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Dokumentenidentifikation DE102006028690A1 03.01.2008
Titel Verstärkereinrichtung für eine Modenantenne
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Schnell, Wilfried, Dr., 91301 Forchheim, DE;
Vester, Markus, Dr., 90471 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 22.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028690
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse H04B 1/02(2006.01)A, F, I, 20060622, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Verstärkereinrichtung (1) weist eine Anzahl (n) von Verstärkern (2) und einer Anzahl (m) von Ausgängen (3) auf. Jedem Verstärker (2) ist ein Eingangssignal (e1...en) zuführbar, das von dem jeweiligen Verstärker (2) zu einem verstärkten Eingangssignal (E1...En) verstärkbar ist. Die verstärkten Eingangssignale (E1...En) sind einer den Verstärkern (2) nachgeordneten Ausgangsmatrix (4) zuführbar. Von der Ausgangsmatrix (4) ist - über je einen der Ausgänge (3) - eine Anzahl von Ausgangssignalen (A1...Am) abgebbar. Die Ausgangsmatrix (4) ist derart ausgebildet, dass jedes verstärkte Eingangssignal (E1...En) zu jedem Ausgangssignal (A1...Am) einen Ausgangssignalbetrag liefert. Jeder Ausgangssignalbeitrag jedes Ausgangssignals (A1...Am) weist gegenüber dem korrespondierenden verstärkten Eingangssignal (E1...En) einen ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz auf, der davon abhängig ist, von welchem verstärkten Eingangssignal (E1...En) der Ausgangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Ausgangssignal (A1...Am) der Ausgangssignalbeitrag beiträgt. Die erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung (1) ist insbesondere bei einer Sendeanordnung für Radiofrequenzsignale einsetzbar.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkereinrichtung mit einer Anzahl von Verstärkern und einer Anzahl von Ausgängen.

Verstärkereinrichtungen sind allgemein bekannt. Sie werden beispielweise bei Hochfrequenz-Sendeeinrichtungen (z. B. Radarantennen oder Magnetresonanzantennen) eingesetzt.

Hochfrequenzsendeeinrichtungen weisen oftmals eine Anzahl von Sendeantennen auf, die miteinander zusammenwirken. Jeder Sendeantenne wird ein Sendesignal zugeführt, wobei mit den Sendesignalen korrespondierende ausgesendete Signale sich – je nach Anwendungsbereich – im Nahfeld oder im Fernfeld überlagern. Bei Magnetresonanzantennen kann mittels der Überlagerung der einzelnen ausgesendeten Signale beispielsweise die räumliche Verteilung des sogenannten B1-Hochfrequenzfeldes eingestellt werden. Bei Radaranlagen kann mittels der Überlagerung der ausgesendeten Signale die Richtcharakteristik der Radaranlage beeinflusst werden.

Es ist bekannt, für jede einzelne Sendeantenne ein geeignetes Kleinsignal (nachfolgend Eingangssignal genannt) zu generieren, jedes Eingangssignal einem Verstärker zuzuführen und die verstärkten Eingangssignale den Sendeantennen als Sendesignale zuzuführen. Diese Vorgehensweise weist mehrere Nachteile auf. So sind beispielsweise die Sendeantennen nicht voneinander entkoppelt. Es treten daher in der Regel starke Rückwirkungen auf die Verstärker auf, welche die Verstärker verkraften müssen.

Es ist weiterhin bekannt, die Antenne in Eigenmoden zu betreiben. In diesem Fall werden Modensignale erzeugt, welche für die Stärke charakteristisch sind, mit der die Sendeantenne in ihrer Gesamtheit in dem betreffenden Mode betrieben werden soll.

Die Moden sind – zumindest in der Theorie – orthogonal zueinander, so dass keine Rückwirkungen auftreten. Auch in der Praxis treten oftmals nur geringe Rückwirkungen auf.

Der Leistungsbedarf der einzelnen Moden differiert in der Regel stark von Mode zu Mode. Wenn zum Verstärken der Modensignale gleich große Verstärker verwendet werden, müssen alle Verstärker auf die maximale Leistung dimensioniert werden, so dass die Verstärkereinrichtung insgesamt überdimensioniert und folglich teuer ist. Wenn verschieden starke Verstärker verwendet werden, weist die Verstärkereinrichtung eine größere Typenvielfalt an Verstärkern auf, was insbesondere die Ersatzteilhaltung und die Reparatur verteuert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verstärkereinrichtung zu schaffen, bei der auf einfache Weise Modensignale mit mehreren Verstärkern verstärkbar sind, ohne einen komplizierten Schaltungsaufbau zu benötigen.

Die Aufgabe wird durch eine Verstärkereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist jedem Verstärker ein Eingangssignal zuführbar. Von jedem Verstärker ist das ihm zugeführte Eingangssignal zu einem verstärkten Eingangssignal verstärkbar. Die verstärkten Eingangssignale sind einer den Verstärker nachgeordneten Ausgangsmatrix zuführbar. Von der Ausgangsmatrix ist eine Anzahl von Ausgangssignalen abgebbar. Jedes Ausgangssignal wird über einen der Ausgänge abgegeben. Die Ausgangsmatrix ist derart ausgebildet, dass jedes verstärkte Eingangssignal zu jedem Ausgangssignal einen Ausgangssignalbeitrag liefert. Jeder Ausgangssignalbeitrag jedes Ausgangssignals weist gegenüber dem korrespondierenden verstärkten Eingangssignal einen ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz auf, der davon abhängig ist, von welchem verstärkten Eingangssignal der Ausgangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Ausgangssignal der Ausgangssignalbeitrag beiträgt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verstärkereinrichtung wird erreicht, dass jeder Verstärker zu jedem Mode einen Beitrag liefern kann, nämlich den jeweiligen Ausgangssignalbeitrag.

Die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze können prinzipiell beliebig bestimmt sein. Vorzugsweise erfüllen sie folgende Bedingung: Unter der Voraussetzung, dass die verstärkten Eingangssignale sinusförmige Wechselsignale sind, die eine einheitliche Amplitude, eine einheitliche Frequenz und relativ zueinander Signalphasenversätze aufweisen, die für eines der Ausgangssignale den entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz kompensieren, kompensieren sich für die anderen Ausgangssignale deren Ausgangssignalbeiträge in der Summe. In diesem Fall wird nur das eine Ausgangssignal abgegeben, dessen ausgangsseitige Beitragsphasenversätze kompensiert werden. Die anderen Ausgangssignale weisen den Wert Null auf. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist das betreffende Ausgangssignal orthogonal zu den anderen Ausgangssignalen.

Vorzugsweise sind die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze derart bestimmt, dass durch die Signalphasenversätze frei bestimmbar ist, welches der Ausgangssignale das eine Ausgangssignal ist. In diesem Fall kann durch entsprechende Bestimmung der Signalphasenversätze festgelegt werden, welches der Ausgangssignale von Null verschieden ist. Alle anderen Ausgangssignale (bis auf das eine Ausgangssignal) sind in diesem Fall Null. Die Ausgangsmatrix führt bei einer derartigen Ausgestaltung eine orthogonale Transformation der verstärkten Eingangssignale durch.

Vorzugsweise ist den Verstärkern eine Eingangsmatrix vorgeordnet, der eine Anzahl von Ursprungssignalen zuführbar ist und von der die Eingangssignale abgebbar sind. Die Eingangsmatrix ist in diesem Fall derart ausgebildet, dass jedes Ursprungssignal zu jedem Eingangssignal einen Eingangssignalbeitrag liefert. Jeder Eingangssignalbeitrag jedes Eingangssignals weist in diesem Fall gegenüber dem korrespondierenden Ursprungssignal einen eingangsseitigen Beitragsphasenversatz auf, der davon abhängig ist, von welchem Ursprungssignal der Eingangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Eingangssignal der Eingangssignalbeitrag beiträgt. Mittels der Eingangsmatrix, deren Ausgestaltung und deren Beschaltung sind die Eingangssignale auf besonders einfache Weise erzeugbar.

Die eingangsseitigen Beitragsphasenversätze sind vorzugsweise derart bestimmt, dass unter der Voraussetzung, dass eines der Ursprungssignale ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ursprungssignale den Wert Null aufweisen, die Eingangssignale eine einheitliche Amplitude und relativ zueinander Signalphasenversätze aufweisen, die derart bestimmt sind, dass sie für eines der Ausgangssignale die entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze kompensieren. Vorzugsweise ist sogar frei bestimmbar, welches der Ursprungssignale das eine Ursprungssignal ist. Durch diese Vorgehensweise kann eine orthogonale Transformation der Ursprungssignale in die Eingangssignale vorgenommen werden. Nach dem Verstärken der Eingangssignale können die verstärkten Eingangssignale durch erneute orthogonale Transformation wieder rücktransformiert werden. Jedes Ausgangssignal korrespondiert in diesem Fall mit einem der Ursprungssignale.

Die Eingangsmatrix und die Ausgangsmatrix sind vorzugsweise gleich strukturiert. Dieser Aufbau vereinfacht den Gesamtaufbau der Verstärkereinrichtung.

Es ist möglich, dass alle Eingänge der Eingangsmatrix genutzt werden. Alternativ ist möglich, dass die Eingangsmatrix mehr Eingänge aufweist, als ihr Ursprungssignale zuführbar sind. In diesem Fall sind die nicht zum Zuführen der Ursprungssignale genutzten Eingänge vorzugsweise über Widerstände terminiert, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Eingänge entspricht.

In analoger Weise ist es möglich, dass über jeden Ausgang der Ausgangsmatrix ein Ausgangssignal abgegeben wird. Alternativ ist jedoch möglich, dass die Ausgangsmatrix mehr Ausgänge aufweist, als von ihr Ausgangssignale abgebbar sind. In diesem Fall sind die nicht zum Abgeben der Ausgangssignale genutzten Ausgänge vorzugsweise über Widerstände terminiert, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Ausgänge entspricht.

Die Verstärker weisen vorzugsweise untereinander gleiche Verstärkereigenschaften auf. Die Verstärkereigenschaften umfassen insbesondere die Verstärkung, den Frequenzgang und die maximal abgebbare Leistung der Verstärker. Insbesondere können sie bau- und/oder typgleich sein.

Die erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung kann insbesondere bei einer Sendeanordnung für Radiofrequenzsignale verwendet werden, die zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung eine Antennenmatrix und eine Anzahl von Sendeantennen aufweist. In diesem Fall ist zumindest ein Teil der Ausgangssignale der Antennenmatrix zuführbar. Von der Antennenmatrix ist eine Anzahl von Sendesignalen abgebbar, wobei jedes Sendesignal einer der Sendeantennen zuführbar ist. Die Antennenmatrix ist derart ausgebildet, dass jedes der Antennenmatrix zugeführte Ausgangssignal zu jedem Sendesignal einen Sendesignalbeitrag liefert. Jeder Sendesignalbeitrag jedes Sendesignals weist gegenüber dem korrespondierenden Ausgangssignal einen sendeseitigen Beitragsphasenversatz auf, der davon abhängig ist, von welchem Ausgangssignal der Sendesignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Sendesignal der Sendesignalbeitrag beiträgt.

Die sendeseitigen Beitragsphasenversätze sind vorzugsweise derart bestimmt, dass unter der Voraussetzung, dass eines der Ausgangssignale ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ausgangssignale den Wert Null aufweisen, die Sendesignale eine einheitliche Amplitude aufweisen.

Vorzugsweise sind die Antennenmatrix und die Ausgangsmatrix gleich ausgebildet. Dies vereinfacht die Gesamtausgestaltung der Sendeanordnung.

Es ist möglich, dass jeder Eingang der Antennenmatrix zum Zuführen eines Ausgangssignals genutzt wird. Alternativ ist es möglich, dass die Antennenmatrix mehr Eingänge aufweist, als ihr Ausgangssignale zuführbar sind.

Analog zu den Eingängen der Eingangsmatrix und den Ausgängen der Ausgangsmatrix ist es möglich, dass mindestens einer der nicht zum Zuführen der Ausgangssignale genutzten Eingänge der Antennenmatrix über einen Widerstand terminiert ist. Wenn die Sendeanordnung ausschließlich zum Senden von Radiofrequenzsignalen genutzt wird, ist dies in der Regel bei allen nicht zum Zuführen der Ausgangssignale genutzten Eingängen der Fall.

Es ist möglich, dass von den Sendeantennen Empfangssignale empfangbar sind, die Empfangssignale von den Sendeantennen der Antennenmatrix zuführbar sind und von der Antennenmatrix eine Anzahl von Rückmeldesignalen abgebbar ist.

Es ist möglich, dass das Abgeben der Rückmeldesignale und das Zuführen der Ausgangssignale in voneinander getrennten Bereichen der Antennenmatrix erfolgt. Es ist alternativ möglich, dass mindestens eines der Rückmeldesignale über einen der Eingänge der Antennenmatrix abgegeben wird. Es ist in diesem Fall möglich, dass mindestens eines der Rückmeldesignale über einen der nicht zum Zuführen der Ausgangssignale genutzten Eingänge ausgebbar ist. Dieser Eingang ist in diesem Fall nicht über einen Widerstand terminiert.

Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eines der Rückmeldesignale über einen der zum Zuführen der Ausgangssignale genutzten Eingänge ausgebbar sein.

Die der Antennenmatrix zugeführten Ausgangssignale sind der Antennenmatrix über Leitungen zuführbar. In der Leitung, von der sowohl eines der Ausgangssignale als auch eines der Rückmeldesignale führbar ist, ist vorzugsweise eine Signalweiche angeordnet, mittels derer das betreffende Rückmeldesignal aus der Leitung ausspeisbar ist.

Die Sendeanordnung kann insbesondere bei Magnetresonanzanlagen verwendet werden. In diesem Fall sind die Sendeantennen zum Aussenden von Magnetresonanz-Anregungssignalen ausgebildet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

1 eine Verstärkereinrichtung,

2 eine Ausgangsmatrix,

3 und 4 Ausgestaltungen der Verstärkereinrichtung von 1 und

5 bis 7 Sendeanordnungen.

Gemäß 1 weist eine Verstärkereinrichtung 1 eine Anzahl von Verstärkern 2 und eine Anzahl von Ausgängen 3 auf. Die Ausgänge 3 sind mit den Verstärkern 2 über eine Ausgangsmatrix 4 verbunden.

Verstärker 2 weisen vorzugsweise untereinander gleiche Verstärkereigenschaften auf. Insbesondere sind gleich:

  • – eine Verstärkung, mit der die Verstärker 2 ihnen zugeführte Eingangssignale e1 ... en zu verstärkten Eingangssignalen E1 ... En verstärken,
  • – ein Frequenzgang, den die Verstärker 2 aufweisen, und
  • – eine Grenzleistung, welche die Verstärker 2 maximal abgeben können.

Die Verstärker 2 können zu diesem Zweck insbesondere bau- und/oder typgleich sein.

Wie bereits erwähnt, ist jedem Verstärker 2 ein Eingangssignal e1 ... en zuführbar, das von dem jeweiligen Verstärker 2 zu einem verstärkten Eingangssignal E1 ... En verstärkt wird. Die verstärkten Eingangssignal E1 ... En werden der Ausgangsmatrix 4 zugeführt, welche den Verstärkern 2 nachgeordnet ist. Von der Ausgangsmatrix 4 ist eine Anzahl von Ausgangssignalen A1 ... Am abgebbar. Jedes Ausgangssignal A1 ... Am wird über einen der Ausgänge 3 abgegeben.

Gemäß 1 ist die Ausgangsmatrix 4 derart ausgebildet, dass jedes verstärkte Eingangssignal E1 ... En zu jedem Ausgangssignal A1 ... Am einen Ausgangssignalbeitrag liefert. Die Größe des jeweiligen Ausgangssignalbeitrags ist durch einen Wichtungsfaktor kij (i = 1 ... n, j = 1 ... m) bestimmt. Die Wichtungsfaktoren kij sind reell und liegen zwischen –1 und +1. In der Regel liegen sie bei +1. Die einheitliche Wahl des Wertes +1 für die Wichtungsfaktoren kij ist jedoch nicht zwingend.

Wie aus 1 weiterhin ersichtlich ist, weist jeder Ausgangssignalbeitrag jedes Ausgangssignals A1 ... Am gegenüber dem korrespondierenden verstärkten Eingangssignal E1 ... En einen Zeitversatz tAij (i = 1 ... n, j = 1 ... m) auf.

Die Eingangssignale e1 ... en und mit ihnen die verstärkten Eingangssignale E1 ... En weisen in der Regel eine einheitliche Frequenz f auf. Die Zeitversätze tAij korrespondieren daher mit ausgangsseitigen Beitragsphasenversätzen &phgr;Aij (i = 1 ... n, j = 1 ... m) gemäß der Beziehung &phgr;Aij = 2&pgr;ftAij.

Die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Aij sind davon abhängig, von welchem verstärkten Eingangssignal E1 ... En der Ausgangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Ausgangsignal A1 ... Am der Ausgangssignalbeitrag beiträgt. Sie können für ein einzelnes der verstärkten Eingangssignale E1 ... En untereinander gleich sein. Alternativ oder zusätzlich können sie für ein einzelnes der Ausgangssignale A1 ... Am untereinander gleich sein. Für die anderen verstärkten Eingangssignale E1 ... En und für die anderen Ausgangssignale A1 ... Am sind sie nicht untereinander gleich.

Nachfolgend wird angenommen, dass die verstärkten Eingangssignale E1 ... En sinusförmige Wechselsignale sind, die eine einheitliche Amplitude E und eine einheitliche Frequenz f aufweisen. Weiterhin wird angenommen, dass die verstärkten Eingangssignale E1 ... En relativ zueinander Signalphasenversätze &phgr;i aufweisen. Die verstärkten Eingangssignale E1 ... En lassen sich somit schreiben als Ei = Esin(2&pgr;ft – &phgr;i) wobei i die Werte 1 ... n durchläuft und t die Zeit ist.

Für jedes einzelne der Ausgangssignale A1 ... Am können die Signalphasenversätze &phgr;i derart bestimmt werden, dass sie den ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz &phgr;Aij kompensieren.

Bezüglich der jeweils anderen Ausgangssignale A1 ... Am können die Signalphasenversätze &phgr;i die entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Aij nicht kompensieren. Es ist jedoch möglich, die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Aij derart zu bestimmen, dass sich für die anderen Ausgangssignale A1 ... Am deren Ausgangssignalbeiträge in der Summe kompensieren. Es ist sogar möglich, dass diese Kompensierung der Ausgangssignalbeiträge für die anderen Ausgangssignale A1 ... Am unabhängig davon möglich ist, bei welchem der Ausgangssignale A1 ... Am die Signalphasenversätze &phgr;i die entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Aij kompensieren.

Die entsprechende Kompensation ist insbesondere dann möglich, wenn die Ausgangsmatrix 4 eine orthogonale Transformation der verstärkten Eingangssignale E1 ... En durchführt. Ein typisches Beispiel einer orthogonalen Transformation ist die Fouriertransformation. Insbesondere im Falle einer Fouriertransformation kann die Ausgangsmatrix 4 beispielsweise als sogenannte Butlermatrix realisiert sein. 2 zeigt beispielhaft die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Aij einer Butlermatrix, der acht verstärkte Eingangssignale E1 ... E8 zuführbar sind und von der acht Ausgangssignale A1 ... A8 abgebbar sind.

Bei der Ausgestaltung gemäß 1 sind die Eingangssignale e1 ... en vorzugsweise derart bestimmt, dass durch die Überlagerung der korrespondierenden verstärkten Eingangssignale E1 En nur ein einziges der Ausgangssignale A1 ... Am von Null verschieden ist. Die Generierung derartiger Eingangssignale e1 ... en kann mit einer Ausgestaltung vereinfacht werden, wie sie nachfolgend in Verbindung mit 3 näher erläutert wird.

Gemäß 3 ist den Verstärkern 2 eine Eingangsmatrix 5 vorgeordnet. Der Eingangsmatrix 5 ist eine Anzahl von Ursprungssignalen u1 ... ul zuführbar. Von der Eingangsmatrix 5 sind die Eingangssignale e1 ... en abgebbar. Die Eingangsmatrix 5 ist derart ausgebildet, dass jedes Ursprungssignal u1 ... ul zu jedem Eingangssignal e1 ... en einen Eingangssignalbeitrag liefert. Analog zur Ausgangsmatrix 4 weist jeder Eingangssignalbeitrag jedes Eingangssignals e1 ... en gegenüber dem korrespondierenden Ursprungssignal u1 ... ul einen eingangsseitigen Beitragsphasenversatz &phgr;Eij (i = 1 ... l, j = 1 ... n) auf. Der eingangsseitige Beitragsphasenversatz &phgr;Eij ist davon abhängig, von welchem Ursprungssignal u1 ... ul der Eingangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Eingangssignal e1 ... en der Eingangssignalbeitrag beiträgt.

Die eingangsseitigen Beitragsphasenversätze &phgr;Eij können prinzipiell beliebig bestimmt sein. Vorzugsweise sind sie wie folgt bestimmt: Wenn eines der Ursprungssignale u1 ... ul ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ursprungssignale u1 ... ul den Wert Null aufweisen, weisen die Eingangssignale e1 ... en eine einheitliche Amplitude e auf. Die Eingangssignale e1 ... en weisen ferner relativ zueinander die obenstehend in Verbindung mit den verstärkten Eingangssignalen E1 ... En beschriebenen Signalphasenversätze &phgr;i auf. Durch Anlegen eines sinusförmigen Wechselsignals als eines der Ursprungssignale u1 ... ul werden daher verstärkte Eingangssignale E1 ... En generiert, die im Ergebnis dazu führen, dass eines der Ausgangssignale A1 ... Am von Null verschieden ist und die anderen Ausgangssignale A1 ... Am den Wert Null aufweisen.

Vorzugsweise gilt obige Aussage für jedes der Ursprungssignale u1 ... ul. Jedes der Ursprungssignale u1 ... ul korrespondiert in diesem Fall mit einem der Ausgangssignale A1 ... Am. Es ist also frei bestimmbar, welches der Ursprungssignale u1 ... ul das eine Ursprungssignal u1 ... ul ist.

Analog zur Ausgangsmatrix 4 führt daher auch die Eingangsmatrix 5 vorzugsweise eine orthogonale Transformation der ihr zugeführten Ursprungssignale u1 ... ul durch. Insbesondere kann die Eingangsmatrix 5 ebenso strukturiert sein wie die Ausgangsmatrix 4. Sie kann jedoch – im Gegensatz zur Ausgangsmatrix 4 – für Kleinsignale dimensioniert sein.

Mittels der Ausgestaltung gemäß 3 sind alle Moden erzeugbar. In manchen Fällen ist jedoch a priori bekannt, dass nicht alle Moden benötigt werden. In diesem Fall ist es gemäß 4 möglich, dass die Ausgangsmatrix 4 mehr Ausgänge aufweist, als von ihr Ausgangssignale A1 ... Am abgebbar sind. Die nicht zum Abgeben der Ausgangssignale A1 ... Am genutzten Ausgänge sind in diesem Fall vorzugsweise über Widerstände 6terminiert, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Ausgänge entspricht.

In analoger Weise ist es möglich, dass die Eingangsmatrix 5 mehr Eingänge aufweist, als ihr Ursprungssignale u1 ... ul zuführbar sind. In diesem Fall sind die nicht zum Zuführen der Ursprungssignale u1 ... ul genutzten Eingänge vorzugsweise über Widerstände 7 terminiert, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Eingänge entspricht.

Die erfindungsgemäße Verstärkereinrichtung 1 ist insbesondere bei sogenannten Modenantennen – in der Radartechnik oftmals phased array genannt – anwendbar. Eine Sendeanordnung 8 für Radiofrequenzsignale (z. B. Radar- oder Magnetresonanzsignale) weist in diesem Fall gemäß 5 eine Anzahl von Sendeantennen 9 auf, die über eine Antennenmatrix 10 mit einer erfindungsgemäßen Verstärkereinrichtung 1 verbunden sind. Zumindest ein Teil der Ausgangssignale A1 ... Am ist der Antennenmatrix 10 zuführbar. Von der Antennenmatrix 10 ist eine Anzahl von Sendesignalen S1 ... Sk abgebbar. Jedes Sendesignal S1 ... Sk ist einer der Sendeantennen 9 zuführbar.

Die Antennenmatrix 10 nimmt eine Aufteilung der ihr zugeführten Modensignale (d. h. der Ausgangssignale A1 ... Am) auf die einzelnen Sendeantennen 9 vor. Die Antennenmatrix 10 ist daher derart ausgebildet, dass jedes der Antennenmatrix 10 zugeführte Ausgangssignal A1 ... Am zu jedem Sendesignal S1 ... Sk einen Sendesignalbeitrag liefert. Jeder Sendesignalbeitrag jedes Sendesignals S1 ... Sk weist gegenüber dem korrespondierenden Ausgangssignal A1 ... Am einen sendeseitigen Beitragsphasenversatz &phgr;Sij auf. Analog zur Ausgangsmatrix 4 ist der sendeseitige Beitragsphasenversatz &phgr;Sij davon abhängig, von welchem Ausgangssignal A1 ... Am der Sendesignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Sendesignal S1 ... Sk der Sendesignalbeitrag beiträgt.

Wie obenstehend erläutert, besteht ein häufiger Fall darin, dass eines der Ausgangssignale A1 ... Am ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ausgangssignale A1 ... Am den Wert Null aufweisen. Vorzugsweise nimmt die Antennenmatrix 10 in diesem Fall eine Aufteilung des von Null verschiedenen Ausgangssignals A1 ... Am auf die Sendesignale S1 ... Sk derart vor, dass die Sendesignale S1 ... Sk eine einheitliche Amplitude S aufweisen. Für eines der Ausgangssignale A1 ... Am können die Sendesignale S1 ... Sk phasengleich sein. Für alle anderen der Ausgangssignale A1 ... Am weisen die Sendesignale S1 ... Sk Phasenversätze auf, die durch den korrespondierenden Beitragsphasenversatz &phgr;Sij bestimmt sind.

Analog zur Ausgangsmatrix 4 nimmt auch die Antennenmatrix 10 vorzugsweise eine orthogonale Transformation der Ausgangssignale A1 ... Am vor. Insbesondere kann die Antennenmatrix 10 auf die gleiche Art und Weise ausgebildet sein wie die Ausgangsmatrix 4, also gleich strukturiert und dimensioniert.

Es ist möglich, dass die Antennenmatrix 10 eben so viele Eingänge aufweist, wie ihr Ausgangssignale A1 ... Am zuführbar sind. Alternativ kann die Antennenmatrix 10 mehr Eingänge aufweisen, als ihr Ausgangssignale A1 ... Am zuführbar sind. In diesem Fall ist es gemäß 5 möglich, dass mindestens einer der nicht zum Zuführen der Ausgangssignale A1 ... Am genutzten Eingänge über einen Widerstand 11 terminiert ist, dessen Widerstandswert dem Wellenwiderstand des betreffenden Eingangs entspricht.

Es ist möglich, dass die Sendeanordnung 8 ausschließlich zum Senden von Signalen genutzt wird. In diesem Fall sind vorzugsweise alle Eingänge der Antennenmatrix 10, die nicht zum Zuführen der Ausgangssignale A1 ... Am genutzt werden, jeweils über einen entsprechenden Widerstand 11 terminiert.

Die Sendeanordnung 8 kann alternativ gemischt genutzt werden. In diesem Fall sind von den Sendeantennen 9 gemäß 6 Empfangssignale E'1 ... E'k empfangbar. Die Empfangssignale E'1 ... E'k können von den Sendeantennen 9 der Antennenmatrix 10zuführbar sein. In diesem Fall ist von der Antennenmatrix 10 eine Anzahl k von Rückmeldesignalen R1 ... Rk abgebbar.

Es ist möglich, dass der Signalfluss der Empfangssignale E'1 ... E'k innerhalb der Antennenmatrix 10 vom Signalfluss der Ausgangssignale A1 ... Am getrennt gehandhabt wird. Es ist jedoch alternativ möglich, die Antennenmatrix 10 bidirektional zu nutzen. In diesem Fall ist mindestens eines der Rückmeldesignale R1 ... Rk über einen der Eingänge der Antennenmatrix 10 ausgebbar. In 6 ist dies für die Rückmeldesignale R1 und R2 dargestellt.

Gemäß 6 ist es möglich, dass der Eingang, über den eines der Rückmeldesignale R1 ... Rk ausgegeben wird, nicht zum Zuführen der Ausgangssignale A1 ... Am genutzt wird. In 6 ist dies bei dem Rückmeldesignal R2 der Fall. Gemäß 6 ist es alternativ möglich, dass mindestens eines der Rückmeldesignale R1 ... Rk über einen der Eingänge ausgebbar ist, der auch zum Zuführen der Ausgangssignale A1 ... Am genutzt wird. In 6 ist dies bei dem Rückmeldesignal R1 der Fall.

Die der Antennenmatrix 10 zugeführten Ausgangssignale A1 ... Am werden der Antennenmatrix 10 über Leitungen 12 zugeführt. Die Nutzung einer Leitung 12 sowohl zum Zuführen eines der Ausgangssignale A1 ... Am als auch zum Ableiten eines der Rückmeldesignale R1 ... Rk wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass in der betreffenden Leitung 12 eine Signalweiche 13 (z. B. ein Umschalter oder ein geeignetes Hybrid) angeordnet ist, mittels derer das betreffende Rückmeldesignal R1 ... Rk aus der betreffenden Leitung 12 ausspeisbar ist.

Die obenstehend beschriebene Sendeanordnung 8 kann insbesondere zum Aussenden von Magnetresonanz-Anregungssignalen verwendet werden. In diesem Fall sind die Sendeantennen 9 zum Aussenden der Magnetresonanz-Anregungssignale ausgebildet. Beispielsweise können die Sendeantennen 9 die Stäbe eines sogenannten Birdcage-Resonators sein. 7 zeigt eine typische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gesamtanordnung für den beispielhaften Fall, dass der Birdcage-Resonator acht Stäbe 9 aufweist. Bei der Ausgestaltung ist insbesondere berücksichtigt, dass für Magnetresonanzanwendungen nur Sendesignale S1 ... Sk sinnvoll sind, die gleichsinnig zirkular polarisiert sind oder zumindest einen entsprechend zirkular polarisierten Signalanteil enthalten.

Die obenstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind im Wesentlichen verlustfrei. Insbesondere sind die Ausgangsmatrix 4, die Eingangsmatrix 5 und die Antennenmatrix 10 rein passiv und im Wesentlichen verlustfrei. Auf Grund der Orthogonalität der Matrizen 4, 5, 10 kann die komplette Summe der Verstärkerleistungen in jedem beliebigen Verhältnis zumindest im Wesentlichen verlustfrei in die Sendeantennen 9 eingespeist werden. In den Widerständen 6, 7 entstehen keine oder kaum Verlustleistungen. Der Gesamtschaltungsaufbau vereinfacht sich ferner dadurch, dass die Matrizen 4, 5, 10 nicht geschaltet werden müssen. Diese können vielmehr fest verdrahtet sein. Die Verstärker 2 können weiterhin derart dimensioniert sein, dass die Summe der von den Verstärkern 2 maximal abgebbaren Leistungen der Summe der an die Sendeantennen 9 abgebbaren Leistungen entspricht, und zwar unabhängig davon, ob zu einem gegebenen Zeitpunkt die Sendeantennen 9 nur in einem einzigen Mode oder in mehreren Moden betrieben werden sollen.

Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.


Anspruch[de]
Verstärkereinrichtung mit einer Anzahl (n) von Verstärkern (2) und einer Anzahl (m) von Ausgängen (3),

– wobei jedem Verstärker (2) ein Eingangssignal (e1 ... en) zuführbar ist,

– wobei von jedem Verstärker (2) das ihm zugeführte Eingangssignal (e1 ... en) zu einem verstärkten Eingangssignal (E1 ... En) verstärkbar ist,

– wobei die verstärkten Eingangssignale (E1 ... En) einer den Verstärkern (2) nachgeordneten Ausgangsmatrix (4) zuführbar sind,

– wobei von der Ausgangsmatrix (4) eine Anzahl von Ausgangssignalen (A1 ... Am) abgebbar ist,

– wobei jedes Ausgangssignal (A1 ... Am) über einen der Ausgänge (3), abgebbar ist,

– wobei die Ausgangsmatrix (4) derart ausgebildet ist, dass jedes verstärkte Eingangssignal (E1 ... En) zu jedem Ausgangssignal (A1 ... Am) einen Ausgangssignalbeitrag liefert,

– wobei jeder Ausgangssignalbeitrag jedes Ausgangssignals (A1 ... Am) gegenüber dem korrespondierenden verstärkten Eingangssignal (E1 ... En) einen ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz (&phgr;Aij) aufweist, der davon abhängig ist, von welchem verstärkten Eingangssignal (E1 ... En) der Ausgangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Ausgangssignal (A1 ... Am) der Ausgangssignalbeitrag beiträgt.
Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Voraussetzung, dass die verstärkten Eingangssignale (E1 ... En) sinusförmige Wechselsignale sind, die eine einheitliche Amplitude (E), eine einheitliche Frequenz (f) und relativ zueinander Signalphasenversätze (&phgr;i) aufweisen, die für eines der Ausgangssignale (A1 ... Am) den entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversatz (&phgr;Aij) kompensieren, die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze (&phgr;Aij) derart bestimmt sind, dass für die anderen Ausgangssignale (A1 ... Am) deren Ausgangssignalbeiträge sich in der Summe kompensieren. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze (&phgr;Aij) derart bestimmt sind, dass durch die Signalphasenversätze (&phgr;i) frei bestimmbar ist, welches der Ausgangssignale (A1 ... Am) das eine Ausgangssignal (A1 ... Am) ist. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

– dass den Verstärkern (2) eine Eingangsmatrix (5) vorgeordnet ist,

– dass der Eingangsmatrix (5) eine Anzahl von Ursprungssignalen (u1 ... ul) zuführbar ist,

– dass von der Eingangsmatrix (5) die Eingangssignale (e1 ... en) abgebbar sind,

– dass die Eingangsmatrix (5) derart ausgebildet ist, dass jedes Ursprungssignal (u1 ... ul) zu jedem Eingangssignal (e1 ... en) einen Eingangssignalbeitrag liefert, und

– dass jeder Eingangssignalbeitrag jedes Eingangssignals (e1 ... en) gegenüber dem korrespondierenden Ursprungssignal (u1 ... ul) einen eingangsseitigen Beitragsphasenversatz (&phgr;Eij) aufweist, der davon abhängig ist, von welchem Ursprungssignal (u1 ... ul) der Eingangssignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Eingangssignal (e1 ... en) der Eingangssignalbeitrag beiträgt.
Verstärkereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitigen Beitragsphasenversätze (&phgr;Eij) derart bestimmt sind, dass unter der Voraussetzung, dass eines der Ursprungssignale (u1 ... ul) ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ursprungssignale (u1 ... ul) den Wert Null aufweisen, die Eingangssignale (e1 ... en) eine einheitliche Amplitude (e) und relativ zueinander Signalphasenversätze (&phgr;i) aufweisen, die derart bestimmt sind, dass sie für eines der Ausgangssignale (A1 ... Am) die entsprechenden ausgangsseitigen Beitragsphasenversätze (&phgr;Aij) kompensieren. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussage des Anspruches 5 unabhängig davon gültig ist, welches der Ursprungssignale (u1 ... ul) das eine Ursprungssignal (u1 ... ul) ist. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsmatrix (5) und die Ausgangsmatrix (4) gleich strukturiert sind. Verstärkereinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsmatrix (5) mehr Eingänge aufweist, als ihr Ursprungssignale (u1 ... ul) zuführbar sind, und dass die nicht zum Zuführen der Ursprungssignale (u1 ... ul) genutzten Eingänge über Widerstände (7) terminiert sind, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Eingänge entspricht. Verstärkereinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsmatrix (4) mehr Ausgänge aufweist, als von ihr Ausgangssignale (A1 ... Am) abgebbar sind, und dass die nicht zum Abgeben der Ausgangssignale (A1 ... Am) genutzten Ausgänge über Widerstände (6) terminiert sind, deren Widerstandswert dem Wellenwiderstand der Ausgänge entspricht. Verstärkereinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker (2) untereinander gleiche Verstärkereigenschaften aufweisen. Verstärkereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärker (2) bau- und/oder typgleich sind. Sendeanordnung für Radiofrequenzsignale,

– wobei die Sendeanordnung eine Verstärkereinrichtung (1) nach einem der obigen Ansprüche, eine Antennenmatrix (10) und eine Anzahl (k) von Sendeantennen (9) aufweist,

– wobei zumindest ein Teil der Ausgangssignale (A1 ... Am) der Antennenmatrix (10) zuführbar ist,

– wobei von der Antennenmatrix (10) eine Anzahl (k) von Sendesignalen (S1 ... Sk) abgebbar ist,

– wobei jedes Sendesignal (S1 ... Sk) einer der Sendeantennen (9) zuführbar ist,

– wobei die Antennenmatrix (10) derart ausgebildet ist, dass jedes der Antennenmatrix (10) zugeführte Ausgangssignal (A1 ... Am) zu jedem Sendesignal (S1 ... Sk) einen Sendesignalbeitrag liefert,

– wobei jeder Sendesignalbeitrag jedes Sendesignals (S1 ... Sk) gegenüber dem korrespondierenden Ausgangssignal (A1 ... Am) einen sendeseitigen Beitragsphasenversatz (&phgr;Sij) aufweist, der davon abhängig ist, von welchem Ausgangssignal (A1 ... Am) der Sendesignalbeitrag geliefert wird und zu welchem Sendesignal (S1 ... Sk) der Sendesignalbeitrag beiträgt.
Sendeanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die sendeseitigen Beitragsphasenversätze (&phgr;Sij) derart bestimmt sind, dass unter der Voraussetzung, dass eines der Ausgangssignale (A1 ... Am) ein sinusförmiges Wechselsignal ist und die anderen Ausgangssignale (A1 ... Am) den Wert Null aufweisen, die Sendesignale (S1 ... Sk) eine einheitliche Amplitude (S) aufweisen. Sendeanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenmatrix (10) und die Ausgangsmatrix (4) gleich ausgebildet sind. Sendeanordnung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenmatrix (10) mehr Eingänge aufweist, als ihr Ausgangssignale (A1 ... Am) zuführbar sind. Sendeanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der nicht zum Zuführen der Ausgangssignale (A1 ... Am) genutzten Eingänge über einen Widerstand (11) terminiert ist, dessen Widerstandswert dem Wellenwiderstand des jeweiligen Eingangs entspricht. Sendeanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass von den Sendeantennen (9) Empfangsignale (E'1 ... E'k) empfangbar sind, dass die Empfangsignale (E'1 ... E'k) von den Sendeantennen (9) der Antennenmatrix (10) zuführbar sind und dass von der Antennenmatrix (10) eine Anzahl von Rückmeldesignalen (R1 ... Rk) abgebbar ist. Sendeanordnung nach Anspruch 17 in Verbindung mit Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Rückmeldesignale (R1 ... Rk) über einen der nicht zum Zuführen der Ausgangssignale (A1 ... Am) genutzten Eingänge ausgebbar ist. Sendeanordnung nach Anspruch 17 in Verbindung mit Anspruch 15 oder 16 oder nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Rückmeldesignale (R1 ... Rk) über einen der zum Zuführen der Ausgangssignale (A1 ... Am) genutzten Eingänge ausgebbar ist. Sendeanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die der Antennenmatrix (10) zugeführten Ausgangssignale (A1 ... Am) der Antennenmatrix (10) über Leitungen (12) zuführbar sind und dass in der Leitung (12), von der sowohl eines der Ausgangssignale (A1 ... Am) als auch eines der Rückmeldesignale (R1 ... Rk) führbar ist, eine Signalweiche (13) angeordnet ist, mittels derer das betreffende Rückmeldesignal (R1 ... Rk) aus der Leitung (12) ausspeisbar ist. Sendeanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeantennen (9) zum Aussenden von Magnetresonanz-Anregungssignalen ausgebildet sind.






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