DE2108955C3

DE2108955C3 - Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit Vorwärtskompensation der Fehlerspannung

Info

Publication number: DE2108955C3
Application number: DE2108955A
Authority: DE
Inventors: Harold Warren N.J. Seidel (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1970-02-27
Filing date: 1971-02-25
Publication date: 1981-01-15
Also published as: DE2108955B2; NL161934C; FR2083115A5; US3649927A; DE2108955A1; NL7102253A; JPS5129625B1; GB1326348A; BE763439A; NL161934B; SE372864B

Description

wobei (P₁₁₁) die maximale Ausgangsleistung des Hauptsignalverstärkers und (P_t) die maxim&le Ausgangsleistung des Fehlerverstärkers ist und (S?₃ + Si, = I) gilt.

4J

15

₃₀

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Leiitungsverslärker mit Vorwärtskompensation der Fehlerspannung mit einem ersten Signalweg und parallel hierzu einem zweiten Signalweg, wobei der erste Signalweg, in Kaskade, einen Hauptsignalverstärker und ein erstes Zeitverzögerungsnetzwerk umfaßt, _ss während der zweite Signalweg, in Kaskade, ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk und einen Fehlerverstärker •ufweist, mit einem ersten Richtungskoppler zur Aufteilung des Eingangssignals in zwei unterschiedliche Signalkomponenten und zur Kopplung jeweils J₀ seiner Komponente an den Eingang des zügehörigen 'Signalweges, mit einem zweiten Richtungskoppler zur Kopplung eines Teils des Ausgangssignals des HaUptsignalverstärkers an den Eingang des Fehler-Verstärkers, sowie mit einem dritten RichtUrigsköpplef «3 zur Verbindung der Signale der beiden Signalwege. In der US-Patentschrift 34 71 798 sind solche Verstärker, im folgenden auch einfach vofWärlskompen- sierte Verstärker genannt, beschrieben, wobei das von einem Hauptverstürker abgeleitete, verstärkte Signal auf Grund eines zeitverzögerten Referenzsignals kompensiert wird, so daß in dem verstärkten Signal enthaltene Fehleranteile isoliert werden. Die Fehleranteile, die sowohl Rauschen als Verzerrungen umfassen können, welche von dem Hauptverstärker eingeführt werden, werden dann mittels eires Hilfsverstärkers verstärkt, und dem zeitverzögerten verstärkten Signal in solcher Phase wieder zugefügt, daß der verbleibende Fehter in dem Ausgangssignal möglichst klein wird.

Eine der größten Schwierigkeiten bei dem Entwurf von vorwärtskompensierten Verstärkern ist die Bereitstellung eines wirksamen Fehlereingabenetzwerkes. Dieses Netzwerk koppelt das relativ kleine Fehlersignal in den Weg des relativ großen Hauptsignals ein. Zusätzlich zur Eingabe des Fehlersignals mit korrekter Phase muß das Eingabenetzwerk den Hilfsverstärker von dem großen Hauptsignal abtrennen und gleichzeitig das Fehlersignal in den Hauptsignalweg mit minimalem Verlust sowohl für das Fehlersignal als auch Tür das Hauptsignal einkoppeln. Außerdem wäre es vorteilhaft, wenn sowohl für den Hauptsignalkanal als auch den Fehlersignalkanal eine Impedanzanpassung vorhanden wärt.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der US-Patentschrift 34 71 798 wurde ein Kompromiß zwischen diesen unterschiedlichen, sich gegeneinander ausschließenden Erfordernissen durch Verwendung eines Transformator-Netzwerkes mit drei Polen getroffen. Ein derartiges Netzwerk ergibt jedoch nicht die gewünschte Impedanzanpassung. Wenn es durch einen Richtungskoppler ersetzt wird, führt die Verwendung des Kopplers in der beschriebenen Weise zu einem Verlust an der Hauptsignalleistung und Fehlersignalleistung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für den Koppler anzugeben, bei welcher die obenangefiihrten Anforderungen alle möglichst gut erfüllt sind.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe geht die Erfindung von einem Verstärker der eingangs angegebenen Art aus und sieht vor, daß der dritte Richtungskoppler die Signale in /eil- und phasengerechter Weise an seinem Ausgangspol bei einem Signalpegel miteinander vereinigt, der dem maximalen Ausgangssignalpegel entspricht oder dissem angenähert ist.

Im allgemeinen treten zwei sich beeinflussende, aber sehr unterschiedlich gewichtete Typen von Verzerrungen in einem Verstärker auf. Die erste Erscheinung wird als Kompression bezeichnet und führt typischerweise zu einer Verringerung der Amplitude des Ausgangssignals, während die zweite Erscheinung als Intermodulation bezeichnet wird und neue Signalkomponenten mit Frequenzen erzeugt, die von den Frequenzen des Eingangssignals unterschiedlich sind. Die erste Erscheinung stellt einen kohärenten Fehler dar, welcher durch eine Fehlerspannung erster Ordnung gekennzeichnet ist- Die zweite Erscheinung stellt Jirien nicht kohäreritert Fehler dar Und ist von zweiter Ordnung- in der nun folgenden Beschreibung werden nur die Fehlerkomponenten infolge Kompression wegen der in Frage stehenden Größenordnung betrachtet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Vorwärtskornpensation auf GfUrid ihrer Wirkungsweise beide Fehlerarten gleichzeitig korrigiert.

Typischerweise wird die Einstellung beim maxi-

2i

S55

malen Ausgangssignal durchgerührt. Unter dieser bevorzugten Bedingung vereinigen sich die gesamte Ausgangsleistung des Hauptverstärkers und des Fehlerverstärkers bei minimalem Verlust miteinander am Ausgang des Verstärkers. Zusätzlich zur Aufrechterhallung einer dauernden Impedanzanpassung im Hauptsignalkanal, dem Fehlersignalkanal und am Ausgang des Vcrwärtskompensations-Verstärkers hat die Anordnung die Tendenz, die durch den Fehlerverstärker maximal zuzuführende Leistung zu reduzieren. Dies führt zu einer Verbesserung der Eigenschaften des Fehlerverstärkers und zu einer entsprechenden Verbesserung der Gesamteigenschaften des Vorwärtskompensations-Verstärkers.

Die Erfindung wird unter Berücksichtigung mehrerer Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Vorwärtskompensations-Verstärker gemäß Erfindung,

F i g. 2 einen Hauptsignalverstärker des Vorwärtskompensations-Verstärkers nach Fig. 1,

F i g. 3 und 4 die Amplituden- bzw. Phasenverzerrung des Hauptsignalverstärkers nach F i g. 2,

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

F t g. 6 den Ausgangskoppler des Vorwärtskompensations-Verstärkers nach Fig. 1,

F i g. 7 die Phase der Signale in dem Ausgangskoppler nach F i g. 6 und

F i g. 8 den Koppler 18 des Vorwärtskompensations-Verstärkers nach F i g. 1 und die an diesem anliegende Signale.

F i g. 1 zeigt einen Hochirequenz-Leistungsverstärker 9 mit Vorwärtskompensation der Fehlerspannung, welcher zwei parallele Signalwege oder Kanäle 10 und 11 aufweist. Der erste oder Hauptsignalkanal 10 umfaßt in Reihe einen Hauptsignalverstärker 12 und ein Zeitverzögerungsnetzwerk 13. Der zweite oder Felllerkanal 11 umfaßt in Reihe ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk 14 und einen Fehlerverstärker 15. Am Eingang 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. 11 an. Am Ausgang des Versiärkers 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 Ausgangssignals in den Eingang des Fehlerverstärkers 15 ein.

Im Betrieb wird das zu verstärkende Eingangssignal durch den Koppler 16 in zwei Komponenten aufgeteilt. Die eire Komponente wird an den Hauptverstärker 12 angekoppelt und verstärkt. Die andere Komponente wird in den Kanal 11 eingespeist und stellt das Bczugssignal dar, welches mit dem Anteil des verstärkten Signals verglichen wird, welcher von dem Verstärker 12 abgeleitet wird. Dieser Vergleich wird durch Einkopplung eines Teils des verstärkten ^Signals vom Kanal 10 über den Koppler 18 in Kanal ^!11 und Subtraktion des Referenzsignals von diesem eingekoppelten Teil durchgeführt. Wenn vom Verstärker 12 keine Verzerrung eingeführt wird, ist die Dißfienz oder das so gebildete Fehlersignal gleich NuiL Wenn jedoch andererseits Fehlerkomponenten vorhanden sind, wird ein Nettofeislersigna) am Eingang des Fehlerverstärkers 15 erzeugt, Dieses Fehlersignal wird dann verstärkt und in den Hauptfehlerkanal mittels des Ausgangskopplers 17 in der Weue rückeingeführt, daß die Nettoverzerrung in dem Ausgangssignal möglichst gering wird. Die Amplitude, die Zeitverzögerung und die Phase der jeweiligen Signalkomponenten werden mittels der Netzwerke

S3 und 14 sowie nicht gezeigter, geeignet angeordneter Phasenschieber eingestellt.

Die Anwendung eines Richtungskopplers 17 als

ίο Fehlereingabenetzwerk am Ausgang des Veratärkers führt dazu, daß ein Teil des Fehlerkorrektursignals und ein Teil des verstärkten Hauptsignals im Abschlußwiderstand 20 verbraucht werden, welcher mit dem Pol 4 des Kopplers 17 verbunden ist. Gemäß

ti Erfindung sollen die Parameter des im folgenden auch kurz Vorwärtskompensattons - Verstärker genannten Verstärkers 9 so bestimmt werden, daß dieser Verlust bei höheren Leistungen, bei denen die Anforderungen an den Fehlerverstärker am größten

ίο sind, verringert werden. Die Grundlage, auf welcher die Neubestimmung der Parameter vorgenommen wird, bezieht sich auf die Natur der im Hauptverstärker erzeugten Verzerrungen, wie nunmehr erläutert wird.

Lint·.*.' erneuter Bezugnahme auf die Zeichnung, und zwar F i g. 2, die zu Erläuterungszwecken eingefugt worden ist, ist der Hauptverstärker 12 ersichtlich, an welchem ein Eingangssignal e[fJ anliegt und welcher wiederum ein Ausgangssignal Ε'[θ erzeugt.

Bei geringem Signalpegel erzeugt eine inkrementale Zunahme des Eingangssignals eine proportionale inkrementale Zunahme des Ausgangssignals. Jedoch tendieren alle Verstärker dazu, bei steigendem Eingangssignal in Sättigung zu geraten, so daß inkre-

3j mentale Zunahmen des Eingangssignals bei diesem höheren Pegel immer kleinere inkrementaie Zunahmen des Ausgangssignals erzeugen. Dieser Sättigungseffekt wird durch die typische Eingangs-Ausgangsversiärkercharakteristik 30 gemäß F i g. 3 gezeigt, welche linear in einem Intervall am unteren Eingangspegel ansteigt, aber bei dem höheren Eingangspegel zur Abflachung neigt.

Zusätzlich tritt eine entsprechende Änderung der relativen Phase zwischen Ein- und Ausgangssignalen auf. Dies wird durch die Kurve 31 in F i g. 4 angedeutet, welche die Änderung der Phase des Ausgangssignals als Funktion des Eingangssignalpegels darstellt. Bei niedrigem Pegel ist der relative Phasenwinkel gleich (-). Wenn die Amplitude des Eingangs-

jp signals zunimmt, tendiert der Phasenwinkel dazu, sich zu ändern. Während in F i g. 4 eine Zunahme des Phasenwinkels angedeutet ist, kann die Änderung jedch auch in einem abnehmenden Phasenwinkel bestehen, was von der Art des Verstärkers abhängt.

Die Fig. 5A und 5B stellen Vektordiagramme dar, welche die den Kurven 30 und 31 entsprechenden . Verzerrungen darstellen. Im einzelnen zeigt die Fig. 5A acht inkrementale Zunahmen 1-8 des Pegels des Eingangssignals e. Die Fig. 5B zeigt acht zugehörige inkrementale Zunahmen 1«8 der Ampli= ttide des Ausgangssignals eines idealen Verstärkers, Welcher eiri üfiVerzerrtes Ausgangssigital E erzeugt. Das durch E dargestellte Ausgangssignal ist dahingehend unverzerrt daß die inkrementalen Zunahmen

1 -8 alle bezüglich ihrer AnV 'itude gleich sind Und den gleichen Phasenwinke] aütweisen. In der Praxis jedoch sind die tatsächlichen inkrementalen Zunahmen Γ-8' nicht gleich, weder bezüglich ihrer Amplitude

noch bezüglich ihier Phase. Daher werden sie mit abnehmenden Amplituden und wechselnden relativen Phasen dargestellt. Das Wirkliche Ausgangssignal E' ist deshalb durch die Summe der Vektoren 0-Γ, I'-2' usw. gegeben. Das tatsächliche Ausgangssignal beini 5 maximalen Eingangssignal wird durch die Vektorsumme aller Inkremenle ί'-8'gebildet und in Fig. 5 B durch den Vektor E' dargestellt. Die Veklofdifferenz 1/' zwischen dem urivcrzerrteh Ausgangssignal E Und dem tatsächlichen Ausgangssignal E' stellt die maximale, von dem Verstärker eingeführte Verzerrung dar Bei Vorwärtskompcnsations-Verstärkern nach dem Stand 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 Hauplverslärkers werden als Kriterien genommen, an welchen der Fehler gemessen wird. Eine Abweichung des Verstärkungslaktors oder der Fiiase mit Zunahme des Signalpegels wird als Fehler betrachtet und ein entsprechendes Fehlerkorrektursignal in den Hauptsignalkanal eingegeben. Dieses Fehlersignal wird dem tatsächlichen Signal zugefügt. Um das korrigierte Ausgangssignal zu erzeugen. Unter erzeugter Bezugnahme auf Fig. 5 B ist beim niedrigsten gezeigten Pegel das tatsächliche Signal I' gleich dem unverzerrten Signal 1, so daß kein Fehlerkorrektursignal gebildet wird. Wenn das Eingangssignal auf den Pegel 6 ansteigt, muß beispielsweise ein Fehlersignalvektor a" dem Ausgangssignal E" zugefügt werden, um das korrekte Ausgangssignal 6 zu ergeben. In ähnlicher Weise wird ein Fehlerkorrektursignal a' beim Pegel 8' benötigt, um das richtige Ausgangssignal 8 zu bilden. In jedem Fall führt die Korrektur zu einer Signalphase, die der Signalphase bei niedrigem Signalpegel entspricht, wie dieser durch die Signale I und I' dargestellt wird. Es kann jedoch gezeigt werden, daß bei dieser Korrekturbedingung die Leistung des Fehlerverstärkers nicht wirkungsvoll ausgenutzt wird, indem ein Anteil der Leistung im Abschlußwiderstand 20. der mit dem Pol 4 des Ausgangskopplers 17

Als Ergebnis dieses Leistungsverlustes im Ausgangskoppler wird die Ausgangsleistung eines Vorwärtskompensationsverstärkers verringert. Während dieser Ausgangs verlust durch eine Verstärkung der Ausgangsleistung des Fehlerverstärkers aufgefangen werden kann, soll daran erinnert werden, daß gerade die Qualitäten des Fehlerverstärkers die Gesamtgüte des Vörwärtskompensationsverstärkers als Ganzes jo ausmachen. Demgemäß ist der Fehlerverstärker vorzugsweise ein leistungsschwacher Verstärker hoher Güte. Wenn zwar die Ausgangsleistung des Fehlerverstärkers vergrößert werden kann, um die durch den Vorwärtskompensationsverstärker gegebenen Anforderungen zu erfüllen, würde diese Maßnahme zu einer Verschlechterung des Fehlerverstärkers und daher wiederum zu einer Verschlechterung des Gesamtverstärkers führen. Diese Maßnahme führt demnach nur zur Verschleierung der Schwierigkeit, jedoch nicht zu deren Lösung.

Die vorliegende Erfindung sucht diese Beschränkungen zu vermeiden, indem der Bezugsstandard, gegen den der Fehler gemessen wird, neu definiert wird. Insbesondere wird der Fehlerbezug im Hinblick auf Bedingungen bei gewissen speziellen hohen Pegeln aufgestellt, beispielsweise für maximale Ausgangsleistung, und nicht mit Rücksicht auf Bedingiingen bei geringen LcistungspegeSn, wie bisher. Daher sverden, unter Bezugnahme auf F i g. 6< die auf den Ausgangsköppler 17 einwirkenden Signale und die fCopplefpärameter in Betracht gezogen und auf dem Ausgangssignalpegel 8 gemäß Fig. 5B definiert, und dieser Sighalpegcl wird zum Zwecke der vorliegenden Erläuterung als der maximalen Ausgangsleistung des Haüplverstärkers entsprechend angesehen. VoF Beginn dieser Erläuterung sollen jedoch die Eigenschaften eines passiven, reziproken Reaktanz-Viefpöl-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:

M =

S₃₂

O O

Hierbei bezeichnet die verallgemeinernde Bezeichnung S₁J die Kopplung zwischen dem /-ten und dem /-ten Pol. Da der Koppler ein reziprokes Reaktanz-* netzwerk ist, ist S,_v = S^₁- und insbesondere

= Is₃₁I = Is₂J =

hierbei ist t der Übertragungskoeffizient der»Durch«- Signalkomponente. Weiterhin gilt

Is₁₄I = Is₄₁I = Is₂₃I = Is₃₂I =

(2)

wobei k der Kopplungskoeffizient 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 Vrtrvtilor octimmolrtcrK oUerroKtlrie** jcf tritt MnP PKa-

sendifferenz 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

(3)

wobei 6_ik = 0 ist, wenn i ψ k und />_ik = 1 ist, wenn t = ic ist.

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

S₁₃Sr₃ + S₂₃Si₃ = 1 - (4)

Daraus folgt, daß

Is₁₃I² + Is₂₃P = 1 - (5)

Auch gilt beispielsweise

Sf₃Sj₄ + Sf₃S₂* = 0 (6)

S₁₃Si₃ + S^ =0. (7)

Uhlör erneuter Bezugnahme auf F i g. 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 Feh-Ierkorreklufsignal c zugeordnete Leistung an den Pol 2 ί/rvygekoppelt werden, daß diese Eingangssignale im Ausgangspol 3 miteinander kombiniert werden. ti in das Atisgangssignal E zu erzeugen, und daß keine Leistung in dem ohmschen Abschlußwidersland 20, welcher an den Kopplerpol 4 angeschlossen ist, verbraucht wird.

Wenn die beiden zuvor angerührten Bedingungen an Hand der unterschiedlichen Signale ausgedrückt werden, wird folgendes erhalten:

+ rS

VS₁

= 0.

(81

(9)

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

VS,

r = -v

S₂,

(10)

(in

Wenn der Zähler und Nenner des zweiten Ausdruckes der Gleichung (11) mit SJ₄ multipliziert wird, erhält man

VS₂₃JS₁₁S^i

C C*
^ύ2Λ^Λ2Λ

(12)

35

Wenn S₁₄Sf₄ aus Gleichung (7) substituiert wird unter Berücksichtigung von

wira ernaiten:

VS₁₃ + VS₁₃J^y = E.

was vereinfacht werden kann zu

VS_i3 = ElS₂₄P.

(13)

(14)

Da VS_n die Komponente des Hauptkanalsignals ist, welche an dem Ausgangspol 3 auftritt, und zwar entsprechend dem Signal E' in Fig. 5B. und da Is₂₄I² eine reelle Zahl ist, stellt Gleichung (14) fest, daß E' und das Ausgangssignal E in Phase sind.

Die mit dem Pol 3 gekoppelte Komponente des Fehlerkorrektursignals wird durch Substituieren von £|S₂₄p an Stelle von KS₁₃ in Gleichung (8) abgeleitet und nach rS₂₃ aufgelöst. Dies ergibt

rS₂₃ = E-ElS₂₄P U5)

VS₂₃ = E(I-IS₂₄P) = ElS₁₄P. (16)

Die neuen Signalverhältnisse, wie sie durch die Gleichungen (14) und (16) definiert werden, sind in F i g. 7 dargestellt. Die F i g. 7 umfaßt, ebenso wie Fi g. SB, die unverzerrten Sigmilinkremenie 1^8 Und die tatsächlichen Sighaiinkfemente (ZUwachsbefräge) Γ-8'. In F i g. 7 wird jedoch das Fehlerkorrektur^ signal //'= rS₂j nunmehr in Phase mit dem Signal E' = I⁷S(J zugefügt, urn das richtige Aüsgangssighai E sill erhalten* Dies ist offenbar unterschiedlich von der in F i g, SB gezeigten Arbeitsweise; bei welcher das Fehlerktiffeklufsiprtai E' und das resultierende korrigierte Ausgangssignal E nicht in Phase sind. Dieses Erfordernis der Phasengleichheit bedeutet, daß der Bezugsphasenwinkel. gegen welchen der Phasenfehler gemessen wird, durch die Phase des Ausgangssignals 8' bei höchstem Pegel, und nicht durch den Phasenwinkel des Signals I bei niedrigstem Pegel, wie früher, definiert wird

um ein iviali der Größe des hehlerkorrektursignals bei Zwisehensignalpegeln 1-7 zu erhallen, werden entlang des Vektors E' (in Verlängerung, falls notwendig) Kreise mit den Radien I bis 7 geschlagen und Vektoren /wischen den Punkten V. 2' ... T und den entsprechenden Punkten I. 2 ... 7 entlang des Vektors £' gezogen. Zur Illustration sind zwei derartige Vektoren ,;" und ,;"' für die Pegel 5 und 6 in F i g. 7 eingezeichnet.

Es sei unter Bezugnahme auf die F i g. 7 und 5 B darauf hingewiesen, daß mindestens bei den höheren Signalpegeln die Fehlerkorrektursignale, w ie sie durch die oben konstruierten Vektoren,/', ft" und ,1'" dargestellt werden, kleiner sind als die entsprechenden Fehlerkorrektursignale, wie diese durch die Vektoren a. a" und a" dargestellt sind und zur Wiederherstellung der Signalphase bei niedrigen Pegeln benötigt werden. Dies bedeutet, daß für das gleiche korrigierte Ausgangssignal der Fehlerverstärker nunmehr kleiner gemacht werden kann. Oder, bei anderer Betrachtungsweise, kann für einen Fehlerverstärker gieicher Größe nunmehr ein größeres Ausgangssignal erhalten werden. Bei geringen Signalpegeln kann die

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 Vorwärtskompensationsverstärker 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 Signalenergie dem Ausgangspol 3 zugeführt, um das maximale, korrigierte Ausgangssignal £ zu erzeugen, wenn die Signalkomponente V des Hauptkanals und das Fehlerkorrektursignal r durch folgende Ausdrücke gegeben sind:

K =

60

(17)

(18)

Da |S₁₄p ebenfalls eine reelle Zahl ist. stellt die Gleichung (16) fest, daß das Fehlerkorrektursignal VS₂₃ (entsprechend α' in F i g. 5 B) ebenfalls in Phase mit dem Ausgangssignal E ist.

Hierbei ist ν das Fehlerverstärkungssignal bei maximalem Ausgangssignal des Hauptsignalverstärkers.

Nachdem der Ausgangskopplcr und die an diesen anzulegenden Signale definiert worden sind, befaßt sich die verbleibende Erläuterung mit den praktischen Aspeklen des Entwurfs eines Vorwärtskompcnsations-Verslärkers und insbesondere mit dem Entwurf des übrigen Teils des Verstärkers, um die obig definierten Bedingungen zu erfüllen.

In der Praxis wird ein Vorwärtskompensalions-Verstärker, ausgehend Von den verfügbaren Verstärkern, konstruiert. Es wird demnach mit einem speziellen Hauptverstärker, der eine spezielle maximale Ausgangsleistung P₁₁, aufweist, und einem Milfs- oder Fchlcrverstärker ausgegangen, welche ebenfalls eine bekannte maximale Ausgangsleistung P₁ aufweist. Für eine erste Annäherung ist die dem Ausgangskoppler von deni Hauptsignalkanal zugeführte Leistung gleich P,„. Die dem Ausgangskoppler von dem Fehlerverslärker zugefiihrte Leistung ist P_t. Da aiie eintreffende Leistung dem Ausgangspol zugeführt wird, beträgt die totale maximale Ausgangsleistung

P_n =

(19)

V v

(20)

P,n

V¹

si

Dabei gilt

μ _

(21)

(22)

(23)

Hierbei ist t_t die relative Rauschtemperatur des Fehlerverstärkers, m₂₄ der Verteilkoeffizient, welcher die Kopplung zwischen den Polen 2 und 4 des Kopplers 16 definiert, und S₂₄ ist der Verteilkoeffizient, weicher die Kopplung zwischen den Polen 2 und 4 des Kopplers 18 definiert.

Typischerweise weist der Koppler 18 20 bis 30 db auf, so daß die Größe von S₂₄ nahezu eins ist. Wenn

diese Substitution durchgeführt wird, reduziert sich die Gleichung (23) zu

/U₂₄'²

(24)

Gleichung (24) stellt fest, daß, wenn das gesamte Eingangssignal in den Kanal 11 eingeführt wird. el. h., IiI₂₄ = I. die Gesamtrauschlcmperatur / gleich t_t ist. welches die optimale Rauschtemperatur ist. welche erreicht werden kann. Offenbar muß ein Anteil des Eingangssignals dem Hauplvcrstärkcr zugeführt werden. Da jedoch die Verstärkung durch den Hauplverstärker gewöhnlich nicht schwer zu verwirklichen ist. wird der Eingangskoppler mehr im Hinblick auf Rauschzahl als auf Verslärkungsgewinn ausgelegt. Als Beispiel sei angenommen, daß 20% Zunahme der relativen Rauschtemperatur als zulässig betrachtet sverdeii kann. Aus Gleichunc (24) wird erhalten:

, = .' ^r.'« = I = ι ·2ί_ε (25)

¹HI₂₄-

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

oder

Da

1 + 'ε

I + 1 · 2/_t '

Die Kopplerparameter werden dann mit Rücksicht auf das Leistungsverhältnis P₁₁, P, durch folgenden Ausdruck definiert:

!/H₁₄I- +

(26)

(27)

Die Gleichungen (21) und (22) definieren vollständig

Α',η. Ρ··;·£™£ί2- "jfcS \irs~un ' j'crS ·"* "" 'lafid

der maximal erzielbaren Leistung des Hauptverstärkers und des Fehlerverstärkers.

In einem Vorwärtskompensations-Verstärker übersteigt die Rauschzahl des Fehlerverstärkers die Gesamtrauschzahl des Verstärkers. Aus diesem Grund wird der Eingangskoppler vorzugsweise so ausgelegt, daß der Hauptanteil des Eingangssignals 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 Vorwärtskompensations-Verstärkers durch folgenden Ausdruck ungefähr darstellbar ist:

ist. 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 Hi₂₄ = 6/7 und Hi₁₄ = 1 7. Das Letztere entspricht 8,45 db. Typischerweise · würde ein Koppler für 10 db benutzt werden.

Ein Maß für die Verbesserung der Rauschzahl, die mittels des neuen Vorwärtskopplungs-Verstärkers erzielt wei'uen kann, ist uurdi Vergleich uef 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 G₂ des Fehlerverstärkers wird ein Einheitsverzerrungssignal angenommen, welches aus dem Hauptverstärker bei Abwesenheit eines Eingangssignals austritt. Da ein reines Fehlersignal vorliegt, würde ein derartiges Signal kein Ausgangssignal erzeugen. Hieraus macht der Schleifenausgleich erforderlich, daß

= 0.

(28)

Dabei ist s_y der verallgemeinerte Verteilungskoeffizient des Kopplers 18.
Die Auflösung nach G₂ ergibt

60 Q=- ⁵i3^S13

(29)

Das Eingangssignal S₁ des Fehlerverstärkers ist

(30)

gen (18)	>i)id	¹	(29)	wird	erhalten:	I
				ESf₃	S₁3
				.s,j5,.,
				V ^₂J
oder
				52 . ^XI4 .
		"~~ ill L	²³ S₁ ,

Durch Substitution von r und G₂ aus Glcicluin- Hieraus wird abgeleitet, daß

c,„ = ^ [I -IS₁₃I² -Is₁₃I²]. (37) (31) ₅ ^Αΐ3^ύ<·'

Substitution für y_m in Gleichung (35) ergibt

E = I"i-l^ÄJ.i. (38)

•1*3

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

F i g. 8 ist ein Blockdiagramm des Kopplcrs 18

und zeigt die Eirigangssignalc r,„ und 17, die an den _ß _ J7/^|(_'24_ h,. 12 _ 15 12-1 ^\

Polen 1 bzw. 2 anliegen, und die Ausgangssignale V 15 '" S₁₃Sf₃ ^{3 l3} '

und v_r, die an den Polen 3 bzw. 4 entnonifnen werden.

Wenn ein Einhcitseingangssignal angenommen wird, Durch Substitution von i>„, aus Gleichung (33)

wird das Ausgangssignai r-_r Hos Hauptverstärkers 12 und .Auflösung nach .C₂₁ wird folgendes angenähertes durch folgenden Ausdruck gegeben: Ergebnis erhalten:

v„, = Hi₂₃G₁, (33) ²⁰ l

wobei Hi₁J-der verallgemeinerte Verteilungskoeffizient ⁿ "" 1"I₂₃G₁P 2 — |S₁₃|²

des Eingangskopplers 16 und G₁ der Hauptverstär- IhI₂₄J²ISiTF" |S|₃|²

kergcwinn bei maximaler Ausgangsleistung ist.
v„ das Referenzsignal, ist ciniach 25 _{Umer Erinnerun& daß}

v_r - Hi₂₄. (34)

Das Verhältnis zwischen den Ein- und Ausgangs- l^Äi3i + I-^231 ⁼ ' > I'*')

Signalen des Kopplers 18 ist wie folgt:

, -v- fs* ίτο ³° bestimmen die Gleichungen (40) und (4 Ϊ) den Koppler

v„r\i -f Hi₂₄S₂₃ -ν- CO₁₃ (35) jg _vo,|_ständig _{an Hand von} _Sii _des Koppler ₁₇

_l|ncj fernerhin der Leislungsverstärkung G, des Haupt-

■ ρ Verstärkers bei maximaler Ausgangsleistung und Hi₂₃

V₁₁₁S₁₄. + ni₂₄s,₄ = i\ = — —-—²³ '^¹⁴ (36) sowie m₂₄ des Kopplers 16, wobei alle diese Aus-

^13S₁₃ 35 drücke bekannt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

21 üö 95Ö iS Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Leistungsverstärker mit Vorwärtskompensation der Fehlerspannung mit einem ersten Signalweg und parallel hierzu einem zweiten Signalweg, wobei der erste Signalweg, in Kaskade, einen Hauptsignalverstärker und ein erstes Zeitysrzögerungsnetzwerk umfaßt, während der zweite Signalweg, in Kaskade, ein zweites Zeitverzögerungsnetzwerk und einen Fehlerverstärker aufweist, mit einem ersten Richtungskoppler zur Aufteilung des Eingangssignals in zwei unterschiedliche Signalkomponenten und zur Kopplung jeweils einer Komponente an den Eingang des zugehörigen Signalweges, mit einem zweiten Richtungskoppler zur Kopplung eines Teils des Ausgangssignals des Hauptsignalverstärkers an den Eingang des Fehlerverstärkers, sowie mit einem dritten Richtungskoppler zur Verbindung der Signale der beiden Signalwege, dadurch gekennzeichnet, daß der dritie Richtungskoppler (17) die Signale in zeit- und phasengerechter Weise an seinem Ausgangspol (3) bei einem Signalpegel miteinander vereinigt, der dem maximalen Ausgangssignalpegel entspricht oder diesem angenähert ist.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Richtungskoppler (17) zwei Paare konjugierter Pole (1-2, 3-4) aufweist, daß die Signale des ersten und zweiten Signalwegcs an den konjugierten Polen (1 und 2) zugeführt werden r.nd da Ausgangssignal von dem Pol (3) eines z'veiten Paares konjugierter Pole (3 und 4) abgenomme · wird und daß die Kopplungsparameter (S₁₃ undS₂₃)durch folgenden Ausdruck gegeben sind: