs-Verstärkers und insbesondere mit dem

ORIGINAL INSPECTED

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Entwurf des übrigen Teils des Verstärkers, um die obig
definierten Bedingungen zu erfüllen.

In der Praxis wird ein Vorwärtskopplungs-Verstärker, ausgehend von den verfügbaren Verstärkern, konstruiert. Es
wird demnach mit einem speziellen Hauptverstärker, der eine spezielle maximale Ausgangsleistung P aufweist, und einem Hilfs- oder Fehlerverstärker begonnen, welche ebenfalls eine bekannte maximale Ausgangsleistung Pr aufweist. Für eine
erste Annäherung ist die dem Ausgangskoppler von dem Hauptsignalkanal zugeführte Leistung gleich P . Die dem Ausgangskoppler von dem Fehlerverstärker zugeführte Leistung ist P_f . Da alle eintreffende Leistung dem Ausgangspol zugeführt wird, beträgt die totale maximale Ausgnagsleistung

P * P, + P . (19)

ο £ m

Das Verhältnis des Hauptverstärkersignals V zum Fehlerkorrektursignal ν ist aus den Gleichungen (17) und (18) durch folgenden Ausdruck gegeben:

^D23

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_₂₂_ 2103955

Die Kopplerparameter werden dann mit Rücksicht auf das Leistungsverhältnis P /P durch folgenden Ausdruck definiert:

2 ^Pm V^{2 S}13

Dabei gilt:

ISl ² - j S I ² - 1 . (22)

Die Gleichungen (21) und (22) definieren vollständig die Parameter des Ausgangskopplers 17 in Ausdrücken der maximal erzielbaren Leistung des Hauptverstärkers und des Fehlerverstärkers.

In einem Vorwärtskopplungs-Verstärker übersteigt die Rauschzahl des Fehlerverstärkers die Gesamtrauschzahl des Vorwärtskopplungs-Verstärkers. Aus diesem Grund wird der Eingangskoppler vorzugsweise so ausgelegt, daß der Hauptanteil des Eingangs Signals in den Kanal 11 des Fehlerverstärkers eingekoppelt wird, und nicht in den Kanal 10 des Hauptverstärkers. Insbesondere kann gezeigt werden, daß die gesamte relative Rauschtemperatur t eines Vorwärtskopplungs-Verstärkers durch folgenden Ausdruck ungefähr darstellbar ist:

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, K₄I²

2 "¹I ⁺ K ΓΖΓ-7Ϊ - (23)

K₄! /

Hierbei ist t die relative Rauschtemperatur des Fehler-Verstärkers, m . der Verteilkoeffizient, welcher die Kopplung zwischen den Polen 2 und 4 des Kopplers 16 definiert, und s-. ist der Verteilkoeffizient, welcher die Kopplung zwisehen den Polen 2 und 4 des Kopplers 18 definiert.

Typischerweise weist der Koppler 18 20 bis 30 db auf, so daß die Größe von s , nahezu eins ist. Wenn diese Substitution

Ci "E

durchgeführt wird, reduziert sich die Gleichung (23) zu

1 + t.

- 1 . (24)

Gleichung (24) stellt fest, daß, wenn das gesamte Eingangssignal in den Kanal 11 eingeführt wird, d.h., m_. * 1, die Gesamtrauschtemperatur t gleich t, ist, welches die optimale Rauschtemperatur ist, welche erreicht werden kann.
Offenbar muß ein Anteil des Eingangssignals dem Hauptverstärker zugeführt werden. Da jedoch die Verstärkung durch

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den Hauptverstärker gewöhnlich nicht schwer zu verwirklichen ist, wird der Eingangskoppler mehr im Hinblick auf Rauschzahl als auf Verstärkungsgewinn ausgelegt. Als Beispiel sei angenommen, daß 20% Zunahme der relativen Rauschtemperatur als zulässig betrachtet werden kann. Aus Gleichung (24) wird erhalten:

1 + t
k_ - » 1 « 1.2t (25)

Da |m₁₄| ² + Im₂₄I ² » 1 ist, (27)

bestimmen die Gleichungen (26) und (27) den Eingangskoppler 16 völlig.

Als weiteres Beispiel wird angenommen, daß eine relative Rauschtemperatur von 5 für den Fehlerverstärker angenommen wird. Einsetzen in Gleichungen (26) und (27) ergibt m . » 6/7 und m * 1/7. Das Letztere entspricht 8,45 db. Typischerweise würde ein Koppler für 10 db benutzt werden.

10 9 8 3 7/1135 °«^mmL

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Ein Maß für die Verbesserung der Rauschzahl, die mittels des neuen Vorwärtskopplungs-Verstärkers erzielt werden kann, ist durch Vergleich der Rauschtemperatur von 6 gemäß erläutertem Beispiel mit der relativen Rauschtemperatur von 1000 gegeben, die beispielsweise dann erhalten wird, wenn der Hauptsignalverstärker eine Wanderfeldröhre ist.

Zur Bestimmung der Verstärkung G₀ des Fehlerverstärkers wird ein Einheitsverzerrungssignal angenommen, welches aus dem Hauptverstärker bei Abwesenheit eines Eingangssignals austritt. Da alles Fehler ist, würde ein derartiges Signal kein Aus gangs signal erzeugen. Hieraus macht dev Schleifen Ausgleich erforderlich, daß

^S13^S13 ^{+ S}14^S23^G2

Dabeiist s.. der verallgemeinerte Verteilungskoeffizient des Kopplers 18.

Die Auflösung nach G₀ ergibt:

G « - -!ilfii- . (29)

^{2 S}14^S23

3Ö37/ 1 135

Das. Eingangssignal v_c des Fehlerverstärkers ist

vr ■ ⁽³⁰⁾

Durch Dubstitution von ν und G₀ aus Gleichungen (18) und (29) wird erhalten;

^ES23

\ * ⁽³¹⁾

^{^ S}13^b13

^S14^S23

2 ^S14 1

V « -JIi O₀₀ . . V⁰⁴J

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm des Kopplers 18 und zeigt die

Eingangssignale ν und ν , die an den Polen 1 bzw. 2 anlie^{ö ö ö} m r

gen, und die Ausgangssignale V und v_c , die an den Polen 3 bzw. 4 entnommen werden. Wenn ein Einheitseingangs signal angenommen wird, wird das Aus gangs signal ν des Hauptverstärkers 12 durch folgenden Ausdruck gegeben;

ν « m G₁ , (33)

m 2.6 1

wobei m.. der verallgemeinerte Verteilungskoeffizient des Eingangskopplers 16,

10983 7/1135

und G der Hauptverstärker gewinn bei maximaler Ausgangsleistung ist.

ν , das Referenzsignal, ist einfach

Das Verhältnis zwischen den Ein- und Ausgangssignalen des Kopplers 18 ist wie folgt:

^Vm^S13 ^{+ m}24^S23 * ^V " und

V^S14 ^{+ m}24^S24 " \ ' OT^ ' ⁽³⁶⁾

Hieraus wird abgeleitet, daß

' -E ν

^S13^S13

Substitution für ν in Gleichung (₃5) ergibt

m .s.. _

^S23

was, nach Einfügung in Gleichung (37), folgendes ergibt:

109837/1135

210^55

^S23^S13

S₁ I² . (39)

Durch Substitution von ν aus Gleichung (33) und Auflösung

nach s _q wird folgendes angenähertes Ergebnis erhaJten:

LtO

⁽⁴⁰⁾

Unter Erinnerung, daß

bestimmen die Gleichungen (40) und (41) den Koppler 18 vollfc ständig in Ausdrücken von S₁^ des Kopplers 17, fernerhin

der Leistungsverstärkung G₁ des Hauptverstärkers bei maximaler Ausgangsleistung und m sowie m,_?. des Kopplers If), wobei alle diese Ausdrücke bekannt sind.

Die besten Ergebnisse des Hauptsignalverstärkers und des
Fehlerverstärkei's eines Vorwärtskopplungs-Verstärkers wer den durch die Verwendung eines Rieh.nngskopplers als Fehler

1 0 y i. : 7 / M 3 5

eingabenetzwerk und durch derartige Einstellung der Verstärkerparameter erzielt, daß das Hauptsignal und das Fehlerkorrektursignal sich im Ausgangspol des Kopplers bei maximalem Au s gangs sign al in Phase vereinigen. Die Auslegung des Vorwärtskopplungs-Verstärkers zum. Erhalt der optimalen Signal verhältnis se ist gegeben.

BAD ORiGtNAL

1 Q 1. c

Claims (2)

Patentansprüche

1. J Vorwärtskopplungs-Verstärker für elektromagnetische Wellensignale., mit einem ersten Wellenweg (10) und parallel hierzu einem zweiten Wellenweg (11), wobei der erste Wellenweg, in Kaskade, einen Hauptsignalverstärker (12) und ein erstes Zeitverzögerungsnetzwerk (13) umfaßt, während der zweite Wellenweg, in Kaskade, ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk (14) und einen Fehlerverstärker (15) aufweist, mit einer Einrichtung (16) zur Aufteilung des Eingangs signals in zwei Signalkomponenten und zur Kopplung jeweils einer unterschiedlichen Komponente an den Eingang des zugehörigen Wellenweges, mit einer weiteren Einrichtung (18) zur Kopplung eines Teils des Aus gangs signals des Hauptsignalverstärkers an den Eingang des Fehlerverstärkers, sowie mit einem Fehlereingabenetzwerk, welches einen Richtungskoppler (17) zur Verbindung der Signale der beiden Wellenwege, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungskoppler (17) die Signale in zeit- und phasengerechter Weise an seinem Ausgangspol (3) bei einem Signalpegel miteinander vereinigt, der den maximalen Aus gangs signalpe gel erreicht oder diesem angenähert ist.

ORIGINAL INSPECTED 109837/1135

2 Ι π p. q 5

2. Vorwärtskopplungs-Verstärker nach Anspruch 1, wobei die Signale des ersten und zweiten Wellenweges an konjugierte Pole 1 und 2 und das Ausgangssignal von dem Pol 3 eines zweiten Paares konjugierter Pole -3 und 4 abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsparameter S₁,, und

1 ο

S_OQ durch folgenden Ausdruck gegeben sind;

i^s ₁₃i²

S ^2
S23

wobei P die maximale Ausgangsleistung des Hauptsignalvei'stärkers und P. die maximale Ausgangsleistung des Fehler-

2 2

Verstärkers ist und S₁ „ + S_o„ * 1 gilt.

OWQiNAU INSPECTED

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