DE2435708A1 - Verstaerkerschaltung - Google Patents

Description

Anmelder: Nippon Electric Company, Ltd.
33-1, Shiba G-ochome, Minato-ku Tokyo / Japan

Mein Zeichen:

Amtl. Akt. Z.:

- 535

Verstärkerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung mit zwei, jeweils zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Hybridschaltungen j, in denen ein den Eingängen zugeführt es Signal in zwei Komponenten zerlegt wird, welche mit einer Phasendifferenz von 90 an den entsprechenden Ausgängen erscheinen, und mit zwei Verstärkern, welche zwischen dem ersten Ausgang der ersten Hybridschaltung und dem ersten Eingang der zweiten Hybridschaltung bzw. zwischen dem zweiten Ausgang der ersten Hybridschaltung und dem zweiten Eingang der zweiten Hybridschaltung liegen.

Diese bekannten VerstärkerschiLtungen sind ungeeignet zur Verbesserung der Leistungskapazität, weil bei ihnen die eingegebenen Signale von der ersten Hybridschaltung in zwei Komponenten zerlegt werden, welche von den beiden Verstärkern verstärkt und danach von der zweiten Hybridschaltung wieder kombiniert werden. Dabei bleibt trotz Verwendung von zwei

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Verstärkern der Verstärkungsfaktor gleich groß, obwohl · die gesamte Leistungskapazität erhöht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstärkerschaltung zu schaffen, bei welcher die Leistungskapazität proportional zur Anzahl der verwendeten Verstärker ansteigt und der Verstärkungsfaktor auf einen Wert erhöht wird, welchen man durch eine Kaskadenschaltung der gleichen Anzahl von Verstärkern erhalten würde.

Diese Aufgabe ist bei Verstärkerschaltungen der eingangs genannten Art gelöst durch eine Rückkopplung zwischen dem zweiten Ausgang der zweiten Hybridschaltung und dem zweiten Eingang der ersten Hybridschaltung.

Diese Verstärkerschaltung weist den Vorteil auf, daß sie bei Verwendung zweier parallelgeschalteter Verstärker die doppelte Leistungskapazität aufweist und einen erhöhten Verstärkungsfaktor, welcher demjenigen einer Kaskadenschaltung aus den beiden Verstärkern entspricht.

Die Hybridschaltung kann aus einem Viertelwellenlängen-Rich- tungskoppler, aus einem Zweigleitungs-Richtungskoppler oder aus einem Richtungskoppler mit Koppelschlitz bestehen. Die Hybridschaltung kann zwei zueinander konjugierte Eingänge und zwei zueinander konjugierte Ausgänge aufweisen. Bei die-

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sem konjugierten Verhältnis kann ein 3-dB-Koppler verwendet werden, in welchem die Eingangsleistung in zwei Komponenten in einem Verhältnis von 1:1 und mit einer Phasendifferenz von 90 zerlegt wird. Die Erfindung ermöglicht auch die Verwendung eines anderen Hybriderichtungskopplers mit einem 90°-Phasenschieber, der mit einem Ausgang des Hybriderichtungskopplers verbunden ist und eine Signalleistung liefert, welche in einem Verhältnis von 1:1 geteilt ist und eine Phasendifferenz von 180 aufweist, so daß Ausgangskomponenten der Signalleistung mit einer Phasendifferenz von 90 erzeugt werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen«

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine bekannte Verstärkerschaltung mit Hybridschaltungen und mit Verstärkern, ■

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Verstärkerschaltung mit Hybridschaltungen, mit Verstärkern und mit

einer Rückkopplung,

Pig. 3 die Verstärkungskennlinien der Verstärkerschal tungen der Pig« 1 und 2 in Abhängigkeit von der Frequenz;,

Pig. 4 die Ausgangsleistungen der Verstärkerschaltungen der Fig, 1 und 2 in Abhängigkeit von der Eingangsleistung,

Pig. 5 ein anderes Auaführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung,

Pig. 6 eine Verstärkerschaltung, deren Rückkopplung einen Richtungsleiter enthält, und

Pig. 7 eine Verstärkerschaltung, deren Rückkopplungs-

leitung ein Dämpfungsglied enthält.

In Pig. 1 ist eine bekannte Verstärkerschaltung dargestellt, in welcher Verstärker 1 und 2 mit den Ausgängen 32 bzw. 33 einer Hybridschaltung 101 verbunden sind. Die Ausgänge der Verstärker 1 und 2 sind mit den Eingängen 35 bisw« 38 einer zweiten Hybridschaltung 102 verbunden» An einem Eingang 34 der Hybridschaltung 101 und an einem Ausgang 36 der Hybridschaltung 102 sind reflexionsfreie Aasdilußelemente 21 bzw. angeschlossen.

Wem an dem Eingang 31 eier Hybridschaltung 101 eine Welle mit der Amplitude a einfällt, erscheint an den Ausgängen 32 und 53 eine durchdringende Welle mit der Amplitude a //IT₉ Die Phase der durchdringenden Welle an dem Ausgang 32 eilt derjenigen der durchdringenden !felle sai fies Anssgsaig 53 vm IC/2 ^&d vor· (Im folgenden xirü die SLMieit ®t&&® des? Simse förtgs-

lassen) Fällt dagegen an dem Eingang 34 eine Welle mit einer Amplitude a_Q ein, so erscheint an den Ausgängen 32 und 33 jeweils eine durchdringende Welle mit einer Amplitude a //2*1 In diesem Fall eilt die durchdringende Welle am Ausgang 33 derjenigen am Ausgang 32 um die,Phase 7^/2 vor. In ähnlicher Weise erscheint dann, wenn am Eingang 35 der Hybridschaltung 102 eine Welle mit einer Amplitude a einfällt, an deren beiden Ausgängen 36 und 37 jeweils eine durchdringende Welle mit der Amplitude a_Q//2". Die durchdringende Welle am Ausgang 36 eilt derjenigen am Ausgang 37 um die Phase 3&/2 vor. Fällt dagegen am Eingang 38 der Hybridschaltung 102 eine Welle mit der Amplitude a ein, so erscheint an den Ausgängen 36 und 37 eine durchdringende Welle mit der Amplitude a A/7«, In diesem Fall eilt die durchdringende Welle am Ausgang 37 derjenigen am Ausgang 36 um die Phase JC/2 vor₀

Es wird jetzt angenommen, daß die einfallende Welle am Eingang 31 mit einer Amplitude a und einer Phase cf_Q steht und daß die Phasennacheilung <Λ der vom Eingang 31 zum Ausgang 33 durchdringenden Welle gleich derjenigen der vom Eingang 34 zum Ausgang 32 durchdringenden Welle ist. Die am Eingang 31 einfallende Welle erscheint dann am Ausgang 32 als durchdringende Welle mit einer Amplitude a_o//2~ und mit einer Phase ψ + ty. - %/2, und am Ausgang 33 als durchdringende Welle mit einer Amplitude o._Q/sf2 und einer Phase *f + ^ · Es wird darauf hingewiesen, daß die Verstärker 1 und 2 lineare Verstärker mit gleichen elektrischen Kennlinien sind, mit einer

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Amplitudenverstärkung G (oder Leistungsverstärkung G²) -and einer auf der Signalfortpflanzung vom Eingang zum Ausgang beruhenden -Phasenversögerung φ?·: - Bei dieser Verstärkerschaltung erscheint am Eingang 35 eine den Verstärker 1 durchdringende stehende Welle mit der Amplitude Sa 1/2 und mit einer Phase <f_Q+ ^ + ^₂ ~ TQ2.» und am Eingang 38 erscheint eine den Verstärker 2 durchdringende stehende Welle mit einer Amplitude Ga_Q//2" und mit einer Phase f_Q+ % + ^₂* ^{Die H}y^bri#" sohaltung 102 hat die gleichen Kennwerte wie die Hybridschaltung 101. Folglich erscheint, von dem Eingang 35 kommend, an dem Ausgang 36 der Hybridschaltung 102 eine durchdringende Welle mit einer Amplitude Ga_Q/2 und mit einer Phase f_Q + 2^ +^₂ -X% während am Ausgang 36, vom Eingang 38 kommend, eine durchringende Welle mit einer Amplitude Ga_Q/2 und mit einer Phase ¹Pq + 2^ + <jP₂ erscheint. Die beiden durchdringenden Wellen, welche am Ausgangsanschluß 36 erscheinen, weisen also eine Phasendifferenz Tt* auf und löschen sich gegenseitig aus, so daß an diesem Ausgang kein Signal vorhanden ist»

Während am Ausgang 37 der Hybridschaltung 102, vom Eingang 35 kommend, eine Welle mit einer Amplitude Ga_o/2 und einer Phase Yq + 2^ + y₂ - TC/2 erscheint, erscheint am Ausgang 37, vomEingang 38 der Hybridschaltung 102 kommend, eine Welle mit einer Amplitude Qa₀/2 und einer Phase ^₀ + 2^j + ψ₂ -7C/2. Diese beiden durchdringenden Wellen stehen, also mit derselben Phase 9n ^{+ 2}^ ⁺ Ψζ ~ ^^{2 3}^¹¹ ^-¹¹³S⁸¹¹¹S 37, und die Amplitude

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Ga ist doppelt so groß wie die Amplitude jeder einzelnen durchdringenden Welle.

Bei der bekannten Verstärkerschaltung bleibt also, wie oben beschrieben wurde, trotz der Verwendung zweier Verstärker 1 und 2 der Verstärkungsfaktor gleich groß, obwohl die gesamte Sättigungsleistung relativ zu der Sättigungsausgangsleistung der Verstärker 1 und 2 verdoppelt wurde.

Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Verstärkerschaltung, welche anhand der Fig. 2 beschrieben wird, vermieden.

In der 3Pig» 2 ist eine Rückkopplung eingezeichnet, welche aus einer Verbindung des Ausgangs 37 der zweiten Hybridschaltung 102 mit einem sweiten Eingang 34 der ersten Hybridschaltung 101 besteht» Dem Eingang 31 wird eine einfallende Welle angeführt„und an dem Ausgang 36 wird eine durchdringende Welle abgeleitetο Diese Verstärkerschaltung enthält keine den Elementen 21 und 22 der Eig_o 1 entsprechenden reflexionsfreien Anschlußelemente. Die am Ausgang 37 erscheinende Welle hat eine Amplitude Ga_Q und eine Phase ψ₀ + 2c^ + cf^ - X/2, wie in der Verstärkerschaltung der Mg₀ 1» Diese Ausgangswelle wird zu äem Eingang 34 der Hybridschaltung 101 über die RUckkopplungsleitung 11 rückgekoppelte

Sari Sa /7 O <ö/ U © / y /J

Die rückgekoppelte, am Eingang 34 einfallende Welle erscheint am Ausgang 32 als durchdringende Welle mit einer Amplitude Ga //? und einer Phase ^f₀ ♦ 3^j + %_ "7C/2_S mad am -Ausgang 33 als durchdringende Welle mit einer Amplitude (x&₀//2 und einer Phase ^ + 3«$| + «f₂ - %. ^Η1η*©^ ^den Verstärkern 1- und 2 haben diese Wellen aa Eingang 35 eine Amplitude G a_Q/2 und eise Phase ^cJq + 3^j + 2^ - X/Z vaaä am Eingang 38 eine Amplitude G²a₀/2 und eine. Phase ψ_ο + 3^ + Ζψ₂ -%. Diese Wellen erscheinen am Ausgang 36 mit einer Amplitude G- a /2 und einer Phase ^cf_Q + 4«ζ + 2t| - IC* Biese beiden Wellen sind phasen-

2 gleich, und weräea am einer Welle mit eiaer Amplitude G- a und einer Phase S^q + 45ßj + 2«|, -Τίaddierte Am Ausgang 37 dagegen steht, Tom Eingang 35 koiiaendj eine Welle mit einer Amplitude Cr^e"a_o/2 und einer Phase ^cf_Q + 4^ + 2.ψ_ζ - X/2 und, #om Eingang 38 lcoimend_f eine !felle mit elnex Amplitude G- a_Q/2 nrnd einer Phase ^q + 4¹^ + 2c^ - 3/2 TC. Biese "beiden, am Ausgang 37 erscheinenden Wellen halben also eine Phasendifferenz JC

so
mid löschen sich, gegenseitig aus,/daß an diesem Ausgang kein Signal entsteht· Es wird also kein Signal über die Rückkopplungsleitung 11 zur Eingangs sei te simiökgekoppelt „

Wean, man annimmt, daß die Verstärker 1 imd 2 ©Ine Sättigungsausgangsleistung 3Ps(W) j&atoen, dam siad ©ie gesättigt, wenn

an den beiden Ausgängen 35 «ad 38 ©is© Msgasigslsistiaiig 3Ps(W) ersdisint β Ia dloseaa 3b.ll wi&eß. den Ansgsmg ©lsi© AuSgSaIgBlSi¹-g 2Ps{¥) zugefügt ₀ if©lela.s eil© zkas!gS3igsl©iü3t«E.g de? in

schaltung hat also eine Sättigungsausgangsleistung, welche zweimal so groß wie diejenige einer Verstärkerschaltung mit einem Verstärker 1 oder 2 ist₀

Die Verstärkerschaltung der Figo 2 liefert also eine Verstärkung wie eine Kaskadenschaltung der Verstärker 1 und 2 und eine Sättigungsausgangsleistungg welche doppelt so groß, (oder 3 dB) ist wie diejenige einer Schaltung mit einem einzigen Verstärker 1 oder 2_S d_eh_es) die Leistungskapazität dieser Schaltung ist insgesamt verdoppelt_o

Die Figo 3 und 4 aeigen die Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz bsw_e die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Biiigangsleistung der Verstärkersohalttoigen, welche in den Figo 1 und 2 gezeigte 1 _s7-GrHz-!ramsistorverstärker-enthaltene Diese Verstärkerschaltungen sind integrierte Mikrowellenschaltungen;, welche HybridschaTtaigen 101 und 102 und Verstärker 1 und 2 enthalten^ \^alche nach der Dünnfilmtechnik aus einem keramischen Substrat hergestellt sind. Die Rückkopplungsleitung 11 besteht aus einem Koaxialkabel. Zur leichteren Herstellung der integrierten Schaltung werden a Is Hybridschaltungen 101 und 102 jeweils ein 3-dB-Richtungskoppler verwendet_g itfelcher aus zwei Viert elweüQsnlängen-Richtungskopplern mit ungefähr 8₉3 dB (Volt) besteht _ΰ welche in Kaskade geschaltet sind₀ Experimente haben ergeben, daß die Phasendifferenz zwischen den Signalkomponent©n_s welche von diesen

Richtungskoppler!! geteilt werden, in einem Band_s das über 1,2 bis 2*2 GHz hinausgeht, X/2 beträgt· Die Yerstärker 1 und 2 sind einstufige Emitterschaltungen,, welche {Transistoren 2S01272 enthalten, welche von der Nippon Electric Company hergestellt werden« Dieser Verstärker hat Kennlinien^ welche den Kurven 301 in Pig_e 5 und 304 in Pig» 4 entsprechen« Ir hat 25.B. bei einer Frequenz Ton 1,7 GHz eine Verstärkung tos. 5 dB und eine Sättigungsausgangsleistung von +20 dBm. Die in Fig. 2 gezeigte Verstärkerschaltung weist den Kurven 302 der Pig. 3 und 305 der Pig» 4 entsprechende Kennlinien auf. Bei entsprechenden Experimenten-wurde eine Verstärkung von ungefähr 10 dB und eine Sättignmgsaiasgangsleistimg von ungefähr +23. dBm festgestellt, obwohl ein Einfluß eiaee Verlustes in der Hybridschaltung festgestellt wurde. Die in Fig. 1 geseigte, bekannte Verstärkerschaltung hatte die durch die Kurven 503 der Pig. 3 und 306 der Figo 4 gezeigten Kennlinien*» Aus diesem Vergleich geht hesYOT₉ daß die Sättigungsausgangsleistung bezüglich des Verstärkers 1 oder 2 um ungefähr 3 dB erhöht wurde, während die Verstärkung um einen Wert verringert wurde, welcher dem Verlust In der Hybridschaltung esatsprash«,

Die Leistungskapazität und die Verstärkung können weiter verbessert werden.,, wean die Verstärkerschaltung dex⁵ Pig. 2 als ein Verstärker verwendet wird und wenn Hybridschaltungen wie in der Pig* 2 verwendet werden« Bs lcönnen insbesondere, wie in Pig» 5, Verstärker 201 und 202 Jeweils zwisoiien den

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Ausgängen 42 und 43 einer Hybridschaltung 105 und zwiechen den Eingängen 44 und 45 einer Hybridschaltung 106 geschaltet werden« Diese Verstärker sind genauso aufgebaut wie die Verstärkerschaltung der Fig₀ 2_g und in der Fig. 5 sind die gleichen Teile auch mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnete Die Hybridschaltung 105 weist zwei Eingänge 40 und 41 auf ₉ und die Hybridschaltung 106 weist zwei Ausgänge 46 und 47 auf, Von dem Ausgang 47 ist eine RückkopplungB-leitung 13 zu dem Eingang 41 vorgesehen.

Es wird jetzt angenommen., daß die Kennlinien der Verstärker 201 und 202 gleich denen der Verstärker 1 und 2 der Fig. 2 und daß die Kennlinien der Hybridschaltung®!! 105 "und 106 gleich denjenigen der Hybri&sohaltungen 101 und 102 dar Fig. 2 sindο In diesem Fall erscheint _s asmlog sraa Betrieb der Verstärkerschaltung der I⁵Ig₀ 2_ΰ eine am Eingang 40 mit einer Amplitude a und einer Phase ψ₀ einfallende Welle, am Ausgang 46 mit

einer Amplitude G^₀ -und eln@T Phase ψ₀ + 12^ * 49£ - 3%· Bei gesättigten Verst.. -icem 201 und 202 erscheint am Auegaag 46 eine Ausgangsleistung 4j?s(W)° Die Leistungskapazität der Verstärkerschaltung der !Figo 5 ist also viermal so groß wie die-· .jenige dsr lierkömmlSien Verstärkerschaltung^ und ihr Verstärlimigsfslctcr ist genauso groß wia bei ©iasr Kaskadenschaltung der vier Verstärker_o

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der Verstärkungsfaktor entsprechend vergrößert werden.

Bei den "beschriebenen Anordnungen wurde einer der beiden Ausgäiige der ausgangsseitigen Hybridschaltung zur Bildung einer Rückkopplung direkt mit einem der beiden Eingänge der eingangsseitigen Hybridschaltung direkt verbunden. Stattdessen kann zur Stabilisierung des Verstärkungsbetriebes auch eine Schaltungsanordnung wie in Fig. β verwendet werden. Bei dieser Schaltungsanordnung liegt ein Richtungsleiter 80 in der Rückkopplungsleitung, so daß lediglich vom Ausgang 37 zum Eingang 34 hin ein Signal fortgepflanzt werden kann, nicht jedoch in umgekehrter Richtung® Es ist auch möglich, wie in Pig. 7» ein Dämpfungsglied 81 in die Rückkopplungsleitung einzuschalten, wodurch die Rückkopplungsleitung geschwächt und der Verstärkungsfaktor entsprechend reduziert wird, "wodurch aber andererseits der Betrieb der Verstärker stabilisiert wird.

Claims (1)

1. Ansprüche:

   Verstärkerschaltung mit zwei, jeweils zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisenden Hybridschaltungen, in denen ein den Eingängen zugeführtes Signal in zwei Komponenten zerlegt wird·, _: welche mit einer Phasendifferenz von 90° an den entsprechenden Ausgängen erscheinen, und mit zwei Verstärkern, welche zwischen dem ersten Ausgang der ersten Hybridschaltung und dem ersten Eingang der zweiten Hybridschaltung bzw. zwischen dem zweiten Ausgang der ersten Hybridschaltung und dem zweiten Eingang der zweiten Hybridschaltung liegen, gekennzeichnet durch eine Rückkopplung (11, 13) zwischen dem zweiten Ausgang (37, 47) der zweiten Hybridschaltung (102, 106) und dem zweiten Eingang (34, 41) der ersten Hybridschaltung (101, 105).

   2ο Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridschaltungen (101, 102, 105, 106) Richtungskoppler sind.

   3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung (11) ein Dämpfungsglied (81) enthält.

   4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplung (11) einen Richtungsleiter (80) enthält.

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