DE69522223T2 - Linearer mikrowellenleistungsverstärker mit durch die modulationsumhüllende gesteuerte stromversorgung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Bereich der elektronischen Hochfrequenzverstärker, konkret auf einen linearen Mikrowellenleistungsverstärker mit durch die Modulationshüllkurve gesteuerter Stromversorgung
• Eine nützliche Eigenschaft von Leistungsverstärkern unabhängig vom Betriebsfrequenzbereich ist der hohe energetische Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis der an den Verbraucher abgegebenen Nutzleistung zur durch die Speisequelle aufgenommenen Leistung.
• Das Problem der Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads von Verstärkern ist von solch großer Bedeutung, dass dadurch unabhängig von der jeweiligen Betriebsklasse die Suche nach immer neuen Lösungen angeregt worden ist.
• Einige bekannte Lösungen für das oben erwähnte Problem gehen von Beobachtungen des Zeitverhaltens der Amplituden von Sprach- und Musiksignalen aus, wie sie in der Praxis oft zu verstärken sind. Die Ergebnisse dieser Beobachtungen zeigen, dass zufällig auftretende Amplitudenspitzenwerte im Vergleich zu den niedrigeren und mittleren Amplituden von geringerer Dauer sind. Mit dem Auftreten von Amplitudenspitzenwerten nehmen die Verstärker Leistungsspitzenwerte von der Stromversorgung auf. Die Linearitätsanforderungen der Verstärker machen es notwendig, dass die Versorgungsspannung auch während der Absorption von Spitzenwerten so hoch gehalten wird, dass keine Sättigung der Verstärkerkomponenten eintritt, so dass eine Zunahme von Verzerrungen im verstärkten Signal vermieden wird. Folglich wird die Spannung stets höher sein, als für den größten Teil der Signalzeit tatsächlich erforderlich ist. Dadurch verbrauchen die Verstärkerkomponenten unnötig Leistung. Das kann durch Verringerung der Versorgungsspannung für Amplituden, die unterhalb der Spitzenwerte liegen, vermieden werden. Auf diesem Ansatz basieren die meisten bekannten Lösungen, bei denen die Verwendung von zwei verschiedenen Versorgungsspannungen vorgeschlagen wird. Die erste Spannung wird dabei nur während der Absorptionsspitzenwerte verwendet, die zweite Spannung, die niedriger als die erste ist, für die verbleibende Zeit. Bei dieser Betriebsweise erhöht sich der Wirkungsgrad eines Verstärkers im Vergleich mit einem Verstärker mit nur einer Stromversorgung, da für die gleiche an den Ohmschen Verbraucher gelieferte Leistung im Durchschnitt eine geringere Versorgungsspannung erforderlich ist.
• Die im Zeitverhalten von Sprachsignalamplituden vorhandenen Spitzenwerte treten auch bei Hochfrequenzträgern auf, die durch die oben genannten Basisbandsignale amplitudenmoduliert werden. Bei mit Hochfrequenzen modulierten Trägern tritt das Verstärkerleistungsproblem insbesondere bei der Übertragung auf. Der Einsatz von Verstärkern mit zwei verschiedenen Versorgungsspannungen ist jedoch nicht ganz unproblematisch, da die Frequenzen viel höher sind als die Frequenzen des Basisbandsprachsignals. So liegen bei für Digitalhochfrequenzverbindungen verwendeten Verstärkern die Frequenzen zum Beispiel im Mikrowellenbereich.
• Ein Beispiel eines Verstärkers mit zwei Versorgungsspannungen zur Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads ist in der japanischen Patentanmeldung JP 60-130905 beschrieben. Abb. 3 (siehe Anhang) zeigt einen Verstärker mit zwei Paar Transistoren Q1, Q2 und Q3, Q4, die an denselben Verbraucher RL angeschlossen sind. Das erste Paar Q1, Q2 wird von zwei Spannungen +EL und -EL gespeist und verstärkt die niedrigen Amplitudenwerte des Eingangssignals nach einem Gegentaktdiagramm. Das zweite Paar Q3, Q4 wird von zwei Spannungen +EH und -EH mit EH > EL gespeist und verstärkt die hohen Amplitudenwerte des Eingangssignals, wobei die Konfiguration die gleiche ist wie oben beschrieben. Die Auswahl des jeweiligen Transistorpaars wird über die Eingangssignalstärke vorgenommen (siehe Abb. 4). Da der Stromkreis vollkommen symmetrisch ist, reicht es aus, im folgenden lediglich die positiven Signalwerte zu betrachten. Die entsprechenden Aussagen für negative Signalwerte können durch eine entsprechende Analogiebetrachtung abgeleitet werden. Wenn die Eingangsspannung unter +EL liegt, ist der erste Transistor Q5 aktiv und speist den Transistor Q1 des ersten Paars. Ein Stromschalter, der aus den Transistoren Q9, Q10 und Q15 besteht, unterbricht einen zweiten Transistor Q6, der den Transistor Q3 des zweiten Paars speist, das damit ausgeschaltet bleibt. Wenn die Eingangsspannung über +EL steigt, aktiviert der Stromschalter die Transistoren Q6 und Q3 und unterbricht gleichzeitig Q5 und Q1.
• Ein zweites Beispiel eines Verstärkers mit doppelter Stromversorgung ist in der US-amerikanischen Patentanmeldung US-A-4 498 057 beschrieben. Diese Verstärkereinheit unterscheidet sich erheblich von der oben beschriebenen Variante, da hier zwischen niedrigeren und höheren Frequenzen des Eingangssignals unterschieden wird. Das geschieht, um bei hohen Frequenzen die Verlustleistung gering zu halten und um ein zu schnelles Hin- und Herschalten zwischen den Stromversorgungsquellen und das damit verbundene Rauschen sowie Verzerrungen zu vermeiden. Um während des Spitzenwertes des Eingangssignals Leistung zu sparen, wird die Stromversorgung für hohe Werte aktiviert und die Stromversorgung für niedrige Werte deaktiviert. Die Treibertransistoren der jeweiligen Endstufen werden so angesteuert, dass die Spannung einem verstärkten Anteil des Eingangssignals zuzüglich der Ausgangsspannung der Stromversorgung für niedrige Werte entspricht.
• Der größte Nachteil der Verstärker in den oben beschriebenen Beispielen ist auch der Nachteil des nachfolgenden dritten Beispiels.
• In der US-amerikanischen Patentanmeldung US-A-4 598 255 wird eine Verstärkereinheit mit doppelter Stromversorgung zum Empfang von Eingangssignalen und Erzeugung von verstärkten Ausgangssignalen beschrieben, bei der zum einen eine relativ niedrige Versorgungsspannung und zum andern eine relativ hohe Versorgungsspannung für die Verstärkereinheit bereitgestellt wird. Eine Steuereinheit sorgt dafür, dass am Verstärker die niedrige Versorgungsspannung anliegt, wenn das verstärkte Ausgangssignal unter der Spannung der ersten Stromversorgung liegt und die hohe Versorgungsspannung, wenn das verstärkte Ausgangssignal über der Spannung der ersten Stromversorgung liegt.
• Der große Nachteil der in den vorangegangenen drei Beispielen beschriebenen Verstärker ist, dass sie für die Verstärkung von amplituden- oder amplituden- und phasenmodulierten Hochfrequenzträgern völlig ungeeignet sind. Der Grund liegt darin, dass bei der Umschaltung auf die eine oder andere Stromversorgung bzw. äquivalent dazu bei der Verbindung des Verbrauchers mit dem einen oder anderen Verstärker die Augenblickswerte der zu verstärkenden oder bereits verstärkten Signalspannung geschaltet werden. Bei modulierten Trägern würde dies bedeuten, es müssten Ströme von mehreren Ampere mit einer Frequenz von im günstigsten Fall einigen zehn MHz bis im ungünstigsten Fall zu mehreren GHz geschaltet werden. Wegen der Probleme bei der Herstellung und den damit verbundenen untragbaren Kosten für entsprechende Komponenten erscheint dies praktisch unmöglich. Wenn ein solcher Verstärker tatsächlich realisiert würde, müssten zudem für die Umschaltung zwischen den beiden Versorgungsspannungen über den Augenblickswert der Signalamplitude die für Hochfrequenzverstärker normalerweise in den Versorgungsanschlüssen verwendeten Sperrfilter zur Vermeidung der Übertragung des Signals auf die Stromversorgung entfallen. Dadurch können erhebliche elektromagnetische Störungen auf den Stromkreis übertragen werden und den Verstärkerbetrieb gefährden.
• Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und einen linearen Leistungsverstärker für Hochfrequenzsignale, insbesondere Mikrowellensignale, vorzuschlagen, bei dem die Stromversorgung über die Modulationshüllkurve des Hochfrequenzsignals gesteuert wird, um den energetischen Wirkungsgrad zu verbessern.
• Der Gegenstand des Patents ist folglich der in Patentanspruch 1 definierte lineare Hochfrequenzsignalverstärker. Er besteht aus einem ersten Transistor, der als Leistungsverstärker arbeitet. Der Transistor wird von einer ersten Stromversorgung über eine Diode und eine Drosselspule mit der Spannung +VA und von einer zweiten Stromversorgung über einen zweiten Transistor, der vom Strom der zweiten Stromversorgung durchflossen wird, mit der Spannung +VB > +VA versorgt. Ein zu verstärkendes Hochfrequenzsignal RF'in wird von einem Richtungskoppler abgegriffen und einerseits über eine Verzögerungsleitung an den Eingang des ersten Transistors und andererseits an einen Hüllkurvendetektor mit nachgeschaltetem Hüllkurvenverstärker angelegt. Letzterer überlagert die verstärkte Hüllkurve mit einer Gleichspannung +Vreg < +VA, woraus sich das Ausgangssignal Vp ergibt. Die Spannung Vp steuert den zweiten Transistor als Emitterfolger. So lange Vp &le; VA ist, ist die Diode leitend und sperrt den zweiten Transistor. Der Verstärker wird dann nur von der ersten Stromversorgung mit Strom versorgt.
• Während des Auftretens von Spitzenwerten von RF'in ist Vp > +VA und damit der zweite Transistor leitend. Die Drosselspule verhindert in diesem Fall, dass der von der zweiten Stromversorgung kommende Stromspitzenwert über die parasitären Kapazitäten der Diode auf die erste Stromversorgung übergreifen kann. Die Länge der Verzögerungsleitung zwischen RF'in und dem ersten Transistor ist so angepasst, dass die Amplitudenspitzenwerte des Eingangssignals des ersten Transistors in Phase mit den entsprechenden von der zweiten Stromversorgung gelieferten Stromspitzenwerten sind. Eine genauere Beschreibung dazu wird in den Patentansprüchen gegeben. Der zweite Transistor, die Diode und die Drosselspule schalten die Stromversorgungen um.
• Es wird deutlich, dass bei dem Verstärker, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, die Umschaltung auf die höhere Versorgungsspannung stattfindet, wenn die Modulationshüllkurve ihren Spitzenwert erreicht, nicht bei bestimmten Augenblicksamplitudenwerten des Hochfrequenzsignals. Die Modulationshüllkurve ist mit der mittleren Leistung des Hochfrequenzsignalskorreliert und schwankt daher wesentlich langsamer als die Augenblicksamplitudenwerte. Somit ist die Verwendung von Hochfrequenzsperrfiltern in den Verbindungsleitungen für die Stromversorgungen und allen weiteren für die Verhinderung negativer Effekte von Hochfrequenzstörungen erforderlichen Komponenten weiterhin möglich. Bei dieser Lösung ist es zudem einfacher, geeignete Komponenten zum Umschalten von einer Versorgungsspannung auf die andere zu finden.
• Schließlich können selbst für amplitudenmodulierte Hochfrequenzträger Verstärker mit doppelter Stromversorgung bereitgestellt werden.
• Der Verstärker, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, hat einen hohen energetischen Wirkungsgrad und gleichzeitig eine hervorragende Linearität in einem breiten Frequenzbereich. Der Vorteil ist, dass erheblich weniger Leistung verbraucht wird, d.h. die Stromversorgungen weniger beansprucht werden und Kühlkörper kompakter und kostengünstiger dimensioniert werden können. Damit werden die heutigen Forderungen nach Miniaturisierung von Hochfrequenzgeräten, insbesondere bei der Verwendung für digitalen Mikrowellenfunkverbindungen in idealer Weise erfüllt. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch weniger Leistung in Form von Wärmeenergie abgeführt werden muss, die Temperaturbelastung der Geräte sinkt und die Betriebslebensdauer der Leistungsverstärkerkomponenten verlängert wird.
• Ein Hochfrequenzverstärker mit Hüllkurvendetektor zur Steuerung der an den Leistungstransistor gelieferten Spannung wird beschrieben in: 39TH IEE VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE (39. FAHRZEUGTECHNOLOGIE- KONFERENZ), Band 1,1.-3. Mai 1989, SAN FRANCISCO, KALIFORNIEN/USA, Seiten 17-18, XP 000076154, M.J. KOCH ET AL, "HIGH EFFICIENCY 835 MHz LINEAR POWER AMPLIFIER FOR DIGITAL CELLULAR TELEPHONY" (LINEARER 835 MHZ-LEISTUNGSVERSTÄRKER MIT HOHEM WIRKUNGSGRAD FÜR DIGITALE MOBILTELEFONSYSTEME). Der dort beschriebene Verstärker enthält eine besondere Einrichtung zur Linearisierung eines Hochfrequenzleistungstransistors der Klasse C für ein 835 MHz-QAM- Übertragungssignal. Ein Verstärker der Klasse C arbeitet bekanntlich im Sättigungsmodus, wodurch der Pegel des Ausgangssignals begrenzt wird. Solche Verstärker können für FM-Signale, nicht jedoch für amplitudenmodulierte Signale wie QAM verwendet werden. Aus dem Artikel geht hervor, dass die Kollektorgleichspannung des Leistungstransistors moduliert und damit die Amplitudeninformation (die sonst verloren gehen würde) auf das Ausgangssignal übertragen wird. Dazu wird die Basisbandhüllkurve des RF-Signals zur Steuerung eines PWM-Verstärkers durch einen in einen Vorwärtszweig eingefügten Hüllkurvendetektor erzeugt. Die modulierte Kollektorgleichspannung wird durch einen nach der PWM angeordneten Bandpassfilter geliefert. Das Signal am Ausgang des RF-Verstärkers durchläuft einen zweiten Hüllkurvendetektor, durch den das Ausgangssignal des ersten Hüllkurvendetektors im Rückkopplungsmodus korrigiert wird und das Intermodulationsprodukt der dritten Ordnung um 30 dB abgeschwächt wird.
• Als Ansatz zur Verringerung der aufgenommenen Leistung eines Hochfrequenzverstärkers wird im letztgenannten Beispiel ein Verstärker der Klasse C verwendet. Bei QAM-Signalen ergibt sich dabei das Problem der Linearisierung des Verstärkers. Dieser Ansatz unterscheidet sich vollkommen von unserem Ansatz, in dem der Verstärker bereits linear ist und die Leistungseinsparung durch Umschalten zwischen einer Stromversorgung mit höherer und einer Stromversorgung mit niedrigerer Spannung auf der Grundlage der Spitzenwerte der erkannten Hüllkurve erreicht wird. Auch der Hüllkurvendetekfor wird in beiden Fällen mit vollkommen unterschiedlichen Zielen verwendet. Es können vom letztgenannten Beispiel keine Erkenntnisse zur Verwendung in unserer Erfindung abgeleitet werden. Eine Kombination der vorher genannten Möglichkeiten und dem letztgenannten Beispiel vorzuschlagen, erscheint unrealistisch, da ein für einen Hochfrequenzverstärker unverzichtbarer Hüllkurvendetektor in einem Audio- Verstärker keinen Sinn macht.
• Die Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden detailliert beschrieben. Dabei wird Bezug auf die im Anhang enthaltene Abbildung genommen.
• Abb. 1 zeigt ein Blockdiagram und einen Teil des Schaltplans des Verstärkers, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.
• Der Block AMP in Abb. 1 repräsentiert den Verstärker, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Er besteht aus den Blöcken RF- PREAMP, RIT, RF-AMP-DISP, RIV-INV, VIDEO-AMP, PIC-COM, ALIM-A und ALIM-B.
• Am Eingangsanschluss 1 des Verstärkers AMP wird ein Mikrowellensignal RF'in angelegt. Dieses Signal wird leistungsverstärkt und als Signal RFout an den Ausgangsanschluss 2 angelegt. Der Verbraucher Ro wird zwischen Anschluss 2 und Erde angeschlossen. Das Signal RF'in kommt von Block LIN, der aus einem Vorverzerrungslinearisierer bekannten Typs besteht, an dessen Eingang ein Signal RFin anliegt. Letzteres ist ein 64-QAM-modulierter Mikrowellenträger, könnte aber auch ein beliebiges anderes amplitudenmoduliertes Hochfrequenzsignal mit anderem Amplitudenmodulationsdiagramm sein, vorausgesetzt, das Amplitudenverhalten des modulierten Signals enthält Spitzenwerte von kurzer Dauer. Ganz allgemein muss das Modulationssignal über eine hohe Dynamik verfügen, d.h. das Verhältnis Spitzenwert zu Durchschnittswert muss hoch sein.
• Der Block RF-PREAMP ist ein Vorverstärker bekannten Typs für den Mikrowellenbetrieb, der den niedrigen Leistungspegel des Signals RF'in verstärkt. Das vorverstärkte Signal wird von einem Richtungskoppler ACC-DIR bekannten Typs abgegriffen, der sowohl an eine Verzögerungsleitung RIT als auch einen Hüllkurvendetektor RIV-INV (beide bekannten Typs) angeschlossen ist.
• Das vorverstärkte Signal durchläuft die Verzögerungsleitung RIT und wird in den Block RF-AMP-DISP eingespeist, einem Leistungsverstärker bekannten Typs für Mikrowellenbetrieb, der einen Feldeffekttransistor TR1 mit geerdetem Source-Anschluss enthält. Das von RF-AMP-DISP verstärkte Signal gelangt über einen Kondensator C an den Ausgangsanschluss 2 von AMP und von dort zum Verbraucher Ro.
• Die Modulationshüllkurve am Ausgang von RIV-INV wird am Eingang eines Videoverstärkers VIDEO-AMP angelegt. An den zweiten Eingang wird eine Gleichspannung +Vreg angelegt. Das Signal Vp am Ausgang von VIDEO-AMP liegt an der Basis des im Block PIC-COMM enthaltenen bipolaren Transistors TR2 an.
• Im Block PIC-COMM ist ein Stromversorgungsumschalter untergebracht, der von den Amplitudenspitzenwerten des Signals Vp gesteuert wird und neben TR2 eine Diode D mit in Reihe geschalteter Drosselspule enthält. Die Anode von Diode D ist mit dem Ausgang der ersten Stromversorgung ALIM-A verbunden, die eine Gleichspannung +VA liefert. Die Kathode ist an die Drosselspule L angeschlossen. Der anderer Anschluss der Drosselspule ist mit dem Drain von TR1 verbunden. Der Kollektor von TR2 ist mit dem Ausgang der zweiten Spannungsquelle ALIM-B verbunden, die eine Gleichspannung +VB liefert, die höher als Spannung +VA ist. Der Emitter von TR2 ist ebenfalls am Drain von TR1 angeschlossen. ALIM-A und ALIM-B sind an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossen, die in der Abbildung nicht dargestellt ist und eine Gleichspannung +E für den Betrieb der beiden Stromversorgungsquellen liefert. Die Blöcke VIDEO-AMP und RF-PREAMP werden von ALIM-B mit Spannung versorgt (in Abb. 1 nicht dargestellt), die Blöcke RIV-INV und RIT erfordern keine Stromversorgung.
• Hier einige Vorbemerkungen zur Modulationsart des RFin-Signals (QAM oder gleichwertige Modulationsart) zum besseren Verständnis der Funktion. Es soll deutlich gemacht werden, von welchen Grundannahmen hinsichtlich der Verwendung von zwei umschaltbaren Versorgungsspannungen für einen Verstärker sowohl beim bisherigen Stand der Technik als auch bei der vorliegenden Erfindung ausgegangen wird. Zugrunde liegt, dass das zu verstärkende Signal statistisch verteilte Amplitudenspitzenwerte enthält, die von kürzerer Dauer sind als die im Durchschnitt länger andauernden niedrigeren Amplituden. Diese Signaleigenschaft ist für Basisbandsprach- und -musiksignale oder durch diese modulierte Hochfrequenzträger unmittelbar verständlich, jedoch nicht unbedingt für QAM- modulierte Träger, wo die Modulationssignale im allgemeinen Daten sind. Die QAM-Modulation ist also eine Eigenschaft von digitalen Signalen und beeinflusst gleichzeitig die Amplitude und die Phase des Hochfrequenzträgers. Eine grafische Darstellung dieser Modulationsart ist durch die Platzierung des Endpunkts eines Vektors in einer Ebene möglich, der dann alle möglichen Werte eines modulierten Trägers annimmt. Aus allen Punkten zusammengenommen kann dann das Verhältnis der Spitzenleistung zur mittleren Leistung des modulierten Signals und daraus die Bandbreite berechnet werden. Für eine 64-QAM-Modulation beträgt dieses Verhältnis zum Beispiel etwa 6 dB, und das Frequenzband liegt zwischen Null und etwa 40 MHz.
• Daraus lässt sich unter anderem schlussfolgern, dass QAM- Signalverstärker, insbesondere wenn die Anzahl der Modulationsebenen groß ist, eine sehr lineare Kennlinie haben müssen, um Verzerrungen und damit Demodulationsfehler zu vermeiden. In solchen Fällen ist der Linearisierer LIN erforderlich. Dazu kann u. a. der in der europäischen Patentanmeldung Nr. 91200799.4 vom selben Patentanmelder beschriebene Linearisierer verwendet werden. Das Signal RF'in am Ausgang des Linearisierers enthält leichte Amplituden- und Phasenvorverzerrungen, die den gleichen Wert und das entgegengesetzte Vorzeichen der durch TR1 verursachten Verzerrungen haben. Einige Werte zu den vom GaAsFET TR1 verursachten Verzerrungen sind weiter unten angegeben.
• Weitere Hinweise zur Funktion: Wie aus Abb. 1 hervorgeht, durchläuft das Signal RF'in zwei verschiedene Pfade. Der erste führt im Anschluss an das Durchlaufen der Verzögerungsleitung direkt zum Gate von GaAsFET TR1. Ein zweiter Pfad führt zum Hüllkurvendetektor RIV-INV, der aus dem Signal die Modulationshüllkurve gewinnt, die anschließend von VIDEO-AMP verstärkt und der Spannung +Vreg in bekannter Weise überlagert wird, um das Signal Vp zu erzeugen. Das Signal Vp erzeugt durch die Ansteuerung von TR2 die Vorspannung VDS von TR1. Zusammenfassung: Ein allgemeiner Amplitudenspitzenwert von RF'in gelangt über zwei verschiedene Pfade zu TR1. Der erste Pfad wird vom Spitzenwert des Hochfrequenzsignals und der zweite vom Spitzenwert der Modulationshüllkurve durchlaufen.
• Die Verzögerungsleitung RIT im ersten Pfad zu TR1 dient zur Kompensation der längeren Verzögerungszeit entlang des zweiten Pfads, damit die Amplitudenspitzenwerte von RF'in am Eingang von GaAsFET TR1 in Phase mit den in der Spannung Vp enthaltenen und von TR2 wiederholten entsprechenden Amplitudenspitzenwerten der Hüllkurve von RF'in sind. Die verschiedenen Verzögerungszeiten auf den zwei Pfaden kommen prinzipiell durch die unterschiedlichen Längen zustande, wobei beim zweiten Pfad die Verzögerung durch die Blöcke ACC-DIR, RIV-INV, VIDEO-AMP und TR2 zusätzlich hinzukommt.
• Der Block VIDEO-AMP stellt einen beliebigen Verstärker bekannten Typs dar, der sowohl die Gleichspannungs- als auch die Wechselspannungssignale der Frequenzen innerhalb des typischen Frequenzbands der Modulationshüllkurve linear verstärken kann. In der Praxis sind für das Hüllkurvensignal nur Frequenzen bis 60 MHz möglich. Allerdings ist es vorteilhaft, für VIDEO-AMP einen linearen Verstärker zu verwenden, dessen Übertragungsfunktion eine konstante Amplitude und in einem relativ breiten Bereich, z.B. zwischen 0 und 200 MHz, eine lineare Phasenänderung zeigt. Dadurch sind die Eingangs-/Ausgangsverzögerungen kleiner und können mit kürzeren Verzögerungsleitungen (RIT) kompensiert werden.
• Die vorliegende Erfindung (der Verstärker, der Gegenstand der Erfindung ist) wird im Diagramm in Abb. 1 hinreichend genau beschrieben. Der Verstärker kann von entsprechend qualifizierten Technikern in der Praxis durch entsprechende zusätzliche Komponenten so angepasst werden, dass eine gute Funktion gewährleistet ist, z.B. Sperrfilter in Versorgungsleitungen, Koppelfilter für das Modulationshüllkurvensignal, Eingangs- und Ausgangsfilter des Mikrowellensignals, Vorspannungsnetzwerke für die Transistoren TR1 und TR2 usw. Insbesondere kann als Transistor TR2 auch ein FET verwendet werden, was allerdings eine Änderung der Spannung +Vreg erforderlich macht, damit die Spannung Vp die entsprechende Vorspannung VGS für den FET TR2 liefern kann.
• Als Transistor TR1 wurde der Fujitsu GaAsFET FLM3742-25DA eingesetzt, der für eine Leistung von 25 W über den gesamten Frequenzbereich zwischen 3,7 GHz und 4,2 GHz bei einer Nennspannung von VDS = 10 V und einem Nennstrom von IDS = 6,2 A ausgelegt ist. Die den Arbeitspunkt bestimmenden Nennwerte für maximale Hochfrequenzausgangsleistung und ausreichende Zuverlässigkeit werden im allgemeinen vom Bauteilhersteller angegeben.
• Der Hauptaspekt, auf dem die vorliegende Erfindung basiert, stammt aus der experimentellen Beobachtung, dass die -Parameter der Diffusionsmatrix von GaAsFET TR1 in einem bestimmten Wertebereich unterhalb der Nennwerte eine geringe Abhängigkeit von der Spannung VDS und dem Arbeitspunktstrom IDS haben. Dadurch ist es möglich, den GaAsFET für die niedrigen Werte des Eingangssignals RF'in mit einer Spannung VDS vorzuspannen, die etwa nur die Hälfte des Nennwerts beträgt. Der Strom IDS ist dann etwa um 40% geringer. Das verstärkte Signal ist nur leicht verzerrt, es wird aber ein erheblicher Teil an Leistung eingespart. In unserem Beispiel wich der gemessene Gewinn nur um 0,2 dB und die Phase um etwa 2º ab, wenn der GaAsFET TR1 mit VDS = 5 V und IDS = 4 A statt mit den Nennwerten 10 V und 6,2 A angesteuert wurde.
• Die obigen Ausführungen gelten auch für andere Bauteiltypen, z.B. für normale FETs bei Betriebsfrequenzen unterhalb des Mikrowellenbereichs und für bipolare Transistoren. Dadurch kann der Verstärker, der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, in verschiedenen Frequenzbereichen eingesetzt werden.
• Aus den obigen Ausführungen zum Arbeitspunkt von TR1 und den Betrieb von AMP kann eine Spannung +VA von 7,5 V und +VB von 14 V abgeleitet werden. Der von ALLM-A gelieferte mittlere Strom IDS = 4 A wird durch die Vorspannungsbeschaltung von TR1 bestimmt. Der von ALIM-B bei einem 64-QAM- Signal aufgenommene mittlere Strom betrug bei Verwendung einer Drosselspule mit 50 uH etwa 0,5 A.
• Aus den angegebenen Werten und den Vorspannungsnennwerten des Herstellers für TR1 lässt sich die eingesparte Leistung gegenüber der konventionellen Lösung mit einfacher Stromquelle berechnen. In unserem Beispiel betrug die insgesamt von den Stromversorgungen aufgenommene Leistung (7,5 · 4) + (14 · 0,5) = 37,5 W. Bei der konventionellen Lösung hätte die aufgenommene Leistung mindestens 10 · 6,2 = 62 W betragen. Damit wurden 62 - 37,5 = 24,5 W weniger verbraucht, was einem Prozentsatz von (24,5/62) · 100 = 39,5% entspricht.
• Es ist zweckmäßig, die Funktion des Verstärkers AMP genauer zu untersuchen, zuerst für Eingangssignale, die sich langsam ändern, und anschließend für Signale die sich schnell ändern. Als Signale, die sich langsam ändern, werden hier amplitudenmodulierte Träger (QAM) angenommen, bei denen sich die Hüllkurve nur langsam ändert, so dass die Drosselspule L als Kurzschluss und die Diode D als ideal angesehen werden können. Außerdem wird davon ausgegangen, dass die Stromversorgung ALIM-B den Nennstrom von 6,2 A für den GaAsFET TR1 liefern kann. Unter diesen Annahmen beginnt TR2 zu leiten, wenn die Spannung Vp größer als +VA wird. In diesem Fall (TR2 arbeitet als Emitterfolger) liegt die Spannung Vp am Drain von TR1 als Vorspannung Ws von TR1 an und ändert sich in Abhängigkeit von der Modulationshüllkurve des Signals RF'in. Wenn TR2 leitend wird, sperrt gleichzeitig die Diode D und die Spannung wird nicht mehr von ALIM-A, sondern nur noch von ALIM-B geliefert. Da Vp die Summe der Spannung +Vreg und der Hüllkurvenspannung des durch VIDEO-AMP verstärkten Signals RF'in ist, ist die Spannung +Vreg wegen des Durchschaltens von TR2 nach oben begrenzt. Unter der Annahme, dass das Signal RF'in nicht vorhanden ist, gilt Vp = +Vreg. In diesem Fall darf der Höchstwert von +Vreg TR2 nicht zum Durchschalten bringen, damit der Strom IDS von GaAsFET TR1 ausschließlich von der Stromversorgung ALIM-A geliefert wird. In der Praxis darf +Vreg bezüglich des gerade gesagten nicht größer als etwa +VA werden, doch ist dieser Wert selbst nicht anwendbar, da bei vorhandenem Signal RF'in TR2 bei sehr niedrigen Werten des Hüllkurvensignals durchschalten würde und dann keine Unterscheidung zwischen niedrigen und Spitzenwerten der Amplitude für das Signal RF'in zur Ansteuerung der zusätzlichen Stromversorgung ALIM-B möglich wäre. Für +Vreg muss ein unterer Grenzwert festgelegt werden, damit die Amplitude von Vp, bei der der Transistor TR2 durchzusteuern beginnt, einem vorbestimmten Schwellwert für die oben erwähnte Unterscheidung entspricht. Daher wird die Spannung +Vreg über bestimmte Bausteine geregelt, die in der Abbildung nicht enthalten sind.
• Ausgehend von der ursprünglichen Position, d.h. mit sich langsam ändernden Hüllkurvensignalen, muss der Verstärkungsfaktor von VIDEO-AMP so groß sein, dass die auf den Emitter von TR2 übertragene Spannung Vp bei Hüllkurvenamplitudenspitzenwerten nicht über den vom Hersteller angegebenen Nennwert von 10 V für VDS von TR1 hinausgeht.
• Bei der Untersuchung des Verhaltens des Verstärkers AMP für sich schnell ändernde Eingangssignale kann die Drosselspule L nicht mehr als Kurzschluss und die Diode D nicht mehr als ideal angesehen werden.
• Wenn an RF'in 64-QAM-modulierte Signale anliegen, wird der oben erwähnte Schwellwert für die Unterscheidung zwischen kleinen und großen Amplitudenwerten in sehr schneller Abfolge in beide Richtungen durchlaufen, da die Dauer der Spitzenwerte sehr kurz sein kann, z.B. in der Größenordnung von 20 Nanosekunden. Für den Transistor TR2 entstehen dadurch keine besonderen Betriebsprobleme. Heutzutage stehen preisgünstige Transistoren zur Verfügung, die Signale mit Bandbreiten von 200 MHz und mehr verstärken können und daher solche kurzen Amplitudenspitzenwerte gut verarbeiten können. Ohne die Verwendung der Drosselspule L könnte eine geeignete Diode D schwer zu finden und außerdem teuer sein und möglicherweise entsprechende Einschränkungen mit sich bringen. Die Diode muss Ströme von 4 A innerhalb der minimalen Dauer der Spitzenwerte schalten können. Die Drosselspule L hat eine Induktivität von 50 uH. Dieser Wert ist groß genug, die sich schnell ändernden Stromspitzenwerte von TR2 daran zu hindern, zu ALIM-A zu gelangen. Andernfalls würden diese Ströme aufgrund der niedrigeren Spannung über die parasitäre Kapazität parallel zur Halbleiterübergangsschicht der Diode D in Richtung ALIM-A fließen. Der Gesperrtzustand der Diode D wird somit langsamer erreicht, und die Diode stellt damit keine kritisches und teures Bauelement mehr dar. Die Funktion der Drosselspule L ist komplexer als die einer einfachen Sperrdrossel. In der Praxis wirkt die Spule bezüglich der schnellen Stromspitzenwerte nämlich auch als "Schwungrad", da Energie von ALIM-A gespeichert wird und daraus die Stromspitzenwerte gespeist werden, solange TR2 noch nicht vollständig durchgeschaltet hat. Damit wird das schlagartige Umschalten zwischen den zwei Stromversorgungen vermieden, was ansonsten nur schwer zu implementieren wäre.

Claims (9)

1. Verstärker für amplitudenmodulierte oder amplituden- und phasenmodulierte Hochfrequenzsignale, deren Amplitudenspitzenwerte von kürzerer Dauer als die niedrigeren Amplitudenwerte sind, mit

- einer Einrichtung zum Empfang des Hochfrequenzsignals und dessen Ankopplung an die Hochfrequenzverstärkerschaltung;

- einer ersten Stromversorgungsschaltung zur Versorgung der Verstärkerschaltung mit einer relativ niedrigen Versorgungsspannung;

- einer zweiten Stromversorgungsschaltung zur Versorgung der Verstärkerschaltung mit einer relativ hohen Versorgungsspannung;

- einer Verbindungs- und Steuerschaltung zur Verbindung der ersten bzw. zweiten Stromversorgungsschaltung mit der Verstärkerschaltung,

durch gekennzeichnet,

dass die Empfangs- und Kopplungseinrichtung (ACC-DIR, RIT) das Hochfrequenzsignal (RF'in) über einen ersten Weg an die Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) und über einen zweiten Weg an die Verbindungs- und Steuerschaltung (RIV-INV, VIDEO-AMP, PIC-COMM) koppelt,

und dass die Verbindungs- und Steuerschaltung einen Hüllkurvendetektor (RIV-INV) für die Modulationshüllkurve des Hochfrequenzsignals (RF'in), weiterhin einen Stromversorgungsumschalter (PIC-COMM) zur Unterscheidung zwischen niedrigen und hohen Amplitudenwerten der detektierten Modulationshüllkurve enthält, welcher bei geringen Amplitudenwerten der Modulationshüllkurve die erste Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) mit der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) verbindet, dagegen bei Amplitudenspitzenwerten der Hüllkurve die erste Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) von der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) abtrennt und gleichzeitig die zweite Stromversorgungsschaltung (ALIM-B) mit der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) verbindet.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs- und Kopplungseinrichtung (ACC-DIR, RIT) einen Richtkoppler (ACC-DIR), der das Hochfrequenzsignal (RF'in) an den ersten und zweiten Weg ankoppelt, und eine Verzögemngsleitung (RIT) im ersten Weg enthält, die die Amplitudenspitzenwerte des Hochfrequenzsignals am Eingang der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) mit den entsprechenden Stromspitzenwerten von der zweiten Stromversorgungsschaltung (ALIM-B) in Phase bringt.

3. Verstärker nach Anspruch 1 mit einem Stromversorgungsumschalter (PIC-OMM), der zwischen niedrigen und hohen Amplitudenwerten der Modulationshüllkurve unterscheidet und folgendes enthält:

- eine Diodenschaltung (L, D), die bei niedrigen Hüllkurvenamplituden die erste Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) mit der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) verbindet, und

- einen Transistor (TR2), der bei Amplitudenspitzenwerten der Hüllkurve die zweite Stromversorgungsschaltung (ALIM-B) mit der Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) verbindet und gleichzeitig die Diodenschaltung (L, D) unterbricht, um die erste Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) von der Verstärkerschaltung abzutrennen.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (TR2) als Spannungsfolger zwischen die zweite Stromversorgungsschaltung (ALIM-B) und die Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) geschaltet ist und die den Transistor (TR2) steuernde Spannung vom Videoverstärker (VIDEO-AMP) geliefert wird, der dem Hüllkurvendetektor (RIV-INV) nachgeschaltet ist und die Hüllkurvenspannung verstärkt und ihr eine Gleichspannung (+Vreg) überlagert, die niedriger als die von der ersten Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) gelieferte Spannung (+VA) ist und den Beginn des Leitens des Transistors (TR2) steuert und für die Unterscheidung zwischen niedrigen und hohen Amplitudenwerten der Modulationshüllkurve sorgt.

5. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodenschaltung (L, D) aus einer mit einer Drosselspule (L) in Reihe geschalteten Diode (D) besteht und so bemessen ist, dass die von der zweiten Stromversorgungsschaltung (ALIM-B) stammenden kurzzeitigen Stromspitzenwerte, die den Amplitudenspitzenwerten der Hüllkurve entsprechen, nicht über die parasitäre Kapazität der Diode (D) an die erste Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) gelangen können.

6. Hochfrequenzsignalverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (RF-AMP-DISP) vorzugsweise einen Hochfrequenzleistungs- Feldeffekttransistor (TR1) enthält, dessen Drainelektrode mit dem Emitter bzw. der Sourceelektrode des Transistors (TR2) des Stromversorgungsumschalters (PIC-COMM) und dem nicht mit der ersten Stromversorgungsschaltung (ALIM-A) verbundenen Anschluss der Diodenschaltung (L, D) verbunden ist.

7. Hochfrequenzsignalverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungstransistor (TR1) mit geringeren als seinen Nennwerten für Spannung VDS und Strom los betrieben wird, um eine maximale Hochfrequenzleistung ohne wesentliche Verzerrungen des verstärkten Signals (RFout) zu erreichen.

8. Hochfrequenzsignalverstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzsignale (RF'in) QAM-moduliert sind entsprechend einem Modulationsdiagramm mit einer großen Anzahl von Modulationswerten.

9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verstärker (AMP) ein Linearisierer (LIN) vorgeschaltet ist, an dessen Eingang das Hochfrequenzsignal (RFin) anliegt.