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Die
Verwendung von redundanten Hochleistungsverstärkern mit mehr als gleichwertigen
Ausgangsleistungsbereichen ist für
Erdfunkstellen im Bereich der Satellitenkommunikation nach wie vor üblich.
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Die
Redundanz wird dazu verwendet, die Betriebsbereitschaft auch für den Fall
zu gewährleisten, dass
ein Verstärker
ausfällt,
während
die Leistungsbereiche bei ungünstigen
Ausbreitungsbedingungen oder bei einem Verlust des Transpondergewinns
ein angemessenes Übertragungsniveau
sicherstellen.
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Sowohl
aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen ist es erstrebenswert,
einen äquivalenten
Ausgangsleistungsbereich zu erhalten, indem zwei Verstärker parallel
geschaltet werden, wobei beide Verstärker jeweils über die
Hälfte
der erforderlichen Ausgangsleistung verfügen. Dies gilt in besonderem
Maße für Satelliten-Erdfunkstellen
in den höheren
Frequenzbändern,
wo auf anderen Wegen als der Parallelschaltung keine größeren Leistungsmengen
bereitgestellt werden können.
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Sollte
ein Verstärker
ausfallen, so fällt
die verfügbare
Leistung nominal um 3 dB ab. Insofern als ein Ausfall eines Verstärkers und
Ausbreitungsbedingungen mit Verlusten von mehr als 3 dB selten vorkommen, ist
die Wahrscheinlichkeit eines Betriebsausfalls oder einer erheblich
verschlechterten Übertragung
ausgesprochen gering.
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In
Anwendungen wie zum Beispiel bei transportablen Stationen kann es
wichtig sein, dass die kleinstmögliche
Antenne verwendet wird. Durch einen Parallelbetrieb der Verstärker lässt sich
die Anforderung an den Antennengewinn im Vergleich zu einer konventionellen
Auslegung um 3 dB senken.
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Zur
Umwandlung von zwei parallel geschalteten Verstärkern in einen einzigen Verstärker müssen die folgenden
drei Bedingungen erfüllt
sein:
- (i) Leistungskombination der beiden Verstärker,
- (ii) Herstellung einer direkten Verbindung zwischen der Antenne
und einem der beiden Verstärker,
- (iii) Vorhandensein einer Einrichtung, die bewirkt, dass einer
von beiden Verstärkern
oder beide Verstärker mit
einer Ausgabelast zusammenwirken.
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Bisher
wurde die Phasenkombination unter Redundanz durch eine Kombination
aus Kopplern, Phasenverschiebern, Schaltern und Ausgabelasten erreicht.
Die Kosten und Größe dieser
Kombinierer waren jedoch aufgrund der erforderlichen Komponenten
zu hoch.
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Eine
akzeptierbarere Lösung
ist der Variable Power Combiner (VPC), der im Wesentlichen aus zwei orthomoden
Wandlern (OMT) (Polarisationsweichen) besteht, die durch eine rotierende
Halbwellenplatte miteinander verbunden sind. Diese Kombinierer sind
ebenfalls tendenziell aufwendig und kostspielig und auf eine Bandbreite
von lediglich etwa 5% begrenzt.
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In
der US-Patenschrift US-A-4,127,829 von Levy et al ist ein Leistungskombinations-
und Schaltnetzwerk beschrieben, in dem zumindest ein Teil der Leistung
des tätigen
Senders an den Netzwerkausgang übertragen
wird. Fällt
der Schaltbereich des Netzwerks aus, so wird dennoch etwas Leistung
an den Ausgang weitergeleitet. In der US-Patentschrift US-A-2, 820,
201 von Tomiyasu ist ein Energieübertragungsapparat
für einen
selektiven Energietransfer zwischen verschiedenen Wellenleitern
beschrieben.
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Nach
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Redundanz-Kombinator-Baugruppe
bereit, die zwei Verstärker
aufweist, die parallel entlang einer Wellenleiterstrecke an einen
Richtkoppler angeschlossen sind, wobei der Richtkoppler durch einen
Transferschalter an eine Antenne angeschlossen ist und der Richtkoppler
eine Kupplungsplatte enthält,
die eine Kupplungsreihenanordnung von Steckplätzen umfasst, welche die Kombination
von Signalen aus den beiden Verstärkern in einer ersten Position
der Kupplungsplatte erlaubt, wenn beide Verstärker bestimmungsgemäß funktionieren,
wobei die Kupplungsplatte in eine zweite Position bewegbar ist,
in der die Kupplungsreihenanordnung durch eine Metallwand ersetzt
wird, wenn einer der Verstärker
ausfällt
und nur noch einer der beiden Verstärker funktioniert, wobei der
Schalter ebenfalls über zwei
Positionen verfügt,
so dass, wenn einer der beiden Verstärker ausfällt, eine Ausgabe aus dem funktionierenden
Verstärker
von den genannten wenigstens zwei Verstärkern über den Schalter an die Antenne
geleitet wird, während
eine Ausgabe des ausgefallenen Verstärkers durch den Schalter an
eine Ausgabelast geleitet wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zum Betrieb einer Kombinator-Baugruppe bereit, bei dem die Ausgabe
von zwei Verstärkern
dann kombiniert wird, wenn beide Verstärker bestimmungsgemäß funktionieren
und bei der die Ausgabe von einem Transferschalter an eine Antenne geleitet
wird, wobei die beiden Verstärker
parallel zu einer Wellenleiterstrecke an einen Richtkoppler angeschlossen
sind und der Richtkoppler durch den Transferschalter an die Antenne
angeschlossen ist und der Richtkoppler eine Kupplungsplatte enthält, die
eine Kupplungsreihenanordnung von Steckplätzen umfasst, um die Kombination
von Signalen von den beiden Verstärkern in einer ersten Position
der Kupplungsplatte zu ermöglichen,
wenn beide Verstärker
bestimmungsgemäß funktionieren,
wobei die Kupplungsplatte in eine zweite Position bewegbar ist,
in der die Kupplungsreihenanordnung durch eine Metallwand ersetzt
wird, wenn einer der beiden Verstärker ausfällt, wobei das Verfahren den
Austausch einer Kupplungsreihenanordnung durch eine Metallwand,
wenn einer der Verstärker
ausfällt,
und das Steuern des Schalters, um eine Ausgabe von dem Verstärker, der
bestimmungsgemäß funktioniert,
an die Antenne und eine Ausgabe von dem Verstärker, der ausgefallen ist,
an eine Ausgabelast weiterzuleiten, umfasst.
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Die
kompakte Redundanz-Kombinator-Baugruppe, die Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist, ist leichtgewichtig, unkompliziert und bietet eine
typische Betriebsbandbreite von 20% und passt in ein kleinräumiges Gehäuse und
eignet sich somit hervorragend für
transportable Stationsanwendungen.
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Im
Folgenden ist auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Darin
zeigen:
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1A eine schematische Darstellung
eines einphasigen Kombinators nach dem Stand der Technik;
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1 eine schematische Darstellung
einer kompakten Redundanz-Kombinator-Baugruppe in einem Kombinationsmodus;
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2 eine schematische Darstellung
einer kompakten Redundanz-Kombinator-Baugruppe im Redundanzmodus;
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3 eine schematische Darstellung
eines Schaltkreises einer vollautomatischen kompakten Redundanz-Kombinator-Baugrupppe;
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4A eine Vorderansicht einer
Kombinator-Baugruppe;
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4B eine Seitenansicht ohne
Abdeckungen;
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4C eine Seitenansicht mit
Abdeckungen;
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5 eine vergrößerte Seitenansicht
eines Teils eines Richtkopplers im Redundanzmodus;
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6 eine Seitenansicht eines
Teils eines Richtkopplers in einem Kupplungsmodus und
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7 eine Vorderansicht eines
Teils eines Richtkopplers.
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Eine
kompakte Redundanz-Kombinator-Baugruppe (CRCA) wird dazu verwendet,
die Redundanz in einem Phasenkombinationssystem mit zwei Verstärkern zu
erleichtern. Sobald einer der beiden Verstärker ausfällt, lässt sich die CRCA in der Form
einstellen, dass der funktionstüchtige
Verstärker
unter minimalen Verlusten seine gesamte Ausgabe an die Antenne weiterleitet,
während
die Ausgabe des ausgefallenen bzw. redundanten Verstärkers an
eine Ausgabelast geleitet wird.
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Die
CRCA im Kombinationsmodus funktioniert genauso wie der Phasenkombinator
nach dem Stand der Technik, der in 1A veranschaulicht
ist. Der Kombinator nach dem Stand der Technik besteht aus einem 90-Grad-Quadraturkoppler
und einem Phasenverschieber. Der Redundanzmodus wird dadurch erreicht,
dass die Kopplungskomponenten im 3-dB-Richtkoppler durch eine Kurzschlussplatte
ersetzt wer den und ein Transferschalter verwendet wird. Der Betriebsmodus
der CRCA lässt
sich entweder manuell wechseln oder vorzugsweise elektronisch steuern.
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1 enthält eine schematische Darstellung
einer CRCA im Kombinationsmodus. Der Phasenverschieber wird auf
eine maximale kombinierte Leistung von den beiden Verstärkern am
Ausgabeport (bzw. für minimale
Leistung am Ausgabelast-Port) eingestellt.
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In 2 handelt es sich um eine
schematische Darstellung einer CRCA im Redundanzmodus, nachdem der
Verstärker 2 ausgefallen
ist. Der funktionstüchtige
Verstärker 1 wird über den
verlustarmen Weg und den Transferschalter zum Ausgang geführt. Ohne
dieses Merkmal würde
die Ausgabeleistung um 6 dB anstelle der 3 dB (3 dB aufgrund der
Verluste durch den ausgefallenen Verstärker und 3 dB aufgrund des
Kopplers) vermindert.
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Fällt im umgekehrten
Fall der Verstärker 1 aus,
so wird der Transferschalter S1 in die gegenüberliegende Stellung (Stellung
1) umgelegt.
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In
Tabelle 1 sind die CRCA-Funktionen zusammenfassend aufgeführt. Obgleich
andere Kombinationsmöglichkeiten
möglich
sind, haben sie dennoch keinen praktischen Wert in Redundanzanwendungen
und sind aus diesem Grund nicht berücksichtigt.
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Tabelle
1 – Zusammenfassung
der CRCA-Funktionen
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In
der Praxis ist die CRCA als vollautomatisches Redundanz-Phasenkombinationssystem
konfiguriert. Grenzschalter werden dazu verwendet, um die zurückgegebenen
Informationen zur aktuellen Position des Schalters und CRCA-Modus
(z. B. Kombinations- oder Redundanzmodus) an die DDA78-Steuereinheit
zu übertragen.
Die Steuereinheit überwacht
den „Gesundheitszustand" der Verstärker sowie
die Position des Transferschalters und den CRCA-Modus entsprechend
dem Status. Die CRCA braucht höchstens
6 Sekunden und vorzugsweise 3,5 Sekunden, um vom Kombinationsmodus
in den Redundanzmodus zu wechseln.
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3 zeigt eine schematische
Darstellung der CRCA im vollautomatischen Redundanzsystem. Der Zustand
des Hochleistungsverstärkers 1 und
des Hochleistungsverstärkers 2 wird
von der DDA78 Steuereinheit überwacht.
Wenn entweder der Verstärker 1 oder
der Verstärker 2 ausfällt, bewirkt
die Steuereinheit, dass sich eine Kupplungsplatte (in 1 nicht dargestellt) bewegt,
die sich im 3-dB-Richtkoppler befindet und eine Kupplungsreihenanordnung
(in 1 nicht dargestellt)
durch eine Metallwand (in 1 nicht
dargestellt) ersetzt wird. Der Kurzschluss und Transferschalter
bilden gemeinsam einen verlustarmen Weg zwischen dem funktionstüchtigen
Verstärker
und der Antenne. Fällt
der Verstärker 1 aus,
so wird die Ausgabe des Verstärkers 1 von
der Steuereinheit über
den Transferschalter an eine Ausgabelast geleitet. Fällt der
Verstärker 2 aus,
so wird die Ausgabe des Verstärkers 2 von
der Steuereinheit über
den Schalter zur Ausgabelast geleitet. Gleichzeitig zur Bewegung
der Kupplungsplatte, richtet der Zwei-Positions-Transferschalter
die Ausgabe der Verstärker
entweder an die Ausgabelast oder an die Antenne, was von dem jeweiligen
Verstärker
abhängt,
der ausgefallen ist. Wenn beide Verstärker bestimmungsgemäß funktionieren,
wird die Kupplungsplatte so positioniert, dass die Kupplungsreihenanordnung
(in 1 nicht dargestellt)
in der richtigen Weise im Korpus des Richtkopplers positioniert
wird (in 1 nicht dargestellt),
damit so die kombinierte Ausgabe der beiden Verstärker an
die Antenne weitergeleitet wird.
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In
den 4A, 4B und 4C verfügt eine
Kupplungsbaugruppe 4 über
zwei als geteilte Blöcke
gearbeitete Elemente, die miteinander verschraubt und tauchgelötet sind.
Diese Baugruppe 4 bildet zwei identische Wellenleiterstrecken,
zwischen denen ein Schlitz hoher Toleranz funkenerodiert ist, damit
die Kupplungsplatte 6 darin gleiten kann. Bei der Kupplungsplatte 6 handelt
es sich um eine auf hohe Toleranz ausgelegte Messingplatte mit funkenerodierten
Koppelschlitzen. Die Kupplungsplatte 6 und die Kupplungsbaugruppe 4 wirken gemeinsam
wie ein 3-dB-Branch-Line-Koppler, wenn die Koppelschlitze zwischen
den beiden Wellenleiterstrecken positioniert sind. Wenn die Kupplungsplatte 6 so
bewegt wird, dass die Koppelschlitze durch die Vollmetallwand (d.
h. durch die Kurzschlussplatte) ersetzt werden, wirkt die Kupplungsbaugruppe 4 in
diesem Fall wie zwei isolierte Wellenleiterstrecken. Die Kupplungsplatte 6 wird
mittels eines Gewindespindel-Montageblocks 8 an einer Gewindespindel 10 befestigt.
Diese verfügt über eine
Gewindeöffnung,
in die eine Schraube 12 eingeführt wird, die dort eingestellt
wird, um den Festanschlag im manuellen Betrieb zu ermöglichen.
Die Kupplungsplatte verfügt über zwei
Positionen, eine erste Position, wenn die Kupplungsreihenanordnung
der Kupplungsplatte 6 am Schlitz in der Kupplungsbaugruppe 4 ausgerichtet
ist, und eine zweite Position, wenn die Kupplungsplatte 6 so
positioniert ist, dass die Kupplungsreihenanordnung durch einen
Kurzschluss ersetzt wird.
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Eine
Motorenhalteklammer 14 sichert einen Motor 16 in
seiner Position, indem sie ihn gegen die Motorenhalterung 18 presst,
die ihrerseits den Motor 16 an der Kupplungsbaugruppe 4 befestigt.
Ein Grenzschalterarm 20, 22 ist am Ende der Kupplungsplatte 6 befestigt
und verfügt über eine
Schraube 12, die den Kontakt mit dem Grenzschalter 24 herstellt,
wenn sich die Kupplungsplatte in einer ihrer beiden Betriebspositionen
befindet. Eine Wellenleiterbaugruppe 26 bildet eine Hochfrequenzstrecke
zwischen der Kupplungsbaugruppe 4 und einem Wellenleiterschalter 28.
Eine einseitige Kupplung 30 gleicht etwaige Fehlausrichtungen
zwischen dem Motor 16 und der Gewindespindel 10 aus.
Der Motor 16 treibt die Kupplungsplatte 6 so an,
dass sie eine ihrer beiden Betriebspositionen erreicht, die über die
Benutzereingabe definiert wird. Der Zugang zur manuellen Notbetätigungseinheit 36,
die mit dem Ende der Gewindespindel 10 verbunden ist, erfolgt über eine
Zugangsabdeckung 38, die an einer Endabdeckung 40 befestigt
ist.
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Die
Gewindespindel 10 und die Mutter 42 sind an der
einseitigen Kupplung 30 und dem Gewindespindel-Montageblock 8 befestigt.
Die Funktion der einseitigen Kupplung 30 und des Gewindespindel-Montageblocks mit
der Gewindespindel 10 und der Mutter 42 besteht
darin, die Drehbewegung des Motors 16 in eine lineare Bewegung
der Kupplungsplatte 6 umzuwandeln. Eine Anschlussdose 44 bildet
mit ihrem Gegenstecker 46 einen wetterfesten Anschluss
zwischen der CRCA und der elektronischen Steuereinheit. Der Wellenleiterschalter 28 ist
direkt mit der Kupplungsbaugruppe 4 verschraubt und ermöglicht das
Umschalten zwischen den Antennen- und den Ausgabelastports. Die
Trägerplatten 20, 48, 50,
die Endabdeckungen 40, 52 und die Seitenabdeckungen 54 bilden
zusammen ein Schutzgehäuse
für die
elektromechanischen Komponenten.
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In
den 5 und 6 verfügt ein Richtkopplerkorpus 80 über eine
Kupplungsplatte 82, die eine Kupplungsreihenanordnung von
Steckplätzen 86 umfasst.
Die Kupplungsplatte 82 liegt beweglich zwischen einer ersten
Position, die in 6 dargestellt
ist, und einer zweiten Position, die in 5 dargestellt ist. In 6 ist die Kupplungsreihenanordnung von
Steckplätzen 86 der
Kupplungsplatte 82 am Schlitz 90 (siehe 7) des Richtkopplerkorpus ausgerichtet.
In dieser Position kombiniert der Richtkopplerkorpus 80 die
Signale aus den beiden Verstärkern
(nicht abgebildet) und überträgt durch
einen Schalter (nicht abgebildet) die Ausgabe an die Antenne (nicht
abgebildet). In 5 wird
die Kupplungsplatte 82 in der gegenüberliegenden Position gezeigt, in
der die Kupplungsreihenanordnung der Steckplätze 86 nun durch eine
Vollmetallwand 84 ersetzt ist. In dieser Position wird
bei Ausfall eines Verstärkers
(nicht abgebildet) die Ausgabe des anderen Verstärkers, bei dem es sich um den
funktionstüchtigen
Verstärker
handelt (nicht abgebildet), an den Schalter (nicht abgebildet) geleitet.
Bei dem Schalter handelt es sich um einen 4-Schlitz-Transferschalter,
der so positioniert ist, dass er die Ausgabe aus dem Verstärker, der
bestimmungsgemäß funktioniert,
an die Antenne und die Ausgabe des Verstärkers, der ausgefallen ist,
an die Ausgabelast weiterleitet.
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7 zeigt die Vorderansichtansicht
eines Richtkopplers 80 und die Vorderansicht einer Kupplungsplatte 82.
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ANLAGE I
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PHASENKOMBINATION UNTER
VERWENDUNG EINES QUADRATURRICHTKOPPLERS
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Eine
schematische Darstellung eines Phasenkombinators nach dem Stand
der Technik, bestehend aus einem 90-Grad-Quadraturkoppler und einem
Phasenverschieber, ist in 1A dargestellt.
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Wenn
zwei Wellen konstanter Amplituden E1 = Ee–jϕ1 und
E2 = Ee–jϕ2 an
den Eingabeports anstehen, dann sind die Wellenamplituden Ea und
Eb an den Ausgabeports folgendermaßen:
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Wenn
ist, dann sind Ea = 0 und
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Da
|P|α|E2| ist, sind |Pa| = 0 und |Pb| = |2P|.
