DE4029368A1 - Paralleler verstaerker mit geschalteten trennwiderstaenden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf zusammengesetzte Verstärker mit mehreren parallel geschalteten Verstärkern mit Kombinierern des Wilkinson-Typs mit Trennwiderstandssternen und insbesondere auf derartige parallel geschaltete Verstärker, bei denen die einzelnen Verstärker oder Verstärkermoduln durch Schalternetzwerke mit einem Kombinierungsknoten verbunden sind.

Viele Kommunikationssysteme erfordern Transponder, die durch signifikante Abstände getrennt sind. Wenn derartige Transponder für Kommunikationsverbindungen zwischen Städten durch Strahlung verwendet werden, eliminieren sie das Erfordernis für Kommunikations- Landkabel, die sehr teuer sind. Die Transponder können nicht immer an den idealen Plätzen angeordnet werden, sondern müssen an Stellen positioniert werden, wo Türme oder andere Halterungen angeordnet werden können, und die mit den Transpondern verwendeten Antennen können einen hohen Gewinn erfordern. Ein hoher Gewinn kann mit Antennen angemessener Größe und Kosten nur bei Mikrowellenfrequenzen und sogar noch höheren Frequenzen erreicht werden.

Die Transmission eines Signals von einem Transponder zum anderen kann einen Leistungsverstärker an dem sendenden Transponder erfordern, der viele Watt an Leistung mit großer Zuverlässigkeit erzeugen können muß. In der Vergangenheit wurde die Mikrowellenleistung durch Wanderfeldröhren erzeugt. Wanderfeldröhren wurden benutzt und werden weiterhin benutzt für Mikrowellen- Transponder, ungeachtet des Sicherheitsproblems, das der natürlichen Verschlechterung zuzurechnen ist, die aus einem Betrieb über einen Zeitraum resultiert.

In der jüngeren Vergangenheit wurden Festkörper- Leistungsverstärker anstelle von Wanderfeldröhren bei tieferen Mikrowellenfrequenzen, wie beispielsweise dem C-Band, verwendet. Die Festkörper-Leistungsverstärker haben idealerweise keinen natürlichen Verschlechterungsmechanismus und sind deshalb betriebssicherer als die Wandfeldröhren. Diese Betriebssicherheit ist sehr vorteilhaft, da Mikrowellen-Transponder häufig an unzugänglichen Stellen angeordnet werden, beispielsweise auf den Spitzen von Bergen. Im allgemeinen werden Festkörperverstärker dadurch implementiert, daß eine relativ große Anzahl von eine kleine Leistung aufweisenden Festkörpervorrichtungen, Verstärkern oder Verstärkermoduln parallel geschaltet werden. Jeder Verstärkermodul trägt einen Teil zu der gesamten Ausgangsleistung bei, wobei Leistungskombinierer verwendet werden, um die Leistungen von jedem der einzelnen Verstärkermoduln zu kombinieren bzw. zu vereinigen, um die gewünschte Größe der Summensignalleistung bei den gewünschten Mikrowellen­ oder Millimeterwellenfrequenzen zu erzeugen.

Für die Betriebssicherheit kann es wünschenswert sein, innerhalb des Festkörper-Leistungsverstärkers einen oder mehrere Unterstützungs-Verstärkermoduln vorzusehen, die in Betrieb gesetzt werden, falls einer der anderen Moduln ausfallen sollte. Da einige Mikrowellen-Transponder in Bereichen weit entfernt von einem Leistungsnetz angeordnet sind und deshalb mit Solarenergie arbeiten, um die Speisespannungen zu erzeugen, ist es wichtig, daß diese Unterstützungs- Verstärkermoduln nicht während solcher Zeiten gespeist werden, zu denen sie nicht zur Summierung der Ausgangsleistung beitragen.

Es sind verschiedene Typen von Leistungskombinierern in dem Artikel "Microwave Power Techniques" von Kenneth J. Russell, veröffentlicht auf Seiten 472 bis 478 in den IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Mai 1979, beschrieben. Dieser Artikel beschreibt Verbund- oder Baumkombinierer, in denen Ketten von Kombinationen ausgeführt werden. Diese Anordnungen sind jedoch leicht nachteilig aufgrund der Akkumulation von Verlusten in den Kombinierern. Es ist sehr wünschenswert, daß die Leistungskombination mit kleinem Verlust ausgeführt wird. Die US-PS 46 41 106 beschreibt einen Radialkombinierer mit geringen Verlusten. Die Struktur von radialen Leistungskombinierern ist so, daß die Implementation der schaltenden Schaltungsanordnungen, die zur Verbindung von redundanten Moduln erforderlich sind, und die Abschaltung fehlerhafter Moduln unzweckmäßig bzw. unbequem sein kann.

Die US-PS 43 15 222 beschreibt eine Leistungskombinierer-Anordnung, bei der die Ausgangsleistung aus einer Anzahl von Verstärkermoduln an einem einzigen Knotenpunkt kombiniert wird. Jeder Verstärkermodul ist mit dem Knotenpunkt durch eine Übertragungsleitung mit einer elektrischen Länge von einer viertel Wellenlänge (λ/4) bei einer Frequenz innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs verbunden. Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß keine Trennung zwischen den Verstärkerausgängen besteht, so daß eine Änderung im Ausgangspegel oder der Impedanz am Ausgang eines bestimmten Verstärkers die Ausgangsleistung oder Abstimmung der anderen Verstärker, die mit dem kombinierenden Knotenpunkt verbunden sind, beeinflussen kann.

Fig. 1 stellt einen kombinierten Verstärker dar, der einen Eingangsport 12 und einen Ausgangsport 14 aufweist. Ein Vierwege-Leistungsteiler 16 ist mit dem Eingangsport 12 verbunden, um von diesem ein Signal zu empfangen und das empfangene Signal in vier Teile gleicher Amplitude zu teilen, die auf Leitern oder Übertragungsleitungen 18a, 18b, 18c und 18d auftreten. Jeder Leiter 18a, 18b, 18c und 18d ist mit dem Eingangsport von einem Verstärkermodul 20a, 20b, 20c bzw. 20d verbunden. Ein Kombinierungsknoten 22 ist durch einen Impedanzwandler, der als ein Block 24 dargestellt ist, mit einem Ausgangsport 14 verbunden. Der Impedanzwandler 24 kann in bekannter Weise eine Übertragungsleitung mit einer Länge gleich λ/4 (oder ein ungerades ganzzahliges Vielfaches davon) bei einer Frequenz nahe der Mitte des Betriebsfrequenzbandes sein.

Der Ausgangsport von jedem Verstärker 20a, 20b, 20c und 20d ist durch eine Länge der Übertragungsleitung 26a, 26b, 26c bzw. 26d mit einem Satz einpoliger Ausschalter 28a, 28b, 28c bzw. 28d verbunden. Die Schalter 28a, 28b, 28c und 28d sind gemeinsam mit dem Kombinierungsknoten 22 verbunden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist der Schalter 28a nicht-leitend oder geöffnet, und die Schalter 28b, 28c und 28d sind geschlossen oder leitend.

Wenn die Schalter 28a, 28b, 28c und 28d in den dargestellten Stellungen sind, kann Strom zu dem Kombinierungsknoten 22 aus den Ausgangsports der Verstärker 20b, 20c und 20d fließen. Diese Situation könnte einem Zustand entsprechen, in der der Verstärker 20a als ein redundanter Verstärker in Reserve gehalten wird, während die Verstärkermoduln 20b, 20c und 20d on- line sind und dem Kombinierungsknoten 22 und über den Impedanzwandler 24 zum Ausgangsport 14 Strom zuführen. Bekanntlich kann durch geeignete Auswahl der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungen 26a, 26b, 26c und 26d in Verbindung mit der Auswahl der Länge jeder Übertragungsleitung mit λ/4 an der Mitte des Betriebsfrequenzbandes, gemessen zwischen dem Ausgangsport von jedem Verstärker und dem Kombinierungsknoten 22, eine gewählte Impedanz für den Ausgangsport von jedem Verstärker und dem Ausgangsport 14 dargestellt werden. Anstelle von λ/4 können ungerade ganzzahlige Vielfache von λ/4 verwendet werden. Insbesondere kann eine richtige Selektion der Längen und charakteristischen Impedanzen der Übertragungsleitungen eine Impedanz von 50 Ohm oder 75 Ohm sowohl für den Ausgangsport 14 als auch die Ausgangsports der Verstärker 20a bis 20d dargestellt werden.

Während der Zeiten, in denen einer der Verstärker 20a bis 20d eingestellt oder abgestimmt ist, kann sich seine Ausgangsleistung ändern und/oder seine Ausgangsimpedanz kann sich ändern. Wie in dem eingangs genannten Artikel von Russell ausgeführt ist, kann ein Widerstandsstern mit Widerständen 30a, 30b, 30c und 30d zwischen einen schwimmenden Knoten 32 und die Ausgangsports von jedem Verstärker 20a bis 20d geschaltet sein. Dabei weiß der Fachmann, daß, so lange die an den Ausgängen der Verstärker 20a bis 20d erzeugten Signale eine gleiche Amplitude haben und gleichphasig sind, der Knoten 32 die gleiche Amplitude und eine entsprechende Phase hat, so daß keine Spannung über einem der Widerstände auftritt und keine Leistung verbraucht wird. Jedoch haben Änderungen in der Ausgangsleistung oder der Ausgangsimpedanz von einem der Verstärker, wie es durch Abstimmung, Verschlechterung oder andere Faktoren herbeigeführt werden kann, einen Stromfluß durch einen oder mehrere der Widerstände zur Folge, der dazu tendiert, die inkrementale Änderung zu absorbieren und dadurch die Wirkung einer Änderung an den Ausgangsports der anderen Verstärker zunichte zu machen. Dies wird durch die Überlegung verständlich, daß ein Signalinkrement, das am Ausgangsport des Verstärkers 20d erzeugt sein könnte, zu den Ausgangsports der Verstärker 20b und 20c über einen ersten Pfad, der den Widerstand 20d und die Widerstände 20b und 20c enthält, und auch über einen zweiten Pfad wandert, der die Übertragungsleitungen 26d, 26b und 26c enthält. Der Pfad einschließlich der Übertragungsleitungen hat eine Gesamtlänge von 2x (λ/4 oder λ/2). Der λ/2-Pfad bewirkt eine Phasenumkehr des diesen Pfad nehmenden Signals relativ zu dem Signal, das über die Widerstände ankommt, was eine Auslöschung der Änderung zur Folge hat, wie sie an den Ausgängen der zugehörigen Verstärker gesehen wird.

In der Struktur gemäß Fig. 1 ist einer der Schalter 28a, 28b, 28c und 28d immer geöffnet, entweder weil der dem offenen Schalter zugeordnete Verstärker ein redundanter Verstärker ist, der auf einen Einsatz wartet, oder weil er einem fehlerhaften Verstärker zugeordnet ist, der durch einen redundanten Verstärker ersetzt ist. Bekanntlich ist die Impedanz null an einem Punkt auf einer verlustarmen Übertragungsleitung, der λ/4 von einem offenen Stromkreis entfernt ist. Somit ist die Impedanz, die durch den Ausgangsport des Verstärkers 20a gesehen wird, der in die Übertragungsleitung 26a sieht, ein Kurzschluß oder wenigstens eine sehr kleine Impedanz. Infolgedessen ist das Ende des Trennwiderstandes 30a, das mit dem Ausgansport des Verstärkers 20a verbunden ist, mit einem Punkt kleiner Impedanz verbunden. Deshalb tritt die gewünschte Signalspannung über dem Trennwiderstand 30a auf und wird dadurch als Wärme abgeführt, anstatt dem Ausgangsport zugeführt zu werden. Ein anderer Weg zur Betrachtung des Grundes der Abfuhr besteht darin, daß der Widerstand 30a mit der Parallelschaltung der Widerstände 30b, 30c und 30d in Reihe geschaltet ist, um einen Spannungsteiler mit dem Knoten 32 an der Anzapfung zu bilden, und der Spannungsteiler ist über die Signalquelle geschaltet. Wie auch immer es betrachtet wird, der Versuch, die Trennwiderstände in Verbindung mit einer geschalteten Anordnung zu verwenden, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, resultiert in dem Verbrauch des gewünschten verstärkten Signals in den Trennwiderständen.

Fig. 2 stellt eine Anordnung zum Trennen der Ausgänge der Verstärker an den Ausgängen der Verstärkermoduln von den Wirkungen von Änderungen im Ausgangssignal von anderen Verstärkermoduln dar. In Fig. 2 sind Elemente, die denjenigen von Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. In Fig. 2 ist eine Trennung zwischen Verstärkern durch mehrere Trenner 36a, 36b . . . 36d herbeigeführt, die zwischen die Ausgänge von Verstärkern 20a, 20b . . . 20d und ihre Ausgangsübertragungsleitungen 26a, 26b . . . 26d geschaltet sind. Bekanntlich zirkulieren Trenner 36a-36d Spannungen bzw. Ströme zwischen ihren Eingangs- und Ausgangsports und einer oder mehreren internen Lasten in der Weise, daß Wechselwirkungen zwischen Verstärkern vermindert oder eliminiert sind. Derartige Trenner haben jedoch die Tendenz, groß, schwer und teuer zu sein.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung von parallelen Verstärkermoduln zu schaffen, in der kleine, leichte und billige Trennwiderstände verwendet werden können, ohne daß Leistung in den Trennwiderständen verbraucht wird, wenn der Verstärker, denen sie zugeordnet sind, nicht zu der Leistungskombination beiträgt.

Gemäß der Erfindung enthält eine parallel geschaltete Verstärkeranordnung zum Betrieb bei einer Frequenz einen Leistungskombinierungsknoten und mehrere Verstärkermoduln, die jeweils einen Ausgangsport aufweisen, an der ein verstärktes Signal erzeugt wird. Jedem Verstärkermodul ist ein Impedanzwandler zugeordnet, der zwischen seinen Ausgangsport und den Leistungskombinierungsknoten geschaltet ist. Eine kurzschließende Schalteranordnung ist mit dem Ausgangsport von jedem der Verstärkermoduln verbunden. Eine geschaltete Trennanordnung ist zwischen den Ausgang von jedem Verstärkermodul und einen zweiten Knoten geschaltet. Jede geschaltete Trennanordnung enthält einen Serienpfad, der von dem Ausgangsport von einem der Verstärkermoduln zum zweiten Knoten verläuft. Der Serienpfad enthält die Kaskade von ersten und zweiten Übertragungsleitungen mit einem Knotenpunkt dazwischen. Jede der ersten und zweiten Übertragungsleitungen hat eine elektrische Länge, die gleich einer ungeraden ganzen Zahl von Viertel- Wellenlängen nahe der Mitte einer Betriebsfrequenz ist. Jede der geschalteten Trennanordnungen enthält eine kurzschließende Schalteranordnung, die mit dem Knotenpunkt zwischen den ersten und zweiten Übertragungsleitungen verbunden ist. Jede der geschalteten Trennanordnungen enthält ferner einen Serienwiderstand, der dem Serienpfad zugeordnet ist. Der Serienwiderstand verbraucht Energie, die in Verbindung mit unerwünschten Betriebsmoden der parallel geschalteten Verstärkermoduln auftreten.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine parallel geschaltete Verstärkeranordnung mit Trennwiderständen, bei der die Trennwiderstände in unerwünschter Weise ein gewünschtes verstärktes Signal verbrauchen.

Fig. 2 zeigt eine parallel geschaltete Verstärkeranordnung, in der die Trennung durch eine Anordnung von Trennern herbeigeführt wird.

Fig. 3 zeigt eine parallel geschaltete Verstärkeranordnung mit geschalteten Trennanordnungen gemäß der Erfindung.

Fig. 4a ist eine schematische Darstellung von einer physikalischen Anordnung auf einer gedruckten Schaltkarte, entsprechend der Anordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 4b ist eine perspektivische oder isometrische Ansicht der oberen Seite von einem Teil der gedruckten Schaltkarte gemäß Fig. 4a, auseinandergezogen und teilweise weggeschnitten, um die internen Details zu zeigen,

Fig. 4c ist eine genauere, aufgeschnittene, perspektivische oder isometrische Ansicht von einem Teil der Anordnung gemäß Fig. 4b, und

Fig. 4d ist eine perspektivische oder isometrische Darstellung von einem Kombinierungsknoten auf der Unterseite der Anordnung gemäß Fig. 4a.

Fig. 3 stellt in schematischer Form eine kombinierte oder parallele Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung dar. Elemente in Fig. 3, die denjenigen in Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen. In Fig. 3 empfangen Verstärkermoduln 20a, 20b . . . 20c und 20d ein Signal an ihrem Eingangsport von einem N-Weg-Leistungsteiler (in Fig. 3 nicht dargestellt). Jeder Verstärker 20a, 20b . . . 20c, 20d erzeugt ein verstärktes Signal an seinem Ausgangsport 21a, 21b . . . 21c, 21d und legt das Ausgangssignal über einen Impedanzwandler 126a, 126b . . . 126c, 126d an einen Kombinierungsknoten 22 an. Ein weiterer Impedanzwandler 24 verbindet den Kombinierungsknoten 22 mit dem Ausgangsport 14.

Wie im Falle der Fig. 1 und 2 können die Impedanzwandler 126a, 126b . . . 126c und 126d jeweils eine unsymmetrische Übertragungsleitung mit einer Länge von N×λ/4 an einer Frequenz nahe der Mitte des Betriebsfrequenzbandes aufweisen, wobei N eine ungerade ganze Zahl ist. Überlicherweise ist, um die Bandbreite zu maximieren, die ganze Zahl N eins. Der Begriff unsymmetrische Übertragungsleitung ist bekannt und bezieht sich auf eine Übertragungsleitung, wie beispielsweise eine koaxiale Leitung, eine Mikrostreifenleitung oder ähnliches, bei denen die Querschnitte der Leiter nicht identisch sind, bei denen die größeren als "Ground" ausgeführt werden können. Beschreibungen derartiger unsymmetrischer Übertragungsleitungen können sich nur auf den kleineren Leiter beziehen, wobei der größere bekannt ist.

Ein kurzschließender Schalter 128a, 128b . . . 128c, 128d ist mit dem Ausgangsport von jedem Verstärkermodul 20, 20b . . . 20c, 20d verbunden, um selektiv die Ausgangsports mit Ground bzw. Masse kurzzuschließen. Für den Fachmann wird deutlich, daß die mit dem Ausgang des Verstärkers verbundenen kurzschließenden Schalter 128 in-line- oder Serienschalter 128 äquivalent sind, die nahe dem Knotenpunkt 22 gemäß den Fig. 1 und 2 angeschlossen sind. Während des normalen Betriebs wird der Verstärkermodul 20a in Reserve gehalten, und der Schalter 128 ist geschlossen, um den Ausgangsport des Schalters 20a kurzzuschließen. Weiterhin sind unter normalen Betriebsbedingungen die Verstärkermoduln 20b, 20c und 20d on-line bzw. angeschlossen, und die kurzschließenden Schalter 128b, 128c und 128d sind geöffnet. Insbesondere wenn der Schalter 128a geschlossen ist, um den Ausgang des Verstärkermoduls 20a kurzzuschließen, stellt der Kurzschluß einen offenen Stromkreis oder eine sehr hohe Impedanz für den Kombinierungsknoten 22 dar. Dies verhindert eine Belastung des Kombinierungsknotens 22 durch den redundanten Verstärker, in der gleichen Weise wie der Schalter 28a in den Fig. 1 und 2.

Weiterhin ist mit dem Ausgangsport von jedem Verstärkermodul 20a, 20b . . . 20c, 20d eine Trennanordnung 130a, 130b . . . 130c, 130d verbunden. Die Trennanordnung 130a ist typisch und wird im Detail beschrieben. Die Trennanordnung 130a enthält die Kaskade von einer ersten Übertragungsleitung 140a und einer zweiten Übertragungsleitung 144a, die einen Serienpfad definiert. Ein erstes Ende der Übertragungsleitung 140a ist mit einem schwimmenden Knoten 32 verbunden, und das andere Ende der Übertragungsleitung 140a ist mit dem einen Ende der Übertragungsleitung 144a an einem Zwischenknoten 150a verbunden. Die Übertragungsleitung 140a hat eine Länge von N×λ/4, wobei N eine ungerade ganze Zahl ist, die 1 sein kann. Die Übertragungsleitung 144a hat eine Länge von N×λ/4, wobei N eine ungerade ganze Zahl ist, die 1 sein kann. Ein kurzschließender Schalter 142a verbindet steuerbar den Knoten 150a mit Ground bzw. Masse. Das von dem Knoten 150a entfernte Ende der Übertragungsleitung 144a ist über einen Knoten 154a und einen Trennwiderstand 230a mit dem Ausgangsport 21a des Verstärkermoduls 20a verbunden. Wenn der Schalter 142a geöffnet ist, verläuft ein Serienpfad über die Übertragungsleitungen 140a und 144a und über den Widerstand 230a zwischen dem schwimmenden Knoten 32 und dem Ausgangsport 21a des Verstärkermoduls 20a. Wenn der Schalter 142a geschlossen ist, um den Knoten 150a nach Ground kurzzuschließen, ist der Serienpfad an einem Punkt N×λ/4 von dem Knoten 32 und von dem Ausgangsport 21a des Verstärkermoduls 20a an Ground gelegt. Der Schalter 142a ist mit dem Schalter 128a mechanisch gekoppelt, wie es durch die gestrichelte Linie 152a angedeutet ist.

Die Trennanordnung 130b, 130c und 130d sind ähnlich der Anordnung 130a. Jede enthält einen Serienpfad, der sich zwischen dem schwimmenden Knoten 32 und dem Ausgang seines zugeordneten Verstärkermoduls erstreckt. Der Serienpfad enthält erste und zweite Übertragungsleitungen und einen Widerstand. Ein kurzschließender Schalter ist mit der Verbindungsstelle zwischen den ersten zweiten Übertragungsleitungen verbunden. Jeder der kurzschließenden Schalter ist mechanisch mit dem zugeordneten Kurzschlußschalter gekoppelt, der mit dem Ausgangsport des zugeordneten Verstärkermoduls verbunden ist.

Im Betrieb sind unter normalen Betriebsbedingungen, in denen die Verstärker 20b, 20c und 20d in Funktion sind, die Schalter 128b, 128c und 128d zusammen mit ihren zugeordneten, gekoppelten Schaltern 142b, 142c und 142d im geöffneten Zustand. Die entsprechenden, gekoppelten Schalter 128a und 142a, die dem redundanten Verstärkermodul 20a zugeordnet sind, sind kurzgeschlossen. Bei diesem Betriebszustand werden die verstärkten Signale, die an den Ausgangsports der Verstärkermoduln 20b, 20c und 20d erzeugt werden, am Kombinierungsknoten 22 kombiniert, und das Summensignal wird zum Ausgangsport 14 übertragen. Die Trennwiderstände 230b, 230c und 230d sind mit den Ausgangsports ihrer entsprechenden Verstärkermoduln und mit den Widerständen von jedem der anderen aktiven Verstärker durch vier kaskadierte Längen der Übertragungsleitung verbunden. Genauer gesagt, ist der Knoten 154a, der mit der einen Seite des Trennwiderstandes 230a verbunden ist, auch über die kaskadierten Übertragungsleitungen 144a, 140a, 140b und 144b mit dem Knoten 154b verbunden, der mit der einen Seite des Trennwiderstandes 230b verbunden ist. In ähnlicher Weise ist der Knoten 154a über die Übertragungsleitungen 144a, 140a, 140c und 144c mit dem Knoten 154c verbunden, der mit der einen Seite des Trennwiderstandes 230c in Verbindung steht. Durch Verlängerung ist jeder Knoten 154 mit jedem anderen Knoten 154 durch einen Pfad verbunden, der aus vier kaskadierten Übertragungsleitungen besteht. Jede Übertragungsleitung hat in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Länge von λ/4, so daß eine Kaskade von vier Übertragungsleitungen eine Gesamtlänge von λ hat.

Bekanntlich kehrt eine Übertragungsleitung mit der Länge die Impedanz und Phase von hindurchtretenden Signalen zu der ursprünglichen Impedanz und Phase zurück. Infolgedessen ist es bei den aktiven Verstärkermoduln 20b, 20c und 20d und ihren zugeordneten Trennwiderständen 230b, 230c und 230d gerade so als ob die Knoten 154b, 154c und 154d direkt miteinander verbunden wären, um das Äquivalent eines Wilkinson′schen Widerstandssterns zu bilden, der demjenigen äquivalent ist, der in dem eingangs genannten Aufsatz von Russell beschrieben ist, wodurch die gewünschte Trennung unter den Ausgangsports der Verstärkermoduln herbeigeführt wird.

Andererseits stellt der Kurzschluß, der am Ausgangsport 21a des Verstärkers 20a gebildet wird, einen offenen Stromkreis oder einen Leerlauf durch die λ/4- Übertragungsleitung 126a für den Kombinierungsknoten 22 dar, wie es bereits ausgeführt wurde. Zusätzlich stellt der kurzschließende Schalter 122a, der den Knoten 150a mit Ground kurzschließt, eine hohe Impedanz durch die λ/4 Übertragungsleitung 140a für den schwimmenden Knoten 32 dar, wodurch die Tendenz besteht, den Fluß von irgendeiner Signalleistung in die Trennanordnung 130a zu verhindern und dadurch den Verbrauch bzw. die Abfuhr in dem Widerstand 230a zu verkleinern. Zusätzlich stellt der Kurzschlußschalter 142a durch die λ/4- Übertragungsleitung 144a eine hohe Impedanz für den Knoten 154a dar. Da der Trennwiderstand 230a mit dem eine hohe Impedanz aufweisenden Knoten 154a verbunden ist, fließt ein kleiner Reststrom durch den Widerstand 230a, der den Leistungsverbrauch und den Widerstand 230a minimiert.

Insoweit die Ausbildung einer Trennung bzw. Isolation während derjenigen Intervalle betroffen ist, in denen der Verstärkermodul 20a on-line ist, kann der Trennwiderstand 230a irgendwo in dem Serienpfad angeordnet oder verbunden sein, der durch die Übertragungsleitungen 140a und 144a gebildet ist, einschließlich der Endlage, die in Fig. 3 dargestellt ist. Beispielsweise könnte der Widerstand 230a irgendwo in der Übertragungsleitung 140a, irgendwo in der Übertragungsleitung 144a angeordnet sein, oder sein Widerstandswert könnte auf die Übertragungsleitungen verteilt werden (für diesen Zweck werden die Knoten 150a und 154a behandelt, als hätten sie die Länge null). Wenn jedoch Verluste berücksichtigt werden, die in dem Ausschaltzustand auftreten, dann werden gewisse Lagen bevorzugt. Wenn der Schalter 142a den Knoten 150a mit Ground kurzschließt, wird ein Punkt niedriger Impedanz hervorgerufen. Selbst kleine Restsignalspannungen können relativ hohe Signalströme nahe den eine kleine Impedanz aufweisenden Punkten zur Folge haben. Deshalb führen die Verluste in einem Reihenwiderstand dazu, wenigstens an Stellen N×λ/4 von Kurzschlüssen angeordnet zu sein. Eine derartige Lage für den Trennwiderstand 230a ist die in Fig. 3 dargestellte Lage, die von dem Knoten 150a um λ/4 getrennt ist. Eine andere entsprechende Lage (nicht dargestellt) für den Trennwiderstand 230a ist am Ende der Übertragungsleitung 140a entfernt von dem Knoten 150a.

Selbstverständlich spielt es keine Rolle, welcher Verstärker oder Modul oder Moduln inaktiv ist aufgrund von entweder einem Fehler oder weil er in Reserve gehalten wird, es gelten immer die gleichen Argumente. Wenn irgendeiner der Schalter 128a, 128b . . . 128c, 128d und der zugeordneten Schalter 142a, 142b . . . 142c, 142d geöffnet ist, kann ein Strom von dem zugeordneten Ausgangsport 51 der aktiven Verstärkermoduln über den Leistungswandler 126 zum Kombinierungsknoten 22 fließen, und die zugeordneten Trennwiderstände 230 sind an ihren Knoten 154 effektiv miteinander verbunden. Wenn andererseits ein Paar oder mehrere Paare von zugeordneten Schaltern 128 und 142 ihre zugeordneten Knoten kurzschließen, kann kein Strom den Kombinierungsknoten 22 erreichen und von den Knoten 22 wird eine hohe Impedanz gesehen, um eine Wechselwirkung zu reduzieren oder zu eliminieren. Gleichzeitig entkoppelt ein (oder mehrere) kurzgeschlossener Schalter 142 den (die) zugeordneten Trennwiderstände 230 von allen anderen Trennwiderständen, um einen Leistungsverbrauch in diesem entkoppelten Trennwiderstand (Widerständen) zu reduzieren oder zu eliminieren.

Fig. 4a ist eine schematische Darstellung der physikalischen Anordnung von Übertragungsleitungen und Schaltern auf einer gedruckten Schaltkarte 308 in einem bestimmten Ausführungsbeispiel in einem Kombiniererabschnitt gemäß der Erfindung. Der dort dargestellte Kombinierer kann das Signal von bis zu sechs Verstärkermoduln oder Quellen, oder einer kleineren Anzahl als sechs, kombinieren, wobei der Rest in Reserve gehalten wird. An der linken Seite von Fig. 4a ist ein Kombinierungsknoten 22 mit einem Ausgangsport 14 durch einen Impedanzwandler 24 verbunden. An der rechten Seite in Fig. 4a sind die Übertragungsleitungen, die als Leitungen 262a, 262b, 262c, 262m, 262n und 262d dargestellt sind, in der Lage, ein Signal von zugeordneten Verstärkermoduln oder Quellen zu empfangen und das Signal zu kurzschließenden Schaltern zu übertragen, die als Kreise 128a, 128b, 128c, 128m, 128n und 128d dargestellt sind und die entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, die von dem Kombinierungsknoten 22 äquidistant sind. Die Kurzschlußschalter 128a, 128b, 128c, 128m, 128n und 128d sind mit dem Kombinierungsknoten 22 durch Transmissionsleitungen gleicher Länge 126a, 126b, 126c, 126m, 126n bzw. 126d verbunden. Von den Kurzschlußschaltern 128a, 128b, 128c, 128m, 128n und 128d verlaufen weitere Übertragungsleitungen 144a, 144b, 144c, 144m, 144n bzw. 144d parallel zu Übertragungsleitungen 262, um eine Verbindung mit kurzschließenden Schaltern 142a, 142b, 142c, 142m, 142n und 142d herzustellen. Die Kurzschlußschalter 142a bis 142d sind entlang einem Teil einer Kreisbahn angeordnet, die an einem Punkt 31 zentriert ist. Wie in Fig. 4a dargestellt ist, ist der Punkt 31 in dem Kombinierungsknoten 32 zentriert, der sich auf der Unterseite der gedruckten Schaltkarte befindet, wie es nachfolgend beschrieben wird.

Von den kurzschließenden Schaltern 142a, 142b, 142c, 142m, 142n und 142d, die in Fig. 4a dargestellt sind, verlaufen Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 240a, 240b, 240c, 240m, 240n, 240d, die auf der oberen Oberfläche der Schaltkarte liegen, koaxial mit Mikrostreifenleitungen 144a, 144b, 144c, 144m, 144n bzw. 144d nach Durchführungen 260a, 260b, 260c, 260m, 260n bzw. 260d der Schaltkarte. Die Durchführungen 260 werden in Verbindung mit Fig. 4b deutlicher beschrieben. Auf der Unterseite der gedruckten Schaltkarte, die in Fig. 4a dargestellt ist, verlaufen Übertragungsleitungen 140a, 140b, 140c, 140m, 140n und 140d von den Durchführungen radial in Richtung auf den Kombinierungsknoten 32 und stellen eine Verbindung hiermit her, wie es in Verbindung mit Fig. 4d genauer beschrieben wird.

Fig. 4b ist eine perspektivische oder isometrische Darstellung von einem Teil der Kombiniererstruktur gemäß Fig. 4a. Gemäß Fig. 4b enthält die gedruckte Schaltkarte 308 ein nicht-leitendes oder dielektrisches Substrat 310, eine untere Metallisierung 310, eine untere Metallisierung 312, die im Prinzip eine Masse bzw. Groundebene ist, abgesehen von dem was in Verbindung mit Fig. 4d beschrieben ist. Die Karte 308 enthält auf ihrer oberen Oberfläche eine weitere Metallisierung, die obere Groundebenenflächen 314a und 314b bildet, und sie bildet auch eine Mikrostreifen- Übertragungsleitung 262b, 126b, 144b und einen Teil der Übertragungsleitung 240b.

Wie in Fig. 4b dargestellt ist, enthalten die Groundebenen 314a und 314b mehrere Löcher 356, die die oberen Abschnitte von durchplattierten Wegen sind, die elektrisch die oberen Groundebenen 314a und 314b mit dem Groundebenenabschnitt der unteren Metallisierung 312 verbinden. Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung 262b verläuft zu einem Schnittpunkt mit Übertragungsleitungen 126b und 144b. Die Übertragungsleitung 144b erstreckt sich über ein durchgehendes Loch 318 für eine Verbindung mit dem Mittelleiter 260b von einem Koaxialkabel 340b, dessen Außenleiter mit der unteren Metallisierung 312 beispielsweise an Stellen 341 verlötet ist. Verbindungen dieser Art sind allgemein bekannt und brauchen nicht näher erläutert zu werden. Weiterhin sind in Fig. 4b kurzschließende Schalter 128b und 142b dargestellt, die als von der gedruckten Schaltkarte getrennt dargestellt sind. Einzelheiten des kurzschließenden Schalters 142b sind in Verbindung mit Fig. 4c dargestellt, und der kurzschließende Schalter 128b ist ähnlich.

Fig. 4c ist eine perspektivische oder isometrische Darstellung von einem Teil der gedruckten Schaltkarte 308 gemäß Fig. 4b in der Nähe des Kurzschlußschalters 142b, wobei der Schalter auf der Schaltkarte montiert ist. Der Kurzschlußschalter 142b gemäß Fig. 4c enthält einen nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Stößel 320b, der durch eine leitfähige Membranfeder 340 gehaltert ist. Der äußere Rand der Membranfeder 340 ist elektrisch verbunden, beispielsweise durch Löten, mit der unteren Groundebene 312 um den Umfang des Loches 318 herum. Die natürliche Stellung der Membranfeder 340 ist in Verbindung mit der vorstehenden Länge des Stößels 320b so gewählt, daß die Spitze 348 des Stößels 320b nicht mit der unteren Oberfläche eines leitfähigen Brückenelements 316 in Kontakt ist, das das Loch 18 von der Übertragungsleitung 144b zur Übertragungsleitung 240b überbrückt. Ein Elektromagnet 326 wird durch einen Rahmen 327 gehalten, der durch Kleben an der unteren Oberfläche des Ground-Leiters 312 befestigt ist, und wenn er durch Leiter 320 erregt wird, zieht er einen magnetischen Körper 320a an, der an dem unteren Teil des Stößels 320 befestigt ist. Wenn der Elektromagnet 326 erregt ist, zieht er den Körper 320a nach oben, wodurch die Spitze 340a des leitfähigen Stößels 320b in Kontakt mit der unteren Oberfläche des Brückenleiters 316 geschoben wird, um dadurch die Übertragungsleitungen mit Ground zu verbinden. Die in­ soweit beschriebene Struktur ist ähnlich wie diejenige, die in der US-PS 47 82 313 beschrieben ist, außer, daß der Brückenleiter 216 unbeweglich ist und zu allen Zeiten mit beiden Übertragungsleitungen 144b und 240b in Kontakt bleibt.

Wie in Verbindung mit Fig. 4a und 4b ausgeführt wurde, verlaufen die Übertragungsleitungen in der Form von Koaxialleitern von Durchführungspunkten 260 der gedruckten Schaltkarte zu dem Bereich des Kombinierungsknotens 32. Fig. 4d stellt in einer perspektivischen oder isometrischen Darstellung Einzelheiten des Kombinierungsknotens dar, der sich auf der Unterseite der Schaltkarte 308 befindet. In Fig. 4d bildet ein ringförmiges Loch 396 innerhalb des Ground-Leiters 312 einen weiteren leitfähigen Bereich, der der Kombinierungsknoten 32 ist. Innerhalb der Ringöffnung 396 bildet eine Gruppe von leitfähigen Verbindungsstreifen 394a, 394b, 394c . . . 394m Lötpunkte zur Verbindung von Widerständen mit Übertragungsleitungen. Die Verbindungen sind ähnlich, und deshalb wird nur die Verbindung des Widerstandes 392b mit der Übertragungsleitung 340b im einzelnen beschrieben.

Wie Fig. 4d zeigt, ist der Außenleiter der koaxialen Übertragungsleitung 340b durch eine Lötnaht 382 mit der Ground-Ebene 312 verbunden. Der Mittelleiter 384b der koaxialen Übertragungsleitung 340b erstreckt sich über einen Teil einer Ringöffnung oder eines Spalts 396 und ist an einem Lötstreifen 394b angelötet. Ein rechteckiger Chip-Widerstand 392b weist Endmetallisierungen 386 und 390 auf. Die Endmetallisierung 386 ist an den Leiterstreifen 394b angelötet, und der Körper des Widerstandes 392b erstreckt sich über einen Teil der Öffnung oder des Spalts 396, so daß die Endmetallisierung 390 sich neben einem Ende des Kombinierungsstreifens 32 befindet. Die Verbindung zwischen der Endmetallisierung 390 und dem Kombinierungsknoten 32 wird durch Lötnähte 388 hergestellt.

Es sind jedoch noch weitere Ausführungsbeispiele möglich. Beispielsweise sind parallel geschaltete Festkörper-Verstärkermoduln beschrieben worden, es können aber auch Wanderwellenröhren-Verstärker oder andere Verstärkertypen in einer ähnlichen Weise parallel geschaltet werden. Anstelle von Verstärkermoduln kann die Leistung von phasenkohärenten Oszillatoren in der gleichen Weise kombiniert werden. Weiterhin wurde zwar ein einzelner Verstärker-Moduln beschrieben, der in Reserve gehalten wird, es können aber auch mehrere Moduln in Reserve gehalten werden. Auch kann die Kopplung der Schalter mechanisch erfolgen, durch eine elektrische Reihenverbindung, wie es hier dargestellt ist, oder durch eine getrennte Treiberschaltung aus Logikschaltungen.

Claims (17)

1. Parallel geschaltete Verstärkeranordnung für einen Betrieb bei einer Frequenz, gekennzeichnet durch:
eine erste Anzahl von Verstärkern (20), die jeweils einen Ausgangsport aufweisen, zum Erzeugen eines verstärkten Signals an dem Ausgangsport, wobei die Amplituden des verstärkten Signals an jedem Aus­ gangsport nominal gleich sind,
einen Leistungskombinierungsknoten (22),
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von ersten Impedanzwandlern (126), die jeweils mit dem Aus­ gangsport von einem der Verstärker (20) verbunden sind, wobei alle ersten Impedanzwandler auch mit dem Lei­ stungskombinierungsknoten (22) verbunden sind derart, daß die verstärkten Signale aus der ersten Anzahl von Verstärkern an dem Leistungskombinierungsknoten kombi­ niert werden,
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von steuerbaren ersten kurzschließenden Schaltereinrichtun­ gen (128), die jeweils mit dem Ausgangsport von einem der Verstärker verbunden sind, zum steuerbaren Kurz­ schließen des Ausgangsports von einem oder mehreren Verstärkern,
einen zweiten Knotenpunkt (32),
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von ge­ schalteten Trenneinrichtungen (130), die jeweils einen Reihenpfad aufweisen, der sich von dem Ausgangsport von einem der Verstärker (20) zu dem zweiten Knoten (32) erstreckt, wobei der Reihenpfad erste und zweite kaska­ dierte Übertragungsleitungen (140, 144) aufweist, die dazwischen eine Verbindungsstelle (150) bilden, wobei jede der ersten und zweiten Übertragungsleitungen eine Länge gleich einer ungeraden ganzen Zahl von Viertel- Wellenlängen (λ/4) nahe der Betriebsfrequenz aufwei­ sen, wobei die geschalteten Trenneinrichtungen (130) ferner zweite kurzschließende Schaltereinrichtungen (142) aufweisen, die mit der Verbindungsstelle (150) zwischen den ersten und zweiten Übertragungsleitungen (140, 144) verbunden sind, zum Kurzschließen der ersten und zweiten Übertragungsleitungen an einer Stelle ent­ fernt von dem zweiten Knoten (32) und von dem Aus­ gangsport des zugeordneten Verstärkers (20), wobei jede geschaltete Trenneinrichtung (130) ferner eine Reihen­ widerstandsanordnung (230) aufweist, die dem Serienpfad zugeordnet ist, zur Abfuhr bzw. zum Verbrauch von Ener­ gie, die unerwünschten Betriebsmoduln der parallelge­ schalteten Verstärkeranordnung zugeordnet ist, wenn die zweite Schaltereinrichtung (142), die der Reihenwider­ standsanordnung (230) zugeordnet ist, geöffnet ist, wo­ bei der zweite Schalter (142), wenn er geöffnet ist, einen Verbrauch bzw. eine Abfuhr von Leistung in der Reihenwiderstandseinrichtung (230) verhindert.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ungerade ganze Zahl 1 ist.

3. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der ersten Impedanz­ wandler (120) eine Übertragungsleitung mit einer Länge gleich einer zweiten ungeraden ganzen Zahl von Viertel- Wellenlängen (λ/4) bei der Betriebsfrequenz aufweist.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite ganze Zahl 1 ist.

5. Verstärkeranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ausgangsimpedanz-Wandler­ einrichtungen (24) zwischen den Leistungskombinierungs­ knoten (22) und einen Ausgangsport (14) der parallelen Verstärkeranordnung geschaltet ist.

6. Verstärkeranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpedanz-Wand­ leranordnung (24) eine vierte Übertragungsleitung mit einer Länge gleich einer dritten ungeraden ganzen Zahl von Viertel-Wellenlängen (λ/4) bei der Betriebsfre­ quenz aufweist.

7. Verstärkeranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte ganze Zahl 1 ist.

8. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung, die mit den ersten und zweiten kurzschließenden Schalter­ einrichtungen (128; 142) so verbunden ist, daß sie, wenn der erste kurzschließende Schalter, der einem be­ stimmten Verstärker zugeordnet ist, in dem geschlosse­ nen oder geöffneten Zustand ist, die zweite kurzschlie­ ßende Schaltereinrichtung, die dem bestimmten Verstär­ ker zugeordnet ist, in einen entsprechenden Zustand steuert.

9. Kombinierer, gekennzeichnet durch:
eine erste Anzahl von Empfangsknoten, die zu kombinie­ rende, gegenseitig gleichphasige Signale empfangen können,
einen Kombinierungsknoten,
Mittel, die mit dem Kombinierungsknoten und mit der er­ sten Anzahl von Empfangsknoten angekoppelt sind, zum Zuführen des Signals von jedem Knoten zu dem Kombinie­ rungsknoten mit zueinander gleichen Phasen,
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von er­ sten kurzschließenden Schaltereinrichtungen, die je­ weils mit einem der Knoten verbindbar sind, derart, daß sie im leitenden Zustand eine kleine Impedanz für das zugeordnete Signal darstellen, um dadurch seine Ver­ knüpfung an dem Kombinierungsknoten zu verhindern,
einen zweiten Knoten,
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von Trennanordnungen, die jeweils erste und zweite Übertra­ gungsleitungen aufweisen, die so kaskadiert sind, daß ein Reihenpfad gebildet ist, der sich zwischen dem zweiten Knoten und einem der Empfangsknoten erstreckt, und daß ferner ein Zwischenknoten gebildet ist, der zwischen den ersten und zweiten Übertragungsleitungen liegt, wobei jede Trennanordnung ferner eine kurz­ schließende Zwischenschalteranordnung aufweist, die mit dem Zwischenknoten verbunden ist, zum Kurzschließen der ersten und zweiten Übertragungsleitungen, wobei die kurzschließende Zwischenschalteranordnung mit einem der ersten kurzschließenden Schaltereinrichtungen gekoppelt ist, und
eine Anzahl, die gleich der ersten Anzahl ist, von Wi­ derstandseinrichtungen, wobei eine Widerstandseinrich­ tung dem Reihenpfad von jedem der Trennanordnungen zu­ geordnet ist.

10. Kombinierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Übertra­ gungsleitungen eine Länge von N λ/4 hat, wobei N eine ungerade ganze Zahl ist.

11. Kombinierer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß N gleich 1 ist.

12. Kombinierer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede der zweiten Übertra­ gungsleitungen eine Länge von M λ/4 hat, wobei M eine ungerade ganze Zahl ist.

13. Kombinierer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß M gleich N gleich 1 ist.

14. Kombinierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Widerstandsein­ richtungen einen diskreten Widerstand aufweist.

15. Kombinierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Widerstandsein­ richtungen in dem zugeordneten Reihenpfad an einem von dem Zwischenknoten entfernten Punkt angeordnet ist.

16. Kombinierer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Widerstandsein­ richtungen an einem Punkt neben dem zweiten Knoten an­ geordnet ist.

17. Kombinierer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Widerstandsein­ richtungen an einem Punkt neben einem der Empfangskno­ ten angeordnet ist.