DE2912757A1

DE2912757A1 - Verstaerkungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2912757A1
Application number: DE19792912757
Authority: DE
Inventors: Timothy Alan Harrington
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-04-17
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1979-10-18
Also published as: IT1162469B; CA1134918A; US4165493A; GB2019142B; IT7948701A0; JPS5823774B2; GB2019142A; FR2423919A1; JPS54145418A

Description

78-T-3499 (7377/GERM)

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, 2230 East Imperial Highway, El Segundo, CA 9O245, V.St.A.

Verstärkungsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für einen HF-Verstärker gegenüber einem Ausfall durch ungeeignete Antennenbelastungen.

Wenn ein Leistungsverstärker mit zahlreichen Bauarten automatisch abgestimmter Antennenkupplungsvorrichtungen in Mehrfach-Schaltanordnungen zusammengeschaltet ist, so wird es erforderlich, soviel Leistung wie möglich in veränderbare VSWR-Lasten einzugeben, um das Abstimmen zu gestatten, wobei gleichzeitig die Ausgangsvorrichtungen des Verstärkers gegenüber Ausfall geschützt werden. Dieser Überlastungsschutz ist bei Festkörpervorrichtungen außerordentlich wichtig. Das hier beschriebene Konzept gestattet die Maximierung der Ausgangsleistung in einem großen Bereich von VSWR-Lasten, um die Antennenkopplungsvorrichtungsabstimmung zu gestatten, während gleichzeitig die Integrität der Verstärkerkomponenten aufrechterhalten bleibt.

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Der Stand der Technik wird gut durch die folgende Literaturstelle repräsentiert: Electronic Design; Artikel vom 4. Jan. 1975, beginnend auf Seite 110. Im allgemeinen sieht der Stand der Technik vor, daß die Endverstärkerkollektorströme, die Temperatur, VSWR, die Verstärkerspitzenausgangsspannung oder einige Kombinationen dieser Größen abgefühlt werden. Die festgestellten Werte werden dazu verwendet, um den Treiberpegel einzustellen, um so diese Werte auf einem annehmbaren Niveau zu halten. Dieses annehmbare Niveau ist notwendigerweise hinsichtlich der Fähigkeiten des Verstärkers unnötig konservativ.

Wenn man die Zusammenhänge untersucht, so ergibt sich, daß dann, wenn ein Verstärkerausgangsstufenausfall durch Lastvariation bei einem bedingungslos stabilen Verstärker auftritt, dieser Ausfall entweder auf eine thermische oder spannungsmäßige Überlastung bei den Ausgangsstufenvorrichtungen zurückzuführen ist. Ferner wird es normalerweise als äußerst zweckmäßig und wünschenswert angesehen, in der Lage zu sein, die Leistungsabgabefähigkeit in die Last zu maximieren, ohne Nachteile am Verstärker zu erhalten. Wenn man somit nicht einfach die Leistungsausgangsgröße um irgendeine vorgeschriebene Größe für jeden möglicherweise zerstörenden Zustand reduzieren will, so muß die VorrichtungsVerlustleistung als ein Parameter in veränderbarer Weise derart gesteuert werden, daß die Leistungsabgabe in die Lasten maximiert wird, die einen großen VSWR-Bereich besitzen. Wenn die VorrichtungsVerlustleistung in Verbindung mit der Vorrichtungsausgangsklemmen-Augenblicksspannung gesteuert wird, so kann der Ausfall der Ausgangsstufenvorrichtungen verhindert werden. Der Stand der Technik gibt keine Lehre für die ordnungsgemäße Überwachung dieser beiden Größen, nämlich der Vorrichtungsverlustleistung und der Augenblicksausgangsspannung, so daß dort die Ausgangsleistung für unterschiedliche Lastbedingungen nicht optimiert wird.

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Die Erfindung hat sich somit zum Ziel gesetzt, eine Verstärkervorrichtung vorzusehen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 ein schematisches Schaltbild des ALC(automatische Pegelsteuerung)-Blockteils der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Filter-, Richtungs-Wattmeter- und Dämpfungs-Teile der Blöcke in Fig. 2;

Fig. 4a und 4b,c,spezielle Schaltbilder für die erfindungsgemäßen HF-Verstärker- und Detektor-Teile der Fig.

In Fig. 1 liefert ein Eingangsleiter 10 HF-Signale an ALC-Block-Verstärkungssteuermittel oder eine Rückkopplungssteuervorrichtung 12. Diese Steuervorrichtung besitzt die den ALC-Steuervorrichtungen (ALC = automatic lever control = automatische Pegelsteuerung) eigene Kennlinie mit schneller .Ansprech- oder Einschwingzeit und langsamer Abklingeigenschaft. Die HF-Signale können (Injektions-) Trägersignale sein für den Zweck der Abstimmung der Vorrichtung oder es können modulierte Signale sein, die Information für die Radioübertragung zu einem Empfänger aufweisen. Eine Ausgangsgröße des ALC-Blocks wird auf einem Leiter 14 an einen HF-Verstärker 16 geliefert. Auf Leiter 18 wird eine Steuereingangsgröße an den ALC-Block 12 angelegt und demgemäß werden die Eingangssignale am Eingang 10 in ihrer Amplitude entsprechend der Eingangsgröße auf Leitung 18 modifiziert, bevor sie auf Leiter 14 abgegeben werden.

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Der HF-Verstärker 16 liefert eine Signalausgangsgröße auf Leiter 20 an ein Tiefpaßfilter 22, welches Signale auf einem Leiter 24 an ein Richtungswattmeter (richtungsmäßig empfindliches Wattmeter) 26 liefert. Wie dargestellt, liefert der HF-Verstärker 16 ein Abfühlsignal auf einem Leiter 28 an einen gestrichelten Block 30, der einen Kollektorspannungsdetektor 32 und eine Diode 34 umfaßt. Die Signale auf Leiter 28 repräsentieren die Augenblicksspannung an den Kollektoren der Ausgangsstufe des Verstärkers, und diese Signale werden dazu verwendet, um eine Anzeige der hohen induzierten Spannungen vorzusehen, die einen Spannungsdurchbruch der Ausgangstransistoren hervorrufen könnten. Ein Abfühlleiter 36 vom HF-Verstärker 16 liefert ein die Augenblicksstromeingangsgröße angebendes Signal an die Ausgangsvorrichtungen des HF-Verstärkers 16 und wird an einen Durchschnitts-Eingangsleistungsdetektor 38 angelegt. Der Durchschnitts-Eingangsleistungsdetektor 38 empfängt die Eingangsleistung von einer Leistungsversorgungsklemme 40. Ausgangssignale vom Durchschnitts-Eingangsleistungsdetektor 38 werden an eine Subtrahierschaltung (auch bezeichnet als Verlustleistungsdetektor) 42 angelegt, die eine Ausgangsgröße über eine Diode 44 an einen Leiter 46 anlegt. Ein im ganzen mit 48 bezeichneter Schalter liefert die Signale zurück zum Leiter 18 dann, wenn sich der Schalter im TIP-Zustand befindet. In der Zeichnung befindet sich der Schalter im TIP-Zustand. Das Richtungswattmeter 26 liefert Ausgangssignale an einen im ganzen mit 50 bezeichneten Schalter, der eine weitere Stufe des Schalters 48 ist und der über einen Leiter 52 mit einem dritten Schalter 54 in Verbindung steht. Sämtliche Schalter 48, 50 und 54 sind miteinander für gleichzeitigen Betrieb verbunden, und sie befinden sich im TIP-Zustand während des normalen HF-Verstärker-Gebrauchs. Der TIP-Zustand gilt für "Abstimmung im Gange" ("tuning in progress" = TIP) und wird nur verwendet, um den Verstärker zum Gebrauch bei einer gegebenen Betriebsfrequenz vorzubereiten, wobei die Antennenkopplungsvorrichtung versucht, die Impedanzpegel für optimale Bedingungen für diese spezielle Frequenz einzustellen. Wenn

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sich die Schalter im TIP-Zustand befinden, so wird die Ausgangsgröße des Richtungswattmeters 26 an einen Dämpfer 56 geliefert und sodann über Schalter 54 an einen Leiter 58 abgegeben, der mit einem Antennenkoppler 60 in Verbindung steht, dessen Ausgang mit einer Antenne 62 verbunden ist.

Das Richtungswattmeter 26 liefert Ausgangssignale auf einem Leiter 64 an den gestrichelten Block 66, wobei diese Ausgangssignale die Vorwärtsspannung durch das Wattmeter 26 angeben. Im Inneren des Blocks 66 werden die Signale auf Leiter 64 an ene Quadrierschaltung 68 geliefert, welche ein die Leistung angebendes Ausgangssignal auf Leitung 70 an eine Differenzschaltung 72 liefert. Signale, welche die von der Last reflektierte Spannung angeben, werden auf einem Leiter 74 vom Richtungswattmeter 26 in den Block 66 eingespeist, und zwar in eine Quadrierschaltung 76, welche Ausgangssignale auf Leiter 78 an die Differenzschaltung 72 liefert, wobei diese Ausgangssignale die von der Last reflektierte (nicht von der Last verwendete) Leistung anzeigen. Der Block 66 kann als eine Vorwärts-Wirkleistungsschaltung bezeichnet werden, deren Ausgangsgröße auf Leiter 80 den augenblicklichen Unterschied zwischen Vorwärtsleistung und reflektierter Leistung angibt und somit auch die von der Last verbrauchte, an die Last gelieferte oder in der Last verlorengegangene Leistung. Die Signale auf Leiter 80 werden an einen Durchschnittsleistungsdetektor 82 und einen Spitzendetektor 84 sowie einen Hochgeschwindigkeits-Durchschnittsleistungsdetektor 86 (gestrichelt dargestellt) angelegt. Die Hochgeschwindigkeits-Durchschnittsleistungsdetektorschaltung, wie beispielsweise 86, würde mit Vorteil unter solchen Betriebsbedingungen angewandt werden, wo die thermische Zeitkonstante der Verstärkerausgangsvorrichtung wesentlich kleiner ist als die Modulationsperiode, da der Detektor 82 über die Modulationsperiode hinweg mitteln muß, was ihn möglicherweise zu langsam machen könnte, um in ordnungsgemäßer Weise die in einer sich schnell verändernden Last entwickelte Durchschnittsleistung zu verfolgen. Da die Abstimmung nur mit dem Träger erfolgt, muß der Detektor 86 über die Trägerperiode mitteln und wird daher schneller reagieren als der Detektor 82. Ein derartiger Detektor wurde jedoch in der

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vorliegenden Erfindung nicht verwendet, weil die thermische Zeitkonstante der Ausgangsvorrichtungen nicht kurz genug war, um die zusätzlichen Kosten dieses Detektors 86 zu rechtfertigen. Wie dargestellt, kann ein Schalter 88 verwendet werden, um den Hochgeschwindigkeitsdetektor zur Abstimmung einzuschalten, anstatt den Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 für sowohl das Abstimmen als auch normale Betriebsbedingungen zu verwenden. Der Schalter 88 (der mit den anderen Schaltern bei Verwendung des Detektors 86 gekoppelt ist) ist in einem TIP-Zustand dargestellt, wo die Ausgangssignale vom Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 auf einem Leiter 90 an einen zweiten Eingang der Verlustleistungsfeststellschaltung 42 geliefert werden. Signale werden ebenfalls auf einem Leiter 90 über eine Diode 92 an einen Leiter 94 geliefert und ferner über einen Schalter 48 an den Steuereingang von Block 12. Die Ausgangssignale vom Spitzendetektor 84 werden auf einem Leiter 96 über eine Diode 98 an Leiter 94 geliefert. Der Leiter 74 liefert auch die reflektierte Spannung angebende Signale an einen Schwellendetektor 100, der Ausgangssignale auf einem Leiter 102 an eine Wieder-Abstimm-Befehlsleitung liefert, wobei diese Signale auch über eine Diode 104 an Leiter 94 geliefert werden.

In Fig. 2 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 zur Bezeichnung der gleichen Leiter verwendet. Man erkennt, daß Signale auf Leiter 10 angelegt werden und auf Leiter 14 ausgegeben werden, und zwar modifiziert durch einen im ganzen mit 110 bezeichneten Dämpfer, der ein Paar von Stiftdioden 112 und 114 aufweist, deren Stromfluß durch einen Transistor 116 gesteuert wird, der entsprechend voa Steuersignalen auf Leiter 18 arbeitet.

Das in Fig. 3 gezeigte Filter besitzt sechs Betriebsfrequenzbänder, wobei nur Band 1 im einzelnen dargestellt ist. Die anderen Bänder 2-6 sind von ähnlichem Aufbau. Signale werden vom Eingang 20 über einen im ganzen mit 121 bezeichneten Mehrfach-Positions-Schalter angelegt und vom Filter 22 über einen ähnlichen Schalter 123 abgegeben. Die vom Filter 22 abgegebenen Signale werden zum Richtungswattmeter 26 geleitet

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und laufen über einen Leiter 50 zum Dämpfer 56. Dieser Schalter ist in dem TIP-Zustand gezeigt, wobei beim Wechsel zur alternativen Position ein Widerstand 125 in Serie mit den hindurchlaufenden Signalen geschaltet wäre und ein Widerstand 127 die Signale an Erde zur Erreichung der Dämpfung shuntartig schaltet.

In den Fig. 4a, 4b und 4c sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet. Vorwärtsspannungs- und Reflexionsspannungs-Signale werden auf Leitern 64 bzw. 74 an die Vorwärts-Leistungsschaltung 66 angelegt. Diese Leistungsschaltung weist einen Operationsve.rstärker auf, um die Funktion der Subtrahierschaltung 72 vorzusehen. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird eine Linearannäherung der Differenz der Zwei-Quadrat-Funktian verwendet, da dies leichter ausführbar ist. Diese Annäherung wird verwendet und ist auch zulässig, da die Lastimpedanzveränderung durch den Dämpfer während des Abstimmens beschränkt ist. Die Ausgangsgröße der Leistungsschaltung 66 wird sodann an sowohl den Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 als auch den PEP (Peak Envelope Power = Spitzenumhüllungsleistung) -Detektor 84 angelegt. Jede dieser Schaltungen enthält wiederum einen Operationsverstärker. Der Operationsverstärker im block 82 weist ein Potentiometer 150 auf, welches derart eingestellt ist, daß ein entsprechendes Gleichspannungs-Analogausgangssignal auf Leiter 152 erzeugt wird. Dieses Signal wird sowohl an den Verlustleistungsdetektor 42 angelegt,als auch über eine Diode 154 an einen ALC-Verstärker 156 geliefert. Wie man erkennt, wird die Diode 154 und auch andere in Fig. 4 in der umgekehrten Logikrichtung gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Art betrieben. Die ausgeführte Logik ist jedoch noch immer identisch. Der Spitzendetektor 84 liefert auch Signale über eine Diode 156 an den ALC-Verstärker unter Verwendung der gleichen umgekehrten Diodenlogik. Es sei bemerkt, daß die thermischen Schutzsignale auch im Falle eines Gebläseausfalls an den ALC-Verstärker geliefert werden. Der Durchschnitts-Eingangsleistungsdetektor

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stellt den in die Ausgangsstufe des Verstärkers über einen Widerstand 160 fließenden Strom fest. Die in diesem festgestellten Signal erhaltene Spannung wird mit einer Bezugsgrösse in einem Operationsverstärker 162 verglichen und wird an den Verlustleistungsdetektor 42 abgegeben, wo das Signal mit dem vom Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 erhaltenen verglichen wird. Dieser Vergleich erfolgt in einem Operationsverstärker 164. Eine Ausgangsgröße des Verstärkers 164 wird über eine Diode 166 an den ALC-Verstärker 156 geliefert. Ein Abstimmung-in-Fortgang-TIP-Leiter 168 liefert Signale an eine Diode 170 des Schwellendetektors 100. Eine Null-Spannung auf diesem Leiter deaktiviert den Schwellendetektor während der Abstimmvorgänge, da die reflektierten Spannungssignale auf dem Leiter 74 vorzeitig den Schwellendetektor während Abstimmvorgängen auslösen. Die Durchschnittsleistung zur Last, wie sie durch den Detektor 82 während der Abstimmbedingungen festgestellt wird, beginnt jedoch von Null mit einer bekannten gesteuerten Anstiegszeit, was dem Verlustleistungsdetektor 42 gestattet, die Ausgangsvorrichtungsverlustleistung ordnungsgemäß zu verfolgen. Der Schalter 48 kommt nicht explizit in der detaillierten schematischen Darstellung vor, weil ein logisches Äquivalent aus folgenden Gründen vorgesehen wurde:

1) Unter Abstimmbedingungen wird die Leistung in der Last klein sein, somit wird die Spitzen- und Durchschnitts-Leistung in der Last, wie sie auf Leitern 96 bzw. 90 erscheint, während des Abstimmens klein sein und somit können die Ausgänge direkt mit Leiter 18 verbunden sein.

2) Es wurde für das spezielle Ausführungsbeispiel kein Kollektorspannungsdetektor verwendet, und zwar infolge der Eigenschaften der verwendeten Verstärkungsvorrichtungen bezüglich der Qualitätsfaktoren (Q's) der in dem speziellen Systembetrieb auftretenden Lasten.

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3) Nur Detektor 82 wurde verwendet, um den Zweck der Detektoren 82 und 86 zu erreichen. Dies wurde gestattet durch die Beziehung zwischen der niedrigsten Modulationsfrequenz für den Verstärker und der thermischen Zeitkonstante der Verstärkungsvorrichungen.

4) Die Schaltfunktion wurde noch immer benötigt, um den Schwellendetektor einzuschalten und auszuschalten,und dies wurde durch Leiter 186 und Diode 170 erreicht.

Die speziellen mit "interner Schutz" und "Seitentonzulassung" bezeichneten Schaltungen liefern einen zusätzlichen Schutz für den HF-Verstärker. Speziell sieht die Seitentonzulassungsschaltung eine Anzeige dafür vor, daß die an die Last gelieferte Leistung niedrig liegt und daß ein Systemfehler vorliegt. Die Innenschutzschaltung wird an Stelle der ALC-Steuerung im Falle des Ausfalls in der ALC-Schaltung 12 verwendet.

Es sei nunmehr die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben. Fig. 1 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem Anfangszustand wird eine spezielle Frequenz für HF-Signalübertragung ausgewählt. Unmittelbar nach der Auswahl oder Selektion wird die an den Verstärker angelegte Lastimpedanz normalerweise nicht optimal sein. Eine nicht ordnungsgemäße Lastimpedanz erzeugt einen hohen VSWR(Welligkeit)-Faktor. Wenn die Lastimpedanz sehr niedrig liegt, so führen die Verstärkungsvorrichtungen einen großen Strombetrag, der Signale in die Antenne einspeist und die Möglichkeit einer Verstärkerzerstörung in sich birgt. Wenn andererseits die Antennenimpedanz sehr hoch liegt, so könnten Hochspannungen in den Ausgangstransistoren (Verstärkungsvorrichtung) induziert werden, wodurch die Transistoren Spannungen ausgesetzt werden, die deren Betriebsgrößen übersteigen, wodurch sich ein Durchgriff oder Punch-Through ergibt und die Möglichkeit einer Zerstörung der Transistoren in den Ausgangsstufen des Verstärkers 16. Demgemäß wird während Abstimmbedingungen der Dämpfer 56 eingesetzt, um sowohl eine Serien- als auch eine Parallelimpedanz vorzusehen,

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um so die HF-Verstärkerlastimpedanz innerhalb vorgeschriebener Grenzen zu halten. Der Fachmann erkennt aus dem Folgenden, daß die Dämpfung des Blocks 56 eine Dämpfung bis hinab von Null haben kann. Der Antennenkoppler 60 arbeitet mit der Verstärkerlastimpedanz zusammen, um die Antenne und den Ausgang des Verstärkers derart anzupassen, daß die geeignete (in einem Ausführungsbeispiel annähernd 50 Ohm betragende) Impedanz am Verstärker 16 bei Vollendung der Abstimmung anlegt. Der Dämpfer 56 hat somit zwei Funktionen. Zuerst sieht er für den Verstärker 16 zu allen Zeiten während des Abstimmens eine nominale Last vor, wodurch die Aufgabe der Stabilisierung des Verstärkers unter Abstimmbedingungen leichter gemacht wird. Da die Verlustleistungsdetektorschaltung notwendigerweise eine Verzögerung besitzt (infolge der erforderlichen Integrationszeit) und da diese Verzögerung in der Größenordnung der thermischen Zeitkonstante der Vorrichtung liegen kann, begrenzt der Dämpfer als zweites die Änderungsrate der Lastimpedanz bezüglich Zeit, wodurch der Verlustleistungsfeststellschaltung gestattet wird, die Lastleistung zu verfolgen und demgemäß die Vorrichtungsverlustleistung zu steuern.

Eine vorteilhafte Nebenwirkung der Dämpfungsvorrichtung oder des Dämpfers besteht darin, daß es bei einer auf diese Weise beschränkten Lastimpedanz des Verstärkers 16 möglich ist,

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die (V--,) HiXnUS(V₁₃) -Funktion erreicht innerhalb der Vorwärts-Wirkleistungsschaltung 66 linear anzunähern,als tatsächlich eine teurere Schaltung zu verwenden, die in der Tat die Differenz der zv/ei Quadrate direkt bestimmt.

Während der Abstimmung der Schaltung bildet der Verlustleistungsdetektor 42 die Differenz zwischen der HF-Verstärker-Gleichspannungseingangs leistung vom Detektor 38 und der Lastleistung vom Detektor 82 und verwendet die Differenz zwischen den beiden, wobei es sich hier im wesentlichen um eine Messung der Verlustleistung im Verstärker 16 handelt, zur Einstellung

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der Amplitude des durch den Steuerblock 12 laufenden Signals. Da die Lastbedingungen wesentlich schneller während Abstimmbedingungen geändert werden könnten, kann es zweckmäßig sein, einen mit wesentlich höherer Geschwindigkeit arbeitenden Durchschnitts-Leistungsdetektor vorzusehen, wie er beispielsweise in Form des gestrichelten Blocks 86 für Abstimmbedingungen dargestellt ist. Auf diese Weise würde die Ausgangsgröße des Verstärkers 16 sehr schnell im Falle von drastischen Änderungen des Ausgangssignals begrenzt.

Wie zuvor erwähnt, gibt es Zeiten, wo die Bedingungen in der Last hohe induzierte Spannungen an den Kollektoren der Ausgangsstufe erzeugen. Demgemäß ist ein gestrichelter Block im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorhanden, der die Steuerfunktion in dem Falle übernehmen würde, daß die Ausgangsstufenkollektorspannung vorbestimmte Grenzen überschreiten würde. In einem solchen Falle würden die Signale vom Detektor 32 den Vortritt gegenüber den vom Verlust-Leistungsdetektor 42 erhaltenen haben und die Ausgangsleistung stark reduzieren, bis die Kollektorspannung nicht länger überschritten wäre.

Das Hauptziel der Verlustleistungsverfolgungsschaltung (Detektoren 38, (86 oder 82) und Subtrahierer 42) und des Kollektorspannungsdetektors während des Abstimmens besteht darin, einen maximalen Signalfluß zur Antenne derart aufrechtzuerhalten, daß der Koppler 60 mit hinreichend "Abstimmleistung" versorgt wird, so daß er in ordnungsgemäßer' Weise eingestellt werden kann, wobei aber noch immer der Verstärker gegenüber einem Ausfall infolge thermischer oder spannungsmäßiger Überlastung geschützt ist.

Nachdem der Abstimmvorgang beendet ist, wird der Dämpfer 56 aus der Schaltung entfernt und die Verstärkerausgangsgröße setzt sich durch den Antennenkoppler 60 zur Antenne 62 fort. Wenn die Antennenlast vollkommen an den Ausgang des Verstärkers angepaßt ist, so wird keine Leistung reflektiert und demgemäß stellt der Durchscniitsleistungdetektor 82 eine

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maximale Differenz zwischen den Vorwärts- und Reflexions-Spannungen (für eine gegebenen Ausgangsgröße vom Verstärker 16) fest und steuert die Dämpfungsschaltung innerhalb des Steuerblocks 12 demgemäß. Diese Signale werden vom Richtungswattmeter 26 geliefert, welches Ausgangssignale auf 64 und 74 proportional zu den Vorwärts- bzw. reflektierten Spannungen längs der Leitung besitzt. Das Ausgangssignal, dessen Spannung proportional zur im Lastnetzwerk abgegebenen Leistung (Verlustleistung) ist, kann durch Quadrieren der Spannungen und durch Differenzbildung erhalten werden, und zwar analog zur Leistung in der Last. Aus Obigem kann man feststellen, daß der Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 eine Zeitkonstante haben muß, die mindestens langsam genug ist, um in ordnungsgemäßer Weise bei der niedrigsten Träger- oder Carrier-Frequenz zu integrieren. Wenn tatsächlich nur der Detektor 82 verwendet wird (und nicht der Detektor 86), so muß die Schaltung langsam genug sein, um bei der Modulationsfrequenz zu integrieren.

Wenn die Lastimpedanz abfallen würde, so würden größere Verluste in den Verstärkerausgangsvorrichtungen auftreten als normalerweise im Gleichgewichtszustand erhalten werden. Somit würde ein größeres Signal vom Detektor 38 geliefert werden, als vom Detektor 82, und dies würde ein Absenken des Signals auf Leitung 14 bedeuten, wodurch die Verluste in den Ausgangsvorrichtungen des Verstärkers 16 in sichere Grenzen zurückkehren .

Wenn sich die Vorrichtung in einer normalen Übertragungsbetriebsart befindet, so ist die augenblickliche Tastung der reflektierten Spannung (V_n) in Leiter 74 erforderlich, und zwar durch den Schwellendetektor 100, um sicherzustellen, daß sich die Last nicht ändert. Im Falle einer plötzlichen oder übermäßigen Laständerung steigt V_n hinreichend weit über Null an, um einen neuen Abstimmzyklus einzuleiten und die Eingangstreibergröße zum Verstärker 16 zurückzubringen. Im normalen Systembetrieb empfängt der Antennenkoppler einen Wiederabstimmbefehl zu jedem Zeitpunkt, wo die V_R-Tastprobe nicht Null ist. Bevor die Wiederabstimmung beginnt und der T TP-Zustand erreicht ist, muß der Verstärker schnell seine Treibergröße verkleinern,

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bis der Abstinmzyklus begonnen hat. Man erkennt, daß die Feststellung der Laständerung schneller erfolgen muß als die thermische Zeitkonstante der Ausgangsstufenvorrichtungen/ die geschützt werden. Aus der ins einzelne gehenden Beschreibung der Erfindung erkennt man, daß der Schwellendetektor 100 der einzige Detektor ist, der während Abstimmbedingungen eine Ausgangsgröße vorsieht, die den Ausgang vom Verlustdetektor 42 überdecken würde. Somit sind irgendwelche Mittel, wie beispielsweise Schalter 48 der Fig. 1 oder die Schaltung der Fig. 4b erforderlich, um diesen Detektor an einer Beeinflussung des Steuerblocks 12 während Abstimmbedingungen zu hindern (d.h. zu entfernen). In der normalen (TIP) Betriebsart werden die Detektoren 82 und 84 dazu verwendet, die Durchschnittsleistung bzw. die Spitzenleistung, geliefert an eine abgestimmte Last, einzustellen. Im allgemeinen ist die Spitzen- und Durchschnitts-Leistungsfähigkeit eines Verstärkers unterschiedlich und macht die Verwendung von zwei Detektoren notwendig. Der Fachmann erkennt, daß der Durchschnitts-Leistungsdetektor 82 zur Steuerung der durchschnittlichen Ausgangsleistung des Verstärkers 16 verwendet wird. Der Spitzendetektor 84 andererseits wird zur Steuerung des Ausgangspegels des Verstärkers derart verwendet, daß der Spektralgehalt des Signals durch Verstärker 16 nicht degradiert wird.

Aus Obigem ergibt sich zusammenfassend, daß die Erfindung die maximale Leistung (in Übereinstimmung mit zuverlässigem Betrieb) innerhalb der Grenzen der Fähigkeit des Verstärkers hält, d.h. die maximale Leistung, die einer Last wie beispielsweise einer Antenne 62 zugeführt wird. Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, wo eine unzureichende Zahl Variabler verarbeitet wurde, um die Ausgangsleistung in die Lastung zu maximieren, die andere Welligkeitswerte als 1:1 hatten. Zum Erhalt der gewünschten Ergebnisse werden Lastleistungsdetektormittel (66 und 82) verwendet, um die Differenz zwischen der Vorwärtsleistung und reflektierten Leistung festzu-

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stellen und um dieses Ergebnis mit dem Signal zu vergleichen, welches die Gleichspannungseingangsleistung der Verstärker angibt, und zwar erhalten vom Detektor 38, um so die Amplitude der Eingangssignale zum Verstärker 16 zu steuern. Dies ist ein normales Steuersignal während der Abstimmung.

Während der Abstimmungsbedingungen ist es ebenfalls zweckmässig, maximale Leistung vom HF-Verstärker zu erhalten, um so das Interface oder die Anschaltung mit einer Vielzahl von Antennenkopplertypen zu gestatten, die unterschiedliche Empfindlichkeiten besitzen,und auch um die Anschaltung an unterschiedliche Speiseleitungen und -längen zu ermöglichen. Dies wird erreicht durch Verwendung der Differenz zwischen der HF-Verstärker-Durchschnittseingangsleistung und der durchschnittlichen Lastleistung zur Steuerung des ALC-Blocks 20, wodurch die Eingangssignalamplitude zum Verstärker 16 eingestellt wird. Da Hochspannungen am Kollektor der Ausgangsstufen auch die Ausgangstransistoren schädigen können, ist ein KollektorSpannungsdetektor 32 dargestellt, um die Rückkopplungsfunktion in dem Falle zu übernehmen, daß hohe Kollektorspannungen auftreten.

Wenn einmal die Abstimmung vollendet ist, so kehren die Schalter zur TIP-Bedingung zurück. In diesem Zustand oder dieser Bedingung v/ird die Differenz zwischen der Vorwärts leistung und reflektierten Leistung an den Durchschnittsleistungsdetektor 82 und den Spitzendetektor 84 geliefert. Einer dieser beiden Detektoren leitet das Signal durch die entsprechenden Dioden, um Steuersignale auf Leiter 18 zum Steuerblock zu erzeugen. Solange die Antenne 62 zusammen mit dem Antennenkoppler 60 abgestimmt bleibt, wird die reflektierte Spannung im wesentlichen Null sein und somit ergibt sich keine Ausgangsgröße auf Leiter 78. Mit dieser Wirkung sind die Signale auf Leiter 80 im wesentlichen identisch jnit denjenigen, die auf Leiter 70 von der Vorwärtsspannungs-Quadrierschaltung 68 erscheinen. In einem Zustand, wo die Modulationsumhüllende im wesentlichen konstant ist, wird das Rückkopplungssignal in

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erster Linie vom Detektor 82 erhalten. Wenn sich die Modulationsumhüllende substantiell ändert, so wird das Rückkopplungssignal primär vom Spitzendetektor 84 erhalten, um die Linearität des Verstärkers 16 aufrechtzuerhalten.

Während TIP-Zuständen fängt eine Veränderung der Antennenlastimpedanz das auf Leiter 80 erscheinende Signal ab. Somit ist ein Schwellendetektor, wie beispielsweise 100, erforderlich, um auf plötzliche Laständerungen,bestimmt durch die reflektierte Spannung, zu reagieren, bis das System in einen Einleitungszustand oder Wiederabstimmungsbefehlszustand (TIP) zurückgekehrt ist und der Dämpfer in die Schaltung eingesetzt ist.

Obwohl im Blockschaltbild der Fig. 1 ein Tiefpaßfilter 22 dargestellt ist, wäre ein solcher Filter dann nicht erforderlich, wenn Nebenpegel der Ausgangssignale vom Verstärker 16 tief genug sind, um die ordnungsgemäße Arbeitsweise des Wattmeters 26 zu gestatten. Obwohl die zum Erhalt des reflektierten Spannungssignals auf Leiter 74 und der Durchschnittsleistung, geliefert an die Last auf Leiter 80, verwendete Vorrichtung ein Richtungswattmet, r und Spannungsquadrierschaltungen, zusammen mit einer Subtraktionsschaltung aufweist, so erkennt der Fachmann doch, daß diese Signale auch durch andere Schaltungen erreicht werden können.

Aus der obigen Diskussion ist zu ersehen, daß die tatsächliche Ausführung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in kostengünstiger Weise erreicht wurde, um den speziellen Erfordernissen eines speziellen Anwendungsfalles zu genügen. Im speziellen Ausführungsbeispiel wurde bestimmt, daß übermäßige Spannungen an den Kollektoren der Ausgangsstufen des Verstärkers 16 kein Problem sein würden, infolge der im Verstärker vorgesehenen Ausgangsvorrichtungen. Es wurde ferner festgestellt, daß ein Hochgeschwindigkeits-Durchschnittsleistungsdetektor, wie beispielsweise 86, nicht erforderlich sein würde wegen der thermischen Zeitkonstante der Ausgangsvorrichtungen, die verwendet wurden bezüglich der Zeitkonstante des Detektors 82. Schließlich wurde die bevorzuyte

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Logik unter Verwendung von Schalter 48 und den verschiedenen in Rückwärtsrichtung vorgespannten Dioden tatsächlich ausgeführt unter Verwendung eines logischen Äquivalents zu dem in Fig. 1 gezeigten derart, daß der Schwellendetektor 100 während der Abstimmoperationen deaktiviert wurde und nicht während normaler (TIP) Zeiten aktiviert wurde.

Obwohl die spezielle Verwirklichung und das Blockdiagramm nicht identisch sind, so bleibt doch das Konzept das gleiche, und die Ausbildung der Blöcke 32 und 86 liegt im Rahmen fachmännischen Könnens unter Verwendung der Information gemäß den Fig. und 4, insbesondere da der Detektor 86 identisch zum Detektor 82 ausgeführt wird, einfach durch Änderung der Zeitkonstante in der Ruckkopplungsschaltung, und der Detektor 30 könnte in der gleichen Weise wie der Detektor 100 ausgeführt sein, aber mit einer unterschiedlichen Schwelleneinstellung.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit einen Verstärker vor, der verschiedene Vorrichtungen aufweist, um Parameter, wie beispielsweise Durchschnittsleistung, Spitzenleistung und Signalspannung, festzustellen, und zwar zur Verwendung bei der Erzeugung von RuckkopplungsSignalen für die automatische Pegelsteuerung eines HF-Verstärkers, dessen Ausgangssignal durch einen Antennenkoppler an einer Antenne geführt wird. Diese Feststellvorrichtungen gestatten die normale Betriebspegeleinstellung und auch die Minimierung der Möglichkeit des Auftretens von Überlastungen infolge eines Verstärkerschaltungsausfalls während Abstimmzuständen.

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Claims

Patentansprüche

1.J Verstärkervorrichtung zum Koppeln einer Antennenlast,

ekennzeichnet durch HF-Verstärkermittel mit HF-Signaleingangsmitteln, Verstärkungssteuermitteln und HF-Signalausgangsmitteln ,

Durchschnittsleistungsfeststellmittel,verbunden mit den HF-Signalausgangsmitteln und den Verstärkungssteuermitteln der HF-Verstärkermittel, und zwar zur Steuerung des Pegels der HF-Verstärkermittel während des Abstimmens entsprechend der Differenz zwischen der Durchschnittsleistung geliefert an eine Last und der Durchschnittsgleichspannungs-Eingangsleistung geliefert an den Verstärker zur Aufrechterhaltung der Verlustleistung in der Ausgangsstufe der HF-Verstärkermittel innerhalb vorgeschriebener Grenzen.

2. Verstärker nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Schwellenfeststellmittel verbunden mit den HF-Signalausgangsmitteln und dem HF-Verstärker zur Erzeugung von Einleitungsoder Ingangsetzungssignalen an den HF-Verstärker immer dann, wenn reflektierte Signale von einer Last vorbestimmte Werte übersteigen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einleitungsmittel verbunden mit dem HF-Ausgang des HF-Verstärkers zum Einfügen einer Schutzimpedanz in eine Ausgangslastschaltung des Verstärkers während Abstimmoperationen.

4. Verfahren zum Schutz eines HF-Verstärkers gegenüber übermäßiger Verlustleistung in der Ausgangsstufe infolge von durch die Antenne hervorgerufenen, nicht angepaßten Zuständen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Überwachung dex Gleichspannungseingangsleistung zum HF-Verstärker, Überwachung der in der Last absorbierten Wirkleistung und Einstellung der Verstärkung des HF-Verstärkers entsprechend der Differenz zwischen der erwähnten Eingangs- und Wirk-Leistung, um die Verlustleistung in der Ausgangsstufe des HF-Verstärkers innerhalb vorgeschriebener Grenzon zu halten.

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5. Verfahren zum Schutz eines HF-Verstärkers gegenüber übermäßiger Verlustleistung infolge nichtangepaßter Antennenzustände, gekennzeichnet durch: Überwachung der von der Antennenlast zurückgeführten reflektierten Leistung und zeitweise Reduzierung des Ausgangssignalpegels des Verstärkers, bis die Lastbedingungen besser angepaßt sind.

6. Vorrichtung zum Schutz eines HF-Verstärkers mit einer Ausgangsstufe, Verstärkungssteuereingangsmitteln und Leistungsausgangsmitteln, wobei der Schutz gegenüber einer übermäßigen Verlustleistung in der Ausgangsstufe infolge von Lastimpedanzänderungen vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Kombination: HF-Verstärkermittel, mit den Leistungsausgangsmitteln des HF-Verstärkers verbundene Lastimpedanzmittel, erste mit dem Verstärker verbundene Mittel zur Überwachung der Wirkleistung geliefert vom HF-Verstärker an die Lastimpedanz und zur Lieferung eines ersten dafür eine Anzeige bildenden Signals, zweite mit dem Verstärker verbundene Mittel zur Überwachung der Gleichstromeingangsleistung des Verstärkers und zur Lieferung eines zweiten dafür eine Anzeige bildenden Signals, und mit Mitteln, die mit den ersten und zweiten Mitteln verbunden sind und ferner mit den Verstärkungssteuermitteln des HF-Verstärkers zur Einstellung des Pegels des HF-Verstärkers entsprechend der Differenz zwischen den Signalen, die von den ersten und zweiten Mitteln erhalten wurden, um so die Verlustleistung in der Ausgangsstufe des HF-Verstärkers innerhalb vorgeschriebener Grenzen zu halten. ♦■

7. Verstärker zum Koppeln einer Antenne, gekennzeichnet durch HF-Verstärkermittel mit HF-Signaleingangsmitteln, Verstärkungssteuermitteln und HF-Signalausgangsmitteln, erste Mittel zur Lieferung von HF-Leistungssignalen an die Antenne, zweite mit den ersten Mitteln verbundene Mittel zur Erzeugung von AusgangsSignalen, welche die Leistungsausgangsgröße der ersten Mittel zur Antenne anzeigen, dritte mit den ersten Mitteln verbundene Mittel zur Lieferung von AusgangsSignalen, welche die von der Antenne zu den ersten Mitteln reflektierte Leistung anzeigen, vierte mit den zweiten

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und dritten Mitteln verbundene Mittel zum Empfang von Ausgangssignalen von dort und zur Lieferung als Ausgangsgröße der vierten Mittel ein Rückkopplungssignal/ welches die Differenz zwischen den empfangenen Signalen angibt, fünfte den Verstärker mit den ersten Mitteln verbindene Mittel zur Lieferung von HP-Leistungsausgangssignalen und sechste Mittel verbunden mit den vierten Mitteln und den Verstärkungssteuermitteln des HF-Verstärkers zur Lieferung der Rückkopplungssignale.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die sechsten Mittel in Kombination folgendes aufweisen: Durchschnittsleistungsdetektormittelr Spitzenleistungsdetektormittel und Logikmittel zur Erzeugung als Rückkopplungssignal eine der Ausgangsgrößen der zwei Detektormittel.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch siebte mit den Verstärkermitteln verbundene Mittel zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches die Gleichspannungsleistungseingangsgröße für die Verstärkermittel anzeigt, Verlustfeststellungsmittel verbunden mit den sechsten und siebten Mitteln zur Lieferung als ein Abstimmsignal ein Signal, welches einen Vergleich der empfangenen Signale angibt, und Schaltmittel als Teil der sechsten Mittel verbunden mit den Verlustfeststellmitteln zur alternativen Lieferung an die Verstärkungssteuermittel des Verstärkers die Rückkopplungsund Abstimmsignale.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Schwellenfeststellmittel verbunden mit den HF-Signalausgangsmitteln und den Verstarkungssteuermxtteln der HF-Verstärkermittel zur Steuerung der Verstärkung des HF-Verstärkers dann, wenn die reflektierte Spannung von der Last einen vorbestimmten Wert übersteigt.