DE3827579A1

DE3827579A1 - Senderanordnung

Info

Publication number: DE3827579A1
Application number: DE19883827579
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr Esprester
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-08-13
Filing date: 1988-08-13
Publication date: 1990-02-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Senderanordnung der im Ober begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei Senderanordnungen mit transistorisierten Leistungsend verstärkern erweist sich mit zunehmender Nennleistung auch die stark anwachsende Verlustleistung der Leistungs transistoren als Problem, da zur Abführung der in Wärme umgesetzten Verlustleistung immer aufwendigere Kühlsysteme erforderlich werden. Besonders stark in Erscheinung tritt die Verlustleistung in Senderanordnungen, bei welchen der Senderverstärker auch noch mit fehlangepaßter Last inner halb eines vorgegebenen zulässigen Bereichs für das Steh wellenverhältnis (VSWR) zuverlässig funktionieren und eine geforderte Nennleistung an die Antenne abgeben soll. Die Lastimpedanz kann beispielsweise variieren durch Frequenz änderungen bei einem frequenzvariablen Sender. Vor allem können aber auch Umgebungsbedingungen wie z.B. eng benach barte weitere Sendeantennen mit wechselnden Betriebszu ständen auf Schiffen oder wechselnde Umgebung bei mobilen Sendern zu erheblichen Schwankungen der Lastimpedanz führen. Wird der Sender so ausgelegt, daß er bei der höchsten innerhalb des zugelassenen VSWR-Bereichs auf tretenden Lastimpedanz noch die geforderte Nennleistung abgibt, so fällt bei innerhalb des zugelassenen VSWR- Bereichs minimalen Lastimpedanzwerten eine erheblich höhere Verlustleistung im Transistorverstärker an, was den erwähnten Kühlungsaufwand erforderlich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Senderan ordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welche aufgrund geringerer Verlustleistung wesentlich weniger Kühlaufwand erfordert.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Anordnung berücksichtigt unter Ver wendung einfacher Mittel die wirklichen momentanen Lastbe dingungen der Verstärkertransistoren und stellt die Ver sorgungsspannung des Verstärkers danach ein. Daraus resultiert ein im wesentlichen von der Lastimpedanz unab hängiger Wirkungsgrad und somit eine wesentliche verein fachte Kühlung. Die Lastimpedanz ist unabhängig von der Ausgangsleistung, so daß keine gegenseitige Beeinflussung von Steuersignalgenerator einerseits und Amplituden modulation, Leistungsregelung oder dgl. andererseits erfolgt. Da Veränderungen der Lastimpedanz durch Um gebungswechsel (mobile Sender) nur langsam erfolgen und durch den i.a. geringen Wärmewiderstand zwischen Leistungstransistoren und Kühlkörpern kurzzeitig höhere Verlustleistungen zugelassen werden können, braucht die erfindungsgemäße Nachführung der Betriebsspannung nur mit relativ großer Zeitkonstante zu erfolgen. In der Regel sind Reaktionszeiten von <1 Sekunde ausreichend. Das Spektrum des Sendesignals wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht beeinträchtigt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Abbildung noch weiter veranschaulicht.

Die skizzierte Senderanordnung zeigt einen Sender- Leistungsverstärker 3, der von einem Eingangssignal R F _i angesteuert wird, dieses mit dem eingestellten Ver stärkungsgrad verstärkt und ein Ausgangssignal R F _a abgibt. Der Verstärker 3 ist vorzugsweise als Gegentaktverstärker aufgebaut. Das Ausgangssignal R F _a des Verstärkers 3 liegt an der Primärseite des breitbandigen Übertragers 4, dessen Sekundärwicklung über ein Oberwellenfilter 7 und eine Richtkoppleranordnung 8 mit der Antenne 9 verbunden ist. Die mittels der Richtkoppleranordnung 8 ausgekoppelten Signale können in bekannter Weise zur Leistungsregelung des Senders herangezogen werden.

Die Stromversorgungseinrichtung 5, die vorzugsweise als Schaltnetzteil aufgebaut ist, stellt eine Versorgungs gleichspannung U _B für den Verstärker 3 bereit.

Gemäß der Erfindung sind Mittel 1 zur Messung des vom Verstärker 3 aus der Stromversorgung 5 aufgenommenen Betriebs-Gleichstroms I _B und Mittel 2 zur Messung der Amplitude der Wechselspannung U _W im Ausgangssignal R F _a des Verstärkers 3 vorhanden, die stromproportionale bzw. wechselspannungsamplitudenproportionle Meßsignale i bzw. u abgeben. Im Steuersignalgenerator 6 wird aus den Meß signalen, die eine Aussage über die momentane Lastimpedanz Z am Ausgang des Verstärkers 3 ermöglichen, ein Steuer signal St für die Beeinflussung der Versorgungsspannung U _B erzeugt und der Stromversorgungseinrichtung 5 zugeführt. Vorzugsweise wird im Steuersignalgenerator 6 das Strom- Meßsignal i um einen für den Ruhestrom des Verstärkers 3 vorbekannten Wert auf einen korrigierten Meßwert i′ redu ziert und das Quotientensignal u/i′ gebildet, das dann weitgehend unabhängig von der Aussteuerung und der Aus gangsleistung ein Maß für die momentane Fehlanpassung der Last, wie der Verstärker sie sieht, ist. Die Beeinflussung der Versorgungsspannung U _B erfolgt vorteilhafterweise in der Art, daß das Quotientensignal u/i′ (evtl. additiv zu einem Grundspannungswert) zur Bildung einer extern ange legten Referenzspannung für die Stromversorgungsein richtung 5 herangezogen wird. Bei hoher Lastimpedanz und damit hohem Quotientensignal wird eine höhere Referenz spannung erzeugt und damit eine höhere Versorgungsspannung U _B abgegeben als bei geringer Lastimpedanz und damit niedrigem Quotientensignal.

Die Bildung des Quotientensignals ist z.B. auf einfache Weise möglich mit analogen Schaltungskomponenten nach dem Prinzip von Operationsverstärkern, welchen mittels Rück kopplung über Transistoren eine exponentielle bzw. logarithmische Kennlinie aufgeprägt ist. Die Meßsignale u und i (bzw. i′) werden in ersten Stufen logarithmiert, danach subtrahiert und das Differenzsignal wird exponentiell verstärkt.

Es kann aber auch im Steuersignalgenerator eine Zu ordnungseinrichtung vorgesehen sein, die zu beliebigem Wertepaar u und i jeweils ein optimales Steuersignal St festlegt, was inbesondere bei digitalem Aufbau des Steuer signalgenerators mit einem durch Digitalwerte von u und i adressierten Lesespeicher von Vorteil ist.

Die Stromversorgungseinrichtung ist vorzugsweise als Schaltnetzteil aufgebaut. Die Schaltzyklen gebräuchlicher Schaltnetzteile liegen im Bereich 10^-5S bis 10^-4S, so daß selbst bei nur in seltenen Ausnahmefällen erforderlichen kurzen Reaktionszeiten von größenordnungsmäßig 50 ms, erst recht nicht bei größeren Zeitkonstanten bei der Bildung des Steuersignals mit Störungen der Spannungs stabilisierung zu rechnen ist.

Zur Verdeutlichung des durch die Erfindung erzielbaren Vorteils hinsichtlich der abzuführenden Verlustleistung sei im folgenden als Beispiel ein Linearverstärker bei einer zulässigen Fehlanpassung entsprechend einem VSWR- Wert von 1,5 angenommen. Als Nennlast sei die reelle Impedanz Z _o, als maximale Leistung, die im gesamten Impe danzbereich um Z _o innerhalb VSWR1,5 zu erbringen ist, die Nennleistung P _RF angenommen. Die Verlustleistung ist mit P _V bezeichnet.

Für den idealen Linearverstärker ist bekanntermaßen die Verlustleistung

Bei konstanter, nicht nachgeführter Betriebsspannung U _B ergibt sich der Mindestwert für U _B aus der Forderung, daß im hochohmigen Fall, also bei der Impedanz Z=VSWR. Z ₀, die volle Nennleistung P _RF erbracht werden muß zu

Bei üblicherweise unveränderter Betriebsspannung ergibt sich dann im niederohmigen Fall, also bei Z=Z ₀/VSWR, für dieselbe Nennleistung P _RF der maximale mittlere Betriebs strom

und daraus die maximale Verlustleistung zu

Für den angenommenen Wert von VSWR1,5 resultiert daraus im niederohmigen Fall ein Wirkungsgrad von nur 52%. Bei gleicher abgegebener Nennleistung liegt die abzuführende Verlustleistung im niederohmigen Fall damit um rund den Faktor 3,4 höher als im hochohmigen Fall.

Da die einzelnen Komponenten der Senderanordnung noch verlustbehaftet sind, ist der reale Wirkungsgrad in allen Fällen geringer.

Claims

1. Senderanordnung mit einem transistorisierten Senderver stärker (3), der von einer Stromversorgungseinrichtung mit einer vorgegebenen Betriebsspannung (U _B) versorgt wird und nach Maßgabe eines Eingangssignals (R F _i) ein Ausgangssignal an eine Sendeantenne (9) abgibt, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur fortlaufenden Bestimmung der am Verstärkerausgang wirksamen momentanen Lastimpedanz und zur Nachführung der Betriebs spannung (U _B) in der Weise, daß bei größerer Lastimpedanz eine höhere, bei geringerer Lastimpedanz eine niedrigere Betriebs spannung eingestellt wird, wobei die Nachführung der Betriebs spannung mit einer Zeitkonstanten, die groß ist gegenüber periodischen Anteilen des Eingangssignals, erfolgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (1) zur Messung des Betriebsstroms (I _B) von der Stromversorgungs einrichtung an den Verstärker,
Mittel (2) zur Messung der Amplitude der Wechselspannung (U _W) am Ausgang des Verstärkers,
einen Steuersignalgenerator (6), welchem die Meßwerte (i, u) von Betriebsstrom und Wechselspannung zugeführt sind und der aus diesen Meßwerten ein Steuersignal (St) zur Beeinflussung der Betriebsspannung (U _B) ableitet und an die Stromversorgungseinrichtung abgibt,
wobei der Steuersignalgenerator eine Wertemittelung über einen Zeitraum, der groß gegenüber der Periodendauer der Wechselspannung ist, vornimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Steuersignalgenerator der Quotient aus den Meßwerten von Wechselspannungsamplitude und Betriebsstrom gebildet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für den Betriebsstrom vor der Ableitung des Steuersignals um einen vorbekannten Wert für den Ruhestrom des Verstärkers vermindert werden.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Meßwerte von Betriebsstrom (I _B) und/oder Wechselspannungsamplitude (U _W) Schwellwerte vorgegeben sind und der Steuersignalgenerator erst bei einer Schwellwertüberschreitung ein meßwertabhängiges Steuersignal ableitet.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß bei der Messung der Wechselspannungsamplitude frequenzselektive Mittel vorgesehen sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Messung der Wechselspannungsamplitude ein Spitzenwertdetektor eingesetzt ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung eine Spannungs stabilisierungsschaltung mit einer Referenzspannung enthält und daß zur Nachführung der Betriebsspannung die Referenzspannung beeinflußt wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stromversorgungseinrichtung ein Schaltnetz teil enthält, und daß die Zeitkonstante zur Nachführung der Betriebsspannung groß ist gegenüber der Schaltperiodendauer des Schaltnetzteils.