WO2008003376A1 - ANORDNUNG ZUM BESTIMMEN DER BETRIEBSKENNGRÖßEN EINES HOCHFREQUENZ-LEISTUNGSVERSTÄRKERS - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/04—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant in circuits having distributed constants, e.g. having very long conductors or involving high frequencies

Definitions

  • the invention relates to an arrangement according to the preamble of the main claim.
  • Adjustment of the load and the power to determine and monitor For this purpose, from DE 27 10 752 Al or DE 39 18 159 Al various analog arrangements according to the preamble of the main claim known. They have in common that for determining the operating characteristics on the connecting line between the power amplifier and antenna directional couplers are used and the calculation of the desired operating characteristics of the means obtained by the directional coupler analog forward or reverse voltage, respectively the leading or returning wave on the Connection line is proportional, carried out in an analogous manner by correspondingly complex analog circuits.
  • complex analog measurement voltages obtained in this way are digitized according to the invention and from these digital values the various desired operating parameters such as complex forward or reverse voltage, complex forward and reverse power, the complex load impedance of the antenna, the Reflection factor or the ripple factor on the generally formed as a coaxial line connecting line between the output of the high-frequency power amplifier and the antenna can be calculated using well-known algorithms.
  • the digitized measuring voltage proportional to the complex voltage on the line can be digitally demodulated, namely according to the demodulation mode which corresponds to the modulation mode in the generation of the high-frequency signal amplified by the power amplifier, thus for example an amplitude modulation. Frequency or phase modulation or any other higher-order modulation.
  • the thus digitally demodulated useful signal at the output of the power amplifier can then for qualitative Judgment of the output signal fed back to the input of the radio system and made audible there, for example by means of a Mit Anlagenlaut Maschineners.
  • a so-called side-tone signal can be generated, with the speech comfort, for example, a
  • Shortwave telephony radio system can be monitored and improved. This possibility of feedback of one's own language is superior to the previously used direct feedback to the microphone amplifier on a monitoring loudspeaker, since all levels of the radio system including power amplifier are judged with. This possibility of demodulating the useful signal directly at the base of the antenna can just as well be used in CW operation or in the transmission of digital signals for monitoring in an advantageous manner.
  • Another possibility is to determine from the digital values supplied to the computer, which correspond to the complex supply voltage, the distortion of the output stage which arises due to non-linearity.
  • the useful signal supplied to the power amplifier can be pre-distorted in the opposite direction to the distortion before the amplification in a known manner, so that thus the distortions in the power amplifier are compensated.
  • This determination of the distortion in the output stage can also be constantly monitored during operation, so that even with a change in the load, for example, turning on another antenna or a frequency change, the system is automatically linearized via a corresponding change in the predistortion.
  • Fig. 1 shows the block diagram of a shortwave power amplifier with the development of the invention.
  • FIG. 1 shows the block diagram of a shortwave power output stage with an RF power amplifier 1 to which the useful signal to be amplified from a control and modulation device 2 is supplied.
  • the output of the power amplifier 1 feeds via a coaxial connection line 3, an antenna 4.
  • the outer conductor is interrupted and via a directly on the inner conductor of the coaxial line 3 connected capacitive voltage divider 5 Buschbeck is one of the complex voltage U proportional measurement voltage U u , which is digitized in an A / D converter 6 and fed to a computer 7.
  • a measurement voltage Ui corresponding to the complex current I on the line is obtained at a resistor, the analog measurement value -Ui is determined via an A / D converter 9 and the measured value + Ui is determined via an A.
  • / D converter 10 is supplied to the computer 7. After the two obtained voltage values + Ui and -Ui are perpendicular to each other, possibly only a single A / D converter 9 or 10 can be used and the corresponding other value can then be calculated directly in the computer 7, so that an A / D Converter is saved.
  • the computer 7 is for example an FPGA calculator.
  • the complex forward voltage according to relationship (1) or the complex return voltage can be calculated according to relationship (2) or according to relationship (3) the complex supply power or after (4) the return power.
  • Another possibility according to relationship (5) is to calculate the complex load impedance Z from these voltages.
  • the power consumption, intermodulation and / or the harmonic distance can then be improved, for example, by adaptively turning different length 50 ohms line pieces between power amplifier 1 and antenna 4, as the complex adjustment can be optimized by the switched-line pieces so that Power amplifier is operated in an optimal adjustment range.
  • a low-pass character can be generated and worked in a capacitive range, so that the harmonic separation is improved.
  • the gain can be optimized so that the power amplifier can be better adapted to its scattering parameters. In this way, the efficiency of the power amplifier can thus be optimized by calculating the complex load impedance.
  • the invention is not limited to the embodiment described. All described or drawn elements can be combined with each other. Also, a digital demodulation of the useful signal, as described above, possible, as well as the determination of the distortion of the amplifier and the resulting possible linearization by appropriate predistortion of the input signal.

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Abstract

Zum Bestimmen der Betriebs-Kenngrößen eines HF-Leistungsverstärkers (1) (z. B. komplexe Vor- und Rücklauf -Spannung, bzw. Leistung, komplexe Lastimpedanz, Reflexions- oder Welligkeitsfaktor) auf der Verbindungsleitung (3) zwischen dem Ausgang des HF-Leistungsverstärkers (1) und einer komplexen Last, insbesondere einer Antenne (4)?, wird das mittels einer Buschbeck-Koppeleinrichtung ein der komplexen Spannung U auf der Verbindungsleitung proportionale analoge Messspannung Uu und ein dem komplexen Strom / auf der Leitung (3) proportionale analoge Messspannung U<SUB>i</SUB> ermittelt. Diese Messspannungen werden digitalisiert und aus diesen Digitalwerten können dann in einem Rechner (7) die gewünschten Betriebskenngrößen berechnet werden.

Description

Anordnung zum Bestimmen der Betriebskenngrößen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers
Die Erfindung betrifft eine Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
Beim Betrieb von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern, beispielsweise Transistor-Leistungsendstufen frequenzvariabler Kurzwellen-Sender, ist es erforderlich, verschiedene Betriebskenngrößen, insbesondere die
Anpassung der Last und die Leistung zu bestimmen und zu überwachen. Dazu sind aus der DE 27 10 752 Al bzw. DE 39 18 159 Al verschiedene analoge Anordnungen laut Oberbegriff des Hauptanspruches bekannt. Ihnen ist gemeinsam, dass zur Bestimmung der Betriebskenngrößen auf der Verbindungsleitung zwischen Leistungsverstärker und Antenne Richtkoppler verwendet werden und die Berechnung der gewünschten Betriebskenngrößen aus der mittels der Richtkoppler gewonnen analogen Vorwärts- bzw. Rückwärts- Spannung, die jeweils der vorlaufenden bzw. rücklaufenden Welle auf der Verbindungsleitung proportional ist, auf analoge Weise durch entsprechend aufwendige Analogschaltungen erfolgt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung dieser Art zu schaffen, mit welcher diese Bestimmung der
Betriebskenngrößen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers genauer und auf wesentlich einfachere und preiswertere Weise möglich ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird für die Gewinnung der zur Berechnung der gewünschten Betriebskenngrößen erforderlichen Messgrößen auf der Verbindungsleitung zwischen Leistungsverstärker und Antenne eine an sich bekannte Koppeleinrichtung nach Buschbeck
(Meinke/Grundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3. Auflage, Seiten 1560-1561) benutzt, die den Vorteil besitzt, dass unabhängig vom Ort ihrer Einbaustelle auf der Leitung Messspannungen gewonnen werden, die der komplexen Spannung bzw. dem komplexen Strom auf der Leitung proportional sind.
Diese so gewonnenen komplexen analogen Messspannungen werden gemäß der Erfindung digitalisiert und aus diesen Digitalwerten können dann in einem Rechner die verschiedenen gewünschten Betriebskenngrößen wie komplexe Vorwärts- bzw. Rückwärt-Spannung, komplexe Vorwärts- bzw. Rückwärts-Leistung, die komplexe Lastimpedanz der Antenne, der Reflexionsfaktor bzw. der Welligkeitsfaktor auf der im allgemeinen als Koaxialleitung ausgebildeten Verbindungsleitung zwischen Ausgang des Hochfrequenz- Leistungsverstärkers und der Antenne unter Anwendung entsprechend bekannter Algorithmen berechnet werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können nicht nur die beispielhaft erwähnten oben genannten Betriebskenngrößen eines HF-Leistungsverstärkers bestimmt werden, sondern mit den dem Rechner zur Verfügung gestellten Digitalwerten können unter Benutzung entsprechend bekannter Algorithmen auch noch andere Berechnungen durchgeführt werden, die für den Betrieb des Leistungsverstärkers von Nutzen sind. So kann beispielsweise mittels eines bekannten Algorithmus die der komplexen Spannung auf der Leitung proportionale digitalisierte Messspannung digital demoduliert werden, und zwar nach demjenigen Demodulations-Modus, der dem Modulations-Modus bei der Erzeugung des über den Leisungsverstärker verstärkten Hochfrequenzsignals entspricht, also beispielsweise eine Amplitudenmodulation, Frequenz- oder Phasenmodulation oder eine beliebig andere höherwertige Modulationsart.
Das so digital demodulierte Nutzsignal am Ausgang des Leistungsverstärkers kann dann zur qualitativen Beurteilung des Ausgangssignals zum Eingang des Funksystems zurückgeführt und dort beispielsweise mittels eines Mithörlautsprechers hörbar gemacht werden. Auf diese Weise kann ein so genanntes Side-Tone-Signal erzeugt werden, mit dem der Sprechkomfort beispielsweise eines
Kurzwellen-Telefonie-Funksystems überwacht und verbessert werden kann. Diese Möglichkeit der Rückmeldung der eigenen Sprache ist den bisher verwendeten unmittelbaren Rückführungen nach dem Mikrofonverstärker auf einen Mithörlautsprecher überlegen, da ja sämtliche Stufen des Funksystems einschließlich Endverstärker mit beurteilt werden. Diese Möglichkeit der Demodulation des Nutzsignals unmittelbar am Fußpunkt der Antenne kann genauso gut bei CW-Betrieb bzw. bei der Übertragung von Digitalsignalen in vorteilhafter Weise zur Überwachung angewendet werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus den dem Rechner zugeführten Digitalwerten, die der komplexen Vorlaufspannung entsprechen, die durch Nichtlinearität entstehenden Verzerrungen der Endstufe zu bestimmen. Damit kann das dem Leistungsverstärker zugeführte Nutzsignal vor der Verstärkung in bekannter Weise gegenläufig zur Verzerrung vorverzerrt werden, so dass damit die Verzerrungen im Leistungsverstärker kompensiert werden. Diese Bestimmung der Verzerrung in der Endstufe kann auch während des Betriebs ständig überwacht werden, so dass auch bei einer Veränderung der Last, beispielsweise dem Anschalten einer anderen Antenne oder bei einem Frequenzwechsel, über eine entsprechende Änderung der Vorverzerrung das System selbstständig linearisiert wird.
Als Rechner eignet sich jeder übliche Signalprozessor oder für spezielle Aufgaben ein so genanntes FPGA (Field Programmable Gate Aray) , mit dem beispielsweise nach dem so genannten Cordic-Algorithmus die oben beschriebenen digitalen Berechnungen mit geringstem Aufwand berechnet werden können. Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung und beispielhaften Berechnungsformeln (1) bis (7) an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Kurzwellen- Leistungsendstufe mit der erfindungsgemäßen Weiterbildung .
Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer Kurzwellen- Leistungsendstufe mit einem HF-Leistungsverstärker 1, dem das zu verstärkende Nutzsignal aus einer Steuer- und Modulationseinrichtung 2 zugeführt wird. Der Ausgang des Leistungsverstärkers 1 speist über eine koaxial Verbindungsleitung 3 eine Antenne 4. An einer beliebigen Stelle dieser Verbindungsleitung 3 ist der Außenleiter unterbrochen und über einen unmittelbar am Innenleiter der Koaxialleitung 3 angeschalteten kapazitiven Spannungsteiler 5 wird nach Buschbeck eine der komplexen Spannung U proportionale Messspannung Uu gewonnen, die in einem A/D-Wandler 6 digitalisiert und einem Rechner 7 zugeführt wird. Mittels eines dem Innenleiter der Koaxialleitung 3 zugeordneten Stromwandlers 8 wird an einem Widerstand eine dem komplexen Strom I auf der Leitung entsprechende Messspannung Ui gewonnen, der analoge Messwert -Ui wird über einen A/D-Wandler 9 und der Messwert +Ui wird über einen A/D-Wandler 10 dem Rechner 7 zugeführt. Nachdem die beiden gewonnenen Spannungswerte +Ui und -Ui zueinander senkrecht stehen, kann gegebenenfalls auch nur ein einziger A/D-Wandler 9 oder 10 benutzt werden und der entsprechende andere Wert kann dann unmittelbar im Rechner 7 berechnet werden, sodass ein A/D- Wandler eingespart wird. Der Rechner 7 ist beispielsweise ein FPGA-Rechenwerk.
Im Rechner 7 können nun nach bekannten Formeln der Leitungstheorie, wie sie beispielsweise in dem Lehrbuch von Meinke/Grundlach, Taschenbuch der Hochfrequenztechnik beschrieben sind, aus den digitalisierten Spannungen Uu bzw. U1, die den komplexen Spannungen U bzw. des Stromes I auf der Leitung proportional sind und bei denen die Phaseninformationen der komplexen Spannung bzw. Strom auch nach Digitalisierung erhalten bleiben, die verschiedenartigsten Betriebsgroßen des
Leistungsverstarkers 1 bestimmt werden. Die Proportionalitat zwischen den Spannungen Ua und U1 und den komplexen Großen Ö und / ist jeweils durch Proportionalitatsfaktoren k bzw. m berücksichtigt, die entweder empirisch durch Messung oder durch Simulation ermittelt werden.
So kann beispielsweise aus den digitalisierten Spannungswerten Uu und U1 die komplexe VorlaufSpannung gemäß Beziehung (1) bzw. die komplexe RucklaufSpannung laut Beziehung (2) berechnet werden oder nach Beziehung (3) die komplexe Vorlaufleistung bzw. nach (4) die Rucklaufleistung. Eine andere Möglichkeit besteht nach Beziehung (5) darin, aus diesen Spannungen die komplexe Lastimpedanz Z zu berechnen. Mit dieser damit bekannten komplexen Lastimpedanz kann dann beispielsweise durch adaptives Einschalten verschieden langer 50 Ohm Leitungsstucke zwischen Leistungsverstarker 1 und Antenne 4 die Leistungsaufnahme, Intermodulation und/oder der Oberwellenabstand verbessert werden, da durch die eingeschalteten Leitungsstucke die komplexe Anpassung so optimiert werden kann, dass der Leistungsverstarker in einem optimalen Anpassungsbereich betrieben wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Tiefpasscharakter erzeugt und in einem kapazitiven Bereich gearbeitet werden, sodass der Oberwellenabstand verbessert wird. Auch die Verstärkung kann so optimiert werden, da der Leistungsverstarker besser an seine Streuparameter angepasst werden kann. Auf diese Weise kann also über die Berechnung der komplexen Lastimpedanz der Wirkungsgrad des Leistungsverstarkers optimiert werden.
Aus den digitalisierten Spannungswerten kann nach Beziehung (6) beispielsweise auch der komplexe Reflexionsfaktor r berechnet werden oder nach Beziehung (7) der Welligkeitsfaktor s (VSWR) .
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Alle beschriebenen oder gezeichneten Elemente sind beliebig miteinander kombinierbar. Auch eine digitale Demodulation des Nutzsignals ist, wie oben beschrieben, möglich, ebenso die Bestimmung der Verzerrungen des Verstärkers und die damit mögliche Linearisierung durch entsprechende Vorverzerrung des Eingangssignals.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zum Bestimmen der Betriebs-Kenngrößen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers, wie komplexe Vor- und Rücklauf-Spannung, komplexe Vor- und Rücklauf-Leistung, komplexe Lastimpedanz, Reflexionsfaktor oder Welligkeitsfaktor, auf der Verbindungsleitung (3) zwischen dem Ausgang des Leistungsverstärkers (1) und einer komplexen Last, insbesondere einer Antenne (4), dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Koppeleinrichtung (5, 8) ein der komplexen Spannung U auf der Verbindungsleitung (3) proportionale analoge Messspannung Uu und ein dem komplexen Strom / auf der Leitung (3) proportionale analoge Messspannung Ui ermittelt wird, diese
Messspannungen mittels Analog/Digital-Wandler (6, 9, 10) digitalisiert werden und aus diesen Digitalwerten in einem Rechner (7) die gewünschten Betriebskenngrößen berechnet werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen die komplexe Vorlauf- und/oder Rücklauf- Spannung berechnet wird (Beziehungen 1 oder 2) .
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen die komplexe Vorlauf- und/oder Rücklauf- Leistung berechnet wird (Beziehungen 3 oder 4) .
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen die komplexe Impedanz der Last berechnet wird (Beziehung 5) .
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen der komplexe Reflexionsfaktor berechnet wird (Beziehung 6) .
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen der
Welligkeitsfaktor berechnet wird (Beziehung 7) .
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus der der komplexen Spannung U auf der Verbindungsleitung (3) proportionalen digitalen Messspannung nach dem Modulations-Modus, bei der Erzeugung des über den Leistungsverstärker (1) verstärkten HF- Signals verwendet wird, das HF-Signal digital demoduliert wird.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen die komplexe VorlaufSpannung ermittelt und daraus nach bekannten Algorithmen die Verzerrung des Leistungsverstärkers ermittelt wird.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Verzerrung in bekannter Weise eine entsprechende Vorverzerrung für das zu verstärkende
Hochfrequenz-Signal berechnet wird.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (5, 8) ein Koppler nach
Buschbeck ist.
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