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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Leistungsverstärker. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Vorverzerrungsschaltung zum Linearisieren von Leistungsverstärkern.
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Mit
der drahtlosen Kommunikation, dem Kabelfernsehen oder CATV (Community
Antenna Television), Glasfaser- und ähnlichen Systemen, die sich mit
großer
Geschwindigkeit vermehren, nehmen auch die zugehörigen Mehrfachträger- oder
sonstigen üblichen
Anwendungen für
Leistungsverstärker auf
signifikante Weise zu. Mit der Zunahme solcher Systeme geht eine
entsprechend steigende Nachfrage nach effizienten und linearen Leistungsverstärkern für die Speisung
solcher Systeme sowie der zugehörigen
Sendeanlagen einher.
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Ein
Grundproblem des Leistungsverstärkeraufbaus
ist das Verhalten eines bei Amplituden- und Phasensättigungspegeln
betriebenen Leistungsverstärkers.
Bei solchen Leistungsbedarfspegeln, die eine Leistungsabgabe mit
Pegeln in der Nähe
des Sättigungsbereiches
erfordern, können
Leistungsverstärker
drastische Änderungen
der Amplituden- und
Phasencharakteristika erfahren, welche die Verzerrung durch Zwischenmodulation
IM (Intermodulation) erhöhen.
Es ist generell erstrebenswert, dass Leistungsverstärker mehr
Ausgangsleistung erzeugen und für
einen gegebenen Verzerrungspegel mit höheren Wirksamkeitspegeln arbeiten.
Verzerrung beruht in der Regel auf Nichtlinearitäten in Verbindung mit Übertragungscharakteristika
der aktiven oder Durchlasselemente im Verstärker bei Signalfrequenzen.
Obgleich es möglich
ist, die Verzerrung zu reduzieren, indem die Verstärker in
einem kleineren eher linearen Bereich betrieben werden, der nur
einen Anteil der möglichen
Ausgangsleistung darstellt, ist es oftmals wünschenswert, mit der höchstmöglichen
Ausgangsleistung arbeiten zu können,
damit die betriebliche Leistungsfähigkeit erhöht wird.
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Eine
Lösung
für bekannte
Verzerrungscharakteristika in Verbindung mit einem Verstärker, der außerhalb
seines linearen Bereichs betrieben werden soll, besteht in der "Vorverzerrung" des Signals, um
die bekannten Verzerrungscharakteristika zu kompensieren. Eine derartige
Vorverzerrung geht allerdings häufig
mit Amplituden- und Phasenverzerrung, Gruppenlaufzeit und dergleichen
einher. Mehrere solcher Vorverzerrer sind bekannt.
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Ein
Vorverzerrer kann im Allgemeinen von ausstrahlender oder reflektierender
Art sein und in der Regel einen linearen und nichtlinearen Zweig
umfassen. Durch Kombinieren der durch die linearen und nichtlinearen
Zweige verbreiteten Signale können
sowohl Amplituden- als auch Phasenschwankungen eines Leistungsverstärkers korrigiert
werden. Eine derartige Lösung
wird in der französischen
Patenschrift FR-2 684 820 vorgeschlagen.
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Der
darin beschriebene reflektierende Linearisierer zur Vorverzerrung
weist einen linearen und einen nichtlinearen Zweig auf, so wie beispielsweise
in 1 dargestellt. Der lineare Zweig kann eine Drossel 110,
die mit der Erde 102 verbunden ist, beinhalten, die eine
reflektierende Welle proportional zur Amplitude des Eingangs der
einfallenden Welle am Eingangsknoten 101 erzeugt. Der zweite
Zweig kann das Dämpfungselement 130 nebst
zwei Schottky-Dioden 121 und 122 in Antiparallelschaltung,
die mit der Erde 102 verbunden sind, beinhalten, so dass eine
reflektierende Welle am Kombinator 140 erzeugt wird, die
infolge des Diodenwiderstandes der Nichtlinearität Amplituden- und Phasenabweichungen
bei höheren
Leistungen erzeugt. Die zwei reflektierenden Wellen können vektoriell
am Kombinator 140 kombiniert werden, um das Ansprechverhalten
des Linearisierers und einen entsprechenden kompensierten Signalausgang
am Ausgangsknoten 141 zu erzeugen.
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Mit
dem zuvor angesprochenen Linearisierer treten allerdings Probleme
auf. Ein Problem besteht darin, dass die Amplituden- und Phasencharakteristika
nicht geändert
werden können,
um sie an geänderte
Signalzustände
anzupassen. Ein weiteres Problem besteht darin, dass für die Dioden
in Antiparallelschaltung, die in Linearisierern nach dem Stand der
Technik üblich
sind, eine genaue Vorspannung schwierig zu erreichen ist. Ein weiteres
Problem ist, dass Richtleitungen oder Anpassungsnetzwerke zur positiven
Impedanzanpassung zwischen der Verstärkerschaltung und dem Linearisierer
benutzt werden müssen,
welche möglicherweise
die Verzerrung noch erhöhen
und eventuell eine Kompensation der zusätzlichen Übertragungscharakteristika
erfordern.
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Eine
weitere reflektierende Vorrichtung nach dem Stand der Technik kann
man in der US-Patentschrift Nr. 5,146,177 von Katz u.a. finden.
Diese Patentschrift beschreibt einen symmetrischen reflektierenden
nichtlinearen Prozessor, der Feldeffekttransistoren FETs (Field-Effect
Transistors) verwendet. Aktive FETs sind mit dem Hybridkoppler
14 verbunden,
um eine nichtlineare Änderung
von Signalen durchzuführen.
Es besteht jedoch ein Problem, weil die Erzeugung und der Betrieb
aktiver FET-Vorrichtungen komplizierter ist. Katz bestätigt in
der Tat die von einfacheren Lösungen
gebotenen Vorteile hinsichtlich der Einfachheit, Kosten und Zuverlässigkeit und
bestätigt
darüber
hinaus, dass herkömmliche passive
Lösungen
zusätzliche
Impedanzanpassungsschaltungen erfordern. Andere Vorverzerrer, die
90-Grad-Hybridschaltungen verwenden sind aus der
EP 844 493 ,
EP 277 636 ,
JP 56 083 104 und
FR 2 696 295 bekannt.
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Man
sieht, dass, obgleich bestimmte Verzerrungsprobleme anhand üblicher
Vorverzerrer gelöst werden
können,
für die
beispielsweise auf Impedanzfehlanpassung und mangelnder Anwendbarkeit
beruhende Problematik keine geeigneten Lösungen bereitstehen. Man wird
folglich auf dem Fachgebiet einen adaptiven Vorverzerrer, der in
der Lage ist, Nichtlinearität
ohne zusätzlichen
Impedanzanpassungsbedarf zu kompensieren, zu schätzen wissen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Zur
Erreichung einer adaptativen Vorverzerrung ohne die begleitenden
Nachteile und Ausführungsmängel, so
wie sie, wie zuvor angesprochen, aus dem Stand der Technik bekannt
sind, wird ein analoger reflektierender Vorverzerrer beschrieben zur
Kompensation der Phasen- und Amplitudenschwankungen, die einem Eingangssignal
durch eine oder mehrere nichtlineare Übertragungscharakteristika
aufgezwungen werden, beispielsweise durch einen im oder in der Nähe des Sättigungsbereiches
betriebenen Leistungsverstärker.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft folglich einen reflektierenden Vorverzerrer
zur Kompensation von Phasen- und
Amplitudenschwankungen auf einem Eingangssignal, die durch eine
oder mehrere nichtlineare Übertragungscharakteristika
verursacht werden, wobei der Vorverzerrer umfasst:
- – eine
Hybridschaltung mit einer Eingangsklemme, einer Ausgangsklemme und
mindestens zwei relativen Phasenklemmen, die um 90 Grad getrennt
sind,
- – eine
erste Kompensationsschaltung, die an eine der mindestens zwei relativen
Phasenklemmen gekoppelt ist, wobei die erste Kompensationsschaltung
eine erste Kombination linearer und passiver nichtlinearer Schaltungselemente
beinhalten, und
- – eine
zweite Kompensationsschaltung, die mit der ersten Kompensationsschaltung
identisch ist, welche an eine andere der mindestens zwei relativen
Phasenklemmen gekoppelt ist, wobei die zweite Kompensationsschaltung
eine zweite Kombination linearer und passiver nichtlinearer Schaltungselemente
beinhaltet, wobei die Hybridschaltung sowohl ein lineares als auch
ein nichtlineares Signal durch den Betrieb der ersten und zweiten
Kompensationsschaltungen ausgibt, wobei der reflektierende Vorverzerrer
dadurch gekennzeichnet ist, dass er ferner umfasst:
- – eine
erste Vorspannungssteuerschaltung zur Steuerung eines Vorspannungspegels
in der ersten Kompensationsschaltung und
- – eine
zweite Vorspannungssteuerschaltung zur Steuerung eines Vorspannungspegels
in der zweiten Kompensationsschaltung.
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KURZDARSTELLUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden
näheren
Beschreibung verständlich
in Verbindung mit den Zeichnungen, welche zeigen:
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1 einen
Schaltplan, der einen beispielhaften Linearisierer nach dem Stand
der Technik veranschaulicht, und
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2 einen
Schaltplan, der eine beispielhafte reflektierende Vorverzerrerschaltung
gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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NÄHERE BESCHREIBUNG
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Die
verschiedenen Merkmale werden nun unter Bezugnahme auf die Figuren
erläutert,
in welchen identische Bauteile mit denselben Bezugsnummern bezeichnet
sind.
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Der
analoge reflektierende Vorverzerrer gemäß der Erfindung wird somit
als Lösung
für die
zuvor angesprochenen Probleme beschrieben.
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Ein
beispielhafter Vorverzerrer 200 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 2 dargestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung können
die angesprochenen Probleme anhand des gezeigten Schaltungsanteils 230,
der an eine relative Phasenklemme 251 von 180 Grad der
Hybridschaltung 250 gekoppelt ist. Die Hybridschaltung 250 sollte
vorzugsweise eine Hybridschaltung von "90 Grad" sein, was bedeutet, dass die relativen
Phasenklemmen um relative 90 Grad abweichen. Der Schaltungsanteil 230 kann
passive nichtlineare Elemente aufweisen, beispielsweise das Diodenpaar 234,
das vorzugsweise Schottky-Dioden in Parallelschaltung mit dem Widerstand 232 und 233 beinhalten
soll, um den Gleichstrom-Rückkreis
einzustellen, der vorzugsweise niedrig sein soll, und die Kapazität 231.
Es sollte ferner beachtet werden, dass, obgleich die passiven nichtlinearen
Elemente, beispielsweise das Diodenpaar 234, als ein Diodenpaar
dargestellt sind, auch eine oder mehr Dioden verwendet werden können. Des
Weiteren ist es wichtig, zur Kenntnis zu nehmen, dass beim Einsatz
von mehr als einer Diode die Diodenkonfiguration anders als eine
Konfiguration in Antiparallelschaltung gestaltet ist, da, obgleich Konfigurationen
in Antiparallelschaltung einen effektiven Kurzschluss für den Gleichstrom
zur Verfügung stellen,
Konfigurationen in Antiparallelschaltung keine Vorspannung aufweisen
können
und folglich nicht angepasst werden können, um den Betrieb des Vorverzerrers
zur Anpassung des Punktes, an welchem der nichtlineare Betrieb des
Verstärkers
auftritt, einzustellen. Um also Vorspannungspegel so einzustellen,
dass beispielsweise die Kompensationscharakteristika des Schaltungsanteils 230 am
Sättigungspunkt
oder nichtlinearen Verhaltenspunkt des Eingangssignals oder des
Leistungsverstärkers
auftreten, ist das Vorspannungsnetzwerk 210 in der Darstellung
an den Eingangsknoten 253 der Hybridschaltung 250 gekoppelt,
um die Gleichstrom-Vorspannungspegel in Verbindung mit der Gleichstromspeisung
+V 203 zur Vorspannung des Schaltungsanteils 230 anzupassen.
Es sollte beachtet werden, dass, obgleich das Vorspannungsnetzwerk 210 in der
Darstellung an den Eingangsknoten 253 gekoppelt ist, es
zur Einstellung der Vorspannung oder deren Betriebspunkt in verschiedenen
Konfigurationen an den Schaltungsanteil 230 gekoppelt werden
kann, beispielsweise direkt an das Diodenpaar 234.
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Um
außerdem
Signalreflektierungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verfügung
zu stellen, kann der Schaltungsanteil 240 vorzugsweise
gleich dem oder identisch mit dem Schaltungsanteil 230 sein,
kann zum Bespiel auf einer relativen Phasenklemme von –90 Grad
der Hybridschaltung 250 angeordnet sein, die nichtlineare
Elemente aufweist, beispielsweise das Diodenpaar 244 in
Parallelschaltung, das vorzugsweise Schottky-Dioden in Parallelschaltung
mit dem Widerstand 242 und 243 beinhaltet, die
Kapazität 241.
Genauso wie beim Schaltungsanteil 230 sollte zur Kenntnis
genommen werden, dass das Diodenpaar 244, obgleich die
passiven nichtlinearen Elemente, beispielsweise das Diodenpaar 244,
als ein Diodenpaar dargestellt sind, auch eine oder mehr Dioden
verwendet werden können. Ferner
ist es wichtig, zu beachten, dass beim Einsatz von mehr als einer
Diode für
das passive nichtlineare Element, die Diodenkonfiguration aus den
bereits zuvor dargelegten Gründen
anders als eine Konfiguration in Antiparallelschaltung in Bezug
auf das Diodenpaar 234 gestaltet ist. Dementsprechend ist
das Vorspannungsnetzwerk 220 zur Anpassung von Gleichstromvorspannungspegeln
in Verbindung mit der Gleichstromspeisung +V 203 zur Einstellung
der Spannungspegel im Kompensationsschaltungsanteil 240,
so wie zuvor in Bezug auf das Vorspannungsnetz 210 und
den Schaltungsanteil 230 beschrieben, vorzusehen. Der Ausgang 206 kann
das vorverzerrte Signal in Verbindung mit dem Eingangssignal 201 aufweisen
und beispielsweise an eine Verstärkerstufe
zwecks späterer
Verstärkung
ausgegeben werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung besteht die Möglichkeit,
Amplituden- und Phasenverzerrung unabhängig voneinander vorzuverzerren
oder zu korrigieren. Es sollte beachtet werden, dass Einflussgrößen wie
beispielsweise der Wert der Kapazität 231 und 241,
die Längen 234a und 244a der
Leitung zwischen den Diodenpaaren 234 und 244 in
Beziehung zum Wert der Widerstände 232, 233 und 242, 243 in
die Ermittlung der Phasenverschiebung des Vorverzerrers 200 einbezogen
werden können.
Die Amplitudenvorverzerrung des Vorverzerrers 200 kann
durch Änderung
des Wertes der Widerstände 232, 233 und 242, 243 angepasst
werden Darüber
hinaus kann sowohl die Amplitudenvorverzerrung als auch die Phasenvorverzerrung
weiter eingestellt werden, indem die Vorspannungswerte der Diodenpaare 234 und 244 und
die zugehörigen
Vorspannungspegel geändert
werden. Im Unterschied zu Konfigurationen in Antiparallelschaltung
nach dem Stand der Technik können
die Diodenpaare 234 und 244 mit der genauen Vorspannung
versehen werden, beispielsweise indem die Gleichstrompegel in den
Vorspannungsnetzwerken 210 und 220 eingestellt
werden.
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Dank
der Kombination nichtlinearer und linearer Bauteile ist es folglich
möglich
sowohl die Amplitude als auch die Phase durch Reflektierung von
nur einem einzigen Port zu kompensieren. Der Eingang und Ausgang
lässt sich
mit einer Hybridschaltung von 90 Grad oder einem Zirkulator anpassen.
Die Vorspannung kann dazu dienen, um Schwankungen in den Verstärkercharakteristika
in Bezug auf die Temperatur, Materialien und dergleichen zu kompensieren.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme besonderer Ausführungsformen dargestellt. Für den Fachmann
ist es jedoch leicht ersichtlich, dass außer diesen angesprochenen andere
spezifische Ausführungsformen
möglich
sind. Zu diesem Zweck braucht man sich nicht vom Rahmen der Erfindungsidee
zu entfernen. Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen dienen nur zur
Veranschaulichung und sollten in keiner Weise als einschränkend betrachtet
werden. Der Geltungsbereich der Erfindung wird eher durch die anhängenden
Ansprüche
als durch die vorhergehende Beschreibung dargestellt, und alle Abweichungen
und gleichbedeutenden Varianten, die im Rahmen der Ansprüche bleiben,
gelten als darin einbezogen.