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Dokumentenidentifikation DE102006031046A1 10.01.2008
Titel Anordnung zum Bestimmen der Betriebkenngrößen eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers
Anmelder Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 81671 München, DE
Erfinder Höbel, Daniel, 86825 Bad Wörishofen, DE;
Köhler, Hendrik, 85399 Hallbergmoos, DE;
Weigenthaler, Bernd, 80993 München, DE
Vertreter Mitscherlich & Partner, Patent- und Rechtsanwälte, 80331 München
DE-Anmeldedatum 05.07.2006
DE-Aktenzeichen 102006031046
Offenlegungstag 10.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse H04B 17/00(2006.01)A, F, I, 20060705, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H04B 1/04(2006.01)A, L, I, 20060705, B, H, DE   G01R 19/25(2006.01)A, L, I, 20060705, B, H, DE   H03F 3/24(2006.01)A, L, I, 20060705, B, H, DE   G01R 27/02(2006.01)A, L, I, 20060705, B, H, DE   
Zusammenfassung 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 $I1 auf der Verbindungsleitung proportionale analoge Messspannung Uu und ein dem komplexen Strom $I2 auf der Leitung (3) proportionale analoge Messspannung Ui ermittelt. Diese Messspannungen werden digitalisiert und aus diesen Digitalwerten können dann in einem Rechner (7) die gewünschten Betriebs-Kenngrößen berechnet werden.

Beschreibung[de]

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 A1 bzw. DE 39 18 159 A1 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:

1 das Prinzipschaltbild einer Kurzwellen-Leistungsendstufe mit der erfindungsgemäßen Weiterbildung.

Die 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. Ui, 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 Betriebsgrößen des Leistungsverstärkers 1 bestimmt werden. Die Proportionalität zwischen den Spannungen Ua und Ui und den komplexen Größen U und I ist jeweils durch Proportionalitätsfaktoren k bzw. m berücksichtigt, die entweder empirisch durch Messung oder durch Simulation ermittelt werden.

So kann beispielsweise aus den digitalisierten Spannungswerten Uu und Ui die komplexe Vorlaufspannung gemäß Beziehung (1) bzw. die komplexe Rücklaufspannung laut Beziehung (2) berechnet werden oder nach Beziehung (3) die komplexe Vorlaufleistung bzw. nach (4) die Rücklaufleistung. 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 Leitungsstücke zwischen Leistungsverstärker 1 und Antenne 4 die Leistungsaufnahme, Intermodulation und/oder der Oberwellenabstand verbessert werden, da durch die eingeschalteten Leitungsstücke die komplexe Anpassung so optimiert werden kann, dass der Leistungsverstärker 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 Leistungsverstärker besser an seine Streuparameter angepasst werden kann. Auf diese Weise kann also über die Berechnung der komplexen Lastimpedanz der Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers 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.


Anspruch[de]
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 I 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. 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). 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). 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). Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen der komplexe Reflexionsfaktor berechnet wird (Beziehung 6). Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rechner (7) aus den digitalen Messspannungen der Welligkeitsfaktor berechnet wird (Beziehung 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. 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. 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. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (5, 8) ein Koppler nach Buschbeck ist.






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