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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Mikrowellenverstärker.
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Diese Verstärker können entweder als Wanderfeldröhre oder
in Halbleitertechnologie hergestellt werden. Sie finden insbesondere
in der Nachrichtentechnik und Radartechnik Anwendung.
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Eine einzelne Verstärkerstufe
hat unweigerlich einen Verstärkungsgrad,
der ab einer bestimmten Eingangsleistung abnimmt, im allgemeinen
unterhalb der Sättigungsenergie,
bei der die Verstärkungsstufe
arbeiten soll, um einen ausreichenden Wirkungsgrad zu erreichen.
Daraus ergeben sich Verzerrungen im übertragenen Signal, die ihrerseits
Interferenzen zwischen Symbolen ergeben, die umso störender sind,
je dichter das Durchlaßband
ausgenutzt wird. Letzteres ist aber das verfolgte Ziel, insbesondere
in der Nachrichtentechnik. Die Verzerrungen haben den weiteren Nachteil,
daß sie
gegenüber Temperaturänderungen
nicht stabil sind.
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Daher verwendet man Vorrichtungen,
die eine Mikrowellen-Verstärkerstufe
linearisieren sollen und deren gemeinsames Ziel es ist, die Nichtlinearitäten der
Verstärkerstufe
so zu korrigieren, daß ein konstanter
Verstärkungsgrad
der Verstärkerstufe
bis in die Nähe
der Sättigungsleistung
und im ganzen Frequenzbereich der Stufe in einem Temperaturbereich
entsprechend den Arbeitsbedingungen des Geräts gewährleistet ist.
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Im wesentlichen unterscheidet man
im Stand der Technik drei Arten von Linearisierungsvorrichtungen:
Die
erste Art besteht aus Linearisierungsvorrichtungen mit Rückkopplungsschleife,
in denen die Parameter der Amplitude und der Phase des Ausgangssignals
der Verstärkerstufe
gemessen werden und daraus Korrekturen abgeleitet werden, die an
das Eingangssignal anzulegen sind, damit man ein lineares Ausgangssignals
erhält
(siehe insbesondere die Patente
US
4 291 277 ,
US 5 598
127 ,
US 5 422 598 ,
US 5 469 114 ,
US 5 524 285 und
US 5 722 076 ). Aufgrund der durch
die Rückkopplungsschleife
hervorgerufenen Verzögerung
sind diese Vorrichtungen für Frequenzen
des Durchlaßbands
oberhalb von 100 MHz unbrauchbar.
Die zweite Art besteht aus
Linearisierungsvorrichtungen mit offener Schleife, in denen verschiedene Techniken
der digitalen Signalverarbeitung auf die Amplituden-, Phasen oder
Impulskomponenten des Signals angewendet werden, um die Verzerrungen zu
korrigieren (siehe insbesondere die Patente
US 5 760 646 ,
US 5 877 653 und
US 5 886 573 ). Diese Vorrichtungen
erfordern den Rückgriff
auf komplexe Techniken der digitalen Signalverarbeitung und die Verwendung
spezifischer Schaltungen, die an die Form der ausgesendeten Welle
angepaßt
sind. Dieser Weg ist derzeit wegen der Grenzen der Halbleitertechnologie
für Trägerfrequenzen
oberhalb einiger Gigahertz nicht praktizierbar.
Die dritte
Art besteht aus Linerarisierungsvorrichtungen mit Vorverzerrung,
in denen das Eingangssignal vor dem Eingang in die Verstärkerstufe
einer Verzerrung des Verstärkungsgrads
unterworfen wird, die mit der Eingangsleistung zunimmt und möglichst
genau die symmetrische Verzerrung der Verstärkerstufe kompensiert.
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In dem Patent von Kohl et al., dessen
Prinzipschema in 1 dargestellt
ist, gelangt das Signal vom Eingang 10 an einen Separator 20,
bestehend aus zwei identischen Schottky-Dioden 22 und 23,
die parallel zwischen zwei Koppelschaltungen 21 und 24 angeschlossen
sind. Die Parameter der Dioden sind so gewählt, daß die Separatorvorrichtung
in Richtung auf einen sogenannten Kompressionskanal 30 nur Signale
geringer Amplitude durchläßt, während die Signale
großer
Amplitude in einen anderen Kanal reflektiert werden, der Expansionskanal 40 genannt wird
und an einen der Zweige des Eingangskopplers angeschlossen ist,
sodaß diese
Signale an einen Verstärker 50 gelangen.
Der Kompressionskanal und der Expansionskanal werden durch einen
Kombierkoppler 80 wieder kombiniert und gelangen an den Eingang 90 der
Verstärkerstufe.
Die Kanäle 30 und 40 sind
je mit Phasensteuervorrichtungen 60 und 70 versehen.
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Die Vorrichtung bietet den theoretischen
Vorteil, daß eine
automatische Steuerung der Phase des reflektierten Signals erfolgt.
Dieser theoretische Vorteil läßt sich
jedoch aufgrund der Streuung der Herstellungs- und Betriebsparameter
der Dioden schwer in der Praxis realisieren. Wenn zudem die Separiervorrichtung
von den idealen Betriebsbedingungen, die mit zwei identische Dioden
erreicht werden, abweicht, stört
das reflektierte Signal das Eingangssignal aufgrund eines Reflexionskoeffizienten,
der sich mit der Eingangsleistung ändert.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, diese Mängel
des Stands der Technik zu korrigieren.
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Hierzu ist Gegenstand der Erfindung
eine Vorrichtung zur Linearisierung für eine Mikrowellen-Verstärkerstufe
mit einem Eingang, gefolgt von einem Separator, der selektiv abhängig vom
Pegel selektiv ist und unmittelbar einen Kompressionskanal und mittels
Reflexion einen Expansionskanal speist, während die Ausgangssignale der
beiden Kanäle über einen
Kombinationskoppler gekoppelt und an die Verstärkerstufe weitergeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Separator einen Zirkulator enthält,
dessen Eingangszugang an den Eingang der Vorrichtung angeschlossen
ist, daß eine
einzige abhängig
vom Pegel selektive Reflexionsschaltung hinter dem Eingangs-Ausgangs-Zugang
des Zirkulators liegt, auf den einer der Kanäle folgt, und daß der Ausgangszugang des
Zirkulators an den anderen Kanal angeschlossen ist.
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Die Vorrichtung enthält weiter
auf dem Kompressions- oder Expansionskanal eine Phasensteuerschaltung,
die gemäß . einem
gewählten
Phasenkompensationsgesetz eingestellt ist, und eine Amplitudensteuerschaltung.
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Die Vorrichtung ist weiter durch
Mikrowellenleiterstrecken auf dem Kompressions- und dem Expansionskanal
gekennzeichnet, die im wesentlichen gleich sind.
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Die Vorrichtung kann schließlich auch
aus Bauelementen bestehen, die im passiven Modus arbeiten.
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Die Erfindung, ihre verschiedenen
Merkmale und Vorzüge
werden nun anhand eines Ausführungsbeispiels
und der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine bekannte Linearisierungsschaltung mit Vorverzerrung. Sie wurde
bereits beschrieben.
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2 zeigt
schematisch ein Beispiel für
die Herstellung einer erfindungsgemäßen Linearisierungsvorrichtung
mit Vorverzerrung.
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3 zeigt
schematisch, wie die Signale des Kompressions- und des Expansionskanals
innerhalb der Linearisierungsvorrichtung gemäß der Erfindung kombiniert
sind.
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4 zeigt
schematisch abhängig
von der Eingangsleistung des Signals die Ausgangsleistung der erfindungsgemäßen Linearisierungsvorrichtung, die
Ausgangsleistung der Verstärkerstufe
ohne Linearisierungsvorrichtung und die Ausgangsleistung der Verstärkerstufe,
die die erfindungsgemäße Linearisierungsvorrichtung
enthält.
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2 zeigt
ein Beispiel einer Linearisierungsvorrichtung für eine erfindungsgemäße Mikrowellen-Verstärkerstufe.
Wie in der vorausgegangenen Figur wird das Eingangssignal an einen
Separator 20A angelegt. Dieser Separator 20A besteht
jedoch nur aus zwei Elementen, nämlich
einem Zirkulator 21A und einer Schottky-Diode 22 anstelle
von vier Elementen 21 bis 24 für den Separator 20.
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Die Schaltung der Schottky-Diode
ist impedanzmäßig an die
Signale geringer Amplitude angepaßt. Der Eingangsleistungspegel,
an den die Diodenschaltung angepaßt ist, wird abhängig von
den Betriebsparametern der zu linearisierenden Verstärkerstufe
gewählt.
Für diese
Signale geringer Leistung wirkt die Schottky-Diode wie ein Kondensator.
Die Art der Anpassung, die dem Fachmann bekannt ist, besteht darin,
zwei Induktivitäten
zu dem Kondensator hinzuzufügen,
wobei die Werte der Induktivitäten
aufgrund der Lösung
der dem Fachmann bekannten Gleichungen gewählt werden, die die äquivalente
Impedanz dieser Schaltung ergeben. Die Induktivitäten können sogar
nur aus den Anschlußdrähten der
Verdrahtung bestehen.
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Für
die Signale, deren Amplitude unter der liegt, an die die Schaltung
ausgelegt ist, wird das Signal an den Kompressionskanal 30 übertragen.
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Für
die Signale einer Amplitude oberhalb der Amplituden, für die die
Schaltung angepaßt
ist, arbeitet die Schottky-Diode im Kurzschluß und das Signal wird zum Zirkulator 21A reflektiert.
Der Zirkulator enthält
einen Eingangszugang 21B, einen Eingangs-/Ausgangs-Zugang 21C und
einen Ausgangszugang 21D. Wie der Fachmann auf dem Mikrowellengebiet
weiß,
bietet ein Zirkulator eine ausgezeichnete Isolierung des reflektierten
Signals gegenüber dem
Eingangssignal. Das Signal wird also ohne Verzerrung des Eingangssignals
an den Expansionskanal übertragen.
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Eine justierbare Dämpfungsschaltung 50A liegt
im Kompressionskanal. Sie kann auch durch eine Verstärkerschaltung
im Expansionskanal ersetzt oder in gewissen Fällen ergänzt werden. In jedem Fall geht
es darum, die Wirkungen der Trennung der beiden Kanäle zu verstärken.
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Eine justierbare Phasensteuerschaltung 60 liegt
entweder im Kompressions- oder im Expansionskanal. Diese Schaltung
erlaubt es, die Phasenveränderung
abhängig
von den Merkmalen der Verstärkerstufe
einzustellen. Die Einstellung kann so erfolgen, daß eine Phasenvoreilung
am Ausgang der Vorrichtung erzeugt wird. Dies gilt, wenn die Verstärkerstufe
eine Wanderfeldröhre
ist. Die Justierung kann auch so erfolgen, daß eine Phasenverzögerung am
Ausgang der Vorrichtung erzeugt wird. Dies gilt, wenn die Verstärkerstufe
eine Halbleitervorrichtung ist. Wenn die Toleranzen bei der Herstellung
der beiden Schaltungen gering sind, kann die Justierung für eine gleiche
Art von Verstärkerstufe
simuliert werden und keine Nachjustierung im Werk erforderlich machen.
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Die Signale auf dem Kompressions-
und dem Expansionskanal werden dann in einem klassischen Koppler 80 wieder
kombiniert, und das Ausgangssignal 90 wird der Verstärkerstufe
zugeführt.
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3 zeigt
in Form von Fresnel-Diagrammen, wie die für die erzeugten Signale repräsentativen
Vektoren auf dem Kompressions- und Expansionskanal für zunehmende
Pegel des Eingangssignals wieder kombiniert werden. Diese Darstellung entspricht
einer Phasenvoreilung. Die 3.1, 3.2 und 3.3 zeigen drei Fälle der Rekombination zu einem
Signal 300 aus den Signalen 100 des Kompressionskanals
und den Signalen 200 des Expansionskanals. Der Pegel des
Signals 200 nimmt mit dem Eingangssignal zu und das Ausgangssignal 300 vergrößert sich überproportional.
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4 zeigt
die Wirkung der Linearisierungsvorrichtung auf das Eingangssignal
(in 4.1) und auf das
Ausgangssignal der Verstärkerstufe
(in 4.3), wobei man
davon ausgeht, daß die
Verstärkerstufe
ein Signal gemäß 4.2 erzeugen würde, wenn
es keiner Linearisierungsvorrichtung unterworfen worden wäre. 4.1 zeigt einen mit der
Eingangsleistung Pe zunehmenden Verstärkungsgrad (Ps/-Pe), 4.2 zeigt einen abnehmenden Verstärkungsgrad
und 4.3 einen konstanten
Verstärkungsgrad
in einem weiten Bereich von Eingangsleistungen entsprechend den
Betriebsbedingungen der Verstärkerstufe.
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Die Kompressions- und Expansionskanäle haben
im wesentlichen identische Mikrowellenlängen.
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Die Bauelemente können ohne Stromversorgung sein.
Die Vorrichtung hat dann einen rein passiven Betriebsmodus.
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Die Bauelemente werden nach den dem
auf dem Gebiet der Mikroelektronik versierten Fachmann bekannten
Techniken angebracht. Die Schottky-Diode liegt entweder in Form
eines nackten Chips auf einer Mikroschaltung eines Dünnschichtoder
Dickschicht-Aluminiumoxidsubstrats je nach der Betriebsfrequenz
oder als ein CMS-Gehäuse
(Bauelement, das auf die Fläche
aufgebracht ist) auf einer noch preisgünstigeren Druckschaltung vor.
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Anstelle einer Schottky-Diode könnte man auch
ein anderes begrenzendes Bauelement mit nichtlinearer Wirkung verwenden,
beispielsweise einen Feldeffekttransistor.
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Obwohl die Erfindung besonders interessant für hohe Frequenzen
jenseits von 5 GHz ist, zum Beispiel zwischen 10 und 20 GHz, kann
sie doch auch in anderen Frequenzbändern Anwendung finden.